Задайте универсальную линейную матрицу

Во-первых, задайте универсальную линейную матрицу (ULA), чтобы получить сигнал. Массив содержит 10 всенаправленных элементов (микрофоны), расположенные с интервалами на расстоянии в 5 см. Установите верхнюю границу для частотного диапазона интереса для 4 кГц, потому что сигналы, используемые в этом примере, производятся на уровне 8 кГц.

microphone = ...
    phased.OmnidirectionalMicrophoneElement('FrequencyRange',[20 4000]);

Nele = 10;
ula = phased.ULA(Nele,0.05,'Element',microphone);
c = 340;  % speed of sound, in m/s

Симулируйте полученные сигналы

Затем симулируйте многоканальный сигнал, полученный массивом микрофона. Два речевых сигнала используются в качестве аудио интереса. Сегмент аудио смеха используется в качестве интерференции. Частота дискретизации звуковых сигналов составляет 8 кГц.

Поскольку звуковые сигналы являются обычно большими, это часто не практично, чтобы считать целый сигнал в память. Поэтому в этом примере, вы читаете и обрабатываете сигнал способом потоковой передачи, i.e., повредите сигнал в маленькие блоки во входе, процесс каждый блок, и затем соберите их при выходе.

Инцидентное направление первого речевого сигнала является-30 градусами в области азимута и 0 градусами в области вертикального изменения. Направление второго речевого сигнала является-10 градусами в области азимута и 10 градусами в области вертикального изменения. Интерференция прибывает из 20 градусов в области азимута и 0 градусов в области вертикального изменения.

ang_dft = [-30; 0];
ang_cleanspeech = [-10; 10];
ang_laughter = [20; 0];

Теперь можно использовать широкополосный коллектор, чтобы симулировать 3-секундный сигнал, полученный массивом. Заметьте, что этот подход принимает, что каждый вход одноканальный сигнал получен в начале координат массива одним микрофоном.

fs = 8000;
collector = phased.WidebandCollector('Sensor',ula,'PropagationSpeed',c, ...
    'SampleRate',fs,'NumSubbands',1000,'ModulatedInput', false);

t_duration = 3;  % 3 seconds
t = 0:1/fs:t_duration-1/fs;

Сгенерируйте сигнал белого шума со степенью 1e-4 Уоттса представлять тепловой шум для каждого датчика. Локальный поток случайных чисел гарантирует восстанавливаемые результаты.

prevS = rng(2008);
noisePwr = 1e-4;

Запустите симуляцию. При выходе полученный сигнал хранится в матрице с 10 столбцами. Каждый столбец матрицы представляет сигнал, собранный одним микрофоном. Обратите внимание на то, что аудио воспроизводится во время симуляции.

% preallocate
NSampPerFrame = 1000;
NTSample = t_duration*fs;
sigArray = zeros(NTSample,Nele);
voice_dft = zeros(NTSample,1);
voice_cleanspeech = zeros(NTSample,1);
voice_laugh = zeros(NTSample,1);

% set up audio device writer
player = audioDeviceWriter('SampleRate',fs);

dftFileReader = dsp.AudioFileReader('SpeechDFT-16-8-mono-5secs.wav', ...
    'SamplesPerFrame',NSampPerFrame);
speechFileReader = dsp.AudioFileReader('FemaleSpeech-16-8-mono-3secs.wav', ...
    'SamplesPerFrame',NSampPerFrame);
laughterFileReader = dsp.AudioFileReader('Laughter-16-8-mono-4secs.wav', ...
    'SamplesPerFrame',NSampPerFrame);

% simulate
for m = 1:NSampPerFrame:NTSample
    sig_idx = m:m+NSampPerFrame-1;
    x1 = dftFileReader();
    x2 = speechFileReader();
    x3 = 2*laughterFileReader();
    temp = collector([x1 x2 x3], ...
        [ang_dft ang_cleanspeech ang_laughter]) + ...
        sqrt(noisePwr)*randn(NSampPerFrame,Nele);
    player(0.5*temp(:,3));
    sigArray(sig_idx,:) = temp;
    voice_dft(sig_idx) = x1;
    voice_cleanspeech(sig_idx) = x2;
    voice_laugh(sig_idx) = x3;
end

