حذف نویز سیگنال صوتی با استفاده از فیلتر کالمن

امروزه مبحث پردازش های صوت و تصویر از مهمترین مباحث علوم مهندسی به شمار می روند. در این مبحث استفاده از فیلترهای دیجیتال به ویژه فیلترهای وفقی از اهمیت ویژه ای برخوردار هستند، تئوری فیلترهای وفقی مانند Wiener یا Kalman ، در حوزه پیوسته همچون گسسته بحث شده اند ولی در عمل بدلیل حضور کامپیوتر و پردازشگرهای دیجیتال در حوزه گسسته کارایی بیشتری دارند. در فیلترهای وفقی، معمولاً از یک فیلتر دیجیتال به همراه یک الگوریتم وفقی استفاده می شود که ضرایب فیلتر دیجیتال توسط الگوریتم موجود تعیین می شود . در این مقاله از فیلتر کالمن که از بهترین فیلترهای وفقی به شمار میرود استفاده شده و با انتخاب ضرایب مناسب یک فیلتر مناسب طراحی شده است، در واقع ابتدا یک سیگنال نمونه را به صورت اتفاقی انتخاب کرده که یک سیگنال Autoregressive می باشد، سپس یک نویز گوسی کاملا تصادفی را بر روی سیگنال مورد نظر سوار می کنیم و در ادامه سیگنال صوتی نویزی را تجزیه و تحلیل کرده و نویز سوار شده بر روی سیگنال را حذف می کنیم، این عملیات بطور کامل در نرم افزار متلب شبیه سازی شده و نتایج آورده شده است.

پایان نامه حذف بهینه نویز صنعتی با استفاده از فیلترهای تک‌کاناله

عنوان پایان نامه: حذف بهینه نویز صنعتی با استفاده از فیلترهای تک‌کاناله

پایان‌نامه دوره کارشناسی ارشد مهندسی برق-الکترونیک

قالب بندی: word

تعداد صفحات: 86

شرح مختصر: یکی از موضوعات مهم پردازش سیگنال، کاهش و حذف نویز ناخواسته از سیگنال اصلی و بهبودآن است. تکنیک‌های بهبودمی‌توانند به دو گروه تک‌کاناله و چندکاناله تقسیم شوند. سیستم‌های تک‌کاناله، متداولترین نوع الگوریتم‌های بلادرنگ می‌باشد چرا که به سادگی قابل پیاده‌سازی هستند و به طور نسبی هزینه آنها کمتر از سیستمهایی با چند کانال ورودی می‌باشد. در میان روش‌های تک‌کاناله حذف نویز، روش فیلتر کالمن و فیلتر ذره­ای به دلایل متعددی از جمله توانایی بالا در حذف نویز و سرعت بالای الگوریتم از اهمیت زیادی برخوردار هستند. مهمترین چالش در روش کالمن و نیز فیلتر ذره‌ای، نداشتن تخمین درست از پارامترهای صوت و نویز می‌باشد. که بدلیل تخمین نادقیق مقداری نویز باقی می‌ماند. در این رساله یک فیلتر ذره‌ای بر اساس جداسازی فریم­های صوتی از غیر­صوتی و نسبت مقادیر متفاوت تعداد ذره و مرتبه برازش خودکار به این فریم­ها ارائه می­گردد که حجم محاسبات را به شدت کاهش داده در حالی­که کیفیت به دست آمده به صورت محسوس تغییر نمی­کند. این گفته‌ها با معیارهای ذهنی و عینی تایید می‌شوند.

فهرست مطالب:

