高噪聲環(huán)境下語音數(shù)字化降噪技術(shù)的研究

馬海嬌 張紅兵 楊剛

（中國刑事警察學(xué)院公安信息技術(shù)與情報學(xué)院 遼寧省沈陽市 110854）

在語音通信的過程中，難免會受到來自外界環(huán)境的干擾，噪音干擾會導(dǎo)致接收者接收的語音信號并非是原始的語音信號，這些來自傳輸媒介的噪聲、通信設(shè)備內(nèi)部產(chǎn)生的噪聲、或是接收者身旁環(huán)境因素產(chǎn)生的噪音都會影響接收者的信息接收，所以在噪聲環(huán)境中的語音檢測與語音增強技術(shù)是語音信號數(shù)字處理的重要部分。在語音通信中受到噪聲污染會嚴(yán)重的影響，語音處理系統(tǒng)的性能，也會對接收者接收信息產(chǎn)生一定的影響。

1 噪聲抑制電路的主要技術(shù)參數(shù)

噪聲抑制電路的主要技術(shù)參數(shù)分別是前延時時間、后延時時間以及噪聲抑制閥值。其中噪聲抑制閥值能夠控制語音信道的門限電平值。在閥值以下的聲音信號會被認(rèn)定為是噪音，從而關(guān)閉這一部分的語音信道[1]。在閥值之上的信號會被判定成語音信息，從而對這部分語音信道保持暢通。通過控制這一閥值，能夠根據(jù)外來的噪音環(huán)境以及干擾程度，來對語音信號進行一定程度上的增幅。

受到通訊技術(shù)的限制，語音和噪聲在通信過程中并不能完全有效的進行分離，所以在一定程度下的信號幅度，一旦超過了噪聲的抑制閥值或掉落到抑制閥值之下，就要進行前延時以及后延時。

前延時時間指語音信號超過閥值之后，語音打開時的延時時間。前延時時間一旦過長，原始語音中的起始因素就會被切除，會影響語音信息的質(zhì)量。

后延時時間指噪聲抑制門限被打開并傳送語音信息時，語音信號幅度回落到噪聲抑制閥值之下，到語音信道關(guān)閉時的延遲時間。語音信號具有較大的波動范圍，人體在講話的過程中伴隨著語氣的變化，也會進行起伏與停頓。所以一旦后延長時間太短，那么語音就會產(chǎn)生斷續(xù)，影響語音在傳輸過程中的清晰度與質(zhì)量。后延長時間，一旦過長。語音在停頓時就會產(chǎn)生明顯的噪聲拖尾，同樣會對語音通話的質(zhì)量造成影響。所以為了同時兼顧這兩個方面。長延遲的量通常會被定為0.05~0.5 秒左右。

人類的語音特點各不相同，噪聲以及外界干擾的環(huán)境情況也各不相同，所以上文提到的抑制噪聲的三個參數(shù)，在實際的通話過程中要不斷的進行調(diào)節(jié)[2]。在使用模擬噪聲抑制電路的過程中，這些參數(shù)是使用定位器的開關(guān)來進行調(diào)節(jié)的。使用數(shù)字化抑制電路技術(shù)之后，通過軟件就能夠設(shè)定并且調(diào)整以上的三個噪聲抑制參數(shù)。

2 數(shù)字化語音信號技術(shù)

采用數(shù)字化語音技術(shù)，可以將相關(guān)的語音信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字處理形式，轉(zhuǎn)化形式具有多樣性的方法，目前我國常用的方法按照PCM 編碼對其進行轉(zhuǎn)化。 PCM 編碼可以對頻帶率為300~3400Hz的語音信號進行有效的采樣，并完成轉(zhuǎn)換。在轉(zhuǎn)換時，以8kHz 速率完成取樣分析，在取樣后按照A 律編碼進行偶數(shù)交替反轉(zhuǎn)[3]。在多路語音信號分配下，可以完成取樣PCM 編碼。通常為5v 供電，且PCM 編碼集成了4 路PCM 編解碼電路。在壓擴方式當(dāng)中，其通過自帶的電機電壓基準(zhǔn)以及低通接收濾波器等完成編碼工作。在轉(zhuǎn)換中，其通過長幀以及短幀兩種方式。

