基于DSP的語音信號(hào)處理系統(tǒng)中的抗干擾技術(shù)

l 引言
目前，由于具有運(yùn)算速度快、片上資源豐富和能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜的線性和非線性算法等特性，DSP已成為通信、計(jì)算機(jī)和消費(fèi)電子產(chǎn)品等領(lǐng)域的基礎(chǔ)器件，其中在語音信號(hào)處理技術(shù)方面顯得尤為突出。然而，由于包括DSP本身在內(nèi)的所有電子器件都是干擾源，而且系統(tǒng)所處的工作環(huán)境中還有很多外來干擾源，再加上語音識(shí)別技術(shù)對(duì)信號(hào)噪聲非常敏感，所以在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中必須考慮系統(tǒng)的抗干擾問題。否則，至少會(huì)影響系統(tǒng)的處理結(jié)果，甚至造成更為嚴(yán)重的后果。本文介紹基于DSP的語音信號(hào)處理系統(tǒng)中的抗干擾技術(shù)。

2 系統(tǒng)的干擾源和干擾途徑
基于DSP的語音信號(hào)處理系統(tǒng)中的干擾源主要有雷電放電造成的大氣噪聲源、太陽黑子運(yùn)動(dòng)等造成的天電噪聲源、電阻等電子元器件工作時(shí)發(fā)熱造成的熱噪聲源、50 Hz工頻電網(wǎng)造成的電網(wǎng)干擾源、家用電器造成的干擾源、電機(jī)造成的電刷干擾源、汽車點(diǎn)火裝置造成的點(diǎn)火系統(tǒng)干擾源、無線通信系統(tǒng)造成的射頻干擾源以及一些人為惡意造成的干擾源等，所有干擾源中高頻脈沖噪聲對(duì)數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)的危害最大(這里不研究語音引起的音頻干擾)。
以上提到的干擾源都屬于電磁干擾(EMI)。電磁學(xué)原理：只要有電流存在就會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)，只要有電壓存在就會(huì)產(chǎn)生電場(chǎng)。磁場(chǎng)、電場(chǎng)隨時(shí)間變化量的多少，就是產(chǎn)生電磁干擾的根本原因。電磁干擾的概念如圖1所示。

基于DSP的語音信號(hào)處理系統(tǒng)的干擾途徑主要有電源線、輸入/輸出線、接地線、電磁感應(yīng)、靜電感應(yīng)、電路的公共阻抗、電源異常等。各種干擾途徑在系統(tǒng)中所占比例如表1所示。

3 抗干擾措施
根據(jù)對(duì)系統(tǒng)自身、干擾源和干擾途徑的分析，抗干擾措施主要方案是：
①提高系統(tǒng)自身的電磁兼容性；
②隔離干擾源；
③切斷干擾途徑。
基于這3種方案，本文提出了一些適用于本系統(tǒng)的硬件抗干擾技術(shù)和軟件抗干擾技術(shù)。
3.1 電磁兼容
電磁兼容性是指電力、電子、通訊設(shè)備或其系統(tǒng)在其設(shè)置的場(chǎng)所處于工作狀態(tài)時(shí)，不對(duì)其周圍產(chǎn)生影響，也不被其四周的電磁環(huán)境所影響，不產(chǎn)生誤動(dòng)作和性能降低，按設(shè)計(jì)獲得其工作能力。也就是說，設(shè)備或系統(tǒng)不對(duì)外界產(chǎn)生電磁干擾，而且不受所處環(huán)境中電磁干擾影響其正常工作能力。
3.2 硬件抗干擾技術(shù)
由于高頻脈沖噪聲對(duì)本系統(tǒng)危害最大，為了提高系統(tǒng)的抗干擾性能，在系統(tǒng)中可采取以下措施：
(1)增加總線的抗干擾能力。采用三態(tài)門形式的總線結(jié)構(gòu)，并給總線接上拉電阻，使總線在瞬間處于穩(wěn)定的高電平而避免總線出現(xiàn)懸空狀態(tài)?？偩€須加緩沖器。
(2)提高系統(tǒng)控制信號(hào)抗干擾能力。在系統(tǒng)中通常有RESET、STB等控制線，當(dāng)CPU與其控制器件的傳輸距離較遠(yuǎn)且控制線阻抗較高時(shí)，就容易受到脈沖噪聲干擾?？稍诒豢刂破骷妮斎攵瞬⒙?lián)一只20 pF的電容，并且在RESET等控制信號(hào)線并聯(lián)一只0.Ol μF電容。控制線加一級(jí)緩沖器，使控制線的阻抗變低，也有助于抑制干擾。
(3)抑制數(shù)字信號(hào)的串模干擾。這種串模干擾是相鄰信號(hào)線在傳輸信號(hào)過程中引起的干擾，大多發(fā)生在印制板平行導(dǎo)線上。串模干擾的強(qiáng)弱與相鄰兩信號(hào)線之間的耦合阻抗和信號(hào)本身的阻抗有關(guān)。因此，在本系統(tǒng)中應(yīng)當(dāng)盡量縮短信號(hào)線的長(zhǎng)度；傳輸多種電平信號(hào)時(shí)，盡量把前、后沿時(shí)間相近的電平信號(hào)劃為一組傳輸；在雙面印制板的背面布置較大面積的地線區(qū)域，從而對(duì)部件產(chǎn)生的高頻脈沖噪聲起到吸收和屏蔽的作用。
(4)利用電磁干擾濾波器(EMI Filter)消除電源干擾。隨著電子設(shè)備、計(jì)算機(jī)和家用電器的大量涌現(xiàn)與廣泛普及，電網(wǎng)干擾正日益嚴(yán)重并形成一種公害。特別是瞬態(tài)電磁干擾，其電壓幅度高(幾百伏至上千伏)、上升速率塊、持續(xù)時(shí)間短、隨機(jī)性強(qiáng)，容易使數(shù)字電路產(chǎn)生嚴(yán)重干擾，甚至損害設(shè)備。電磁干擾濾波器亦稱電源噪聲濾波器(PNF)，它能有效地抑制電網(wǎng)噪聲，提高設(shè)備的抗干擾能力及系統(tǒng)的可靠性。電磁干擾濾波器在系統(tǒng)中的應(yīng)用如圖2所示。

