dsp课程设计报告要点

DSP课程设计实验报告语音噪声滤波院（系）：电子信息工程学院指导教师：杨恒小组成员：郝嘉然08212005王廓08283023语音噪声滤波1目录一、绪论……………………………………………………………1二、设计任务书………………………………………………………………3三、设计方案、算法原理说明……………………………………………4四、程序设计、调试与结果分析…………………………………………15五、感想…………………………………………17六、附录源程序…………………………………………………20七、参考文献………………………………………………………………34七、……………………………………………………………16一、绪论随着语音技术研究的深入和实际应用的增多，各种语音处理系统都面临着进一步提语音噪声滤波2高性能的问题。语音增强是其中的关键技术之一。从20世纪60年代开始，对语音增强的研究就一直没有停止。20世纪70年代由于数字信号处理理论的成熟，加速了语音增强技术的研究，使该技术走向成熟。20世纪80年代以后，超大规模集成电路技术的发展为语音增强的实时实现提供了可能。语音增强即语音噪声处理的目的是从带有噪声的语音信号中提取纯净的原始语音。但由于噪声信号都是随机产生的，完全消除噪声几乎不可能，因此实际语音增强的目的主要有：改进语音质量，消除背景噪声，使听者乐于接受，不感到疲倦，同时提高语音信号的可懂度，方便听者理解。语音增强不但与语音处理理论有关，而且涉及到人的听觉和语音学。再者，噪声的来源众多，应用场合不同，它们的特性也各不相同。因此在不同的噪声场合中应采用不同的语音增强方法。语音噪声处理的应用背景语音噪声处理技术是指当语音信号被各种各样的噪声(包括语音)干扰、甚至淹没后，从噪声背景中提取、增强有用的语音信号，抑制、降低噪声干扰的技术。语音增强技术无论在日常生活中，还是在其它的领域，或者对语音信号处理技术本身来说都很有应用价值。在日常生活中，我们经常会遇到在噪声干扰下进行语音通信的问题。如：使用设置在嘈杂的马路旁或市场内的公用电话，或在奔驰的汽车、火车里使用移动电话时，旁人的喧闹声、汽车和火车的轰鸣声等背景噪声都会干扰语音通讯的质量。对受话人来说，收听夹杂着各种干扰噪声的语音，至少会引起听觉疲劳，严重一点就会错误地识别或根本无法听清对方的语音。对电话来说，干扰主要来自电话信道的回波干扰。还有一种叫无线信道干扰，它来自信道对外界干扰屏蔽能力的强弱。比如雷雨天收听收音机，会听到阵阵噪声。它是由于雷电引起信道附近强电流的骤变，导致强大的电磁波串入信道，并传送到接受端而引起的噪声干扰。这些随机性的干扰也严重影响了语音的传输质量。再有一类需要用到语音增强技术的方面就是处理旧的录音磁带。由于早年录音技术不完善，磁带质量不高，加上长久存放，使磁带发生霉变、机械损伤、磁粉脱落、磁化等问题，使得重放语音产生噪声。对于那些极具研究或收藏价值的宝贵录音资料来说，语音增强技术是一个较好的恢复手段。在通信过程中，语音质量的好坏显得格外重要。如语音质量很差，接收方难以听清对方的语音信息，轻者可能延误时间、贻误时机，重者可能错误地识别对方的语音，因而错误地下达或执行命令，导致对工作造成不可估量的损失。在机械制造领域，声音环境一般都比较恶劣，除了各种机械内部产生的噪声，工作中还不时地充满了各种冲击性噪声，使得工作者的语音经常被部分或全部淹没在一片强噪声中，即使花九牛二虎之力也常常难以收听到对方准确可靠的语音信息。因此，机械制造领域也迫切需要语音增强技术。随着现代科学的蓬勃发展，人类社会愈来愈显示出信息社会的特点。通信或信息交换已成为人类社会存在的必要条件，正如衣食住行对人类是必要的一样。语音作为语言的声学表现，是人类交流信息最自然、最有效、最方便的手段之一。然而，人们在语音通信过程中不可避免地会受到来自周围环境和传输媒介引入的噪声、通信设备内部电噪声、乃至其他讲话者的干扰。