馬令坤，程林波

（陜西科技大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院，陜西 西安 710021）

自適應(yīng)抵消器設(shè)計(jì)

馬令坤，程林波

（陜西科技大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院，陜西 西安 710021）

聲音是傳遞信息的一種重要途徑，但是無(wú)處不在的噪聲嚴(yán)重影響著信息的傳遞，傳統(tǒng)濾波方法很難把信號(hào)從復(fù)雜的噪聲中分離出來(lái)。本設(shè)計(jì)在TMS320VC5502硬件平臺(tái)上完成了LMS算法，通過(guò)處理淹沒(méi)在噪聲中的信號(hào)，有效消除了噪聲，信噪比增益可達(dá)12.9 dB，驗(yàn)證了抵消器有很好的效果和應(yīng)用價(jià)值。

抵消器；濾波算法；DSP；SNR

在過(guò)去的35年，自適應(yīng)抵消器引起了研究學(xué)者的廣泛關(guān)注，自適應(yīng)抵消器已經(jīng)廣泛應(yīng)用于通信系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域。目前完成自適應(yīng)抵消算法的硬件平臺(tái)［1］主要有專用集成電路（ASIC）、現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列（FPGA）和數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）,ASIC實(shí)現(xiàn)雖然可靠性高、體積小、專用性強(qiáng)，但成本高、設(shè)計(jì)不靈活、開(kāi)發(fā)周期長(zhǎng)和算法移植性困難等特點(diǎn)制約了它的推廣。FPGA采用并行處理方式、使用靈活和可靠性高等特點(diǎn)，但在處理時(shí)延時(shí)大、開(kāi)發(fā)難度大和調(diào)試復(fù)雜，一般在實(shí)驗(yàn)室階段應(yīng)用。DSP獨(dú)特結(jié)構(gòu)和采用了很多提高處理速度的關(guān)鍵技術(shù)使得它具有很強(qiáng)的數(shù)據(jù)運(yùn)算能力，算法容易實(shí)現(xiàn)和移植，是目前應(yīng)用廣泛的硬件平臺(tái)。本文是以TMS320VC5502（下文簡(jiǎn)稱5502）為處理器的硬件平臺(tái)上完成自適應(yīng)濾波算法，5502是TI公司推出的低功耗、高性能、高速的定點(diǎn)處理器，最高時(shí)鐘頻率可達(dá)300 MHz，采用哈弗結(jié)構(gòu)并且擁有豐富的總線，片內(nèi)具有雙乘法器和累加器，可以滿足抵消器實(shí)時(shí)性的要求。

1　抵消器的原理

自適應(yīng)抵消器的原理［2］通過(guò)圖1說(shuō)明，自適應(yīng)抵消器有兩個(gè)通道——主通道和參考通道。主通道是有用信號(hào)s和噪聲信號(hào)n0的共同輸入，參考通道輸入噪聲n1，n0和n1來(lái)自同一個(gè)噪聲源，所以n0和n1有一定相關(guān)性，但是它們和s是不相關(guān)的，并且要盡量避免信號(hào)源對(duì)參考通道的影響［3］。參考通道的主要作用是檢測(cè)干擾，通過(guò)自適應(yīng)濾波器參數(shù)調(diào)整使輸出y在最小均方誤差的準(zhǔn)則下最接近主通道干擾，將主通道的噪聲干擾分量n0對(duì)消掉，系統(tǒng)的誤差輸出就是有用信號(hào)s。

濾波器輸出為y,系統(tǒng)輸出為：

系統(tǒng)輸出均方值為：

因?yàn)閟和n0、n1無(wú)關(guān)，所以s和n0、y無(wú)關(guān)，得出：

代入式（2）得：

通過(guò)調(diào)整自適應(yīng)濾波器的系數(shù)，使E［e2］變得最小，由于只有n1進(jìn)入了濾波器的輸入端，所以最小的E［e2］就會(huì)變成：

在最小均方誤差的意義下，自適應(yīng)濾波器輸出y越接近主通道的噪聲n0會(huì)使系統(tǒng)信噪比大大提高［4］，系統(tǒng)輸出e就會(huì)越接近有用信號(hào)s。

2　硬件設(shè)計(jì)

自適應(yīng)抵消器主要由控制處理單元、語(yǔ)音輸入輸出單元和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等單元組成，處理器選擇TI公司的高性能、低功耗的5502，語(yǔ)音采集和輸出采用芯片TLV320AIC23B（下文簡(jiǎn)稱AIC23B），存儲(chǔ)器FLASH采用存儲(chǔ)容量為512K16的SST39VF800A，存儲(chǔ)器 SDRAM采用存儲(chǔ)容量為 2M32的HY57V643220C。