(5)利用硬件看門狗功能提高系統(tǒng)的抗干擾能力。由專用器件MAX692構(gòu)成的看門狗電路如圖3所示，系統(tǒng)所用外圍元件少。MAX692是微系統(tǒng)監(jiān)控電路，具有后備電池切換、掉電判別、看門狗監(jiān)控等功能。其中WDI是看門狗檢測(cè)輸入端，接到DSP的一個(gè)專用I/O口或一個(gè)總線口上。RESET是復(fù)位信號(hào)輸出端，接DSP的復(fù)位端RST。MAX692的WDI定時(shí)周期為1.6 s，復(fù)位脈沖寬度是200 ms。如果WDI保持高或低超過“看門狗”定時(shí)周期(1.6 s)，RESET端將產(chǎn)生寬200 ms(最小140 ms)的負(fù)脈沖使DSP復(fù)位。

3.3 軟件抗干擾技術(shù)
利用軟件也可以提高DSP語音處理系統(tǒng)的抗干擾能力。主要有：
①利用數(shù)字濾波器來濾除干擾；
②采用軟件看門狗、多次采樣技術(shù)、定時(shí)刷新輸出口等技術(shù)來抑制干擾。
下面主要介紹數(shù)字濾波器在本系統(tǒng)中的應(yīng)用。
數(shù)字濾波器(DF)對(duì)語音信號(hào)的處理過程如圖4所示。語音信號(hào)首先經(jīng)過采樣/保持電路(S/H)，送至模/數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，然后通過數(shù)字濾波器濾除其中的干擾信號(hào)，最后通過數(shù)/模轉(zhuǎn)換器(DAC)獲得語音信號(hào)輸出。

根據(jù)所用數(shù)學(xué)模型的不同，數(shù)字濾波器可分為兩大類：一類是遞歸型濾波器，其特點(diǎn)是濾波器的輸出不僅與輸入信號(hào)有關(guān)，而且還與過去的輸出值有關(guān)；另一類是非遞歸型濾波器(如一階、二階低通濾波器)，其特征是濾波器的輸出僅與輸入信號(hào)有關(guān)，而與過去的輸出值無關(guān)。本系統(tǒng)使用的是遞歸型濾波器。
設(shè)數(shù)字濾波器的輸入信號(hào)為X(n)，輸出信號(hào)為Y(n)，則輸入序列和輸出序列之間的關(guān)系可用差分方程表示為：

上式中，輸入信號(hào)X(n)可以是語音信號(hào)經(jīng)采樣和ADC轉(zhuǎn)換后得到的數(shù)字序列，也可以是計(jì)算機(jī)的輸出信號(hào)；ak和bk均為系數(shù)，通過設(shè)置ak和bk可將DF設(shè)計(jì)成需要的帶通濾波器。
數(shù)字濾波器的軟件設(shè)計(jì)方法有：程序判斷濾波法(限幅濾波法)、中位值濾波法、算術(shù)平均濾波法、遞推平均濾波法、防脈沖干擾平均濾波法、一階之后濾波法等6種方法。根據(jù)需要，本系統(tǒng)選擇程序判斷濾波法，設(shè)計(jì)流程如圖5所示。

4 結(jié)束語
實(shí)驗(yàn)證明：以上抗干擾方法在基于DSP的語音信號(hào)處理系統(tǒng)中能夠充分抑制來自系統(tǒng)外的干擾，有效地提高系統(tǒng)的抗干擾能力和可靠性。