基于LMS-算法的多麦克风降噪.doc
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1、课程设计任务书学生姓名: 专业班级: 指导教师: 工作单位: 信息工程学院题 目: 基于LMS算法的多麦克风降噪初始条件:l MTB软件l 数字信号处理基础知识要求完成的主要任务:给定主麦克风录制的受噪声污染的语音信号和参考麦克风录制的噪声,实现语音增强的目标,得到清晰的语音信号。()阅读参考资料和文献,明晰算法的计算过程,理解MS算法基本过程;(2)主麦克风录制的语音信号是LSprimsp.wav,参考麦克风录制的参考噪声是LSrenswav.用mata指令读取;(3)根据算法编写相应的MATLAB程序;(4)算法仿真收敛以后,得到增强的语音信号;()用mtla指令回放增强后的语音信号;(6
2、)分别对增强前后的语音信号作频谱分析。指导教师签名: 012 年 月 日系主任(或责任教师)签名: 12 年 月 日摘要随着社会工业生产的不断进步,各种噪声污染越来越严重。目前普遍采用的模拟降噪方法已不能满足要求,未来的研究将朝着以数字信号处理器及相关算法为技术支撑的数字降噪技术发展。滤波器设计在数字信号处理中占有极其重要的地位, atlab功能强大、简单易学、编程效率高,深受广大科技工作者的欢迎。特别是Matlab还具有信号分析工具箱,不需具备很强的编程能力,就可以很方便地进行信号分析、处理和设计。利用MATL信号处理工具箱可以快速有效地设计各种数字滤波器。在过去的几十年中,基于多麦克风的噪
3、声消除问题一直是人们关注的课题。而在众多算法中,基于MS算法更新滤波器权值的广义旁瓣消除器结构应用最为广泛。多麦克风降噪设计主要是通过自适应滤波器来实现的。文中采用LMS 算法在ATLAB 中实现了自适应滤波器的设计与实现。在MLAB 中建立了数字降噪系统模型,并且针对该模型利用MALB语言进行编程,仿真结果表明此设计实现了对信号中混有的环境噪声进行降噪,并且效果远远高于模拟降噪技术。关键词:MATLAB, 语音增强,MS算法,多麦克风Abtrc W te oilprogrssof inustri producton, ll kindof nise plluton s moe ad more
4、erus. Thcuren idspread seo he imulton ofth oerdction method an ot met h requiment ha, and furth reserc will waro dita galrcesor ad relted algiho technicalsuport digitl noe eutotecnlog developmet.Filtresgindigital signal ocessingplayanextreely iprtan ol, atlab ipweu,eay t r, progming efficnc,whc was
5、lcomed by th majotyf etit. Mtlab ls hs a partiuar igal analysis toolbo, i eed nthave strong prorammngskils can be sily signalanals, procesing and dig UsingMATLAB Signl rocssingToolbox can quik ad efficieny design a variety f igtl iltrs In the st ew decades, ased o heois of t oone isalwys heole to pa
6、y attetiont elimnateesject Ad i nueu agorithm, LMSaoit basedonhe generaid udte ier weght alu se-lbe eliminate most wideyusd thesucture Mor nos reuctiondesign manlythrugh the micopone t realze daptiv iler. Tsaticl appy LMS agorithm iMATLAB eaizeapivefier, he deign and mlention. I MATLA sblh igtal noi
