專利名稱：多頻音檢測(cè)器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及用于電話系統(tǒng)的檢音器，具體涉及一種改進(jìn)的具有濾波器的檢音器，和一種改進(jìn)的使用該濾波器的滾降特性和背景噪聲的檢測(cè)算法，其中該濾波器的特征在于其頻譜零點(diǎn)的位置可以防止音調(diào)附近的頻率被檢測(cè)到。
多頻(MF)音被廣泛地應(yīng)用于電信技術(shù)中。MF音的例子是DTMF和R2。典型的現(xiàn)有技術(shù)檢音器包括前置濾波器，用于抑制帶外頻率；分析濾波器，用于確定輸入信號(hào)在每個(gè)所關(guān)注的多頻音的能量；和判定邏輯塊，用于解釋從分析濾波器輸出的多頻能量值并對(duì)此響應(yīng)而進(jìn)行通過(guò)/失敗測(cè)試，以確定在每個(gè)所關(guān)注的多頻音的音調(diào)是否存在。
現(xiàn)有技術(shù)分析濾波器是利用標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字濾波技術(shù)實(shí)現(xiàn)的。必須仔細(xì)選擇用于這種現(xiàn)有技術(shù)數(shù)字濾波器的分析窗口。為簡(jiǎn)單起見經(jīng)常使用矩形窗口。但是，矩形窗口的旁瓣中的能量泄漏可能會(huì)導(dǎo)致其它MF頻率的誤檢測(cè)。而且，通常強(qiáng)制采用快滾降特性(即，高階)，以便舍棄任何過(guò)分偏離其額定值的音調(diào)。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供一種多頻音檢測(cè)器，其分析窗口(即濾波器尺寸)的選擇使得頻譜零點(diǎn)位于所關(guān)注的鄰近頻率。根據(jù)另一個(gè)方面，判定邏輯塊使用濾波器的滾降特性以及背景噪聲來(lái)確定任何過(guò)分偏離其額定值的音調(diào)的閾值通過(guò)/失敗。本發(fā)明的上述方面導(dǎo)致了與現(xiàn)有技術(shù)檢音器相比更簡(jiǎn)單的濾波器設(shè)計(jì)(即，階數(shù)降低)，同時(shí)保持了高的檢音精度。
下面將參照附圖對(duì)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例進(jìn)行更完整的說(shuō)明，在附圖中


圖1是已知的多頻音檢測(cè)器的方框圖；圖2顯示具有矩形窗口的檢音器濾波器的頻率響應(yīng)；圖3顯示根據(jù)本發(fā)明的具有以900Hz為中心的矩形窗口的濾波器的頻率響應(yīng)，顯示了在鄰近900Hz的均勻間隔頻率處的頻譜零點(diǎn)；圖4顯示具有矩形窗口的濾波器的濾波器滾降；圖5顯示根據(jù)本發(fā)明另選實(shí)施例的具有以852Hz為中心的大小為N＝195的矩形窗口的濾波器的頻率響應(yīng)，顯示了鄰近DTMF信號(hào)頻率的中等抑制；圖6顯示根據(jù)本發(fā)明另選實(shí)施例的具有以852Hz為中心的大小為N＝276的矩形窗口的濾波器的頻率響應(yīng)，顯示了鄰近DTMF信號(hào)頻率的改進(jìn)的抑制。
圖1顯示典型的檢音器。前置濾波器1對(duì)輸入信號(hào)濾波以抑制帶外頻率。包絡(luò)檢測(cè)器4確定是否有信號(hào)存在，并使該信號(hào)的信號(hào)邊沿與分析濾波器組3的操作同步。分析濾波器組包括多個(gè)濾波器，每個(gè)濾波器用于一個(gè)所關(guān)注的MF頻率。這些濾波器計(jì)算每個(gè)頻率的能量。能量計(jì)算器5計(jì)算前置濾波后的信號(hào)總能量。總能量與分析濾波器組3的結(jié)果結(jié)合在一起被饋送到判定邏輯塊7，判定邏輯塊7確定是否存在有效的音調(diào)。判定邏輯塊7可以執(zhí)行各種測(cè)試，例如最小音調(diào)級(jí)，扭絞(twist)(如果是雙音調(diào))，最大頻率偏移等等。如下面將要更詳細(xì)討論的，根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，在判定邏輯塊7中實(shí)現(xiàn)了一種新方法，通過(guò)與背景能量相結(jié)合使用濾波器組3中的滾降來(lái)確定對(duì)額定值的頻率偏移。
