JK-DP50型數(shù)字降噪聲處理器的工作原理及其應(yīng)用(圖)

引言
　隨著數(shù)字信號(hào)處理(dsp)技術(shù)的迅猛發(fā)展，以數(shù)字信號(hào)處理器及相關(guān)算法為技術(shù)的數(shù)字降噪聲技術(shù)也不斷出現(xiàn)。本文提到的jk-dp50型數(shù)字降噪聲處理器就是應(yīng)用數(shù)字信號(hào)處理器dsp技術(shù)及高速實(shí)時(shí)處理運(yùn)算的特性，采用獨(dú)特的軟件算法，對(duì)高噪聲環(huán)境中的話音和噪音進(jìn)行處理，完成高噪聲環(huán)境中的語(yǔ)音通信功能，使話音在高噪聲環(huán)境下仍然比較清晰。

jk-dp50的性能指標(biāo)
● 工作電壓為+12v±10%；工作電流小于70ma。

● 具有降噪控制功能(con) 控制信號(hào)(con)為高電平(+5v)時(shí),降噪聲模塊斷開，信號(hào)直接通過；控制信號(hào)(con)為低電平(0v)時(shí),降噪聲模塊接入,進(jìn)行降噪聲處理。

● 輸入端參數(shù) 直通時(shí)為100～600mv；降噪時(shí)為25～200mv；輸入阻抗為10kω。

● 輸出端參數(shù) 直通時(shí)為100～600mv；降噪時(shí)為25～200mv；輸入阻抗為600ω。

● 輸出頻響特性 輸入為100mv時(shí)，斷續(xù)比為1:1正弦波信號(hào),在300～3400hz范圍內(nèi)，不均勻度小于3db。

● 降噪能力 輸入為100mv時(shí)，斷續(xù)比為1:1正弦波信號(hào)與輸入100mv持續(xù)的白噪聲信號(hào)時(shí)模塊輸出的比不小于30db 。

　 　　
jk-dp50的工作原理
本文中jk-dp50型數(shù)字降噪聲處理器主要完成在高噪聲環(huán)境下話音的高清晰度通信功能。它有降噪和直通兩種工作狀態(tài)，其工作原理如圖1所示。工作狀態(tài)的選擇由控制信號(hào)con的電平來決定，控制特別靈活，可由監(jiān)控單元直接來控制。con為低電平(0v)時(shí)，降噪聲模塊接入，進(jìn)行降噪處理；con為高電平(+5v)時(shí),降噪聲模塊斷開，信號(hào)直接通過。降噪狀態(tài)時(shí)，con為低電平，晶體管v4截止，繼電器k1處于常閉狀態(tài)，話音信號(hào)和環(huán)境噪聲通過話筒輸入，送到數(shù)字信號(hào)處理dsp的27、28腳，把話音和環(huán)境噪聲進(jìn)行放大，增益由r15和r14來決定，放大到dsp芯片內(nèi)的a/d能識(shí)別的幅度，以便a/d能正常轉(zhuǎn)換信號(hào)。模擬信號(hào)通過a/d轉(zhuǎn)換后，變成12位的數(shù)字信號(hào)進(jìn)入dsp的運(yùn)算單元，dsp在前3秒中測(cè)試出周圍環(huán)境噪聲的大小，并建立相關(guān)數(shù)學(xué)模型，然后按給定的算法處理話音和噪聲，把處理后的結(jié)果經(jīng)過數(shù)據(jù)總線送到d/a，經(jīng)放大器u2：a，電容c29和電阻r33組成的平滑濾波器，進(jìn)行平滑濾波后送到放大器u2：b，放大器的作用是為了滿足相連設(shè)備的輸入要求。直通狀態(tài)時(shí)，con為高電平，晶體管v4導(dǎo)通，繼電器k1處于吸合狀態(tài)，話音信號(hào)和環(huán)境噪聲通過話筒輸入，不經(jīng)過dsp直接送到平滑濾波器，進(jìn)行平滑濾波后送到放大器u2：b。 　　
降噪模塊中dsp的選擇
　　
在實(shí)現(xiàn)降噪處理時(shí)，選擇數(shù)字信號(hào)處理芯片dsp是非常重要的一環(huán)。dsp芯片要根據(jù)降噪處理的軟件算法和實(shí)際的系統(tǒng)要求來選擇。首先，應(yīng)該考慮是選用浮點(diǎn)還是定點(diǎn)dsp；其次，根據(jù)軟件算法的復(fù)雜程度，考慮dsp的運(yùn)算速度；此外，還應(yīng)考慮dsp芯片提供的硬件資源和功耗，如片內(nèi)ram、rom的數(shù)量、外部可擴(kuò)展的程序和數(shù)據(jù)空間、總線接口、i/o接口、封裝形式等因素。本文設(shè)計(jì)的數(shù)字降噪聲處理器選用ti公司的tms320c5xx系列dsp芯片中的一款作為處理芯片，該定點(diǎn)dsp的運(yùn)算速度為40mips，集成高速a/d、d/a轉(zhuǎn)換器及16kb的flash存儲(chǔ)器，共有64引出管腳，大大減小了pcb板的面積，選用19.2mhz的晶體作時(shí)鐘。
降噪模塊中dsp的選擇
數(shù)字降噪聲處理器是采用回波對(duì)消的原理?；夭▽?duì)消采用了自適應(yīng)噪聲對(duì)消的技術(shù)，自適應(yīng)噪聲對(duì)消系統(tǒng)的方框圖見圖2。
自適應(yīng)噪聲對(duì)消系統(tǒng)的輸入分兩路，a路是有用信號(hào)s混有噪聲n0，即y=s+n0；b路為消噪系統(tǒng)中自適應(yīng)濾波器的參考輸入n1，即x=n1。
設(shè)s與n0或n1互不相關(guān)，n0與n1相關(guān)，且它們都是零均值平穩(wěn)隨機(jī)過程，則系統(tǒng)的輸出等于誤差信號(hào)，其中是噪聲n1通過自適應(yīng)濾波器的估計(jì)值。為了使均方誤差最小，在理想的情況下，希望系統(tǒng)的輸出通過自適應(yīng)算法使噪聲全部被抵消，只剩下有用信號(hào)，即：

