CN112954122A - 甚高频话音通信系统话音比选方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了甚高频话音通信系统话音比选方法，涉及甚高频通信领域，解决了比选处理过程中的信噪比计算不够准确且延迟较大，实用性不够强的问题。本发明包括在话音归一化自相关函数包络线上进行第一次粗判，然后以短时平均过零率为准进行第二次判决，筛选出多路信号的话音段；对多路信号的话音段进行同步处理，对归一化处理后的话音同步信号选出非话音段作为噪声段；将归一化处理后的话音同步的多路信号的话音段减去噪声段，得到默认为纯净话音的信号，选定信噪比最佳的一路信号作为比选结果。本发明提高了话音比选的准确性和环境自适应能力，缩短了话音比选处理延迟。

Description

甚高频话音通信系统话音比选方法
技术领域
本发明涉及甚高频通信，具体涉及甚高频话音通信系统话音比选方法。
背景技术
目前，民航甚高频通信仍然以话音通信为主，大部分航空管制区域面积较大，单个台站无法完全覆盖，一般需要多个台站才能实现管制扇区全覆盖，因为多个台站所处位置不同，所以接收到的同一架飞机的信号强度不同，受到的干扰强度也不相同，解调得到的话音质量自然也不相同，可以通过话音比选的方式进行选择，选择最优的一路话音信号送到管制中心，供管制员监听。
传统的话音比选方式为直接比较多路话音信号的信噪比，判选出信噪比最高的一路话音。若比较的多路话音信号不同步，也就是说比较的话音内容不同，那么依靠信噪比的高低作为最优判决条件将会失去意义。因为话音分为重音和清音，在相同噪声环境下，重音和清音的话音能量是不同的，显然重音能量更大，计算出的信噪比的值会更高，所以话音不同步的情况通过信噪比进行话音比选，得到的结果并不是很可靠。
传统的话音信噪比计算方法有三种，第一种是带外噪声计算，由话音信号的频谱特性可知，话音信号分布在3.4kHz以内，3.4kHz以外的信号为带外噪声，用带内信号比上带外噪声便可得到话音信噪比，因为话音比选前的解调处理已经对话音信号进行了滤波，带外噪声已经被滤除，所以使用该方法无法准确计算信噪比；第二种是平均信噪比计算，该方法是计算整段话音信噪比，需要缓存整段话音，计算该段的信号能量并估计噪声功率，最后计算出该段信号的平均信噪比，因为该方法需要缓存整段话音，所以延时较大，不满足实时性要求；第三种是短时平均信噪比计算，该方法是截取部分话音段计算得到，该方法可以满足实时性要求，但是计算结果可能存在误差。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：
a.话音比选之前未做信号同步处理，可能会导致比选结果不准确；
b.比选处理过程中的信噪比计算不够准确且延迟较大，实用性不够强。本发明提供了解决上述问题的甚高频话音通信系统话音比选方法。
本发明通过下述技术方案实现：
甚高频话音通信系统话音比选方法，对多路话音信号进行比选，比选方式为首先联合归一化自相关函数和短时平均过零率检测话音端点，然后进行话音同步处理，最后计算同步话音的信噪比；
话音端点检测时，首先在话音归一化自相关函数包络线上进行第一次粗判，然后以短时平均过零率为准进行第二次判决，筛选出多路信号的话音段；
对多路信号的话音段进行同步处理，得到话音段同步的多路信号，再进行归一化处理得到归一化处理后的话音同步信号；
对归一化处理后的话音同步信号选出非话音段作为噪声段；将归一化处理后的话音同步的多路信号的话音段减去噪声段，得到默认为纯净话音的信号。选定每一路信号的纯净话音段和噪声段计算每一路信号的信噪比，信噪比最佳的一路信号作为比选结果。
进一步地，所述信号同步处理包括如下步骤：
