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一種基于ARM的低功耗語音去噪系統(tǒng)設(shè)計方案

作者: 時間:2014-06-18 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

  近年來,電子技術(shù)的發(fā)展促進(jìn)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。

本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/248475.htm

  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(jìn)而得到去噪后較純凈的語音頻譜。

  

 

  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,芯片雖然數(shù)據(jù)處理能力強(qiáng)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 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(dá)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(dá)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(dá)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(fù)載能力強(qiáng)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(fēng)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(jìn)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(jìn)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(dāng)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。

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