畢業(yè)論文噪音濾除系統(tǒng)研究與設(shè)計.

1、噪音濾除系統(tǒng)研究與設(shè)計論文彭燦 譚亮 李錦華 王志彪 唐姝旸指導(dǎo)老師：張新安（湖南科技學(xué)院 電子工程系）摘要：隨著科技的發(fā)展，科學(xué)技術(shù)的廣泛應(yīng)用，人們的生活水平也逐漸提高。當(dāng)人們在享受物質(zhì)文化的同時，新型的消費觀念也深入人心。然而在日常生活中，各種視聽享受成了人們必不可少的精神娛樂，通信或信息交換更是如同衣食住行一樣，須臾都離不開。可是，在進(jìn)行通信或娛樂的同時一直存在著一個困擾很久的技術(shù)問題噪聲干擾鑒于此缺陷，語音信號的處理也顯得十分必要。本項目研究設(shè)計噪音濾除系統(tǒng)。其核心功能模塊主要包括聲音采集模塊，語音識別模塊，濾波模塊，語音放大模塊等。系統(tǒng)通過麥克風(fēng)采集語音信號，然后放大再通過濾波器把外

2、部噪音濾除，最后將清晰的話音經(jīng)微型聽筒傳送到對方的耳中?！娟P(guān)鍵詞】 噪音、聲音采集、語音識別、麥克風(fēng) 一 引言本項目研究設(shè)計噪音濾除系統(tǒng)。其核心功能模塊主要包括聲音采集模塊，語音識別模塊，濾波模塊，語音放大模塊等。在研究傳統(tǒng)降噪的基礎(chǔ)上，提出了一種基于AT89C52 的音頻信號采集、處理系統(tǒng)。該系統(tǒng)以單片機(jī)AT89C52 為控制器， 采用鍵盤和LCD 作為人機(jī)界面，ADC0809 采集音頻信號，通過軟件濾波和硬件濾波相結(jié)合濾除噪音；數(shù)據(jù)采集技術(shù)涉及領(lǐng)域廣,采集信號的動態(tài)范圍寬,處理數(shù)據(jù)量大,對系統(tǒng)實時性能要求高。以數(shù)字信號的形式對信號進(jìn)行處理，具有處理速度快、靈活、精確、抗干擾能力強(qiáng)、體積小及

3、可靠性高等優(yōu)點，滿足了對信號快速、精確、實時處理及控制的要求。本設(shè)計利用了數(shù)字電路的這些優(yōu)點，對傳統(tǒng)的模擬降噪電路進(jìn)行了改進(jìn)，以較低的成本使性能得到了提高。本系統(tǒng)設(shè)計擬解決的關(guān)鍵問題：1、 語音的拾取與放大。2、 A/D 轉(zhuǎn)換電路。3、 噪音的濾除。1.1噪音濾除系統(tǒng)總體功能概述系統(tǒng)總體框圖系統(tǒng)原理描述：系統(tǒng)由一個主控機(jī)和麥克風(fēng)陣列、A/D 轉(zhuǎn)換器、前置放大器、LCD顯示器、PWM調(diào)制器、高低通濾波器、音頻功放等模塊組成。系統(tǒng)工作時，首先由麥克風(fēng)陣列采集外界聲音信號，送到A/D 轉(zhuǎn)換器中進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，把模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號送入主控中心進(jìn)行處理，經(jīng)處理后的信號再輸入到PWM調(diào)制器以及高低通濾波

