噪声环境中语言信息的传输与高频语抗噪声通讯系统的研究进展
作者：唐志文
单位：海军医学研究所，上海市 200433
关键词：噪声；语言通讯；高频语
海军医学杂志990114 摘要 叙述强噪声环境下语言传递受阻的主要原理，回顾了近年来国内外为改善语言通讯所进行的研究工作的热点，重点介绍高频语抗噪声通讯系统的思路及其研究现状与应用前景。
1 引 言
噪声环境中的语言传递很容易受阻。欲将强噪声环境下的语言信号分离出来之所以困难，是因为两者的频谱相重叠而产生混扰。多年来，研究人员为解决此难题从不同领域不同角度开展了许多研究工作。80年代中期，世界各国开展的有源消声系统研究[1]，为治理局部环境噪声和改善人的语言通讯质量作出了积极的贡献，由此可改善低中频噪声20dB左右。随之将该技术进一步拓展，继而出现了厅堂有源消声系统和有源自适应消声耳罩[2]。但该类技术成本昂贵，且消声功能仅局限于低中频，给推广应用带来一定难度。90年代初，我国研制出抗噪声无线通信耳罩[3]，是噪声环境下语言通讯和防护的一种新的研究思路。该研究利用高频载波调制语言信号的原理，使语言传递不受噪声环境干扰，但需借助于抗噪声传感器和抗噪声耳罩。由于耳罩的佩带不适，致使该耳罩在中等以下强度的噪声环境下应用尚存在一定阻力。目前能在环境噪声级较高、噪声频谱范围较宽的环境下进行群体语言通讯的装置尚未问世。许多研究人员试图通过听觉生理机制的深入研究，探索一条应用途径。
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2 听觉生理机制的深入研究对语言通讯的贡献
听觉系统能感受的声音千变万化，其参数变异范围很宽，如频率上下限可相差一千倍，强度按能量计算其上下限可相差一万亿倍。听觉系统对声音各参数有很高的灵敏度和精确的分辨率，同时又能检测出在时间上的快速变化。人通过语言交流，极大地增加了听觉信息的输入量，使听觉功能得到了飞速发展。但听觉感受细胞即内耳毛细胞只有几千个，其有限的通道传输巨量信息，是听觉系统的最大特色也即听觉的高效率。因此从理论上说，它除了在神经科学中有普遍的理论价值外，对信息科学和通讯工程也有巨大的吸引力。
在听觉生理机制研究史上，对频率分析部位机理逐步深入研究一直处于主导地位。40年代末和60年代初，Helmholtz及Bekesy分别提出了听觉部位的共振学说和行波论。而从70年代开始有学者突破了Bekesy把耳蜗看作一个被动的机械装置这个局限，揭示了耳蜗具有一系列主动的生理学机制。通过对耳的声发射记录，证明耳蜗具有产生振动并通过机械反馈完成主动调控的功能。梁之安的研究报告中指出[4]：主动调控机制的存在保证了耳蜗成为一个非线性的工作系统。而非线性则是耳蜗的精华，是听觉的高灵敏度，宽动态范围，尖锐调谐性及精确分辨率的根本。按听觉系统的部位机理的观点，声音的不同频率是由不同的听觉通道进行传输。这种“一通道一用”的部位又称空间编码模式，有其很大的局限性，不可能达到很高的效率。要实现高效率的辨别，就要实现一通道多用，即现在所说的时间编码模式。时间编码模式起源于40年代末的Wewer排放论，他是在部位机理提出不久后问世的。60年代后，随着计算机科学的发展，使时间编码的听觉生理机制研究得以深入发展。这期间Rose等人通过实时处理观察到，听神经的同一纤维可对多个频率有反应，其冲动可与声波周期呈锁相关系。这也是关于频率编码时间机理的首批直接验证。时间编码机理认为，对声不同特征的信息可从相同通道以神经冲动不同的时间构型进行编码。由于时间构型可以多种多样，因此每一通道都可以传输多种信息，实现一通道多用[5]。这种机理已经从理论上完全突破了“一通道一用”的部位机理束缚，为噪声环境下语言通讯奠定了理论基础。
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3 高频语抗噪声语言通讯的新进展