选择多路话音段信号中的任意一路信号作为参考信号进行话音同步，使其它通路的话音段信号与参考信号保持同步，如果其它通路话音段信号无法与参考信号同步则在话音段结束位置丢弃，当与参考信号同步上后进行归一化处理。
进一步地，所述多路话音信号为航空管制区域内的飞机发送至多处台站的多路话音信号，所述发送至多处台站的多路话音信号为同一话音内容。
进一步地，所述计算信噪比后还包括进行信噪比比较的步骤，对多路话音段信号的信噪比进行比较；
比较得到信噪比最佳的一路话音信号，信噪比最佳的一路话音信号作为比选结果向后输出至扬声器，扬声器对比选结果进行功放后播放。
进一步地，基于归一化自相关函数判别话音段的起止点位置的实现步骤如下：
在话音段归一化自相关函数包络线上选取一个较高的门限T1，进行第一次粗判，高于门限T1的判为话音，而话音段起止点位于T1阈值与归一化自相关函数包络焦点所对应的时间点之外；
在归一化自相关函数上确定一个较低的门限T2，从C点往左和D点往右依次搜索，分别找到归一化自相关函数包络与阈值T2相交的两点B和E，于是B和E为双门限根据归一化自相关函数所判定的话音段的起止点位置；
其中，C点为门限T1与归一化自相关函数包络线的交点中按时间顺序的第一个交点，D点为门限T1与归一化自相关函数包络线的交点中按时间顺序的最后一个交点；
其中，B点位于时间顺序的C点左侧，B点为比选根据归一化自相关函数所判定的话音段的起点；
其中，E点位于时间顺序的D点右侧，E点为比选根据归一化自相关函数所判定的话音段的终点即止点。
进一步地，还包括基于短时过零率判别话音的起止点位置的实现步骤如下：
预设门限值T3，从B点往左和E点往右依次搜索，找到短时平均过零率低于门限值T3的两点A和F；
其中，A点位于时间顺序的B点左侧，A点为比选根据短时过零率所判定的话音的起点；
其中，F点位于时间顺序的E点右侧，F点为比选根据短时过零率所判定的话音的终点即止点。
本发明可解决多路话音信号不同步的问题；本发明的信噪比计算方法既准确，实时性也高。
信号同步处理操作如下：
假设有两路信号x1(n)＝a1s(n-τ1)+w1(n)、x2(n)＝a2s(n-τ2)+w2(n)；
其中s(n)为声源信号，w1(n)和w2(n)是不相关的高斯白噪声。τ1和τ2是声波从声源到电台的传播时间衰减系数。两路信号之间的时延τ12＝τ1-τ2。求两信号的互相关函数R12(τ)＝E[x1(n)-x2(n-τ)]，可得R12(τ)＝a1a2E[s(n-τ1)s(n-τ2-τ)]。当n-τ1＝n-τ2-τ即τ＝τ12时，R12(τ)取最大值。因此求得R12(τ)的最大值对应的τ就是两路信号的时延τ12。
同步问题。比选器进行话音比对时，各通道话音通路应保持相位一致，因为信噪比的计算是从话音段截取的部分有用信号比上噪声，如果各通道有用信号相位信息不一致会导致信噪比计算有较大误差。
还包括话音内容的一致性。话音比选器在对比各通路话音信噪比时，必须保证各通路的话音内容相同并且同步，若各通路话音内容不同或者不同步，则依靠信噪比的高低作为最优判决条件将会失去意义。比如话音分重音和清音，在相同噪声环境下，重音和清音的话音能量是不同的，显然重音幅度大所以计算出的信噪比的值会更高，这就无法判定重音的话音质量比轻音的话音质量高。
本发明具有如下的优点和有益效果：
本发明提出了一种基于归一化自相关函数和短时平均过零率的双门限检测，并且结合话音同步的话音比选方法，提高了话音比选的准确性和应用场景的自适应能力，缩短了话音比选处理延迟。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
图1为本发明的信噪比计算路程图。
图2为本发明的话音比选流程图。
图3为本发明的实时处理方案流程图。
图4为本发明的双门限检测例图。
图5为本发明的实施例中的4路信号时域图。
