手机音频设计中的噪声控制技术

□ 耿 丽 李俄收 陈 皓

一、数字滤波器的降噪处理

随着用户体验需求的不断提高，越来越多的手机要求对通话双方的环境/背景噪声进行抑制，并提出了具体的指标要求。但是，大多数场景中的环境噪声都是随机信号，其幅度、频率、出现时间、持续时间等参数都是不固定的，模拟滤波器根本无法实现噪声抑制，只能采用数字滤波器。

(一)数字滤波的定义。所谓数字滤波就是用数字设备，通过一定的算法，对信号进行处理，将某个频段的信号进行滤除，得到新的信号的这一过程叫做数字滤波。

(二)数字滤波性能。数字滤波具有高精度、高可靠性、可程控改变特性或复用、便于集成等优点。数字滤波在语言信号处理、图像信号处理以及其他应用领域都得到了广泛应用。如图1所示。

图1

简单而言，噪声抑制相当于将含噪信号输入到滤波器进行处理，使得输出信号的信噪比得到提高。那么，真实的情况到底如何?

假定输入过程x(n)=d(n)+v(n)，其中d(n)是AR(1)过程，其自相关序列为rd(k)=a|k|，0≦ a≦1，噪声v(n)是与d(n)不相关的单位白噪。将x(n)通过一个2阶的FIR滤波器h(n)，输出过程为y(n)。那么得到的结果为:

SNRx=1 λmin=1-a λmax=1+a λmin ≦SNRy/SNRx≦ λma

可见，给定一个输入过程，随着滤波器矢量h的变化，输出过程信噪比与输入过程信噪比的比值在［λmin，λmax］之间波动。进一步，如果设定α=0.5，则无论h如何变化，输出过程信噪比与输入过程信噪比的比值最低是0.5(即输出信噪比降低，h取对应于λmin的特征向量)，最高是1.5(即输出信噪比提高，h取对应于λmax的特征向量)。但是，输入过程不可能维持不变，所以真正应用于降噪设计中的滤波器都采用自适应方式(Adaptive)，其系数矢量h跟随输入过程自动调整，从而确保输出过程的信噪比始终得到提高。

二、手机音频设计方面的噪声控制应用

(一)单Microphone降噪。语音为窄带信号，而噪声为宽带信号且与语音不相关。将含噪语音经自适应滤波器处理后就可以获得其中的语音分量，从而实现上行降噪。

图2

(二)双Microphone降噪。双Microphone降噪技术是目前应用最普遍的降噪技术，所谓双Microphone降噪技术，顾名思义:双Microphone就是两个麦克风。麦克风学名为传声器，传声器是将声音信号转换为电信号的能量转换器件，俗称话筒。所谓“双Microphone降噪技术”是指通过技术处理，将外界的噪音消除。而在这之中的“技术处理”，就是内置的2个麦克风，一个麦克风为普通的用户通话时使用的麦克风，用于收集人声，另一个辅助的麦克风记录环境噪声，并用于估计主麦克风中的噪声，然后在输出端减去这个估计噪声，从而获得降噪后的上行语音信号。这种降噪技术不仅能够在嘈杂的环境下有效改善通话的质量，而且也能够在安静的环境下适当降低音量，从而能够避免通话内容泄露。

图3

另外，由于人的语音是在一定频率范围内的，不同音频范围的声波，由于干涉的原理，可能在某些波长段上的声波，到达两个话筒时相位相反，此时叠加起来会影响该频段是输出，也就是频率响应不是平直的，对方可能会感到声音有点发闷，恐怕这也是双Microphone的一个缺点。

三、结语

手机音频设计看似简单，但它其实是一个系统工程，决不是把腔体、电声组件、电路、信号处理等部件像搭积木一样搭在一起就能达到理想状态的。一个优秀的音频设计，必须处理好上述各个部件之间的关系。

过去，手机音频仅要求实现基本的通话功能;现在，手机音频开始强调用户体验，所以音频设计的降噪处理非常重要;未来，它将向语音识别、语音重建、人工智能等领域发展，应用前景非常广阔。

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