基带语音信号通讯噪声抑制方法及系统与流程

本发明涉及一种基带语音信号通讯噪声抑制方法及系统。

背景技术：

如图1所示，短波通信是指利用波长为100～10m(频率为3～30MHz)的电磁波为传播载体、以大气电离层为中继系统进行的无线电通信。由于通信信道的非理想性，短波信号在传播的过程中会受到白噪声、多径效应、多普勒频移等多种畸变的影响。多径效应和多普勒频移对信号的畸变，可以通过时域和频域的均衡处理进行补偿。白噪声对信号的影响通常采用滤波技术予以削弱。但是，由于短波通信传播距离很远，因此信号叠加的噪声比其它通信方式更大。本发明将消除叠加于信号的白噪声作为主要研究目标，并假设多径和频移效应均已被理想均衡。人的语音频率范围约在0～3400Hz以内，被称为基带语音信号。基带语音信号需要调制到短波频率才能通过电磁波在短波信道传播。如图2所示，基带语音信号的短波通信一般包括发送端处理、信道畸变和接收端处理三个部分。发送端将基带语音信号调制到短波频段并通过天线发射。信道对信号叠加噪声和畸变效应。接收端通过天线接收射频信号，将其解调为基带语音信号，再通过低通滤波处理滤除基带语音信号带外噪声。图3是图2的等效基带原理示意图。

图4显示了基带语音信号在各处理阶段的时域和频域变化过程。假设s(t)为原始基带语音信号的时域表现形式，S(f)是其频域表现形式，f₀是基带语音信号截止频率(f₀＝3400Hz)。信号在信道叠加白噪声后，由于白噪声的宽频谱特性，频域出现带外频谱延展和带内频谱波动，时域出现显著的幅度和相位波动。叠加噪声信号经过低通滤波后，频域带外噪声被基本滤除，但带内噪声依然存在，时域信号仍然存在较大的幅度和相位波动。由于带内噪声在频域和时域均与语音信号无法分离，这种幅度波动导致人耳听到刺耳噪音，语音信号的可懂度大大下降。

技术实现要素：

针对上述问题，本发明提供一种降低通信过程中的噪音的通信噪声抑制方法。

为达到上述目的，本发明通讯噪声抑制方法，包括发射端处理和接收端处理；

所述发射端处理包括：

将语音基带信号的频带划分为语音信号高频子带和语音信号低频子带；

提取语音信号的包络，依据所述包络计算发射增益系数曲线，将发射增益系数曲线进行调频处理，得到信号频率在高频子带的频率范围内的调频信号；

将语音信号进行低通处理，依据所述发射增益系数曲线对语音信号进行增益处理，得到信号频率在低频子带的频率范围内的恒幅信号；

将恒幅信号和调频信号求和，将求和后的信号送入信道进行传输；

所述接收端处理包括：

将接收的信号进行低通滤波得到恒幅信号，将接收的信号进行带通滤波得到调频信号；

将调频信号进行解调频，得到接收增益系数曲线；依据接收增益系数曲线恢复语音信号。

进一步地，增益处理的过程如下：

S1将语音信号进行分帧处理，获取各帧语音信号的最大幅值，得到语音信号的包络；

S2将预定的恒定幅值与各帧语音信号的包络进行商运算，得到增益系数；

S3将各帧语音信号的增益系数拟合成发射增益系数曲线；将语音信号与发射增益系数曲线相乘得到恒幅信号。

进一步地，恢复语音信号的处理过程如下：

S1将调频信号乘以一对正交载波，产生移频的复信号；

S2将所述复信号进行低通滤波得到低通信号；

S3将所述低通信号进行差分处理得到差分信号；用差分信号的两路信号进行求模值计算，得到的差分信号幅值的绝对值；将差分信号的两路信号进行矢量叉乘计算，得到差分信号幅值的符号；将差分信号幅值的绝对值与符号相乘，得到还原信号的幅值；

