基于自適應濾波器的語音增強算法研究及DSP實現(xiàn)

1、內(nèi)蒙古大學碩士學位論文基于自適應濾波器的語音增強算法研究及DSP實現(xiàn)姓名：烏曉禮申請學位級別：碩士專業(yè)：信號與信息處理指導教師：白鳳山20050101基于自適應濾波器的語音增強算法研究及實現(xiàn)摘要語音增強的主要目的是從帶噪語音信號中提取盡可能純凈的原始語音信號。本文介紹了一種利用構(gòu)建的基于自適應濾波算法的語音信號增強處理系統(tǒng)。文中在扼要介紹了目前常用的語音增強方法的基礎上，重點介紹了采用算法的自適應語音增強系統(tǒng)。自適應語音增強算法較其它方法相比，采用了一個參考噪聲作為輔助輸入，從而能獲得比較全面的關(guān)于噪聲的信息，岡而可以得到更好的降噪效果。同時它還具有簡單、計算量小、易于實時實現(xiàn)等特點，基于這一

2、點，在語音增強技術(shù)中，算法得到了廣泛的應用。在分析研究算法的基礎上，本課題用和語言對算法實現(xiàn)自適應語音增強進行了仿真實現(xiàn)。為了實現(xiàn)算法在語音增強上的應用，本課題中利用芯片和外圍電路搭建了一個算法驗證平臺，包括語音信號的輸入、轉(zhuǎn)換、自適應處理、轉(zhuǎn)換、語音輸出等部分。編制了的算法程序并下載到芯片中使該系統(tǒng)完成語音信號的采樣輸入，處理及增強輸出。實驗結(jié)果表明，該算法在一定程度上可有效地抑制噪聲，提高信噪比，減少失真。利用處理器構(gòu)建語音信號處理平臺是目前廣泛采用的技術(shù)手段之一，尋找合適的語音處理算法也是語音處理領域中一個熱點問題，本課題在這方而作了一定的探索，并取得初步的經(jīng)驗，為今后繼續(xù)深入研究奠定了

3、一定的基礎。關(guān)鍵詞：語音增強，自適應濾波，算法囂墨。，。，：，一引言語音增強是指語音質(zhì)量的改善或提高。實際語音都是在有噪聲和干擾的環(huán)境下產(chǎn)生的，這樣得到的語音信號是被“污染”了的。語音增強的目的就是去掉語音信號中的噪聲和干擾，改善它的質(zhì)量。語音增強技術(shù)有著廣泛的應用，目前，大多數(shù)語音編碼、語音識別系統(tǒng)都只能在實驗室無噪聲干擾的環(huán)境下才能很好工作。把語音增強作為語音識別的預處理就顯得非常必要。另外，從高噪聲錄音中恢復出高質(zhì)量的語音也需要語音增強技術(shù)。有關(guān)抗噪聲的研究以及實環(huán)境下的語音信號處理系統(tǒng)的開發(fā)，多年來在國內(nèi)外一直作為語音信號處理的非常重要的研究課題。實際上，解決噪聲問題的根本方法是實現(xiàn)噪

4、聲和語音的自動分離。盡管人們很早就有這種愿望，但由于技術(shù)的難度，這方面的研究進展很小。還不能應用于實際應用。在這種情況下，采用語音增強算法，提高輸入信號信噪比就不失為一種解決噪聲污染的有效途徑。二常用的語音增強算法語音增強的首要目標是在接收端盡可能的從帶噪語音信號中提取純凈的語音信號，改善其質(zhì)量。語音增強不僅涉及信號檢測、波形估計等傳統(tǒng)信號處理理論，而且與語音特性，人耳感知特性密切相關(guān)；另外，實際應用當中噪聲的來源及種類各不相同，從而造成處理方法的多樣性。因此，要結(jié)合語音特性、人耳感知特性及噪聲特性，根據(jù)實際情況選用合適的語音增強方法。（一）語音特性語音信號是一種非平穩(wěn)的隨機信號。語音的生成過

5、程與發(fā)音器官的運動過程密切相關(guān)，考慮到人類發(fā)聲器官在發(fā)聲過程中的變化速度具有一定的限度而且遠小于語音信號的變化速度，因此可以假定語音信號是短時平穩(wěn)的，即在的時間段內(nèi)其某些物理特性和頻譜特性可以近似地看作是不變的，從而可以應用平穩(wěn)隨機過程的分析方法來處理語音信號，并可以在語音增強中利用短時頻譜時的平穩(wěn)特性。任何語言的語音都有元音和輔音兩種因素。根據(jù)發(fā)聲的機理不同，輔音又分為清輔音和濁輔音。從時域波形上可以看出元音和濁輔音具有明顯的準周期性和較強的振幅，它們的周期所對應的頻率就是基音頻率：清輔音的波形類似于白噪聲并具有較弱的振幅。在語音增強中可以利用濁音具有的明顯的準周期性來區(qū)別和抑制非語音噪聲，