4、器，進(jìn)行噪音消除，然后經(jīng)過音頻功放接入外設(shè)。具體框圖如下所示： 圖1、系統(tǒng)總體框圖 二 硬件系統(tǒng)設(shè)計2.1電源電路電源是整個系統(tǒng)的能量來源，它直接關(guān)系到系統(tǒng)能否運行。在本系統(tǒng)中單片機(jī)、液晶顯示電路需要5V的電源，因此電路中選用穩(wěn)壓芯片7805； AD620，OP07等芯片需要+12V和-12V的雙電源，因此電路中采用了穩(wěn)壓芯片7812和7912，其最大輸出電流為1.5A，能夠滿足系統(tǒng)的要求，其電路如圖2.1所示。圖2.1 電源電路2.2 RS-232下載接口電路RS-232通信接口電路原理圖如圖2.2所示：由于PC機(jī)的通信口為RS-232電平標(biāo)準(zhǔn)，而單片機(jī)則是TTL電平，所以要實現(xiàn)單片機(jī)與PC

5、機(jī)串行通信，就需采用MAX232將TTL電平轉(zhuǎn)換為RS-232電平。RS-232標(biāo)準(zhǔn)的傳輸速率只能達(dá)到20kb/s,最大傳輸距離15m。但這里基本能滿足本次設(shè)計要求。該接口電路，方便設(shè)計中的程序調(diào)試，電路簡單實用。圖2.2 RS-232下載接口電路2.3 微處理器基本系統(tǒng)微處理控制系統(tǒng)采用了ATMEL公司生產(chǎn)的AT89C52單片機(jī)，復(fù)位電路和晶振電路是89C52工作所需的最簡單外圍電路。同時該基本系統(tǒng)還包含了顯示模塊和獨立按鍵模塊，電路設(shè)計簡單，其中顯示電路選用LCD1602,顯示直觀、外圈電路簡單。微處理器基本系統(tǒng)電路原理圖如圖2.3所示：圖2.3 微處理器基本系統(tǒng)2.4 語音拾取模塊本項目

6、提出了一種在嘈雜環(huán)境下利用駐極體麥克風(fēng)陣列對聲音信號拾取降噪的方法。該方法對每個麥克風(fēng)采集的聲音信號進(jìn)行模態(tài)分解，然后根據(jù)各個IMF信號的歸一化能量挑選出主要的IMF分量進(jìn)行信號重構(gòu)，從而實現(xiàn)對信號進(jìn)行降噪處理。該設(shè)計中麥克風(fēng)陣列選用聲望公司的MPA416傳聲器來實現(xiàn)。MPA416傳聲器的靈敏度高，可達(dá)到50mv/pa；擁有低成本、低噪聲；頻率響應(yīng)范圍為20HZ-20KHZ；方框圖如下： 圖2.4語音拾取模塊框圖2.4.1麥克風(fēng)的方案論證方案一：模擬麥克風(fēng)模擬麥克風(fēng)主要是指將話筒振動膜所收集到的聲音信號轉(zhuǎn)換為音頻電流信號，最后又還原為聲音信號。這種麥克風(fēng)結(jié)構(gòu)簡單、價格低廉、有較長的壽命，但它靈

7、敏度低、頻率響應(yīng)不夠?qū)挕⑷菀资艿缴漕l和電磁干擾。方案二：數(shù)字麥克風(fēng) 數(shù)字麥克風(fēng)，顧名思義就是直接輸出數(shù)字脈沖訊號的麥克風(fēng)電聲組件，這種麥克風(fēng)內(nèi)建前置增益(Pre Amp)及A/D編碼芯片的麥克風(fēng)電聲組件，其輸出訊號格式是數(shù)字脈沖訊號，可以直接與相應(yīng)的編譯碼芯片接口傳輸數(shù)字訊號。數(shù)字麥克風(fēng)的最大優(yōu)點是抗干擾能力強(qiáng)，無需像傳統(tǒng)傳聲器那樣內(nèi)置高頻濾波電容、濾波器電路。數(shù)字麥克風(fēng)因其固有的特點，不會受到那些來自電腦、網(wǎng)絡(luò)、射頻際磁場信號源的干擾、影響。具體表現(xiàn)為：減少元件成本和數(shù)目，不需要外部前置放大器；簡單的扁線連接，增加麥克風(fēng)布局的靈活性，并且沒有空間上的限制；對RF和EM(射頻和電磁干擾)免除的

