段鵬婷，白曉敏，喬鑫鑫，劉 璇，李萌萌

（北方自動控制技術(shù)研究所，太原 030006）

0 引言

當(dāng)前武器裝備和系統(tǒng)信息化進(jìn)程在不斷加快，對相應(yīng)的模擬訓(xùn)練系統(tǒng)也提出了較高的仿真要求，一方面，需要保障初期訓(xùn)練反復(fù)使用需求；另一方面，需要貼近真實的復(fù)雜環(huán)境。目前模擬訓(xùn)練器系統(tǒng)通信分系統(tǒng)一般采用半實物模擬通信設(shè)備或純軟件仿真虛擬模擬通信設(shè)備，進(jìn)行指揮控制操作過程中的數(shù)據(jù)和話音通信訓(xùn)練，話筒拾音器對聲音能量的累積反應(yīng)比人耳反應(yīng)迅速，特別是對復(fù)雜作戰(zhàn)環(huán)境下突發(fā)的相對單一頻率成分的聲音。采用U3D等視景仿真軟件模擬裝甲車輛的戰(zhàn)場環(huán)境，會伴隨有內(nèi)部強噪聲，對話音通信影響較大。特別是在相對封閉的車艙內(nèi)，由于距離過近導(dǎo)致能量發(fā)生自激，最容易產(chǎn)生嘯叫及延時回聲等問題。無法提取有效話音和抑制嘯叫，會導(dǎo)致通信設(shè)備使用者頻繁產(chǎn)生雙耳不適感。為了在低成本的前提下提供通信組網(wǎng)訓(xùn)練功能，并保證受訓(xùn)人員的人耳體驗，需結(jié)合有效穩(wěn)健且耗時較短的話音增強和嘯叫抑制方法，實現(xiàn)話音采集處理，改善通信質(zhì)量［1-2］。

相關(guān)參考文獻(xiàn)已經(jīng)對各種終端設(shè)備的話音增強與優(yōu)化技術(shù)進(jìn)行了詳盡的研究，但是大多針對的是全雙工通信體制和通信設(shè)備，考慮到成本問題，模擬訓(xùn)練通信設(shè)備擴音系統(tǒng)，在實現(xiàn)話音增強和嘯叫抑制方面，對優(yōu)化和改進(jìn)算法的復(fù)雜度和運算量要求提出了更高的要求。針對上述問題，本文結(jié)合限幅器和陷波嘯叫抑制方法，對話音采集單元進(jìn)行性能改進(jìn)算法研究。在模擬訓(xùn)練艙環(huán)境中進(jìn)行仿真驗證實驗，實驗表明，該算法具有出色的噪聲抑制能力，能夠在大規(guī)模訓(xùn)練范圍內(nèi)傳送準(zhǔn)確話音，保證通信質(zhì)量和受訓(xùn)人員的雙耳體驗。

1 模擬訓(xùn)練通信設(shè)備基本架構(gòu)

模擬通信系統(tǒng)是模擬訓(xùn)練系統(tǒng)的重要組成部分，通信系統(tǒng)根據(jù)指揮控制系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)和作戰(zhàn)信息流程，構(gòu)建合理的通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)系統(tǒng)指揮、偵察、武器、保障各節(jié)點間的互聯(lián)互通，為不同作戰(zhàn)環(huán)境提供通信支持。話音的有效傳輸是模擬通信設(shè)備的重要功能，其清晰度是模擬通信設(shè)備最直觀的評價指標(biāo)，能夠有效反映設(shè)備的穩(wěn)定性和舒適度。模擬訓(xùn)練系統(tǒng)一般規(guī)模下的通信設(shè)備架構(gòu)示意圖如圖1 所示。

