麥克風陣列信號處理20130513

陣列信號處理及其應用吳長奇燕山大學信息科學與工程學院2013年5月26日11、陣列信號處理的基礎1.1陣列信號模型1.2波束形成與自適應波束形成1.3DOA估計2、移動通信中的智能天線3、基于麥克風陣列的聲源定位2.1麥克風陣列模型2.2聲源定位理論基礎2.3聲源定位實驗研究21.1陣列信號模型陣列的基本概念天線陣列中單位元素稱為陣元，陣元都是有源的陣元可以是無方向性的，也可以是有方向性的陣元可以有多種排列方式，如線陣、圓陣。陣列信號處理的兩大研究內容：參數(shù)估計：以DOA估計為代表空間濾波：波束形成。3平面波與陣列信號載頻為，以平面波形式沿k方向傳播k為波數(shù)向量，即為波數(shù)（弧度/長度），c為光速，λ為電磁波波長，則距離基準點r處的陣元接收信號為

為電波傳播方向的單位向量，信號相對于基準點的延遲時間1.1陣列信號模型41.1陣列信號模型各陣元上接收信號分別為陣列信號的向量

方向向量為

p個信號時方向矩陣51.1陣列信號模型等距線陣——M個陣元等距排成直線，陣元間距為d

61.1陣列信號模型等距線陣的陣列響應與方向圖單個信源——權矢量——陣列的方向向量，或方向系數(shù)、波束圖

71.1陣列信號模型第i個陣元的接收信號——天線增益，全向天線時為常數(shù)第i個陣元的接收信號等距線陣M個陣元，P個信源。第m個陣元上第k次采樣值寫成向量形式81.1陣列信號模型91.1陣列信號模型陣列向量的二階統(tǒng)計量為陣列協(xié)方差矩陣

其特點是

s(k)與n(k)統(tǒng)計獨立，則有即為Hermitian矩陣，特征值為正。

101.1陣列信號模型對照兩個R表達式可以認為，若將R的M個特征值按大小依次排列，則前P個與信號有關，且其數(shù)值大于后M-P個，即P+1個開始特征值由噪聲決定，其數(shù)值等于

協(xié)方差矩陣的特征值分解為R空間分為相互正交的信號和噪聲子空間111.2波束形成陣列天線是全向的，但陣列輸出經(jīng)過加權求和后，可以調整到陣列接收方向增益聚集在一個方向，相當于形成一個波束——波束形成。系統(tǒng)輸出為

121.2波束形成設空間遠場的一個期望信號d(t)，其波達方向為，還有J個不需要的信號（干擾信號），其波達方向為，設每個陣元上的加性白噪聲，且都具有同樣的方差，此時第k個陣元上的接收信號為131.2波束形成N個快拍的波束形成器輸出的平均功率為141.2波束形成波束形成器最佳權向量權向量約束條件：最佳權向量是在約束條件下，求滿足Bartlett波束形成器Capon波束形成器151.3高分辨DOA估計20世紀70年代末開始，DOA估計算法得到了迅速的發(fā)展，尤以特征子空間類算法為突出，如MUSIC和ESPRIT，已成為DOA估計的標志性算法。MUSIC算法基本思想是將任意陣列輸出數(shù)據(jù)的協(xié)方差矩陣進行特征分解，從而得到與信號分量相對應的信號子空間和與信號分量相正交的噪聲子空間，然后利用這兩個子空間的正交性進行譜峰搜索來估計信號的入射方向。161.3DOA估計MUSIC算法1718191.3DOA估計201.3DOA估計212、移動通信中的智能天線智能天線是一種天線陣列，它可以動態(tài)地調節(jié)各陣元上信號的加權幅度和相位，自適應地控制波束幅度、指向和零點位置，使零點指向干擾方向，波束指向有用用戶。智能天線陣列：方向圖動態(tài)調節(jié)普通天線陣列：方向圖固定不變222、移動通信中的智能天線全向天線分扇區(qū)天線多波束天線固定天線陣列相控陣天線自適應陣列天線智能天線技術的發(fā)展過程智能天線232、移動通信中的智能天線智能天線組成部分：天線陣列（傳感器陣列）天線陣列中單位元素稱為陣元，陣元都是有源的陣元可以是無方向性的，也可以是有方向性的陣元可以有多種排列方式，如線陣、圓陣。波束形成網(wǎng)絡作用是按照控制單元的要求，對每個陣元的信號加以不同的權值，按此權值形成天線陣列的方向性圖。自適應處理器作用是按照自適應的算法計算出波束形成網(wǎng)絡的加權值242、移動通信中的智能天線253、基于麥克風陣列的聲源定位2.1麥克風陣列模型2.2聲源定位理論基礎2.3聲源定位實驗研究262.1麥克風陣列模型麥克風陣列信號模型272.1麥克風陣列模型根據(jù)聲源與麥克風陣列距離的遠近，可以將聲場模型劃分為：近場模型和遠場模型。近場時聲波是球面波前，要考慮各陣元的幅度差異，而遠場時，可以近似認為聲波為平面波前。因此第i個麥克風接收到的信號就可以用下面兩個式子來表示。282.2聲源定位理論基礎分類近場聲源定位基于可控波束形成的聲源定位技術基于高分辨率譜估計的聲源定位技術基于到達時延差(TDOA)的聲源定位技術

遠場聲源定位聲源到達方向角聲源到陣列中心的距離聲源到達方向角292.2聲源定位理論基礎比較：基于可控波束形成器的定位法的基本思想是將各麥克風采集到的信號進行預濾波，并加權求和來形成波束，進而通過搜索聲源可能的位置來引導該波束，波束輸出功率最大的方位即為聲源的方位。高分辨率譜估計法主要有AR模型法、最大熵法、MUSIC法、ESPRIT等方法。該類方法一般定位精度都比較高，但在聲源定位中的效果并不理想基于到達時延(TDOA)估計的定位法，原理是首先估計出聲源到達各麥克風對的相對時延，然后利用時延值計算出聲源到達各麥克風的距離差，最后用幾何或搜索算法確定聲源位置。30基于TDOA的聲源定位算法名稱方法描述特性基本相關法直接計算兩個麥克風接收信號的互相關函數(shù)，互相關函數(shù)取最大值的時刻即為兩麥克風之間的時間延遲方法簡單，計算量小，對噪聲、混響及數(shù)據(jù)觀測長度敏感廣義互相關法對接收信號先分別進行預濾波即加權處理，然后再送入相關器估算互相關對信號和噪聲進行白化處理，增強信號中信噪比較高的頻率成分，而抑制噪聲功率，從而獲得更好的時延估計精度，但受環(huán)境背景影響較大互功率譜相位法相關函數(shù)中的時延信息功率譜密度函數(shù)的相位譜得到通過對功率譜的歸一化，去除了信號的幅度信息，只保留了信號的相位特性，對于噪聲和混響都有較好的抑制作用，但容易產(chǎn)生相位卷繞問題最小均方自適應法

自適應時間延遲估計的原理、結構和算法是建立在自適應信號處理的理論和技術基礎之上的?；谧钚【降淖赃m應時間延遲估計方法是一種最基本的自適應時延估計方法不依賴于輸入信號和噪聲的先驗知識，可用于統(tǒng)計特性變化的時變環(huán)境，但計算量較大，不適合實際實現(xiàn)2.2聲源定位理論基礎312.3聲源定位實驗研究蘇立娟（08級）閆小媛（09級）322.3聲源定位實驗研究陳穎（09級）王立平（09級）332.3聲源定