抑制环境噪声的语音提取电路

摘要

本发明是一种抑制环境噪声的语音提取电路，作为各种通讯产品中高效率语音去噪处理单元使用。电路结构中包括音频信号采集电路，去噪放大电路，控制电路，关键设计中音频信号采集电路采用了独立单指向麦克风作为音频传感器，在音频信号采集电路与去噪放大电路和对去噪放大电路工作状态的控制电路之间增设了音频信号增益控制电路。从采集电路和音频增益控制电路引出的两路有固定差幅的音频信号送入去噪放大电路进行分时的去噪和放大交替处理。从音频信号增益控制电路引出具有固定差幅的音频信号分两路送入控制电路，通过放大、比较转换和逻辑处理提取状态控制信号送至去噪放大电路，实现对去噪放大电路的在线状态控制。

说明书

技术领域

本发明属于高质量语音通讯领域。是一种抑制环境噪声的语音提取电路，适用于各种环境噪声较强的场合作为高效率语音去噪处理单元使用。

背景技术

通讯在现代化社会中得到了飞速的发展，语言直接交流依然是现代通讯的主要方式。用语音信息来直接控制的电子设备也成为自动控制过程中选用的方案。所以高信噪比、准确的语音信息的传输已成为十分重要的科学技术手段。但应用时周围环境噪声是不可避免的，如何抑制环境噪声，使语音信息准确无干扰的传输已经成为十分重要的课题。即使是经过特殊设计的麦克风在环境噪声电平超过70dB时也十分不理想。为解决这个难题，声学专家借助计算机技术利用复杂的处理软件对混入环境噪声的语音进行分解、分类、识别、处理后将环境噪声去除，形成人工智能耳技术。虽然效果良好，但技术复杂、应用配套技术烦琐、成本高，目前并不适用于普通民用产品和广泛应用的移动通讯行业。

本发明人曾经设计过一种简易、有效的技术方案(见ZL031296888专利文献)，该文献中采取的在空间有一定距离放置的两个全指向麦克风作为该电路结构中的音频信号采集电路，通过采用具有浮动地的高共模抑制比的差分放大电路组成去噪放大电路，同时采用了提取有效的语音信息的控制电路来控制去噪放大电路，获得了明显的效果。虽然电路设计简单，在抑制各种复杂环境、包括多反射环境中的噪声干扰时，效果显著。该项设计结构简单、成本低廉、易于和各种语音传输电路配套、无须软件配套，因而具有极其广泛的应用前景。

但是作为两只性能指标完全相同的麦克风，在生产中是很难挑选的。特别是应用最多的驻极体麦克风。在具体的配套调试时，需要将其中一只麦克风的受音孔处，附贴一层声音阻尼层，并使该阻尼层对声音引起的延迟，以保证两只麦克风之间传输的时间相当。否则电路总体设计的各项指标很难达到理论值。造成批量产品中技术指标的离散性。另外，由于现有电路中音频信号的输出互有延迟，而且语音是一种具有多个倍频程的低频复合信号，相同的延迟在不同的频率上引起的相位差是不同的，而且是低频低、高频高。以语音能量集中的300HZ至3.4KHZ范围内，相位差就会相差十几倍。经过差分运算后，输出的语音信号幅度会相差100倍，甚至更多。

以上的分析证明实际的过程是大致相同的信号在进行的差分的“差”，会给语音的低频部分造成很大的衰减和失真。因此，电路输出语音信号的信噪比会变坏，特别表现在低频段。进一步的分析还会证明，该项专利设计还存在着语音控制信号提取过于粗糙导致语音控制信号不够准确，和无法适应语音信号幅度变化导致的明显信噪比降低和信号失真，都是有待于进一步改进的地方。

发明内容

本发明的目的是对现有电路结构做出的重要改进和重新设计以克服现有技术的缺陷，完成一种能抑制环境噪声的语音提取电和实现高保真度的语音放大电路设计，并适应与各种语音传输电路相匹配。

本发明的基本构思是结构中包括音频信号采集电路，包括高共模差分放大器在内的去噪放大电路，对去噪放大电路状态由有效语音信号进行调控的控制电路，关键的改进是音频信号采集电路采用了独立单指向麦克风作为音频传感器，在音频信号采集电路与去噪放大电路和对去噪放大电路工作状态的控制电路之间增设了音频信号增益控制电路，从音频信号采集电路中引出的信号经音频信号增益控制电路定量衰减处理后与原信号呈两路送入去噪放大电路分时进行去噪和放大的交替处理，在音频信号增益控制电路中将分别进行衰减处理后的音频信号分两路送入控制电路，通过放大、比较转换和逻辑处理提取语音状态控制信号送至去噪放大电路。

