CN110444228B - 一种短波接收方法和系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种短波接收方法和系统，方法包括：接收多路支线短波信号，基于短时能量方差选择一路支线短波信号为基准信号；基于P.563标准处理支线短波信号，获得信号特征集合，赋予支线短波信号对应的权值；基于非基准信号和基准信号的特征相似性确定待合并的支线短波信号；基于待合并的支线短波信号和对应的权值，计算获得综合接收信号。系统用于执行方法。本发明基于短时能量方差，能够选择传输稳定的支线短波信号作为基准信号；基于P.563标准处理支线短波信号，获得高质量的信号特征集合；基于特征相似性确定支线短波信号，能够选择支线短波信号以作为计算的基础；计算获得综合接收信号，能够合理计算接收信号，降低误差。

Description

一种短波接收方法和系统
技术领域
本发明涉及通信信号处理领域，尤其是一种短波接收方法和系统。
背景技术
短波在远程语音通信中优势突出，具有机动性强、架设方便、抗毁性强和网络重构快捷等特点，广泛应用于军事、远洋和救灾等领域。
短波通信系统中，因为电离层的快速变化，还有多径效应的影响，接收端的接收信号的电平不断起伏变化，造成了信号衰落现象。分集接收可以有效的对抗这种信道衰落。如果发送端发送一路信号，而信号的传播路径可以有多种情况，那么在接收端可以接收到同一信号的多个不相关或相关性较小的信息副本，且信号强度相当，这些信号不可能同时遇到深衰落，那么在接收端进行信号的分集合并，则可以避免深衰落对单一路径信号的影响。分集的方法可以根据在接收端合并的方式来划分，可分为：选择分集合并(SDC)、等增益分集合并(EGC)、最大值分集合并(MRC)。
选择分集合并是指检测所有分集支路的信号，以选择其中信噪比最高的那一个支路信号作为合并器的输出，该方法简单、实现容易，但由于未被选择的支路信号丢弃，抗衰落效果差；等增益分集合并无需对信号进行加权，各支路的信号是等增益相加，该方法实现比较简单，其性能接近于最大比值合并；最大比值合并是一种最佳合并方式，它对多路信号进行同相加权合并，权重是由各支路信号对应的信号功率于噪声功率的比值所决定的，最大比合并的输出SNR等于各路SNR之和，即使当各路信号都很差使得没有一路信号可以被单独解调出时，最大比合并仍有可能合成出一个达SNR要求的可被解调的信号。
最大比合并是对多路信号进行按最佳比例相加或比值平方相加，系数取决于信噪比。信噪比越大，对合并后的贡献越大，而信噪比越小，合并后的贡献越小。当加权系数选择适当时，可以得到最大的信噪比输出。但是，在实际应用中，由于短波通信信道的复杂性，多径时延干扰很严重，信噪比估计不仅复杂度高而且精度很低，传统在高斯白噪声信道中的信噪比估计方法，如果在短波通信信道中进行信噪比估计，计算误差往往在于±4dB左右，该误差导致信噪比加权在最大比值合并中不能起到很好的加权增益作用。
发明内容
本发明实施例旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明实施例的一个目的是提供一种短波接收方法和系统。
本发明所采用的技术方案是：
第一方面，本发明实施例提供一种短波接收方法，包括：接收多路支线短波信号，基于短时能量方差选择一路支线短波信号为基准信号；基于P.563标准处理所述支线短波信号，获得信号特征集合，赋予所述支线短波信号对应的权值；基于非基准信号和所述基准信号的特征相似性确定待合并的支线短波信号；基于所述待合并的支线短波信号和对应的权值，计算获得综合接收信号。
优选地，获取短时能量方差包括：划分一段短波信号为若干子帧，计算单个子帧的能量值、子帧的能量均值和对应的能量方差序列，标记所述能量方差序列为短时平均能量方差；对应的，根据所述能量方差序列的离散度选择一路支线短波信号为基准信号。
