畢業(yè)論文噪音濾除系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)要點(diǎn)

#噪音濾除系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)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(shí)，新型的消費(fèi)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?？墒牵谶M(jìn)行通信或娛樂的同時(shí)一直存在著一個(gè)困擾很久的技術(shù)問題一一噪聲干擾鑒于此缺陷，語音信號(hào)的處理也顯得十分必要。本項(xiàng)目研究設(shè)計(jì)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(shí)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(hào)，然后放大再通過濾波器把外部噪音濾除，最后將清晰的話音經(jīng)微型聽筒傳送到對方的耳中。【關(guān)鍵詞】噪音、聲音采集、語音識(shí)別、麥克風(fēng)一引言本項(xiàng)目研究設(shè)計(jì)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(shí)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(hào)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(hào)，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(hào)的動(dòng)態(tài)范圍寬，處理數(shù)據(jù)量大，對系統(tǒng)實(shí)時(shí)性能要求高。以數(shù)字信號(hào)的形式對信號(hào)進(jìn)行處理，具有處理速度快、靈活、精確、抗干擾能力強(qiáng)、體積小及可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，滿足了對信號(hào)快速、精確、實(shí)時(shí)處理及控制的要求。本設(shè)計(jì)利用了數(shù)字電路的這些優(yōu)點(diǎn)，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(jì)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(gè)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、PW碉制器、高低通濾波器、音頻功放等模塊組成。系統(tǒng)工作時(shí)，首先由麥克風(fēng)陣列采集外界聲音信號(hào)，送到A/D轉(zhuǎn)換器中進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，把模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)送入主控中心進(jìn)

行處理，經(jīng)處理后的信號(hào)再輸入到PW碉制器以及高低通濾波器，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(jì)2.1電源電路電源是整個(gè)系統(tǒng)的能量來源，它直接關(guān)系到系統(tǒng)能否運(yùn)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，能夠滿足圖2.1電源電路2.2RS-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(shí)現(xiàn)單片機(jī)與PC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(jì)要求。該接口電路，方便設(shè)計(jì)中的程序調(diào)試，電路簡單實(shí)用。Dr}\三§cl+VCCcl-GNDcHV-c2-V4-RUNE?.1OUTDr}\三§cl+VCCcl-GNDcHV-c2-V4-RUNE?.1OUTT10UTTltN電OUTT2OUTT21N]3T717TT16]5廠迂比臨ITCFURS-232律口通信模塊圖2.2RS-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ATMEI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(shí)該基本系統(tǒng)還包含了顯示模塊和獨(dú)立按鍵模塊，電路設(shè)計(jì)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：

235門31」1勺二口123血《67* ■CPUD加1 1■!： :」235門31」1勺二口123血《67* ■CPUD加1 1■!： :」W48tap7匸垢ta7 gSJAIOOO1IWT?12P仔14VCC31O12345C7PPPPPPPPTlT0E^/VP控制屮心oI234567-uQoDO□np-p-pp*pppPPPPPPPPPRESETWRRXDTXDALDT3

PSEN39ADDO38ApDl37ADD236ADDSJ5ADLM24.-.DPS33k『臨~；2ADD7Kfv123Key^1LCDENLCDRWLUDRS2aJJAlCiQOCSUPCPUFLXDrrcpirTXD30SJAIOOOALE.■55圖2.3微處理器基本系統(tǒng)2.4語音拾取模塊本項(xiàng)目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(hào)拾取降噪的方法。該方法對每個(gè)麥克風(fēng)采集的聲音信號(hào)進(jìn)行模態(tài)分解，然后根據(jù)各個(gè)IMF信號(hào)的歸一化能量挑選出主要的IMF分量進(jìn)行信號(hào)重構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)對信號(hào)進(jìn)行降噪處理。該設(shè)計(jì)中麥克風(fēng)陣列選用聲望公司的MPA416傳聲器來實(shí)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:延吋M古計(jì)=丿』林乂 f延吋M古計(jì)=丿』林乂 f延時(shí)補(bǔ)處維納濾波

