3.1.1 .Phân tích dạng tín hiệu nhiễu âm học
3.1.2. Tác dụng của việc tăng giảm mẫu
Mó chương trỡnh sau đõy thể hiện tỏc động của việc tăng, giảm mẫu. Thớ nghiệm
được tiến hành nhưu sau: file õm thanh gốc cú thể tải từ trong MAT-files hoặc cú thể thu trực tiếp từ micro – phone. Chiều dài của file dữ liệu gốc được giới hạn trong 22050 mẫu. File được lưu với tờn origin.wav. Để khảo sỏt phổ toàn diện
thời gian. Sau đú chỳng ta tiến hành giảm mẫu với tỷ lệ là 2, file thu được sẽ lưu với tờn downsamp.wav. Tiếp theo, chỳng ta tiến hành tăng mẫu file gốc với tỷ lệ
là 2, file thu được sẽ lưu với tờn upsamp.wav. Ngoài ra, chỳng ta cú thể kiểm tra tớn hiệu khi tiến hành lọc thụng thấp và thụng cao tớn hiệu õm thanh gốc này. Lưu ý rằng việc lưu file wav cũn cú tỏc dụng thể nghiệm rừ ràng hơn nhờ thớnh giỏc.
Hỡnh 3.3. Phổđồ của tớn hiệu gốc
Hỡnh 3.4.b. Cỏc mẫu đầu của tớn hiệu giảm mẫu (51 mẫu)
Hỡnh 3.4.c. Cỏc mẫu đầu của tớn hiệu tăng mẫu (201 mẫu)
Hỡnh 3.4.d. Qua lọc thụng thấp
Hỡnh 3.4.e. Qua lọc thụng cao 3.1.3. Dàn lọc băng con
Trong chương 2 trỡnh bày về một số loại dàn lọc băng con cơ bản. Với Matlab, việc thiết kế dàn lọc băng con cú thể thực hiện nhiều cỏch như: lập trỡnh M-files, FDAtool, SPtool và dựng SIMULINK. Cỏch thiết kế dựng SIMULINK khỏ thuận tiện khi sử dụng hàm wfilters. Hỡnh 3.6 là kết quả thiết kế một dàn lọc
tổng hợp 4 kờnh. Mó chương trỡnh M-files dựng wfilter trỡnh bày trong phần phụ
lục. Lưu ý rằng việc thiết kế dàn lọc băng con bậc M (M=2n) cú thể được thực hiện bằng cỏc kết hợp cỏc khối lọc nửa dải (haft-band) cơ sở lại với nhau. Chớnh vỡ vậy, độ phức tạp của việc thiết kế dàn lọc được giảm thiểu. Hỡnh 3.5 mụ tả 4
đỏp ứng xung của 4 bộ lọc cơ sở tiờu biểu (2 bộ lọc bờn phỏt và 2 bộ lọc bờn thu).
Hỡnh 3.6. Dàn lọc băng con 4 kờnh
Hỡnh 3.7. Dàn lọc băng con 4 kờnh loại khỏc
3.2. Lọc thích nghi nhiễu âm học
Hỡnh 3.8. Chương trỡnh xử lý nhiễu õm học trờn toàn dải thụng viết bằng SIMULINK
Trong mụ hỡnh này, chỳng ta cần tạo ra 2 loại tớn hiệu đầu ra nhằm xõy dựng Mụi trường nhiễu õm học ảo. Trờn thực tế cú thể tiến hành đo đạc để khảo sỏt và thu thập tớn hiệu vọng thật sự nhưng việc này hoàn toàn cú thể thực hiện trờn MATLAB (hiệu ứng nhiễu õm học cú thể cảm nhận rừ ràng bằng thớnh giỏc). Tớn hiệu thứ nhất đú là nhiễu trắng cộng tớnh, được dựng làm tớn hiệu tham chiếu đưa vào Input của bộ lọc thớch nghi LMS. Tớn hiệu thứ 2 là nhiễu màu hay cũn gọi là nhiễu khụng Gauss được kết hợp với tớn hiệu sạch từ 1 file audio bất kỳ (ởđõy là tiếng người đang gừ trống). Mụ hỡnh này sử dụng lọc thớch nghi để
loại bỏ nhiễu từ tớn hiệu thứ hai này. Khi chạy chương trỡnh, người sử dụng cú thể nghe được 3 file õm thanh: file gốc, file bị nhiễu õm học và file khụi phục. Riờng với file khụi phục, lỳc đầu chỳng ta thấy tiếng trống và nhiễu, một lỳc sau sẽ chỉ cũn tiếng trống như của tớn hiệu gốc.
