CN106712828A - 短波频率的地理分集接收系统及方法 - Google Patents

短波频率的地理分集接收系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于短波通信技术领域，公开了一种短波频率的地理分集接收系统及方法。该方法不是在物理层而是在应用层对多路接收信号进行合并，即由电台网关对短波收信机解调输出的音频信号进行采样，然后将音频采样打包并通过IP网络送给用户终端，最后由用户终端使用基于高斯混合模型语音激活检测算法对各路音频信号的语音质量进行评估，并将其中语音质量最好的音频信号播放给用户。由于这种方法不需要专门设计的物理层波形，从而使大量现役的短波发信机、收信机不需要进行任何修改，仅仅通过增加电台网关和用户终端等设备就可以使用频率和地理分集接收方法来有效提高短波通信系统的可通率。

Description

短波频率的地理分集接收系统及方法
技术领域
本发明属于短波通信技术领域，尤其涉及一种短波频率的地理分集接收系统及方法。
背景技术
在短波通信系统中，短波信号主要以天波形式传播，即发信机发出的短波信号经过地球大气电离层(和地面)的一次或多次反射后到达收信机，这样即使较小的发射功率，短波信号也可以在不依赖任何地面基础设施的情况下，克服地球曲率的影响而实现数千公里的传播距离。因此，短波通信系统是一种不可替代的远程通信手段，目前已广泛应用于军事、人防、远洋、渔业、救灾、气象、外交等领域。
然而，地球电离层是由地球高空气体在受到太阳紫外线照射后电离成正离子、负离子和自由电子而形成的，因此它对不同频率短波信号的反射能力就与日照强度有密切关系，收信机所收到短波信号的功率就会受昼夜、季节、气候等因素的影响而大幅度随机波动，所以使用固定频率短波通信系统的可通率往往较低，一般在30％左右，这已成为制约短波通信技术进一步发展的瓶颈。
为了有效提高可通率，近年来许多短波通信系统都采用了频率和地理分集接收技术，比如美国的HFGCS、COTHEN、澳大利亚的Longfish、国际民航组织的HFDL以及我国的短波接入网等等。短波频率和地理分集接收技术首先使发信机依次在一组不同的频率上发送短波信号，然后由多个位于不同地理位置的收信机同时接收，最后由中心站将各个收信机通过有线网络送来的接收信号进行合并，然后送给相应的用户。由于地球本身自转，故不同地理位置的地球电离层所受日照强度就不同，所以对不同频率短波信号的反射能力也不相同，且它们的随机变化是相互独立的，因此中心站所收到的多路接收信号中就至少会有一路具有较高的信噪比，从而使短波通信系统的可通率得到明显的改善。
虽然目前主流的短波频率和地理分集接收方法在具体实现上各不相同，但它们都是在物理层对多路接收信号进行合并，从而使得短波发信机、收信机需要使用专门设计的物理层波形，这样就使市场上大量现役的短波发信机、收信机无法使用这些短波频率和地理分集接收方法。
发明内容
本发明提供一种短波频率的地理分集接收系统及方法，不需要专门设计的物理层波形，从而使大量现役的短波发信机、收信机不需要进行任何修改，仅仅通过增加电台网关和用户终端等设备就可以有效提高短波通信系统的可通率。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案予以实现。
技术方案一：
一种短波频率的地理分集接收系统，所述系统包括：短波发信机、N个短波收信机、N个电台网关、IP网络以及用户终端；每个短波收信机上设置有模拟音频输出接口，每个电台网关上设置有模拟音频输入接口、以太网接口；且所述N个电台网关与所述N个短波收信机一一对应；
所述短波发信机与N个短波收信机通过短波无线信道连接，每个短波收信机通过模拟音频输出接口与对应的电台网关的模拟音频输入接口电连接，每个电台网关通过以太网接口与IP网络电连接，且所述用户终端通过以太网接口接入IP网络。
技术方案一的特点和进一步的改进为：
(1)所述用户终端中设置有N个先入先出缓冲器、N个语音激活检测器以及语音选择模块；且所述N个先入先出缓冲器与N个电台网关一一对应；所述N个先入先出缓冲器与所述N个语音激活检测器一一对应；
