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音频 信号压缩采样系统

阅读：68发布：2024-01-04

专利汇可以提供音频信号压缩采样系统专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明涉及一种音频信号压缩采样系统，包括混频器，混频器的输入端接收随机脉冲信号和待调制的音频信号，混频器的输出端通过低通滤波器与反向放大器相连，反向放大器通过A/D转换器与计算机相连。本发明根据压缩传感理论设计，通过调制将模拟的音频信号在频域上均匀地涂抹到整个频域范围内，用较低的采样频率对解调信号进行采样，就能获得原信号的信息，这是一个降采样的过程。用截止频率较低的滤波器对此进行滤波处理，截取信号的一部分。滤波后的信号包含原信号的信息，然后再用压缩传感理论相关重建算法实现信号的重建。由于压缩采样系统所需的采样频率大大降低，该系统不但降低了采样开关的硬件成本，而且减少了信道传输压力。，下面是音频信号压缩采样系统专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种音频信号压缩采样系统，其特征在于：包括混频器(4)，混频器(4)的输入端接收随机脉冲信号和待调制的模拟信号，混频器(4)的输出端通过低通滤波器(5)与反向放大器(6)相连，反向放大器(6)通过A/D转换器(7)与计算机相连。
2.根据权利要求1所述的音频信号压缩采样系统，其特征在于：还包括单片机(1)，单片机(1)输出端与有源放大器(2)的输入端相连，有源放大器(2)的输出端与累加器(3)的输入端相连，累加器(3)的输入端还接入偏移电平信号，累加器(3)输出随机脉冲信号至混频器(4)的输入端。
3.根据权利要求2所述的音频信号压缩采样系统，其特征在于：所述的单片机(1)采用芯片AT89C52，所述的有源放大器(2)采用芯片U2，所述的累加器(3)采用芯片U6，芯片AT89C52的第28引脚与电阻R2的一端相连，电阻R2的另一端与芯片U2的第2引脚相连，芯片U2的第3引脚接地，芯片U2的第6引脚与电阻R13的一端相连，电阻R13的另一端与芯片U6的第2引脚相连，偏移电平信号通过电阻R14输入芯片U6的第2引脚，芯片U6的第3引脚接地，芯片U6的第6引脚与混频器(4)的输入端相连。
4.根据权利要求2所述的音频信号压缩采样系统，其特征在于：所述的低通滤波器(5)采用芯片U4，所述的反向放大器(6)采用芯片U5，所述的A/D转换器(7)采用芯片U3，芯片U4的第2引脚通过电阻R3与混频器(4)的输出端相连，芯片U4的第3引脚接地，芯片U4的第6引脚通过电阻R11与芯片U5的第2引脚相连，芯片U5的第3引脚接地，芯片U5的第6引脚通过电阻R5与芯片U3的第23引脚相连，芯片U3的第2、3引脚与计算机的串口相连。
5.根据权利要求1或2所述的音频信号压缩采样系统，其特征在于：所述的累加器(3)的输出端、待调制的音频信号、混频器(4)的输出端以及反向放大器(6)的输出端分别接示波器(8)的输入接口A、B、C、D。
6.根据权利要求3或4所述的音频信号压缩采样系统，其特征在于：所述的芯片U2、U4、U5、U6均为芯片AD824P，所述的芯片U3为芯片ATMEGA8。
7.根据权利要求4所述的音频信号压缩采样系统，其特征在于：所述的芯片U3的第
14、15、16、17、18、19、9、10分别接数码管(9)的A、B、C、D、E、F、G、CP脚，芯片U3的第6引脚通过电阻R10接数码管(9)的4脚，芯片U3的第11引脚通过电阻R9接数码管(9)的3脚，芯片U3的第12引脚通过电阻R8接数码管(9)的2脚，芯片U3的第13引脚通过电阻R7接数码管(9)的1脚。

说明书全文

音频信号压缩采样系统

技术领域

[0001] 本发明涉及一种音频信号压缩采样系统。

背景技术

[0002] 传统的信号采集、编解码过程的理论基础是香农采样定理，以高于信号最高频率2倍频率对对输入模拟信号进行采样，再根据实际需要对这些数据进行传输、加工、处理。这种处理手法确定有以下两点缺陷：其一，在许多实际应用中由于信号的采样速率不得低于信号带宽的2倍，这使得硬件系统面临着很大的采样速率的压力，Nyquist采样硬件成本昂贵、获取效率低下，在某些情况甚至无法实现；其二，数据存储和传输方面，通常的做法是先按照Nyquist采样方式获取数据，然后将获得的数据进行压缩，最后将压缩后的数据进行存储或传输，显然，这样的方式造成很大程度的资源浪费。