6、而清輔音的特性則使其和寬帶噪聲區(qū)分困難。語音信號做為非平穩(wěn)、非遍歷隨機過程的樣本函數(shù)，其短時譜的統(tǒng)計特性在語音增強中有著舉足輕重的作用。根據(jù)中心極限定理，語音的短時譜的統(tǒng)計特性服從分布，當然實際應用時只能將其看作是在有限幀長下的近似描述?！尽浚ǘ┤硕母兄匦匀硕母兄匦杂幸韵轮饕攸c：人耳對于盧波頻率高低的感覺與實際頻率的高低不呈線性關(guān)系，而近似為對數(shù)關(guān)系；人耳對聲強的感覺很靈敏且有很大的動態(tài)范圍，人耳對于頻率的分辨能力受聲強的影響，過強或過弱的聲音都會導致對頻率的分辨力降低；人耳對語音信號的幅度譜較為敏感，對相位不敏感。這一點對語音信號的恢復很有幫助。共振峰對語音感知很重要，特別是前三

7、個共振峰更為重要。人耳具有掩蔽效應，即會產(chǎn)生一個聲音由于另一個聲音的出現(xiàn)而導致該聲音能被識別的閾值提高的現(xiàn)象。人耳除了可以感受聲音的強度、音調(diào)、音色和空問方位外，還可以在兩人以上的講話環(huán)境中分辨出所需要的聲音，這種分辨能力是人體內(nèi)部語音理解機制具有的研十感知能力。人類的這種分離語音的能力與人的雙耳輸入效應有關(guān)，稱為“雞尾酒會效應”。語音增強的最終效果度量是人耳的主觀感覺，所以在語音增強中可以利用人耳感覺特性來減少運算的代價?！浚ㄈ┰肼曁匦栽肼暱梢允羌有缘?，也可以是非加性的。非加性的噪聲可以通過某種變換轉(zhuǎn)為加性的噪聲。加性噪聲通常分為沖激噪聲、周期噪聲、寬帶噪聲、語音干擾噪聲等。非加性的噪聲主

8、要是殘響及傳送網(wǎng)絡的電路噪聲等。（）沖激噪聲：如放電、打火、爆炸等引起的沖激噪聲，它的時域波形是類似沖激函數(shù)的窄脈沖。（）周期噪聲：常見的有電動機、風扇之類周期運動的機械所發(fā)出的周期噪聲，交流電源哼哼聲也是周期噪聲。在頻域上它們表現(xiàn)為離散的窄潛。（）寬帶噪聲：說話時間同時伴隨著呼吸引起的噪聲，隨機噪聲源產(chǎn)生的噪聲，以及量化噪聲等都可以視為寬帶噪聲。其顯著特點是噪聲頻譜遍布于語音信號頻譜之中，導致消噪較為困難。（）語音干擾：干擾語音信號和待傳語音信號同時在一個信道中傳輸所造成的干擾稱為語音干擾。區(qū)別有用語音和干擾語音的基本方法是利用它們的基音差別。（）傳輸噪聲：這是傳輸系統(tǒng)的電路噪聲。與背景噪聲

9、不同，它在時間域罩是語音和噪聲的卷積。（四）語音增強的常用算法目前，語音增強主要有濾波法的語音增強技術(shù)、利用相關(guān)技術(shù)的語音增強技術(shù)和非線性處理語音增強技術(shù)等。下面我們逐一介紹這幾種算法的基本原理。濾波法語音增強技術(shù)（）陷波器法對周期噪聲采用陷波器是較為簡便和有效的方法，它的基本原理是所設計的陷波器的幅頻眭線的凹處對應周期噪聲的基頻和各次諧波，通過合理設計使這些頻率處的陷波寬度足夠窄，如圖所示。圖陷波器法語音增強結(jié)構(gòu)圖（）自適應濾波器自適應濾波器最重要的特性是能有效地在未知環(huán)境中跟蹤時變的輸入信號，使輸出信號達到最優(yōu)，因此可以用來構(gòu)成自適應的噪聲消除器。其基本原理如圖?！保ǎ﹫D自適應噪聲消除器利

