时延估计修改.doc

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西南科技大学
自动化专业方向设计报告
设计名称： 室内声环境下的传声器阵列时延估计
姓 名：
学 号:
班 级：自动120人们所谓的时延是指从说话人开始讲话到受话人听到所说的内容的时间。一般人能忍受小于250ms的时延,若时延太长,会使通信双方都不舒服。
自1976年,Knapp和Carter关于广义相关的时延估计的论文发表以来,对时间延迟及其有关参量的估计一直是信号处理领域中活跃的研究方向。时间延迟估计在雷达、声纳、语音信号处理、地球物理勘探、故障诊断和生物医学工程等领域都有广泛的应用。它主要指利用信号处理的理论和方法对不同接收器所接收信号的时间差进行估计,来确定其它相关参量,如信源的距离、方位、速度和移动方向等。根据不同的测量环境、测量要求和不同信号的特性,分别有不同的时延估计方法,通常用到的时延估计方法有相位法、双谱法、相关法、自适应滤波器参数模型法等。随着信号处理方法不断发展和完善,现代信号处理的各种算法引入到时延估计方法中,对多径时延、可变时延提高时延估计的精度、减小了计算量。
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时延估计进展
自20世纪70年代起传声器阵列开始用于语音信号处理以来,到目前为止已经设计出各种各样的声源定位技术．其中尤其是基于到达时间延迟的声源定位技术因其良好的实时性、计算量也不大而成为目前研究的热点之一。目前国际上主要的基本时延估计方法有相关法、广义加权相关时延估计算法、相关函数和功率谱密度函数、自适应时延估计算法等不同的方法。在时延估计算法中,相关法是最经典的时延估计方法,它通过信号的自相关函数滞后的峰值估计信号之间延迟的时间差。这种方法简单易懂,容易实现,但它的不足之处是要求信号和噪声、噪声和噪声互不相关,对非平稳信号和可变时延估计的估计误差大,甚至不能估计。
基于到达时间延迟的声源定位方法〔TDOA需要先估算出声源与传声器阵列各阵元之间的相对时差,然后根据得到的时差推导计算声源至各阵元之间的距离之差,最后再利用搜索算法或几何算法得到声源所处的位置．故其实现可分为两步进行,即第一步估算出声音信号至传声器阵元之间的相对时间延迟,候选实现算法有：广义互相关函数法,多通道互相关系数〔MCCC算法等；第二步再利用所得的延迟值进行数学建模并利用阵元空间位置信息进行定位,具体实现算法有角度距离定位算法、球形差值定位算法。其示意图如图1-1所示
利用延迟数据进行声源定位
估计各传声器对之间的声源信号到达时间延迟
按一定位置摆放的传声器阵列接受声源信号
图1-1 基于时延估计的声源定位方法示意图
广义加权相关时延估计算法<GCC>在作相关之前对接收信号进行预白处理,增强了信号中信噪比较高的频率成分,提高了信噪比,从而提高了时延估计精度。由于广义相关法是相关法的一种扩展,它仍然是统计学意义上的相关,实现起来有一定的难度,所以广义加权相关法一般用有限时间的函数值代替统计学上的时延真值,作为相关函数的估值进行时延估计。相关函数和功率谱密度函数是一对傅立叶变换对,信号的相似性既可由相关函数在时域比较,也可由功率谱密度函数在频域比较,所以时延估计也可在频域实现。时延D通过傅立叶变换在频域上表现为功率谱密度函数的相位函数,从而通过相位函数对时延进行估计。
2 设计方案论证
时延估计的物理含义
通常,假定信号在信道中以无色散球面波的方式传播,为了简化分析和研究,通常将信号源和接收器考虑在同一个平面中,从而将问题化简为二维定位问题。这样,在二维空间中,球面波退化为柱面波。如图2-1所示,由于信号到达两个传声器的路径不同,将会相隔一段时间差,这段时间差称为时延。而波阵面到达两个传声器之间的距离差称为声程差,等于介质中声音传播速度与时延的乘积。
波阵面 信号源
声程差
传感器 传感器
图2-1 由声源辐射的波阵面产生的时延
假设声源与传声器距离较远,符合远场条件,则它辐射的信号可以看作是以平面波的形式传播,如图2-2所示：
H=CxD
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q
L
图2-2 远场条件下时延估计用于定向的原理图
L为两传声器之间的距离,D表示信号到达两传声器之间的时延,C表示声速,H为声程差,则根据几何关系可知,声源相对与传声器阵列的方向角为：
θ=cos-1(Hl>=cos-1(C×DL)<2-1>
可知,知道了时延D,就可以计算出方位角θ。即通过时延来