语音插空同步压扩方法及其装置 本发明涉及一种语音信号处理方法及其装置，具体地说，是一种用于短波、超波无线电话通信、以提高语音通信抗衰落和抗噪音干扰能力的语音信号处理方法和装置。
使用传统的短波单边带通信手段进行无线电话通信，在战争状况下比采用卫星手段进行通信具有更好的抗毁性和顽存性，而且，还具有通信可靠、机动灵活、成本低和频率资源利用率高等优点。因此，人们着力于研制适合用于单边带电台的语言信号处理装置。目前被公认最先进的是同步压扩(Syncompex)技术，它是由加拿大周时明(S.M.Chow)先生在八十年代前提出的，并为1982年第十五届CCIR国际大会所推荐。
同步压扩(Syncompex)技术的基本工作原理是利用微机实现在一个信道中传输含有语音信息的近似恒幅载波，以克服单边带通信中抗衰落和噪声干扰性能差的缺点。它是将语音信号变化大的动态范围加以压缩，然后进行近似恒幅的满功率幅度调制单边带射频而发射。在收端收到后按发端的压缩规律加以反压缩—即扩展而恢复了原来语音信号变化大的动态范围。由于在发端经压缩后语音信号中最低的信号电平被提升了，这样满功率调幅单边带发射经信道传输后使原来接收点的信号场强增大，这就相应地提高了接收点的S/N比。如果这时要求和原来未提高前的语音质量具有相同的S/N比，则采用了Syncompex技术后就可增大通信距离。在收端扩展后，原来在发端被提升的语音信号的最低电平再被降低到原来相对的最低电平，在这同时噪声也被降低了，信号的字句和音节之间的噪声电平也同样被降低了，因而改善了短波信道电波传播过程的信号衰落影响，同时也降低了背景地信道噪声。反映语音信号幅度压扩量的数据信号和同步信号的传播，它是被变换成移频信号传输到收端，由于恒幅移频信号的抗干扰衰落性能强，因此在传播条件恶劣的情况下，收端仍然能通过收到的移频信号正确地获得幅度压缩量的信息和同步信号，并以它们来同步控制扩展器的扩展倍数，从而使已压缩的语音信号恢复成原来的变化大的动态范围。
采用上述同步压扩技术的抗干扰设备后，不需要对原来的单边带电台内部电路和程式作任何变动，因此，它可以和现在大量使用的单边带通信系统配套，其兼用性很强，不需更换原有的单边带电台装备，故易于推广使用，其社会和经济效益高。其它有些抗干扰技术(如类似射频切削技术等)体制的采用需改变电台内部电路的程式，这就无法兼用，和难以推广使用。
由上可见：同步压扩技术所采用的技术手段是先进的，抗衰落和噪声干扰的性能是好的，兼用性是强的，可以增大通信距离，社会和经济效益是高的。在单边带通信上具有机动、灵活可靠、成本低，抗毁性和顽存性比卫星通信好，频谱资源利用率高等优点。然而，它也有如下不足之处：
1.压缩量数据信号所采用的FSK数字调制介调器，其相位不连续，介调后的同步信号和数据信号的频谱较宽，而有源滤波器的带宽要求较窄，故造成其频谱不能全部恢复而形成波形失真和不稳定的晃动，为此对有源滤器的带宽不能要求太窄。再则，FSK数字调制器过宽的频谱在滤波器滤波特性不好的情况下会串扰到语音信道中去，造成对语言信号的干扰，同时过宽的频谱也会使高频载波的带外幅射增大，使整机系统的性能指标降低。
2.采用频域法处理的同步压扩技术中同步控制信号和幅度压缩量数据信号的传输是放在语音信号频谱中所挖去的槽隙间同时传输的。为了不使语音频谱恢复时失真过大而造成语音的可懂度，自然度和清晰度的降低，故频谱中挖槽不能挖得太宽，因此对有源滤波器截止频率边缘的滚降特性要求要非常陡峭，故必须采用高阶椭圆函数滤波器，其技术要求和调试难度皆较高，体积也较大。
3.上述矛盾是频域法处理体制的固有缺点。如果为了降低数据传输中的误码率而在控制信道中采用分集合成技术，则采用两路的FSK数字调制介调器，在语音信号频谱中就要开二个槽，则此时频域法处理体制的固有缺点——语音信号频谱失真、可懂度、自然度和清晰度降低的矛盾会更严重。
本发明的目的是提供一种提高短波、超短波无线电话语音通信抗衰落和噪音干扰能力的语音信号处理方法和装置。
本发明的技术解决方案是在同步压扩(Syncompex)技术方案的基础上，对它作了改进，采用时域法处理体制的语音插空同步压扩(Voice Gap Inserted Syncompex，缩写为VGISC)技术方案。即将语音信号和同步、压缩量数据信号在时域上分别处理，再将同步、压缩量数据信号在语音信号进行时间压缩处理后所取得的时间空隙中同步插入传输，以克服频域法处理体制的固有缺点。兼作同步控制信号的压缩数据量采用了不同的单音频频率编译码技术进行调制和介调，使同步、压缩量数据信号具有能量集中，幅度大，频谱较窄，以提高同步控制能力，降低误码率，并改善了整机带外辐射的性能指标。
