Triệt can nhiễu và nhiễu cho tín hiệu âm thanh sử dụng giải thuật LMS và RLS

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA -ZY - PHAN THANH NGÀ TRIỆT CAN NHIỄU VÀ NHIỄU CHO TÍN HIỆU ÂM THANH SỬ DỤNG GIẢI THUẬT LMS VÀ RLS Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử Mã số: 14 LUẬN VĂN THẠC SĨ TP HỒ CHÍ MINH, tháng 12 năm 2012 CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA –ĐHQG -HCM Cán hướng dẫn khoa học: Tiến sĩ Đỗ Hồng Tuấn Cán chấm nhận xét : Cán chấm nhận xét : Luận văn thạc sĩ bảo vệ Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp HCM ngày tháng năm Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: Xác nhận Chủ tịch Hội đồng đánh giá luận văn Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau luận văn sửa chữa (nếu có) CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƯỞNG KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Độc lập - Tự - Hạnh phúc NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: Phan Thanh Ngà MSHV: 10140032 Ngày, tháng, năm sinh: 10-12-1972 Nơi sinh: Cần Thơ Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử Mã số: 14 I TÊN ĐỀ TÀI: Triệt can nhiễu nhiễu cho tín hiệu âm sử dụng giải thuật LMS RLS NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: II NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 14/06/2012 III NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 25/12/2012 IV CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: Tiến sĩ Đỗ Hồng Tuấn Tp HCM, ngày … tháng … năm…… CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO ĐỖ HỒNG TUẤN ĐỖ HỒNG TUẤN TRƯỞNG KHOA LỜI CẢM ƠN Trước hết, em xin chân thành cảm ơn thầy-TS Đỗ Hồng Tuấn, gợi ý, bảo cung cấp tài liệu quí báu thầy giúp em hoàn thành luận văn Em xin gửi lời cảm ơn đến thầy, cô trường Đại học Bách Khoa Thành Phố Hồ Chí Minh hướng dẫn, tạo điều kiện cho em học tập nghiên cứu suốt thời gian học vừa qua Xin cảm ơn bạn học viên người thân giúp đỡ, động viên chia sẻ lúc khó khăn thời gian học tập thực đề tài Do hạn chế việc tiếp cận tài liệu kỹ thuật, thời gian nghiên cứu ngắn chịu nhiều yếu tố tác động nên luận văn khơng tránh khỏi sai sót Em mong nhận ý kiến đóng góp xây dựng quý Thầy, Cô tất bạn để luận văn hồn thiện TP Hồ Chí Minh, Tháng 01/2013 Phan Thanh Ngà TÓM TẮT LUẬN VĂN Các hệ thống âm truyền thông, giao tiếp qua thiết bị điện tử, kỹ thuật Phát Thanh, Truyền Hình mơi trường nhiễu ln ln thay đổi xâm nhập vào tín hiệu âm gốc Để giải tốn lọc nhiễu trên, mơ hình lọc nhiễu thích nghi sử dụng thuật tốn bình phương trung bình tối thiểu(LMSLeast Mean Square) lựa chọn tính đơn giản hiệu suất thuật toán cài đặt Tuy nhiên việc thực lọc nhiễu hệ thống âm băng rộng đòi hỏi phương pháp lọc để thỏa mãn tính ổn định thuật toán tăng tốc độ hội tụ, đơn giản phần cứng vấn đề cần đặt Luận văn nghiên cứu, khảo sát việc lọc can nhiễu hệ thống âm băng rộng phương pháp lọc thích nghi dựa giải thuật LMS(Least Mean Square) RLS(Recursive Least Square) để gải vấn đề nêu trên, với thuật tốn thích nghi thiết kế thực MATLAB LỜI CAM ĐOAN Đề tài “Triệt can nhiễu nhiễu cho tín hiệu âm sử dụng giải thuật LMS RLS“ hướng dẫn tiến sĩ Đỗ Hồng Tuấn Tôi xin cam đoan luận văn tơi thực chưa có phần nội dung hay kết luận văn cơng bố tạp chí, nộp để lấy trường đại