中電防務(wù)科技有限公司：鄧力 毛日軍 吳冬林

1.引言

軟件無(wú)線電在軍事領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。例如在軍用短波電臺(tái)中的接收機(jī)模塊中大量地應(yīng)用了軟件無(wú)線電的相關(guān)技術(shù)，極大地拓展了短波電臺(tái)的功能和性能。例如通過將基帶信號(hào)處理的模塊化技術(shù)，與模擬射頻隔離提高了短波電臺(tái)的抗干擾性。可通過加載軟件升級(jí)，靈活地增加軟件的功能。嵌入式平臺(tái)的應(yīng)用可方便軟件調(diào)試，縮短研發(fā)周期，加快產(chǎn)品研制進(jìn)度。軟件無(wú)線電不僅在軍事產(chǎn)品廣泛使用，在民用領(lǐng)域有應(yīng)用，例如人工智能和物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域。

與傳統(tǒng)的無(wú)線電系統(tǒng)相比，軟件無(wú)線電主要分為基帶信號(hào)處理，上下變頻，濾波和模擬射頻幾個(gè)主要部分?；鶐盘?hào)處理主要由DSP和FPGA芯片及外圍電路完成，主要完成的工作是數(shù)字頻率合成，信源編解碼和調(diào)制解調(diào)等工作。通過AD信號(hào)將數(shù)字信號(hào)模擬化并送到前端將信號(hào)通過功率放大發(fā)射出去。軟件無(wú)線電可用過DSP或FPGA加載算法，實(shí)時(shí)地配制波形，可靈活地實(shí)現(xiàn)話音編解碼，算法優(yōu)化，加解密等功能。在傳統(tǒng)的無(wú)線電系統(tǒng)中，信號(hào)失真容易造成話音失真，影響電臺(tái)收聽質(zhì)量。例如在射頻信號(hào)電路中存在相位噪聲，溫度漂移，諧波及互調(diào)熱噪聲等干擾。這些問題長(zhǎng)期困擾設(shè)計(jì)人員。通過專用的DSP信號(hào)處理模塊對(duì)并可對(duì)工作頻率、系統(tǒng)頻寬、調(diào)制方式、信源編碼等進(jìn)行編程控制，大大提高了系統(tǒng)的性能。

2.數(shù)字化接收機(jī)應(yīng)用特點(diǎn)

數(shù)字化接收機(jī)技術(shù)應(yīng)用廣泛。在通信、雷達(dá)、導(dǎo)航系統(tǒng)、電子對(duì)抗系統(tǒng)、敵我識(shí)別系統(tǒng)、收音機(jī)中都有其身影。特別是在短波數(shù)字化接收機(jī)領(lǐng)域中得到了更深的應(yīng)用。

目前，短波數(shù)字化接收機(jī)，廣泛應(yīng)用于民航、海事、岸臺(tái)、陸地臺(tái)站通信等，是短波通信系統(tǒng)值班收聽的常備設(shè)備。世紀(jì)芯在通信發(fā)射與接收設(shè)備領(lǐng)域的反向研究成果顯著，目前已成功實(shí)現(xiàn)整套克隆的產(chǎn)品多達(dá)數(shù)百款，其中部分產(chǎn)品還根據(jù)客戶個(gè)性化需求或?qū)嶋H應(yīng)用的需要進(jìn)行了二次開發(fā)，產(chǎn)品在投入使用后，收到了良好的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。

數(shù)字化接收機(jī)的優(yōu)點(diǎn)：（1）模擬電路容易受溫度的影響，而數(shù)字電路減少了溫漂、增益不穩(wěn)定、原信號(hào)失真等現(xiàn)象的發(fā)生。(2)數(shù)字化接收機(jī)不經(jīng)過視頻檢波器，在中頻時(shí)采波，所以能夠接收更多的信息。(3)數(shù)字化接收機(jī)不僅具有可編程的功能，而且在多通道系統(tǒng)中，數(shù)字化接收機(jī)的各通道之間不受干擾、體積小、集成度高。(4)數(shù)字化接收機(jī)軟件可拓展性好，能夠靈活地加載相應(yīng)的靜噪降噪算法，以滿足對(duì)客戶對(duì)指標(biāo)的苛刻要求。

