探析语音信号的数字化噪声抑制技术

1、探析语音信号的数字化噪声抑制技术摘要：介绍了语音信号的数字化噪声抑制技术。该技 术通过pcm编码对模拟语音信号数字化，再以cpld器件进 行数字化噪声抑制处理，然后解码为语音输出，从而得到 优良的语音噪声抑制效果，并可通过软件调节噪声抑制参 数。还以应用实例介绍了电路原理，说明了设计要点。关键词：噪声抑制阈值延时时间pcm编解码cpld器件语音信号的噪声抑制技术是基于人耳的声音屏蔽效应 的，即当有较强的声音信号时，较小的噪声信号将被屏蔽 而不易被听到。在具有噪声抑制功能的语音通信设备中，没有语音信 号时噪声抑制电路将信道关闭，使噪声信号不能到达语音 终端，避免了噪声出现；语音信号来到时，噪声抑

2、制电路 自动打开信道，这时虽然噪声语音一起送到语音终端，但 由于声音屏蔽效应，噪声的存在可以忽略。模式式的噪声抑制电路直接对语音模拟信号进行处理, 通常主要由取样放大器、模拟比较器、模拟开关、阻容延 时器件等组成。因其集成度低、参数调整困难、设定的噪 声抑制参数易受环境因素影响而漂移，使得噪声抑制性能 难以得到保证。在为某国孙工程研制新一代语音指挥通信设备时，为 了避免模拟式噪声抑制技术的缺点，采用了数字化的噪声 抑制技术。这一技术，是在对模拟语音信号进行pcm编码 后，再用cpld （复杂可编程逻辑器件）对pcm码流进行数 字化噪声抑制处理，然后将pcm信号解码还原为模拟语音 信号。1噪声抑

3、制电路的主要技术参数噪声抑制电路的主要技术参数为：噪声抑制阈值、前 道时时间、后延时时间。噪声抑制阀值是指打开语音信道的门限电平值。在阈 值之下的信号认为是噪声，关闭语音信道；在阈值之上的 信号则认为是语音，打开语音信道。这一阈值可根据环境 噪声的大小、外来干扰的严重程度及语音信号的幅度而进 行设置。例如，当语音信噪比为30db时，噪声抑制阈值可 设为32mv左右。由于语音和噪声两种信号并不总是能够完全区分开的, 因此在信号幅度超过噪声抑制阈值或回落到阈值之下时， 需要分别进行延时和后延时。前延时时间是指语音信号在超过阈值后到语音信道打 开的延时时间。这一时间太长将造成语音的起始音素被切 除（

4、称为“头切”），是不能允许的。但这一时间又不能太 短，太短的话任何幅度超过噪声抑制阈值的突发的短暂干 扰都会立刻打开语音通道并将这干扰送到语音终端，破坏 静音效果。为尽可能地吸收这类干扰又不至于造成“头切”, 根据语音声学特征的有关统计资料与经验数值，前延时时 间可在4ms之间选择。后延时时间是指在噪声抑制门限被打开并自己传送语 音时，从语音信号幅度回落至噪声抑制阈值之下到语音信 道关闭的延时时间。由于语音信号波形的动态范围很大， 讲话时又随着语气的变化而起伏停顿，因此后延时时间太 短会造成语音的断续，影响语音传送质量。后延时时间太 长，则造成语音停顿时噪声拖尾，同样影响语音质量。为 兼顾这两

5、方面，后延时时间的量值范围约为左右。由于语音特点因人而异，环境噪声和外界干扰情况又 常有不同，所以上述的噪声抑制三参数经常需要在语音通 信的过程中进行调节。在使用模拟噪声抑制电路时，这些 参数是用电位器或开关来调节的。在使用模拟噪声抑制电 路时，这些参数是用电位器或开关来调节的。采用数字化 噪声抑制技术后，通过软件就可以设定和调节这些参数了。 2语音信号的数字化釆用数字化噪声抑制技术，必须先将语音信号数字化。 模拟语音信号的数字化有多种方法，最通用的是按照标准 进行p cm编码1。对于频带为300340 0hz的语音信号, 采用的取样时钟，以8k hz的速率进行8位取样，取样数据 按a律编码，

6、偶数位交替反转。多路语音信号可以分配不 同的取样时隙，32个时隙(125us)组成一帧。pcm编解码芯片选用nat ionalsemic onductor公司的 tp30942o该芯片为44引脚p lcc封装，单一 5v供电， 集成了四路pc m编解码电路，压扩方式为a/p律可选，片 内自带电压基准、低通接收滤波器和带通发送滤波器，通 过外接电阻可以调节输入信号的增益。tp3094可采用长帧和短帧两种同步方式，外接帧信号 和的时钟即可工作。t p3094在进行pc m编解码时的工作方 式有8bit和32bi t两种，以8bit方式工作时需为每路语 音的pcm码提供单独的帧同步信号，而以32 b

7、it方式工作 时只要为第一个时隙提供短帧同步信号即可自动完成对其 后连续的另三路p cm语音编码同步。在以32bit方式作时, 还可以采用多片tp 3094芯片级联工作。图1所示为两片tp30094级联成为八路pcm语音编解码 电路。图中tp30 94的vci0vx 13为四种语音输入端， gx00gx03为各路的增益调节端，在vxi和gxo之间接一 电阻，此电阻与v xi端至信号源间的电阻比值可决定该路 语音信号的输入增益。vr 00vr03为解码后的四路模拟语 音信号输出端。电容cl、c 2用于滤波。外接的主时钟脉冲 冲送到两片t p3094的mclk端，8khz的帧信号f0 （由cpld

