毕业论文噪音滤除系统研究与设计

1、噪音滤除系统研究与设计论文彭灿 谭亮 李锦华 王志彪 唐姝旸指导老师：张新安（湖南科技学院 电子工程系）摘要：随着科技的发展，科学技术的广泛应用，人们的生活水平也逐渐提高。当人们在享受物质文化的同时，新型的消费观念也深入人心。然而在日常生活中，各种视听享受成了人们必不可少的精神娱乐，通信或信息交换更是如同衣食住行一样，须臾都离不开。可是，在进行通信或娱乐的同时一直存在着一个困扰很久的技术问题噪声干扰鉴于此缺陷，语音信号的处理也显得十分必要。本项目研究设计噪音滤除系统。其核心功能模块主要包括声音采集模块，语音识别模块，滤波模块，语音放大模块等。系统通过麦克风采集语音信号，然后放大再通过滤波器把外

2、部噪音滤除，最后将清晰的话音经微型听筒传送到对方的耳中。【关键词】 噪音、声音采集、语音识别、麦克风 一 引言本项目研究设计噪音滤除系统。其核心功能模块主要包括声音采集模块，语音识别模块，滤波模块，语音放大模块等。在研究传统降噪的基础上，提出了一种基于AT89C52 的音频信号采集、处理系统。该系统以单片机AT89C52 为控制器， 采用键盘和LCD 作为人机界面，ADC0809 采集音频信号，通过软件滤波和硬件滤波相结合滤除噪音；数据采集技术涉及领域广,采集信号的动态范围宽,处理数据量大,对系统实时性能要求高。以数字信号的形式对信号进行处理，具有处理速度快、灵活、精确、抗干扰能力强、体积小及

3、可靠性高等优点，满足了对信号快速、精确、实时处理及控制的要求。本设计利用了数字电路的这些优点，对传统的模拟降噪电路进行了改进，以较低的成本使性能得到了提高。本系统设计拟解决的关键问题：1、 语音的拾取与放大。2、 A/D 转换电路。3、 噪音的滤除。1.1噪音滤除系统总体功能概述系统总体框图系统原理描述：系统由一个主控机和麦克风阵列、A/D 转换器、前置放大器、LCD显示器、PWM调制器、高低通滤波器、音频功放等模块组成。系统工作时，首先由麦克风阵列采集外界声音信号，送到A/D 转换器中进行模数转换，把模拟信号转换成数字信号送入主控中心进行处理，经处理后的信号再输入到PWM调制器以及高低通滤波

4、器，进行噪音消除，然后经过音频功放接入外设。具体框图如下所示： 图1、系统总体框图 二 硬件系统设计2.1电源电路电源是整个系统的能量来源，它直接关系到系统能否运行。在本系统中单片机、液晶显示电路需要5V的电源，因此电路中选用稳压芯片7805； AD620，OP07等芯片需要+12V和-12V的双电源，因此电路中采用了稳压芯片7812和7912，其最大输出电流为1.5A，能够满足系统的要求，其电路如图2.1所示。图2.1 电源电路2.2 RS-232下载接口电路RS-232通信接口电路原理图如图2.2所示：由于PC机的通信口为RS-232电平标准，而单片机则是TTL电平，所以要实现单片机与PC

5、机串行通信，就需采用MAX232将TTL电平转换为RS-232电平。RS-232标准的传输速率只能达到20kb/s,最大传输距离15m。但这里基本能满足本次设计要求。该接口电路，方便设计中的程序调试，电路简单实用。图2.2 RS-232下载接口电路2.3 微处理器基本系统微处理控制系统采用了ATMEL公司生产的AT89C52单片机，复位电路和晶振电路是89C52工作所需的最简单外围电路。同时该基本系统还包含了显示模块和独立按键模块，电路设计简单，其中显示电路选用LCD1602,显示直观、外圈电路简单。微处理器基本系统电路原理图如图2.3所示：图2.3 微处理器基本系统2.4 语音拾取模块本项目

6、提出了一种在嘈杂环境下利用驻极体麦克风阵列对声音信号拾取降噪的方法。该方法对每个麦克风采集的声音信号进行模态分解，然后根据各个IMF信号的归一化能量挑选出主要的IMF分量进行信号重构，从而实现对信号进行降噪处理。该设计中麦克风阵列选用声望公司的MPA416传声器来实现。MPA416传声器的灵敏度高，可达到50mv/pa；拥有低成本、低噪声；频率响应范围为20HZ-20KHZ；方框图如下： 图2.4语音拾取模块框图2.4.1麦克风的方案论证方案一：模拟麦克风模拟麦克风主要是指将话筒振动膜所收集到的声音信号转换为音频电流信号，最后又还原为声音信号。这种麦克风结构简单、价格低廉、有较长的寿命，但它灵

