对短波数字化接收机静噪和降噪路径的探析

中电防务科技有限公司：邓力 毛日军 吴冬林

1.引言

软件无线电在军事领域广泛应用。例如在军用短波电台中的接收机模块中大量地应用了软件无线电的相关技术，极大地拓展了短波电台的功能和性能。例如通过将基带信号处理的模块化技术，与模拟射频隔离提高了短波电台的抗干扰性。可通过加载软件升级，灵活地增加软件的功能。嵌入式平台的应用可方便软件调试，缩短研发周期，加快产品研制进度。软件无线电不仅在军事产品广泛使用，在民用领域有应用，例如人工智能和物联网领域。

与传统的无线电系统相比，软件无线电主要分为基带信号处理，上下变频，滤波和模拟射频几个主要部分。基带信号处理主要由DSP和FPGA芯片及外围电路完成，主要完成的工作是数字频率合成，信源编解码和调制解调等工作。通过AD信号将数字信号模拟化并送到前端将信号通过功率放大发射出去。软件无线电可用过DSP或FPGA加载算法，实时地配制波形，可灵活地实现话音编解码，算法优化，加解密等功能。在传统的无线电系统中，信号失真容易造成话音失真，影响电台收听质量。例如在射频信号电路中存在相位噪声，温度漂移，谐波及互调热噪声等干扰。这些问题长期困扰设计人员。通过专用的DSP信号处理模块对并可对工作频率、系统频宽、调制方式、信源编码等进行编程控制，大大提高了系统的性能。

2.数字化接收机应用特点

数字化接收机技术应用广泛。在通信、雷达、导航系统、电子对抗系统、敌我识别系统、收音机中都有其身影。特别是在短波数字化接收机领域中得到了更深的应用。

目前，短波数字化接收机，广泛应用于民航、海事、岸台、陆地台站通信等，是短波通信系统值班收听的常备设备。世纪芯在通信发射与接收设备领域的反向研究成果显著，目前已成功实现整套克隆的产品多达数百款，其中部分产品还根据客户个性化需求或实际应用的需要进行了二次开发，产品在投入使用后，收到了良好的社会经济效益。

数字化接收机的优点：（1）模拟电路容易受温度的影响，而数字电路减少了温漂、增益不稳定、原信号失真等现象的发生。(2)数字化接收机不经过视频检波器，在中频时采波，所以能够接收更多的信息。(3)数字化接收机不仅具有可编程的功能，而且在多通道系统中，数字化接收机的各通道之间不受干扰、体积小、集成度高。(4)数字化接收机软件可拓展性好，能够灵活地加载相应的静噪降噪算法，以满足对客户对指标的苛刻要求。

3.接收机噪声的来源分析

众所周知，电子设备中广泛存在噪声。在数字接收机中包含了电阻，电容，放大器，混频器，AD/DA，天线等器件。这些器件都来带来热噪声进而影响话音信号的质量。而外部的噪声干扰例如宇宙射线，电离层干扰都会通过电台天线传到接收机内部。如果有用信号强度比噪声信号高很多，噪声的有害影响不明显可以忽略不计。但当信号很微弱时，例如机载短波电台远距通信时，信号强度通常小于100DBm，此时有用信号与叠加在上面的噪声强度相比拟时，解调出的语音信号有很强的背景噪声，有时甚至淹没在噪声里。因此对于接收机的降噪静噪研究非常重要。接收机噪声越大，灵敏度就越低。

4.数字化接收机几种静噪、降噪的路径

4.1 数字化接收机中静噪算法分析及DSP实现

数字化接收机通常采用SSB、AM、FM等解调方式，在FM解调方式下，良好的静噪性能通常是衡量接收机性能的重要指标。比较了几种常用的静噪算法，重点提出了一种改进的基于音频频谱特性的静噪算法，并完成了算法的DSP实现和性能分析。通过仿真和实际试验数据分析表明，该算法计算简单，便于DSP实现，可靠性高，适合数字化接收机使用。

4.2 数字化接收机内人声信号自动静噪的系统及方法

某数字化接收机内人声信号自动静噪的系统及方法，包括第一信号输入模块、模拟信道模块、ADC模数转换器模块、DDC下变频模块、数字信号处理模块和数据输出模块，其中，（1）模拟信道模块，用于将第一信号输入模块接收到的信号进行放大、混频和滤波，将需要的信号频段滤出，并混频至频率点；（2）ADC模数转换器模块，用于将模拟信道模块滤出的有用信号频段进行模数转换；（3）DDC下变频模块，用于将ADC模数转换器模块转换的数字信号进行数字下变频处理；（4）数字信号处理模块，用于完成信号数据的相关算法处理；（5）数据输出模块，用于将处理过的数据输出。该方法能够实现接收机在无语音的情况下自动静噪的功能，有效的提高监听人员的听感和监听的语音识别度，值得进一步深入研究。

