Tài liệu Lọc nhiễu tín hiệu thoại dùng phƣơng pháp emd

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ BỘ MÔN VIỄN THÔNG ------ LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ CHÍNH QUY LỌC NHIỄU TÍN HIỆU THOẠI DÙNG PHƢƠNG PHÁP EMD GVHD: PGS. TS. HOÀNG ĐÌNH CHIẾN SVTH: 1. TRẦN HIẾU TRUNG MSSV: 40602711 2. DƢƠNG MINH TIẾN MSSV: 40602471 TP. HỒ CHÍ MINH, THÁNG 1 NĂM 2011 i ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ----- ----Số: ______ /BKĐT CỘNG HÒA XÃ HỘI CHŨ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự do – Hạnh phúc. ----- ----Khoa: Điện – Điện tử Bộ Môn: Viễn Thông NHIỆM VỤ LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP HỌ VÀ TÊN: NGÀNH: – MSSV: 40602711 – MSSV: 40602471 1. TRẦN HIẾU TRUNG 2. DƢƠNG MINH TIẾN VIỄN THÔNG LỚP: DD06DV03 1. Đề tài: “LỌC NHIỄU TÍN HIỆU THOẠI DÙNG PHƢƠNG PHÁP EMD” 2. Nhiệm vụ (Yêu cầu về nội dung và số liệu ban đầu): .............................................................................................................................................. .............................................................................................................................................. .............................................................................................................................................. .............................................................................................................................................. .............................................................................................................................................. .............................................................................................................................................. 3. Ngày giao nhiệm vụ luận văn: ........................................................................................... 4. Ngày hoàn thành nhiệm vụ: ............................................................................................... 5. Họ và tên người hướng dẫn: Phần hướng dẫn 1. ............................................................ ................................................... 2. ............................................................ ................................................... Nội dung và yêu cầu LVTN đã được thông qua Bộ Môn. Tp. HCM, ngày …..tháng…..năm 2011 CHỦ NHIỆM BỘ MÔN NGƢỜI HƢỚNG DẪN CHÍNH PHẦN DÀNH CHO KHOA, BỘ MÔN: Người duyệt (chấm sơ bộ): .......................................... Đơn vị:........................................................................ Ngày bảo vệ: ............................................................... Điểm tổng kết: ............................................................ Nơi lưu trữ luận văn: .................................................. TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ ----- ----- CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự do – Hạnh phúc ----- -----Ngày ….. tháng ….. năm 2011 PHIẾU CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN (Dành cho người hướng dẫn) 1. HỌ VÀ TÊN: TRẦN HIẾU TRUNG DƢƠNG MINH TIẾN -MSSV: 40602711 -MSSV:40602471 NGÀNH: VIỄN THÔNG 2. Đề tài: “LỌC NHIỄU TÍN HIỆU THOẠI DÙNG PHƢƠNG PHÁP EMD” 3. Họ tên người hướng dẫn: PGS. TS. HOÀNG ĐÌNH CHIẾN 4. Tổng quát về bản thuyết minh: Số trang ……… Bảng số liệu ……… Số tài liệu tham khảo ……… Số chương ………. Số hình vẽ ………. Phần mềm tính toán ………. 5. Những ưu điểm chính của LVTN ………………………………………………………………………………………….. .. ………………………………………………………………………………………… 6. Những thiếu sót của LVTN ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… Đề nghị: Được bảo vệ Không được bảo vệ Bổ sung thêm để bảo vệ 7. Câu hỏi sinh viên trả lời trước Hội Đồng a. ………………………………………………………………………………… b. ………………………………………………………………………………… c. ………………………………………………………………………………… d. ………………………………………………………………………………… e. ………………………………………………………………………………… 8. ĐÁNH GIÁ CHUNG (bằng chữ: GIỎI, KHÁ, TB)…………Điểm: ….. ……………. Ký tên (ghi rõ họ tên) TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ ----- CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM ----- Độc lập – Tự do – Hạnh phúc ----- -----Ngày ….. tháng ….. năm 2011 PHIẾU CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN (Dành cho người phản biện) 1. HỌ VÀ TÊN: TRẦN HIẾU TRUNG DƢƠNG MINH TIẾN -MSSV: 40602711 -MSSV:40602471 NGÀNH: VIỄN THÔNG 2. Đề tài: “LỌC NHIỄU TÍN HIỆU THOẠI DÙNG PHƢƠNG PHÁP EMD” 3. Họ tên người hướng dẫn: PGS. TS. HOÀNG ĐÌNH CHIẾN 4. Tổng quát về bản thuyết minh: Số trang ……… Bảng số liệu ……… Số tài liệu tham khảo ……… Số chương ………. Số hình vẽ ………. Phần mềm tính toán ………. 