基于DSP的语音噪声滤波器设计.doc

1、 课程设计 (论文 ) 题 目 名 称 基于 DSP 的语音噪声滤波器的设计与仿真 课 程 名 称 DSP 技术与应用 学 生 姓 名 学 号 系 、 专 业 信息工程系 、 电子信息工程 指 导 教 师 余 建 坤 2012 年 6 月 18 日 邵阳学院 课程 设计（论文）评阅表 学生姓名 王 旭 学 号 0941301058 系 信息工 程系 专业班级 电子信息工程 题目名称 基于 DSP 的语音噪声滤波器的设计 课程名称 DSP 技术与应用 一、学生自我总结 学生签名： 年 月 日 二、指导教师评定 评分项目 平时成绩 报告格式 方案设计 程序设计 仿真 创新性 综合成绩 权 重 20

2、 20 20 20 10 10 单项成绩 指导教师评语： 指导教师 （签名） ： 年 月 日 注： 1、本表是学生课程设计（论文）成绩评定的依据，装订在设计说明书（或论文）的“任务书”页后面； 2、表中的“评分项目”及“权重”根据各系的考核细则和评分标准确定。 目 录 摘 要 . I 第 1 章 绪论 . 1 1.1 引言 . 1 1.2 课题研究意义和目的 . 1 1.3 研究思路 . 2 第 2 章 总体设计 . 4 2.1 滤波器的基本概念 . 4 2.2 自适应滤波器的原理 . 4 2.3 自适应滤波器的算法 . 5 2.4 TMS320VC5402 的简介 . 5 第 3 章 详细设

3、 计 . 7 3.1 信道干扰滤波部分 . 7 3.2 回波去噪部分 . 11 3.3 系统仿真 .12 第 4 章 课程设计总结 .13 参考文献 .14 附录（源程序清单） .15 I 摘 要 滤波器是统计信号处理的一个重要组成部分。在实际应用中， 由于没有充足的信息来设计固定系数的数字滤波器，或者设计规则会在滤波器正常运行时改变，因此我们需要研究滤波器。凡是需要处理未知统计环境下运算结果所产生的信号或需要处理非平稳信号时，滤波器可以提供一种吸引人的解决方法，而且其性能通常远优于用常方法设计的固定滤波器。此外，滤波器还能提供非自适应方法所不可能提供的新的信号处理能力。 本文首先利用 DSP

4、 的 DMA 方式对外部含噪声的语音信号进行实时采集，语音信号先经过 A/D 转换为数字信号，利用 MCBSP 的接收寄存器接收数据。编写滤波算法程序，或调用 DSPLIB 中的滤波函数 ，对信号进行滤波。滤波后的数据利用 DMA 方式送到 D/A转换器转换为模拟信号。 关键词 ： 自适应滤波器； LMS 算法； FIR 结构滤波器； A/D 转换； D/A 转换 1 第 1 章 绪论 1.1 引言 随着语音技术研究的深入和实际应用的增多，各种语音处理系统都面临着进一步提高性能的问题。语音增强是其中的关键技术之一。从 20 世纪 60 年代开始，对语音增强的研究就一直没有停止。 20 世纪 7

5、0 年代由于数字信号处理理论的成熟，加速了语音增强技术的研究，使该技术走向成熟。 20 世纪 80 年代以后，超大 规模集成电路技术的发展为语音增强的实时实现提供了可能 1。 语音增强即语音噪声处理的目的是从带有噪声的语音信号中提取纯净的原始语音。但由于噪声信号都是随机产生的，完全消除噪声几乎不可能，因此实际语音增强的目的主要有：改进语音质量，消除背景噪声，使听者乐于接受，不感到疲倦，同时提高语音信号的可懂度， 方便听者理解。 语音增强不但与语音处理理论有关，而且涉及到人的听觉和语音学。再者，噪声的来源众多，应用场合不同，它们的特性也各不相同。因此在不同的噪声场合中应采用不同的语音增强方法 2