8、數(shù)字輸出；采用先進(jìn)軟件可減少離軸環(huán)境影響；波束成型，噪聲抑制，回聲消除。經(jīng)比較，考慮到方案二在設(shè)計時更靈活方便，可以采用通用的開發(fā)工具，性價比很高，而且89C52擴(kuò)展其它接口也更加自由，技術(shù)也很成熟，所以采用第二種方案。2.4.2駐極話筒的簡介駐極體是近幾十年才發(fā)展起來的一種新材料。我們通常所說的駐極體 實際上是一種能夠長期保持電極化狀態(tài)的電介質(zhì) ,這種電介質(zhì)一般是用高分子聚合物經(jīng)極化而產(chǎn)生永久帶電荷的物質(zhì) 。而駐極體話筒則是駐極體材料在電聲換能器方面的一個具體應(yīng)用。由于駐極體話筒具有體積小 、頻率范圍寬 、高保真和成本低的特點 ,目前 ,已在通信設(shè) 備 、家用電器等電子產(chǎn)品中廣泛應(yīng)用 。2.

9、4.3駐極體話筒的結(jié)構(gòu)與工作原理駐極體話筒的工作原理可以用圖2.5來表示 。話筒的基本結(jié)構(gòu)由 一片單面涂有金屬的駐極體薄膜與一個上面有若干個小孔的金屬電極稱為背電極構(gòu)成 。駐極體面與背極相對 ,中間有一個極小的空氣隙形成 一個以空 氣隙和駐極體作絕緣介質(zhì) ,以背極和駐極體上的金屬層作為兩個電極構(gòu)成一個平板電容器。電容器的極之間接有輸出電極。由于駐極體膜上分布有自由電荷,于是在電容的兩極板之間就有了感應(yīng)電荷。當(dāng)波引起駐極體薄膜振動而產(chǎn)生位時改變了電容器兩極板之間 的距離,從而引起電容器的容量發(fā)生化,由于駐極體上的電荷數(shù)始終保恒定,當(dāng)電容器的容量發(fā)生變化時必然引起電容器兩端電壓的變化 ,從而輸出電

10、信號、實現(xiàn)聲電的變換。 圖2.5駐極體話筒的結(jié)構(gòu)2.5 前置放大電路在一般的信號放大應(yīng)用中通常只要經(jīng)過差動放大電路即可滿足要求，然而基本的差動放大電路精密度較差，而且差動放大電路上改變放大增益時，必須調(diào)整兩個電阻，影響整個放大精確度的因素就更加復(fù)雜。而儀表放大器AD620增益范圍寬（增益為1-1000），電源供電范圍寬（+2.3V-+18V），功耗低，精確度高，電路簡單，只需外接一個電阻就可改變放大倍數(shù)4，圖2.6為AD620的管腳圖，其中1、8腳需跨接一電阻來調(diào)整放大倍率，4、7腳需提供正負(fù)相等的工作電壓，2、3腳接入輸入信號即可從6腳得到放大后的信號，5腳為參考基準(zhǔn)電壓輸入，如果接地則6腳

11、的輸出即為與地之間的相對電壓，AD620的放大增益關(guān)系式如式（1）和式（2）所示，由此2式我們即可推出各種增益所需要的電阻Rg.G = +1 （1） 圖2.6 AD620管腳圖 Rg = （2） 基于上述有利條件，我們以AD620為核心，OP07（擴(kuò)大增益范圍）為輔構(gòu)成系統(tǒng)的放大電路,電路如圖2.7所示：信號經(jīng)過前級電壓跟隨器器后送入AD620進(jìn)行第一級放大，AD620輸出信號送至OP07進(jìn)行第二級放大后輸出。圖2.7信號放大電路同相比例運算電路中反饋的組態(tài)為電壓串聯(lián)負(fù)反饋，同樣可以利用理想運放工作在線性區(qū)時的兩個特點來分析其電壓放大倍數(shù)。在圖2.7中，根據(jù)運放的“虛短”和“虛斷”的特點可知，

