一种民航地空通信的啸叫抑制装置及方法

技术领域

本发明涉及民航甚高频地空通信领域，具体涉及一种民航地空通信的啸叫抑制装置及方法。

背景技术

在民航空管领域，民航甚高频地空通信电台遥控装置为终端设备，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。

民航甚高频地空通信电台与遥控盒的传统连接方式为E&M接口，其存在传输距离近、话音信号易受干扰、系统扩展性差等缺陷，应用VoIP(Voice over IP)技术开发VoIP遥控盒，上述缺陷能够很好地解决。

日常使用中，民航甚高频地空通信电台遥控装置发送话音时，比较常见的一种现象为：扬声器发出尖锐而刺耳的声音，即啸叫声。啸叫声轻则让工作人员感觉不适、重则无法正常开展工作，严重影响交通秩序和飞行安全。形成这种现象的原因之一是：发送话音时，话音信号由麦克风进入遥控盒内部发话音处理通道；然后，经该通道放大后的话音信号通过扬声器对外输出；之后，扬声器输出的话音信号，经空间传播后又重新进入该麦克风、发话音处理通道、扬声器对外输出。周而复始，即形成了话音信号正反馈。同时，由于扬声器、麦克风自身的音频频响特性，让某些频率的话音信号形成峰值，该峰值信号经扬声器输出即形成啸叫声。

虽然，可以通过优化话音信号通路增益分配、适当降低麦克风灵敏度、调整扬声器与麦克风的相对位置等办法来减弱啸叫声，但由于麦克风(管制员)位置在不停变化，无法较理想地应对话音信号正反馈，时常出现啸叫声。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是民航甚高频地空通信电台遥控装置发送话音时出现的啸叫声无法很好地得到削弱；目的在于提供一种民航地空通信的啸叫抑制装置及方法，对现有民航甚高频地空通信电台遥控装置进行发话音啸叫声抑制并提高话音质量。

本发明通过下述技术方案实现：

一种民航地空通信的啸叫抑制装置，包括依次连接的音频预处理电路、音频放大电路和音频输出电路，在音频预处理电路和音频放大电路之间设有啸叫声频率检测电路，在音频放大电路和音频输出电路之间设有可编程滤波器，所述啸叫声频率检测电路包括串联的ADC转换器、带通滤波器、带有啸叫声频率检测功能的FPGA和DAC转换器；所述ADC转换器与音频预处理电路的输出端连接，所述DAC转换器与音频放大电路的输入端连接；带有啸叫声频率检测功能的FPGA用于对ADC转换后的音频数据进行啸叫声频率检测得到啸叫频率值，当产生啸叫时，可编程滤波器设置成中心频率为啸叫频率值的带阻滤波器，当没有发生啸叫时，可编程滤波器设置成正常语音带宽的带通滤波器。

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、第二音频放大器和RC滤波电路，所述第一音频放大器和DAC转换器连接，所述RC滤波电路和可编程滤波器连接，经两级音频放大器放大后，提高话音信号质量，经过滤波后输入到可编程滤波器中进行啸叫声抑制处理。

进一步地，所述音频输出电路包括分路开关、E&M接口和带有声卡的PC机，所述E&M接口和带有声卡的PC机分别与分路开关连接，所述分路开关与可编程滤波器连接，分路开关根据需要传输的接口选择相应的输出口向外发送话音信号，E&M接口适用于传输距离近时的情况。

进一步地，所述带声卡的PC机包括VoIP应用程序和LAN口，音频信号经过VoIP应用程序处理后通过LAN口输出VoIP音频数据包，通过LAN口发送需要长距离传输的话音信号，提高信号的抗干扰能力。

现有技术中对于通信电台中的啸叫声可以通过优化话音信号通路增益分配、适当降低麦克风灵敏度、调整扬声器与麦克风的相对位置等办法来减弱啸叫声，但由于麦克风(管制员) 位置在不停变化，无法较理想地应对话音信号正反馈，对于啸叫声的减弱效果有待提高，本方案通过带有啸叫声频率检测功能的FPGA控制可编程滤波器设置滤波模式，实现对话音信号的啸叫检测和抑制，其中，啸叫声频率检测过程在现场可编程门阵列FPGA中实现，在FPGA 中下载有已编译成功的啸叫频率检测程序，本方案对啸叫检测方法和计算过程均不做限制；本方案的重点在于：在现有民航甚高频地空通信电台遥控装置中设置了啸叫声频率检测电路，并通过啸叫声频率检测电路控制可编程滤波器设置滤波模式，具体过程为啸叫声频率检测电路先对话音数据进行数字滤波，接着对话音信号进行啸叫声频率检测得到啸叫频率值，若检测结果为出现啸叫声，则控制可编程滤波器设置成中心频率为啸叫频率值的带阻滤波器，对从音频放大电路传输过来的话音信号，滤除其中的啸叫声频率后输出，若检测结果没有出现啸叫，则控制可编程滤波器设置成正常语音带宽的带通滤波器，对经音频放大电路放大滤波后的话音信号进行滤波处理后输出。

