專利名稱：一種采樣率差異估計與校正方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及多通道信號處理技術(shù)領(lǐng)域。更具體地說，本發(fā)明涉及一種用于多通道 信號處理中的采樣率差異估計與校正方法。
背景技術(shù)：
當(dāng)音頻流從一個設(shè)備傳輸?shù)搅硪粋€設(shè)備，在播放或者錄制的過程中，總會存在一 個問題在兩個設(shè)備的數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊中，缺乏一個共同的時鐘信號。這可能會導(dǎo)致信號的采 樣率出現(xiàn)不一致的情況。導(dǎo)致采樣率出現(xiàn)不一致現(xiàn)象的原因包括首先、產(chǎn)生時鐘信號的晶 振存在一定頻率范圍內(nèi)的容忍度，在一些商用的數(shù)字信號處理設(shè)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 后，在一些便攜設(shè)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。由于諸 如以上的這些原因，一個標(biāo)稱為8000Hz采樣的信號，其實際采樣率可能為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(xiàn)有技術(shù)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，從而克服采樣率差異的影響，進而保證音頻信號流的同步。另外，在一些更為復(fù)雜的應(yīng)用中，比如涉及到多路信號處理的應(yīng)用中，如盲源信號 分離，自適應(yīng)噪聲消除等應(yīng)用，僅僅保證信號的同步并不能滿足算法的需要。當(dāng)音頻信號來 自多個不同的采樣設(shè)備時，在經(jīng)過算法處理之前，必須保證多路信號的采樣率是一致的，而 現(xiàn)有的信號分離或者自適應(yīng)噪聲消除系統(tǒng)，并沒有考慮采樣率差異的影響。因此，迫切需要 一種能夠進行采樣率差異估計和校正的方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種能夠進行采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(yán)格同步。為實現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明提供了一種采樣率差異估計方法，包括下列步驟2、采樣率差異估計方法，包括下列步驟1)分別用兩個不同的設(shè)備錄制同一音源獲得兩個相關(guān)信號x(n)和y(n)；其中η 是整數(shù)，表示相關(guān)信號χ (η)和y(n)的采樣點編號；2)設(shè)定采樣率差異范圍；3)以一定步長，在所述采樣率差異范圍內(nèi)進行遍歷； 4)假定當(dāng)前采樣率為χ (η)的實際采樣率，求出χ (η)與y (η)的互相關(guān)函數(shù)R12 (η)， 并記錄對應(yīng)于該當(dāng)前采樣率的互相關(guān)函數(shù)R12 (η)； 5)遍歷結(jié)束后得出對應(yīng)于最大互相關(guān)函數(shù)R12(Ii)的X(Ii)的采樣率，進而得出χ (η)與y(n)的采樣率差異。其中，所述步驟4)中，計算出X(n)與y(n)的互相關(guān)函數(shù)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(guān)信號x(n)和y(η)的信噪比。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明能夠準(zhǔn)確地進行采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(yán)格同步。


圖1是采樣率差異估計和校正應(yīng)用于BSS (盲源信號分離)/ANC (自適應(yīng)噪聲消 除)系統(tǒng)的示意圖；圖2是無采樣率差異時，噪聲信號在自適應(yīng)噪聲消除前后的對比示意圖；圖3是采樣率差異為IHz時，噪聲信號在自適應(yīng)噪聲消除前后的對比示意圖；圖4是采樣率差異為2ΗΖ時，噪聲信號在自適應(yīng)噪聲消除前后的對比示意圖；圖5是采樣率差異為5ΗΖ時，噪聲信號在自適應(yīng)噪聲消除前后的對比示意圖；圖6是本發(fā)明一個實施例中的采樣率差異估計與校正方法的流程圖；圖7是用以進行采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干 擾，信噪比為-IOdB;圖8是采樣率差異估計結(jié)果圖，結(jié)果等于虛線坐標(biāo)與實線坐標(biāo)之差。
