手機(jī)音頻設(shè)計(jì)中的噪聲控制技術(shù)

□ 耿 麗 李俄收 陳 皓

一、數(shù)字濾波器的降噪處理

隨著用戶體驗(yàn)需求的不斷提高，越來(lái)越多的手機(jī)要求對(duì)通話雙方的環(huán)境/背景噪聲進(jìn)行抑制，并提出了具體的指標(biāo)要求。但是，大多數(shù)場(chǎng)景中的環(huán)境噪聲都是隨機(jī)信號(hào)，其幅度、頻率、出現(xiàn)時(shí)間、持續(xù)時(shí)間等參數(shù)都是不固定的，模擬濾波器根本無(wú)法實(shí)現(xiàn)噪聲抑制，只能采用數(shù)字濾波器。

(一)數(shù)字濾波的定義。所謂數(shù)字濾波就是用數(shù)字設(shè)備，通過(guò)一定的算法，對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理，將某個(gè)頻段的信號(hào)進(jìn)行濾除，得到新的信號(hào)的這一過(guò)程叫做數(shù)字濾波。

(二)數(shù)字濾波性能。數(shù)字濾波具有高精度、高可靠性、可程控改變特性或復(fù)用、便于集成等優(yōu)點(diǎn)。數(shù)字濾波在語(yǔ)言信號(hào)處理、圖像信號(hào)處理以及其他應(yīng)用領(lǐng)域都得到了廣泛應(yīng)用。如圖1所示。

圖1

簡(jiǎn)單而言，噪聲抑制相當(dāng)于將含噪信號(hào)輸入到濾波器進(jìn)行處理，使得輸出信號(hào)的信噪比得到提高。那么，真實(shí)的情況到底如何?

假定輸入過(guò)程x(n)=d(n)+v(n)，其中d(n)是AR(1)過(guò)程，其自相關(guān)序列為rd(k)=a|k|，0≦ a≦1，噪聲v(n)是與d(n)不相關(guān)的單位白噪。將x(n)通過(guò)一個(gè)2階的FIR濾波器h(n)，輸出過(guò)程為y(n)。那么得到的結(jié)果為:

SNRx=1 λmin=1-a λmax=1+a λmin ≦SNRy/SNRx≦ λma

可見(jiàn)，給定一個(gè)輸入過(guò)程，隨著濾波器矢量h的變化，輸出過(guò)程信噪比與輸入過(guò)程信噪比的比值在［λmin，λmax］之間波動(dòng)。進(jìn)一步，如果設(shè)定α=0.5，則無(wú)論h如何變化，輸出過(guò)程信噪比與輸入過(guò)程信噪比的比值最低是0.5(即輸出信噪比降低，h取對(duì)應(yīng)于λmin的特征向量)，最高是1.5(即輸出信噪比提高，h取對(duì)應(yīng)于λmax的特征向量)。但是，輸入過(guò)程不可能維持不變，所以真正應(yīng)用于降噪設(shè)計(jì)中的濾波器都采用自適應(yīng)方式(Adaptive)，其系數(shù)矢量h跟隨輸入過(guò)程自動(dòng)調(diào)整，從而確保輸出過(guò)程的信噪比始終得到提高。

二、手機(jī)音頻設(shè)計(jì)方面的噪聲控制應(yīng)用

(一)單Microphone降噪。語(yǔ)音為窄帶信號(hào)，而噪聲為寬帶信號(hào)且與語(yǔ)音不相關(guān)。將含噪語(yǔ)音經(jīng)自適應(yīng)濾波器處理后就可以獲得其中的語(yǔ)音分量，從而實(shí)現(xiàn)上行降噪。

圖2

(二)雙Microphone降噪。雙Microphone降噪技術(shù)是目前應(yīng)用最普遍的降噪技術(shù)，所謂雙Microphone降噪技術(shù)，顧名思義:雙Microphone就是兩個(gè)麥克風(fēng)。麥克風(fēng)學(xué)名為傳聲器，傳聲器是將聲音信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的能量轉(zhuǎn)換器件，俗稱話筒。所謂“雙Microphone降噪技術(shù)”是指通過(guò)技術(shù)處理，將外界的噪音消除。而在這之中的“技術(shù)處理”，就是內(nèi)置的2個(gè)麥克風(fēng)，一個(gè)麥克風(fēng)為普通的用戶通話時(shí)使用的麥克風(fēng)，用于收集人聲，另一個(gè)輔助的麥克風(fēng)記錄環(huán)境噪聲，并用于估計(jì)主麥克風(fēng)中的噪聲，然后在輸出端減去這個(gè)估計(jì)噪聲，從而獲得降噪后的上行語(yǔ)音信號(hào)。這種降噪技術(shù)不僅能夠在嘈雜的環(huán)境下有效改善通話的質(zhì)量，而且也能夠在安靜的環(huán)境下適當(dāng)降低音量，從而能夠避免通話內(nèi)容泄露。

圖3

另外，由于人的語(yǔ)音是在一定頻率范圍內(nèi)的，不同音頻范圍的聲波，由于干涉的原理，可能在某些波長(zhǎng)段上的聲波，到達(dá)兩個(gè)話筒時(shí)相位相反，此時(shí)疊加起來(lái)會(huì)影響該頻段是輸出，也就是頻率響應(yīng)不是平直的，對(duì)方可能會(huì)感到聲音有點(diǎn)發(fā)悶，恐怕這也是雙Microphone的一個(gè)缺點(diǎn)。

三、結(jié)語(yǔ)

手機(jī)音頻設(shè)計(jì)看似簡(jiǎn)單，但它其實(shí)是一個(gè)系統(tǒng)工程，決不是把腔體、電聲組件、電路、信號(hào)處理等部件像搭積木一樣搭在一起就能達(dá)到理想狀態(tài)的。一個(gè)優(yōu)秀的音頻設(shè)計(jì)，必須處理好上述各個(gè)部件之間的關(guān)系。

過(guò)去，手機(jī)音頻僅要求實(shí)現(xiàn)基本的通話功能;現(xiàn)在，手機(jī)音頻開(kāi)始強(qiáng)調(diào)用戶體驗(yàn)，所以音頻設(shè)計(jì)的降噪處理非常重要;未來(lái)，它將向語(yǔ)音識(shí)別、語(yǔ)音重建、人工智能等領(lǐng)域發(fā)展，應(yīng)用前景非常廣闊。

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