Lọc nhiễu tín hiệu thoại dùng phương pháp EMD

Lọc nhiễu tín hiệu thoại dùng phương pháp EMD

i ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ BỘ MÔN VIỄN THÔNG  LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ CHÍNH QUY LỌC NHIỄU TÍN HIỆU THOẠI DÙNG PHƢƠNG PHÁP EMD GVHD: PGS. TS. HOÀNG ĐÌNH CHIẾN SVTH: 1. TRẦN HIẾU TRUNG MSSV: 40602711 2. DƢƠNG MINH TIẾN MSSV: 40602471 TP. HỒ CHÍ MINH, THÁNG 1 NĂM 2011 ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH CỘNG HÒA XÃ HỘI CHŨ NGHĨA VIỆT NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Độc lập – Tự do – Hạnh phúc. Số: ______ /BKĐT Khoa: Điện – Điện tử Bộ Môn: Viễn Thông NHIỆM VỤ LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP HỌ VÀ TÊN: 1. TRẦN HIẾU TRUNG – MSSV: 40602711 2. DƢƠNG MINH TIẾN – MSSV: 40602471 NGÀNH: VIỄN THÔNG LỚP: DD06DV03 1. Đề tài: “LỌC NHIỄU TÍN HIỆU THOẠI DÙNG PHƢƠNG PHÁP EMD” 2. Nhiệm vụ (Yêu cầu về nội dung và số liệu ban đầu): 3. Ngày giao nhiệm vụ luận văn: 4. Ngày hoàn thành nhiệm vụ: 5. Họ và tên người hướng dẫn: Phần hướng dẫn 1. 2. Nội dung và yêu cầu LVTN đã được thông qua Bộ Môn. Tp. HCM, ngày … tháng… năm 2011 CHỦ NHIỆM BỘ MÔN NGƢỜI HƢỚNG DẪN CHÍNH PHẦN DÀNH CHO KHOA, BỘ MÔN: Người duyệt (chấm sơ bộ): Đơn vị: Ngày bảo vệ: Điểm tổng kết: Nơi lưu trữ luận văn: TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ Độc lập – Tự do – Hạnh phúc Ngày … tháng … năm 2011 PHIẾU CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN (Dành cho người hướng dẫn) 1. HỌ VÀ TÊN: TRẦN HIẾU TRUNG -MSSV: 40602711 DƢƠNG MINH TIẾN -MSSV:40602471 NGÀNH: VIỄN THÔNG 2. Đề tài: “LỌC NHIỄU TÍN HIỆU THOẠI DÙNG PHƢƠNG PHÁP EMD” 3. Họ tên người hướng dẫn: PGS. TS. HOÀNG ĐÌNH CHIẾN 4. Tổng quát về bản thuyết minh: Số trang ……… Số chương ………. Bảng số liệu ……… Số hình vẽ ………. Số tài liệu tham khảo ……… Phần mềm tính toán ………. 5. Những ưu điểm chính của LVTN ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… 6. Những thiếu sót của LVTN ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… Đề nghị: Được bảo vệ Bổ sung thêm để bảo vệ Không được bảo vệ 7. Câu hỏi sinh viên trả lời trước Hội Đồng a. ………………………………………………………………………………… b. ………………………………………………………………………………… c. ………………………………………………………………………………… d. ………………………………………………………………………………… e. ………………………………………………………………………………… 8. ĐÁNH GIÁ CHUNG (bằng chữ: GIỎI, KHÁ, TB)…………Điểm: … ……………. Ký tên (ghi rõ họ tên) TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ Độc lập – Tự do – Hạnh phúc Ngày … tháng … năm 2011 PHIẾU CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN (Dành cho người phản biện) 1. HỌ VÀ TÊN: TRẦN HIẾU TRUNG -MSSV: 40602711 DƢƠNG MINH TIẾN -MSSV:40602471 NGÀNH: VIỄN THÔNG 2. Đề tài: “LỌC NHIỄU TÍN HIỆU THOẠI DÙNG PHƢƠNG PHÁP EMD” 3. Họ tên người hướng dẫn: PGS. TS. HOÀNG ĐÌNH CHIẾN 4. Tổng quát về bản thuyết minh: Số trang ……… Số chương ………. Bảng số liệu ……… Số hình vẽ ………. Số tài liệu tham khảo ……… Phần mềm tính toán ………. 