一种机载话音处理平台的制作方法

1.本发明属于机载话音处理技术领域，尤其涉及一种机载话音处理平台。


背景技术：

2.音响中心是机载航空电子系统的重要功能单元，它完成飞行员机内通话、机外通话、指挥引导、飞行状态告警等任务，对飞机的安全和指挥控制起着关键的作用。传统的音响中心采用模拟音频技术传输话音信号，由于模拟设备存在易受干扰、频带窄、可靠性差、体积重量大等缺点，已不再适用于有减重需求、电磁环境复杂的航空电子领域应用，因而数字音频处理技术应运而生。
3.数字音频技术是将模拟声音信号转换为数字信号，通过现代数字处理方法处理、传输话音，数字音频系统具有抗干扰性强、设备体积小、重量轻，音频信号质量好等特点。
4.针对航空机载环境下通话噪声大、时延要求小，实时性要求高等需求，亟需一种适用于机载环境的数字音频处理系统。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于：为了克服现有技术问题，公开了一种机载话音处理平台，解决了机载环境下飞行员通话强噪声干扰问题。
6.本发明目的通过下述技术方案来实现：一种机载话音处理平台，所述机载话音处理平台包括模拟音频处理单元和数字音频处理单元；所述模拟音频处理单元用于实现飞行员麦克风输出的模拟音频信号的采集与转换，并将转换为的数字话音信号输入数字音频处理单元；所述数字音频处理单元至少包括自适应噪声抑制模块和自动增益控制模块；所述自适应噪声抑制模块采用频谱相减噪声抑制算法完成数字话音信号的噪声抑制；所述自动增益控制模块采用自适应话音增强算法对完成噪声抑制处理的数字话音信号进行语音增强，并将完成语音增强的信号送入飞行员座舱。
7.根据一个优选的实施方式，所述频谱相减噪声抑制算法基于噪声的统计平稳性以及加性噪声与听者不相关的特性，通过无语音间隙计算得到的噪声频谱的估计值代替有语音期间噪声的频谱，再与含噪声的语音频谱相减，得到纯语音频谱的估计值，从而达到去除噪声的目的。
8.根据一个优选的实施方式，所述频谱相减噪声抑制算法表示为：假设带噪语音信号模型为：式1其中，y(t)是带噪语音，s(t)是纯净语音，n(t)是噪声，对式1进行傅立叶变换得到：式2其中，为傅里叶变换后带噪语音值，为傅里叶变换后纯净语音值，
为傅里叶变换后噪声值，忽略噪声和纯净语音之间的相位差别，在噪声和纯净语音相互独立不相关的条件下，近似得到式3利用人耳对语音相位不敏感，通过式3从带噪话音幅度谱中减去噪声幅度谱，得到原始话音的幅度谱：式4其中为无音时噪声谱的统计平均值，为带噪话音谱，为噪声谱，为纯净语音谱。
9.根据一个优选的实施方式，所述自适应话音增强算法为：两路麦克风输入的信号分别为主通道和参考通道，其中主通道信号为，为主通道傅里叶变换后带噪语音值，为主通道傅里叶变换后纯净语音值，为主通道傅里叶变换后噪声值，参考通道输入信号为环境噪声信号，其中与不相关，即对所有时刻t，都有，其中，表示括号内的期望值，为t时刻主通道傅里叶变换后噪声值；主通道的噪声信号存在相关形式，即：式5其中，表示t时刻环境噪声信号，噪声信号经过自适应滤波器滤波：式6其输出用于抵消主要通道输入中的噪声部分，误差信号为：式7e(k)用于调整自适应滤波器的权值系数，为的导数，并利用lms算法求出滤波器的冲激响应，使得参考通道的噪声逼近主通道的噪声，从而最终将噪声抵消。
10.根据一个优选的实施方式，权值系数的自适应调整采用归一化的lms算法：其中为算法的收敛因子，为的转秩。
11.根据一个优选的实施方式，所述数字音频处理单元还包括混音处理模块和自适应回升抵消模块；所述混音模块将接收的模拟音频处理单元输入的数字话音信号与自适应回升抵消模块输入的经远端发射馈入的数字音频信号进行混音，完成消除回声干扰抑制啸叫处理。
12.根据一个优选的实施方式，所述数字音频处理单元还包括话音端点检测模块、舒