Một điểm thỳ vị của chương trỡnh đú là màu sắc của cỏc khối (block). Ở đõy, thời gian lấy mẫu nhanh nhất (tớn hiệu õm thanh lấy mẫu ở tần số 8kHz) được thể
hiện bằng màu đỏ. Chỳng ta cú thể thấy màu sẽ chuyển từ đỏ sang xanh lỏ cõy sau khi qua bộ giảm mẫu M=32 (trước khi đi vào khối Waterfall Scope).
Khối Waterfall mụ tả cỏc hệ số bộ lọc thớch nghi theo thời gian. Chức năng của nú là thể hiện cỏc vectơ dữ liệu theo thời gian. Dữ liệu sẽ được hiển thị 3 chiều: trục x là biờn độ, trục y là cỏc mẫu và trục z là thời gian.
Nhiễu trắng được sử dụng để tạo nhiễu õm học trong bài toỏn này. Nếu chỳng ta chọn giỏ trị 1 trong ụ Filter thỡ nhiễu trắng sẽ đi qua bộ lọc thụng thấp rồi cụng với tớn hiệu gốc. Nếu chỳng ta chọn giỏ trị 0 trong ụ Filter thỡ nhiễu trắng sẽ đi qua bộ lọc thụng dải rồi cộng với tớn hiệu gốc rồi đưa ra Mic.
Hỡnh 3.9. Tớn hiệu õm thanh gốc, bị nhiễu õm học và khụi phục
Kết quả trong hỡnh 3.9 thu được nhờ sử dụng bộ lọc thớch nghi LMS cú chiều dài 40 và bước nhảy thớch nghi là 0.04. Giỏ trị của bước nhảy rất quan trọng (xem hỡnh 3.10) trong việc hội tụ của lọc thớch nghi. Từ hỡnh 3.10 thấy rừ rằng việc giảm bước nhảy xuống 0.002 sẽ làm thời gian hội tụ của bộ lọc tăng lờn. Điều này cũng thể hiện khi ta lắng nghe õm thanh lỳc khụi phục thỡ gần nửa thời gian
Hỡnh 3.10. Tớn hiệu õm thanh khụi phục với bước nhảy giảm cũn 0.002
Hỡnh 3.11 và 12 mụ tả lỗi sai khỏc giữa tớn hiệu gốc và tớn hiờu khụi phục ứng với trường hợp bước nhảy là 0.04 và 0.002. Rừ ràng là trường hợp bước nhảy nhỏ thỡ lỳc hội tụ sẽ cho tớn hiệu khụi phục là tốt hơn. Điều đú cú ý nghĩa rất quan trọng khi thiết kế bộ lọc thớch nghi phải thoả hiệp giữa cỏc tiờu chuẩn này.
Hỡnh 3.12. Sai khỏc giữa tớn hiệu khụi phục và tớn hiệu gốc (bước nhảy 0.002)
Ngoài ra, khảo sỏt việc lựa chọn kớch thước của bộ lọc thớch nghi cũng cho ta những nhận xột thỳ vị. Nhưng để luận văn được tập trung về nội dung thỡ chỳng tụi khụng trỡnh bày ở đõy. Hỡnh 3.13.a mụ tả hệ số của bộ lọc thớch nghi theo thời gian (bước nhảy 0.002). Để thấy rừ sự hội tụ của cỏc trọng số bộ lọc chỳng ta cú thể xem trong hỡnh 3.13.b.
Hỡnh 3.13.b. Cỏc trọng số của bộ lọc thớch nghi hội tụ theo thời gian
So sỏnh việc thực thi của cỏc thuật toỏn thớch nghi LMS và RLS được thực hiện trờn mụ hỡnh 3.14. Những đỏnh giỏ được mụ tả trong chương đầu của luận văn và chỳng tụi sẽ khụng đi sõu vào đỏnh giỏ thờm nữa. Hỡnh 3.15 là so sỏnh tớn hiệu gốc với tớn hiệu khụi phục nhờ RLS và LMS.
