LỌC NHIỄU TÍN HIỆU THOẠI DÙNG PHƯƠNG PHÁP EMD - LUẬN VĂN ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (2.83 MB, 84 trang )
ĐẠII HỌ
ĐẠ
HỌC QUỐ
QUỐC GIA TP. HỒ
HỒ CHÍ MINH
TRƢỜNG ĐẠI
ĐẠI HỌ
HỌC BÁCH KHOA
KHOA ĐIỆN
ĐIỆN – ĐIỆ
ĐIỆN
N TỬ
TỬ
BỘ MÔN VIỄ
VIỄN THÔNG
------
LUẬN
LU
ẬN VĂN TỐT
TỐT NGHIỆP
NGHIỆP ĐẠI
ĐẠI HỌ
HỌC
HỆ CHÍNH QUY
LỌC NHIỄU TÍN HIỆU THOẠI DÙNG
PHƢƠNG PHÁP EMD
GVHD:
PGS. TS. HOÀNG ĐÌNH CHIẾN
CHIẾN
SVTH:
1.
TR ẦN40602711
HIẾU TRUNG
HIẾ
MSSV:
2. DƢƠNG MINH TIẾN
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
CỘ NG HÒA XÃ HỘI CHŨ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lậ p – T
Tự do – H
Hạnh phúc.
----- ----Khoa: Điệ
Điện
n – Điệ
Điện
n tử
tử
Bộ Môn: Vi
Viễễn Thông
NHI
HIỆ
ỆM VỤ
VỤ LU
LUẬN
ẬN VĂN TỐT
TỐT NGHIỆ
NGHIỆP
HỌ VÀ TÊN:
NGÀNH:
NGÀN
H:
1. TR ẦN HIẾ
HIẾU TRUNG
2. DƢƠNG MINH TIẾN
TIẾN
VI
VIỄ
ỄN THÔNG
– MSSV:
MSSV: 40602711
– MSSV:
MSSV: 40602471
LỚP: DD06DV03
1. Đề tài: “LỌC NHIỄ
NHIỄU TÍN HIỆ
HIỆU THOẠ
THOẠI DÙNG PHƢƠNG PHÁP EMD”
EMD”
2. Nhiệm vụ (Yêu cầu về nộ i dung và số liệu ban đầu):
..................................................
..................................
.................................
..................................
..................................
.................................
.................................
.........................
........
..................................
................
..................................
.................................
..................................
..................................
.................................
.................................
.........................
........
..................................
................
..................................
.................................
..................................
..................................
.................................
.................................
.........................
........
..................................
................
..................................
.................................
..................................
..................................
.................................
.................................
.........................
........
..................................................
..................................
.................................
..................................
..................................
.................................
.................................
.........................
........
..................................
................
..................................
.................................
..................................
..................................
.................................
.................................
.........................
........
3. Ngày giao nhiệm vụ luận văn: .................................
.................................................
..................................
..................................
........................
........
4. Ngày hoàn thành nhiệm vụ: ...............................
................................................
..................................
.................................
..............................
..............
5. Họ và tên người hướ ng
ng dẫn:
Phần hướ ng
ng dẫn
1. ...............................
................................................
.............................
............
...............
...............................
.................................
....................
...
2. ...............................
................................................
.............................
............
...............
...............................
.................................
....................
...
Nội dung và yêu cầu LVTN đã đượ c thông qua Bộ Môn.
Tp. HCM, ngày …..tháng …..năm
…..năm 2011
CHỦ
CH
Ủ NHI
NHIỆ
ỆM BỘ
BỘ MÔN
NGƢỜI HƢỚ NG
NG DẪ
DẪN CHÍNH
PHẦN DÀNH CHO KHOA, BỘ
PHẦ
BỘ MÔN:
Ngườ i duyệt (chấm sơ bộ ): ...............................
..........................................
...........
Đơn vị:....................
:.....................................
.................................
.................................
.....................
Ngày bảo vệ: .................................
..................................................
..............................
.............
Điểm tổng k ết: .................................
.................................................
...........................
...........
................................................
.....................
Nơi lưu trữ luận văn: ...............................
TRƢỜNG ĐẠI
ĐẠI HỌ
HỌC BÁCH KHOA
KHOA ĐIỆN
ĐIỆN – ĐIỆ
ĐIỆN
N TỬ
TỬ
----- -----
CỘNG HÒA XÃ HỘ
HỘI CH
CHỦ
Ủ NGHĨA VIỆT
VIỆT NAM
Độcc lậ
Độ
lập – Tự
Tự do –
do – Hạ
Hạnh phúc
----- ----- Ngày ….. tháng ….. năm 2011
PHIẾU CHẤ
PHIẾ
CHẤM BẢ
BẢO VỆ
VỆ LU
LUẬN
ẬN VĂN
(Dành cho người hướ ng
ng dẫn)
1. HỌ VÀ TÊN: TR ẦN HIẾ
HIẾU TRUNG
DƢƠNG MINH TIẾN
TIẾN
NGÀNH: VI
VIỄ
ỄN THÔNG
-MSSV: 40602711
-MSSV:40602471
2. Đề tài: “LỌC NHIỄ
NHIỄU TÍN HIỆ
HIỆU THOẠI
THOẠI DÙNG PHƢƠNG PHÁP EMD”
3. Họ tên người hướ ng
ng dẫn: PGS. TS. HOÀNG ĐÌNH CHIẾN
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:
Đượ c bảo vệ
Không đượ c bảo vệ
Bổ sung thêm để bảo vệ
7. Câu hỏ i sinh viên tr ả lời trướ c 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
ĐẠI HỌ
HỌC BÁCH KHOA
KHOA ĐIỆN
ĐIỆN – ĐIỆ
ĐIỆN
N TỬ
TỬ
CỘNG HÒA XÃ HỘ
HỘI CH
CHỦ
Ủ NGHĨA VIỆT
VIỆT NAM
----- -----
Độc llậập – Tự
Độc
Tự do –
do – Hạ
Hạnh phúc
----- ----- Ngày ….. tháng ….. năm 2011
PHIẾU CHẤ
PHIẾ
CHẤM BẢ
BẢO VỆ
VỆ LU
LUẬN
ẬN VĂN
(Dành cho ngườ i phản biện)
1. HỌ VÀ TÊN: TR ẦN HIẾ
HIẾU TRUNG
DƢƠNG MINH TIẾN
TIẾN
NGÀNH: VI
VIỄ
ỄN THÔNG
-MSSV: 40602711
-MSSV:40602471
2. Đề tài: “LỌC NHIỄ
NHIỄU TÍN HIỆ
HIỆU THOẠI
THOẠI DÙNG PHƢƠNG PHÁP EMD”
3. Họ tên người hướ ng
ng dẫn: PGS. TS. HOÀNG ĐÌNH CHIẾN
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:
Đượ c bảo vệ
Không đượ c bảo vệ
Bổ sung thêm để bảo vệ
7. Câu hỏ i sinh viên tr ả lời trướ c 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
--- --Trướ c tiên, chúng tôi xin gửi lời cám ơn chân thành đế n PGS.TS.
