適用于機載通信設備的DSP數字抗噪聲模塊

　　摘 要： 本文介紹了一種基于專(zhuān)用DSP芯片，采用獨特的軟件抗噪聲算法的數字抗噪聲模塊，實(shí)現了在120分貝噪聲環(huán)境中話(huà)音的清晰度不小于98。此模塊已成功應用于我國機載通信設備中。

　　概述

　　國內目前第三代抗噪聲產(chǎn)品是利用動(dòng)態(tài)降噪(DNR)技術(shù)。DNR技術(shù)是通過(guò)變化的話(huà)音峰值動(dòng)態(tài)地調節輸出話(huà)音開(kāi)關(guān)，從而達到降噪的目的。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，調試和維修比較麻煩等問(wèn)題。由于存在這些問(wèn)題，致使模擬DNR降噪產(chǎn)品的大量推廣應用受到限制。隨著(zhù)數字信號處理技術(shù)的迅速發(fā)展，以數字信號處理器及其相關(guān)算法為技術(shù)支撐的數字抗噪聲技術(shù)的產(chǎn)品不斷涌現。本文提出的數字抗噪聲模塊就是應用現代數字信號處理(DSP)技術(shù)及其高速實(shí)時(shí)處理運算的特性，采用相應的軟件算法，對高噪聲環(huán)境中的話(huà)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。

　　本模塊的性能優(yōu)點(diǎn)包括：

　　a) 軟件采用自適應濾波算法，數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(huà)音平穩，無(wú)漏字和噪聲拖尾現象。

　　b) 數字抗噪聲處理器在整個(gè)話(huà)音頻帶內(300~3000Hz)降噪量均衡。

　　c) 數字抗噪聲處理器可通過(guò)改變軟件算法滿(mǎn)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、仿造，有利于保護生產(chǎn)廠(chǎng)家的利益。

　　主要指標要求及總體解決思路

　　本數字抗噪聲處理模塊作為JK-DP10數字抗噪聲處理器的一部分，主要用于機載通信終端設備等噪聲環(huán)境中的通信聯(lián)絡(luò )，其送話(huà)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持續的白噪聲信號時(shí)，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、高速數據運算和吞吐能力(40 MIPS以上)，內含A/ D、D/ A、Flash閃存(16KB)。然后建立有效的噪聲模型，設計自適應濾波結構及其相關(guān)軟件算法。接下來(lái)設計數字抗噪聲處理器的電磁兼容性(EMC)，選用能適應120dB環(huán)境噪聲的抗噪聲送話(huà)器器件。DSP硬件與相關(guān)軟件算法結合，使數字抗噪聲處理器在120dB高噪聲環(huán)境下，達到話(huà)音清晰度不小于98。

　　圖 1

　　軟硬件設計方案

　　主要工作原理

　　本處理器主要完成高噪聲環(huán)境下話(huà)音的高清晰度通信功能。話(huà)音信號和環(huán)境噪聲通過(guò)MIC輸入到前置放大級，前置放大級的作用是把話(huà)音和環(huán)境噪聲放大到專(zhuān)用DSP芯片內的A/D能識別的幅度，以便A/D能正常轉換信號，模擬信號通過(guò)A/D轉換后變成12位的數字信號進(jìn)入DSP的運算單元，DSP在前3秒鐘內完成測試周?chē)h(huán)境噪聲的大小并建立數學(xué)模型，然后按給定的算法處理話(huà)音和噪聲，把處理結果通過(guò)數據總線(xiàn)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(mǎn)足關(guān)聯(lián)設備輸入要求。

　　DSP芯片選擇

　　本文設計的JK—DP10數字抗噪聲處理器對數字信號處理器芯片的要求較高。芯片既要有很強的實(shí)時(shí)處理性能，又要有很高的運算速度和數據吞吐能力;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 Flash作程序加載。

　　軟件算法方案

　　數字抗噪聲處理器是由自適應濾波器來(lái)實(shí)現的。自適應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，以達到最優(yōu)濾波效果。

　　自適應濾波器的特性變化是由自適應算法通過(guò)調整濾波器權系數來(lái)實(shí)現。一般情況，自適應濾波器由兩部分組成，一是濾波器結構，二是調整濾波器系數的自適應算法。自適應濾波器的結構采用FIR結構。對帶內白噪聲的處理用經(jīng)典的LMS算法還不能達到最優(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算法的基礎上作適當修整才能達到最佳的降噪效果。

　　數字式抗噪聲送話(huà)器組的DSP實(shí)現結構如圖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到噪聲消除的結果，當然，估計值y(n)與原始輸入信號并不是簡(jiǎn)單的代數相減，而是有一套相應的軟件算法，如相關(guān)功率的功率譜分析等。

　　圖1中，自適應濾波器采用橫向型結構，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。

　　軟件設計

　　一個(gè)自適應濾波器實(shí)現的復雜性通常是由它所需要的乘法次數和階數來(lái)衡量?；贒SP實(shí)現的自適應濾波器系統，其DSP芯片的數據吞吐量和數據處理速度也相當重要。本數字抗噪聲處理器采用了120階自適應數字濾波器，選用了運算速度為40MIPS的DSP芯片作為主處理器，由于該DSP芯片內包含A/ D和D/ A及16KB的f l a s h存儲器，這些片內資源使自適應濾波器的實(shí)現更有效。

　　根據噪聲的自相關(guān)特性和功率密度性，軟件上除采用了傳統對稱(chēng)橫向結構的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(gè)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，比較后的差值與設定的噪聲門(mén)限值進(jìn)行相除，結果若大于1，則調整濾波器的權系數變小，信號輸出幅度變大，若結果小于等于1，則濾波器的權系數變大，信號輸出幅度變小。

　　定制專(zhuān)用抗噪聲DSP芯片

　　調試工作完成后，交給專(zhuān)門(mén)制作DSP芯片的公司作成一片具有抗噪聲功能的DSP專(zhuān)用芯片。經(jīng)過(guò)實(shí)測，整機的耗電不大于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，免去了每次都寫(xiě)入代碼的麻煩，減少了調試的工作量。一般情況下，模塊只要調試3個(gè)點(diǎn)就可完成，大大降低了調試成本，有利于批量生產(chǎn)。

　　結語(yǔ)

　　數字抗噪聲模塊使用DSP芯片，利用自適應技術(shù)，既提高了通信產(chǎn)品的抗噪性能，又降低了生產(chǎn)成本。該模塊已成功應用于我國機載通信設備。