CN113131965B - 一种民航甚高频地空通信电台遥控装置及人声判别方法 - Google Patents

一种民航甚高频地空通信电台遥控装置及人声判别方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种民航甚高频地空通信电台遥控装置及人声判别方法，在音频预处理电路和音频放大电路之间设有音频选通电路；音频选通电路包括串联的ADC转换器、数字滤波器、DAC转换器和开关，ADC转换器连接音频预处理电路输出端，开关与音频放大电路串联，还包括人声判别模块，人声判别模块用于从ADC转换器接收转化后的音频数据，对音频数据进行人声判别，通过引入人声判别模块，采用DSP等可编程芯片进行人声判别，控制接收音频信号的输出，实现静噪，大幅提高民航甚高频地空通信电台遥控盒在包括恶劣天气或复杂电磁环境中的静噪正确率和音频信号的信噪比。

Description

一种民航甚高频地空通信电台遥控装置及人声判别方法
技术领域
本发明涉及甚高频地空通信领域，具体涉及一种民航甚高频地空通信电台遥控装置及人声判别方法。
背景技术
在民航空管领域，民航甚高频地空通信电台遥控盒为终端设备，管制员使用它操控民航甚高频地空通信电台，完成与飞行员通话，管制民航交通。
目前，全球在运行的民航甚高频地空通信电台(话音)，均采用双边带调幅调制(A3E)的话音通信体制。众所周知，该话音通信体制的通信效果，极易被空间电磁环境的优劣左右。由于空间电磁环境愈来愈恶劣，众多设备间的电磁骚扰(EMD)愈来愈复杂，在遭遇恶劣天气或复杂电磁环境中工作时，民航甚高频地空通信电台话音的SQL(静噪)时常被无用信号冲开，向遥控盒输出与正常工作无关的非人声噪音，或者是信噪比偏低的话音信号，这些都会严重影响交通秩序和飞行安全。
虽然，现有民航甚高频地空通信电台已采用中频门限值、中频载噪比、音频门限值、音频信噪比等指标来实现话音SQL(静噪)，但仍然时有误判情况，给民航甚高频地空通信电台遥控盒输出无用音频信号(噪音)。而现有民航甚高频地空通信电台遥控盒，SQL(静噪)处理方案为：直接采用民航甚高频地空通信电台SQL(静噪)(不做进一步处理)信号、检测音频的信噪比等简单处理方法，SQL(静噪)正确率不甚理想，同时，话音信号的信噪比有待提高。
发明内容
本发明目的在于提供一种民航甚高频地空通信电台遥控装置及人声判别方法，通过判别出人声信号从而提高音频静噪的正确率，同时，采用数字滤波技术，提高话音信号的信噪比。
本发明通过下述技术方案实现：
一种民航甚高频地空通信电台遥控装置，包括依次连接的E&M接口、音频预处理电路、音频放大电路和音频驱动电路，其特征在于，在音频预处理电路和音频放大电路之间设有音频选通电路；
所述音频选通电路包括串联的ADC转换器、数字滤波器、DAC转换器和开关，ADC转换器连接音频预处理电路输出端，开关与音频放大电路串联，还包括人声判别模块，所述人声判别模块用于从ADC转换器接收转化后的音频数据，根据对音频数据进行判别得到电平信号，当音频数据为人声数据时，输出高电平控制开关闭合，连通音频选通电路；当音频数据不是人声数据时，输出低电平控制开关断开，关闭音频选通电路。
进一步地，所述音频放大电路包括串接的第一音频放大器、数字电位器和第二音频放大器，第一音频放大器与开关连接，所述第二音频放大器与音频驱动电路连接，数字电位器对音频信号进行音量调节；音频放大电路对音频信号进行了两次音频放大，提高话音信号的幅度。
进一步地，所述音频驱动电路包括串接的RC滤波电路、音频功率放大器和音频播放设备，所述RC滤波电路与音频放大电路连接。
进一步地，所述音频播放设备包括耳机和喇叭。
进一步地，还包括录音接口，所述录音接口与音频驱动电路的输出端连接，用于将音频进行相应处理后给外部录音设备提供录音接口。
