一种有效的话音静噪综合处理方法及其应用

李燕斌

(中国西南电子技术研究所,成都610036)

1 引 言

话音静噪是指在话音通信模式下当接收端解调出的信号为噪声或SINAD(信号-噪声及失真比)很低时,静噪处理电路能自动关断话音通路,使用户能够有一个舒适的接听效果,这项功能在很多通信场合十分重要。如果话音静噪问题处理不好,就会出现话音时断时续,或噪音大刺耳,影响通信效果。

调频(FM)和双边带调幅(AM)话音通信[1]是最常用的一种话音通信方式,其中AM模式采用模拟包络检波法来解调话音,其实现比较容易,但其话音静噪却相对来说很难做好。目前随着软件无线电技术的发展,AM可和FM模式一起利用同一个数字下变频通道,实现中频数字化解调。相对于模拟解调技术来说,用中频数字化解调的方法来实现话音静噪处理比较灵活,其用于静噪处理的可选用特征参数种类较多。但由于AM话音能量和载波能量受调制度的影响很大,与FM模式相比,AM话音静噪处理难度要大得多。

本文从AM常用的话音静噪处理方法入手,介绍了AM数字相干解调原理,提出了如何综合利用相干解调获取的多个参数来实现话音静噪,最后通过工程应用来说明了本文所提出的话音静噪综合处理方法的有效性和实用性。

2 常用静噪处理方法

常见的静噪方式主要有导频静噪、噪声检测静噪和载波检测静噪3种。导频静噪是通过检测解调输出的信号中是否存在导频信号来控制静噪,其抗干扰能力较强,但实现较为复杂,并且发射导频时牺牲了部分功率。另外,它只能在同种类型的通信设备之间实现静噪,所以限制了其使用范围。噪声静噪是通过检测鉴频输出的信号中话音频率高端(如10 kHz处)的噪声强度来控制静噪,其电路调试较困难,静噪开启电平和回滞深度较难折衷,容易出现静噪门不能正常打开和关闭的现象,通用性较差。载波静噪是通过检测接收到的射频信号中载波的强度来控制静噪,当出现窄带干扰或信号较小时,容易出现误静噪[2]。

上述3种静噪方式都没有对话音信号进行检测,所以在实际使用过程中可靠性不高,通用性较差。针对这个问题,根据AM信号的特性,本文提出了一种调制度识别+载波及音频能量统计的综合判决静噪方法。采用这一方法,实时准确地判断出其调制度是关键。当调制度识别出来后,其静噪门限可根据识别结果相应地加以调整和补偿,这样就可以实现不同调制度下话音打开、关断的平稳性,避免话音时断时续等现象出现。

3 AM解调及静噪原理

AM的解调采用相干解调技术来实现,其解调原理如下所述。

假设输入AM音频信号为 vΨ,调制后信号为vΨcos(ωct),本地载波信号为 Bcos(ω′t)(其中 B 为常量),输入信号与本地载波正交相乘,即:

如果调制载波 ωc和本地载波 ω′相等,那么式(1)就等于 vΨBcos(0),即等于 BvΨ。

其中,本地信号 Bcos(ω′t)载波由Costas载波跟踪环来提取,当载波锁定时 ωc=ω′。由前面算式可以看出,AM调制信号和本地载波进行正交相乘即可解调出音频信号vΨ。

AM相干解调及话音后续处理原理图如图1所示。

图1 AM信号相干解调及话音处理原理图Fig.1 Coherent AM demodulation and tone processing method

在解调话音的同时,由载波跟踪环还可以进行载波能量检测,其和话音能量一起用于静噪处理。在解调过程中,实时统计出载波能量和话音能量,设定一个静噪门限,当载波能量和话音能量都大于相应的静噪门限时,打开话音输出;否则,如任一能量低于相应门限,则关断话音输出。该方法利用了载波和话音两者特征[3]。

当然,传统的AM话音静噪处理还有别的方法,比如直接通过话音信噪比来静噪:如果解调输出的话音信号信噪比低于相应门限就关断话音输出,否则打开话音输出。在实际应用中,很多我们不希望收听的信号,如干扰载波、某些低速率的数传信号等,其解调后获得的信号信噪比很多时候都超过设定门限,造成这些噪音不能被有效关断,然而如果用载波能量、话音能量、调制度等多参数来进行静噪综合处理,就能很好地解决这些问题。本文介绍的是载波能量+语音能量+调制度判别的一种静噪综合处理方法。

4 调制度判别实现

设AM的载波信号vc=Vcmcosωct,调制信号 vΨ=VΨmcos Ψ t,则调制后的信号为

如图2所示,AM信号的调制度Ma为

图2 AM信号示意图Fig.2 AM signal

由式(2)可知,当调制度Ma增大时,调制信号vΨ幅度峰-峰值变大,其能量也相应增大,同时其载波Vcm将相应被抑止,载波能量变小;相反,当调制度Ma减小时,调制信号vΨ幅度峰-峰值变小,其能量也相应变小,同时其载波能量会相应变大。在实际AM话音通信中,调制度是不断变化的,相应地解调获取的载波能量和话音能量也不断变化,因此很难设定一个较好的门限来实现AM静噪功能。