适白噪声产生模块和加权混音模块；经混音处理模块处理后的信号送话音端点检测模块，进行有无话音判决；当发现有话音时，将话音信号依次送入自适应噪声抑制模块、自动增益控制模块进行噪声抑制和话音增强等处理；当发现无噪声时，送入舒适白噪声产生模块生成背景噪声，在输出端白噪声和经话音增强处理后的话音信号经加权混音模块进行混音加权处理。
13.根据一个优选的实施方式，所述数字音频处理单元还包括da转换模块和输出音频接口模块；经加权混音模块处理后的信号经da转换模块进行数据转换，并将转化后的信号数据经输出音频接口模块输入飞行员座舱。
14.根据一个优选的实施方式，所述数字音频处理单元由zynq架构处理器实现，其中，zynq-ps部分完成数字音频算法的处理，包括：话音端点检测算法，自适应噪声抑制算法、自动增益控制算法；zynq-pl部分完成音频信号ad串并转换，采样率的切换和配置，音频通路切换和选通。
15.前述本发明主方案及其各进一步选择方案可以自由组合以形成多个方案，均为本发明可采用并要求保护的方案。本领域技术人员在了解本发明方案后根据现有技术和公知常识可明了有多种组合，均为本发明所要保护的技术方案，在此不做穷举。
16.本发明的有益效果：本发明机载话音处理平台对飞行员话音信号进行采集、量化，将模拟音频信号转换为数字音频信号，再运用数字信号处理算法对数字化后的话音信号进行噪声抑制、语音增强等处理，有效地提高了通话的可听可懂度，同时也较小了话音延迟。解决了机载环境下飞行员通话强噪声干扰问题。
附图说明
17.图1是本发明机载话音处理平台结构示意图；图2是本发明机载话音处理平台中幅度谱相减原理框图；图3是本发明机载话音处理平台中自适应话音增强原理框图；图4是本发明机载话音处理平台硬件架构示意图；图5是本发明机载话音处理平台硬件架构中模拟音频输入接口电路示意图；图6是本发明机载话音处理平台硬件架构中模拟音频输出接口电路示意图；图7是本发明机载话音处理平台硬件架构中ad/da电路图；图8是本发明机载话音处理平台硬件架构中zynq-ps电路框图；图9是本发明机载话音处理平台音频处理算法流程图；图10是算法仿真过程中语音vad判断结果(能量判决，snr=20db)示意图；图11(a)是算法仿真过程中信噪比为0db下的噪声抑制效果图；图11(b)是算法仿真过程中信噪比为10db下的噪声抑制效果图；图12是算法仿真过程中agc输出语音信号示意图；图13是试验验证过程中数字话音处理效果对比图。
具体实施方式
18.以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书
所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
19.在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。另外，本发明要指出的是，本发明中，如未特别写出具体涉及的结构、连接关系、位置关系、动力来源关系等，则本发明涉及的结构、连接关系、位置关系、动力来源关系等均为本领域技术人员在现有技术的基础上，可以不经过创造性劳动可以得知的。
20.参考图1所示，图中示出了一种机载话音处理平台，解决了机载环境下飞行员通话强噪声干扰问题。所述机载话音处理平台包括模拟音频处理单元和数字音频处理单元。
21.优选地，所述模拟音频处理单元用于实现飞行员麦克风输出的模拟音频信号的采集与转换，并将转换为的数字话音信号输入数字音频处理单元。
22.优选地，所述数字音频处理单元至少包括混音处理模块、自适应回声抵消模块、话音端点检测模块、自适应噪声抑制模块、自动增益控制模块、舒适白噪声差生模块、加权混音模块、da转换模块和输出音频接口模块。具体地，所述数字音频处理单元由zynq架构处理器实现，其中，zynq-ps部分完成数字音频算法的处理，包括：话音端点检测算法，自适应噪声抑制算法、自动增益控制算法；zynq-pl部分完成音频信号ad串并转换，采样率的切换和配置，音频通路切换和选通。
