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基于FPGA的语音增强算法研究与实现

作　者: 亓新立
导　师: 王海滨
学　校: 西华大学
专　业: 电力电子与电力传动
关键词: 语音增强 背景噪音 自适应滤波器 LMS RLS FPGA
分类号: TN912.35
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要


现实生活中的语音不可避免的要受到周围环境的影响,背景噪声例如机械噪声、街头音乐噪音,其他说话者的话音等均会严重地影响语音信号的质量;此外传输系统本身也会产生各种噪声,因此接收端的信号为带噪语音信号。混叠在语音信号中的噪声按类别可分为环境噪声等的加法性噪声及电器线路干扰等的乘法性噪声;按性质可分为平稳噪声和非平稳噪声。语音增强的根本目的就是净化语音质量。把不需要的噪音减低到最小程度。但是由于噪音的复杂性,很难归纳出一个统一的特征,因此不可能寻求一种算法完全适应于所有的噪音消除,因此语音增强是一个复杂的工程。有关抗噪声技术的研究以及实际环境下的语音信号处理系统的开发,在国内外已经成为语音信号处理非常重要的研究课题,已经作了大量的研究工作,取得了丰富的研究成果。本文仅对加性噪声下的语音增强技术做了较为仔细的讨论,我们先给出语音信号处理的基本理论,它是语音增强算法研究和实现的理论基础,在此基础总结了自适应信号处理技术的特点以及在语音增强方面的应用。选取工程领域最常用的自适应LMS滤波算法和RLS滤波算法作为研究对象,提出了利用最小均方误差意义下自适应滤波器的输出信号与主通道噪声信号的等效关系,得到滤波器最佳自适应参数的方法,并分析了在平稳和非平稳噪声环境下,L M S滤波器族和R L S滤波器在不同噪音输入下的权系数收敛速度、权系数稳定性、跟踪输入信号的能力和信噪比的改善等特性。研究了MATLAB语言程序设计和使用MALTLAB对语音算法进行仿真、并输入了多种实际环境下的噪音进行滤波仿真并对仿真的结果进行比较和分析。总结出了LMS、NLMS、SIGN-ERROR-LMS、RLS自适应滤波器在语音滤波方面的特点和应用情况。最后在MATLAB仿真的基础上,利用Altera公司的Cyclone2系列FPGA芯片和多种EDA工具,完成了L M S自适应滤波器的FPGA设计。

全文目录


中文摘要  2-4
英文摘要  4-10
1 绪论  10-18
  1.1 问题的提出  10-11
  1.2 国内外研究现状  11-16
  1.3 本文主要研究内容  16-18
2 语音信号和噪音特征  18-27
  2.1 语音信号及特点  18-20
  2.2 噪音信号及分类  20-21
  2.3 背景噪声特点  21-22
  2.4 人的听觉系统  22-24
  2.5 语音增强的常见方法  24-26
  2.6 小结  26-27
3 自适应滤波的基本理论  27-40
  3.1 自适应滤波器简介  27-29
  3.2 自适应滤波器的结构  29-32
  3.3 自适应滤波器算法  32-38
  3.4 自适应滤波器的性能指标  38-39
  3.5 小结  39-40
4 LMS滤波器对不同噪音滤波性能分析  40-46
  4.1 自适应噪音消除仿真模型  40
  4.2 初步功能仿真  40-42
  4.3 噪音平稳性对算法收敛的影响  42
  4.4 原始语音对权系数影响  42-44
  4.5 LMS算法对不同噪音的滤波性能  44-45
  4.6 小结  45-46
5 常见自适应滤波器性能比较  46-54
  5.1 白噪音下常见滤波算法的性能  46-47
  5.2 周期噪音下常见滤波算法的性能  47-49
  5.3 公车噪音下不同滤波算法的性能  49-51
  5.4 音乐噪音下常见滤波算法的性能  51-52
  5.5 小结  52-54
6 FPGA开发环境  54-69
  6.1 可编程技术  54
  6.2 FPGA简介  54-57
  6.3 FPGA的基本原理  57-61
  6.4 EDA技术  61
  6.5 EDA设计工具  61-64
  6.6 硬件描述语言  64-65
  6.7 FPGA硬件开发平台  65
  6.8 FPGA软件开发流程  65-68
  6.9 小结  68-69
7 FPGA语音增强系统设计  69-78
  7.1 现代DSP技术  69-71
  7.2 自适应横向LMS滤波器建模  71-74
  7.3 模块生成及仿真  74-77
  7.4 小结  77-78
8 总结与展望  78-80
作者在读期间科研成果  80-81
参考文献  81-85
致谢  85

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中图分类: > 工业技术 > 无线电电子学、电信技术 > 通信 > 电声技术和语音信号处理 > 语音信号处理 > 语音增强
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