PCM 編碼工作包含了8bit 以及32bit 兩種。其中，8bit 需要在轉(zhuǎn)化過程中，對每條語音PCM 碼提供單獨的幀同步信號。而在32bit 工作中，其通過相關(guān)的時隙，可以提供短針同步信號，可自動完成后續(xù)的連接同步。在32bit 運作中，還可以通過多級芯片進行聯(lián)合工作。在語音化數(shù)字信號中，可以完成噪聲抑制控制功能。通過相關(guān)的技術(shù)流程，可以實現(xiàn)有效的數(shù)值分析，并將其轉(zhuǎn)化為大小比較的碼型[4]。在將輸入值進行噪聲抑制比較，以根據(jù)比較結(jié)果，從相關(guān)D 端輸出至延時器。

3 數(shù)字化噪聲抑制電路的工作原理

就PCM 解碼而言，在輸出端輸出相關(guān)的數(shù)值后，可以表示在多路信號反轉(zhuǎn)時，通過64bit 串行信號實現(xiàn)參數(shù)化位移，使其儲存在儲存器中的相關(guān)數(shù)值有效變化。經(jīng)64 位參數(shù)化模塊鎖存后，在每幀刷新過程中刷新一次，依次送至8 個噪聲抑制器中。每個噪聲抑制器獨立控制一臺語音信道，將PCM 信號數(shù)值取反后，將其符合最高位以外的7 位數(shù)字，進行限制比較，完成分析[5]。經(jīng)實驗數(shù)據(jù)證實，在比較過程中，其輸出延時器可以作為控制信號，達到有效的抑制程度，并就抑制器輸出的PCM 信號，將其轉(zhuǎn)化為寄存器模塊，并實現(xiàn)串聯(lián)恢復(fù)，進行PCM 碼處理。

在數(shù)字化噪聲抑制電路原理中，可以根據(jù)相關(guān)的要求使，用幀脈沖，并提供儲存器。噪聲在控制器中，需要的相關(guān)設(shè)備為延時器提供相關(guān)的數(shù)字信號，如P0~P1。選擇PCM32 時隙中的處理工藝，以保障所選擇的分頻系數(shù)以調(diào)整噪聲延時時間，實現(xiàn)外部數(shù)字信號的設(shè)置以及調(diào)整。按照相關(guān)方法，對PCM 信號進行數(shù)字化噪聲處理，可以保障其語音信號產(chǎn)生固定延遲，使人耳聽覺對此延遲信號無法察覺。

4 機場語音通訊降噪技術(shù)

為了能夠降低機場中環(huán)境噪聲的負(fù)面影響，率先需要從生源層面上著手，對結(jié)構(gòu)的設(shè)計進一步改善，降低生源出現(xiàn)噪聲等級，該模式最為科學(xué)與有效方式[6]。但是，由于飛機設(shè)計技術(shù)與成本等層面上的限制，還不可以在基礎(chǔ)上將噪聲源杜絕。而后，無緣噪聲控制技術(shù)主要是運用吸聲與隔聲等模式將噪聲降低，可以對高頻類噪聲效果有顯著的降噪作用，但是對于低頻的噪聲質(zhì)量不佳。最后，有源噪聲控制技術(shù)，可以將低頻的噪聲進行處理，與被動消聲相對比，具有重量輕、體積小以及易控制等優(yōu)勢。伴隨著控制理論與電子技術(shù)的深入發(fā)展，近些年有緣噪聲控制已然成為研究中的熱點問題。

4.1 無源噪聲控制技術(shù)

