JK-DP50型數字降噪聲處理器的工作原理及其應用(圖)

引言
　隨著數字信號處理(dsp)技術的迅猛發展，以數字信號處理器及相關算法為技術的數字降噪聲技術也不斷出現。本文提到的jk-dp50型數字降噪聲處理器就是應用數字信號處理器dsp技術及高速實時處理運算的特性，采用獨特的軟件算法，對高噪聲環境中的話音和噪音進行處理，完成高噪聲環境中的語音通信功能，使話音在高噪聲環境下仍然比較清晰。

jk-dp50的性能指標
● 工作電壓為+12v±10%；工作電流小于70ma。

● 具有降噪控制功能(con) 控制信號(con)為高電平(+5v)時,降噪聲模塊斷開，信號直接通過；控制信號(con)為低電平(0v)時,降噪聲模塊接入,進行降噪聲處理。

● 輸入端參數 直通時為100～600mv；降噪時為25～200mv；輸入阻抗為10kω。

● 輸出端參數 直通時為100～600mv；降噪時為25～200mv；輸入阻抗為600ω。

● 輸出頻響特性 輸入為100mv時，斷續比為1:1正弦波信號,在300～3400hz范圍內，不均勻度小于3db。

● 降噪能力 輸入為100mv時，斷續比為1:1正弦波信號與輸入100mv持續的白噪聲信號時模塊輸出的比不小于30db 。

　 　　
jk-dp50的工作原理
本文中jk-dp50型數字降噪聲處理器主要完成在高噪聲環境下話音的高清晰度通信功能。它有降噪和直通兩種工作狀態，其工作原理如圖1所示。工作狀態的選擇由控制信號con的電平來決定，控制特別靈活，可由監控單元直接來控制。con為低電平(0v)時，降噪聲模塊接入，進行降噪處理；con為高電平(+5v)時,降噪聲模塊斷開，信號直接通過。降噪狀態時，con為低電平，晶體管v4截止，繼電器k1處于常閉狀態，話音信號和環境噪聲通過話筒輸入，送到數字信號處理dsp的27、28腳，把話音和環境噪聲進行放大，增益由r15和r14來決定，放大到dsp芯片內的a/d能識別的幅度，以便a/d能正常轉換信號。模擬信號通過a/d轉換后，變成12位的數字信號進入dsp的運算單元，dsp在前3秒中測試出周圍環境噪聲的大小，并建立相關數學模型，然后按給定的算法處理話音和噪聲，把處理后的結果經過數據總線送到d/a，經放大器u2：a，電容c29和電阻r33組成的平滑濾波器，進行平滑濾波后送到放大器u2：b，放大器的作用是為了滿足相連設備的輸入要求。直通狀態時，con為高電平，晶體管v4導通，繼電器k1處于吸合狀態，話音信號和環境噪聲通過話筒輸入，不經過dsp直接送到平滑濾波器，進行平滑濾波后送到放大器u2：b。 　　
降噪模塊中dsp的選擇
　　
在實現降噪處理時，選擇數字信號處理芯片dsp是非常重要的一環。dsp芯片要根據降噪處理的軟件算法和實際的系統要求來選擇。首先，應該考慮是選用浮點還是定點dsp；其次，根據軟件算法的復雜程度，考慮dsp的運算速度；此外，還應考慮dsp芯片提供的硬件資源和功耗，如片內ram、rom的數量、外部可擴展的程序和數據空間、總線接口、i/o接口、封裝形式等因素。本文設計的數字降噪聲處理器選用ti公司的tms320c5xx系列dsp芯片中的一款作為處理芯片，該定點dsp的運算速度為40mips，集成高速a/d、d/a轉換器及16kb的flash存儲器，共有64引出管腳，大大減小了pcb板的面積，選用19.2mhz的晶體作時鐘。
降噪模塊中dsp的選擇
數字降噪聲處理器是采用回波對消的原理?；夭▽ο捎昧俗赃m應噪聲對消的技術，自適應噪聲對消系統的方框圖見圖2。
自適應噪聲對消系統的輸入分兩路，a路是有用信號s混有噪聲n0，即y=s+n0；b路為消噪系統中自適應濾波器的參考輸入n1，即x=n1。
設s與n0或n1互不相關，n0與n1相關，且它們都是零均值平穩隨機過程，則系統的輸出等于誤差信號，其中是噪聲n1通過自適應濾波器的估計值。為了使均方誤差最小，在理想的情況下，希望系統的輸出通過自適應算法使噪聲全部被抵消，只剩下有用信號，即：

顯然，當均方誤差信號最小時，=n0，故輸出為有用信號，噪聲n0被消除，達到降噪的效果。
系統中的自適應濾波器具有跟蹤信號和噪聲變化的能力，使濾波器的特性也隨信號和噪聲的變化而變化，以達到最佳的降噪處理效果。
自適應濾波器特性變化是由自適應算法通過調整濾波器權系數來實現的。一般情況，自適應濾波器由兩部分組成，一是濾波器結構，二是調整濾波器權系數的自適應算法。自適應濾波器的結構采用橫向型fir結構。對帶內白噪聲的處理用經典的最小均方lms算法還不能達到最佳的降噪效果，還要利用噪聲的自相關特性和功率譜密度特性，在lms算法的基礎上作適當的修正才能達到最佳的降噪效果。
自適應濾波器主要完成對輸入信號中的噪聲進行估計，并把估計值與輸入信號相減，但不是一般的代數相減，而是有一套相應的軟件算法，如相關功率的功率譜密度分析等。
自適應濾波器采用橫向型結構，方框圖見圖3。
圖中的t表示一個滿足無畸變條件的延遲線； 表示一個增益或衰減元件，從c0到cn有n+1個抽頭(也稱階)，每個抽頭的增益或衰減可以根據需要進行調節；σ表示一個加法器。
濾波器的輸出表示為：

其中，n為濾波器的階數。
一個自適應濾波器實現的復雜性通常是由它所需要的乘法次數和階數來衡量。
jk-dp50型數字降噪聲處理器采用了120階自適應濾波器。根據噪聲的自相關特性和功率譜密度性，軟件上除了采用傳統對稱橫向結構的fir濾波器中的lms算法外，還對噪聲和信號的功率譜密度進行估計，即對采樣編碼的16個值進行平方累加，求出其平均功率值進行比較，比較后的誤差信號與設定的噪聲門限值進行相除，結果若大于1，則調整濾波器的權系數，使權系數變小，信號的輸出幅度變大；結果若小于1，則調整濾波器的權系數，使權系數變大，信號的輸出幅度變小。在數字信號傳輸過程中，為了避免回波的影響，必須采取回波抵消技術。

結束語
　jk-dp50數字降噪模塊易于加密；軟件采用自適應濾波算法，數字降噪聲處理器對噪聲的抑制量一般在30db以上，而且輸出話音平穩，無漏字和噪聲拖尾現象；在整個話音頻段300～3400hz內，降噪量均衡；可通過改變軟件算法，來滿足不同的降噪聲的要求，便于產品升級換代。在研制的超短波抗干擾產品與遙控臺的通話系統中，安裝了兩塊jk-dp50數字降噪聲處理器來減小回波對話音的影響，通話質量明顯提高，得到用戶的一致好評。