一種採樣率差異估計與校正方法

2023-05-05 01:08:26 4

專利名稱：一種採樣率差異估計與校正方法
技術領域：
本發明涉及多通道信號處理技術領域。更具體地說，本發明涉及一種用於多通道 信號處理中的採樣率差異估計與校正方法。
背景技術：
當音頻流從一個設備傳輸到另一個設備，在播放或者錄製的過程中，總會存在一 個問題在兩個設備的數模轉換模塊中，缺乏一個共同的時鐘信號。這可能會導致信號的採 樣率出現不一致的情況。導致採樣率出現不一致現象的原因包括首先、產生時鐘信號的晶 振存在一定頻率範圍內的容忍度，在一些商用的數位訊號處理設備中，這個容忍度可以從 幾十個PPM(parts per million)到上萬個PPM ；其次，晶振的頻率可能受到溫度的影響，最 後，在一些便攜設備中，其所需要的頻率可能是從一個更高的頻率通過分頻得到的。由於諸 如以上的這些原因，一個標稱為8000Hz採樣的信號，其實際採樣率可能為8002Hz，或者其 它步頁率(可參見 EnriqueRobledo-Arnuncio, Ted S. Wada & Biing-Hwang (Fred) Juang,"On dealing withsampling rate mismatches in blind source separation and acoustic echo cancellation，，，2007IEEE Workshop on Application of Signal Processing to Audio and Acoustics, pp.34-37)。在現有技術中，比如說VOIP中，可以在那些不為人耳感知的語音段插入一些零值 樣點或者刪除一些樣點，從而克服採樣率差異的影響，進而保證音頻信號流的同步。另外，在一些更為複雜的應用中，比如涉及到多路信號處理的應用中，如盲源信號 分離，自適應噪聲消除等應用，僅僅保證信號的同步並不能滿足算法的需要。當音頻信號來 自多個不同的採樣設備時，在經過算法處理之前，必須保證多路信號的採樣率是一致的，而 現有的信號分離或者自適應噪聲消除系統，並沒有考慮採樣率差異的影響。因此，迫切需要 一種能夠進行採樣率差異估計和校正的方法。

發明內容
本發明的目的是提供一種能夠進行採樣率差異估計和校正的方法，進而保證多通 道信號處理中不同通道的音頻信號流嚴格同步。為實現上述發明目的，本發明提供了一種採樣率差異估計方法，包括下列步驟2、採樣率差異估計方法，包括下列步驟1)分別用兩個不同的設備錄製同一音源獲得兩個相關信號x(n)和y(n)；其中η 是整數，表示相關信號χ (η)和y(n)的採樣點編號；2)設定採樣率差異範圍；3)以一定步長，在所述採樣率差異範圍內進行遍歷； 4)假定當前採樣率為χ (η)的實際採樣率，求出χ (η)與y (η)的互相關函數R12 (η)， 並記錄對應於該當前採樣率的互相關函數R12 (η)； 5)遍歷結束後得出對應於最大互相關函數R12(Ii)的X(Ii)的採樣率，進而得出χ (η)與y(n)的採樣率差異。其中，所述步驟4)中，計算出X(n)與y(n)的互相關函數R12(Ii)的方法如下X1 (w) = FFT (χ (η))X2 (w) = FFT (y (η))Gu (w) = X1 (w)X*2 (w) 其中，σ代表相關信號x(n)和y(η)的信噪比。與現有技術相比，本發明能夠準確地進行採樣率差異估計和校正，從而保證多通 道信號處理中不同通道的音頻信號流嚴格同步。


圖1是採樣率差異估計和校正應用於BSS (盲源信號分離)/ANC (自適應噪聲消 除)系統的示意圖；圖2是無採樣率差異時，噪聲信號在自適應噪聲消除前後的對比示意圖；圖3是採樣率差異為IHz時，噪聲信號在自適應噪聲消除前後的對比示意圖；圖4是採樣率差異為2ΗΖ時，噪聲信號在自適應噪聲消除前後的對比示意圖；圖5是採樣率差異為5ΗΖ時，噪聲信號在自適應噪聲消除前後的對比示意圖；圖6是本發明一個實施例中的採樣率差異估計與校正方法的流程圖；圖7是用以進行採樣率差異估計時的兩段信號的波形圖，下面一段信號被噪聲幹 擾，信噪比為-IOdB;圖8是採樣率差異估計結果圖，結果等於虛線坐標與實線坐標之差。
