語音處理系統(tǒng)中周期性沖激噪聲及其消除

來源：羅姆半導(dǎo)體社區(qū)

隨著語音信號數(shù)字處理技術(shù)的發(fā)展,人們逐漸大量地以微處理器(如DSP芯片、單片機)為核心構(gòu)造語音處理系統(tǒng);同時,由之引發(fā)的語音處理系統(tǒng)的噪聲問題越來越突出,成為人們關(guān)注的一個重要課題.系統(tǒng)背景噪聲不但嚴重影響人們對語音系統(tǒng)的接受,對語音處理往往也會造成損傷,直接給語音系統(tǒng)的語音質(zhì)量帶來不良后果.

一般應(yīng)用較為廣泛的抗噪措施包括:互補式動態(tài)壓括降噪、非互補式動態(tài)壓括降噪、濾波降噪、電源處理降噪、軟件處理降噪等.對語音處理系統(tǒng)而言,不是所有的降噪系統(tǒng)在所有情況下效果都良好,例如,有些全聲頻段的降噪系統(tǒng)(杜比C就是其中的一種),反而對低頻段的噪聲消除很不得力.因此,我們應(yīng)針對語音處理系統(tǒng)的具體情況,有的放矢地進行噪聲分析以找出消除方法.

系統(tǒng)噪聲消除,首要問題在于找出存在的或隱含潛在的主要噪聲源,然后設(shè)法消除該噪聲源,這是治本的方法.對于噪聲來源不很明確或不好解決的情況,則應(yīng)分析噪聲特性,采用相應(yīng)措施降低噪聲,提高系統(tǒng)最終信噪比,這是治標的方法.

目前的語音處理系統(tǒng)一般應(yīng)用微處理器處理語音數(shù)據(jù),其基本系統(tǒng)包含兩個模塊:模擬模塊和數(shù)字模塊.這種結(jié)構(gòu)使帶微處理器的語音系統(tǒng)的噪聲問題具有一定的特殊性.事實上,數(shù)字模塊工作所引發(fā)的周期性沖激噪聲,是語音系統(tǒng)噪聲的一個重要來源.

克服這種周期性沖激噪聲可以在不同層次上采取措施.該噪聲是以電源通道為傳播途徑的,對電源的處理應(yīng)放在首要位置,這就是前面所說的“治本”;而“治標”也不能忽視,因為電源一般并不可能處理得盡善盡美.為減小已經(jīng)混入了待處理語音數(shù)據(jù)中的沖激噪聲的影響,可以采用數(shù)字中值濾波或LOR濾波.在信號最終的輸出端,采用模擬的窄帶濾波降噪以及動態(tài)降噪,可以收到很好的效果.

下面通過對一種具體語音處理系統(tǒng)樣機的實驗和理論分析,討論這一具有普遍意義的問題.

帶微處理器語音系統(tǒng)的沖激噪聲

帶微處理器的語音系統(tǒng)的噪聲源中,周期性沖激噪聲是具有共性的一項.沖激噪聲來自兩方面,其一為TTL邏輯電路引發(fā)的小浪涌沖激電流,其二為微處理器數(shù)據(jù)傳輸?shù)拇罄擞繘_激電流.

1.1 TTL邏輯電路引發(fā)的小浪涌噪聲分析

一般的數(shù)字系統(tǒng),主要由TTL邏輯電路構(gòu)成.在TTL電路中,局部電流狀態(tài)取決于器件的邏輯狀態(tài)、外接負載電阻電容以及輸出瞬時導(dǎo)通等因素,輸出電壓從低電平到高電平轉(zhuǎn)換時將產(chǎn)生較大的瞬態(tài)電流值,就是這種情況;特別地,高速TTL電路的浪涌電流因其持續(xù)時間較短而具有更大值.大多數(shù)情況下,負載電容充放電引起的浪涌電流比其他因素產(chǎn)生的浪涌電流對電源的影響大得多.因此,對設(shè)計者而言,主要應(yīng)控制負載電容,在電路布線時應(yīng)盡量減少不必要的散雜電容.

語音處理系統(tǒng)中的周期性沖激噪聲及其消除

當(dāng)然,由于大量TTL微電路一般并不可能恰好協(xié)調(diào)一致,從而導(dǎo)致局部浪涌電流匯聚為大的沖激電流,所以TTL邏輯電路引發(fā)的散布的小浪涌沖激電流的影響并不很大,可以通過加濾波電容的方法濾除(下面將具體描述).但是,這可以作為其他沖激電流的基礎(chǔ)原理模型.

1.2 微處理器數(shù)據(jù)傳輸引發(fā)的周期性沖激噪聲

帶微處理器的語音系統(tǒng)一般都涉及數(shù)據(jù)傳輸,數(shù)據(jù)傳輸可能引發(fā)強大的沖激電流,并由數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹芷谛远憩F(xiàn)為周期性沖激電流,如果處理不當(dāng),可能形成周期性沖激噪聲.下面以一種具體語音處理系統(tǒng)性能樣機的實驗分析為例討論.

該語音處理系統(tǒng)采用現(xiàn)代DSP芯片為微處理器,配備了SRAM為外置存儲器,系統(tǒng)帶A/D采集器,語音信號經(jīng)A/D之前先經(jīng)過預(yù)放大.系統(tǒng)的語音采樣頻率為標準的8kHz,采取兩種工作模式,一種是以語音信號單樣點為單位的樣點處理模式,另一種是以128個語音信號樣點(16ms語音)為一幀來傳輸處理語音的幀處理模式.

測量該語音系統(tǒng)的背景噪聲分布,噪聲由兩部分組成,其一為常規(guī)的白噪聲,其二為明顯的周期性沖激噪聲.從以上實際測量的背景噪聲的波形及其數(shù)據(jù)中可知,本語音處理系統(tǒng)性能樣機中沖激噪聲起主要影響,且與系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸關(guān)系極其密切.首先,系統(tǒng)工作在樣點處理模式下時,微處理器的數(shù)據(jù)傳輸以語音信號單樣點為單位,因而沖激噪聲的周期為1/8000s=0.125ms;工作在幀處理模式下時,數(shù)據(jù)傳輸以幀為單位,一幀含語音樣點128個,因而沖激噪聲的周期為1/8000×128s=16ms.實際測量值就是所分析的數(shù)值.其次,觀察不同處理模式下VIF和VGF的大小,可以發(fā)現(xiàn),SRAM芯片處的背景噪聲(特別是沖激噪聲)的峰峰值最大.可以認為,污染系統(tǒng)電源的沖激噪聲主要由數(shù)據(jù)出入頻繁的SRAM區(qū)傳出.第三,系統(tǒng)幀處理模式下的噪聲一般比樣點處理模式下的相應(yīng)位置處的噪聲小.其原因在分析TTL邏輯電路引發(fā)的小浪涌噪聲中已經(jīng)提及,即高速處理引發(fā)的浪涌電流因其持續(xù)時間較短而具有更大值.

所以,微處理器數(shù)據(jù)傳輸所引發(fā)的周期性沖激噪聲,是帶微處理器的語音系統(tǒng)不可忽視的重要噪聲來源.

審核編輯黃宇