具體實施例方式本發(fā)明提供了一種采樣率差異估計與校正方法，圖1是采樣率差異估計和校正應(yīng) 用于BSS(盲源信號分離)/ANC(自適應(yīng)噪聲消除)系統(tǒng)的示意圖，圖中兩路信號的標(biāo)稱采 樣率相同，均為fs，但實際上，兩者的真實采樣率卻不是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(dāng)采樣率存在 各種差異和不存在差異時，自適應(yīng)噪聲消除算法的性能表現(xiàn)，可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)存在采樣率差異 時，自適應(yīng)噪聲消除存在非常大的噪聲殘差，并且，采樣率差異越大，殘余的噪聲越多。本發(fā)明進行采樣率差異估計的原理如下同樣長度的兩相關(guān)信號，當(dāng)它們之間的 采樣率差異越大時，它們的相關(guān)性就越小，表現(xiàn)為R12(H)的值就越?。环粗?，它們的相關(guān)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(dāng)兩路相關(guān)信號 的采樣率一致時，其互相關(guān)函數(shù)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(biāo)稱的采樣率向某個范圍的采樣率重新采樣，每次重采樣之后，與另一路信號求互相關(guān)函數(shù)，記錄每次互相關(guān)函數(shù)的最大值。在這些最大值構(gòu)成的序列中，最大值對應(yīng)的目標(biāo) 采樣率作為信號的真實采樣率。下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)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(shè)備錄制同一音源獲得的用于多通道 信號處理的兩個相關(guān)信號，二者標(biāo)稱的的采樣率均為fs，而實際的采樣率可能并不一致，而 且，x(n)和y(n)中還可能混入了干擾噪聲，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(shè)備被錄制的信號，Ii1 (η)，η2 (η)是到達錄 音設(shè)備的干擾信號。由于噪聲的影響，直接計算χ (η)和y(n)時域的互相關(guān)函數(shù)，其最大值往往不能準(zhǔn) 確反映S1(Ii), S2(Ii)的相關(guān)性，尤其在噪聲II1 (η)，II2 (η)也具有較強的相關(guān)性時，時域相關(guān) 函數(shù)的最大值可能反應(yīng)的是噪聲之間的相關(guān)性。本實施例中提出了一種改進的相位變換算法(IPHAT)，用于計算兩段相關(guān)信號的 互相關(guān)函數(shù)的最大值及其對應(yīng)坐標(biāo)。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,這里σ代表信噪比。也就是互相關(guān)信號χ (η)和y (η)的信噪比。λ是計算兩相關(guān)信號互相關(guān)函數(shù)公式的一個參數(shù)，它與信號的信噪比有關(guān)。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(jù)經(jīng)驗得出的。在一個優(yōu)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(guān)函數(shù)R12(Ii)以后，由下面的方法計 算χ(η)與y(n)之間的整數(shù)點采樣率差異。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采樣率差異范圍定義為士20Hz以內(nèi)
將χ從采樣率fs重采樣到f 計算X1和1的互相關(guān)函數(shù) /求Rxy的最大值
5
采樣率差異為Afs = index-21 ；其中，Index對應(yīng)序列d中，最大值對應(yīng)的時間序數(shù)，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(biāo)稱采樣率的士20Hz范圍內(nèi)，即從fs-20Hz到fs+20Hz 的范圍內(nèi)，以IHz為步長，對每一個頻率，將信號χ從采樣率fs重采樣到該頻率，然后計算 信號y與重采樣之后的信號之間的互相關(guān)函數(shù)的最大值d(i)，i對應(yīng)于坐標(biāo)值，i = 1,2, 3···，對于這41個頻率，會產(chǎn)生41個最大值d(i)構(gòu)成的序列，找出d(i)中的最大值對應(yīng)的 坐標(biāo)，該坐標(biāo)減去21，即得到兩信號的整數(shù)點的采樣率差異值。在求出整數(shù)點的采樣率差異以后，如果需要更精確地確定兩段信號之間的采樣率 差異，本實施例中還進一步地提出了一種基于sine函數(shù)內(nèi)插的方法，對IPHAT算法求出的 一系列R12(n)的最大值進行連續(xù)時間域的重構(gòu)，得出由最大值序列重構(gòu)的連續(xù)時間信號， 通過找出重構(gòu)連續(xù)信號的最大值，從而確定更精確的最大值坐標(biāo)，來找到分?jǐn)?shù)階的采樣率 差異。