5. Những ưu điểm chính của LVTN …………………………………………………………………………………………. . .. ………………………………………………………………………………………… 6. Những thiếu sót của LVTN ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… Đề nghị: Được bảo vệ Không được bảo vệ Bổ sung thêm để bảo vệ 7. Câu hỏi sinh viên trả lời trước Hội Đồng a. ………………………………………………………………………………… b. ………………………………………………………………………………… c. ………………………………………………………………………………… d. ………………………………………………………………………………… e. ………………………………………………………………………………… 8. ĐÁNH GIÁ CHUNG (bằng chữ: GIỎI, KHÁ, TB)…………Điểm: ………………… Ký tên (ghi rõ họ tên) LỜI CẢM ƠN -----Trước tiên, chúng tôi xin gửi lời cám ơn chân thành đến PGS.TS. Hoàng Đình Chiến vì đã cho chúng tôi cơ hội được làm việc trong lĩnh vực xử lý thoại, với những hướng dẫn tận tình và đầy kinh nghiệm của thầy, cũng như những lời động viên, khuyến khích tôi trong suốt quá trình làm luận văn. Sự tận tình của thầy vừa là nguồn động lực vừa tạo cho chúng tôi sự ham thích nghiên cứu khoa học.Chúng tôi luôn trân trọng những hướng dẫn và gợi ý rất chuyên môn, sự kiên nhẫn và đặc biệt sự thân thiện của thầy. Kế đến, chúng tôi cũng xin được tri ân quý thầy cô khoa ĐiệnĐiện tử, đặc biệt là Bộ môn Viễn thông đã vung đấp cho chúng tôi nền tảng kiến thức để có thể thực hiện luận văn này. Sau nữa, chúng tôi cũng gửi lời cám ơn đến Anh Võ Tuấn Nam là người trực tiếp chỉ bảo, hướng dẫn tận tình cho chúng tôi khi chúng tôi gặp khó khăn.Và cũng xin cám ơn hai bạn Hà Hải Triều và Mai Văn Định, vốn là những người cùng làm về đề tài xử lý tín hiệu thoại, vì những trao đổi của các bạn là nguồn động lực cho chúng tôi trong quá trình nghiên cứu. Cuối cùng, chúng tôi xin cám ơn gia đình và bạn bè đã giúp đỡ chúng tôi trong suốt thời gian qua. ii TÓM TẮT Nhiễu nền là một trong những vấn đề gây khó khăn nhất trong hệ thống viễn thông và các hệ thống thoại vì làm suy giảm chất lượng cũng như nội dung của tín hiệu thoại. Do đó, cần có một phương pháp lọc nhiễu để cải thiện chất lượng của tín hiệu thoại trong hệ thống. Mục đích của việc lọc nhiễu tín hiệu thoại là cải thiện cảm nhận của người nghe hoặc nâng cao chất lượng của tín hiệu thoại dùng trong các hệ thống nhận dạng và tổng hợp tiếng nói ứng dụng trong lĩnh vực robot, thiết bị tự động để có thể giao tiếp với con người bằng tiếng nói…Trong suốt hai mươi năm gần đây, việc nghiên cứu và phát triển rộng rãi của hệ thống thông tin số đã mở ra xu hướng nghiên cứu vềcác phương pháp lọc nhiễu tín hiệu thoại trong lĩnh vực xử lý tín hiệu. Với mục đích đó, nội dung của luận văn này sẽ trình bày một số phương pháp lọc nhiễu tín hiệu thoại dựa trên việc áp dụng một số thuật toán lấy ngưỡng trong miền EMD (Empirical Mode Decomposition - Mô hình thực nghiệm phân rã). Trong tự nhiên, tín hiệu thoại là phi tuyến(non-linear) và không dừng (non-stationary), vì vậy mà hiệu quả của việc cải thiện chất lượng tín hiệu thoại phụ thuộc rất lớn vào phương pháp phân tích.Mặc dù biến đổi Fourier và phân tích Wavelet đã có những đóng góp rất lớn trong xử lý tín hiệu, nhưng các phương pháp này vẫn gặp phải một số hạn chế với tín hiệu phi tuyến và không dừng.Gần đây, phương pháp EMD được Huang [16], [17]đưa ra như một phương pháp phân tích mới mẽ và hiệu quả cho tín hiệu phi tuyến và không dừng, mở ra một hướng mới trong nghiên cứu việc cải thiện chất lượng thoại.Về cơ bản, EMD là một phương pháp phân tích dữliệu thích nghi cho các dạng dữ liệu phức tạp để phân rã chúng thành các thành phần dao động có trung bình không (zero mean), gọi là Hàm dao động nội tại IMF(Intrinsic mode function).Những nghiên cứu gần đây phát hiện rằng chúng ta có thể xác định thành công các thành phần nhiễu từ các IMF của tín hiệu bị can nhiễu. Chính vì lý do này mà việc cải thiện tín hiệu thoại dựa trên phương pháp EMD ngày càng được chú ý hơn. Lọc nhiễu tín hiệu thoại sử dụng phương pháp EMD được thực hiện dựa vào thuật toán lấy ngưỡng.Đây là một thuật toán lọc nhiễu được sử dụng rộng rãi trong rất nhiều các iii phương pháp lọc nhiễu.