基于A(yíng)RM的低功耗語(yǔ)音去噪系統設計

近年來(lái)，電子技術(shù)的發(fā)展促進(jìn)了多媒體設備的繁榮，同時(shí)隨著(zhù)人們對便攜式設備和可移動(dòng)終端的廣泛需求，使得低功耗成為了這類(lèi)電 子設備最大的技術(shù)難題之一。低功耗意味著(zhù)在同一時(shí)間段內在相同條件下移動(dòng)終端消耗的能量更少，使得此類(lèi)設備有更長(cháng)的續航工作時(shí)間。低功耗設計降低了系統功 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備的開(kāi)發(fā)與應用。本文設計了一種基于ARM的低功耗語(yǔ)音去噪系統，為應用于便攜式移動(dòng)的語(yǔ)音去噪設備提供了一種很好的設計思路和方法。

1 算法設計

譜減法的原理就是在頻域將噪聲的頻譜分量從帶噪語(yǔ)音信號的頻譜中減去。其設計思想是在假設加性噪聲與短時(shí)平穩的語(yǔ)音信號相互獨立的條件下，從帶噪語(yǔ)音信號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(yǔ)音頻譜。

如果帶噪語(yǔ)音信號為

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

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

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

由式(2)可得：

因為譜減法的前提是語(yǔ)音信號與噪聲信號是不相關(guān)的，且S(k})、N(k)服從高斯分布，均值為零，于是對式(3)求期望可得：

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

整個(gè)算法的流程如圖1所示。

2 硬件設計

2.1 主控CPU芯片選型

本系統要求低功耗，傳統的信號處理系統大多采用DSP，DSP芯片雖然數據處理能力強大，但是本身功耗太高，因此不適用于低功耗設計的要求，加之DSP內部外設種類(lèi)很少，如不具有A/D和D/A等模塊，對于系統設計，增加這些功能模塊無(wú)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，內核構架為32位高性能ARM Cortex-M3 CPU，具有3級流水線(xiàn)和哈佛結構總線(xiàn)，LPC756具有256 kB片上Flash和32 kB SRAM，時(shí)鐘頻率可高達120MHz，指令執行速度最高為150 MIPS，工作在最高頻率時(shí)，所耗電流也僅為數十毫安。LPC1756具有大量豐富的外設：一個(gè)12位模數轉換器(ADC)，高達8個(gè)輸入通道;一個(gè)10 位數模轉換器(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?？傊?，該芯片具備處理速度快、功能豐富、體積小和性?xún)r(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)。因此符合本系統設計要求。

為了適應低功耗設計的要求采用LPC1756片內ADC模塊和DAC模塊。為了節約CPU處理數據的時(shí)間，在采集端和輸出端均采用DMA傳輸模式。

2.2 大電壓差電源設計

在本系統中，要求輸入電壓為26 V直流電壓，輸出電流不超過(guò)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(xiàn)性穩壓源和開(kāi)關(guān)電源。線(xiàn)性穩壓源常見(jiàn)的如LDO(低壓差輸出)模塊，LDO原理是利用三極管基極電壓來(lái)控制輸入輸出 端的電壓差來(lái)獲得輸出所需電壓的目的，而系統電流也要流經(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(轉換前)，VOUT為輸出電壓(轉換后)，I為輸出電流。假設本系統電流為50mA，因此由式(6)可得LDO自身功耗P= (26-3.3)*50 mW=1 135mW，可見(jiàn)在這種高壓差的LDO系統中，損失的功率太大使得電源轉換效率很低，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)系統癱瘓，而且會(huì )造成安全隱患。但是LDO具有輸出電壓穩定、紋波小等優(yōu)點(diǎn)，適合低壓差電源轉換。

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

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

2.3 信號調理模塊設計

輸入為語(yǔ)音信號，經(jīng)麥克風(fēng)轉換為電壓信號，但這種電壓信號很徽弱，一般為幾十毫伏，需要經(jīng)過(guò)放大才能被A/D有效采集，為了提高放大后信號的信噪比，在放大前端應對信 號進(jìn)行濾波處理，語(yǔ)音信號分布在300～3400 Hz之間，因此可對輸入信號進(jìn)行低通率波。又由于譜減算法的特性，去噪后信號的幅度較去噪前信號的幅度減小很多，所以對去噪后的語(yǔ)音信號也應當放大和濾波 處理。

本系統采用飛思卡爾半導體公司的MC34119集成運放，該芯片具有寬電壓輸入(2.0～16 V)、對語(yǔ)音信號具有自適應增益功能以及不需外部加直流偏置等特點(diǎn)。由于LPC1756內部A/D和D/A參考電壓為3.3 V，因此運放的輸入(參考)電壓也應為3.3 V，信號增益是通過(guò)反饋電阻與輸入電阻之比來(lái)確定。即：

Gain=RF/RI (7)

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