代少升，馬東鴿

(重慶郵電大學(xué)信號(hào)與信息處理重慶市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400065)

0 引言

在實(shí)際應(yīng)用環(huán)境中，語(yǔ)音信號(hào)在聲電轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)采集及處理過(guò)程中不可避免地要受到周圍環(huán)境影響，混入無(wú)用的噪聲信號(hào)，噪聲會(huì)嚴(yán)重地影響語(yǔ)音質(zhì)量。語(yǔ)音通信系統(tǒng)中的一個(gè)重要工作就是從混入噪聲的語(yǔ)音信號(hào)中提取有用語(yǔ)音信號(hào)、抑制背景噪聲［1］。

在許多語(yǔ)音應(yīng)用場(chǎng)合，由于無(wú)法預(yù)先知道信號(hào)和噪聲的特性，僅僅用有限長(zhǎng)脈沖響應(yīng)濾波器(finite impulse response filter，F(xiàn)IR)和無(wú)限長(zhǎng)脈沖響應(yīng)濾波器(infinite impulse response filter，IIR)2種具有固定濾波系數(shù)的濾波器無(wú)法實(shí)現(xiàn)最優(yōu)濾波。在這種情況下，考慮自適應(yīng)濾波能在輸入信號(hào)與噪聲的統(tǒng)計(jì)特性未知和變化的情況下，自動(dòng)估計(jì)所需的統(tǒng)計(jì)特性，以跟蹤信號(hào)和噪聲的時(shí)間變化［2］，并以此為依據(jù)自動(dòng)調(diào)整濾波系數(shù)，以達(dá)到最佳的濾波效果，設(shè)計(jì)自適應(yīng)濾波器。

但是傳統(tǒng)的自適應(yīng)濾波器噪聲抵消法多采用雙聲道系統(tǒng)，以得到一個(gè)或多個(gè)參考噪聲作為輔助輸入，這勢(shì)必造成系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜等一系列問(wèn)題。所以本文選取使用原始輸入的延時(shí)信號(hào)作為參考噪聲輸入，利用 TMS320VC5509A 處理器［1，3］設(shè)計(jì)了一個(gè)語(yǔ)音信號(hào)單聲道自適應(yīng)濾波系統(tǒng)。

1 DSP自適應(yīng)濾波系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1.1 自適應(yīng)濾波器的設(shè)計(jì)

由于自適應(yīng)濾波器適合時(shí)變信號(hào)的處理［2］，在通信及控制等眾多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。本文選取原始輸入的延時(shí)信號(hào)作為參考噪聲輸入的單聲道系統(tǒng)，構(gòu)建基于線性預(yù)測(cè)的自適應(yīng)語(yǔ)音濾波器。自適應(yīng)語(yǔ)音濾波器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式如圖1所示。

圖1 自適應(yīng)FIR濾波原理圖Fig.1 Adaptive FIR filter schematic

該系統(tǒng)中主要利用了信號(hào)的相關(guān)性和噪聲的不相關(guān)性，使原始信號(hào)中的相關(guān)部分得到加強(qiáng)，而不相關(guān)部分得到削弱，從而提取出有用的信號(hào)，并且不同時(shí)刻信號(hào)的相關(guān)性越強(qiáng)，越容易從噪聲中提取出來(lái)。圖1中，選擇帶有噪音的原始輸入的延時(shí)信號(hào)x(n+1)作為濾波器的輸入，而另一端原始信號(hào)的輸入記為d(n)+z(n)(d(n)是要提取的有用信號(hào)，而z(n)是原始輸入時(shí)的噪音信號(hào))，這樣可以區(qū)別于自適應(yīng)濾波器輸入端x(n+1)，然后d(n)+z(n)與y(n)比較，得到誤差信號(hào)e(n)，e(n)的表達(dá)式為

(1)式中，y(n)為自適應(yīng)濾波器的輸出信號(hào)。

自適應(yīng)濾波器的特性變化是由自適應(yīng)算法通過(guò)調(diào)整濾波器系數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。本文設(shè)計(jì)自適應(yīng)濾波器時(shí)，由于考慮到IIR濾波器存在穩(wěn)定性問(wèn)題，所以濾波器結(jié)構(gòu)采用FIR濾波器的橫向結(jié)構(gòu)，自適應(yīng)算法采用最小均方誤差(least mean squre，LMS)算法。由于DSP硬件處理器具有專門的乘累加器和LMS指令集［1，4］，因此使用 LMS算法能夠有效提高 DSP執(zhí)行效率。

1.2 LMS算法原理

LMS算法是通過(guò)調(diào)整濾波器系數(shù)，使輸出誤差序列e(n)=d(n)+z(n)－y(n)的均方值最小化，并且根據(jù)這個(gè)判斷來(lái)修改權(quán)重系數(shù)H(n)［5］(權(quán)重系數(shù)H(n)即FIR濾波器系數(shù))，這樣就可以使輸入信號(hào)y(n)盡可能接近有用信號(hào)d(n)，從而實(shí)現(xiàn)信號(hào)去噪輸出。

由于X(n+1)是原始輸入信號(hào)X(n)的延時(shí)，所以可以在推導(dǎo)的結(jié)果中替換，且把(5)式代入(4)式得

2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)過(guò)程

本硬件平臺(tái)利用音頻芯片TLV320AIC23和TMS320VC5509 DSP共同搭建硬件系統(tǒng)采集語(yǔ)音信號(hào)［6－7］，然后將采集到的語(yǔ)音信號(hào)經(jīng) DSP 的多通道緩沖串口(multi channel buffered serial port，MCBSP)送給TMS320VC5509處理，處理后的語(yǔ)音信號(hào)再通過(guò)MCBSP送入耳機(jī)進(jìn)行播放。