Ý tưởng của thuật toán lấy ngưỡng là xác định một mức ngưỡng cho từng đoạn rồi trừ vào thành phần tín hiệu được cho là nhiễu.Tuy nhiên, việc xác định và loại trừ các thành phần nhiễu mà vẫn không làm suy giảm thành phần thoại ban đầu là một vấn đề không hề dễ dàng. Do đó nhược điểm lớn nhất của loại thuật toán này là làm suy giảm tín hiệu thoại gốc, đặc biệt là đối với tín hiệu có tỷ số tín hiệu trên nhiễu (SNR) cao. Để hạn chế sự suy giảm này, người ta áp dụng thuật toán lấy ngưỡng mềm để áp dụng cho từng khoảng tín hiệu.Các IMF của tín hiệu thoại bị can nhiễu được lọc nhiễu bằng cách áp dụng giải thuật lấy ngưỡng mềm đối với từng hệ số của mỗi IMF. Với giải thuật này thì hầu hết các thành phần nhiễu bị loại bỏ thành công trong khi các thành phần thoại vẫn được bảo toàn.Tuy nhiên trở ngại lớn nhất trong giải thuật lấy ngưỡng mềm này là làm sao để xác định chính xác mức ngưỡng tương ứng trong từng IMF.Đó mà vấn đề mà luận văn này đang vấp phải. Do hệ thống lý thuyết của phương pháp EMD cũng như thuật toán lọc nhiễu trong miền EMD chưa hoàn chỉnh, vẫn đang trong quá trình nghiên cứu nên luận văn này trình bày một số phương pháp lấy ngưỡng khác nhau trong miền EMD để xem xét hiệu quả của từng phương pháp. iv MỤC LỤC Nội dung Trang Phụ bìa ..................................................................................................................................... i Lời cảm ơn ......................................................................................................................................... ii Tóm tắt .............................................................................................................................................. iii Mục lục .............................................................................................................................................. v Danh sách các từ viết tắt ................................................................................................................... vii Danh sách các bảng.......................................................................................................................... viii Danh sách các hình ............................................................................................................................. x Chƣơng 1:TỔNG QUAN ................................................................................................................. 1 1.1Giới thiệu chung........................................................................................................................ 1 1.2 Một số ứng dụng của việc lọc nhiễu tín hiệu thoại..................................................................... 2 1.3 Tính cấp thiết của đề tài nghiên cứu .......................................................................................... 2 1.4 Các phương pháp lọc nhiễu tín hiệu thoại ................................................................................. 3 1.4.1 Phân loại ........................................................................................................................... 3 1.4.2 Trừ phổ ............................................................................................................................. 4 1.4.3 Lấy ngưỡng Wavelet ......................................................................................................... 6 1.4.4 Lấy ngưỡng DCT............................................................................................................... 8 1.4.5 Hướng nghiên cứu của đề tài.............................................................................................. 9 1.5Mục tiêu nghiên cứu .................................................................................................................10 1.5.1 Mục tiêu tổng quát ............................................................................................................10 1.5.2 Mục tiêu cụ thể .................................................................................................................10 1.6 Tính mới và những đóng góp của đề tài ...................................................................................10 1.7Đối tượng và phạm vi nghiên cứu .............................................................................................10 1.8 Phương pháp nghiên cứu .........................................................................................................11 1.9 Phát biểu bài toán ....................................................................................................................11 Chƣơng 2 GIỚI THIỆU EMD ........................................................................................................13 2.1 Giới thiệu ................................................................................................................................13 2.2 Khái niệm cơ bản của EMD.....................................................................................................13 2.2.1 Hàm chế độ nội tại IMF ....................................................................................................13 2.2.2 Quá trình chọn lọc ............................................................................................................15 2.3 Năng lượng nhiễu của các IMF ................................................................................................18 v 2.4 EMD cho tín hiệu thoại ...........................................................................................................20 Chƣơng 3 LỌC NHIỄU TRONG MIỀN EMD ..............................................................................22 3.1 Giới thiệu ................................................................................................................................22 3.2 Lấy ngưỡng EMD dựa trên đặc tính trong khoảng giữa của hai điểm về không ........................24 3.2.1 Lấy ngưỡng EMD – IT .....................................................................................................24 3.2.2 Lấy ngưỡng EMD - SIT ....................................................................................................28 3.2.3 Lấy ngưỡng EMD - IIT.....................................................................................................32 3.2.4 EMD - CIIT ......................................................................................................................34 3.3 Lấy ngưỡng EMD - SST..........................................................................................................36 3.4 Lấy ngưỡng mềm kết hợp DCT - EMD....................................................................................40 3.4.1 Lấy ngưỡng mềm DCT ở tầng thứ nhất .............................................................................42 3.4.2 Lấy ngưỡng mềm EMD ở tầng thứ hai ..............................................................................42 Chƣơng 4 THỰC HIỆN MÔ PHỎNG ...........................................................................................45 4.1 Các thông số mô phỏng ...........................................................................................................45 4.1.1 Khung tín hiệu ..................................................................................................................45 4.1.2 Phương sai nhiễu của các IMF ..........................................................................................46 4.1.3 Vector lấy ngưỡng ............................................................................................................46 4.2 Kết quả mô phỏng ...................................................................................................................47 4.2.1 Các phương pháp lấy ngưỡng trên từng khoảng về không. ................................................47 4.2.2 Phương pháp lấy ngưỡng EMD - SST ...............................................................................51 4.2.3 Phương pháp lấy ngưỡng kết hợp DCT – EMD .................................................................52 4.3 Khảo sát các thông số ảnh hưởng đến chất lượng tín hiệu.........................................................53 4.3.1 Ảnh hưởng của vector lấy ngưỡng ....................................................................................54 4.3.2. Ảnh hưởng của thông số M1, M2.....................................................................................57 4.3.3. Ảnh hưởng của hệ số lặp k ...............................................................................................59 4.3.4. Ảnh hưởng của cách chuyển đổi ngẫu nhiên vị trí các mẫu của IMF đầu tiên trong phương pháp lặp ....................................................................................................................................61 Chƣơng 5 KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN .....................................................................63 5.1 Kết luận ..................................................................................................................................63 5.2 Hướng phát triển .....................................................................................................................65 