基于DSP的语音信号处理系统中的抗干扰技术

l 引言
    目前，由于具有运算速度快、片上资源丰富和能够实现复杂的线性和非线性算法等特性，DSP已成为通信、计算机和消费电子产品等领域的基础器件，其中在语音信号处理技术方面显得尤为突出。然而，由于包括DSP本身在内的所有电子器件都是干扰源，而且系统所处的工作环境中还有很多外来干扰源，再加上语音识别技术对信号噪声非常敏感，所以在系统设计中必须考虑系统的抗干扰问题。否则，至少会影响系统的处理结果，甚至造成更为严重的后果。本文介绍基于DSP的语音信号处理系统中的抗干扰技术。

2 系统的干扰源和干扰途径
    基于DSP的语音信号处理系统中的干扰源主要有雷电放电造成的大气噪声源、太阳黑子运动等造成的天电噪声源、电阻等电子元器件工作时发热造成的热噪声源、50 Hz工频电网造成的电网干扰源、家用电器造成的干扰源、电机造成的电刷干扰源、汽车点火装置造成的点火系统干扰源、无线通信系统造成的射频干扰源以及一些人为恶意造成的干扰源等，所有干扰源中高频脉冲噪声对数字信号处理系统的危害最大(这里不研究语音引起的音频干扰)。
    以上提到的干扰源都属于电磁干扰(EMI)。电磁学原理：只要有电流存在就会产生磁场，只要有电压存在就会产生电场。磁场、电场随时间变化量的多少，就是产生电磁干扰的根本原因。电磁干扰的概念如图1所示。

    基于DSP的语音信号处理系统的干扰途径主要有电源线、输入/输出线、接地线、电磁感应、静电感应、电路的公共阻抗、电源异常等。各种干扰途径在系统中所占比例如表1所示。

3 抗干扰措施
    根据对系统自身、干扰源和干扰途径的分析，抗干扰措施主要方案是：
    ①提高系统自身的电磁兼容性；
    ②隔离干扰源；
    ③切断干扰途径。
    基于这3种方案，本文提出了一些适用于本系统的硬件抗干扰技术和软件抗干扰技术。
3.1 电磁兼容
    电磁兼容性是指电力、电子、通讯设备或其系统在其设置的场所处于工作状态时，不对其周围产生影响，也不被其四周的电磁环境所影响，不产生误动作和性能降低，按设计获得其工作能力。也就是说，设备或系统不对外界产生电磁干扰，而且不受所处环境中电磁干扰影响其正常工作能力。
3.2 硬件抗干扰技术
    由于高频脉冲噪声对本系统危害最大，为了提高系统的抗干扰性能，在系统中可采取以下措施：
    (1)增加总线的抗干扰能力。采用三态门形式的总线结构，并给总线接上拉电阻，使总线在瞬间处于稳定的高电平而避免总线出现悬空状态。总线须加缓冲器。
    (2)提高系统控制信号抗干扰能力。在系统中通常有RESET、STB等控制线，当CPU与其控制器件的传输距离较远且控制线阻抗较高时，就容易受到脉冲噪声干扰。可在被控制器件的输入端并联一只20 pF的电容，并且在RESET等控制信号线并联一只0.Ol μF电容。控制线加一级缓冲器，使控制线的阻抗变低，也有助于抑制干扰。
    (3)抑制数字信号的串模干扰。这种串模干扰是相邻信号线在传输信号过程中引起的干扰，大多发生在印制板平行导线上。串模干扰的强弱与相邻两信号线之间的耦合阻抗和信号本身的阻抗有关。因此，在本系统中应当尽量缩短信号线的长度；传输多种电平信号时，尽量把前、后沿时间相近的电平信号划为一组传输；在双面印制板的背面布置较大面积的地线区域，从而对部件产生的高频脉冲噪声起到吸收和屏蔽的作用。
    (4)利用电磁干扰滤波器(EMI Filter)消除电源干扰。随着电子设备、计算机和家用电器的大量涌现与广泛普及，电网干扰正日益严重并形成一种公害。特别是瞬态电磁干扰，其电压幅度高(几百伏至上千伏)、上升速率块、持续时间短、随机性强，容易使数字电路产生严重干扰，甚至损害设备。电磁干扰滤波器亦称电源噪声滤波器(PNF)，它能有效地抑制电网噪声，提高设备的抗干扰能力及系统的可靠性。电磁干扰滤波器在系统中的应用如图2所示。

    (5)利用硬件看门狗功能提高系统的抗干扰能力。由专用器件MAX692构成的看门狗电路如图3所示，系统所用外围元件少。MAX692是微系统监控电路，具有后备电池切换、掉电判别、看门狗监控等功能。其中WDI是看门狗检测输入端，接到DSP的一个专用I/O口或一个总线口上。RESET是复位信号输出端，接DSP的复位端RST。MAX692的WDI定时周期为1.6 s，复位脉冲宽度是200 ms。如果WDI保持高或低超过“看门狗”定时周期(1.6 s)，RESET端将产生宽200 ms(最小140 ms)的负脉冲使DSP复位。

3.3 软件抗干扰技术
    利用软件也可以提高DSP语音处理系统的抗干扰能力。主要有：
    ①利用数字滤波器来滤除干扰；
    ②采用软件看门狗、多次采样技术、定时刷新输出口等技术来抑制干扰。
    下面主要介绍数字滤波器在本系统中的应用。
    数字滤波器(DF)对语音信号的处理过程如图4所示。语音信号首先经过采样/保持电路(S/H)，送至模/数转换器(ADC)转换成数字量，然后通过数字滤波器滤除其中的干扰信号，最后通过数/模转换器(DAC)获得语音信号输出。

    根据所用数学模型的不同，数字滤波器可分为两大类：一类是递归型滤波器，其特点是滤波器的输出不仅与输入信号有关，而且还与过去的输出值有关；另一类是非递归型滤波器(如一阶、二阶低通滤波器)，其特征是滤波器的输出仅与输入信号有关，而与过去的输出值无关。本系统使用的是递归型滤波器。
    设数字滤波器的输入信号为X(n)，输出信号为Y(n)，则输入序列和输出序列之间的关系可用差分方程表示为：

   
    上式中，输入信号X(n)可以是语音信号经采样和ADC转换后得到的数字序列，也可以是计算机的输出信号；ak和bk均为系数，通过设置ak和bk可将DF设计成需要的带通滤波器。
    数字滤波器的软件设计方法有：程序判断滤波法(限幅滤波法)、中位值滤波法、算术平均滤波法、递推平均滤波法、防脉冲干扰平均滤波法、一阶之后滤波法等6种方法。根据需要，本系统选择程序判断滤波法，设计流程如图5所示。

4 结束语
    实验证明：以上抗干扰方法在基于DSP的语音信号处理系统中能够充分抑制来自系统外的干扰，有效地提高系统的抗干扰能力和可靠性。