波束形成算法学习笔记之一(Endfire,broadside)

波束形成算法学习笔记


麦克风阵列算法有两大类,一类是波束形成算法,另一类是盲源分离算法,两者互有优劣,先记录波束形成算法的笔记。系列博客先介绍两种常见麦克风阵列结构,然后分别介绍固定波束形成(fixed beamforming, data-independent) 和自适应波束形成(adaptive beamforming, data-dependent)。
本篇博客只介绍Broadside和Endfire两种结构,其优缺点和应用场景。

Broadside 结构

Broadside结构是一种常见的麦克风阵列结构,麦克风之间间距为 d d ,目标语音方向和麦克风之间的连线呈垂直关系,如下图所示。
在这里插入图片描述

  • Broadside结构的优点是处理简单,只需要将两路麦克风信号相加即可。
  • 缺点也很明显,只能衰减两边的信号,对称角度的空间相应是相同的。
  • Broadside适合用于有期望信号只来自正前方,干扰来自两侧的场景。
  • 两个麦克风的场景,90°和270°的衰减最厉害。
  • 在这两个角度衰减成都是分频率的,最大的衰减出现在1/2波长处。对于7.5cm麦克风间距。其最大衰减频率为
    343 m / s e c ÷ ( 0.075 m × 2 ) 2.3 k H z 343 m/sec ÷ (0.075 m × 2) ≈ 2.3 kHz
  • 高于这个频率后,信号将发生空间混叠,即出现零点。下图中,3kHz的信号出现了四个零点。
  • 减小麦克风间距,可以提高发生空间混叠的信号频率,但是会减少低频信号的指向性,即衰减的量不够。 在这里插入图片描述

Endfire结构

Endfire是一种常见的麦克风阵列结构,麦克风之间间距为 d d ,目标语音方向和麦克风之间的连线呈平行关系,目标语音先到达一个麦克风再到达另一个,如下图所示。
在这里插入图片描述

  • Endfire结构的处理会稍微复杂一些,先收到目标语音的麦克风信号于另一路麦克风延迟 z n z^{-n} 后的信号反向相加。
  • Endfire的有点是能有足够的衰减。具体的衰减与延迟 z n z^{-n} 相关。
  • Endfire适合用于有期望信号只来自端射方向,其他方向都是干扰的场景。

两者优缺点

结构 优点 缺点
Broadside summing 1. 实现简单
2. 结构简单
1. 非期望方向衰减较少
2. 为防止混叠间距较小
Endfire differential 1. 非期望方向衰减更多
2. 更小的尺寸
1.实现复杂,需要延迟
2.低频幅度衰减
3.需要更深的阵列结构

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