圖1　自適應(yīng)抵消器原理圖

2.1前置放大濾波電路

本系統(tǒng)話筒采用邦華電子的ED-21，該型號(hào)是鵝頸式電容話筒，話筒靈敏度為-45 dB，采集頻率范圍為 80 Hz～13 kHz，輸入阻抗為600 Ω，參考拾音距離為20～50厘米，話筒由兩節(jié)1.5 V電池供電。由于話筒輸出電壓只有幾毫伏，為了滿足AIC23B動(dòng)態(tài)范圍設(shè)計(jì)了前置放大電路，采用NE5532構(gòu)成兩級(jí)放大電路，放大倍數(shù)可以通過(guò)可變電阻改變，經(jīng)過(guò)放大的語(yǔ)音信號(hào)經(jīng)過(guò)濾波輸入到AIC23B芯片LINE輸入端，由于兩路語(yǔ)音采集信號(hào)前置放大濾波電路相同，下面就對(duì)其中一路進(jìn)行分析。

圖2　自適應(yīng)抵消器硬件框圖

通過(guò)調(diào)節(jié)R3和R6的阻值大小改變放大倍數(shù)，A/D滿量程輸入為1VRMS，設(shè)計(jì)最大放大倍數(shù)為100倍。經(jīng)過(guò)放大后的信號(hào)經(jīng)過(guò)由R7、C7、R8和C8組成濾波網(wǎng)絡(luò)去除干擾和噪聲后輸入AIC23B左聲道線路輸入端（主通道），另外一路經(jīng)過(guò)同樣的放大濾波后輸入AIC23B右聲道線路輸入端（參考通道）。

圖3　放大濾波電路

2.2A/D和D/A電路

AIC23是TI公司生產(chǎn)的一種高性能立體聲音頻編解碼芯片，芯片內(nèi)部集成ADC和DAC轉(zhuǎn)換模塊，采用先進(jìn)的多比特sigma-delta過(guò)采樣技術(shù)［5］。語(yǔ)音信號(hào)的頻率范圍一般在300～3 400 Hz，為了滿足奈奎斯特采樣定理設(shè)置A/D采樣頻率為8 kHz。A/D采樣數(shù)據(jù)寬度設(shè)置為16位。設(shè)計(jì)采用LINE IN輸入方式，獨(dú)立使用LINE接口的兩個(gè)通道，將左右聲道輸入當(dāng)成兩路單聲道通道，左通道輸入被噪聲干擾的語(yǔ)音信號(hào)，右通道輸入噪聲信號(hào)。AIC23和DSP有兩個(gè)接口，一個(gè)是控制口，用于設(shè)置AIC23的采樣頻率、數(shù)據(jù)位寬、工作方式、通道增益等參數(shù)。另一個(gè)是數(shù)據(jù)口，用于傳輸AIC23的A/D、D/A數(shù)據(jù)，可以和DSP外設(shè)MCBSP實(shí)現(xiàn)無(wú)縫連接。

控制接口采用IIC模式，由DSP外設(shè)IIC完成設(shè)置芯片，所以引腳MODE接地。數(shù)據(jù)接口采用DSP mode和5502外設(shè)MCBSP0連接，設(shè)置AIC23B工作在主模式下，MCBSP0的發(fā)送時(shí)鐘和接收時(shí)鐘均由AIC23B提供，輸入輸出幀同步信號(hào)LRCIN、LRCOUT分別和MCBSP0幀同步信號(hào)FSX0、FSR0相連，數(shù)據(jù)輸入輸出DIN、DOUT分別和MCBSP0數(shù)據(jù)接口DX0、DR0相連。傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，先傳輸左聲道數(shù)據(jù)然后緊接著傳輸右聲道數(shù)據(jù)的順序與DSP進(jìn)行通信。

2.3DSP存儲(chǔ)空間擴(kuò)展

5502的程序/數(shù)據(jù)空間采用統(tǒng)一編址，整個(gè)尋址空間為16M字節(jié)，其中片內(nèi)DARAM占64K字節(jié)，ROM占32K字節(jié)，其余被影射到4個(gè)片選子空間CEO-CE3，5502可以通過(guò)外部存儲(chǔ)器接口（EMIF）實(shí)現(xiàn)和片外存儲(chǔ)器無(wú)縫連接。系統(tǒng)擴(kuò)展FLASH主要用于存儲(chǔ)自適應(yīng)抵消器的程序，當(dāng)系統(tǒng)上電時(shí)可以通過(guò)片內(nèi)ROM中固化的引導(dǎo)加載程序（Bootloader），將外部程序加載到片內(nèi)RAM中運(yùn)行,以提高程序運(yùn)行速度，實(shí)現(xiàn)脫機(jī)運(yùn)行。由于片內(nèi)ROM的Bootloader程序是以字地址0x200000為首地址開(kāi)始加載程序，F(xiàn)LASH片選端CE應(yīng)該與CE1連接。擴(kuò)展SDRAM主要用于大量語(yǔ)音緩存數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，映射在DSP的CE2和CE3子空間中。

3　軟件設(shè)計(jì)

3.1算法原理

自適應(yīng)抵消器的抵消算法采用LMS算法，LMS是一種易于實(shí)現(xiàn)、性能穩(wěn)健、應(yīng)用廣泛的算法［6］。LMS算法的步驟可以歸納如下：