học đó, ngoại trừ kết tham khảo ghi rõ luận văn Ngày tháng năm 2012 Người thực PHAN THANH NGÀ HVTH: Phan Thanh Ngà CBHD: TS Đỗ Hồng Tuấn MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN TÓM TẮT LUẬN VĂN MỤC LỤC 01 MỤC LỤC HÌNH 03 CÁC TỪ VIẾT TẮT 08 CHƯƠNG ĐẶT VẤN ĐỀ 09 1.1 Tính cấp thiết đề tàì 09 1.2 Hướng giải vấn đề 10 1.3 Các cơng trình nghiên cứu liên quan đến đề tài 11 CHƯƠNG LÝ THUYẾT CƠ SỞ 13 2.1 Lý thuyết lọc thích nghi 13 2.2 Đánh giá hiệu suất lọc thích nghi 15 2.3 Thuật toán LMS 16 2.4 Bộ lọc Kalman thuật toán RLS 18 2.5 Tiêu chuẩn so sánh hiệu suất giải thuật 21 CHƯƠNG TRIỆT NHIỄU THÍCH NGHI 24 3.1 Nguyên lý triệt nhiễu thích nghi 24 3.2 Triệt nhiễu thích nghi dùng thuật toán LMS/RLS 25 3.2.1 Lọc nhiễu giảm nhiễu âm cổ điển 25 3.2.2 Thực triệt nhiễu thích nghi dùng thuật tốn LMS/RLS 26 CHƯƠNG KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM 28 4.1 So sánh kết thuật toán LMS RLS 28 4.1.1 Khảo sát tín hiệu băng tần 4khz 28 4.1.1.1 Trường hợp tín hiệu tiếng nói, nhiễu nhiễu hỗn hợp bên 28 4.1.1.2 Trường hợp tín hiệu âm nhạc, nhiễu nhiễu hỗn hợp bên ngồi 36 4.1.2 Khảo sát tín hiệu băng tần 8khz 42 4.1.2.1 Trường hợp tín hiệu tiếng nói, nhiễu nhiễu hỗn hợp bên ngồi 43 4.1.2.2 Trường hợp tín hiệu âm nhạc, nhiễu nhiễu hỗn hợp bên 50 4.2 Khảo sát với nhiễu đầu vào có cơng suất thay đổi nhiều mức khác 56 Triệt can nhiễu nhiễu cho tín hiệu âm sử dụng giải thuật LMS RLS HVTH: Phan Thanh Ngà CBHD: TS Đỗ Hồng Tuấn 4.2.1 Tín hiệu băng tần 4khz 56 4.2.1.1 Trường hợp tín hiệu tiếng nói 57 4.2.1.2 Trường hợp tín hiệu âm nhạc 61 4.2.2 Tín hiệu băng tần 8khz 64 4.2.2.1 Trường hợp tín hiệu tiếng nói 64 4.2.2.2 Trường hợp tín hiệu âm nhạc 68 4.2.3 Xét trường hợp nhiễu tham khảo giá trị khác 72 4.3 Khảo sát với nhiều loại nhiễu khác thời điểm 75 4.3.1 Tín hiệu băng tần 4khz 75 4.3.2 Tín hiệu băng tần 8khz 82 CHƯƠNG KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 90 TÀI LIỆU THAM KHẢO 92 Triệt can nhiễu nhiễu cho tín hiệu âm sử dụng giải thuật LMS RLS HVTH: Phan Thanh Ngà CBHD: TS Đỗ Hồng Tuấn MỤC LỤC HÌNH STT Hình Trang 01 02 03 04 05 06 Hình 1.1: Mơ hình triệt nhiễu thích nghi thơng thường Hình 2.1: Lọc thích nghi tổng quát nhận dạng hệ thống Hình 2.2: Lọc thích nghi tổng qt khơng có tín hiệu tham khảo Hình 2.3: Đồ thị đường cong lỗi giải thuật thích nghi Hình 3.1: Hệ thống triệt nhiễu thích nghi điển hình Hình 3.2: Hệ thống triệt nhiễu thích nghi dùng thuật tốn LMS/RLS Hình 4.1: Đồ thị tín hiệu gốc (trên), tín hiệu gốc bị nhiễu (giữa) tín hiệu sau lọc thuật tốn LMS (dưới) -Tín hiệu lời nói băng tần 4khz Hình 4.2: Đồ thị phổ tín hiệu gốc (trên), phổ tín hiệu gốc bị nhiễu (giữa) phổ tín hiệu sau lọc thuật tốn LMS (dưới)-Tín hiệu lời nói băng tần 4khz Hình 4.3: Đồ thị tín hiệu sau lọc thích nghi thuật tốn LMS vẽ chồng lên tín hiệu gốc (trên) đồ thị tín hiệu gốc vẽ chồng lên tín hiệu sau lọc thích nghi thuật tốn LMS (dưới).-Tín hiệu lời nói băng tần 4khz Hình 4.4: Đồ thị MSE lọc thích nghi thuật tốn LMS thang đo dB-Tín hiệu lời nói băng tần 4khz Hình 4.5: Đồ thị MSE lọc thích nghi thuật tốn LMS thang đo tuyến tính-Tín hiệu lời nói băng tần 4khz Hình 4.6: Đồ thị tín hiệu gốc (trên), tín hiệu gốc bị nhiễu (giữa) tín hiệu sau lọc thuật tốn RLS (dưới)- Tín hiệu lời nói băng tần 4khz Hình 4.7: Đồ thị phổ tín hiệu gốc (trên), phổ tín hiệu gốc bị nhiễu(giữa) phổ tín hiệu sau lọc thuật tốn RLS(dưới) -Tín hiệu lời nói băng tần 4khz Hình 4.8: Đồ thị tín hiệu sau lọc thích nghi thuật tốn RLS vẽ chồng lên tín hiệu gốc (trên) Đồ thị tín hiệu gốc vẽ chồng lên tín hiệu sau lọc thích nghi thuật tốn RLS (dưới).