一种机载环境下多输入语音信号波束形成信息互补方法技术

本发明专利技术公开了一种机载环境下多输入语音信号波束形成信息互补方法，属于机载语音信号处理领域，包括步骤：S1，对输入的信号进行预处理；S2，对预处理后的信号进行语音活动性检测；S3，进行时延估计和同步，并调整对应语音段、噪声段的范围，且判断同步后各路信号间时延是否小于滤波器长度，如果小于则进行矩阵估计，否则继续进行时延同步；S4，进行噪声矩阵估计、带噪语音矩阵估计，并以二者进行最优矩阵估计；S5，用最优矩阵估计最优权向量，得到最优滤波器，并用输入信号通过最优滤波器输出合成信号。本发明专利技术可以保证信息完整度，增强空地、机间的通话质量以及通话稳定性，不仅保留了完整的语音信息，还能够有效的提高信噪比。还能够有效的提高信噪比。还能够有效的提高信噪比。

【技术实现步骤摘要】
一种机载环境下多输入语音信号波束形成信息互补方法


[0001]本专利技术涉及机载语音信号处理领域，更为具体的，涉及一种机载环境下多输入语音信号波束形成信息互补方法。

技术介绍

[0002]超短波通信系统在飞行任务过程中，由于飞机的多天线空域覆盖不全、超短波的绕射能力差、飞机系统中存在的电磁干扰等诸多原因，导致存在语音信号断续的问题，目前针对该问题的现有解决方案主要有选择合并方法方案、等增益合并方法方案和麦克风阵列波束形成方法方案等。
[0003]选择合并方法方案属于分集合并方案中的一种合并方法，它通过选择性能最好的一条通道进行输出，但选择合并仅输出一路信号，这样会导致信息丢失。其问题可参阅图1，和图1中问题相似。即以四天线接收语音123456789为例，出现语音断续时，多通道语音信号比较选通。由于仅做了选通处理，输出信号仍然会导致语音断续、字词丢失，无法得到完整的信息。
[0004]等增益合并方法方案属于分集合并方案中的一种合并方法，它仅能保证同相相加，如果各个输入之间不平衡，容易导致弱信号放大多倍参与到合并中，引入更多噪声，甚至可能造成合并损失。
[0005]麦克风阵列波束形成方法方案通过波束形成，可以控制施加到单个麦克风或阵列中的麦克风的输出的增益，优选的是最大化来自波束形成的麦克风阵列增益，但是增加增益也可能增加系统的内部噪声或自噪声。
[0006]由上可知，现有选择合并方法方案选择单一信号进行输出，存在造成信号丢失的问题。以及，现有等增益合并方法方案中存在容易引入更多噪声，导致合并损失的问题。