5. Những ưu điểm chính của LVTN …………………………………………………………………………………………. . ………………………………………………………………………………………… 6. Những thiếu sót của LVTN ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… Đề nghị: Được bảo vệ Bổ sung thêm để bảo vệ Không được bảo vệ 7. Câu hỏi sinh viên trả lời trước Hội Đồng a. ………………………………………………………………………………… b. ………………………………………………………………………………… c. ………………………………………………………………………………… d. ………………………………………………………………………………… e. ………………………………………………………………………………… 8. ĐÁNH GIÁ CHUNG (bằng chữ: GIỎI, KHÁ, TB)…………Điểm: ………………… Ký tên (ghi rõ họ tên) ii LỜI CẢM ƠN  Trước tiên, chúng tôi xin gửi lời cám ơn chân thành đến PGS.TS. Hoàng Đình Chiến vì đã cho chúng tôi cơ hội được làm việc trong lĩnh vực xử lý thoại, với những hướng dẫn tận tình và đầy kinh nghiệm của thầy, cũng như những lời động viên, khuyến khích tôi trong suốt quá trình làm luận văn. Sự tận tình của thầy vừa là nguồn động lực vừa tạo cho chúng tôi sự ham thích nghiên cứu khoa học.Chúng tôi luôn trân trọng những hướng dẫn và gợi ý rất chuyên môn, sự kiên nhẫn và đặc biệt sự thân thiện của thầy. Kế đến, chúng tôi cũng xin được tri ân quý thầy cô khoa Điện- Điện tử, đặc biệt là Bộ môn Viễn thông đã vung đấp cho chúng tôi nền tảng kiến thức để có thể thực hiện luận văn này. Sau nữa, chúng tôi cũng gửi lời cám ơn đến Anh Võ Tuấn Nam là người trực tiếp chỉ bảo, hướng dẫn tận tình cho chúng tôi khi chúng tôi gặp khó khăn.Và cũng xin cám ơn hai bạn Hà Hải Triều và Mai Văn Định, vốn là những người cùng làm về đề tài xử lý tín hiệu thoại, vì những trao đổi của các bạn là nguồn động lực cho chúng tôi trong quá trình nghiên cứu. Cuối cùng, chúng tôi xin cám ơn gia đình và bạn bè đã giúp đỡ chúng tôi trong suốt thời gian qua. iii TÓM TẮT Nhiễu nền là một trong những vấn đề gây khó khăn nhất trong hệ thống viễn thông và các hệ thống thoại vì làm suy giảm chất lượng cũng như nội dung của tín hiệu thoại. Do đó, cần có một phương pháp lọc nhiễu để cải thiện chất lượng của tín hiệu thoại trong hệ thống. Mục đích của việc lọc nhiễu tín hiệu thoại là cải thiện cảm nhận của người nghe hoặc nâng cao chất lượng của tín hiệu thoại dùng trong các hệ thống nhận dạng và tổng hợp tiếng nói ứng dụng trong lĩnh vực robot, thiết bị tự động để có thể giao tiếp với con người bằng tiếng nói…Trong suốt hai mươi năm gần đây, việc nghiên cứu và phát triển rộng rãi của hệ thống thông tin số đã mở ra xu hướng nghiên cứu vềcác phương pháp lọc nhiễu tín hiệu thoại trong lĩnh vực xử lý tín hiệu. Với mục đích đó, nội dung của luận văn này sẽ trình bày một số phương pháp lọc nhiễu tín hiệu thoại dựa trên việc áp dụng một số thuật toán lấy ngưỡng trong miền EMD (Empirical Mode Decomposition - Mô hình thực nghiệm phân rã). Trong tự nhiên, tín hiệu thoại là phi tuyến(non-linear) và không dừng (non-stationary), vì vậy mà hiệu quả của việc cải thiện chất lượng tín hiệu thoại phụ thuộc rất lớn vào phương pháp phân tích.Mặc dù biến đổi Fourier và phân tích Wavelet đã có những đóng góp rất lớn trong xử lý tín hiệu, nhưng các phương pháp này vẫn gặp phải một số hạn chế với tín hiệu phi tuyến và không dừng.Gần đây, phương pháp EMD được Huang [16], [17]đưa ra như một phương pháp phân