现有民航甚高频地空通信电台遥控装置中，音频静噪处理方法一般是直接采用民航甚高频地空通信电台的音频信号进行静噪(不做进一步处理)—检测音频的信噪比，当信噪比满足一定的阈值条件时，产生静噪使能信号；处理方法比较简单，静噪正确率不甚理想，本发明通过在音频预处理电路和音频放大电路之间加入音频选通电路，在音频选通电路中引入人声判别模块，人声判别模块使用可编程器件和电路，例如DSP芯片，在现有的DSP芯片中植入已公开的一些现有的人声判别算法对经ADC转换后的音频数据进行处理和判断，根据判断后产生的电平信号控制开关的通断，实现静噪过程，本方案的重点在于在现有的遥控装置中加入带有人声判别功能的可编程器件和电路组成的选通电路，只有在判断为是人声时才控制电路连通，并将经过数字滤波处理后的音频信号经两次次音频放大后输出，当判断为不是人声时，开关断开不接通电路不对外输出音频，这样可以提高遥控装置的音频信噪比并且提高静噪正确率。
由于民航甚高频地空通信电台具体在恶劣天气或复杂电磁的环境中使用，本发明提供一种人声判别方法，对于人声判别模块中使用到的人声判别方法进行优化，用于上述民航甚高频地空通信电台遥控装置中，遥控装置为电台的终端设备，可利用背景噪声特性对人声进行判别，包括以下步骤：
步骤S1、获取经ADC转换后的音频信号，从所述音频信号中提取音频信号的特征参数；
步骤S2、将所述音频信号送入长度为32帧的最小缓冲区，获取每次更新的32帧音频信号的背景噪声特性参数；
步骤S3、根据背景噪声特性参数得到背景噪声能量，判断所述背景噪声能量是否超出设定阈值；
步骤S4、若步骤S3的判断结果为超过设定阈值，则更新背景噪声特性参数，并重复步骤S3；
若步骤S3的判断结果为未超过阈值，则根据所述音频信号的特征参数和背景噪声特性参数计算判决参数；
步骤S5、根据判决参数进行多边界音频活动判决，得到人声判别值。
进一步，步骤S5中多边界音频活动判决的过程为判断判决参数满足设定的边界条件的个数，若任意一个判决参数满足设定的边界条件时，则初步判断人声判别有效，输出初步人声判别值；
若步骤S5中多边界音频活动判决结果为判决参数均不满足设定的边界条件，则初步判别人声判别无效，输出初步人声判别值；所述判决参数包括频谱失真、全频段能量差、低频段能量差和过零率变化值；
将所述初步人声判别值进行平滑处理，得到平滑后的判别值；
若平滑后的判决值为1，则输出最终人声判别值为1；
若平滑后的判决值为0，则输出最终人声判别值为0。
进一步地，所述音频信号帧参数包括全频段音频帧能量、低频段音频帧能量、音频线谱频率集和音频过零率。
进一步地，所述背景噪声特性参数包括全频段噪声帧能量、低频段噪声帧能量、噪声线谱频率集和噪声过零率。
本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
1、本发明一种民航甚高频地空通信电台遥控装置及人声判别方法，设置音频选通电路，采用DSP等可编程芯片进行人声判别，根据判决结果控制音频选通电路是否将经数字滤波处理后的音频信号输出，只有当判别为人声时才闭合开关，连通电路，输出音频信号，实现静噪功能，并且对输出的音频信号进行数字滤波等处理，这样可以大幅提高民航甚高频地空通信电台遥控盒在包括恶劣天气或复杂电磁环境中的静噪正确率和话音信号的信噪比；
2、本发明一种民航甚高频地空通信电台遥控装置及人声判别方法根据实际的使用情况对人声判别方法进行改进，通过对噪声特性的分析和能量计算，采用多边界音频活动判断方法对音频信号是否为人声进行判决，据实际使用情况统计，静噪正确率达到99.99％以上，遥控装置的音频信噪比高，音频质量MOS评分可以达到4.0以上，本发明装置的体积小、音频失真小、功耗低、批生产一致性好和可靠性高。
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为本发明通信电台遥控装置内部结构示意图；
图2为本发明收音频处理模块结构示意图；