10、用相關(guān)特生的語音增強技術(shù)此方法利用語音信號本身相關(guān)，而語音與噪聲、噪聲與噪聲可認為互不相關(guān)的性質(zhì)，對帶噪語音做自相關(guān)處理，可以得到與不帶噪語音信號同樣的自相關(guān)幀序列。下面來說明它的原理。設帶噪語音為：（）（）（）其中，（）為純凈語音信號，（）為近似白噪聲的噪聲信號?？紤]到它們的短時平穩(wěn)的特性，計算（）的自相關(guān)函數(shù)：【事（）加卅郇）西；）州明邯（）州）咖亭吵卜咖即）呻吖（）川呻吖）西式中（）為短時平穩(wěn)所加的時間窗函數(shù)。上式第一項為純凈語音信號的白相關(guān)，第二項到第四項分別為語音與噪聲、噪聲與噪聲的相關(guān)函數(shù)。由于語音信號與噪聲、噪聲與噪聲可認為互相不相關(guān)。所以上式第二項到第四項的積分結(jié)果可認為是近似

11、為零或甚小。這樣就有：；弘）（）刪出。亭吵）讎）即（）與噪聲無關(guān)，只約等于純凈語音信號的自相關(guān)函數(shù)（）。所以，如果將自相關(guān)系數(shù)做為識別系統(tǒng)的特征，就可以達到抗噪的目的。減譜法語音增強技術(shù)減譜法是處理寬帶噪聲較為傳統(tǒng)和有效的方法，其基本思想是在假定加性噪聲與短時平穩(wěn)的語音信號相互獨立的條件下，從帶噪語音的功率譜中減去噪聲功率譜，從而得到較為純凈的語音頻譜。如果設（）為純凈語音信號，（）為噪聲信號，（）為帶噪語音信號，則有：（）月（）用（。）、（）、（）分別表示（）、（）、（）的傅里葉變換，則可得下式：】，（國）（國）（）因此，如果用（）、（）、（）分別表示（）、（）年（）的功率譜，則有：（）（）

12、（）而由于平穩(wěn)的功率譜在發(fā)聲前和發(fā)聲期間可以認為基本沒有變化，這樣可以通過發(fā)聲蒔的所謂“寂靜段”（認為在這一段里沒有語音只有噪聲）來估計噪聲的功率譜（），從而有：（）（）（）這樣減出來的功率譜即可認為是較為純凈的語音功率譜，然后，從這個功率譜可以恢復降噪后的語音時域信號。利用濾波法的語音增強技術(shù)假定（）和（）都是短時平穩(wěn)隨機過程，則由卜積分方程為：月（）（口）月（）兩邊取傅立葉變換有：島（）（）厶（國）從而得到：一篇再由于：只。（）并考慮到由于（）和（）相互獨立，所以有：厶（）（）（）將上二式帶入第三式，則得到如下：腳，揣。（）（）（）以上的推導過程是在短時平穩(wěn)的前提條件下進行的，所以語音信號

13、必須是加窗后的短時幀信號。只出，可由類似于減譜法中介紹的方法得到，只可用帶噪語音功率譜得到。顯然，每幀語音信號的功率譜為：由傅立葉反變換可以得到降噪以后的語音信號的時域表示形式。就目前而言，帶自適應濾波器的自適應噪聲抵消法對含噪語音的增強效果最好。因為這種方法多用一個參考輸入作為輔助輸入，從而獲得比較全面的關(guān)于噪聲的信息，而能得到更好的降噪效果。特別是在輔助輸入與語音中的噪聲完全相關(guān)時，自適應噪聲抵消法能完全排除噪聲的隨機性，徹底抵消語音中的噪聲成分。從而，無論是在信噪比方面，還是在語言的可懂度方面都能獲得較大的提高。本課題的內(nèi)容就是在深入學習研究自適應理論、算法的基礎通過和十對自適應算法進行

14、非實時的仿真，并在以組成的最小系統(tǒng)上實時實現(xiàn)。三自適應濾波器原理（一）自適應濾波原理未知統(tǒng)計特性環(huán)境下處理觀測信號或數(shù)據(jù)，要獲得所期望結(jié)果時，利用自適應波器可以獲得令人滿意的解，其性能遠超過用通用方法設計的固定參數(shù)的濾波器。自適應濾波器是這樣的處理器，它在統(tǒng)計特性未知或統(tǒng)計特性變化時，能夠調(diào)整自己的參數(shù)，以滿足某種最佳準則的要求，當輸入信號的統(tǒng)計特性未知時，自適應濾波器調(diào)整自己參數(shù)的過程稱為“學習”過程：而當輸入過程的統(tǒng)計特性變化時自適應濾波器調(diào)整自己參數(shù)拘過程稱為“跟蹤”過程。自適應濾波器由參數(shù)可調(diào)的數(shù)字濾波器和自適應算法兩部分組成，數(shù)字濾波器既可以是數(shù)字濾波器也可以是數(shù)字濾波器。在維納濾波