-Tín hiệu lời nói băng tần 4khz Hình 4.9: Đồ thị MSE lọc thích nghi thuật tốn RLS thang đo dB - Tín hiệu lời nói băng tần 4khz Hình 4.10a, 4.10b: Đồ thị MSE lọc thích nghi thuật tốn RLS thang đo tuyến tính- Tín hiệu lời nói băng tần 4khz Hình 4.11: Đồ thị so sánh MSE lọc thích nghi thuật tốn LMS RLS theo thang đo dB - Tín hiệu lời nói băng tần 4khz Hình 4.12: Đồ thị so sánh MSE lọc thích nghi thuật tốn LMS RLS thang đo tuyến tính Tín hiệu lời nói băng tần 4khz Hình 4.13: Đồ thị tín hiệu gốc (trên), tín hiệu gốc bị nhiễu (giữa) tín hiệu sau lọc thuật toán LMS (dưới) -Tín hiệu âm nhạc băng tần 4khz Hình 4.14: Đồ thị phổ tín hiệu gốc (trên), phổ tín hiệu gốc bị nhiễu (giữa) phổ tín hiệu sau lọc thuật tốn LMS (dưới)-Tín hiệu âm nhạc băng tần 4khz Hình 4.15: Đồ thị tín hiệu sau lọc thích nghi thuật tốn LMS vẽ chồng lên tín hiệu gốc (trên) đồ thị tín hiệu gốc vẽ chồng lên tín hiệu sau 11 13 14 23 24 27 07 08 09 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 Triệt can nhiễu nhiễu cho tín hiệu âm sử dụng giải thuật LMS RLS 29 30 30 31 31 32 32 33 33 34 35 35 37 37 37 HVTH: Phan Thanh Ngà 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 CBHD: TS Đỗ Hồng Tuấn lọc thích nghi thuật tốn LMS (dưới)-Tín hiệu âm nhạc băng tần 4khz Hình 4.16: Đồ thị MSE lọc thích nghi thuật tốn LMS theo thang đo dB -Tín hiệu âm nhạc băng tần 4khz Hình 4.17: Đồ thị MSE lọc thích nghi thuật tốn LMS thang đo tuyến tính -Tín hiệu âm nhạc băng tần 4khz Hình 4.18: Đồ thị tín hiệu gốc (trên), tín hiệu gốc bị nhiễu (giữa) tín hiệu sau lọc thuật tốn RLS (dưới)- Tín hiệu âm nhạc băng tần 4khz Hình 4.19: Đồ thị phổ tín hiệu gốc (trên), phổ tín hiệu gốc bị nhiễu (giữa) phổ tín hiệu sau lọc thuật tốn RLS(dưới) -Tín hiệu âm nhạc băng tần 4khz Hình 4.20: Đồ thị tín hiệu sau lọc thích nghi thuật tốn LMS vẽ chồng lên tín hiệu gốc (trên) đồ thị tín hiệu gốc vẽ chồng lên tín hiệu sau lọc thích nghi thuật tốn RLS (dưới)-Tín hiệu âm nhạc băng tần 4khz Hình 4.21: Đồ thị MSE lọc thích nghi thuật tốn RLS theo thang đo dB - Tín hiệu âm nhạc băng tần 4khz Hình 4.22: Đồ thị MSE lọc thích nghi thuật tốn RLS thang đo tuyến tính - Tín hiệu âm nhạc băng tần 4khz Hình 4.23: Đồ thị so sánh MSE lọc thích nghi thuật tốn LMS RLS theo thang đo dB - Tín hiệu âm nhạc băng tần 4khz Hình 4.24: Đồ thị so sánh MSE lọc thích nghi thuật tốn LMS RLS thang đo tuyến tính - Tín hiệu âm nhạc băng tần 4khz Hình 4.25: Đồ thị tín hiệu gốc (trên), tín hiệu gốc bị nhiễu (giữa) tín hiệu sau lọc thuật tốn LMS (dưới) -Tín hiệu lời nói băng tần 8khz Hình 4.26: Đồ thị phổ tín hiệu gốc (trên), phổ tín hiệu gốc bị nhiễu (giữa) phổ tín hiệu sau lọc thuật tốn LMS (dưới)-Tín hiệu lời nói băng tần 8khz Hình 4.27: Đồ thị tín hiệu sau lọc thích nghi thuật tốn LMS vẽ chồng lên tín hiệu gốc (trên) đồ thị tín hiệu gốc vẽ chồng lên tín hiệu sau lọc thích nghi thuật tốn LMS (dưới).