优选地，所述基于P.563标准处理所述支线短波信号包括：从所述P.563标准中选择若干种失真特征参数，处理所述支线短波信号以获得所述失真特征参数对应的高阶统计特征向量，标记基准信号的高阶统计特征向量为基准特征集，其他的高阶统计特征向量为非基准特征集。
优选地，所述赋予所述支线短波信号对应的权值包括：根据基准信号和其他支线短波信号的信噪比赋予所述其他支线短波信号对应的权值。
优选地，所述基于非基准信号和所述基准信号的特征相似性确定待合并的支线短波信号包括：基于欧氏距离计算所述非基准信号和所述基准信号的特征相似性的评分值，根据预设的选择标准和所述评分值从所述支线短波信号确定待合并的支线短波信号。
第二方面，本发明实施例提供一种短波接收系统，包括：接收单元，用于接收多路支线短波信号，基于短时能量方差选择一路支线短波信号为基准信号；特征处理单元，用于基于P.563标准处理所述支线短波信号，获得信号特征集合，赋予所述支线短波信号对应的权值；信号选择单元，用于基于非基准信号和所述基准信号的特征相似性确定待合并的支线短波信号；信号合并单元，用于基于所述待合并的支线短波信号和对应的权值，计算获得综合接收信号。
优选地，获取短时能量方差包括：划分一段短波信号为若干子帧，计算单个子帧的能量值、子帧的能量均值和对应的能量方差序列，标记所述能量方差序列为短时平均能量方差；所述接收单元，根据所述能量方差序列的离散度选择一路支线短波信号为基准信号。
优选地，特征处理单元，用于从所述P.563标准中选择若干种失真特征参数，处理所述支线短波信号以获得所述失真特征参数对应的高阶统计特征向量，标记基准信号的高阶统计特征向量为基准特征集，其他的高阶统计特征向量为非基准特征集。
优选地，所述赋予所述支线短波信号对应的权值包括：根据基准信号和其他支线短波信号的信噪比赋予所述其他支线短波信号对应的权值。
优选地，信号选择单元，用于基于欧氏距离计算所述非基准信号和所述基准信号的特征相似性的评分值，根据预设的选择标准和所述评分值从所述支线短波信号确定待合并的支线短波信号。
本发明实施例的有益效果是：
本发明实施例通过基于短时能量方差，能够选择传输稳定的支线短波信号作为基准信号；基于P.563标准处理支线短波信号，获得高质量的信号特征集合，赋予所述支线短波信号对应的权值；基于特征相似性确定待合并的支线短波信号，能够选择最合适的支线短波信号以作为计算的基础；基于待合并的支线短波信号和对应的权值，计算获得综合接收信号，能够合理计算接收信号，降低误差。
附图说明
图1是短波接收方法的一种实施例的流程图；
图2是短波处理框架的一种实施例的框架图；
图3是短波接收系统的一种实施例的结构图。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
实施例1。
本实施例提供如图1所示的一种短波接收方法，包括：
S1、接收多路支线短波信号，基于短时能量方差选择一路支线短波信号为基准信号；
S2、基于P.563标准处理所述支线短波信号，获得信号特征集合，赋予支线短波信号对应的权值；
S3、基于非基准信号和所述基准信号的特征相似性确定待合并的支线短波信号；
S4、基于所述待合并的支线短波信号和对应的权值，计算获得综合接收信号。
步骤S1中具体的短波接收流程包括：
根据各接收机天线接收的各支路(支路同支线)话音信号的短时能量方差选取最优话路，即基准信号，其中，短时平均能量是指信号序列划分成一个个短时段后，某个短时段信号的幅度的均方值。所谓“短时”，一般指时间段小于32ms，缩短时间段长度有利于提高检测速度，但最短不能小于基音周期的一半，即2ms。将500ms的话音片段x(n)，分割成25帧20ms的子帧，定义子帧的平均能量值
Figure BDA0002117043510000041
framelen为框架长度，i为支线序号，j为子帧序号，则x(n)的短时平均能量方差为
Figure BDA0002117043510000042
