隨著語(yǔ)音信號(hào)數(shù)字處理技術(shù)的發(fā)展,，人們逐漸大量地以微處理器(如DSP芯片,、單片機(jī))為核心構(gòu)造語(yǔ)音處理系統(tǒng)；同時(shí),，由之引發(fā)的語(yǔ)音處理系統(tǒng)的噪聲問(wèn)題越來(lái)越突出,，成為人們關(guān)注的一個(gè)重要課題。系統(tǒng)背景噪聲不但嚴(yán)重影響人們對(duì)語(yǔ)音系統(tǒng)的接受,，對(duì)語(yǔ)音處理往往也會(huì)造成損傷,，直接給語(yǔ)音系統(tǒng)的語(yǔ)音質(zhì)量帶來(lái)不良后果。
　　人們對(duì)噪聲已經(jīng)作了深入研究^[1]。一般應(yīng)用較為廣泛的抗噪措施包括：互補(bǔ)式動(dòng)態(tài)壓括降噪,、非互補(bǔ)式動(dòng)態(tài)壓括降噪,、濾波降噪、電源處理降噪,、軟件處理降噪等,。對(duì)語(yǔ)音處理系統(tǒng)而言，不是所有的降噪系統(tǒng)在所有情況下效果都良好,，例如,，有些全聲頻段的降噪系統(tǒng)(杜比C就是其中的一種)，反而對(duì)低頻段的噪聲消除很不得力,。因此,，我們應(yīng)針對(duì)語(yǔ)音處理系統(tǒng)的具體情況，有的放矢地進(jìn)行噪聲分析以找出消除方法,。
　　系統(tǒng)噪聲消除,，首要問(wèn)題在于找出存在的或隱含潛在的主要噪聲源，然后設(shè)法消除該噪聲源,，這是治本的方法,。對(duì)于噪聲來(lái)源不很明確或不好解決的情況，則應(yīng)分析噪聲特性,，采用相應(yīng)措施降低噪聲,，提高系統(tǒng)最終信噪比，這是治標(biāo)的方法,。

　　目前的語(yǔ)音處理系統(tǒng)一般應(yīng)用微處理器處理語(yǔ)音數(shù)據(jù),，其基本構(gòu)造如圖1所示。系統(tǒng)包含兩個(gè)模塊：模擬模塊和數(shù)字模塊,。這種結(jié)構(gòu)使帶微處理器的語(yǔ)音系統(tǒng)的噪聲問(wèn)題具有一定的特殊性,。事實(shí)上，數(shù)字模塊工作所引發(fā)的周期性沖激噪聲,，是語(yǔ)音系統(tǒng)噪聲的一個(gè)重要來(lái)源,。
　　克服這種周期性沖激噪聲可以在不同層次上采取措施。該噪聲是以電源通道為傳播途徑的,，對(duì)電源的處理應(yīng)放在首要位置,，這就是前面所說(shuō)的“治本”；而“治標(biāo)”也不能忽視,，因?yàn)殡娫匆话悴⒉豢赡芴幚淼帽M善盡美,。為減小已經(jīng)混入了待處理語(yǔ)音數(shù)據(jù)中的沖激噪聲的影響，可以采用數(shù)字中值濾波或LOR濾波,。在信號(hào)最終的輸出端,，采用模擬的窄帶濾波降噪以及動(dòng)態(tài)降噪,，可以收到很好的效果。
　　下面通過(guò)對(duì)一種具體語(yǔ)音處理系統(tǒng)樣機(jī)的實(shí)驗(yàn)和理論分析,，討論這一具有普遍意義的問(wèn)題,。
1 帶微處理器語(yǔ)音系統(tǒng)的沖激噪聲
　　帶微處理器的語(yǔ)音系統(tǒng)的噪聲源中，周期性沖激噪聲是具有共性的一項(xiàng),。沖激噪聲來(lái)自兩方面,，其一為TTL邏輯電路引發(fā)的小浪涌沖激電流，其二為微處理器數(shù)據(jù)傳輸?shù)拇罄擞繘_激電流,。
1.1 TTL邏輯電路引發(fā)的小浪涌噪聲分析
