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摘 要：本课题的音频去噪系统设计能够完成语音的采集、去噪、播放频谱分析等功能。本论文的主要题目是先对语音进行初步的采集，然后利用小波系数方差及子带平均能量这两种算法分析语音和噪声的频域差别。通过DSP芯片TMS320C5416的语音分析系统，FIR数字滤波器的DSP实现，同时通过利用窗函数对滤波器的结果进行仿真，最后得到理想的音频信号。此系统设计主要是通过子带平衡能量方差及小波系数方差算法的结合，利用两种算法各自的优点，得到一种综合的小波頻谱分析算法。运用这种算法能极大地减少开发的难度，仅需要TMS320C5416和MATLAB等软件就可以完成本次实验。
关键词：DSP；音频去噪；设计
一、音频去噪计数的国内外发展现状
在过去的二十多年时间里，数字信号处理是利用计算机或专用处理设备，以数字形式对信号进行采集、交换、滤波、估值、增强、压缩、识别等处理，已得到符合人们需要的信号形式。而语音去噪的研究始于20世纪70年代中期，它是随着数字信号处理理论的成熟而逐渐发展成为语言信号处理领域的一个重要分支。
目前，国内DSP技术关于语言方面的应用还仅仅集中在语音信号的处理以及MP3上对音频信号的编解码上。在实际生活中，总少不了音频处理器，特别是舞台、会场上的调音台和各种音响设备，音频处理器更是一种必不可少的设备。但是国内的大多数音频处理器是国外产品，同时价格还比较昂贵。国产的音频器又多为模拟音频处理器，成本高的同时性能还不尽人意、参数不易修改。而基于DSP的音频去噪能克服以上缺点。利用DSP的音频去噪处理，在程序内直接设置参数或者参数设置成可调模式，最后通过DSP的语言处理模块处理音频后输出。基于DSP的音频处理器不仅能完成基本功能，而且还能把音频信号储存在DSP的FLASH上。而小波变换是一种多尺度的信号分析方法，是分析非平稳信号的有力工具，克服了短时Fourier变换固定分辨率的弱点，已在语音处理、图像分析、地震信号分析等方面获得了广泛应用。现今，人们已开始将小波变换理论应用到语音降噪处理上。
二、基于DSP的音频去噪系统设计的方案论证
1.处理器的方案论证
方案一：采用单片机89C51系列
方案二：采用定点DSPTMS320C54x系列
决定采用方案二的TMS320C5416作为系统的处理器
2.去噪系统算法的方案论证
方案一：采用谱减法
方案二：采用结合小波系数方差和子带平均能量的算法
决定采用方案二的算法作为系统去噪系统的算法
3.语音处理模块的方案论证
方案一：采用TLV320AIC23语音处理模块
方案二：采用ISD-T360SA语音处理模块
决定采用方案一的语音处理模块
三、基于DSP的音频去噪系统的理论基础
1.语音分析的一般方法
语音分析是语音处理中的核心内容，语音分析的好坏直接决定了语音合成、甄别、去噪、识别等处理的结果。合成的音频音质的好坏，音频甄别率和识别率的高低，音频去噪效果的好坏都取决于语音分析工作的好坏。因此，先对语音做频谱分析，可以得到提高语音分辨率，并据此来设计语音分析系统的硬件和软件。
语音分析有时域分析、频域分析和语谱分析三种方法。
1.1时域分析法
时域分析是最早提出并且被最早使用的一种音频分析方法，同时也是目前应用范围最广泛的一种音频分析方法。各种电信号都可以用时域波形表示，例如心电信号、电池的电量变换等信号都可以用时域波形表示。语音的时域分析采用时域波形图。
1.2频域分析法
频域分析是常用的第二种语音分析方法。语音信号的频域分析包含有语音信号的频谱、功率谱、频谱包络等。
1.3语谱分析法
利用语谱图是现今常用的一种语音分析方法。20世纪40年代已经利用这种方法研究出了产品。语谱图的横坐标是时间，纵坐标是频率，Z轴是黑度，表示音强。语谱图能够显示不同时间不同频率的音强，音强可以作为判断音频的一个指标，同时可以在两个维度（时间及频率）上表示出音强的关系。
四、基于DSP的音频去噪系统的硬件设计
1.系统整体设计
本章主要介绍基于DSP控制系统硬件的实现方法，主要包括最小系统模块，音频信号的处理和控制模块，LCD显示模块，独立按键模块等硬件设施。
1.1 TMS320C5416简介
TMS320C5416是TI公司0.15um器件中的第一款DSP芯片，能够直接与T1或E1线路连接，不需要外部逻辑电路，主要用于IP语音、通信服务器、专用小型交换机和计算机电话系统等。
