音频主动降噪系统的研究

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音频主动降噪系统的输入两路信号:第一路是有用信号和噪声的叠加,第二路是参考噪声。根据自适应VSSLMS算法,降噪系统利用第二路的参考噪声抵消第一路中的噪声并输出有用信号。相对于被动降噪而言,主动降噪能够根据输入信号的变化调整自身的参数,更有效地去除噪声。相比于经典滤波器(高通、低通等),主动降噪系统的自适应滤波器能够去除与有用信号同频的噪声。音频主动降噪系统在移动终端上应用较广泛,例如摩托的丽音、三星的diamond voice、苹果的MicPhone array等。这些技术大都是在串行计算的ARM平台上处理语音信号且信号采样率只有8KHz。人能够听到的音频频率范围是20Hz到20KHz。根据奈奎斯特抽样定理,系统的最低采样频率应该是音频频率的两倍,即40KHz。移动终端上的主动降噪系统并不能满足这一条件。本文提高了音频的采样频率到了48KHz,使得主动降噪系统能够采集到所有人耳听到的音频信号,提高音频的可懂度、明亮度、清晰度。当采样率为48KHz时,ARM平台由于计算性能较弱,无法处理这样信号。为了能够处理采样率较高的音频信号,本文主动降噪系统是以复杂度较低的VSSLMS算法为核心并且选用并行计算的FPGA平台来开发的。本文主动降噪系统中加入了校正功能,能够在系统启动时自动校正系统。通过分析,降噪系统的输出信噪比提高最大可达15dB,最大增益是17dB。本文首先研究了自适应算法,包括LMS算法和VSSLMS算法。VSSLMS算法是研究重点。VSSLMS算法有步长遗传因子、瞬时误差能量的权值、算法收敛步长的最大值、算法收敛步长的最小值等参数。通过Matlab仿真和分析,发现了这些参数大都是通过收敛步长来间接影响系统的性能。其次,重点研究了一般的降噪系统并设计了以VSSLMS算法为核心的主动降噪系统。本文的主动降噪系统包括硬件系统和软件系统。主动降噪系统的硬件平台是由FPGA芯片和wm8731音频芯片共同组成。运行于硬件平台上的软件系统是通过Quartus II设计的VerilogHDL程序,包括一个顶层模块和五个子模块。主动降噪系统的软件系统实现了自动初始化,消噪和自调节等功能。降噪系统能够完美地滤除噪声并输出高保真的有用信号。最后,本文分析了主动降噪系统的性能,包括信噪比、增益、失调量等。
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