语音环境噪声自适应抑制电路的制作方法

本发明属于一种通讯技术的改进，更确切地说是高保真语音传输系统中的环境噪声抑制模块的改进设计。

背景技术：

众所周知，语音信息传输是人际交流、通信联络、智能控制的常用技术手段；语音的信噪比是语音及其环境干扰噪声大小相互影响所决定的通讯质量的关键技术指标。有效地提升语音的信噪比对提升语音音节的清晰度、语意的理解力及智能平台对同音词的分辨率极其重要作用。如果设计一种接在麦克风后面的、简洁、高效的语音环境噪声自适应抑制的专用电路，就能把混入麦克风语音中的噪声信号，进行自适应地抑制。尽而有效地提升语音传输电路的信噪比。这种技术、专利或由它派生的“芯片”无疑是信息产业非常需要的。它可以促使通信、语音识别控制的人工智能产品产生“跨代”的飞跃。

现代技术认为有效语音的能量都集中在300hz至3400hz的频率范围内。语音环境噪声自适应抑制电路的声音采集麦克风,应以采集语音信号为主.麦克风距离语音声源的位置,决定了麦克风所采集的语音信号是语音的”近场”或是”远场”信号。“近场”语音信号是距离语音声源较近的“直射能量波”，而“远场”语音信号是距离语音声源较远的“直射和反射的叠加能量波”。而混入语音信号内的环境噪声，是多个噪声源叠加在一起的能量波。相对采集语音信号的麦克风，无论它处于语音声源的“近场”或是“远场”位置，但都处于环境噪声多声源的“远场”位置。根据声波和传输特性，通常把距离声源50cm以内的球面空间定义为声音“近场”，而超过50cm以外的球面空间定义为声音“远场”。

如果语音中混入较强的环境干扰噪声，不论是人耳收听或用人工耳进行智能语音识别，噪声的干扰会令人心烦意乱；人工耳会频繁出现“识别误码”。环境噪声的干扰，一般出现在两个层面：第一是语音持续期间噪声持续出现；第二是语音间歇期间，噪声持续出现。显然，抑制这两个层面出现的噪声干扰都非常重要或者说“缺一不可”。经过实验认证，语音持续期间，环境噪声持续时，语音能量需高于噪声能量6db，在语音间歇噪声持续时，断续前后的语音能量要高于环境噪声能量14db才会不影响到人耳、智能设备对语音的收听和识别。

现有技术中是借助语音传感器，通常采用麦克风，将采集语音信息转换成脉动电流信号引进电路模块、进行降噪、语音增益放大处理。所采用的主要技术手段包括采用骨导式语音传感器直接阻击噪音波的混入、借助300-3400赫兹带通滤波器过滤去除音频段外的噪音信号滤除、使用单指向麦克风的阵列与音频电流移相叠加的差分放大的结合直接提高信噪比、直至借助专用计算机与配套软件将混入环境噪声的音频信号通过傅里叶变换和频谱分析，筛选出语音的标志谱线、再通过数模转换还原成语音信息，从而获得纯净的语音信号。以上的技术手段虽然有不同程度的积极效果，但存在着明显的缺陷。前者技术手段简单易行，但噪声抑制率不高。后者技术实施复杂、产品成本高、信噪比虽有明显提升、语音失真度明显形成了智能化语音控制的最大障碍。特别是环境噪声随机变化时处理电路不能随机调整而形成的自激震荡给具体应用形成难点。

技术实现要素：

本发明的目的是提出一个对混入环境干扰噪声的语音“近场”或“远场”信号都可以进行自适应抑制的电路。借助于电路内部的前置放大器的放大量预设置及受控于语音峰值信号随机变化的自适应衰减器的衰减量变化，实现对语音混入的环境干扰噪声进行抑制和化解。

本发明采用了以下技术手段来实现发明目的：

所设计的语音环境噪声自适应抑制电路，包括语音采集电路a、前置放大电路b、噪声衰减电路e、语音平衡输出接口电路f依次串联组成，其关键在于上述噪声衰减电路e的结构中包括随机衰减电路e1、语音脉动直流提取电路e2、衰减门调控信号提取电路e3，组成自适应式的噪声衰减电路e。

该发明中语音采集电路是用麦克风将采集到的语音信号借助语音采集电路a转换为电平信号，并将混入的噪声信号一起借助配套的放大电路进一步处理的同时滤除共模干扰噪声信号。再送至到前置放大电路b与最远的“近场”噪声及最低的环境噪声进行预处理。经预处理的信号传送到本发明的关键设计--自适应衰减电路e。该电路结构中包括有语音脉动直流提取电路e2和衰减门调控信号提取电路e3相串联形成对远、近场噪声总调控制信号，该信号送至随机衰减电路e1中实现随机的环境噪声抑制。