Hoàng Đình Chiến vì đã cho chúng tôi cơ hội đượ c làm việc
trong lĩnh vực x ử lý thoại, vớ i những hướ ng
ng d ẫn t ận tình và đầy
kinh nghiệm của thầy, cũng như những lời động viên, khuyến
khích tôi trong su ốt quá trình làm luận văn. S ự t ận tình của thầy
vừa là nguồn động lực vừa tạo cho chúng tôi sự ham thích
nghiên cứu khoa học.Chúng tôi luôn trân tr ọng những hướ ng
ng dẫn
và gợ i ý r ất chuyên môn, sự kiên nhẫn và đặ c biệt sự thân thiện
của thầy.
K ế đến, chúng tôi cũng xin đượ c tri ân quý thầy cô khoa ĐiệnĐiện tử, đặc biệt là Bộ môn Viễn thông đã vung đấ p 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 ngườ i tr ực ti ế p chỉ bảo, hướ ng
ng 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 ngườ i 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 thờ i gian qua.
ii
TÓM TẮ
TẮT
Nhiễu nền là một trong những vấn đề gây khó khăn nhất trong hệ th ống viễn thông và
các hệ thống thoại vì làm suy giảm ch ất lượng cũng như nội dung của tín hiệu thoại.
Do đó, cần có một phương pháp lọc nhiễu để cải thiện chất lượ ng
ng của tín hiệu thoại
trong hệ thống. Mục đích của việc lọc nhiễu tín hiệu thoại là cải thiện cảm nh ận của
ngườ i nghe hoặc nâng cao chất lượ ng
ng của tín hiệu thoại dùng trong các hệ th ống nhận
dạng và tổng hợ p tiếng nói ứng dụng trong lĩnh vực robot, thiết bị tự động để có thể
giao tiế p với con ngườ i bằng tiếng nói…Trong suốt hai mươi năm gần đây, việc
nghiên cứu và phát triển r ộng rãi của h ệ thống thông tin số đã mở ra xu hướ ng
ng nghiên
cứu vềcác phương pháp lọc nhiễu tín hiệu thoại trong lĩnh vực xử lý tín hiệu. Vớ i mục
đích đó, nội dung của luận văn này sẽ trình bày một số phương
phương pháp lọc nhiễu tín hiệu
thoại dựa trên việc áp dụng một s ố thuật toán lấy ngưỡ ng
ng 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 hi ệu quả của việc c ải thiện chất lượ ng
ng tín hiệu thoại phụ thuộc r ất lớ n vào
phương pháp phân tích.Mặc dù biến đổi Fourier và phân tích Wavelet đã có những
đóng góp rất lớ n trong xử lý tín hiệu, nhưng các phương pháp này vẫ n gặ p phải một số
hạn chế vớ i tín hiệu phi tuyến và không dừng.Gần đây, phương pháp EMD đượ c
Huang [16], [17]đưa ra như một phương pháp phân tích mớ i mẽ và hiệu quả cho tín
hiệu phi tuyến và không dừng, mở ra
ra một hướ ng
ng mớ i trong nghiên cứu việc cải thiện
chất lượ ng
ng 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 ph ần 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 r ằng 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 đượ c thực hiện dựa vào thuật toán
lấy ngưỡ ng
ng.Đây là một thuật toán lọc nhiễu đượ c s ử d ụng r ộng rãi trong r ất nhiều các
iii
phương pháp lọc nhiễu.Ý tưở ng
ng của thuật toán lấy ngưỡng là xác định một mức
ngưỡ ng
ng cho từng đoạn r ồi tr ừ vào thành phần tín hiệu đượ c cho là nhiễu.Tuy nhiên,
việc xác định và loại tr ừ các thành phần nhiễu mà vẫn không làm suy gi ảm thành phần
thoại ban đầu là một vấn đề không hề dễ dàng. Do đó nhược điểm l ớ n nhất của loại
thuật toán này là làm suy giảm tín hiệu thoại gốc, đặc bi ệt là đối vớ i tín hiệu có tỷ s ố
tín hiệu trên nhiễu (SNR) cao. Để hạn chế sự suy giảm này, ngườ i ta áp dụng thuật
toán lấy ngưỡ ng
ng mềm để áp dụng cho từng khoảng tín hiệu.Các IMF c ủa tín hiệu thoại
bị can nhiễu đượ c lọc nhiễu bằng cách áp dụng giải thuật lấy ngưỡ ng
ng mềm đối vớ i
từng hệ số của mỗi IMF. Vớ i giải thuật này thì hầu hết các thành phần nhiễu bị loại bỏ
thành công trong khi các thành ph ần thoại vẫn đượ c bảo toàn.Tuy nhiên tr ở
ở ngại lớ n
nhất trong giải thuật lấy ngưỡ ng
ng mềm này là làm sao để xác định chính xác mức
ngưỡ ng
ng tương ứng trong từng IMF.Đó mà vấn đề mà luận văn này đang vấ p phải.
Do hệ thống lý thuyết của phương pháp EMD cũng như thuậ t toán lọc nhiễu trong
miền EMD chưa hoàn chỉnh, vẫn đang trong quá trình nghiên cứ u nên luận văn này
trình bày một số phươn
phương pháp lấy ngưỡ ng
ng khác nhau trong miền EMD để xem xét hiệu
quả của từng phươ ng
ng pháp.
iv
MỤC LỤ
LỤC
N
ội dung
dung
...................................................................
...................................................................
..................................................................
................................. i
Trang Phụ bìa .................................
.................................................................
.....................................................................
....................................................................
......................................
....ii
Lời cảm ơn ..............................
.................................................................
......................................................................
....................................................................
..........................................
......... iii
Tóm tắt ..............................
................................................................
......................................................................
....................................................................
...........................................
..........v
Mục lục .............................
Danh sách các từ viết tắt ...................................................................
.....................................................................................................
................................................
.............. vii
...............................................................
......................................................................
...........................................................
....................... viii
Danh sách các bảng .............................
Danh sách các hình .............................
...............................................................
......................................................................
..............................................................
..........................x
..................................................................................................
..................................................
............... 1
Chƣơ
Ch
ƣơ ng
ng 1:TỔ
1:TỔNG QUAN ...............................................................
..............................................................................................................
............................................
......... 1
1.1Giớ i thiệu chung ............................................................................
....................................................................
............... 2
1.2 Một số ứng dụng của việc lọc nhiễu tín hiệu thoại ......................................................
.........................................................................................
.................... 2
1.3 Tính cấ p thiết của đề tài nghiên cứu ......................................................................
.................................................................................
............... 3
1.4 Các phươ ng
ng pháp lọc nhiễu tín hiệu thoại ..................................................................