7、敏度低、频率响应不够宽、容易受到射频和电磁干扰。方案二：数字麦克风 数字麦克风，顾名思义就是直接输出数字脉冲讯号的麦克风电声组件，这种麦克风内建前置增益(Pre Amp)及A/D编码芯片的麦克风电声组件，其输出讯号格式是数字脉冲讯号，可以直接与相应的编译码芯片接口传输数字讯号。数字麦克风的最大优点是抗干扰能力强，无需像传统传声器那样内置高频滤波电容、滤波器电路。数字麦克风因其固有的特点，不会受到那些来自电脑、网络、射频际磁场信号源的干扰、影响。具体表现为：减少元件成本和数目，不需要外部前置放大器；简单的扁线连接，增加麦克风布局的灵活性，并且没有空间上的限制；对RF和EM(射频和电磁干扰)免除的

8、数字输出；采用先进软件可减少离轴环境影响；波束成型，噪声抑制，回声消除。经比较，考虑到方案二在设计时更灵活方便，可以采用通用的开发工具，性价比很高，而且89C52扩展其它接口也更加自由，技术也很成熟，所以采用第二种方案。2.4.2驻极话筒的简介驻极体是近几十年才发展起来的一种新材料。我们通常所说的驻极体 实际上是一种能够长期保持电极化状态的电介质 ,这种电介质一般是用高分子聚合物经极化而产生永久带电荷的物质 。而驻极体话筒则是驻极体材料在电声换能器方面的一个具体应用。由于驻极体话筒具有体积小 、频率范围宽 、高保真和成本低的特点 ,目前 ,已在通信设 备 、家用电器等电子产品中广泛应用 。2.

9、4.3驻极体话筒的结构与工作原理驻极体话筒的工作原理可以用图2.5来表示 。话筒的基本结构由 一片单面涂有金属的驻极体薄膜与一个上面有若干个小孔的金属电极称为背电极构成 。驻极体面与背极相对 ,中间有一个极小的空气隙形成 一个以空 气隙和驻极体作绝缘介质 ,以背极和驻极体上的金属层作为两个电极构成一个平板电容器。电容器的极之间接有输出电极。由于驻极体膜上分布有自由电荷,于是在电容的两极板之间就有了感应电荷。当波引起驻极体薄膜振动而产生位时改变了电容器两极板之间 的距离,从而引起电容器的容量发生化,由于驻极体上的电荷数始终保恒定,当电容器的容量发生变化时必然引起电容器两端电压的变化 ,从而输出电

10、信号、实现声电的变换。 图2.5驻极体话筒的结构2.5 前置放大电路在一般的信号放大应用中通常只要经过差动放大电路即可满足要求，然而基本的差动放大电路精密度较差，而且差动放大电路上改变放大增益时，必须调整两个电阻，影响整个放大精确度的因素就更加复杂。而仪表放大器AD620增益范围宽（增益为1-1000），电源供电范围宽（+2.3V-+18V），功耗低，精确度高，电路简单，只需外接一个电阻就可改变放大倍数4，图2.6为AD620的管脚图，其中1、8脚需跨接一电阻来调整放大倍率，4、7脚需提供正负相等的工作电压，2、3脚接入输入信号即可从6脚得到放大后的信号，5脚为参考基准电压输入，如果接地则6脚

11、的输出即为与地之间的相对电压，AD620的放大增益关系式如式（1）和式（2）所示，由此2式我们即可推出各种增益所需要的电阻Rg.G = +1 （1） 图2.6 AD620管脚图 Rg = （2） 基于上述有利条件，我们以AD620为核心，OP07（扩大增益范围）为辅构成系统的放大电路,电路如图2.7所示：信号经过前级电压跟随器器后送入AD620进行第一级放大，AD620输出信号送至OP07进行第二级放大后输出。图2.7信号放大电路同相比例运算电路中反馈的组态为电压串联负反馈，同样可以利用理想运放工作在线性区时的两个特点来分析其电压放大倍数。在图2.7中，根据运放的“虚短”和“虚断”的特点可知，

12、I- = I+ = 0，所以V- = Vo*R13/(R13+R14 )+Vref*R14/(R13 + R14 ) (3-1)而且V- = V+ = Vi (3-2)由以上两式可求出 Vo=Vi*（R13 + R14）/R13-Vref*R14/R13 (3-3)所以本放大电路的放大倍数A =1+ R14/R13，此放大电路为同相比例放大电路，它的放大倍数总是大于或等于1。同相比例运算电路有以下几个特点： (1)同相比例运算放大电路是一个深度的电压串联负反馈电路。因为不存在“虚地”现象，所以其输入端有较高的共模输入电压。(2)电压放大倍数A =1+ R14/R13，即输出电压与输入电压的幅值

