語(yǔ)音數字化降噪技術(shù)在港口通信工程的應用
摘 要：介紹語(yǔ)音信號的數字化噪聲抑制技術(shù)。該技術(shù)通過(guò)PcM編碼對模擬語(yǔ)音信號數字化，再以cPLD器件進(jìn)行數字化噪聲抑制處理，然后解碼為語(yǔ)音輸出從而得到優(yōu)良的語(yǔ)音噪聲抑制效果，并可通過(guò)軟件調節噪聲抑制參數。還以應用實(shí)例介紹電路原理，說(shuō)明設計要點(diǎn)。
關(guān)鍵詞：噪聲抑制;閾值;延時(shí)時(shí)問(wèn);PCM編解碼;CPLD器件
我多年從事港口通信工程的施工管理工作，發(fā)現港口通信使用環(huán)境嘈雜，多數應用于調度指揮，對語(yǔ)音數字化降噪技術(shù)要求較高。
在具有噪聲抑制功能的語(yǔ)音通信設備中，沒(méi)有語(yǔ)音信號時(shí)噪聲抑制電路將信道關(guān)閉，使噪聲信號不能到達語(yǔ)音終端，避免了噪聲出現;語(yǔ)音信號來(lái)到時(shí)，噪聲抑制電路自動(dòng)打開(kāi)信道，這時(shí)雖然噪聲語(yǔ)音一起送到語(yǔ)音終端，但由于聲音屏蔽效應，噪聲的存在可以忽略。
模式式的噪聲抑制電路直接對語(yǔ)音模擬信號進(jìn)行處理，通常主要由取樣放大器、模擬比較器、模擬開(kāi)關(guān)、阻容延時(shí)器件等組成。因其集成度低、參數調整困難、設定的噪聲抑制參數易受環(huán)境因素影響而漂移，使得噪聲抑制性能難以得到保證。
在為天津港南疆通信工程研制新一代語(yǔ)音通信設備時(shí)，為了避免模擬式噪聲抑制技術(shù)的缺點(diǎn)，采用了數字化的噪聲抑制技術(shù)。這一技術(shù)，是在對模擬語(yǔ)音信號進(jìn)行PcM編碼后， 再用CPLD(復雜可編程邏輯器件)對PcM碼流進(jìn)行數字化噪聲抑制處理，然后將PCM信號解碼還原為模擬語(yǔ)音信號。結果，不僅獲得了優(yōu)良的噪聲抑制效果，而且能夠用軟件調節噪聲抑制參數，設備的集成主和穩定性都有顯著(zhù)提高。聲押一電路的主要技術(shù)。
1、噪聲抑制電路的主要技術(shù)參數為：噪聲抑制閾值、前道時(shí)時(shí)間、后延時(shí)時(shí)間。
噪聲抑制閥值是指打開(kāi)語(yǔ)音信道的門(mén)限電平值。在閾值之下的信號認為是噪聲，關(guān)閉語(yǔ)音信道;在閾值之上的信號則認為是語(yǔ)音，打開(kāi)語(yǔ)音信道。這一閾值可根據環(huán)境噪聲的大小、外來(lái)干擾的嚴重程度及語(yǔ)音信號的幅度而進(jìn)行設置 例如， 當語(yǔ)音信噪比為30dB時(shí)， 噪聲抑制閨值可設為32mV左右。
由于語(yǔ)音和噪聲兩種信號并不總是能夠完全區分開(kāi)的，因此在信號幅度超過(guò)噪聲抑制閾值或回落到閾值之下時(shí)，需要分別進(jìn)行延時(shí)和后延時(shí)。
前延時(shí)時(shí)間是指語(yǔ)音信號在超過(guò)閾值后到語(yǔ)音信道打開(kāi)的延時(shí)時(shí)間。這一時(shí)間太長(cháng)將造成語(yǔ)音的起始音素被切除(稱(chēng)為“頭切”)，是不能允許的。但這一時(shí)間又不能太短，太短的話(huà)任何幅度超過(guò)噪聲抑制閾值的突發(fā)的短暫干擾都會(huì )立刻打開(kāi)語(yǔ)音通道并將這干擾送到語(yǔ)音終端，破壞靜音效果。為盡可能地吸收這類(lèi)干擾又不至于造成“頭切”，根據語(yǔ)音聲學(xué)特征的有關(guān)統計資料與經(jīng)驗數值，前延時(shí)時(shí)間可在0.5~4ms之間選擇。
后延時(shí)時(shí)問(wèn)是指在噪聲抑制門(mén)限被打開(kāi)并自己傳送語(yǔ)音時(shí)，從語(yǔ)音信號幅度回落至噪聲抑制閾值之下到語(yǔ)音信道關(guān)閉的延時(shí)時(shí)間。由于語(yǔ)音信號波形的動(dòng)態(tài)范圍很大。講話(huà)時(shí)又隨著(zhù)語(yǔ)氣的變化而起伏停頓，因此后延時(shí)時(shí)間太短會(huì )造成語(yǔ)音的斷續。影響語(yǔ)音傳送質(zhì)量。后延時(shí)時(shí)間太長(cháng)，則造成語(yǔ)音停頓時(shí)噪聲拖尾， 同樣影響語(yǔ)音質(zhì)量。為兼顧這兩方面，后延時(shí)時(shí)間的量值范圍約為0.O5～0.5s左右。