另外，本发明提供一种民航地空通信的啸叫抑制方法，应用于上述的民航甚高频地空通信啸叫抑制装置中，包括以下步骤：

步骤S1、将经过ADC转换器转换后的话音数据输入到正常语音带宽的带通滤波器中，得到话音信号s[n]；

步骤S2、对得到的话音信号s[n]进行啸叫声频率检测，得到啸叫频率检测值；

步骤S3、将所述啸叫频率检测值平滑滤波处理，判断设定时间内经平滑滤波处理后的啸叫频率检测值是否发生变化；

步骤S4、若步骤S3中的判断结果为未发生变化，说明啸叫已发生，则将可编程滤波器的中心频率设为啸叫频率检测值，将话音信号s[n]通过可编程滤波器滤除啸叫频率；

步骤S5、若步骤S3中的判断结果为发生变化，说明啸叫未发生，则将可编程滤波器设置为正常语音带宽的带通滤波器，话音信号s[n]经滤波后输出。

进一步地，步骤S2中啸叫声频率检测的具体过程为：

步骤S21、对话音信号s[n]取符号运算，得到话音数据x[n]；

步骤S22、对话音数据x[n]进行运算并拟合出谱序列P(k)，在所述谱序列中搜寻谱线峰值，得到谱线峰值频率f；

步骤S23、根据谱线峰值计算得到啸叫频率检测值f0。

进一步地，对话音数据x[n]进行运算的具体过程为：

步骤S221、对话音数据x[n]进行正交变换运算，得到正交变量Xs(k)和Xc(k)；

步骤S222、对所述正交变量Xs(k)和Xc(k)计算绝对值，得到正交变量绝对值|Xs(k)|和|Xc(k)|，根据正交变量绝对值计算正交变换最大绝对值Max和最小绝对值Min；

步骤S223、对正交变换最小绝对值Min的1/2和最大绝对值Max求和，拟合出谱序列P(k)。进一步地，得到两个正交变量Xs(k)和Xc(k)的具体计算过程为：对x[n]分别在正弦和余弦方向取符号运算，计算公式为：

其中，n为序列号，k的取值范围为1-N，N为数据帧的长度。

进一步地，啸叫频率检测值的计算过程为：

f0＝f*fs/N；其中，fs为采样率；N为数据帧的长度。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

1、本发明一种民航地空通信的啸叫抑制装置及方法，通过带有啸叫声频率检测功能的可编程器件控制可编程滤波器设置滤波模式，设置两级放大和多次数字滤波处理，提高了话音信噪比和质量，话音的MOS评分可以达到4.0以上；基于VoIP技术，话音传输距离基本不受限制、话音信号基本不被干扰、系统扩展性好(本设备最多可同时监听32部电台)；同时具备E&M接口、VoIP等两种连接方式，适应性好；

2、本发明一种民航地空通信的啸叫抑制装置及方法，通过拟合出谱序列找到啸叫频率检测值，通过啸叫频率检测值在设定时间内是否发生变化判断是否产生啸叫，检测方法简单，涉及到的计算过程只需简单的四则运算，硬件处理速度更快。

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为本发明发话音处理模块结构示意图；

图3为本发明方法流程图；

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，本实施例将民航地空通信的啸叫抑制装置用于地空通信电台遥控装置中，地空通信电台遥控装置包括输入/输出通路和音频板卡，在音频板卡上设有依次连接的分路开关、收话音处理通路和发话音处理通路，音频板卡用于收/发话音信号处理及录音接口处理。

现有技术中对于通信电台中的啸叫声可以通过优化话音信号通路增益分配、适当降低麦克风灵敏度、调整扬声器与麦克风的相对位置等办法来减弱啸叫声，但由于麦克风(管制员) 位置在不停变化，无法较理想地应对话音信号正反馈，对于啸叫声的减弱效果有待提高，因此，本实施例，如图2所示，发话音处理通路中包括依次连接的音频预处理电路、音频放大电路和音频输出电路，在音频预处理电路和音频放大电路之间设有啸叫声频率检测电路，在音频放大电路和音频输出电路之间设有可编程滤波器，所述啸叫声频率检测电路包括串联的ADC转换器、带通滤波器、带有啸叫声频率检测功能的FPGA和DAC转换器；所述ADC转换器与音频预处理电路的输出端连接，所述DAC转换器与音频放大电路的输入端连接；带有啸叫声频率检测功能的FPGA用于对ADC转换后的音频数据进行啸叫声频率检测得到啸叫频率值，当产生啸叫时，将可编程滤波器设置成中心频率为啸叫频率值的带阻滤波器，当没有发生啸叫时，将可编程滤波器设置成正常语音带宽的带通滤波器；啸叫声频率检测过程在现场可编程门阵列FPGA中实现，在FPGA中下载有已编译成功的啸叫频率检测程序，本实施例重点在于根据啸叫声频率检测电路控制可编程滤波器设置滤波模式，实现对话音信号的啸叫检测和抑制；对啸叫检测方法和计算过程均不做限制。