　　一般的數(shù)字系統(tǒng),，主要由TTL邏輯電路構(gòu)成。在TTL電路中,，局部電流狀態(tài)取決于器件的邏輯狀態(tài),、外接負(fù)載電阻電容以及輸出瞬時(shí)導(dǎo)通等因素。圖2給出了TTL電路輸出結(jié)構(gòu)和瞬態(tài)電流產(chǎn)生示意圖,，其中，Vcc為電路電壓,，Vo為輸出電壓,，I_cc為電源供給該局部電路的電流，I為該局部電路輸出(輸入)電流,。注意到,，輸出電壓從低電平到高電平轉(zhuǎn)換時(shí)將產(chǎn)生較大的瞬態(tài)電流值，圖2a就是這種情況,；特別地,，高速TTL電路的浪涌電流因其持續(xù)時(shí)間較短而具有更大值。大多數(shù)情況下,，負(fù)載電容充放電引起的浪涌電流比其他因素產(chǎn)生的浪涌電流對(duì)電源的影響大得多,。因此，對(duì)設(shè)計(jì)者而言,，主要應(yīng)控制負(fù)載電容,，在電路布線時(shí)應(yīng)盡量減少不必要的散雜電容。

　　當(dāng)然,，由于大量TTL微電路一般并不可能恰好協(xié)調(diào)一致,，從而導(dǎo)致局部浪涌電流匯聚為大的沖激電流，所以TTL邏輯電路引發(fā)的散布的小浪涌沖激電流的影響并不很大,，可以通過(guò)加濾波電容的方法濾除(下面將具體描述),。但是，這可以作為其他沖激電流的基礎(chǔ)原理模型,。
1.2 微處理器數(shù)據(jù)傳輸引發(fā)的周期性沖激噪聲
　　帶微處理器的語(yǔ)音系統(tǒng)一般都涉及數(shù)據(jù)傳輸,，數(shù)據(jù)傳輸可能引發(fā)強(qiáng)大的沖激電流,，并由數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹芷谛远憩F(xiàn)為周期性沖激電流，如果處理不當(dāng),，可能形成周期性沖激噪聲,。下面以一種具體語(yǔ)音處理系統(tǒng)性能樣機(jī)的實(shí)驗(yàn)分析為例討論。
　　該語(yǔ)音處理系統(tǒng)采用現(xiàn)代DSP芯片為微處理器,，配備了SRAM為外置存儲(chǔ)器,，系統(tǒng)帶A/D采集器，語(yǔ)音信號(hào)經(jīng)A/D之前先經(jīng)過(guò)預(yù)放大,。系統(tǒng)的語(yǔ)音采樣頻率為標(biāo)準(zhǔn)的8kHz,，采取兩種工作模式，一種是以語(yǔ)音信號(hào)單樣點(diǎn)為單位的樣點(diǎn)處理模式,，另一種是以128個(gè)語(yǔ)音信號(hào)樣點(diǎn)(16ms語(yǔ)音)為一幀來(lái)傳輸處理語(yǔ)音的幀處理模式,。
　　測(cè)量該語(yǔ)音系統(tǒng)的背景噪聲分布，如圖3所示,。噪聲由兩部分組成,，其一為常規(guī)的白噪聲，其二為明顯的周期性沖激噪聲,。圖中,，V_IF為周期性沖激噪聲的峰峰值，V_GF為背景高斯白噪聲的峰峰值,，T為周期性沖激噪聲的周期,。測(cè)量不同工作模式及系統(tǒng)不同位置處的噪聲峰峰值，如表1,、表2所示,。

　　表中，“+5V”表示所測(cè)量位置在各芯片的電壓引腳處,，“A/D模擬輸入”表示所測(cè)量位置在模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片的模擬信號(hào)輸入腳,。
　　更加值得注意的是，系統(tǒng)不同處理模式下的周期性沖激噪聲的周期為：
　　樣點(diǎn)處理模式下,，T＝0.125ms 　　　(1)
　　幀處理模式下,，T＝16ms　　　　　　(2)
