李燕斌

(中國西南電子技術(shù)研究所,成都610036)

1 引 言

話音靜噪是指在話音通信模式下當(dāng)接收端解調(diào)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(guān)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(xiàn)話音時斷時續(xù),或噪音大刺耳,影響通信效果。

調(diào)頻(FM)和雙邊帶調(diào)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(luò)檢波法來解調(diào)話音,其實(shí)現(xiàn)比較容易,但其話音靜噪?yún)s相對來說很難做好。目前隨著軟件無線電技術(shù)的發(fā)展,AM可和FM模式一起利用同一個數(shù)字下變頻通道,實(shí)現(xiàn)中頻數(shù)字化解調(diào)。相對于模擬解調(diào)技術(shù)來說,用中頻數(shù)字化解調(diào)的方法來實(shí)現(xiàn)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(shù)種類較多。但由于AM話音能量和載波能量受調(diào)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(shù)字相干解調(diào)原理,提出了如何綜合利用相干解調(diào)獲取的多個參數(shù)來實(shí)現(xiàn)話音靜噪,最后通過工程應(yīng)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(shí)用性。

2 常用靜噪處理方法

常見的靜噪方式主要有導(dǎo)頻靜噪、噪聲檢測靜噪和載波檢測靜噪3種。導(dǎo)頻靜噪是通過檢測解調(diào)輸出的信號中是否存在導(dǎo)頻信號來控制靜噪,其抗干擾能力較強(qiáng),但實(shí)現(xiàn)較為復(fù)雜,并且發(fā)射導(dǎo)頻時犧牲了部分功率。另外,它只能在同種類型的通信設(shè)備之間實(shí)現(xiàn)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(qiáng)度來控制靜噪,其電路調(diào)試較困難,靜噪開啟電平和回滯深度較難折衷,容易出現(xiàn)靜噪門不能正常打開和關(guān)閉的現(xiàn)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(qiáng)度來控制靜噪,當(dāng)出現(xiàn)窄帶干擾或信號較小時,容易出現(xiàn)誤靜噪[2]。

上述3種靜噪方式都沒有對話音信號進(jìn)行檢測,所以在實(shí)際使用過程中可靠性不高,通用性較差。針對這個問題,根據(jù)AM信號的特性,本文提出了一種調(diào)制度識別+載波及音頻能量統(tǒng)計的綜合判決靜噪方法。采用這一方法,實(shí)時準(zhǔn)確地判斷出其調(diào)制度是關(guān)鍵。當(dāng)調(diào)制度識別出來后,其靜噪門限可根據(jù)識別結(jié)果相應(yīng)地加以調(diào)整和補(bǔ)償,這樣就可以實(shí)現(xiàn)不同調(diào)制度下話音打開、關(guān)斷的平穩(wěn)性,避免話音時斷時續(xù)等現(xiàn)象出現(xiàn)。

3 AM解調(diào)及靜噪原理

AM的解調(diào)采用相干解調(diào)技術(shù)來實(shí)現(xiàn),其解調(diào)原理如下所述。

假設(shè)輸入AM音頻信號為 vΨ,調(diào)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(diào)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(huán)來提取,當(dāng)載波鎖定時 ωc=ω′。由前面算式可以看出,AM調(diào)制信號和本地載波進(jìn)行正交相乘即可解調(diào)出音頻信號vΨ。

AM相干解調(diào)及話音后續(xù)處理原理圖如圖1所示。

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

在解調(diào)話音的同時,由載波跟蹤環(huán)還可以進(jìn)行載波能量檢測,其和話音能量一起用于靜噪處理。在解調(diào)過程中,實(shí)時統(tǒng)計出載波能量和話音能量,設(shè)定一個靜噪門限,當(dāng)載波能量和話音能量都大于相應(yīng)的靜噪門限時,打開話音輸出;否則,如任一能量低于相應(yīng)門限,則關(guān)斷話音輸出。該方法利用了載波和話音兩者特征[3]。

當(dāng)然,傳統(tǒng)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(diào)輸出的話音信號信噪比低于相應(yīng)門限就關(guān)斷話音輸出,否則打開話音輸出。在實(shí)際應(yīng)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(shù)傳信號等,其解調(diào)后獲得的信號信噪比很多時候都超過設(shè)定門限,造成這些噪音不能被有效關(guān)斷,然而如果用載波能量、話音能量、調(diào)制度等多參數(shù)來進(jìn)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(diào)制度判別的一種靜噪綜合處理方法。

