基于MATLAB的自適應噪聲抵消器設計

陜西科技大學電氣與信息工程學院 馬令坤 程林波

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基于MATLAB的自適應噪聲抵消器設計

陜西科技大學電氣與信息工程學院 馬令坤 程林波

【摘要】噪聲污染已經(jīng)成為一個亟待解決的社會問題，無論是在日常生活中還是在工程應用領(lǐng)域，噪聲干擾問題都嚴重影響著人們的生活生產(chǎn)。本文闡述了自適應噪聲抵消器原理，搭建了自適應噪聲抵消系統(tǒng)，采集了真實的語音和噪聲信號，并在MATLAB中完成了抵消處理，分析了抵消結(jié)果，經(jīng)過計算信號在抵消前后的信噪比分別為13.83dB和59.08dB，信噪比增益為45.25dB。

【關(guān)鍵詞】自適應抵消器；放大電路；數(shù)據(jù)采集；MATLAB處理

0 引言

在信號傳輸過程中，受到噪聲干擾是不可避免的，嚴重的甚至會淹沒在背景噪聲里，使用傳統(tǒng)濾波器很難有很好的濾波效果[1]。自適應噪聲抵消器能在不知道外界噪聲源特性、傳輸路徑不斷發(fā)生變化的情況下從復雜背景噪聲中提取到有用信號，消除外界干擾噪聲的影響，提高信號信噪比。自適應濾波器已經(jīng)廣泛應用到了日常消費領(lǐng)域、軍事通信領(lǐng)域、醫(yī)療器械領(lǐng)域和工程應用領(lǐng)域[2]，自從自適應抵消系統(tǒng)研究以來，受到了人們廣泛關(guān)注，已經(jīng)成為信號處理領(lǐng)域的一個重要分支。

1 自適應噪聲抵消器原理

s經(jīng)過傳輸信道到達主傳感器，主傳感器不僅接收s還接收與s不相關(guān)的噪聲n0，s和n0的和s+n0為自適應噪聲抵消器的主輸入d。參考傳感器接收與信號s不相關(guān)，但是以某種方式與噪聲n0相關(guān)的噪聲n1，噪聲n1形成了自適應噪聲抵消器的參考輸入[3]。在整個抵消過程中要盡量避免信號s對參考通道輸入的影響，否則有用信號s也會被當成噪聲抵消掉一部分，嚴重影響抵消器的抵消效果[4]。參考輸入重要用途就是接收噪聲，并通過自適應濾波器參數(shù)調(diào)整使輸出y在最小均方誤差準則下逼近主通道噪聲。通過相減器，將主通道的干擾噪聲分量n0對消掉，系統(tǒng)的誤差輸出e就是有用信號s的最佳逼近[5]。

噪聲n1為自適應濾波器輸入，濾波器輸出為y，主輸入端與y相減得到系統(tǒng)輸出為：

e=s+n0-y

兩邊同時平方，并且取期望得到系統(tǒng)輸出均方值為：

由于s和n0、n1無關(guān)，所以s和n0、y無關(guān)，可以得出：

圖1 自適應噪聲抵消器原理圖

2 自適應噪聲抵消系統(tǒng)的設計

自適應抵消系統(tǒng)需要同步采集兩路信號，一路是有用信號和噪聲組成的期望信號，一路是只有噪聲的參考信號，數(shù)據(jù)采集是在寬敞安靜的實驗室內(nèi)完成，采集完成的數(shù)據(jù)被保存到了PC機上，用于MATLAB數(shù)據(jù)處理軟件的抵消處理。

圖2 數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

整個自適應噪聲抵消系統(tǒng)主要由以下幾部分組成：

（1）同步數(shù)據(jù)采集板卡：選擇的采集板卡是USB2088，該款采集板卡是北京阿爾泰科技有限公司設計的4通道同步數(shù)據(jù)采集板卡，板卡采樣精度是14位，根據(jù)話筒輸出范圍和放大電路特性選擇采集板卡模擬信號輸入量程為± 1V，選擇采樣頻率為44KHz，本次應用只用到了其中兩路采集通道。