圖1 模擬訓(xùn)練系統(tǒng)通信設(shè)備架構(gòu)圖

為了使受訓(xùn)人員體驗更接近真實，模擬訓(xùn)練系統(tǒng)采用視景仿真軟件模擬了真實的戰(zhàn)場環(huán)境和戰(zhàn)場音效，對話音采集設(shè)備的話音增強和嘯叫抑制技術(shù)提出了較高的要求［3］。模擬訓(xùn)練系統(tǒng)對設(shè)備成本限制較多，一般采用具有指向性的話音采集設(shè)備。指向性的話音采集設(shè)備在實際應(yīng)用時對模擬訓(xùn)練設(shè)備中的擴聲系統(tǒng)提出了較高的要求，擴音系統(tǒng)若采用較小的放大倍數(shù)，一旦指向性較弱，話音信號在嘈雜的環(huán)境中很難被識別；若采用較大的放大倍數(shù)，容易形成麥克風(fēng)、放大器、揚聲器等擴音系統(tǒng)之間的正反饋，產(chǎn)生讓人耳異常不適的嘯叫現(xiàn)象，甚至?xí)?dǎo)致模擬通信設(shè)備中的音響和功放被某個單一頻率的放大信號燒毀，造成設(shè)備不可逆的損壞現(xiàn)象。

本文針對復(fù)雜脈沖噪聲環(huán)境下的戰(zhàn)術(shù)訓(xùn)練過程，采用限幅器和陷波法實現(xiàn)噪聲及嘯叫抑制，從而有效增強話音信號，提高人耳舒適度。限幅器能夠?qū)Σ杉降木哂忻}沖特性的噪聲進(jìn)行識別和均衡，防止功率放大器和音響由于信號強度過大而燒毀，然后將信號輸入至擴音系統(tǒng)進(jìn)行傳輸。陷波法對于抑制嘯叫具有更為顯著的效果，且對于模擬訓(xùn)練系統(tǒng)更易實施，在擴音系統(tǒng)傳輸過程中采用陷波器組檢測音頻信號頻率，出現(xiàn)自激條件時立即采取陷波措施，消除嘯叫隱患，確保模擬通信設(shè)備有效放大話音信號的同時不會被損壞。

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 話音信號及脈沖噪聲建模仿真

模擬訓(xùn)練系統(tǒng)通過視景仿真軟件對大氣雷暴噪聲、作戰(zhàn)及毀傷等過程中的噪聲進(jìn)行模擬，這些噪聲均會導(dǎo)致噪聲的脈沖特性［4-5］。對模擬訓(xùn)練系統(tǒng)來說，突發(fā)性的、高強度的噪聲比穩(wěn)定狀態(tài)的背景噪聲具有更大的危害程度，也容易對人耳聽力造成較大損傷。alpha 穩(wěn)定分布噪聲能夠描述在某些時間點上具有突發(fā)脈沖的噪聲，如下頁圖2 所示，給出了標(biāo)準(zhǔn)alpha 穩(wěn)定分布噪聲的時域波形，α 值對應(yīng)噪聲的脈沖特性，α 值越小，脈沖性越強；α 值越大，越接近高斯噪聲。

圖2 alpha 穩(wěn)定分布噪聲時域波形

采用普通環(huán)境下錄制的話音信號作為仿真信號，采樣率為16 kHz，

式中，s（n）表示純凈話音信號，v（n）為背景脈沖噪聲。在本文的實驗分析中，以某段采集的話音信號為仿真信號，波形如圖3 所示。

圖3 話音信號波形仿真

2.2 限幅陷波法設(shè)計及實現(xiàn)

模擬訓(xùn)練系統(tǒng)中戰(zhàn)場環(huán)境音效和話音采集信號樣本較多，先驗知識較為豐富，首先，采用限幅器濾除非正常脈沖信號，保證功率放大器和揚聲器系統(tǒng)的安全，然后，采用陷波器組對嘯叫檢測成分進(jìn)行進(jìn)一步濾波。算法原理框圖如圖4 所示：

