基于LMS 算法的多麦克风降噪
武汉理工大学 信息处理课设 基于LMS 算法的多麦克风降噪 给定主麦克风录制的受噪声污染的语音信号和参考麦克风录制的噪声，实现语音增强的目标，得到清晰的语音信号。2007控制科学与工程全国博士生学术论坛2007年8月其中日为语音信号与麦克风阵列所在平面的夹角,d为麦克风间距,c为声音传播速度,f为信号采样率。固定波束形成器通过延时求和单元产生参考语音信号y(n),y(n)与y(m)分别代表期望语音信号与噪声信号。y,(n)4x(m)=y(m)+y/(m(3)信号通过阻塞矩阵产生噪声参考信号用来估计波束形成输出信号中的噪声成分。选取B使其中任意行向量之和为零,即任意行向量线性无关。为了进一步降低噪声参考信号中的语音泄漏,参考文献“提出了用自适应阻塞矩阵替代固定阻塞矩阵的方法。ynly2nMM-[nJ]=BLun], u2n],umn自适应噪声抵消器ANC通过对输入噪声参考信号进行自适应滤波处理抵消了参考信号y,(m)中的噪声成分,得到增强的语音信号。em]=y[m-∑nnl3LMS自适应算法及改进31LMS自适应算法GSC架构中的自适应噪声抵消器ANC需要用增强的语音信号作为反馈对滤波器权值进行自适应更新。很多自适应算法基于LMS及其改进形式, Clark提出的块LMS算法使得滤波器的自适应逐块更新而非传统LMS滤波器逐点更新4, HOSHUYAMA、 Kellermann分别提出的基于范数约束自适应算法的权值更新,以及频域无约束实现。这些算法基本结构如图2所示y(n-1)(n-L+1)wo(ne(ny/(n)图2自适应横向滤波器结构图图2为图1中的M-1路L阶多通道自适应噪声对消器中某一路的展开形式,其抽头输入向量为[ym]yn-]yn-L+1],对应的抽头权向量为wmwn]w-]。LMS算法的梯度向量通过G2007控制科学与工程全国博士生学术论坛2007年8月计算抽头输入相关矩阵R和抽头输入与期望响应间互相关向量p得到VJ(n)=-2p+2Rv(m),将R和p的瞬态估计R(n)=y(m)y"(n),p(n)=y(n)y/(m)代入,得出梯度向量的瞬态估计:VJ(n)=-2y(n)y, (n+2y(n)y"(n)w(n)进而推出LMS算法权值更新公式为w(n+1)=w(n)+uy(n)Ly(n)-y"(n)w(n)32基于稳态噪声的自适应算法改进考查图2中具有L个抽头权值的LMS算法,抽头权值与抽头输入一一对应。在传统的逐点更新LMS算法中,每计算一个输出需要L次乘法,而更新一次抽头权值也需要L次乘法,故每次迭代需要2L次乘法。对于L个输出样值,所需要的乘法次数为2次。针对传统LMS算法复杂度高的缺点,Ca利用离散傅立叶变换在频域完成滤波器系数的自适应提出了快速块LMS箅法, Ann Spriet在此基础上通过改进LMS算法中的步长矩阵进一步降低了算法复杂度以上LMS算法改进均在图2的横向滤波器架构下进行,即抽头权值与抽头输入一一对应。考虑到稳态噪声的特点,本文提出了“一对多”的滤波器抽头权值更新算法,即L个输入样值共享一个滤波器权值。如此M路多麦克风语音增强系统中的ANC滤波器权值便由(M-1)×L维矩阵W[n=[w[η],n2[rl…wM-[r],其中H[n]=[won],w1[nw-r]退化为(M-1)×1维向量n]=[wryw2n],M-m]j。改进算法权值更新公式为w(n+D)=w(n)+uBu(nu"(n)[A-Bw(n)其中B为阻塞矩阵,A为固定波束形成器,为步长,U(n)为LxM维输入信号。与传统的“一对一”LMS滤波器相比,“一对多”结构在降低算法复杂度的同时,牺牲了前者具有的时间域严格对齐的特性。为降低这一缺点对系统降噪性能的影响,应在频域进行噪声对消,改进算法的多麦克风语音增强系统结构如图3所示。e(n)(n)B Yn图3改进的噪声消除算法结构图3中用虚线框表示可选滤波器权值w。由于实际应用中语音泄漏的存在,在参考语音信号中加入v能有效补偿由语音泄漏引起的语音崎变⑩。实际应用中由于阻塞矩阵输出不可避免的存在语音泄4642007控制科学与工程全国博士生学术论坛2007年8月漏,为了避免期望信号的消除,箅法中加入语音活动检测单元89,当前帧为噪声时更新滤波器系数,当前帧为语音信号时,滤波器系数不变33算法复杂度比较表1列出了本文算法与其他几种噪声消除算法之间算法复杂度的比较。