语音背景噪声抑制装置 【技术领域】
本发明属于语音通信传输领域，特别是适合于背景噪声较强的环境中用于语音信号转化为高保真电讯信号的场合。背景技术
通讯水平已成为现代化的一个标志，语言信息也成为现代社会交流的主要手段，用语音控制的电子设备也成为高精尖技术选用的方案，所以高保真度语音的传输已成为十分重要的科学技术领域，特别是环境噪声不可避免的场合如何抑制噪声，使语音信息准确无干扰的传至受访方已成为十分迫切的课题，除喉头麦克风之外，其它各种各样抗干扰式麦克风在环境噪声电平超过70dB情况下情况十分不理想。为解决这一问题借助计算机技术利用复杂的软件管理以微处理器做平台对各种噪音进行分类、识别、处理形成人工智能耳技术。虽然效果良好但技术复杂、成本高，并不适用于民用产品和普通的通讯行业。有效抗击背景噪音的干扰需要成本低廉且效果明显的产品以适应普通用户的需要。
为此本发明人曾经设计过一种简易抗噪话筒的设计方案(见L97212892.1号专利文献)，该文献中所采用的两个单向话筒反向设置，通过低通滤波器和高共模抑制比的差分放大电路组成消噪装置，虽然有一定的效果，但电路设计过于简单，在抑制多反射环境中的噪声干扰时，效果较差。因为在我们生活的空间中，很多物体和建筑物地尺寸和语音、环境噪声信号的波长相当，所以直射波和反射波的叠加，会改变理论上计算出的同一种波在空间相邻两点的强度，以单音频为环境噪声进行实际测量，在相距10mm的两个点在语音频段内所测得的强度差最坏的情况为-5bB(差值应越小越好)，在30cm以内对原设计的麦克风进行模拟语音的单频测量，最坏的情况亦为-5bB(差值越大越好)如果出现这样的情况，以前的设计抑制噪声能力将变得很差。发明内容
本发明的目的是提供一种对噪声有高抑制性能的装置，以适应在80bB的干扰环境噪音下传输出语音信噪比大于30dB以上。
本发明的关键在于消噪电路设计。在差分放大器中拟增加浮动地，进一步提高了差分放大器的共模抑制比，增加了可控差分放大器、语音信号识别、无语音信号时环境噪声零输出、语音控制脉冲的形成和滤除干扰等电路，性能指标、先进性和实用性都特优于过去的申请专利。
从语音的频谱分析可知，能量强度最高的频带为300-500HZ，高于500HZ频率的强度逐渐降低，从300HZ开始强度以每倍频程6dB的斜率下降。如果在语音中去掉2KHZ以下的频率，就无法听懂语音的意思；而去掉2KBZ以上的频率，却不会影响对语音的理解。再从听觉掩蔽的角度来看，语音和干扰噪声同时出现，相互掩蔽会对人的听觉阀限形成影响。如果用语音去掩蔽环境干扰噪声，在输出端语音信号一定要高于噪声信号20dB。也就是说，输出语音的信噪比要大于20dB环境噪声才不会引起听觉的厌烦。如果没有语音信号掩蔽，40dB的噪声听起来就很清楚，所以我们可以用语音控制脉冲来控制电路，实现没有语音信号时的零噪声输出。
从频率上分析，低频对高频的掩蔽远大于高频对低频的掩蔽。也就是说，低频噪声对语音的干扰远大于高频噪声对语音的干扰。所以抑制语音噪声干扰重点应考虑低频率噪声对语音的干扰。在抑制噪声的过程中，即是语音信号高端频率造成损失，也不会影响对语音的判断和理解。
如前所述，我们采用特殊的结构，保证双向麦克风取出的两路语音信号最小差值为-8dB；环境噪声的最大差值为-5dB。电路中的语音、噪声信号识别，根据这两种信号不小于3dB的门限差，通过两个高性能线性放大器和两个施密斯触发器来实现。为了方便计算，两个麦克风的距离按10mm计算。对远声源的噪声信号来讲，这两点的相对幅度差可近似用下面公式计算：S＝1-cos360L/a其中L为两只麦克风之间的相对距离，a为该频率的波长。这样我们可计算出在相距10mm的两点3.4KHZ的相对幅度差为20％、2KHZ的相对幅度差为6.7％、1KHZ的相对幅度差为1.7％、500HZ的相对幅度差为0.42％、300KHZ的相对幅度差为0.15％。差分放大器对噪声的抑制度L＝20logS(dB)。即3.4KHZ为14dB，3KHZ为16.5dB，2KHZ为23dB，1KHZ为35dB，500HZ为47.5ddB，300HZ为56.5dB。由此可见，两只麦克风的距离可对语音频率的高端噪声抑制度造成影响。幸好影响语音信号的强度、清晰度、信噪比等指标都由语音信号中2KHZ以下的频率决定。所以用低通滤波器滤除高于3.4KHZ以上的语音和干扰噪声，有利于提高语音背景噪声的抗干扰性能。
