基于DSP的自適應(yīng)數(shù)字抗噪聲模塊

關(guān)鍵詞： 數(shù)字信號處理(DSP)；噪聲

概述
國內(nèi)目前第三代抗噪聲產(chǎn)品是利用動態(tài)降噪(DNR)技術(shù)。DNR技術(shù)是通過變化的話音峰值動態(tài)地調(diào)節(jié)輸出話音開關(guān)，從而達(dá)到降噪的目的。它雖然是目前較好的一種抗噪聲模擬處理技術(shù)，但也存在一些局限性，包括輕符音掉字和強(qiáng)音噪聲拖尾；降噪效果偏重于低頻；降噪完全采用硬件電路實(shí)現(xiàn)，調(diào)試和維修比較麻煩等問題。由于存在這些問題，致使模擬DNR降噪產(chǎn)品的大量推廣應(yīng)用受到限制。隨著數(shù)字信號處理技術(shù)的迅速發(fā)展，以數(shù)字信號處理器及其相關(guān)算法為技術(shù)支撐的數(shù)字抗噪聲技術(shù)的產(chǎn)品不斷涌現(xiàn)。本文提出的數(shù)字抗噪聲模塊就是應(yīng)用現(xiàn)代數(shù)字信號處理(DSP)技術(shù)及其高速實(shí)時處理運(yùn)算的特性，采用相應(yīng)的軟件算法，對高噪聲環(huán)境中的話音和噪音進(jìn)行處理，完成高噪聲環(huán)境中的語音通信功能。
本模塊的性能優(yōu)點(diǎn)包括：
a) 軟件采用自適應(yīng)濾波算法，數(shù)字抗噪聲處理器對噪聲的抑制量一般在50分貝以上，而且輸出話音平穩(wěn)，無漏字和噪聲拖尾現(xiàn)象。
b) 數(shù)字抗噪聲處理器在整個話音頻帶內(nèi)(300~3000Hz)降噪量均衡。
c) 數(shù)字抗噪聲處理器可通過改變軟件算法滿足不同的抗噪聲要求，便于產(chǎn)品升級換代。
d)硬件成本比模擬DNR產(chǎn)品更低。
e)采用軟件加密技術(shù)，產(chǎn)品不易被侵權(quán)、仿造，有利于保護(hù)生產(chǎn)廠家的利益。

主要指標(biāo)要求及總體解決思路
本數(shù)字抗噪聲處理模塊作為JK-DP10數(shù)字抗噪聲處理器的一部分，主要用于機(jī)載通信終端設(shè)備等噪聲環(huán)境中的通信聯(lián)絡(luò)，其送話頻率范圍為300~3400Hz，平坦度不大于2dB。降噪性能為：模塊輸入端加入3mV、2秒斷續(xù)的正弦波信號(頻率依次為300Hz、700Hz、1000Hz、1500Hz、2000Hz、2500Hz、3000Hz)與加入3mV、120dB持續(xù)的白噪聲信號時，模塊輸出電平之差不小于50dB。
首先要選用一款合適的DSP器件。要求具有低功耗、高速數(shù)據(jù)運(yùn)算和吞吐能力(40 MIPS以上)，內(nèi)含A/ D、D/ A、Flash閃存(16KB)。然后建立有效的噪聲模型，設(shè)計自適應(yīng)濾波結(jié)構(gòu)及其相關(guān)軟件算法。接下來設(shè)計數(shù)字抗噪聲處理器的電磁兼容性(EMC)，選用能適應(yīng)120dB環(huán)境噪聲的抗噪聲送話器器件。DSP硬件與相關(guān)軟件算法結(jié)合，使數(shù)字抗噪聲處理器在120dB高噪聲環(huán)境下，達(dá)到話音清晰度不小于98。