23.优选地，混音模块将接收的模拟音频处理单元输入的数字话音信号与自适应回升抵消模块输入的经远端发射馈入的数字音频信号进行混音，完成消除回声干扰抑制啸叫处理。
24.优选地，经混音处理模块处理后的信号送话音端点检测模块，进行有无话音判决。当发现有话音时，将话音信号依次送入自适应噪声抑制模块、自动增益控制模块进行噪声抑制和话音增强等处理。当发现无噪声时，送入舒适白噪声产生模块生成背景噪声，在输出端白噪声和经话音增强处理后的话音信号经加权混音模块进行混音加权处理。
25.具体地，所述自适应噪声抑制模块采用频谱相减噪声抑制算法完成数字话音信号的噪声抑制；所述自动增益控制模块采用自适应话音增强算法对完成噪声抑制处理的数字话音信号进行语音增强，并将完成语音增强的信号送入飞行员座舱。
26.进一步地，经加权混音模块处理后的信号经da转换模块进行数据转换，并将转化后的信号数据经输出音频接口模块输入飞行员座舱。
27.优选地，所述频谱相减噪声抑制算法基于噪声的统计平稳性以及加性噪声与听者不相关的特性，通过无语音间隙计算得到的噪声频谱的估计值代替有语音期间噪声的频谱，再与含噪声的语音频谱相减，得到纯语音频谱的估计值，从而达到去除噪声的目的。
28.进一步地，参考图2所示，所述频谱相减噪声抑制算法表示为：假设带噪语音信号模型为：式1其中，y(t)是带噪语音，s(t)是纯净语音，n(t)是噪声，对式1进行傅立叶变换得到：式2忽略噪声和纯净语音之间的相位差别，在噪声和纯净语音相互独立不相关的条件下，近似得到式3利用人耳对语音相位不敏感，通过式3从带噪话音幅度谱中减去噪声幅度谱，得到原始话音的幅度谱：式4其中为无音时噪声谱的统计平均值，为带噪话音谱，为噪声谱。
29.优选地，参考图3所示，所述自适应话音增强算法为：两路麦克风输入的信号分别为主通道和参考通道，其中主通道信号为，参考通道输入信号为环境噪声信号，其中与不相关，即对所有时刻t，都有；主通道的噪声信号存在相关形式，即：式5噪声信号经过自适应滤波器滤波：式6其输出用于抵消主要通道输入中的噪声部分，误差信号为：式7e(k)用于调整自适应滤波器的权值系数，并利用lms算法求出滤波器的冲激响应，使得参考通道的噪声逼近主通道的噪声，从而最终将噪声抵消。
30.进一步地，权值系数的自适应调整采用归一化的lms算法：其中，为算法的收敛因子。
31.本发明机载话音处理平台对飞行员话音信号进行采集、量化，将模拟音频信号转换为数字音频信号，再运用数字信号处理算法对数字化后的话音信号进行噪声抑制、语音增强等处理，有效地提高了通话的可听可懂度，同时也较小了话音延迟。解决了机载环境下飞行员通话强噪声干扰问题。
32.具体应用案例一种机载话音处理平台，其硬件架构设计包括模拟音频电路（模拟音频处理单元）、数字音频电路（数字音频处理单元）两部分，如图4所示。
33.模拟音频电路部分由模拟音频输入接口电路、ad采样模块组成，完成输入模拟音频信号的阻抗匹配、信号采集、滤波和预放大，并将处理后模拟音频信号送ad采样模块进行模数转换，转换后的数字信号送入数字音频电路部分。模拟音频输出部分由da转换模块、模拟音频输出接口电路组成，完成输出端白噪声和处理后的话音信号进行混音、加权等处理，输出处理后的数字话音信号经过输出音频接口模块进行da、放大等处理，驱动耳机、扩声器等音频设备。
34.具体地，参考图5所示，模拟音频输入接口电路完成模拟话音信号采集，设计rc低通滤波器（截止频率设置为10k），用于滤除音频信号中的杂波干扰。参考图6所示，模拟音频输出接口电路完成模拟话音的放大匹配输出，通过高通滤波器、低通滤波器叠加产生带通滤波效果，有效滤除信号噪声，经滤波后的信号进过负反馈放大器进行放大、隔直后驱动耳机等设备。
