基于ARM的低功耗語音去噪系統(tǒng)設(shè)計(jì)

近年來，電子技術(shù)的發(fā)展促進(jìn)了多媒體設(shè)備的繁榮，同時(shí)隨著人們對(duì)便攜式設(shè)備和可移動(dòng)終端的廣泛需求，使得低功耗成為了這類電 子設(shè)備最大的技術(shù)難題之一。低功耗意味著在同一時(shí)間段內(nèi)在相同條件下移動(dòng)終端消耗的能量更少，使得此類設(shè)備有更長的續(xù)航工作時(shí)間。低功耗設(shè)計(jì)降低了系統(tǒng)功 耗，提高了能量利用率。

ARM微處理器因其高性能和低功耗的特性，特別適合于便攜式設(shè)備的開發(fā)與應(yīng)用。本文設(shè)計(jì)了一種基于ARM的低功耗語音去噪系統(tǒng)，為應(yīng)用于便攜式移動(dòng)的語音去噪設(shè)備提供了一種很好的設(shè)計(jì)思路和方法。

1 算法設(shè)計(jì)

譜減法的原理就是在頻域?qū)⒃肼暤念l譜分量從帶噪語音信號(hào)的頻譜中減去。其設(shè)計(jì)思想是在假設(shè)加性噪聲與短時(shí)平穩(wěn)的語音信號(hào)相互獨(dú)立的條件下，從帶噪語音信號(hào)的功率譜中減去噪聲的功率譜，進(jìn)而得到去噪后較純凈的語音頻譜。

如果帶噪語音信號(hào)為

y(i)=s(i)+n(i) (1)

上式中，y(i)為帶噪語音，s(i)為純凈語音，n(i)為噪聲信號(hào)。經(jīng)過FFT變換，頻域表達(dá)式為：

Y(k)=S(k)+N(k) (2)

由式(2)可得：

因?yàn)樽V減法的前提是語音信號(hào)與噪聲信號(hào)是不相關(guān)的，且S(k})、N(k)服從高斯分布，均值為零，于是對(duì)式(3)求期望可得：

由此可得原始語音的估計(jì)值。針對(duì)人耳對(duì)相位的不敏感這一特點(diǎn)，可以用原始帶噪語音的相位譜代替去噪后語音信號(hào)的相位譜。

整個(gè)算法的流程如圖1所示。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 主控CPU芯片選型

本系統(tǒng)要求低功耗，傳統(tǒng)的信號(hào)處理系統(tǒng)大多采用DSP，DSP芯片雖然數(shù)據(jù)處理能力強(qiáng)大，但是本身功耗太高，因此不適用于低功耗設(shè)計(jì)的要求，加之DSP內(nèi)部外設(shè)種類很少，如不具有A/D和D/A等模塊，對(duì)于系統(tǒng)設(shè)計(jì)，增加這些功能模塊無疑又會(huì)增加功耗。

LPC1756是NXP(恩智浦)公司推出的高度集成和低功耗的32位嵌入式處理器，內(nèi)核構(gòu)架為32位高性能ARM Cortex-M3 CPU，具有3級(jí)流水線和哈佛結(jié)構(gòu)總線，LPC756具有256 kB片上Flash和32 kB SRAM，時(shí)鐘頻率可高達(dá)120MHz，指令執(zhí)行速度最高為150 MIPS，工作在最高頻率時(shí)，所耗電流也僅為數(shù)十毫安。LPC1756具有大量豐富的外設(shè)：一個(gè)12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)，高達(dá)8個(gè)輸入通道;一個(gè)10 位數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC);4個(gè)32位通用定時(shí)器;8個(gè)DMA通道等。此外，具有80個(gè)引腳的LPC1756的封裝體積為12x12x1.4 mm。總之，該芯片具備處理速度快、功能豐富、體積小和性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)。因此符合本系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。

為了適應(yīng)低功耗設(shè)計(jì)的要求采用LPC1756片內(nèi)ADC模塊和DAC模塊。為了節(jié)約CPU處理數(shù)據(jù)的時(shí)間，在采集端和輸出端均采用DMA傳輸模式。

2.2 大電壓差電源設(shè)計(jì)

在本系統(tǒng)中，要求輸入電壓為26 V直流電壓，輸出電流不超過60 mA。ARM處理器所需供電電壓為2.4～3.3 V。目前流行的電源壓降模塊普遍采用線性穩(wěn)壓源和開關(guān)電源。線性穩(wěn)壓源常見的如LDO(低壓差輸出)模塊，LDO原理是利用三極管基極電壓來控制輸入輸出 端的電壓差來獲得輸出所需電壓的目的，而系統(tǒng)電流也要流經(jīng)三極管，因此LDO在降壓的同時(shí)，其自身的功耗也很大，LDO芯片的功耗：