图3为本发明人声判别方法流程图；
图4为一种实施方法中通信电台遥控装置与通信电台的连接示意图；
图5为一种实施方法中通信电台遥控装置与多台通信电台的连接示意图。
具体实施方式
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。
在以下描述中，为了提供对本发明的透彻理解阐述了大量特定细节。然而，对于本领域普通技术人员显而易见的是：不必采用这些特定细节来实行本发明。在其他实例中，为了避免混淆本发明，未具体描述公知的结构、电路、材料或方法。
在整个说明书中，对“一个实施例”、“实施例”、“一个示例”或“示例”的提及意味着：结合该实施例或示例描述的特定特征、结构或特性被包含在本发明至少一个实施例中。因此，在整个说明书的各个地方出现的短语“一个实施例”、“实施例”、“一个示例”或“示例”不一定都指同一实施例或示例。此外，可以以任何适当的组合和、或子组合将特定的特征、结构或特性组合在一个或多个实施例或示例中。此外，本领域普通技术人员应当理解，在此提供的示图都是为了说明的目的，并且示图不一定是按比例绘制的。这里使用的术语“和/或”包括一个或多个相关列出的项目的任何和所有组合。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”、“下”、“竖直”、“水平”、“高”、“低”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。
实施例1
如图1所示，本实施例中一种民航甚高频地空通信电台遥控装置，包括依次连接的E&M接口、收音频处理通路和发音频处理通路；所述收音频处理通路和发音频处理通路均与MCU连接，MCU用于状态采集和指示、控制信令产生和输出；E&M接口用于遥控装置与通信电台的音频信号交互；收音频处理通路用于完成从E&M接口接收音频到音频播放设备的音频通路；所述发音频处理模块于完成从麦克风到E&M接口发音频的音频通路；麦克风用于管制员发音频输入；音频播放设备用于音频信号对管制员输出，包括扬声器、耳机或者喇叭等。
现有民航甚高频地空通信电台遥控装置中，音频静噪处理方法一般是将接收到的音频信号经过收音频处理通路进行简单地检测音频信噪比，通过音频预处理电路后将音频通过音频放大电路，最后通过音频驱动电路输出音频信号，音频预处理电路包括高通滤波器和AGC处理电路，对音频信号进行滤波、增益调节等处理；但是这样对于一些不需要的噪声信号无法滤除，静噪准确率不高，因此本实施例，如图2所示，在现有的音频预处理电路和音频放大电路之间设有音频选通电路；
音频选通电路包括串联的ADC转换器、数字滤波器、DAC转换器和开关，ADC转换器连接音频预处理电路输出端，开关与音频放大电路串联，还包括人声判别模块，所述人声判别模块用于从ADC转换器接收转化后的音频数据，根据对音频数据进行判别得到电平信号，当音频数据为人声数据时，输出高电平控制开关闭合，连通音频选通电路；当音频数据不是人声数据时，输出低电平控制开关断开，关闭音频选通电路。
接收音频时，通过E&M接口送入收音频预处理电路，对音频信号进行高通滤波、AGC增益等处理；将处理后的音频信号进行ADC转换，将模拟的音频信号转换成数字信号；将转化为数字信号的音频送入数字滤波器进行数字滤波处理，同时，将音频的数字信号送入人声判别模块进行人声判别；数字滤波处理后的音频数字信号进行DAC转换，转换成模拟信号；根据人声判别模块的判别结果，控制开关的通/断，当判别结果为人声时，控制开关接通，否则开关为断路状态；若音频信号为人声信号，通过开关电路输出到音频放大电路中，根据需要使用的音频播放设备通过对应的音频播放模块的处理后输出到音频播放设备输出音频信号。人声判别模块使用DSP等可编程器件实现人声的判断，需要说明的是，对人声的判断过程为现有的人声判别方法，本方案的重点在于将在现有的遥控装置中加入带有人声判别功能的可编程器件和电路组成的选通电路中，以此提高遥控装置的音频信噪比并且提高静噪正确率，对于使用的人声判别方法不做限制。
