CN111724800B - 一种摩尔斯码音频降噪方法及使用该方法的降噪耳机 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了本发明提供一种摩尔斯码音频降噪方法，包括以下步骤：自动增益调整，将变化的信号控制在一个基本恒定的范围内，完成上一步后，音频信号经过CPU的ADC进行采样转换成数字信号，首先经过带通滤波器，将带外无用和干扰信号进行滤波和抑制。然后进入功率谱密度的计算，针对信号进行华东傅里叶算法，计算功率谱和信噪比，然后分析有效信号的信噪比，设置门限，按照比值增强有用信号，抑制噪声信号；最后针对人耳分辨率特性对信号加权，在人耳舒适频段进行信号加强，对无用频点进行信号抑制。数字信号处理完成后，经过DA转换成模拟信号，经过功放输出给耳机进行声音输出。本发明方法显著降低摩尔斯码音频信号的噪音，提高了人工抄收的准确率。
Description
技术领域
本发明涉及数字信号处理领域，具体涉及一种摩尔斯码音频降噪方法及使用该方法的降噪耳机。
背景技术
世界范围内电报通信普遍采用摩尔斯电码方式，摩尔斯电码通过无线信道进行传输，传输到接收端转换成“滴答”音频通过耳机或者喇叭进行播放，电报抄收员，通过“滴答”声判断报文内容，并抄录在报文纸上。
在报文接收过程中由于信道传输、设备端、周遭环境会引入噪声，噪声的引入会导致人工抄收效率下降，如果信噪比进一步降低，会严重影响抄报，甚至不能抄报。
传统的抄报员在遇到信噪比下降到无法抄报的情况下，会与发报方进行沟通，通过报文重新传送、切换信道等方式进行处理，上述两种处理方式均会导致传输效率降低，问题严重时甚至会中断通信。
对比文件：CN111263271A公开了一种增益切换降噪电路及其降噪方法和音频装置，根据降噪方法利用降噪电路和与降噪电路连接的外部放大电路进行降噪，通过计算校准值，并将其写入降噪电路中，在芯片工作时，根据校准值对前置电路的输出信号进行校准。对比文件所述的降噪方法单纯的利用了放大器电路和校准值进行初步降噪，降噪的效果比较有限。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种应用了数字信号处理算法，能够提高摩尔斯码音频质量，提升摩尔斯码抄收的效率，以及减少抄收人员工作量的摩尔斯码音频降噪方法及使用该方法的降噪耳机。
为了解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：
本发明提供一种摩尔斯码音频降噪方法，包括以下步骤：
步骤1：音频信号经过ADC（模数转换器）进行采样转换成数字信号；
步骤2：数字信号通过滑动FFT（快速傅立叶变换）算法计算信号功率；
步骤3：数字信号通过功率谱计算得到信号能量比；
步骤4：通过计算有用信号的平均信噪比，求得信号门限，依据门限增强有用信号，抑制噪声信号，并寻找信号能量最大值点，对平均有用信号能量进行更新；
步骤5：通过判断信号能量最大值点与平均能量的大小关系，估算信号能量增益；
步骤6：对数字信号进行合成，以满足DAC（数模转换器）输出的数据要求；
步骤7：在输出的数字信号进入DAC单元转换之前，对信号进行限幅处理；
所述步骤5中估算信号能量增益包括：
a、当信号能量最大值点在31，32,33点之间时，且能量大于平均能量的Aver_gain时，判定此帧信号为摩尔斯码，并将输出信号系数gain归一化为最大值1；
b、当信号能量最大值点在31,32,33点之间时，且能量小于平均能量的Aver_gain时，判定此帧信号噪声较大，将输出信号系数gain按照长期统计字典归一化为0.01-0.99之间；
c、当信号能量最大值点不为31,32，33点时，但能量大于平均能量的Aver_gain时，判定此帧除噪声外含有其它较强单音干扰信号，将输出信号系数gain按照长期统计字典归一化为0.1-0.99之间；
d、当信号能量最大值点不为31,32,33点时，但能量小于平均能量的Aver_gain时，即判定此帧没有莫尔斯信号，将gain设为0；
所述步骤6中数字信号进行合成的计算公式为：
sig_out=sig+sig_noiser+mid；
sig=cos_tab*gain；
sig_noiser=（1-gian）*wgn；
其中，sig_out为输出信号值，sig_noiser为噪声插入值，mid为DAC输入数据中点值，sig为信号能量值，cos_tab为正余弦信号值，gain为信号能量增益的估计值，wgn为高斯白噪声值。