如上所述，本发明的方法是：
动态范围变化大的原始语音信号经过VGISC系统发端的A/D采样，转换成数字语音信号，再由计算机履行(1)对数字语音信号的幅度进行压缩处理，(2)经D/A转换，并对该帧语音信号进行时间压缩处理，(3)将该帧的同步、幅度压缩量数据在该帧语音信号进行时间压缩后所得到的时间空隙中同步插入。然后形成含有同步、压缩量数据的动态范围变化很小(近似恒幅)的压缩调制处理后的综合语音信号，将其送到单边带发射机去载频调幅。这时接近恒幅调幅载频的平均输出功率大大地提高了，故相应接收点的信号场强增大，S/N大大提高，因而通信距离可以增大。相应地对收端单边带电台解调后输出的压缩调制处理的综合语音信号，经收端的A/D采样，转换成数字信号，再经计算机处理，先使帧同步，然后解调出该帧数字语音信号的压缩量数据，并以它们去同步控制相应帧的压缩数字语信号进行反压缩处理——即扩展相应的压缩倍数，然后再将反压缩的数字语音信号经过收端D/A转换而恢复成原来动态范围变化大的语音信号。
根据上述本发明方法制成的语音信号处理装置，分为发端处理装置和收端处理装置。分述如下：
一、发端语音信号处理装置包括依次成电路联结的前置放大器、输入带通滤波器、A/D输入前的接口电路、切换开关、A/D转换器、计算机、D/A转换器、输出带通滤波器、单边带电台调制器前的接口电路、与切换开关成电路联结的振荡器、以及接于前置放大器并控制切换开关进行切换的语音信号能量检测器。
微弱的语音信号经放大并由语音信号能量判决出是语音或是空隙，然后进行A/D转换，由计算机控制A/D转换和D/A转换，完成数据采集、语音过零率空隙检测处理、语音信号动态范围的线性压缩、压缩量数字的频率编码调制、语音信号的时间压缩、以及将兼作同步控制的语音幅度压缩量数据插入到时间压缩后的空隙中，最后形成压缩调制处理后的综合语信号送到单边带电台的调制器。
二、收端语音信号处理装置包括依次以电路联结的A/D前的接口电路、A/D转换器、计算机、D/A转换器、平滑滤波器、音频功率放大器和喇叭。
来自SSB电台解调器解调后输出的压缩调制后的综合语音信号送到收端A/D前的接口电路，使它与A/D转换器之间进行电平和阻抗的匹配，然后由计算机对A/D转换器和D/A转换器进行控制，完成帧同步提取、压缩量的频率译码数字调解、语音信号动态范围的线性反压缩(即扩展)处理、D/A转换、语音信号的时间反压缩(即扩展)处理。然后将恢复到原先动态范围变化大的语音信号送到平滑滤波器进行平滑滤波，再经音频功率放大器进行放大后去推动喇叭，还原为声音信号。
本发明的优点是：
1.它既保留了82年第十五届CCIR国际会议上所推荐的加拿大的同步压扩(Syncompex)技术的抗衰落和噪声干扰性能好的优点，又克服了它频域法处理体制固有的话音频谱开槽造成损失的缺点。
2.通过闭路系统试验的测量结果，表明本发明有良好的性能指标：
(1)根据计算机统计分析得到：(VGISC)系统的每段话音平均帧的压缩量范围为(4～8)倍左右，即平均帧压缩增益范围为(12～18)dB左右；(2)闭路的加性白噪声干扰试验也证明了：当收端输入信号的S/N比在(-6)dB时，反压缩解调处理后输出语音信号中的噪声干扰被抑制了，语音的可懂度、清晰度是较好的，特别是语音空隙中的噪声干扰被彻底抑制了；(3)同步控制和数据调制、解调性能测试表明：在增大噪声使语音S/N比降低到(-12)dB时，同步控制和数据解调准确无误；(4)在同步控制和数据编码频率的信号能量降低3dB下仍能保持正常工作状态时的频率容差值为±40Hz。
由本发明构成的系统尚有如下问题：
1.系统有时延：由于本系统采用微机处理技术，对语音数据是以帧为单位进行处理，因此系统的单向时延视帧长而定，但这种时延在实际使用上不会有明显察觉。
2.系统存在有分段的折叠噪声，但只要采用技术措施，处理得当，这种噪声在实际使用中不会有明显的察觉。
本发明由以下附图加以实施。
图1是本发明的发端电原理方框图。
图2是本发明的发端语音空隙检测程序流程图。
图3是本发明话音动态范围压缩及数据调制软件基本处理方法示意图。
图4是本发明的发端软件流程图。
图5是本发明的收端电原理方框图。
图6是本发明的收端同步解调基本流程图。
图7是本发明的反压缩处理基本流程图。
下面我们将根据图1～7给出本发明用于汉语语音信号处理的实施例。
