多通道自適應噪聲抵消系統(tǒng)

于新穎

（山西大學商務學院 信息學院，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音通信的質(zhì)量，抑制甚至消除噪聲［1］已成為一個具有實際應用價值的研究方向。

自適應噪聲抵消技術作為在強噪聲背景下的一種語音增強方法，可用來解決依靠傳統(tǒng)方法難以解決的非平穩(wěn)時變噪聲背景中的信號提取問題。通過將參考信號［2］輸入到自適應濾波器，完成其對期望信號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和處理之后的參考信號的求差，以達到噪聲抑制甚至消除的目的［3］。所以，參考信號的選取對于噪聲抵消效果的優(yōu)劣具有很大的影響作用，當系統(tǒng)能提供良好的參考信號時，可獲得很好的提取效果［4－5］。

1 多通道自適應噪聲抵消系統(tǒng)的原理

噪聲作為一種語音信號，其傳播特性具有典型的空間性，如果只采用一個傳感器對噪聲信息進行采集，并不能保證所得到的數(shù)據(jù)能最大程度的恢復出實際的噪聲信號。所以，為了克服上述問題，構建的多通道自適應噪聲抵消系統(tǒng)采用多個傳感器對噪聲信號進行采集，從而保證最大程度完成對噪聲的全面采樣［6］，使得到的數(shù)據(jù)和噪聲的本來信息最為接近［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性。為噪聲抵消系統(tǒng)提供了良好的參考信號資源，有利于改善最終的信噪比增益［8］。

多通道自適應噪聲抵消系統(tǒng)的結構如圖1所示。

圖1 多通道自適應噪聲抵消系統(tǒng)

將有用信號用S表示，［n0，n1，…，nM－1］分別為若干個干擾源，經(jīng)過濾波器到達原始輸入端的噪聲信號表示為［n′0，n′1，…，n′M－1］，用于完成處理干擾源功能的自適應濾波器的階數(shù)為k，處理數(shù)據(jù)點數(shù)為N，自適應濾波器的步長為μ，那么多通道的自適應噪聲抵消系統(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；

X——多通道的參考輸入；

W——濾波器的權矢量；

y——自適應濾波器的輸出；

e——迭代誤差。

2 多通道自適應噪聲抵消系統(tǒng)的MATLAB仿真

借助MATLAB工具，對單通道和多通道兩種自適應噪聲抵消系統(tǒng)進行了仿真。除了仿真曲線之外，更從數(shù)值上直觀地對兩種系統(tǒng)在信噪比增益上的性能進行了對比。

2.1 單通道自適應噪聲抵消系統(tǒng)的性能仿真

假設原始輸入端的有用信號為一單頻的正弦信號S＝sin1000t，因為采樣頻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。因為待驗證的是單通道自適應噪聲抵消系統(tǒng)，考慮到參考輸入端需為單一通道，故將參考信號設為z1和z2兩種噪聲的代數(shù)疊加；自適應濾波器的參數(shù)設置為16階的濾波器，0.001的迭代步長，48 000個待處理的噪聲數(shù)據(jù)點。

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

圖2 單通道自適應噪聲抵消系統(tǒng)效果圖

2.2 多通道自適應噪聲抵消系統(tǒng)的性能仿真

為了保證初始條件的一致性，便于對結果進行有效對比，所以，在多通道噪聲抵消性能的驗證實驗中，有用信號、干擾噪聲及自適應濾波器參數(shù)仍與上述單通道的實驗條件相同；因待驗證的是多通道自適應噪聲抵消系統(tǒng)性能，參考輸入端需為多通道。為了便于仿真研究，以兩通道自適應噪聲抵消系統(tǒng)為例，設參考信號為z1、z2。

多通道自適應噪聲抵消系統(tǒng)對于含噪信號處理之后的單、多通道自適應噪聲抵消系統(tǒng)的信噪比增益及輸出信號時域放大圖分別如表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 多通道自適應噪聲抵消系統(tǒng)中輸出信號時域放大圖

3 結果分析

1）圖2（a）為輸入的受干擾信號的頻譜波形，由其頻譜可見，除了有用信號，仍有很多的噪聲干擾；圖2（b）為經(jīng)過單通道自適應噪聲抵消系統(tǒng)的消噪處理之后的輸出信號頻譜波形，由其頻譜可見，經(jīng)過處理，輸出信號中幾乎只剩下了有用的單一頻率的正弦信號，這一點通過圖2（c）也可以加以證明。這說明，單通道自適應噪聲抵消系統(tǒng)確實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分別通過單通道及多通道的自適應噪聲抵消系統(tǒng)之后的輸出信號波形，將兩者對比可知，多通道自適應噪聲抵消系統(tǒng)對于噪聲有更好的濾除效果，輸出信號更接近待提取的單頻正弦這一有用信號。

3）由表1可知，雙通道自適應噪聲抵消系統(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 語

首先分析了多通道自適應噪聲抵消系統(tǒng)的原理，然后為了說明此系統(tǒng)的優(yōu)越性，將其與單通道自適應噪聲抵消系統(tǒng)進行了對比，通過MATLAB仿真，對仿真波形和參數(shù)加以分析，說明了多通道自適應噪聲抵消系統(tǒng)的優(yōu)越性。

［1］ 余慧.基于DSP反饋自適應噪聲抵消器研究與設計［D］.長沙：湖南大學，2010.

［2］ 文靜，文玉梅，李平.基于噪聲白化準則的自適應噪聲抵消方法［J］.儀器儀表學報，2010，31（8）：1693－1698.

［3］ 王海峰，陳偉，黃秋元.基于LMS算法自適應噪聲抵消器的分析研究［J］.計算機與數(shù)字工程，2009，37（3）：85－87.

［4］ 趙越，趙曉暉，董婧.基于子帶分解的自適應回聲抵消算法［J］.吉林大學學報：工學版，2009，39（1）：198－203.

［5］ 馬令坤，黃建國，謝達.基于多通道差分的自適應噪聲抵 消 方 法［J］.兵 工 學 報，2008，29（10）：1210－1214.

［6］ Jingen Ni，F(xiàn)eng Li.Adaptive combination of subband adaptive filters for acoustic echo cancellation［J］.IEEE Transactions on Consumer Electronics，2010，56（3）：1549－1555.

［7］ Yun－Shiang Shu，Junpei Kamiishi，Koji Tomioka.LMS－Based boise leakage calibration of cascaded continuous－time△∑Modulators［J］.IEEE Journal of Solid－State Circuits，2010，45（20）：368－379.

［8］ 馬令坤，黃建國，謝達.基于DFT的信號子帶分解與準確重構新方法［J］.數(shù)據(jù)采集與處理，2009，24（6）：808－813.