高噪聲環境下語音數字化降噪技術的研究

馬海嬌 張紅兵 楊剛

（中國刑事警察學院公安信息技術與情報學院 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境的干擾，噪音干擾會導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、通信設備內部產生的噪聲、或是接收者身旁環境因素產生的噪音都會影響接收者的信息接收，所以在噪聲環境中的語音檢測與語音增強技術是語音信號數字處理的重要部分。在語音通信中受到噪聲污染會嚴重的影響，語音處理系統的性能，也會對接收者接收信息產生一定的影響。

1 噪聲抑制電路的主要技術參數

噪聲抑制電路的主要技術參數分別是前延時時間、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定為是噪音，從而關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，能夠根據外來的噪音環境以及干擾程度，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，那么語音就會產生斷續，影響語音在傳輸過程中的清晰度與質量。后延長時間，一旦過長。語音在停頓時就會產生明顯的噪聲拖尾，同樣會對語音通話的質量造成影響。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境情況也各不相同，所以上文提到的抑制噪聲的三個參數，在實際的通話過程中要不斷的進行調節[2]。在使用模擬噪聲抑制電路的過程中，這些參數是使用定位器的開關來進行調節的。使用數字化抑制電路技術之后，通過軟件就能夠設定并且調整以上的三個噪聲抑制參數。

2 數字化語音信號技術

采用數字化語音技術，可以將相關的語音信號轉化為數字處理形式，轉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，并完成轉換。在轉換時，以8kHz 速率完成取樣分析，在取樣后按照A 律編碼進行偶數交替反轉[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。在壓擴方式當中，其通過自帶的電機電壓基準以及低通接收濾波器等完成編碼工作。在轉換中，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，其通過相關的時隙，可以提供短針同步信號，可自動完成后續的連接同步。在32bit 運作中，還可以通過多級芯片進行聯合工作。在語音化數字信號中，可以完成噪聲抑制控制功能。通過相關的技術流程，可以實現有效的數值分析，并將其轉化為大小比較的碼型[4]。在將輸入值進行噪聲抑制比較，以根據比較結果，從相關D 端輸出至延時器。

3 數字化噪聲抑制電路的工作原理

就PCM 解碼而言，在輸出端輸出相關的數值后，可以表示在多路信號反轉時，通過64bit 串行信號實現參數化位移，使其儲存在儲存器中的相關數值有效變化。經64 位參數化模塊鎖存后，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 信號數值取反后，將其符合最高位以外的7 位數字，進行限制比較，完成分析[5]。經實驗數據證實，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，將其轉化為寄存器模塊，并實現串聯恢復，進行PCM 碼處理。

在數字化噪聲抑制電路原理中，可以根據相關的要求使，用幀脈沖，并提供儲存器。噪聲在控制器中，需要的相關設備為延時器提供相關的數字信號，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以調整噪聲延時時間，實現外部數字信號的設置以及調整。按照相關方法，對PCM 信號進行數字化噪聲處理，可以保障其語音信號產生固定延遲，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

為了能夠降低機場中環境噪聲的負面影響，率先需要從生源層面上著手，對結構的設計進一步改善，降低生源出現噪聲等級，該模式最為科學與有效方式[6]。但是，由于飛機設計技術與成本等層面上的限制，還不可以在基礎上將噪聲源杜絕。而后，無緣噪聲控制技術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量不佳。最后，有源噪聲控制技術，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勢。伴隨著控制理論與電子技術的深入發展，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

對無源的降噪研究從電聲器件設備發明運用的時候就已經開始了，不管是在電聲器件設備外形看，亦或是電聲器件設備空間設計層面上來看，都能夠降低環境噪聲負面影響，機場的語音通訊關鍵電聲器件設備為耳機與傳聲器，耳機無源降噪運用耳機外罩設計加以實現[7]。而耳罩降噪關鍵是運用包圍耳朵產生出封閉型空間，亦或是運用隔音材料阻擋出外界的噪聲。耳罩的內部將會填充海綿，而且在耳罩設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。有源噪聲控制技術是對麥克風、電聲器件以及耳機類語音通訊類電聲器件，麥克風中有源噪聲控制技術使用相對較少，主要運用在對有緣降噪耳機設備中。

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備隔聲功效。因為噪聲并沒有通過降噪電路芯片設備的處理，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技術與麥克風陣列對背景噪聲進一步抑制。其中骨傳導技術主要是運用人體神經、骨骼與肌肉進一步對聲音進行傳導，能夠顯著降低環境噪聲影響到語音通訊。使用麥克風陣列對北京噪聲進一步抑制，可以產出合成性輸出數據信號亦或是多組數據信號，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

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。該種技術是對電氣器件，耳機與麥克風作為語音通訊類電聲器件。在設計層面上，有源降噪耳機構成復雜與普通耳機構成，其包含：話筒一個，主要是對外界噪聲進行接收，內部的音頻處理電路對信號反相與音頻放大，經過電路計算之后，從而降低噪音。有源降噪耳機分為模擬式和數字式兩類，模擬有源耳機消聲效果和性能受限制，系統運行不穩定，易受多種環境因素干擾而產生自激嘯叫，控制算法和參數較為固定，不易靈活改變，并且缺乏跟蹤能力。數字有源耳機采用自適應有源控制技術，具有很高的可靠性，能夠精確地產生復雜的傳遞函數,適用于多通道系統和復雜噪聲環境的控制。

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重超標，例如：機場、高架路、輕軌、鐵路等區域，這些地區的噪聲嚴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。對已經建成的居民住宅進行降噪處理非常難，因為小區的情況復雜，周圍往往已經存在完善的交通基礎設施，并且在改造過程中，對現有交通設施進行新建或者改變參數，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居住環境進行改進，以保證噪聲控制可達標。《住宅建筑規范》第7.1.1規定指出：居民住宅臥室、起居室在關閉傳呼的情況下，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為例，通過一系列完整操作，闡述高噪音環境下，語音數字化降噪技術的具體實施策略。

5.1 小區噪音概況

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

5.2 改造前環境噪聲檢測

根據具體的背景噪聲測試，可以發現，室外環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查數據，可以為之后的隔音改造設計提供諸多的數據參考，并可以有針對性提出相關策略和方法[10]。

5.3 隔聲改造方法

一般情況下，住宅的外墻有多個構件組成。比如有的墻會有門，有的墻會有窗。而針對不同的構件，會在傳聲方面有著不同的損失。為了更好地實現隔聲改造工作的實效性，需要重點關注門窗，防止和避免其有縫隙的出現。同時，也可以對門窗的結構進行大幅度整改，對其厚度進行適當的增加。

5.4 華美小區住宅隔聲改造實踐

到目前為止，關于交通噪聲控制技術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，當住宅室內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

根據對華美小區的全面分析和仔細研究，可以發現，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，也可以使用關鍵節點夾鋼板加固法。不同的方法有不同的優勢和不足，此時可以根據陽臺的實際結構情況，進行相應選擇。

5.4.2 既有住宅建筑外墻加厚改造技術

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展。在此種情況之下，可以選擇使用外墻加厚改造技術，具體來說，可以進行外墻鋼筋網的構建，并在此基礎上，采用水泥砂漿，進行墻體抹灰，由此充分實現厚度改造，不斷促使隔聲改造工作的實效性提升。

6 結束語

綜上所述，按照以上方法在改造語音通信設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，能夠很好地優化語音，進而得到優良的噪聲控制成效。