我们采用实数乘法运算次数作为衡量算法复杂度的标准,每个N点傅立叶变换或其反变换需要Mlog2N次实数乘法运算。传统逐点LMS算法在时间域逐点更新滤波器权值。快速块LMS算法与多通道 Wiener算法通过FFT快速循环卷积特性实现LMS中的线性卷积运算,从而降低算法复杂度。本文算法在此基础上通过改进滤波器抽头权值更新算法进一步降低运算复杂度。由表1可见,当麦克风数目M4,L=32时,本文算法与多通道 Wiener滤波算法相比,R(3M+2)FT+8ML+2M63M+2)+4M2+6M_172(M+2)FFT+2ML6(M+2)+M40°文算法运算量降低了4倍左右。表1算法复杂度比较算法名称算法复杂度传统逐点LMS算法2ML快速块LMS算法(41(3M+2)FFT+16ML多通道 Wiener滤波算法53M+2)FFT+8M2+12M本文提出的算法(M+2)FF+2M…图4a)麦克风采集到的原始信号b)采用快速块LMS算法处理后的信号[4]c)采用多通道 Wiener滤波算法[10处理后的信号d采用本文算法处理后的信号4实验结果与分析实验采用线性排列的4个间距为4厘米的麦克风组成的语音采集系统,采样率为44KHZ,说话人位于阵列的正前方,噪声为稳态噪声,其与麦克风阵列法线所夹角度为50度。图4比较了麦克风采集到的信号、采用本文算法处理后的语音信号以及采用其他主流语音增强算法处理后的语音信号的时域波形。由4652007控制科学与工程全国博士生学术论坛2007年8月图4可见采用本文算法处理的语音信号背景噪声有明显降低。为进一步分析各种语音增强算法消噪能力,分别按照公式9计算各算法输出信号的信噪比,其中k代表帧序列号,N代表噪声,Y代表输出语音信号,L为帧长。∑(Y(k,2)2-|N(k,)SNRou(E)=10 log,o∑1MV6)图5釆用各箅法输出信号信噪比与输入信号信噪比之差来衡量噪声降低程度。由图5看出,在本文算法基础上在参考通道中加入可选滤波器权值能够进一步消除背景噪声,提高输出信噪比。苯文鲜法(使用权值w)木文好法未使用权值y块LMS算法Frame Number图5信噪比增强对比5结论本文在稳态噪声的前提下,提出了一种基于广义旁瓣消除器架构具有低算法复杂度的噪声消除算法,该算法通过改进LMS滤波器权值更新算法来达到降低算法复杂度的目的。实验结果证明,在稳态噪声环境下,该方法降噪性能优于传统LMS算法,同时有效降低了传统算法的算法复杂度。在现实生活中一些存在稳态噪声的场合,如发动机舱、厂房等该算法具有很强的实用价值。参考文献[U]LJ. Griffiths and C. W. Jim []. "An altemative approach to linearly constrained adaptive beamforming, IEEE Trans. AntennasProcess., voL. AP-30, no. I, pp 27-34, Jan. 1982.[2]0. Hoshuyama, A Sugiyama, and A Hirano [J]. "A robust adaptive beamformer for microphone arrays with a blocking matrixusing constrained adaptive filters, "IEEE Trans. Signal Process. vol 47, pp. 2677-2683, Oct. 1999[3]W. Herbordt and W Kellermann [J]. " Frequency-domain integration of acoustic echo cancellation and a generalized sidelobecanceller with improved robustness, "Eur. Trans. Telecommun., voL. 13, no 2, pp 123-132, Mar. -Apr. 2002.