多通道时序信号的时频特征提取电路及自适应抑噪电路制造技术

本发明专利技术公开了一种多通道时序信号的时频特征提取电路及自适应抑噪电路，属于时序信号处理技术领域。本发明专利技术的多通道时序信号时频特征提取电路是一种基于可扩展架构的可重构电路，在较低额外硬件开销的基础上支持动态采样率、单/双通道处理和128点与256点FFT两种快速傅里叶变换模式，并融合了近似运算等低功耗电路设计技术，从而支持外部控制器在不同工作阶段使用不同工作模式，以节省功耗；基于本发明专利技术的征提取电路的多通道时序信号时频特征提取电路，实现了自适应频域波束成形和时频域特征提取的电路级融合，其利用信号短时平稳性在时频域中进行短时频域波束成形，相比频域波束成形运算量更少且可以复用特征提取电路，降低了硬件资源开销和功耗。硬件资源开销和功耗。硬件资源开销和功耗。

【技术实现步骤摘要】
多通道时序信号的时频特征提取电路及自适应抑噪电路


[0001]本专利技术属于时序信号处理
，具体涉及一种多通道时序信号的时频特征提取电路及自适应抑噪电路。

技术介绍

[0002]在时序信号处理中（如语音信号、雷达信号、地震波信号、通信信号等等无线传播信号），常常需要利用短时傅里叶变换(STFT)来分析数据的时频特性，尤其针对其中的突变信号，然而，在一些有边缘计算要求的领域中受限于算力和能源不足，对STFT这类的信号预处理计算有着较严格的低功耗要求。此外，在现实场景下时序信号处理几乎不可避免需要面对噪声干扰问题，因此预处理需要考虑对目标信号的增强和噪声信号的衰减，但是由于自然环境中的噪声类型复杂，甚至可能是与目标信号的同源干扰（如多径效应、空间混响、信号混叠等等），因此常常使用基于多通道的波束成形技术进行噪声抑制或信号增强，这类方法有着对噪声类型不敏感的优势，利用信号源和多个接收机的相对方向关系实现定向抑制或增强。这类方法主要分为时间域波束成形和频域波束成形：时间域波束成形的原理在于延迟累加，但在数字信号系统中信号都是以采集后的离散数据类型存在，因此时间域波束成形要求前端传感器的采样率较高、传感器相对距离较远，高采样率会带来系统的高运算复杂度，远距离摆放传感器则限制了技术的使用场景（如无法在小型智能设备中使用）；而频域波束成形的原理在于相位旋转累加，对采样率和传感器距离要求低，但是需要计算快速傅里叶变换（FFT），涉及大量的运算。
[0003]因此，针对上述STFT和波束成形的特点和应用场景要求，可以通过专用集成电路(ASIC)电路设计技术，同时满足时序信号在预处理阶段的时频特征提取和抑噪/信号增强的以下几点要求和挑战：1）低功耗处理，无论是STFT还是波束成形都会带来大量运算复杂度，从而导致相应设计的硬件电路需要大量资源开销和功耗开销；2）灵活可配置，在信号处理的不同阶段，可能涉及到不同的预处理工作模式，比如在高信噪比情况下不需要进行波束成形，对采样率要求低且不需要处理多通道信号，如何灵活可配置以适应不同的工作模式；3）架构可扩展性，针对不同类型的时序信号的不同应用场景，在预处理阶段会涉及不同的算法，如语音的时频域特征提取中除STFT外还会涉及到预加重和梅尔滤波等算法，设计的电路架构应该有良好的可扩展性。然而，现阶段的低功耗预处理电路设计方案大多是基于近似计算、模拟域计算或低精度运算等电路，但这些方法会损失一部分特征精度，同时并没有利用好相关应用场景的特点，如信噪比的高低、信号有无检测与种类识别的不同阶段等等，若能提出一种利用这些特点的处理方案便可以进一步降低预处理功耗且更加灵活、适应更多的应用场景。