[0003] 近年来，一种新兴的压缩传感理论得到了研究人员的广泛关注，该理论可以理解为是将传统的数据获取与数据压缩合二为一，区别于一般信号的“先采样，后处理”的传输编码方式，压缩传感(Compressed Sensing，CS)根据大部分信号可以在特定基上稀疏表示这一性质，对信号的非自适应线性投影，在通过数值最优化问题准确重构原始信号，压缩传感理论通过少量的随机的线性投影直接的获取稀疏或可压缩信号中包含绝大部分信号的少量系数，来实现对原始信号的采样和压缩功能。这种压缩传感机制在信息的获取端就实现了数据量压缩，实现了信号采集方式的一项革新。同时，该理论具有通用性、加密性、鲁棒性、渐进性、可缩放性、计算的非对称等性质。压缩传感数据获取可以看成不同于香农采样的一种高效的信号获取模式，再通过计算的手段从信号的不完全测量集合中重建原始信号。

[0004] 目前，国内外对压缩传感的研究主要集中在压缩传感后端的重建算法的优化上，并逐步得到了完善。要使压缩传感理论走向应用层面，其前端的信息获取的物理实现机制是目前亟待解决的问题

发明内容

[0005] 本发明的目的在于提供一种低采样频率、成本低、减少信道传输压力的音频信号压缩采样系统。

[0006] 为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：一种音频信号压缩采样系统，包括混频器，混频器的输入端接收随机脉冲信号和待调制的音频信号，混频器的输出端通过低通滤波器与反向放大器相连，反向放大器通过A/D转换器与计算机相连。

[0007] 由上述技术方案可知，本发明根据压缩传感理论设计，通过调制将模拟的音频信号在频域上均匀地涂抹到整个频域范围内，用较低的采样频率对解调信号进行采样，就能获得原信号的信息，这是一个降采样的过程。用截止频率较低的滤波器对此进行滤波处理，截取信号的一部分。滤波后的信号包含原信号的信息，然后再用压缩传感理论相关重建算法实现信号的重建。由于压缩采样系统所需的采样频率大大降低，该系统不但降低了采样开关的硬件成本，而且减少了信道传输压力。附图说明

[0008] 图1是本发明的电路框图；

[0009] 图2是本发明的电路原理图。

具体实施方式

[0010] 一种音频信号压缩采样系统，包括混频器4，混频器4的输入端接收随机脉冲信号和待调制的音频信号，混频器4的输出端通过低通滤波器5与反向放大器6相连，反向放大器6通过A/D转换器7与计算机相连。还包括单片机1，单片机1输出端与有源放大器2的输入端相连，有源放大器2的输出端与累加器3的输入端相连，累加器3的输入端还接入偏移电平信号，累加器3输出随机脉冲信号至混频器4的输入端，如图1所示。

[0011] 本发明主要由调制、滤波和降采样三部分组成，傅里叶基上稀疏的信号可以通过解调装置在频域上将输入的模拟的音频信号均匀地涂抹到整个频域范围内，用较低的采样频率对解调信号进行采样，就能获得原信号的信息，这是个降采样的过程。用截止频率较低(比信号的最高频率的2倍低很多的滤波器)的滤波器对此进行滤波处理，截取信号的一部分。滤波后的信号包含原信号的信息，将滤波后的信号进行降采样获得y[m]，然后再用压缩传感理论相关重建算法实现对x(t)的重建。

[0012] 信号通过与一个伪随机PN序列来实现调制，该序列必须在值±1之间轮流交替，且频率远高于采样频率。调制过程可以通过一个混频器4来实现。系统中幅值为±1的随机方波调制信号直接由单片机1产生的随机高低电平经过放大，与偏移电平累加得到，在通过待传输音频信号与该随机脉冲相乘来实现扩频。该随机脉冲信号具有貌似噪声的性质，既容易产生又可以加工和复制的序列，因此容易满足该要求。完成调制谱扩展所选用物理元件是混频器4，混频器4是一个用来计算x(t)*m(t)的装置，m(t)信号特指由±1的序列构成的随机脉冲信号。混频器4通常由差分电路实现。

[0013] 通常压缩传感的代数形式可以写为：

[0014] yj＝，φ∈Φ，j∈1，…，M

[0015] 利用矩阵的形式，测量过程可以记为：

[0016] y＝Φx＝ΦΨa

[0017] 其中，a表示m稀疏的变换系数向量；Ψ被称为稀疏基或描述系统，Φ为测量基或传感系统；称M维列向量y为测量向量，称由测量基Φ构成的M×N维矩阵为测量矩阵。其目标是通过M(M＜＜N)次测量得到的测量向量y测量精确重建或者逼近信号x。为了恢复这个信号，解码器需要执行所有个可能稀疏子空间的组合。因此，Donoho提出了基于最小化l1模的线性优化模型，也就是利用基于线性规划的基追踪(Basis Pursuit，BP)方法求解：

