于新穎

（山西大學(xué)商務(wù)學(xué)院 信息學(xué)院，山西 太原 030031）

0 引 言

由于工業(yè)發(fā)展、市政改建、輻射干擾等，人們經(jīng)常被各種噪聲源所影響。持續(xù)不斷的在噪聲嚴(yán)重的氛圍里工作或生活，較容易出現(xiàn)心情煩躁、效率低下等現(xiàn)象。為了有效地改善周圍環(huán)境中的噪聲污染或者提升語(yǔ)音通信的質(zhì)量，抑制甚至消除噪聲［1］已成為一個(gè)具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值的研究方向。

自適應(yīng)噪聲抵消技術(shù)作為在強(qiáng)噪聲背景下的一種語(yǔ)音增強(qiáng)方法，可用來(lái)解決依靠傳統(tǒng)方法難以解決的非平穩(wěn)時(shí)變?cè)肼暠尘爸械男盘?hào)提取問題。通過將參考信號(hào)［2］輸入到自適應(yīng)濾波器，完成其對(duì)期望信號(hào)中存在的噪聲分量的不斷逼近，再利用加法器完成期望信號(hào)和處理之后的參考信號(hào)的求差，以達(dá)到噪聲抑制甚至消除的目的［3］。所以，參考信號(hào)的選取對(duì)于噪聲抵消效果的優(yōu)劣具有很大的影響作用，當(dāng)系統(tǒng)能提供良好的參考信號(hào)時(shí)，可獲得很好的提取效果［4－5］。

1 多通道自適應(yīng)噪聲抵消系統(tǒng)的原理

噪聲作為一種語(yǔ)音信號(hào)，其傳播特性具有典型的空間性，如果只采用一個(gè)傳感器對(duì)噪聲信息進(jìn)行采集，并不能保證所得到的數(shù)據(jù)能最大程度的恢復(fù)出實(shí)際的噪聲信號(hào)。所以，為了克服上述問題，構(gòu)建的多通道自適應(yīng)噪聲抵消系統(tǒng)采用多個(gè)傳感器對(duì)噪聲信號(hào)進(jìn)行采集，從而保證最大程度完成對(duì)噪聲的全面采樣［6］，使得到的數(shù)據(jù)和噪聲的本來(lái)信息最為接近［7］，從而提高了參考輸入端的噪聲與原始輸入端的噪聲分量的相關(guān)性。為噪聲抵消系統(tǒng)提供了良好的參考信號(hào)資源，有利于改善最終的信噪比增益［8］。

多通道自適應(yīng)噪聲抵消系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 多通道自適應(yīng)噪聲抵消系統(tǒng)

將有用信號(hào)用S表示，［n0，n1，…，nM－1］分別為若干個(gè)干擾源，經(jīng)過濾波器到達(dá)原始輸入端的噪聲信號(hào)表示為［n′0，n′1，…，n′M－1］，用于完成處理干擾源功能的自適應(yīng)濾波器的階數(shù)為k，處理數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)為N，自適應(yīng)濾波器的步長(zhǎng)為μ，那么多通道的自適應(yīng)噪聲抵消系統(tǒng)的核心處理算法的基本原理如下：

迭代N－k次，

式中：d——期望信號(hào)；

X——多通道的參考輸入；

W——濾波器的權(quán)矢量；

y——自適應(yīng)濾波器的輸出；

e——迭代誤差。

2 多通道自適應(yīng)噪聲抵消系統(tǒng)的MATLAB仿真

借助MATLAB工具，對(duì)單通道和多通道兩種自適應(yīng)噪聲抵消系統(tǒng)進(jìn)行了仿真。除了仿真曲線之外，更從數(shù)值上直觀地對(duì)兩種系統(tǒng)在信噪比增益上的性能進(jìn)行了對(duì)比。

2.1 單通道自適應(yīng)噪聲抵消系統(tǒng)的性能仿真

假設(shè)原始輸入端的有用信號(hào)為一單頻的正弦信號(hào)S＝sin1000t，因?yàn)椴蓸宇l率需滿足奈奎斯特采樣定理要求，所以在此選定為48kHz；干擾噪聲為經(jīng)過階數(shù)16且歸一化截止頻率分別為0.3和0.5的低通濾波器的噪聲z1和z2。因?yàn)榇?yàn)證的是單通道自適應(yīng)噪聲抵消系統(tǒng)，考慮到參考輸入端需為單一通道，故將參考信號(hào)設(shè)為z1和z2兩種噪聲的代數(shù)疊加；自適應(yīng)濾波器的參數(shù)設(shè)置為16階的濾波器，0.001的迭代步長(zhǎng)，48 000個(gè)待處理的噪聲數(shù)據(jù)點(diǎn)。