具體實施例方式本發明提供了一種採樣率差異估計與校正方法，圖1是採樣率差異估計和校正應 用於BSS(盲源信號分離)/ANC(自適應噪聲消除)系統的示意圖，圖中兩路信號的標稱採 樣率相同，均為fs，但實際上，兩者的真實採樣率卻不是fs，在這種情況下，進行多通道信 號處理的時，多通道信號處理算法的性能會受到影響。圖2、3、4、5中給出了當採樣率存在 各種差異和不存在差異時，自適應噪聲消除算法的性能表現，可以發現，當存在採樣率差異 時，自適應噪聲消除存在非常大的噪聲殘差，並且，採樣率差異越大，殘餘的噪聲越多。本發明進行採樣率差異估計的原理如下同樣長度的兩相關信號，當它們之間的 採樣率差異越大時，它們的相關性就越小，表現為R12(H)的值就越小；反之，它們的相關性 就越大，R12 (η)的值越大(R12Oi)在下文中的公式2中有詳細說明)。所以當兩路相關信號 的採樣率一致時，其互相關函數的最大值取得最大值。為此，選取兩路信號中的其中一路， 將它從標稱的採樣率向某個範圍的採樣率重新採樣，每次重採樣之後，與另一路信號求互相關函數，記錄每次互相關函數的最大值。在這些最大值構成的序列中，最大值對應的目標 採樣率作為信號的真實採樣率。下面結合附圖和具體實施例對本發明做進一步地描述。如圖6所示，χ (η)和y(n)是由兩個不同的設備錄製同一音源獲得的用於多通道 信號處理的兩個相關信號，二者標稱的的採樣率均為fs，而實際的採樣率可能並不一致，而 且，x(n)和y(n)中還可能混入了幹擾噪聲，表達式如下式(1)所示。
其中，Sl(n)，S2 (η)是同一音源到達不同設備被錄製的信號，Ii1 (η)，η2 (η)是到達錄 音設備的幹擾信號。由於噪聲的影響，直接計算χ (η)和y(n)時域的互相關函數，其最大值往往不能準 確反映S1(Ii), S2(Ii)的相關性，尤其在噪聲II1 (η)，II2 (η)也具有較強的相關性時，時域相關 函數的最大值可能反應的是噪聲之間的相關性。本實施例中提出了一種改進的相位變換算法(IPHAT)，用於計算兩段相關信號的 互相關函數的最大值及其對應坐標。IPHAT算法的完整描述如下X1 (w) = FFT (χ (η))X2 (w) = FFT (y (η))
Gu(w) = X,(w)X*2(w)
1 +r Gn(W) Jwn^
^12C") =
2π_1\ Gn(w)
(2) λ =
Λ
Λ ~Λ
σ<σ0
Λ
(σ-σ^ + ^ σ0 <σ < σι
σ > σ,這裡σ代表信噪比。也就是互相關信號χ (η)和y (η)的信噪比。λ是計算兩相關信號互相關函數公式的一個參數，它與信號的信噪比有關。入0 表示λ的下限值，入1表示λ的上限值；ο 0表示σ的下限值，σ 表示σ的上限值。 入0、λ 1、σ0、ο 1是根據經驗得出的。在一個優選實施例中，λ0 = 0. 35 ； λ 1 = 0. 85 ； σ 0 = OdB ； σ 0 = 20dB。利用IPHAT算法計算出x(n)與y (η)的互相關函數R12(Ii)以後，由下面的方法計 算χ(η)與y(n)之間的整數點採樣率差異。for Δ f = -20 1 20f = fs+Af ；X1 = re samp Ie (χ, f, fs)；Rxy = Xcorr(X1J);d(Af+21) = max(Rxy)；end[max, index] = max (d)；
Il採樣率差異範圍定義為士20Hz以內
將χ從採樣率fs重採樣到f 計算X1和1的互相關函數 /求Rxy的最大值
5
採樣率差異為Afs = index-21 ；其中，Index對應序列d中，最大值對應的時間序數，即序列d中第幾個值是序列 的最大值。上述偽代碼的含義是在標稱採樣率的士20Hz範圍內，即從fs-20Hz到fs+20Hz 的範圍內，以IHz為步長，對每一個頻率，將信號χ從採樣率fs重採樣到該頻率，然後計算 信號y與重採樣之後的信號之間的互相關函數的最大值d(i)，i對應於坐標值，i = 1,2, 3···，對於這41個頻率，會產生41個最大值d(i)構成的序列，找出d(i)中的最大值對應的 坐標，該坐標減去21，即得到兩信號的整數點的採樣率差異值。在求出整數點的採樣率差異以後，如果需要更精確地確定兩段信號之間的採樣率 差異，本實施例中還進一步地提出了一種基於sine函數內插的方法，對IPHAT算法求出的 一系列R12(n)的最大值進行連續時間域的重構，得出由最大值序列重構的連續時間信號， 通過找出重構連續信號的最大值，從而確定更精確的最大值坐標，來找到分數階的採樣率 差異。