7] 優(yōu)選地，針對不同的頻率點作不同的增強或衰減處理，使得主觀聽覺感受更加舒 適。例如，在低頻時，波束的主瓣很寬，低頻信號基本沒有受到衰減，因此可以不用增強。而 當(dāng)頻率大于一定值以后，信號開始衰減，隨著頻率的增加將波束的增益做不同程度的放大， 如公式（16)所示。
[0109] 其中，A = fs/8，f2 = fs/4, β ρ β 2為不同的放大倍數(shù)，本實施例中β i = 2. 8, β 2 =2。
[oho] 所述增益在預(yù)先設(shè)置的不同頻域值范圍內(nèi)，與頻域值有不同的正比例關(guān)系。
[0111] 步驟104,對增益后的所述輸出方向上波束形成后輸出的各頻點的音頻信號進行 STFT的逆變換，獲取時域聲音信號。
[0112] 采用本發(fā)明所述方法，與現(xiàn)有技術(shù)相比，基于頻域的寬帶波束形成算法，有效地提 高了接收語音的增益。采用自適應(yīng)選擇最佳波束的方式，規(guī)避了提供期望信號到達方向等 先驗信息，減小了算法復(fù)雜度，增加了算法的適用范圍。所用的頻域波束形成算法有利于對 信號頻譜的精細調(diào)整，方便與其它的前后處理算法進行融合。采用調(diào)節(jié)頻點增益的后處理 算法，改善了寬帶語音信號處理中的音質(zhì)下降問題。同時，本發(fā)明易于實現(xiàn)，計算量小，適用 于各種嵌入式平臺。
[0113] 本發(fā)明提供一種信號處理的裝置。
[0114] 實施例一：
[0115] 參照圖6,圖6為本發(fā)明信號處理的裝置第一實施例的功能模塊示意圖。
[0116] 在第一實施例中，該裝置包括：
[0117] 采集與時頻變換單元601，用于獲取至少兩個通道聲音信號，并對各個通道聲音信 號進行短時傅里葉變換STFT，獲取所述各個通道聲音信號對應(yīng)的頻域音頻信號；
[0118] 具體的，采集Ν個麥克風(fēng)的聲音信號（Ν> = 2)，對每一個麥克風(fēng)接收到的時域信號 進行短時傅里葉變換（short-time Fourier transform, STFT)，得到該麥克風(fēng)接收信號各 頻點的數(shù)據(jù)。
[0119] 對各個麥克風(fēng)信號采用相同的分幀方法進行短時傅里葉變換，幀與幀之間部分重 疊，重疊的方式可以有多種，本實施例采用1/4幀移的方式進行分幀，當(dāng)然也可以采用1/2 中貞移等其他方式；將第η個麥克風(fēng)幀信號s n(i)乘上窗函數(shù)w(i)，本實施例使用hamming 窗，得到加窗幀信號xn(i);然后，對加窗后的幀信號進行短時傅里葉變換，得到頻域的幀數(shù) 據(jù)，即：
[0120] Xn(f) = fft(xn(i)) (1)
[0121] 其中，i = 1，"％L，L為幀數(shù)據(jù)長度，f為頻點。
[0122] 第一獲取單元602,用于根據(jù)預(yù)先設(shè)置的多方向的權(quán)向量和所述各個通道聲音信 號對應(yīng)的頻域音頻信號獲取每個頻點的音頻信號對應(yīng)波束群的波束形成輸出信號；
[0123] 具體的，設(shè)計一個波束群，包含Μ個波束分別指向Μ個方向：θ ρ θ2，…，ΘΜ，每個 波束都使用麥克風(fēng)陣列中的所有陣元做波束形成。各個相鄰波束的主瓣相交，并且波束群 的主瓣覆蓋所需的空間范圍，這樣不管聲源從哪個方向過來，都有一個波束的指向與之接 近。
[0124] 根據(jù)Μ個不同方向的權(quán)矢量，獲得相應(yīng)的Μ個波束形成后的頻域幀數(shù)據(jù)。具體方 法如下：針對其中的某個特定方向θη，使用Μ個不同方向的權(quán)向量對麥克風(fēng)陣列中各個麥 克風(fēng)在相同頻點f的接收數(shù)據(jù)進行加權(quán)和，得到第m個波束該頻點加權(quán)合成數(shù)據(jù)Yjf)。
[0126] 其中，為對第m個波束中第η個麥克風(fēng)接收的頻點f上數(shù)據(jù)所施加的權(quán)值， m = 1，…，M，*表示共軛/表示共軛轉(zhuǎn)置，乂和Wm分別為Xn(f)和Wmin(f)的矢量表示形式。
[0127] 優(yōu)選地，所述第一獲取單元602,用于：
[0128] 根據(jù)預(yù)先設(shè)置的多方向的權(quán)向量，選取全部或部分通道聲音信號對應(yīng)的頻域音頻 信號，獲取每個頻點的音頻信號對應(yīng)波束群的波束形成輸出信號
[0129] 具體的，由于受到麥克風(fēng)陣列的拓撲結(jié)構(gòu)的影響，使用麥克風(fēng)陣列中的部分子陣 做波束形成的效果可以非常接近使用全部陣元做波束形成的效果?？梢酝ㄟ^較少的運算量 獲得相同的性能效果。如圖2,圖2為本發(fā)明波束形成的方法示意圖。所示的8個指向性麥 克風(fēng)組成的圓型麥克風(fēng)陣列，本實施例選擇與期望信號方向最接近的那個麥克風(fēng)及其相鄰 的兩個麥克風(fēng)組成子陣來做波束形成，比如期望信號為45度方向的波束，選擇正對45度方 向的2號麥克風(fēng)及其相鄰的1、3號麥克風(fēng)組成子陣來做波束形成。
