CN111917427A - 一种基于功率谱的数字话音静噪方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于功率谱的数字话音静噪方法，根据宽带和窄带信号的功率谱对信号的信噪比进行估计，并根据估计值进行静噪控制，达到静噪的目的。本发明流程简单，处理效率高，能够满足实时静噪的需求，且避免了无意义的噪声数据进入接收机的后级处理系统，减少了接收机的系统功率消耗。

Description

一种基于功率谱的数字话音静噪方法

技术领域

本发明属于通信技术领域，具体涉及一种基于功率谱的数字话音静噪方法。

背景技术

软件无线电系统中，由于接收系统中通常存在自动增益控制(AGC)电路，如果系统接收到的信号全部为噪声，经过AGC后会误将噪声放大。如果解调方式为FM，那么解调输出为刺耳的“沙沙”声。因此，在接收系统中通常会加入静噪技术，当接收到信号全部为噪声时，使能静噪功能关闭信号处理通路，否则关闭静噪，使信号进入处理通路。

数字中频接收机中射频输出的中频模拟信号经由ADC采样为数字信号，经过多级级联的数字下变频(DDC)，输出为I、Q基带信号。各级DDC输出的I、Q基带信号可用于频谱分析。I、Q基带信号经过数字AGC，用于提升接收系统的解调性能。随后经过解调信号得到音频信号，话音静噪模块根据解调音频的话音质量给出是否播放音频的判决。一般在无线接收机中，通常将话音静噪模块放在解调模块之后，对得到的音频信号直接进行处理得到对音频的质量评估。音频的采样率通常较低，在对实时性要求较高的接收机系统中，这样的数据率通常无法满足实时话音静噪的需求。其产生的问题为：无论是否需要静噪的音频信号，都经过了解调等后级数据处理模块，增加了无意义的功率消耗。

发明内容

针对现有技术中的上述不足，本发明提供的一种基于功率谱的数字话音静噪方法解决了现有技术中存在的问题。

为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：一种基于功率谱的数字话音静噪方法，包括以下步骤：

S1、设定静噪门限值THR、静噪上门限值THR_UP、静噪下门限值THR_DOWN、去除宽带内信号的门限调整值X以及连续判断次数M；

S2、取出宽带功率谱的带内数据点和窄带功率谱的带内数据点；

S3、根据宽带功率谱的带内数据点和去除宽带内信号的门限调整值X，获取宽带带内噪声功率谱密度；

S4、根据窄带功率谱的带内数据点和宽带带内噪声功率谱密度，获取窄带带内噪声平均功率；

S5、根据窄带功率谱的带内数据点和窄带带内噪声平均功率，获取窄带带内信号的平均功率；

S6、根据窄带带内噪声平均功率和窄带带内信号的平均功率，获取窄带带内信号的信噪比，得到信噪比数据流；

S7、通过一阶IIR滤波滤除信噪比数据流中的高频部分，并根据静噪门限值THR、静噪上门限值THR_UP、静噪下门限值THR_DOWN以及连续判断次数M对信噪比数据流进行静噪判决，完成数字话音静噪。

进一步地，所述步骤S2中宽带功率谱的带内数据点的起点S_{B_start}和终点S_{B_end}分别为：

其中，BW_B表示宽带带宽，B表示宽带，Fs_B表示宽带DDC输出信号的采样率，BFFT表示宽带功率谱对应的FFT点数。

进一步地，所述步骤S2中窄带功率谱的带内数据点的起点S_{N_start}和终点S_{N_end}分别为：

其中，BW_N表示窄带带宽，N表示窄带，Fs_N表示窄带DDC输出信号的采样率，NFFT表示窄带功率谱对应的FFT点数。

进一步地，所述步骤S3包括以下分步骤：

S31、将一帧宽带带内数据点求平均，得到宽带带内功率谱均值M1_PSD；

S32、将宽带带内功率谱均值M1_PSD的计数值降低X，得到去除宽带PSD内信号分量的门限值B_THR；

S33、将步骤S2中取出的宽带带内数据点逐个与门限值B_THR比较，并将大于门限值B_THR的数据点数值修改为B_THR，得到经过去除宽带PSD内信号分量后的一帧宽带带内数据点；