2.1 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)硬件框圖

圖2是系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)框圖［2］，利用 TMS320 VC5509 DSP的片上外設(shè)I2C接口配置音頻芯片TLV320AIC23的內(nèi)部寄存器［8］;通過(guò)DSP的MCBSP接收和輸出采樣的音頻數(shù)據(jù)。TLV320AIC23對(duì)麥克風(fēng)輸入或者立體音頻輸入的模擬信號(hào)進(jìn)行采集，將采集的數(shù)字信號(hào)送入DSP的內(nèi)部隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(random accessmemory，RAM)中，以便DSP處理。當(dāng)DSP完成對(duì)音頻數(shù)據(jù)的自適應(yīng)濾波處理以后，TLV320AIC23再把數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)化為模擬信號(hào)，這樣就能夠在立體聲輸出端或者耳機(jī)輸出端聽(tīng)到清晰的聲音播放。

圖2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖Fig.2 Block diagram of hardware system

2.2 算法實(shí)現(xiàn)

應(yīng)用集成開(kāi)發(fā)環(huán)境(code composer studio，CCS)對(duì)本文所設(shè)計(jì)的以DSP為核心的系統(tǒng)進(jìn)行軟件調(diào)試，主程序使用C語(yǔ)言編寫［4］。在調(diào)試時(shí)，首先對(duì)TMS320VC5509的CPU和TLV320AIC23進(jìn)行初始化配置，然后調(diào)用AIC23_Mixer子程序來(lái)處理音頻數(shù)據(jù)的輸入和輸出［9］。軟件程序流程圖如圖3所示。

圖3 軟件程序流圖Fig.3 Software program flow graph

在圖3a的LMS濾波算法中，首先讀入帶有噪音的信號(hào)，延時(shí)作為自適應(yīng)濾波器的輸入信號(hào)x(n+1)，初始化自適應(yīng)步長(zhǎng)μ和濾波器系數(shù)h(0)(由于μ的不同，影響信號(hào)的收斂速率［10］，本文實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證時(shí)，選用μ=0.05，N=1 024)，進(jìn)入循環(huán)程序:先后計(jì)算y(n)和e(n)的值，然后通過(guò)執(zhí)行H(n+1)=H(n)+2μe(n)X(n)，調(diào)整權(quán)重系數(shù)H(n)，直到系數(shù)H(n)滿足要求再跳出循環(huán)，從而可以輸出理想去噪信號(hào)y(n)。

圖3b的AIC23_Mixer子程序中，首先初始化數(shù)據(jù)緩沖區(qū)和寄存器變量，等待MCBSP0傳送數(shù)據(jù)結(jié)束之后，進(jìn)入工作狀態(tài);然后傳送到MCBSP并保存到左聲道緩沖區(qū)，此時(shí)調(diào)用LMS函數(shù)進(jìn)行濾波，濾波后的結(jié)果存放于右聲道緩沖區(qū)，最后將信號(hào)輸出到MCBSP接口，隨后將得到的該信號(hào)傳送到TLV320AIC23中經(jīng)過(guò)數(shù)模轉(zhuǎn)換后輸出，就可通過(guò)耳機(jī)聽(tīng)到左右不同的聲音，左邊為原始輸入信號(hào)，右邊為L(zhǎng)MS濾波信號(hào)。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

對(duì)利用TMS320VC5509A DSP和TLV320AIC23語(yǔ)音芯片設(shè)計(jì)的自適應(yīng)濾波系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證，將采集到的語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行自適應(yīng)濾波處理。信號(hào)輸出時(shí)，采用左聲道輸出原始信號(hào)，右聲道輸出濾波后的信號(hào)。實(shí)驗(yàn)在CCS環(huán)境下編譯，連接生成目標(biāo)代碼文件，在線下載到DSP中實(shí)時(shí)運(yùn)行。

為了能夠觀察濾波前后的波形效果，在CCS環(huán)境下選擇ViewGraphTimeFreqenty進(jìn)入圖形觀察窗口，在“Graph Property Dialog”窗口中選定相應(yīng)類型的值［11］。經(jīng)運(yùn)行，在圖形顯示窗口顯示的波形如圖4所示。

圖4 實(shí)驗(yàn)仿真波形Fig.4 Experimental simulation waveforms

從圖4可以看出，原始輸入信號(hào)x(n)含有明顯的噪音成分(見(jiàn)圖4a)，經(jīng)過(guò)本文設(shè)計(jì)的濾波系統(tǒng)后，得到了與期望信號(hào)(原始輸入語(yǔ)音中的有用信號(hào))d(n)波形相似的輸出信號(hào)y(n)(波形分別如圖4b和圖4c所示);從圖4d的誤差信號(hào)波形e(n)也可以看出，開(kāi)始階段輸出信號(hào)較小時(shí)，誤差信號(hào)相對(duì)較大，隨著濾波系數(shù)的自適應(yīng)調(diào)整，誤差信號(hào)越來(lái)越趨近于0，輸出信號(hào)也越來(lái)越趨近于期望信號(hào)，另外也可以使用耳機(jī)聽(tīng)到濾波前后的語(yǔ)音播放效果。

4 結(jié)束語(yǔ)

利用DSP設(shè)計(jì)的單聲道自適應(yīng)濾波系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)采集的語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行LMS算法處理，實(shí)現(xiàn)了語(yǔ)音清晰播放。該系統(tǒng)充分利用DSP具有的乘累加器和專門的LMS指令集有效地提高了系統(tǒng)執(zhí)行效率、且程序?qū)崿F(xiàn)簡(jiǎn)單、系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠，實(shí)現(xiàn)了對(duì)傳輸中的語(yǔ)音信號(hào)實(shí)時(shí)去噪。

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(編輯:王敏琦)