語(yǔ)音通信中的自適應(yīng)噪聲對(duì)消系統(tǒng)原理與設(shè)計(jì)

噪聲的統(tǒng)計(jì)特性跟現(xiàn)場(chǎng)密切相關(guān)，即使同一場(chǎng)合的噪聲統(tǒng)計(jì)特性也可能會(huì)隨時(shí)間發(fā)生某種變化，這都要求消噪設(shè)備必須具有噪聲跟蹤的自適應(yīng)能力。現(xiàn)實(shí)的語(yǔ)音通信可能發(fā)生在嘈雜的噪聲環(huán)境中，例如工廠中的手機(jī)通訊會(huì)受到機(jī)器轟鳴聲的影響；火車(chē)駕駛室中的語(yǔ)音通信會(huì)受到電機(jī)運(yùn)行和鐵軌碰撞聲的干擾。

自適應(yīng)信號(hào)處理的理論經(jīng)過(guò)40多年的發(fā)展和完善，已經(jīng)在許多領(lǐng)域中得到應(yīng)用[1,2]。本文將自適應(yīng)信號(hào)處理技術(shù)應(yīng)用于語(yǔ)音通信的噪聲對(duì)消，通過(guò)仿真研究和樣機(jī)實(shí)驗(yàn)對(duì)軟硬件參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，研制了一種適用于手機(jī)麥克風(fēng)、火車(chē)駕駛室中使用的自適應(yīng)對(duì)消系統(tǒng)。

1噪聲對(duì)消原理

自適應(yīng)噪聲對(duì)消系統(tǒng)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(hào)x(n)=s(n)+ν0(n)。當(dāng)噪聲成分ν0(n)與信號(hào)s(n)不相關(guān)、與噪聲源ν1(n)相關(guān)時(shí)，自適應(yīng)濾波器AF可以根據(jù)誤差信號(hào)ej來(lái)調(diào)整自身濾波器的系數(shù)，使其輸出yj趨于原始輸入中的ν0(n)，從而使誤差信號(hào)0趨于信號(hào)s(n)。
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最小均方(LMS)算法以其算法簡(jiǎn)單、運(yùn)算量小、實(shí)現(xiàn)容易等優(yōu)點(diǎn)在眾多自適應(yīng)信號(hào)處理算法中占有舉足輕重的地位[3,4],本文的系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用遞推方法實(shí)現(xiàn)LMS算法。

自適應(yīng)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(shù)，Xj為j時(shí)刻的濾波器輸入。下一時(shí)刻(j+1)的權(quán)系數(shù)要根據(jù)當(dāng)前時(shí)刻j的誤差信號(hào)ej進(jìn)行調(diào)整，調(diào)整的遞推算法為：

其中μ為步長(zhǎng)因子，他影響系統(tǒng)的收斂性，系統(tǒng)收斂的充分條件為：

μ值要針對(duì)語(yǔ)音通信的實(shí)際折衷考慮：μ太小時(shí)，權(quán)系數(shù)收斂慢，不能適應(yīng)噪聲不平穩(wěn)的場(chǎng)合；μ太大時(shí)，對(duì)消效果差，甚至引起系統(tǒng)發(fā)散。

2 系統(tǒng)仿真

2．1聲音樣本的獲取

Matlab 7．0的信號(hào)處理工具箱提供了從計(jì)算機(jī)標(biāo)準(zhǔn)音頻設(shè)備實(shí)時(shí)讀取音頻數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(hào)，采樣率為16 kHz，其時(shí)域波形如圖3所示。
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2．2 步長(zhǎng)因子優(yōu)化

用250 Hz的正弦波模擬現(xiàn)場(chǎng)噪聲，考慮到現(xiàn)場(chǎng)噪聲情況，噪聲幅度的取值應(yīng)與之相當(dāng)，這里取0．01。將聲音樣本和噪聲疊加作為系統(tǒng)的原始輸入，如圖4所示。
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取μ=0．5，采用128階的自適應(yīng)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(duì)消系統(tǒng)的輸出與原始信號(hào)相似。
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自適應(yīng)濾波器的Wj，需要迭代多次才能達(dá)到理想值即E[ej2]E趨勢(shì)于[Eej2)min需要一個(gè)過(guò)程，鑒于步長(zhǎng)因而會(huì)顯著影響系統(tǒng)的對(duì)消效果，下面重點(diǎn)考察了μ取不同時(shí)的學(xué)習(xí)曲線，如圖所示。