..................................................................................................
.............................................................
......................... 3
1.4.1 Phân loại ..............................................................
....................................................................................................
............................................................
......................... 4
1.4.2 Tr ừ phổ .................................................................
...............................................................................................
............................................
.......... 6
1.4.3 Lấy ngưỡ ng
ng Wavelet .............................................................
.............................................................
...................................................................
..................................................
................ 8
1.4.4 Lấy ngưỡ ng
ng DCT............................
.....................................................................
............................................................
......................... 9
1.4.5 Hướ ng
ng nghiên cứu của đề tài..................................
..................................................................
.....................................................................
...............................................10
..............10
1.5Mục tiêu nghiên cứu ..............................
...................................................................
....................................................................
.........................................10
........10
1.5.1 Mục tiêu tổng quát ................................
1.5.2 Mục tiêu cụ thể ..............................
..................................................................
.....................................................................
...............................................10
..............10
..............................................................
......................................................10
.....................10
1.6 Tính mớ i và những đóng góp của đề tài .............................
1.7Đối tượ ng
ng và phạ m vi nghiên cứu ..................................
.....................................................................
...........................................................10
........................10
..............................................................
....................................................................
...........................................11
........11
1.8 Phươ ng
ng pháp nghiên cứu .............................
1.9 Phát biểu bài toán ............................
..............................................................
...................................................................
......................................................11
.....................11
.............................................................
...................................................................
...........................................13
.........13
Chƣơ
Ch
ƣơ ng
ng 2 GIỚ
GIỚ I THIỆ
THIỆU EMD ............................
2.1 Giớ i thiệu .............................
..............................................................
....................................................................
..................................................................1
...............................13
3
.................................................................
.....................................................................
....................................13
..13
2.2 Khái niệm cơ b
bản của EMD ..............................
2.2.1 Hàm chế độ nội tại IMF .............................
...............................................................
.....................................................................
.....................................13
..13
...................................................................
....................................................................
.........................................15
........15
2.2.2 Quá trình chọn lọc ................................
.................................................................
..................................................................1
...............................18
8
ng nhiễu của các IMF ..............................
2.3 Năng lượ ng
v
..................................................................
....................................................................
.........................................20
........20
2.4 EMD cho tín hi ệu thoại ...............................
...............................................................
.................................................22
...............22
Chƣơ
Ch
ƣơ ng
ng 3 LỌ
LỌC NHIỄ
NHIỄU TRONG MIỀ
MIỀN EMD .............................
..............................................................
....................................................................
..................................................................2
...............................22
2
3.1 Giớ i thiệu .............................
3.2 Lấy ngưỡ ng
ng EMD dựa trên đặc tính trong khoảng giữa của hai điểm về không ........................24
.................................................................
.....................................................................
....................................24
..24
3.2.1 Lấy ngưỡng EMD – IT
IT ..............................
3.2.2 Lấy ngưỡng EMD - SIT .............................
...............................................................
.....................................................................
.....................................28
..28
.................................................................
.....................................................................
....................................32
..32
3.2.3 Lấy ngưỡng EMD - IIT ..............................
3.2.4 EMD - CIIT ..............................
.................................................................
.....................................................................
.....................................................34
...................34
...............................................................
....................................................................
...........................................36
........36
3.3 Lấy ngưỡ ng
ng EMD - SST ..............................
3.4 Lấy ngưỡ ng
ng mềm k ết hợ p DCT - EMD ..............................
...............................................................
......................................................40
.....................40
..............................................................
.................................................42
...............42
3.4.1 Lấy ngưỡ ng
ng mềm DCT ở t tầng thứ nhất ............................
...............................................................
.................................................42
...............42
3.4.2 Lấy ngưỡ ng
ng mềm EMD ở t tầng thứ hai .............................
...................................................................
............................................................45
........................45
Chƣơ
Ch
ƣơ ng
ng 4 THỰ
THỰ C HIỆ
HIỆN MÔ PHỎ
PHỎNG ...............................
4.1 Các thông số mô phỏng ...............................
..................................................................
....................................................................
.........................................45
........45
..................................................................
.....................................................................
................................................45
..............45
4.1.1 Khung tín hiệu ...............................
..................................................................
............................................................46
........................46
4.1.2 Phươ ng
ng sai nhiễu của các IMF ..............................
...................................................................
....................................................................
.........................................46
........46
4.1.3 Vector lấy ngưỡ ng
ng ................................
...................................................................
...................................................................
................................................47
..............47
4.2 K ết quả mô phỏng ..................................
................................................47
....................47
4.2.1 Các phươ ng
ng pháp lấy ngưỡ ng
ng trên từng khoả ng về không. ............................
.................................................................
.................................................51
..............51
4.2.2 Phươ ng
ng pháp lấy ngưỡ ng
ng EMD - SST ..............................
.............................................................
.....................................52
....52
4.2.3 Phương pháp lấy ngưỡng kết hợp DCT – EMD
EMD ............................
4.3 Khảo sát các thông s ố ảnh hưởng đến chất lượ ng
ng tín hiệu.........................................................53
4.3.1 Ảnh hưở ng
ng của vector lấy ngưỡ ng
ng ...............................................................
....................................................................................54
.....................54
..................................................................
......................................................57
...................57
4.3.2. Ảnh hưở ng
ng của thông số M1, M2 ...............................
4.3.3. Ảnh hưở ng
ng của hệ số lặ p k .............................
...............................................................
..................................................................5
................................59
9
4.3.4. Ảnh hưở ng
ng của cách chuyển đổi ngẫu nhiên vị trí các mẫu của IMF đầu tiên trong phươ ng
ng
....................................................................
...................................................................
................................................................6
...............................61
1
pháp lặ p ..................................
Chƣơ
Ch
ƣơ ng
ng 5 K ẾT LUẬN
LUẬN VÀ HƢỚ NG
NG PHÁT TRIỂ
TRIỂN .................................
...................................................................
....................................63
..63
..................................................................
....................................................................
................................................................6
...............................63
3
5.1 K ết luận ...............................
5.2 Hướ ng
ng phát triển .............................
...............................................................
.....................................................................
......................................................65
...................65
....................................................................
....................................................................
.........................................67
........67
TÀI LIỆU THAM KHẢO .................................
vi
DANH SÁCH CÁC TỪ
TỪ VIẾ
VIẾT TẮ
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
NG
Chƣơng 4
4
Bảng 4.1: So sánh k ết quả SNR đầu ra của 3 phương pháp lấy ngưỡ ng
ng trên từng
khoảng về 0 ............................................................................................................... 48
Bảng 4.2: So sánh k ết quả SNR đầu ra của phương pháp EMD – CIIT
CIIT dựa trên 3 thuật
toán lấy ngưỡ ng
ng là IT, SIT, và SCAD. ....................................................................... 50
Bảng 4.3: So sánh k ết quả SNR đầu ra của phương pháp lấy ngưỡ ng
ng EMD – SST
SST và
lấy ngưỡ ng
ng k ết hợ p DCT - EMD.............
