來源：羅姆半導體社區

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

一般應用較為廣泛的抗噪措施包括:互補式動態壓括降噪、非互補式動態壓括降噪、濾波降噪、電源處理降噪、軟件處理降噪等.對語音處理系統而言,不是所有的降噪系統在所有情況下效果都良好,例如,有些全聲頻段的降噪系統(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,我們應針對語音處理系統的具體情況,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,則應分析噪聲特性,采用相應措施降低噪聲,提高系統最終信噪比,這是治標的方法.

目前的語音處理系統一般應用微處理器處理語音數據,其基本系統包含兩個模塊:模擬模塊和數字模塊.這種結構使帶微處理器的語音系統的噪聲問題具有一定的特殊性.事實上,數字模塊工作所引發的周期性沖激噪聲,是語音系統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.為減小已經混入了待處理語音數據中的沖激噪聲的影響,可以采用數字中值濾波或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的沖激噪聲

帶微處理器的語音系統的噪聲源中,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邏輯電路引發的小浪涌沖激電流,其二為微處理器數據傳輸的大浪涌沖激電流.

1.1 TTL邏輯電路引發的小浪涌噪聲分析

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

語音處理系統中的周期性沖激噪聲及其消除

當然,由于大量TTL微電路一般并不可能恰好協調一致,從而導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原理模型.

1.2 微處理器數據傳輸引發的周期性沖激噪聲

帶微處理器的語音系統一般都涉及數據傳輸,數據傳輸可能引發強大的沖激電流,并由數據傳輸的周期性而表現為周期性沖激電流,如果處理不當,可能形成周期性沖激噪聲.下面以一種具體語音處理系統性能樣機的實驗分析為例討論.

該語音處理系統采用現代DSP芯片為微處理器,配備了SRAM為外置存儲器,系統帶A/D采集器,語音信號經A/D之前先經過預放大.系統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.

測量該語音系統的背景噪聲分布,噪聲由兩部分組成,其一為常規的白噪聲,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據中可知,本語音處理系統性能樣機中沖激噪聲起主要影響,且與系統數據傳輸關系極其密切.首先,系統工作在樣點處理模式下時,微處理器的數據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,數據傳輸以幀為單位,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值.其次,觀察不同處理模式下VIF和VGF的大小,可以發現,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,污染系統電源的沖激噪聲主要由數據出入頻繁的SRAM區傳出.第三,系統幀處理模式下的噪聲一般比樣點處理模式下的相應位置處的噪聲小.其原因在分析TTL邏輯電路引發的小浪涌噪聲中已經提及,即高速處理引發的浪涌電流因其持續時間較短而具有更大值.

所以,微處理器數據傳輸所引發的周期性沖激噪聲,是帶微處理器的語音系統不可忽視的重要噪聲來源.

審核編輯黃宇