[4]Clark. G.A., S K Mitra, and S.R. Parker [J]. Block implementation of adaptive digital filters, "IEEE Trans. Circuits Syst,voL. CAS-28,PP584-592.1981.[5]Ann Spriet, Jan Wouters, Simon Doclo, Marc Moonen, "Frequency-Domain Criterion for the Speech Distortion WeightedMultichannel Wiener Filter for Robust Noise Reduction", Ap: //ftp. esat kuleuven. ac, be/pub/SISTA/doclo/reports/04-240 pdf[6JH. Buchner, J. Benesty, W. Kellermann J]. Generalized multichannel frequencydomain adaptive filtering: efficient realizationand application to hands free speech communication", Signal Processing 85(3), PP 549-570. 2005[7]W.Herbordt and W. Kellermann [A]. " Efficient Frequency-domain realization of robust generalized sidelobe cancellers", IEEE4662007控制科学与工程全国博士生学术论坛2007年8月Fourth workshop, multimedia signal Processing, PP. 377-382 2001[8]S. Van Gerven, F. Xie [J. "A Comparative Study of Speech Detection Methods", Proc. EUROSPEECH, VoL 3, Rhodos, Greecepp.1095-1098.1997[9]J Sohn, N.S.Kim, W Sung [] A Statistical Model-Based Voice Activity Detection", IEEE Signal Processing Lett. 6(1)1-31999[10]A Spriet, M. Moonen, J Wouters[]. Robustness Analysis of Multi-channel wiener Filtering and generalized sidelobeCancellation for Multi-microphone Noise Reduction in Hearing Aid Applications", IEEE Trans. Speech and Audio Processing, 13(4)PP.487-503.2005[IlJFerrara, E R r [] Fast implementation of LMS adaptive filters", IEEE Trans. Acoust. Speech Signal Process,voL.ASSP-28pp474-475.1980[12]S. Doclo and M. Moonen[J]. " Multi-microphone noise reduction using recursive GSVD-based optimal filtering with ANCpostprocessing stage, "IEEE Trans. Speech Audio Process., vol. 13, no. 1,Pp 53-69, Jan. 2005[13]Philipos C Loizou [J]. "Speech Enhancement Based on Perceptually Motivated Bayesian Estimators of the MagnitudeSpectrum" IEEE TRANSACTIONS ON SPEECH AND AUDIO PROCESSING, VOL 13, NO 5, Pp.857-869, 2005种新的基于稳态噪声的噪声消除算法旧WANFANG DATA文献链接作者:董鹏宇,朱子元,林涛作者单位:同济大学超大规模集成电路研究所,上海20009本文链接http://d.g.wanfangdata.comcn/confereNce6584700.aspx
