基于RLS算法的麦克风阵列输出信号自适应校准方法技术

本发明专利技术涉及一种基于RLS算法的麦克风阵列输出信号自适应校准方法，提供的方法能够解决因为麦克风的不匹配而导致的波束形成器对输出信号造成严重衰减或扭曲的问题，使得输出信号能够达到更快的误差收敛速度和更小的失真误差。同时，本发明专利技术提供的校准方法是对输出信号进行分组处理的，对于当前组输出信号的校准是基于前一组输出信号数据所更新的校准滤波器的，由于更新后的校准滤波器能够很好地贴合输出信号的特性，因此其校准的准确度与现有技术相比得到了提高，且由于校准滤波器的系数在整个的校准过程中是适应于输出信号的特性进行变化的，在麦克风阵列出现老化或环境变化等因素导致的麦克风阵列的输出特性变化较大的情况下，本发明专利技术提供的校准方法也能够很好地适应于这种变化，对输出信号进行有效的校准。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及信号处理
，更具体地，涉及一种基于RLS算法的麦克风阵列输出信号自适应校准方法。
技术介绍
语音通信已经成为人类信息交流最主要的手段之一，利用麦克风阵列来对语音信号进行处理的一系列方法理论已经被研究了二十多年。当利用单麦克风来接收语音信号时，单麦克风接收到的是由多个声源和环境噪声共同组成的混合信号。同时，由于声源的移动性以及室内各种其他声音的多径反射和混响等因素，都会导致单个麦克风输出的信号质量下降，从而导致语音通信质量严重恶化。针对单个麦克风采集语音的种种不足，研究人员考虑使用麦克风阵列来接收信号以提高语音通信的质量。所谓麦克风阵列，就是把多个麦克风按照一定的拓扑结构组成一个阵列。麦克风阵列是对来自空间不同方位的信号进行空时频联合处理的。阵列具有空间选择性，使它能够捕获特定方向的高质量信号的同时，又减少了噪声和其它干扰。另外，麦克风阵列在其接收区域内可以自动检测、定位和追踪说话者。因此，麦克风阵列被广泛应用于语音通信环境来提高语音通信的质量。进一步的，为了得到具有更高质量性能的输出信号，人们在麦克风阵列的基础架构上又提出了波束成形的方法。但是，鉴于这种方法是利用延迟和求和来形成波束的，在已经假定的信号模型中，波束形成器对一些误差因素十分的敏感，可能会造成输出信号的严重衰减和扭曲。其中一个主要的误差因素就是由制造工艺引起的麦克风的不匹配问题。基于此，现有技术提出了麦克风校准技术来对麦克风的不匹配问题进行补偿。在传统的校准技术中，麦克风的传输函数是在使用波束形成器之前就被提前测量设定的，但是由于麦克风的老化效应和环境因素的影响，麦克风的传输函数会随着时间改变，无法对后续的信号进行再次较为准确的校准。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了实现对麦克风阵列输出信号的自适应校准，解决因为麦克风的不匹配而导致的波束形成器对输出信号造成严重衰减或扭曲的问题，使得输出信号能够达到更快的误差收敛速度和更小的失真误差。为实现以上专利技术目的，采用的技术方案是：一种基于RLS算法的麦克风阵列输出信号自适应校准方法，包括以下步骤：S1.选取麦克风阵列N路麦克风的第n组输出信号x0(n)、x1(n)、x2(n)、…、xN-1(n)作为需校准的信号；S2.选取其中一路麦克风的第n组输出信号xi(n)输入至固定波束形成器中，固定波束形成器对输出信号xi(n)的特性进行平均化，得到输出信号xa(n)；S3.对xa(n)进行时间延迟补偿后得到参考信号d(n)；S4.将输出信号x0(n)、x1(n)、x2(n)、…、xN-1(n)分别输入至校准滤波器W0[n]、校准滤波器W1[n]、…、校准滤波器WN-1[n]中进行校准，校准滤波器W0[n]、校准滤波器W1[n]、…、校准滤波器WN-1[n]分别输出校准后的输出信号y0(n)、y1(n)、…、yN-1(n)；S5.