-Tín hiệu âm nhạc băng tần 8khz Hình 4.28: Đồ thị MSE lọc thích nghi thuật tốn LMS thang đo dB-Tín hiệu lời nói băng tần 8khz Hình 4.29: Đồ thị MSE lọc thích nghi thuật tốn LMS thang đo tuyến tính-Tín hiệu lời nói băng tần 8khz Hình 4.30: Đồ thị tín hiệu gốc (trên), tín hiệu gốc bị nhiễu (giữa) tín hiệu sau lọc thuật tốn RLS (dưới)- Tín hiệu lời nói băng tần 8khz) Hình 4.31: Đồ thị phổ tín hiệu gốc (trên), phổ tín hiệu gốc bị nhiễu (giữa) phổ tín hiệu sau lọc thuật tốn RLS (dưới) -Tín hiệu lời nói băng tần 8khz Hình 4.32: Đồ thị tín hiệu sau lọc thích nghi thuật tốn RLS vẽ chồng lên tín hiệu gốc (trên) đồ thị tín hiệu gốc vẽ chồng lên tín hiệu sau lọc thích nghi thuật tốn RLS (dưới) - Tín hiệu lời nói băng tần 8khz Hình 4.33: Đồ thị MSE lọc thích nghi thuật tốn RLS thang đo dB Tín hiệu lời nói băng tần 8khz Hình 4.34: Đồ thị MSE lọc thích nghi thuật tốn RLS thang đo tuyến tính - Tín hiệu lời nói băng tần 8khz Hình 4.35: Đồ thị so sánh MSE lọc thích nghi thuật tốn LMS RLS thang đo dB - Tín hiệu lời nói băng tần 8khz Hình 4.36a, 4.36b: Đồ thị so sánh MSE lọc thích nghi thuật tốn LMS RLS thang đo tuyến tính - Tín hiệu lời nói băng tần 8khz Hình 4.37: Đồ thị tín hiệu gốc (trên), tín hiệu gốc bị nhiễu (giữa) tín hiệu sau lọc thuật toán LMS (dưới) -Tín hiệu âm nhạc băng tần 8khz Hình 4.38: Đồ thị phổ tín hiệu gốc(trên), phổ tín hiệu gốc bị nhiễu (giữa) phổ tín hiệu sau lọc thuật tốn LMS (dưới)-Tín hiệu âm nhạc băng tần Triệt can nhiễu nhiễu cho tín hiệu âm sử dụng giải thuật LMS RLS 38 38 39 39 40 40 41 41 42 43 44 44 45 45 46 46 47 47 48 48 49 50 50 HVTH: Phan Thanh Ngà 79 CBHD: TS Đỗ Hồng Tuấn Magnitudes Original signal 0.5 -0.5 Magnitudes Samples Number Noisy signal(Original signal + noise) x 10 0.5 -0.5 Magnitudes Sample Number RLS-Filtered signal x 10 0.5 -0.5 Samples number x 10 Hình 4.78- Đồ thị tín hiệu gốc (trên), tín hiệu gốc bị nhiễu (giữa) tín hiệu sau lọc thuật tốn RLS(dưới) Spectrum of original signal Magnitudes 0.015 0.01 0.005 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 3000 3500 4000 3000 3500 4000 Frequency (Hz) Spectrum of Noisy signal(Original signal + noise) Magnitudes 0.015 0.01 0.005 0 500 1000 1500 2000 2500 Frequency (Hz) Spectrum of RLS-Filtered signal Magnitudes 0.015 0.01 0.005 0 500 1000 1500 2000 2500 Frequency (Hz) Hình 4.79- Đồ thị phổ tín hiệu gốc (trên), phổ tín hiệu gốc bị nhiễu (giữa) phổ tín hiệu sau lọc thuật tốn RLS (dưới) Triệt can nhiễu nhiễu cho tín hiệu âm sử dụng giải thuật LMS RLS HVTH: Phan Thanh Ngà 80 CBHD: TS Đỗ Hồng Tuấn Original signal and RLS-Filtered signal Original Signal Filtered Signal 0.6 Magnitudes 0.4 0.2 -0.2 -0.4 -0.6 -0.8 Samples Number x 10 RLS-Filtered signal and Original signal Filtered Signal Original Signal 0.6 Magnitudes 0.4 0.2 -0.2 -0.4 -0.6 -0.8 Samples Number x 10 Hình 4.80- Đồ thị tín hiệu sau lọc thích nghi thuật tốn RLS vẽ chồng lên tín hiệu gốc (trên) Đồ thị tín hiệu gốc vẽ chồng lên tín hiệu sau lọc thích nghi thuật tốn RLS (dưới) -20 -40 Mean Squared Error in dB -60 -80 -100 -120 -140 -160 -180 -200 Iteration Number x 10 Hình 4.81- Đồ thị MSE lọc thích nghi thuật toán RLS theo thang đo dB Triệt can nhiễu nhiễu cho tín hiệu âm sử dụng giải thuật LMS RLS HVTH: Phan Thanh Ngà 81 CBHD: TS Đỗ Hồng Tuấn Mean Squared Error 0.01 0.009 0.008 Mean Squared Error 0.007 0.006 0.005 0.004 0.003 