所述N个先入先出缓冲器的输出端与对应的语音激活检测器的输入端连接，所述N个语音激活检测器的输出端分别与语音选择模块的输入端连接。
(2)所述短波发信机用于在短波无线信道上发送短波信号；
所述N个短波收信机分别用于通过短波无线信道接收所述短波发信机发送的短波信号；并根据接收到的短波信号得到模拟音频信号；
所述N个电台网关分别用于对对应的短波收信机通过模拟音频输出接口输出的模拟音频信号进行采样，得到采样音频信号，并将所述采样音频信号通过以太网接口发送给IP网络；
所述IP网络用于通过以太网接口将所述采样音频信号发送给用户终端。
(3)所述用户终端中的每个先入先出缓冲器对从IP网络上接收的对应电台网关的采样音频信号进行缓存；
所述用户终端中的每个语音激活检测器从对应的先入先出缓冲器中获取采样音频信号，将语音激活检测器的检测结果发送给语音选择模块；
所述用户终端中的语音选择模块接收N个语音激活检测器发送的检测结果，根据N个语音检测结果，将存在语音信号的似然比最大的一路采样音频信号输送给用户进行播放。
技术方案二：
一种短波频率的地理分集接收方法，所述方法应用于技术方案一所述的短波频率和地理分集接收系统，所述方法包括如下步骤：
步骤1，短波发信机在短波无线信道发送短波信号；
步骤2，N个短波收信机分别通过短波无线信道接收所述短波发信机发送的短波信号；且每个短波收信机对接收到的短波信号进行解调，得到模拟音频信号；
步骤3，N个电台网关分别对对应的短波收信机通过模拟音频输出接口输出的模拟音频信号进行采样，得到采样音频信号，并将所述采样音频信号通过以太网接口发送给IP网络；
步骤4，IP网络通过以太网接口将所述采样音频信号发送给用户终端；
步骤5，用户终端中的每个先入先出缓冲器对从IP网络上接收的对应电台网关的采样音频信号进行缓存；
步骤6，用户终端中的每个语音激活检测器从对应的先入先出缓冲器中获取采样音频信号，并采用高斯混合模型语音激活检测算法对所述采样音频信号进行检测，得到该采样音频信号中是否存在语音信号，以及存在语音信号的似然比的检测结果，并将所述检测结果发送给语音选择模块；
步骤7，用户终端中的语音选择模块接收N个语音激活检测器分别发送的是否存在语音信号，以及存在语音信号的似然比的检测结果，对其中M(M≤N)个存在语音信号的采样音频信号，按照存在语音信号的似然比从大到小的顺序进行排序，并将存在语音信号的似然比最大的一路采样音频信号对用户进行播放。
技术方案二的特点和进一步的改进为：
(1)步骤6中，采用高斯混合模型语音激活检测算法对所述采样音频信号进行检测，得到该采样音频信号中是否存在语音信号，以及存在语音信号的似然比的检测结果，具体包括：
(6a)从采样音频信号中取出L个采样点组成一帧信号，对其进行L点的FFT运算，从而得到一个L点的序列X；
(6b)用所述序列X对以下两个假设进行检验：
H0假设：X＝N1
H1假设：X＝N1+S
其中，H0假设表示没有语音信号的假设，H1假设表示存在语音信号的假设，N1为对采样音频信号中的噪声进行L点FFT运算后得到的序列，S为对采样音频信号中的语音进行L点FFT运算后得到的序列；
(6c)根据高斯混合模型，序列X的每个元素Xk(k＝0，1，...L-1)都近似是相互独立的高斯随机变量，采样音频信号中没有语音信号时接收到序列X的条件概率p(X|H0)和采样音频信号中存在语音信号时接收到序列X的条件概率p(X|H1)分别表示为：
其中，λN(k)为序列N的第k个元素的方差，λS(k)为序列S的第k个元素的方差；
(6d)按下式计算存在语音信号的似然比logΛ：
(6e)当存在语音信号的似然比logΛ大于门限η时，判断采样音频信号中存在语音信号，反之则判断为采样音频信号中没有语音信号，且存在语音信号的似然比越大，语音质量越好。
(2)步骤3中，电台网关通过UDP协议将所述采样音频信号通过以太网接口发送给IP网络。
