时延估计修改

西南科技大学自动化专业方向设计报告设计名称：室内声环境下的传声器阵列时延估计姓名：学号:班级：自动1204指导教师：何宏森起止日期：2015.11.06-2015.1.08西南科技大学信息工程学院制方向设计任务书学生班级：自动1204学生姓名：学号：设计名称：室内声环境下的传声器阵列时延估计起止日期：2015.11.06—2015.1.08指导教师：何宏森设计要求：在免提语音通信中，通常需要对房间中的声源定位。传声器阵列时延估计是声源定位的重要内容。房间混响、电路噪声、以及房间背景噪声等严重影响时延估计的精确性。本课题考虑在房间声环境下，利用传声器阵列对声源到传声器阵列间的时延进行估计。(1)阅读中英文参考文献，了解该课题的研究进展；(2)互相关、广义互相关、线性预测、多通道互相关系数、最小熵等方法估计时延；(3)研究信噪比变化、房间混响变化对时延估计性能的影响；(4)运用Matlab仿真实现；(5)论文撰写。方向设计学生日志时间设计内容11.06~11.15查阅资料分别了解传声器阵列以及传声器阵列的时延估计；11.16~11.30明确课程设计的设计目的和意义、控制要求、设计方案论证；12.01~12.15完成主程序的设计，修改和仿真；12.16~12.30完成题目设计的要求，主要进行调试，并总结题目；1.08完成设计报告，答辩；3室内环境下的传声器阵列时延估计摘要：基于传声器阵列的声源定位技术通过传声器阵列接收语音信号并进行处理，从而确定及跟踪声源位置，是语音信号处理领域的一个新研究热点，具有广泛的应用前景和实际意义。本论文针对基于传声器阵列声源定位问题展开研究，主要做了以下几方面的工作：归纳总结并比较了主要的基于传声器阵列声源定位方法，建立了室内混响环境下房间脉冲响应的实现模型。同时研究了广义相关时延估计,多通道互相关系数时延估计法,线性预测法，最小熵估计时延的方法。关键词：传声器阵列；声源定位；时延估计4TimeDelayEstimationofmicrophonearrayinroomreverberationenvironmentAbstract：Acousticsourcelocalizationbasedonmicrophonearraycanbeusedtodetermineandtrackanactivetalkerautomaticallyviapickingupacousticsignalbymicrophonearray．Itisahotspotinacousticsignalprocessingfieldandhaswideappliedforegroundandpracticalsignification．Focusonthisproblem，thefollowingworkhasbeendone：Mainacousticsourcelocalizationmethodsbasedonmicrophonearrayhavebeensummarizedandarealizationmodeofroomimpulseresponseinroomreverberationenvironmentisproposed．TimeDelayEstimation(TDE)algorithmsareresearched，includingGeneralCrossCorrelation(GCC)algorithmandSpatialLinearPredictionMethod(SLP),MultichannelCross-CorrelationCoefficientAlgorithm(MCCC)andMinimumEntropyMethod(ME).Keywords:microphonearray;acousticsourcelocalization;TimeDelayEstimation51设计目的和意义1.1时延估计简介时间延迟估计是表征信号的一个基本参量，生活中人们所谓的时延是指从说话人开始讲话到受话人听到所说的内容的时间。