高噪声环境下语音数字化降噪技术的研究

2021-11-20马海娇张红兵杨刚

电子技术与软件工程 2021年5期

马海娇张红兵杨刚

（中国刑事警察学院公安信息技术与情报学院辽宁省沈阳市 110854）

在语音通信的过程中，难免会受到来自外界环境的干扰，噪音干扰会导致接收者接收的语音信号并非是原始的语音信号，这些来自传输媒介的噪声、通信设备内部产生的噪声、或是接收者身旁环境因素产生的噪音都会影响接收者的信息接收，所以在噪声环境中的语音检测与语音增强技术是语音信号数字处理的重要部分。在语音通信中受到噪声污染会严重的影响，语音处理系统的性能，也会对接收者接收信息产生一定的影响。

1 噪声抑制电路的主要技术参数

噪声抑制电路的主要技术参数分别是前延时时间、后延时时间以及噪声抑制阀值。其中噪声抑制阀值能够控制语音信道的门限电平值。在阀值以下的声音信号会被认定为是噪音，从而关闭这一部分的语音信道[1]。在阀值之上的信号会被判定成语音信息，从而对这部分语音信道保持畅通。通过控制这一阀值，能够根据外来的噪音环境以及干扰程度，来对语音信号进行一定程度上的增幅。

受到通讯技术的限制，语音和噪声在通信过程中并不能完全有效的进行分离，所以在一定程度下的信号幅度，一旦超过了噪声的抑制阀值或掉落到抑制阀值之下，就要进行前延时以及后延时。

前延时时间指语音信号超过阀值之后，语音打开时的延时时间。前延时时间一旦过长，原始语音中的起始因素就会被切除，会影响语音信息的质量。

后延时时间指噪声抑制门限被打开并传送语音信息时，语音信号幅度回落到噪声抑制阀值之下，到语音信道关闭时的延迟时间。语音信号具有较大的波动范围，人体在讲话的过程中伴随着语气的变化，也会进行起伏与停顿。所以一旦后延长时间太短，那么语音就会产生断续，影响语音在传输过程中的清晰度与质量。后延长时间，一旦过长。语音在停顿时就会产生明显的噪声拖尾，同样会对语音通话的质量造成影响。所以为了同时兼顾这两个方面。长延迟的量通常会被定为0.05~0.5 秒左右。

人类的语音特点各不相同，噪声以及外界干扰的环境情况也各不相同，所以上文提到的抑制噪声的三个参数，在实际的通话过程中要不断的进行调节[2]。在使用模拟噪声抑制电路的过程中，这些参数是使用定位器的开关来进行调节的。使用数字化抑制电路技术之后，通过软件就能够设定并且调整以上的三个噪声抑制参数。

2 数字化语音信号技术

采用数字化语音技术，可以将相关的语音信号转化为数字处理形式，转化形式具有多样性的方法，目前我国常用的方法按照PCM 编码对其进行转化。 PCM 编码可以对频带率为300~3400Hz的语音信号进行有效的采样，并完成转换。在转换时，以8kHz 速率完成取样分析，在取样后按照A 律编码进行偶数交替反转[3]。在多路语音信号分配下，可以完成取样PCM 编码。通常为5v 供电，且PCM 编码集成了4 路PCM 编解码电路。在压扩方式当中，其通过自带的电机电压基准以及低通接收滤波器等完成编码工作。在转换中，其通过长帧以及短帧两种方式。

PCM 编码工作包含了8bit 以及32bit 两种。其中，8bit 需要在转化过程中，对每条语音PCM 码提供单独的帧同步信号。而在32bit 工作中，其通过相关的时隙，可以提供短针同步信号，可自动完成后续的连接同步。在32bit 运作中，还可以通过多级芯片进行联合工作。在语音化数字信号中，可以完成噪声抑制控制功能。通过相关的技术流程，可以实现有效的数值分析，并将其转化为大小比较的码型[4]。在将输入值进行噪声抑制比较，以根据比较结果，从相关D 端输出至延时器。