15、器理論發(fā)明的早期，人們使用濾器。但是，現(xiàn)在更多的人使用濾波器。一個濾波器是固有穩(wěn)定的，因為它的結(jié)構(gòu)包含正向通路。換句話說，在濾波器中，輸入一輸出交互作用的機理只有一個，即通過正向通路從濾波器輸入到濾波器輸出。正是這種信號傳輸形式，限制了濾波器的脈沖響應是有限域的。另一方面，濾波器同時兼有正向通路和反饋通路。反饋通路的存在，意味著濾波器輸出的一部分有可能返回到輸入端。顯而易見，除非通過特別設計，濾波器內(nèi)部反饋可能產(chǎn)生刁穩(wěn)定，導致濾波器震蕩。當濾波器為自適應時，本身就有不穩(wěn)定的問題，如果再組合濾波器的不穩(wěn)定問題，事情將變得更為復雜，更難處理。根據(jù)這個理由，在自適應濾波器應用中，一般采用濾波器。實際

16、上白適應濾波器是一種能夠自動調(diào)節(jié)本身參數(shù)的特殊維納濾波器，在設計時不需要事先知道關(guān)于輸入信號和噪聲的統(tǒng)計特性的知識，它能夠在自己的工作過程中逐漸“了解”或估計出所需要的統(tǒng)計特性，并以此為根據(jù)自動調(diào)整自己的參數(shù)，以達到最佳濾波效果。旦輸入信號的統(tǒng)訓特性發(fā)生變化，它又能夠跟蹤這種變化，自動調(diào)整參數(shù)，使濾波器性能重新達到最佳。下面介紹實現(xiàn)自適應濾波的算法。（二）最陡下降算法自適應橫向濾波器具有以下功能：“（）按照某種自適應算法自動調(diào)節(jié)濾波系數(shù)的橫向濾波器：分別以（）。（）表示各個濾波器所在時刻的權(quán)系數(shù)。（）調(diào)節(jié)這些系數(shù)的過程：首先自動凋節(jié)濾波器系數(shù)的自適應訓練步驟，然后利用濾波系數(shù)加權(quán)延遲線抽頭上的

17、信號來產(chǎn)生輸出信號，將輸出信號與期望信號進行對比，所得誤差值通過一定的自適應控制算法再來調(diào)整權(quán)值，以保證濾波器處在最佳狀態(tài)，達到實現(xiàn)濾波目的。圖自適應橫向濾波器結(jié)構(gòu)圖【令（），（），：（”），（）】（）【（），（），（）則輸出信號誤差序列：（）（）（）（）（）（）（）一（）其中（）為期望信號。顯然，自適應濾波器控制機理是用誤差序列（）按照某種準則和自適應算法對其系數(shù)：（），進行調(diào)節(jié)，最終使自適應濾波器的目標函數(shù)最小化，達到最佳濾波狀態(tài)。按照均方誤差（）準則定義：（）（）將（）（）一（）帶入上式，均方誤差函數(shù)重寫為：（）（）一（）（）（）（）（）。（）（）】當濾波器系數(shù)固定時，均方誤差函數(shù)又可寫

18、成：（，）（）（，卜（）其中：（）（）是輸入信號的自相關(guān)矩陣；（）（）是期望信號與輸入信號的互相關(guān)矢量：將上式對求導，并令其等于零，同時假設是非奇異的，由此可得最佳濾波系數(shù)。為：。（）由式可見，均方誤差（）是權(quán)矢量。（），的二次函數(shù)它代表以，（），為自變量的一個“超拋物面”。當權(quán)矢量。時，均方誤差（）達到最小值。幾何上這相當于超拋物面的最小點。在一般情況下，濾波器在迭代過程中或當輸入過程統(tǒng)計特性發(fā)生變化時，權(quán)矢量并不正好等于。，而是處于某一最佳值（）上。為了減小誤差，一個顯然的方法是找出該工作點處使均方誤差（）減小速率最大的方向，亦即梯度的負方向，然后令權(quán)矢量（）沿著梯度的負方向修正。令療，代

19、表時刻的×維梯度矢量，則權(quán)矢量（）可用下列簡單遞歸關(guān)系計算：（）（）×一（）式中，是一個正實數(shù)，通常稱它為自適應收斂系數(shù)或步長因子。根據(jù)梯度矢量定義，（）可寫成：（）（）幫一（”）工（”）】可計算出濾波系數(shù)更新值：（）（）（）上式是最陡下降法的數(shù)學公式，由此公式可得如下信號流程圖。（）（）圖最陡下降算法的信號流圖算法穩(wěn)定與收斂自適應濾波系數(shù)的誤差矢量（）定義為：（）（）一（）上式可寫為另一種形式：（）一（）一（）（）（）將對角化：”（）（）式中，八為對角線矩陣，它的元素是的特征值。令（）“（）（）”（）一】則有：（）（）（）把上式推算寫成：（）。川（）（）（）（一“）“（”