本发明的关键在于根据以上理论分析所设计的消噪电路，是在两个同性单向麦克风，反背向设置后一个用做语音送话，另一个做为反相位差分放大消噪的参照话筒。而消噪装置结构中包括两个射随放大器，由代浮动地的复式差分放大电路组成的背景噪音抑制器、低通滤波器、语音信号控制信号换取电路和语音控制信号触发电路组成。其中两个射随放大器的输入信号来自己两个数向设置的麦克风采集到的音频信号，从射随放大器引出的音频信号分两路，一路引入复式代浮动地的差分放大电路形反相信号后选加组合成背景噪声抑制器，另一路关入语音控制信号提取电路，所输出语音控制脉冲经抗干扰电路送至触发电路，由触发电路发出控制信号送入复式差分放大电路中的一个放大器组成为受控差分放大电路，在无语音输出时实现噪音完全抵消，只有有语音时使受控的差分放大电路转变为失衡态下的差分放大电路，以提高语音信噪比。
按以上原则设计的电路计算一下背景噪声在84dB，近距以正常强度对麦克风讲话(30dB左右)在语音频带几个代表性频率段内语音信噪比。在300HZ-3.4KHZ之间语音输出的最差的信噪比也有30dB以上。
下面结合附图给出的实施例中原理图进一步说明本发明的目的是如保实现的。附图说明
图1为本发明的结构框图。
图2为音频信号放大电路
图3为复式带浮动地的差分放大电路、迭加电路和抗干扰电路
图4语音控制信号提取电路原理图
图5低通滤波器电原理图，图6为触发器电路。
其中1代表音频传感电路，1A、1B代表两个单、同性并且反向调协的麦克风，2、3代表射随放大电路，4代表复式带浮动地的差分放大电路，组成的背景噪声抑制器。4A、4B代表两个带浮动的差分放大电路，4C代表反相音频信号机加器，4D代表电子开关，5代表低通滤波器，6代表语音控制信号提取电路，6A、6B为两路相同的音频信号转脉冲信号转换电路，6AA和6BA为音频模拟信号线性放大器，6AB和6BB为模拟信号转脉冲信号电路，6C为语音脉冲信号提取电路，7为抗干扰电路，8为语音脉冲信号触发器，R为电阻标志，C为电容标志，U1～U4均为四运放标志，U5为触发器，U6代表异或门，U7代表电子开关，U8是Cd4098集成块，D代表二极管。具体实施方式
本发明的背景噪声抑制器4所采取的具全电路中是两个性能相同的带浮动地的高共模抑制度的差分放大电路(4A、4B)组成，其中一个差分放大器4A是特殊设计的受语音信号控制(语音脉冲信号触发)的一个可转换差分放大器，它按语音的有无来控制4A，由不均衡的差分放大器转换为差分放大器，这两个基本相同电路所输出的音频信号(语音和噪音)在所设置的相加器(4C)，即一个可变电阻器W1上汇合相加，由可变电阻W1的滑动臂上取出相加后的语音信号通过滤波电路(5)输出。这样的差分电路。这样的设计可以在没有语音传入时从基本上相互抵消噪音电平达到静音的境界。而有强音信号时，可从可变电阻W1上取出清晰的语音信号，在没有语音信号时亦可使背景噪声基本上完全消除，听起来象不处在噪声环境下，这正是本发明形成的明显特点之一。那么下步设计的关键就是如何用提出语音信未来完成对消噪电路的自动切换。
对可控差分放大电路4A的控制是加设了电子转换开关(4D)，利用电子转换开关上的两条短路接线，连接在差分放大电路的平衡电阻R26两端，当电子开关(4D)导通时R26短路差分放大电路4A变成普通放大电路，使语音信号有效放大，并以语音的高增益掩蔽背景噪声，取得良好的通信效果，而当电子开关4D开路，即没有语音输入时可以微调W1，使得噪声背景基本抵消从而获得理想的通话环境取得听觉上“干净”。
语音控制信号的提取电路(6)中包括由两路非常一致的音频信号处理通道。即是脉冲信号转换电路(6A、6B)。两路输出的信号经过触发电路(6AB、6BB)成为脉冲信号。以上电路与语音脉冲信号提取电路(6C)实现语音脉冲的提取。从两个麦克风(1A、1B)后的射随放大器(2、3)引出的两路音频模拟信号分别输入两个对称设计的电路(6A、6B)，利用触发器(6AB、6BB)很容易将两路模拟信号转换为两路音频脉冲信号，由于两路音频信号中，语音幅度差最小为8dB，噪音幅度差最大为5dB，所以把触发器的门限设为1.8V，电源设定为3.3V，这样很容易把幅度小于5dB噪声信号转换为有相位差的脉冲信号，而把幅度差大于8dB的语音信号转换为一路脉冲信号，这两路信号通过以异或门为语音脉冲提取电路6C的主要电路时优选出语音脉冲信号。由于噪声的幅度差而引入的脉冲相位差，以及高于语音频率的噪声均可以在下一级抗干扰电路7时被滤损而剩下单一的语音脉冲信号。剩下单一的语音脉冲信号在下级触发电路(8)中可得到进一步加宽，从而保证语音中语言的连续性。这样就从音频中取出了控制差分放大电路4A语音脉冲信号。