令校准滤波器Wm[n]的输出信号ym(n)与d(n)相减，得到误差值em(n)；m的初始值为0；S6.根据误差值em(n)采用RLS算法对校准滤波器Wm[n]的系数进行更新；S7.令m＝m+1，然后重复执行步骤S5～S6，直至m>N-1；S8.令n＝n+1，然后执行步骤S1～S7。上述方案中，校准方法是对输出信号进行分组处理的，对于当前组输出信号的校准是基于前一组输出信号数据所更新的校准滤波器的，由于更新后的校准滤波器能够很好地贴合输出信号的特性，因此其校准的准确度与现有技术相比得到了提高，且由于校准滤波器的系数在整个的校准过程中是适应于输出信号的特性进行变化的，在麦克风阵列出现老化或环境变化等因素导致的麦克风阵列的输出特性变化较大的情况下，本专利技术提供的校准方法也能够很好地适应于这种变化，对输出信号进行有效的校准。优选地，所述步骤S3使用延时滤波器对xa(n)进行时间延迟补偿。优选地，所述步骤S4中在输出校准后的输出信号y0(n)、y1(n)、…、yN-1(n)后，将输出信号y0(n)、y1(n)、…、yN-1(n)分别输入至另一波束形成器中，另一波束形成器对输出信号y0(n)、y1(n)、…、yN-1(n)进行延迟、求和处理，然后输出经过处理的信号y0(n)、y1(n)、…、yN-1(n)。优选地，所述步骤S6具体包括以下步骤：S61.初始化校准滤波器Wm[n]的系数矩阵Wm(n)和逆矩阵Pm(0)：S62.计算增益矢量km(n)：km(n)＝Pm(n-1)Xm(n)/[λ+XmT(n)Pm(n-1)Xm(n)]；S63.对滤波器系数矩阵Wm(n)进行更新：Wm(n)＝Wm(n-1)+km(n)em(n)；其中ym(n)＝WmT(n-1)Xm(n)，em(n)＝d(n)-ym(n)；S64.对逆矩阵P(n)进行更新：Pm(n)＝λ-1[Pm(n-1)-km(n)XmT(n)Pm(n-1)]；其中，为步长调整参数，I为单位矩阵，Pm(n)表示自相关矩阵Rxx(n)的逆矩阵，λ是遗忘因子，且0<λ<1。优选地，所述步骤S61中，对逆矩阵Pm(0)进行初始化时，根据em(n)的大小对的大小进行调整。与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：本专利技术提供的方法能够解决因为麦克风的不匹配而导致的波束形成器对输出信号造成严重衰减或扭曲的问题，使得输出信号能够达到更快的误差收敛速度和更小的失真误差。同时，本专利技术提供的校准方法是对输出信号进行分组处理的，对于当前组输出信号的校准是基于前一组输出信号数据所更新的校准滤波器的，由于更新后的校准滤波器能够很好地贴合输出信号的特性，因此其校准的准确度与现有技术相比得到了提高，且由于校准滤波器的系数在整个的校准过程中是适应于输出信号的特性进行变化的，在麦克风阵列出现老化或环境变化等因素导致的麦克风阵列的输出特性变化较大的情况下，本专利技术提供的校准方法也能够很好地适应于这种变化，对输出信号进行有效的校准。另外，在校准的过程中，引入了变步长的RLS算法对校准滤波器的系数进行调整，变步长的RLS算法对输出信号具有更快的误差收敛速度和更小的失真误差，实现了对校准的优化。附图说明图1为校准方法的实施过程图。图2为校准滤波器的校准过程图。图3为校准滤波器更新的过程图。图4为校准方法的流程图。图5为实施例2的校准方法的流程图。图6为固定步长NLMS算法误差性能图。图7为RLS算法的误差性能图(步长调整参数)。图8为RLS算法的误差性能图(步长调整参数)。具体实施方式附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；以下结合附图和实施例对本专利技术做进一步的阐述。