13、成正比，且相位相同，所以此电路实现了同相比例放大。如果不接R13和R14，则此电路就成了“电压跟随器”，它可以减少电路模块间由于阻抗引起的干扰。 (3)由于引入了深度电压串联负反馈，因此电路的输入阻抗很高，输出阻抗很低。高输入阻抗就可以减少放大电路对前端电路的影响，同时低输出阻抗也可以提高自身的抗干扰性，这显然有利于电路中其他模块的设计。 此放大电路还加了参考电压，引入了零点调节功能，这样可以更方便的调整由于不同传感器导致的零点变化问题。它利用滑动变阻器产生一个参考电压Vref，再利用电压跟随器把电压输入到运算放大电路的电压参考端。所以调节滑动变阻器，就可以直接改变放大电路的参考电压。而电压跟

14、随器的作用就如上面介绍的，它只是用来匹配阻抗用的，防止R6和R11对滑动变阻器输出电压的影响。2.6 A/D 转换电路 A/D转换 电路由A/D 转换器ADC0809 与系统处理器AT89C52 组成， 主要实现对放大后的声音信号进行采样。ADC0809 与AT89C52 的电路连接如图2.8 所示。 图2.8 ADC0809 与AT89S52 的连接电路从图2 .8中可以看到，把ADC0809 的ALE 信号与START信号接在一起，这样可使得在信号的前沿写入（锁存）通道地址，紧接着在其后沿就启动转换。启动A/D 转换只需要一条P2.7=0 指令。在此之前，要将P2.7 清零并将最低3 位与

15、所选的通道对应的地址送入数据指针DPTR 中。ADC0809 的转换结束信号EOC 取反后与AT89S52 的INT1 相连，采用中断方式读取A/D 转换结果，并启动下一次A/D 转换。也可定时启动A/D 转换，并读取上次转换结果。2.7 LCD1602的接口电路LCD1602引脚分布及功能与AT89C52单片机的接口电路如图2.9所示。图2.9 A/D转换电路和LCD显示电路第1脚：VSS为地电源。第2脚：VDD接5V正电源。第3脚：V0为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地电源时对比度最高，对比度过高时会产生“鬼影”，使用时可以通过一个10K的电位器调整对比度。第4脚：RS为

16、寄存器选择，高电平选择数据寄存器、低电平时选择指令寄存器。第5脚：RW为读写信号线，高电平时进行读操作，低电平时进行写操作。当RS和RW共同为低电平时可以写入指令或者显示地址，当RS为低电平RW为高电平时可以读忙信号，当RS为高电平RW为低电平时可以写入数据。第6脚：E为使能端，当E端由高电平跳变成低电平时，液晶模块执行命令。第714脚：D0D7为8位双向数据线。第1516脚：背光电源。2.8 PWM 输出电路 本设计采用单片机输出PWM 信号驱动音频放大电路，PWM 输出电路如图2.10所示。PWM 是一种利用微处理器的数字输出控制模拟电路的有效技术，对一系列脉冲的宽度进行调制，等效获得所需

17、波形，并且由于没有使用D/A 转换器，系统成本减少很多。PWM 的优点是从处理器到被控系统信号都是数字形式的，无需进行D/A 转换。让信号保持为数字形式可将噪声影响降到最小。此外PWM 信号很容易通过MCU 的软件进行控制，即使电路稍微有些系统误差，易于通过软件进行校正。图2.10 中， 利用单片机的P2.7 引脚输出一定宽度的PWM信号，通过三极管整形后，作用在惯性环节上，得到的输出信号PWMOUT 将作用在音频功放电路上，还原为声音。 图2.10 PWM 输出电路2.9 音频功率放大电路为了使系统有足够大的输出，驱动扬声器发声，便于调节音量， 在PWM 输出电路后使用了音频信号功率放大器L

18、M386 构建功率放大电路，如图2.11 所示。 图2.11 音频功放电路LM386 型音频功率放大器主要应用于低电压消费类产品。为使外围元件最少，电压增益内置为20。但在其引脚1 和5 之间外接电阻和电容， 便可将电压增益调为任意值， 直至200。输入端以地位参考,同时输出端被自动偏置到电源电压的一半, 在6 V 电源电压下, 其静态功耗仅为24 mW, 使得LM386 特别适用于电池供电的场合。PWMOUT 为PWM 输出电路的输出，扬声器为8 ，0.5 W。经过调试发现将电源+5 V用10 F 和0.1 F 的电容滤波后，会减小很多噪声，效果较好。三 软件系统设计3.1 系统软件框图设计软件设计是整个系统的灵魂，也是系统一个重要的调试部分。如图3.1所示为整个系统的软件框图，主程序先对系统资源进行初始化，然后完成语音的采样、A/D转换控制和LCD显示控制，以及键盘扫描、PWM调制器控制。 图3.1系统软件流程图3.2按键子程序设计为方便用户的使用，本系统设计多个功能按键，包括开、关、暂停等，按键处理子程序流程图如图3.2所示。图3.2键盘处理子程序 三 调试注意事项系统进行调试时，应