本发明的显著效果还在于设置了利用“语音的遮蔽”效应配套的前置放大电路b，用来遮避近场干扰噪声信号，使具有一定范围的、可控增益的放大效果。遮蔽效应指发话人环境噪声场能变大的同时，发话人主动提高语音强度的本能反应。因此，在该电路之后配套了语音脉动直流提取电路e2和衰减门调控信号提取电路e3相串联形成的控制信号电路。所输出的调控信号送至随机控制随机衰减电路e1中的场效应管控制栅极，产生随机性调控的抑制噪音效果。

语音平衡输出电路f是本发明配套设计的输出接口电路，使得本发明形成一个完整的产品电路设计方案。更具有广泛应用前景和开发价值。

附图说明

附图1语音环境噪声自适应抑制电路功能逻辑框图

附图2语音采集电路a电原理图

附图3可在线调控的前置放大电路b电原理图

附图4随机衰减电路e1电原理图

附图5语音脉动直流提取电路e2电原理图

附图6衰减门调控信号提取电路e3电原理图

附图7语音平衡输出电路f电原理图

在附图中：a是语音采集电路、b是前置放大电路、e是噪声衰减电路、f是语音平衡输出接口电路、e1是随机衰减电路、e2是语音脉动直流提取电路、e3衰减门调控信号提取电路、b1是可控增益同相放大器，b2是可变电阻电路、b3是译码器电路。

具体实施方式

下面结合附图给出的实施例电路进一步阐述本发明目的是如何实现的。

前述的前置放大电路b是一个可控增益同相放大器b1,借助译码器电路b3接收调控数码指令、来设定矩阵式可变电阻电路b2的阻值。

上述的前置放大电路是一个设置有可控变电阻器的放大电路，由运放u1a与配套的电阻（r43～rn）、配套的开关管(q2～qn)对应串、并联形成的可控变阻值的矩阵电路，开关管(q2～qn)的基极借助译码器b3电路引入调控指令实现在线对同相放大器电阻的调控。

运放u5a、u5b、u4a组成了平衡输入、单端输出的差分驱动电路。电阻r5、r4、r7构成了两个固定增益的前极增益放大器。r1、r2为麦克风的负载电阻，r3、r6为u5a、u5b提供了单电源供电的偏置电压。c1、c2是耦合电容，c3、c4是电源滤波电容。r8、r9、r10、r11构成了运放u4a差分电路的两路差分信号匹配电阻。因为麦克风是单电源供电，所以麦克风输出信号峰峰值电平在正电源和地之间作动态变化，波形的中心直流电平为vcc/2，声音信号分别通过r1、r2的负载电阻分别通过c1、c2将幅度相等，相位相反的两路信号耦合到u5a、u5b两路结构完全相同的平衡同相放大器中，经放大处理后再分别以r8、r9及r10、r11进行6db衰减，分别耦合进u4a差分放大器的正/负输入端进行差分放大。由于两路信号相位相反，因此在u4a的输出端的信号波形峰峰值是两路信号叠加的。而通过麦克风传输线、电源线及公共地线耦合到u5a、u5b、u4a输入端的低频“共模干扰信号”由于其峰峰值相等而相位相反，都会被有效地抑制消除。

上述的前置放大电路b是一个设置有可控变电阻器的放大电路，由运放u1a与配套的电阻（r43～rn）、配套的开关管(q2～qn)对应串、并联形成的可控变阻值电路b2，开关管(q2～qn)的基极借助译码器b3从接口电路引入数码指令实现在线对同相放大器电阻的调控。

运放u1a构建成可控增益单电源供电的同相放大器。r12为其提供工作偏置电压。r43以及由配套电子开关控制通/断的r44、r45、…、rn相并联组成矩阵，再和r13串联之后和r14组成同相放大器的可控式电阻器。借助q2、q3、…、qn开关管的通/断可实现从6db-20db步进2db的增益变化。此前置放大器无论是语音的“近场”应用或是“远场”应用，都方便通过数码指令或通过远场“智能平台”的动态指令进行增益设定。

本发明最关键的改进在于随机衰减电路e1，随机衰减电路e1结构中包括3运放(u1b、u2b、u2a）与外围的阻容原件（r11～r22,c8～c11）以及场效应管q1搭接为可调控的随机衰减电路，调控电平信号由衰减门调控信号提取电路e3的输出端口借助电阻r16引进。

