模擬訓練系統(tǒng)語音通信性能改進算法研究

段鵬婷，白曉敏，喬鑫鑫，劉 璇，李萌萌

（北方自動控制技術研究所，太原 030006）

0 引言

當前武器裝備和系統(tǒng)信息化進程在不斷加快，對相應的模擬訓練系統(tǒng)也提出了較高的仿真要求，一方面，需要保障初期訓練反復使用需求；另一方面，需要貼近真實的復雜環(huán)境。目前模擬訓練器系統(tǒng)通信分系統(tǒng)一般采用半實物模擬通信設備或純軟件仿真虛擬模擬通信設備，進行指揮控制操作過程中的數(shù)據(jù)和話音通信訓練，話筒拾音器對聲音能量的累積反應比人耳反應迅速，特別是對復雜作戰(zhàn)環(huán)境下突發(fā)的相對單一頻率成分的聲音。采用U3D等視景仿真軟件模擬裝甲車輛的戰(zhàn)場環(huán)境，會伴隨有內部強噪聲，對話音通信影響較大。特別是在相對封閉的車艙內，由于距離過近導致能量發(fā)生自激，最容易產生嘯叫及延時回聲等問題。無法提取有效話音和抑制嘯叫，會導致通信設備使用者頻繁產生雙耳不適感。為了在低成本的前提下提供通信組網訓練功能，并保證受訓人員的人耳體驗，需結合有效穩(wěn)健且耗時較短的話音增強和嘯叫抑制方法，實現(xiàn)話音采集處理，改善通信質量［1-2］。

相關參考文獻已經對各種終端設備的話音增強與優(yōu)化技術進行了詳盡的研究，但是大多針對的是全雙工通信體制和通信設備，考慮到成本問題，模擬訓練通信設備擴音系統(tǒng)，在實現(xiàn)話音增強和嘯叫抑制方面，對優(yōu)化和改進算法的復雜度和運算量要求提出了更高的要求。針對上述問題，本文結合限幅器和陷波嘯叫抑制方法，對話音采集單元進行性能改進算法研究。在模擬訓練艙環(huán)境中進行仿真驗證實驗，實驗表明，該算法具有出色的噪聲抑制能力，能夠在大規(guī)模訓練范圍內傳送準確話音，保證通信質量和受訓人員的雙耳體驗。

1 模擬訓練通信設備基本架構

模擬通信系統(tǒng)是模擬訓練系統(tǒng)的重要組成部分，通信系統(tǒng)根據(jù)指揮控制系統(tǒng)體系結構和作戰(zhàn)信息流程，構建合理的通信網絡結構，實現(xiàn)系統(tǒng)指揮、偵察、武器、保障各節(jié)點間的互聯(lián)互通，為不同作戰(zhàn)環(huán)境提供通信支持。話音的有效傳輸是模擬通信設備的重要功能，其清晰度是模擬通信設備最直觀的評價指標，能夠有效反映設備的穩(wěn)定性和舒適度。模擬訓練系統(tǒng)一般規(guī)模下的通信設備架構示意圖如圖1 所示。

圖1 模擬訓練系統(tǒng)通信設備架構圖

為了使受訓人員體驗更接近真實，模擬訓練系統(tǒng)采用視景仿真軟件模擬了真實的戰(zhàn)場環(huán)境和戰(zhàn)場音效，對話音采集設備的話音增強和嘯叫抑制技術提出了較高的要求［3］。模擬訓練系統(tǒng)對設備成本限制較多，一般采用具有指向性的話音采集設備。指向性的話音采集設備在實際應用時對模擬訓練設備中的擴聲系統(tǒng)提出了較高的要求，擴音系統(tǒng)若采用較小的放大倍數(shù)，一旦指向性較弱，話音信號在嘈雜的環(huán)境中很難被識別；若采用較大的放大倍數(shù)，容易形成麥克風、放大器、揚聲器等擴音系統(tǒng)之間的正反饋，產生讓人耳異常不適的嘯叫現(xiàn)象，甚至會導致模擬通信設備中的音響和功放被某個單一頻率的放大信號燒毀，造成設備不可逆的損壞現(xiàn)象。

本文針對復雜脈沖噪聲環(huán)境下的戰(zhàn)術訓練過程，采用限幅器和陷波法實現(xiàn)噪聲及嘯叫抑制，從而有效增強話音信號，提高人耳舒適度。限幅器能夠對采集到的具有脈沖特性的噪聲進行識別和均衡，防止功率放大器和音響由于信號強度過大而燒毀，然后將信號輸入至擴音系統(tǒng)進行傳輸。陷波法對于抑制嘯叫具有更為顯著的效果，且對于模擬訓練系統(tǒng)更易實施，在擴音系統(tǒng)傳輸過程中采用陷波器組檢測音頻信號頻率，出現(xiàn)自激條件時立即采取陷波措施，消除嘯叫隱患，確保模擬通信設備有效放大話音信號的同時不會被損壞。