0.002 0.001 0 Iteration Number x 10 Hình 4.82a- Đồ thị MSE lọc thích nghi thuật tốn RLS thang đo tuyến tính Mean Squared Error 0.016 0.014 Mean Squared Error 0.012 0.01 0.008 0.006 0.004 0.002 250 300 350 400 450 Iteration Number Hình 4.82b- Đồ thị MSE lọc thích nghi thuật tốn RLS thang đo tuyến tính Triệt can nhiễu nhiễu cho tín hiệu âm sử dụng giải thuật LMS RLS 500 Mean Squared Error in dB LMS HVTH: Phan Thanh Ngà 82 CBHD: TS Đỗ Hồng Tuấn -50 -100 -150 -200 10 Mean Squared Error in dB RLS Iteration Number x 10 -50 -100 -150 -200 10 Iteration Number x 10 Hình 4.83- Đồ thị so sánh MSE lọc thích nghi thuật tốn LMS RLS theo thang đo dB Mean Squared Error LMS Mean Squared Error 0.2 0.15 0.1 0.05 0 Iteration Number -3 Mean Squared Error x 10 Mean Squared Error RLS x 10 2.5 1.5 0.5 0 Iteration Number Hình 4.84- Đồ thị so sánh MSE lọc thích nghi thuật toán LMS RLS thang đo tuyến tính Triệt can nhiễu nhiễu cho tín hiệu âm sử dụng giải thuật LMS RLS x 10 HVTH: Phan Thanh Ngà 83 CBHD: TS Đỗ Hồng Tuấn Trong phần khảo sát này, đường cong hiệu suất lỗi hình 4.73 4.78b cho thấy tốc độ hội tụ thuật toán LMS RLS gần tương đương khảo sát phần 4.1.1, vòng khoảng 25 mẫu thuật toán RLS hội tụ so với 20000 mẫu thuật toán LMS Khi hội tụ, nhiễu thay đổi theo thời gian, giá trị MSE có thay đổi để bám theo thay đổi nhiễu không thay đổi nhiều trọng số w có giá trị gần với giá trị hội tụ 4.3.2 Tín hiệu băng tần 8khz Phần tín hiệu thử nghiệm có băng tầng 8khz lấy mẫu tốc độ 16khz, tỉ số tín hiệu nhiễu ngã vào SNRin ≈ - 4dB Magnitudes Original signal 0.5 -0.5 10 12 14 16 18 Samples Number x 10 Magnitudes Noisy signal(Original signal + noise) 0.5 -0.5 10 12 14 16 18 Sample Number x 10 Magnitudes LMS-Filtered signal 0.5 -0.5 10 12 14 16 18 Samples number x 10 Hình 4.85- Đồ thị tín hiệu gốc (trên), tín hiệu gốc bị nhiễu (giữa) tín hiệu sau lọc thuật tốn LMS (dưới) Triệt can nhiễu nhiễu cho tín hiệu âm sử dụng giải thuật LMS RLS HVTH: Phan Thanh Ngà 84 CBHD: TS Đỗ Hồng Tuấn Spectrum of original signal Magnitudes 0.015 0.01 0.005 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 6000 7000 8000 6000 7000 8000 Frequency (Hz) Spectrum of Noisy signal(Original signal + noise) Magnitudes 0.015 0.01 0.005 0 1000 2000 3000 4000 5000 Frequency (Hz) Spectrum of LMS-Filtered signal Magnitudes 0.015 0.01 0.005 0 1000 2000 3000 4000 5000 Frequency (Hz) Hình 4.86- Đồ thị phổ tín hiệu gốc (trên), phổ tín hiệu gốc bị nhiễu (giữa) phổ tín hiệu sau lọc thuật tốn LMS (dưới) Original signal and LMS-Filtered signal Original Signal Filtered Signal Magnitudes 0.5 -0.5 10 12 14 16 18 Samples Number x 10 LMS-Filtered signal and Original signal Filtered Signal Original Signal Magnitudes 0.5 -0.5 10 12 14 16 18 Samples Number x 10 Hình 4.87- Đồ thị tín hiệu sau lọc thích nghi thuật tốn LMS vẽ chồng lên tín hiệu gốc (trên) Đồ thị tín hiệu gốc vẽ chồng lên tín hiệu sau lọc thích nghi thuật tốn LMS (dưới) Triệt can nhiễu nhiễu cho tín hiệu âm sử dụng giải thuật LMS RLS HVTH: Phan Thanh Ngà 85 CBHD: TS Đỗ Hồng Tuấn -20 -40 Mean Squared Error in dB -60 -80 -100 -120 -140 -160 -180 -200 10 12 14 16 18 Iteration Number x 10 Hình 4.88- Đồ thị MSE lọc thích nghi thuật toán LMS thang đo dB Mean Squared Error 0.18 0.16 0.14 Mean Squared Error 0.12 