tích mới mẽ và hiệu quả cho tín hiệu phi tuyến và không dừng, mở ra một hướng mới trong nghiên cứu việc cải thiện chất lượng thoại.Về cơ bản, EMD là một phương pháp phân tích dữliệu thích nghi cho các dạng dữ liệu phức tạp để phân rã chúng thành các thành phần dao động có trung bình không (zero mean), gọi là Hàm dao động nội tại IMF(Intrinsic mode function).Những nghiên cứu gần đây phát hiện rằng chúng ta có thể xác định thành công các thành phần nhiễu từ các IMF của tín hiệu bị can nhiễu. Chính vì lý do này mà việc cải thiện tín hiệu thoại dựa trên phương pháp EMD ngày càng được chú ý hơn. Lọc nhiễu tín hiệu thoại sử dụng phương pháp EMD được thực hiện dựa vào thuật toán lấy ngưỡng.Đây là một thuật toán lọc nhiễu được sử dụng rộng rãi trong rất nhiều các iv phương pháp lọc nhiễu.Ý tưởng của thuật toán lấy ngưỡng là xác định một mức ngưỡng cho từng đoạn rồi trừ vào thành phần tín hiệu được cho là nhiễu.Tuy nhiên, việc xác định và loại trừ các thành phần nhiễu mà vẫn không làm suy giảm thành phần thoại ban đầu là một vấn đề không hề dễ dàng. Do đó nhược điểm lớn nhất của loại thuật toán này là làm suy giảm tín hiệu thoại gốc, đặc biệt là đối với tín hiệu có tỷ số tín hiệu trên nhiễu (SNR) cao. Để hạn chế sự suy giảm này, người ta áp dụng thuật toán lấy ngưỡng mềm để áp dụng cho từng khoảng tín hiệu.Các IMF của tín hiệu thoại bị can nhiễu được lọc nhiễu bằng cách áp dụng giải thuật lấy ngưỡng mềm đối với từng hệ số của mỗi IMF. Với giải thuật này thì hầu hết các thành phần nhiễu bị loại bỏ thành công trong khi các thành phần thoại vẫn được bảo toàn.Tuy nhiên trở ngại lớn nhất trong giải thuật lấy ngưỡng mềm này là làm sao để xác định chính xác mức ngưỡng tương ứng trong từng IMF.Đó mà vấn đề mà luận văn này đang vấp phải. Do hệ thống lý thuyết của phương pháp EMD cũng như thuật toán lọc nhiễu trong miền EMD chưa hoàn chỉnh, vẫn đang trong quá trình nghiên cứu nên luận văn này trình bày một số phương pháp lấy ngưỡng khác nhau trong miền EMD để xem xét hiệu quả của từng phương pháp. v MỤC LỤC Nội dung Trang Phụ bìa i Lời cảm ơn ii Tóm tắt iii Mục lục v Danh sách các từ viết tắt vii Danh sách các bảng viii Danh sách các hình x Chƣơng 1:TỔNG QUAN 1 1.1Giới thiệu chung 1 1.2 Một số ứng dụng của việc lọc nhiễu tín hiệu thoại 2 1.3 Tính cấp thiết của đề tài nghiên cứu 2 1.4 Các phương pháp lọc nhiễu tín hiệu thoại 3 1.4.1 Phân loại 3 1.4.2 Trừ phổ 4 1.4.3 Lấy ngưỡng Wavelet 6 1.4.4 Lấy ngưỡng DCT 8 1.4.5 Hướng nghiên cứu của đề tài 9 1.5Mục tiêu nghiên cứu 10 1.5.1 Mục tiêu tổng quát 10 1.5.2 Mục tiêu cụ thể 10 1.6 Tính mới và những đóng góp của đề tài 10 1.7Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 10 1.8 Phương pháp nghiên cứu 11 1.9 Phát biểu bài toán 11 Chƣơng 2 GIỚI THIỆU EMD 13 2.1 Giới thiệu 13 2.2 Khái niệm cơ bản của EMD 13 2.2.1 Hàm chế độ nội tại IMF 13 2.2.2 Quá trình chọn lọc 15 2.3 Năng lượng nhiễu của các IMF 18 vi 2.4 EMD cho tín hiệu thoại 20 Chƣơng 3 LỌC NHIỄU TRONG MIỀN EMD 22 3.1 Giới thiệu 22 3.2 Lấy ngưỡng EMD dựa trên đặc tính trong khoảng giữa của hai