СПОСОБ ВЫДЕЛЕНИЯ ПЕРИОДИЧЕСКИХ ВСПЛЕСКОВ ЭНЕРГИИ В ЗАШУМЛЕННЫХ СИГНАЛАХ
METHOD OF DETECTING PERIODIC ENERGY BURSTS IN NOISY SIGNALS

Изобретение относится к области вычислительной техники и предназначено, в частности, для цифровой обработки массивов данных в реальном масштабе времени.
В качестве аналогов можно выделить: патент (США) № US 7518053 «Сведение битов для портативного аудио». Данный способ основывается на разбиение сигнала на 8 неперекрывающихся диапазонов частот, над которыми независимо осуществляется оконное преобразование Фурье, с последующей фильтрацией. Затем находится значение автокорреляционной функции. Данный способ обладает низкой разрешающей способностью, сложностью реализации и низкой скоростью работы. В качестве прототипа выбран патент (США) № US 7183479 «Анализ битов в музыкальном сигнале». В основе этого способа лежит разбиение блока аудиоданных на октавы, осуществление быстрого преобразования Фурье над каждой из октав и расчет автокорреляции. Выбранный прототип обладает следующими недостатками: во-первых, для его правильный работы требуется точная и детальная подстройка ряда фильтров. Во-вторых, предложенный подход обладает ограниченной точностью выделения периодических всплесков энергии, он не может обеспечить приемлемую точность при поиске значений в диапазоне частот 20-200 Гц. В-третьих, способ страдает проблемой появления кратных результатов, т.е. при истинном значении 100, способ может выдать за результат 50 или 200.
Частично это исправляется постобработкой.
Технический результат заключается в ускорении процесса выделения всплесков энергии в зашумленных сигналах без потери точности.
Для получения указанного технического результата в способе выделения периодических всплесков энергии в зашумленных сигналах заключающемся в том, что над сигналом осуществляется высокочастотная и низкочастотная фильтрация, после высокочастотной фильтрации осуществляется децимация сигнала, а после низкочастотной фильтрации осуществляется корреляция сигнала с единичными отсчетами заданной максимальной частоты с последующим уменьшением частоты и повторением поиска до тех пор, пока не будет достигнута минимальная частота отсчетов, с сравнением и сохранением значений корреляционной функции.
Заявляемый способ, в отличие от прототипа не требует точной настройки целого банка фильтров, используемые фильтры просты, так как перед автором стояла задача, разработать способ, требующий минимальных вычислительных мощностей. В прототипе существует проблема с точностью определения пиков на низких частотах, заявляемый способ лишен этой проблемы, так как в своем анализе он опирается на детектирование пиков при резком изменении энергии сигнала. Так же данный способ не использует автокорреляцию, а использует корреляцию с входных данных с единичными отсчетами, что значительно ускоряет процесс поиска и не снижает его точность.
На Фиг.1 представлена функциональная схема устройства, реализующего заявляемый способ.
На Фиг.2 изображен краткий алгоритм действий.
На Фиг.3 изображен алгоритм обработки входных данных.
На Фиг.4 изображен алгоритм поиска периода всплесков.
На Фиг.5 изображен алгоритм анализа найденных периодов.
Блок 1 - аналогово-цифровой преобразователь.
Блок 2 - высокочастотный фильтр.
Блок 3 - схема преобразования к абсолютным значениям.
Блок 4 - схема децимации.
Блок 5 - низкочастотный фильтр.
Блок 6 - схема определения периода.
Блок 7 - схема анализа найденных периодов.
Блок 8 - схема отображения периода.
Блоки 1-5 соединены последовательно таким образом, что выход предыдущего блока является входом следующего. Выход блока 5 соединен с входами блоков 6 и 7 через управляемый ключ, сигнал управления выходит из блока 7. Выход блока 6 соединен с входом блока 7, а выход блока 7 соединен с входом блока 8.
Реализация способа поясняется с помощью устройства (Фиг.1).
На вход блока 1 поступают аудиоданные, аналогово-цифровой преобразователь переводит их в цифровой вид. Далее блок 2 осуществляет высокочастотную фильтрацию. Затем на блоке 3 производится преобразование полученных значений к абсолютным. С выхода блока 3 данные поступают на блок 4, который осуществляет децимацию. После этого блок 5 осуществляет низкочастотную фильтрацию. Затем, в зависимости от положения ключа, данные поступают либо на вход блока 6, либо на вход блока 7, изначально на вход блока 6, где осуществляется поиск периода всплесков. После этого блок 7 анализирует найденные значения периодов и если требуется, то переключает ключ или передает найденное значение на вход блока 8, который отображает найденный результат.
Так же представим описание алгоритмов. Вначале производится обработка входных данных, затем по обработанным данным производиться поиск значения, после накопления нескольких (не менее 2) найденных значений, производится их анализ и выдача результата. Алгоритм обработки входных данных подробно изображен на Фиг.2 и заключается в следующем: стерео данные микшируются в моно и подвергаются высокочастотной фильтрации. Затем получаем абсолютные значения отсчетов и производим их усреднение. После этого производим децимацию с низкочастотной фильтрацией. Этот процесс изображен на Фиг.3. Затем осуществляется процедура поиска периода всплесков (Фиг.4). Изначально для поиска значений выбирается максимальная частота. Затем производится корреляция входных данных с массивом единичных отсчетов заданной частоты. Если полученное значение корреляционной функции лучше предыдущего, то оно запоминается. Затем уменьшается частота, и поиск производится вновь. Поиск продолжается до тех пор, пока не будет достигнута минимальная частота. Когда поиск значения завершен, переходим к анализу найденных значений (Фиг.5). Для выдачи результата необходимо найти не менее 2 значений. После нахождения значения рассчитываем соответствующий ему темп и ждем получение такого же темпа еще раз. Для этого используется кольцевой буфер. При достижении достоверного результата он выдается наружу.
Предложенный способ в отличие от прототипа проще в реализации, требует меньше вычислительной мощности и обладает более высокой скоростью работы.