S4对还原信号的幅值进行分帧处理，对每一帧的幅值求平均幅值；将各帧的平均幅值拟合成一条曲线，得到接收增益系数曲线；

S5将恒幅信号除以接收增益系数曲线，得到接收端语音信号。

进一步地，在对语音信号增益处理前，对发射增益系数曲线进行归一化处理；在恒幅信号除以接收增益系数曲线之前，对接收增益系数曲线进行反归一化处理。

进一步地，在对语音信号增益处理前，将发射增益系数曲线进行对数映射；在还原信号的恒幅信号除以接收增益系数曲线之前，对接收增益系数进行指数映射。

进一步地，所述增益系数曲线的拟合方法如下：

获取当前帧增益系数、前一帧增益系数和后一帧增益系数；

在当前帧的增益系数和前一帧的增益系数中间插入当前帧增益系数和前一帧增益系数的平均值，作为第一插入系数；在当前帧增益系数和后一帧增益系数的中间插入当前帧增益系数和后一帧增益系数的平均值，作为第二插入系数；

在前一帧增益系数、第一插入系数、当前帧增益系数、第二插入系数以及后一帧增益系数相邻两系数之间通过最小二乘曲线拟合算法插入若干差值。

本发明通信噪声抑制方法提出噪声抑制基带语音压扩机制。由于语音信号的低频包络对语音可懂度有较大影响，语音信号的高频段对语音可懂度的影响较小。基带语音压扩机制的基本原理是利用专门频带承载语音包络信号，增强语音包括的抗噪性能。该机制滤除影响较小的语音信号高频段，并用空闲出的高频段承载语音包络的调频信号，用频带带宽换取语音信号幅度的强抗噪效果。

如图5所示，这一技术的信号变换过程是：在发送端，把语音基带信号的频带划分成两个子带。对原始语音信号做低通处理和自动增益控制(AGC)，得到的信号放在低频子带内传输。其中，AGC的功能是对有声段信号做幅度压缩处理而对无声段信号做幅度扩张处理，从而使信号幅度接近一致，动态范围变小。由于语音信号包络属于语音信号的缓变成分，占据语音信号频谱的低频段，因而须对语音信号的包络做调频处理，并放在高频子带内进行传输。在接收端，根据包络调频信号提取语音包络，并根据包络对低通恒幅语音信号进行波形恢复。语音波形恢复是AGC的逆过程。由于无声段信号被压缩而有声段信号被扩张，无声段的噪声得到充分的抑制，有声段的噪声则被语音信号掩盖，从而得到比较好的语音可懂度。

针对上述问题，本发明提供一种降低通信过程中的噪音的基带语音信号通讯噪声抑制系统。

为达到上述目的，本发明通讯噪声抑制系统，包括发射装置和接收装置；

所述发射装置包括：

一信号包络提取模块：用于提取语音信号的包络并将提取的包络发送给运算模块和调频模块；

一调频模块：用于将所述包络进行调频成为频率在语音信号高频子带范围内的调频信号，并将调频信号输出到相加模块；

一低通滤波器：用于将语音信号中频率在语音信号高频子带的频率范围内的高频语音信号滤除，并将语音信号中频率在语音信号低频子带的频率范围内的低频语音信号输出到自动增益控制模块；

