一種幹擾信號與語音調製信號混疊的窄帶幹擾識別方法
2023-06-28 01:46:26
一種幹擾信號與語音調製信號混疊的窄帶幹擾識別方法
【專利摘要】本發明涉及數位訊號處理領域的語音信號幹擾處理技術，特別涉及語音信號窄帶幹擾的識別方法。本發明首先對接收語音信號進行分塊處理，然後對塊內信號做FFT變換，利用語音信號與幹擾信號頻域響應幅度和寬度上的差異性對語音載頻、幹擾頻率和幹擾個數進行預識別，然後再利用前面的塊記錄中幹擾源和幹擾頻點出現次數最多的組合來對窄帶幹擾進行最終識別，塊間記錄的統計信息能進一步的提高正確識別結果。本發明尤其適用於窄帶幹擾的識別。
【專利說明】一種幹擾信號與語音調製信號混疊的窄帶幹擾識別方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬於數位訊號處理領域的語音信號幹擾處理技術，特別涉及語音信號窄帶 幹擾的識別方法。
【背景技術】
[0002] 無論是軍用還是民用，人們都希望利用高科技手段改善語音通信的質量，提高其 清晰度和可懂度。在很多理論和應用中，所用的語音數據大部分都是在近似理想的條件下 採集的。大多數語音識別和語音編碼在開始研究時都要在高保真設備上錄製語音，尤其要 在無噪環境下錄音。然而，當在實際應用時，由於噪聲的存在會產生很多問題。比如，環境 噪聲的汙染使得許多語音處理系統的性能急劇惡化。語音識別正在步入實用階段，但識別 系統大都是在安靜環境中工作的，在噪聲環境中尤其是強噪聲環境，語音識別系統的識別 率將受到嚴重影響。而窄帶幹擾（NBI)普遍存在於各種語音通信系統中，特別是在軍事應 用中，許多場合噪聲幹擾還相當嚴重，嚴重影響語音通信的質量。
[0003] 幹擾抑制，就是儘可能消除幹擾的能量；語音增強，就是從帶噪語音中提取盡可 能純淨的語音。語音通信系統中的幹擾抑制屬於語音增強的範疇。語音增強目前已發展成 為語音信號處理的一個重要分支。語音增強技術在國外發展較早，近年來國內也做了大量 的工作。在近20年，語音增強算法的發展可以概括為以下幾個方面：（1)頻域研究以譜相 減為代表的幅度譜估計算法，圍繞減小音樂噪聲和殘留噪聲，減小失真等性能，發展和產 生了許多改進的譜相減算法；（2)時域研究圍繞濾波器設計，研究諸如自適應陷波、最小均 方誤差（LMS)等自適應濾波算法；(3)其他變換域或處理空間的算法，例如小波變換和奇 異矩陣分解等。
[0004] 上述語音增強技術的實現是基於幹擾信號的識別技術，首先通過幹擾信號識別技 術將語音信號與幹擾信號區分，然後採用頻域譜相減方法、時域濾波方法或其他變換域如 小波變換等方法去除幹擾信號，提取儘可能純淨的語音信號。現有的幹擾信號的識別技術 都是假設已知語音信號的接收頻率，通過信號與幹擾不同的頻點來區分信號與幹擾。而在 很多軍用或民用場合，特別是如汽車、火車和飛機等高速移動的語音信號接收平臺上，多普 勒頻移嚴重，語音信號的接收頻率相對於發射頻率有了較大的頻率偏移。由於無法準確預 估都卜勒頻移，因此不能通過語音信號的發射頻率來推斷語音信號的接收頻點，也就無法 通過信號與幹擾的頻率差異性來區分信號與幹擾。
【發明內容】
[0005] 本發明的目的，就是針對現有語音通信中幹擾信號的識別技術需要預知語音信號 的接收頻率，無法適應高速移動的語音信號接收平臺的缺陷，提出一種幹擾信號與語音調 制信號混疊的窄帶幹擾識別方法。
[0006] 本發明的技術方案：一種幹擾信號與語音調製信號混疊的窄帶幹擾識別方法，其 特徵在於，包括以下步驟：