进一步的，所述步骤1的音频信号在进行ADC转换前，进行自动增益控制，将变化的音频信号控制在一个恒定的范围中，自动增益控制采用二级反馈放大电路，用于确保信号快速输出恒定峰值信号。
进一步的，所述步骤1的音频信号在经过ADC转换后，先通过高通滤波器除去信号中由前端引入的偏置直流信号以及工频干扰信号，并通过带通滤波器滤除和抑制信号频带外的无用信号或干扰信号。
进一步的，所述步骤2中滑动FFT算法包括对数字信号加汉明窗后进行快速基二RFFT运算，计算出300-2400Hz信号频带的信号功率。
进一步的，所述步骤3中功率谱计算公式为：
bei=20*log10（power_center/power_var）；
其中power_center为基准中心频率点对应的信号能量，power_var为300-2400Hz信号频带内的平均能量，bei为power_center与power_var的信号能量比。
进一步的，所述步骤4中有效信号的平均信噪比的计算公式为：
Aver_gain=(bei_pre*len+bei)/(len+1)
其中，Aver_gain为当前平均信号能量比估计值，bei_pre为未更新前的平均信号能量比估计值，len为更新系数。
进一步的，所述步骤4中寻找最大值点通过搜索第9点到第76点的最大能量点，当最大点为31,32，33时，对平均有用信号能量进行更新。
进一步的，所述步骤7中限幅处理包括：
（a）、当sig大于4096时，sig限制为4096；
（b）、当sig小于-4096时，sig限制为4096；
（c）、当sig小于4096并且大于-4096时，sig不做更改。
本发明还提供一种采用上述方法的降噪耳机，包括耳机本体、转接线缆和信号处理盒；所述耳机本体和信号处理盒通过转接线缆电路连接；所述信号处理盒通过转接线缆与外部音频设备电路连接用于输入音频信号；
所述信号处理盒包括数字信号处理模块，用于对转换为数字信号的音频信号进行降噪和增强处理。
所述信号处理盒包括频偏校正模块，用于在数字信号处理模块中对输入信号进行频谱搬移。
进一步的，所述频谱搬移使信号频带外的信号进入信号频带内，处理频偏较大的音频信号，实现中心频率-300—+300Hz之间的频偏校正。
进一步的，所述信号处理盒还包括自动增益控制模块、AD/DA（模数/数模转换）和音量控制模块。
本发明的有益效果在于：
1、本发明方法采用自动增益控制电路处理后，可将输入变化的信号控制在一个基本恒定的范围输出，有效解决了信号因信道特性带来的快速衰落问题
2、本发明方法通过滤波器滤除无用以及干扰信号、通过计算有用信号的平均信噪比，得到信号门限，并根据信号门限增强有用信号、估算信号能量增益等显著降低了摩尔斯码音频信号的噪音，提高了人工抄收情况下准确率；
3、本发明方法减轻因为信噪比不佳情况下抄报员的劳动强度；减少在信道噪声过高情况下需要反复切换通信频点的工作量，提高工作效率；具有更好的抗干扰能力。
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是本发明实施例中摩尔斯码音频降噪方法的流程图。
图2是本发明实施例中摩尔斯码音频降噪耳机的结构图。
附图说明：
1—耳机本体，2—转接线缆，3—信号处理盒。
具体实施方式
为了更好地阐述该发明的内容，下面通过具体实施例对本发明进一步的验证。特在此说明，实施例只是为更直接地描述本发明，它们只是本发明的一部分，不能对本发明构成任何限制。
实施例1，如图1所示，本发明实施例提供一种摩尔斯码音频降噪方法，包括以下步骤：
步骤1：数字信号自动增益控制，将变化的信号控制在一个恒定的范围内；
由于无线短波通信的特点，接收的信号具有时变和离散性，经自动增益控制电路处理后，可将输入变化的信号控制在一个基本恒定的范围输出。有效解决信号因信道特性带来的快速衰落问题。自动增益控制电路采用二级反馈放大电路，确保信号在20ms快速输出恒定峰值信号。为适用各种电台输入信号，最大输入峰峰值为6伏，最小激励电平则需要测量一下。输出电压峰峰值恒定控制在2伏。在送入AD单元时，接入隔直流电容，加入1.56伏稳定偏置电压，确保AD采样为0.56-2.56伏。
步骤2：音频信号经过ADC进行采样转换成数字信号；
步骤3：数字信号通过截止频率为60Hz的高通FIR型数字滤波器除去信号中由前端引入的偏置直流信号以及50Hz的工频干扰信号；
步骤4：数字信号通过频带宽度为300-2400Hz的FIR型带通滤波器滤除和抑制信号频带外的无用信号或干扰信号；