短时平均能量方差反映了信号的强弱。对于短波语音片段，语音质量较好的片段(对应的能量方差序列的)ρx离散度较大，反之ρx离散度较小。即划分一段短波信号为若干子帧，计算单个子帧的能量值x2(j)、子帧的能量均值mi和对应的能量方差序列，标记能量方差序列为短时平均能量方差；根据所述能量方差序列的离散度选择一路支线短波信号为基准信号，例如可以选择离散度最小的作为基准信号。
步骤S2中具体的处理短波流程包括：
诸如地空短波等通信环境中，背景噪声多数都可以看作高斯性和对称分布的随机过程，而语音信号是非对称的。高阶统计量包含了二阶统计量所没有的大量的有用信息，同时高阶统计量也可以抑制信号中的高斯噪声，具有分辨率高、抗噪声能力强的显著优点。因此利用高阶统计量对语音信号进行分析，能够很好的抑制高斯噪声的影响，提取出语音信号中以往信号分析方法未能提取的大量有用信息，即高阶统计特征向量。
P.563标准是ITU-T于2004年提出的第一个无参考源语音质量客观评价标准，该算法共提取51种三类失真特征参数：1)声道分析和非自然语音，2)强烈的附加噪声分析，3)中断、静音和时间削波。
其中用于语音统计的参数主要是基于线性预测系数和倒谱分析的高阶统计评价，本发明从中优选了12种失真特征参数，如测量分布厚尾度的峰态参数、测量分布不对称系数的偏态参数。本发明中根据各接收机天线接收的各支路话音信号进行非自然语音的语音统计分析，通过预设的高阶静态统计分析模型提取12维的模型输出变量MOV作为表征语音激活比的特征集，构成描述信道恶劣程度的特征向量，即高阶统计特征向量，MOV具体包括：F01：CepADev，倒谱标准差；F02：CepSkew，倒谱偏态；F03：CepCurt，倒谱峰态；F04：LPCCurt，线性预测系数峰态；F05：LPCSkew，线性预测系数偏态；F06：EstSegSNR，预计的分段信噪比；F07：LPCSkewAbs，线性预测系数偏态绝对值；F08：EstBGNoise，预计的背景噪声；F09：SpecLevelDev，频谱级别误差；F10：RelNoiseFloor，相关本底噪声；F11：SpecLevelRange，频谱级别范围；F12：SpeechInterruptions，话音中断。通过从P.563标准中选择若干种失真特征参数，并以此为特征判断/提取的基准。其目的在于，相对于黑箱子状态的已经固定模式的特征提取，标准化的特征提取的更有利于满足专业人员基于自身的判断选择合适的失真特征参数进行，即专业人员非常熟悉P.563标准和当前环境下所接收到的信号可能面临的问题，因此，可以选择合适的失真特征参数进行特征提取。
步骤S3中根据特征相似性确定待合并的支线短波信号包括：
首先，短波接收是一个持续的过程，因此，实际上的基准信号是可以一直发生变化的，即不同的支线的信号的状态是有可能发生变化，此时选择基准的标准和过程并没有改变。
其次，当然可以采取最大比值合并的方式将全部的支线短波信号都进行加权合并处理，只是考虑到极端情况的出现，还是选择信号状态好的支线短波信号进行加权合并，信号处理的效果更好。因此需要从支线短波信号中选择合适的待合并的支线短波信号。
将各接收机天线接收的各支路话音(短波)信号的高阶静态统计分析模型输出向量MOVi，i为支线序号，将非基准支路的MOVi，与最优话路的高阶静态统计分析模型输出向量MOVbest进行话音相似度比较，输出各支路话音信号较最优话路的相似度评分。用于输出评分的评分模型采用改造的sigmod函数:
Figure BDA0002117043510000051
其中，score为评分数，dist为距离测度，α和β为用于影响函数收敛性能的参数，α的值越大，则对应的函数的曲线越陡峭，β则用于控制曲线的平移，距离测度采用欧式距离测度，即各支路话音较最优话路话音的距离测度：
Figure BDA0002117043510000052