圖4　音頻芯片外圍電路

1）確定濾波器長(zhǎng)度L、步長(zhǎng)u和濾波器系數(shù)w（0）,w（0）為開(kāi)始時(shí)刻濾波器的初始化值。

3）計(jì)算誤差信號(hào)：e（n）=d（n）-y（n）

4）通過(guò)LMS算法更新自適應(yīng)濾波器的權(quán)重：

3.2軟件流程

本系統(tǒng)是在代碼集成開(kāi)發(fā)環(huán)境CCS中完成抵消代碼的開(kāi)發(fā)和調(diào)試，圖5是抵消器的軟件流程圖。

圖5　軟件流程圖

4　實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

4.1實(shí)驗(yàn)條件

本次試驗(yàn)的數(shù)據(jù)分為兩種，一種是模擬產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，s（n）=0.5*sin（2*pi*T*n）的正弦信號(hào)，T=f0/Fs,其中f0=100 Hz,Fs= 1 000 Hz,x（n）=3.5*（rand（1,N）-0.5）的白噪聲，白噪聲經(jīng)過(guò)低通濾波后為x1（n）,期望信號(hào)為d（n）=s（n）+x1（n）,參考輸入為白噪聲x（n）,主輸入為期望信號(hào)d（n）,經(jīng)過(guò)抵消過(guò)后的誤差信號(hào)e（n）就是接近的正弦信號(hào)s（n）。另外一種是真實(shí)采集的語(yǔ)音數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)采集采用了兩個(gè)話筒，話筒2采集噪聲，噪聲是用信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生1 500 Hz正弦信號(hào)經(jīng)過(guò)音響放大后的周期信號(hào)，話筒1采集被正弦信號(hào)污染的音樂(lè)《時(shí)間都去哪了》，其中參考輸入為話筒2采集的正弦信號(hào)，主輸入為話筒1采集的被噪聲污染的音樂(lè)。

4.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果和分析

圖6的上半部分是被白噪聲干擾的正弦信號(hào)，完全看不出正弦形狀，下半部分是抵消過(guò)后的結(jié)果，收斂后抵消效果非常好，可以看到正弦形狀。經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)，低信噪比情況下抵消前后的信噪比從-0.66 dB提高到12.26 dB，信噪比增益為12.92 dB。不同信噪比情況下抵消結(jié)果如表1所示。

圖6　模擬數(shù)據(jù)的抵消結(jié)果

表1　不同信噪比的抵消結(jié)果

圖7　采集數(shù)據(jù)的抵消結(jié)果

圖7的上半部分是被正弦信號(hào)嚴(yán)重干擾的音樂(lè)，音樂(lè)信

5　結(jié)論

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析，無(wú)論是模擬數(shù)據(jù)還是真實(shí)采集數(shù)據(jù)在經(jīng)過(guò)自適應(yīng)抵消器處理后都有很好的抵消效果，可以把被噪聲嚴(yán)重干擾的有用信號(hào)提取出來(lái)，大大提高了信噪比。

［1］成利香.基于DSP聲回聲抵消系統(tǒng)的研究［D］.中南大學(xué),2010.

［2］王偉軍，左東廣.一種基于自適應(yīng)濾波的語(yǔ)音降噪方法研究［J］.現(xiàn)代電子技術(shù),2012（2）:84-86，90.

［3］姜達(dá),屠慶平.自適應(yīng)噪聲抵消技術(shù)的應(yīng)用研究與仿真［J］.計(jì)算機(jī)仿真,2007（2）:311-314.

［4］韓剛,孟慶輝.兩種自適應(yīng)噪聲抵消算法的性能仿真［J］.艦船電子工程,2014（2）:79-81，135.

［5］Texas Instruments.TLV320AIC23B Stereo Audio CODEC,8-to 96-KHz,with integrated headphone amplifier［EB/OL］. （2002）.http://www.ti.com

［6］John G.Proakis.數(shù)字信號(hào)處理-原理、算法與應(yīng)用［M］.方艷梅,劉永清等譯.電子工業(yè)出版社，2014.

Adaptive canceller design

MA Ling-kun,CHENG Lin-bo
（College of Electrical and Information Engineering，Shanxi University of Science and Technology，Xi'an 710021,China）

The voice is an important way to convey message,but the ubiquity of noise seriously affects the transmission of information,the traditional filtering methods are difficult to separate signal from the complex noise.The design is completed the LMS algorithm on TMS320VC5502 hardware platform,by processing the signal drowned in the noise,effectively eliminates the noise and the SNR gain up to 12.9dB,verify the Canceller has a good effect and application value.

canceller；filter algorithm；DSP；SNR

TN911.7

A

1674－6236（2016）13-0140-03

2015-07-17稿件編號(hào)：201507127

馬令坤（1967—），男，陜西咸陽(yáng)人，博士，副教授。研究方向：自適應(yīng)信號(hào)處理、陣列信號(hào)處理。