一发射运算模块：用于依据所述包络计算增益系数并将各增益系数拟合成发射增益系数曲线，并将发射增益系数曲线输出到自动增益控制模块；

一自动增益控制模块：用于将低频语音信号依据发射增益系数曲线调整成为恒幅信号，并将恒幅信号输出到相加模块；

一相加模块：用于将调频信号和恒幅信号相加；

所述接收装置包括：

一低通滤波器：用于将接收的信号进行滤波以得到恒幅信号，并将恒幅信号输出到接收运算模块；

一带通滤波器：用于将接收的信号进行滤波以得到调频信号，并将得到的调频信号输出到解调频模块；

一解调频模块：用于将调频信号解调频以得到接收增益系数曲线，并将接收增益系数曲线输出到接收运算模块；

一接收运算模块：用于依据接收增益系数曲线将恒幅信号恢复成语音信号。

进一步地，所述解调频模块包括：

一移频器：用于将低通滤波器输出的恒幅信号进行移频以得到移频信号，并将移频信号输出到解调频低通滤波器；

一解调频低通滤波器：用于将移频信号的高频分量滤除已得到低频分量，并将低频分量输出到解调频运算器；

一解调频运算器：用于依据低频分量计算还原信号幅值，并将各帧的信号幅值拟合成接受增益系数曲线。

进一步地，所述发射运算模块包括一归一化运算器，用于将发射增益系数曲线进行归一化运算；所述解调频模块包括一反归一化运算器，用于将接收增益系数曲线进行反归一化运算。

进一步地，所述发射运算模块包括一对数映射模块，用于将发射增益系数曲线进行对数映射；所述解调频模块包括一指数映射模块，用于将接收增益系数曲线进行指数映射。

本发明通信噪声抑制方法提出噪声抑制基带语音压扩机制。由于语音信号的低频包络对语音可懂度有较大影响，语音信号的高频段对语音可懂度的影响较小。基带语音压扩机制的基本原理是利用专门频带承载语音包络信号，增强语音包括的抗噪性能。该机制滤除影响较小的语音信号高频段，并用空闲出的高频段承载语音包络的调频信号，用频带带宽换取语音信号幅度的强抗噪效果。

如图5所示，这一技术的信号变换过程是：在发送端，把语音基带信号的频带划分成两个子带。对原始语音信号做低通处理和自动增益控制(AGC)，得到的信号放在低频子带内传输。其中，AGC的功能是对有声段信号做幅度压缩处理而对无声段信号做幅度扩张处理，从而使信号幅度接近一致，动态范围变小。由于语音信号包络属于语音信号的缓变成分，占据语音信号频谱的低频段，因而须对语音信号的包络做调频处理，并放在高频子带内进行传输。在接收端，根据包络调频信号提取语音包络，并根据包络对低通恒幅语音信号进行波形恢复。语音波形恢复是AGC的逆过程。由于无声段信号被压缩而有声段信号被扩张，无声段的噪声得到充分的抑制，有声段的噪声则被语音信号掩盖，从而得到比较好的语音可懂度。

附图说明

图1是实际通信过程的示意图；

图2是通信过程中的信号调制原理示意图；

图3为图2的等效基带原理示意图；

图4是传统远距离通信中基带语音信号的变化过程；

图5是本发明的通信噪声抑制方法中噪声抑制基带语音压扩机制发送端信号处理原理示意图；

图6是本发明通信噪声抑制方法中基带语音压扩机制原理框图；

图7是本发明通信噪声抑制方法中的增益系数曲线拟合示意图；

图8是本发明通信噪声抑制方法中的解调频过程框图；

图9是本发明通信噪声抑制方法中的语音压扩平台参数列表；

图10是本发明通信噪声抑制方法发送端和接收端的增益系数曲线的拟合对比示意图；

图11是本发明通信噪声抑制方法的原始语音信号示意图；

图12是本发明通信噪声抑制方法的预处理和叠加噪声后的信号示意图；

图13是本发明通信噪声抑制方法的恢复语音信号示意图；

图14是本发明通信噪声抑制方法的信噪比与其他处理方式信噪比的对比示意图。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明做进一步的描述。

实施例1

本实施例提供一种通信中噪声抑制方法的过程，本实施例中的通信噪声抑制方法的原理如图5所示，其具体的操作过程如图6所示；下面通过结果来说明本实施例的通信中噪声抑制方法的优势。

本实施例的通信中噪声抑制方法的过程主要包括如下步骤：

1、发送端低通滤波

原始语音信号的频带范围主要集中在(0～f₀)Hz。为预留语音包络信号传输频带，设计低通滤波器，对原始语音信号做低通滤波，使输出的语音信通带频率范围在(0～f₁)Hz，其中(f₁＜f₀)。