Заметьте, что смех маскирует речевые сигналы, представляя их непонятный. Постройте сигнал в канале 3.

plot(t,sigArray(:,3));
xlabel('Time (sec)'); ylabel ('Amplitude (V)');
title('Signal Received at Channel 3'); ylim([-3 3]);

Процесс с формирователем луча с временной задержкой

Формирователь луча с временной задержкой компенсирует различия времени поступления через массив для сигнала, прибывающего из определенного направления. Время выровнялось, многоканальные сигналы когерентно усреднены, чтобы улучшить отношение сигнал-шум (SNR). Задайте держащийся угол, соответствующий инцидентному направлению первой речи, сигнализируют и создают формирователь луча с временной задержкой.

angSteer = ang_dft;
beamformer = phased.TimeDelayBeamformer('SensorArray',ula, ...
    'SampleRate',fs,'Direction',angSteer,'PropagationSpeed',c)

beamformer = 

  phased.TimeDelayBeamformer with properties:

          SensorArray: [1x1 phased.ULA]
     PropagationSpeed: 340
           SampleRate: 8000
      DirectionSource: 'Property'
            Direction: [2x1 double]
    WeightsOutputPort: false

Обработайте синтезируемый сигнал, затем постройте и слушайте выход обычного формирователя луча.

signalsource = dsp.SignalSource('Signal',sigArray, ...
    'SamplesPerFrame',NSampPerFrame);

cbfOut = zeros(NTSample,1);

for m = 1:NSampPerFrame:NTSample
    temp = beamformer(signalsource());
    player(temp);
    cbfOut(m:m+NSampPerFrame-1,:) = temp;
end

plot(t,cbfOut);
xlabel('Time (s)'); ylabel ('Amplitude');
title('Time Delay Beamformer Output'); ylim([-3 3]);

Можно измерить речевое улучшение усилением массивов, которое является отношением выходного сигнала к интерференции плюс шумовое отношение (SINR) к входу SINR.

agCbf = pow2db(mean((voice_cleanspeech+voice_laugh).^2+noisePwr)/ ...
    mean((cbfOut - voice_dft).^2))

agCbf =

    9.5022

Заметьте, что первый речевой сигнал начинает появляться в формирователе луча с временной задержкой выход. Вы получаете улучшение SINR 9,4 дБ. Однако фоновый смех все еще сопоставим с речью. Чтобы получить лучшую эффективность формирователя луча, используйте формирователь луча Фроста.

Процесс с формирователем луча мороза

Путем присоединения КИХ-фильтров к каждому датчику формирователь луча Фроста имеет больше beamforming весов, чтобы подавить интерференцию. Это - адаптивный алгоритм, который места аннулирует в изученных интерференционных направлениях, чтобы лучше подавить интерференцию. В держащемся направлении формирователь луча Фроста использует ограничения без искажений, чтобы гарантировать, что желаемые сигналы не подавлены. Создайте формирователь луча Мороза с КИХ с 20 касаниями после каждого датчика.

frostbeamformer = ...
    phased.FrostBeamformer('SensorArray',ula,'SampleRate',fs, ...
    'PropagationSpeed',c,'FilterLength',20,'DirectionSource','Input port');

Процесс и игра синтезируемый сигнал с помощью формирователя луча Фроста.

reset(signalsource);
FrostOut = zeros(NTSample,1);
for m = 1:NSampPerFrame:NTSample
    temp = frostbeamformer(signalsource(),ang_dft);
    player(temp);
    FrostOut(m:m+NSampPerFrame-1,:) = temp;
end

plot(t,FrostOut);
xlabel('Time (sec)'); ylabel ('Amplitude (V)');
title('Frost Beamformer Output'); ylim([-3 3]);