随机衰减电路e1中的电阻r15和场效应管q1的漏、源两极的内阻组成了一节l型电阻衰减器。由于场效应管是单极性器件，在做可控变电阻时，不用区分源、漏两极，只需把其中一极通过固定电阻接入前置放大器的输出端口，另一极接到直流电压和前置放大器输出端口相等的公共地线上，即可构成可衰减变化的输出电阻。所以电原理图中场效应管q1的源、漏中的一极和u2b运放构建的射随输出7脚相接，就是根据场效应管的源、漏极做可控变电阻的特性来设计的。u2b的7脚静态直流电平为1/2vcc电压，但1/2vcc、vcc以及公共地线对交流信号来讲都是连接在一起的公共地线，通过滤波电容短接，另外输入的语音信号通过特殊设计的调控信号提取电路，将语音电平信号中的强、弱变化提取出的语音动态变化的直流脉动电平，包括再和场效应管源、漏极间起始控变的“门电平”叠加后形成的总控制电平，都是“直流电平”，这个电平加在场效应管的栅极上，而源极和漏极所接入电路的位置只有在没有信号输入时，才能保持1/2vcc直流电平，一旦衰减器的输入端有信号输入/输出时，漏、源两极的动态直流电平即为1/2vcc和动态信号峰值电平的代数和，这一受输入/输出信号动态峰峰值幅度干扰势必造成自适应衰减器的严重非线性失真。所以为了抵消掉输入/输出信号峰峰值动态变化给场效应管控变直流脉动电平造成的干扰，设计了由运放u2a构建的固定增益放大器，这个放大器可把加在源、漏极上的信号放大6db，峰峰值放大一倍，其输出1脚分别通过r17、r16组成的6db衰减器叠加在场效应管的栅极上；通过r18、r19组成的衰减器输入到u2b射随的正输入端上，其结果会在衰减器有信号输入/输出动态工作时，在场效应管源、漏、栅三极上都会出现相位及峰峰值完全相同的信号；从衰减门调控信号提取电路e3电路端加到场效应管栅极的控制直流脉动电平，会完全抵消掉衰减器输入/输出信号对其干扰影响从而获得理想的语音质量效果。

以上设计中的语音脉动直流提取电路e2结构中包括运放u3b与外围的阻容原件（r33～r40,c23～c24）以及二极管d1搭接组成的反相放大器电路，从前置放大器输入的信号经电路提取语音信号由输出端送至衰减门调控信号提取电路e3的输入端。

语音脉动直流提取电路e2结构中运放u3b组成了反相放大器。c23是耦合电容，将从前置放大器放大引进的信号进行放大处理。电阻r35是运放的工作点偏置电阻。r34、r36为改变其放大量的比例电阻，放大量的大小关系到信号幅度变强时，控制自适应衰减器的衰减线性变化“斜率”，可根据实际技术指标要求进行设计，d1肖特基二极管可把信号波形从中心1/2vcc电压转变负向的直流脉动电压，信号强度越强时，所提取的负向直流脉动电压越强，使衰减器的衰减量变小，输出变大。电容c24和电阻r37影响其负直流脉动的充电时间常数。电容c24和电阻r38、w1、r39、r40则影响负直流脉动信号的放电时间常数。这两个时间常数都以“音节”的时长相关。无论对语音信号进行模拟处理或数字处理，每个音节的时长通常取时为16ms左右。控制直流脉动电压的充电常数要小于1/3个音节，而放电时间常数要在2-3个音节之间。

衰减门调控信号提取电路e3的结构中包括运放u3a与外围从接口阻容原件（r41～r42,c25～c26）搭接组成的直流放大器电路，从语音脉动直流提取电路e2输入的信号经电路提取语音信号由输出端送至随机衰减电路e1中场效应管q1的栅极。

运放u3a设计为一个直流放大器，其输出1脚的直流电平可在vcc和地之间进行调整，电阻r41、r42的量值和比例关系，是根据其直流放大量的要求来设定的。直流放大量越大，启动后其直流变化“斜率”越大。控制灵敏度越高。小的语音变化斜率会引起衰减器大的斜率变化。u3a的1脚的直流电平设定是根据语音“近场”的最远距离要求和电路对最低环境噪声抑制度要求综合考虑来设定的。通过u3b组成了反相放大器引进的语音信号脉动直流电平和“启动门电平”叠加起来形成控变自适应衰减器的源极、漏极之间的控制信号，以实现自适应增益的调控。

语音平衡输出电路f是本发明的最后一个功能模块电路。结构中包括围绕着运放u1b和外围阻容元件（r20,c8,c11）组成的射随器电路，和围绕运放（u6a、u6b）和外围阻容元件（r23～r31，c12～c15）组成的相位相反的、峰值相等的两路平衡输出电路，经随机衰减电路e1输出端引入的抑噪语音信号经语音平衡输出电路f处理后分两路接口j1、j2输出。

经净噪处理后的语音信号，通过射随电路进行低阻阻抗变换，分别驱动由u6a组成的反相1︰1放大器和u6b组成的同相固定增益放大器就进一步处理。在这两个放大器的输入端分别以1︰1和1︰0.5信号输入，以实现u6a/u6b共同输出两路相位相反，峰峰值相等的平衡输出信号。当然，u6a及u6b每路输出和地线之间组成了单路输出。