汽车噪声和语音信号的谱分析及陷波器的应用

　　在汽车运用和实验中,经常遇到在汽车噪声环境中的语音交流和通讯问题。近几年来,国内外许多专家都致力于各种主动或半主动降噪技术。但如何在有效降低汽车噪声的情况下,而不影响语音交流和通讯,仍是一个值得深入研究的课题。笔者对汽车噪声信号和语音信号分别进行了测试和功率谱分析,针对两者功率谱的差异,设计出了一种数字陷波器,并对其进行了实验研究。

　　1　汽车噪声信号和语音信号的谱分析

　　利用ND2精密声级计和磁带记录仪对BJ1021载货汽车在不同车速时的噪声进行测量。同时还测量了中央人民广播电台的男女声中文新闻播音信号和英国BBC广播电台的男女声英文新闻播音信号。然后,利用SD375动态分析仪对这些测量信号进行功率谱分析,部分结果如图1～图3所示。

　　由图可见:汽车噪声功率谱的峰值频率较少,而语音信号的频带较宽,峰值频率丰富。

　　汽车噪声功率谱最大峰值的频率与车速有关。车速越高,其频率越大,但车速一定时,峰值频率比较稳定。语音信号的峰值频率随播音内容的不同而有所变化。中文男声新闻播音信号的谱特性与英文男声新闻播音信号的谱特性比较一致;中文女声新闻播音信号的谱特性与英文女声新闻播音信号的谱特性也比较一致。并且,无论中文或英文的新闻播音信号,女声的峰值频率都高于男声的峰值频率。但所有语音信号的最大峰值频率都比汽车噪声的最大峰值频率低得多。

　　由此可知,语音信号与汽车噪声信号在谱特性上有显著差别。利用这种差别,就可以做到在降低汽车噪声的同时,而不影响语音信号。

　　2　数字陷波器的设计

　　笔者的目的是排除汽车噪声信号中峰值频率对语音信号的干扰,但在滤波过程中又要求基本不改变语音信号的其他频率成分,因此要求滤波器的频率响应为

　　具有这种频率响应的滤波器称为数字陷波滤波器,又称点阻滤波器。

　　一个理想的点阻滤波器的频率响应是要在消除的信号频率点,其值等于零;而在其他频率处,其值不为零,且要等于1,如图4所示。

　　实际上,由于模拟信号转变为数字信号的量化过程与在数字计算机中采用有限位二进制数字表示所带来的影响,将会使滤波器产生误差。同时,由于描述这种点阻滤波器的差分方程式仅能取有限项进行最佳逼近,所以只能近似做到理想特性。

　　笔者拟采用递归型结构作为点阻滤波器,传递函数H(z)为

　　二阶递归型滤波器要具有点阻特性,可以这样安排零极点位置,即为了达到在X0处有无限大衰减,只要共轭零点为z1,2= e^±jX0T。