1.2 最小系统模块硬件设计
最小系统模块是使得DSP芯片TMS320C5416能够工作的最精简模块，它主要包括电源电路、复位电路、时钟电路、下载电路和数据存储电路。
2.语音处理模块AIC23的设计
2.1 语音处理芯片AIC23简介
TLV320AIC23是TI公司推出的一款高性能立体声音频编解码器，内置耳机输出放大器支持mic和line in二选一的输入方式。输入和输出都具有可编程的增益调节功能。
2.2音频控制系统硬件的实现方法
音频控制系统硬件的实现方法，主要包括最小系统模块、AIC音频处理块、LCD显示模块等模块的硬件设计。在TI公司DSP芯片TMS320C5416最小系统模块的基础上进行功能扩展，加上AIC23语音处理模块对音频信号进行了简单的处理。介绍最小系统模块的各个部分的原理以及相应的硬件配置和实际电路设计，对于我们后面的实验以及仿真提供了有力的硬件支持。
五、基于DSP的音频去噪系统的软件及仿真
1.总系统流程图
本设计的软件结构框架主要是首先利用5416控制的AIC23语音处理进行采集后，对其完成AD转换，送给滤波器实现不同的滤波效果，滤波后的音频信号返还给AIC23语音处理实现DA转换后输出。
2.音频去噪滤波器的设计
IIR数字滤波器的设计方法是利用模拟滤波器成熟的理论及设计图表进行设计的，因而保留了一些典型模拟滤波器优良的幅度特性。但设计中只考虑了幅度特性，没考虑相位特性，所设计的滤波器一般是某种确定的非线性相位特性。为了得到线性相位特性，对IIR滤波器必须另外增加相位校正网络，使滤波器设计变得复杂，成本也高，又难以得到严格的线性相位特性。
而有限脉冲响应滤波器在保证幅度特性满足技术要求的同时，很容易做到有严格的线性相位特性。稳定和线性相位特性是FIR滤波器最突出的特点。
六、总结
本设计主要是设计一个基于DSP的音频去噪系统，完成模拟去噪方式所不能实现的功能。在本文中，首先讲述了实现这个系统的可能性、目的及意义，分析现在这个技术在国内外的发展以及目前的实现程度。基于以上这些，我提出这个系统的基本要求和最后要实现的功能。当系统的要求和实现的功能提出后，围绕这些展开设计。
本设计完成了以DSP为核心的音频去噪处理，实现软硬件联调，并且详细讲解了核心算法，初步实现了去噪功能。虽然去噪还存在一些限制，在以后的工作中还会初步该进。伴随了以后的发展，可能会有更好的处理器，语音模块和一些先进的算法，这些都可以更好对音频信号实现去噪。
关键词：DSP；音频去噪；设计
一、音频去噪计数的国内外发展现状
在过去的二十多年时间里，数字信号处理是利用计算机或专用处理设备，以数字形式对信号进行采集、交换、滤波、估值、增强、压缩、识别等处理，已得到符合人们需要的信号形式。而语音去噪的研究始于20世纪70年代中期，它是随着数字信号处理理论的成熟而逐渐发展成为语言信号处理领域的一个重要分支。
目前，国内DSP技术关于语言方面的应用还仅仅集中在语音信号的处理以及MP3上对音频信号的编解码上。在实际生活中，总少不了音频处理器，特别是舞台、会场上的调音台和各种音响设备，音频处理器更是一种必不可少的设备。但是国内的大多数音频处理器是国外产品，同时价格还比较昂贵。国产的音频器又多为模拟音频处理器，成本高的同时性能还不尽人意、参数不易修改。而基于DSP的音频去噪能克服以上缺点。利用DSP的音频去噪处理，在程序内直接设置参数或者参数设置成可调模式，最后通过DSP的语言处理模块处理音频后输出。基于DSP的音频处理器不仅能完成基本功能，而且还能把音频信号储存在DSP的FLASH上。而小波变换是一种多尺度的信号分析方法，是分析非平稳信号的有力工具，克服了短时Fourier变换固定分辨率的弱点，已在语音处理、图像分析、地震信号分析等方面获得了广泛应用。现今，人们已开始将小波变换理论应用到语音降噪处理上。
二、基于DSP的音频去噪系统设计的方案论证
1.处理器的方案论证
方案一：采用单片机89C51系列
方案二：采用定点DSPTMS320C54x系列
决定采用方案二的TMS320C5416作为系统的处理器
2.去噪系统算法的方案论证
方案一：采用谱减法
方案二：采用结合小波系数方差和子带平均能量的算法
决定采用方案二的算法作为系统去噪系统的算法