2 關鍵技術

2.1 話音信號及脈沖噪聲建模仿真

模擬訓練系統(tǒng)通過視景仿真軟件對大氣雷暴噪聲、作戰(zhàn)及毀傷等過程中的噪聲進行模擬，這些噪聲均會導致噪聲的脈沖特性［4-5］。對模擬訓練系統(tǒng)來說，突發(fā)性的、高強度的噪聲比穩(wěn)定狀態(tài)的背景噪聲具有更大的危害程度，也容易對人耳聽力造成較大損傷。alpha 穩(wěn)定分布噪聲能夠描述在某些時間點上具有突發(fā)脈沖的噪聲，如下頁圖2 所示，給出了標準alpha 穩(wěn)定分布噪聲的時域波形，α 值對應噪聲的脈沖特性，α 值越小，脈沖性越強；α 值越大，越接近高斯噪聲。

圖2 alpha 穩(wěn)定分布噪聲時域波形

采用普通環(huán)境下錄制的話音信號作為仿真信號，采樣率為16 kHz，

式中，s（n）表示純凈話音信號，v（n）為背景脈沖噪聲。在本文的實驗分析中，以某段采集的話音信號為仿真信號，波形如圖3 所示。

圖3 話音信號波形仿真

2.2 限幅陷波法設計及實現(xiàn)

模擬訓練系統(tǒng)中戰(zhàn)場環(huán)境音效和話音采集信號樣本較多，先驗知識較為豐富，首先，采用限幅器濾除非正常脈沖信號，保證功率放大器和揚聲器系統(tǒng)的安全，然后，采用陷波器組對嘯叫檢測成分進行進一步濾波。算法原理框圖如圖4 所示：

圖4 限幅陷波法原理框圖

模擬訓練系統(tǒng)發(fā)生嘯叫現(xiàn)象時，受訓人員收到的音頻信號幅度會強于正常的人耳接收范圍，對受訓人員和模擬訓練設備均會產生較大影響，因此，設置合適的限幅器閾值可避免擴音系統(tǒng)中非正常信號的干擾，保護系統(tǒng)安全。限幅器只需要設計限幅門限就可以針對脈沖噪聲模型進行限幅，已知噪聲模型下門限選擇方法與模型相關，可根據(jù)脈沖型噪聲的概率密度函數(shù)，獲取限幅器設計的最優(yōu)門限參數(shù)。以alpha 穩(wěn)定分布噪聲模型為例，限幅器的非線性處理函數(shù)可以表示為［6-7］：

其中，c表示限幅器門限，sgn（x）表示符號函數(shù)。

采用限幅陷波方法進行噪聲和嘯叫抑制時，參考了模擬訓練環(huán)境中豐富的噪聲和有效音頻信號先驗知識，具有較多較可靠的參考數(shù)據(jù)進行算法設計，因此，使用計算量較小的陷波法無疑是簡單有效的實現(xiàn)方法［8-9］。擴音系統(tǒng)在出現(xiàn)反饋自激時，頻率固定在某一點上，需用一個頻帶很窄的陷波濾波器將此頻率切除，即可有效抑制嘯叫，保留原始話音信號特征。因此，設計了二階數(shù)字陷波濾波器，分析出現(xiàn)自激的頻率點，并在此頻率點將輸入信號進行陷波處理，打破自激條件。假設需要陷波的頻率點為ω0，設計的濾波器幅度特性應在ω=ω0處為0，在其他頻率范圍，幅度特性應接近于某個常數(shù)，實現(xiàn)ω0處頻率的有效濾除。處理流程如下頁圖5 所示。

圖5 限幅陷波法實現(xiàn)流程圖

3 測試結果分析

基于MATLAB 對圖6（a）原始帶噪話音樣本進行分析，發(fā)現(xiàn)脈沖噪聲幅值在某個時間點幅值幅度遠遠高于正常值，經限幅預處理環(huán)節(jié)處理后，高幅值信號被有效濾除，可以保證揚聲系統(tǒng)和放大器不被損壞，然后將預處理后的話音樣本采用陷波法進行嘯叫抑制，圖6（b）和圖6（c）為引入限幅陷波法處理前后的對比仿真圖。

圖6 限幅陷波法處理前后話音樣本

實驗室實錄帶噪語音樣本仿真試驗結果表明，在具有大量噪聲及話音信號先驗知識的前提下，首先引入限幅預處理，可有效保證揚聲系統(tǒng)的穩(wěn)定性，然后使用陷波法對模擬訓練艙窄小空間內的采集信號陷除干擾信號，有效還原話音信號。實驗結果表明，陷波去噪具有較強的跟蹤能力和明顯的嘯叫抑制效果，能夠解決模擬訓練系統(tǒng)通信設備中較常出現(xiàn)的人耳不適現(xiàn)象。

4 結論

針對模擬訓練系統(tǒng)話音采集設備嘯叫問題，本文首先介紹了引起嘯叫的噪聲類型及噪聲建模，然后，結合模擬訓練系統(tǒng)通信設備硬件要求，提出了適用于復雜訓練環(huán)境噪聲背景下的噪聲及嘯叫抑制方法，具有較好的話音信號提取和嘯叫抑制性能。與常規(guī)方法相比，本方法克服了傳統(tǒng)濾波器組設計復雜、延時長且運算量較大等問題，利用該方法限幅后濾波的特性有效消噪，提高了窄小訓練空間內模擬通信系統(tǒng)的話音識別度，具有穩(wěn)定良好的人耳體驗性能。