8、 产生）送到第一片tp30 94的fsxo和fs r0端，再将第一 片t p3094的fsx和fsr1分别连到第二片tp3094的fs x0 和fsro端，就完成了两片芯片的级联。两片以上的级联亦 可由此类推。为避免数字信号对模拟信号的干扰，电路中 数字部分和模拟部分的供电分别布线后再接到单一 5伏电 源。两片tp309 4的pcm信号输出端dx并联后送到数字噪 声抑制电路，经数字噪声抑制电路处理后的p cm信号再送 回两片t p3094的输入端d r进行解码。tsxo、tsx1是开 路沟道输出端，rl、r2为上拉电阻。在所分配的时隙输出 pcm信号时，tsxo、tsx1为低电平，可提供给cp

9、ld作为控 制信号。tp3094工作于32bit短帧方式时的时序图如图2所示。输入和输出的p cm信号dr、dx包含了从cho至ch3的 四路数字语音信号，每路为一个时隙，8个bit。每路语音 的p cm编码中d7为符号位。d6do为数值位。fsx1和 fsr 1可用于级联下一个芯片。3数字化噪声抑制电路的原理框图数字化噪声抑制电路的原理框图如图3所示。由于采 用的是“自顶向下”的cpld设计方法，这一电原理框图本 身就是最顶层的图形设计文件(.gdf文件)。图中的各个 组成部分，根据需要分别采用了基本逻辑门电路、参数化 模块、以缺省符合(defaultsym bol)表示的文本输入 (tex

10、tentr y)和宏功能逻辑单元(megafunct ion)组合。从pcm解码输出端dx输出表示八路语音信号的64bit 串行信号，进入64位的参数化移位寄存器模块进行串/并 变挛，变换后的输出经64位参数化锁存器模块锁存，每帧 刷新一次。锁存信号以八位为一路，依次送到八个噪声抑 制控制器(sy mboll )o每个噪声抑制控制器独自控制一路 语音信道，将pc m信号的偶数位取反后，再将除符合位 (最高位)以外的七位数字与由se6.0设定的噪声抑制门限值进行比较，比 较结果输出给延时器(symb ol2),延时器输出则作为控制 信号送到噪声抑制控制器。各噪声抑制控制器输出的pc m 信号经6

11、4位参数化称位寄存器模块完成并/串行变换后恢 复成串行pcm码流送往两片tp3094解码成为具有噪声抑制 效果的语音信号。噪声抑制控制器还输出八路指示信号 led7. 0至八只发光二极管作为各语音信道的噪声抑制门 限指示。symb 013用来产生tp3 094要求的帧脉冲f 0,提供移 闰寄存器、锁存器、噪声抑制控制器所需的时序信号，并 为延时器提供不同的时钟信号；po、p1用来选择pcm帧32 个时隙中的哪八个时隙用于本片作语音噪声抑制处理； tset3. 0用来选择clk 1、clk2的分频系数以调整噪声抑 制延时时间。这些输入都可以通过外部数字信号进行设置 和调节。按以上方法对pcm信号

12、进行的数字化噪声抑制处理使 语音信号产生一帧(125us)的固定时延，但人耳的听觉 对这一时延是完全不能觉察的。4cpld设计要点cpld器件选用altera公司的epf6016at c100集成电 路3 ,内含16000个等效门，1320个逻辑单元，采用 100-pintqfp封装。设计软件使用max+plusii版本4 , 下面介绍设计要点。symbol 1的设计symbol 1实施噪声抑制控制功能，首先通过偶数位取反 将pcm码转换成便于作大小比较的码型，再将de6.0与s 6. 0输入的设定值进行噪声抑制门限比较。比较结果从d 端输出到延时器，并从b端收延时信号。根据比较结果和 延时状

13、态决定是将输入的pcm信号原样送往输出，还是将 代表无语音信号的“55h”码送往输出。symbol 1的逻辑功能由ahdl语言编写，具体如下：su bdesignsym boll(a7 . 0, s6. 0, b: input ；y7. 0, d , l:output；)variablee 6. 0： nod e；begine6=! a6； e5=a5； e4=!a4；e3二a3;e2二！a2;e1二al;e0=!ao;l=!b;if(e6. .0>s6. .o)t hen(d)二bt;endif;if (b)then(y7. .0)=h"5 5"else(y7. .

14、0)=a 7. . 0;end if;end;以上文本通过编译后即可建为缺省图形符号sy mbollo sy mb ol2的设计sy mbol2实现前后延时功能，采用图形输入，电路图 见图40图4中clk1. cl k2为前、后延时的计时脉冲，由的 mclk主时钟经分频后得到，分别用于前延时计数器countrl 和后延时计数器counte r2计时。当无语音信号时，噪声抑 制控制器symbol 1的输出d为“0”，coun ter2计至q2端为 “1”后停止计数，并通过反相器将clk2的输入封住。q2 端的高电平同时对coun terl清零，使b输出为“ 1 ”，噪声 抑制控制器输出pcm码“55h”，即无语音信号。当接收到的p cm信号幅度超过设定的噪声抑制阈值时, d变为“1”，coun ter2被清零，此时counterl脱离清零状 态开始计数器。counterl计至q1为“1”后b端输岀电平 从转为&quo