分析濾波器3被實(shí)現(xiàn)為使用一種修正的Goertzel算法的DFT濾波器，一個(gè)分析濾波器3用于一個(gè)MF(例如R2)頻率。Goertzel濾波器以R2頻率為中心。
根據(jù)優(yōu)選實(shí)施例，選擇一個(gè)矩形窗口用于DFT(Goertzel)濾波器。相對(duì)于其它濾波器類型，選擇矩形窗口可以降低復(fù)雜性。例如，利用升余弦或凱賽窗口對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行前置處理具有顯著的MIPS影響。但是，如上所述，旁瓣中的能量泄漏可能在矩形窗口中非常大(尤其是，如果所要檢測(cè)的兩個(gè)有效頻率具有相對(duì)扭絞)。因此，根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，以一定方式選擇濾波器尺寸，使得其它MF頻率落入它的頻譜零點(diǎn)，從而極大降低泄漏效果。
R2是MF通信的一種特殊情況。6個(gè)R2信號(hào)頻率位于后向方向的540Hz，660Hz，780Hz，900Hz，1020Hz和前向方向的1380Hz，1500Hz，1620Hz，1740Hz，1860Hz，1980Hz。因此，在每個(gè)方向上各個(gè)頻率間隔120Hz。如圖2所示，大小為N的窗口具有位于頻率間隔Fs/N的多個(gè)零點(diǎn)。因此，R2信號(hào)的頻譜零點(diǎn)需要120Hz的間隔。
為了將零點(diǎn)定位在120Hz間隔處，并且假設(shè)采樣頻率Fs＝8kHz，那么為濾波器選擇200個(gè)采樣的窗口大小(零點(diǎn)位于120Hz的最小窗口大小是N＝Fs/120Hz，即66.67，因此使得最小整數(shù)窗口是N＝200)。
例如如果所關(guān)注的頻率是900Hz，則濾波器使用200個(gè)采樣的窗口以900Hz為中心。因此，頻譜零點(diǎn)位于每一個(gè)其它MF頻率處，即540Hz，660Hz，780Hz，1020Hz和1140Hz。圖3顯示900Hz頻率的R2例子。應(yīng)注意，其它R2頻率正好落在頻譜零點(diǎn)上。
對(duì)于非均勻間隔的頻率(例如DTMF)，該方法的使用不象均勻間隔頻率的情況那樣直接。但是，可以調(diào)整每個(gè)頻率檢測(cè)器(即濾波器)的窗口的大小，使得最接近的頻率落入零點(diǎn)。另一方面，可以選擇窗口的大小，使得其它頻率的干擾最小。
例如，如果所關(guān)注的頻率是在852Hz的DTMF頻率，最鄰近的頻率是770Hz(即，間隔82Hz)。如圖5所示，選擇N＝195的窗口大小使零點(diǎn)間隔為41Hz。其它DTMF頻率(697Hz，941Hz)并不落在頻譜零點(diǎn)上，但是僅分別被抑制了24.8dB和23dB。但是，如圖6所示，如果選擇窗口大小為N＝276，那么沒(méi)有一個(gè)DTMF頻率落在頻譜零點(diǎn)上。但是，這些頻率分別被抑制了25.3dB，24,8dB和32.6dB，從而改善了總抑制效果。
可以以多種方式實(shí)現(xiàn)包括分析濾波器組3的濾波器。如上所述，根據(jù)優(yōu)選實(shí)施例實(shí)現(xiàn)了Goertzel DFT濾波器。Goertzel濾波器的實(shí)現(xiàn)方式在本領(lǐng)域中是已知的(例如，Burrus，C.S.和T.W.Parks.1985.“DFT/FFT和卷積算法”，紐約學(xué)徒學(xué)院)。本發(fā)明的多頻音檢測(cè)器中使用的Goertzel濾波器例子以900Hz為中心，其算法如下Fs＝8000；％采樣頻率Fc＝900；％中心頻率coeff＝(2*cos(2*pi*(Fc/Fs)))；％Goertzel系數(shù)N＝200；％為了產(chǎn)生間隔40Hz的零點(diǎn)BEGIN％反饋階段for k＝1Ntemp＝input(k)+coeff*y(1)-y(2)；y(2)＝y(tǒng)(1)；y(1)＝temp；end％前饋階段(計(jì)算窗口中的能量)Y11＝y(tǒng)(1)；Y12＝y(tǒng)(2)；energy＝(Y11*Y11+Y12*Y12-Y11*Y12*coeff)/N/N；return energyEND返回值“energy”是在特定頻率的音調(diào)能量，其被饋送到判定邏輯塊7。