本发明技术方案提出了一种短波频率和地理分集接收系统及方法，该方法不是在物理层而是在应用层对多路接收信号进行合并，即由电台网关对短波收信机解调输出的音频信号进行采样，然后将音频采样打包并通过IP网络送给用户终端，最后由用户终端使用基于高斯混合模型语音激活检测算法对各路音频信号的语音质量进行评估，并将其中语音质量最好的音频信号播放给用户。由于这种方法不需要专门设计的物理层波形，从而使大量现役的短波发信机、收信机不需要进行任何修改，仅仅通过增加电台网关和用户终端等设备就可以使用频率和地理分集接收方法来有效提高短波通信系统的可通率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种短波频率的地理分集接收系统的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的用户终端的结构示意图；
图3为本发明实施例提供的一种短波频率的地理分集接收方法的流程示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例提供一种短波频率的地理分集接收系统，如图1所示，所述系统包括：短波发信机、N个短波收信机、N个电台网关、IP网络以及用户终端；每个短波收信机上设置有模拟音频输出接口，每个电台网关上设置有模拟音频输入接口、以太网接口；且所述N个电台网关与所述N个短波收信机一一对应；N为正整数；
所述短波发信机与N个短波收信机通过短波无线信道连接，每个短波收信机通过模拟音频输出接口与对应的电台网关的模拟音频输入接口电连接，每个电台网关通过以太网接口与IP网络电连接，且所述用户终端通过以太网接口接入IP网络。
进一步的，如图2所示，所述用户终端中设置有N个先入先出缓冲器、N个语音激活检测器以及语音选择模块；且所述N个先入先出缓冲器与N个电台网关一一对应；所述N个先入先出缓冲器与所述N个语音激活检测器一一对应；
所述N个先入先出缓冲器的输出端与对应的语音激活检测器的输入端连接，所述N个语音激活检测器的输出端分别与语音选择模块的输入端连接。
需要说明的是：
所述短波发信机用于在短波无线信道上发送短波信号；
所述N个短波收信机分别用于通过短波无线信道接收所述短波发信机发送的短波信号；并根据接收到的短波信号得到模拟音频信号；
所述N个电台网关分别用于对对应的短波收信机通过模拟音频输出接口输出的模拟音频信号进行采样，得到采样音频信号，并将所述采样音频信号通过以太网接口发送给IP网络；
所述IP网络用于通过以太网接口将所述采样音频信号发送给用户终端。
还需要说明的是：
所述用户终端中的每个先入先出缓冲器对从IP网络上接收的对应电台网关的采样音频信号进行缓存；
所述用户终端中的每个语音激活检测器从对应的先入先出缓冲器中获取采样音频信号，将语音激活检测器的检测结果发送给语音选择模块；
所述用户终端中的语音选择模块接收N个语音激活检测器发送的检测结果，根据N个语音检测结果，将质量最好的一路采样音频信号给用户进行播放。
本发明实施例还提供一种短波频率的地理分集接收方法，所述方法应用于上述实施例所述的短波频率的地理分集接收系统，如图3所示，所述方法包括如下步骤：
步骤1，短波发信机在短波无线信道上发送短波信号；
步骤2，N个短波收信机分别通过短波无线信道接收所述短波发信机发送的短波信号；且每个短波收信机对接收到的短波信号进行解调，得到模拟音频信号；
步骤3，N个电台网关分别对对应的短波收信机通过模拟音频输出接口输出的模拟音频信号进行采样，得到采样音频信号，并将所述采样音频信号通过以太网接口发送给IP网络；
电台网关通过UDP协议将所述采样音频信号通过以太网接口发送给IP网络。
步骤4，IP网络通过以太网接口将所述采样音频信号发送给用户终端；
步骤5，用户终端中的每个先入先出缓冲器对从IP网络上接收的对应电台网关的采样音频信号进行缓存；
步骤6，用户终端中的每个语音激活检测器从对应的先入先出缓冲器中获取采样音频信号，并采用高斯混合模型语音激活检测算法对所述采样音频信号进行检测，得到该采样音频信号中是否存在语音信号，以及存在语音信号的似然比的检测结果，并将所述检测结果发送给语音选择模块；
步骤7，用户终端中的语音选择模块接收N个语音激活检测器分别发送的是否存在语音信号，以及存在语音信号的似然比的检测结果，对其中M(M≤N)个存在语音信号的采样音频信号，按照存在语音信号的似然比从大到小的顺序进行排序，并将存在语音信号的似然比最大的一路采样音频信号对用户进行播放。
具体的，步骤6中，采用高斯混合模型语音激活检测算法对所述采样音频信号进行检测，得到该采样音频信号中是否存在语音信号，以及存在语音信号的似然比的检测结果，具体包括：