.........................
..........................
..........................
..........................
..........................
............... 53
Bảng 4.4:Ảnh hưở ng
ng c ủa thông số C đố i với phương pháp lấy ngưỡ ng
ng c ứng trên từng
khoảngvềkhông (EMD - IT)....................................................................................... 54
Bảng 4.5: Ảnh hưở ng
ng của thông số C đối với phương pháp lấy ngưỡ ng
ng cứng trên từng
khoảngvềkhông (EMD – SIT)
SIT) .................................................................................... 54
Bảng 4.6: Ảnh hưở ng
ng của thông số C đối với phương pháp lấy ngưỡ ng
ng EMD – SCAD
SCAD
.................................................................................................................................. 55
Bảng 4.7: Ảnh hưở ng
ng của thông số λ đối với phương pháp lấy ngưỡ ng
ng EMD – SST
SST .. 55
Bảng 4.8: Ảnh hưở ng
ng c ủa thông số λđối với phương pháp lấy ngưỡ ng
ng k ết h ợ p DCT –
EMD .......................................................................................................................... 56
Bảng 4.9: Ảnh hưở ngc
ngcủa M2 đối với phương pháp lấy ngưỡ ng
ng cứng trên từng
khoảngvềkhông (EMD - IT)....................................................................................... 57
Bảng 4.10: Ảnh hưở ngc
ngcủa M2 đối với phương pháp lấy ngưỡ ng
ng mềm trên từng
khoảngvề không EMD - SIT) ..................................................................................... 58
Bảng 4.11: Ảnhhưở ngc
ngcủa M2 đối với phương pháp lấy ngưỡ ng
ng mềm SCAD
trêntừngkhoảngvềkhông (EMD - SCAD) ............
.........................
..........................
..........................
..........................
................
... 58
Bảng 4.12: Ảnhhưở ngthôngs
ngthôngsố K đố
đối với phương pháp lấy ngưỡ ng
ng cứng ....................
.................... 59
đối với phương pháp lấy ngưỡ ng
Bảng 4.13: Ảnhhưở ngthôngs
ngthôngsố K đố
ng mềm ...................
.............. ..... 60
viii
Bảng 4.14: Ảnhhưở ngthôngs
ngthôngsố K đố
đối với phương pháp lấy ngưỡ ng
ng mềm SCAD ......... 60
Bảng 4.15: Ảnhhưởngcáchhoánđổimẫuđối với phương pháp lấy ngưỡ ng
ng cứng .......... 62
ix
DANH SÁCH CÁC HÌNH
Chƣơng 2
2
Hình 2.1: Một lo ại IMF vớ i s ố c ực tr ị 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 thờ i của các IMF ....................................................................... 18
Hình 2.5: Đườ ng
ng cong diễn tả mối quan hệ giữa năng lượ ng
ng của các IMF tương ứng
vớ i quá trình EMD sử dụng số lần chọn lọc từ 1 đến 15. Đường cong màu đỏ đượ c thể
hiện đề xuất của Flandrin và cộng sự. ........................................................................ 19
Hình 2.6: So sánh về năng lượ ng
ng giữa mô hình các IMF chỉ có nhiễu và IMF thực t ế
.................................................................................................................................. 20
Chƣơng 3
3
Hình 3.1: Thuật toán lấy ngưỡ ng
ng dựa vào đặc tính của khoảng giữa hai điểm về 0 a)
trên một IMF; b) trên một đoạn của IMF trướ c và sau khi lấy ngưỡ ng.
ng. ......................
............ .......... 26
Hình 3.2: Phương pháp EMD – IT
IT trên tín hi ệu Dopler: a) Tín hi ệu bị can nhiễu có
SNR=5dB; b) tín hiệu đượ c lọc nhiễu so vớ i tín hiệu sạch ban đầu ............................
..................... ....... 27
Hình 3.3: Phương pháp EMD – IT
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 đượ c lọc nhiễu ............................
................ ............ 28
Hình 3.4: Phương pháp EMD – SIT
SIT trên tín hiệu Dopler: a) Tín hi ệu bị can nhiễu có
SNR=5dB; b) tín hiệu đượ c lọc nhiễu so vớ i tín hiệu sạch ban đầu ............................
..................... ....... 29
Hình 3.5: Phương pháp EM – SIT
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 đượ c lọc nhiễu ............................
................ ............ 29
Hình 3.6: Phương pháp EMD – SCAD
SCAD trên tín hiệu Dopler: a) Tín hiệu bị can nhiễu có
SNR=5dB; b) tín hiệu đượ c lọc nhiễu so vớ i tín hiệu sạch ban đầu ............................
..................... ....... 31
x
Hình 3.7: Phương pháp EMD – SCAD
SCAD trên tín hiệu thực t ế: a) Tín hiệu sạch ban đầu;
b) Tín hiệu bị can nhiễu có SNR=5dB; b) Tín hiệu đượ c lọc nhiễu. ...........................
............... ............ 31
Hình 3.8: Phương pháp EMD – IIT lấy ngưỡ ng
ng dựa vào EMD – SIT trên tín hiệu
Dopler: a) Tín hiệu bị can nhiễu có SNR=5dB; và tín hiệu đượ c lọc nhiễu so vớ i tín
hiệu sạch ban đầu lặ p vớ i b) K=3; c) K=20. ............
..........................
..........................
.........................
.........................
............ 33
Hình 3.9: Phương pháp EMD – IIT
IIT lấy ngưỡ ng
ng dựa vào EMD – SIT
SIT trên tín hiệu thoại
thực tế: a) Tín hiệu sạch ban đầu; b) Tín hiệu bị can nhiễu có SNR=5dB; b) Tín hi ệu
đượ c lọc nhiễu vớ i K=10. .......................................................................................... 34
Hình 3.10: Phương pháp EMD - CIIT: a) Tín hiệu bị can nhiễu có SNR=5dB; b) tín
hiệu đượ c lọc nhiễu so vớ i tín hiệu sạch ban đầu lặ p vớ i K=15. .............
..........................
....................
....... 35
Hình 3.11: Phương pháp EMD – CIIT
CIIT lấy ngưỡ ng
ng dựa vào EMD – SIT
SIT trên tín hiệu
thoại th ực t ế: a) Tín hiệu s ạch ban đầu; b) Tín hiệu b ị can nhiễu có SNR=5dB; b) Tín
hiệu đượ c lọc nhiễu vớ i K=10. ................................................................................... 36
ng EMD – SST.....................
SST....... .......................
......... 37
Hình 3.12: Sơ đồ khối của phương pháp lấy ngưỡ ng
Hình 3.13: Phương pháp lấy ngưỡ ng
ng EMD - SST: a) Tín hiệu sạch ban đầu; b) Tín
hiệu bị can nhiễu có SNR=5dB; b) Tín hiệu đượ c lọc nhiễu. ..........................