[0130] 設(shè)計一個波束群，包含8個波束分別指向8個方向：0度、45度、90度、135度、180 度、225度、270度、315度。各個相鄰波束的主瓣相交，并且所有波束的主瓣疊加覆蓋360度 范圍，這樣不管聲源從哪個方向過來，都有一個波束的指向與之接近。
[0131] 第二獲取單元603,用于根據(jù)同一方向的不同頻點的波束能量獲取所述波束群的 輸出方向；
[0132] 優(yōu)選地，所述第二獲取單元603,用于：
[0133] 對同一方向的不同頻點的波束能量進行求和，并選取波束能量最大的方向作為輸 出方向。
[0134] 具體的，實現(xiàn)流程如圖3所示，利用第一獲取單元602得到的加權(quán)合成數(shù)據(jù)Y" (f)， 分別計算Μ個頻域幀數(shù)據(jù)的能量。計算公式如下：
[0136] 其中匕為采樣率，然后，選擇能量值E"最大的波束，作為最終的波束形成結(jié)果。從 而實現(xiàn)自適應(yīng)選擇一個與聲源方向最接近的波束，獲得最佳的音質(zhì)。
[0137] 優(yōu)選地，所述第二獲取單元603還用于：
[0138] 對同一方向的預(yù)先設(shè)置的第一頻率至第二頻率之間的所有頻點的波束能量進行 求和，并選取波束能量最大的方向作為輸出方向。
[0139] 具體的，為了節(jié)省計算量和保持選擇的準(zhǔn)確性，可以根據(jù)部分頻點的能量和來選 擇最佳的輸出波束。具體實現(xiàn)流程如圖3所示。利用所述第一獲取單元602到的加權(quán)合成 數(shù)據(jù)Y n(f)，分別計算Μ個方向?qū)?yīng)的頻域幀數(shù)據(jù)的能量和。計算公式如下：
[0141] 其中 0 < < f2 < fs/2,例如，當(dāng) FFT 的長度 L 為 256 時，= fs/8, f2 = fs/2。 這里計算的就是頻點到f2的能量和。然后選擇能量值E最大的波束，作為最終的波束形 成結(jié)果。采用以上方式可以避免低頻信號失真。
[0142] 其中，所述多方向的權(quán)向量是基于延時累加波束形成算法、線性約束最小方差波 束形成算法、廣義旁瓣抵消波束形成算法或者最小方差無畸變響應(yīng)法MVDR得到的。
[0143] 具體的，本實施例以MVDR波束形成濾波器為例進行詳細說明。
[0144] MVDR方法就是使輸出信號的功率最小來獲得對最優(yōu)波束形成器權(quán)矢量的估計。輸 出信號的功率譜密度為：
[0145] Φγγ = WHC>XXW (5)
[0146] 其中Φχχ表示陣列輸入信號的功率譜密度矩陣。
[0147] 在最優(yōu)化過程中需要保證期望方向上的信號無失真，即
[0148] ffHd = 1 (6)
[0149] 其中d表示信號傳播所引起的衰減和延遲，如下：
[0151] 如果使用遠場模型，各陣元接收信號的幅度差異可忽略，衰減因子(1"全部設(shè)為1， Ω為角頻率，τη為空間兩個陣元之間時間差：
[0152]
[0153] 其中，fs為信號的采樣率，c為聲速340m/s，1Χιη為第η個陣元與參考陣元之間的 間隔距尚在X軸方向的分量，l yin為y軸方向的分量，1Ζιη為ζ軸方向的分量，θ為入射信 號在xy平面的投影與X軸的夾角，Ρ為入射信號與ζ軸的夾角。圖4為本發(fā)明提供的一種 L型的三維空間麥克風(fēng)陣列的示意圖。而公式（4)對于任意拓撲結(jié)構(gòu)的麥克風(fēng)陣列都是適 用的。
[0154] 那么這個波束形成器就轉(zhuǎn)化為求解帶約束的優(yōu)化問題：
[0156] 因為只對最佳的噪聲抑制感興趣，如果期望信號的方向和陣列的指向是完全一致 的，那么就只要使用噪聲的功率譜密度矩陣，可以得到MVDR濾波器為：
[0158] 其中Φνν為噪聲的功率譜密度矩陣。如果該矩陣為相干矩陣即得到超指向性波束 形成器，即為第一獲取單元602中使用的頻域權(quán)矢量：
[0160] Γνν為噪聲相干函數(shù)矩陣，其中第ρ行、第q列元素由下式計算：
[0162] 其中l(wèi)pq為陣元p、q之間的間隔距離。
[0163] 逆變換單元604,用于獲取所述方向上波束形成后輸出的時域聲音信號。
[0164] 具體的，對所有頻點f的加權(quán)合成幀數(shù)據(jù)Y(f)作逆短時傅里葉變換，即可得到加 權(quán)后的時域幀數(shù)據(jù)y(i)，i = 1，···Λ。然后，對時域幀數(shù)據(jù)做加窗與疊加處理，得到最終的 時域