一般人能忍受小于250ms的时延，若时延太长，会使通信双方都不舒服。自1976年，Knapp和Carter关于广义相关的时延估计的论文发表以来，对时间延迟及其有关参量的估计一直是信号处理领域中活跃的研究方向。时间延迟估计在雷达、声纳、语音信号处理、地球物理勘探、故障诊断和生物医学工程等领域都有广泛的应用。它主要指利用信号处理的理论和方法对不同接收器所接收信号的时间差进行估计，来确定其它相关参量，如信源的距离、方位、速度和移动方向等。根据不同的测量环境、测量要求和不同信号的特性，分别有不同的时延估计方法，通常用到的时延估计方法有相位法、双谱法、相关法、自适应滤波器参数模型法等。随着信号处理方法不断发展和完善，现代信号处理的各种算法引入到时延估计方法中，对多径时延、可变时延提高时延估计的精度、减小了计算量。1.2时延估计进展自20世纪70年代起传声器阵列开始用于语音信号处理以来，到目前为止已经设计出各种各样的声源定位技术．其中尤其是基于到达时间延迟的声源定位技术因其良好的实时性、计算量也不大而成为目前研究的热点之一。目前国际上主要的基本时延估计方法有相关法、广义加权相关时延估计算法、相关函数和功率谱密度函数、自适应时延估计算法等不同的方法。在时延估计算法中，相关法是最经典的时延估计方法，它通过信号的自相关函数滞后的峰值估计信号之间延迟的时间差。这种方法简单易懂，容易实现，但它的不足之处是要求信号和噪声、噪声和噪声互不相关，对非平稳信号和可变时延估计的估计误差大，甚至不能估计。基于到达时间延迟的声源定位方法（TDOA）需要先估算出声源与传声器阵列各阵元之间的相对时差，然后根据得到的时差推导计算声源至各阵元之间的距离之差，最后再利用搜索算法或几何算法得到声源所处的位置．故其实现可分为两步进行，即第一步估算出声音信号至传声器阵元之间的相对时间延迟，候选实现算法有：广义互相关函数法，多通道互相关系数（MCCC）算法等；第二步再利用所得的延迟值进行数学建模并利用阵元空间位置信息进行定位，具体实现算法有角度距离定位算法、球形差值定位算法。其示意图如图1-1所示图1-1基于时延估计的声源定位方法示意图广义加权相关时延估计算法(GCC)在作相关之前对接收信号进行预白处理，增强按一定位置摆放的传声器阵列接受声源信号估计各传声器对之间的声源信号到达时间延迟利用延迟数据进行声源定位6了信号中信噪比较高的频率成分，提高了信噪比，从而提高了时延估计精度。由于广义相关法是相关法的一种扩展，它仍然是统计学意义上的相关，实现起来有一定的难度，所以广义加权相关法一般用有限时间的函数值代替统计学上的时延真值，作为相关函数的估值进行时延估计。相关函数和功率谱密度函数是一对傅立叶变换对，信号的相似性既可由相关函数在时域比较，也可由功率谱密度函数在频域比较，所以时延估计也可在频域实现。时延D通过傅立叶变换在频域上表现为功率谱密度函数的相位函数，从而通过相位函数对时延进行估计。2设计方案论证2.1时延估计的物理含义通常，假定信号在信道中以无色散球面波的方式传播，为了简化分析和研究，通常将信号源和接收器考虑在同一个平面中，从而将问题化简为二维定位问题。这样，在二维空间中，球面波退化为柱面波。如图2-1所示，由于信号到达两个传声器的路径不同，将会相隔一段时间差，这段时间差称为时延。而波阵面到达两个传声器之间的距离差称为声程差，等于介质中声音传播速度与时延的乘积。波阵面信号源声程差传感器传感器图2-1由声源辐射的波阵面产生的时延假设声源与传声器距离较远，符合远场条件，则它辐射的信号可以看作是以平面波的形式传播，如图2-2所示：H=CxDL7图2-2远场条件下时延估计用于定向的原理图L为两传声器之间的距离，D表示信号到达两传声器之间的时延，C表示声速，H为声程差，则根据几何关系可知，声源相对与传声器阵列的方向角为：𝜽=𝐜𝐨𝐬−𝟏(𝑯𝒍)=𝐜𝐨𝐬−𝟏(𝑪×𝑫𝑳)(2-1)可知，知道了时延D，就可以计算出方位角。