从图2～图5所给出的是电路的实施例，其中从图1可以看出麦克风(1A、1B)的音频射随放大电路(2、3)是由两个运算放大器(U1A、U1B)和外围阻容元件：R1～R4，C1～C2搭接而成。由麦克风(1A、1B)所采集的语言及噪声经线性放大后由射随放大器输出。
图2给出了消噪器电路，低通电路的实施例。消噪电路是两个共模抑制度基本相同的带浮动地的复式差分放大电路(4A、4B)和相加器4C。图中给出了该电路是由两个四运放集成块(U2、U3)及外围的阻容元件R19～26电容C11～C12搭接组成，其中4A是一个受控差分放大电路，电子开关4D的两条短路线接在平衡电阻R26的两端，从而形成受控可转换的差分放大电路(4A)，两个带浮动地的差分放大电路(4A、4B)的输出端接在相加器(4C)，即一个可变滑动电阻器W1两端，由于其相位相反而噪声电平可以调至零，形成无语音时的静音效果。电子开关4D的触发端引至触发器(8)的输出端，实际上受语音脉冲的控制。当语音脉冲存在时R26短路，4A由差分放大至失衡态下的差分放大器，换后语音信号通过它所获得增益使输出语音信号的幅度差加大，所以在相加器4C上迭加压后产生对噪声背景更强的抵了制度即语音信噪比达30dB以上，基础噪音的抑制达到理论论证的理想指标。
图4给出的是语音控制信号提取电路的电原理图，其中包括由将由两个麦克风采集并放大的音频电路，按两路通道进行处理形成脉冲信号转换电路(6A、6B)，两个电路完全一样，包括一个由运算放大器U1C及外围元器件R5～R7电容C5组成的线性放大电路，放大后的信号送入触发门电路U5A转换为脉冲信号，两路音频信号即转换为两路脉冲信号，将两路脉冲信号送入提取电路4C，即是由异或门U6A后所输出的即是语音脉冲信号，将该信号送入抗干扰电路7。
该抗干扰电路(7)具体是由触发门电路U5B-U5D及由二极管D1电阻R27电容10组成高频滤波器，搭串而成的隔离电路，使音频中的语音脉冲信号顺利通过送至触发电路8。
触发电路8具体可由集成块Cd4098及外围阻容元件C13、C14、R20搭接而成的单稳态电路、语音触发脉冲自抗干扰电路7中引出至该集成块的触发端、输出触发信号接电子开关4D的触发端。
图5给出的是低通滤波器5的电原理图，该低通滤波器由运算放大器U4A和外围阻容元件C8、C9、C10、R25、R29搭接组成，从W1滑动臂上取出的音频信号经电阻28、29输入运算放大器可滤过3.4KH以上的噪声信号。
图2至图5的实施例可以组成一个完整的语音背景噪声抑制装置。
由于麦克风1A、1B得到的两路语音信号和噪声信号，分别通过U1A、U1B构成的射随进行阻抗匹配，使麦克风电路同时输入到两个差分放大器和两个线性放大器而相互之间互不影响。运算放大器U2、U3分别用个自内部的四个独立单元，及其外围器件分别组成了具有较高共模抑制比性能的两个差分放大器，其中U3构成的差分放大器平衡输入电阻R26受语音控制脉冲的控制可使U3进行差分到普通放大之间的转换。由于U2、U的输入信号相位相反，所以它们的输出也是幅度相等、相位相反的信号，在没有语音控制脉冲时，相加器W1不但可使U2、U3的输出相互隔离，而且微调中心抽头的位置可消除由于器件参数离散而引起的U2、U3的放大量差异而增大噪声的输出。在有语音控制脉冲时，可从W1中心抽头输出语音信号。U1C、U1D及其外围器件构成了两只线性放大器，对从麦克风组取出的信号进行线性放大后，再通过触发器U5A、U5B转变为控制脉冲信号。由于噪声信号的幅度差可能达到5dB，会引入U5A、U5B输出脉冲的相位差，导致异或门U6A输出有大量的干扰脉冲；另外，在噪声频率高于语音最高频率时，也会引入干扰脉冲。这些干扰严重影响了电路的正常工作，必须用U5C、U5D、D1、R27组成的抗干扰电路加以滤除，而得到单一的语音控制脉冲。U8A及其外围器件构成了脉冲展宽电路，把语音控制脉冲展宽，以保证电路输出的语音连续、流畅。U4A及其外围器件组成了低通滤波器，滤除3.4KHZ以上的所有信号，即能保证了语音的清晰度，不会因为该装置对3.4KHZ以上的噪声抑制度变低，而使输出语音信号的信噪比变坏。