图6为本发明的实施例中的4路信号信噪比结果。
具体实施方式
在下文中，可在本发明的各种实施例中使用的术语“包括”或“可包括”指示所发明的功能、操作或元件的存在，并且不限制一个或更多个功能、操作或元件的增加。此外，如在本发明的各种实施例中所使用，术语“包括”、“具有”及其同源词仅意在表示特定特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合，并且不应被理解为首先排除一个或更多个其它特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合的存在或增加一个或更多个特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合的可能性。
在本发明的各种实施例中，表述“或”或“A或/和B中的至少一个”包括同时列出的文字的任何组合或所有组合。例如，表述“A或B”或“A或/和B中的至少一个”可包括A、可包括B或可包括A和B二者。
在本发明的各种实施例中使用的表述(诸如“第一”、“第二”等)可修饰在各种实施例中的各种组成元件，不过可不限制相应组成元件。例如，以上表述并不限制所述元件的顺序和/或重要性。以上表述仅用于将一个元件与其它元件区别开的目的。例如，第一用户装置和第二用户装置指示不同用户装置，尽管二者都是用户装置。例如，在不脱离本发明的各种实施例的范围的情况下，第一元件可被称为第二元件，同样地，第二元件也可被称为第一元件。
应注意到：如果描述将一个组成元件“连接”到另一组成元件，则可将第一组成元件直接连接到第二组成元件，并且可在第一组成元件和第二组成元件之间“连接”第三组成元件。相反地，当将一个组成元件“直接连接”到另一组成元件时，可理解为在第一组成元件和第二组成元件之间不存在第三组成元件。
在本发明的各种实施例中使用的术语仅用于描述特定实施例的目的并且并非意在限制本发明的各种实施例。如在此所使用，单数形式意在也包括复数形式，除非上下文清楚地另有指示。除非另有限定，否则在这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明的各种实施例所属领域普通技术人员通常理解的含义相同的含义。所述术语(诸如在一般使用的词典中限定的术语)将被解释为具有与在相关技术领域中的语境含义相同的含义并且将不被解释为具有理想化的含义或过于正式的含义，除非在本发明的各种实施例中被清楚地限定。
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
甚高频话音通信系统话音比选方法，如图1、2所示，对多路话音信号进行比选，比选方式为首先联合归一化自相关函数和短时平均过零率检测话音端点，然后进行话音同步处理，最后计算同步话音的信噪比；
话音端点检测时，首先在话音归一化自相关函数包络线上进行第一次粗判，然后以短时平均过零率为准进行第二次判决，筛选出多路信号的话音段；
对多路信号的话音段进行同步处理，得到话音段同步的多路信号，再进行归一化处理得到归一化处理后的话音同步信号；
对归一化处理后的话音同步信号选出非话音段作为噪声段；将归一化处理后的话音同步的多路信号的话音段减去噪声段，得到默认为纯净话音的信号。选定每一路信号的纯净话音段和噪声段计算每一路信号的信噪比，信噪比最佳的一路信号作为比选结果。
进一步地，所述信号同步处理包括如下步骤：
选择多路话音段信号中的任意一路信号作为参考信号进行话音同步，使其它通路的话音段信号与参考信号保持同步，如果其它通路话音段信号无法与参考信号同步则在话音段结束位置丢弃，当与参考信号同步上向后进行归一化处理。
进一步地，所述多路话音信号为航空管制区域内的飞机发送至多处台站的多路话音信号，所述发送至多处台站的多路话音信号为同一话音内容。