这些干扰最终将使接收者接收到的语音不再是纯净的原始语音，而是被噪声污染过的带有噪声的语音信号。例如，汽车、街道、机场中的电话，常受到强背景噪声的干扰，严重影响通话质量。而环境噪声的污染使得许多语音处理系统的性能急剧恶化。例如，语音识别已取得重大进展，正步入使用阶段。但目语音识别系统大多都是在安静环境中工作的，在噪声环境中尤其是强噪语音噪声滤波3声环境，语音识别系统的识别率将受到严重影响。在上述情况下，必须加入语音增强系统，或者抑制背景噪声，以提高语音通信质量，或者作为预处理器，以提高语音处理系统的抗干扰能力，维持系统性能。因此，语音增强技术在实际中有重要价值。目前，语音增强已在语音处理系统、通信技术、多媒体技术、数字化家电等领域得到了越来越广泛的应用。二、设计任务书：1、设计背景：语音通信的目的是传递声音信息。位于甲地的通信者发出的声音经语音传感器变换成为电信号，经发送端设备变换为适合传输的形式，通过传输信道传输到乙地。在乙地经接收端设备恢复出原来的语音信号，经耳机或者喇叭转换为接收者可以听到的声音信号。这就是最基本的语音通信系统，但是由于周围环境的原因，我们采集到语音信号经常含有不同程度的噪声。典型语音通信系统中的噪声来自三个方面：①信号处理设备产生的电噪声及传输信道中的电噪声；②信号发送端空间环境中的音频噪声信号经麦克风变换为电信号之后，与有用信号其同传递到接收端；③信号接收端空间环境中的音频噪声对信号接收者的影响。噪声是由于发生体作无规则振动产生的。在很多情况下，环境中的背景噪声是通信系统中噪声干扰的主要来源。当语音信号受到背景噪声干扰时语音通信质量变得不可接受，因此要对语音信号中的噪声滤除。DSP利用直接存储器访问方式DMA（DirectMemoryAccess）采集数据时不打扰CPU，因此利用DMA方式工作时，CPU可以对语音信号进行实时地滤波。本设计要求利用DSP的DMA方式进行信号采集和信号输出，对语音信号进行数字编码，滤波后进行解码。2、设计要求及目标：基本部分：（1）对DMA进行初始化；（2）对A/D、D/A进行初始化；（3）编写DMA中断服务程序和滤波算法程序，实现语音信号的实时滤波；发挥部分：（1）使用DSP产生带回波的语音信号；（2）利用自适应滤波实现语音信号的回波对消。3、设计思路：首先利用DSP的DMA方式对外部含噪声的语音信号进行实时采集，语音信号先经过A/D转换为数字信号，利用MCBSP的接收寄存器接收数据。编写滤波算法程序，或调用DSPLIB中的语音噪声滤波4滤波函数，对信号进行滤波。滤波后的数据利用DMA方式送到D/A转换器转换为模拟信号。4、要求完成的任务：（1）编写C语言程序，并在CCS集成开发环境下调试通过；（2）将包含噪声的语音信号进行滤波，从扬声器输出端口输出，比较滤波前后的信号的变化；（3）按要求撰写设计报告。三、设计方案、算法原理说明：语音噪声滤波是个很宽泛的题目，虽然从老师给的要求来看，主要是想让我们熟悉CODEC、DMA和简单的数字滤波器设计，但我们认为语音噪声的处理远远不止于此。既然我们要进行语音滤波滤掉噪音，我们就要将我们的注意力聚焦在各种噪声的处理上。我们将分门别类的处理各式各样的噪声。不同的噪声有不同的处理方法。噪声的种类根据与输入语音的关系，噪声可分为加性噪声和非加性噪声两类。对某些非加性噪声而言，可以通过一定的变换转换成加性噪声。例如乘性噪声可以通过同态变换转换为加性噪声。某些与信号相关的量化噪声也可以通过随机噪声扰动的方法转换成与信号独立的加性噪声。因此，为简化讨论，下面主要分析加性噪声的干扰。语音处理中的加性噪声大体上可以分为周期噪声、脉冲噪声、宽带噪声和同声道其它语音干扰等。(1)周期性噪声周期性噪声主要来源于发动机等周期性运转的机械，电气干扰也会引起周期性噪声。其特点是频谱上有许多离散的线谱。实际信号受多种因素的影响，线谱分量通常转变为窄带谱结构，而且通常这些窄带谱都是时变的，位置也不固定。必须采用自适应滤波的方法才能有效地区分这些噪声分量。