3.接收機(jī)噪聲的來(lái)源分析

眾所周知，電子設(shè)備中廣泛存在噪聲。在數(shù)字接收機(jī)中包含了電阻，電容，放大器，混頻器，AD/DA，天線等器件。這些器件都來(lái)帶來(lái)熱噪聲進(jìn)而影響話音信號(hào)的質(zhì)量。而外部的噪聲干擾例如宇宙射線，電離層干擾都會(huì)通過電臺(tái)天線傳到接收機(jī)內(nèi)部。如果有用信號(hào)強(qiáng)度比噪聲信號(hào)高很多，噪聲的有害影響不明顯可以忽略不計(jì)。但當(dāng)信號(hào)很微弱時(shí)，例如機(jī)載短波電臺(tái)遠(yuǎn)距通信時(shí)，信號(hào)強(qiáng)度通常小于100DBm，此時(shí)有用信號(hào)與疊加在上面的噪聲強(qiáng)度相比擬時(shí)，解調(diào)出的語(yǔ)音信號(hào)有很強(qiáng)的背景噪聲，有時(shí)甚至淹沒在噪聲里。因此對(duì)于接收機(jī)的降噪靜噪研究非常重要。接收機(jī)噪聲越大，靈敏度就越低。

4.數(shù)字化接收機(jī)幾種靜噪、降噪的路徑

4.1 數(shù)字化接收機(jī)中靜噪算法分析及DSP實(shí)現(xiàn)

數(shù)字化接收機(jī)通常采用SSB、AM、FM等解調(diào)方式，在FM解調(diào)方式下，良好的靜噪性能通常是衡量接收機(jī)性能的重要指標(biāo)。比較了幾種常用的靜噪算法，重點(diǎn)提出了一種改進(jìn)的基于音頻頻譜特性的靜噪算法，并完成了算法的DSP實(shí)現(xiàn)和性能分析。通過仿真和實(shí)際試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析表明，該算法計(jì)算簡(jiǎn)單，便于DSP實(shí)現(xiàn)，可靠性高，適合數(shù)字化接收機(jī)使用。

4.2 數(shù)字化接收機(jī)內(nèi)人聲信號(hào)自動(dòng)靜噪的系統(tǒng)及方法

某數(shù)字化接收機(jī)內(nèi)人聲信號(hào)自動(dòng)靜噪的系統(tǒng)及方法，包括第一信號(hào)輸入模塊、模擬信道模塊、ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換器模塊、DDC下變頻模塊、數(shù)字信號(hào)處理模塊和數(shù)據(jù)輸出模塊，其中，（1）模擬信道模塊，用于將第一信號(hào)輸入模塊接收到的信號(hào)進(jìn)行放大、混頻和濾波，將需要的信號(hào)頻段濾出，并混頻至頻率點(diǎn)；（2）ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換器模塊，用于將模擬信道模塊濾出的有用信號(hào)頻段進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換；（3）DDC下變頻模塊，用于將ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換器模塊轉(zhuǎn)換的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行數(shù)字下變頻處理；（4）數(shù)字信號(hào)處理模塊，用于完成信號(hào)數(shù)據(jù)的相關(guān)算法處理；（5）數(shù)據(jù)輸出模塊，用于將處理過的數(shù)據(jù)輸出。該方法能夠?qū)崿F(xiàn)接收機(jī)在無(wú)語(yǔ)音的情況下自動(dòng)靜噪的功能，有效的提高監(jiān)聽人員的聽感和監(jiān)聽的語(yǔ)音識(shí)別度，值得進(jìn)一步深入研究。