进一步地，所述计算信噪比后还包括进行信噪比比较的步骤，对多路话音段信号的信噪比进行比较；
比较得到信噪比最佳的一路话音信号，信噪比最佳的一路话音信号作为比选结果向后输出至扬声器，扬声器对比选结果进行功放后播放。
进一步地，基于归一化自相关函数判别话音段的起止点位置的实现步骤如下且如图4所示：
在话音段归一化自相关函数包络线上选取一个较高的门限T1，进行第一次粗判，高于门限T1的判为话音，而话音段起止点位于T1阈值与归一化自相关函数包络焦点所对应的时间点之外；
在归一化自相关函数上确定一个较低的门限T2，从C点往左和D点往右依次搜索，分别找到归一化自相关函数包络与阈值T2相交的两点B和E，于是B和E为双门限根据归一化自相关函数所判定的话音段的起止点位置；
其中，C点为门限T1与归一化自相关函数包络线的交点中按时间顺序的第一个交点，D点为门限T1与归一化自相关函数包络线的交点中按时间顺序的最后一个交点；
其中，B点位于时间顺序的C点左侧，B点为比选根据归一化自相关函数所判定的话音段的起点；
其中，E点位于时间顺序的D点右侧，E点为比选根据归一化自相关函数所判定的话音段的终点即止点。
进一步地，还包括基于短时过零率判别话音的起止点位置的实现步骤如下：
预设门限值T3，从B点往左和E点往右依次搜索，找到短时平均过零率低于门限值T3的两点A和F；
其中，A点位于时间顺序的B点左侧，A点为比选根据短时过零率所判定的话音的起点；
其中，F点位于时间顺序的E点右侧，F点为比选根据短时过零率所判定的话音的终点即止点。
本发明可解决多路话音信号不同步的问题；本发明的信噪比计算方法既准确，实时性也高。
信号同步处理操作如下：
假设有两路信号x1(n)＝a1s(n-τ1)+w1(n)、x2(n)＝a2s(n-τ2)+w2(n)；
其中s(n)为声源信号，w1(n)和w2(n)是不相关的高斯白噪声。τ1和τ2是声波从声源到电台的传播时间衰减系数。两路信号之间的时延τ12＝τ1-τ2。求两信号的互相关函数R12(τ)＝E[x1(n)-x2(n-τ)]，可得R12(τ)＝a1a2E[s(n-τ1)s(n-τ2-τ)]。当n-τ1＝n-τ2-τ即τ＝τ12时，R12(τ)取最大值。因此求得R12(τ)的最大值对应的τ就是两路信号的时延τ12。
同步问题。比选器进行话音比对时，各通道话音通路应保持相位一致，因为信噪比的计算是从话音段截取的部分有用信号比上噪声，如果各通道有用信号相位信息不一致会导致信噪比计算有较大误差。
还包括话音内容的一致性。话音比选器在对比各通路话音信噪比时，必须保证各通路的话音内容相同并且同步，若各通路话音内容不同或者不同步，则依靠信噪比的高低作为最优判决条件将会失去意义。比如话音分重音和清音，在相同噪声环境下，重音和清音的话音能量是不同的，显然重音幅度大所以计算出的信噪比的值会更高，这就无法判定重音的话音质量比轻音的话音质量高。
实施例1：如图3所示，为具体上述比选方法的实施流程图；
如图5、6所示，当N＝4时，相同的信号通过不同的路径到达同一部电台，其幅度会有差异，如果直接计算信噪比，可能会出现以下现象：信号1质量高、整体幅度偏小，信号2质量略小于信号1、整体幅度偏大，最终信噪比结果是信号2大于信号1。为了杜绝此类现象，应将同步后的信号进行归一化处理。4路信号传输相同话音，但进入比选器的延迟不同，且幅度和信号质量有差异。4路信号经过本发明的比选器后，最终输出信号3。4路信号进入比选器，先进行双门限的端点检测，筛选出话音帧；然后进行信号同步处理，将个话音帧相互对齐；再对各信号进行归一化处理；最后再计算各路信号的信噪比。从信噪比结果图中可以看出，信号3的信噪比最优，但是信号3的幅度并不是4路信号中最大的。