20、）從上式可看出，為保證最陡下降算法穩(wěn)定與收斂，必須要求所有的特征值滿足下式！。（女）”，或一，的絕對值必須小于，由此得算法穩(wěn)定收斂條件為：三?！埃ǎ┦街?，。是相關(guān)矩陣的最大特征值。上式是最陡下降法搜索二次誤差性能曲面迭代計算收斂的必要條件。由此表明隨著的增大。自適應濾波系數(shù)矢量趨近于最佳維納解。為免去計算的特征值的麻煩，現(xiàn)將式作一些變換，因為是正定的。所以有：九?，F(xiàn)對式（）更保守的估計，有：“這里，是的跡，它可以用信號的取樣值進行估計，即：研（”）算法白調(diào)整過程在自適應調(diào)整參數(shù)的過程中，均方誤差是迭代次數(shù)的確函數(shù)。采用最陡下降算法時，權(quán)矢量隨迭代次數(shù)變化由下式確定：（）盯；（）式中，盯；是期望

21、信號（）方差，假設其均值為，則有氏。一嶗，再由式（）平（，）可得某一時刻的均方誤差（）的表達式：（）（）（）（）（）（）式中，為旋轉(zhuǎn)參數(shù)矢量。將式（）展丌成元素乘積和，便得到（）。丑一“”（），（）式中，（。），；（）是濾波系數(shù)第個分量的起始值。兇此，最陡下降算法使自適應濾波器中均方誤差（）的差值（）一隨時問迅速下降。對于自適應濾波系數(shù)來說，由式（）和（）可得：（）（一）（）（）（）“，（），（）（）可以看出，濾波器系數(shù)對晟佳濾波值的偏差值也是瞬變和接近指數(shù)律衰減的，用時間常數(shù)來估計上述瞬變特性，可求得：。±。÷：。（，）萬：（引）這里時間常數(shù)表明第個。（）幅度衰減到起始值

22、（）的倍所需的時間。其中為自然對數(shù)的底數(shù)，時間常數(shù)可以描述自適應濾波器濾波系數(shù)自調(diào)整過程的瞬態(tài)性質(zhì)。當自適應步長滿足規(guī)定的收斂條件，它的值越大，自適應收斂時間越短，白適應過程就越快。（三）算法及其收斂性分析最陡下降算法每次迭代都需要知道性能曲面上某點的梯度值。而實際二梯度值只能根據(jù)觀察數(shù)據(jù)進行估計。算法就是一種很有用且很簡單的估計梯度的方法，這種算法自年代初提出后很快得到廣泛的應用。它的突出優(yōu)點是計算量小，易于實現(xiàn)，且不要求脫線計算。只要自適應濾波器每次迭代運算時都知道輸入信號和參考響應，那么，選用算法是很合適的。算法最核心的思想是用平方誤差代替均方誤差，即梯度矢量用下式來近似：移（）（盯）】

23、（）（）式中的（）為：（）（）（）（）（）（）于是，算法最終為：（）（）（行）三”一號（”）（）“（”）（）（）該式說明，算法實際上是在每次迭代中使用很粗略的梯度估計值（）來代替精確值）。不難預計，權(quán)系數(shù)的調(diào)整路徑不可能準確地沿著理想的最陡下降的路徑，困而權(quán)系數(shù)的調(diào)整過程是有噪聲的?；蛘哒f（）不再是確定性函數(shù)而變成了隨機變量。算法調(diào)整權(quán)系數(shù)對不需要進行平方和統(tǒng)計平均運算。因而實現(xiàn)起來很簡單。下一時刻權(quán)矢量（）等于當前權(quán)矢量（）加上一個修正量，該修正量等于誤差信號（）的加權(quán)值，加權(quán)系數(shù)為（）。它正比于當前的輸入信號。對權(quán)矢量的所有分量來說，誤差信號（）是相同的。把式（）與式（）代入式（）中，則得

24、到（）（）硝（”）【（”）一。（）（”）（）（）】（）（）（）（）由（）式得到白適應算法信號流圖。這是一個具有反饋形式的模型，如圖所示。圖自適應算法信號流圖算法計算步驟如下：】（）根據(jù)所處理信號的特征，選取濾波器的階數(shù)及收斂因子。（）令（）一，（）表示一維數(shù)為，各分量為的向量。（）（；）（班，（女一）】（）瞰）（女）缸女）一（）（）（）￥（）算法自適應收斂分析將（）式代入（）式得到：（）【（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）將移至等式左邊，上式可寫成：（）（）（）】（）【（）（）（）（）對上式兩邊取數(shù)學期望，得到：【（）卜（【（）（）（）【（）（）（）（）（）（）（）【（）（）卜（