6、。 1.2 课题研究意义 和目的 对语音噪声滤波的研究是当今自适应信号处理中最为活跃的研究课题之一。语音噪声处理技术是指当语音信号被各种各样的噪声 (包括语音 )干扰、甚至淹没后，从噪声背景中提取、增强有用的语音信号，抑制、降低噪声干扰的技术。语音增强技术无 论在日常生活中，还是在其它的领域，或者对语音信号处理技术本身来说都很有应用价值。 在日常生活中，我们经常会遇到在噪声干扰下进行语音通信的问题。如：使用设置在嘈杂的马路旁或市场内的公用电话，或在奔驰的汽车、火车里使用移动电话时，旁人的喧闹声、汽车和火车的轰鸣声等背景噪声都会干 扰语音通讯的质量。对受话人来说，收听夹杂着各种干扰噪声的语音，至

7、少会引起听觉疲劳，严重一点就会错误地识别或根本无法听清对方的语音。 对电话来说，干扰主要来自电话信道的回波干扰。还有一种叫无线信道干扰，它来自信道对外界干扰屏蔽能力的强弱。比如雷雨天收听收音机，会听到阵阵噪声。它是由于雷电引起信道附近强电流的骤变，导致强大的电磁波串入信道，并传送到接受端而引起的噪声干扰。这些随机性的干扰也严重影响了语音的传输质量。 2 再有一类需要用到语音增强技术的方面就是处理旧的录音磁带。由于早年录音技术不完善，磁带质量不高，加 上长久存放，使磁带发生霉变、机械损伤、磁粉脱落、磁化等问题，使得重放语音产生噪声。对于那些极具研究或收藏价值的宝贵录音资料来说，语音增强技术是一个

8、较好的恢复手段。 在通信过程中，语音质量的好坏显得格外重要。如语音质量很差，接收方难以听清对方的语音信息，轻者可能延误时间、贻误时机，重者可能错误地识别对方的语音，因而错误地下达或执行命令，导致对工作造成不可估量的损失。在机械制造领域，声音环境一般都比较恶劣，除了各种机械内部产生的噪声，工作中还不时地充满了各种冲击性噪声，使得工作者的语音经常被部分或全部淹没在一片 强噪声中，即使花九牛二虎之力也常常难以收听到对方准确可靠的语音信息。因此，机械制造领域也迫切需要语音增强技术。 随着现代科学的蓬勃发展，人类社会愈来愈显示出信息社会的特点。通信或信息交换已成为人类社会存在的必要条件，正如衣食住行对人

9、类是必要的一样。语音作为语言的声学表现，是人类交流信息最自然、最有效、最方便的手段之一。然而，人们在语音通信过程中不可避免地会受到来自周围环境和传输媒介引入的噪声、通信设备内部电噪声、乃至其他讲话者的干扰。这些干扰最终将使接收者接收到的语音不再是纯净的原始语音，而是被噪声污染过的 带有噪声的语音信号。例如，汽车、街道、机场中的电话，常受到强背景噪声的干扰，严重影响通话质量。而环境噪声的污染使得许多语音处理系统的性能急剧恶化。例如，语音识别已取得重大进展，正步入使用阶段。但目语音识别系统大多都是在安静环境中工作的，在噪声环境中尤其是强噪声环境，语音识别系统的识别率将受到严重影响。 在上述情况下，

10、必须加入语音增强系统，或者抑制背景噪声，以提高语音通信质量，或者作为预处理器，以提高语音处理系统的抗干扰能力，维持系统性能。因此，语音增强技术在实际中有重要价值。目前，语音增强已在语音处理系统、 通信技术、多媒体技术、数字化家电等领域得到了越来越广泛的应用 3。 1.3 研究思路 语音通信的目的是传递声音信息。位于甲地的通信者发出的声音经语音传感器变换成为电信号，经发送端设备变换为适合传输的形式，通过传输信道传输到乙地。在乙地经接收端设备恢复出原来的语音信号，经耳机或者喇叭转换为接收者可以听到的声音信号。这就是最基本的语音通信系统，但是由于周围环境的原因，我们采集到语3 音信号经常含有不同程度