對無源的降噪研究從電聲器件設(shè)備發(fā)明運用的時候就已經(jīng)開始了，不管是在電聲器件設(shè)備外形看，亦或是電聲器件設(shè)備空間設(shè)計層面上來看，都能夠降低環(huán)境噪聲負(fù)面影響，機場的語音通訊關(guān)鍵電聲器件設(shè)備為耳機與傳聲器，耳機無源降噪運用耳機外罩設(shè)計加以實現(xiàn)[7]。而耳罩降噪關(guān)鍵是運用包圍耳朵產(chǎn)生出封閉型空間，亦或是運用隔音材料阻擋出外界的噪聲。耳罩的內(nèi)部將會填充海綿，而且在耳罩設(shè)備周圍加上了一圈的海綿以便于達到隔離噪聲效果。因為中、高噪聲頻率相對較高，其中波長比較短，聲波繞射功效相對較差，從而保障隔聲效果較佳。有源噪聲控制技術(shù)是對麥克風(fēng)、電聲器件以及耳機類語音通訊類電聲器件，麥克風(fēng)中有源噪聲控制技術(shù)使用相對較少，主要運用在對有緣降噪耳機設(shè)備中。

針對于低頻類噪聲，因為聲波的波長相對較長，而聲波繞射功能較強，極大的限制了耳罩設(shè)備隔聲功效。因為噪聲并沒有通過降噪電路芯片設(shè)備的處理，大體上只能夠阻隔出高頻噪聲，針對低頻噪聲的降噪功效不夠顯著。傳聲器中的無源降噪能夠使用骨傳導(dǎo)技術(shù)與麥克風(fēng)陣列對背景噪聲進一步抑制。其中骨傳導(dǎo)技術(shù)主要是運用人體神經(jīng)、骨骼與肌肉進一步對聲音進行傳導(dǎo)，能夠顯著降低環(huán)境噪聲影響到語音通訊。使用麥克風(fēng)陣列對北京噪聲進一步抑制，可以產(chǎn)出合成性輸出數(shù)據(jù)信號亦或是多組數(shù)據(jù)信號，可以將周圍噪音消除，提升消除噪聲效果[8]。

4.2 有源噪聲控制技術(shù)

全部聲音都是一定的能量與頻譜組成，若是可以找到聲音，其所消除類噪聲與頻譜將完全一致，若是相位相反，就需要將二者反向疊加。在理論上能夠把噪聲全部抵消。該原理就是控制有源噪聲原理。該種技術(shù)是對電氣器件，耳機與麥克風(fēng)作為語音通訊類電聲器件。在設(shè)計層面上，有源降噪耳機構(gòu)成復(fù)雜與普通耳機構(gòu)成，其包含：話筒一個，主要是對外界噪聲進行接收，內(nèi)部的音頻處理電路對信號反相與音頻放大，經(jīng)過電路計算之后，從而降低噪音。有源降噪耳機分為模擬式和數(shù)字式兩類，模擬有源耳機消聲效果和性能受限制，系統(tǒng)運行不穩(wěn)定，易受多種環(huán)境因素干擾而產(chǎn)生自激嘯叫，控制算法和參數(shù)較為固定，不易靈活改變，并且缺乏跟蹤能力。數(shù)字有源耳機采用自適應(yīng)有源控制技術(shù)，具有很高的可靠性，能夠精確地產(chǎn)生復(fù)雜的傳遞函數(shù),適用于多通道系統(tǒng)和復(fù)雜噪聲環(huán)境的控制。

5 居民住宅隔聲降噪措施

交通噪聲污染是我國很多大城市都存在的問題，也是污染居民的主要噪聲污染源，特別是夜間的交通噪聲更是嚴(yán)重超標(biāo)，例如：機場、高架路、輕軌、鐵路等區(qū)域，這些地區(qū)的噪聲嚴(yán)重影響周圍居民生活[9]。為了控制噪聲污染，需要從三個方面采取措施：噪聲生源、傳播方式、接收者。對已經(jīng)建成的居民住宅進行降噪處理非常難，因為小區(qū)的情況復(fù)雜，周圍往往已經(jīng)存在完善的交通基礎(chǔ)設(shè)施，并且在改造過程中，對現(xiàn)有交通設(shè)施進行新建或者改變參數(shù)，都會對周圍居民造成新的噪聲污染。若通過很多錯事和努力，室外噪聲仍然無法得到有效控制，必須要采取有效措施對居民室內(nèi)居住環(huán)境進行改進，以保證噪聲控制可達標(biāo)?！蹲≌ㄖ?guī)范》第7.1.1規(guī)定指出：居民住宅臥室、起居室在關(guān)閉傳呼的情況下，白天噪聲不可（超過）50dB，夜間噪聲不可超過40dB，下文以上海市虹橋機場附近的華美小區(qū)為例，通過一系列完整操作，闡述高噪音環(huán)境下，語音數(shù)字化降噪技術(shù)的具體實施策略。

