專利名稱：音頻信號(hào)壓縮采樣系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種音頻信號(hào)壓縮采樣系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
傳統(tǒng)的信號(hào)采集、編解碼過程的理論基礎(chǔ)是香農(nóng)采樣定理，以高于信號(hào)最高頻率2 倍頻率對(duì)對(duì)輸入模擬信號(hào)進(jìn)行采樣，再根據(jù)實(shí)際需要對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸、加工、處理。這 種處理手法確定有以下兩點(diǎn)缺陷其一，在許多實(shí)際應(yīng)用中由于信號(hào)的采樣速率不得低于 信號(hào)帶寬的2倍，這使得硬件系統(tǒng)面臨著很大的采樣速率的壓力，Nyquist采樣硬件成本昂 貴、獲取效率低下，在某些情況甚至無法實(shí)現(xiàn)；其二，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和傳輸方面，通常的做法是先 按照Nyquist采樣方式獲取數(shù)據(jù)，然后將獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮，最后將壓縮后的數(shù)據(jù)進(jìn)行 存儲(chǔ)或傳輸，顯然，這樣的方式造成很大程度的資源浪費(fèi)。近年來，一種新興的壓縮傳感理論得到了研究人員的廣泛關(guān)注，該理論可以理解 為是將傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)獲取與數(shù)據(jù)壓縮合二為一，區(qū)別于一般信號(hào)的“先采樣，后處理”的傳輸 編碼方式，壓縮傳感(Compressed Sensing, CS)根據(jù)大部分信號(hào)可以在特定基上稀疏表示 這一性質(zhì)，對(duì)信號(hào)的非自適應(yīng)線性投影，在通過數(shù)值最優(yōu)化問題準(zhǔn)確重構(gòu)原始信號(hào)，壓縮傳 感理論通過少量的隨機(jī)的線性投影直接的獲取稀疏或可壓縮信號(hào)中包含絕大部分信號(hào)的 少量系數(shù)，來實(shí)現(xiàn)對(duì)原始信號(hào)的采樣和壓縮功能。這種壓縮傳感機(jī)制在信息的獲取端就實(shí) 現(xiàn)了數(shù)據(jù)量壓縮，實(shí)現(xiàn)了信號(hào)采集方式的一項(xiàng)革新。同時(shí)，該理論具有通用性、加密性、魯棒 性、漸進(jìn)性、可縮放性、計(jì)算的非對(duì)稱等性質(zhì)。壓縮傳感數(shù)據(jù)獲取可以看成不同于香農(nóng)采樣 的一種高效的信號(hào)獲取模式，再通過計(jì)算的手段從信號(hào)的不完全測(cè)量集合中重建原始信 號(hào)。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)壓縮傳感的研究主要集中在壓縮傳感后端的重建算法的優(yōu)化上， 并逐步得到了完善。要使壓縮傳感理論走向應(yīng)用層面，其前端的信息獲取的物理實(shí)現(xiàn)機(jī)制 是目前亟待解決的問題
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于提供一種低采樣頻率、成本低、減少信道傳輸壓力的音頻信號(hào) 壓縮采樣系統(tǒng)。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用了以下技術(shù)方案一種音頻信號(hào)壓縮采樣系統(tǒng)，包括 混頻器，混頻器的輸入端接收隨機(jī)脈沖信號(hào)和待調(diào)制的音頻信號(hào)，混頻器的輸出端通過低 通濾波器與反向放大器相連，反向放大器通過A/D轉(zhuǎn)換器與計(jì)算機(jī)相連。由上述技術(shù)方案可知，本發(fā)明根據(jù)壓縮傳感理論設(shè)計(jì)，通過調(diào)制將模擬的音頻信 號(hào)在頻域上均勻地涂抹到整個(gè)頻域范圍內(nèi)，用較低的采樣頻率對(duì)解調(diào)信號(hào)進(jìn)行采樣，就能 獲得原信號(hào)的信息，這是一個(gè)降采樣的過程。用截止頻率較低的濾波器對(duì)此進(jìn)行濾波處理， 截取信號(hào)的一部分。濾波后的信號(hào)包含原信號(hào)的信息，然后再用壓縮傳感理論相關(guān)重建算 法實(shí)現(xiàn)信號(hào)的重建。由于壓縮采樣系統(tǒng)所需的采樣頻率大大降低，該系統(tǒng)不但降低了采樣開關(guān)的硬件成本，而且減少了信道傳輸壓力。
