語(yǔ)音通信中的自適應噪聲對消系統設計

1噪聲對消原理

自適應噪聲對消系統的原理如圖1所示。他有兩個(gè)輸入：原始輸入和參考輸入，參考輸入為噪聲源ν1(n)，原始輸入為受噪聲污染的信號x(n)=s(n)+ν0(n)。當噪聲成分ν0(n)與信號s(n)不相關(guān)、與噪聲源ν1(n)相關(guān)時(shí)，自適應濾波器AF可以根據誤差信號ej來(lái)調整自身濾波器的系數，使其輸出yj趨于原始輸入中的ν0(n)，從而使誤差信號0趨于信號s(n)。

最小均方(LMS)算法以其算法簡(jiǎn)單、運算量小、實(shí)現容易等優(yōu)點(diǎn)在眾多自適應信號處理算法中占有舉足輕重的地位[3,4],本文的系統設計采用遞推方法實(shí)現LMS算法。

自適應濾波器AF在j時(shí)刻的輸出表示為：

這里的Wj為j時(shí)刻的濾波器系數，Xj為j時(shí)刻的濾波器輸入。下一時(shí)刻(j+1)的權系數要根據當前時(shí)刻j的誤差信號ej進(jìn)行調整，調整的遞推算法為：



其中μ為步長(cháng)因子，他影響系統的收斂性，系統收斂的充分條件為：



μ值要針對語(yǔ)音通信的實(shí)際折衷考慮：μ太小時(shí)，權系數收斂慢，不能適應噪聲不平穩的場(chǎng)合；μ太大時(shí)，對消效果差，甚至引起系統發(fā)散。

2 系統仿真

2．1聲音樣本的獲取

Matlab 7．0的信號處理工具箱提供了從計算機標準音頻設備實(shí)時(shí)讀取音頻數據的Simulink模塊--From Wave Device，如圖2所示。

圖2中的Signal To workspace將采集的音頻數據保存到Matlab的工作空間。作為示例，本文采集了約0．3 s的人聲作為原始信號，采樣率為16 kHz，其時(shí)域波形如圖3所示。

2．2 步長(cháng)因子優(yōu)化

用250 Hz的正弦波模擬現場(chǎng)噪聲，考慮到現場(chǎng)噪聲情況，噪聲幅度的取值應與之相當，這里取0．01。將聲音樣本和噪聲疊加作為系統的原始輸入，如圖4所示。

取μ=0．5，采用128階的自適應濾波器進(jìn)行語(yǔ)音消噪，由圖5可以看出經(jīng)過(guò)0．03 s對消系統的輸出與原始信號相似。

自適應濾波器的Wj，需要迭代多次才能達到理想值即E[ej2]E趨勢于[Eej2)min需要一個(gè)過(guò)程，鑒于步長(cháng)因而會(huì )顯著(zhù)影響系統的對消效果，下面重點(diǎn)考察了μ取不同時(shí)的學(xué)習曲線(xiàn)，如圖所示。

由圖6可以看出：
(1)隨著(zhù)μ值變大，系統的學(xué)習速度明顯變快；

(2)信號非平穩時(shí)，過(guò)大的μ值容易引起系統失調，0．1處的均方誤差明顯變大。因而μ的取值應當折衷考率:一方面當噪聲非平穩時(shí)，系統的學(xué)習時(shí)間應小于一個(gè)音的平穩時(shí)間(約0．1 s)；另一方面，盡量減小系統失調。細對比可以發(fā)現：μ=0．25時(shí)的學(xué)習時(shí)間已經(jīng)小于一個(gè)節的平穩時(shí)間，這比μ=0．1時(shí)已經(jīng)大大改善，所以將長(cháng)因子取為0．25就可以滿(mǎn)足系統需要。

3 系統實(shí)現

3．1 電路設計

自適應對消系統的信號處理器采用TI公司的定點(diǎn)DSP-TMS320VC5509，其內核時(shí)鐘可以穩定工作在200 MHz，完成兩次乘累加(MAC)運算僅需要一個(gè)指令周期(5 ns)。

系統有兩個(gè)麥克風(fēng)通道，其中一個(gè)用于采集原輸入，另一個(gè)用于采集參考輸入。兩通道的電路形式完全一致，信號調理與模數轉換電路如圖7所示。其中16 b Codec AD73311通過(guò)同步串行接口與DSP相連。AD73311的參考輸出經(jīng)過(guò)AD8058的Buffer 作為麥克風(fēng)的直流偏置；駐極體麥克風(fēng)信號采用交流耦合輸入，放大電路的增益為50，以適應模數轉換器的動(dòng)態(tài)范圍。AD733ll采集數據會(huì )周期性地觸發(fā)接收中斷，通知DSP接收數據并做相應處理。

3．2軟件設計

自適應濾波對系統的實(shí)時(shí)性要求很高，因而將權系數遞推、濾波、噪聲對消放在采樣中斷服務(wù)程序中完成。軟件設計采用了DSP專(zhuān)門(mén)用于自適應濾波的指令LMS，該指令可以在1個(gè)指令周期內完成2個(gè)并行操作：乘累加(MAC)和權系數遞推。該指令大大提高了代碼效率，增強了自適應信號處理的實(shí)時(shí)性。

TI-DSP開(kāi)發(fā)環(huán)境CCS5000提供了相應的DSP庫Dsplib的支持，庫中包含自適應濾波在內的常規數字信號處理函數，其中絕大部分為匯編代碼，代碼效率高。庫函數提供C語(yǔ)言函數原型聲明，允許C程序直接訪(fǎng)問(wèn)，降低了數字信號處理編程的難度。

自適應濾波的庫函數對緩沖區首地址的對齊要求嚴格，軟件用偽語(yǔ)句"#pragma DATA SECTION()"對cmd文件的存儲器分配進(jìn)行了特定的約束，從而更加合理地利用DSP芯片的運算資源。

4結 語(yǔ)

經(jīng)過(guò)反復實(shí)驗，樣機已經(jīng)能在特定的安裝條件下解決語(yǔ)音通信中的去噪問(wèn)題。

為保證兩通道的噪聲成分具有足夠的相關(guān)性，麥克風(fēng)的安裝間距應小于20 cm，說(shuō)話(huà)人(信號)距離原始輸入端應小于5 cm，否則系統輸出會(huì )出現大量未抵銷(xiāo)的不相關(guān)的噪聲分量。

實(shí)驗中發(fā)現，增加原始輸入端的延遲有利于改善噪聲的對消效果。經(jīng)分析，這與自適應濾波器的工作狀態(tài)有關(guān)，若參考輸入端的噪聲超前于原始輸入信號(不同步)，自適應濾波器實(shí)際上是一個(gè)預測器，預測的難度比濾波要高些且不容易實(shí)現。比較簡(jiǎn)單的解決方法是對原始輸入端增加軟件延遲，從而提高了對消系統對噪聲源位置的適應能力。