即通过时延来确定声源位置的理论是可行的。对图2-2所示的双基元被动定位系统，在无混响影响，且相关噪声较弱的情况下，有如下理想数学模型：{𝟏()=()𝟏()()=(𝑫)()（2-2）式2-2中x1(t)和x2(t)分别为两传声器的接收信号，s(t)为x1(t)接收到的声源信号，D为两传声器之间的相对时延，α是声波相对衰减系数，w1(t)和w2(t)是两传声器接收到的加性高斯噪声，且假设s(t)、w1(t)和w2(t)为互不相关的平稳随机过程。可见，时延估计就是根据不同位置接收器所接收到的同源信号，估计出其中所包含的时延信息，即用信号处理的方法求D的问题。时延估计的精度越高，定位误差就越小，每种时延估计方法各有利弊，应根据具体情况，结合精度要求和运算量限制进行选择。2.2近场阵列信号接收模型近场环境下，传感器阵列接收信号的模型如图2-2所示。图2-2近场阵列接收信号模型图2-2中，c为声速，r为声源到传感器之间的距离，d为传声器之间的距离，τ为时间延迟。以1通道和2通道为例，接收信号模型为：{𝟏()=𝟏()(𝟏)𝟏()()=()()()(2-3)式中，s(t)为声源信号；𝟏()和()分别为第1和第2号声传感器的接收信号；a(t)为声道衰减因子。在此假设𝟏()和()时间上独立，n1表示加性背景噪声，i=1,2.83系统设计3.1声源定位系统模型3.1.1基于传声器阵列的声源定位系统描述本论文研究的基于传声器阵列的声源定位系统，主要针对室内场合的应用，图3-1描述了一个实际的声源定位系统:反射部分室内房间说话人直接部分（待定位声源）传声器阵列噪声的直接部分噪声源反射部分图3-1基于传声器阵列的声源定位系统从图3-1可知，传声器阵列接收到的信号除声源信号的直达部分外，还包括声源的多重反射信号、噪声及多重反射噪声。因此，由于非直达声源信号及噪声的存在，声源定位的精度将受到影响。假定室内环境在一段时间内保持不变，则从声源到传声器之间可以看成是线性时不变系统。设声源信号为s(n)，第i个传声器接收到的信号为xi（n)，则：()=()()()（3-1）其中hi(n)是房间的单位冲击响应，wi(n)为高斯白噪声。假设声源信号只受加性噪声的影响，则可抽象出更为理想的模型：()=()()（3-2）α为信号的衰减系数。3.1.2混响模型当语音信号在传播过程中，由于反射、衍射等原因，到达传声器的语音信号除了直达信号外还存在着多条其它路径传来的信号，从而使接收信号的幅度衰减、音质变差等，这种现象称为混响。在理论上可用反卷积或者反滤波来消除混响，但实际中这种方法很难实现，所以进行信号处理时混响会影响到定位精度。94设计结果及分析4.1时延估计算法4.1.1相关时延估计理论相关分析是比较两个函数或信号的时间域相似程度的基本方法，设x1(t)和x2(t)分别是两个在空间上独立的传感器接收的两个信号，其源信号为s(t)，n1(t)和n2(t)是相互独立的均值为零，方差为l的高斯自噪声，D是延迟时间，表示衰减系数，观察时间范围一∞≤t≤∞，有：𝟏()=𝐬()𝟏()（4-1）()=𝐬()()（4-2）而x1(t)和x2(t)的互相关函数为：𝟏()=𝟏()()=𝐬𝐬()(4-3)因为：()()(4-4)所以（)在=即=处有一峰值，利用此峰值可检测和估计延迟。即：𝑫̂=(𝑫)(4-5)上式中，arg{·}表示取函数的自变量；max[·]表示求函数的最大值。4.1.2广义相关时延估计理论广义互相关时延估计法的基本思想是先对两输入信号x1(t)和x2(t)进行预滤波，然后再求互相关函数，这样可以在一定程度上锐化互相关函数的峰值，提高时延估计的精度。广义互相关时延估计法的原理框图如图4-1所示。x1y1X2y2图4-1广义互相关时延估计原理图信号x1(t)和x2(t)先经过预滤波器H1(f)和H2(f)进行滤