步骤5：数字信号通过滑动FFT算法计算信号功率；
对采样信号进行每间隔128点加汉明窗后进行一次的512点快速基二RFFT运算，计算出300-2400Hz信号频带的信号功率。
采样率为基准16000Hz时，信号分辨率为16000/512=31.25Hz。
步骤6：数字信号通过功率谱计算得到信号能量比；
将基准中心频率点1000Hz对应的第32点信号能量power_center，除去300-2400Hz信号频带内的平均能量power_var，且300-2400Hz信号频带内的平均能量power_var即是第9点至76点的平均能量power_var，且信号能量比为：
bei=20*log10（power_center/power_var）。
步骤7：通过计算有效信号的平均信噪比，求得信号门限，依据门限增强有用信号，抑制噪声信号，并寻找最大值点，对平均有用信号能量进行更新；
有效信号的平均信噪比的计算公式为：
Aver_gain=(bei_pre*len+bei)/(len+1)
其中，Aver_gain为当前平均信号能量比估计值，bei_pre为未更新前的平均信号能量比估计值，len为更新系数。
寻找最大值点通过搜索第9点到第76点的最大能量点，当最大点为31,32，33时，对平均有用信号能量进行更新。
步骤8：针对人耳分辨率特性对信号加权，在人耳舒适频段进行信号加强，对无用频点进行信号抑制；
a、当信号最大值点在31，32,33点之间时，且能量大于平均能量的Aver_gain时，判定此帧信号为摩尔斯码，并将输出信号系数gain归一化为最大值1；
b、当信号最大值点在31,32,33点之间时，且能量小于平均能量的Aver_gain时，判定此帧信号噪声较大，将输出信号系数gain按照长期统计字典归一化为0.01-0.99之间；
c、当信号最大值点不为31,32，33点时，但能量大于平均能量的Aver_gain时，判定此帧除噪声外含有其它较强单音干扰信号，将输出信号系数gain按照长期统计字典归一化为0.1-0.99之间；
d、当信号最大值点不为31,32,33点时，但能量小于平均能量的Aver_gain时，即判定此帧没有莫尔斯信号，将gain设为0。
步骤9：对数字信号进行合成，以满足DAC输出的数据要求；
将最大峰值为2048的32余弦信号乘以估计，并加上一定量高斯白斯噪声，且高斯白斯最大峰值为余弦信号的0.1倍，最后确保数字信号值在0-4096之间，且数字信号进行合成的计算公式为：
sig_out=sig+sig_noiser+2047；
sig=cos_tab*gain；
sig_noiser=（1-gian）*wgn；
其中，sig_out为输出信号值，sig_noiser为噪声插入值，cos_tab为正余弦信号值，gain为信号能量增益的估计值，wgn为高斯白噪声值，2047为DAC输入数据中点值。
步骤10：在输出信号进入DAC单元之前，对信号进行限幅处理；
1、当sig大于4096时，sig限制为4096；
2、当sig小于-4096时，sig限制为4096。
步骤11：在输出信号处理完之后，将数字信号经过DAC转换成模拟信号，并经过功放输出给耳机进行声音输出。
本发明还提供一种采用上述方法的降噪耳机，包括耳机本体1、转接线缆2和信号处理盒3；所述耳机本体1和信号处理盒3通过转接线缆电路2连接；所述信号处理盒3通过转接线缆2与外部音频设备电路连接用于输入音频信号；
信号处理盒3包括数字信号处理模块，用于对转换为数字信号的音频信号进行降噪和增强处理。
信号处理盒3包括频偏校正模块，用于在数字信号处理模块中对输入信号进行频谱搬移。
频谱搬移使信号频带外的信号进入信号频带内，处理频偏较大的音频信号。
信号处理盒3还包括自动增益控制模块、AD/DA（模数/数模转换）和音量控制模块。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所述技术领域的技术人员可以所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。
Claims (8)
1.一种摩尔斯码音频降噪方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：音频信号经过ADC进行采样转换成数字信号；
步骤2：数字信号通过滑动FFT算法计算信号功率；
步骤3：数字信号通过功率谱计算得到信号能量比；所述步骤3中功率谱计算公式为：
