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Key Words: self-adaptive filter, The Least Mean Square algorithm, noise canceling, line enhancement
III
南昌航空大学硕士学位论文
第1章
绪论
第1章 1.1 研究背景及意义
绪论
数字滤波是数字信号处理理论的重要内容。 数字信号处理的迅速发展是从20 世纪60年代开始的，其主要标志是两项重大进展，即快速傅立叶变换(FFT)算法 的提出和数字滤波器设计方法的完善。作为其中一项重大突破的数字滤波器，在 20世纪60年代中期形成了它的完整而正规的理论。 人们根据传统数字滤波器的概
[1] 念，即根据给定的频率特性指标(低通、高通、带通或带阻 ，或别的形状的特
性其参数)来设计并实现数字滤波器外，还深入研究了维纳滤波器和卡尔曼滤波 器的数字实现问题。维纳滤波器是根据有用信号和干扰噪声的统计特性(自相关 函数或功率谱)，以线性最小均方误差估计准则所设计的最佳滤波器，它能最大 程度的滤除干扰噪声，提取有用信号。 在日常生活中，人们经常受到各种噪声的干扰。例如，在有线电话、无线通 信中回波[2]、数据采集中的工频干扰和一些随机噪声是不可避免的。这些噪声在 严重影响了通信的质量。各种封闭空间的噪声如厂房、汽车内的噪声等对人体也 会产生不利的影响。长期在有噪声的环境中工作，将危害人的听力、思维、生理 和心理。在嘈杂的环境下工作，人们很容易疲乏、反应迟钝、工作效率降低，并 且容易心情烦躁，在噪声的刺激下，人们的注意力不容易集中，工作容易出错， 影响工作速度和工作质量，并且很容易产生错误的判断、进行错误的操作，降低 了生产效率。在生活中噪声的存在也很大程度上影响了人们的休息和放松，降低 了生活质量。在工程实际中，经常会遇到强噪声背景中的微弱信号检测问题[3-6]。 例如在超声波无损检测领域， 因传输介质的不均匀等因素导致有用信号与高噪声 信号迭加在一起。 腹部胎儿心电信号埋藏在母亲心电等强背景噪声中以及强噪声 背景下的语音识别等。在信号的传播路径中以及在信号处理过程中，都会引入噪 声。噪声的引入影响了对真实信号的处理。有时候，较强的噪声会“遮盖”了信 号。从而难以得到准确、稳定的真实信号。噪声对信号的污染在绝大多数情况下 是不可避免的，因而，对噪声的消除和抑制是信号处理中极其重要的工作。在如 今这个人们不断追求工作效率、生活质量的年代里，如何有效地消除和抑制噪声 已成为人们研究的一个热门课题。 但在实际应用中，由于有时并没有充足的信息来设计固定系数的数字滤波 器，或者设计规则会在滤波器正常运行时改变，因此自适应滤波器被提出。自适 应滤波器的出现使得滤波器具有跟踪信号和噪声变化的能力， 滤波器的特性也随
南昌航空大学 硕士学位论文 自适应滤波器在噪声消除中的应用与研究 姓名：余荣贵 申请学位级别：硕士 专业：计算机应用技术 指导教师：叶水生 20080601
摘要
任何系统都不可避免地受到噪声的影响， 如何有效地消除和抑制噪声是多年 来的热门研究课题之一。噪声抑制方法可以分为两大类:被动噪声抑制和主动噪 声抑制。随着控制系统理论和数字信号处理技术的发展，主动噪声抑制技术开始 以自适应为主要研究方向。 自适应噪声抵消技术和自适应谱线增强技术都是基于 自适应滤波原理的一种扩展，它能从被噪声干扰的环境中检测和提取有用信号， 抑制或衰减噪声干扰，提高信号传递和接收的信噪比质量。文中主要研究基于自 适应滤波器的主动噪声抑制技术及其实现方法。 文中介绍了自适应滤波器的基本原理，结构和应用；对自适应算法中的最小 均方（LMS）算法进行了深入研究，具体分析了收敛特性及各参数对算法性能的 影响。应用 MATLAB 软件，对自适应算法进行了仿真研究，针对各类不同参数和 不同输入信号，分析比较了各种情况下的滤波器收敛速度、稳态误差和各算法的 优缺点。 针对传统的LMS算法中步长选取影响收敛速度与稳态误差的这一对矛盾，提 出了许多新的变步长LMS算法。 其中许多算法建立了系统输出误差e与步长因子μ 的一种非线性函数关系,但是自适应滤波器的每种应用中的系统误差e是不同的， 从而导致每种应用中的步长因子μ也是不同的， 这个不同的步长因子μ必将严重 影响LMS算法的性能。因此文中根据自适应噪声抵消器和自适应谱线增强器的特 点，提出了两种改进的变步长LMS算法，然后文中又将这两种改进的算法组合成 一种新的改进的算法，计算机仿真实验表明改进的算法具有优越的性能。 最后文中将自适应噪声抵消器和自适应谱线增强器组合成一个滤波器， 并将 这个滤波器应用到电参数测量系统中，实验表明，这个组合的滤波器具有良好的 消除噪声能力。
关键词：自适应滤波器，最小均方算法，噪声抵消，谱线增强
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ABSTRACT
All systems will be influenced by noise.How to effectively eliminate the noise is one of hot subjects for years.Noise suppression is classified into two classes:Passive Noise Control and Active Noise Control.With the development of control system theory and digital signal processing,Active Noise Control puts concentration on adaptation.The adaptive noise canceling system and the adaptive line enhancement system develop form the adaptive filtering system.They can improve the quality of signal by picking up and detecting the useful signal or canceling noise in the environment which was interfered by noise.The paper studied the Active Noise Control and its application method based on adaptive filter approach. The paper begins with the principle ,structure and application of adaptive filter. Based on the principle,the Least Mean Square(LMS) is researched deeply.It is a important algorithm of adaptive filter. The ratiocinative process and convergence performance of the algorithms is given. Parameter effects on performance of the algorithm are studied. Based on the MATLAB platform，simulation is carried out for the adaptive algorithms， analysis of convergence rate and steady state error results are given under various conditions.Accordingly, merits of the different algorithms are discussed. Due to the fact that the convergent speed and steady-state error are affected by the fixed step-size in classical LMS algorithm, many new algorithm is presented with variable step-size. Some of them establish a non-linear functional relationship between step-size factor µ and the system output error e.However, the system output error e of every application of adaptive filter are different,therefore,their step-size factor µ are different.The difference of step-size factor µ decrease the processing ability the LMS algorithm.So, according to the characteristic of the adaptive noise canceler and the adaptive line enhancement, two improved algorithm are presented with variable step-size LMS algorithm in the paper,and then a new improved algorithm is made up by the two improved algorithm, Computer simulation verifies the better performance of the new improved algorithm. At the last, the filter of the incorporation of the adaptive noise canceler and the adaptive line enhancement is applied to the system of electricity measure.Emulation proves that the performance of denoising of this filer is excellent.