計算公式如下設上述利用IPHAT算法求出的各個採樣率下，兩信號相關函數的最大值組成的序 列為d(n)，則重構連續時間信號的公式為 通過(4)式，求出重構的連續時間信號d(t)的最大值的坐標之後，該坐標與無採 樣率差異時最大值應在的坐標作差，即可確定採樣率差異。使用兩段採樣率差異為IHz的 測試信號，採用本實施例的方法進行採樣率差異估計的結果如圖8所示。在計算出兩路信號之間的採樣率差異以後，以fs為基準，對其中一路信號進行重 採樣校正，重採樣步驟可以利用polyphase濾波器組實現，(該技術可參見Α. V.奧本海姆， R. W.謝弗，J.R.巴克，「離散時間信號處理」，第二版，P146 P150)。之前說過，兩路信號 的採樣率可能都不是fs，這裡假設兩個採樣率分別為f\，f2，兩者之間的採樣率差異為Af =f2~f,以fs為基準，根據估計出的採樣率差異(這裡默認估計準確)，把信號x(n)進行 採樣率轉換，轉換後的採樣率為f;=fx*{fs+M)!fs此時，重採樣之後的χ (η)與y(n)之間的採樣率差異為Δ/ = /2 - X = /2 - / * (fs + Af) / fs=(f2-fM-fr)/fs<<f2-fi式中「 <<」表示遠遠小於。以下是本實施例的採樣率差異估計與校正方法的應用說明1、該方法默認不同設備的採樣率差異在20Hz以內，或者說該方法僅對採樣率差 異在20Hz以內的情況適用；2、採樣率差異估計必須是針對相關信號的應用，比如說我們提出的BSS/ANC，進 行IPHAT的兩路信號中，必須含有來自同一源的信號，而且，信號之間的延時差，不應超過進行分析的信號長度的1/3。3、為考察該方法的性能，在沒有cross-talk的情況下，定義一個變量 ENR(errorto noise ratio) 其中，e為殘餘噪聲，η為初始噪聲這裡給出針對語音信號，採樣率從OHz變為IOHz時，ENR的變化，表 1OHz IHz 2Hz 3Hz 4Hz 5Hz 6Ηζ 7Ηζ 8Ηζ9ΗζENRl (dB) -37.28 -16.08 -11.18 -8. 11 -6. 18 -3.39 -2. 57 -2.29 -1.91-1.47ENR2 (dB) -37.28 -37. 34 -37.09 -37.26 -37.26 -37.16 -37.03 -37. 14-37. 03 -37. 15其中，ENRl代表未進行採樣率差異調整時的值，ENR2代表進行採樣率差異調整以 後的值。4、在實際環境中，帶有cross-talk的情況下，考查ANC算法的性能，兩路採用兩種 設備錄製，一個為電腦音效卡，一個為愛國者錄音筆，結果如下校正之前ENR= -12. 516dB校正之後，ENR=-16. 338dB。
權利要求
一種採樣率差異估計方法，包括下列步驟1)分別用兩個不同的設備錄製同一音源獲得兩個相關信號x(n)和y(n)；其中n是整數；2)設定採樣率差異範圍；3)以一定步長，在所述採樣率差異範圍內進行遍歷；4)假定當前採樣率為x(n)的實際採樣率，求出x(n)與y(n)的互相關函數R12(n)，並記錄對應於該當前採樣率的互相關函數R12(n)；5)遍歷結束後得出對應於最大互相關函數R12(n)的x(n)的採樣率，進而得出x(n)與y(n)的採樣率差異。
2.根據權利要求1所述的採樣率差異估計方法，其特徵在於，所述步驟4)中，計算出 χ (η)與y(n)的互相關函數R12 (η)的方法如下 其中，σ代表相關信號χ(η)和y(n)的信噪比,
全文摘要
本發明提供了一種採樣率差異估計方法，包括下列步驟1)分別用兩個不同的設備錄製同一音源獲得兩個相關信號x(n)和y(n)；其中n是整數；2)設定採樣率差異範圍；3)以一定步長，在所述採樣率差異範圍內進行遍歷；4)假定當前採樣率為x(n)的實際採樣率，求出x(n)與y(n)的互相關函數R12(n)，並記錄對應於該當前採樣率的互相關函數R12(n)；5)遍歷結束後得出對應於最大互相關函數R12(n)的x(n)的採樣率，進而得出x(n)與y(n)的採樣率差異。本發明能夠準確地進行採樣率差異估計和校正，從而保證多通道信號處理中不同通道的音頻信號流嚴格同步。
文檔編號G10L19/00GK101894564SQ201010228768
公開日2010年11月24日 申請日期2010年7月9日 優先權日2010年7月9日
發明者付強, 覃波, 顏永紅 申請人:中國科學院聲學研究所