技术实现思路

[0004]本专利技术提供了一种多通道时序信号的时频特征提取电路及自适应抑噪电路，以降低特征提取和自适应抑噪处理的硬件资源开销和功耗。
[0005]一方面，本专利技术提供了一种多通道时序信号时频特征提取电路，其包括：参数配置模块、通道选择模块、降采样模块、短时傅里叶变换特征提取器、后处理选通控制模块和短时傅里叶变换特征后处理器；
[0006]其中，参数配置模块用于配置通道选择模块的单/双通道选择参数，配置降采样模块的降采样参数，配置短时傅里叶变换特征提取器的工作参数，以及配置后处理选通控制模块的选通控制参数；
[0007]通道选择模块根据参数配置模块配置的单/双通道选择参数开启单通道模式或者双通道模式，通道选择模块的输出端与降采样模块的输入端相连；
[0008]降采样模块根据参数配置模块配置的降采样参数对通道选择模块输出的信号进行降采样操作，降采样模块的输出端与短时傅里叶变换特征提取器的输入端相连；
[0009]短时傅里叶变换特征提取器用于根据参数配置模块配置的工作参数对降采样模块输出的信号进行短时傅里叶变换特征提取，得到第一时序信号特征并送入向后处理选通控制模块；所述第一时序信号特征包括多种不同点数的快速傅里叶变换模式；
[0010]后处理选通控制模块根据参数配置模块配置的选通控制参数确定：直接输出第一时序信号特征（短时傅里叶变换特征），或者将第一时序信号特征送入短时傅里叶变换特征后处理器，以获取第二时序信号特征；
[0011]短时傅里叶变换特征后处理器用于提取第二时序信号特征并输出，如语音特征。
[0012]进一步的，参数配置模块配置的工作参数包括：预加重选通控制参数、加窗选通参数和短时傅里叶变换模式选择参数；
[0013]进一步的，所述短时傅里叶变换特征提取器包括：预加重选通控制模块、预加重模块、分帧模块、加窗选通控制模块、加窗模块和快速傅里叶变换模块；
[0014]其中，预加重选通控制模块基于预加重选通控制参数控制从降采样模块输入的信号流向预加重模块还是直接流入分帧模块；
[0015]预加重模块在预加重模块选通的模式下，对预加重选通控制模块送入的信号进行信号补偿处理，并将处理后的信号送入分帧模块；
[0016]分帧模块采用前后两帧之间重叠一半的形式进行分帧处理，再将分帧后的信号送入加窗选通控制模块；
[0017]加窗选通控制模块根据参数配置模块配置的加窗选通参数，控制从分帧模块送入的信号直接流向快速傅里叶变换模块还是送入加窗模块；
[0018]加窗模块在加窗模块选通的模式下，将加窗选通控制模块送入的信号和预置的从静态随机存取存储器中读取的对应的窗参数相乘后送入快速傅里叶变换模块；
[0019]快速傅里叶变换模块根据参数配置模块配置的快速傅里叶变换模式选择参数进行模式设置，对加窗模块送入的信号进行处理获得对应模式下的短时快速傅里叶变换特征，并送至后处理选通控制模块。
[0020]进一步的，所述分帧模块包括单口随机存取存储器、先进先出队列和控制电路，其中，单口随机存取存储器的深度等于信号帧长；
[0021]在控制电路的控制下，从预加重选通控制模块或预加重模块输入的信号先写入分帧模块的单口随机存取存储器中，写满第一帧数据后送至加窗选通控制模块；第一帧后每写满半帧则从单口随机存取存储器中读取所有数据并送至加窗选通控制模块；且在对单口
随机存取存储器的读取期间，由预加重选通控制模块或预加重模块输入的信号会保存在先进先出队列中，带读取结束后再存入单口随机存取存储器。
[0022]进一步的，所述快速傅里叶变换模式包括两种模式：128点快速傅里叶变换和256点快速傅里叶变换。
[0023]进一步的，所述快速傅里叶变换模块包括两个模式选择模块和五个单路延迟负反馈模块；
[0024]其中，五个单路延迟负反馈模块分别为：第一混合通道基2方单路延迟负反馈模块、第一混合通道多点基2方单路延迟负反馈模块、第二混合通道多点基2方单路延迟负反馈模块、第三混合通道多点基2方单路延迟负反馈模块、第二混合通道基2方单路延迟负反馈模块；
