基于ARM的低功耗語音去噪系統(tǒng)設(shè)計

近年來，電子技術(shù)的發(fā)展促進了多媒體設(shè)備的繁榮，同時隨著人們對便攜式設(shè)備和可移動終端的廣泛需求，使得低功耗成為了這類電 子設(shè)備最大的技術(shù)難題之一。低功耗意味著在同一時間段內(nèi)在相同條件下移動終端消耗的能量更少，使得此類設(shè)備有更長的續(xù)航工作時間。低功耗設(shè)計降低了系統(tǒng)功 耗，提高了能量利用率。

ARM微處理器因其高性能和低功耗的特性，特別適合于便攜式設(shè)備的開發(fā)與應(yīng)用。本文設(shè)計了一種基于ARM的低功耗語音去噪系統(tǒng)，為應(yīng)用于便攜式移動的語音去噪設(shè)備提供了一種很好的設(shè)計思路和方法。

1 算法設(shè)計

譜減法的原理就是在頻域?qū)⒃肼暤念l譜分量從帶噪語音信號的頻譜中減去。其設(shè)計思想是在假設(shè)加性噪聲與短時平穩(wěn)的語音信號相互獨立的條件下，從帶噪語音信號的功率譜中減去噪聲的功率譜，進而得到去噪后較純凈的語音頻譜。

如果帶噪語音信號為

y(i)=s(i)+n(i) (1)

上式中，y(i)為帶噪語音，s(i)為純凈語音，n(i)為噪聲信號。經(jīng)過FFT變換，頻域表達式為：

Y(k)=S(k)+N(k) (2)

由式(2)可得：

因為譜減法的前提是語音信號與噪聲信號是不相關(guān)的，且S(k})、N(k)服從高斯分布，均值為零，于是對式(3)求期望可得：

由此可得原始語音的估計值。針對人耳對相位的不敏感這一特點，可以用原始帶噪語音的相位譜代替去噪后語音信號的相位譜。

整個算法的流程如圖1所示。

2 硬件設(shè)計

2.1 主控CPU芯片選型

本系統(tǒng)要求低功耗，傳統(tǒng)的信號處理系統(tǒng)大多采用DSP，DSP芯片雖然數(shù)據(jù)處理能力強大，但是本身功耗太高，因此不適用于低功耗設(shè)計的要求，加之DSP內(nèi)部外設(shè)種類很少，如不具有A/D和D/A等模塊，對于系統(tǒng)設(shè)計，增加這些功能模塊無疑又會增加功耗。

LPC1756是NXP(恩智浦)公司推出的高度集成和低功耗的32位嵌入式處理器，內(nèi)核構(gòu)架為32位高性能ARM Cortex-M3 CPU，具有3級流水線和哈佛結(jié)構(gòu)總線，LPC756具有256 kB片上Flash和32 kB SRAM，時鐘頻率可高達120MHz，指令執(zhí)行速度最高為150 MIPS，工作在最高頻率時，所耗電流也僅為數(shù)十毫安。LPC1756具有大量豐富的外設(shè)：一個12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)，高達8個輸入通道;一個10 位數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC);4個32位通用定時器;8個DMA通道等。此外，具有80個引腳的LPC1756的封裝體積為12x12x1.4 mm。總之，該芯片具備處理速度快、功能豐富、體積小和性價比高等優(yōu)點。因此符合本系統(tǒng)設(shè)計要求。

為了適應(yīng)低功耗設(shè)計的要求采用LPC1756片內(nèi)ADC模塊和DAC模塊。為了節(jié)約CPU處理數(shù)據(jù)的時間，在采集端和輸出端均采用DMA傳輸模式。

2.2 大電壓差電源設(shè)計

在本系統(tǒng)中，要求輸入電壓為26 V直流電壓，輸出電流不超過60 mA。ARM處理器所需供電電壓為2.4～3.3 V。目前流行的電源壓降模塊普遍采用線性穩(wěn)壓源和開關(guān)電源。線性穩(wěn)壓源常見的如LDO(低壓差輸出)模塊，LDO原理是利用三極管基極電壓來控制輸入輸出 端的電壓差來獲得輸出所需電壓的目的，而系統(tǒng)電流也要流經(jīng)三極管，因此LDO在降壓的同時，其自身的功耗也很大，LDO芯片的功耗：