TÀI LIỆU THAM KHẢO .............................................................................................................67 vi DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT CIIT Clear Iterative Interval- Thresholding DCT Discrete Cosine Transform DFT Discrete Fourier Transform DWT Discrete Wavelet Transform EMD Empirical Mode Decomposition IIT Iterative Interval- Thresholding IMF Intrisic Mode Function iSNR Signal to Noise Ratio input IT Interval Thresholding MAD Median Absolute Deviation oSNR Signal to Noise Ratio output SCAD Smoothly Clipped Absolute Deviation SIT Soft Interval Thresholding SST Subframe - Soft Thresholding vii DANH SÁCH CÁC BẢNG Chƣơng 4 Bảng 4.1: So sánh kết quả SNR đầu ra của 3 phương pháp lấy ngưỡng trên từng khoảng về 0 ............................................................................................................... 48 Bảng 4.2: So sánh kết quả SNR đầu ra của phương pháp EMD – CIIT dựa trên 3 thuật toán lấy ngưỡng là IT, SIT, và SCAD. ....................................................................... 50 Bảng 4.3: So sánh kết quả SNR đầu ra của phương pháp lấy ngưỡng EMD – SST và lấy ngưỡng kết hợp DCT - EMD............................................................................... 53 Bảng 4.4:Ảnh hưởng của thông số C đối với phương pháp lấy ngưỡng cứng trên từng khoảngvềkhông (EMD - IT)....................................................................................... 54 Bảng 4.5: Ảnh hưởng của thông số C đối với phương pháp lấy ngưỡng cứng trên từng khoảngvềkhông (EMD – SIT) .................................................................................... 54 Bảng 4.6: Ảnh hưởng của thông số C đối với phương pháp lấy ngưỡng EMD – SCAD .................................................................................................................................. 55 Bảng 4.7: Ảnh hưởng của thông số λ đối với phương pháp lấy ngưỡng EMD –SST .. 55 Bảng 4.8: Ảnh hưởng của thông số λđối với phương pháp lấy ngưỡng kết hợp DCT – EMD .......................................................................................................................... 56 Bảng 4.9: Ảnh hưởngcủa M2 đối với phương pháp lấy ngưỡng cứng trên từng khoảngvềkhông (EMD - IT)....................................................................................... 57 Bảng 4.10: Ảnh hưởngcủa M2 đối với phương pháp lấy ngưỡng mềm trên từng khoảngvề không EMD - SIT) ..................................................................................... 58 Bảng 4.11: Ảnhhưởngcủa M2 đối với phương pháp lấy ngưỡng mềm SCAD trêntừngkhoảngvềkhông (EMD - SCAD) ................................................................... 58 Bảng 4.12: Ảnhhưởngthôngsố Kđối với phương pháp lấy ngưỡng cứng .................... 59 Bảng 4.13: Ảnhhưởngthôngsố Kđối với phương pháp lấy ngưỡng mềm ................... 60 viii Bảng 4.14: Ảnhhưởngthôngsố Kđối với phương pháp lấy ngưỡng mềm SCAD ......... 60 Bảng 4.15: Ảnhhưởngcáchhoánđổimẫuđối với phương pháp lấy ngưỡng cứng .......... 62 ix DANH SÁCH CÁC HÌNH Chƣơng 2 Hình 2.1: Một loại IMF với số cực trị và số zero crossing bằng nhau, và các biên trên và biên dưới đối xứng nhau có trung bình bằng 0....................................................... 14 Hình 2.2: Quá trình chọn lọc... ................................................................................... 15 Hình 2.3: EMD của tín hiệu thoại bị can nhiễu có SNR là 10dB và 8 IMF đầu tiên thêm phần dư hằng số. ............................................................................................... 17 Hình 2.4: Tần số tức thời của các IMF ....................................................................... 18 Hình 2.5: Đường cong diễn tả mối quan hệ giữa năng lượng của các IMF tương ứng với quá trình EMD sử dụng số lần chọn lọc từ 1 đến 15. Đường cong màu đỏ được thể hiện đề xuất của Flandrin và cộng sự. ........................................................................ 19 Hình 2.6: So sánh về năng lượng giữa mô hình các IMF chỉ có nhiễu và IMF thực tế .................................................................................................................................. 20 Chƣơng 3 Hình 3.1: Thuật toán lấy ngưỡng dựa vào đặc tính của khoảng giữa hai điểm về 0 a) trên một IMF; b) trên một đoạn của IMF trước và sau khi lấy ngưỡng. ...................... 