模拟动态降噪系统的数字化改进

[摘 要]针对通用的模拟动态降噪系统在短波通信中直接应用所存在的实际问题，做了对症的分析，并提出了数字化的设计改进方案，该方案在具体实施后达到了理想的降噪效果。

[关键词]音频降噪，动态降噪系统DNR，掩蔽式降噪，数字化降噪

中图分类号：TM743 文献标识码：B 文章编号：1009-914X（2014）36-0238-02

1.概述

目前的音频降噪系统通常可分为互补型和非互补型。互补型降噪系统需要在信源部分采取压扩、编码等预处理，然后在信宿部分进行解压扩、解码等处理，所以也叫双端降噪系统，常见的“杜比”降噪基本上为此类，主要用在音响系统上。而非互补型降噪系统只需在信宿部分进行处理即可，所以也叫单端降噪系统，可见单端降噪系统具有更好的使用灵活性，常见的“动态降噪系统DNR”为此类，但目前也主要用在音响系统上。

显然，如果要将降噪系统用在短波电台中，单端降噪系统更合适。目前已有很多成熟的单端降噪系统芯片，比较有代表性的如美国NS公司的动态降噪芯片LM1894，具有10dB的降噪效果。但曾将其在短波电台上做过实验，结果效果并不理想。本文深入分析查找动态降噪芯片LM1894在短波通信中应用未获成功原因、提出了数字化的改进方法，并且获得了理想的降噪效果。

2.动态降噪芯片LM1894的工作原理

下图是从LM1894.pdf文档中拷贝的，可以看出：LM1894的带宽是随信号频率（图1）、幅度（图2）变化的，这是其实现降噪的关键所在。因为音频信号的频谱集中在20Hz～20KHz，但并不是时时刻刻都占据全带宽，很多时候仅占用一部分，如图3、4、5中的d段，剩余频带内则充满了噪声，如果能实时调整滤波器带宽，使其与信号带宽一致，则可将多余频带内的噪声滤除，达到降噪的效果；另外，在小音量时，人耳对高音不敏感，利用这一特性，如果在音量较小时将滤波器的带宽减小，虽然高频信号有所损失，但由于听觉特性并不会被人察觉，高频噪声却被滤除，实现了掩蔽式降噪，而且在小音量时，人耳对噪声更加敏感，所以这一措施降噪效果也相当明显。LM1894正是利用这两种特性通过自适应调整带宽，使其与信号带宽相匹配来实现降噪的。

3.LM1894在短波频段应用存在的问题分析

LM1894既然具有较好的降噪效果，那么为何在短波电台上使用效果又不理想呢？ 由于LM1894为模拟器件，其滤波器为简单的模拟滤波器，从图1中可看出，过度带很宽，曲线不陡，这是造成其对宽带（20Hz～20KHz）的音乐信号降噪明显，而对窄带（300Hz～3KHz）的电台话音信号无明显降噪效果的根本原因。

4.模拟降噪系统的数字化实现方案

既然是滤波器过度带不陡造成降噪不理想，那么如果将LM1894的功能进行数字化，用自适应数字滤波器来实现对噪声的滤波，应当有很好的降噪效果，因为数字滤波器具有很陡的过度带。显然从图4、5可看出，用DSP实现的自适应滤波器具有更好的降噪功能，图中b段的噪声都落入了滤波器的阻带，几乎被完全抑制。

用DSP实现的降噪系统是一个典型的通用数字信号处理系统，见图6，其中A/D、D/A可用CS4245等，DSP可用TMS320LC2406等。含噪声的音频信号首先被A/D转换为数字信号送给DSP处理器，信号通过动态降噪处理程序处理后，经过D/A的转换，重新还原为干净的音频信号。其中的动态降噪处理程序模拟LM1894的功能，其框图见图7：

A/D来的数字音频信号首先经过频率、幅度检测后确定降噪滤波器的参数，即当信号频率较低或输入信号幅度较小时将滤波器的截止频率也相应降低，尽量调低滤波器截止频率，最大限度地滤除噪声。然后通过这些参数去控制自适应滤波器系数发生器，产生滤波器所需系数，再送入滤波器对输入数字音频进行噪声滤波，最后输出降噪后的数字音频。

5.结论

音频降噪在通信领域有实际的应用需求，如何实现是技术人员努力的目标和方向。本文对动态降噪系统在短波通信应用中所存在的问题作了仔细分析，并且提出了数字化的改进方案，此方案已成功实施，并且取得了较理想的实际效果。

参考文献

[1] John G.Proakis Digital Communications（Third Edition） 电子工业出版社.2001.

[2] Theodore S. Rappaport Wireless Communications Principles and Practice，Second Edition 电子工业出版社.2004.