邏輯塊7中實(shí)現(xiàn)的頻率偏移算法使用濾波器3的滾降與背景能量的估算相結(jié)合。圖4顯示矩形窗口(大小為200個(gè)采樣，采樣率是Fs＝8kHz)的滾降特性。因此，對(duì)于對(duì)額定值的15Hz的單音頻率偏移，滾降是大約-2dB。換句話說(shuō)，如果音調(diào)相對(duì)于它的額定頻率的偏移是15Hz，那么它在頻率單元條(bin)中的能量將比它的實(shí)際能量下降2dB。該能量并沒(méi)有“丟失”，而是泄漏到頻率單元條外部，成為背景能量。因此，通過(guò)計(jì)算背景能量可以確定音調(diào)的頻率偏移。
總能量是前置濾波器1的輸出的能量。其由單個(gè)頻率能量(E)和背景噪聲(n)構(gòu)成。
總能量＝E+n頻率能量由分析濾波器中的能量(E_bin)和滾降造成的泄漏能量(E_ro)構(gòu)成。因此，對(duì)于一個(gè)單音E＝E_bin+E_ro如果頻率偏移是零，那么E＝E_bin并且E_ro是零因此總能量是總能量＝E_bin+E_ro+n＝E_bin+E_back其中E_back是相對(duì)于分析濾波器3的輸出的背景能量。因此，通過(guò)從總能量中減去分析濾波器中的能量計(jì)算出背景能量。分析濾波器能量相對(duì)于背景能量的信噪比(SNR)可以如下表示SNR_ro＝E_bin/E_back＝E_bin/(E_ro+n)因此，SNR_ro與E_ro(由滾降造成的泄漏能量)之間有直接關(guān)系，并因此使得SNR_ro與頻率偏移之間有直接關(guān)系。
對(duì)于矩形窗口滾降＝(sin(x)/x)2其中x＝π*f*size/Fs對(duì)于高達(dá)f＝13Hz的容許頻率偏移，size＝200，F(xiàn)s＝8kHz，x＝1.021，滾降是0.6974。假設(shè)噪聲(n)相對(duì)于泄漏的音調(diào)能量E_ro可忽略，那么E_back＝E_ro＝(1-滾降)*E并且E_bin＝滾降*ESNR_ro＝滾降/(1-滾降)＝0.6974/(1-0.6974)＝2.3SNR_ro提供容許頻率偏移的上閾限。如果E_bin與E_back之間的比率小于SNR_ro，那么可以接受超過(guò)13Hz的頻率偏移。如果閾值被設(shè)定為高于SNR_ro，那么達(dá)到13Hz的頻率偏移是不能容許的。
雙音調(diào)的情況與上述單音調(diào)的情況非常相似。但是，在雙音調(diào)的情況下，總能量由兩者的能量構(gòu)成。
總能量＝E1_bin+E1_ro+E2_bin+E2+ro+n＝E1_bin+E2_bin+E_back并且E_back＝E1_ro+E2_ro+nSNR1_ro＝E1_bnin/(E1_ro+E2_ro+n)假設(shè)兩個(gè)音調(diào)之間沒(méi)有扭絞(E1＝E2)并且噪聲是可忽略的，那么對(duì)于兩個(gè)音調(diào)的13Hz的頻率偏移，SNR1_ro＝E1_bin/E_back＝滾降/((1-滾降)+(1-滾降))
＝1.15如果兩個(gè)音調(diào)之間有相對(duì)扭絞，情況會(huì)有所復(fù)雜。假設(shè)，f＝13Hz時(shí)，E2＝扭絞*E1，并且 扭絞＝6.3096＝(8dB)那么SNR1_ro＝E1_bin/E_back＝滾降/((1-滾降)+扭絞*(1-滾降))＝滾降/((1+扭絞)*(1-滾降))＝0.315＝-5dB在此情況下，SNR_or提供上閾限，可以注意到，該閾值相對(duì)于沒(méi)有扭絞情況下的閾值寬松很多，以便在存在雙音調(diào)和扭絞的情況下容許至少13Hz的頻率偏移。
用于實(shí)現(xiàn)使用滾降的典型雙音檢測(cè)器的偽代碼如下所示BEGINCalculate Total EnergyCalculate bin energies at each nominal frequencySelect two highest frequency bins，ie.E1_bin and E2_binCalculate E_back＝Total_Energy-E1_bin-E2_binIf E1_bin＜SNR1_ro*E_backStatus＝failedElseif E2_bin＜SNR2_ro*E_backStatus＝failedEndEND盡管已經(jīng)描述了本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)理解可以進(jìn)行各種變型和修改。例如，上述實(shí)施例是通過(guò)Goertzel DFT濾波器實(shí)現(xiàn)的，而濾波器3也可以實(shí)現(xiàn)為FIR濾波器或IIR濾波器。這些和所有其它替換和變型都應(yīng)由所附權(quán)利要求中定義的本發(fā)明的范圍所涵蓋。