7、se edution sysede,ad th mde orse ofATAB guagerograig, the iuationresults sh that he desigdt sinl mix i ome enionmental osnse educti, a the fect i farhighe ta alog noie reuction technlogy.eywd: MAAB,Seech nhanemnt, LMS alortm, cropone 目录 摘要IABSTRACII目录12原始语音信号采集与处理32.1 语音信号的采样理论依据.1采样频率32.2采样位数33采样定理
8、322语音信号的采集423语音信号的时频分析.语音信号加噪与频谱分析63基于LMS自适应滤波器的设计83.1基本LMS算法832 自适应噪声抵消原理33基于最小均方误差准则(LS)的自适应噪声抵消13.4LMS算法程序154 滤波并比较滤波前后信号的波形及频谱174.1验证所设计的自适应滤波器174.2对主麦克风音频信号滤波20.2.1程序流程图24.22 LMS自适应滤波204.3调试分析心得体会26参考文献27附录:源程序21前言多麦克风降噪是降噪技术的一个重要应用。我国的降噪技术研究始于80 年代初期,采用的手段主要有三种,其中的动态降噪技术(D)又可以分为模拟动态降噪技术和数字动态降噪
9、技术。目前国内外解决噪声问题最普遍的方法是采用模拟动态降噪技术,数字降噪技术的研究尚处于初期阶段。数字降噪技术比模拟降噪技术具有更大的优点。模拟降噪技术全采用硬件实施,修改和调试十分困难,对元器件参数的变化也很敏感,技术指标受元器件的误差影响较大,降噪效果不稳定,不利于产品的批量生产。而数字降噪技术由于采用计算机技术实现自适应滤波,通过修改软件算法就可以达到不同的降噪效果,不用更改硬件结构,调试和维修都非常方便;数字降噪技术采用自适应滤波技术,可以实时跟踪噪声的变化进一步进行处理,因此降噪效果较好。另外,数字降噪技术抗干扰能力强,本身具有自恢复能力,并且在整个音频带内降噪比较均衡,而模拟降噪技
10、术偏重于低频段,高频段效果较差。因此降噪技术未来的发展方向是数字降噪技术,以数字信号处理(P)及其相关算法为技术支撑的数字降噪技术代表着当今降噪技术的发展。目前市场上的麦克风降噪产品主要是模拟降噪,因此数字降噪的设计在国内属于领先技术。多麦克风数字降噪的系统原理是通过麦克风装置直接检测出噪声信号和音频信号的混合信号,然后将混合信号通过SP 数字降噪模块进行噪声分离并产生降噪信号来抵消噪声,因此人耳就可以只听到较纯净的音频信号而不受环境噪声的干扰。本文采用最小均方误差(LMS)算法,实现了数字降噪中消除噪声的模块自适应滤波器的设计,介绍了其在MTLA 中编程及仿真输出,并通过程序实现了设计。2原
11、始语音信号采集与处理2.1语音信号的采样理论依据2.1.1采样频率采样频率是指计算机每秒钟采集多少个声音样本,是描述声音文件的音质、音调,衡量声卡、声音文件的质量标准。采样频率越高,即采样的间隔时间越短,则在单位时间内计算机得到的声音样本数据就越多,对声音波形的表示也越精确。采样频率与声音频率之间有一定的关系,根据奎斯特理论,只有采样频率高于声音信号最高频率的两倍时,才能把数字信号表示的声音还原成为原来的声音。这就是说采样频率是衡量声卡采集、记录和还原声音文件的质量标准。2.1.采样位数采样位数即采样值或取样值,用来衡量声音波动变化的参数,是指声卡在采集和播放声音文件时所使用数字声音信号的二进
12、制位数。采样频率是指录音设备在一秒钟内对声音信号的采样次数,采样频率越高声音的还原就越真实越自然。采样位数和采样率对于音频接口来说是最为重要的两个指标,也是选择音频接口的两个重要标准。无论采样频率如何,理论上来说采样的位数决定了音频数据最大的力度范围。每增加一个采样位数相当于力度范围增加了dB。采样位数越多则捕捉到的信号越精确。对于采样率来说你可以想象它类似于一个照相机,4.1kHz意味着音频流进入计算机时计算机每秒会对其拍照达41000次。显然采样率越高,计算机摄取的图片越多,对于原始音频的还原也越加精确。2.3采样定理在进行模拟数字信号的转换过程中,当采样频率fsmax大于信号最高频率fm