Hỡnh 3.15. So sỏnh tớn hiệu gốc với tớn hiệu khụi phục nhờ RLS và LMS. 3.2.2. Lọc thích nghi nhiễu âm học dùng băng con
Hỡnh 3.16 trỡnh bày việc thực thi lọc thớch nghi nhiễu õm học dựng 8 băng con. Hệ thống cú thểđược mụ tả như sau:
Tớn hiệu õm thanh gốc được sử dụng từ một file õm thanh gốc, được lưu dưới dạng dữ liệu là y_org. Âm thanh gốc này sẽ được đưa lờn dàn lọc phõn tớch 8 kờnh rồi truyền đi trong mụi trường cú nhiễu õm học.
Nhiễu õm học sẽ tỏc động lờn từng băng con này. Để tăng tớnh tổng quỏt của bài toỏn thỡ với 8 băng con, chỳng ta sẽ sử dụng 8 khối mụ hỡnh nhiễu õm học (phớa gúc trờn bờn trỏi hỡnh 3.16). Ở đõy chỳng ta sử dụng định dạng hệ thống con để
biểu diễn cỏc khối mụ hỡnh nhiễu õm học (xem hỡnh 3.17) để làm cho chương trỡnh gọn gàng và dễ hiểu hơn. Đầu ra của mỗi khối nhiễu õm học gồm 2 loại tớn hiệu: thứ nhất là nhiễu trắng Gauss sẽ được dựng làm tớn hiệu tham chiếu lối vào của lọc thớch nghi, thứ hai là nhiễu õm học sẽđược cộng vào tớn hiệu sạch. Nhiễu õm học được tạo bởi nhiễu trắng khi đi qua bộ lọc thụng thấp hoặc thụng dải (phụ thuộc vào trạng thỏi của cụng tắc). Việc đưa nhiễu õm học vào cỏc băng con được thực hiện trong khối hệ thống con tờn là echo.
Xử lý thớch nghi băng con: đõy sẽ là trọng tõm của hệ thống này, ở đú cú 8 bộ
lọc thớch nghi được gúi gọn trong 1 hệ thống con đặt tờn là thớch nghi. Lối vào của mỗi bộ lọc thớch nghi đú là: thứ nhất (đưa vào cổng input) là tớn hiệu nhiễu trắng Gauss tham chiếu lấy từ cỏc khối mụ hỡnh nhiễu õm học, thứ hai (đưa vào cổng desired input) lấy từ khối echo. Tỏm đầu ra của khối thớch nghi lấy từ cỏc cổng error của cỏc bộ lọc thớch nghi. Đú chớnh là cỏc tớn hiệu khụi phục trờn 8 băng con (xem hỡnh 3.18).
Tớn hiệu khụi phục: được ký hiệu là y_filter, được khụi phục nhờ dàn lọc tổng hợp 8 băng con tương ứng.
8 7 6 5 4 3 2 1 Hi band Lo band Hi band Lo band Hi band Lo band Hi band Lo band Hi band Lo band Hi band Lo band Hi band Lo band 1 In1 Hỡnh 3.16.b. Dàn lọc phõn tớch 8 kờnh (dàn lọc này được khởi tạo từ bộ lọc cơ sở là 2 bộ lọc nửa dải và giảm mẫu bậc 2, khi hệ số chồng tầng N=3 sẽ cho chỳng ta dàn lọc 8 kờnh, cỏch làm tương tự được thực hiện cho dàn lọc tổng hợp) 2 Gauss 1 nhieu echo 1
lua chon Filter 0 Noise1 fir1(39,.25) Lowpass1 DF FIR Num In Out fir1(39,[.3 .5]) Bandpass1 Hỡnh 3.17. Mụ hỡnh nhiễu õm học Hỡnh 3.18. Bộ lọc thớch nghi
Sau khi chương trỡnh mụ phỏng kết thỳc, cỏc dữ liệu õm thanh gốc y_org, õm thanh bị nhiễu õm học y_noisy và õm thanh khụi phục y_filter được lưu vào bộ
nhớđể cú thể tiến hành cỏc phõn tớch sõu hơn.