要解决AM话音静噪问题,最好的办法就是首先判断出信号的调制度,然后再根据不同的调制度来自适应实时调整相应静噪门限。

AM调制度是调制信号功率和载波信号功率之比的平方根,通过在频谱上计算载波信号功率和调制信号功率[4],即可计算出AM信号的调制度。找出频谱中的最大值,该最大值为AM信号的载波功率Pc,再找出第二峰值,该峰值为单边带功率Ps(见AM调制信号的频谱图3),根据AM信号的调制度的公式即可得到AM信号的调制度。

图3 AM信号的频谱图Fig.3AM signal frequency spectrum

采用上述AM调制度计算方法,需要在频域进行,即首先进行快速傅里叶变换(FFT)变换,这会大大增加FPGA资源开销,同时相应增加硬件平台功耗,降低设备的可靠性。另外,在实际应用中,当接收信号处于强干扰环境下时,计算出的Pc和Ps波动都很大(如图4所示),直接用这两个变量来判断出调制度大小很不可靠。

图4 强干扰环境下的 Pc和PsFig.4 Pcand Psin strong interfered environment

事实上,如图1所示,在数字相干解调过程中已经获得了载波能量和话音能量,根据AM信号调制度大小与载波能量成反比、与音频能量成正比的特征,将AM信号载波及音频的特征结合起来,并把该特征放大处理,就相对容易判断出调制度的大小,即:令统计出载波能量为Ac,话音能量为Ad,K为话音能量与载波能量的加权比,那么

其中,α和β为加权系数。

当α>1且β<1时,AM的调制度特性被放大,同时K值在强干扰环境下波动也更小,这样我们就可以较容易根据K的大小分辨出AM调制度大致大小。基于此,我们可先将不同调制度下的K值测试出并保存在一张表中。在话音正常工作时,根据实时测出的K值,查找该表,就可马上判断出当前AM话音的调制度。这种方法简单有效且可靠,同时还不会额外增加很多FPGA的开销。

5 在工程中的应用

在某工程中,话音解调采用中频数字化相干解调法。输入中频信号经高速AD带通采样将模拟信号转变成数字信号后送入后端的Xilinx FPGA中,由FPGA完成数字下变频、载波提取和载波能量统计、相干解调、话音滤波、话音能量统计、调制度判别和静噪综合处理等收端全部信号处理任务。话音解调和静噪实现原理如图5所示。

图5 话音静噪处理应用原理图Fig.5 The application of quieting tone method

该工程通信设备的话音静噪采用多参数综合处理法,在未加AM调制度判别和静噪门限自适应补偿前,经常会出现话音时断时续和某些强噪音不能被有效关断状态,严重影响了设备的话音通信性能。

这个问题的根本原因在于AM的载波能量和音频能量受其调制度影响很大。根据调制度与解调出的载波能量及音频能量关系,采用本文第4节所述判别原理实时有效地判别出AM调制度,然后再根据当前调制度,自适应调整静噪门限,从而获得一个稳定的静噪处理结果。在正常话音通信时,不再出现时断时续和某些特殊的噪音信号不能被关断现象,有效解决了由于静噪引起的话音通信质量问题。

6 结束语

由于AM信号自身的特点,其话音静噪处理是一个难题。本文采用的调制度识别结合载波及语音能量综合处理方法,在增加很小FPGA资源开销情况下,有效地解决了工程中遇到的AM话音静噪问题,具有很好的实用性和良好的应用价值。

[1]曹志刚,钱亚生.现代通信原理[M].北京:清华大学出版社,2006.CAO Zhi-gang,QIAN Ya-sheng.Modern Communication Principle[M].Beijing:Tsinghua University Press,2006.(in Chinese)

[2]郑宁,陈恩庆,马鹏阁,等.基于TMS320F2812的短波电台语音处理系统设计[J].通信技术,2009,42(6):150-152.ZHENG Ning,CHEN En-qing,MA Peng-ge,et al.Voice Processing System of Short Wave Broadcasting Station based on TMS320F2812[J].Communications Technology,2009,42(6):150-152.(in Chinese)

[3]李燕斌.AM调制度判别原理及其在话音静噪处理中的应用[J].测控技术,2007(增刊):100-102.LI Yan-bin.AM Modulation Degree Discriminating Principle and its Application in Quieting Tone[J].Measurement Control Technology,2007(Suppl.):100-102.(in Chinese)

[4]Theodore J Hordeski.Tunable FSK/AM Signal Detector on A 6U-VME CARD[C]//Proceedings of International Telemetering Conference.[S.l.]:ITC,1998:711-716.