　　從以上實(shí)際測(cè)量的背景噪聲的波形及其數(shù)據(jù)中可知，本語(yǔ)音處理系統(tǒng)性能樣機(jī)中沖激噪聲起主要影響,，且與系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸關(guān)系極其密切,。首先，系統(tǒng)工作在樣點(diǎn)處理模式下時(shí),，微處理器的數(shù)據(jù)傳輸以語(yǔ)音信號(hào)單樣點(diǎn)為單位,，因而沖激噪聲的周期為1/8000s＝0.125ms；工作在幀處理模式下時(shí),，數(shù)據(jù)傳輸以幀為單位,，一幀含語(yǔ)音樣點(diǎn)128個(gè),，因而沖激噪聲的周期為1/8000×128s＝16ms。實(shí)際測(cè)量值就是所分析的數(shù)值,。其次,，觀察不同處理模式下V_IF和V_GF的大小，可以發(fā)現(xiàn),，SRAM芯片處的背景噪聲(特別是沖激噪聲)的峰峰值最大,。可以認(rèn)為,，污染系統(tǒng)電源的沖激噪聲主要由數(shù)據(jù)出入頻繁的SRAM區(qū)傳出,。第三，系統(tǒng)幀處理模式下的噪聲一般比樣點(diǎn)處理模式下的相應(yīng)位置處的噪聲小,。其原因在分析TTL邏輯電路引發(fā)的小浪涌噪聲中已經(jīng)提及,，即高速處理引發(fā)的浪涌電流因其持續(xù)時(shí)間較短而具有更大值。
　　所以,，微處理器數(shù)據(jù)傳輸所引發(fā)的周期性沖激噪聲,，是帶微處理器的語(yǔ)音系統(tǒng)不可忽視的重要噪聲來(lái)源。
2 周期性沖激噪聲的處理
　　從根本上,，周期性沖激噪聲是數(shù)字模塊工作時(shí),，所需功率的峰值，通過(guò)電源對(duì)模擬模塊產(chǎn)生了污染,。因此，處理系統(tǒng)電源是解決問(wèn)題的核心,。另外,，為減小沖激噪聲對(duì)語(yǔ)音數(shù)據(jù)的不利影響，軟件在處理含沖激噪聲的數(shù)據(jù)時(shí),，可先行采取數(shù)字濾波措施,。在語(yǔ)音系統(tǒng)最終輸出語(yǔ)音時(shí)，還可以加上業(yè)已相當(dāng)成熟的模擬濾波降噪和動(dòng)態(tài)降噪手段,。
2.1 系統(tǒng)電源處理
　　徹底解決周期性沖激噪聲的方法是采用獨(dú)立功能塊供電,，將語(yǔ)音處理系統(tǒng)的數(shù)字模塊和模擬模塊分開(kāi)供電，如圖4所示,，以切斷數(shù)字模塊通過(guò)電源對(duì)模擬模塊的影響,。
　　模擬模塊的預(yù)放大、后級(jí)放大和功放部分一定要采用模擬模塊直流電源供電,。然后,，用光電耦合器將數(shù)字模塊和模擬模塊的電聯(lián)系切斷，以有效防止干擾從數(shù)據(jù)通道進(jìn)出以微處理器為中心的數(shù)字模塊,，如圖5所示,。

　　光電耦合^[3]的主要優(yōu)點(diǎn)是能有效地抑制尖峰噪聲干擾,，從而使數(shù)據(jù)通道上的信噪比(噪聲為沖激噪聲)大大提高。光電耦合器的輸入阻抗很小,，一般在100Ω至1kΩ之間,，而干擾源內(nèi)阻很大，通常為10⁵～10⁸Ω,，因而,，能進(jìn)入光電耦合器輸入端的噪聲很小。而且,，沖激噪聲雖有較大的電壓幅度,，但能量小，僅能形成微弱電流,，而光電耦合器輸入部分的發(fā)光二極管是在電流狀態(tài)下工作,，即使電壓幅值的干擾很高，由于不能提供足夠的電流,，沖激噪聲可被抑制,。同時(shí)，光電耦合器作為系統(tǒng)模擬模塊和數(shù)字模塊之間的隔離器件,，其輸入是數(shù)字的比特流,，并不影響系統(tǒng)原來(lái)的數(shù)據(jù)傳輸。