(6a)从采样音频信号中取出L个采样点组成一帧信号，对其进行L点的FFT运算，从而得到一个L点的序列X；
(6b)用所述序列X对以下两个假设进行检验：
H0假设：X＝N1
H1假设：X＝N1+S
其中，H0假设表示没有语音信号的假设，H1假设表示存在语音信号的假设，N1为对采样音频信号中的噪声进行L点FFT运算后得到的序列，S为对采样音频信号中的语音进行L点FFT运算后得到的序列；
(6c)根据高斯混合模型，序列X的每个元素Xk(k＝0，1，...L-1)都近似是相互独立的高斯随机变量，采样音频信号中没有语音信号时接收到序列X的条件概率p(X|H0)和采样音频信号中存在语音信号时接收到序列X的条件概率p(X|H1)分别表示为：
其中，λN(k)为序列N的第k个元素的方差，λS(k)为序列S的第k个元素的方差；
(6d)按下式计算存在语音信号的似然比logΛ：
(6e)当存在语音信号的似然比logΛ大于门限η时，判断采样音频信号中存在语音信号，反之则判断为采样音频信号中没有语音信号，且存在语音信号的似然比越大，语音质量越好。
示例性的，若单台短波收信机的可通率只有30％，但只要N台短波收信机在东西方向上间隔500公里以上的距离，就可使不同短波收信机上空电离层所受日照的强度各不相同，则可以认为N台短波收信机输出模拟音频信号间的相关性很小，由于本发明技术方案是在应用层选择语音质量最好的一路模拟音频给用户，所以用户终端得到的可通率就可用下式表示：
1-(1-0.3)N
因此，当短波收信机的数量N＝4时，用户终端的可通率为76％，当N＝5时，用户终端的可通率为83.2％，而当N＝6时，用户终端的可通率则可达88.2％。
本发明实施例提出了一种短波频率和地理分集接收系统及方法，该方法不是在物理层而是在应用层对多路接收信号进行合并，即由电台网关对短波收信机解调输出的音频信号进行采样，然后将音频采样打包并通过IP网络送给用户终端，最后由用户终端使用基于高斯混合模型语音激活检测算法对各路音频信号的语音质量进行评估，并将其中语音质量最好的音频信号播放给用户。虽然这种方法所实现的可通率比目前主流的短波频率和地理分集接收方法稍差，但它不需要专门设计的物理层波形，从而使大量现役的短波发、收信机不需要进行任何修改，仅仅通过增加电台网关和用户终端等设备就可以使用频率和地理分集接收方法来有效提高短波通信系统的可通率。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，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以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种短波频率的地理分集接收系统，其特征在于，所述系统包括：短波发信机、N个短波收信机、N个电台网关、IP网络以及用户终端；每个短波收信机上设置有模拟音频输出接口，每个电台网关上设置有模拟音频输入接口、以太网接口；且所述N个电台网关与所述N个短波收信机一一对应；N为正整数；
所述短波发信机与N个短波收信机通过短波无线信道连接，每个短波收信机通过模拟音频输出接口与对应的电台网关的模拟音频输入接口电连接，每个电台网关通过以太网接口与IP网络电连接，且所述用户终端通过以太网接口接入IP网络。
2.根据权利要求1所述的一种短波频率的地理分集接收系统，其特征在于，所述用户终端中设置有N个先入先出缓冲器、N个语音激活检测器以及语音选择模块；且所述N个先入先出缓冲器与N个电台网关一一对应；所述N个先入先出缓冲器与所述N个语音激活检测器一一对应；
所述N个先入先出缓冲器的输出端与对应的语音激活检测器的输入端连接，所述N个语音激活检测器的输出端分别与语音选择模块的输入端连接。
3.根据权利要求1所述的一种短波频率的地理分集接收系统，其特征在于，
所述短波发信机用于在短波无线信道上发送短波信号；
所述N个短波收信机分别用于通过短波无线信道接收所述短波发信机发送的短波信号；并根据接收到的短波信号得到模拟音频信号；
所述N个电台网关分别用于对对应的短波收信机通过模拟音频输出接口输出的模拟音频信号进行采样，得到采样音频信号，并将所述采样音频信号通过以太网接口发送给IP网络；
