摘  要： 針對語音通信中不可避免要受到各種噪聲的影響，致使通信質(zhì)量下降的問題，采用DSP TMS320C5509和語音采集芯片TLV320AIC23搭建了語音降噪系統(tǒng)，實現(xiàn)了基于譜相減技術(shù)的實時系統(tǒng)來消除環(huán)境噪聲。通過DSP開發(fā)板對信號進行采集與降噪實驗，結(jié)果表明該系統(tǒng)具有較好的降噪效果，能有效地提高系統(tǒng)的信噪比。

　　在現(xiàn)實的語音通信中會不可避免地受到來自環(huán)境中的背景噪聲影響，致使通信質(zhì)量嚴(yán)重下降，甚至聽不清楚對方講話的內(nèi)容，因此對帶噪語音信號進行降噪已經(jīng)成為語音通信中的一個非常迫切的課題。本文所介紹的語音降噪系統(tǒng)能夠有效地實現(xiàn)數(shù)字降噪功能，由于降噪處理時不但要進行信號的采集與回放，還要進行降噪算法的實時處理，采用具有高速實時處理能力的DSP TMS320VC5509進行處理，能夠滿足日常生活中語音通信中的降噪要求。

　　1 降噪系統(tǒng)設(shè)計

　　降噪系統(tǒng)主要用來降低錄音或放音的噪聲。在70年代就已經(jīng)廣泛地用于家用錄音機中，那時我們常常發(fā)現(xiàn)許多錄音機和原聲音樂磁帶上標(biāo)有的符號，其意思就是表示該機具有杜比降噪功能，該磁帶則是采用杜比降噪方式錄制的。當(dāng)然，這種錄音磁帶只有在帶有杜比降噪系統(tǒng)的錄音機中放音才能獲得滿意的降噪效果。

　　1.1 硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

　　本系統(tǒng)采用TI公司的TMS320VC5509芯片進行信號處理和譜相減算法的處理，語音降噪系統(tǒng)如圖1所示。系統(tǒng)采用12 MHz的晶振為DSP提供時鐘，DSP內(nèi)部工作時鐘采用PLL方式設(shè)置成16倍頻，使DSP的內(nèi)部時鐘達到192 MHz。語音采集與回放模塊采用TLV320AIC23語音編解碼芯片。供電模塊采用TPS73HD301，分別提供DSP芯片所需的1.6 V內(nèi)核電壓和3.3 V的I/O電壓。

　　1.2 主要電路原理分析

　　圖2為5509DSP與TLV320AIC23的接口原理圖。

　　音頻Codec芯片TLV320AIC23通過外圍器件對其內(nèi)部寄存器進行編程配置，使用靈活，其配置接口支持SPI總線接口和I2C總線接口，  數(shù)據(jù)傳輸格式支持右判斷模式、左判斷模式、I2S 模式和DSP模式4種方式，其中TI 模式專門針對TI DSP設(shè)計[2，3]。C5509的多通道緩沖串口MCBSP可以配置為SPI總線接口，其串行數(shù)據(jù)傳輸格式與TLV320AIC23的DSP模式兼容，此外，這兩款芯片的I/O電壓兼容，從而使得C5509與TLV320AIC23可以無縫連接，系統(tǒng)設(shè)計簡單。

　　TLV320AIC23的數(shù)字音頻接口采用DSP模式，將TLV320AIC23配置為主設(shè)備。與DSP的McBSP0無縫連接，將其作為雙向的數(shù)據(jù)收發(fā)通道。輸入輸出的幀同步信號LRCIN、LRCOUT分別接McBSP串口的FSX0與FSR0,時鐘信號BCLK與McBSP的串口輸出時鐘CLKX0相連，同時通過CLKX0驅(qū)動輸入串行時鐘CLKR0,以保證串口數(shù)據(jù)收發(fā)的一致與同步。SCL和SDI分別是 TLV320AIC23的控制端口和數(shù)據(jù)輸入端，分別和C5509的I2C模塊端口 SCL和 SDA 相連。

　　1.3 音頻信號的采集與回放

　　音頻信號是（Audio）帶有語音、音樂和音效的有規(guī)律的聲波的頻率、幅度變化信息載體。 根據(jù)聲波的特征，可把音頻信息分類為規(guī)則音頻和不規(guī)則聲音。其中規(guī)則音頻又可以分為語音、音樂和音效。規(guī)則音頻是一種連續(xù)變化的模擬信號，可用一條連續(xù)的曲線來表示，稱為聲波。聲音的三個要素是音調(diào)、音強和音色。聲波或正弦波有三個重要參數(shù)：頻率 ω0、幅度A n 和相位ψn ，這也就決定了音頻信號的特征。