11、的噪声。 典型语音通信系统中的噪声来自三个方面：信号处理设备产生的电噪声及传输信道中的电噪声； 信号发送端 空间环境中的音频噪声信号经麦克风变换为电信号之后，与有用信号其同传递到接收端；信号接收端空间环境中的音频噪声对信号接收者的影响。噪声是由于发生体作无规则振动产生的。 在很多情况下，环境中的背景噪声是通信系统中噪声干扰的主要来源。当语音信号受到背景噪声干扰时语音通信质量变得不可接受，因此要对语音信号中的噪声滤除。 DSP 利用直接存储器访问方式 DMA（ Direct Memory Access） 采集数据时不打扰 CPU，因此利用 DMA 方式工作时， CPU 可以对语音信号进行实时地滤

12、波。本设计要求利用 DSP 的 DMA 方式进 行信号采集和信号输出，对语音信号进行数字编码，滤波后进行解码。 首先利用 DSP 的 DMA 方式对外部含噪声的语音信号进行实时采集，语音信号先经过 A/D 转换为数字信号，利用 MCBSP 的接收寄存器接收数据。编写滤波算法程序，或调用 DSPLIB 中的滤波函数，对信号进行滤波。滤波后的数据利用 DMA方式送到 D/A 转换器转换为模拟信号 4。 4 第 2 章 总体设计 2.1 滤波器的基本概念 凡是有能力进行信号处理的装置都可以称为滤波器。在近代电信装备和各类控制系统中，滤波器应用极为广泛；在所有的电子部件中，使用最多， 技术 最复杂要算

13、滤波器了。滤波器的优劣直接决定产品的优劣，所以，对滤波器的研究和生产历来为各国所重视。 滤波器是一种用来消除干扰杂讯的器件，将输入或输出经过过滤而得到纯净的交流电。您可以通过基本的滤波器积木块 二阶通用滤波器传递函数，推导出最通用的滤波器类型：低通、带通、高通、陷波和椭圆型滤波器。传递函数的参数 f0、d、 hHP、 hBP 和 hLP，可用来构造所有类型的滤波器。转降频率 f0 为 s 项开 始占支配作用时的频率。 2.2 自适应滤波器的原理 自适应滤波，就是利用前一时刻以获得的滤波器参数的结果，自动的调节现时刻的滤波器参数，以适应信号和噪声未知的或随时间变化的统计特性，从而实现最优滤波。

14、其 实质就是一种能调节其自身传输特性以达到最优的维纳滤波器。由于无法预先知道信号和噪声的特性或者它们是随时间变化的，仅仅用 FIR 和 IIR 种具有固定滤波系数的滤波器无法实现最优滤波。在 此 情况下，必须设计自适应滤波器，以跟踪信号和噪声的变化。自适应滤波器的特性变化是由自适应算法通过调整滤波器系数来实现的。一般而言，自 适应滤波器由两部分组成，一是滤波器结构，二是调整滤波器系数的自适应算法。自适应滤波器的结构采用 FIR 或 IIR 结构均可，由于 IIR 滤波器存在稳定性问题，因此一般采用 FIR 滤波器作为自适应滤波器的结构。 x(k)输入信号，通过权系数可调的数字滤波器后产生输出信

15、号 y(k)，将输出信号 y(k)与标准信号 d(k)进行比较，得到误差信号 e (k)。 e(k)和 x(k)通过自适应算法对滤波器的权系数进行调整 ， 调整的目的使得误差信号 e(k)最小。重复上面过程，滤波器在自己的工作过程中逐渐了解到输入信号和噪声的统计规律，并以此为 根据自动调整滤波器权系数，从而达到最佳的滤波效果。一旦输入的统计规律发生了变化，滤波器能够自动跟踪输入信号变化，自动调整滤波器的权系数，最终达到滤波效果，实现自适应过程。 自适应滤波器的结构可以采用 FIR 或 IIR 滤波器存在稳定性问题，因此一般采5 用 FIR 滤波器作为自适应滤波器的结构。自适应 FIR 滤波器结

