一種有效的話音靜噪綜合處理方法及其應用

李燕斌

(中國西南電子技術研究所,成都610036)

1 引 言

話音靜噪是指在話音通信模式下當接收端解調出的信號為噪聲或SINAD(信號-噪聲及失真比)很低時,靜噪處理電路能自動關斷話音通路,使用戶能夠有一個舒適的接聽效果,這項功能在很多通信場合十分重要。如果話音靜噪問題處理不好,就會出現話音時斷時續,或噪音大刺耳,影響通信效果。

調頻(FM)和雙邊帶調幅(AM)話音通信[1]是最常用的一種話音通信方式,其中AM模式采用模擬包絡檢波法來解調話音,其實現比較容易,但其話音靜噪卻相對來說很難做好。目前隨著軟件無線電技術的發展,AM可和FM模式一起利用同一個數字下變頻通道,實現中頻數字化解調。相對于模擬解調技術來說,用中頻數字化解調的方法來實現話音靜噪處理比較靈活,其用于靜噪處理的可選用特征參數種類較多。但由于AM話音能量和載波能量受調制度的影響很大,與FM模式相比,AM話音靜噪處理難度要大得多。

本文從AM常用的話音靜噪處理方法入手,介紹了AM數字相干解調原理,提出了如何綜合利用相干解調獲取的多個參數來實現話音靜噪,最后通過工程應用來說明了本文所提出的話音靜噪綜合處理方法的有效性和實用性。

2 常用靜噪處理方法

常見的靜噪方式主要有導頻靜噪、噪聲檢測靜噪和載波檢測靜噪3種。導頻靜噪是通過檢測解調輸出的信號中是否存在導頻信號來控制靜噪,其抗干擾能力較強,但實現較為復雜,并且發射導頻時犧牲了部分功率。另外,它只能在同種類型的通信設備之間實現靜噪,所以限制了其使用范圍。噪聲靜噪是通過檢測鑒頻輸出的信號中話音頻率高端(如10 kHz處)的噪聲強度來控制靜噪,其電路調試較困難,靜噪開啟電平和回滯深度較難折衷,容易出現靜噪門不能正常打開和關閉的現象,通用性較差。載波靜噪是通過檢測接收到的射頻信號中載波的強度來控制靜噪,當出現窄帶干擾或信號較小時,容易出現誤靜噪[2]。

上述3種靜噪方式都沒有對話音信號進行檢測,所以在實際使用過程中可靠性不高,通用性較差。針對這個問題,根據AM信號的特性,本文提出了一種調制度識別+載波及音頻能量統計的綜合判決靜噪方法。采用這一方法,實時準確地判斷出其調制度是關鍵。當調制度識別出來后,其靜噪門限可根據識別結果相應地加以調整和補償,這樣就可以實現不同調制度下話音打開、關斷的平穩性,避免話音時斷時續等現象出現。

3 AM解調及靜噪原理

AM的解調采用相干解調技術來實現,其解調原理如下所述。

假設輸入AM音頻信號為 vΨ,調制后信號為vΨcos(ωct),本地載波信號為 Bcos(ω′t)(其中 B 為常量),輸入信號與本地載波正交相乘,即:

如果調制載波 ωc和本地載波 ω′相等,那么式(1)就等于 vΨBcos(0),即等于 BvΨ。

其中,本地信號 Bcos(ω′t)載波由Costas載波跟蹤環來提取,當載波鎖定時 ωc=ω′。由前面算式可以看出,AM調制信號和本地載波進行正交相乘即可解調出音頻信號vΨ。

AM相干解調及話音后續處理原理圖如圖1所示。

圖1 AM信號相干解調及話音處理原理圖Fig.1 Coherent AM demodulation and tone processing method

在解調話音的同時,由載波跟蹤環還可以進行載波能量檢測,其和話音能量一起用于靜噪處理。在解調過程中,實時統計出載波能量和話音能量,設定一個靜噪門限,當載波能量和話音能量都大于相應的靜噪門限時,打開話音輸出;否則,如任一能量低于相應門限,則關斷話音輸出。該方法利用了載波和話音兩者特征[3]。

當然,傳統的AM話音靜噪處理還有別的方法,比如直接通過話音信噪比來靜噪:如果解調輸出的話音信號信噪比低于相應門限就關斷話音輸出,否則打開話音輸出。在實際應用中,很多我們不希望收聽的信號,如干擾載波、某些低速率的數傳信號等,其解調后獲得的信號信噪比很多時候都超過設定門限,造成這些噪音不能被有效關斷,然而如果用載波能量、話音能量、調制度等多參數來進行靜噪綜合處理,就能很好地解決這些問題。本文介紹的是載波能量+語音能量+調制度判別的一種靜噪綜合處理方法。