0.1 0.08 0.06 0.04 0.02 0 10 12 14 16 18 Iteration Number Hình 4.89- Đồ thị MSE lọc thích nghi thuật tốn LMS thang đo tuyến tính Triệt can nhiễu nhiễu cho tín hiệu âm sử dụng giải thuật LMS RLS x 10 HVTH: Phan Thanh Ngà 86 CBHD: TS Đỗ Hồng Tuấn Magnitudes Original signal 0.5 -0.5 10 12 14 16 18 Samples Number x 10 Magnitudes Noisy signal(Original signal + noise) 0.5 -0.5 10 12 14 16 18 Sample Number x 10 Magnitudes RLS-Filtered signal 0.5 -0.5 10 12 14 16 18 Samples number x 10 Hình 4.90- Đồ thị tín hiệu gốc (trên), tín hiệu gốc bị nhiễu (giữa) tín hiệu sau lọc thuật tốn RLS (dưới) Spectrum of original signal Magnitudes 0.015 0.01 0.005 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 6000 7000 8000 6000 7000 8000 Frequency (Hz) Spectrum of Noisy signal(Original signal + noise) Magnitudes 0.015 0.01 0.005 0 1000 2000 3000 4000 5000 Frequency (Hz) Spectrum of RLS-Filtered signal Magnitudes 0.015 0.01 0.005 0 1000 2000 3000 4000 5000 Frequency (Hz) Hình 4.91- Đồ thị phổ tín hiệu gốc (trên), phổ tín hiệu gốc bị nhiễu (giữa) phổ tín hiệu sau lọc thuật tốn RLS (dưới) Triệt can nhiễu nhiễu cho tín hiệu âm sử dụng giải thuật LMS RLS HVTH: Phan Thanh Ngà 87 CBHD: TS Đỗ Hồng Tuấn Original signal and RLS-Filtered signal Original Signal Filtered Signal Magnitudes 0.5 -0.5 10 12 14 16 18 Samples Number x 10 RLS-Filtered signal and Original signal Filtered Signal Original Signal Magnitudes 0.5 -0.5 10 12 14 16 18 Samples Number x 10 Hình 4.92- Đồ thị tín hiệu sau lọc thích nghi thuật tốn RLS vẽ chồng lên tín hiệu gốc (trên) Đồ thị tín hiệu gốc vẽ chồng lên tín hiệu sau lọc thích nghi thuật tốn RLS (dưới) -20 -40 -60 Mean Squared Error in dB -80 -100 -120 -140 -160 -180 -200 -220 10 12 14 16 18 Iteration Number x 10 Hình 4.93- Đồ thị MSE lọc thích nghi thuật toán RLS thang đo dB Triệt can nhiễu nhiễu cho tín hiệu âm sử dụng giải thuật LMS RLS HVTH: Phan Thanh Ngà 88 CBHD: TS Đỗ Hồng Tuấn Mean Squared Error 0.06 0.05 Mean Squared Error 0.04 0.03 0.02 0.01 0 10 12 14 16 18 Iteration Number x 10 Mean Squared Error in dB LMS Hình 4.94- Đồ thị MSE lọc thích nghi thuật tốn RLS thang đo tuyến tính -50 -100 -150 -200 0.2 0.4 0.6 0.8 1.2 1.4 1.6 1.8 Mean Squared Error in dB RLS Iteration Number x 10 -50 -100 -150 -200 -250 0.2 0.4 0.6 0.8 1.2 1.4 1.6 1.8 Iteration Number Hình 4.95- Đồ thị so sánh MSE lọc thích nghi thuật tốn LMS RLS thang đo dB Triệt can nhiễu nhiễu cho tín hiệu âm sử dụng giải thuật LMS RLS x 10 HVTH: Phan Thanh Ngà 89 CBHD: TS Đỗ Hồng Tuấn Mean Squared Error LMS Mean Squared Error 0.2 0.15 0.1 0.05 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.2 1.4 1.6 1.8 Iteration Number x 10 Mean Squared Error RLS Mean Squared Error 0.06 0.05 0.04 0.03 0.02 0.01 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.2 1.4 1.6 1.8 Iteration Number x 10 Hình 4.96- Đồ thị so sánh MSE lọc thích nghi thuật toán LMS RLS thang đo tuyến tính Kết trường hợp tăng độ rộng băng tần tín hiệu nhiễu ta nhận thấy tốc độ hội tụ, hiệu suất triệt nhiễu thuật tốn LMS RLS khơng thay đổi nhiều Cũng trường hợp phần 4.3.1, thuật toán LMS RLS có hiệu suất triệt nhiễu tốt bất chấp thay đổi liên tục nhiễu Vấn đề độ rộng băng tần ảnh hưởng đến tốc độ xử lý hệ thống, không ảnh hưởng tốc độ hội tụ hay hiệu suất triệt