điểm về không 24 3.2.1 Lấy ngưỡng EMD – IT 24 3.2.2 Lấy ngưỡng EMD - SIT 28 3.2.3 Lấy ngưỡng EMD - IIT 32 3.2.4 EMD - CIIT 34 3.3 Lấy ngưỡng EMD - SST 36 3.4 Lấy ngưỡng mềm kết hợp DCT - EMD 40 3.4.1 Lấy ngưỡng mềm DCT ở tầng thứ nhất 42 3.4.2 Lấy ngưỡng mềm EMD ở tầng thứ hai 42 Chƣơng 4 THỰC HIỆN MÔ PHỎNG 45 4.1 Các thông số mô phỏng 45 4.1.1 Khung tín hiệu 45 4.1.2 Phương sai nhiễu của các IMF 46 4.1.3 Vector lấy ngưỡng 46 4.2 Kết quả mô phỏng 47 4.2.1 Các phương pháp lấy ngưỡng trên từng khoảng về không. 47 4.2.2 Phương pháp lấy ngưỡng EMD - SST 51 4.2.3 Phương pháp lấy ngưỡng kết hợp DCT – EMD 52 4.3 Khảo sát các thông số ảnh hưởng đến chất lượng tín hiệu 53 4.3.1 Ảnh hưởng của vector lấy ngưỡng 54 4.3.2. Ảnh hưởng của thông số M1, M2 57 4.3.3. Ảnh hưởng của hệ số lặp k 59 4.3.4. Ảnh hưởng của cách chuyển đổi ngẫu nhiên vị trí các mẫu của IMF đầu tiên trong phương pháp lặp 61 Chƣơng 5 KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN 63 5.1 Kết luận 63 5.2 Hướng phát triển 65 TÀI LIỆU THAM KHẢO 67 vii DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT CIIT Clear Iterative Interval- Thresholding DCT Discrete Cosine Transform DFT Discrete Fourier Transform DWT Discrete Wavelet Transform EMD Empirical Mode Decomposition IIT Iterative Interval- Thresholding IMF Intrisic Mode Function iSNR Signal to Noise Ratio input IT Interval Thresholding MAD Median Absolute Deviation oSNR Signal to Noise Ratio output SCAD Smoothly Clipped Absolute Deviation SIT Soft Interval Thresholding SST Subframe - Soft Thresholding [...]... hiệu thoại thực tế: a) Tín hiệu sạch ban đầu; b) Tín hiệu bị can nhiễu có SNR=5dB; b) Tín hiệu được lọc nhiễu 28 Hình 3.4: Phương pháp EMD – SIT trên tín hiệu Dopler: a) Tín hiệu bị can nhiễu có SNR=5dB; b) tín hiệu được lọc nhiễu so với tín hiệu sạch ban đầu 29 Hình 3.5: Phương pháp EM – SIT trên tín hiệu thoại thực tế: a) Tín hiệu sạch ban đầu; b) Tín hiệu bị can nhiễu có SNR=5dB; b) Tín hiệu. .. được lọc nhiễu 29 Hình 3.6: Phương pháp EMD – SCAD trên tín hiệu Dopler: a) Tín hiệu bị can nhiễu có SNR=5dB; b) tín hiệu được lọc nhiễu so với tín hiệu sạch ban đầu 31 x Hình 3.7: Phương pháp EMD –SCAD trên tín hiệu thực tế: a) Tín hiệu sạch ban đầu; b) Tín hiệu bị can nhiễu có SNR=5dB; b) Tín hiệu được lọc nhiễu 31 Hình 3.8: Phương pháp EMD – IIT lấy ngưỡng dựa vào EMD – SIT trên tín hiệu. .. Tín hiệu bị can nhiễu có SNR=5dB; b) Tín hiệu được lọc nhiễu 39 Hình 3.14: Sơ đồ khối của phương pháp lấy ngưỡng mềm EMD – DCT 41 Hình 3.15: Phương pháp kết hợp DCT – EMD với tín hiệu thoại thực tế: a) Tín hiệu sạch; b) Tín hiệu bị can nhiễu; Tín hiệu được lọc nhiễu bằng phương pháp: c) DCT; d) DCT EMD 43 Chƣơng 4 Hình 4.1: Kết quả lọc nhiễu trên từng khoảng về không: a) tín hiệu. .. Dopler: a) Tín hiệu bị can nhiễu có SNR=5dB; và tín hiệu được lọc nhiễu so với tín hiệu sạch ban đầu lặp với b) K=3; c) K=20 33 Hình 3.9: Phương pháp EMD – IIT lấy ngưỡng dựa vào EMD – SIT trên tín hiệu thoại thực tế: a) Tín hiệu sạch ban đầu; b) Tín hiệu bị can nhiễu có SNR=5dB; b) Tín hiệu được lọc nhiễu với K=10 34 Hình 3.10: Phương pháp EMD - CIIT: a) Tín hiệu bị can nhiễu có... tín hiệu bị can nhiễu; Tín hiệu sau khi lọc nhiễu bằng phương pháp: c) EMD - IT; d) EMD – SIT; e) EMD – SCAD 47 Hình 4.2: Kết quả lọc nhiễu bằng phương pháp EMD – CIIT dựa trên thuật toán lấy ngưỡng EMD - IT: a) tín hiệu sạch; b) tín hiệu bị can nhiễu có SNR= 0dB; Tín hiệu sau khi lọc nhiễu dựa trên thuật toán lấy ngưỡng: c) K=1; d) K=10 49 Hình 4.3: Kết quả lọc nhiễu bằng phương pháp. .. b) tín hiệu được lọc nhiễu so với tín hiệu sạch ban đầu lặp với K=15 35 Hình 3.11: Phương pháp EMD – CIIT lấy ngưỡng dựa vào EMD – SIT trên tín hiệu thoại thực tế: a) Tín hiệu sạch ban đầu; b) Tín hiệu bị can nhiễu có SNR=5dB; b) Tín hiệu được lọc nhiễu với K=10 36 Hình 3.12: Sơ đồ khối của phương pháp lấy ngưỡng EMD – SST 37 Hình 3.13: Phương pháp lấy ngưỡng EMD - SST: a) Tín hiệu. .. d) K=10 50 Hình 4.5: Kết quả lọc nhiễu bằng phương pháp lấy ngưỡng EMD - SST: a) tín hiệu sạch; b) tín hiệu bị can nhiễu có SNR=0dB (I) và SNR=10dB (II); Tín hiệu sau khi lọc nhiễu 51 Hình 4.6: Kết quả lọc nhiễu bằng phương pháp lấy ngưỡng kết hợp DCT - EMD: a) tín hiệu sạch; b) tín hiệu bị can nhiễu có SNR=0dB (I) và SNR=10dB (II); Tín hiệu sau khi lọc nhiễu 52 xii Chương... bằng phương pháp EMD – CIIT dựa trên thuật toán lấy ngưỡng EMD - SIT: a) tín hiệu sạch; b) tín hiệu bị can nhiễu có SNR= 0dB; Tín hiệu sau khi lọc nhiễu dựa trên thuật toán lấy ngưỡng: c) K=1; d) K=10 49 xi Hình 4.4: Kết quả lọc nhiễu bằng phương pháp EMD – CIIT dựa trên thuật toán lấy ngưỡng EMD - SCAD: a) tín hiệu sạch; b) tín hiệu bị can nhiễu có SNR= 0dB; Tín hiệu sau khi lọc nhiễu dựa trên thuật... có nhiễu và IMF thực tế 20 Chƣơng 3 Hình 3.1: Thuật toán lấy ngưỡng dựa vào đặc tính của khoảng giữa hai điểm về 0 a) trên một IMF; b) trên một đoạn của IMF trước và sau khi lấy ngưỡng 26 Hình 3.2: Phương pháp EMD – IT trên tín hiệu Dopler: a) Tín hiệu bị can nhiễu có SNR=5dB; b) tín hiệu được lọc nhiễu so với tín hiệu sạch ban đầu 27 Hình 3.3: Phương pháp EMD – IT trên tín hiệu. .. Giới thiệu EMD GVHD: PGS TS Hoàng Đình Chiến Chƣơng 2 GIỚI THIỆU EMD 2.1 Giới thiệu Như chúng ta đã biết, phần lớn tín hiệu thoại đều là phi tuyến và không dừng nên việc phân tích cũng như xử lý sẽ phức tạp hơn so với tín hiệu tuyến tính và ổn định.Hiện tại có khá nhiều phương pháp được áp dụng cho việc cải thiện tín hiệu thoại. Như đã nói ở chương 1, các phương pháp này được phân thành các phương pháp . b) tín hiệu được lọc nhiễu so với tín hiệu sạch ban đầu 27 Hình 3.3: Phương pháp EMD – IT trên tín hiệu thoại thực tế: a) Tín hiệu sạch ban đầu; b) Tín hiệu bị can nhiễu có SNR=5dB; b) Tín hiệu. trên tín hiệu thoại thực tế: a) Tín hiệu sạch ban đầu; b) Tín hiệu bị can nhiễu có SNR=5dB; b) Tín hiệu được lọc nhiễu 29 Hình 3.6: Phương pháp EMD – SCAD trên tín hiệu Dopler: a) Tín hiệu. b) Tín hiệu được lọc nhiễu. 31 Hình 3.8: Phương pháp EMD – IIT lấy ngưỡng dựa vào EMD – SIT trên tín hiệu Dopler: a) Tín hiệu bị can nhiễu có SNR=5dB; và tín hiệu được lọc nhiễu so với tín hiệu