在一种实施方式中，民航甚高频地空通信电台遥控装置还包括录音接口，所述录音接口分别与收音频处理模块和发音频处理模块连接，用于收音频处理模块和发音频处理模块的音频进行相应处理后给外部录音设备录音。
上述音频放大电路包括串接的第一音频放大器、数字电位器和第二音频放大器，第一音频放大器与开关连接，所述第二音频放大器与音频驱动电路连接，数字电位器对音频信号进行音量调节；对音频信号进行两次音频放大，都能提高话音质量，上述音频驱动电路包括串接的RC滤波电路、音频功率放大器和音频播放设备，音频播放设备包括耳机和喇叭等将音频信号输出。
实施例2
如图3所示，本实施例提供一种人声判别方法，用于上述民航甚高频地空通信电台遥控装置中，考虑民航甚高频地空通信电台具体在恶劣天气或复杂电磁的环境中使用，利用背景噪声特性对人声进行判别，包括以下步骤：
步骤S1、获取经ADC转换后的音频信号，从所述音频信号中提取音频信号的特征参数；音频信号帧参数包括全频段音频帧能量、低频段音频帧能量、音频线谱频率集和音频过零率；
步骤S2、将所述音频信号送入长度为32帧的最小缓冲区，获取每次更新的32帧音频信号的背景噪声特性参数；背景噪声特性参数包括全频段噪声帧能量、低频段噪声帧能量、噪声线谱频率集和噪声过零率；
步骤S3、根据背景噪声特性参数得到背景噪声能量，判断所述背景噪声能量是否超出设定阈值；
步骤S4、若步骤S3的判断结果为超过设定阈值，则更新背景噪声特性参数，并重复步骤S3；
若步骤S3的判断结果为未超过阈值，则根据所述音频信号的特征参数和背景噪声特性参数计算判决参数；
步骤S5、根据判决参数进行多边界音频活动判决，得到人声判别值。
步骤S5中多边界音频活动判决的过程为判断判决参数满足设定的边界条件的个数，若任意一个判决参数满足设定的边界条件时，则初步判断人声判别有效，输出初步人声判别值；若步骤S5中多边界音频活动判决结果为判决参数均不满足设定的边界条件，则初步判别人声判别无效，输出初步人声判别值；所述判决参数包括频谱失真、全频段能量差、低频段能量差和过零率变化值；
将所述初步人声判别值进行平滑处理，得到平滑后的判别值；
若平滑后的判决值为1，则输出最终人声判别值为1；
若平滑后的判决值为0，则输出最终人声判别值为0。
由于空间电磁环境愈来愈恶劣、众多设备间的电磁骚扰(EMD)愈来愈复杂，民航甚高频地空通信电台(话音)的SQL时常被无用信号冲开，向遥控盒输出与正常工作无关的非人声噪音，或者是人声话音，因此需要将噪声和人声进行准确区分，不必对人声具体内容进行识别，本实施例中的方法根据实际使用时，在恶劣天气和复杂电磁环境下的特殊情况下，结合话音信号帧参数和背景噪声特性参数得到判决参数，根据判决参数对音频信号进行判决是否为人声信号，背景噪声特性参数包括全频段噪声帧能量、低频段噪声帧能量、噪声线谱频率集和噪声过零率，考虑到噪声的各项特性能有效的检测出噪声信号。
如图4所示，民航甚高频地空通信电台遥控装置与通信电台的连接方式可以为一对一连接，包括甚高频地空通信电台、通信电台遥控装置、管制席位，通信电台遥控装置的E&M接口与通信电台的E&M接口连接；甚高频地空通信电台用于接收/发射空间射频信号，解调出音频信号并通过E&M接口对电台遥控装置输出；电台遥控装置进行相应处理和人声判别后，判断是人声才对管制员席位输出；管制员席位为管制员工作的具体环境。
在另一种实施例中，如图5所示，可将一个通信电台遥控装置通过切换器与多部民航甚高频地空通信电台连接，切换器用于音频信号通路切换，音频信号处理过程和判别方法与上述过程一致。
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 (8)