VGISC系统采用时域法处理体制——即在语音信号进行时间压缩处理后所取得的空隙中将同步、幅度压缩量的数据插入传输，从而克服了Syncompex技术方案的频域法处理体制在语音频谱中开槽来传输压缩量的数据而造成语音恢复时频谱失真影响话音质量的缺点。
根据图1～4给出本发明的发端语音信号处理装置。
请参阅图1；如图可见，本发明的发端装置包括顺次以电路联结的前置放大器1、输入带通滤波器2、A/D输入前的接口电路3、切换开关4、A/D转换器7、计算机8、D/A转换器9、输出带通滤波器10和单边带电台调制器前的接口电路11、与切换开关成电路联结的振荡器6、以及后接于前置放大器1并控制切换开关4进行切换的语音信号能量检测器5。
输入微弱的语音电信号经过语音自动电平控制(ALC)前置放大器1的放大，使它的动态范围得到初步控制，其最大值不超过系统设计所限制的范围，以便更有效地发挥计算机压扩处理后的效果。然后一路语音信号在A/D采样前必须经过输入带通滤波器2的滤波，其频带与对语音的频带要求相同，本实施例为300～3000Hz以适应单边带电台对语音带宽限制的要求。带通滤波器2的输出送到A/D输入前的接口电路3，使语音输入与A/D转换器7之间的电平进行匹配，然后再送到切换开关4。另一路语音信号从前置放大器1输出，经过语音信号能量检测器5，对语音信号能量进行检测，它检测后输出的开关信息去控制A/D转换器前的切换开关4，使该切换开关4的输出在振荡器6的振荡信号和A/D输入接口电路3输出的语音信号之间进行切换，因而在A/D转换器7的输入端就会得到3.4KHz的振荡信号或者能量大于某个门限值的语音输入信号。如果能量值小于某个门限值时，将判它是语音中的空隙，这时在A/D输入端将得到语音空隙期间的背景噪声和fT振荡信号，本实施例取fT＝3.4KHz，用计算机对这些采样数据进行过零率的空隙检测，以得到最佳的空隙检测效果。如果过零率检测结果有3.4HKz的振荡信号，则确认这期间为语音的空隙，并将空隙中的背景噪声干扰彻底抑制到零。计算机对A/D转换器7和D/A转换器9进行控制，完成数据采集、语音过零率空隙检测、语音信号动态范围的线性压缩、压缩量的数字调制、D/A转换、语音信号的时间压缩及将兼作同步控制的语音幅度压缩量数据插入到时间压缩后的空隙中。然后形成压缩调制处理后的综合语音信号，它经过输出带通滤波器10的滤波，以防止能量的带外辐射，本实施例取其频带为300～3400Hz。带通滤波器10的输出送到SSB调制器前的接口电路11，使它与单边带电台调制器之间进行电平和阻抗的匹配。
请参阅图2；它是计算机对语音信号的过零率检测流程图。对发端语音数据流的空隙检测程序，主要对已经存盘的原始话音数据进行过零率判断的空隙检测，它同时可以改变检测的长度和检测截止频率，以得到不同条件下的空隙检测效果，以确定最佳参数的选取。
请参阅图3和图4；它们分别表示本实施例的语音动态范围压缩及数据调制软件的基本处理方案和软件的流程。从图可见，计算机从原始话音数据流中读取一帧数据到处理Buff中，每帧包括同步与数据段V1和话音段V2，本实施例中每帧的时间T1＝70ms、V1的时间为ΔT＝10.08ms、V2的时间T2＝59.92ms。计算机每次从A/D口读取一帧长数据后，便搜索出帧中最大样点值，并计算出压缩量，然后根据压缩量把调制信号填充至V1的剩余时间空隙区，最后把整帧数据输出，如此重复，本实施例的整个处理过程延时为70ms。
最后，我们再根据图5～7给出本实施例的收端语音信号处理装置。
请参阅图5；如图所示，该装置包括顺次以电路联结的A/D前的接口电路21，A/D转换器22、计算机23、D/A转换器24、平滑滤波器25、音频功率放大器26和喇叭27。其中，由A/D前的接口电路21接收来自单边带电台解调器解调后输出的综合语音信号，以及由计算机23对A/D转换器22、D/A转换器24进行控制、完成帧同步提取、压缩量的频率译码数字解调、语音信号动态范围的线性反压缩(即扩展)处理、D/A转换、语音信号的时间反压缩(即扩展)处理。
请参阅图6和图7；它们分别表示收端同步解调的基本流程和反压缩处理的基本流程。从图可见，它们主要完成压缩调制处理后的语音信号的反压缩工作，其功能包括同步搜捕和确认，数字调解、语音信号的反压缩处理和被同步控制及数字调制所污染的语音信号的补救。其中，同步控制及同步提取处理由于采用单音频法进行数字编码调制技术，使得在数字调制区内，只有一个相关频率点的能量是最大，作为同步信号，就依据这几个(8个)调制频率点中的一个频率点的能量为最大，而其它几个频率点的能量与其相比满足一定的门限值条件。具体提取方法采用逐点处理分析，得到这八个频率点上的能量值，直到同步为止。