............. .........................
............ 39
Hình 3.14: Sơ đồ khối của phương pháp lấy ngưỡ ng
ng mềm EMD – DCT .............
....................
....... 41
Hình 3.15: Phương pháp kế t hợ p DCT – EMD
EMD vớ i tín hiệu thoại thực tế: a) Tín hiệu
sạch; b) Tín hiệu bị can nhiễu; Tín hiệu đượ c l ọc nhiễu bằng phương pháp: c) DCT; d)
DCT EMD ................................................................................................................. 43
Chƣơng 4
4
Hình 4.1: K ết quả lọc nhiễu trên từng khoảng về không: a) tín hi ệu sạch; b) tín hiệu b ị
can nhiễu; Tín hiệu sau khi lọc nhiễu bằng phương pháp: c) EMD - IT; d) EMD – SIT;
SIT;
e) EMD – SCAD........................................................................................................ 47
Hình 4.2: K ết quả lọc nhiễu bằng phương pháp EMD – CIIT
CIIT dựa trên thuật toán lấy
ngưỡ ng
ng 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 ngưỡ ng:
ng: c) K=1; d) K=10. ............
..........................
.............. 49
Hình 4.3: K ết quả lọc nhiễu bằng phương pháp EMD – CIIT
CIIT dựa trên thuật toán lấy
ngưỡ ng
ng EMD - SIT: a) tín hiệu sạch; b) tín hiệu b ị can nhiễu có SNR= 0dB; Tín hi ệu
sau khi lọc nhiễu dựa trên thuật toán lấy ngưỡ ng:
ng: c) K=1; d) K=10. ............
..........................
.............. 49
xi
Hình 4.4: K ết quả lọc nhiễu bằng phương pháp EMD – CIIT
CIIT dựa trên thuật toán lấy
ngưỡ ng
ng 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 ngưỡ ng:
ng: c) K=1; d) K=10 ....................
............. ....... 50
Hình 4.5: K ết quả lọc nhiễu bằng phương pháp lấy ngưỡ ng
ng EMD
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: K ết quả lọc nhiễu bằng phương pháp lấy ngưỡ ng
ng k ết hợ p DCT - EMD: a) tín
hiệu sạch; b) tín hiệu bị can nhiễu có SNR=0dB (I) và SNR=10dB (II); Tín hi ệu sau
khi lọc nhiễu. ............................................................................................................. 52
xii
Chương 1: Tổng quan
GVHD: PGS. TS. Hoàng Đình Chiến
Chƣơng 1
1
TỔNG QUAN
1.1 Gi
Giớ
ớ i thiệ
thiệu chung
Trong nhiều h ệ th ống, đa phần tín hiệu thoại đều b ị tác động r ất l ớ n t ừ các nguồn can
nhiễu. Những nguồn can nhiễu này làm suy gi ảm ch
c hất lượng cũng như nội dung của
tín hiệu thoại gốc, do đó làm suy giả m th
t hậm 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
vớ i hình thức nhiễu tr ắng hoặc nhiễu màu, hoặc các tín hiệu như tiếng vo ve, tiếng ồn
trong môi trường đông ngườ i,i, tiếng động cơ , tiếng mưa… hay một dạng của nhiễu
fading. Một tín hiệu thoại có thể bị tác độngđồng thờ i một hoặc nhiều nguồn can nhiễu
khác nhau. Trong đó, d ạng nhiễu ph ổ bi ến nh ất và khó lo ại tr ừ nh ất là nhiễu tr ắng.Đó
là lý do mà trong lu ận văn này chúng tôi tậ p trung vào loại nhiễu này.
Như đã nói, sự ảnh hưở ng
ng của nhiễu nền lên tín hiệu thoại làm suy giảm chất lượ ng
ng
cũng như tính khả thi của h ệ th ống thoại.Do vậy mà việc l ọc nhiễu được đặt ra là cần
thiết để cải thiện chất lượ ng
ng tín hiệu thoại. Việc cải thiện chất lượ ng
ng thoại phải giúp
nâng cao chất lượ ng
ng thính giác và bảo toàn nội dung của tín hiệu thoại mà thiết bị hay
ngườ i nghe có thể hiểu đượ c trong môi trườ ng
ng nhiễu, chủ yếu thông qua các giải thuật
lọc nhiễu. Các loại giải thuật như vậy có thể đượ c ứng dụng cho các hệ thống thông tin
di động, hệ thống nhận dạng và tổng hợ p tiếng nói ứng dụng trong lĩnh vực robot, thiết
bị tự động để có thể giao tiế p với con ngườ i bằng tiếng nói…
Đặc trưng của một hệ th ống được đánh giá qua hai tiêu chí là chất lượ ng
ng và tính hiểu
đượ c (nội dung) của thông tin.Chất lượ ng
ng 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 lượ ng
ng thoại đều nâng cao đượ c chất lượ ng
ng của tín hiệu tuy nhiên l ại làm
giảm đi tính hiểu đượ c của nó, nghĩa là mức độ hay số từ mà ngườ i nghe nhận ra đượ c
khi nghe.Thậm chí chỉ bằng cách lắng nghe k ỹ hơn ngườ i nghe có thể nhận đượ c nhiều
SVTH: Tr ần 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 đượ c cải thiện. Chính vì vậy, chúng ta
cần tìm ra thuật toán đảm bảo đầy đủ hai đặc trưng này để nâng cao chất lượ ng
ng của h ệ
thống thông tin thoại.
1.2
1.2 Một số ứng dụng của việc lọc nhiễu tín hiệu thoại
Trong k ỹ thuật thông tin ngày nay, có nhi ều lĩnh vực mà cải thiện chất lượ ng
ng thoại
đượ c sử dụng để nâng cao chất lượ ng
ng của hệ thống
Hệ th
t hống nhận và tổng h ợ p tiếng nói: hệ thống làm giảm ảnh hưở ng
ng c ủa nhiễu
nền cũng như các nguồn can nhiễu. H ệ th ống áp dụng trong việc giao tiế p giữa
ngườ i và máy, hệ thống lái xe tự động... Đây là lĩnh vực sẽ phát triển mạnh m ẽ
và phổ bi ến trong tương lai, khi đó, giữa ngườ i và máy móc, robot sẽ giao tiế p
tr ực tiế p bằng tiếng nói.
Viễn thông: việc cải thiện ch ất lượ ng
ng thoại t ậ p trung
trun g vào việc lo ại 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 ch ất lượ ng
ng thoại trước khi đưa
nó vào kênh truyền, hệ thống có thể giảm đượ c ảnh hưở ng
ng của nhiễu kênh.
Các hệ thống tr ợợ thính số: Người nghe thườ ng
ng khó hiểu đượ c thông tin thoại
trong môi trườ ng
ng nhiễu lớn như ngoài đườ ng,
ng, trong nhà máy, trên tàu thuyền…
Do đó, h ệ th ống này là phần r ất quan tr ọng
ọng để nâng cao sự c ảm nhận thông tin
thoại trong môi trườ ng
ng nhiễu cho ngườ i nghe.
