采用MEMS麥克風(fēng)實(shí)現復雜環(huán)境下對特定語(yǔ)音的提取與放大

本文采用ADMP421組合麥克風(fēng)傳感器采集環(huán)境中的語(yǔ)音信號，并使用FPGA構建SOPC，進(jìn)行聲音信號的頻率，相位匹配，并可根據用戶(hù)自定義的方式實(shí)現用戶(hù)特征音頻和噪聲的分離，在語(yǔ)音識別的需求逐漸增長(cháng)的背景下，本系統具有極大的市場(chǎng)前景。

1.引 言

人們一直夢(mèng)想有朝一日可以擺脫鍵盤(pán)或遙控設備的束縛，擁有更為友好、親切的人機界面，使得計算機或家用電器可以像人一樣聽(tīng)懂人的話(huà)語(yǔ)，看懂人的動(dòng)作，執行人們所希望的任何任務(wù)，而語(yǔ)音數字信號處理正是其中一項至關(guān)重要的應用技術(shù)。隨著(zhù)科技的發(fā)展，品種繁多的消費電子產(chǎn)品進(jìn)入了人們的生活，利用語(yǔ)音技術(shù)對電子產(chǎn)品的控制也將是未來(lái)的消費電子的一大趨勢。然而在語(yǔ)音通信的過(guò)程中，不可避免地會(huì )受到來(lái)自周?chē)h(huán)境中噪聲的干擾，甚至在某些極端場(chǎng)合下（如工地或公交車(chē)站），噪聲幾乎會(huì )覆蓋掉全部的有用信息。這使得識別的效率急劇下降，嚴重時(shí)會(huì )直接導致誤操作，所以在噪聲背景下的語(yǔ)音提取及增強有重要意義^[1]。

語(yǔ)音增強作為預處理，可以改善這些系統的性能，例如語(yǔ)音識別正在步入實(shí)用階段，但目前的識別系統大都是在安靜環(huán)境中工作的，在噪聲環(huán)境中尤其是強噪聲環(huán)境，語(yǔ)音識別系統的識別率將受到嚴重影響，這就需要語(yǔ)音增強技術(shù)進(jìn)行預處理。所謂語(yǔ)音增強就是對帶噪語(yǔ)音進(jìn)行處理，改善語(yǔ)音質(zhì)量，減少語(yǔ)音通信過(guò)程中噪聲對語(yǔ)音的損害，對收聽(tīng)人而言主要是減少疲勞，改善語(yǔ)音質(zhì)量，提高語(yǔ)音可懂度，而對語(yǔ)音處理系統而言則主要是提高系統的識別率和抗干擾能力。

目前國內外有關(guān)抗噪聲技術(shù)的研究成果大體可分為三類(lèi)。一類(lèi)是采用語(yǔ)音增強算法，提高語(yǔ)音識別系統前端預處理的抗噪聲能力，提高輸入信號的信噪比。第二類(lèi)方法是尋找穩健的耐噪聲的語(yǔ)音特征參數并提出了短時(shí)修正的相干系數，作為語(yǔ)音特征參數，該參數是基于自相關(guān)函數序列的線(xiàn)性預測技術(shù)，實(shí)驗證明，該參數對寬帶語(yǔ)音具有較好效果。但是，目前的補償算法通常只考慮到噪聲環(huán)境是平穩的，在低信噪比語(yǔ)音以及非平穩噪聲環(huán)境中的效果并不理想。而解決噪聲問(wèn)題的根本方法是實(shí)現噪聲和語(yǔ)音的自動(dòng)分離，盡管人們很早就有這種愿望，但由于技術(shù)的難度，這方面的研究進(jìn)展很小。近年來(lái)，隨著(zhù)聲場(chǎng)景分析技術(shù)和盲分離技術(shù)的研究發(fā)展，利用在這些領(lǐng)域的研究成果進(jìn)行語(yǔ)音和噪聲分離的研究取得了一些進(jìn)展^[2]。

耳機技術(shù)可以說(shuō)是手機背景噪音抑制技術(shù)的最初解決方案，語(yǔ)音壓擴技術(shù)現在廣泛的應用在通信系統中，麥克風(fēng)陣列技術(shù)有良好的抗噪性能^[3]，但是其目前的成本過(guò)高，期待著(zhù)材料技術(shù)的突破。

本文將從硬件和軟件方面綜合設計語(yǔ)音增強的系統。本系統采用SOPC快速設計數字電路方案，在外圍擴展組合麥克風(fēng)以及音頻輸出模塊，實(shí)現了整個(gè)硬件部分。通過(guò)分析現有的語(yǔ)音增強方案的缺點(diǎn)，提出了獨特的語(yǔ)音增強方案。本系統可以根據用戶(hù)的特征進(jìn)行自我定制語(yǔ)音輸出，對環(huán)境中雜亂無(wú)章的噪聲采取了更為靈活的過(guò)濾方式。

2.系統總體設計

SoC（System on Chip）片上系統是現代電子系統設計的一個(gè)發(fā)展方向，它將原先分立的多個(gè)芯片集成在一塊芯片上，通過(guò)提高芯片的集成度、減少系統芯片的數量和相互之間的PCB連線(xiàn)、減少PCB面積來(lái)降低整個(gè)系統的成本，同時(shí)使系統的性能、功能和可靠性都有很大的提高。隨著(zhù)新型的高性能、低成本FPGA的出現和綜合技術(shù)的提高，基于FPGA的SoPC(System on Programmable Chip)可編程片上系統正逐步走向市場(chǎng)?；贔PGA的SoPC與基于A(yíng)SIC技術(shù)的SoC相比，具有設計周期短、產(chǎn)品上市速度快、設計風(fēng)險和設計成本低、集成度高、靈活性大、維護和升級方便、硬件缺陷修復和排除簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。因此基于FPGA和包括32位CPU在內的各種IP核的系統級應用開(kāi)發(fā)將是下一代電子系統設計的發(fā)展方向。

順應這個(gè)潮流，FPGA器件的方要供應商Altera和Xilinx都推出了各自的SoPC解決方案：Nios系統和MicroBlaze系統。它們功能強大、開(kāi)發(fā)環(huán)境和配套IP核完善，是工程應用的首選。但是它們只能用在各自廠(chǎng)商的FPGA上，不但配套IP核價(jià)格昂貴，而且用戶(hù)無(wú)法獲得所有源代碼，不利于我國SoPC技術(shù)的發(fā)展^[4]。針對這種情況，本系統使用OpenCores組織提供的各種免費、開(kāi)源的IP核，構建了以OpenRISC1200CPU為核心，配以各類(lèi)外圍IP核的完全開(kāi)源的SoPC系統。其可以運行μClinux系統。同時(shí)本系統采用的所有IP核在源代碼不變的情況下可以使用Xilinx的開(kāi)發(fā)工具進(jìn)行綜合、布線(xiàn)，為該系統在其他FPGA平臺上的運行打下了良好的基礎。