Computer aided design of an adaptive digital filter and its application to signal processing

Abstract

ÖZET BİLGİSAYAR DESTEKLİ UYARLAMALI SAYISAL SÜZGEÇ TASARIMI VE ONUN İŞARET İŞLEMEYE UYGULANMASI ERÇELEBI, Ergun Doktora Tezi, Elektrik ve Elektronik Mühendisliği Bolümü Tez Yöneticisi: Prof. Dr. Arif NACAROĞLU Eylül 1999, 174 sayfa Bu çalışmada, konuşma sinyalinin güçlendirilmesi ve konuşma sinyalinin tanınması için bir yöntem hazırlandı. İlk başta, konuşma sinyallerinin güçlendirilmesi için tek çentikli ve çok çentikli uyarlamalı gürültü giderici kullanılarak yeni bir algoritma hazırlandı. Özellikle, algoritma konuşma sinyallerinin sinüzoid veya diğer periyodik parazit bozucu sinyaller tarafından bozulduğu durumlarda uygulanır. Yöntem, gürültünün önemli harmoniğinin frekansını bularak ve tek çentikli veya çok çentikli uyarlamalı süzgeci o frekansta yerine getirerekten başarılın Gürültünün frekansı FFT tabanlı algoritma kullanılarak hesaplanır. Bu yöntem, bozulmuş sinyal içeren primer giriş ve gürültü veya değişik frekanslarda gürültü içeren referans giriş kullanır. Tek çentikli ve çok çentikli uyarlamalı gürültü giderici yönteminin verimliliği bilgisayarda zaman tasarrufu sebebiyle karşılaştırıldı. Hazırlanan yöntem bazı sinyal güçlendirme deneyleri yapılarak test edildi ve sonuçlar tartışıldı. Bu tezin diğer bölümünde, konuşma tanıma algoritması hazırlandı ve o, hem gürültünün olduğu ortamda güçlendirilen konuşma sinyaline ve hem de yalnızca bilgisayar gürültüsünün olduğu ortamdaki konuşma sinyallerine uygulandı. İşaret işleme ortamı sayısal olduğundan, örnekleme ve önvurgulama yöntemleri verildi ve sözcüğün başlangıç ve bitiş noktalarının belirlenmesi için yöntemler açıklandı. Farklı sözcükler için referans setini (veri tabanı) oluşturmak amacıyla, özellik vektörlerinoluşturulması yöntemi tanımlandı ve Doğrusal Öngörü Kodlaması (DÖK) yöntemi, bu özellik vektörleri için değiştirildi. Referans setindeki sözcük ve test konuşmacısının sözcükleri karşılaştırmada Dinamik Zaman Eğrilmesi diye bilinen yöntem kullanıldı. Sunulan yöntem, gürültünün olduğu ve olmadığı yerde söylenen 14 değişik Türkçe sözcük kullanılarak sınandı. Veri tabanı bu sözcükler için, 25 erkek ve 20 kadın konuşmacının telâffuzu kullanılarak oluşturuldu. Son olarak bu tezin ses sinyallerinin güçlendirilmesi ve tanınması alanına katkısı bütün bir algoritmanın hazırlanmasıdır. Anahtar Kelimeler: Uyarlamalı süzgeç, Çok-çentikli, Ses sinyallerinin güçlendirilmesi, Ayrık sözcük tanıma, Dinamik Zaman Eğrilmesi, Doğrusal Öngörü Kodlaması VI

ABSTRACT COMPUTER AIDED DESIGN OF AN ADAPTIVE DIGITAL FILTER AND ITS APPLICATION TO SIGNAL PROCESSING ERÇELEBI, Ergun Ph. D. in Electrical and Electronics Engineering Supervisor: Prof. Dr. Arif NACARO?LU September 1999, 174 pages In this thesis, a method for speech enhancement and speech recognition is presented. Firstly, a new algorithm is prepared for speech enhancement by using single-notch and multi-notch adaptive noise canceler. Specifically, the algorithm is applied to the case where speech signal is corrupted by sinusoidal or other periodic interference corrupting signal. The method is accomplished by finding the significant frequencies of interference and implementing the single-notch or multi- notch Adaptive Filter at those frequencies. Frequencies of interference signal are measured by FFT-based algorithm. The method uses a `primary` input containing the corrupted signal and a `reference` input containing noise or noises at different frequencies. The efficiency of the single and multi notch adaptive noise canceling methods are compared owing to the computer time saving. The presented method is tested by making some signal enhancement experiments and the results are discussed. In the later part of this thesis, speech recognition algorithm is prepared and it is applied to both enhanced speech at medium of periodic noise and speech at medium of only computer noise. Since the medium of the signal processing is digital, the sampling and preemphasizing methods are given and the determination of the beginning and the end points of the word are explained. To generate the data base m(reference set) for several words, the method of the creation of the feature vectors are defined and Linear Predictive Coding method is modified for the generation of these vectors. The matching of the word lengths of the test speaker and data base is achieved by using the method known as Dynamic Time Warping. The proposed method is examined by using 14 different Turkish words said in existence and absence of the periodic noise interference. The data base is constituted for these words by using utterance of 25 male and 20 female speakers. The last, but not least, contribution of the thesis to the both speech enhancement and speech recognition is the preparation of the complete algorithm. Keywords: Adaptive Filters, Multi-Notch, Speech Enhancement, Isolated word recognition, Dynamic Time Warping, Linear Predictive Coding IV