语音处理系统中的周期性冲激噪声及其消除

	微处理器+5V	SRAM+5V	预放大+5V	A/D模拟输入
VIF/mV VGF/mV	200 100	360 200	220 140	150 100

光电耦合的主要优点是能有效地抑制尖峰噪声干扰,从而使数据通道上的信噪比(噪声为冲激噪声)大大提高.光电耦合器的输入阻抗很小,一般在100Ω至1kΩ之间,而干扰源内阻很大,通常为105～108Ω,因而,能进入光电耦合器输入端的噪声很小.而且,冲激噪声虽有较大的电压幅度,但能量小,仅能形成微弱电流,而光电耦合器输入部分的发光二极管是在电流状态下工作,即使电压幅值的干扰很高,由于不能提供足够的电流,冲激噪声可被抑制.同时,光电耦合器作为系统模拟模块和数字模块之间的隔离器件,其输入是数字的比特流,并不影响系统原来的数据传输.

表2 帧处理模式下系统背景噪声的峰峰值

	微处理器+5V	SRAM+5V	预放大+5V	A/D模拟输入
VIF/mV VGF/mV	160 40	300 60	200 80	120 40

为提高数据传输速率的上限并确保信号的准确性,可以采用高速光电耦合器,其数据传输速率可达1Mb/s,而超高速光电耦合器可以提供大于10Mb/s的数据传输速率.作为语音系统模拟模块和数字模块之间的桥梁,一般足够了.



同时,数字模块自身应尽可能抑制TTL浪涌电流和传输数据引发的冲激噪声.设计系统时,可以在器件的电源和地线间加入平滑电容.

为了滤除TTL电路工作引入的分布浪涌电流,可把数字模块电源总线设计为一种带分段电容滤波的馈电线,以提供各器件一条浪涌电流的低阻抗通路.为了有效地滤波和去耦,所接电容的容量必须能在瞬态电流的重复周期内保证“展平”浪涌电流.通常使用图6所示的配电和去耦的连接方法,即用低频滤波电容C1和高频滤波电容C2并联.低频大容量电容C1可取为1～10μF.对高频电容C2,在下述合理假设下:



·浪涌电流强度ΔIcc=50mA(3)

·电源电压允许脉动幅度ΔV≤0.1V(4)

·浪涌电流持续时间Δt=20ns(5)

有:



即一般标识的103电容.



对微处理器数据传输产生的冲激电流,采用的滤波电容容量应该大些.根据表1和表2的数据,取电压脉动幅度ΔV′=200mV,实测冲激噪声持续时间Δt′=20μs,冲激电流强度仍取ΔI′cc=50mA,这时,



取5μF左右的电容(如4.7μF)接在数据RAM芯片的电源线附近,对平滑冲激电流,有一定效果.

由此,得到系统布线设计时加入去耦电容的常规做法:

a.电源输入端跨接10～100μF的电解电容器;

b.原则上每个集成电路芯片,在电源和地线之间,都应安置一个0.01μF的陶瓷电容器;

c.每4～10个芯片,安置一个1～10μF的钽电容;

d.对RAM芯片、EPRAM芯片等周期性读取数据的器件,适当加大滤波电容.

2.2 软件处理冲激噪声

软件处理周期性冲激噪声,可以避免在数据处理中因为冲激噪声污染数据而导致系统处理性能下降.常用的算法有中值滤波、LOR滤波等.根据冲激噪声具有的周期性,我们也可以在测知其周期的情况下用陷波器滤除.陷波器实现复杂,我们介绍简单高效的中值滤波和LOR滤波,它们都是非线性滤波算法,可有效抵抗冲激噪声,同时尽可能保持原来语音信号的高频分量,如陡峭边界和较剧烈的变化等.

中值滤波一般使用标准中值滤波器(SMF)和回归中值滤波器(RMF).算法如下:设{x(.)}和{y(.)}分别表示待滤波的输入和已滤波后的输出,中值滤波器使用取数窗长2N+1,那么,SMF的输出为:

y(k)=Med{x(k-N),Λ,x(k),Λ,x(k+N)}(8)

其中Med?.?表示取中值.RMF的输出为:

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

LOR滤波指“参考最后输出滤波”.算法如下:对输入{x?.},取数窗长为W,则输出y(k)为取数窗口中和最后一个输出数据y(k-1)最接近的样点值,即:

y(k)={x(k+i)││x(k+i)-y(k-1)│?│x(k+j)-

y(k-1),j≠i,0≤j

为了在滤除冲激噪声基础上尽可能地保留原信号的高频分量,滤波通常需结合判界算法,即:输入为x(k),初步滤波输出为y(k),最终输出为z(k),那么,



其中TH是设定的先验门限值.

中值滤波和LOR滤波都只使用简单的比较大小运算,实现算法不复杂.根据文献和我们在实际系统中的应用,LOR滤波的处理结果更令人满意.

2.3 后级降噪处理

后级降噪处理是应用于模拟模块的通用降噪措施,对“治标”性质的压制周期性冲激噪声,有良好的效果.

如上所述,周期性冲激噪声的周期取决于微处理器的工作状态,和外部数据存取关系密切.如我们的语音处理系统性能样机,样点处理模式下的冲激噪声的频率为8kHz,属高频噪声;帧处理模式下的冲激噪声的频率为62.5Hz,属低频噪声.这种情况是具有共性的,因为语音处理系统的采样频率一般为8kHz(少数为10kHz),而采取帧处理模式工作时,一帧数据一般为64个样点至256个样点,因此,主要周期性冲激噪声的频率都在语音频带300Hz～3.4kHz之外.我们可以幸运地采用窄带滤波技术滤除这些带外噪声.

滤除了冲激噪声的带外能量之后,带内谐波噪声可以采用非互补式动态降噪器件进一步抑制.动态降噪是频率跟踪型降噪器,根据带内噪声随带宽成正比和掩蔽原理工作,过程为:当信号电平较高时,电路频率响应具平直特性;而当信号电平较低时,电路频率响应具高频衰减特性.信号通道带宽随输入信号电平而变化,信号电平越小,带宽越窄.由于人耳具有掩蔽效应,对小音量时的高频信号感觉较迟钝,此时压制高频分量不会感觉高音不足,听觉上没有损失;但小音量时的噪声一同被衰减,从而达到了降噪的目的.

窄带滤波降噪和动态降噪可如图7相互配合.



我们在上述语音处理系统的性能样机上使用NS公司的单片语音PCM滤波器TP3040实现窄带滤波,采用应用广泛的LM1894实现动态降噪.根据我们的实验,TP3040的窄带滤波效果很好,在帧处理模式下,TP3040输入信号中所含的帧频冲激噪声的峰峰值为200mV,白噪声峰峰值为120mV,经TP3040滤波后,输出信号中只剩带内噪声,其峰峰值为60mV.同时,TP3040可以提供带内信号增益,我们设置为6dB,因此,经过TP3040窄带滤波,信噪比提高超过16dB.LM1894一般可以提供近10dB的降噪效果.在电源未做特殊处理条件下(即表1、表2的测试环境不变),用TP3040提供的功放口驱动耳机,听觉上能感受到的背景噪声极低,噪声测量值可低至-82dB.

应该指出,实际应用的降噪系统应该根据具体的应用环境和成本等要求构造,没有必要综合使用所有的降噪措施.