3 数字化噪声抑制电路的工作原理

就PCM 解码而言，在输出端输出相关的数值后，可以表示在多路信号反转时，通过64bit 串行信号实现参数化位移，使其储存在储存器中的相关数值有效变化。经64 位参数化模块锁存后，在每帧刷新过程中刷新一次，依次送至8 个噪声抑制器中。每个噪声抑制器独立控制一台语音信道，将PCM 信号数值取反后，将其符合最高位以外的7 位数字，进行限制比较，完成分析[5]。经实验数据证实，在比较过程中，其输出延时器可以作为控制信号，达到有效的抑制程度，并就抑制器输出的PCM 信号，将其转化为寄存器模块，并实现串联恢复，进行PCM 码处理。

在数字化噪声抑制电路原理中，可以根据相关的要求使，用帧脉冲，并提供储存器。噪声在控制器中，需要的相关设备为延时器提供相关的数字信号，如P0~P1。选择PCM32 时隙中的处理工艺，以保障所选择的分频系数以调整噪声延时时间，实现外部数字信号的设置以及调整。按照相关方法，对PCM 信号进行数字化噪声处理，可以保障其语音信号产生固定延迟，使人耳听觉对此延迟信号无法察觉。

4 机场语音通讯降噪技术

为了能够降低机场中环境噪声的负面影响，率先需要从生源层面上着手，对结构的设计进一步改善，降低生源出现噪声等级，该模式最为科学与有效方式[6]。但是，由于飞机设计技术与成本等层面上的限制，还不可以在基础上将噪声源杜绝。而后，无缘噪声控制技术主要是运用吸声与隔声等模式将噪声降低，可以对高频类噪声效果有显著的降噪作用，但是对于低频的噪声质量不佳。最后，有源噪声控制技术，可以将低频的噪声进行处理，与被动消声相对比，具有重量轻、体积小以及易控制等优势。伴随着控制理论与电子技术的深入发展，近些年有缘噪声控制已然成为研究中的热点问题。

4.1 无源噪声控制技术

对无源的降噪研究从电声器件设备发明运用的时候就已经开始了，不管是在电声器件设备外形看，亦或是电声器件设备空间设计层面上来看，都能够降低环境噪声负面影响，机场的语音通讯关键电声器件设备为耳机与传声器，耳机无源降噪运用耳机外罩设计加以实现[7]。而耳罩降噪关键是运用包围耳朵产生出封闭型空间，亦或是运用隔音材料阻挡出外界的噪声。耳罩的内部将会填充海绵，而且在耳罩设备周围加上了一圈的海绵以便于达到隔离噪声效果。因为中、高噪声频率相对较高，其中波长比较短，声波绕射功效相对较差，从而保障隔声效果较佳。有源噪声控制技术是对麦克风、电声器件以及耳机类语音通讯类电声器件，麦克风中有源噪声控制技术使用相对较少，主要运用在对有缘降噪耳机设备中。

针对于低频类噪声，因为声波的波长相对较长，而声波绕射功能较强，极大的限制了耳罩设备隔声功效。因为噪声并没有通过降噪电路芯片设备的处理，大体上只能够阻隔出高频噪声，针对低频噪声的降噪功效不够显著。传声器中的无源降噪能够使用骨传导技术与麦克风阵列对背景噪声进一步抑制。其中骨传导技术主要是运用人体神经、骨骼与肌肉进一步对声音进行传导，能够显著降低环境噪声影响到语音通讯。使用麦克风阵列对北京噪声进一步抑制，可以产出合成性输出数据信号亦或是多组数据信号，可以将周围噪音消除，提升消除噪声效果[8]。