顯然，當(dāng)均方誤差信號(hào)最小時(shí)，=n0，故輸出為有用信號(hào)，噪聲n0被消除，達(dá)到降噪的效果。
系統(tǒng)中的自適應(yīng)濾波器具有跟蹤信號(hào)和噪聲變化的能力，使濾波器的特性也隨信號(hào)和噪聲的變化而變化，以達(dá)到最佳的降噪處理效果。
自適應(yīng)濾波器特性變化是由自適應(yīng)算法通過調(diào)整濾波器權(quán)系數(shù)來實(shí)現(xiàn)的。一般情況，自適應(yīng)濾波器由兩部分組成，一是濾波器結(jié)構(gòu)，二是調(diào)整濾波器權(quán)系數(shù)的自適應(yīng)算法。自適應(yīng)濾波器的結(jié)構(gòu)采用橫向型fir結(jié)構(gòu)。對(duì)帶內(nèi)白噪聲的處理用經(jīng)典的最小均方lms算法還不能達(dá)到最佳的降噪效果，還要利用噪聲的自相關(guān)特性和功率譜密度特性，在lms算法的基礎(chǔ)上作適當(dāng)?shù)男拚拍苓_(dá)到最佳的降噪效果。
自適應(yīng)濾波器主要完成對(duì)輸入信號(hào)中的噪聲進(jìn)行估計(jì)，并把估計(jì)值與輸入信號(hào)相減，但不是一般的代數(shù)相減，而是有一套相應(yīng)的軟件算法，如相關(guān)功率的功率譜密度分析等。
自適應(yīng)濾波器采用橫向型結(jié)構(gòu)，方框圖見圖3。
圖中的t表示一個(gè)滿足無畸變條件的延遲線； 表示一個(gè)增益或衰減元件，從c0到cn有n+1個(gè)抽頭(也稱階)，每個(gè)抽頭的增益或衰減可以根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)節(jié)；σ表示一個(gè)加法器。
濾波器的輸出表示為：

其中，n為濾波器的階數(shù)。
一個(gè)自適應(yīng)濾波器實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜性通常是由它所需要的乘法次數(shù)和階數(shù)來衡量。
jk-dp50型數(shù)字降噪聲處理器采用了120階自適應(yīng)濾波器。根據(jù)噪聲的自相關(guān)特性和功率譜密度性，軟件上除了采用傳統(tǒng)對(duì)稱橫向結(jié)構(gòu)的fir濾波器中的lms算法外，還對(duì)噪聲和信號(hào)的功率譜密度進(jìn)行估計(jì)，即對(duì)采樣編碼的16個(gè)值進(jìn)行平方累加，求出其平均功率值進(jìn)行比較，比較后的誤差信號(hào)與設(shè)定的噪聲門限值進(jìn)行相除，結(jié)果若大于1，則調(diào)整濾波器的權(quán)系數(shù)，使權(quán)系數(shù)變小，信號(hào)的輸出幅度變大；結(jié)果若小于1，則調(diào)整濾波器的權(quán)系數(shù)，使權(quán)系數(shù)變大，信號(hào)的輸出幅度變小。在數(shù)字信號(hào)傳輸過程中，為了避免回波的影響，必須采取回波抵消技術(shù)。

結(jié)束語(yǔ)
　jk-dp50數(shù)字降噪模塊易于加密；軟件采用自適應(yīng)濾波算法，數(shù)字降噪聲處理器對(duì)噪聲的抑制量一般在30db以上，而且輸出話音平穩(wěn)，無漏字和噪聲拖尾現(xiàn)象；在整個(gè)話音頻段300～3400hz內(nèi)，降噪量均衡；可通過改變軟件算法，來滿足不同的降噪聲的要求，便于產(chǎn)品升級(jí)換代。在研制的超短波抗干擾產(chǎn)品與遙控臺(tái)的通話系統(tǒng)中，安裝了兩塊jk-dp50數(shù)字降噪聲處理器來減小回波對(duì)話音的影響，通話質(zhì)量明顯提高，得到用戶的一致好評(píng)。