语言传递的内耳时间编码机理的发现，突破了空间编码机理对该领域研究的长期束缚，扩展了在噪声环境下语言通讯的应用前景。研究者从实验中发现[6]，如果把人的语言主要频段300～3000Hz经调制搬至高频段，尽管这一经变频的调制波听起来不十分清晰，但却保留了语言变化的主要信息，再将调制波与原语言信号进行叠加，即出现了出乎意料的结果：语言清晰度接近原语言信号，同时具有很强的抗干扰的能力。这种简称“高频语”的调制合成波为研究者深入探讨语言抗干扰课题带来希望。Lee等人通过测试两组音源(有噪声、无噪声及抗噪声、裸耳)对比实验[7]，证实了高频语抗噪声通讯的效果。另有一些学者认为[8]，自动语音应答助听系统可滤去某些频段信息，能减少噪声。因此，通过增加低频范围中的高频语信息，再经技术处理就能具有抗噪声功能。80年代末至今，梁之安等人对高频语的听觉传输通道进行了更深入的系列研究。通过实验，证实了上述“高频语抗噪声”论断的正确性，并经过实验研究，确立了高频语抗噪声功能的基本模型(见图1)。
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图1 高频语简易实验装置示意图
4 高频语抗噪声通讯系统的研究现状与应用前景
从文献报道可知，高频语抗噪声通讯系统的研究目前还处在实验阶段，仍有许多问题有待解决。正象Lee等人所言，将高频语技术应用于个人助听器将有很好前景，当然目前在研制上还会有一定难度，主要是可供选择的频段非常有限。
由前述可知，调制后的高频波虽然听起来不十分清楚，但其中保留了主要语言信息，这使人们得到一个启示：当语言被一种超过噪声频谱高频段的某种频率信号所调制后，就使已调制的信号频段避开了通常稳态噪声频谱的主要能量，再经声学技术处理，就能获得既可抗噪声又有满意清晰度的语言信号。梁之安等人研究的实验装置已从理论和实践中证实了高频语抗噪声语言通讯的效果。目前，由于装置尚处于实验阶段，不可避免地存在着某些不足，比如调试不当，就很难达到满意的抗噪声效果。另外，某些技术上的不够完善，也使其距样机或小批量制造存在着一定差距。随着微电子技术的飞速发展，使原先在工艺或技术上的难点有望得到解决。
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高频语抗噪声通讯从理论上已得到证实，并在实践中取得了长足的进步。深入研究该类装置并使其产品化，无疑具有重要的军事和社会效益。
参考文献
1 洪 涛.有源抗噪声原理和有源抗噪耳机.应用电声技术，1995，13(6)：15
2 王连生，张利滨.有源消噪声耳罩.电声技术，1994，(10)：5
3 唐志文，梁振福，杨玉明等.抗噪声无线通信耳罩的研制.全军军事噪声协作组第九次会议论文集，1998.20
4 梁之安.听觉信息编码的时间模式.复旦神经生物学讲座，1995.135
5 梁之安，周 迅，邵殿华.语言信息的多套听觉通道传输及编码的时间模式.声学技术，1996，(1)：41
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6 梁之安，邵殿华.高频语的听觉传输通道及编码模式.中科院上海生理研究所论文集，1997.1
7 LeeLW, Humee LE, Wilde G. Evaluating performance with high-frequency emphasis amplification. J Am Acad Audiol, 1993, 4(2)：114
8 Van Tesell DJ, Grain TR. Noise reduction hearing aids: release from ma sking and release from distortion. Ear Hear, 1992, 13(2)：114
(收稿：1999-06-01), http://www.100md.com