13、x的2倍时,即:fsmax=2fmax,则采样之后的数字信号完整地保留了原始信号中的信息,一般实际应用中保证采样频率为信号最高频率的10倍,采样定理又称奈奎斯特定理。924年奈奎斯特(Nquist)就推导出:在理想低通信道的最大码元传输速率=2*log2 (其中W是理想低通信道的带宽,N是电平强度)。2.2语音信号的采集利用PC机上的声卡和WIDOWS操作系统可以进行数字信号的采集。将话筒输入计算机的语音输入插口上,启动录音机。按下录音按钮,接着对话筒说话“语音信号处理”,说完后停止录音,屏幕左侧将显示所录声音的长度。点击放音按钮,可以实现所录音的重现。以文件名“iSu”保存入c : MATL
14、AB wok中。可以看到,文件存储器的后缀默认为. wav,这是WINDOWS操作系统规定的声音文件存的标准。2.3语音信号的时频分析在ATAB软件平台下,利用wavrad函数对语音信号进行采样,记住采样频率和采样点数,avead函数调用格式:ywaread(fil) 读取file所规定的wv文件,返回采样值放在向量y中y,s,bits=avread(file) %采样值放在向量y中,fs表示采样频率(hz),bs表示采样位数=wavrad(file,) %读取前N点的采样值放在向量y中y=wavred(fle,N2) 读取从1到N2点的采样值放在向量中对语音信号riondwav进行采样其程序
15、如下:y,itsvred (OrSoud); %语音信号加载入MATLA仿真软件平台中画出语音信号的时域波形,再对语音信号进行频谱分析。MLB提供了快速傅里叶变换算法T计算DFT的函数fft,其调用格式如下:X=fft(x,N) (式2-1)参数x为被变换的时域序列向量,是DF变换区间长度,当N大于xn的长度时,ft函数自动在n后面补零。,当N小于xn的长度时,fft函数计算xn的前N个元素,忽略其后面的元素。在本次设计中,我们利用fft对语音信号进行快速傅里叶变换,就可以得到信号的频谱特性。程序如下:y,s,bit=avread(OrSund); %语音信号的采集sound(y,f,nbit
16、s); %语音信号的播放n=leng(y) ;Yff(y,n); %快速傅里叶变换fir;subplot(,1,1);plot(y);title(原始信号波形,fnweight,bod);axs( 00 8000-1 1);gri;subplt(,2);lot(abs(Y));itle(原始信号频谱,fotweight,d);axi( 0100 400);grd;程序结果如下图:图 -2 原始信号采集波形图2.4 语音信号加噪与频谱分析在MATA中产生高斯白噪声非常方便,我们可以直接应用两个函数:一个是WN,另一个是AWGN。WG用于产生高斯白噪声,AWN则用于在某一信号中加入高斯白噪声。也可
17、直接用ran函数产生高斯分布序列。在本次设计中,我们是利用TLA中的随机函数(ad或randn)产生噪声加入到语音信号中,模仿语音信号被污染,并对其频谱分析。Randn函数有两种基本调用格式:Rnn(n)和an(m,n),前者产生n服从标准高斯分布的随机数矩阵,后者产生n的随机数矩阵。在这里,我们选用andn(m,n)函数。语音信号添加噪声及其频谱分析的主要程序如下:y,fs,nbits=waved(riound);ond(y,f,nbits); legth () ; Nos0.rand(,2);s=+Ne;sund(s);fgure;ubplo(,1,1);lt(s);tit(加噪语音信号的
18、时域波形,fonteight,bld);a( 780 80 -1 1);gr;S=ff(s); sbplo(2,1,2);pot(abs(S);itle(加噪语音信号的频域波形,ontgt,bl);axis(0 150000400);gid;程序结果如下图: 图 2 信号加噪时域波形图与频谱图基于LM自适应滤波器的设计在实际应用中,常常无法得到信号和噪声统计特性的先验知识。在这种情况下,自适应滤波技术能够获得极佳的滤波性能,因而具有很好的应用价值。常用的自适应滤波技术有:最小均方(LMS)自适应滤波器、递推最小二乘(RLS)滤波器、格型滤波器和无限冲激响应(IR)滤波器等。这些自适应滤波技术的
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- 基于 LMS 算法 麦克风
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