35.模拟音频电路中ad/da电路完成模数、数模信号转换功能，如图7所示，采用ti公司的tlv320aic23b作为ad/da转换芯片，它是一款高性能的音频编解码器，芯片内部集成ad/da电路，由于该芯片是3.3v供电，单端输入采样，前端设计匹配电路完成信号匹配和差分单端转换；转换后的单端信号送入ad芯片进行ad转换；da电路为ad的逆过程。
36.数字音频电路采用复旦微公司fmql架构（即国产zynq架构）的处理器fmql45t900-as作为主控芯片。fmql架构将内部结构分为处理器系统ps与可编程逻辑pl两部分。ps内包含32位四核高性能处理器，每个处理器有一个高性能、低功耗内核，单核算力达1.9dmips/mhz，独立拥有32k的l1级cache和256k的l2级cache，ps部分可外接ddr3,spi-flash等存储器，完成程序的固化和加载。pl部分为可编程逻辑处理单元，提供350k的逻辑资源，19.2mb的块ram，900个dsp处理器资源，16对gtx高速接口；pl与ps间通过axi总线进行通信，按照标准axi协议，数据位宽支持32bit或者64bit，主端口容量为：8个read,8个write。
37.ps处理器端完成数字音频算法的处理，如话音端点检测算法，自适应噪声抑制算法、自动增益控制算法。可编程逻辑pl部分完成音频信号ad串并转换，采样率的切换和配置，音频通路切换和选通等功能。
38.参考图8所示，zynq-ps部分作为数字音频电路的处理核心，利用其强大的浮点处理能力和计算能力，完成数字音频处理算法的实现，采用复旦微公司的高性能fmql架构处理器fmql45t900-as作为主控芯片，zynq-ps最小系统包括时钟单元、供电单元、复位逻辑和外扩的sdram存储器和flash存储器，其中内存0基地址分配给flash存储器，用于存储固化程序以及音频告警等掉电不丢失数据；内存1基地址分配给ddr存储器，用于暂存程序代码和其它运行数据；内存2基地址分配给zynq-pl部分，用于对fpga数据读写寻址；zynq-pl功能单元由时钟、配置单元和fpga逻辑组成，时钟为zynq-pl工作提供时钟源，配置单元存储掉电不丢失的fpga固化代码，上电时完成zynq-pl配置加载，zynq-pl加载完成后输出时钟、复位信号完成zynq-ps初始化配置；zynq-ps与zynq-pl间通过axi总线接口通信，完成ad数据的缓存、组帧、串并转换，并以中断方式通知zynq-ps取数。
39.音频处理算法流程图如图9所示，zynq上电后运行初始化程序，完成ad芯片、
flash、ddr等硬件资源的初始化配置，同时设置中断函数实时监测是否有zynq-pl的缓存中断，当监测到有中断到来时调用中断响应函数，读取fifo内音频数据，每次中断函数读取8ms话音数据，为了满足音频准平稳信号特性，需将本次8ms采集到的信号与前两次(16ms)采集的信号进行组帧，构成24ms音频数据，组帧后的语音信号是短时平稳信号，对组帧后的数据进行加窗，窗函数选择hanmming窗，将连续的语音信号转换成分段信号便于后端数字处理。
40.加窗调制后的信号送入话音活动检测模块，若检测到无话音活动送入舒适噪声生成模块重构背景噪声，噪声生成模块采用随机白噪声产生算法生成舒适白噪声，以填补话音信号中无音段。若检测到有话音活动送入自适应噪声抑制模块进行降噪处理，经噪声抑制模块去噪后的信号送入自动增益控制模块，该模块的作用是压缩信号的动态范围和平滑背景噪声，经上述流程处理后的的音频信号送入音频输出模块，对数字音频进行da变换、放大和匹配后输出模拟音频信号，驱动耳机、话筒等音响设备。