圖4 限幅陷波法原理框圖

模擬訓(xùn)練系統(tǒng)發(fā)生嘯叫現(xiàn)象時，受訓(xùn)人員收到的音頻信號幅度會強于正常的人耳接收范圍，對受訓(xùn)人員和模擬訓(xùn)練設(shè)備均會產(chǎn)生較大影響，因此，設(shè)置合適的限幅器閾值可避免擴音系統(tǒng)中非正常信號的干擾，保護(hù)系統(tǒng)安全。限幅器只需要設(shè)計限幅門限就可以針對脈沖噪聲模型進(jìn)行限幅，已知噪聲模型下門限選擇方法與模型相關(guān)，可根據(jù)脈沖型噪聲的概率密度函數(shù)，獲取限幅器設(shè)計的最優(yōu)門限參數(shù)。以alpha 穩(wěn)定分布噪聲模型為例，限幅器的非線性處理函數(shù)可以表示為［6-7］：

其中，c表示限幅器門限，sgn（x）表示符號函數(shù)。

采用限幅陷波方法進(jìn)行噪聲和嘯叫抑制時，參考了模擬訓(xùn)練環(huán)境中豐富的噪聲和有效音頻信號先驗知識，具有較多較可靠的參考數(shù)據(jù)進(jìn)行算法設(shè)計，因此，使用計算量較小的陷波法無疑是簡單有效的實現(xiàn)方法［8-9］。擴音系統(tǒng)在出現(xiàn)反饋自激時，頻率固定在某一點上，需用一個頻帶很窄的陷波濾波器將此頻率切除，即可有效抑制嘯叫，保留原始話音信號特征。因此，設(shè)計了二階數(shù)字陷波濾波器，分析出現(xiàn)自激的頻率點，并在此頻率點將輸入信號進(jìn)行陷波處理，打破自激條件。假設(shè)需要陷波的頻率點為ω0，設(shè)計的濾波器幅度特性應(yīng)在ω=ω0處為0，在其他頻率范圍，幅度特性應(yīng)接近于某個常數(shù)，實現(xiàn)ω0處頻率的有效濾除。處理流程如下頁圖5 所示。

圖5 限幅陷波法實現(xiàn)流程圖

3 測試結(jié)果分析

基于MATLAB 對圖6（a）原始帶噪話音樣本進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)脈沖噪聲幅值在某個時間點幅值幅度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于正常值，經(jīng)限幅預(yù)處理環(huán)節(jié)處理后，高幅值信號被有效濾除，可以保證揚聲系統(tǒng)和放大器不被損壞，然后將預(yù)處理后的話音樣本采用陷波法進(jìn)行嘯叫抑制，圖6（b）和圖6（c）為引入限幅陷波法處理前后的對比仿真圖。

圖6 限幅陷波法處理前后話音樣本

實驗室實錄帶噪語音樣本仿真試驗結(jié)果表明，在具有大量噪聲及話音信號先驗知識的前提下，首先引入限幅預(yù)處理，可有效保證揚聲系統(tǒng)的穩(wěn)定性，然后使用陷波法對模擬訓(xùn)練艙窄小空間內(nèi)的采集信號陷除干擾信號，有效還原話音信號。實驗結(jié)果表明，陷波去噪具有較強的跟蹤能力和明顯的嘯叫抑制效果，能夠解決模擬訓(xùn)練系統(tǒng)通信設(shè)備中較常出現(xiàn)的人耳不適現(xiàn)象。

4 結(jié)論

針對模擬訓(xùn)練系統(tǒng)話音采集設(shè)備嘯叫問題，本文首先介紹了引起嘯叫的噪聲類型及噪聲建模，然后，結(jié)合模擬訓(xùn)練系統(tǒng)通信設(shè)備硬件要求，提出了適用于復(fù)雜訓(xùn)練環(huán)境噪聲背景下的噪聲及嘯叫抑制方法，具有較好的話音信號提取和嘯叫抑制性能。與常規(guī)方法相比，本方法克服了傳統(tǒng)濾波器組設(shè)計復(fù)雜、延時長且運算量較大等問題，利用該方法限幅后濾波的特性有效消噪，提高了窄小訓(xùn)練空間內(nèi)模擬通信系統(tǒng)的話音識別度，具有穩(wěn)定良好的人耳體驗性能。