然后，以当前的各支路话音信号的相似度系数为依据，自适应地在n(eg.N＝8)条有效支路中选择性能最好的nc(eg.nc＝5)条分支进行合并(不断对这些支路的接收瞬时相似度系数进行对比，动态丢弃相似度较小的低话音质量分数支路，也即将相似度较小的低话音质量分数支路的权重系数置零)，然后对余下的支路进行最大比值合并。
步骤S4中，基于待合并的支线短波信号和权值，计算获得综合接收信号的流程包括：
最大比值合并的各支路权值与对应支路信号振幅和噪声功率有关，若各支路信号噪声功率相同，则加权系数与相应支路信号振幅成正比例关系，若各支路信号振幅相同，则加权系数与相应支路信号噪声功率成反比例关系。
当然，也可以自设其他的规则来规定权值，即基准信号和非基准信号的权值比例。
实施例2。
本实施例的目的在于说明在实际的应用中，比较合适的一种短波接收流程：
步骤01、分集接收模拟话音；
根据业务需求，按要求对需要进行分集合并的空对地短波模拟话音进行接收，依次缓存到分集合并片段二维数组中，并记录索引序号，其中二维数组最大可支持8路500ms的短波模拟话音数据。
步骤02、滑窗分帧；
该步骤主要实现对分帧长度及帧重叠长度的自定义。例如，在短波模拟话音传输时延要求不高的情境下，用户可定义分帧长度500ms，帧重叠0ms，算法时延500ms；在短波模拟话音传输时延要求较高的情境下，用户可定义分帧长度300ms，帧重叠长度50ms，算法时延250ms。
步骤03、最优话路选取；
该步骤主要实现对多路模拟话音的择优，选取话音质量最好的一路支路话音信号作为模板话音，并存储模板话音的索引序号。
步骤04、合并策略选择，即判断是否采取实施例1的短波接收方法。
例如，上层业务某指令要求对电台2、台电3、电台5及电台8进行分集合并，该步骤就可以根据获取的用户参数对电台2、台电3、电台5及电台8进行择优合并。即是采取实施例1的短波接收方法，即步骤S041～步骤S043。
上层业务某指令要求对电台1、台电2、电台3、电台4、电台5及电台6进行最大比值合并，该步骤就可以根据获取的用户参数对电台1、台电2、电台3、电台4、电台5及电台6进行最大比值合并。即不是实施例的短波接收方法。
步骤05、相似度评分，计算其它各支路话音较模板话音的欧式距离：
本步骤用于提取最优话路及其它支路的高阶统计特征向量，并将最优话路当作模板话路；
步骤06，合并模式选择，若步骤S04中，没有要求采取最大比值合并，则直接依据相似度评分模型将欧式距离映射为相似度评分；若步骤S04中有要求采取最大比值合并的，则采取最大比值合并方式，则根据各支路话音较模板话音的欧式距离，动态抛弃偏离度较大的话音(话音相似度评分置零)，其它话音依据相似度评分模型将欧式距离映射为相似度评分。
步骤07、计算各支路话音权值及合并输出话音；
若按选择分集合并，则跳过各支路话音权值计算，直接输出模板话音；若按最大比值合并，则依据各支路话音相似度评分计算各支路话音权值，进而依据已估计的各支路权值将各支路话音合并输出。
本实施例和实施例1的区别在于，增加了人的选择作用，能够让使用者在实施例1的短波接收方法的基础上，能够增加更多的选择。
实施例3。
本实施例提供如图2所示的短波处理框架。
包括若干路支路话音Si，i为支线(支路)序号，通过最优话路选取最优支路语音(序号为P)和待匹配支路语音(序号为1～L)，通过P.563高阶统计分析得到对应的输出向量，最优支路为MOVp，其他支路为MOV1～L，进行相似度评分，然后根据权值wp、w1～L进行合并，输出短波信号Se。
实施例4。
本实施例提供如图3所示的一种短波接收系统，包括：
接收单元1，用于接收多路支线短波信号，基于短时能量方差选择一路支线短波信号为基准信号；
特征处理单元2，用于基于P.563标准处理支线短波信号，获得信号特征集合，赋予所述支线短波信号对应的权值；
信号选择单元3，用于基于非基准信号和基准信号的特征相似性确定待合并的支线短波信号；信号合并单元，用于基于待合并的支线短波信号和对应的权值，计算获得综合接收信号。