3.语音处理模块的方案论证
方案一：采用TLV320AIC23语音处理模块
方案二：采用ISD-T360SA语音处理模块
决定采用方案一的语音处理模块
三、基于DSP的音频去噪系统的理论基础
1.语音分析的一般方法
语音分析是语音处理中的核心内容，语音分析的好坏直接决定了语音合成、甄别、去噪、识别等处理的结果。合成的音频音质的好坏，音频甄别率和识别率的高低，音频去噪效果的好坏都取决于语音分析工作的好坏。因此，先对语音做频谱分析，可以得到提高语音分辨率，并据此来设计语音分析系统的硬件和软件。
语音分析有时域分析、频域分析和语谱分析三种方法。
1.1时域分析法
时域分析是最早提出并且被最早使用的一种音频分析方法，同时也是目前应用范围最广泛的一种音频分析方法。各种电信号都可以用时域波形表示，例如心电信号、电池的电量变换等信号都可以用时域波形表示。语音的时域分析采用时域波形图。
1.2频域分析法
频域分析是常用的第二种语音分析方法。语音信号的频域分析包含有语音信号的频谱、功率谱、频谱包络等。
1.3语谱分析法
利用语谱图是现今常用的一种语音分析方法。20世纪40年代已经利用这种方法研究出了产品。语谱图的横坐标是时间，纵坐标是频率，Z轴是黑度，表示音强。语谱图能够显示不同时间不同频率的音强，音强可以作为判断音频的一个指标，同时可以在两个维度（时间及频率）上表示出音强的关系。
四、基于DSP的音频去噪系统的硬件设计
1.系统整体设计
本章主要介绍基于DSP控制系统硬件的实现方法，主要包括最小系统模块，音频信号的处理和控制模块，LCD显示模块，独立按键模块等硬件设施。
1.1 TMS320C5416简介
TMS320C5416是TI公司0.15um器件中的第一款DSP芯片，能够直接与T1或E1线路连接，不需要外部逻辑电路，主要用于IP语音、通信服务器、专用小型交换机和计算机电话系统等。
1.2 最小系统模块硬件设计
最小系统模块是使得DSP芯片TMS320C5416能够工作的最精简模块，它主要包括电源电路、复位电路、时钟电路、下载电路和数据存储电路。
2.语音处理模块AIC23的设计
2.1 语音处理芯片AIC23简介
TLV320AIC23是TI公司推出的一款高性能立体声音频编解码器，内置耳机输出放大器支持mic和line in二选一的输入方式。输入和输出都具有可编程的增益调节功能。
2.2音频控制系统硬件的实现方法
音频控制系统硬件的实现方法，主要包括最小系统模块、AIC音频处理块、LCD显示模块等模块的硬件设计。在TI公司DSP芯片TMS320C5416最小系统模块的基础上进行功能扩展，加上AIC23语音处理模块对音频信号进行了简单的处理。介绍最小系统模块的各个部分的原理以及相应的硬件配置和实际电路设计，对于我们后面的实验以及仿真提供了有力的硬件支持。
五、基于DSP的音频去噪系统的软件及仿真
1.总系统流程图
本设计的软件结构框架主要是首先利用5416控制的AIC23语音处理进行采集后，对其完成AD转换，送给滤波器实现不同的滤波效果，滤波后的音频信号返还给AIC23语音处理实现DA转换后输出。
2.音频去噪滤波器的设计
IIR数字滤波器的设计方法是利用模拟滤波器成熟的理论及设计图表进行设计的，因而保留了一些典型模拟滤波器优良的幅度特性。但设计中只考虑了幅度特性，没考虑相位特性，所设计的滤波器一般是某种确定的非线性相位特性。为了得到线性相位特性，对IIR滤波器必须另外增加相位校正网络，使滤波器设计变得复杂，成本也高，又难以得到严格的线性相位特性。
而有限脉冲响应滤波器在保证幅度特性满足技术要求的同时，很容易做到有严格的线性相位特性。稳定和线性相位特性是FIR滤波器最突出的特点。
六、总结
本设计主要是设计一个基于DSP的音频去噪系统，完成模拟去噪方式所不能实现的功能。在本文中，首先讲述了实现这个系统的可能性、目的及意义，分析现在这个技术在国内外的发展以及目前的实现程度。基于以上这些，我提出这个系统的基本要求和最后要实现的功能。当系统的要求和实现的功能提出后，围绕这些展开设计。
本设计完成了以DSP为核心的音频去噪处理，实现软硬件联调，并且详细讲解了核心算法，初步实现了去噪功能。虽然去噪还存在一些限制，在以后的工作中还会初步该进。伴随了以后的发展，可能会有更好的处理器，语音模块和一些先进的算法，这些都可以更好对音频信号实现去噪。