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波束形成（BF）从算法仿真到工程源码实现-第三节-延迟求和波束形成（DSB）

news 来源：原创 2025/9/11 18:59:25

一、概述

本节我们讨论延迟求和波束形成算法，包括原理分析及代码实现。更多资料和代码可以进入 https://t.zsxq.com/qgmoN ，同时欢迎大家提出宝贵的建议，以共同探讨学习。

二、原理分析

2.1 原理：

首先对不同麦克风信号之间的相对延迟进行补偿，然后叠加延时后的信号形成一个单一的输出。

$y(t)=\sum_{i = 1}^{M} w_{i}^{H}(t)x_{i}(t)=w^{H}x = x(t)w^{H}a(\theta)$

式中， $w=\left[w_{1}, w_{2},\cdots, w_{N}\right]^{T}$ 表示波束形成器的权值向量， $T$ 表示转置， $H$ 表示共轭转置。因此，波束形成是对各个麦克风接收信号进行加权因子调节并相加的过程。对各个麦克风来说，信号在一瞬间的幅值相同，一般只做信号的相位调整，不做幅度改变。由此可知，如果空间中仅存在一个 $\theta_{k}$ 方向的波信号 $a(\theta_{k})$ ，当权重矢量取 $w=a(\theta_{k})$ 时，则输出信号最大值 $y(n)=a(\theta_{k})^{H}a(\theta_{k}) = M$ 。这时阵列各路信号加权相干叠加，为经典的固定波束形成(Fixed Beamforming)。

2.2 缺点：

如果噪声源是相干的，降噪效果会强烈地依赖于噪声信号的到达方向，延迟求和波束形成在混响环境中的性能往往是不够好的。

2.3 优点：

由于可以有效地减轻非相干噪声，成本低且有一定效果，该类波束形成器仍然被广泛使用。需要注意的是，对信号的延时过程中，会遇到延时样点为分数的情形（如延时2.4个样点），这时就需要对信号进行分数时延，参考：“分数时延滤波器”；DSB简单易于实现，基于上述延时求和的思想，衍生出来其他几种简单的BF算法：delay sub（延时相减）和自适应零点的双麦BF等。

三、仿真代码

import numpy as np
import soundfile as sf
import scipy
import matplotlib.pyplot as pltfft_size = 256
freq_bin = 129def calculate_circular_array_steering_vector(angle, r=0.0463, N=6, fs=16000, fft_size=256, c=343):steering_vector = np.zeros((N, fft_size//2 + 1), dtype=complex)for f in range(int(fft_size/2+1)):for n in range(N):frequency = fs * f / fft_sizeif frequency == 0:phase_delay = 0steering_vector[n, f] = np.exp(1j * phase_delay)else:lambda_val = c / frequencytheta_mic = -2 * np.pi * n / N + 2 * np.pitheta_signal = np.pi * angle / 180phase_delay = 2 * np.pi * np.cos(theta_signal - theta_mic) * r / lambda_valsteering_vector[n, f] = np.exp(1j*phase_delay)return steering_vectordef calculate_circular_array_steering_vector_anticlockwise(angle, r=0.0463, N=6, fs=16000, fft_size=256, c=343):steering_vector = np.zeros((N, fft_size // 2 + 1), dtype=complex)for f in range(int(fft_size / 2 + 1)):for n in range(N):frequency = fs * f / fft_sizeif frequency == 0:phase_delay = 0steering_vector[n, f] = np.exp(1j * phase_delay)else:lambda_val = c / frequencytheta_mic = 2 * np.pi * n / Ntheta_signal = np.pi * angle / 180phase_delay = 2 * np.pi * np.cos(theta_signal - theta_mic) * r / lambda_valsteering_vector[n, f] = np.exp(1j * phase_delay)return steering_vectordef delay_and_sum(a, data):data1 = np.multiply(np.conjugate(a), data)data2 = np.sum(data1, axis=0) / 6return data2def main():# 读取WAV文件data, samplerate = sf.read('output/simulate_role1_0_t60_0.2_role2_180_t60_0.2.wav')# 定义帧长和帧移frame_length = int(samplerate * 0.016)  # 25ms帧长frame_step = int(samplerate * 0.008)  # 10ms帧移# 创建汉明窗hamming_window = scipy.signal.windows.hamming(frame_length)hamming_window = np.reshape(hamming_window, [frame_length, 1])sample_num = data.shape[0] - frame_length + 1HH = calculate_circular_array_steering_vector(180)# 手动分帧和加窗frames = []out1 = np.zeros(int(fft_size/2), dtype=float)for i in range(0, sample_num, frame_step):frame = data[i:i + frame_length, :]windowed_frame = frame * hamming_windowfft_frame = np.fft.fft(windowed_frame, axis=0)fft_frame1 = np.transpose(fft_frame[:freq_bin, :])fft_frame1 = delay_and_sum(HH, fft_frame1)fft_frame11 = fft_frame1fft_frame21 = np.concatenate((fft_frame11, fft_frame11[1:-1][::-1].conj()))fft_frame21 = np.transpose(fft_frame21)ifft_frame1 = np.fft.ifft(fft_frame21)short_data1 = ifft_frame1[:int(fft_size/2)] + out1out1 = ifft_frame1[int(fft_size/2):]frames.extend(short_data1)frames1 = np.array(frames).reshape((-1)).realsf.write("output/simulate_role1_0_t60_0.2_role2_180_t60_0.2_out_das_t180.wav", frames1, 16000)main()

四、结果

4.1 0度方向

4.2 180度方向

五、总结

从结果上看，延迟求和波束形成效果不佳，主要是低频信号基本没有效果，而语音信号基本上信息集中在中低频，下节我们将介绍其他效果更好的波束形成算法。