4.3 基于無(wú)線通訊技術(shù)的一種調(diào)頻信號(hào)靜噪方法、裝置

傳統(tǒng)的短波電臺(tái)由于硬件資源約束的原因功能單一，通常只有調(diào)頻，調(diào)幅和邊帶模擬化等簡(jiǎn)單功能。射頻信號(hào)通過短波天線進(jìn)入到內(nèi)部信號(hào)解調(diào)電路，將語(yǔ)音信號(hào)實(shí)時(shí)的通過耳機(jī)或喇叭播放出來(lái)。由于不能區(qū)分噪聲和話音，電臺(tái)長(zhǎng)時(shí)間的播放噪聲，這些噪聲會(huì)讓使用者感到疲勞。因此有必要設(shè)計(jì)一種語(yǔ)音端點(diǎn)檢測(cè)技術(shù)，將短波電臺(tái)接收到的話音和噪聲區(qū)分開來(lái)。當(dāng)未檢測(cè)出有效音頻時(shí)，將音頻輸出關(guān)閉。傳統(tǒng)的短波電臺(tái)是通過鑒頻后的音頻信號(hào)的帶外噪聲來(lái)決定是否有噪聲。一般通過經(jīng)驗(yàn)設(shè)定一個(gè)固定值，若收到的音頻帶外噪聲大于閾值，靜噪門限開啟，反之則關(guān)閉。由于模擬電路對(duì)于靜噪的判定精度依賴于電阻，電容及電感等元器件。元器件性能的離散性會(huì)影響無(wú)線接收機(jī)的靜噪性能。而基于軟件無(wú)線電的短波電臺(tái)通常只通過采取一些語(yǔ)音特征比如短時(shí)能量和過零率等特征值，將特征值與噪聲信號(hào)的閾值比較。在實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景中由于噪聲是非平穩(wěn)隨機(jī)信號(hào)且頻譜不斷變化使得對(duì)于話音的檢測(cè)誤差較大。實(shí)際使用效果不理想。因此考慮一種組合靜噪判決方法，應(yīng)用于短波電臺(tái)，提高噪聲判決的靈敏度，并降低靜噪期間的造成串?dāng)_。技術(shù)要點(diǎn)有主要有以下幾點(diǎn)：1，靜噪方法包括對(duì)音頻信號(hào)進(jìn)行采用獲取信號(hào)的強(qiáng)度，通過信號(hào)強(qiáng)度與預(yù)先設(shè)置的門限比較。若音頻信號(hào)幅度大于設(shè)置的門限則認(rèn)為有話音輸入，反之。2，通過計(jì)算一段時(shí)間的音頻信號(hào)的譜能量，并計(jì)算其相關(guān)性。與所設(shè)定的靜噪等級(jí)進(jìn)行比較。3，該短波電臺(tái)靜噪系統(tǒng)主要包括信號(hào)處理器、存儲(chǔ)器及AD/DA轉(zhuǎn)換器，射頻開關(guān)器件等。所述數(shù)字化軟件無(wú)線電平臺(tái)用于輸出經(jīng)靜噪處理和鑒頻后的音頻信號(hào)。

該方法主要用于短波電臺(tái)的數(shù)字化信號(hào)處理平臺(tái)，獲取數(shù)字信號(hào)的幅度，通過語(yǔ)音激活檢測(cè)技術(shù)判斷語(yǔ)音數(shù)據(jù)幀中是否包含語(yǔ)音信號(hào)。通常的做法是通過快速傅里葉變化（FFT）來(lái)過去語(yǔ)音信號(hào)的頻域信息，計(jì)算信號(hào)的短時(shí)能量。根據(jù)語(yǔ)音增強(qiáng)理論與實(shí)踐基礎(chǔ)表明在高信噪比（SNR）下，語(yǔ)音片段的短時(shí)能量（STE）相對(duì)較大，而過零率（ZCC）相對(duì)較?。欢钦Z(yǔ)音片段的STE相對(duì)較小，但是ZCC相對(duì)較大。因?yàn)檎Z(yǔ)音信號(hào)能量絕大部分包含在低頻帶內(nèi)，而噪音信號(hào)通常能量較小且含有較高頻段的信息。

4.4 降低接收機(jī)噪聲系數(shù)的方法

在短波電臺(tái)的聲碼話和數(shù)傳模式使用中對(duì)于信噪比（SNR）有著最低要求，高SNR意味著語(yǔ)音質(zhì)量更高和數(shù)傳數(shù)據(jù)包成功率更高。因此對(duì)于數(shù)字化信號(hào)處理中，越低的信噪比意味著通信質(zhì)量更高。在數(shù)字通信理論中SNR的公式如下：

由上式可知，噪聲功率越小信噪比越高。

以某型短波電臺(tái)為例，若降低接收信號(hào)中包含的寬帶噪聲，具體做法如下：

1）通過在射頻前端增加諧波濾波器，濾除帶外噪聲對(duì)電臺(tái)內(nèi)部電路的干擾。2）在接收放大模塊中使用GaAs工藝的低噪聲放大器進(jìn)一步放大信號(hào)強(qiáng)度。3）前置中頻放大器，將來(lái)自混頻器的中頻信號(hào)進(jìn)行放大，將輸入到接收放大模塊中的噪聲影響降到最小。