P=(VIN-VOUT)*I (6)

式(6)中VIN為輸入電壓(轉(zhuǎn)換前)，VOUT為輸出電壓(轉(zhuǎn)換后)，I為輸出電流。假設(shè)本系統(tǒng)電流為50mA，因此由式(6)可得LDO自身功耗P= (26-3.3)*50 mW=1 135mW，可見在這種高壓差的LDO系統(tǒng)中，損失的功率太大使得電源轉(zhuǎn)換效率很低，這樣在LDO芯片上會產(chǎn)生很大的熱量，很容易燒壞電源芯片，不僅會使 整個系統(tǒng)癱瘓，而且會造成安全隱患。但是LDO具有輸出電壓穩(wěn)定、紋波小等優(yōu)點，適合低壓差電源轉(zhuǎn)換。

開關(guān)電源常見的如DC-DC模塊，開關(guān)電源的原理是利用開關(guān)的特性，經(jīng)反饋網(wǎng)絡(luò)輸出對應(yīng)占空比的PWM信號來控制MOS管的柵極電壓，從而達到輸出預(yù)期電 壓的目的，MOS管的漏源極間的導(dǎo)電溝道電阻非常小，因此消耗在開關(guān)電源上的功耗很小。因此鑒于開關(guān)電源輸入電源范圍寬、功耗小等優(yōu)點，廣泛在系統(tǒng)設(shè)計時 被采用。需要指出的是在用開關(guān)電源時，由于開關(guān)電源頻繁的開關(guān)特性，會使得輸出電壓的紋波和噪聲較大，因此在設(shè)計時需考慮濾波和PCB布線等情況。

鑒于上述原因，本系統(tǒng)電源模塊采用開關(guān)電源和LDO共同作用的架構(gòu)，先用開關(guān)電源將輸入電壓(DC26V)轉(zhuǎn)換至適合LDO輸入電壓(DC5V)范圍內(nèi)， 這樣可以有效降低在LDO上的功耗;然后再利用LDO模塊轉(zhuǎn)換至系統(tǒng)所需的穩(wěn)定電壓(DC3.3V)，確保系統(tǒng)不受電源紋波的干擾。開關(guān)電源芯片選用美國 國家半導(dǎo)體公司的LM2576開關(guān)電源，其具有電壓輸入范圍寬、轉(zhuǎn)換效率高以及帶負載能力強等優(yōu)點;LDO芯片采用美國TI公司的TPS79133芯片， 其具有輸出電壓穩(wěn)定、紋波小等特點。

2.3 信號調(diào)理模塊設(shè)計

輸入為語音信號，經(jīng)麥克風轉(zhuǎn)換為電壓信號，但這種電壓信號很徽弱，一般為幾十毫伏，需要經(jīng)過放大才能被A/D有效采集，為了提高放大后信號的信噪比，在放大前端應(yīng)對信 號進行濾波處理，語音信號分布在300～3400 Hz之間，因此可對輸入信號進行低通率波。又由于譜減算法的特性，去噪后信號的幅度較去噪前信號的幅度減小很多，所以對去噪后的語音信號也應(yīng)當放大和濾波 處理。

本系統(tǒng)采用飛思卡爾半導(dǎo)體公司的MC34119集成運放，該芯片具有寬電壓輸入(2.0～16 V)、對語音信號具有自適應(yīng)增益功能以及不需外部加直流偏置等特點。由于LPC1756內(nèi)部A/D和D/A參考電壓為3.3 V，因此運放的輸入(參考)電壓也應(yīng)為3.3 V，信號增益是通過反饋電阻與輸入電阻之比來確定。即：

Gain=RF/RI (7)

在本系統(tǒng)中，輸入增益設(shè)為10倍，輸出增益設(shè)為3倍。低通濾波器采用美信半導(dǎo)體公司MAX7427集成芯片，該芯片具有功耗低(僅需0.8 mA)、外圍電路簡單等特點，且通過外接振蕩電容來計算上限截止頻率，適用頻率范圍1～12000 Hz，符合本系統(tǒng)頻率范圍。