基于DSP的語音信號處理系統(tǒng)中的抗干擾技術 - 全文

　　l 引言

　　目前，由于具有運算速度快、片上資源豐富和能夠?qū)崿F(xiàn)復雜的線性和非線性算法等特性，DSP已成為通信、計算機和消費電子產(chǎn)品等領域的基礎器件，其中在語音信號處理技術方面顯得尤為突出。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，再加上語音識別技術對信號噪聲非常敏感，所以在系統(tǒng)設計中必須考慮系統(tǒng)的抗干擾問題。否則，至少會影響系統(tǒng)的處理結(jié)果，甚至造成更為嚴重的后果。本文介紹基于DSP的語音信號處理系統(tǒng)中的抗干擾技術。

　　2 系統(tǒng)的干擾源和干擾途徑

　　基于DSP的語音信號處理系統(tǒng)中的干擾源主要有雷電放電造成的大氣噪聲源、太陽黑子運動等造成的天電噪聲源、電阻等電子元器件工作時發(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、電機造成的電刷干擾源、汽車點火裝置造成的點火系統(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數(shù)字信號處理系統(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）。電磁學原理：只要有電流存在就會產(chǎn)生磁場，只要有電壓存在就會產(chǎn)生電場。磁場、電場隨時間變化量的多少，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、靜電感應、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)的硬件抗干擾技術和軟件抗干擾技術。

　　3.1 電磁兼容

　　電磁兼容性是指電力、電子、通訊設備或其系統(tǒng)在其設置的場所處于工作狀態(tài)時，不對其周圍產(chǎn)生影響，也不被其四周的電磁環(huán)境所影響，不產(chǎn)生誤動作和性能降低，按設計獲得其工作能力。也就是說，設備或系統(tǒng)不對外界產(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

　　由于高頻脈沖噪聲對本系統(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，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)。總線須加緩沖器。

　　（2）提高系統(tǒng)控制信號抗干擾能力。在系統(tǒng)中通常有RESET、STB等控制線，當CPU與其控制器件的傳輸距離較遠且控制線阻抗較高時，就容易受到脈沖噪聲干擾。可在被控制器件的輸入端并聯(lián)一只20 pF的電容，并且在RESET等控制信號線并聯(lián)一只0.Ol μF電容。控制線加一級緩沖器，使控制線的阻抗變低，也有助于抑制干擾。

　　（3）抑制數(shù)字信號的串模干擾。這種串模干擾是相鄰信號線在傳輸信號過程中引起的干擾，大多發(fā)生在印制板平行導線上。串模干擾的強弱與相鄰兩信號線之間的耦合阻抗和信號本身的阻抗有關。因此，在本系統(tǒng)中應當盡量縮短信號線的長度；傳輸多種電平信號時，盡量把前、后沿時間相近的電平信號劃為一組傳輸；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。隨著電子設備、計算機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)時間短、隨機性強，容易使數(shù)字電路產(chǎn)生嚴重干擾，甚至損害設備。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是看門狗檢測輸入端，接到DSP的一個專用I/O口或一個總線口上。RESET是復位信號輸出端，接DSP的復位端RST。MAX692的WDI定時周期為1.6 s，復位脈沖寬度是200 ms。如果WDI保持高或低超過“看門狗”定時周期（1.6 s），RESET端將產(chǎn)生寬200 ms（最小140 ms）的負脈沖使DSP復位。

　　3.3 軟件抗干擾技術

　　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、定時刷新輸出口等技術來抑制干擾。

　　下面主要介紹數(shù)字濾波器在本系統(tǒng)中的應用。

　　數(shù)字濾波器（DF）對語音信號的處理過程如圖4所示。語音信號首先經(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，最后通過數(shù)/模轉(zhuǎn)換器（DAC）獲得語音信號輸出。

　　根據(jù)所用數(shù)學模型的不同，數(shù)字濾波器可分為兩大類：一類是遞歸型濾波器，其特點是濾波器的輸出不僅與輸入信號有關，而且還與過去的輸出值有關；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有關，而與過去的輸出值無關。本系統(tǒng)使用的是遞歸型濾波器。

　　設數(shù)字濾波器的輸入信號為X（n），輸出信號為Y（n），則輸入序列和輸出序列之間的關系可用差分方程表示為：