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:參數(shù)估計(jì)圖2.4語音拾取模塊框圖241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(dòng)膜所收集到的聲音信號(hào)轉(zhuǎn)換為音頻電流信號(hào)，最后又還原為聲音信號(hào)。這種麥克風(fēng)結(jié)構(gòu)簡單、價(jià)格低廉、有較長的壽命，但它靈敏度低、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(hào)的麥克風(fēng)電聲組件，這種麥克風(fēng)內(nèi)建前置增益（PreAmp及A/D編碼芯片的麥克風(fēng)電聲組件，其輸出訊號(hào)格式是數(shù)字脈沖訊號(hào)，可以直接與相應(yīng)的編譯碼芯片接口傳輸數(shù)字訊號(hào)。數(shù)字麥克風(fēng)的最大優(yōu)點(diǎn)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(diǎn)，不會(huì)受到那些來自電腦、網(wǎng)絡(luò)、射頻際磁場信號(hào)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(jì)時(shí)更靈活方便，可以采用通用的開發(fā)工具，性價(jià)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(shí)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(gè)具體應(yīng)用。由于駐極體話筒具有體積小、頻率范圍寬、咼保真和成本低的特點(diǎn)，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。243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(gè)上面有若干個(gè)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(gè)極小的空氣隙形

成一個(gè)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(gè)電極構(gòu)成一個(gè)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(dòng)而產(chǎn)生位時(shí)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(shí)必然引起電容器兩端電壓的變化，從而輸出電信號(hào)、實(shí)現(xiàn)聲電的變換。 圖2.5駐極體話筒的結(jié)構(gòu) 圖2.5駐極體話筒的結(jié)構(gòu)-RG+RG-RG+RG-IN+VS+INOUT-VSREFW202.5前置放大電路在一般的信號(hào)放大應(yīng)用中通常只要經(jīng)過差動(dòng)放大電路即可滿足要求，然而基本的差動(dòng)放大電路精密度較差，而且差動(dòng)放大電路上改變放大增益時(shí)，必須調(diào)整兩個(gè)電阻，影響整個(gè)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(gè)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(hào)即可從6腳得到放大后的信號(hào)，5腳為參考基準(zhǔn)電壓輸入，如果接地則6腳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.49.4K(1)(1)Rg1

圖2.6AD620管腳圖(2)49.4K(2)Rg=ET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(hào)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(hào)送至OP07進(jìn)行第二級放大后輸出。COM21Ki■12V\—IK—|-I2VU92OP076—|-1ZV-RG+VS+INOUT■VSREFADd2QAWR5COM21Ki■12V\—IK—|-I2VU92OP076—|-1ZV-RG+VS+INOUT■VSREFADd2QAWR5R7+12V》apo*;0寸POTI>—I+12V圖2.7信號(hào)放大電路TOC\o"1-5"\h\z同相比例運(yùn)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(yùn)放工作在線性區(qū)時(shí)的兩個(gè)特點(diǎn)來分析其電壓放大倍數(shù)。在圖2.7中，根據(jù)運(yùn)放的“虛短”和“虛斷”的特點(diǎn)可知，I-=1+=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(yùn)算電路有以下幾個(gè)特點(diǎn)：同相比例運(yùn)算放大電路是一個(gè)深度的電壓串聯(lián)負(fù)反饋電路。 因?yàn)椴淮嬖凇疤摰亍爆F(xiàn)象，所以其輸入端有較高的共模輸入電壓。電壓放大倍數(shù)A=1+R14/R13,即輸出電壓與輸入電壓的幅值成正比，且相位相同，所以此電路實(shí)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。

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(shí)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(jì)。此放大電路還加了參考電壓，引入了零點(diǎn)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(diǎn)變化問題。它利用滑動(dòng)變阻器產(chǎn)生一個(gè)參考電壓Vref，再利用電壓跟隨器把電壓輸入到運(yùn)算放大電路的電壓參考端。所以調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器，就可以直接改變放大電路的參考電壓。而電壓跟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(dòng)變阻器輸出電壓的影響。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(shí)現(xiàn)對放大后的聲音信號(hào)進(jìn)行采樣。ADC0809與AT89C52的電路連接如圖2.8所示。1kntsiJb1kntsiJb圖2.8ADC0809與AT89S52的連接電路從圖2.8中可以看到，把ADC0809的ALE信號(hào)與START言號(hào)接在一起，這樣可使得在信號(hào)的前沿寫入(鎖存)通道地址，緊接著在其后沿就啟動(dòng)轉(zhuǎn)換。啟動(dòng)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(hào)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(dòng)下一次A/D轉(zhuǎn)換。也可定時(shí)啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換，并讀取上次轉(zhuǎn)換結(jié)果。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。