41.仿真验证为了验证各算法模块的性能，选取不同信噪比条件下，由随机白噪声与纯净的语音叠加的带噪信号作为输入激励测试文件，送入各算法模块。通过pc机上运行软件实时监控各算法模块的运行状态，将运算结果导入matlab软件进行分析，仿真结果如下：1）话音端点检测模块选取一段信噪比为20db飞行员语音信号送入话音端点检测模块进行话音端点检测，判决结果如图10所示，带噪话音信号经过该模块处理后，有音段和无音段能够被准确识别出来。经大量话音文件测试，该模块在信噪比大于5db时，识别率可达到98%，具有较高的准确性。
42.2）自适应噪声抑制模块选取2段不同信噪比（0db、10db）的带噪的话音信号，送入自适应噪声抑制模块进行噪声抑制，结果如图11所示。该模块能够很好的抑制环境噪声，提高话音信号信噪比。特别是在信噪比较低的时，噪声抑制的效果可达9db以上。
43.3）自动增益控制模块对经过噪声抑制后的话音信号，进行自动增益控制，仿真结果如图12所示。原始飞行员话音信号为有音段能量不同的三段信号，经agc处理后输出信号有音段能量被增强，噪声段的能量被有效抑制，仿真结果表明该模块能精确的控制增益衰减及步进，达到了压缩信号的动态范围和平滑背景噪声的目的，提高飞行员通话的舒适性。
44.试验验证为了验证数字音频处理系统的功能和性能，在外场机载环境下录制了一段飞行员的通话语音信号，信噪比为10db。将该信号作为音源的输入测试激励，话音信号处理前与处理后的结果如图13所示。
45.图13(a)为信噪比为10db的输入带噪话音段，经本系统处理后输出的音频信号如图 13(b)所示，从图中可看出输入信号为带有强噪音的机载话音信号，经过处理后有音无音段被准确的识别出来，噪声信号被有效抑制，话音被明显增强。
46.为了进一步评价话音信号质量，采用主客观评价相结合的方法，主观评价采用itu组织在itu-t p.800和p.830建议书中制定的测试标准：mos(mean opinion score)评分测
试；客观评价采用itu组织推荐的语音传输质量测试标准p.862-pesq算法，选用基于pesq算法开发的商用话音质量测试仪进行测试。
47.本实施例选取10位受试者对不同信噪比的话音进行主观mos评分，取所有受试者评分的平均值作为最终mos得分，同时选用通用话音质量测试仪对话音进行评分，两者的结果填入表1中。
48.表1 话音质量评价表其中，，为第i为受试者对测试话音的评分；平均分=（mos评分+测试仪评分）/2。
49.从表1可看出，对比4种不同信噪比条件下话音信号，处理前评分较低，话音质量较差。处理后评分有明显提高，评分结果较处理前提高约1.5分左右。特别是在10db/20db高信噪比条件下，话音信号质量改善的程度更加显著。另外通过多人主观测试反馈，处理前话音信号夹杂有强环境噪声，音量强度忽强忽弱，可听度差，处理后输出的话音信号噪声明显减弱，话音平稳可听度好，试验结果表明该系统能够有效抑制噪声并改善话音质量，取得了较好的话音增强效果。
50.本发明机载话音处理平台由模拟音频部分和数字音频部分组成。其中模拟音频部分完成模拟音频小信号的匹配、滤波、放大和ad/da转换；数字音频部分由zynq-ps和zynq-pl功能电路组成，利用zynq-pl的优越的并行处理能力和zynq-ps强大的算法处理功能，实现了话音活动检测vad算法、自适应噪声抑制算法、自动增益控制算法的嵌入式平台移植，最后通过仿真和实物平台验证，该系统能够有效抑制机载环境下通话的噪声，提高话音信号的信噪比，改善飞行员通话的可听可懂度和舒适度，该系统可推广应用于航天、船舶、车载等领域的通信系统，具有广阔的应用前景。
51.以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。