4 調制度判別實現

設AM的載波信號vc=Vcmcosωct,調制信號 vΨ=VΨmcos Ψ t,則調制后的信號為

如圖2所示,AM信號的調制度Ma為

圖2 AM信號示意圖Fig.2 AM signal

由式(2)可知,當調制度Ma增大時,調制信號vΨ幅度峰-峰值變大,其能量也相應增大,同時其載波Vcm將相應被抑止,載波能量變小;相反,當調制度Ma減小時,調制信號vΨ幅度峰-峰值變小,其能量也相應變小,同時其載波能量會相應變大。在實際AM話音通信中,調制度是不斷變化的,相應地解調獲取的載波能量和話音能量也不斷變化,因此很難設定一個較好的門限來實現AM靜噪功能。

要解決AM話音靜噪問題,最好的辦法就是首先判斷出信號的調制度,然后再根據不同的調制度來自適應實時調整相應靜噪門限。

AM調制度是調制信號功率和載波信號功率之比的平方根,通過在頻譜上計算載波信號功率和調制信號功率[4],即可計算出AM信號的調制度。找出頻譜中的最大值,該最大值為AM信號的載波功率Pc,再找出第二峰值,該峰值為單邊帶功率Ps(見AM調制信號的頻譜圖3),根據AM信號的調制度的公式即可得到AM信號的調制度。

圖3 AM信號的頻譜圖Fig.3AM signal frequency spectrum

采用上述AM調制度計算方法,需要在頻域進行,即首先進行快速傅里葉變換(FFT)變換,這會大大增加FPGA資源開銷,同時相應增加硬件平臺功耗,降低設備的可靠性。另外,在實際應用中,當接收信號處于強干擾環境下時,計算出的Pc和Ps波動都很大(如圖4所示),直接用這兩個變量來判斷出調制度大小很不可靠。

圖4 強干擾環境下的 Pc和PsFig.4 Pcand Psin strong interfered environment

事實上,如圖1所示,在數字相干解調過程中已經獲得了載波能量和話音能量,根據AM信號調制度大小與載波能量成反比、與音頻能量成正比的特征,將AM信號載波及音頻的特征結合起來,并把該特征放大處理,就相對容易判斷出調制度的大小,即:令統計出載波能量為Ac,話音能量為Ad,K為話音能量與載波能量的加權比,那么

其中,α和β為加權系數。

當α>1且β<1時,AM的調制度特性被放大,同時K值在強干擾環境下波動也更小,這樣我們就可以較容易根據K的大小分辨出AM調制度大致大小。基于此,我們可先將不同調制度下的K值測試出并保存在一張表中。在話音正常工作時,根據實時測出的K值,查找該表,就可馬上判斷出當前AM話音的調制度。這種方法簡單有效且可靠,同時還不會額外增加很多FPGA的開銷。

5 在工程中的應用

在某工程中,話音解調采用中頻數字化相干解調法。輸入中頻信號經高速AD帶通采樣將模擬信號轉變成數字信號后送入后端的Xilinx FPGA中,由FPGA完成數字下變頻、載波提取和載波能量統計、相干解調、話音濾波、話音能量統計、調制度判別和靜噪綜合處理等收端全部信號處理任務。話音解調和靜噪實現原理如圖5所示。

圖5 話音靜噪處理應用原理圖Fig.5 The application of quieting tone method

該工程通信設備的話音靜噪采用多參數綜合處理法,在未加AM調制度判別和靜噪門限自適應補償前,經常會出現話音時斷時續和某些強噪音不能被有效關斷狀態,嚴重影響了設備的話音通信性能。

這個問題的根本原因在于AM的載波能量和音頻能量受其調制度影響很大。根據調制度與解調出的載波能量及音頻能量關系,采用本文第4節所述判別原理實時有效地判別出AM調制度,然后再根據當前調制度,自適應調整靜噪門限,從而獲得一個穩定的靜噪處理結果。在正常話音通信時,不再出現時斷時續和某些特殊的噪音信號不能被關斷現象,有效解決了由于靜噪引起的話音通信質量問題。

6 結束語

由于AM信號自身的特點,其話音靜噪處理是一個難題。本文采用的調制度識別結合載波及語音能量綜合處理方法,在增加很小FPGA資源開銷情況下,有效地解決了工程中遇到的AM話音靜噪問題,具有很好的實用性和良好的應用價值。

[1]曹志剛,錢亞生.現代通信原理[M].北京:清華大學出版社,2006.CAO Zhi-gang,QIAN Ya-sheng.Modern Communication Principle[M].Beijing:Tsinghua University Press,2006.(in Chinese)

[2]鄭寧,陳恩慶,馬鵬閣,等.基于TMS320F2812的短波電臺語音處理系統設計[J].通信技術,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調制度判別原理及其在話音靜噪處理中的應用[J].測控技術,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.