語音處理系統(tǒng)中的周期性沖激噪聲及其消除

通過對帶微處理器的語音處理系統(tǒng)的噪聲分析,指出微處理器工作所引發(fā)的周期性沖激電流,通過電源對系統(tǒng)造成的周期性沖激噪聲是語音處理系統(tǒng)中噪聲的一個重要來源。介紹了克服周期性沖激噪聲在不同層次上的幾種方法。

??? 關鍵詞：周期性沖激噪聲 微處理器 語音處理系統(tǒng) 降噪系統(tǒng)

??? 隨著語音信號數(shù)字處理技術的發(fā)展,人們逐漸大量地以微處理器（如ＤＳＰ芯片、單片機）為核心構(gòu)造語音處理系統(tǒng);同時,由之引發(fā)的語音處理系統(tǒng)的噪聲問題越來越突出,成為人們關注的一個重要課題。系統(tǒng)背景噪聲不但嚴重影響人們對語音系統(tǒng)的接受,對語音處理往往也會造成損傷,直接給語音系統(tǒng)的語音質(zhì)量帶來不良后果。

??? 人們對噪聲已經(jīng)作了深入研究[１]。一般應用較為廣泛的抗噪措施包括：互補式動態(tài)壓括降噪、非互補式動態(tài)壓括降噪、濾波降噪、電源處理降噪、軟件處理降噪等。對語音處理系統(tǒng)而言,不是所有的降噪系統(tǒng)在所有情況下效果都良好,例如,有些全聲頻段的降噪系統(tǒng)（杜比Ｃ就是其中的一種）,反而對低頻段的噪聲消除很不得力。因此,我們應針對語音處理系統(tǒng)的具體情況,有的放矢地進行噪聲分析以找出消除方法。

??? 系統(tǒng)噪聲消除,首要問題在于找出存在的或隱含潛在的主要噪聲源,然后設法消除該噪聲源,這是治本的方法。對于噪聲來源不很明確或不好解決的情況,則應分析噪聲特性,采用相應措施降低噪聲,提高系統(tǒng)最終信噪比,這是治標的方法。


??? 目前的語音處理系統(tǒng)一般應用微處理器處理語音數(shù)據(jù),其基本構(gòu)造如圖１所示。系統(tǒng)包含兩個模塊：模擬模塊和數(shù)字模塊。這種結(jié)構(gòu)使帶微處理器的語音系統(tǒng)的噪聲問題具有一定的特殊性。事實上,數(shù)字模塊工作所引發(fā)的周期性沖激噪聲,是語音系統(tǒng)噪聲的一個重要來源。

??? 克服這種周期性沖激噪聲可以在不同層次上采取措施。該噪聲是以電源通道為傳播途徑的,對電源的處理應放在首要位置,這就是前面所說的“治本”;而“治標”也不能忽視,因為電源一般并不可能處理得盡善盡美。為減小已經(jīng)混入了待處理語音數(shù)據(jù)中的沖激噪聲的影響,可以采用數(shù)字中值濾波或ＬＯＲ濾波。在信號最終的輸出端,采用模擬的窄帶濾波降噪以及動態(tài)降噪,可以收到很好的效果。

??? 下面通過對一種具體語音處理系統(tǒng)樣機的實驗和理論分析,討論這一具有普遍意義的問題。

１ 帶微處理器語音系統(tǒng)的沖激噪聲

??? 帶微處理器的語音系統(tǒng)的噪聲源中,周期性沖激噪聲是具有共性的一項。沖激噪聲來自兩方面,其一為ＴＴＬ邏輯電路引發(fā)的小浪涌沖激電流,其二為微處理器數(shù)據(jù)傳輸?shù)拇罄擞繘_激電流。