单位：海军医学研究所，上海市 200433
关键词：噪声；语言通讯；高频语
海军医学杂志990114 摘要 叙述强噪声环境下语言传递受阻的主要原理，回顾了近年来国内外为改善语言通讯所进行的研究工作的热点，重点介绍高频语抗噪声通讯系统的思路及其研究现状与应用前景。
1 引 言
噪声环境中的语言传递很容易受阻。欲将强噪声环境下的语言信号分离出来之所以困难，是因为两者的频谱相重叠而产生混扰。多年来，研究人员为解决此难题从不同领域不同角度开展了许多研究工作。80年代中期，世界各国开展的有源消声系统研究[1]，为治理局部环境噪声和改善人的语言通讯质量作出了积极的贡献，由此可改善低中频噪声20dB左右。随之将该技术进一步拓展，继而出现了厅堂有源消声系统和有源自适应消声耳罩[2]。但该类技术成本昂贵，且消声功能仅局限于低中频，给推广应用带来一定难度。90年代初，我国研制出抗噪声无线通信耳罩[3]，是噪声环境下语言通讯和防护的一种新的研究思路。该研究利用高频载波调制语言信号的原理，使语言传递不受噪声环境干扰，但需借助于抗噪声传感器和抗噪声耳罩。由于耳罩的佩带不适，致使该耳罩在中等以下强度的噪声环境下应用尚存在一定阻力。目前能在环境噪声级较高、噪声频谱范围较宽的环境下进行群体语言通讯的装置尚未问世。许多研究人员试图通过听觉生理机制的深入研究，探索一条应用途径。
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2 听觉生理机制的深入研究对语言通讯的贡献
听觉系统能感受的声音千变万化，其参数变异范围很宽，如频率上下限可相差一千倍，强度按能量计算其上下限可相差一万亿倍。听觉系统对声音各参数有很高的灵敏度和精确的分辨率，同时又能检测出在时间上的快速变化。人通过语言交流，极大地增加了听觉信息的输入量，使听觉功能得到了飞速发展。但听觉感受细胞即内耳毛细胞只有几千个，其有限的通道传输巨量信息，是听觉系统的最大特色也即听觉的高效率。因此从理论上说，它除了在神经科学中有普遍的理论价值外，对信息科学和通讯工程也有巨大的吸引力。
在听觉生理机制研究史上，对频率分析部位机理逐步深入研究一直处于主导地位。40年代末和60年代初，Helmholtz及Bekesy分别提出了听觉部位的共振学说和行波论。而从70年代开始有学者突破了Bekesy把耳蜗看作一个被动的机械装置这个局限，揭示了耳蜗具有一系列主动的生理学机制。通过对耳的声发射记录，证明耳蜗具有产生振动并通过机械反馈完成主动调控的功能。梁之安的研究报告中指出[4]：主动调控机制的存在保证了耳蜗成为一个非线性的工作系统。而非线性则是耳蜗的精华，是听觉的高灵敏度，宽动态范围，尖锐调谐性及精确分辨率的根本。按听觉系统的部位机理的观点，声音的不同频率是由不同的听觉通道进行传输。这种“一通道一用”的部位又称空间编码模式，有其很大的局限性，不可能达到很高的效率。要实现高效率的辨别，就要实现一通道多用，即现在所说的时间编码模式。时间编码模式起源于40年代末的Wewer排放论，他是在部位机理提出不久后问世的。60年代后，随着计算机科学的发展，使时间编码的听觉生理机制研究得以深入发展。这期间Rose等人通过实时处理观察到，听神经的同一纤维可对多个频率有反应，其冲动可与声波周期呈锁相关系。这也是关于频率编码时间机理的首批直接验证。时间编码机理认为，对声不同特征的信息可从相同通道以神经冲动不同的时间构型进行编码。由于时间构型可以多种多样，因此每一通道都可以传输多种信息，实现一通道多用[5]。这种机理已经从理论上完全突破了“一通道一用”的部位机理束缚，为噪声环境下语言通讯奠定了理论基础。
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3 高频语抗噪声语言通讯的新进展