圖1是本發(fā)明的電路框圖；圖2是本發(fā)明的電路原理圖。
具體實(shí)施方式
一種音頻信號(hào)壓縮采樣系統(tǒng)，包括混頻器4，混頻器4的輸入端接收隨機(jī)脈沖信號(hào) 和待調(diào)制的音頻信號(hào)，混頻器4的輸出端通過低通濾波器5與反向放大器6相連，反向放 大器6通過A/D轉(zhuǎn)換器7與計(jì)算機(jī)相連。還包括單片機(jī)1，單片機(jī)1輸出端與有源放大器2 的輸入端相連，有源放大器2的輸出端與累加器3的輸入端相連，累加器3的輸入端還接入 偏移電平信號(hào)，累加器3輸出隨機(jī)脈沖信號(hào)至混頻器4的輸入端，如圖1所示。本發(fā)明主要由調(diào)制、濾波和降采樣三部分組成，傅里葉基上稀疏的信號(hào)可以通過 解調(diào)裝置在頻域上將輸入的模擬的音頻信號(hào)均勻地涂抹到整個(gè)頻域范圍內(nèi)，用較低的采樣 頻率對(duì)解調(diào)信號(hào)進(jìn)行采樣，就能獲得原信號(hào)的信息，這是個(gè)降采樣的過程。用截止頻率較低 (比信號(hào)的最高頻率的2倍低很多的濾波器)的濾波器對(duì)此進(jìn)行濾波處理，截取信號(hào)的一部 分。濾波后的信號(hào)包含原信號(hào)的信息，將濾波后的信號(hào)進(jìn)行降采樣獲得y[m]，然后再用壓縮 傳感理論相關(guān)重建算法實(shí)現(xiàn)對(duì)x(t)的重建。信號(hào)通過與一個(gè)偽隨機(jī)PN序列來實(shí)現(xiàn)調(diào)制，該序列必須在值士 1之間輪流交替， 且頻率遠(yuǎn)高于采樣頻率。調(diào)制過程可以通過一個(gè)混頻器4來實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)中幅值為士1的隨 機(jī)方波調(diào)制信號(hào)直接由單片機(jī)1產(chǎn)生的隨機(jī)高低電平經(jīng)過放大，與偏移電平累加得到，在 通過待傳輸音頻信號(hào)與該隨機(jī)脈沖相乘來實(shí)現(xiàn)擴(kuò)頻。該隨機(jī)脈沖信號(hào)具有貌似噪聲的性 質(zhì)，既容易產(chǎn)生又可以加工和復(fù)制的序列，因此容易滿足該要求。完成調(diào)制譜擴(kuò)展所選用物 理元件是混頻器4，混頻器4是一個(gè)用來計(jì)算x(t)*m(t)的裝置，m(t)信號(hào)特指由士 1的序 列構(gòu)成的隨機(jī)脈沖信號(hào)?；祛l器4通常由差分電路實(shí)現(xiàn)。通常壓縮傳感的代數(shù)形式可以寫為Yj = <f(t), Φ^, Φ e φ, j e ι, ...，μ利用矩陣的形式，測(cè)量過程可以記為y = Φχ = Φ Ψ 其中，a表示m稀疏的變換系數(shù)向量；Ψ被稱為稀疏基或描述系統(tǒng)，Φ為測(cè)量基 或傳感系統(tǒng)；稱M維列向量y為測(cè)量向量，稱由測(cè)量基Φ構(gòu)成的MXN維矩陣為測(cè)量矩陣。 其目標(biāo)是通過Μ(Μ<<Ν)次測(cè)量得到的測(cè)量向量y測(cè)量精確重建或者逼近信號(hào)χ。為了恢 復(fù)這個(gè)信號(hào)，解碼器需要執(zhí)行所有C=個(gè)可能稀疏子空間的組合。因此，Donoho提出了基于 最小化I1模的線性優(yōu)化模型，也就是利用基于線性規(guī)劃的基追蹤(Basis Pursuit, BP)方 法求解夭^argmin H χ H, g> t ^ = Φχ其中Φ應(yīng)該滿足限制等容條件(RIP)，即混頻器的非線性輸出y(t) = f(t)*P(t)?？梢詫懗蒣0021]
