段鹏婷，白晓敏，乔鑫鑫，刘 璇，李萌萌

（北方自动控制技术研究所，太原 030006）

0 引言

当前武器装备和系统信息化进程在不断加快，对相应的模拟训练系统也提出了较高的仿真要求，一方面，需要保障初期训练反复使用需求；另一方面，需要贴近真实的复杂环境。目前模拟训练器系统通信分系统一般采用半实物模拟通信设备或纯软件仿真虚拟模拟通信设备，进行指挥控制操作过程中的数据和话音通信训练，话筒拾音器对声音能量的累积反应比人耳反应迅速，特别是对复杂作战环境下突发的相对单一频率成分的声音。采用U3D等视景仿真软件模拟装甲车辆的战场环境，会伴随有内部强噪声，对话音通信影响较大。特别是在相对封闭的车舱内，由于距离过近导致能量发生自激，最容易产生啸叫及延时回声等问题。无法提取有效话音和抑制啸叫，会导致通信设备使用者频繁产生双耳不适感。为了在低成本的前提下提供通信组网训练功能，并保证受训人员的人耳体验，需结合有效稳健且耗时较短的话音增强和啸叫抑制方法，实现话音采集处理，改善通信质量［1-2］。

相关参考文献已经对各种终端设备的话音增强与优化技术进行了详尽的研究，但是大多针对的是全双工通信体制和通信设备，考虑到成本问题，模拟训练通信设备扩音系统，在实现话音增强和啸叫抑制方面，对优化和改进算法的复杂度和运算量要求提出了更高的要求。针对上述问题，本文结合限幅器和陷波啸叫抑制方法，对话音采集单元进行性能改进算法研究。在模拟训练舱环境中进行仿真验证实验，实验表明，该算法具有出色的噪声抑制能力，能够在大规模训练范围内传送准确话音，保证通信质量和受训人员的双耳体验。

1 模拟训练通信设备基本架构

模拟通信系统是模拟训练系统的重要组成部分，通信系统根据指挥控制系统体系结构和作战信息流程，构建合理的通信网络结构，实现系统指挥、侦察、武器、保障各节点间的互联互通，为不同作战环境提供通信支持。话音的有效传输是模拟通信设备的重要功能，其清晰度是模拟通信设备最直观的评价指标，能够有效反映设备的稳定性和舒适度。模拟训练系统一般规模下的通信设备架构示意图如图1 所示。

图1 模拟训练系统通信设备架构图

为了使受训人员体验更接近真实，模拟训练系统采用视景仿真软件模拟了真实的战场环境和战场音效，对话音采集设备的话音增强和啸叫抑制技术提出了较高的要求［3］。模拟训练系统对设备成本限制较多，一般采用具有指向性的话音采集设备。指向性的话音采集设备在实际应用时对模拟训练设备中的扩声系统提出了较高的要求，扩音系统若采用较小的放大倍数，一旦指向性较弱，话音信号在嘈杂的环境中很难被识别；若采用较大的放大倍数，容易形成麦克风、放大器、扬声器等扩音系统之间的正反馈，产生让人耳异常不适的啸叫现象，甚至会导致模拟通信设备中的音响和功放被某个单一频率的放大信号烧毁，造成设备不可逆的损坏现象。

本文针对复杂脉冲噪声环境下的战术训练过程，采用限幅器和陷波法实现噪声及啸叫抑制，从而有效增强话音信号，提高人耳舒适度。限幅器能够对采集到的具有脉冲特性的噪声进行识别和均衡，防止功率放大器和音响由于信号强度过大而烧毁，然后将信号输入至扩音系统进行传输。陷波法对于抑制啸叫具有更为显著的效果，且对于模拟训练系统更易实施，在扩音系统传输过程中采用陷波器组检测音频信号频率，出现自激条件时立即采取陷波措施，消除啸叫隐患，确保模拟通信设备有效放大话音信号的同时不会被损坏。