Sự hội tụ của cỏc bộ lọc thớch nghi băng con: hỡnh 3.19.a mụ tả sự hội tụ của hệ số bộ lọc thớch nghi trờn băng con cú dải thụng thấp nhất và hỡnh 3.19.b là sự
hội tụ của bộ lọc thớch nghi trờn băng con cú dải thụng cao nhất. Ở đõy bước nhảy muđược lựa chọn là 0.002, chiều dài bộ lọc là 40.
Hỡnh 3.19.a. Sự hội tụ của bộ lọc thớch nghi trờn băng con cú dải thụng thấp nhất
Hỡnh 3.19.b. Sựhội tụ của bộ lọc thớch nghi trờn băng con cú dải thụng cao nhất
Điều quan trọng trong thiết kế cỏc bộ lọc thớch nghi đú là thoả hiệp trong sự lựa chọn cỏc giỏ trịL và mu (ở hỡnh 3.19.c là L=20, mu=0.005 trờn bộ lọc thớch nghi cú dải thụng nhỏ nhất). Cần lưu ý tới một tham số cũng rất quan trọng đú là thời gian hội tụ.
Hỡnh 3.19.c. Sự hội tụ của bộ lọc thớch nghi trờn băng con cú dải thụng thấp nhấtL=20, mu=0.005
Hỡnh 3.19.d. Sự hội tụ của bộ lọc thớch nghi trờn băng con cú dải thụng thấp nhấtL=15, mu=1e-3
Tớn hiệu khụi phục: cỏc tớn hiệu băng con sau khi qua 8 bộ lọc thớch nghi sẽ được tổng hợp lại thành tớn hiệu khụi phục. Hỡnh 3.20 mụ tả dữ liệu õm thanh trờn miền thời gian của tớn hiệu gốc, tớn hiệu bị nhiễu và tớn hiệu khụi phục. Cỏc tham số lựa chọn là L=30, mu=0.02 và thời gian tiến hành t = 10 s. Lưu ý rằng ở đõy tại sao lại cú tớn hiệu bị nhiễu õm học được so sỏnh. Tớn hiệu bị nhiễu này là tớn hiệu được tổng hợp từ tớn hiệu từ 8 băng con mà khụng đi qua hệ thống lọc thớch nghi.
Hỡnh 3.20. So sỏnh trờn miền thời gian: tớn hiệu gốc, tớn hiệu bị nhiễu và tớn hiệu khụi phục
Với mục đớch so sỏnh chất lượng của tớn hiệu trờn toàn dải và trờn băng con, chỳng ta tiến hành so sỏnh lỗi được tớnh bằng trị tuyệt đối của hiệu giữa tớn hiệu khụi phục và tớn hiệu gốc. Kết quả được thể hiện trờn hỡnh 3.21. Nhận xột rằng tớn hiệu lỗi do phương phỏp băng con lỳc đầu suy giảm nhanh hơn nhưng sau khi
ổn định thỡ phương phỏp toàn dải thụng lại cho lỗi nhỏ hơn. Khi cả hai hệ thống hội tụ, ổn định thỡ rừ ràng cỏc hiệu ứng gõy bởi cỏc dàn lọc phõn tớch và tổng hợp là khụng thể trỏnh khỏi (lý do là chỳng ta khụng thể thiết kế cỏc dàn lọc lý tưởng 100%). Việc so sỏnh độ phức tạp (số phộp cộng và phộp nhõn) giữa 2 phương phỏp khỏ rừ ràng trong chương 1 và 2 nờn ởđõy tạm thời khụng cần tớnh toỏn cụ
thể nữa. Mó chương trỡnh M-files trỡnh bày trong phần phục lục (mó chương trỡnh 5).
Hỡnh 3.21. So sỏnh chất lượng của tớn hiệu trờn toàn dải và trờn băng con
Hỡnh 3.22 là hệ thống băng con thớch nghi 4 kờnh được thực hiện thành cụng. Để
thuận tiện khi so sỏnh với hỡnh 3.20 thỡ cỏc thụng số thớch nghi được cố định là
Hỡnh 3.22. Hệ thống băng con thớch nghi 4 kờnh
Hỡnh 3.23. Cỏc tớn hiệu thu thập trờn hệ 4 băng
Khi quan sỏt lỗi trờn miền thời gian, thỡ sau khi hội tụ, lỗi gõy bởi 8 băng là lớn nhất, sau đú là 4 băng rồi toàn dải.