為了便于觀察分析單通道自適應(yīng)噪聲抵消系統(tǒng)對(duì)于信號(hào)處理前后效果差別，通過傅里葉變換展現(xiàn)了輸入、輸出端的信號(hào)頻譜圖；此外，為了更直觀地驗(yàn)證處理之后的輸出信號(hào)是否實(shí)現(xiàn)了噪聲抑制的目標(biāo)，展現(xiàn)了坐標(biāo)放大之后的輸出端信號(hào)時(shí)域中的波形圖，如圖2所示。

圖2 單通道自適應(yīng)噪聲抵消系統(tǒng)效果圖

2.2 多通道自適應(yīng)噪聲抵消系統(tǒng)的性能仿真

為了保證初始條件的一致性，便于對(duì)結(jié)果進(jìn)行有效對(duì)比，所以，在多通道噪聲抵消性能的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)中，有用信號(hào)、干擾噪聲及自適應(yīng)濾波器參數(shù)仍與上述單通道的實(shí)驗(yàn)條件相同；因待驗(yàn)證的是多通道自適應(yīng)噪聲抵消系統(tǒng)性能，參考輸入端需為多通道。為了便于仿真研究，以兩通道自適應(yīng)噪聲抵消系統(tǒng)為例，設(shè)參考信號(hào)為z1、z2。

多通道自適應(yīng)噪聲抵消系統(tǒng)對(duì)于含噪信號(hào)處理之后的單、多通道自適應(yīng)噪聲抵消系統(tǒng)的信噪比增益及輸出信號(hào)時(shí)域放大圖分別如表1及圖3所示。

表1 單通道與多通道噪聲抵消系統(tǒng)的信噪比增益表 dB

圖3 多通道自適應(yīng)噪聲抵消系統(tǒng)中輸出信號(hào)時(shí)域放大圖

3 結(jié)果分析

1）圖2（a）為輸入的受干擾信號(hào)的頻譜波形，由其頻譜可見，除了有用信號(hào)，仍有很多的噪聲干擾；圖2（b）為經(jīng)過單通道自適應(yīng)噪聲抵消系統(tǒng)的消噪處理之后的輸出信號(hào)頻譜波形，由其頻譜可見，經(jīng)過處理，輸出信號(hào)中幾乎只剩下了有用的單一頻率的正弦信號(hào)，這一點(diǎn)通過圖2（c）也可以加以證明。這說(shuō)明，單通道自適應(yīng)噪聲抵消系統(tǒng)確實(shí)能完成噪聲濾除功能。

2）圖2（c）和圖3為相同的噪聲和原始信號(hào)分別通過單通道及多通道的自適應(yīng)噪聲抵消系統(tǒng)之后的輸出信號(hào)波形，將兩者對(duì)比可知，多通道自適應(yīng)噪聲抵消系統(tǒng)對(duì)于噪聲有更好的濾除效果，輸出信號(hào)更接近待提取的單頻正弦這一有用信號(hào)。

3）由表1可知，雙通道自適應(yīng)噪聲抵消系統(tǒng)的信噪比增益為13.82dB，單通道抵消之后的信噪比增益為12.46dB，前者比后者增益提高了1.36dB，所以，多通道自適應(yīng)噪聲抵消系統(tǒng)比單通道抵消系統(tǒng)的信噪比增益提升的更明顯。

4 結(jié) 語(yǔ)

首先分析了多通道自適應(yīng)噪聲抵消系統(tǒng)的原理，然后為了說(shuō)明此系統(tǒng)的優(yōu)越性，將其與單通道自適應(yīng)噪聲抵消系統(tǒng)進(jìn)行了對(duì)比，通過MATLAB仿真，對(duì)仿真波形和參數(shù)加以分析，說(shuō)明了多通道自適應(yīng)噪聲抵消系統(tǒng)的優(yōu)越性。

［1］ 余慧.基于DSP反饋?zhàn)赃m應(yīng)噪聲抵消器研究與設(shè)計(jì)［D］.長(zhǎng)沙：湖南大學(xué)，2010.

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