計算公式如下設(shè)上述利用IPHAT算法求出的各個采樣率下，兩信號相關(guān)函數(shù)的最大值組成的序 列為d(n)，則重構(gòu)連續(xù)時間信號的公式為 通過(4)式，求出重構(gòu)的連續(xù)時間信號d(t)的最大值的坐標(biāo)之后，該坐標(biāo)與無采 樣率差異時最大值應(yīng)在的坐標(biāo)作差，即可確定采樣率差異。使用兩段采樣率差異為IHz的 測試信號，采用本實施例的方法進行采樣率差異估計的結(jié)果如圖8所示。在計算出兩路信號之間的采樣率差異以后，以fs為基準(zhǔn)，對其中一路信號進行重 采樣校正，重采樣步驟可以利用polyphase濾波器組實現(xiàn)，(該技術(shù)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 的采樣率可能都不是fs，這里假設(shè)兩個采樣率分別為f\，f2，兩者之間的采樣率差異為Af =f2~f,以fs為基準(zhǔn)，根據(jù)估計出的采樣率差異(這里默認估計準(zhǔn)確)，把信號x(n)進行 采樣率轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的采樣率為f;=fx*{fs+M)!fs此時，重采樣之后的χ (η)與y(n)之間的采樣率差異為Δ/ = /2 - X = /2 - / * (fs + Af) / fs=(f2-fM-fr)/fs<<f2-fi式中“ <<”表示遠遠小于。以下是本實施例的采樣率差異估計與校正方法的應(yīng)用說明1、該方法默認不同設(shè)備的采樣率差異在20Hz以內(nèi)，或者說該方法僅對采樣率差 異在20Hz以內(nèi)的情況適用；2、采樣率差異估計必須是針對相關(guān)信號的應(yīng)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(yīng)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為殘余噪聲，η為初始噪聲這里給出針對語音信號，采樣率從OHz變?yōu)镮OHz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代表未進行采樣率差異調(diào)整時的值，ENR2代表進行采樣率差異調(diào)整以 后的值。4、在實際環(huán)境中，帶有cross-talk的情況下，考查ANC算法的性能，兩路采用兩種 設(shè)備錄制，一個為電腦聲卡，一個為愛國者錄音筆，結(jié)果如下校正之前ENR= -12. 516dB校正之后，ENR=-16. 338dB。
權(quán)利要求
一種采樣率差異估計方法，包括下列步驟1)分別用兩個不同的設(shè)備錄制同一音源獲得兩個相關(guān)信號x(n)和y(n)；其中n是整數(shù)；2)設(shè)定采樣率差異范圍；3)以一定步長，在所述采樣率差異范圍內(nèi)進行遍歷；4)假定當(dāng)前采樣率為x(n)的實際采樣率，求出x(n)與y(n)的互相關(guān)函數(shù)R12(n)，并記錄對應(yīng)于該當(dāng)前采樣率的互相關(guān)函數(shù)R12(n)；5)遍歷結(jié)束后得出對應(yīng)于最大互相關(guān)函數(shù)R12(n)的x(n)的采樣率，進而得出x(n)與y(n)的采樣率差異。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的采樣率差異估計方法，其特征在于，所述步驟4)中，計算出 χ (η)與y(n)的互相關(guān)函數(shù)R12 (η)的方法如下 其中，σ代表相關(guān)信號χ(η)和y(n)的信噪比,
全文摘要
本發(fā)明提供了一種采樣率差異估計方法，包括下列步驟1)分別用兩個不同的設(shè)備錄制同一音源獲得兩個相關(guān)信號x(n)和y(n)；其中n是整數(shù)；2)設(shè)定采樣率差異范圍；3)以一定步長，在所述采樣率差異范圍內(nèi)進行遍歷；4)假定當(dāng)前采樣率為x(n)的實際采樣率，求出x(n)與y(n)的互相關(guān)函數(shù)R12(n)，并記錄對應(yīng)于該當(dāng)前采樣率的互相關(guān)函數(shù)R12(n)；5)遍歷結(jié)束后得出對應(yīng)于最大互相關(guān)函數(shù)R12(n)的x(n)的采樣率，進而得出x(n)與y(n)的采樣率差異。本發(fā)明能夠準(zhǔn)確地進行采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(yán)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(yōu)先權(quán)日2010年7月9日
發(fā)明者付強, 覃波, 顏永紅 申請人:中國科學(xué)院聲學(xué)研究所