1.3 Tính cấp thiết của đề tài nghiên cứu
Như đã nói ở trên,
trên, yêu cầu xây dựng một phương pháp lọc nhiễu mạnh mẽ, thích hợ p
cho tín hiệu phi tuyến và không dừng như tín hiệu thoại đang ngày càng trở nên
nên cấ p
thiết.Cho đến nay, có r ất nhiều phương pháp được dùng để cải thiện chất lượ ng
ng tín
hiệu như các phương pháp lấy ngưỡ ng
ng trong miền Fourier, Wavelet, và bi ến đổi cosine
r ờờ i r ạc -DCT (Discrete Cosine Transform).Mặc dù các phương pháp này đã có những
đóng góp r ất lớ n trong xử lý tín hiệu, nhưng chúng vẫn gặ p phải một số hạn chế vớ i tín
hiệu phi tuyến và không dừng như tín hiệu thoại.Gần đây, phương pháp lọc nhiễu d ựa
trên thuật toán lấy ngưỡ ng
ng trong miền EMD được đánh giá như là một phương pháp
SVTH: Tr ần Hiếu Trung
Dương Minh Tiến
2
Chương 1: Tổng quan
GVHD: PGS. TS. Hoàng Đình Chiến
phân tích mớ i và mạnh mẽ cho tín hiệu phi tuyến và không dừng, mở ra một hướ ng
ng
mớ i trong nghiên cứu lĩnh vực cải thiện chất lượ ng
ng thoại.
Về cơ bản, EMD có ưu điể m là thích nghi hoàn toàn vớ i 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).Nh ững nghiên cứu gần đây phát hiện r ằng
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. C ụ th ể với trườ ng
ng h ợ p nhi ễu tr ắng, các thành phần
nhiễu thườ ng
ng chỉ tậ p trung ở 3 IMF đầu tiên.Chính vì lý do này mà vi ệc lọc nhiễu d ựa
trên phương pháp lấy ngưỡ ng
ng trong miền EMD ngày càng đượ c nghiên c ứu r ộng rãi
hơn.
1.4 Các phƣơng pháp lọc nhiễu tín hiệu thoại
1.4.1 Phân loạ
loại
Cho tớ i nay, có r ất nhiều phương pháp được đưa ra cho cả i thiện ch ất lượ ng
ng thoại.Các
thuật toán được đưa ra có thể phân thành 2 lớ p 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 trướ c và các mẫu có thể quan sát
đượ c trong quá trình hình thành tín hi ệu. Việc giảm nhiễu đượ c thực hiện phụ
thuộc vào thông tin theo cách di ễn dịch này. Do việc lọc nhiễu dựa trên mô hình
tham số nên việc lựa chọn mô hình là quan tr ọng nhất trong những thuật toán
này.
Phương pháp không có tham s ố thì chỉ cần ước lượ ng
ng nhiễu, thông thườ ng
ng là
phương sai nhiễu. Phổ nhiễu này có thể được ước lượ ng
ng từ khoảng ngừng mà
ngườ i 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 đượ c sử
dụng phổ biến hơn.Phân biệt cơ bản giữa lọc nhiễu thoại đơn kênh và đa kênh là dự a
trên số lượ ng
ng kênh và loại tín hiệu có thể quan sát đượ cc..
SVTH: Tr ần 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 lượ ng
ng từ
khoảng ngừng và nhiễu này được xem như ổn định và không gián đoạn. Điều
này làm cho sự cải thiện chất lượ ng
ng thoại đơn kênh gặ p nhiều thách thức. Đó là
lý do tại sao chất lượ ng
ng của k ỹ thuật đơn kênh bị hạn chế.
Lọc nhiễu đa kênh dùng đồng thờ i nhiều nguồn âm hoạt động trong môi trườ ng,
ng,
dẫn tớ i 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 mi ền 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 tiế p theo
t heo ch
chúng
úng tôi xin giớ i thiệu tổng quát về một số
phương pháp lọc nhiễu trong nhóm này.
1.4.2 Trừ
Trừ phổ
phổ
Tr ừ 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 hưở ng
ng của nhiễu nền.K ỹ thuật tr ừ phổ sớ m nhất
được đưa ra vào năm 1974 bở i ông Weiss. Như
Như đã nói ở trên,
trên, tr ừ phổ là một phương
pháp không có tham s ố nên chỉ đòi hỏi một thuật toán ước lượ ng
ng về phổ nhiễu.Trong
trườ ng
ng hợp đơn kênh, sự ước lượng này đượ c thực hiện trong các khoảng thờ i gian mà
ngườ i nói im lặng, được xem như các khoả ng ngừng. Ý tưở ng
ng chính của phương pháp
này là ước lượ ng
ng phổ của tín hiệu nhiễu và loại tr ừ nó khỏi tín hiệu bị can nhiễu để thu
ng từ các khoảng ngừng và đượ c sử
đượ c tín hiệu sạch. Do phổ nhiễu được ước lượ ng
dụng cho toàn bộ dữ liệu nên k ỹ thuật tr ừ phổ chỉ thích hợ p vớ i các nguồn nhiễu ổn
định hoặc thay đổi r ất chậm để sự thay đổi trong phổ công suất nhiễu đượ c c ậ p nhật.
Giả sử r ằng tín hiệu thoại sạch
bị can nhiễu bở i nguồn nhiễu
để tạo ra một
nguồn bị can nhiễu:
(1.1)
Dùng biến đổi Fourier để thu đượ cc::
(1.2)
SVTH: Tr ần Hiếu Trung
Dương Minh Tiến
4
Chương 1: Tổng quan
GVHD: PGS. TS. Hoàng Đình Chiến
Nhân hai vế cho liên hiệ p phức của chúng ta đượ cc::
(1.3)
Trong đó
là sai pha giữa tín hiệu thoại và nhiễu
(1.4)
Lấy giá tr ị k ỳ vọng của hai vế ta đượ cc::
(1.5)
Công thức trên cần đủ hai giả thuyết:
1. Giá tr ị của phổ biên
biên độ của nhiễu và thoại là độc lậ p vớ i nhau.
2. Pha của nhiễu và thoại là độc lậ p với nhau và độc lậ p với biên độ của chúng.
Có khá nhiều phương pháp dựa trên lý thuyết tr ừ phổ, chúng có thể đượ c chia thành 2
lớp chính được trình bày sau đây.