[0007] a.信號分塊：對接收的信號進行採樣，然後將採樣的信號進行分塊；
[0008] b.窄帶幹擾預識別，具體包括以下步驟：
[0009] bl.將步驟a中分塊後所得的塊數據內時域信號進行傅立葉頻域變換（FFT)變換 後得到接收信號的頻域響應，然後與預設的接收信號頻域響應幅度值門限進行比較，得出 大於門限值的頻點；這些頻點即為載頻和幹擾信號所在頻點，低於門限值的頻點為噪聲和 語音信號的低頻部分；頻域響應幅度值門限的設定依賴於接收語音信號頻域幅度值的統計 特徵，首先統計塊內信號頻域幅度值的標準差，然後將頻域響應幅度值門限設定為該標準 差的s倍，其中s的設置和信號與幹擾特性有關。語音信號成分的頻率幅度值往往小於載頻 和窄帶幹擾的頻率幅度值，通過該門限值即可將載頻和幹擾頻點從語音信號中區分出來。 語音信號中的窄帶幹擾一般為單頻幹擾，其頻譜寬度很窄。雖然載頻信號一般也是單頻信 號，但是經過語音信號調製過的載頻信號，其頻譜寬度得到擴展。因此可比較門限值以上的 頻譜寬度，最大寬度的頻譜對應的頻率即為載頻信號的頻率，其餘頻譜對應的頻率為幹擾 信號頻率。在某些情況下，由於FFT的柵欄效應，可能出現存在兩個以上相同寬度的最大頻 譜，此時通過頻譜寬度的判別方法已無法判別，將在後續的窄帶幹擾最終識別階段進行判 別。
[0010] b2.將大於門限值的頻點進行分組，其中每一組的頻點同屬於一個幹擾源或載頻； 計算屬於同一個幹擾源或者載頻的頻點個數即可得到該幹擾源或者載頻的頻譜寬度；根據 所得的頻譜寬度，判斷是否存在多個相同寬度的最大頻譜，若是，則進入步驟c，若否，則將 所得的最大寬度的頻譜對應的頻率識別為載頻信號的頻率，其餘頻譜對應的頻率為幹擾信 號頻率，大於門限值的頻點分組的個數減去載頻個數即為幹擾源個數；
[0011] c.窄帶幹擾識別：重複步驟b，依次對步驟a中信號分塊所得的每一塊數據進行預 識別，每次完成步驟b後記錄該次預識別的塊數據的載頻頻率、幹擾頻率和幹擾源個數；為 根據搜索已經記錄的所有塊數據的幹擾源個數，將出現次數最多的幹擾源個數作為本次幹 擾源個數識別結果；幹擾頻率為根據搜索已經記錄的所有塊數據的幹擾頻率，出現次數最 多的幹擾頻率即為本次幹擾信號的頻率。由於FFT的柵欄效應，某些情況下在前面窄帶幹 擾預識別階段利用頻譜寬度的識別方法可能無效或識別錯誤，此時需要利用前面的窄帶幹 擾識別結果記錄來修正最終識別結果。窄帶幹擾一般是由於接受設備造成的，在短時內具 有平穩性，即在幾秒時間內，幹擾源的個數和頻率是固定的，因此利用前面的塊記錄中幹擾 源和幹擾頻點出現頻率最高的組合來對窄帶幹擾進行最終識別是可行的
[0012] 具體的，步驟a中對接收的信號進行採樣的採樣頻率至少為信號載頻的2倍，將採 樣的信號進行分塊後的塊內樣本數為2的指數倍。
[0013] 按照奈奎斯特採樣定理，採樣頻率需為信號載頻的2倍以上，為方便後續頻域變 換，塊內樣本數需為2的指數倍，如128、256、512和1024等。塊內樣本數的設置需要根據 時延和性能要求進行，塊內樣本數越大，識別效果越好，但其造成的語音時延也越大。如採 樣頻率為31. 75KHz，每塊樣本數為512,則語音時延為16ms。
[0014] 具體的，步驟a中對接收的信號進行採樣的採樣頻率至少為信號載頻的3倍。
[0015] 然而高速移動的語音信號接收平臺存在都卜勒頻移，本方案為了抑制都卜勒頻移 對採樣的影響，採樣頻率需設定為信號載頻的3倍以上。