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电力系统电磁暂态计算理论
很好的电力系统电磁暂态计算方面的理论书籍，详细讲解了电力系统元件等值的方法，梯形积分、向前欧拉法、向后欧拉法都有介绍内容提要本祸结合国际上广泛使射的电砖街森计算程芹MTP,誊重舟绍电力和电气网终磁针态过程的计算机被的实用算法和援术,世括交直洸电力紧蛻和电气网络绽申机、变区器、鞫且线賡、电s、开关,可控硭、电抗器、避带器、电容器等各种线性贩非线性的集中參数与分布卖数元件,以及电力系统中赏的控剜系统的數竽型刷求溶方法。书中对坦磁暂薇模拟然說展势也提启了一些建设性的意见本书可件为电力、电气、电⊥制查、电气化铁路.通信等部门7工程技术人员扣科妍人的摻考书,也可作为大学高午学生和研究生汹H w DommelEMTP theory book内部出版物1986年电力统电磁暂态计算理论加拿大, w Dommel孪永庄林枭明曾喀华晖水刊电力出版社出版、发行〔北有三里惘路母各池新型书店经水利电力扑版社印刷厂印刷78?×19毫米1开本22,5张5千宁1991年8月第一版9年8月北京第一次即刷邛歎000L—2620朋rSBN了-2(-01337-8/TM37￡价14元译序电力系统的规划,设计、运行,电机、电器设备的研都必须对电力网络进行研究,电网研究的内容通常有短跸分析瀏流分析;稳定分析;电磁背态分析。其中电磁智态分析是最新的也是最为复杂的课题。饼究电磁暂态问灯朋物理模型和效字程序。电磁晳态分析程序LM山}便是日前网际通用的一种数程序。它规模大,功能强,最初加拿大不列類哥伦比平大学(UBC)的H,W, DOmmel教授创立,又经过很多专家的共同努力而月橥完美。美国邦纳维尔电力局(BPA)对程序的开发作出了很大的贡献近年来成立的包括美国、加拿大、日本及欧洲一些国家在内的EMTP联合发展中心(DCG)和在欧洲成立的另一个EMTP用户协会(LEC),都还在为该程序的改进提和推广普及进行着量工作,本书中提到的UBC版本,BPA版本和DCG版本系指以上述机构各自为主开发的不同版本我国于1981年引进FMTP程序,很快受到有关部门的重视,从1984年以来各地举办过多次研讨班,水利电力部还成立了EMP工作组(设在能源部电力科学研兖陇系统所日前我函MTP程序的拥有单位已避及高等院校、科斫、设计,运行和制造部门。在一些国家级重点项目的研究中都已使用了EMTP程序。尽箐如此,由于BMTP程序理论较新难度较大,国内的使用者普遍感到不易掌握,凼而使程序的多种功能没有得到充分利用。以到MH莫基人且W. ommel教授为主编写的本书,全面地介绍了EMTP中涉及的电力系统中各种元件的数学莫型和数值计算方法,分析了它们的固有误差和特度,还介绍了积几十年应用线的些有益的经验及进一步改进的方问。它的出版无疑会对程序消化吸收奠定坚实的基础,不仅有助于大专院校帐师生、电丿部门和制造部门的技术人虽掌握程序,而且有勁于提高他们的电磁暂态理论水平及編程能力,此外,太书肪讨论的间题对通信、电气化铁路、自动控制等部门也有重要的参考价值。本书笫四、五章和6~6.11由曾跗华翮译,第6.1~6,5节、第12,2~12.4节、第八、九章和附录ⅴI由林集明翻译,其余部分由李永庄翻译。