１．１ ＴＴＬ邏輯電路引發(fā)的小浪涌噪聲分析

??? 一般的數(shù)字系統(tǒng),主要由ＴＴＬ邏輯電路構(gòu)成。在ＴＴＬ電路中,局部電流狀態(tài)取決于器件的邏輯狀態(tài)、外接負載電阻電容以及輸出瞬時導通等因素。圖２給出了ＴＴＬ電路輸出結(jié)構(gòu)和瞬態(tài)電流產(chǎn)生示意圖,其中,Ｖｃｃ為電路電壓,Ｖｏ為輸出電壓,Ｉｃｃ為電源供給該局部電路的電流,Ｉ為該局部電路輸出（輸入）電流。注意到,輸出電壓從低電平到高電平轉(zhuǎn)換時將產(chǎn)生較大的瞬態(tài)電流值,圖２ａ就是這種情況;特別地,高速ＴＴＬ電路的浪涌電流因其持續(xù)時間較短而具有更大值。大多數(shù)情況下,負載電容充放電引起的浪涌電流比其他因素產(chǎn)生的浪涌電流對電源的影響大得多。因此,對設計者而言,主要應控制負載電容,在電路布線時應盡量減少不必要的散雜電容。

??? 當然,由于大量ＴＴＬ微電路一般并不可能恰好協(xié)調(diào)一致,從而導致局部浪涌電流匯聚為大的沖激電流,所以ＴＴＬ邏輯電路引發(fā)的散布的小浪涌沖激電流的影響并不很大,可以通過加濾波電容的方法濾除（下面將具體描述）。但是,這可以作為其他沖激電流的基礎原理模型。

１．２ 微處理器數(shù)據(jù)傳輸引發(fā)的周期性沖激噪聲

??? 帶微處理器的語音系統(tǒng)一般都涉及數(shù)據(jù)傳輸,數(shù)據(jù)傳輸可能引發(fā)強大的沖激電流,并由數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹芷谛远憩F(xiàn)為周期性沖激電流,如果處理不當,可能形成周期性沖激噪聲。下面以一種具體語音處理系統(tǒng)性能樣機的實驗分析為例討論。

??? 該語音處理系統(tǒng)采用現(xiàn)代ＤＳＰ芯片為微處理器,配備了ＳＲＡＭ為外置存儲器,系統(tǒng)帶Ａ／Ｄ采集器,語音信號經(jīng)Ａ／Ｄ之前先經(jīng)過預放大。系統(tǒng)的語音采樣頻率為標準的８ｋＨｚ,采取兩種工作模式,一種是以語音信號單樣點為單位的樣點處理模式,另一種是以１２８個語音信號樣點（１６ｍｓ語音）為一幀來傳輸處理語音的幀處理模式。

??? 測量該語音系統(tǒng)的背景噪聲分布,如圖３所示。噪聲由兩部分組成,其一為常規(guī)的白噪聲,其二為明顯的周期性沖激噪聲。圖中,ＶＩＦ為周期性沖激噪聲的峰峰值,ＶＧＦ為背景高斯白噪聲的峰峰值,Ｔ為周期性沖激噪聲的周期。測量不同工作模式及系統(tǒng)不同位置處的噪聲峰峰值,如表１、表２所示。

??? 表中,“＋５Ｖ”表示所測量位置在各芯片的電壓引腳處,“Ａ／Ｄ模擬輸入”表示所測量位置在模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片的模擬信號輸入腳。

??? 更加值得注意的是,系統(tǒng)不同處理模式下的周期性沖激噪聲的周期為：

??? 樣點處理模式下,Ｔ＝０．１２５ｍｓ （１）

??? 幀處理模式下, Ｔ＝１６ｍｓ??????? （２）

??? 從以上實際測量的背景噪聲的波形及其數(shù)據(jù)中可知,本語音處理系統(tǒng)性能樣機中沖激噪聲起主要影響,且與系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸關系極其密切。首先,系統(tǒng)工作在樣點處理模式下時,微處理器的數(shù)據(jù)傳輸以語音信號單樣點為單位,因而沖激噪聲的周期為１／８０００ｓ＝０．１２５ｍｓ;工作在幀處理模式下時,數(shù)據(jù)傳輸以幀為單位,一幀含語音樣點１２８個,因而沖激噪聲的周期為１／８０００×１２８ｓ＝１６ｍｓ。實際測量值就是所分析的數(shù)值。其次,觀察不同處理模式下ＶＩＦ和ＶＧＦ的大小,可以發(fā)現(xiàn),ＳＲＡＭ芯片處的背景噪聲（特別是沖激噪聲）的峰峰值最大?？梢哉J為,污染系統(tǒng)電源的沖激噪聲主要由數(shù)據(jù)出入頻繁的ＳＲＡＭ區(qū)傳出。第三,系統(tǒng)幀處理模式下的噪聲一般比樣點處理模式下的相應位置處的噪聲小。其原因在分析ＴＴＬ邏輯電路引發(fā)的小浪涌噪聲中已經(jīng)提及,即高速處理引發(fā)的浪涌電流因其持續(xù)時間較短而具有更大值。