[0016] 本發明的有益效果為，本發明首先對接收語音信號進行分塊處理，然後對塊內信 號做FFT變換，利用語音信號與幹擾信號頻域響應幅度和寬度上的差異性對語音載頻、幹 擾頻率和幹擾個數進行預識別，然後再利用前面的塊記錄中幹擾源和幹擾頻點出現次數最 多的組合來對窄帶幹擾進行最終識別，塊間記錄的統計信息能進一步的提高正確識別結 果。由於本發明利用語音信號與幹擾信號頻域響應幅度和寬度上的差異性而不是頻率值的 差異性來區分語音信號與幹擾，該方法無需獲知語音信號接收頻率和語音接收設備的背景 先驗信息，適應於語音信號與窄帶幹擾識別的所有場合（高速或低速接收平臺），計算方法 簡單，計算量小，易於實現，是一種低成本、高性能的盲語音通信窄帶幹擾識別技術。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0017] 圖1為本發明的方法流程示意圖。
【具體實施方式】
[0018] 下面結合附圖和實施例對本發明進行詳細的描述
[0019] 如圖1所示，本發明的方法首先將接收信號進行採樣，按照奈奎斯特採樣定理，採 樣頻率需為信號載頻的2倍以上，然後將採樣後的信號按時延和性能要求進行分塊，為方 便後續頻域變換，塊內樣本數需為2的指數倍，如128、256、512和1024等；對塊內時域信號 進行傅立葉頻域變換（FFT)得到接收信號的頻域響應，根據設定的頻域響應幅度值門限， 找到大於該門限值的頻點。這些頻點即為載頻和幹擾信號所在頻點，低於門限值的頻點為 噪聲和語音信號的低頻部分。測量高於門限值頻點的寬度，最大寬度的頻譜對應的頻率即 為載頻信號的頻率，其餘頻譜對應的頻率為幹擾信號頻率。若存在兩個以上相同寬度的最 大頻譜，則不作處理；記錄上一步中估計的該塊數據的載頻頻率、幹擾頻率、和幹擾源個數， 搜索之前記錄，出現次數最多的幹擾源個數η作為本次幹擾源個數識別結果，再次搜索之 前記錄，出現次數最多的η個幹擾頻率即為幹擾信號的頻率，作為當前塊數據幹擾信號的 識別結果。
[0020] 本發明方法主要包括一下幾個步驟：
[0021] Α、信號分塊：首先將接收信號進行採樣，然後將採樣後的信號進行分塊。按照奈奎 斯特採樣定理，採樣頻率需為信號載頻的2倍以上，然而高速移動的語音信號接收平臺存 在都卜勒頻移，為了抑制都卜勒頻移對採樣的影響，採樣頻率需設定為信號載頻的3倍以 上。為方便後續頻域變換，塊內樣本數需為2的指數倍，如128、256、512和1024等。塊內 樣本數的設置需要根據時延和性能要求進行，塊內樣本數越大，識別效果越好，但其造成的 語音時延也越大。如採樣頻率為31. 75ΚΗζ，每塊樣本數為512,則語音時延為16ms。
[0022] B、窄帶幹擾預識別：首先將塊內時域信號進行FFT變換得到接收信號的頻域響 應，然後根據接收信號的設定的頻域響應幅度值門限，找出大於該門限值的頻點。這些頻點 即為載頻和幹擾信號所在頻點，低於門限值的頻點為噪聲和語音信號的低頻部分。測量高 於門限值頻點的寬度，最大寬度的頻譜對應的頻率即為載頻信號的頻率，其餘頻譜對應的 頻率為幹擾信號頻率。若存在兩個以上相同寬度的最大頻譜，則不作處理。頻域響應幅度 值門限的設定依賴於接收語音信號頻域幅度值的統計特徵，首先統計塊內信號頻域幅度值 的標準差，然後將頻域響應幅度值門限設定為該標準差的s倍，其中s的設置和信號與幹擾 特性有關。語音信號成分的頻率幅度值往往小於載頻和窄帶幹擾的頻率幅度值，通過該門 限值即可將載頻和幹擾頻點從語音信號中區分出來。語音信號中的窄帶幹擾一般為單頻幹 擾，其頻譜寬度很窄。雖然載頻信號一般也是單頻信號，但是經過語音信號調製過的載頻信 號，其頻譜寬度得到擴展。因此可比較門限值以上的頻譜寬度，最大寬度的頻譜對應的頻率 即為載頻信號的頻率，其餘頻譜對應的頻率為幹擾信號頻率。在某些情況下，由於FFT的柵 欄效應，可能出現存在兩個以上相同寬度的最大頻譜，此時通過頻譜寬度的判別方法已無 法判別，將在後續的窄帶幹擾最終識別階段進行判別。