实施例1如图4所述，本专利技术提供的校准方法包括以下步骤：S1.选取麦克风阵列N路麦克风的第n组输出信号x0(n)、x1(n)、x2(n)、…、xN-1(n)作为需校准的信号；S2.选取其中一路麦克风的第n组输出信号xi(n)输入至固定波束形成器中，固定波束形成器对输出信号xi(n)的特性进行平均化，得到输出信号xa(n)；S3.通过延时滤波器对xa(n)进行时间延迟补偿后得到参考信号d(n)；S4.将输出信号x0(n)、x1(n)、x2(n)、…、xN-1(n)分别输入至校准滤波器W0[n]、校准滤波器W1[n]、…、校准滤波器WN-1[n]中进行校准，校准滤波器W0[n]、校准滤波本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于RLS算法的麦克风阵列输出信号自适应校准方法，其特征在于：包括以下步骤：S1.选取麦克风阵列N路麦克风的第n组输出信号x0(n)、x1(n)、x2(n)、…、xN‑1(n)作为需校准的信号；S2.选取其中一路麦克风的第n组输出信号xi(n)输入至固定波束形成器中，固定波束形成器对输出信号xi(n)的特性进行平均化，得到输出信号xa(n)；S3.对xa(n)进行时间延迟补偿后得到参考信号d(n)；S4.将输出信号x0(n)、x1(n)、x2(n)、…、xN‑1(n)分别输入至校准滤波器W0[n]、校准滤波器W1[n]、…、校准滤波器WN‑1[n]中进行校准，校准滤波器W0[n]、校准滤波器W1[n]、…、校准滤波器WN‑1[n]分别输出校准后的输出信号y0(n)、y1(n)、…、yN‑1(n)；S5.令校准滤波器Wm[n]的输出信号ym(n)与d(n)相减，得到误差值em(n)；m的初始值为0；S6.根据误差值em(n)采用RLS算法对校准滤波器Wm[n]的系数进行更新；S7.令m＝m+1，然后重复执行步骤S5～S6，直至m>N‑1；S8.令n＝n+1，然后执行步骤S1～S7。...

【技术特征摘要】
1.一种基于RLS算法的麦克风阵列输出信号自适应校准方法，其特征在于：包括以下步骤：S1.选取麦克风阵列N路麦克风的第n组输出信号x0(n)、x1(n)、x2(n)、…、xN-1(n)作为需校准的信号；S2.选取其中一路麦克风的第n组输出信号xi(n)输入至固定波束形成器中，固定波束形成器对输出信号xi(n)的特性进行平均化，得到输出信号xa(n)；S3.对xa(n)进行时间延迟补偿后得到参考信号d(n)；S4.将输出信号x0(n)、x1(n)、x2(n)、…、xN-1(n)分别输入至校准滤波器W0[n]、校准滤波器W1[n]、…、校准滤波器WN-1[n]中进行校准，校准滤波器W0[n]、校准滤波器W1[n]、…、校准滤波器WN-1[n]分别输出校准后的输出信号y0(n)、y1(n)、…、yN-1(n)；S5.令校准滤波器Wm[n]的输出信号ym(n)与d(n)相减，得到误差值em(n)；m的初始值为0；S6.根据误差值em(n)采用RLS算法对校准滤波器Wm[n]的系数进行更新；S7.令m＝m+1，然后重复执行步骤S5～S6，直至m>N-1；S8.令n＝n+1，然后执行步骤S1～S7。2.根据权利要求1所述的基于RLS算法的麦克风阵列输出信号自适应校准方法，其特征在于：所述步骤S3使用延时滤波器对xa(n)进行时间延迟补偿。3.根据权利要1所述的基于RLS算法的麦克风阵列输出信号自适应校准方法，...

【专利技术属性】
技术研发人员：李宇，何粤，谭洪舟，
申请(专利权)人：广东顺德中山大学卡内基梅隆大学国际联合研究院，中山大学，
类型：发明
国别省市：广东;44