所以,微處理器數(shù)據(jù)傳輸所引發(fā)的周期性沖激噪聲,是帶微處理器的語音系統(tǒng)不可忽視的重要噪聲來源。

２ 周期性沖激噪聲的處理

??? 從根本上,周期性沖激噪聲是數(shù)字模塊工作時,所需功率的峰值,通過電源對模擬模塊產(chǎn)生了污染。因此,處理系統(tǒng)電源是解決問題的核心。另外,為減小沖激噪聲對語音數(shù)據(jù)的不利影響,軟件在處理含沖激噪聲的數(shù)據(jù)時,可先行采取數(shù)字濾波措施。在語音系統(tǒng)最終輸出語音時,還可以加上業(yè)已相當成熟的模擬濾波降噪和動態(tài)降噪手段。

２．１ 系統(tǒng)電源處理

??? 徹底解決周期性沖激噪聲的方法是采用獨立功能塊供電,將語音處理系統(tǒng)的數(shù)字模塊和模擬模塊分開供電,如圖４所示,以切斷數(shù)字模塊通過電源對模擬模塊的影響。

??? 模擬模塊的預放大、后級放大和功放部分一定要采用模擬模塊直流電源供電。然后,用光電耦合器將數(shù)字模塊和模擬模塊的電聯(lián)系切斷,以有效防止干擾從數(shù)據(jù)通道進出以微處理器為中心的數(shù)字模塊,如圖５所示。

表1 樣點處理模式下系統(tǒng)背景噪聲的峰峰值

?? 光電耦合[３]的主要優(yōu)點是能有效地抑制尖峰噪聲干擾,從而使數(shù)據(jù)通道上的信噪比（噪聲為沖激噪聲）大大提高。光電耦合器的輸入阻抗很小,一般在１００Ω至１ｋΩ之間,而干擾源內(nèi)阻很大,通常為１０５～１０８Ω,因而,能進入光電耦合器輸入端的噪聲很小。而且,沖激噪聲雖有較大的電壓幅度,但能量小,僅能形成微弱電流,而光電耦合器輸入部分的發(fā)光二極管是在電流狀態(tài)下工作,即使電壓幅值的干擾很高,由于不能提供足夠的電流,沖激噪聲可被抑制。同時,光電耦合器作為系統(tǒng)模擬模塊和數(shù)字模塊之間的隔離器件,其輸入是數(shù)字的比特流,并不影響系統(tǒng)原來的數(shù)據(jù)傳輸。

表2 幀處理模式下系統(tǒng)背景噪聲的峰峰值

??? 為提高數(shù)據(jù)傳輸速率的上限并確保信號的準確性,可以采用高速光電耦合器[４],其數(shù)據(jù)傳輸速率可達１Ｍｂ／ｓ,而超高速光電耦合器可以提供大于１０Ｍｂ／ｓ的數(shù)據(jù)傳輸速率。作為語音系統(tǒng)模擬模塊和數(shù)字模塊之間的橋梁,一般足夠了。

??? 同時,數(shù)字模塊自身應盡可能抑制ＴＴＬ浪涌電流和傳輸數(shù)據(jù)引發(fā)的沖激噪聲。設計系統(tǒng)時,可以在器件的電源和地線間加入平滑電容。