bei=20*log10（power_center/power_var）；
其中，power_center为基准中心频率点1000Hz对应的第32点的信号能量，power_var为300-2400Hz信号频带内的平均能量也即第9点至76点的平均能量，bei为power_center与power_var的信号能量比；
步骤4：通过计算有用信号的平均信号能量比估计值，求得信号门限，依据门限增强有用信号，抑制噪声信号，并寻找信号能量最大值点，对平均信号能量比估计值进行更新；所述步骤4中有用信号的平均信号能量比估计值的计算公式为：
Aver_gain=(bei_pre*len+bei)/(len+1)
其中，Aver_gain为当前平均信号能量比估计值，bei_pre为未更新前的平均信号能量比估计值，len为更新系数；
步骤5：通过判断信号能量最大值点与平均能量的大小关系，估算信号能量增益；
步骤6：对数字信号进行合成，以满足DAC输出的数据要求；
步骤7：在输出的数字信号进入DAC单元转换之前，对信号进行限幅处理；
所述步骤5中估算信号能量增益包括：
a、当信号能量最大值点在31，32,33采样点之间时，且能量大于平均能量的Aver_gain时，判定此信号为摩尔斯码，并将输出信号系数gain归一化为最大值1；
b、当信号能量最大值点在31,32,33采样点之间时，且能量小于平均能量的Aver_gain时，判定此信号噪声较大，将输出信号系数gain按照长期统计字典归一化为0.01-0.99之间；
c、当信号能量最大值点不为31,32，33采样点时，但能量大于平均能量的Aver_gain时，判定此信号除噪声外含有其它较强单音干扰信号，将输出信号系数gain按照长期统计字典归一化为0.1-0.99之间；
d、当信号能量最大值点不为31,32,33采样点时，但能量小于平均能量的Aver_gain时，即判定此信号没有摩尔斯码，将gain设为0；
所述步骤6中数字信号进行合成的计算公式为：
sig_out=sig+sig_noiser+mid；
sig=cos_tab*gain；
sig_noiser=（1-gian）*wgn；
其中，sig_out为输出信号值，sig_noiser为噪声插入值，mid为DAC输入数据中点值，sig为信号能量值，cos_tab为正余弦信号值，gain为输出信号系数，wgn为高斯白噪声值。
2.根据权利要求1所述的摩尔斯码音频降噪方法，其特征在于，所述步骤1的音频信号在进行ADC转换前，进行自动增益控制，将变化的音频信号控制在一个恒定的范围中，自动增益控制采用二级反馈放大电路，用于确保信号快速输出恒定峰值信号。
3.根据权利要求1所述的摩尔斯码音频降噪方法，其特征在于，所述步骤1的音频信号在经过ADC转换后，先通过高通滤波器除去信号中由前端引入的偏置直流信号以及工频干扰信号，并通过带通滤波器滤除和抑制信号频带外的无用信号或干扰信号。
4.根据权利要求1所述的摩尔斯码音频降噪方法，其特征在于，所述步骤2中滑动FFT算法包括对数字信号加汉明窗后进行快速基二RFFT运算，计算出300-2400Hz信号频带的信号功率。
5.根据权利要求1所述的摩尔斯码音频降噪方法，其特征在于，所述步骤4中寻找信号能量最大值点通过搜索第9点至第76点的信号能量最大值点，当信号能量最大值点为31,32，33时，对平均有用信号能量进行更新。
6.根据权利要求1所述的摩尔斯码音频降噪方法，其特征在于，所述步骤7中限幅处理包括：
（a）、当sig大于4096时，sig限制为4096；
（b）、当sig小于-4096时，sig限制为4096；
（c）、当sig小于4096并且大于-4096时，sig不做更改。
7.一种采用权利要求1-6任一所述的降噪耳机，其特征在于，包括耳机本体、转接线缆和信号处理盒；所述耳机本体和信号处理盒通过转接线缆电路连接；所述信号处理盒通过转接线缆与外部音频设备电路连接用于输入音频信号；
所述信号处理盒包括数字信号处理模块，用于对转换为数字信号的音频信号进行降噪和增强处理；
所述信号处理盒还包括频偏校正模块，用于在数字信号处理模块中对输入信号进行频谱搬移，使信号频带外的信号进入信号频带内，处理频偏较大的音频信号，实现中心频率-300—300Hz之间的频偏校正。
8.根据权利要求7所述的降噪耳机，其特征在于，所述信号处理盒还包括自动增益控制模块、AD/DA和音量控制模块。
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