2、计算增益系数

这一模块以增益系数形式提取语音信号包络。首先，需要对语音信号按周期T做分帧处理。语音信号包络定义为各帧语音信号的最大幅值。a(nT)＝max|s(t)|,(n-1)T≤t＜nT；然后，计算增益系数。增益系数的定义为恒定幅值A与每帧包络值的商，即coef(nT)＝[A/a(nT)],n＝0,1,2,...N。

3、增益系数曲线拟合

由于语音信号的包络是一个连续变化的平滑曲线，这一模块使用曲线拟合算法构造出逼近真实包络的平滑曲线。一帧增益系数的拟合使用每连续三帧的增益系数，它们分别是：前一帧的增益系数、当前帧的增益系数和后一帧的增益系数。增益系数曲线拟合示意图如图7所示。为了使前后两帧拟合出来的曲线具有更好的连续性，在前两帧增益系数中间插入这二者的平均值，同样在后两帧增益系数中间插入这二者的平均值。其它增益系数插值利用最小二乘曲线拟合算法完成。

曲线拟合的原理和方法如下所述。问题可以归结为：设已知n个数据点(x_i,y_i)，其中(i＝0,1,……，n-1),求(m-1)次最小二乘拟合多项式：P_m-1(x)＝a₀+a₁x+a₂x²+...+a_m-1x^m-1；其中，m≤n且m≤20。

设拟合多项式为各正交多项式Q_j(x)(j＝0,1,......，m-1)的线性组合；P_m-1(x)＝c₀Q₀(x)+c₁Q₁(x)+...+c_m-1Q_m-1(x)，其中，Q_j(x)可以由以下递推公式来构造：

Q₀(x)＝1

Q₁(x)＝(x-α₁)

Q_j+1(x)＝(x-α_j+1)Q_j(x)-β_jQ_j-1(x),

j＝1,2,...,m-2

若设

则

β_j＝d_j/d_j-1,j＝0,1,...,m-2

可以证明，由上述递推构造的多项式函数组{Q_j(x)}(j＝0,1,...,m-1)是互相正交的。

根据最小二乘原理，可得

最后可以化成一般的m-1次多项式

P_m-1(x)＝a₀+a₁x+a₂x²+...+a_m-1x^m-1

经过曲线拟合，增益系数可拟合为近似连续曲线coef(t)。

4、自动增益控制(AGC)

将低通滤波输出的语音信号分别与它对应的增益系数相乘，可以得到幅值基本恒定在A的恒幅信号；s₁(t)＝s(t)*coef(t)。

5增益系数归一化

为了防止增益系数过小或过大，使调频信号带宽超出动态范围，在调制前需要对其做归一化处理。

6、增益系数调制

为了增强增益系数的抗噪效果，在调制前使用对数曲线对其进行映射，使增益系数值提高。对数曲线增益系数的形式为：coef'(t)＝lg[1+K*coef(t)]。

由于增益系数的重要性，需要对其提供单独的信道传输。本实施例采用(f₁～f₀)Hz频带对其进行调频传输，中心频率f_c0＝(f₀+f₁)/2。调频采取单边向上调频的方式：a_FM(t)＝A_FM*cos[2πf_c0t+2πk_f∫coef'(t)dt]。

7、求和

将低通恒幅信号和调频增益信号相加，送入信道传输。

相加方法表示如下：s₂(t)＝s₁(t)+a_FM(t)。

8、叠加噪声

在给定信噪比的情况下，利用信噪比公式可以计算出噪声的平均功率：SNR＝10*lg(P/δ²)。其中，P是信号平均功率；δ²是噪声平均功率。构造以0为均值、δ²为方差的随机数序列，作为高斯白噪声与信号序列叠加，产生叠加噪声的接收信号：s_δ(t)＝s₂(t)+δ²。