[0018] s，t y＝Φx

[0019] 其中Φ应该满足限制等容条件(RIP)，即

[0020] 混频器的非线性输出y(t)＝f(t)*P(t)。可以写成：

[0021]

[0022] 因为调制信号P(t)＝±1，所以在时间域内经过调制相当于是将输入信号的部分极性进行反转。在扩频通信系统中，随机脉冲信号的频率往往比信号的最高频率高的，其带宽比原信号要宽的多，由信号处理基本原理可知时域内信号的乘积相当于频域内信号的卷积，由卷积的原理可以知道，两者相乘后的带宽为两者带宽相加，因而带宽被展宽了，同时输入信号的信息也被涂抹的调制后的信号的各个频率段。

[0023] 接下来是对调制后的信号进行低通滤波，主要要完成的任务就是将上一步中得到的信号扩展频谱通过一个低通滤波器5，相当于采用一个浮动的窗口，来实现对连续时间信号先分段采样再累加求和的目的。信号经过滤波器如下式：

[0024]

[0025] 其中：

[0026] h(t)为一个理想矩形浮动窗口响应，很难用实际电路实现，我们可以引入一个近似理想的积分器，即低通滤波器5实现。

[0027] 最后一步中所要完成的任务是将前一步得到的信号y(t)经过采样、量化、编码三步变换为有限的离散信号只y[m]。采用的转置是传统的A/D转换器7。此时采样频率比该音频信号的Nyquist频率要小3～5倍，然后将得到y[m]用压缩传感理论相关的重建算法进行重建。

[0028] 如图1、2所示，所述的单片机1采用芯片AT89C52，所述的有源放大器2采用芯片U2，所述的累加器3采用芯片U6，芯片AT89C52的第28引脚与电阻R2的一端相连，电阻R2的另一端与芯片U2的第2引脚相连，芯片U2的第3引脚接地，芯片U2的第6引脚与电阻R13的一端相连，电阻R13的另一端与芯片U6的第2引脚相连，偏移电平信号通过电阻R14输入芯片U6的第2引脚，芯片U6的第3引脚接地，芯片U6的第6引脚与混频器4的输入端相连。

[0029] 如图1、2所示，所述的低通滤波器5采用芯片U4，所述的反向放大器6采用芯片U5，所述的A/D转换器7采用芯片U3，芯片U4的第2引脚通过电阻R3与混频器4的输出端相连，芯片U4的第3引脚接地，芯片U4的第6引脚通过电阻R11与芯片U5的第2引脚相连，芯片U5的第3引脚接地，芯片U5的第6引脚通过电阻R5与芯片U3的第23引脚相连，芯片U3的第2、3引脚与计算机的串口相连。

[0030] 如图1、2所示，所述的累加器3的输出端、待调制的音频信号、混频器4的输出端以及反向放大器6的输出端分别接示波器8的输入接口A、B、C、D。所述的芯片U2、U4、U5、U6均为芯片AD824P，所述的芯片U3为芯片ATMEGA8。所述的芯片U3的第14、15、16、17、18、19、9、10分别接数码管9的A、B、C、D、E、F、G、CP脚，芯片U3的第6引脚通过电阻R10接数码管9的4脚，芯片U3的第11引脚通过电阻R9接数码管9的3脚，芯片U3的第12引脚通过电阻R8接数码管9的2脚，芯片U3的第13引脚通过电阻R7接数码管9的1脚。示波器8用于对各个端口的波形进行显示，数码管9用于显示采样后的输出。

[0031] 在工作时，单片机1生0和5V的随机高低电平的脉冲信号，然后通过有源放大器2将其电压变为0和2V，再通过累加器3与+1V的直流偏移电平相减，就得到了幅值是±1V的随机脉冲信号，再利用这个脉冲信号作为随机信号与输入的音频信号相乘来实现对输入信号的调制，整个调制过程是由差分电路构成的混频器4实现的；接下来再将混频器4输出的信号通过一个截止频率远低于音频信号最高频率的低通滤波器5进行滤波，低通滤波器5用一阶惯性电路近似实现，低通滤波器5的截止频率要比音频信号最高频率低3～5倍，为了补偿滤波后的能量衰减，将滤波后的信号再经过一个反向放大器6进行放大，反向放大器6输出端信号就是经过调制、滤波后的信号。

[0032] 将反向放大器6输出的信号用芯片ATMEGA8实现A/D转换，因为调制后的信号再经过低通滤波，其最高频率远小于音频信号的最高频率，所以此时的A/D转换频率比Nyquist采样频率低3～5倍，在将采样后的数据通过计算机的串口由数据采集卡输入到计算机，此时计算机接收到信号为包含音频信号稀疏值的数字信号，计算机再根据采集到的数字信号利用CS理论相关重建算法实现对输入信号的重建。本发明可以用比香农采样少的多的数据实现对输入信号的重建，大大减少了信道的传输压力，降低了A/D转换开关的硬件成本。

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