所述IP网络用于通过以太网接口将所述采样音频信号发送给用户终端。
4.根据权利要求2所述的一种短波频率的地理分集接收系统，其特征在于，
所述用户终端中的每个先入先出缓冲器对从IP网络上接收的对应电台网关的采样音频信号进行缓存；
所述用户终端中的每个语音激活检测器从对应的先入先出缓冲器中获取采样音频信号，将语音激活检测器的检测结果发送给语音选择模块；
所述用户终端中的语音选择模块接收N个语音激活检测器发送的检测结果，根据N个语音检测结果，将存在语音信号的似然比最大的一路采样音频信号输送给用户进行播放。
5.一种短波频率的地理分集接收方法，所述方法应用于权利要求1-4任一项所述的短波频率和地理分集接收系统，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
步骤1，短波发信机在短波无线信道上发送短波信号；
步骤2，N个短波收信机分别通过短波无线信道接收所述短波发信机发送的短波信号；且每个短波收信机对接收到的短波信号进行解调，得到模拟音频信号；
步骤3，N个电台网关分别对对应的短波收信机通过模拟音频输出接口输出的模拟音频信号进行采样，得到采样音频信号，并将所述采样音频信号通过以太网接口发送给IP网络；
步骤4，IP网络通过以太网接口将所述采样音频信号发送给用户终端；
步骤5，用户终端中的每个先入先出缓冲器对从IP网络上接收的对应电台网关的采样音频信号进行缓存；
步骤6，用户终端中的每个语音激活检测器从对应的先入先出缓冲器中获取采样音频信号，并采用高斯混合模型语音激活检测算法对所述采样音频信号进行检测，得到该采样音频信号中是否存在语音信号，以及存在语音信号的似然比的检测结果，并将所述检测结果发送给语音选择模块；
步骤7，用户终端中的语音选择模块接收N个语音激活检测器分别发送的是否存在语音信号，以及存在语音信号的似然比的检测结果，对其中M(M≤N)个存在语音信号的采样音频信号，按照存在语音信号的似然比从大到小的顺序进行排序，并将存在语音信号的似然比最大的一路采样音频信号对用户进行播放。
6.根据权利要求5所述的一种短波频率的地理分集接收方法，其特征在于，步骤6中，采用高斯混合模型语音激活检测算法对所述采样音频信号进行检测，得到该采样音频信号中是否存在语音信号，以及存在语音信号的似然比的检测结果，具体包括：
(6a)从采样音频信号中取出L个采样点组成一帧信号，对其进行L点的FFT运算，从而得到一个L点的序列X；
(6b)用所述序列X对以下两个假设进行检验：
H0假设：X＝N1
H1假设：X＝N1+S
其中，H0假设表示没有语音信号的假设，H1假设表示存在语音信号的假设，N1为对采样音频信号中的噪声进行L点FFT运算后得到的序列，S为对采样音频信号中的语音进行L点FFT运算后得到的序列；
(6c)根据高斯混合模型，序列X的每个元素Xk(k＝0,1,…L-1)都近似是相互独立的高斯随机变量，采样音频信号中没有语音信号时接收到序列X的条件概率p(X|H0)和采样音频信号中存在语音信号时接收到序列X的条件概率p(X|H1)分别表示为：
p ( X | H 0 ) = Π k = 0 L - 1 1 πλ N ( k ) exp { - X k 2 λ N ( k ) }
p ( X | H 1 ) = Π k = 0 L - 1 1 π [ λ N ( k ) + λ S ( k ) ] exp { - X k 2 λ N ( k ) + λ S ( k ) }
其中，λN(k)为序列N1的第k个元素的方差，λS(k)为序列S的第k个元素的方差；
(6d)按下式计算存在语音信号的似然比logΛ：
(6e)当存在语音信号的似然比logΛ大于门限η时，判断采样音频信号中存在语音信号，反之则判断为采样音频信号中没有语音信号，且存在语音信号的似然比越大，语音质量越好。
7.根据权利要求5所述的一种短波频率的地理分集接收方法，其特征在于，步骤3中，电台网关通过UDP协议将所述采样音频信号通过以太网接口发送给IP网络。
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