權(quán)利要求1.一種音頻信號(hào)壓縮采樣系統(tǒng)，其特征在于包括混頻器G)，混頻器的輸入端接 收隨機(jī)脈沖信號(hào)和待調(diào)制的模擬信號(hào)，混頻器的輸出端通過低通濾波器( 與反向放 大器(6)相連，反向放大器(6)通過A/D轉(zhuǎn)換器(7)與計(jì)算機(jī)相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的音頻信號(hào)壓縮采樣系統(tǒng)，其特征在于還包括單片機(jī)(1)，單 片機(jī)(1)輸出端與有源放大器O)的輸入端相連，有源放大器O)的輸出端與累加器(3) 的輸入端相連，累加器C3)的輸入端還接入偏移電平信號(hào)，累加器C3)輸出隨機(jī)脈沖信號(hào)至 混頻器的輸入端。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的音頻信號(hào)壓縮采樣系統(tǒng)，其特征在于所述的單片機(jī)(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引腳與電阻R2的一端相連，電阻R2的另一端與芯片U2的第2引腳相連， 芯片U2的第3引腳接地，芯片U2的第6引腳與電阻R13的一端相連，電阻R13的另一端與 芯片U6的第2引腳相連，偏移電平信號(hào)通過電阻R14輸入芯片U6的第2引腳，芯片U6的 第3引腳接地，芯片U6的第6引腳與混頻器的輸入端相連。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的音頻信號(hào)壓縮采樣系統(tǒng)，其特征在于所述的低通濾波器(5) 采用芯片U4，所述的反向放大器(6)采用芯片TO，所述的A/D轉(zhuǎn)換器(7)采用芯片U3，芯片 U4的第2引腳通過電阻R3與混頻器(4)的輸出端相連，芯片U4的第3引腳接地，芯片U4 的第6引腳通過電阻Rll與芯片U5的第2引腳相連，芯片U5的第3引腳接地，芯片U5的 第6引腳通過電阻R5與芯片U3的第23引腳相連，芯片U3的第2、3引腳與計(jì)算機(jī)的串口 相連。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的音頻信號(hào)壓縮采樣系統(tǒng)，其特征在于所述的累加器(3)的 輸出端、待調(diào)制的音頻信號(hào)、混頻器(4)的輸出端以及反向放大器(6)的輸出端分別接示波 器⑶的輸入接口 A、B、C、D。
6.根據(jù)權(quán)利要求3或4所述的音頻信號(hào)壓縮采樣系統(tǒng)，其特征在于所述的芯片U2、 U4、U5、U6均為芯片AD824P，所述的芯片U3為芯片ATMEGA8。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的音頻信號(hào)壓縮采樣系統(tǒng)，其特征在于所述的芯片U3的第 14、15、16、17、18、19、9、10 引腳分別接數(shù)碼管(9)的 A、B、C、D、E、F、G、CP 腳，芯片 U3 的第 6引腳通過電阻RlO接數(shù)碼管(9)的4腳，芯片U3的第11引腳通過電阻R9接數(shù)碼管(9) 的3腳，芯片U3的第12引腳通過電阻R8接數(shù)碼管(9)的2腳，芯片U3的第13引腳通過 電阻R7接數(shù)碼管(9)的1腳。
專利摘要本實(shí)用新型涉及一種音頻信號(hào)壓縮采樣系統(tǒng)，包括混頻器，混頻器的輸入端接收隨機(jī)脈沖信號(hào)和待調(diào)制的音頻信號(hào)，混頻器的輸出端通過低通濾波器與反向放大器相連，反向放大器通過A/D轉(zhuǎn)換器與計(jì)算機(jī)相連。本實(shí)用新型根據(jù)壓縮傳感理論設(shè)計(jì)，通過調(diào)制將模擬的音頻信號(hào)在頻域上均勻地涂抹到整個(gè)頻域范圍內(nèi)，用較低的采樣頻率對(duì)解調(diào)信號(hào)進(jìn)行采樣，就能獲得原信號(hào)的信息，這是一個(gè)降采樣的過程。用截止頻率較低的濾波器對(duì)此進(jìn)行濾波處理，截取信號(hào)的一部分。濾波后的信號(hào)包含原信號(hào)的信息，然后再用壓縮傳感理論相關(guān)重建算法實(shí)現(xiàn)信號(hào)的重建。由于壓縮采樣系統(tǒng)所需的采樣頻率大大降低，該系統(tǒng)不但降低了采樣開關(guān)的硬件成本，而且減少了信道傳輸壓力。
文檔編號(hào)G10L19/00GK201853485SQ201020579700
公開日2011年6月1日 申請(qǐng)日期2010年10月26日 優(yōu)先權(quán)日2010年10月26日
發(fā)明者方杰, 樊敏, 韋穗 申請(qǐng)人:安徽大學(xué)