1.4.2.1 Tr ừ phổ công suất
Với phương pháp trừ phổ công suất, chúng ta giả sử r ằng
trong công thức
(1.5) bằng 0, ta sẽ có:
(1.6)
Mật độ ph ổ công suất được ước lượ ng
ng t ừ khoảng l ặng c ủa ti ếng nói và giả s ử r ằng s ự
biến thiên mật độ ph ổ nh
nhiiễu n ằm trong giớ i h ạn cho phép, nó sẽ đượ c tr ừ ra khỏi mật
độ phổ tín hiệu thoại bị can nhiễu để thu đượ c tín hiệu thoại đượ c cải thiện
(1.7)
1.4.2.2 Tr ừ phổ biên
biên độ
biên độ, giả sử r ằng
Với phương pháp trừ phổ biên
SVTH: Tr ần Hiếu Trung
Dương Minh Tiến
, do đó:
5
Chương 1: Tổng quan
GVHD: PGS. TS. Hoàng Đình Chiến
Suy ra:
(1.8)
Mật độ phổ biên
biên độ nhiễu đượ c lấy trung bình trong suốt khoảng lặng của tiếng nói và
vớ i giả sử r ằng nhiễu là cố định, thì mật độ ph ổ biên
biên độ của tín hiệu thoại sẽ được ướ c
lượ ng
ng bằng cách tr ừ đi mật độ phổ trung bình của nhiễu nền từ mật độ phổ biên
biên độ của
tín hiệu bị can nhiễu.
(1.9)
1.4.3 Lấy
Lấy ngƣỡ ng
ng Wavelet
Biến đổi wavelet đượ c s ử d ụng r ộng rãi trong nhiều lĩnh vực x ử lý tín hiệu.Do những
ưu điểm của nó trong việc s ử dụng các cửa sổ thờ i gian có thể thay đổi kích thướ c cho
mỗi băng tần khác nhau, biến đổi Wavelet tr ở
ở thành
thành một công cụ mạnh mẽ cho dạng
tín hiệu không dừng như tín hiệu thoại. Hơn nữa, trong trườ ng
ng hợp đơn kênh, nhìn
chung, việc s ử dụng quá trình xử lý băng con (sub- band)
band) cũng đạ t k ết quả chất lượ ng
ng
tốt hơn. Do đó, phép biến đổi wavelet có thể cung cấ p một mô hình xấ p xỉ tín hiệu
thoại cho việc lọc nhiễu.
Vớ i tín hiệu thoại bị can nhiễu, mức năng lượ ng
ng của thoại sạch thườ ng
ng tậ p trung ở m
một
wavelet có kích thướ c (cửa sổ) nhỏ. Mặc khác, năng lượ ng
ng nhiễu lại tr ải khắ p một
lượ ng
ng lớ n các hệ số.Đó là lý do tại sao các hệ số của khung có kích thướ c nhỏ đượ c
đem so sánh một cách tương đối vớ i các hệ số của khung khác. Vì vậy, bằng cách xác
định mức ngưỡ ng
ng và gán các hệ số nhỏ hơn về 0, chúng ta có thể lọc nhiễu gần như tối
ưu trong khi vẫn duy trì đượ c thông tin quan tr ọng của tín hiệu thoại.
Giả sử r ằng tín hiệu thoại sạch
bị can nhiễu bở i nhiễu tr ắng
có phương sai
giống như công thức (1.1). Bằng cách áp dụng phân tích Wavelet r ờ
ờ i r ạc, chúng ta
có đượ c:
c:
SVTH: Tr ần Hiếu Trung
Dương Minh Tiến
6
Chương 1: Tổng quan
GVHD: PGS. TS. Hoàng Đình Chiến
(1.10)
Trong đó
biểu diễn phép biến đổi wavelet.Các hệ số wavelet của tín hiệu bị can
nhiễu đượ c lấy ngưỡng để thu đượ c tín hiệu sạch ban đầu. Việc lấy ngưỡ ng
ng có thể
đượ c thực hiện bằng nhiều cách và có nhiều k ỹ thuật khác nhau được đưa ra để đáp
ng c ứng và lấy
ứng mục đích này.Tuy nhiên, hai thuật toán phổ biến nhất là lấy ngưỡ ng
ngưỡ ng
ng mềm.
1.4.3.1 Lấy ngưỡ ng
ng cứng
Xét
là hệ số của khung wavelet thu đượ c từ tín hiệu bị can nhiễu và
là mức
ngưỡ ng
ng của thuật toán lọc nhiễu. Thuật toán lấy ngưỡ ng
ng c ứng gán bất k ỳ hệ số nào có
giá tr ị tuyệt đối nhỏ hơn hoặc bằng mức ngưỡ ng
ng về 0:
(1.11)
Trong đó
là hệ số đã đượ c lấy ngưỡ ng.Giá
ng.Giá tr ị của
phụ thuộc vào độ lệch chuẩn
được ước lượ ng
ng từ tín hiệu nhiễu và có thể thay đổi phụ thuộc vào các thuật toán đượ c
đưa ra.Theo Donoho [3], [4], giá tr ị của được đưa ra như sau:
(1.12)
Vớ i
là kích thướ c của khung wavelet.
1.4.3.2 Lấy ngưỡ ng
ng mềm
Thuật toán lấy ngưỡ ng
ng mềm gán các hệ số có giá tr ị tuy ệt đối nhỏ hơn hoặc bằng m ức
ngưỡ ng
ng về 0, và các hệ số lớn hơn mức ngưỡ ng
ng bị tr ừ đi giá trị ngưỡ ng.
ng.
(1.13)
Thuật toán lấy ngưỡ ng
ng mềm này đượ c sử dụng r ộng
ộng rãi và cũng thích hợp cho phương
pháp tr ừ phổ, và phân tích Fourier.Có thể thấy r ằng, thuật toán lấy ngưỡ ng
ng mềm cóthể
loại bỏ các thành phần nhiễu tốt hơn thuật toán lấy ngưỡ ng
ng cứng.Tuy nhiên thuật toán
này cũng làm suy hao thành phần tín hiệu cao hơn.
SVTH: Tr ần Hiếu Trung
Dương Minh Tiến
7
Chương 1: Tổng quan
GVHD: PGS. TS. Hoàng Đình Chiến
1.4.4 Lấy
Lấy ngƣỡ ng
ng DCT
ời r ạc
ạc (DCT) đang nổi lên
Trong hai thậ p k ỷ gần đây, phương pháp biến đổi cosine r ờ
như một phương pháp phân tích phổ biến trong nhiều hệ thống x ử lý ảnh, âm thanh và
ờ i r ạc (DFT) nhưng chỉ sử dụng
cả video.Về bản chất DCT là phép biến đổi Fourier r ờ
các số thực.
Giả sử r ằng tín hiệu thoại sạch
hiệu
vớ i
bị can nhiễu bở i nhiễu tr
t r ắng
để tạo ra tín
, giống như công thức (1.1). Bằng cách áp dụng
phép biến đổi DCT, chúng ta có đượ cc::
Vớ i
và
(1.15)
Cũng như wavelet, phép biến đổi DCT cũng dựa vào hai phương pháp lấy ngưỡ ng
ng
chính là lấy ngưỡ ng
ng cứng và lấy ngưỡ ng
ng mềm.