16、构又可分为 3 种结构类型：横向型结构 （ Transversal Structure） 、对称横向型结构 （ Symmetric Transversal Structure） 以及格型结构 （ Lattice Struture） 5。 2.3 自适应滤波器 的算法 自适应滤波器除了包括一个按照某种结构设计的滤波器，还有一套自适应的算法。自适应算法是根据某种判断来设计的。自适应滤波器的算法主要是以各种判据条件作为推算基础的。通常有两种判据条件：最小均方误差判据和最小二乘法判据。LMS 算法是以最小均方误差为判据的最典型的算法，也是应用最广泛的一种算法。 最小均方误差 (Least Mean S

17、quare， LMS)算法是一种易于实现、性能稳健、应用广泛的算法。所有的滤波器系数调整算法都是设法使 y(n)接近 d(n)，所不同的只是对于这种接近的 评价标准不同。 LMS 算法的目标是通过调整系数，使输出误差序列 e(n)=d(n)-y(n)的均方值最小化，并且根据这个判据来修改权系数，该算法因此而得名。误差序列的均方值又叫 “ 均方误差 ” (Mean Sqluare Error， MSE)。 理想信号 d(n)与滤波器输出 y(n)之差 e(n)的期望值最小，并且根据这个判据来修改权系数 wi(n)。由此产生的算法称为 LMS。均方误差 表示为： 2 ( ) ( ) ( )E e

18、n E d n y n （ 2-1） 对于横向结构的滤波器，代入 y(n)的表达式： 2 ( ) ( ) ( ) 2 ( )TTE d n W n R W n W n P + （ 2-2） 其中： R=EX(n)XT(n)为 NN 的自相关矩阵，它是输入信号采样值间的相关性矩阵。 2.4 TMS320VC5402 的简介 TMS320VC5402 是公司的定点数字信号处理芯片，是一种特殊结构的微处理器，为了达到快速进行数字信号处理的目的，采用程序与数据分开的总线结构，流水线操作，单周期完成乘法的硬件乘法器以及一套适合 数字信号处理的指令集 。2.4.1TMS320VC5402 的主要特点 TM

19、S320VC5402 处理器在本系列中处于先进水平。它具有运算速度快，内部存储空间大，外部接口性能好等优点。所以我选择了技术上比较先进，价格又较便宜的 C5402 作为硬件开发对象。下面结合 C5402 的实际情况，介绍一下该芯片的体系结构。 C5402 共有 144 个引脚，其中有 20 根地址线 AO-A19， 16 根数据线6 DO-D15， 4 个外部可屏蔽引脚 INTO#-INT3#和一个不可屏蔽中断引脚 BIO#，剩下的引脚可以分成以下几类：存储器控制引脚，时钟 /晶振引脚，多通道缓冲串口引脚，主机接口通讯引脚，电源引脚，初始化和复位引脚，通用输入 /输出引脚，以及用于测试的 IE

20、EE1149. 1 标准 JTAG 口 3。 2.4.2. TMS320VC5402 DSK 工作原理 TMS320VC5402 DSK是以 TMS320VC5402处理器为核心的 DSP 初学者工具 (DSP Starter Kit)。它提供了一个低功耗，独立的开发平台，使用户能评估和开发 C54X DSP 的应用程序，同时也可以作为以其他芯片为核心的 DSP 硬件设计的参考。 TMS320VC5402 DSK 的结 构主要包括以下部分： 100M VC5402 DSP 64K16 位的 SRAM 存储器 256K16 位的 FLASH 存储器 JTAG 仿真测试总线控制器 （ JTAG TBC） 和并行接口控制器 （ Parallel Port Controller） 电话网络接口 （ DAA） 麦克风 /扬声器音频接口 RS-232 异步数据接口 扩展子板接口 （ MEMORY I/F 和 PERIPHERAL I/F） 。