S34、将S33中得到的宽带带内数据点求平均，得到宽带带内噪声功率估计值N_{B_PSD}；

S35、通过宽带带内噪声功率估计值N_{B_PSD}获取每Hz的宽带带内噪声功率谱密度N_{B_PSD_Hz}。

进一步地，所述步骤S33中经过去除信号之后的宽带带内数据点具体为：

所述步骤S34中宽带带内噪声功率N_{B_PSD}具体为：

其中，1≤n≤N，N表示所取出的宽带带内数据点的总个数，D_n表示第n个数据点；dBm表示功率单位。

进一步地，所述步骤S35中宽带带内噪声功率谱密度N_{B_PSD_Hz}具体为：

进一步地，所述步骤S4中窄带带内噪声平均功率N_{N_PSD}具体为：

其中，N_{B_PSD_Hz}表示宽带带内噪声功率谱密度，Gain_AGC表示AGC增益。

进一步地，所述步骤S5具体为：将窄带功率谱带内的每个数据点分别减去窄带带内噪声平均功率N_{N_PSD}，并且对得到的全部差值求平均，获得窄带带内信号的平均功率S_{N_PSD}。

进一步地，所述步骤S6中信噪比SNR的获取公式为：

SNR＝S_{N_PSD}-N_{N_PSD}。

进一步地，所述步骤S7包括以下分步骤：

S71、通过一阶IIR滤波滤除信噪比数据流中的高频部分，得到新信噪比数据流；

S72、判断新信噪比数据流中信噪比SNR的值是否大于静噪上门限值THR_UP，若是，则静噪开启，使信号进入后级处理通路，完成数字话音静噪，否则进入步骤S73；

S73、判断新信噪比数据流中信噪比SNR的值是否小于静噪下门限值THR_DOWN，若是，则静噪闭锁，关闭后级处理通道，完成数字话音静噪，否则进入步骤S74；

S74、判断是否存在连续M次新信噪比数据流中信噪比SNR的值大于静噪门限值THR，若是，则静噪开启，使信号进入后级处理通路，完成数字话音静噪，否则静噪闭锁，关闭后级处理通道，完成数字话音静噪。

本发明的有益效果为：

(1)本发明提出了一种基于功率谱的数字话音静噪方法，根据宽带和窄带信号的功率谱对信号的信噪比进行估计，并根据估计值进行静噪控制，达到静噪的目的。

(2)本发明流程简单，处理效率高，能够满足实时静噪的需求。

(3)本发明避免了无意义的噪声数据进入接收机的后级处理系统，减少了接收机的系统功率消耗。

附图说明

图1为本发明提出的一种基于功率谱的数字话音静噪方法流程图。

图2为接收机系统框图。

图3为应用了本发明的接收机系统框图。

图4为本发明功能实现的模块框图。

图5为本发明中功率谱带内数据点示意图。

图6为本发明中宽带功率谱示意图。

图7为本发明静噪判决状态与信噪比值对应图。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

下面结合附图详细说明本发明的实施例。

如图1所示，一种基于功率谱的数字话音静噪方法，包括以下步骤：

S1、设定静噪门限值THR、静噪上门限值THR_UP、静噪下门限值THR_DOWN、去除宽带内信号的门限调整值X以及连续判断次数M；

S2、取出宽带功率谱的带内数据点和窄带功率谱的带内数据点；

S3、根据宽带功率谱的带内数据点和去除宽带内信号的门限调整值X，获取宽带带内噪声功率谱密度；

S4、根据窄带功率谱的带内数据点和宽带带内噪声功率谱密度，获取窄带带内噪声平均功率；

S5、根据窄带功率谱的带内数据点和窄带带内噪声平均功率，获取窄带带内信号的平均功率；

S6、根据窄带带内噪声平均功率和窄带带内信号的平均功率，获取窄带带内信号的信噪比，得到信噪比数据流；

S7、通过一阶IIR滤波滤除信噪比数据流中的高频部分，并根据静噪门限值THR、静噪上门限值THR_UP、静噪下门限值THR_DOWN以及连续判断次数M对信噪比数据流进行静噪判决，完成数字话音静噪。

如图2所示，接收机为本发明具体应用领域，其包括了依次连接的天线、射频模块、ADC模块、宽带DDC模块、窄带DDC模块、数字AGC模块、解调模块和话音静噪模块，同时在宽带DDC模块的输出端和数字AGC模块的输出端分别添加一个频谱分析模块。

如图3所示，将本发明加入接收机后，接收机具体实现系统框图，通过噪声功率谱密度估计以及信噪比估计，进行静噪控制。

如图4所示，本发明的具体实现系统框图，其包括噪声功率谱密度估计模块、信噪比估计模块和静噪控制模块，所述噪声功率谱密度估计模块用于根据宽带信号的功率谱估计噪声的功率谱密度值。信噪比估计模块用于根据窄带信号的功率谱和噪声的功率谱密度值估计窄带信号带内的信噪比。静噪控制模块用于根据得到的信噪比估计值，打开或关闭数字AGC之后的处理通路。