本实施例的处理过程为：发射话音时，首先，话音信号通过麦克风送入遥控装置内的音频预处理电路，对话音信号进行滤波、AGC增益等处理；接着，将处理后的话音信号进行ADC 转换，将模拟的音频信号转换成数字信号，并将转换后的话音数据送入带通滤波器中进行数字滤波处理，接着将滤波后的话音数据送入带有啸叫声频率检测功能的FPGA中进行啸叫声频率检测并得到啸叫频率值，判断是否产生啸叫声，若检测结果为出现啸叫声，则控制可编程滤波器设置成中心频率为啸叫频率值的带阻滤波器，对从音频放大电路传输过来的话音信号，滤除其中的啸叫声频率后送入分路开关中，若检测结果没有出现啸叫，则控制可编程滤波器设置成正常语音带宽的带通滤波器，对经音频放大电路放大滤波后的话音信号进行滤波处理后输出到分路开关中，分路开关根据实际使用情况选择对应的输出接口进行输出，。

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、第二音频放大器和RC滤波电路，所述第一音频放大器和DAC转换器连接，所述RC滤波电路和可编程滤波器连接，话音信号经数字电位器进行音量调节和两级音频放大器进行放大，提高了话音信号质量，经过滤波后输入到可编程滤波器中进行啸叫声抑制处理。

在一种实施方式中，上述音频输出电路包括分路开关、E&M接口和带有声卡的PC机，所述E&M接口和带有声卡的PC机分别与分路开关连接，所述分路开关与可编程滤波器连接，分路开关根据需要传输的接口选择相应的输出口向外发送话音信号，E&M接口适用于传输距离近时的情况。所述带声卡的PC机包括VoIP应用程序和LAN口，话音信号通过声卡转换成数字音频，再经过VoIP应用程序处理后通过LAN口输出VoIP音频数据包，通过LAN口发送需要长距离传输的话音信号，提高信号的抗干扰能力，用户可以根据具体使用场景设置输出接口实现话音信号高质量传输。

在一种实施方式中，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、啸叫抑制遥控装置、管制席位，甚高频地空通信电台用于接收/发射空间射频信号，将音频信号进行射频调制并通过天线对外输出；啸叫抑制遥控装置将话音信号进行啸叫抑制处理后，发送给甚高频地空通信电台；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，可将一个啸叫抑制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，话音信号处理过程和啸叫抑制与上述过程一致。

实施例2

本实施例提供一种民航地空通信的啸叫抑制方法，应用于上述的民航甚高频地空通信啸叫抑制装置中，如图3所示，包括以下步骤：

步骤S1、将经过ADC转换器转换后的话音数据输入到正常语音带宽的带通滤波器中，得到话音信号s[n]；

步骤S2、对得到的话音信号s[n]进行啸叫声频率检测，得到啸叫频率检测值；

步骤S3、将所述啸叫频率检测值平滑滤波处理，判断设定时间内经平滑滤波处理后的啸叫频率检测值是否发生变化；

步骤S4、若步骤S3中的判断结果为未发生变化，说明啸叫已发生，则将可编程滤波器的中心频率设为啸叫频率检测值，将话音信号s[n]通过可编程滤波器滤除啸叫频率；

步骤S5、若步骤S3中的判断结果为发生变化，说明啸叫未发生，则将可编程滤波器设置为正常语音带宽的带通滤波器，话音信号s[n]经滤波后输出。

上述步骤S2中啸叫声频率检测的具体过程为：

步骤S21、对话音信号s[n]取符号运算，得到话音数据x[n]；

步骤S22、对话音数据x[n]进行运算并拟合出谱序列P(k)，在所述谱序列中搜寻谱线峰值，得到谱线峰值频率f；

步骤S23、根据谱线峰值计算得到啸叫频率检测值f0，f0＝f*fs/N；其中，fs为采样率；N 为数据帧的长度。

上述话音数据x[n]进行运算的具体过程为：

步骤S221、对话音数据x[n]进行正交变换运算，得到正交变量Xs(k)和Xc(k)；

对x[n]分别在正弦和余弦方向取符号运算，计算公式为：

其中，n为序列号，k的取值范围为1-N，N为数据帧的长度。

步骤S222、对所述正交变量Xs(k)和Xc(k)计算绝对值，得到正交变量绝对值|Xs(k)|和|Xc(k)|，根据正交变量绝对值计算正交变换最大绝对值Max和最小绝对值Min；

步骤S223、对正交变换最小绝对值Min的1/2和最大绝对值Max求和，拟合出谱序列P(k)。

本实施例通过拟合出谱序列找到啸叫频率检测值，通过啸叫频率检测值在设定时间内是否发生变化判断是否产生啸叫，检测方法简单，涉及到的计算过程只需简单的四则运算，硬件处理速度更快。

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。