??? 為了濾除ＴＴＬ電路工作引入的分布浪涌電流,可把數(shù)字模塊電源總線設計為一種帶分段電容濾波的饋電線,以提供各器件一條浪涌電流的低阻抗通路。為了有效地濾波和去耦,所接電容的容量必須能在瞬態(tài)電流的重復周期內(nèi)保證“展平”浪涌電流。通常使用圖６所示的配電和去耦的連接方法,即用低頻濾波電容Ｃ１和高頻濾波電容Ｃ２并聯(lián)。低頻大容量電容Ｃ１可取為１～１０μＦ。對高頻電容Ｃ２,在下述合理假設下[２]：

??? ·浪涌電流強度ΔＩｃｃ＝５０ｍＡ（３）

??? ·電源電壓允許脈動幅度ΔＶ≤０．１Ｖ（４）

??? ·浪涌電流持續(xù)時間Δｔ＝２０ｎｓ（５）

有：



即一般標識的１０３電容。

??? 對微處理器數(shù)據(jù)傳輸產(chǎn)生的沖激電流,采用的濾波電容容量應該大些。根據(jù)表１和表２的數(shù)據(jù),取電壓脈動幅度ΔＶ′＝２００ｍＶ,實測沖激噪聲持續(xù)時間Δｔ′＝２０μｓ,沖激電流強度仍取ΔＩ′ｃｃ＝５０ｍＡ,這時,



??? 取５μＦ左右的電容（如４．７μＦ）接在數(shù)據(jù)ＲＡＭ芯片的電源線附近,對平滑沖激電流,有一定效果。

??? 由此,得到系統(tǒng)布線設計時加入去耦電容的常規(guī)做法[３]：

??? ａ．電源輸入端跨接１０～１００μＦ的電解電容器;

??? ｂ．原則上每個集成電路芯片,在電源和地線之間,都應安置一個０．０１μＦ的陶瓷電容器;

??? ｃ．每４～１０個芯片,安置一個１～１０μＦ的鉭電容;

??? ｄ．對ＲＡＭ芯片、ＥＰＲＡＭ芯片等周期性讀取數(shù)據(jù)的器件,適當加大濾波電容。

２．２ 軟件處理沖激噪聲

??? 軟件處理周期性沖激噪聲,可以避免在數(shù)據(jù)處理中因為沖激噪聲污染數(shù)據(jù)而導致系統(tǒng)處理性能下降。常用的算法有中值濾波、ＬＯＲ濾波[５]等。根據(jù)沖激噪聲具有的周期性,我們也可以在測知其周期的情況下用陷波器濾除。陷波器實現(xiàn)復雜,我們介紹簡單高效的中值濾波和ＬＯＲ濾波,它們都是非線性濾波算法,可有效抵抗沖激噪聲,同時盡可能保持原來語音信號的高頻分量,如陡峭邊界和較劇烈的變化等。

??? 中值濾波[５]一般使用標準中值濾波器（ＳＭＦ）和回歸中值濾波器（ＲＭＦ）。算法如下：設｛ｘ（．）｝和｛ｙ（．）｝分別表示待濾波的輸入和已濾波后的輸出,中值濾波器使用取數(shù)窗長２Ｎ＋１,那么,ＳＭＦ的輸出為：

??? ｙ（ｋ）＝Ｍｅｄ｛ｘ（ｋ－Ｎ）,Λ,ｘ（ｋ）,Λ,ｘ（ｋ＋Ｎ）｝（８）

其中Ｍｅｄ?．?表示取中值。ＲＭＦ的輸出為：

??? ｙ（ｋ）＝Ｍｅｄ｛ｙ（ｋ－Ｎ）,Λ,ｙ（ｋ－１）,ｘ（ｋ）,Λ,ｘ（ｋ＋Ｎ）｝（９）

??? ＬＯＲ濾波［５］指“參考最后輸出濾波”。算法如下：對輸入｛ｘ?．｝,取數(shù)窗長為Ｗ,則輸出ｙ（ｋ）為取數(shù)窗口中和最后一個輸出數(shù)據(jù)ｙ（ｋ－１）最接近的樣點值,即：