12、I- = I+ = 0，所以V- = Vo*R13/(R13+R14 )+Vref*R14/(R13 + R14 ) (3-1)而且V- = V+ = Vi (3-2)由以上兩式可求出 Vo=Vi*（R13 + R14）/R13-Vref*R14/R13 (3-3)所以本放大電路的放大倍數(shù)A =1+ R14/R13，此放大電路為同相比例放大電路，它的放大倍數(shù)總是大于或等于1。同相比例運算電路有以下幾個特點： (1)同相比例運算放大電路是一個深度的電壓串聯(lián)負(fù)反饋電路。因為不存在“虛地”現(xiàn)象，所以其輸入端有較高的共模輸入電壓。(2)電壓放大倍數(shù)A =1+ R14/R13，即輸出電壓與輸入電壓的幅值

13、成正比，且相位相同，所以此電路實現(xiàn)了同相比例放大。如果不接R13和R14，則此電路就成了“電壓跟隨器”，它可以減少電路模塊間由于阻抗引起的干擾。 (3)由于引入了深度電壓串聯(lián)負(fù)反饋，因此電路的輸入阻抗很高，輸出阻抗很低。高輸入阻抗就可以減少放大電路對前端電路的影響，同時低輸出阻抗也可以提高自身的抗干擾性，這顯然有利于電路中其他模塊的設(shè)計。 此放大電路還加了參考電壓，引入了零點調(diào)節(jié)功能，這樣可以更方便的調(diào)整由于不同傳感器導(dǎo)致的零點變化問題。它利用滑動變阻器產(chǎn)生一個參考電壓Vref，再利用電壓跟隨器把電壓輸入到運算放大電路的電壓參考端。所以調(diào)節(jié)滑動變阻器，就可以直接改變放大電路的參考電壓。而電壓跟

14、隨器的作用就如上面介紹的，它只是用來匹配阻抗用的，防止R6和R11對滑動變阻器輸出電壓的影響。2.6 A/D 轉(zhuǎn)換電路 A/D轉(zhuǎn)換 電路由A/D 轉(zhuǎn)換器ADC0809 與系統(tǒng)處理器AT89C52 組成， 主要實現(xiàn)對放大后的聲音信號進(jìn)行采樣。ADC0809 與AT89C52 的電路連接如圖2.8 所示。 圖2.8 ADC0809 與AT89S52 的連接電路從圖2 .8中可以看到，把ADC0809 的ALE 信號與START信號接在一起，這樣可使得在信號的前沿寫入（鎖存）通道地址，緊接著在其后沿就啟動轉(zhuǎn)換。啟動A/D 轉(zhuǎn)換只需要一條P2.7=0 指令。在此之前，要將P2.7 清零并將最低3 位與

15、所選的通道對應(yīng)的地址送入數(shù)據(jù)指針DPTR 中。ADC0809 的轉(zhuǎn)換結(jié)束信號EOC 取反后與AT89S52 的INT1 相連，采用中斷方式讀取A/D 轉(zhuǎn)換結(jié)果，并啟動下一次A/D 轉(zhuǎn)換。也可定時啟動A/D 轉(zhuǎn)換，并讀取上次轉(zhuǎn)換結(jié)果。2.7 LCD1602的接口電路LCD1602引腳分布及功能與AT89C52單片機(jī)的接口電路如圖2.9所示。圖2.9 A/D轉(zhuǎn)換電路和LCD顯示電路第1腳：VSS為地電源。第2腳：VDD接5V正電源。第3腳：V0為液晶顯示器對比度調(diào)整端，接正電源時對比度最弱，接地電源時對比度最高，對比度過高時會產(chǎn)生“鬼影”，使用時可以通過一個10K的電位器調(diào)整對比度。第4腳：RS為