[0023] C、窄帶幹擾最終識別：記錄上一步中估計的該塊數據的載頻頻率、幹擾頻率、和幹 擾源個數，搜索之前記錄，出現次數最多的幹擾源個數η作為本次幹擾源個數識別結果，再 次搜索之前記錄，出現次數最多的η個幹擾頻率即為幹擾信號的頻率，作為當前塊數據幹 擾信號的識別結果。由於FFT的柵欄效應，某些情況下在前面窄帶幹擾預識別階段利用頻 譜寬度的識別方法可能無效或識別錯誤，此時需要利用前面的窄帶幹擾識別結果記錄來修 正最終識別結果。窄帶幹擾一般是由於接受設備造成的，在短時內具有平穩性，即在幾秒時 間內，幹擾源的個數和頻率是固定的，因此利用前面的塊記錄中幹擾源和幹擾頻點出現頻 率最高的組合來對窄帶幹擾進行最終識別是可行的。
[0024] 本發明的具體的處理流程為：
[0025] 將接受的語音信號以fs的採樣頻率進行採樣，將採樣後的時域語音信號分塊，塊 內樣本數為N，第t個塊內信號為 ：
[0026] yt = [y(t-1)N+1，…，ytN]T
[0027] 對塊內時域信號進行FFT，將信號從時域變換到頻域，頻域輸出為：
[0028] Yt = [Y1，…，YN] T
[0029] 統計塊內信號頻域幅度值的標準差：
【權利要求】
1. 一種幹擾信號與語音調製信號混疊的窄帶幹擾識別方法，其特徵在於，包括以下步 驟： a. 信號分塊：對接收的信號進行採樣，然後將採樣的信號進行分塊； b. 窄帶幹擾預識別，具體包括以下步驟： bl.將步驟a中分塊後所得的塊數據內時域信號進行FFT變換，得到接收信號的頻域響 應，然後與預設的接收信號頻域響應幅度值門限進行比較，得出大於門限值的頻點； b2.測量大於門限值頻點的寬度，判斷是否存在多個相同寬度的最大頻譜，若是，則進 入步驟c，若否，則將所得的最大寬度的頻譜對應的頻率識別為載頻信號的頻率，其餘頻譜 對應的頻率為幹擾信號頻率； c. 窄帶幹擾識別：重複步驟b依次對步驟a所得的每一塊數據進行預識別，每次完成 步驟b後記錄該次預識別的塊數據的載頻頻率、幹擾頻率和幹擾源個數；其中，幹擾源個數 為根據搜索已經記錄的所有塊數據的幹擾源個數，將出現次數最多的幹擾源個數作為本次 幹擾源個數識別結果；幹擾頻率為根據搜索已經記錄的所有塊數據的幹擾頻率，出現次數 最多的幹擾頻率即為本次幹擾信號的頻率。
2. 根據權利要求1所述的一種幹擾信號與語音調製信號混疊的窄帶幹擾識別方法，其 特徵在於，步驟a中對接收的信號進行採樣的採樣頻率至少為信號載頻的2倍，將採樣的信 號進行分塊後的塊內樣本數為2的指數倍。
3. 根據權利要求1所述的一種幹擾信號與語音調製信號混疊的窄帶幹擾識別方法，其 特徵在於，步驟a中對接收的信號進行採樣的採樣頻率至少為信號載頻的3倍。
【文檔編號】G10L15/20GK104361892SQ201410477810
【公開日】2015年2月18日 申請日期:2014年9月18日 優先權日:2014年9月18日
【發明者】黃際彥, 徐保根, 陸川, 萬群, 饒中初, 王碧雯 申請人:電子科技大學, 同方電子科技有限公司, 電子科技大學成都研究院