　　此系統(tǒng)中采用MICPHONE采集語音信號，把采集的語音信號經(jīng)過模數(shù)變換，進入DSP后再經(jīng)過濾波存儲到DSP的片內(nèi)存儲空間。然后調(diào)用譜相減算法降噪軟件進行降噪處理，得到新的處理后的數(shù)據(jù)再經(jīng)過數(shù)模變換，放大后從耳機輸出。

　　通過MIC采集的語音信號通過TLV320AIC23語音編解碼芯片對語音進行模數(shù)轉(zhuǎn)換。TLV320AIC23是一個高性能的多媒體數(shù)字信號編解碼器，該模塊具有模數(shù)轉(zhuǎn)換器、數(shù)模轉(zhuǎn)換器，使用了高效的 Multibit sigma-delta 和過采樣數(shù)字插補濾波技術(shù)，支持 16、20、24 和 32位格式從8 kHz~96 kHz采樣頻率的音頻信號的采集與回放，并具有較高的信噪比（SNR）和較低的能耗。利用多通道緩沖串口McBSP（multiply—channel buffer interferce）與DSP通信。把通過TLV320AIC23模數(shù)轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)通過McBSP1傳送給DSP進行降噪處理，處理后的數(shù)據(jù)經(jīng)過數(shù)模轉(zhuǎn)化后傳送到耳機輸出。

　　電臺等由于其自辦頻道的廣告、新聞、廣播劇、歌曲和轉(zhuǎn)播節(jié)目等音頻信號電平大小不一，導(dǎo)致節(jié)目播出時，音頻信號忽大忽小，嚴(yán)重影響用戶的收聽效果。在轉(zhuǎn)播時，由于傳輸距離等原因，在信號的輸出端也存在信號大小不一的現(xiàn)象。過去，對大音頻信號采用限幅方式，即對大信號進行限幅輸出，小信號不予處理。這樣，仍然存在音頻信號過小時，用戶自行調(diào)節(jié)音量，也會影響用戶的收聽效果。隨著電子技術(shù)，計算機技術(shù)和通信技術(shù)的迅猛發(fā)展，數(shù)字信號處理技術(shù)已廣泛地深入到人們生活等各個領(lǐng)域。其中語音處理是數(shù)字信號處理活躍的研究方向之一，在IP電話和多媒體通信中得到廣泛應(yīng)用。語音處理可采用通用音頻信號分配器

　　數(shù)字信號處理器DSP和現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA） 實現(xiàn)，其中DSP實現(xiàn)方法具有實現(xiàn)簡便、程序可移植行強、處理速度快等優(yōu)點，特別是TI公司TMS320C54X系列在音頻處理方面有很好的性價比，能夠解決復(fù)雜的算法設(shè)計和滿足系統(tǒng)的實時性要求，在許多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。在DSP的基礎(chǔ)上對音頻信號做AGC算法處理可以使輸出電平保持在一定范圍內(nèi)，能夠解決不同節(jié)目音頻不均衡等問題。

　　AIC23通過數(shù)字音頻口與DSP的McBSP0完成數(shù)據(jù)的通信，DSP做主機，AIC23做從機。主機提供發(fā)送時鐘信號BCLKX0和發(fā)送幀同步信號BFSX0。在這種工作方式下，接收時種信號BCLKR0和接收幀同步信號BFSR0實際上都是由主機提供的。圖1是AIC23與VC5402的接口連接。

　　AIC23的數(shù)字音頻接口支持S（通用音頓格式）模式，也支持DSP模式（專與TIDSP連接模式），在此采用DSP模式。DSP模式工作時，它的幀寬度可以為一個bit長。圖2是音頻信號采集的具體電路圖。

　　電路的設(shè)計和布線是信號采集過程中一個很重要的環(huán)節(jié)，它的效果直接關(guān)系到后期信號處理的質(zhì)量。對于DSP達類高速器件，外部晶體經(jīng)過內(nèi)部的PLL倍頻以后可達上百兆。這就要求信號線走等長線和繪制多層電路板來消除電磁干擾和信號的反射。在兩層板的前提下，可以采取頂層與底層走交叉線、盡量加寬電源線和地線的寬度、電源線成"樹杈型"、模擬區(qū)和數(shù)字區(qū)分開等原則，可以達到比較好的效果。