语言传递的内耳时间编码机理的发现，突破了空间编码机理对该领域研究的长期束缚，扩展了在噪声环境下语言通讯的应用前景。研究者从实验中发现[6]，如果把人的语言主要频段300～3000Hz经调制搬至高频段，尽管这一经变频的调制波听起来不十分清晰，但却保留了语言变化的主要信息，再将调制波与原语言信号进行叠加，即出现了出乎意料的结果：语言清晰度接近原语言信号，同时具有很强的抗干扰的能力。这种简称“高频语”的调制合成波为研究者深入探讨语言抗干扰课题带来希望。Lee等人通过测试两组音源(有噪声、无噪声及抗噪声、裸耳)对比实验[7]，证实了高频语抗噪声通讯的效果。另有一些学者认为[8]，自动语音应答助听系统可滤去某些频段信息，能减少噪声。因此，通过增加低频范围中的高频语信息，再经技术处理就能具有抗噪声功能。80年代末至今，梁之安等人对高频语的听觉传输通道进行了更深入的系列研究。通过实验，证实了上述“高频语抗噪声”论断的正确性，并经过实验研究，确立了高频语抗噪声功能的基本模型(见图1)。
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图1 高频语简易实验装置示意图
4 高频语抗噪声通讯系统的研究现状与应用前景
从文献报道可知，高频语抗噪声通讯系统的研究目前还处在实验阶段，仍有许多问题有待解决。正象Lee等人所言，将高频语技术应用于个人助听器将有很好前景，当然目前在研制上还会有一定难度，主要是可供选择的频段非常有限。
由前述可知，调制后的高频波虽然听起来不十分清楚，但其中保留了主要语言信息，这使人们得到一个启示：当语言被一种超过噪声频谱高频段的某种频率信号所调制后，就使已调制的信号频段避开了通常稳态噪声频谱的主要能量，再经声学技术处理，就能获得既可抗噪声又有满意清晰度的语言信号。梁之安等人研究的实验装置已从理论和实践中证实了高频语抗噪声语言通讯的效果。目前，由于装置尚处于实验阶段，不可避免地存在着某些不足，比如调试不当，就很难达到满意的抗噪声效果。另外，某些技术上的不够完善，也使其距样机或小批量制造存在着一定差距。随着微电子技术的飞速发展，使原先在工艺或技术上的难点有望得到解决。
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高频语抗噪声通讯从理论上已得到证实，并在实践中取得了长足的进步。深入研究该类装置并使其产品化，无疑具有重要的军事和社会效益。
参考文献
1 洪 涛.有源抗噪声原理和有源抗噪耳机.应用电声技术，1995，13(6)：15
2 王连生，张利滨.有源消噪声耳罩.电声技术，1994，(10)：5
3 唐志文，梁振福，杨玉明等.抗噪声无线通信耳罩的研制.全军军事噪声协作组第九次会议论文集，1998.20
4 梁之安.听觉信息编码的时间模式.复旦神经生物学讲座，1995.135
5 梁之安，周 迅，邵殿华.语言信息的多套听觉通道传输及编码的时间模式.声学技术，1996，(1)：41
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6 梁之安，邵殿华.高频语的听觉传输通道及编码模式.中科院上海生理研究所论文集，1997.1
7 LeeLW, Humee LE, Wilde G. Evaluating performance with high-frequency emphasis amplification. J Am Acad Audiol, 1993, 4(2)：114
8 Van Tesell DJ, Grain TR. Noise reduction hearing aids: release from ma sking and release from distortion. Ear Hear, 1992, 13(2)：114
(收稿：1999-06-01), http://www.100md.com