OPEO(Tt))PB1(T1J A(ADCl)PAlPB2(AQW)(ADC2)PJl2PB3(AIM)(ADC3)PJl3PB4(SS)(ADC4JPA4PBJ(M0S1)(ADC5JPAJ.(NlSO)iPB7(SCE)?ADC7)PA7PDO(REDJ收PDl(TKD)PCIPD2OPEO(Tt))PB1(T1J A(ADCl)PAlPB2(AQW)(ADC2)PJl2PB3(AIM)(ADC3)PJl3PB4(SS)(ADC4JPA4PBJ(M0S1)(ADC5JPAJ.(NlSO)iPB7(SCE)?ADC7)PA7PDO(REDJ收PDl(TKD)PCIPD2(INIO)PCSPD3(INTI)PC3PD4(OC1B)PCIPD5(0?A)PC5PD0(ICPJ(TOSC1)PC?PD7(TKO)(TOSCl)M；RESETAREFACHWKI匚}□ e2627RESETKhrfC13RESET嚴(yán)節(jié)OMMHZATMEGAI#RS麗5T互Is至20aT141?37LCD1603LCDVO4*10T131麗竿R13UI—S3就如曲紳段01234567^^DDDDDDDDLL圖2.9A/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(shí)對比度最弱，接地電源時(shí)對比度最高，對比度過高時(shí)會(huì)產(chǎn)生“鬼影”，使用時(shí)可以通過一個(gè)10K的電位器調(diào)整對比度。第4腳：RS為寄存器選擇，高電平選擇數(shù)據(jù)寄存器、低電平時(shí)選擇指令寄存器。第5腳：RW^讀寫信號(hào)線，高電平時(shí)進(jìn)行讀操作，低電平時(shí)進(jìn)行寫操作。當(dāng)RS和RW共同為低電平時(shí)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(shí)可以讀忙信號(hào)，當(dāng)RS為高電平RW為低電平時(shí)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(shí)，液晶模塊執(zhí)行命令。第7?14腳：D0-D7為8位雙向數(shù)據(jù)線。第15?16腳：背光電源。PWM輸出電路本設(shè)計(jì)采用單片機(jī)輸出PWM言號(hào)驅(qū)動(dòng)音頻放大電路，PWM輸出電路如圖2.10所示oPWM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勺優(yōu)點(diǎn)是從處

理器到被控系統(tǒng)信號(hào)都是數(shù)字形式的，無需進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換。讓信號(hào)保持為數(shù)字形式可將噪聲影響降到最小。此外PWM言號(hào)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PWMI號(hào),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(hào) PWMOU將11111■二11111■二1111TT&1OV*1IHa-4i5■■TT-L11111111小小1亠」亠ULUl:i;ri:i:l:i;l:匸121lr兀兒作用在音頻功放電路上,-1■~----.1丄?一匕一4三--r~還原為聲音。圖2.10PWM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(dòng)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(hào)功率放大器LM386為了使系統(tǒng)有足夠大的輸出，驅(qū)動(dòng)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(hào)功率放大器LM386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(fèi)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(shí)輸出端被自動(dòng)偏置到電源電壓的一半，在6V電源電壓下，其靜態(tài)功耗僅為24mW,使得LM386特別適用于電池供電的場合。PWMOU為PWM輸出電路的輸出，揚(yáng)聲器為8Q,0.5W。經(jīng)過調(diào)試發(fā)現(xiàn)將電源+5V用10卩F和0.1卩F的電容濾波后，會(huì)減小很多噪聲，效果較好。三軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)3.1系統(tǒng)軟件框圖設(shè)計(jì)軟件設(shè)計(jì)是整個(gè)系統(tǒng)的靈魂，也是系統(tǒng)一個(gè)重要的調(diào)試部分。如圖3.1所示為