P=(VIN-VOUT)*I (6)

式(6)中VIN為輸入電壓(轉(zhuǎn)換前)，VOUT為輸出電壓(轉(zhuǎn)換后)，I為輸出電流。假設(shè)本系統(tǒng)電流為50mA，因此由式(6)可得LDO自身功耗P= (26-3.3)*50 mW=1 135mW，可見在這種高壓差的LDO系統(tǒng)中，損失的功率太大使得電源轉(zhuǎn)換效率很低，這樣在LDO芯片上會(huì)產(chǎn)生很大的熱量，很容易燒壞電源芯片，不僅會(huì)使 整個(gè)系統(tǒng)癱瘓，而且會(huì)造成安全隱患。但是LDO具有輸出電壓穩(wěn)定、紋波小等優(yōu)點(diǎn)，適合低壓差電源轉(zhuǎn)換。

開關(guān)電源常見的如DC-DC模塊，開關(guān)電源的原理是利用開關(guān)的特性，經(jīng)反饋網(wǎng)絡(luò)輸出對(duì)應(yīng)占空比的PWM信號(hào)來控制MOS管的柵極電壓，從而達(dá)到輸出預(yù)期電 壓的目的，MOS管的漏源極間的導(dǎo)電溝道電阻非常小，因此消耗在開關(guān)電源上的功耗很小。因此鑒于開關(guān)電源輸入電源范圍寬、功耗小等優(yōu)點(diǎn)，廣泛在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí) 被采用。需要指出的是在用開關(guān)電源時(shí)，由于開關(guān)電源頻繁的開關(guān)特性，會(huì)使得輸出電壓的紋波和噪聲較大，因此在設(shè)計(jì)時(shí)需考慮濾波和PCB布線等情況。

鑒于上述原因，本系統(tǒng)電源模塊采用開關(guān)電源和LDO共同作用的架構(gòu)，先用開關(guān)電源將輸入電壓(DC26V)轉(zhuǎn)換至適合LDO輸入電壓(DC5V)范圍內(nèi)， 這樣可以有效降低在LDO上的功耗;然后再利用LDO模塊轉(zhuǎn)換至系統(tǒng)所需的穩(wěn)定電壓(DC3.3V)，確保系統(tǒng)不受電源紋波的干擾。開關(guān)電源芯片選用美國 國家半導(dǎo)體公司的LM2576開關(guān)電源，其具有電壓輸入范圍寬、轉(zhuǎn)換效率高以及帶負(fù)載能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn);LDO芯片采用美國TI公司的TPS79133芯片， 其具有輸出電壓穩(wěn)定、紋波小等特點(diǎn)。

2.3 信號(hào)調(diào)理模塊設(shè)計(jì)

輸入為語音信號(hào)，經(jīng)麥克風(fēng)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，但這種電壓信號(hào)很徽弱，一般為幾十毫伏，需要經(jīng)過放大才能被A/D有效采集，為了提高放大后信號(hào)的信噪比，在放大前端應(yīng)對(duì)信 號(hào)進(jìn)行濾波處理，語音信號(hào)分布在300～3400 Hz之間，因此可對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行低通率波。又由于譜減算法的特性，去噪后信號(hào)的幅度較去噪前信號(hào)的幅度減小很多，所以對(duì)去噪后的語音信號(hào)也應(yīng)當(dāng)放大和濾波 處理。

本系統(tǒng)采用飛思卡爾半導(dǎo)體公司的MC34119集成運(yùn)放，該芯片具有寬電壓輸入(2.0～16 V)、對(duì)語音信號(hào)具有自適應(yīng)增益功能以及不需外部加直流偏置等特點(diǎn)。由于LPC1756內(nèi)部A/D和D/A參考電壓為3.3 V，因此運(yùn)放的輸入(參考)電壓也應(yīng)為3.3 V，信號(hào)增益是通過反饋電阻與輸入電阻之比來確定。即：

Gain=RF/RI (7)

在本系統(tǒng)中，輸入增益設(shè)為10倍，輸出增益設(shè)為3倍。低通濾波器采用美信半導(dǎo)體公司MAX7427集成芯片，該芯片具有功耗低(僅需0.8 mA)、外圍電路簡單等特點(diǎn)，且通過外接振蕩電容來計(jì)算上限截止頻率，適用頻率范圍1～12000 Hz，符合本系統(tǒng)頻率范圍。