1.一种民航甚高频地空通信电台遥控装置，包括依次连接的E&M接口、音频预处理电路、音频放大电路和音频驱动电路，其特征在于，在音频预处理电路和音频放大电路之间设有音频选通电路；
所述音频选通电路包括串联的ADC转换器、数字滤波器、DAC转换器和开关，ADC转换器连接音频预处理电路输出端，开关与音频放大电路连接，还包括人声判别模块，所述人声判别模块用于从ADC转换器接收转化后的音频数据，根据对音频数据进行判别得到电平信号，当音频数据为人声数据时，输出高电平控制开关闭合，连通音频选通电路；当音频数据不是人声数据时，输出低电平控制开关断开，关闭音频选通电路；
其中，接收音频时，通过E&M接口送入音频预处理电路进行信号预处理；将预处理后的音频信号进行ADC转换，将模拟的音频信号转换成数字信号；将转化为数字信号的音频送入数字滤波器进行数字滤波处理，同时，将音频的数字信号送入人声判别模块进行人声判别；数字滤波处理后的音频数字信号进行DAC转换，转换成模拟信号；根据人声判别模块的判别结果，控制开关的通/断，当判别结果为人声时，控制开关接通，否则开关为断路状态；若音频信号为人声信号，通过开关电路输出到音频放大电路中，根据需要使用的音频播放设备通过对应的音频播放模块的处理后输出到音频播放设备输出音频信号。
2.根据权利要求1所述的一种民航甚高频地空通信电台遥控装置，其特征在于，所述音频放大电路包括串接的第一音频放大器、数字电位器和第二音频放大器，第一音频放大器与开关连接，所述第二音频放大器与音频驱动电路连接。
3.根据权利要求1所述的一种民航甚高频地空通信电台遥控装置，其特征在于，所述音频驱动电路包括串接的RC滤波电路、音频功率放大器和音频播放设备，所述RC滤波电路与音频放大电路连接。
4.根据权利要求3所述的一种民航甚高频地空通信电台遥控装置，其特征在于，所述音频播放设备包括耳机或喇叭。
5.根据权利要求1所述的一种民航甚高频地空通信电台遥控装置，其特征在于，还包括录音接口，所述录音接口与音频驱动电路的输出端连接，用于给外部录音设备录音提供接口。
6.一种人声判别方法，用于如权利要求1所述的民航甚高频地空通信电台遥控装置中，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1、获取经ADC转换后的音频信号，从所述音频信号中提取音频信号的特征参数；
步骤S2、将所述音频信号送入长度为32帧的最小缓冲区，获取每次更新的32帧音频信号的背景噪声特性参数；
步骤S3、根据背景噪声特性参数得到背景噪声能量，判断所述背景噪声能量是否超出设定阈值；
步骤S4、若步骤S3的判断结果为超过设定阈值，则更新背景噪声特性参数，并重复步骤S3；
若步骤S3的判断结果为未超过阈值，则根据所述音频信号的特征参数和背景噪声特性参数计算判决参数；
步骤S5、根据判决参数进行多边界音频活动判决，得到人声判别值；
其中，步骤S5中多边界音频活动判决的过程为判断判决参数满足设定的边界条件的个数，若任意一个判决参数满足设定的边界条件时，则初步判断人声判别有效，输出初步人声判别值；
若步骤S5中多边界音频活动判决结果为判决参数均不满足设定的边界条件，则初步判别人声判别无效，输出初步人声判别值；所述判决参数包括频谱失真、全频段能量差、低频段能量差和过零率变化值；将所述初步人声判别值进行平滑处理，得到平滑后的判别值；
若平滑后的判决值为1，则输出最终人声判别值为1；
若平滑后的判决值为0，则输出最终人声判别值为0。
7.根据权利要求6所述的一种人声判别方法，其特征在于，所述音频信号的特征参数包括全频段音频帧能量、低频段音频帧能量、音频线谱频率集和音频过零率。
8.根据权利要求6所述的一种人声判别方法，其特征在于，所述背景噪声特性参数包括全频段噪声帧能量、低频段噪声帧能量、噪声线谱频率集和噪声过零率。
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