4 調(diào)制度判別實(shí)現(xiàn)

設(shè)AM的載波信號vc=Vcmcosωct,調(diào)制信號 vΨ=VΨmcos Ψ t,則調(diào)制后的信號為

如圖2所示,AM信號的調(diào)制度Ma為

圖2 AM信號示意圖Fig.2 AM signal

由式(2)可知,當(dāng)調(diào)制度Ma增大時,調(diào)制信號vΨ幅度峰-峰值變大,其能量也相應(yīng)增大,同時其載波Vcm將相應(yīng)被抑止,載波能量變小;相反,當(dāng)調(diào)制度Ma減小時,調(diào)制信號vΨ幅度峰-峰值變小,其能量也相應(yīng)變小,同時其載波能量會相應(yīng)變大。在實(shí)際AM話音通信中,調(diào)制度是不斷變化的,相應(yīng)地解調(diào)獲取的載波能量和話音能量也不斷變化,因此很難設(shè)定一個較好的門限來實(shí)現(xiàn)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(diào)制度,然后再根據(jù)不同的調(diào)制度來自適應(yīng)實(shí)時調(diào)整相應(yīng)靜噪門限。

AM調(diào)制度是調(diào)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(diào)制信號功率[4],即可計算出AM信號的調(diào)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(diào)制信號的頻譜圖3),根據(jù)AM信號的調(diào)制度的公式即可得到AM信號的調(diào)制度。

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

采用上述AM調(diào)制度計算方法,需要在頻域進(jìn)行,即首先進(jìn)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(yīng)增加硬件平臺功耗,降低設(shè)備的可靠性。另外,在實(shí)際應(yīng)用中,當(dāng)接收信號處于強(qiáng)干擾環(huán)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(diào)制度大小很不可靠。

圖4 強(qiáng)干擾環(huán)境下的 Pc和PsFig.4 Pcand Psin strong interfered environment

事實(shí)上,如圖1所示,在數(shù)字相干解調(diào)過程中已經(jīng)獲得了載波能量和話音能量,根據(jù)AM信號調(diào)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(jié)合起來,并把該特征放大處理,就相對容易判斷出調(diào)制度的大小,即:令統(tǒng)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(quán)比,那么

其中,α和β為加權(quán)系數(shù)。

當(dāng)α>1且β<1時,AM的調(diào)制度特性被放大,同時K值在強(qiáng)干擾環(huán)境下波動也更小,這樣我們就可以較容易根據(jù)K的大小分辨出AM調(diào)制度大致大小?；诖?我們可先將不同調(diào)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(jù)實(shí)時測出的K值,查找該表,就可馬上判斷出當(dāng)前AM話音的調(diào)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(yīng)用

在某工程中,話音解調(diào)采用中頻數(shù)字化相干解調(diào)法。輸入中頻信號經(jīng)高速AD帶通采樣將模擬信號轉(zhuǎn)變成數(shù)字信號后送入后端的Xilinx FPGA中,由FPGA完成數(shù)字下變頻、載波提取和載波能量統(tǒng)計、相干解調(diào)、話音濾波、話音能量統(tǒng)計、調(diào)制度判別和靜噪綜合處理等收端全部信號處理任務(wù)。話音解調(diào)和靜噪實(shí)現(xiàn)原理如圖5所示。

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

該工程通信設(shè)備的話音靜噪采用多參數(shù)綜合處理法,在未加AM調(diào)制度判別和靜噪門限自適應(yīng)補(bǔ)償前,經(jīng)常會出現(xiàn)話音時斷時續(xù)和某些強(qiáng)噪音不能被有效關(guān)斷狀態(tài),嚴(yán)重影響了設(shè)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(diào)制度影響很大。根據(jù)調(diào)制度與解調(diào)出的載波能量及音頻能量關(guān)系,采用本文第4節(jié)所述判別原理實(shí)時有效地判別出AM調(diào)制度,然后再根據(jù)當(dāng)前調(diào)制度,自適應(yīng)調(diào)整靜噪門限,從而獲得一個穩(wěn)定的靜噪處理結(jié)果。在正常話音通信時,不再出現(xiàn)時斷時續(xù)和某些特殊的噪音信號不能被關(guān)斷現(xiàn)象,有效解決了由于靜噪引起的話音通信質(zhì)量問題。

6 結(jié)束語

由于AM信號自身的特點(diǎn),其話音靜噪處理是一個難題。本文采用的調(diào)制度識別結(jié)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(shí)用性和良好的應(yīng)用價值。

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