　　為提高數(shù)據(jù)傳輸速率的上限并確保信號(hào)的準(zhǔn)確性,，可以采用高速光電耦合器^[4],，其數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá)1Mb/s，而超高速光電耦合器可以提供大于10Mb/s的數(shù)據(jù)傳輸速率,。作為語(yǔ)音系統(tǒng)模擬模塊和數(shù)字模塊之間的橋梁,，一般足夠了。
　　同時(shí),，數(shù)字模塊自身應(yīng)盡可能抑制TTL浪涌電流和傳輸數(shù)據(jù)引發(fā)的沖激噪聲,。設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)，可以在器件的電源和地線間加入平滑電容,。

　　為了濾除TTL電路工作引入的分布浪涌電流,，可把數(shù)字模塊電源總線設(shè)計(jì)為一種帶分段電容濾波的饋電線，以提供各器件一條浪涌電流的低阻抗通路,。為了有效地濾波和去耦,，所接電容的容量必須能在瞬態(tài)電流的重復(fù)周期內(nèi)保證“展平”浪涌電流。通常使用圖6所示的配電和去耦的連接方法,，即用低頻濾波電容C₁和高頻濾波電容C₂并聯(lián),。低頻大容量電容C₁可取為1～10μF。對(duì)高頻電容C₂，在下述合理假設(shè)下^[2]：

　　對(duì)微處理器數(shù)據(jù)傳輸產(chǎn)生的沖激電流,，采用的濾波電容容量應(yīng)該大些,。根據(jù)表1和表2的數(shù)據(jù)，取電壓脈動(dòng)幅度ΔV′＝200mV,，實(shí)測(cè)沖激噪聲持續(xù)時(shí)間Δt′＝20μs,，沖激電流強(qiáng)度仍取ΔI′^cc＝50mA，這時(shí),，
　　
　　取5μF左右的電容(如4.7μF)接在數(shù)據(jù)RAM芯片的電源線附近,，對(duì)平滑沖激電流，有一定效果,。
　　由此,，得到系統(tǒng)布線設(shè)計(jì)時(shí)加入去耦電容的常規(guī)做法^[3]：
　　a.電源輸入端跨接10～100μF的電解電容器；
　　b.原則上每個(gè)集成電路芯片,，在電源和地線之間,，都應(yīng)安置一個(gè)0.01μF的陶瓷電容器；
　　c.每4～10個(gè)芯片,，安置一個(gè)1～10μF的鉭電容,；
　　d.對(duì)RAM芯片、EPRAM芯片等周期性讀取數(shù)據(jù)的器件,，適當(dāng)加大濾波電容,。
2.2 軟件處理沖激噪聲
　　軟件處理周期性沖激噪聲，可以避免在數(shù)據(jù)處理中因?yàn)闆_激噪聲污染數(shù)據(jù)而導(dǎo)致系統(tǒng)處理性能下降,。常用的算法有中值濾波,、LOR濾波^[5]等。根據(jù)沖激噪聲具有的周期性,，我們也可以在測(cè)知其周期的情況下用陷波器濾除,。陷波器實(shí)現(xiàn)復(fù)雜，我們介紹簡(jiǎn)單高效的中值濾波和LOR濾波,，它們都是非線性濾波算法，可有效抵抗沖激噪聲,，同時(shí)盡可能保持原來(lái)語(yǔ)音信號(hào)的高頻分量,，如陡峭邊界和較劇烈的變化等。
　　中值濾波^[5]一般使用標(biāo)準(zhǔn)中值濾波器(SMF)和回歸中值濾波器(RMF),。算法如下：設(shè){x(.)}和{y(.)}分別表示待濾波的輸入和已濾波后的輸出,，中值濾波器使用取數(shù)窗長(zhǎng)2N+1，那么,，SMF的輸出為：