　　2 系統(tǒng)算法與軟件設(shè)計

　　2.1 譜相減算法[4，5]

　　目前降噪算法具有代表性的有自相關(guān)算法、自適應(yīng)噪聲濾波法、短時譜幅度估計法、譜相減算法、小波變換等。譜相減算法因具有運算量小、容易實時實現(xiàn)、增強效果好等特點，是目前在降噪系統(tǒng)中常用的算法之一。

　　譜相減算法的基本原理是在頻域?qū)⒃肼暤念l譜分量從帶噪語音信號的頻譜中減去。譜減的提出前提是假設(shè)語音信號與加性噪聲相互獨立，它假設(shè)噪聲是統(tǒng)計平穩(wěn)的，即有語音期間噪聲振幅譜的期望值與無語音間隙噪聲的振幅譜的期望值相等，用無語音期間測得的噪聲頻譜的估計值取代有語音期間的噪聲頻譜，與含有噪音的語音頻譜相減，即可得到語音頻譜估計值。假設(shè)帶噪語音的模型表達式如式（1）：

　　其中sm（n）表示純凈的語音，dm（n）表示噪聲，ym（n）表示帶噪語音。其中m=0，1，2，…，M-1;n=0,1,2，…，N-1;M、N分別表示一段語音中包含的幀數(shù)和每幀信號的長度。

　　在實際中由于語音信號是不平穩(wěn)的，但是具有短時平穩(wěn)性，因此計算時通常要加窗處理。設(shè)Yk、Sk、dk分別表示帶噪語音，純凈語音和噪聲的傅里葉系數(shù)。對（1）式進行傅里葉變換，由于假設(shè)的語音與噪音是不相關(guān)的，可得式（2），即

　　譜相減算法原理圖如圖3所示。

　　2.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

　　在本系統(tǒng)的軟件設(shè)計中，軟件系統(tǒng)主要包括主程序、中斷服務(wù)程序、中斷向量表和鏈接命令文件，其中重要的是主程序和中斷服務(wù)程序，中斷服務(wù)程序主要功能是實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)更新。

　　系統(tǒng)主函數(shù)是程序執(zhí)行的入口并完成需要的初始化工作。主函數(shù)中主要包括對時鐘、多通道緩沖串口McBSP1以及對AIC23的初始化配置。接著啟動串口進行正常工作，進行譜相減法降噪算法處理，輸出降噪后的語音信號。

　　在該系統(tǒng)中，音頻信號通過MIC被采集，然后經(jīng)過TLV320AIC23語音編解碼模塊，把采集的語音信號進行信號保持、采樣、量化后轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，轉(zhuǎn)換成的數(shù)字語音信號以中斷方式被DSP讀取，通過DSP的多通道緩沖串口McBSP1以數(shù)據(jù)幀的方式把數(shù)據(jù)存儲到片上緩沖區(qū)里。軟件處理流程結(jié)構(gòu)如圖4所示。

　　CPU在相應(yīng)接收中斷服務(wù)程序后，在服務(wù)程序中將128個采樣值拷貝到處理緩沖區(qū)中等待處理，實現(xiàn)緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，然后置1使程序進入主程序中進行降噪處理。

　　本系統(tǒng)中實時設(shè)計中的關(guān)鍵技術(shù)有加窗處理、幀間重疊、幀移位、快速傅里葉變換（FFT）、快速傅里葉反變換、定點數(shù)與浮點數(shù)的轉(zhuǎn)化。在進行FFT變換的時候必然會產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)，所以在對數(shù)據(jù)進行讀取與存儲時不可避免地要造成流水線沖突，為了解決這樣的問題，可以在產(chǎn)生流水線沖突的兩條指令間加上三個NOP指令[6，7]。

　　通過譜相減算法在DSP開發(fā)板上搭建的語音降噪系統(tǒng)中進行降噪實驗，實驗結(jié)果表明，本系統(tǒng)能夠有效地降低環(huán)境噪聲對語音的影響，能夠有效地提高信噪比，改善語音通信質(zhì)量，達到降低語音通信中的背景噪聲的目的。