16、寄存器選擇，高電平選擇數(shù)據(jù)寄存器、低電平時選擇指令寄存器。第5腳：RW為讀寫信號線，高電平時進(jìn)行讀操作，低電平時進(jìn)行寫操作。當(dāng)RS和RW共同為低電平時可以寫入指令或者顯示地址，當(dāng)RS為低電平RW為高電平時可以讀忙信號，當(dāng)RS為高電平RW為低電平時可以寫入數(shù)據(jù)。第6腳：E為使能端，當(dāng)E端由高電平跳變成低電平時，液晶模塊執(zhí)行命令。第714腳：D0D7為8位雙向數(shù)據(jù)線。第1516腳：背光電源。2.8 PWM 輸出電路 本設(shè)計采用單片機(jī)輸出PWM 信號驅(qū)動音頻放大電路，PWM 輸出電路如圖2.10所示。PWM 是一種利用微處理器的數(shù)字輸出控制模擬電路的有效技術(shù)，對一系列脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制，等效獲得所需

17、波形，并且由于沒有使用D/A 轉(zhuǎn)換器，系統(tǒng)成本減少很多。PWM 的優(yōu)點是從處理器到被控系統(tǒng)信號都是數(shù)字形式的，無需進(jìn)行D/A 轉(zhuǎn)換。讓信號保持為數(shù)字形式可將噪聲影響降到最小。此外PWM 信號很容易通過MCU 的軟件進(jìn)行控制，即使電路稍微有些系統(tǒng)誤差，易于通過軟件進(jìn)行校正。圖2.10 中， 利用單片機(jī)的P2.7 引腳輸出一定寬度的PWM信號，通過三極管整形后，作用在慣性環(huán)節(jié)上，得到的輸出信號PWMOUT 將作用在音頻功放電路上，還原為聲音。 圖2.10 PWM 輸出電路2.9 音頻功率放大電路為了使系統(tǒng)有足夠大的輸出，驅(qū)動揚(yáng)聲器發(fā)聲，便于調(diào)節(jié)音量， 在PWM 輸出電路后使用了音頻信號功率放大器L

18、M386 構(gòu)建功率放大電路，如圖2.11 所示。 圖2.11 音頻功放電路LM386 型音頻功率放大器主要應(yīng)用于低電壓消費類產(chǎn)品。為使外圍元件最少，電壓增益內(nèi)置為20。但在其引腳1 和5 之間外接電阻和電容， 便可將電壓增益調(diào)為任意值， 直至200。輸入端以地位參考,同時輸出端被自動偏置到電源電壓的一半, 在6 V 電源電壓下, 其靜態(tài)功耗僅為24 mW, 使得LM386 特別適用于電池供電的場合。PWMOUT 為PWM 輸出電路的輸出，揚(yáng)聲器為8 ，0.5 W。經(jīng)過調(diào)試發(fā)現(xiàn)將電源+5 V用10 F 和0.1 F 的電容濾波后，會減小很多噪聲，效果較好。三 軟件系統(tǒng)設(shè)計3.1 系統(tǒng)軟件框圖設(shè)計軟件設(shè)計是整個系統(tǒng)的靈魂，也是系統(tǒng)一個重要的調(diào)試部分。如圖3.1所示為整個系統(tǒng)的軟件框圖，主程序先對系統(tǒng)資源進(jìn)行初始化，然后完成語音的采樣、A/D轉(zhuǎn)換控制和LCD顯示控制，以及鍵盤掃描、PWM調(diào)制器控制。 圖3.1系統(tǒng)軟件流程圖3.2按鍵子程序設(shè)計為方便用戶的使用，本系統(tǒng)設(shè)計多個功能按鍵，包括開、關(guān)、暫停等，按鍵處理子程序流程圖如圖3.2所示。圖3.2鍵盤處理子程序 三 調(diào)試注意事項系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試時，應(yīng)