特征处理单元4，用于从P.563标准中选择若干种失真特征参数，处理支线短波信号以获得所述失真特征参数对应的高阶统计特征向量，标记基准信号的高阶统计特征向量为基准特征集，其他的高阶统计特征向量为非基准特征集。
赋予所述支线短波信号对应的权值包括：根据基准信号和其他支线短波信号的信噪比赋予所述其他支线短波信号对应的权值。
信号选择单元，用于基于欧氏距离计算所述非基准信号和所述基准信号的特征相似性的评分值，根据预设的选择标准和所述评分值从所述支线短波信号确定待合并的支线短波信号。
以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (10)

1.一种短波接收方法，其特征在于，包括：
接收多路支线短波信号，基于短时能量方差选择一路支线短波信号为基准信号；
基于P.563标准处理所述支线短波信号，获得信号特征集合，赋予所述支线短波信号对应的权值；
基于非基准信号和所述基准信号的特征相似性确定待合并的支线短波信号；
基于所述待合并的支线短波信号和对应的权值，计算获得综合接收信号。
2.根据权利要求1所述的一种短波接收方法，其特征在于，获取短时能量方差包括：
划分一段短波信号为若干子帧，计算单个子帧的能量值、子帧的能量均值和对应的能量方差序列，标记所述能量方差序列为短时平均能量方差；
对应的，根据所述能量方差序列的离散度选择一路支线短波信号为基准信号。
3.根据权利要求1所述的一种短波接收方法，其特征在于，所述基于P.563标准处理所述支线短波信号包括：
从所述P.563标准中选择若干种失真特征参数，处理所述支线短波信号以获得所述失真特征参数对应的高阶统计特征向量，标记基准信号的高阶统计特征向量为基准特征集，其他的高阶统计特征向量为非基准特征集。
4.根据权利要求1所述的一种短波接收方法，其特征在于，所述赋予所述支线短波信号对应的权值包括：
根据基准信号和其他支线短波信号的信噪比赋予所述其他支线短波信号对应的权值。
5.根据权利要求1所述的一种短波接收方法，其特征在于，所述基于非基准信号和所述基准信号的特征相似性确定待合并的支线短波信号包括：
基于欧氏距离计算所述非基准信号和所述基准信号的特征相似性的评分值，根据预设的选择标准和所述评分值从所述支线短波信号确定待合并的支线短波信号。
6.一种短波接收系统，其特征在于，包括：
接收单元，用于接收多路支线短波信号，基于短时能量方差选择一路支线短波信号为基准信号；
特征处理单元，用于基于P.563标准处理所述支线短波信号，获得信号特征集合，赋予所述支线短波信号对应的权值；
信号选择单元，用于基于非基准信号和所述基准信号的特征相似性确定待合并的支线短波信号；
信号合并单元，用于基于所述待合并的支线短波信号和对应的权值，计算获得综合接收信号。
7.根据权利要求6所述的短波接收系统，其特征在于，获取短时能量方差包括：
划分一段短波信号为若干子帧，计算单个子帧的能量值、子帧的能量均值和对应的能量方差序列，标记所述能量方差序列为短时平均能量方差；
所述接收单元，根据所述能量方差序列的离散度选择一路支线短波信号为基准信号。
8.根据权利要求6所述的短波接收系统，其特征在于，特征处理单元，用于从所述P.563标准中选择若干种失真特征参数，处理所述支线短波信号以获得所述失真特征参数对应的高阶统计特征向量，标记基准信号的高阶统计特征向量为基准特征集，其他的高阶统计特征向量为非基准特征集。
9.根据权利要求6所述的短波接收系统，其特征在于，所述赋予所述支线短波信号对应的权值包括：
根据基准信号和其他支线短波信号的信噪比赋予所述其他支线短波信号对应的权值。
10.根据权利要求6所述的短波接收系统，其特征在于，信号选择单元，用于基于欧氏距离计算所述非基准信号和所述基准信号的特征相似性的评分值，根据预设的选择标准和所述评分值从所述支线短波信号确定待合并的支线短波信号。
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