4.2 有源噪声控制技术

全部声音都是一定的能量与频谱组成，若是可以找到声音，其所消除类噪声与频谱将完全一致，若是相位相反，就需要将二者反向叠加。在理论上能够把噪声全部抵消。该原理就是控制有源噪声原理。该种技术是对电气器件，耳机与麦克风作为语音通讯类电声器件。在设计层面上，有源降噪耳机构成复杂与普通耳机构成，其包含：话筒一个，主要是对外界噪声进行接收，内部的音频处理电路对信号反相与音频放大，经过电路计算之后，从而降低噪音。有源降噪耳机分为模拟式和数字式两类，模拟有源耳机消声效果和性能受限制，系统运行不稳定，易受多种环境因素干扰而产生自激啸叫，控制算法和参数较为固定，不易灵活改变，并且缺乏跟踪能力。数字有源耳机采用自适应有源控制技术，具有很高的可靠性，能够精确地产生复杂的传递函数,适用于多通道系统和复杂噪声环境的控制。

5 居民住宅隔声降噪措施

交通噪声污染是我国很多大城市都存在的问题，也是污染居民的主要噪声污染源，特别是夜间的交通噪声更是严重超标，例如：机场、高架路、轻轨、铁路等区域，这些地区的噪声严重影响周围居民生活[9]。为了控制噪声污染，需要从三个方面采取措施：噪声生源、传播方式、接收者。对已经建成的居民住宅进行降噪处理非常难，因为小区的情况复杂，周围往往已经存在完善的交通基础设施，并且在改造过程中，对现有交通设施进行新建或者改变参数，都会对周围居民造成新的噪声污染。若通过很多错事和努力，室外噪声仍然无法得到有效控制，必须要采取有效措施对居民室内居住环境进行改进，以保证噪声控制可达标。《住宅建筑规范》第7.1.1规定指出：居民住宅卧室、起居室在关闭传呼的情况下，白天噪声不可（超过）50dB，夜间噪声不可超过40dB，下文以上海市虹桥机场附近的华美小区为例，通过一系列完整操作，阐述高噪音环境下，语音数字化降噪技术的具体实施策略。

5.1 小区噪音概况

上海市虹桥机场附近华美小区，长期受到噪音污染，经过调查分析发现，其主要是因为上海虹桥机场2 号跑道实施运营以后，航班次数增加，使得飞机在升起和降落时，出现了一些低空噪声。基于此噪声的长期影响之下，对周边居民的生活质量产生了不同程度的影响。

5.2 改造前环境噪声检测

根据具体的背景噪声测试，可以发现，室外环境噪声在白天期间最大可达到70.2dB，而在夜间，最大可达到63.4dB。通过背景噪声情况的具体调查数据，可以为之后的隔音改造设计提供诸多的数据参考，并可以有针对性提出相关策略和方法[10]。

5.3 隔声改造方法

一般情况下，住宅的外墙有多个构件组成。比如有的墙会有门，有的墙会有窗。而针对不同的构件，会在传声方面有着不同的损失。为了更好地实现隔声改造工作的实效性，需要重点关注门窗，防止和避免其有缝隙的出现。同时，也可以对门窗的结构进行大幅度整改，对其厚度进行适当的增加。

5.4 华美小区住宅隔声改造实践

到目前为止，关于交通噪声控制技术方面的研究还是比较少的，而且还未形成一个完整的研究体系。因此，当住宅室内的噪声高于正常值时，一般都会在外墙方面加以改造，而对于阳台等诸多方面的隔声改造方法很少涉及。

5.4.1 既有住宅建筑阳台加固技术

根据对华美小区的全面分析和仔细研究，可以发现，其在诸多方面都不满足隔声要求，具体来说，其一是厚度方面，其二是承载力方面。其中，主要是在阳台方面可以使用相关隔声改造方法，既可以使用新增混凝土柱加固法，也可以使用关键节点夹钢板加固法。不同的方法有不同的优势和不足，此时可以根据阳台的实际结构情况，进行相应选择。

5.4.2 既有住宅建筑外墙加厚改造技术

在进行隔声改造期间，主要是分析和研究外部噪声如何能够不通过墙体进行传声，同时，还需要不断促使建筑隔声体系朝着整体性的方向发展。在此种情况之下，可以选择使用外墙加厚改造技术，具体来说，可以进行外墙钢筋网的构建，并在此基础上，采用水泥砂浆，进行墙体抹灰，由此充分实现厚度改造，不断促使隔声改造工作的实效性提升。