由于語(yǔ)音特點(diǎn)因人而異，環(huán)境噪聲和外界干擾情況又常有不同，所以上述的噪聲抑制三參數經(jīng)常需要在語(yǔ)音通信的過(guò)程中進(jìn)行調節。在使用模擬噪聲抑制電路時(shí)，這些參數是用電位器或開(kāi)關(guān)來(lái)調節的。在使用模擬噪聲抑制電路時(shí)，這些參數是用電位器或開(kāi)關(guān)來(lái)調節的。采用數字化噪聲抑制技術(shù)后，通過(guò)軟件就可以設定和調節這些參數了。
2、語(yǔ)音信號的數字化
采用數字化噪聲抑制技術(shù)，必須先將語(yǔ)音信號數字化。模擬語(yǔ)音信號的數字化有多種方法，最通用的是按照G.711標準進(jìn)行PCM編碼[1]。對于頻帶為 300~3400Hz的語(yǔ)音信號，采用2.048~z的取樣時(shí)鐘，以8kHz的速率進(jìn)行8位取樣，取樣數據按A律編碼，偶數位交替反轉。多路語(yǔ)音信號可以分配不同的取樣時(shí)隙，32個(gè)時(shí)隙(125 u S)組成一幀。
PcM編解碼芯片選用National Semiconductor公司的TP3094[2]。該芯片為44引腳PLCC封裝，單-5V供電，集成了四路PCM編解碼電路，壓擴方式為A/p律可選，片內自帶電壓基準、低通接收濾波器和帶通發(fā)送濾波器，通過(guò)外接電阻可以調節輸入信號的增益。
TP3094可采用長(cháng)幀和短幀兩種同步方式，外接幀信號和2.048~dz的時(shí)鐘即可工作。TP3094在進(jìn)行PCM編解碼時(shí)的工作方式有8bit和 32bit兩種，以8bit方式工作時(shí)需為每路語(yǔ)音的P 碼提供單獨的幀同步信號， 而以32bit方式工作時(shí)只要為第一個(gè)時(shí)隙提供短幀同步信號即可自動(dòng)完成對其后連續的另三路PCM語(yǔ)音編碼同步。在以32bit方式作時(shí)，還可以采用多片 TP3094芯片級聯(lián)工作。
Symbol1實(shí)施噪聲抑制控制功能，首先通過(guò)偶數位取反將PcM碼轉換成便于作大小比較的碼型，再將D[6O]與s[6O]輸入的設定值進(jìn)行噪聲抑制門(mén)限比較。比較結果從D端輸出到延時(shí)器，并從B端收延時(shí)信號。根據比較結果和延時(shí)狀態(tài)決定是將輸入的PCM信號原樣送往輸出，還是將代表無(wú)語(yǔ)音信號的 “55H”碼送往輸出。
3、數字化噪聲抑翻電路的原理
從PcM解碼輸出端Dx輸出表示八路語(yǔ)音信號的64bit串行信號，進(jìn)入64位的參數化移位寄存器模塊進(jìn)行串/并變攣， 變換后的輸出經(jīng)64位參數化鎖存器模塊鎖存，每幀刷新一次。鎖存信號以八位為一路，依次送到八個(gè)噪聲抑制控制器(Symbol1)。每個(gè)噪聲抑制控制器獨自控制一路語(yǔ)音信道，將PCM信號的偶數位取反后，再將除符合位(最高位)以外的七位數字與由S[6O]設定的噪聲抑制門(mén)限值進(jìn)行比較，比較結果輸出給延時(shí)器(Symbol2)，延時(shí)器輸出則作為控制信號送到噪聲抑制控制器。各噪聲抑制控制器輸出的PCM信號經(jīng)64位參數化稱(chēng)位寄存器模塊完成并/串行變換后恢復成串行PcM碼流送往兩片TP3094解碼成為具有噪聲抑制效果的語(yǔ)音信號。噪聲抑制控制器還輸出八路指示信號LED[70]至八只發(fā)光二極管作為各語(yǔ)音信道的噪聲抑制門(mén)限指示。
Symbol3用來(lái)產(chǎn)生TP3094要求的幀脈沖F0，提供移閏寄存器、鎖存器、噪聲抑制控制器所需的時(shí)序信號，并為延時(shí)器提供不同的時(shí)鐘信號：
P0、Pl用來(lái)選擇PcM幀32個(gè)時(shí)隙中的哪八個(gè)時(shí)隙用于本片作語(yǔ)音噪聲抑制處理：TSET~3O]用來(lái)選擇CLKI、CLK2的分頻系數以調整噪聲抑制延時(shí)時(shí)間。這些輸入都可以通過(guò)外部數字信號進(jìn)行設置和調節。
按以上方法對PCM信號進(jìn)行的數字化噪聲抑制處理使語(yǔ)音信號產(chǎn)生一幀(125 u S)的固定時(shí)延，但人耳的聽(tīng)覺(jué)對這一時(shí)延是完全不能覺(jué)察的。
4、應用成果
按照以上設計，用兩片TP3094和一片CPLD芯片再加上少量外圍器件組成的數字化噪聲抑制電路，改造了語(yǔ)音通信設備中采用模擬電路噪聲抑制技術(shù)的八路語(yǔ)音通信電路板，在天津港綜合樓通信工程、天津港南疆通信工程、天津港東疆通信工程的施工中得到了優(yōu)良的語(yǔ)音噪聲抑制效果。
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