權(quán)利要求
1.一種多頻音檢測(cè)器，包括分析濾波器，用于檢測(cè)輸入信號(hào)在所關(guān)注的多個(gè)音頻的音調(diào)能量；判定邏輯塊，用于根據(jù)所述檢測(cè)的音調(diào)能量檢測(cè)所關(guān)注的所述音頻是否存在，其特征在于，提供一總能量計(jì)算器，用于計(jì)算輸入信號(hào)的總能量，并且所述判定邏輯塊通過(guò)從總能量中減去所述輸入信號(hào)在所述的多個(gè)所關(guān)注音頻的音調(diào)能量計(jì)算出背景能量，以便檢測(cè)所述音頻是否存在，并且對(duì)于每個(gè)所述音調(diào)能量，(i)計(jì)算所述分析濾波器的滾降信噪比，(ii)對(duì)于所述音調(diào)能量小于所述滾降信噪比與所述背景能量之積的所關(guān)注的所述多個(gè)音頻，舍棄其中任何一個(gè)音頻，(iii)否則使所述音頻通過(guò)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的多頻音檢測(cè)器，其特征在于，所述分析濾波器具有的窗口大小被選擇為使得所關(guān)注的所述音頻中的各鄰近頻率位于所述濾波器的頻譜零點(diǎn)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的多頻音檢測(cè)器，其特征在于，所述窗口是矩形窗口。
4.根據(jù)權(quán)利要求1，2或3的多頻音檢測(cè)器，其特征在于，所述分析濾波器是數(shù)字濾波器。
5.一種多頻音檢測(cè)器，包括分析濾波器，用于檢測(cè)輸入信號(hào)在所關(guān)注的多個(gè)音頻的音調(diào)能量；判定邏輯塊，用于根據(jù)所述檢測(cè)的音調(diào)能量檢測(cè)所關(guān)注的所述音頻是否存在，其特征在于，所述分析濾波器具有的窗口大小被選擇為使得所關(guān)注的所述音頻中的各鄰近頻率位于所述濾波器的頻譜零點(diǎn)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5的多頻音檢測(cè)器，其特征在于，所述窗口是矩形窗口。
7.根據(jù)權(quán)利要求5或6的多頻音檢測(cè)器，其特征在于，所述分析濾波器是數(shù)字濾波器。
8.根據(jù)權(quán)利要求5的多頻音檢測(cè)器，其特征在于，提供一總能量計(jì)算器，用于計(jì)算輸入信號(hào)的總能量，并且所述判定邏輯塊通過(guò)從總能量中減去所述輸入信號(hào)在所述的多個(gè)所關(guān)注音頻的音調(diào)能量計(jì)算出背景能量，以便檢測(cè)所述音頻是否存在，并且對(duì)于每個(gè)所述音調(diào)能量，(i)計(jì)算所述分析濾波器的滾降信噪比，(ii)對(duì)于所述音調(diào)能量小于所述滾降信噪比與所述背景能量之積的所關(guān)注的所述多個(gè)音頻，舍棄其中任何一個(gè)音頻，(iii)否則使所述音頻通過(guò)。
全文摘要
一種多頻音檢測(cè)器,其分析窗口(即濾波器尺寸)的選擇使得頻譜零點(diǎn)位于所關(guān)注的鄰近頻率。檢音器的判定邏輯塊使用濾波器的滾降特性以及背景噪聲來(lái)確定任何過(guò)分偏離其額定值的音調(diào)的閾值通過(guò)/失敗。本發(fā)明的上述方面導(dǎo)致了與現(xiàn)有技術(shù)檢音器相比更簡(jiǎn)單的濾波器設(shè)計(jì)(即,階數(shù)降低)。
文檔編號(hào)H04Q1/30GK1322081SQ0110918
公開日2001年11月14日 申請(qǐng)日期2001年3月19日 優(yōu)先權(quán)日2000年3月17日
發(fā)明者迪特爾·舒爾茨 申請(qǐng)人:米特爾公司