由于改用了一只单指向麦克风作为音频传感器，并加设了增益控制电路定量衰减处理后，所以输入去噪放大电路高共模差分放大器的两路音频信号就不再具有因延迟导致的相位差别，而且具有基本稳定的幅度差值，大大有利于精确提出有效语音控制信号，实现高质量的语音放大和噪声消除。从而是本发明在上述技术指标上产生质的突破。

下面结合所给出的附图说明中的结构框图和实施例电原理图，进一步说明本发明目的是如何实现的。

附图说明

图1是本发明的结构框图。

图2是音频信号采集电路的电原理图。

图3是信号增益控制电路(2)实施例的电原理图。

图4是控制电路(3)中的放大器(3A1、3B1)的实施例的电原理图。

图5是控制电路(3)中的脉冲转换器(3A2、3B2)的实施例的电原理图。

图6是控制电路(3)中的逻辑处理电路(3C)的实施例的电原理图。

图7是控制电路(3)中的脉宽设置电路(3D)的实施例的电原理图。

图8是控制电路(3)中的控制信号转换电路(3E)的实施例的电原理图。

图9是控制电路(3中的对增益控制触发电路(3F)的实施例的电原理图。

图10是高共模抑制比的差分放大电路(4A、4B)的实施例的电原理图。

图11是去噪放大电路(4)中相加器(4C)的实施例的电原理图。

图12是去噪放大电路(4)中反相器(4D)的实施例的电原理图。

附图1中的标号1代表音频信号采集电路，2代表信号增益控制电路，2A代表受控动态衰减电路，2B代表固定衰减电路，3代表控制电路，3A1、3B1代表放大系数、动态线性参数相同的放大器，3A2、3B2代表具有相同基准电压的脉冲转换器，3C代表逻辑处理电路，3D代表脉宽设置电路，3E代表控制信号转换电路，3F代表代表增益控制触发电路，3F1代表比较器，3F2代表脉冲发生器，4代表去噪放大电路，4A，、4B代表高共模抑制比的差分放大电路，4C代表相加器，4D代表工作状态转换电路，4E代表反相器。

附图2中M代表麦克风，R1-R26是电阻，C1-C5是电容，U1-U22代表集成电路芯片。SW1-SW3是电子开关。D1-D5代表二级管。

具体实施方式

参照附图可以清楚的看到该电路结构中包括音频信号采集电路1，去噪放大电路4，对去噪放大电路状态的控制电路3，关键的改进是音频信号采集电路1采用了独立单指向麦克风作为音频传感器，在音频信号采集电路1与去噪放大电路4和对去噪放大电路工作状态的控制电路3之间增设了音频信号增益控制电路2，从音频信号采集电路1引出的信号经音频信号增益控制电路2衰减处理后与原信号呈两路送入去噪放大电路4分时进行去噪和放大的交替处理，在音频信号增益控制电路2分别进行衰减处理后的音频信号分两路送入控制电路3，通过放大、比较转换和逻辑处理提取状态控制信号到去噪放大电路。

音频信号增益控制电路2是由受控动态衰减电路21和固定衰减电路22串连组成的二级衰减电路，从音频信号增益控制电路2中的固定衰减电路22输出端引出衰减处理后的音频信号送入送至去噪放大电路4，从受控动态衰减电路21和固定衰减电路22两输出端引出的差幅信号分别送入控制电路3的两个输入端，来自于控制电路3的控制触发信号接在受控动态衰减电路21的触发端。

控制电路3中包括两个音频信号放大器(3A1、3B1)和分别串连的两个脉冲转换器(3A2、3B2)，从音频信号增益控制电路2经二级衰减处理后引出的两路差幅信号分别送入两个音频信号放大器(3A1、3B1)的输入端，两个脉冲转换器(3A2、3B2)输出的脉冲信号送至逻辑处理电路3C，所提取的语音脉冲信号送至脉宽设置电路3D，通过脉宽设置电路3D的语音特征脉冲信号进入控制信号转换电路3E，由该电路输出的控制信号送入去噪放大电路4分时控制背景噪声的抑制和语音放大的交替处理，控制电路3中还设置有控制音频信号增益控制电路2工作状态的触发电路3F，该电路由比较器3F1和串连的脉冲发生器3F2组成，基准电压和从放大器3A引出的信号由比较器3F1输入端进入，控制信号从脉冲发生器3F2引至音频信号增益控制电路2的触发端。