由圖6可以看出：
(1)隨著μ值變大，系統(tǒng)的學(xué)習(xí)速度明顯變快；

(2)信號(hào)非平穩(wěn)時(shí)，過(guò)大的μ值容易引起系統(tǒng)失調(diào)，0．1處的均方誤差明顯變大。因而μ的取值應(yīng)當(dāng)折衷考率:一方面當(dāng)噪聲非平穩(wěn)時(shí)，系統(tǒng)的學(xué)習(xí)時(shí)間應(yīng)小于一個(gè)音的平穩(wěn)時(shí)間(約0．1 s)；另一方面，盡量減小系統(tǒng)失調(diào)。細(xì)對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)：μ=0．25時(shí)的學(xué)習(xí)時(shí)間已經(jīng)小于一個(gè)節(jié)的平穩(wěn)時(shí)間，這比μ=0．1時(shí)已經(jīng)大大改善，所以將長(zhǎng)因子取為0．25就可以滿(mǎn)足系統(tǒng)需要。
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3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

3．1 電路設(shè)計(jì)

自適應(yīng)對(duì)消系統(tǒng)的信號(hào)處理器采用TI公司的定點(diǎn)DSP-TMS320VC5509，其內(nèi)核時(shí)鐘可以穩(wěn)定工作在200 MHz，完成兩次乘累加(MAC)運(yùn)算僅需要一個(gè)指令周期(5 ns)。

系統(tǒng)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(hào)調(diào)理與模數(shù)轉(zhuǎn)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(hào)采用交流耦合輸入，放大電路的增益為50，以適應(yīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換器的動(dòng)態(tài)范圍。AD733ll采集數(shù)據(jù)會(huì)周期性地觸發(fā)接收中斷，通知DSP接收數(shù)據(jù)并做相應(yīng)處理。
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3．2軟件設(shè)計(jì)

自適應(yīng)濾波對(duì)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求很高，因而將權(quán)系數(shù)遞推、濾波、噪聲對(duì)消放在采樣中斷服務(wù)程序中完成。軟件設(shè)計(jì)采用了DSP專(zhuān)門(mén)用于自適應(yīng)濾波的指令LMS，該指令可以在1個(gè)指令周期內(nèi)完成2個(gè)并行操作：乘累加(MAC)和權(quán)系數(shù)遞推。該指令大大提高了代碼效率，增強(qiáng)了自適應(yīng)信號(hào)處理的實(shí)時(shí)性。

TI-DSP開(kāi)發(fā)環(huán)境CCS5000提供了相應(yīng)的DSP庫(kù)Dsplib的支持，庫(kù)中包含自適應(yīng)濾波在內(nèi)的常規(guī)數(shù)字信號(hào)處理函數(shù)，其中絕大部分為匯編代碼，代碼效率高。庫(kù)函數(shù)提供C語(yǔ)言函數(shù)原型聲明，允許C程序直接訪問(wèn)，降低了數(shù)字信號(hào)處理編程的難度。

自適應(yīng)濾波的庫(kù)函數(shù)對(duì)緩沖區(qū)首地址的對(duì)齊要求嚴(yán)格，軟件用偽語(yǔ)句"#pragma DATA SECTION()"對(duì)cmd文件的存儲(chǔ)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(yùn)算資源。

4結(jié) 語(yǔ)

經(jīng)過(guò)反復(fù)實(shí)驗(yàn)，樣機(jī)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(yīng)小于20 cm，說(shuō)話人(信號(hào))距離原始輸入端應(yīng)小于5 cm，否則系統(tǒng)輸出會(huì)出現(xiàn)大量未抵銷(xiāo)的不相關(guān)的噪聲分量。

實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，增加原始輸入端的延遲有利于改善噪聲的對(duì)消效果。經(jīng)分析，這與自適應(yīng)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(hào)(不同步)，自適應(yīng)濾波器實(shí)際上是一個(gè)預(yù)測(cè)器，預(yù)測(cè)的難度比濾波要高些且不容易實(shí)現(xiàn)。比較簡(jiǎn)單的解決方法是對(duì)原始輸入端增加軟件延遲，從而提高了對(duì)消系統(tǒng)對(duì)噪聲源位置的適應(yīng)能力。