(2)脉冲噪声脉冲噪声主要来源于爆炸、撞击、放电及突发性干扰等。其特征是时间上的宽度很窄。消除脉冲噪声通常可以在时域内进行，其过程如下：根据带噪语音信号幅度的平均值确定阈值。当信号幅度超出这一阈值时判别为脉冲噪声。然后对信号进行适当的衰减，语音噪声滤波5就可以完全消除噪声分量，也可以使用内插方法将脉冲噪声在时域上进行平滑。(3)宽带噪声宽带噪声来源很多，热噪声、气流(如风、呼吸)噪声及各种随机噪声源、量化噪声也可视为宽带噪声。宽带噪声与语音信号在时域和频域上基本上重叠，只有在无话期间，噪声分量才单独存在。因此消除这种噪声比较困难。对于平稳的宽带噪声，通常可以认为是高斯白噪声。(4)同声道语音干扰在实际生活中经常遇到很多人同时说话的情况，此时不需要的语音就形成了同声道干扰。入耳可以根据需要分辨出其中某个人的声音，这种能力来源于人的双耳输入效应和人类语音中包含的“声纹’’特征，这是人体内部语音理解机理的一种感知能力表现。通常情况下语音经双耳输入，人们根据两路输入的不同时延特性进行分离。同时由于人的发声器官生理结构的差异，每个人都有自身独特的“声纹’’，因此即使双耳效应不显著(例如单声道传输时)人耳也可以借助声纹对信号进行分离。(5)背景噪声背景噪声破坏了信号原有的声学特征及模型参数，因此减弱了不同语音间的差别，使语音质量下降，可懂度降低。强噪声会使人产生听觉疲劳，从而影响人耳的听觉特性。同时，较强的背景噪声也会使讲话人的发音方式发生变化，即使发相同的语音，其语音的特征参数也会与安静环境下的发音有所不同。这种效应称为Lombard效应。(6)单频噪声它主要源于无线电干扰。因为电台发射的频谱集中在比较窄的频率范围内，因此可以近似地看作是单频性质的。另外，像电源交流电，反馈系统自激振荡等也都属于单频干扰。它的特点是～种连续干扰，并且其频率是可以通过实测来确定的，因此在采取适当的措施后就有可能防止。以上的噪声有的离我们很远，有的对我们来讲太难。经过我们的总结，我们准备将重点放在语音通信中的三种噪声上。1、信道干扰它来自信道对外界干扰屏蔽能力的强弱。比如雷雨天收听收音机，会听到阵阵噪声。它是由于雷电引起信道附近强电流的骤变，导致强大的电磁波串入信道，并传送到接受端而引起的噪声干扰。这些随机性的干扰也严重影响了语音的传输质量。2、回波噪声声回波是指在语音通信中，远端的语音信号通过近端扬声器-房间-近端麦克风路径，又随着近端说话者的声音一同通过通信线路传播到了远端。然而，远端听话者是不愿听到自己声音语音噪声滤波6回波的。3、脉冲式噪声这种噪声主要是仿真当我们语音通话时突然外界传来巨大声响的情况，比如在施工现场。这种情况下，听者的听觉和心情会被突入的巨大声响严重损害。应对方式：对于信道干扰，往往会上尖峰或者工频脉冲。这种噪声的特点就是与语音信号的频率差异很大。所以，我们应用滤波器将4000HZ频率以上的声音滤除，即可一定程度上消除电噪声或其他信道干扰。对于回波噪声就不能应用这种方法，因为噪声本体就是声音信号，频率于我们的语音信号一样，对于这种噪音，我们应用自适应滤波方式进行滤除。对于脉冲式，我们将应用阈值滤波的方法。1、信道干扰滤波部分：首先利用DSP的DMA方式对外部含噪声的语音信号进行实时采集，语音信号先经过A/D转换为数字信号，利用MCBSP的接收寄存器接收数据。编写滤波算法程序，或调用DSPLIB中的滤波函数，对信号进行滤波。滤波后的数据利用DMA方式送到D/A转换器转换为模拟信号。这就是我们的设计思路。具体的设计方案原理图如下。模拟输入信号通过DSK的MIC端口输入，经A/D转换，然后到达DSP的DMA通道2，DSP接收到信号后，调用中断服务程序进行滤波，滤波后的信号可以在CCS上显示，也可以通过DMA通道3将信号输出到D/A转换器，经D/A转换后从SPEAKER端口输出。（1）直接存储器访问DMA语音噪声滤波7直接存储器访问（DirectMemoryAccess）是C54xDSP非