圖 1

軟硬件設(shè)計方案
主要工作原理
本處理器主要完成高噪聲環(huán)境下話音的高清晰度通信功能。話音信號和環(huán)境噪聲通過MIC輸入到前置放大級，前置放大級的作用是把話音和環(huán)境噪聲放大到專用DSP芯片內(nèi)的A/D能識別的幅度，以便A/D能正常轉(zhuǎn)換信號，模擬信號通過A/D轉(zhuǎn)換后變成12位的數(shù)字信號進(jìn)入DSP的運(yùn)算單元，DSP在前3秒鐘內(nèi)完成測試周圍環(huán)境噪聲的大小并建立數(shù)學(xué)模型，然后按給定的算法處理話音和噪聲，把處理結(jié)果通過數(shù)據(jù)總線送到D/A，經(jīng)平滑濾波后送入后級放大器，后級放大器的作用是為了滿足關(guān)聯(lián)設(shè)備輸入要求。
DSP芯片選擇
本文設(shè)計的JK—DP10數(shù)字抗噪聲處理器對數(shù)字信號處理器芯片的要求較高。芯片既要有很強(qiáng)的實(shí)時處理性能，又要有很高的運(yùn)算速度和數(shù)據(jù)吞吐能力；還要求功耗低，外部的A/ D、D/ A及Flash閃存最好集成在DSP內(nèi)部，以減小產(chǎn)品體積。所以，選用TMS320C5XX系列DSP芯片中的一款作為處理芯片，外配高速A/ D、D/ A及32KB Fl a s h作程序加載。
軟件算法方案
數(shù)字抗噪聲處理器是由自適應(yīng)濾波器來實(shí)現(xiàn)的。自適應(yīng)濾波器具有跟蹤信號和噪聲變化的能力，使濾波器的特性也隨信號和噪聲的變化而變化，以達(dá)到最優(yōu)濾波效果。
自適應(yīng)濾波器的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)。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)整濾波器系數(shù)的自適應(yīng)算法。自適應(yīng)濾波器的結(jié)構(gòu)采用FIR結(jié)構(gòu)。對帶內(nèi)白噪聲的處理用經(jīng)典的LMS算法還不能達(dá)到最優(yōu)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)修整才能達(dá)到最佳的降噪效果。
數(shù)字式抗噪聲送話器組的DSP實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)如圖1所示。
原始輸入信號d(n)包括信號和噪聲，x(n)為參考噪聲輸入。這種自適應(yīng)濾波器實(shí)質(zhì)上是完成d(n)中的噪聲估計，并把估計值y(n)與原始信道相減以達(dá)到噪聲消除的結(jié)果，當(dāng)然，估計值y(n)與原始輸入信號并不是簡單的代數(shù)相減，而是有一套相應(yīng)的軟件算法，如相關(guān)功率的功率譜分析等。
圖1中，自適應(yīng)濾波器采用橫向型結(jié)構(gòu)，濾波器的輸出y(n)表示為：
N- 1
y(n)= ∑ Wi (n- i)
i =0
N為濾波器的階數(shù)。
軟件設(shè)計
一個自適應(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?；贒SP實(shí)現(xiàn)的自適應(yīng)濾波器系統(tǒng)，其DSP芯片的數(shù)據(jù)吞吐量和數(shù)據(jù)處理速度也相當(dāng)重要。本數(shù)字抗噪聲處理器采用了120階自適應(yīng)數(shù)字濾波器，選用了運(yùn)算速度為40MIPS的DSP芯片作為主處理器，由于該DSP芯片內(nèi)包含A/ D和D/ A及16KB的f l a s h存儲器，這些片內(nèi)資源使自適應(yīng)濾波器的實(shí)現(xiàn)更有效。
根據(jù)噪聲的自相關(guān)特性和功率密度性，軟件上除采用了傳統(tǒng)對稱橫向結(jié)構(gòu)的FIR濾波器中的LMS算法外，還對噪聲和信號的功率譜密度進(jìn)行估計，即對采樣編碼的16個值進(jìn)行平方累加，求出其平均功率值，與前一樣點(diǎn)功率值進(jìn)行比較，比較后的差值與設(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)變小，信號輸出幅度變大，若結(jié)果小于等于1，則濾波器的權(quán)系數(shù)變大，信號輸出幅度變小。
定制專用抗噪聲DSP芯片
調(diào)試工作完成后，交給專門制作DSP芯片的公司作成一片具有抗噪聲功能的DSP專用芯片。經(jīng)過實(shí)測，整機(jī)的耗電不大于70mA，DSP芯片的引出腳縮減到64引腳，大大減小了印刷電路板的面積。由于軟件代碼一次性掩膜在芯片內(nèi)，免去了每次都寫入代碼的麻煩，減少了調(diào)試的工作量。一般情況下，模塊只要調(diào)試3個點(diǎn)就可完成，大大降低了調(diào)試成本，有利于批量生產(chǎn)。

結(jié)語
數(shù)字抗噪聲模塊使用DSP芯片，利用自適應(yīng)技術(shù)，既提高了通信產(chǎn)品的抗噪性能，又降低了生產(chǎn)成本。該模塊已成功應(yīng)用于我國機(jī)載通信設(shè)備。■

參考文獻(xiàn)
1 何振亞.數(shù)字信號處理技術(shù).東南大學(xué)出版社.
2 “TMS320C54X DSP Reference Set Volume 1:“CPU and Peripherals”,Texas Instruments ,1997