25、）（）（）（）上式右邊第二項應等于零。由此可簡化寫成：（）（）（）（）可以看出，算法與最陡下降算法有相同的精確數(shù)學表達形式。因此，算法收斂條件是乜÷以。，）這里。是相關(guān)矩陣的最大特征值。實際上，一般用輸入功率，。來確定收斂條件，可得：（。）。）（四）自適應噪聲抵消系統(tǒng)的組成原理圖給出了采用橫向濾波器的基于算法的自適應濾波器的原理圖。圖中自適應算法框中，進行運算（）（）（）（）其中：（）（）（）一（）（）一（）（）（），（），帆（）（）（），（）式（）的純量形式為：（）（）礦（”）（）（）（）圖采用橫向濾波器結(jié)構(gòu)的算法自適應濾波器對于自適應濾波器，（）如何獲得是一個重要問題，為獲得（）

26、，采用了如圖所示的方法。嘲圖自適應噪聲抵消系統(tǒng)算法中采用了兩個通道：主通道和參考通道。主通道要接收從信號源發(fā)來的信號，但受到干擾源的干擾，這使得主通道不但收到信號，也收到干擾。參考的作用在于檢測干擾，并通過自適應濾波調(diào)整其輸出，使在最小均方誤差意義下最接近主通道干擾。這樣，通過相減器，將主通道的噪聲分量抵消。設參考通道收到干擾。，由于傳送路徑不同，和。是不同的，但因二者都來自同樣的干擾源，所以它們是相關(guān)的。假設參考通道收到的有用信號為零，且與干擾無關(guān)，在圖中，主通道的輸入。成為自適應濾波器的需要信號，系統(tǒng)輸出則取自誤差信號，即：。一（）均方誤差均方值：）（。一）（。一）（。一）因為和。，無關(guān)，

27、所以和。，無關(guān)，則（。一）（）（）這樣，式（）就成為：）（）（。一）（）自適應濾波器需調(diào)整其加權(quán)矢量，使最小，因不在自適應濾波器通道內(nèi)，所以這種最小化可表示為：（）（。一）（）從而自適應濾波器調(diào)整的結(jié)果，將使在均方誤差最小的情況下，最接近主通道噪聲分量¨，因而使系統(tǒng)輸出中的噪聲大為降低。再有，由式（）有：所以：（。一）（）上式說叫，在最小均方誤差意義下，最接近。，等效于最接近。所以在噪聲抵消系統(tǒng)的輸出端大大地提高了信號噪聲比，而且并未造成大的信號失真。（五）信噪比（）的計算信噪比定義為語言信號的功率與噪聲功率之比。按總能量來計算信噪比，由圖可見系統(tǒng)的輸入信噪比為主通道輸入信號：中的有

28、用信號的總能量與干擾噪聲總能量之比，即：加：釜翌輸出信噪比驢赫（）。側(cè)刪：；塑；信噪比提高量定義為刪京蒜（）四基于和的算法驗證和非實時仿真（一）算法仿真過程本實驗采用把數(shù)字化的混噪聲音文件和噪聲參考文件轉(zhuǎn)化為的數(shù)據(jù)文件格式存入磁盤。以數(shù)組的方式分別讀入保存好的待處理的聲音和參考噪聲文件，用前面所述的算法自適應處理混噪聲音，把處理好的結(jié)果再由讀入，借助強大的圖形功能，觀看混噪語音處理前后的時域波形、參考噪聲信號的時域波形。分別計算處理前后的信噪比。并把處理后的聲音文件轉(zhuǎn)為流行的聲音文件格式，以便于在計算機上采用普通聲音文件播放器播放，實際試聽處理前后的效果。實現(xiàn)的框圖如圖。主要程序模塊說明：部分

29、：（）（）讀入并自適應處理（，）程序部分：自適應濾波主要原代碼：（；十）；（；）；】；（；）】（二）仿真實驗結(jié)果采用兩段純凈語音和一段噪聲，使用音頻處理軟件把二者混合，純凈語錄音機經(jīng)錄制而成的文件，噪聲是由音頻處理軟件產(chǎn)生的近似白噪聲。音頻格式采用位單聲道，實驗結(jié)果如圖。按上面介紹信噪比的計算方法（“電腦”），（“電腦”）；（“看書”），（“看書”）。信噪比有顯著提高。爨純凈語簧“電腦”的時城波形。“鬻巰凈語音“蠹書”鰭域波影，“”圖參考噪聲時域波形爨“電結(jié)”漶旮參考礤聲摩鱗時域坡影踟“日霉合礤語音電腦”竇避瘕處理詹輯時域泣彩“髓“看書”混奢參考嗥聲詹的時域波形?！?。圖含噪語音“看書”自適應處