5.1 小區(qū)噪音概況

上海市虹橋機場附近華美小區(qū)，長期受到噪音污染，經(jīng)過調(diào)查分析發(fā)現(xiàn)，其主要是因為上海虹橋機場2 號跑道實施運營以后，航班次數(shù)增加，使得飛機在升起和降落時，出現(xiàn)了一些低空噪聲。基于此噪聲的長期影響之下，對周邊居民的生活質(zhì)量產(chǎn)生了不同程度的影響。

5.2 改造前環(huán)境噪聲檢測

根據(jù)具體的背景噪聲測試，可以發(fā)現(xiàn)，室外環(huán)境噪聲在白天期間最大可達到70.2dB，而在夜間，最大可達到63.4dB。通過背景噪聲情況的具體調(diào)查數(shù)據(jù)，可以為之后的隔音改造設(shè)計提供諸多的數(shù)據(jù)參考，并可以有針對性提出相關(guān)策略和方法[10]。

5.3 隔聲改造方法

一般情況下，住宅的外墻有多個構(gòu)件組成。比如有的墻會有門，有的墻會有窗。而針對不同的構(gòu)件，會在傳聲方面有著不同的損失。為了更好地實現(xiàn)隔聲改造工作的實效性，需要重點關(guān)注門窗，防止和避免其有縫隙的出現(xiàn)。同時，也可以對門窗的結(jié)構(gòu)進行大幅度整改，對其厚度進行適當(dāng)?shù)脑黾印?/p>

5.4 華美小區(qū)住宅隔聲改造實踐

到目前為止，關(guān)于交通噪聲控制技術(shù)方面的研究還是比較少的，而且還未形成一個完整的研究體系。因此，當(dāng)住宅室內(nèi)的噪聲高于正常值時，一般都會在外墻方面加以改造，而對于陽臺等諸多方面的隔聲改造方法很少涉及。

5.4.1 既有住宅建筑陽臺加固技術(shù)

根據(jù)對華美小區(qū)的全面分析和仔細(xì)研究，可以發(fā)現(xiàn)，其在諸多方面都不滿足隔聲要求，具體來說，其一是厚度方面，其二是承載力方面。其中，主要是在陽臺方面可以使用相關(guān)隔聲改造方法，既可以使用新增混凝土柱加固法，也可以使用關(guān)鍵節(jié)點夾鋼板加固法。不同的方法有不同的優(yōu)勢和不足，此時可以根據(jù)陽臺的實際結(jié)構(gòu)情況，進行相應(yīng)選擇。

5.4.2 既有住宅建筑外墻加厚改造技術(shù)

在進行隔聲改造期間，主要是分析和研究外部噪聲如何能夠不通過墻體進行傳聲，同時，還需要不斷促使建筑隔聲體系朝著整體性的方向發(fā)展。在此種情況之下，可以選擇使用外墻加厚改造技術(shù)，具體來說，可以進行外墻鋼筋網(wǎng)的構(gòu)建，并在此基礎(chǔ)上，采用水泥砂漿，進行墻體抹灰，由此充分實現(xiàn)厚度改造，不斷促使隔聲改造工作的實效性提升。

6 結(jié)束語

綜上所述，按照以上方法在改造語音通信設(shè)備中采取模擬電路的電路板，在很多通信工程中都能取得不錯的成績，能夠很好地優(yōu)化語音，進而得到優(yōu)良的噪聲控制成效。