如果在比选过程中，不对信号进行归一化处理，最终的输出信号可能会是信号1或者信号2。同样，在比选过程中，如果不对信号进行同步处理，最终的信噪比结果图会有左或右的偏移，这意味着4路信号的信噪比不是在同一段话音基础上进行比较的，这可能会导致一个严重的后果，最终输出信号在不停的切换，极不稳定。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.甚高频话音通信系统话音比选方法，其特征在于，对多路话音信号进行比选，比选方式为首先联合归一化自相关函数和短时平均过零率检测话音端点，然后进行话音同步处理，最后计算同步话音的信噪比；
话音端点检测时，首先在话音归一化自相关函数包络线上进行第一次粗判，然后以短时平均过零率为准进行第二次判决，筛选出多路信号的话音段；
对多路信号的话音段进行同步处理，得到话音段同步的多路信号，再进行归一化处理得到归一化处理后的话音同步信号；
对归一化处理后的话音同步信号选出非话音段作为噪声段；将归一化处理后的话音同步的多路信号的话音段减去噪声段，得到默认为纯净话音的信号，选定每一路信号的纯净话音段和噪声段计算每一路信号的信噪比，信噪比最佳的一路信号作为比选结果。
2.根据权利要求1所述的甚高频话音通信系统话音比选方法，其特征在于，所述信号同步处理包括如下步骤：
选择多路话音段信号中的任意一路信号作为参考信号进行话音同步，使其它通路的话音段信号与参考信号保持同步，如果其它通路话音段信号无法与参考信号同步，则在话音段结束位置丢弃，当与参考信号同步上后进行归一化处理。
3.根据权利要求1所述的甚高频话音通信系统话音比选方法，其特征在于，所述多路话音信号为航空管制区域内的飞机发送至多处台站的多路话音信号。
4.根据权利要求1所述的甚高频话音通信系统话音比选方法，其特征在于，所述计算信噪比后还包括进行信噪比比较的步骤，对多路话音段信号的信噪比进行比较；
比较得到信噪比最佳的一路话音信号，信噪比最佳的一路话音信号作为比选结果向后输出至扬声器，扬声器对比选结果进行功放后播放。
5.根据权利要求1所述的甚高频话音通信系统话音比选方法，其特征在于，基于归一化自相关函数判别话音段的起止点位置的实现步骤如下：
在话音段归一化自相关函数包络线上选取一个较高的门限T1，进行第一次粗判，高于门限T1的判为话音，而话音段起止点位于T1阈值与归一化自相关函数包络焦点所对应的时间点之外；
在归一化自相关函数上确定一个较低的门限T2，从C点往左和D点往右依次搜索，分别找到归一化自相关函数包络与阈值T2相交的两点B和E，于是B和E为双门限根据归一化自相关函数所判定的话音段的起止点位置；
其中，C点为门限T1与归一化自相关函数包络线的交点中按时间顺序的第一个交点，D点为门限T1与归一化自相关函数包络线的交点中按时间顺序的最后一个交点；
其中，B点位于时间顺序的C点左侧，B点为比选根据归一化自相关函数所判定的话音段的起点；
其中，E点位于时间顺序的D点右侧，E点为比选根据归一化自相关函数所判定的话音段的终点即止点。
6.根据权利要求5所述的甚高频话音通信系统话音比选方法，其特征在于，还包括基于短时过零率判别话音的起止点位置的实现步骤如下：
预设门限值T3，从B点往左和E点往右依次搜索，找到短时平均过零率低于门限值T3的两点A和F；
其中，A点位于时间顺序的B点左侧，A点为比选根据短时过零率所判定的话音的起点；
其中，F点位于时间顺序的E点右侧，F点为比选根据短时过零率所判定的话音的终点即止点。
7.根据权利要求3所述的甚高频话音通信系统话音比选方法，其特征在于，所述飞机发送至多处台站的多路话音信号为同一话音内容。
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