译者对清华大学吴维韩、黄炜纲、郝逢年为本书所作的校对工作深表感谢,并炊迎读者对译文中的不矩和错误时提出批评和意见,符号说明下标符号说明下标念义下标意义actual实际ITsy绝缘addy涡流ir.t内部的dIr值近似的Ink逆变上IE(u铝装铁E VE平基均k转cage础limit极折限3卫ch支路left边break闪络负载char特的o环:ont合常芯伴临数了ow低master主合界机路耗的城间中Indie模current电流nedi修的delay延迟互正相earth大地8卫铭牌eddy涡等negr值The电气侧neutral序点精确卫ew新性的eXcoffset偏fault故发障电地open分机Dreer接原high的高o振hys磁进OUE输出闸令始游外空部的oved架incr自增加Phasd慰应pipeput输入JOS正于序)的下标意义下标意义prem刺级50uc日电派propa传播apark放地random随机给定了tg额定值Lar乒〗rEC已受端start开始简化结束整流surger的 idual剩余的switc]五开关RMS有效值smr对称turbine汽(水〕轮机SCP屏酰端点elf自Thev戴维南等值ser]e:串联Pca总的整定值totality变压器外皮trape梯形的short短路tuleshunt并联不饱和滑多slave电业部门从属voltage电乐lope斜率without不包括平滑苓(序)的上标符号说明上析意义上标意义b攴鑒预报值闭合三角形连接r化别造厂s短路修正t试算neTT新值old电业部门老值录译序符号说明第一章EMT解法介绍…第二章线性无耦合集中参数元件了2.1电阻R…2,I,1误差分析…■■■p冒■■2,12带有电阻献网络实钢……………"……""¨¨¨=422自电感I…………"……■■山■昏■21误差分析222利用并联电卵阻尼数值振荡223并联电蓝的物理意义182.24营有电感的网络实好↓.■1}●唱.甲司日·d-:;■·Pt-…·20电容C2,3.1误差分析■山Ldk L2,3.2利用串联电阻阻尼数值振荡…2..3串联电阻的物理意义…2.3.4帮有电容的网络实例……1·量···52.4R、L、C串联…2.5单相常规z形电路…P■■■■"甲,胃26第三章线性耦合藻中参教元件3.1耩合电阻[E]…3,1.1误差分析28312耦合支路插入节点方程组…283.1,3朝合电阻:恻……"""……“…¨293.2耦合电感LL…….2.1误姜分析……■■■甲32.2利用荆合并联电阻阻尼数位振荡1r晋+■23.23荆合并电阻的物理意义■萨■司323,4带有精合电感的网绺实例……3.3藕合电容[C1……pm聊聊hdP量看看「·日···「·■n44"…,…-…343.3.1误差分析………是昏■·L甲·■·.●■35332利用串联电阻阻尼效值振满333稠合串联电阻的物理意义3.3.4背有耦合电容的网络实例…*……………-……………33.4M相常规匹形电路……………咖■自·d血■画3.4.I[配]与[L]申联………………342[配]与LL]1串联……………薯四章架空物电线路……41线路参数………………41单根导线的线蔚参数A i4.1.1.1串联阻抗矩库41,12并电容矩阵2等值相导线的线路念数|■?■■■自m画日q卩q即1412,1消去地线4.32,构成零级麻4.1.2,3等值打哥线的化矩阵4124等值相异线的常规忑形电路4125连续地线和分段地统4.1,3平衡线路的序和零序参数■■。■■PTPT·平P■■rr■■〓584lt单回三相线路的正序和零芹拿效4.132平衡的相线路的正序和零序参4.1.33仅有零序舞合的两条同的三相线路4.14对称分量……………,,……,…暴甲甲A.15模量参数-……一一·,1、5,1模域中的线路屴程4.1,5,2充與高频近4.1.5,3求習态解的近似转换矩阵4,2EMTP的线路模型421交流稳态觚…∷…7742.⊥1M榍常规x形电路2单相线路的等值x形电路M想等值形电路4.22眢态解4,221常规军形电路4222L和C恒定的单相无损线42,2.3D’和C恒疤的M群无封线2,4具有恒定多数的单相和M相元畸变浅4.2.25带集竹电图的单相和M相线略从有频率租关参藪的单相和M相线盛第五章地下电缆995.1单芯电缆…串联阻抗·512并联导纳……:"+∴:0352平行单芯电缆……1045.3大地返回阻抗…………r-…:106,3.1半无限大坦中的埋设导缋10753,2无限大地屮的埋设导线l4953.3架空导线……I】0.5,3,4架空导线与埋设导线间的互阻抗1i05.4管形电缆1195,L管壁厚度无限(无大地返旧)……11蠢2管撥厚度有限(有大地返回)…·I135.5戒束导线和消丢地线……………1146埋设的管道11p57部分导体和有限元法…1f857.I側分为部分导体…I185.7、2有限元法…*11958模量参数…………12059EM①P的电缆模型…12I5,9.I交流稳态解………⊥25.92皙态解………………………1225921短电须5922单相电5.9.23多相电抛算六章变压器4b■136.!