去噪放大电路4中包括两个高共模抑制比的差分放大电路(4A、4B)，作为差分放大电路(4A、4B)比较放大用的两路信号，一路从音频信号采集电路1输出端互为反相引入差分放大电路(4A、4B)的一个输入端，另一路从音频信号增益控制电路2引出、在反相控制器4E的输入、输出端分别引出至差分放大电路(4A、4B)的对应的反相输入端，其中差分放大电路4B同时是受控于工作状态转换电路4D，控制信号从控制电路3的输出端引出接在反相控制器4E和工作状态转换电路4D的对应触发端，差分放大电路(4A、4B)的两个输出端与相加器4C的两个输入端相连，经去噪放大后的语音信号从相加器4C的输出端引出。

改进后的技术方案将电路分为了四个主要部分。首先是音频信号采集电路1，它是一只单指向麦克风组成的音频传感器。它是一个具备高的输入阻抗和低的输出阻抗的音频信号采集电路。从以上电路出来的音频信号分为两路，一路输入到去噪放大电路4，另一路接入音频信号增益控制电路2，处理为具有固定幅差的、但其他参数相同的两路信号进入控制电路3中的两个设计参数完全相同的放大器(3A1、3B1)。必须指出，这两路信号以及它们之间的幅度差是人为做出来的，但却是精确提取语音特征脉冲的关键。我们首先分析其流程。放大器(3A1，3B1)是参数设计完全相同的两个放大器。它们分别把所输入的两路信号以完全相等的倍数放大到一定电平，并线性保留两路信号输出入时形成的幅度差值。脉冲转换器(3A2，3B2)是设计完全相同两只比较器。其基准电压的选取，要小于从麦克风前面收到信号电平幅度，而大于从后面收到的信号电平幅度。另外，要求比较器有大的线性动态范围，以保证幅度变化变为脉宽变化的精度。单指向麦克风输出语音、噪声信号的差异，经过比较器进行脉冲转换时，语音信号转换的脉冲宽度会远远地大于噪声信号转换的宽度。考虑到声音的振幅时变和多频率混合性，这必须使输出的转换脉冲宽度的变化更大。但是，固定衰减量的设定，就能确立经过逻辑处理电路3C对这两路脉冲进行异或处理后，就可以得到想得知的固定脉宽。我们可根据这个已知脉宽，设计出脉宽设置电路3D中窗口的相关参数，准确地提取出受频率、幅度变化影响而使脉宽具有对应变化的语音特征脉冲，然后转换为控制信号从控制信号转换电路3E输出去控制去噪放大电路4的工作状态。

反相控制器4D是一个能在所提取的语音特征脉冲转换而成的控制信号的作用下，由同相转换为反相的放大器。在语音特征脉冲持续有效期间，放大器为反相工作状态。作为高共模抑制比的差分放大电路(4A、4B)输入信号的两路音频信号中的语音信号在它的各个频点，都可在差分放大器中获取两路最大的“和”输出。而在没有语音特征脉冲出现的静音区段，反相控制器4D处于同相放大状态，使两路噪声信号在差分放大器中获取两路最小的“差”输出。其中差分放大电路4B的工作状态是受控于工作状态转换电路4E的，它能在语音特征脉冲的控制其变为线性放大器，它状态变化之前各种参数和差分放大电路4A完全相同。所以，只要有语音特征脉冲，就会有语音信号从相加器4C输出。由于两个差分放大电路(4A，4B)的输入极性的互为反相，在没有语音信号的静音区段，它们输出的是两路幅度相等相位相反的信号，通过相加器方4C后输出一定为零。这就有效地保证了干扰噪声不会出现在静音区段。控制信号转换电路3E是一个可恢复的多谐振荡器，在语音特征脉冲驱动下，它可输出一定延迟高电平，然后再复原。延迟时间根据工作环境设定，它直接影响语音的持续时间，高电平延迟太小会使用权我们感到语音断续，太长又会影响到对噪声的处理精度。

附图2-附图12给出了具体的实施例电原理图。

音频信号采集电路1是一个单指向麦克风M和电阻R1组成的分压电路和运放U1搭成的射随器组成，音频信号经电容C1取出经射随器输出。

音频信号增益控制电路2结构中的受控动态衰减电路21是由运放U2和串连在运放U2输入端和接地点之间的电阻(R2，R3)搭成，电阻R2并联在电子开关SW1两端，电子开关SW1控制信号引自控制电路3，固定衰减电路22是由运放U3和串连在运放U3输入端和接地点之间的电阻(R4，R5)搭成，运放U2的输出端通过电阻R4连在运放U3的输入端组成的二级衰减电路。

