基于DSP的音频降噪系统

2026-05-08 20:02:48

　　音频降噪就是对语音信号的降噪处理，语音信号处理是目前发展最为迅速的信息科学技术之一。通过语音传递信息是人们最常用、最有效、最方便的信息交换方式，然而周围的环境噪音往往录入我们的通信语音信号中，影响人与人之间的正常通信。本文基于DSPTMS320F2812和音频采样AIC23芯片构建了音频降噪系统，通过构建低通滤波器和FIR算法对输入的音频数据进行过滤，将低通滤波器产生的单位冲击响应参数录入内存，经DSP调用内存中的参数对输入语音数据进行滤波处理，并将过滤后的数据保存在内存中，再通过回放功能经耳机播放。本系统应用XDS100进行实时仿真，实现对了噪音的降噪处理。根据输入和输出语音的对面，我们明显察觉到噪音的消除。

　　在现实中，周边噪音环境的影响下，语音通话中不免将噪音信号录入并传输，使得通话质量下降，还会导致听不清对方的讲话内容，而在如汽车、机场、大街、会场等吵闹场合上的强背景噪音往往会严重阻碍人们的通信，因此对带噪的语音信号的降噪处理研究具有重大的意义，它逐渐发展成了语音通信里面一个很重要的课题。我们本次课题主要是利用DSP来实现语音降噪处理，对于早期的DSP来时，它只能使用简单的命令行形式的编译器和连接器，使用汇编语言编程，而且缺乏调试的工具，所以开发难度大、周期长。但随着DSP本身的不断发展，人们不断的发展和完善它的开发、调试工具。近年来，DSP的开发工具可视化发展，它的厂家和第三方提供了各种开发公开和仿真调试工具。如TI公司提供的CodeComposer系列等。同时，硬件调试提供了JTAG接口连接USB-blaster以及XDS100USB等仿真器进行在线调试。此外，许多类型的DSP开发过程中可以使用C语言，简化了开发过程。目前的DSP芯片具有的可高速处理以及可进行编程等优点，使得它能够在语音信号处理中得到广泛的应用，并可以对语音信号的降噪处理提供有效的帮助。

　　在过去的二十几年时间中，数字信号处理就是为了得到我们想要的语音信号，而使用计算机或设备通过数字的形式对语音信号进行采集、滤波、放大、识别、压缩等操作。20世纪70年代，语音去噪的概念被提出并开始研究，数字信号理论的成熟对它起了很大的促进作用，使它发展成了语音信号处理领域重要的一个模块。当时的DSP信号处理受限于计算机的实时操作实现能力和掌握熟练DSP技能的工程师的技术，因为它是基于数字滤波的，基本上是通过计算机编程来实现功能的，这让它的入门门槛很高，这就是当时的信号处理状况。到了80年代后期，DSP芯片的第三代出现，进入到以傅里叶变换为主的信号处理阶段，出现了通用的信号处理芯片，但是因为芯片的制造成本较高，所以都应用在一些高端领域，不能在消费领域普遍应用。随着技术和理论的发展，90年代的DSP技术能够提取更深层次的东西，并发展到了以非线性谱估计为代表的信号处理阶段。而硬件上使用性能更加优秀的芯片，它不仅运行速度更快，还可以实现巨大的计算量，最重要的是可以通过微电子工艺实现大规模的生产，使得在消费领域广泛使用。目前，国内DSP技术在语音方面的应用还是在对MP3的语音解编码和一些基本语音处理上。但在实际生活中，特别是舞台、会场等吵闹环境下的调音台和各种音响设备，音频降噪处理器是必不可少的设备。但是国内的大多数音频处理器是国外产品，而国产的音频器多为模拟音频处理器，不仅参数不易修改，还成本高、性能一般。而基于DSP的音频去噪能克服以上缺点。利用DSP的音频去噪处理，在程序内直接设置参数或者参数设置成可调模式，最后通过DSP的对语音信号进行转换、过滤处理后输出。基于DSP的音频降噪系统不仅能完成基本功能，而且还能把音频信号储存在DSP的Flash上。

