基于LMS-算法的多麦克风降噪

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：MATLAB软件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。（1）阅读参考资料和文献，明晰算法的计算过程，理解LMS算法基本过程；（2）主麦克风录制的语音信号是LMSprimsp.wav，参考麦克风录制的参考噪声是LMSrefns.wav.用matlab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；（5）用matlab指令回放增强后的语音信号；(6）分别对增强前后的语音信号作频谱分析。指导教师签名：2012年月日系主任（或责任教师）签名：2012年月日武汉理工大学《信息群处理课程设计》报告I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，Matlab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MATLAB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，基于多麦克风的噪声消除问题一直是人们关注的课题。而在众多算法中，基于LMS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MATLAB中实现了自适应滤波器的设计与实现。在MATLAB中建立了数字降噪系统模型，并且针对该模型利用MATLAB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，LMS算法，多麦克风武汉理工大学《信息群处理课程设计》报告IIAbstractWiththesocialprogressofindustrialproduction,allkindsofnoisepollutionismoreandmoreserious.Thecurrentwidespreaduseofthesimulationofthenoisereductionmethodcannotmeettherequirementhas,andfurtherresearchwilltowardtodigitalsignalprocessorandrelatedalgorithmfortechnicalsupportdigitalnoisereductiontechnologydevelopment.Filterdesignindigitalsignalprocessingplaysanextremelyimportantrole,.Matlabispowerful,easytolearn,programmingefficiency,whichwaswelcomedbythemajorityofscientists.Matlabalsohasaparticularsignalanalysistoolbox,itneednothavestrongprogrammingskillscanbeeasilysignalanalysis,processinganddesign.UsingMATLABSignalProcessingToolboxcanquicklyandefficientlydesignavarietyofdigitalfilters.Inthepastfewdecades,basedonthenoiseofthemicrophoneisalwaysthepeopletopayattentiontoeliminatethesubject.Andinnumerousalgorithm,LMSalgorithmbasedonthegeneralizedupdatefilterweightvalueside-lobeeliminatemostwidelyusedthestructure.Morenoisereductiondesignmainlythroughthemicrophonetorealizeadaptivefilter.ThisarticleapplyLMSalgorithminMATLABrealizeadaptivefilter,thedesignandimplementation.InMATLABestablisheddigitalnoisereductionsystemmodel,andthemodelforuseofMATLABlanguageprogramming,thesimulationresultsshowthatthedesignedtosignalmixinsomeenvironmentalnoisenoisereduction,andtheeffectisfarhigherthananalognoisereductiontechnology.Keywords：MATLAB，Speechenhancement,LMSalgorithm,microphone武汉理工大学《信息群处理课程设计》报告1目录摘要................................................................IABSTRACT...........................................................II目录................................................................12原始语音信号采集与处理............................................22.1语音信号的采样理论依据........................................32.1.1采样频率...................................................32.1.2采样位数...................................................32.1.3采样定理...................................................32.2语音信号的采集................................................42.3语音信号的时频分析............................................42.4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..................................................83.2自适应噪声抵消原理...........................................123.3基于最小均方误差准则(LMS)的自适应噪声抵消....................143.4LMS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.......................................204.2.1程序流程图................................................204.2.2LMS自适应滤波............................................204.3调试分析.....................................................25心得体会...........................................................26参考文献...........................................................27附录：源程序.......................................................28武汉理工大学《信息群处理课程设计》报告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(DNR)又可以分为模拟动态降噪技术和数字动态降噪技术。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(DSP)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DSP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DSP中消除噪声的模块自适应滤波器的设计，介绍了其在MATLAB中编程及仿真输出，并通过程序实现了设计。武汉理工大学《信息群处理课程设计》报告32原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。2.1.2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6dB。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，44.1kHz意味着音频流进入计算机时