（2）話筒：采用的是傳聲者D-78，該話筒是鵝頸式電容話筒，輸出阻抗600Ω、頻率響應范圍40Hz-18KHz、指向性為心形指向、靈敏度-40db±2db、有效拾音距離50cm，話筒由兩節(jié)1.5V電池供電。

（3）前端放大電路。話筒接收到聲音信號轉(zhuǎn)換成電信號，這時電信號比較微弱，只有幾毫伏左右，需要對微弱信號進行放大，得到適合的電壓。采用NE5532構(gòu)成兩級放大電路，放大倍數(shù)可以通過可變電阻改變，經(jīng)過放大的語音信號經(jīng)過濾波輸入到采集板卡輸入端。

圖3 前端放大電路

每一級放大電路最大放大倍數(shù)是10倍，這樣整個放大電路有100倍放大區(qū)間，可以滿足需求。在使用中可以調(diào)整變阻器R3和R6，通過兩個電阻配合得到合適的放大倍數(shù)。經(jīng)過放大的語音信號通過R7、R8、C7和C8組成的簡單信號調(diào)理后，送入采集板卡進行數(shù)據(jù)采樣。

（4）有用信號：手機播放的一段音樂。

（5）噪聲信號：周期性噪聲（單頻信號），產(chǎn)生方法是用信號發(fā)生器產(chǎn)生1.5KHz正弦信號，經(jīng)過音響播放。選用1.5KHz是因為這個頻段正好處在語音信號頻段范圍中。

圖4 單頻噪聲的抵消前后時域和頻域圖

3 實驗結(jié)果和分析

在數(shù)據(jù)處理中選擇的自適應濾波器長度為64階，步長選擇0.3，圖4是信號抵消前后時域和頻域圖，從中頻譜圖中可以看出沒有抵消前信號在1.5KHz附近有很大的分量，抵消后已經(jīng)沒有單頻尖峰，正弦信號已經(jīng)基本抵消掉了，經(jīng)過計算信號在抵消前后的信噪比分別為13.83dB 和59.08dB，信噪比增益為45.25dB。

當自適應濾波器選擇不同的長度時，抵消效果也不同，下表給出了不同濾波器長度時信號的信噪比增益大小。

表1 不同濾波器長度時的抵消結(jié)果

本實驗是在空曠的實驗室內(nèi)完成的，信號經(jīng)過多次反射發(fā)生混響現(xiàn)象，有用信號向參考通道泄露，參考通道和期望通道的距離遠近，話筒的頻率響應有一定范圍，話筒采集時會引入環(huán)境噪聲等原因會影響抵消效果。

4 小結(jié)

從實驗結(jié)果分析，本文中的自適應噪聲采集處理系統(tǒng)有和好的抵消效果，可以把被噪聲嚴重污染的有用信號提取出來，大大提高了信號的信噪比。

參考文獻

[1]何振亞.自適應信號處理[M].北京科學出版社,2002.

[2]袁鵬飛.基于DSP的自適應噪聲抵消技術(shù)的研究[D].成都:西華大學,2011．

[3]王偉軍,左東廣.一種基于自適應濾波的語音降噪方法研究[J].現(xiàn)代電子技術(shù),2012,02:84-86+90.

[4]王麗芳,陳益平.基于DSP的自適應濾波器的實現(xiàn)[J].計算機仿真,2009:26(9):281-284．

[5]徐梅花,王福明.基于MATLAB的自適應噪聲抵消器的設計與實現(xiàn)[J].電子測試,2009,11:43-46．

[6]Sen M.Bob H.實時數(shù)字信號處理:實踐方法與應用[M].梁維謙譯.清華大學出版社,2012.

馬令坤（1967—），男，陜西咸陽人，博士，副教授，主要研究方向：自適應信號處理、陣列信號處理。

程林波（1989—），男，河南安陽人，碩士研究生，主要研究方向：自適應信號處理。

作者簡介：