??? ｙ（ｋ）＝｛ｘ（ｋ＋ｉ）││ｘ（ｋ＋ｉ）－ｙ（ｋ－１）│?│ｘ（ｋ＋ｊ）－
ｙ（ｋ－１）,ｊ≠ｉ,０≤ｊ＜Ｗ,０≤ｉ＜Ｗ｝（１０）

??? 為了在濾除沖激噪聲基礎上盡可能地保留原信號的高頻分量,濾波通常需結(jié)合判界算法,即：輸入為ｘ（ｋ）,初步濾波輸出為ｙ（ｋ）,最終輸出為ｚ（ｋ）,那么,



其中TH是設定的先驗門限值。

??? 中值濾波和ＬＯＲ濾波都只使用簡單的比較大小運算,實現(xiàn)算法不復雜。根據(jù)文獻［５］和我們在實際系統(tǒng)中的應用,ＬＯＲ濾波的處理結(jié)果更令人滿意。

２．３ 后級降噪處理

??? 后級降噪處理是應用于模擬模塊的通用降噪措施,對“治標”性質(zhì)的壓制周期性沖激噪聲,有良好的效果。

??? 如上所述,周期性沖激噪聲的周期取決于微處理器的工作狀態(tài),和外部數(shù)據(jù)存取關系密切。如我們的語音處理系統(tǒng)性能樣機,樣點處理模式下的沖激噪聲的頻率為８ｋＨｚ,屬高頻噪聲;幀處理模式下的沖激噪聲的頻率為６２．５Ｈｚ,屬低頻噪聲。這種情況是具有共性的,因為語音處理系統(tǒng)的采樣頻率一般為８ｋＨｚ（少數(shù)為１０ｋＨｚ）,而采取幀處理模式工作時,一幀數(shù)據(jù)一般為６４個樣點至２５６個樣點,因此,主要周期性沖激噪聲的頻率都在語音頻帶３００Ｈｚ～３．４ｋＨｚ之外。我們可以幸運地采用窄帶濾波技術濾除這些帶外噪聲。

??? 濾除了沖激噪聲的帶外能量之后,帶內(nèi)諧波噪聲可以采用非互補式動態(tài)降噪器件進一步抑制。動態(tài)降噪是頻率跟蹤型降噪器,根據(jù)帶內(nèi)噪聲隨帶寬成正比和掩蔽原理工作,過程為：當信號電平較高時,電路頻率響應具平直特性;而當信號電平較低時,電路頻率響應具高頻衰減特性。信號通道帶寬隨輸入信號電平而變化,信號電平越小,帶寬越窄。由于人耳具有掩蔽效應,對小音量時的高頻信號感覺較遲鈍,此時壓制高頻分量不會感覺高音不足,聽覺上沒有損失;但小音量時的噪聲一同被衰減,從而達到了降噪的目的。

??? 窄帶濾波降噪和動態(tài)降噪可如圖７相互配合。

??? 我們在上述語音處理系統(tǒng)的性能樣機上使用ＮＳ公司的單片語音ＰＣＭ濾波器ＴＰ３０４０實現(xiàn)窄帶濾波,采用應用廣泛的ＬＭ１８９４實現(xiàn)動態(tài)降噪。根據(jù)我們的實驗,ＴＰ３０４０的窄帶濾波效果很好,在幀處理模式下,ＴＰ３０４０輸入信號中所含的幀頻沖激噪聲的峰峰值為２００ｍＶ,白噪聲峰峰值為１２０ｍＶ,經(jīng)ＴＰ３０４０濾波后,輸出信號中只剩帶內(nèi)噪聲,其峰峰值為６０ｍＶ。同時,ＴＰ３０４０可以提供帶內(nèi)信號增益,我們設置為６ｄＢ,因此,經(jīng)過ＴＰ３０４０窄帶濾波,信噪比提高超過１６ｄＢ。ＬＭ１８９４一般可以提供近１０ｄＢ的降噪效果。在電源未做特殊處理條件下（即表１、表２的測試環(huán)境不變）,用ＴＰ３０４０提供的功放口驅(qū)動耳機,聽覺上能感受到的背景噪聲極低,噪聲測量值可低至－８２ｄＢ。

??? 應該指出,實際應用的降噪系統(tǒng)應該根據(jù)具體的應用環(huán)境和成本等要求構(gòu)造,沒有必要綜合使用所有的降噪措施。????