技术实现思路

[0007]本专利技术的目的在于克服现有技术的不足，提供一种机载环境下多输入语音信号波束形成信息互补方法，旨在解决背景中提出的问题。
[0008]本专利技术的目的是通过以下方案实现的：
[0009]一种机载环境下多输入语音信号波束形成信息互补方法，包括以下步骤：
[0010]步骤S1，对输入的信号进行预处理；
[0011]步骤S2，对预处理后的信号进行语音活动性检测，得到输入信号的语音段范围以及输入信号的噪声段范围；
[0012]步骤S3，进行时延估计和同步，并调整对应语音段、噪声段的范围，且判断同步后各路信号间时延是否小于滤波器长度，如果小于则进行矩阵估计，否则继续进行时延同步；
[0013]步骤S4，进行噪声矩阵估计、带噪语音矩阵估计，并以二者进行最优矩阵估计；
[0014]步骤S5，用最优矩阵估计最优权向量，得到最优滤波器，并用输入信号通过最优滤波器输出合成信号。
[0015]进一步地，在步骤S1中，所述预处理包括分帧加窗处理。
[0016]进一步地，在步骤S2中，包括子步骤：对语音信号进行语音端点检测，并利用短时能量法和短时过零率法互相确定区间，得到一个准确的端点检测结果。
[0017]进一步地，在步骤S3中，包括子步骤：设输入的两路信号模型在时刻k分别为：
[0018]其中i＝1,2,...,n；s(k)表示原始的纯净语音信号；τ
i
表示各路通道所接收到的语音信号相对于原始纯净语音信号的相对时延；v
i
(k)表示各路通道所接收到的语音信号相对于原始纯净语音信号的噪声；
[0019]019]是两路输入语音信号的互相关函数，y1(k)表示第一路接收到的信号，y2(k)表示第二路接收到的信号；
[0020]τ＝τ1‑
τ2为两路信号的时延，α1表示第一路接收到的信号与纯净原始语音信号的比值系数，α2表示第二路接收到的信号与纯净原始语音信号的比值系数；
[0021]若τ
‑
(τ1‑
τ2)＝0，则s(k)的自相关矩阵R
ss
(τ
‑
(τ1‑
τ2))取得最大值，就取得最大值两路信号相关性最大，求到对应的位移点数λ，通过采样率f
s
和点数λ之间的关系，推算出两段信号的时延τ：
[0022][0023]得到时延估计结果后进行位移同步，得到无时延差的信号。
[0024]进一步地，在步骤S4中，包括子步骤：计算带噪语音自相关矩阵R
yy
：
[0025]R
yy
＝E[y(k)y
T
(k)]，其中E[]表示求期望值。
[0026]计算噪声自相关矩阵R
vv
：
[0027]R
vv
＝E[v(k)v
T
(k)]，其中
[0028]进一步地，在步骤S5中，所述最优矩阵估计包括子步骤：按如下公式计算最优矩阵W
i,0
：
[0029]其中i代表通道数，其中i代表通道数，W
i,0
表示对通道i的最优矩阵；
[0030]L
h
表示长度，表示阶数为L
h
的单位矩阵，W0表示所有通道的最优矩阵和构成的最优矩阵。
[0031]进一步地，在步骤S5中，所述用最优矩阵估计最优权向量，包括子步骤：按如下公式计算最优权向量：
[0032][0033]其中u'＝[1,0,...,0]T
是长度为L
h
的矢量，其中h
表示最优滤波器，和表示在最优滤波器变换的条件下，h
yT
R
yy
h
y
和h
vT
R
vv
h
v
分别代表带噪语音和噪声的输出功率，s.t.表示在约束条件下，W
T
表示最优滤波矩阵的转置，u'＝[1,0,...,0]T
是长度为L
h
的矢量；
[0034]通过拉格朗日乘子方法对以上两个最优化问题求解：
[0035]L
y
(h
y
,λ)＝h
yT
R
yy
h
y
+λ
y
(W
T
h
y
‑
u')
[0036]L
v
(h
v
,λ
v
)＝h
vT
R
vv
h
v
+λ
v
(W
T
h
v
‑
u')
[0037]其中L
y
(h
y
,λ)和L
v
(h,λ
v
)分别表示带噪语音和噪声在约束条件下的拉格朗日函数，λ
v
表示拉格朗日乘子矢量参数；
[0038]对L
y
(h
y
,λ)和L
v
(h,λ
v
)中的h求导，得到：
[0039]L'
y
本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种机载环境下多输入语音信号波束形成信息互补方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤S1，对输入的信号进行预处理；步骤S2，对预处理后的信号进行语音活动性检测，得到输入信号的语音段范围以及输入信号的噪声段范围；步骤S3，进行时延估计和同步，并调整对应语音段、噪声段的范围，且判断同步后各路信号间时延是否小于滤波器长度，如果小于则进行矩阵估计，否则继续进行时延同步；步骤S4，进行噪声矩阵估计、带噪语音矩阵估计，并以二者进行最优矩阵估计；步骤S5，用最优矩阵估计最优权向量，得到最优滤波器，并用输入信号通过最优滤波器输出合成信号。2.根据权利要求1所述的机载环境下多输入语音信号波束形成信息互补方法，其特征在于，在步骤S1中，所述预处理包括分帧加窗处理。3.根据权利要求1所述的机载环境下多输入语音信号波束形成信息互补方法，其特征在于，在步骤S2中，包括子步骤：对语音信号进行语音端点检测，并利用短时能量法和短时过零率法互相确定区间，得到一个准确的端点检测结果。4.根据权利要求1所述的机载环境下多输入语音信号波束形成信息互补方法，其特征在于，在步骤S3中，包括子步骤：设输入的两路信号模型在时刻k分别为：其中i＝1,2,...,n；s(k)表示原始的纯净语音信号；τ
i
表示各路通道所接收到的语音信号相对于原始纯净语音信号的相对时延；v
i
(k)表示各路通道所接收到的语音信号相对于原始纯净语音信号的噪声；R
y1y2
(τ)＝E[y1(k)y2(k
‑
τ)]，R
y1y2
(τ)是两路输入语音信号的互相关函数，y1(k)表示第一路接收到的信号，y2(k)表示第二路接收到的信号；τ＝τ1‑
τ2为两路信号的时延，α1表示第一路接收到的信号与纯净原始语音信号的比值系数，α2表示第二路接收到的信号与纯净原始语音信号的比值系数；若τ
‑
(τ1‑
τ2)＝0，则s(k)的自相关矩阵R
ss
(τ
‑
(τ1‑
τ2))取得最大值，R
y1y2
(τ)就取得最大值两路信号相关性最大，求到对应的位移点数λ，通过采样率f
s
和点数λ之间的关系，推算出两段信号的时延τ：得到时延估计结果后进行位移同步，得到无时延差的信号。5.根据权利要求1所述的机载环境下多输入语音信号波束形成信息互补方法，其特征在于，在步骤S4中，包括子步骤：计算带噪语音自相关矩阵R
yy
：R
yy
＝E[y(k)y
T
(k)]，其中E[]表示求期望值。计算噪声自相关矩阵R
vv
：
R
vv
＝E[v(k)v
T
(k)]，其中6.根据权利要求5所述的机载环境下多输入语音信号波束形成信息互补方法，其特征在于，在步骤S5中，所述最优矩阵估计包括子步骤：按如下公式计算最优矩阵W
i,0
：其中i代表通道数，其中i代表通道数，W
i,0
表示对通道i的最优矩阵；L
h
表示长度，表示阶数为L
h
的单位矩阵，W0表示所有通道的最优矩阵和构成的最优矩阵。7.根据权利要求6所述的机载环境下多输入语音信号波束形成信息互补方法，其特征在于，在步骤S5中，所述用最优矩阵估计最优权向量，包括子步骤：按如下公式计算最优权向量：向量：其中u'＝[1,0,...,0]
T
是长度为L
h
的矢量，其中h表示最优滤波器，和表示在最优滤波器变换的条件下，h
yT
R
yy
h
y
和h
vT
R
vv

【专利技术属性】
技术研发人员：黄钰，王立，雷志雄，张晓，王梦琦，朱宇，马建民，王煦，邓诚，陈卓立，张绪皓，
申请(专利权)人：中国电子科技集团公司第十研究所，
类型：发明
国别省市：