26 Hình 3.2: Phương pháp EMD – IT trên tín hiệu Dopler: a) Tín hiệu bị can nhiễu có SNR=5dB; b) tín hiệu được lọc nhiễu so với tín hiệu sạch ban đầu ............................ 27 Hình 3.3: Phương pháp EMD – IT trên tín hiệu thoại thực tế: a) Tín hiệu sạch ban đầu; b) Tín hiệu bị can nhiễu có SNR=5dB; b) Tín hiệu được lọc nhiễu ............................ 28 Hình 3.4: Phương pháp EMD – SIT trên tín hiệu Dopler: a) Tín hiệu bị can nhiễu có SNR=5dB; b) tín hiệu được lọc nhiễu so với tín hiệu sạch ban đầu ............................ 29 Hình 3.5: Phương pháp EM – SIT trên tín hiệu thoại thực tế: a) Tín hiệu sạch ban đầu; b) Tín hiệu bị can nhiễu có SNR=5dB; b) Tín hiệu được lọc nhiễu ............................ 29 Hình 3.6: Phương pháp EMD – SCAD trên tín hiệu Dopler: a) Tín hiệu bị can nhiễu có SNR=5dB; b) tín hiệu được lọc nhiễu so với tín hiệu sạch ban đầu ............................ 31 x Hình 3.7: Phương pháp EMD –SCAD trên tín hiệu thực tế: a) Tín hiệu sạch ban đầu; b) Tín hiệu bị can nhiễu có SNR=5dB; b) Tín hiệu được lọc nhiễu. ........................... 31 Hình 3.8: Phương pháp EMD – IIT lấy ngưỡng dựa vào EMD – SIT trên tín hiệu Dopler: a) Tín hiệu bị can nhiễu có SNR=5dB; và tín hiệu được lọc nhiễu so với tín hiệu sạch ban đầu lặp với b) K=3; c) K=20. ............................................................... 33 Hình 3.9: Phương pháp EMD – IIT lấy ngưỡng dựa vào EMD – SIT trên tín hiệu thoại thực tế: a) Tín hiệu sạch ban đầu; b) Tín hiệu bị can nhiễu có SNR=5dB; b) Tín hiệu được lọc nhiễu với K=10. .......................................................................................... 34 Hình 3.10: Phương pháp EMD - CIIT: a) Tín hiệu bị can nhiễu có SNR=5dB; b) tín hiệu được lọc nhiễu so với tín hiệu sạch ban đầu lặp với K=15. ................................. 35 Hình 3.11: Phương pháp EMD – CIIT lấy ngưỡng dựa vào EMD – SIT trên tín hiệu thoại thực tế: a) Tín hiệu sạch ban đầu; b) Tín hiệu bị can nhiễu có SNR=5dB; b) Tín hiệu được lọc nhiễu với K=10. ................................................................................... 36 Hình 3.12: Sơ đồ khối của phương pháp lấy ngưỡng EMD – SST.............................. 37 Hình 3.13: Phương pháp lấy ngưỡng EMD - SST: a) Tín hiệu sạch ban đầu; b) Tín hiệu bị can nhiễu có SNR=5dB; b) Tín hiệu được lọc nhiễu. ...................................... 39 Hình 3.14: Sơ đồ khối của phương pháp lấy ngưỡng mềm EMD – DCT .................... 41 Hình 3.15: Phương pháp kết hợp DCT – EMD với tín hiệu thoại thực tế: a) Tín hiệu sạch; b) Tín hiệu bị can nhiễu; Tín hiệu được lọc nhiễu bằng phương pháp: c) DCT; d) DCT EMD ................................................................................................................. 43 Chƣơng 4 Hình 4.1: Kết quả lọc nhiễu trên từng khoảng về không: a) tín hiệu sạch; b) tín hiệu bị can nhiễu; Tín hiệu sau khi lọc nhiễu bằng phương pháp: c) EMD - IT; d) EMD – SIT; e) EMD – SCAD........................................................................................................ 47 Hình 4.2: Kết quả lọc nhiễu bằng phương pháp EMD – CIIT dựa trên thuật toán lấy ngưỡng EMD - IT: a) tín hiệu sạch; b) tín hiệu bị can nhiễu có SNR= 0dB; Tín hiệu sau khi lọc nhiễu dựa trên thuật toán lấy ngưỡng: c) K=1; d) K=10. .......................... 49 Hình 4.3: Kết quả lọc nhiễu bằng phương pháp EMD – CIIT dựa trên thuật toán lấy ngưỡng EMD - SIT: a) tín hiệu sạch; b) tín hiệu bị can nhiễu có SNR= 0dB; Tín hiệu sau khi lọc nhiễu dựa trên thuật toán lấy ngưỡng: c) K=1; d) K=10. .......................... 49 xi Hình 4.4: Kết quả lọc nhiễu bằng phương pháp EMD – CIIT dựa trên thuật toán lấy ngưỡng EMD - SCAD: a) tín hiệu sạch; b) tín hiệu bị can nhiễu có SNR= 0dB; Tín hiệu sau khi lọc nhiễu dựa trên thuật toán lấy ngưỡng: c) K=1; d) K=10 .................... 50 Hình 4.5: Kết quả lọc nhiễu bằng phương pháp lấy ngưỡng EMD - SST: a) tín hiệu sạch; b) tín hiệu bị can nhiễu có SNR=0dB (I) và SNR=10dB (II); Tín hiệu sau khi lọc nhiễu. ......................................................................................................................... 51 Hình 4.6: Kết quả lọc nhiễu bằng phương pháp lấy ngưỡng kết hợp DCT - EMD: a) tín hiệu sạch; b) tín hiệu bị can nhiễu có SNR=0dB (I) và SNR=10dB (II); Tín hiệu sau khi lọc nhiễu. ............................................................................................................. 