　　y(k)＝Med{x(k－N),Λ,x(k),Λ,x(k+N)}???????????????????? (8)
　　其中Med{.}表示取中值,。RMF的輸出為：
　　y(k)＝Med{y(k－N),Λ,y(k－1),x(k),Λ,x(k+N)}???????????? (9)
　　LOR濾波^[5]指“參考最后輸出濾波”。算法如下：對(duì)輸入{x(.)},，取數(shù)窗長(zhǎng)為W,，則輸出y(k)為取數(shù)窗口中和最后一個(gè)輸出數(shù)據(jù)y(k－1)最接近的樣點(diǎn)值,，即：
　　y(k)＝{x(k+i)││x(k+i)－y(k－1)│≤│x(k+j)－y(k－1),j≠i,0≤j＜W,0≤i＜W}?????????????? (10)
　　為了在濾除沖激噪聲基礎(chǔ)上盡可能地保留原信號(hào)的高頻分量，濾波通常需結(jié)合判界算法,，即：輸入為x(k),，初步濾波輸出為y(k)，最終輸出為z(k),，那么,，

　　其中Th是設(shè)定的先驗(yàn)門限值。
　　中值濾波和LOR濾波都只使用簡(jiǎn)單的比較大小運(yùn)算,，實(shí)現(xiàn)算法不復(fù)雜,。根據(jù)文獻(xiàn)^[5]和我們?cè)趯?shí)際系統(tǒng)中的應(yīng)用，LOR濾波的處理結(jié)果更令人滿意,。
2.3 后級(jí)降噪處理
　　后級(jí)降噪處理是應(yīng)用于模擬模塊的通用降噪措施,，對(duì)“治標(biāo)”性質(zhì)的壓制周期性沖激噪聲，有良好的效果,。
　　如上所述,，周期性沖激噪聲的周期取決于微處理器的工作狀態(tài)，和外部數(shù)據(jù)存取關(guān)系密切,。如我們的語(yǔ)音處理系統(tǒng)性能樣機(jī),，樣點(diǎn)處理模式下的沖激噪聲的頻率為8kHz，屬高頻噪聲,；幀處理模式下的沖激噪聲的頻率為62.5Hz,，屬低頻噪聲。這種情況是具有共性的,，因?yàn)檎Z(yǔ)音處理系統(tǒng)的采樣頻率一般為8kHz(少數(shù)為10kHz),，而采取幀處理模式工作時(shí)，一幀數(shù)據(jù)一般為64個(gè)樣點(diǎn)至256個(gè)樣點(diǎn),，因此,，主要周期性沖激噪聲的頻率都在語(yǔ)音頻帶300Hz～3.4kHz之外。我們可以幸運(yùn)地采用窄帶濾波技術(shù)濾除這些帶外噪聲,。
　　濾除了沖激噪聲的帶外能量之后,，帶內(nèi)諧波噪聲可以采用非互補(bǔ)式動(dòng)態(tài)降噪器件進(jìn)一步抑制。動(dòng)態(tài)降噪是頻率跟蹤型降噪器,，根據(jù)帶內(nèi)噪聲隨帶寬成正比和掩蔽原理工作,，過(guò)程為：當(dāng)信號(hào)電平較高時(shí)，電路頻率響應(yīng)具平直特性,；而當(dāng)信號(hào)電平較低時(shí),，電路頻率響應(yīng)具高頻衰減特性。信號(hào)通道帶寬隨輸入信號(hào)電平而變化，信號(hào)電平越小,，帶寬越窄,。由于人耳具有掩蔽效應(yīng)，對(duì)小音量時(shí)的高頻信號(hào)感覺(jué)較遲鈍,，此時(shí)壓制高頻分量不會(huì)感覺(jué)高音不足,，聽(tīng)覺(jué)上沒(méi)有損失；但小音量時(shí)的噪聲一同被衰減,，從而達(dá)到了降噪的目的,。
　　窄帶濾波降噪和動(dòng)態(tài)降噪可如圖7相互配合。