1.4.4.1Lấy ngưỡ ng
ng cứng
Thuật toán lấy ngưỡ ng
ng trong miền DCT đượ c thực hiên tương tự như trong
wavelet.Thuật toán này cũng gán các hệ s ố DCT nhỏ hơn mức ngưỡ ng
ng v ề không theo
công thức (1.11) vớ i có thể thay đổi tùy theo thuật toán đề xuất.
1.4.4.2 Lấy ngưỡ ng
ng mềm
Thuật toán lấy ngưỡ ng
ng mềm tương tự như công thức (1.13).Tuy nhiên, trong phần này
chúng tôi sẽ trình bày một giải thuật khác.Thuật toán này dựa vào việc phân tín hiệu
thành các đoạn trong khoảng thờ i gian ngắn và áp dụng phép biến đổi DCT trên từng
khung thay vì trên toàn tín hi ệu.Các hệ số DCT của mỗi khung đượ c phân thành 8
khung con, mỗi khung gồm có L hệ số DCT. Để xác lấy ngưỡ ng
ng thích hợ p, từng khung
con đượ c phân thành khung có tín hi ệu tr ội hoặc có nhiễu tr ội phụ thuộc vào mật độ
SVTH: Tr ần Hiếu Trung
Dương Minh Tiến
8
Chương 1: Tổng quan
GVHD: PGS. TS. Hoàng Đình Chiến
năng lượ ng
ng thoại và nhiễu.Nếu một khung thỏa điều kiện (1.16) thì khunng đó đượ c
gọi là khung có tín hiệu tr ội
ội và ngượ c lại gọi là khung có nhiễu tr ội.
Vớ i L là số h ệ s ố DCT trong một khung tần s ố,
con,
là hệ s ố DCT thứ Ktrong khung
là phương sai nhiễu.
Khi khung tần số đượ c phân loại, việc l ấy ngưỡ ng
ng s ẽ đượ c áp dụng khác nhau.Ở đây,
khung có nhiễu tr ội
ội đượ c lấy ngưỡ ng
ng theovector tuyến tính thay cho giá tr ị hằng số để
hạn ch ế mất mác thông tin thoại trong khung. Còn vớ i các khung có tín hi ệu tr ội, việc
lấy ngưỡ ng
ng có thể gây tác động ngượ c.Vì
c.Vì vậy mà đối vớ i khung tín hiệu tr ội này tốt
nhất là giữ nguyên, không lấy ngưỡ ng.
ng.
Trong trườ ng
ng hợ p khung có nhi ễu tr ội, đầu tiên các giá tr ị tuyệt đối của các hệ số DCT
đượ c sắ p xế p theo thứ tự tăng dần và áp dụng lấy ngưỡ ng
ng tuyến tính như sau:
(1.17)
Trong đó,
của
Vớ i
là hàm ngưỡ ng
ng tuyến tính và là hệ s ố s ắ p x ế p
. Giá tr ị ước lượ ng
ng
có thể được ước lượng như sau : [5], [6]
, và
là giá tr ị hằng số được ước lượ ng
ng cho phù hợ p vớ i mức SNR của
tín hiệu đầu vào.
đề tài
1.4.5 Hƣớ
Hƣớ ng
ng nghiên cứ
cứ u của
của đề tài
Như đã nói ở trên,
trên, mặc dù phương pháp lọc nhiễu đa kênh cho hiệ u quả cao hơn lọc
nhiễu đơn kênh, nhưng trong th ực t ế nó lại ít đượ c s ử d ụng hơn vì các nguồn thoại đa
kênh đòi hỏi chi phí cao và không ph ải luôn luôn có thể lắp đặt đượ c ở mọi môi
tr ườ
ng. Do đó, luận văn này đi theo hướ ng
ng giải quyết bài toán lọc nhiễu thoại đơ n
ườ ng.
SVTH: Tr ần Hiếu Trung
Dương Minh Tiến
9
Chương 1: Tổng quan
GVHD: PGS. TS. Hoàng Đình Chiến
kênh. Bên cạnh đó, EMD là một phươ ng
ng pháp phân tích dữ liệu còn khá mớ i;
i; vớ i mục
đích đơ n giản, luận văn chọn phươ ng
ng pháp không tham s ố làm cơ s
sở .Tóm
.Tóm lại, luận văn
này giải quyết bài toán lọc nhiễu thoại đơ n kênh và không tham s ố bằng thuật toán lấy
ngưỡ ng
ng trong miền EMD.
1.5 Mục tiêu nghiên cứ
cứ u
1.5.1 Mụ
Mục tiêu tổ
tổng quát
Mục đích của đề tài Lọc nhiễ u tín hiệu thoại dùng phương pháp EMD là đề xuất thuật
toán lấy ngưỡ nghi
nghiệu quả trong miền EMDđối vớ i tín hiệu thoại bị can nhiễu và qua đó
chứng minh khả năng mạnh mẽ của EMD trong vi ệc phân tích các tín hi ệu phức tạ p
như thoại. Tín hiệu quan sát đượ c là một kênh thoại bị can nhiễu bở i nguồn nhiễu có
phân bố Gausse, tươ ng
ng tác cộng và không tươ ng
ng quan vớ i thoại, trong đó tậ p trung
ườ ng
vào tr ườ
ng hợ p nhiễu tr ắng. Trên cơ sở nghiên
nghiên cứu thuật toán lấy ngưỡ ng
ng trong miền
EMD và mô phỏng, ngườ i thực hiện đề xuất một số giải pháp để cải thiệnchất lượ ng
ng
thoại vớ i nguồn thoại có SNR thay đổi trong một khoảng r ộng.
1.5.2 Mụ
Mục tiêu cụ
cụ th
thểể
- Góp phần h ệ th ống hóa cơ s
s ở lý
lý thuyết và thực ti ễn về ứng d ụng EMD vào lĩnh vực
lọc nhiễu thoại.
- Đề xuất một số phươ ng
ng pháp lọc nhiễu thoại để tìm ra phương pháp có hiệ u quả cao.
- Đánh giá khả năng ứng dụng thuật toán nghiên cứu vào thực tiễn.
1.6 Tính mới và những đóng góp của đề tài
Việc lọc nhiễu thoại trong miền EMD hiện vẫn còn là gi ải pháp mớ i,i, đang trong quá
trình nghiên cứu và chưa thật sự hoàn thiện v ề h ệ th ống lý thuyết cũng như giải pháp
thực hiện.Với đề tài này, chúng tôi hy vọng đề xuất đượ c một giải pháp có hiệu quả
cao, bền vững và ứng dụng đượ c trong thực tiễn.
1.7 Đối
Đối ttƣợ
ƣợ ng
ng và phạ
phạm vi nghiên cứ
cứ u
SVTH: Tr ần Hiếu Trung
Dương Minh Tiến
10