所述步骤S2中宽带功率谱的带内数据点的起点S_{B_start}和终点S_{B_end}分别为：

其中，BW_B表示宽带带宽，B表示宽带，Fs_B表示宽带DDC输出信号的采样率，BFFT表示宽带功率谱对应的FFT点数。

所述步骤S2中窄带功率谱的带内数据点的起点S_{N_start}和终点S_{N_end}分别为：

其中，BW_N表示窄带带宽，N表示窄带，Fs_N表示窄带DDC(Digital Down Converter，数字下变频)输出信号的采样率，NFFT表示窄带功率谱对应的FFT(Fast FourierTransform，快速傅里叶变换)点数。

如图5所示，设定DDC输出采样率为6.4MHz、带宽为5MHz以及FFT点数为2048，则虚线内为取出的功率谱带内数据点。

所述步骤S3包括以下分步骤：

S31、将一帧宽带带内数据点求平均，得到宽带带内功率谱均值M1_PSD；

S32、将宽带带内功率谱均值M1_PSD的计数值降低X，得到去除宽带PSD内信号分量的门限值B_THR；

S33、将步骤S2中取出的宽带带内数据点逐个与门限值B_THR比较，并将大于门限值B_THR的数据点数值修改为B_THR，得到经过去除宽带PSD(Power Spectral Density，功率谱密度)内信号分量后的一帧宽带带内数据点；

S34、将S33中得到的宽带带内数据点求平均，得到宽带带内噪声功率估计值N_{B_PSD}；

S35、通过宽带带内噪声功率估计值N_{B_PSD}获取每Hz的宽带带内噪声功率谱密度N_{B_PSD_Hz}。

如图6所示，宽带功率谱的示意图，其中bin代表频率窗口，通过宽带功率谱可以得到带内噪声功率N_{B_PSD}和带内噪声功率谱密度N_{B_PSD_Hz}。

所述步骤S33中经过去除信号之后的宽带带内数据点具体为：

所述步骤S34中宽带带内噪声功率N_{B_PSD}具体为：

其中，1≤n≤N，N表示所取出的宽带带内数据点的总个数，D_n表示第n个数据点；dBm表示功率单位。

所述步骤S35中宽带带内噪声功率谱密度N_{B_PSD_Hz}具体为：

所述步骤S4中窄带带内噪声平均功率N_{N_PSD}具体为：

其中，N_{B_PSD_Hz}表示宽带带内噪声功率谱密度，Gain_AGC表示AGC增益。

同一时刻，宽带与窄带PSD工作在相同的设备状态下，因此其噪声系数是一致的，可以根据上一步估计的噪声功率密度计算窄带带宽下一个bin内的噪声功率N_{N_PSD}。

所述步骤S5具体为：将窄带功率谱带内的每个数据点分别减去窄带带内噪声平均功率N_{N_PSD}，并且对得到的全部差值求平均，获得窄带带内信号的平均功率S_{N_PSD}。

所述步骤S6中信噪比SNR的获取公式为：

SNR＝S_{N_PSD}-N_{N_PSD}。

所述步骤S7包括以下分步骤：

S71、通过一阶IIR滤波滤除信噪比数据流中的高频部分，得到新信噪比数据流；

S72、判断新信噪比数据流中信噪比SNR的值是否大于静噪上门限值THR_UP，若是，则静噪开启，使信号进入后级处理通路，完成数字话音静噪，否则进入步骤S73；

S73、判断新信噪比数据流中信噪比SNR的值是否小于静噪下门限值THR_DOWN，若是，则静噪闭锁，关闭后级处理通道，完成数字话音静噪，否则进入步骤S74；

S74、判断是否存在连续M次新信噪比数据流中信噪比SNR的值大于静噪门限值THR，若是，则静噪开启，使信号进入后级处理通路，完成数字话音静噪，否则静噪闭锁，关闭后级处理通道，完成数字话音静噪。

如图7所示，设定THR_UP为10，THR为0，THR_DOWN为-5，M为3得到静噪判决状态，图中静噪状态值为1代表静噪闭锁，为0代表静噪开启。

在本实施例中，数据点表示当前频率窗口的功率值。

本发明重新设计了静噪模块在无线接收机中的位置和结构，使用高数据率的功率谱作为静噪模块的数据源，可在解调之前获得信号的信噪比估计值，更适用于实时话音静噪的使用场景。与常规静噪模块对比，本发明避免了无意义的噪声数据进入接收机的后级处理系统，减少了接收机的系统功率消耗。

Claims (10)

1.一种基于功率谱的数字话音静噪方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、设定静噪门限值THR、静噪上门限值THR_UP、静噪下门限值THR_DOWN、去除宽带内信号的门限调整值X以及连续判断次数M；