فهرست جدول‌ها

فهرست شکل‌‌ها‌د

فصل 1- مقدمه 1

1-1- تعریف مسئله. 1

1-2- راهکارهای موجود. 2

1-3- خلاصه کارهای انجام گرفته. 4

1-4- هدف تحقیق.. 5

1-5- فصل بندی پایان‌نامه. 6

فصل 2- روشهای مختلف بهبودگفتار. 7

2-1- پیش زمینه‌های تئوری سیگنال گفتار8

2-2- نویز و انواع آن.. 14

2-4- روش تفریق طیفی.. 19

2-4-1- اصول پایه جداسازی طیفی.. 19

2-5- فیلتر وینر23

2-5-1- فیلتر وینر در حوزه زمان.. 24

2-6- روش هایبرپایه یمدلهایآماری.. 26

2-6-1- تخمینگر حداکثر شباهت... 26

2-7- الگوریتمهای زیرفضایی.. 29

فصل 3- فیلتر کالمن متوالی.. 30

3-1- مقدمه........ 31

3-2- تئوری فیلترکالمن.. 31

3-3- انواع فیلترکالمن.. 34

3-3-1- فیلتر کالمن در حوزه زمان ارائه شده توسط پالیوال.. 34

3-4- فیلتر کالمن متوالی برای حذف نویز رنگی.. 35

3-5- الگوریتم بر پایه EM... 41

3-5-1- قسمت تخمین حالت (قدمE)42

3-5-2- بازگشتی روبه جلو. 42

3-5-3- بازگشتی روبه عقب... 42

3-5-4- تخمین پارامترها )قدم M)43

فصل 4- فیلتر ذره ای 45

4-1- مقدمه........ 46

4-2- فرموله کردن مسئله. 47

4-2-1- مدل GAR......... 47

4-2-2- مدل فضای حالت 48

4-3- EM تحمیلی متوالی.. 49

4-3-1- قدم E.. 50

4-3-2- قدم M... 50

4-4- قدم E استنتاج با استفاده از RBPF. 50

4-5- روش پیشنهادی.. 52

فصل 5- روش های ارزیابی کیفیت گفتار. 55

5-1- اندازه­گیری Subjective کیفیت گفتار56

5-2- SNR کلی(OSNR)56

5-2-1- اندازه گیری ایتاکورا-سایتو (IS)57

5-2-2- شیب طیفی وزندار(WSS)57

5-2-3- اندازه‌گیری اعوجاج طیفی Bark اصلاح شده (MBSD)58

5-3- SNR متوسط تکه ای.. 58

5-4- الگوریتم PESQ.. 59

5-5- لگاریتم نسبت مساحت (LAR)59

فصل 6- آزمون الگوریتمها60

6-1- نتایج آزمایشگاهی.. 61

فصل 7- نتیجه گیری 66

7-1- نتیجه­گیری 67

7-2- پیشنهادات 67

فهرست مراجع.. 69

واژه نامه فارسی به انگلیسی.. 72

واژه نامه انگلیسی به فارسی..

 فهرست شکل‌‌ها

 شکل ‏1‑1: نویز جمع‌شونده پشت‌زمینه......................................2

شکل1-2: تداخل ویرانگر...................................3

شکل2-1: شکل موج زمانی جمله "The wife helped her husband" ...........................7

شکل2-2: یک تصویر مقطعی از آناتومی تولید صوت......................................8

شکل 2-3: طرحی از تارهای صوتی که پایین حنجره وجود دارند....................9

شکل2-4: شکل موج هوای نای. دوره پیچ با T نشانه گذاری شده است.................................9

شکل 2-5: نمودار شکل موج جریان هوایی نای و طیف آن..................................11

شکل2-6: طیف شکل موج نای، پاسخ فرکانسی تارهای صوتی، طیف گفتار خروجی.............12

شکل2-7: شکل موج زمانی و طیف مصوت /eh/..........................................13

شکل 2-8:شکل موج و طیف نویز خودرو.............................................14

شکل 2-9:شکل موج و طیف نویز رستوران.....................................15

شکل2-10: شکل موج و طیف نویز قطار.............................................15

شکل2-11: طیف نویز سفید..............................................16

شکل2-12: طیف نویز صورتی.............................................17

شکل2-13: شکل موج زمانی نویز صنعتی................................................17

شکل2-14: طیف نویز صنعتی.............................................18

شکل2-15: فرم عمومی الگوریتم تفریق طیفی..............................................23

شکل 2-16: نمودار مسئله فیلترینگ آماری....................................... ........24

شکل 2-17: نمودار مدل مخفی مارکوف........................................34

شکل3-1 عملیات تطبیقی فیلتر کالمن........................................................36

شکل3-2: شکل موج سیگنال گفتار تمیز به طول 3 ثانیه....... .......................37

شکل3-3: شکل موج سیگنال گفتار نویزی 5 دسی بل.... ..............................38

شکل3-4: شکل موج سیگنال گفتار بهبود یافته با روش کالمن رنگی برداری.......................44

شکل3-5: شکل موج سیگنال گفتار بهبود یافته با روش کالمن رنگی عددی........................44

شکل3-6: سیگنال گفتار نویزی با SNR 5 دسی­بل ورودی................................................48

شکل3-7: شکل موج سیگنال گفتار بهبود یافته با روش KEM..............................48

شکل4-1: نمودار روش پیشنهادی برای فیلتر ذره­ای................................................57

شکل6-1: مقایسه بین حالت نویزی و ایده­آل در برابر نویز سفید.............................65

شکل6-2: مقایسه بین حالت نویزی و ایده­آل در برابر نویز رنگی.......................................65

شکل6-3: مقایسه بین حالت نویزی و ایده­آل در برابر نویز صنعتی..............................56

شکل6-4: مقایسه بین الگوریتم­های مختلف در برابر نویز سفید..................................66

شکل6-5: مقایسه بین الگوریتم­های مختلف در برابر نویز رنگی...........................66

شکل6-6: مقایسه بین الگوریتم­های مختلف در برابر نویز صنعتی...................67

شکل6-7: مقایسه روش KEM با دیگر روش­های متداول ......................................70

شکل6-8: مقایسه روش RBPF+EM با دیگر روش­های متداول...........................71

آموزش فیلتر کالمن

آموزش های زیادی برای فیلتر کالمن موجود است اما اغلب این آموزش ها پیچیده و نامفهوم هستند. در این فایل فیلتر کالمن (KF) و فیلتر کالمن توسعه یافته (EKF) به زبانی ساده و کاربردی آموزش داده شده است. در انتها یک مثال با ارائه توضیحات کامل برای درک بهتر موضوع آورده شده است. فایل ارائه شده شامل 16 صفحه در قالب pdf می باشد.