[0025]第一模式选择模块用于基于参数配置模块配置的选通参数选通第一混合通道基2方单路延迟负反馈模块或者第一混合通道多点基2方单路延迟负反馈本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种多通道时序信号时频特征提取电路，其特征在于，包括：参数配置模块、通道选择模块、降采样模块、短时傅里叶变换特征提取器、后处理选通控制模块和短时傅里叶变换特征后处理器；其中，参数配置模块用于配置通道选择模块的单/双通道选择参数，配置降采样模块的降采样参数，配置短时傅里叶变换特征提取器的工作参数，以及配置后处理选通控制模块的选通控制参数；通道选择模块根据参数配置模块配置的单/双通道选择参数开启单通道模式或者双通道模式，通道选择模块的输出端与降采样模块的输入端相连；降采样模块根据参数配置模块配置的降采样参数对通道选择模块输出的信号进行降采样操作，降采样模块的输出端与短时傅里叶变换特征提取器的输入端相连；短时傅里叶变换特征提取器用于根据参数配置模块配置的工作参数对降采样模块输出的信号进行短时傅里叶变换特征提取，得到第一时序信号特征并送入向后处理选通控制模块；所述第一时序信号特征包括多种不同点数的快速傅里叶变换模式；后处理选通控制模块根据参数配置模块配置的选通控制参数确定：直接输出第一时序信号特征，或者将第一时序信号特征送入短时傅里叶变换特征后处理器；短时傅里叶变换特征后处理器用于提取第二时序信号特征并输出。2.如权利要求1所述的多通道时序信号时频特征提取电路，其特征在于，参数配置模块配置的工作参数包括：预加重选通控制参数、加窗选通参数和短时傅里叶变换模式选择参数。3.如权利要求2所述的多通道时序信号时频特征提取电路，其特征在于，所述短时傅里叶变换特征提取器包括：预加重选通控制模块、预加重模块、分帧模块、加窗选通控制模块、加窗模块和快速傅里叶变换模块；其中，预加重选通控制模块基于预加重选通控制参数控制从降采样模块输入的信号流向预加重模块或者直接流入分帧模块；预加重模块在预加重模块选通的模式下，对预加重选通控制模块送入的信号进行信号补偿处理，并将处理后的信号送入分帧模块；分帧模块采用前后两帧之间重叠一半的形式进行分帧处理，再将分帧后的信号送入加窗选通控制模块；加窗选通控制模块根据参数配置模块配置的加窗选通参数，控制从分帧模块送入的信号直接流向快速傅里叶变换模块或者送入加窗模块；加窗模块在加窗模块选通的模式下，将加窗选通控制模块送入的信号和预置的从静态随机存取存储器中读取的对应的窗参数相乘后送入快速傅里叶变换模块；快速傅里叶变换模块根据参数配置模块配置的快速傅里叶变换模式选择参数进行模式设置，对加窗模块送入的信号进行处理获得对应模式下的短时快速傅里叶变换特征，并送至后处理选通控制模块。4.如权利要求3所述的多通道时序信号时频特征提取电路，其特征在于，所述分帧模块包括单口随机存取存储器、先进先出队列和控制电路，其中，单口随机存取存储器的深度等于信号帧长；在控制电路的控制下，从预加重选通控制模块或预加重模块输入的信号先写入分帧模
块的单口随机存取存储器中，写满第一帧数据后送至加窗选通控制模块；第一帧后每写满半帧则从单口随机存取存储器中读取所有数据并送至加窗选通控制模块；且在对单口随机存取存储器的读取期间，由预加重选通控制模块或预加重模块输入的信号会保存在先进先出队列中，待读取操作结束后再存入单口随机存取存储器。5.如权利要求1所述的多通道时序信号时频特征提取电路，其特征在于，所述快速傅里叶变换模式包括两种模式：128点快速傅里叶变换和256点快速傅里叶变换。...

【专利技术属性】
技术研发人员：周军，张旭辉，肖剑彪，朱世健，杜勐，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：