Quay trở lại với hệ thống lọc thớch nghi 8 băng con. Chỳng ta cần xột tới bài toỏn tối ưu chọn L và mu như thế nào để lỗi là tối thiểu (ởđõy bài toỏn giả sử đang nhắm tới tối ưu thụng số này). Mó chương trỡnh 6 trong phần phụ lục cho phộp chỳng ta thực hiện việc này . Kết hợp với thuật toỏn nội suy cục bộ sẽ cho phộp xỏc định chớnh xỏc được giỏ trị tối ưu của L và mu (L=32 và mu=0.055). Tương tự như vậy nếu chỳng ta cần tối ưu một thụng số nào khỏc thỡ chỳng ta lại tiến hành xõy dựng thuật toỏn phự hợp và tối ưu thụng số mong muốn.
Hỡnh 3.24. Biểu diễn sự phụ thuộc của lỗi vào bước nhảy mu, mỗi đường ứng với 1 giỏ trị L khỏc nhau
3.3. Bộ khử tiếng vang tự thích nghi
3.3.1. Bộ khử tiếng vang tự thích nghi toàn dải
Trong cỏc phũng hội nghị, bộ phận nhận õm thanh thường là nạn nhõn của mụi trường tỏn sắc truyền õm. Hiện tượng tỏn sắc này tạo ra rất nhiều tiếng vang trong tớn hiệu nhận. Muốn nõng cao chất lượng tớn hiệu nhận, chỳng ta bắt buộc phải xõy dựng cỏc phưong phỏp nhằm loại bỏ cỏc tiếng vang này. Luận văn này
đề nghị dựng phương phỏp xử lý tự thớch nghi toàn băng hay xử lý tự thớch nghi theo băng con để giải quyết vấn đề tiếng vang.
) ( ) ( ) ( 1 n b n n s a n r M k k k − + =∑ = (3.1) Trong đú, ak và nk là độ suy hao và độ trễ của tiếng vang thứ k; M là số tiếng vang xuất hiện trong bộ nhận và b(n) là nhiễu cộng trắng; Cố nhiờn, trong một mụ hỡnh tổng quỏt thỡ ak, nk và b(n) là cỏc đại lượng ngẫu nhiờn. Riờng b(n) cú thể là một nhiễu khụng trắng. Để tỡm s(n-no) hệ thống này sử dụng một bộ lọc tự
thớch nghi FIR, no là độ trễ tất định mà hệ thống xử lý đỏnh giỏ là chấp nhận
được. Toàn bộ cơ cấu của hệ thống được trỡnh bày trong hỡnh 3.25
Hỡnh 3.25. Bộ khử tiếng vang tự thớch nghi toàn dải
Chương trỡnh mụ phỏng này được thiết kế một cỏch cho phộp sử dụng tất cả cỏc tham số mà người sử dụng muốn ỏp dặt. Tuy nhiờn, vỡ những giới hạn của mỏy tớnh mà tỏc giả đang sử dụng, những kết quả thu được tương ứng với cỏc thụng số sau đõy: tỷ lệ SNR là 30 dB; no = 6, và M = 2 ( tức là chỉ cú một tiếng vang).
Hỡnh 3.26. Kết quả khử tiếng vang tự thớch nghi toàn dải
Kết quả này cho thấy với 1 hệ thống xử lý toàn dải, kết quả là khỏ tốt. Cố nhiờn, vỡ trục thời gian quỏ lớn (10 phỳt) thỡ độ trễ no (ứng với 6/8000 giõy) là quỏ nhỏ để ta cú thể quan sỏt trờn đồ thị của hỡnh 3.26.
Độ phức tạp của thuật toỏn rất lớn nờn khoảng thời gian xử lý cũng khỏ lớn. Do
đú, dự kết quả đạt được khỏ nhưng trờn thực tế khú ỏp dụng được cho cỏc hệ
thống thực tiễn khử tiếng vang.
Để thuật toỏn cú thể ỏp dụng vào thực tế, ta phải dựng cấu trỳc băng con để thực hiện xử lý song song nhằm rỳt ngắn thời gian xử lý. Đõy là mục tiờu của phần tiếp theo.
3.3.2. Bộ khử tiếng vang tự thích nghi theo băng con