% Calculate the array gain
agFrost = pow2db(mean((voice_cleanspeech+voice_laugh).^2+noisePwr)/ ...
    mean((FrostOut - voice_dft).^2))

agFrost =

   14.4385

Заметьте, что интерференция теперь отменяется. Формирователь луча Мороза имеет усиление массивов 14,5 дБ, которое на приблизительно 5 дБ выше, чем тот из формирователя луча с временной задержкой. Повышение производительности является впечатляющим, но имеет высокую вычислительную стоимость. В предыдущем примере КИХ-фильтр порядка 20 используется для каждого микрофона. Со всеми 10 датчиками это должно инвертировать 200 200 матрица, которая может быть дорогой в режиме реального времени обработка.

Используйте загрузку диагонали, чтобы улучшить робастность формирователя луча мороза

Затем регулируйте массив в направлении второго речевого сигнала. Предположим, что вы только знаете грубую оценку азимута-5 градусов и вертикальное изменение 5 градусов для направления второго речевого сигнала.

release(frostbeamformer);
ang_cleanspeech_est = [-5; 5];  % Estimated steering direction

reset(signalsource);
FrostOut2 = zeros(NTSample,1);
for m = 1:NSampPerFrame:NTSample
    temp = frostbeamformer(signalsource(), ang_cleanspeech_est);
    player(temp);
    FrostOut2(m:m+NSampPerFrame-1,:) = temp;
end

plot(t,FrostOut2);
xlabel('Time (sec)'); ylabel ('Amplitude (V)');
title('Frost Beamformer Output');  ylim([-3 3]);

% Calculate the array gain
agFrost2 = pow2db(mean((voice_dft+voice_laugh).^2+noisePwr)/ ...
    mean((FrostOut2 - voice_cleanspeech).^2))

agFrost2 =

    6.1927

Речь является едва слышимой. Несмотря на 6,1 усилений дБ от формирователя луча, эффективность страдает от неточного руководящего направления. Один способ улучшить робастность формирователя луча Фроста против направления несоответствия прибытия состоит в том, чтобы использовать диагональную загрузку. Этот подход добавляет небольшое количество в диагональные элементы предполагаемой ковариационной матрицы. Недостаток этого метода - то, что он затрудняет, чтобы оценить правильный коэффициент загрузки. Здесь вы пробуете диагональную загрузку значением 1e-3.

% Specify diagonal loading value
release(frostbeamformer);
frostbeamformer.DiagonalLoadingFactor = 1e-3;

reset(signalsource);
FrostOut2_dl = zeros(NTSample,1);
for m = 1:NSampPerFrame:NTSample
    temp = frostbeamformer(signalsource(),ang_cleanspeech_est);
    player(temp);
    FrostOut2_dl(m:m+NSampPerFrame-1,:) = temp;
end

plot(t,FrostOut2_dl);
xlabel('Time (sec)'); ylabel ('Amplitude (V)');
title('Frost Beamformer Output');  ylim([-3 3]);

% Calculate the array gain
agFrost2_dl = pow2db(mean((voice_dft+voice_laugh).^2+noisePwr)/ ...
    mean((FrostOut2_dl - voice_cleanspeech).^2))

agFrost2_dl =

    6.4788

Выходной речевой сигнал улучшен, и вы получаете 0,3 улучшения усиления дБ из диагонального метода загрузки.

release(frostbeamformer);
release(signalsource);
release(player);

rng(prevS);

Сводные данные

В этом примере показано, как использовать формирователи луча области времени, чтобы получить речевые сигналы из шумных измерений микрофона массивов. Пример также показывает, как симулировать интерференционно-доминирующий сигнал, полученный массивом микрофона. Пример используемая и задержка и формирователи луча Фроста и сравненный их эффективность. Формирователь луча Фроста имеет лучшую интерференционную возможность подавления. Пример также иллюстрирует использование загрузки диагонали, чтобы улучшить робастность формирователя луча Фроста.

Ссылка

[1] О. Л. Фрост III, алгоритм для линейной ограниченной адаптивной обработки матриц, Продолжений IEEE, Издания 60, Номера 8, август 1972, стр 925-935.