nhiễu giải thuật Trường hợp độ rộng băng tần 4khz, tỉ số tín hiệu/nhiễu ngõ vào SNRin ≈ -3dB Sau lọc, tỷ số tín hiệu/nhiễu ngõ LMS ≈ 12dB, RLS ≈ 41dB Trường hợp độ rộng băng tần 8khz, tỉ số tín hiệu/nhiễu ngõ vào SNRin ≈ -4dB Sau lọc, tỷ số tín hiệu/nhiễu ngõ LMS ≈ 16dB, RLS ≈ 36dB Như sau lọc, thuật toán LMS giảm nhiễu khoảng 15dB -> 20dB, cịn thuật tốn RLS giảm nhiễu khoảng 40dB Triệt can nhiễu nhiễu cho tín hiệu âm sử dụng giải thuật LMS RLS HVTH: Phan Thanh Ngà 90 CBHD: TS Đỗ Hồng Tuấn CHƯƠNG KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN Nhìn chung, hai thuật tốn LMS RLS điều có khả lọc nhiễu với độ xác cao, khả lọc nhiễu cho tín hiệu âm tốt, khơng méo tín hiệu, quan sát phổ ta nhận thấy thành phần tần số không bị suy hao Về tốc độ hội tụ giải thuật LMS chậm so với giải thuật RLS, hiệu suất giải thuật RLS tốt hơn, điều đánh giá cách quan sát so sánh MSE hai giải thuật Qua khảo sát trên, chưa khảo sát đầy đủ vấn đề nhiễu phần 1.2 đề cập, ta thấy đề tài có nhiều ứng dụng thực tế Ví dụ vấn hay buổi họp báo Phóng viên thu âm người phát biểu bị lẫn tiếng ồn xung quanh Lúc ta thu đồng thời tiếng phát biểu tiếng ồn lúc biên tập lại, ta dùng hệ thống để xử lý Hoặc kỹ thuật truyền hình, thực chương trình thu phát lại, âm bị nhiễu tiếng ồn trường tiếng ồn khán giả, tiếng ồn quạt máy lạnh, tiếng ồn máy móc, hay tiếng mưa, tiếng gió, tiếng xe cộ Triệt can nhiễu nhiễu cho tín hiệu âm sử dụng giải thuật LMS RLS HVTH: Phan Thanh Ngà 91 CBHD: TS Đỗ Hồng Tuấn thực chương trình ngồi trời ta xử lý hệ thống Đối với trường hợp cần phải xử lý thời gian thực ví dụ truyền hình trực tiếp, triệt tiếng ồn trường headphone liên lạc đạo diễn cameramen, triệt tiếng ồn động headphone liên lạc phi công trực thăng với người điều khiển mặt đất Khi ta cần phải có hệ thống phần cứng DSP (Digital Signal Processor) để thực giải thuật Đối với hệ thống cụ thể ta lựa chọn giải thuật LMS hay RLS thích hợp Như vấn đề triệt tiếng ồn headphone, khơng địi hỏi tín hiệu chất lượng cao mà cần tín hiệu liên lạc rõ ràng, ta dùng thuật toán LMS lấy mẫu 8khz để giảm lượng liệu cần xử lý nhằm tăng tốc độ xử lý hệ thống Các hệ thống không cần quan tâm đến tốc độ hội tụ hệ thống khởi động hội tụ, can nhiễu thay đổi khơng vấn đề khảo sát phần 4.3 Đối với yêu cầu chất lượng cao triệt can nhiễu âm nhạc, nên sử dụng thuật toán RLS lấy mẫu tần số > 16khz để đảm bảo chất lượng tín hiệu tốt Tuy nhiên việc lựa chọn thuật toán LMS hay RLS cân nhắc độ phức tạp tính tốn Thuật tốn RLS phức tạp nhiều so với thuật tốn LMS, chi phí độ khó thực thuật tốn RLS thực tế cao Việc tăng tốc độ hội tụ cho giải thuật LMS có nhiều đề xuất số tác giả nước khảo sát, thực như: triệt nhiễu phương pháp lọc thích nghi băng tác giả K Tam, H Sheikhzadeh, and T Schneider [3], H Sheikhzadeh1, H R Abutalebi2, R L Brennan1, K R L Whyte1 , and E Chau1[4], Ali O Abid Noor [5], Ali O Abid Noor, Salina Abdul Samad and Aini Hussain[6] Các cơng trình nghiên cứu khảo sát đa phần dừng lại kết thực nghiệm với tín hiệu tín hiệu ngẩu nhiên nhiễu trắng tạo từ matlap nên tính thực tế chưa cao Tác giả luận văn xin đề xuất phát triển thêm luận văn mơ hình phần cứng DSP(Digital Signal Processor) thực theo thời gian thực khảo sát đầy đủ tính khả thi việc tăng tốc độ hội tụ kỹ thuật lọc thích nghi băng tín hiệu thực để đáp ứng yêu cầu đòi hỏi chất lượng cao thực tế Triệt can nhiễu nhiễu cho tín hiệu âm sử dụng giải thuật LMS RLS HVTH: Phan Thanh Ngà 92 CBHD: TS Đỗ Hồng Tuấn TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] B Widrow et al “Adaptive noise cancellation: principles and applications” Proceedings of the IEEE, December 1975 [2] S Haykin “Adaptive Filter Theory” Prentice-Hall, fourth edition, 2002 [3] K Tam, H Sheikhzadeh, and T Schneider, “Highly over sampled sub-band adaptive filters for noise cancellation on low resource DSP system” Proc.7 th Int Conf on Spoken Language Processing (ICSLP), Denver, CO, September, 16-20, 2002 [4] H Sheikhzadeh1, H R Abutalebi2, R L Brennan1, K R L Whyte1 , and E Chau1 “Sequential LMS for low-resource subband adaptive filtering:Oversampled implementation and polyphase analysis” Dspfactory Ltd, 611 Kumpf Drive, Unit 200, Waterloo, Ontario, Canada N2V 1K8 Electrical Eng Dept., University of Yazd, Yazd, Iran [5] Ali O Abid Noor.“Subband Noise Canceller with Reduced Residual Noise for Speech Applications” European Journal of Scientific Research ISSN 1450-216X Vol.30 No.1 (2009), pp.45-57 © EuroJournals Publishing, Inc 2009 [6] Ali O Abid Noor, Salina Abdul Samad and Aini Hussain “Adaptive Filtering Using Subband Processing:Application to Background Noise Cancellation” The National University of Malaysia (UKM),Malaysia [7] Aarti Singh “ Adaptive noise cancellation” February to May 2001 [8] Paulo S.R Diniz, Federal University of Rio de Janeiro, Rio de Janeiro, Brazil "Adaptive Filtering Algorithms and Practical Implementation" Springer Science+Business Media, Third Edition, 2008 [9] Adam Shabti Charles “Adjustable Subband Allocation Algorithm for Critically Sampled Subband Adaptive Filters” May 6, 2009 [10] Thomas Drumright “Adaptive Filtering” Spring 1998 [11] Univ.prof DI Dr-Ins Markus Rupp “Adaptive Filters” Institude Telecommunivations Vienna University of technology – 2011 Triệt can nhiễu nhiễu cho tín hiệu âm sử dụng giải thuật LMS RLS of HVTH: Phan Thanh Ngà 93 CBHD: TS Đỗ Hồng Tuấn PHẦN LÝ LỊCH TRÍCH NGANG Sơ lược thân: Họ tên: Phan Thanh Ngà Sinh ngày: 10/12/1972 Dân tộc: Kinh Giới tính: Nam Tơn giáo: Khơng Q qn: Cần Thơ Chỗ tại: KV2, P.Hưng Lợi, Q Ninh Kiều, Tp Cần Thơ Điện thoại: 0908.659.975 Email:ngavtv@gmail.com Quá trình đào tạo: Học qui Thời gian: 10/1992 đến 10/1997 Nơi học: Đại học Cần Thơ Ngành học: Điện tử-Viễn thơng Q trình cơng tác: Từ 1997 đến cơng tác Trung Tâm Truyền Hình Việt Nam thành phố Cần Thơ (số 215 đường 30/4, quận Ninh Kiều, TP Cần Thơ) Triệt can nhiễu nhiễu cho tín hiệu âm sử dụng giải thuật LMS RLS ... phổ tín hiệu gốc(trên), phổ tín hiệu gốc bị nhiễu (giữa) phổ tín hiệu sau lọc thuật tốn LMS (dưới) -Tín hiệu âm nhạc băng tần Triệt can nhiễu nhiễu cho tín hiệu âm sử dụng giải thuật LMS RLS 38... Cơng suất tín hiệu pn Cơng suất nhiễu d Tín hiệu gốc bị lẫn can nhiễu s Tín hiệu gốc e Tín hiệu ngõ sau lọc Triệt can nhiễu nhiễu cho tín hiệu âm sử dụng giải thuật LMS RLS HVTH: Phan Thanh Ngà... nghi RLS (RLS- ATNA) Giản đồ cho thấy thuật tốn RLS có tốc độ hội tụ điều chỉnh độ sai nhanh so với thuật toán LMS Triệt can nhiễu nhiễu cho tín hiệu âm sử dụng giải thuật LMS RLS HVTH: Phan Thanh