S2、取出宽带功率谱的带内数据点和窄带功率谱的带内数据点；

S3、根据宽带功率谱的带内数据点和去除宽带内信号的门限调整值X，获取宽带带内噪声功率谱密度；

S4、根据窄带功率谱的带内数据点和宽带带内噪声功率谱密度，获取窄带带内噪声平均功率；

S5、根据窄带功率谱的带内数据点和窄带带内噪声平均功率，获取窄带带内信号的平均功率；

S6、根据窄带带内噪声平均功率和窄带带内信号的平均功率，获取窄带带内信号的信噪比，得到信噪比数据流；

S7、通过一阶IIR滤波滤除信噪比数据流中的高频部分，并根据静噪门限值THR、静噪上门限值THR_UP、静噪下门限值THR_DOWN以及连续判断次数M对信噪比数据流进行静噪判决，完成数字话音静噪。

2.根据权利要求1所述的基于功率谱的数字话音静噪方法，其特征在于，所述步骤S2中宽带功率谱的带内数据点的起点S_{B_start}和终点S_{B_end}分别为：

其中，BW_B表示宽带带宽，B表示宽带，Fs_B表示宽带DDC输出信号的采样率，BFFT表示宽带功率谱对应的FFT点数。

3.根据权利要求1所述的基于功率谱的数字话音静噪方法，其特征在于，所述步骤S2中窄带功率谱的带内数据点的起点S_{N_start}和终点S_{N_end}分别为：

其中，BW_N表示窄带带宽，N表示窄带，Fs_N表示窄带DDC输出信号的采样率，NFFT表示窄带功率谱对应的FFT点数。

4.根据权利要求2所述的基于功率谱的数字话音静噪方法，其特征在于，所述步骤S3包括以下分步骤：

S31、将一帧宽带带内数据点求平均，得到宽带带内功率谱均值M1_PSD；

S32、将宽带带内功率谱均值M1_PSD的计数值降低X，得到去除宽带PSD内信号分量的门限值B_THR；

S33、将步骤S2中取出的宽带带内数据点逐个与门限值B_THR比较，并将大于门限值B_THR的数据点数值修改为B_THR，得到经过去除宽带PSD内信号分量后的一帧宽带带内数据点；

S34、将S33中得到的宽带带内数据点求平均，得到宽带带内噪声功率估计值N_{B_PSD}；

S35、通过宽带带内噪声功率估计值N_{B_PSD}获取每Hz的宽带带内噪声功率谱密度N_{B_PSD_Hz}。

5.根据权利要求4所述的基于功率谱的数字话音静噪方法，其特征在于，所述步骤S33中经过去除信号之后的宽带带内数据点具体为：

所述步骤S34中宽带带内噪声功率N_{B_PSD}具体为：

其中，1≤n≤N，N表示所取出的宽带带内数据点的总个数，D_n表示第n个数据点；dBm表示功率单位。

6.根据权利要求5所述的基于功率谱的数字话音静噪方法，其特征在于，所述步骤S35中宽带带内噪声功率谱密度N_{B_PSD_Hz}具体为：

7.根据权利要求3所述的基于功率谱的数字话音静噪方法，其特征在于，所述步骤S4中窄带带内噪声平均功率N_{N_PSD}具体为：

其中，N_{B_PSD_Hz}表示宽带带内噪声功率谱密度，Gain_AGC表示AGC增益。

8.根据权利要求7所述的基于功率谱的数字话音静噪方法，其特征在于，所述步骤S5具体为：将窄带功率谱带内的每个数据点分别减去窄带带内噪声平均功率N_{N_PSD}，并且对得到的全部差值求平均，获得窄带带内信号的平均功率S_{N_PSD}。

9.根据权利要求8所述的基于功率谱的数字话音静噪方法，其特征在于，所述步骤S6中信噪比SNR的获取公式为：

SNR＝S_{N_PSD}-N_{N_PSD}。

10.根据权利要求9所述的基于功率谱的数字话音静噪方法，其特征在于，所述步骤S7包括以下分步骤：

S71、通过一阶IIR滤波滤除信噪比数据流中的高频部分，得到新信噪比数据流；

S72、判断新信噪比数据流中信噪比SNR的值是否大于静噪上门限值THR_UP，若是，则静噪开启，使信号进入后级处理通路，完成数字话音静噪，否则进入步骤S73；

S73、判断新信噪比数据流中信噪比SNR的值是否小于静噪下门限值THR_DOWN，若是，则静噪闭锁，关闭后级处理通道，完成数字话音静噪，否则进入步骤S74；

S74、判断是否存在连续M次新信噪比数据流中信噪比SNR的值大于静噪门限值THR，若是，则静噪开启，使信号进入后级处理通路，完成数字话音静噪，否则静噪闭锁，关闭后级处理通道，完成数字话音静噪。

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