4.3 基于无线通讯技术的一种调频信号静噪方法、装置

传统的短波电台由于硬件资源约束的原因功能单一，通常只有调频，调幅和边带模拟化等简单功能。射频信号通过短波天线进入到内部信号解调电路，将语音信号实时的通过耳机或喇叭播放出来。由于不能区分噪声和话音，电台长时间的播放噪声，这些噪声会让使用者感到疲劳。因此有必要设计一种语音端点检测技术，将短波电台接收到的话音和噪声区分开来。当未检测出有效音频时，将音频输出关闭。传统的短波电台是通过鉴频后的音频信号的带外噪声来决定是否有噪声。一般通过经验设定一个固定值，若收到的音频带外噪声大于阈值，静噪门限开启，反之则关闭。由于模拟电路对于静噪的判定精度依赖于电阻，电容及电感等元器件。元器件性能的离散性会影响无线接收机的静噪性能。而基于软件无线电的短波电台通常只通过采取一些语音特征比如短时能量和过零率等特征值，将特征值与噪声信号的阈值比较。在实际应用场景中由于噪声是非平稳随机信号且频谱不断变化使得对于话音的检测误差较大。实际使用效果不理想。因此考虑一种组合静噪判决方法，应用于短波电台，提高噪声判决的灵敏度，并降低静噪期间的造成串扰。技术要点有主要有以下几点：1，静噪方法包括对音频信号进行采用获取信号的强度，通过信号强度与预先设置的门限比较。若音频信号幅度大于设置的门限则认为有话音输入，反之。2，通过计算一段时间的音频信号的谱能量，并计算其相关性。与所设定的静噪等级进行比较。3，该短波电台静噪系统主要包括信号处理器、存储器及AD/DA转换器，射频开关器件等。所述数字化软件无线电平台用于输出经静噪处理和鉴频后的音频信号。

该方法主要用于短波电台的数字化信号处理平台，获取数字信号的幅度，通过语音激活检测技术判断语音数据帧中是否包含语音信号。通常的做法是通过快速傅里叶变化（FFT）来过去语音信号的频域信息，计算信号的短时能量。根据语音增强理论与实践基础表明在高信噪比（SNR）下，语音片段的短时能量（STE）相对较大，而过零率（ZCC）相对较小；而非语音片段的STE相对较小，但是ZCC相对较大。因为语音信号能量绝大部分包含在低频带内，而噪音信号通常能量较小且含有较高频段的信息。

4.4 降低接收机噪声系数的方法

在短波电台的声码话和数传模式使用中对于信噪比（SNR）有着最低要求，高SNR意味着语音质量更高和数传数据包成功率更高。因此对于数字化信号处理中，越低的信噪比意味着通信质量更高。在数字通信理论中SNR的公式如下：

由上式可知，噪声功率越小信噪比越高。

以某型短波电台为例，若降低接收信号中包含的宽带噪声，具体做法如下：

1）通过在射频前端增加谐波滤波器，滤除带外噪声对电台内部电路的干扰。2）在接收放大模块中使用GaAs工艺的低噪声放大器进一步放大信号强度。3）前置中频放大器，将来自混频器的中频信号进行放大，将输入到接收放大模块中的噪声影响降到最小。

由于外部噪声存在随机性，广泛存在于宇宙环境中，这种噪声属于随机信号，只能通过统计学理论知识将其特性进行归纳。可以采用自适应数字滤波器对噪声进行消除。降低短波电台内部噪声由短波电台内部级联电路总噪声公式可知，要使短波电台接收的总噪声系数小，就要求各级模块噪声系数小而增益大，因为各级模块噪声的影响并不相同，级数越靠前对总噪声系数的影响越大。

无源器件在射频前端中是必不可少的。无源器件在电路中位置的不同，其对射频前端噪声系数的影响也不同。馈源馈线产生一定损耗，因此采用低损耗的馈源馈线部件，同时采用匹配电路连接；选用功率增益大、噪声系数低的高频放大器，比如GaAs工艺的低噪声放大器；混频器的噪声系数通常等于其变频损耗，采用镜像抑制混频器、双平衡混频器或者低变频损耗的砷化镓肖特基混频二极管，降低混频器输出的中频噪声；中频放大器一般分为前中放和主中放部分，采用共射-共基极级联电路或共阴-共栅极级联电路；选择合适的工作带宽及降低接收机工作温度。

在无线接收机中，对于带噪信号采用语音增强中合适的信号统计模型能从带噪信号中提供原始话音信号，从而进一步降低信号的噪声，从而在复杂多变的环境中提取纯净的语音信号。在语音增强理论与实践中提到给定一组基于未知参数的测量值，基于这些测试值找出相关的未知参数的非线性估计器。例如在实际应用中，测试量为一组带噪声的DFT系数，进而得到相关参数是纯净信号的DFT系数，降低噪声系数，可使用包括最大似然估计和Bayesian估计的统计学方法。

为了便于模型建模，对测量信号、估计信号、噪声信号做简化处理，满足以下三个条件1，语音信号和噪声信号相互独立；2，噪声随机过程是稳定状态；3，噪声为高斯白噪声。例如在基于MMSE估计器的算法中，可从已知带噪信号中提取信号幅度，使其估计幅度和实际幅度的均方差最小，进一步降低噪声幅度，提高信噪比。

在实际算法实现中，可以通过无线接收机中的DSP数字信号处理器得到带噪声的幅度值序列Y，假设其期望值为p(Y;Xk)，根据贝叶斯MSE的原理可求得关于的最小值。

通过对上式的进一步简化处理可得到语音的增强系数，在DSP处理器中可得到带噪信号Y，通过纯净噪声信号方差，并结合后验SNR可计算得到增强系数H。

上式中X即为降噪后的语音信号。

5.结束语

总之，噪声对接收机的影响是不可抑制的，平时的设计过程中需要充分了解噪声产生的原因和作用机理，并采取有效的电路设计方法、技术措施等来顶大地消除、降低噪声。