2 关键技术

2.1 话音信号及脉冲噪声建模仿真

模拟训练系统通过视景仿真软件对大气雷暴噪声、作战及毁伤等过程中的噪声进行模拟，这些噪声均会导致噪声的脉冲特性［4-5］。对模拟训练系统来说，突发性的、高强度的噪声比稳定状态的背景噪声具有更大的危害程度，也容易对人耳听力造成较大损伤。alpha 稳定分布噪声能够描述在某些时间点上具有突发脉冲的噪声，如下页图2 所示，给出了标准alpha 稳定分布噪声的时域波形，α 值对应噪声的脉冲特性，α 值越小，脉冲性越强；α 值越大，越接近高斯噪声。

图2 alpha 稳定分布噪声时域波形

采用普通环境下录制的话音信号作为仿真信号，采样率为16 kHz，

式中，s（n）表示纯净话音信号，v（n）为背景脉冲噪声。在本文的实验分析中，以某段采集的话音信号为仿真信号，波形如图3 所示。

图3 话音信号波形仿真

2.2 限幅陷波法设计及实现

模拟训练系统中战场环境音效和话音采集信号样本较多，先验知识较为丰富，首先，采用限幅器滤除非正常脉冲信号，保证功率放大器和扬声器系统的安全，然后，采用陷波器组对啸叫检测成分进行进一步滤波。算法原理框图如图4 所示：

图4 限幅陷波法原理框图

模拟训练系统发生啸叫现象时，受训人员收到的音频信号幅度会强于正常的人耳接收范围，对受训人员和模拟训练设备均会产生较大影响，因此，设置合适的限幅器阈值可避免扩音系统中非正常信号的干扰，保护系统安全。限幅器只需要设计限幅门限就可以针对脉冲噪声模型进行限幅，已知噪声模型下门限选择方法与模型相关，可根据脉冲型噪声的概率密度函数，获取限幅器设计的最优门限参数。以alpha 稳定分布噪声模型为例，限幅器的非线性处理函数可以表示为［6-7］：

其中，c表示限幅器门限，sgn（x）表示符号函数。

采用限幅陷波方法进行噪声和啸叫抑制时，参考了模拟训练环境中丰富的噪声和有效音频信号先验知识，具有较多较可靠的参考数据进行算法设计，因此，使用计算量较小的陷波法无疑是简单有效的实现方法［8-9］。扩音系统在出现反馈自激时，频率固定在某一点上，需用一个频带很窄的陷波滤波器将此频率切除，即可有效抑制啸叫，保留原始话音信号特征。因此，设计了二阶数字陷波滤波器，分析出现自激的频率点，并在此频率点将输入信号进行陷波处理，打破自激条件。假设需要陷波的频率点为ω0，设计的滤波器幅度特性应在ω=ω0处为0，在其他频率范围，幅度特性应接近于某个常数，实现ω0处频率的有效滤除。处理流程如下页图5 所示。

图5 限幅陷波法实现流程图

3 测试结果分析

基于MATLAB 对图6（a）原始带噪话音样本进行分析，发现脉冲噪声幅值在某个时间点幅值幅度远远高于正常值，经限幅预处理环节处理后，高幅值信号被有效滤除，可以保证扬声系统和放大器不被损坏，然后将预处理后的话音样本采用陷波法进行啸叫抑制，图6（b）和图6（c）为引入限幅陷波法处理前后的对比仿真图。

图6 限幅陷波法处理前后话音样本

实验室实录带噪语音样本仿真试验结果表明，在具有大量噪声及话音信号先验知识的前提下，首先引入限幅预处理，可有效保证扬声系统的稳定性，然后使用陷波法对模拟训练舱窄小空间内的采集信号陷除干扰信号，有效还原话音信号。实验结果表明，陷波去噪具有较强的跟踪能力和明显的啸叫抑制效果，能够解决模拟训练系统通信设备中较常出现的人耳不适现象。

4 结论

针对模拟训练系统话音采集设备啸叫问题，本文首先介绍了引起啸叫的噪声类型及噪声建模，然后，结合模拟训练系统通信设备硬件要求，提出了适用于复杂训练环境噪声背景下的噪声及啸叫抑制方法，具有较好的话音信号提取和啸叫抑制性能。与常规方法相比，本方法克服了传统滤波器组设计复杂、延时长且运算量较大等问题，利用该方法限幅后滤波的特性有效消噪，提高了窄小训练空间内模拟通信系统的话音识别度，具有稳定良好的人耳体验性能。