9、接收端低通滤波

在信号接收端，设计低通滤波器，从接收信号的(0～f₁)Hz频段提取恒幅信号s₁'(t)。

10接收端带通滤波

为了恢复出语音信号的原始包络，设计带通滤波器，对接收信号进行带通滤波，滤出(f₁～f₀)Hz范围内的调频信号a'_FM(t)。

11解调频求增益系数

本实施例采用差分包络检波法求增益系数，具体步骤如下：

1)移频。将接收信号同时乘以一对正交载波，产生移频的复信号。正交载波的频率是接近调频波的中心频率f_c0的f_c1。首先，接收信号被处理成为了移频的复信号。实验证明，中心频率的选择不是唯一的，它在一定范围内变动都可以得到比较良好的解调频效果。

其过程如下：

2)低通滤波。经过移频处理之后，分为高频和低频两个部分。经过低通滤波滤除高频分量，保留低频分量。两路信号的低频分量分别用K1和K2表示。

3)求低通信号的频率加权值。包括求差分、取模值，求符号，求乘积4个模块。首先，对低通信号做差分，使之变为调频调幅信号。输出信号幅值是低通信号幅值与其瞬态频率的乘积。

然后，用两路信号求模。此时得到的信号就是差分信号幅值的绝对值。

矢量叉乘求幅值符号。符号表征了调频信号瞬态频率的变化方向。

符号与模值的乘积得到还原的信号幅值，它是信号瞬态频率的加权值：

4)提取归一化增益系数。由于每一个瞬态频率加权值都叠加了高斯噪声，如果直接用这些权值恢复语音信号会产生一定失真。根据假设，包络值在一帧时间内基本不变，对得到的瞬态频率加权值按帧求平均，削弱了高斯白噪声的强度，可以作为这一帧语音信号的频率加权值。这样，每一帧都恢复出一个对应的语音信号频率加权值。假设数字化后一帧信号包含M个采样点，则：

根据3)中的结论及差分原理：

因此，可以经过计算得到：

由于在发送端对归一化增益系数做了对数处理，在接收端就通过指数处理进行恢复：

12增益系数反归一化

由于在发送端对增益系数调制之前曾对增益系数做了归一化操作，故在接收端需要对其进行还原。对11中得到的归一化增益系数同时乘以反归一化因子。

13增益系数曲线拟合

与发送端的增益系数曲线拟合一样，需要把增益系数拟合成为一条连续曲线coef'(t)。拟合的办法与发送端增益系数拟合相同。

14信号恢复

根据4中自动增益控制模块中信号与增益系数的关系，按照下面表达式可以恢复原始信号：

在上述过程中，采用的数据如图9所示。

增益系数拟合曲线结果如图10所示。由图可见，在强白噪声情况下(信噪比小于5dB)，接收端的增益系数拟合曲线较好的还原了发送端增益系数拟合曲线。另外，由于采用了包络幅值压扩技术，使得较小幅值的噪声受到进一步压缩，较大幅值的信号得到扩张，较好的达到了抑制白噪声的效果。

图10-12展示了实验平台的结果样例。从图中可见，经过噪声抑制基带语音压扩技术恢复处理的语音信号较好的恢复了原始信号的语音包络，同时在无声段对信道中高斯白噪声的抑制效果非常明显。从实际的语音播放效果比较，人耳在接收恢复信号时能够比未做噪声抑制时更清楚的识别语音文字，同时对恢复信号的接纳程度较高。

为了验证基带语音压扩算法的效果，比较了不同处理机制在发送功率变化的情况下接收端信噪比的变化情况。假设白噪声功率δ²＝10W。如图14所示，基带语音压扩机制比低通滤波机制及无处理方式有较大的信噪比提升，由此验证语音压扩机制具有更加优良的噪声抑制效果。

实验证明，本文提出的噪声抑制基带语音压扩技术能够有效抑制无线通信中语音信号无声段叠加的高斯白噪声，同时较好的恢复了语音包络及音质，较大提升了人耳对接收语音信号的识别成功率及接纳程度。

上述实施例中在步骤11中解调频求增益系数时，采用的是差分包络检波法求增益系数，但是该解调频方式并不是唯一的，也不对本发明的解调频方式形成限定，例如，本发明还可以通过直接求信号等效低通的相位，利用相位解卷、相位差分求增益系数。

以上，仅为本发明的较佳实施例，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求所界定的保护范围为准。