控制电路3中所包括两个音频信号放大器(3A1、3B1)均是由运放U4和配套电容阻(R6，R7)搭成的放大电路，具有完全相同的放大系数和动态线性参数，所分别串连的两个脉冲转换器(3A2、3B2)均是由运放U5和基准电压设置元件(R8，D1)搭成的比较电路、二级管D2和电阻R9组成的限压电路和施密特触发器U6形成的脉冲整形电路依次串连而成，逻辑处理电路3C由异或门U7组成，脉宽设置电路3D是由四个两输入与非门(U8-U11)和多谐震荡器(U12-U13)及其配套阻容元件(R10、C2，R11、C3)搭接成的脉宽门限电路，由与非门(U11)引出的语音特征脉冲信号送至由反相器U14和多谐振荡器U15及其阻容元件(R12、C4)搭成的控制信号转换电路3E，所转换输出的互为反相的控制信号分为两路送至去噪放大电路4，触发电路3F中比较电路3F1是由运放U16和电阻R13和二级管D3组成的基准电压设置电路搭成的，脉冲发生器3F2是由多谐振荡器U17和阻容元件(R14、C5)搭接成的脉冲展宽电路，触发信号自多谐振荡器U15的输出端引出送至音频信号增益控制电路2的控制信号输入端。

去噪放大电路4中的两个高共模抑制比的差分放大电路(4A、4B)均是由三个运放(U18、U19、U20)和配套的电阻元件(R15-R21)所搭成的，两个差分放大电路(4A、4B)的输出端分别借助两个等值电阻(R22、R23)并联连接在由运放U21搭成的射随式相加器4C的输入端，反相控制器4E是由运放U22与配套电阻(R24、R25、R26)搭成的反相器和并联电子开关SW2组合而成，工作状态转换电路4D是一个并联在差分放大器4B后级运放U20输入、输出端的一个电子开关SW3，电子开关SW2和电子开关SW3的触发端连接在控制电路3的两个互为反相的触发信号输出端。

固定衰减电路22的衰减量不能过大，这样会使衰减后麦克风前面收到的信号，小于后面接收到的信号，使前面、后面收到的信号相混绕。当然也不能衰减过小，以至于生成的两路信号的幅度差过小，和模拟电路的器件受电压、温度、气压等环境条件的漂移所造成的误差相当，而造成电路的误判。在计算时会发现，两路信号幅度相差越小，语音输出越大而噪声输出越小。所以，固定衰减器22的衰减量应在模拟电路处理的最小精度1分贝，至通用单指向麦克风指向性10dB之间作出选择。

根据大量的实验数据总结音频信号增益控制电路2中的受控动态衰减电路21的衰减指标是4-10分贝，固定衰减电路22的衰减指标是2-5分贝。

本专利技术是用语音特征脉冲来控制语音的增强、噪声的降低以及对语音的提取，语音的最后输出含有非线性转换电路。简单、实用、显效的同时是，讲话者的语音、语调、距离，都有可能导致断续或失真。特别是讲话者离麦克风距离或音调强度发生变化时，引起信号语音转换脉冲宽度的变化是十分明显的。是现有技术中无法克服的困难。实际应用中，也不可能在要求讲话人的姿势和语气不发生变化。本发明中采用了信号幅度稳定方案，但非常用的自动增益技术，因为它会减小或消除单指向麦克风所收到的语音和噪声幅度差，并使本技术减小或丧失抑制噪声功能。由于距离或语音强度变化从时间的角度来看很慢，本发明采用闭环自动幅度衰减方案对本技术非常适宜。衰减的幅度决定于比较电路3F1中由电阻R13和二级管D3所决定的基准电压，参考值是所使用的电源电压的负2.5-3.5分贝。该电压值为我们设定了信号的额定输出幅度，当音频信号经放大器3A1输出达到这个幅度值时，通过比较器3F1和脉冲发生器3F2获得控制信号输出，去控制动态衰减器21的启开和关闭，达到信号幅度稳定的目的。

进一步说明的是在控制电路3结构中的两个脉冲转换器(3A2、3B2)均是由运放U5和基准电压设置元件(R8，D1)搭成的比较电路、二级管D2和电阻R9组成的限压电路和和施密特触发器U6形成的脉冲整形电路依次串连而成。其中基准电压设置元件(R8，D1)决定的基准电压是稳压电源电压的负12-14db。

下面的理论计算数据可以说明本发明具有显著的技术效果：

通用单指向麦克风指向性为：10db；固定衰减量为：3dB。将麦克风的输出信号幅度设为：1；经固定衰减器后的信号幅度为：0.707；语音信号经控制电路在有效语音信号出现时相加器4C的输出为：1.707；平均噪声信号经相加器4C的输出为：0.292。

单指向麦克风的抑制度可提高：20log1.707-20log0.292＝15db。

也就是说，用本专利技术做成的系统，对环境噪声的抑制度最低可做到25db。按照目前语音声学的传输理论，语音和噪声同时出现时，只要两者之间幅度存在着较大的差异，就会产生相互遮蔽，使人的听觉感觉不到噪声的明显影响。理论上的指标是只要保证语音能量大于噪声10db即可。本发明可以远远超过这一指标。