　　语音降噪就是对带噪语音进行预处理，我们通过抑制背景噪音来实现降噪效果，提取出纯净的原始语音。本次研究我们采用主动降噪的思想，首先设计一个FIR低通滤波器，然后根据低通滤波器写一个FIR算法。通过开发板的JTAG接口连接仿线的功能将代码加载到DSP的CPU中。接着我们通过MIC_IN输入一段语音，根据我们的需要通过AIC23芯片对串口数据进行模数/数模转换，对信号进行采样、量化、保持后，通过多通道缓冲串行口MCBSP将数据传入DSP的内部。然后由CPU调用滤波算法对语音进行过滤，将过滤后的语音保存在内存中，再通过PHONE_OUT经耳机播放出来。

　　本系统的开发平台是TMS320F2812开发板和XDS100仿线集成环境上实现所有系统模块的设计和仿线F2812DSP是一种32位定点数字信号处理器，它的CPLD为我们的开发提供了下载接口，用户可以编写自己的代码。相对于之前的版本的DSP，它带有128K的FLASH方便我们对它进行写入，且FLASH可加密。它有强大的计算能力，运行速度最快时能达到150MIPS。它处理性能强，但是却能耗低，还有程序存储器大、成本低、AD转换速度快等特点，具有处理速度快和容量大等优势，还带有改进的哈佛结构和硬件乘法器，是迄今为止进行数字控制最好的DSP芯片。它是基于TMS320F28x系列CPU处理器核心的定点微处理器，而F28x核心支持全新CCS环境（我们此次设计在CCS3.3环境下开发），方便我们有C语言来对它进行程序编写，还能实现实时仿真调试。同时，它具有丰富的外设功能,如：通用定时器、ADC、事件管理器、JTAG接口等，方便了与PC机的交互。还有McBSP模块、SPI模块、SCI模块等片内集成外设。这些强大的功能和特性让它适用于我们这次的音频信号降噪处理的应用，为我们提供了有效的硬件支持。

　　TLV320AIC23B是一款音频解码，最基本的引用就是实现对音频信号的解编码，它内部不仅集成了数/模和模/数的转换部件，还集成了很多模拟功能。这些内部集成让它不仅能对进行相应的数字信号和模拟信号转换，同时允许使用的立体声输入和耳机放大器与模拟音量控制，可以完全绕过编解码器，从而使设计灵活性增加。MIN_IN口是它的信号直接输入口，内部可以对输入的信号进行增益调节，还带有耳机输出放大器，对输出信号进行增益处理。同时还具有强大的采样功能，我们可以根据需求对响应的寄存器进行设置选取ADC和DAC不同频率的采样，同时能够设置16bit、24bit、32bit等不同的输入位长度。具有USB和NORMAL两种时钟模式，提供了250fs和272fs的过采样率。它的能耗低，并且具有灵活的电源管理功能，可以根据我们的需求选择性的关闭编解码器功能因此在便携式应用中能延长电池寿命。它这些功能为本系统的音频信号采集、传输等提供了保障。

　　MATLAB是美国公司出品的用于算法开发、数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境的软件。它有我们语音信号处理需要数字处理优化算法和数据采集等功能，还有完备的图像处理功能，即能对我们的语音信号频率进行图像显示，并且在这些领域都带有工具箱，方便我们的操作，这些特性适用于实现我们的数字信号处理测试。

　　我们使用MATLAB根据参数要求设计低通滤波器，然后得到它的冲击响应参数。并且我们在MATLAB上实现设计程序所相应的FIR低通滤波，通过读取我们的语音数据，再经FIR低通滤波处理后打印出其波形，对比输出语音与输入语音的频谱图判断算法是否有效、输出的语音是否达到我们的降噪要求。

　　CCS(CodeComposerStudio)支持选用不同类型的开发板和芯片（本系统选用F2812XDS100USBEmulator），以此来实现通过相应的仿真器对DSP进行操作。它自身支持C、C++等多种语言，是TI公司为了DSP的发展提供给用户的开发工具。

　　整个系统包括了语音采集模块、语音处理模块以及语音回放模块。系统充分的利用了TMS320F2812的设备资源，利用MIN_IN输入语音、JTAG接口连接仿真器进行实时仿线芯片的数模/模数转换功能以及采样功能、多通道缓冲串行口MCBSP进行数据通信来实现对音频信号的采集和降噪功能：我们通过MIC_IN输入一段语音，根据我们的需要通过AIC23芯片对串口数据进行模数/数模转换，对

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