52 xii Chương 1: Tổng quan GVHD: PGS. TS. Hoàng Đình Chiến Chƣơng 1 TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu chung Trong nhiều hệ thống, đa phần tín hiệu thoại đều bị tác động rất lớn từ các nguồn can nhiễu. Những nguồn can nhiễu này làm suy giảm chất lượng cũng như nội dung của tín hiệu thoại gốc, do đó làm suy giảm thậm chí là mất đi khả năng thực thi các ứng dụng của chúng trong hệ thống. Các nguồn can nhiễu này có thể là nhiễu băng rộng với hình thức nhiễu trắng hoặc nhiễu màu, hoặc các tín hiệu như tiếng vo ve, tiếng ồn trong môi trường đông người, tiếng động cơ, tiếng mưa… hay một dạng của nhiễu fading. Một tín hiệu thoại có thể bị tác độngđồng thời một hoặc nhiều nguồn can nhiễu khác nhau. Trong đó, dạng nhiễu phổ biến nhất và khó loại trừ nhất là nhiễu trắng.Đó là lý do mà trong luận văn này chúng tôi tập trung vào loại nhiễu này. Như đã nói, sự ảnh hưởng của nhiễu nền lên tín hiệu thoại làm suy giảm chất lượng cũng như tính khả thi của hệ thống thoại.Do vậy mà việc lọc nhiễu được đặt ra là cần thiết để cải thiện chất lượng tín hiệu thoại. Việc cải thiện chất lượng thoại phải giúp nâng cao chất lượng thính giác và bảo toàn nội dung của tín hiệu thoại mà thiết bị hay người nghe có thể hiểu được trong môi trường nhiễu, chủ yếu thông qua các giải thuật lọc nhiễu. Các loại giải thuật như vậy có thể được ứng dụng cho các hệ thống thông tin di động, hệ thống nhận dạng và tổng hợp tiếng nói ứng dụng trong lĩnh vực robot, thiết bị tự động để có thể giao tiếp với con người bằng tiếng nói… Đặc trưng của một hệ thống được đánh giá qua hai tiêu chí là chất lượng và tính hiểu được (nội dung) của thông tin.Chất lượng của tín hiệu thoại sau khi cải thiện liên quan tới độ trong của tín hiệu, mức độ dư nhiễu của tín hiệu… Hầu hết các phương pháp cải thiện chất lượng thoại đều nâng cao được chất lượng của tín hiệu tuy nhiên lại làm giảm đi tính hiểu được của nó, nghĩa là mức độ hay số từ mà người nghe nhận ra được khi nghe.Thậm chí chỉ bằng cách lắng nghe kỹ hơn người nghe có thể nhận được nhiều SVTH: Trần Hiếu Trung Dương Minh Tiến 1 Chương 1: Tổng quan GVHD: PGS. TS. Hoàng Đình Chiến thông tin từ tín hiệu bị can nhiễu hơn là tín hiệu được cải thiện. Chính vì vậy, chúng ta cần tìm ra thuật toán đảm bảo đầy đủ hai đặc trưng này để nâng cao chất lượng của hệ thống thông tin thoại. 1.2 Một số ứng dụng của việc lọc nhiễu tín hiệu thoại Trong kỹ thuật thông tin ngày nay, có nhiều lĩnh vực mà cải thiện chất lượng thoại được sử dụng để nâng cao chất lượng của hệ thống Hệ thống nhận và tổng hợp tiếng nói: hệ thống làm giảm ảnh hưởng của nhiễu nền cũng như các nguồn can nhiễu. Hệ thống áp dụng trong việc giao tiếp giữa người và máy, hệ thống lái xe tự động... Đây là lĩnh vực sẽ phát triển mạnh mẽ và phổ biến trong tương lai, khi đó, giữa người và máy móc, robot sẽ giao tiếp trực tiếp bằng tiếng nói. Viễn thông: việc cải thiện chất lượng thoại tập trung vào việc loại bỏ các thành phần nhiễu nền trong hệ thống. Ngoài ra, hệ thống viễn thông còn có một vấn đề khác nằm ở nhiễu kênh. Bằng cách cải thiện chất lượng thoại trước khi đưa nó vào kênh truyền, hệ thống có thể giảm được ảnh hưởng của nhiễu kênh. Các hệ thống trợ thính số: Người nghe thường khó hiểu được thông tin thoại trong môi trường nhiễu lớn như ngoài đường, trong nhà máy, trên tàu thuyền… Do đó, hệ thống này là phần rất quan trọng để nâng cao sự cảm nhận thông tin thoại trong môi trường nhiễu cho người nghe. 1.3 Tính cấp thiết của đề tài nghiên cứu Như đã nói ở trên, yêu cầu xây dựng một phương pháp lọc nhiễu mạnh mẽ, thích hợp cho tín hiệu phi tuyến và không dừng như tín hiệu thoại đang ngày càng trở nên cấp thiết.Cho đến nay, có rất nhiều phương pháp được dùng để cải thiện chất lượng tín hiệu như các phương pháp lấy ngưỡng trong miền Fourier, Wavelet, và biến đổi cosine rời rạc -DCT (Discrete Cosine Transform).Mặc dù các phương pháp này đã có những đóng góp rất lớn trong xử lý tín hiệu, nhưng chúng vẫn gặp phải một số hạn chế với tín hiệu phi tuyến và không dừng như tín hiệu thoại.Gần đây, phương pháp lọc nhiễu dựa trên thuật toán lấy ngưỡng trong miền EMD được đánh giá như là một phương pháp SVTH: Trần Hiếu Trung Dương Minh Tiến 2 Chương 1: Tổng quan GVHD: PGS. TS. Hoàng Đình Chiến phân tích mới và mạnh mẽ cho tín hiệu phi tuyến và không dừng, mở ra một hướng mới trong nghiên cứu lĩnh vực cải thiện chất lượng thoại. Về cơ bản, EMD có ưu điểm là thích nghi hoàn toàn với dữ liệu để phân tích chúng thành các thành phần dao động có trung bình không (zero mean), gọi là Hàm dao động nội tại (IMF - Intrinsic mode function).Những