由于外部噪聲存在隨機(jī)性，廣泛存在于宇宙環(huán)境中，這種噪聲屬于隨機(jī)信號(hào)，只能通過統(tǒng)計(jì)學(xué)理論知識(shí)將其特性進(jìn)行歸納?？梢圆捎米赃m應(yīng)數(shù)字濾波器對(duì)噪聲進(jìn)行消除。降低短波電臺(tái)內(nèi)部噪聲由短波電臺(tái)內(nèi)部級(jí)聯(lián)電路總噪聲公式可知，要使短波電臺(tái)接收的總噪聲系數(shù)小，就要求各級(jí)模塊噪聲系數(shù)小而增益大，因?yàn)楦骷?jí)模塊噪聲的影響并不相同，級(jí)數(shù)越靠前對(duì)總噪聲系數(shù)的影響越大。

無(wú)源器件在射頻前端中是必不可少的。無(wú)源器件在電路中位置的不同，其對(duì)射頻前端噪聲系數(shù)的影響也不同。饋源饋線產(chǎn)生一定損耗，因此采用低損耗的饋源饋線部件，同時(shí)采用匹配電路連接；選用功率增益大、噪聲系數(shù)低的高頻放大器，比如GaAs工藝的低噪聲放大器；混頻器的噪聲系數(shù)通常等于其變頻損耗，采用鏡像抑制混頻器、雙平衡混頻器或者低變頻損耗的砷化鎵肖特基混頻二極管，降低混頻器輸出的中頻噪聲；中頻放大器一般分為前中放和主中放部分，采用共射-共基極級(jí)聯(lián)電路或共陰-共柵極級(jí)聯(lián)電路；選擇合適的工作帶寬及降低接收機(jī)工作溫度。

在無(wú)線接收機(jī)中，對(duì)于帶噪信號(hào)采用語(yǔ)音增強(qiáng)中合適的信號(hào)統(tǒng)計(jì)模型能從帶噪信號(hào)中提供原始話音信號(hào)，從而進(jìn)一步降低信號(hào)的噪聲，從而在復(fù)雜多變的環(huán)境中提取純凈的語(yǔ)音信號(hào)。在語(yǔ)音增強(qiáng)理論與實(shí)踐中提到給定一組基于未知參數(shù)的測(cè)量值，基于這些測(cè)試值找出相關(guān)的未知參數(shù)的非線性估計(jì)器。例如在實(shí)際應(yīng)用中，測(cè)試量為一組帶噪聲的DFT系數(shù)，進(jìn)而得到相關(guān)參數(shù)是純凈信號(hào)的DFT系數(shù)，降低噪聲系數(shù)，可使用包括最大似然估計(jì)和Bayesian估計(jì)的統(tǒng)計(jì)學(xué)方法。

為了便于模型建模，對(duì)測(cè)量信號(hào)、估計(jì)信號(hào)、噪聲信號(hào)做簡(jiǎn)化處理，滿足以下三個(gè)條件1，語(yǔ)音信號(hào)和噪聲信號(hào)相互獨(dú)立；2，噪聲隨機(jī)過程是穩(wěn)定狀態(tài)；3，噪聲為高斯白噪聲。例如在基于MMSE估計(jì)器的算法中，可從已知帶噪信號(hào)中提取信號(hào)幅度，使其估計(jì)幅度和實(shí)際幅度的均方差最小，進(jìn)一步降低噪聲幅度，提高信噪比。

在實(shí)際算法實(shí)現(xiàn)中，可以通過無(wú)線接收機(jī)中的DSP數(shù)字信號(hào)處理器得到帶噪聲的幅度值序列Y，假設(shè)其期望值為p(Y;Xk)，根據(jù)貝葉斯MSE的原理可求得關(guān)于的最小值。

通過對(duì)上式的進(jìn)一步簡(jiǎn)化處理可得到語(yǔ)音的增強(qiáng)系數(shù)，在DSP處理器中可得到帶噪信號(hào)Y，通過純凈噪聲信號(hào)方差，并結(jié)合后驗(yàn)SNR可計(jì)算得到增強(qiáng)系數(shù)H。

上式中X即為降噪后的語(yǔ)音信號(hào)。

5.結(jié)束語(yǔ)

總之，噪聲對(duì)接收機(jī)的影響是不可抑制的，平時(shí)的設(shè)計(jì)過程中需要充分了解噪聲產(chǎn)生的原因和作用機(jī)理，并采取有效的電路設(shè)計(jì)方法、技術(shù)措施等來(lái)頂大地消除、降低噪聲。