30、理后的波形”五算法基于的實現(xiàn)（一）概述也稱數(shù)字信號處理器，是一種具有特殊結(jié)構(gòu)的微處理器。的內(nèi)部采用程序總線和數(shù)據(jù)總線分開的哈佛結(jié)構(gòu)，具有專門的硬件乘法器，廣泛采用流水線操作，提供特殊的數(shù)字信號處理指令，可以用來快速地實現(xiàn)各種數(shù)字信號處理算法。的基本結(jié)構(gòu)包括：（）哈佛結(jié)構(gòu)。哈佛結(jié)構(gòu)的主要特點是將程序和數(shù)據(jù)存儲在不同的存儲空間中，即程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器是兩個相互獨立的存儲器，每個存儲器獨立編址，獨立訪問。與兩個存儲器相對應的是系統(tǒng)中設置了程序總線和數(shù)據(jù)總線，從而使數(shù)據(jù)的吞吐率提高了一倍。由于程序和數(shù)掘存儲在兩個分開的空間中，因此取指和執(zhí)行能完全重疊。（）流水線操作。流水線與哈佛結(jié)構(gòu)有關(guān)。廣泛采用

31、流水線，以減少指令執(zhí)行的時間，從而增強了處理器的處理能力。處理器可以并行處理條指令，每條指令處于流水線的不同階段。（）多總線結(jié)構(gòu)。許多內(nèi)部都采用了多總線結(jié)構(gòu)，這樣保證在一個機器周期內(nèi)，可以同時訪問數(shù)據(jù)和程序存儲空間。因此可以解決傳統(tǒng)芯片的總線沖突問題，使系統(tǒng)的速度和效率大大提高。（）專用的硬件乘法器。乘法速度越快，的性能越高。由于具有專用的應用乘法器，乘法可在一個周期內(nèi)完成。（）特殊的指令。為了更好地滿足數(shù)字信號處理應用的需要，在指令系統(tǒng)中，設計了一些特殊的指令，以完成一些專門的運算。例如的指令，專用于濾波運算。（）快速的指令周期。哈佛結(jié)構(gòu)、流水線操作、專用的硬件乘法器、特殊的指令，再加上集成

32、電路的優(yōu)化設計，可使的指令周期在以下。（二）主要芯片介紹芯片簡介￥是公司生產(chǎn)的第七代定點數(shù)字信號處理器，它的微處理器采用修正的增強型啥佛結(jié)構(gòu)。其片內(nèi)有、條總線、及片內(nèi)外設等硬件配置，吼及高度專業(yè)化的指令系統(tǒng)。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖。的內(nèi)部硬件結(jié)構(gòu)包括如下功能單元：（）中央處理單元（）?？梢赃M行高速并行算術(shù)和邏輯處理。（）內(nèi)部總線結(jié)構(gòu)。有八條位總線，包括四條程序數(shù)據(jù)總線和四條地址總線，因此，可以在每個指令周期內(nèi)產(chǎn)生兩個數(shù)據(jù)存儲地址，大大提高了并行數(shù)據(jù)處理速度。（）特殊功能寄存器。共有個特殊功能寄存器，用于對片內(nèi)各功能模塊進行控制、訪問和其他管理。這些寄存器位于一個具有特殊功能的影射存儲區(qū)內(nèi)。（）數(shù)據(jù)存儲

33、器。具有每個指令周期內(nèi)可以進行兩次存取操作的。（）程序存儲器。的程序存儲器可以在或上，即程序空間不僅定義在上，也可以定義在片內(nèi)中。尤其，當需要高速運行的程序時，可以應用自動裝載的方法，將程序調(diào)入片內(nèi)，提高運行效率，降低對外部的速度要求。不僅可以降低應用系統(tǒng)的硬件成本，而且可以提高系統(tǒng)的整體抗干擾性能。具有的。（）口。有兩個通用端口。即和。為了訪問更多的通用，可以對主機通信并行接口和同步串行接口進行配置，以用做通用。（）主機通信接（）。提供與主處理器接口的并行接。（）串行接口。有兩個多通道緩沖的串行接口（）。（）定時器。有兩個帶位預定標器的位定時電路?？赏ㄟ^編程實現(xiàn)停止、重啟動、復位和禁止。定時