nghiên cứu gần đây phát hiện rằng chúng ta có thể xác định thành công các thành phần nhiễu từ các IMF của tín hiễu bị can nhiễu với phương pháp EMD. Cụ thể với trường hợp nhiễu trắng, các thành phần nhiễu thường chỉ tập trung ở 3 IMF đầu tiên.Chính vì lý do này mà việc lọc nhiễu dựa trên phương pháp lấy ngưỡng trong miền EMD ngày càng được nghiên cứu rộng rãi hơn. 1.4 Các phƣơng pháp lọc nhiễu tín hiệu thoại 1.4.1 Phân loại Cho tới nay, có rất nhiều phương pháp được đưa ra cho cải thiện chất lượng thoại.Các thuật toán được đưa ra có thể phân thành 2 lớp chính là các phương pháp có tham số (parametric) và không có tham số (non-parametric). Phương pháp có tham số giả định một mô hình cho quá trình tạo ra tín hiệu. Mô hình này mô tả các cấu trúc được tiên đoán trước và các mẫu có thể quan sát được trong quá trình hình thành tín hiệu. Việc giảm nhiễu được thực hiện phụ thuộc vào thông tin theo cách diễn dịch này. Do việc lọc nhiễu dựa trên mô hình tham số nên việc lựa chọn mô hình là quan trọng nhất trong những thuật toán này. Phương pháp không có tham số thì chỉ cần ước lượng nhiễu, thông thường là phương sai nhiễu. Phổ nhiễu này có thể được ước lượng từ khoảng ngừng mà người nói im lặng (đơn kênh) hoặc một nguồn tham chiếu (đa kênh). Tuy nhiên, việc phân loại thành lọc nhiễu đơn kênh và lọc nhiễu đa kênh lại được sử dụng phổ biến hơn.Phân biệt cơ bản giữa lọc nhiễu thoại đơn kênh và đa kênh là dựa trên số lượng kênh và loại tín hiệu có thể quan sát được. SVTH: Trần Hiếu Trung Dương Minh Tiến 3 Chương 1: Tổng quan GVHD: PGS. TS. Hoàng Đình Chiến Lọc nhiễu đơn kênh chỉ dùng một nguồn âm (thanh) và do đó chỉ có một nguồn bị can nhiễu để đưa ra các thông tin phổ. Phổ nhiễu này phải được ước lượng từ khoảng ngừng và nhiễu này được xem như ổn định và không gián đoạn. Điều này làm cho sự cải thiện chất lượng thoại đơn kênh gặp nhiều thách thức. Đó là lý do tại sao chất lượng của kỹ thuật đơn kênh bị hạn chế. Lọc nhiễu đa kênh dùng đồng thời nhiều nguồn âm hoạt động trong môi trường, dẫn tới có nhiều nguồn bị can nhiễu. Nhiều nguồn bị can nhiễu này đưa ra ưu điểm của việc đưa vào thông tin cả miền không gian mà miền phổ. Tuy nhiên, vì nhiều nguồn âm (thanh) sẽ tác động về giá thành. Trong luận văn này, chúng tôi chỉ trình bày các phương pháp lọc nhiễu đơn kênh và không có tham số.Do đó, phần tiếp theo chúng tôi xin giới thiệu tổng quát về một số phương pháp lọc nhiễu trong nhóm này. 1.4.2 Trừ phổ Trừ phổ là một trong những phương pháp cổ điển nhất và cũng là kỷ thuật phổ biến nhất được đưa ra nhầm giảm thiểu ảnh hưởng của nhiễu nền.Kỹ thuật trừ phổ sớm nhất được đưa ra vào năm 1974 bởi ông Weiss.Như đã nói ở trên, trừ phổ là một phương pháp không có tham số nên chỉ đòi hỏi một thuật toán ước lượng về phổ nhiễu.Trong trường hợp đơn kênh, sự ước lượng này được thực hiện trong các khoảng thời gian mà người nói im lặng, được xem như các khoảng ngừng. Ý tưởng chính của phương pháp này là ước lượng phổ của tín hiệu nhiễu và loại trừ nó khỏi tín hiệu bị can nhiễu để thu được tín hiệu sạch. Do phổ nhiễu được ước lượng từ các khoảng ngừng và được sử dụng cho toàn bộ dữ liệu nên kỹ thuật trừ phổ chỉ thích hợp với các nguồn nhiễu ổn định hoặc thay đổi rất chậm để sự thay đổi trong phổ công suất nhiễu được cập nhật. Giả sử rằng tín hiệu thoại sạch bị can nhiễu bởi nguồn nhiễu để tạo ra một nguồn bị can nhiễu: (1.1) Dùng biến đổi Fourier để thu được: (1.2) SVTH: Trần Hiếu Trung Dương Minh Tiến 4 Chương 1: Tổng quan GVHD: PGS. TS. Hoàng Đình Chiến Nhân hai vế cho liên hiệp phức của chúng ta được: (1.3) Trong đó là sai pha giữa tín hiệu thoại và nhiễu (1.4) Lấy giá trị kỳ vọng của hai vế ta được: (1.5) Công thức trên cần đủ hai giả thuyết: 1. Giá trị của phổ biên độ của nhiễu và thoại là độc lập với nhau. 2. Pha của nhiễu và thoại là độc lập với nhau và độc lập với biên độ của chúng. Có khá nhiều phương pháp dựa trên lý thuyết trừ phổ, chúng có thể được chia thành 2 lớp chính được trình bày sau đây. 1.4.2.1 Trừ phổ công suất Với phương pháp trừ phổ công suất, chúng ta giả sử rằng trong công thức (1.5) bằng 0, ta sẽ có: (1.6) Mật độ phổ công suất được ước lượng từ khoảng lặng của tiếng nói và giả sử rằng sự biến thiên mật độ phổ nhiễu nằm trong giới hạn cho phép, nó sẽ được trừ ra khỏi mật độ phổ tín hiệu thoại bị can nhiễu để thu được tín hiệu thoại được cải thiện (1.7) 1.4.2.2 Trừ phổ biên độ Với phương pháp trừ phổ biên độ, giả sử rằng SVTH: Trần Hiếu Trung Dương Minh Tiến , do đó: 5