基于兩個時域LMS算法的雙麥克風系統(tǒng)分析

范鳶春

【摘要】 本文介紹了基于兩個時域LMS算法的雙麥克風系統(tǒng)結構以及性能分析。本文提出一種采用兩個時域LMS的算法，并將此算法和傳統(tǒng)的ANC算法進行比較，分析了在不同背景噪聲下的性能，改進了雙麥克風系統(tǒng)性能。

【關鍵詞】 雙麥克風 時域LMS 系統(tǒng)仿真 噪聲模型

Analysis of Time-Domain Two LMS Based Dual-Microphone System

Fan Yuanchun （Marvell Technology Hefei Branch， Anhui Hefei 230001， China）

Abstract This paper introduces the system framework and performance of dual microphone system based on the time domain two LMS algorithm. It introduces a new approach which use time domain two LMS algorithm， compares with legacy ANC algorithm，

analyzes the performance in different background noise， and improve the dual-microphone performance.

Keywords dual-microphone， time domain LMS， system simulation， noise model

一、引言

在我們的語音通信中，語音信號會不可避免地受到噪聲的干擾，強背景噪聲甚至會嚴重影響語音信號的質量。因此，在語音通信中必須采取先進的信號處理技術抵消背景噪聲、提高語音質量。雙麥克風系統(tǒng)是消除語音通信中噪聲干擾的有效方法，其原理是一個輔助麥克風用于拾取背景噪聲，在主麥克風信號中減去噪聲干擾，盡可能從帶噪語音信號中提取純凈的原始語音。

Widrow、Hoff于1959年提出最小均方算法，即LMS（Least Mean Square）算法。在1965年，首次實現(xiàn)了基于LMS算法的自適應噪聲抵消系統(tǒng)；隨后自適應噪聲抵消在信號處理、地震和生物醫(yī)學等領域獲得廣泛應用。

二、系統(tǒng)框圖

圖1為傳統(tǒng)的ANC（Adaptive Noise Cancellation，自適應噪聲抵消）框圖， 它只有一個濾波器， 以輔麥克風輸入為參考信號，以主麥克風信號為期望信號。

語音信號經(jīng)過G1（z）和G2（z）后分別到達兩個麥克風，一般地輔助麥克風信號會比主麥克風有一定程度的衰減：

S2（n）=aS1（n-d）

噪聲有各種類型，如平穩(wěn)白噪聲，非平穩(wěn)噪聲等，一般常用的包含babble， white， car等噪聲。噪聲經(jīng)過空間傳輸后，達到麥克風，有：

n1（n）=n（n）*hn1（n）

n2（n）=n（n）*hn2（n）

這里筆者提出一種采用兩個時域LMS的方法，稱為time domain two-LMS，其基本原理描述如下：

時域two-LMS算法框圖如圖2所示，主要包含兩個自適應濾波器。其中Filter1主要消除輔麥克信號當中的語音，它以主麥克風信號為參考信號，以輔麥克風信號為期望信號，在語音段進行LMS系數(shù)計算和更新；它的理想特性是完全消除輔麥克風中的語音，理論上的響應a*z^-d；實際使用時，先通過校正的方法得到模型當中的衰減和延時，做為濾波器的初始系數(shù)。

Filter2主要消除主麥克風信號中的噪聲，它以Filter1的輸出為參考信號，以主麥克風信號為期望信號，在噪聲段進行LMS系數(shù)計算和更新。

注意到Filter1和 Filter2是一個在語音段計算，另外一個在噪聲段計算。因此VAD（Voice Activity Detection，語音活動檢測）的判斷對兩個LMS的收斂控制很關鍵。單麥克風判斷VAD時一般是采用統(tǒng)計能量后再判斷能量與域值的大小的方法，雙麥克風判斷VAD時可以進一步利用兩個麥克風信號之間關系如相關性/信號幅度差等信息。例如，在我們的信號模型中，語音段和噪聲段的信號相關值會有所不同。在有語音時，兩個麥克風的相關峰值出現(xiàn)在信號的延時d上，比較確定；而在噪聲段時，根據(jù)噪聲的特性，相關峰值會有所不同，若假設噪聲到達兩個麥克風的路徑基本一致，則近似認為噪聲的相關峰值出現(xiàn)在零點附近。另外兩個麥克風之間在語音段時，存在較大的幅度差，添加幅度統(tǒng)計或能量統(tǒng)計能作為另外一個判斷VAD的條件。

三、仿真分析

當存在混響時，對LMS算法的結果進行分析，源信號的譜圖如圖3。

添加pink噪聲，不同信噪比下的含噪語音如圖4示。

3.1 ANC處理結果

（圖5、6）

3.2 time domain two-LMS處理結果

（圖7、8）

對ANC和two-LMS的結果進行對比，信號源使用第一部分的信號源。從作用上看，Two-LMS的Filter1是為了消除輔麥克當中的語音信號。從理論上說，若Fiter1能準確跟蹤到主輔麥克之間的幅度和分數(shù)延時的話，則它的效果應更接近理想。

可以看出，two-LMS在低信噪比時仍然有較好的結果，另外這里在仿真時需要將期望信號延時長一些才能得到比較好的結果。

四、 結論

本文分析了傳統(tǒng)ANC系統(tǒng)結構，提出了一種采用兩個時域LMS的方法。通過系統(tǒng)仿真，比較了在不同信噪比下ANC 和Two-time LMS的仿真結果，分析結果表明Two-time LMS結果較優(yōu)；另外當采用Two-Time LMS時，需要控制Filter1的收斂速度，以防止出現(xiàn)系數(shù)較大波動。

參 考 文 獻

[1]張賢達，現(xiàn)代信號處理。清華大學出版社，2003

[2]王布宏 郭英，頻域LMS算法在語音消噪中的應用，空軍工程大學學報，第1卷第3期，2000.08

[3] S.Haykin， Adaptive Filter Theory， Fourth Edition. Beijing Publishing House of Electronic Industry， 2002

[4] J.S. Lim and A.V. Oppenheim. Enhancement and bandwidth compression of noisy speech. Proceedings of IEEE， 1979， 67（12）：1586-1604