戴维南等值电路中的变压器…………………………………………………1308.2单相双绕組和三绕组变压器的感矩阵模型…1…*:n……#1326.2双绕組变压器…………………………F吾P■r.3622荆态电感矩阵………336.23三绕组变居器………13463单相双绕组和三绕组变压器的逆电感矩阵模型…卩··PPP中血會■身P會↓4『『P』』■4』4卩134831双娆组变压器…”…t…134632三骁组变压器……“…4…,………,“………,t……3564单相N线圈变压器的矩阵棋型…13765三相N线圈变压器的矩阵模型如聊电4唱b血口血善t■■自44》备■晶↓14065.1许算[R]和[L]2方法……………………■·日中1平6,52簪正三角形连绕组的零序歡据…14266励磁电流……………436B.1线性(不饱和励磁电流■■贔PP■昏4■●●p■命;h…………………]4381,1单相变压器6,6,t,2三相变压器6.3.2饱和影啊……■■晶晶■昌■…4……………】47662,1单柑变压器6,6,2,2二桕变压器663磁°和涡流损粔…………………I506,B,4剩磁………1……15367朝变压器……d血■■db晶·■白d■■■■4p…15468理蕉变压器4斗P■由1鲁4■『■司司pP即"最最具4l5569电位浮动的三角接法………l56610支持子程序和饱和变压器元件6.【0.1支持子程序 XFORMER…………………,………………l575.102支持子程序 BCTRAN………+…1576.103支持子程炸 TRELEG唱1·甲严■冒14_l576.10,5支持子程序 CONVERTI58E105饱和变压器元件·.早日和·甲·1·如即自·冒P4晶4日h晶h晶qL■L■IBD611频率相关的变压器模型……183算七章简蝉电压源和电清漂…1個由:67L电源与节点相连卜日p卩●甲◆中卩申■■■自日………L637.2两节点问的电流源∵…………L6373两节太间的电压源…………………日加甲■唱·LpP■■■曲即啁,4同一节点上多个电源…L657.5内部简单电源巫数……………■1?b■■7.6受电流控制的直流电压源………………………1687,6,上狼态解…1697,6,2暂态解…h1口170第八章三相同步电机.血4甲即會■dt■tI…………17281电气部分基本方程式……",…"…"*…4……………17382确定电气参数r17783机椃部分基本方程式…I828.4稳态模和初始条件…………血11自幽冒bPIr■858.41利用序疯进行初始化M"……"……“*……l883.42利用负序值进行初始化………:+190843利零序值进行初始化193844机被部分的初始化…甲1日3,5皙态解………………+b幽…49485.1解法概述…鲁■「↓·■■甲司唱昏■4▲止l95852电气部分暂态解197启53机被部分暂态解2u185,4预报和校正方怯………………22B54预报和月8.54.24,q轴伴雅电阻的平均值85,43E和的预报8.5.4.4旋转势的预报8.5,1,5选代方法8.6饱和298,61基本股定……209862稳态运行中的饱和……………■■……:…21186.3态条件下的饱和21286,4在EMTP中的实现方法r214B6,4.1毪态初始化8642誓态解8.65采旧Cnay特征抗时饱和影响…■■■d■前九章通用电机………………"…"""42791电气部分基本方程式…!·■↓q昏【hdl●pp■■■暴27B2确定电气参数……甲·D·■自昏■面■备聊22B9.3转换到相量-………2229.4机械部分……………血自··■■着■P量1am山m+++··22495稳态模型和树始条件………·■P1『『1甲a●42259.1三相同步电机952两相同步电机…53单相同步电机中·!bd如h■,4甲唱啁中
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