34、器計數(shù)器每次減少到，則產(chǎn)生一個定時中斷。（）中斷系統(tǒng)。的中斷可以由硬件驅(qū)動（硬件中斷）或軟件中斷（軟件中斷）。當中斷產(chǎn)生后，會掛起它的主程序，而執(zhí)行中斷服務程序。序地，：成逆僻數(shù)制地址城芝輒圖內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖簡介是公司生產(chǎn)的一種模擬接口電路（），它是一個音頻頻段的處理器，在一個單片的芯片上提供一個模擻以及數(shù)模輸入輸出接口系統(tǒng)。該芯片集成了一個帶通開關(guān)電容抗混疊輸入濾波器，一個位精度的摸數(shù)轉(zhuǎn)換器，一個低通開關(guān)電容輸出罩建濾波器，一個（）補償器以及一個供數(shù)據(jù)和控制傳輸?shù)拇薪涌?。的功能如圖所示。內(nèi)部電路的配置以及性能參數(shù)是由讀入的個數(shù)據(jù)寄存器的控制信息決定的。寄存器的數(shù)據(jù)建立起芯片給定的操作和應用模式。

35、【圖內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖￥由一個通道和一個通道以及與之相聯(lián)系的數(shù)字控制電路組成。兩個通道同時工作，通道的數(shù)據(jù)接收以及通道的數(shù)據(jù)傳送是在同一時問間隔內(nèi)進行的。數(shù)據(jù)傳輸格式是的補碼。的信號通道，模擬信號均進行差分處理，對不希望的信號能夠產(chǎn)生極好的共模抑制，直到變換為數(shù)字信號。信號由輸入放大器放大，有三種放大增益可由軟件選擇，典型增益為、和。輸入放大器也可編程為壓制模式。它的通道在第一通信期問由引腳接收來自主機的位串行數(shù)據(jù)字（的補碼），并在第個的上升沿將數(shù)據(jù)鎖存。數(shù)字串行接口由移位時鐘、幀同步信號、通道數(shù)據(jù)輸出以及通道數(shù)據(jù)輸入構(gòu)成。在第一個位幀同步信號期間傳送來自引腳的通道轉(zhuǎn)換的數(shù)字結(jié)果，并將來自主機的位數(shù)據(jù)

36、傳送到。（三）與的串行接口與的串行接口如圖所示。的時鐘由引入，其最高頻率為。模擬接口的采樣速率以及內(nèi)部濾波決定于的分頻比，它使用內(nèi)部的和兩個寄存器的值。的和兩個信號接在一起，和兩個信號也接在一起，這樣就保證了同步串行接口（）的接收和傳送兩邊都使用同樣的時鐘信號和幀同步（）信號。【】一一圖與的串口連接（四）系統(tǒng)實現(xiàn)的主要原理電路系統(tǒng)實現(xiàn)的主要電路有四部分組成，分別為電源電路、麥克風輸入和功放輸出電路、以及外圍電路組成的轉(zhuǎn)換和轉(zhuǎn)換電路及以與外霄組成的白適應處理電路組成。電源電路電源電路輸入為單一的電源，輸出為整個系統(tǒng)需要的、和電源。實現(xiàn)電路如圖所示。廊轉(zhuǎn)換鞠轉(zhuǎn)按瞧路，和轉(zhuǎn)換電路主冀由配合必要的外倒

37、電路完成，這部分路同寸承撰等黲多通遴緩掙率囂羧疊熬串囂數(shù)據(jù)贊翰。魄臻見蟄。自迸應處理電路蠢適盛處邈魄跨主要出完殘，掰露要麴程痔潮詫在：簽冀中，為解決供電的和供電的之問數(shù)攢傳輸?shù)倪壿嫶_，接入了電平轉(zhuǎn)換芯片。具體電路見圖。麥克風輸入和功敞輸出電路麥克娥輸入萋翼功鼓輸出電路，提供對麥寵風箍入信號鮑蘺饕放大幫濾波整形，勢把單極輸入調(diào)整為差動輸入，提供給進行轉(zhuǎn)換。功率放大魄路主要以為核心，對轉(zhuǎn)換出的模擬聲音信號進行功率放大以便驅(qū)動耳機或揚聲器具體臼路見圖。匿電源電路圖嘻：蘭餐喜翟÷剁。§。；苫名回發(fā)耋麓。，上上“；：。：一卻“一：主一：日？杠廣馴圖麥克風輸八和功放輸出電路圖（五）上實現(xiàn)自適應語音增強的算法流程和程序?qū)崿F(xiàn)由于實驗中所使設計的系統(tǒng)只具備一個模擬接口芯片，實驗中采用了先取一段噪聲數(shù)據(jù)存入中，來模擬實時的參考噪聲輸入，含噪語音采用了實時的輸入、輸出。用配合外圍電路來完成語音和噪聲的采集，然后通過與的多