[科普中国]-加权噪声

在通信技术中，除了传输的有用信号外，其他一切无用信号通称为噪声。

噪声是一种客观存在的现象。在多路电话信号和电视信号的传输中，不可避免地要产生并传输噪声，而且各种噪声最终都要落入每个话路或电视信号中。在一般情况下，这些噪声的频谱基本上是均匀连续分布的，如右图中平坦细直线所示。

但是，人耳的听觉具有一定的频率特性，如右图中的粗曲线所示。人耳的这种频率特性，表现为对音频范围内的不同频率具有不同的听觉灵敏度：对800～1000Hz的频率感觉最灵敏，对其他频率的感觉稍迟钝。

这样，话路中客观上均匀连续分布的噪声电压，与人耳主观听到的不均匀连续噪声之间产生了矛盾。为了反映入耳实际感受到的噪声大小，应当在测量噪声时，人为地计入人耳的特性，采用一种摸拟人耳频率特性的特殊的噪声计进行测量，这种人为的测量措施称为对话路的噪声加权。

这种特殊噪声计的特点是在普通噪声计前面，设置一个摸拟人耳频率特性的网络——加权网络。它实际上是一只滤波器，其频率特性就是右图中的曲线。这种加权特性是国际电报电话咨询委员会(CCITT)以噪声对人耳干扰效果为基础，经过大量测试研究后建议使用的。

加权噪声就是功率谱经过特定的选频网络予以修改的电磁噪声。1

加权噪声功率谱估计算法( 简称 WN 算法) 能快速跟踪噪声变化，采用该算法使增强后的语音具有较高的语音质量。

(1)信噪比( 简称 SNR) 估计;

(2)通过估计出的信噪比结合加权因子函数从而得到加权因子;

(3)将带噪语音信号与加权因子相乘得到加权值并求平均得到估计出的噪声功率谱。

用 x(t) 和 d(t) 分别表示纯净语音和不相关的加性噪声，观测到的带噪语音信号为 y(t) 为，进行短时离散傅利叶变换后得到:Y(n，k) = X(n，k) + D(n，k)。

其中 n 和 k 分别表示时间帧序号和频率点序号。

WN 噪声功率谱估计算法首先从信噪比( 简称 SNR) 估计开始，通过估计出的信噪比结合加权因子函数从而得到加权因子，将带噪语音信号与加权因子相乘得到加权值并求平均得到估计出的噪声功率谱。

信噪比 ( n， k) 的估计是由第 n 帧带噪语音的功率谱 和前一帧估计得到的噪声功率 计算得到:

计算加权因子的非线性函数

式中， 、 和 是函数参数。将带噪语音信 号乘以加权因子得到加权带噪语音:

对计算得到的在窗口长度为 内的加权带噪语音求平均，进而得到估计的噪声功率谱:

式中 Ψ(Z(n，k) ) 表示 Z(n，k) 中非零元素的个数trace{· } 是对数组中对角元素求和的操作。

由于 Z(n，k) 是一个行向量，所以trace{ Z(n，k) } 就是对简单的对该向量中的非零元素求和。

Z(n，k) 计算如下:

上式是根据前面估计出的信噪比对 Z(n，k) 进行更新。Z(n，k) 的长度一定，也就是求均值的窗长度不变，当所估计出的信噪比小于某个阀值时，认为该帧的噪声影响明显，则 Z(n，k) 求均值的窗需要更新一次，从而得到新的噪声估计值。

。

在带噪语音信号中，噪声变化相对于语音更平稳一些，而 WN 算法在语音剧烈变化的区域会出现噪声过估计，对噪声的平滑有助于降低噪声的过估计。

鉴于这个原因，我们在 WN 估计算法的基础上提出了改进算法。

在初始几帧一般都是噪声，对初始几帧进行平均，其中 Tinit 表示初始帧的大小。2

在通信技术中，除了传输的有用信号外，其他一切无用信号通称为噪声。

噪声是一种客观存在的现象。在多路电话信号和电视信号的传输中，不可避免地要产生并传输噪声，而且各种噪声最终都要落入每个话路或电视信号中。在一般情况下，这些噪声的频谱基本上是均匀连续分布的，如右图中平坦细直线所示。

但是，人耳的听觉具有一定的频率特性，如右图中的粗曲线所示。人耳的这种频率特性，表现为对音频范围内的不同频率具有不同的听觉灵敏度：对800～1000Hz的频率感觉最灵敏，对其他频率的感觉稍迟钝。

这样，话路中客观上均匀连续分布的噪声电压，与人耳主观听到的不均匀连续噪声之间产生了矛盾。为了反映入耳实际感受到的噪声大小，应当在测量噪声时，人为地计入人耳的特性，采用一种摸拟人耳频率特性的特殊的噪声计进行测量，这种人为的测量措施称为对话路的噪声加权。

这种特殊噪声计的特点是在普通噪声计前面，设置一个摸拟人耳频率特性的网络——加权网络。它实际上是一只滤波器，其频率特性就是右图中的曲线。这种加权特性是国际电报电话咨询委员会(CCITT)以噪声对人耳干扰效果为基础，经过大量测试研究后建议使用的。1

电话电路中的噪声，具有均匀分布的频率特性，但人的听觉和电话机则对各种不同的频率都有不同的响应。因此，不同频率成分对话路所造成的干扰效果则不相同。为了能够反映噪声对话路干扰的实际效果，在测量噪声时，在噪声功率计上附加一个与入的听觉和电话机的频率特性相同的网络，即加权网络。

这样测量得到的噪声功率电平的数值，称为噪声的加权值。而不使用加权网络的噪声计测得的噪声功率电平数值为非加权值。

同一噪声电平的加权值比非加权值要小2.5dB。3

这种评价制评价干扰水平采用的指标是电话谐波波形因数(THFF)。

这是一个无量钢的量，其定义为THFF=等效800Hz的干扰电压/电力系统的供电电压。

上式中电力系统的供电电压即指规定的额定电压，等效干扰电压是指当以800 Hz的电压加在电力线路上，它在附近电话线上产生的干扰影响与电力线基波和谐波电压共同作用产生的干扰效应相同。

THFF的电压计算公式为：

为输电线路电压有效值；为频率为的第h次谐波电压；A/800为折算系数；/800为噪声加权系数。

噪声电压的有效值为

是电话线上频率为的纵向或横向电压的有效值。

CCITT导则中建议电话回路上总噪声加权电动势(即开路电压)的有效值不超过1 mV。当测量噪声电压时，可以在电话线路端部连接一个阻值等于线路特征阻抗(约为600 Q)的电阻，测量此电阻上的噪声电压。按规定，终端电阻的加权噪声电压应该低干0.5 mV。4