用于分隔信号中的脉冲和非脉冲分量的方法与装置的制作方法

专利名称：用于分隔信号中的脉冲和非脉冲分量的方法与装置的制作方法
技术领域：
本发明的背景本申请涉及共有未决的序列号为98-0929的题为“识别一个合成声音信号中的声音的方法与装置”的美国专利申请，这一申请与本申请同时递交。
概括地讲，本发明涉及分隔一个时域信号中的脉冲和非脉冲信号分量，更具体地说，涉及使用子波变换和对子波系数集进行分类，以把一个时域信号中的脉冲分量与非脉冲分量加以分隔。
通常，时域信号或波形可能包括脉冲的和非脉冲的分量，即使人们仅对这些的分量中的一种分量感兴趣。例如，在电或电磁信号的无线或有线传输过程中，当信号通过无线或有线传输信道传送时，干扰信号和背景噪音将会污染信号。所传输的信号包含信息，因此主要呈脉冲特征。干扰和背景噪音通常为随机的和宽带的，因此主要呈非脉冲特征。在传输之后，人们将希望分隔这些分量，以致于可以把附加的噪音加以去除。
在其它一些应用中，为了进行传输或为了分析声音以确定产生声音的条件，可能会把声波变换成电信号。如果声音是准备加以传输的话音，那么所接收到的声音可能包括一个脉冲的话音分量和一个非脉冲的背景噪音分量。例如，如果所接收到的声音是由某一机器的操作所产生的或为其它环境噪音，那么可对脉冲与/或非脉冲的声音分量的性质加以分析，以识别具体的噪音源或诊断或查找机器的故障条件。
为了减少不希望的噪音和干扰，现有技术常常试图把一个信号视为具有占据不同频带的脉冲和非脉冲分量。于是，使用低通、高通、以及带通滤波，试图去除不希望的分量。然而，这些分量的相当大的部分常常共享相同的频率。而且，人们无法知道或很难确定所感兴趣的频带。因此，在大多数情况下，频率滤波不能够充分分隔这些分量。傅里叶分析和各种基于傅里叶的频域技术也已用于试图减少不希望的噪音分量，但这些技术也不能分隔共享相同频率的分量。
新近，子波(wavelet)分析已用于去除噪音信号。在某些方面，子波变换类似于傅里叶变换，但不同的是，使用一个子波基函数在多个时间-频率间隔上对信号加以分解，每一间隔具有一个不同的尺度。在一个离散子波变换中，所分解的输入信号是由多个子波系数集加以表示的，每一个子波系数集相应于一个相应的时间-频率间隔。在现有技术中，是在经过一个反向子波变换恢复一个时域信号之前，通过限制和收缩子波系数来调整子波系数集，使用子波分析去除噪音信号的。然而，对于许多应用来说，这一技术并未产生所需分隔度的所希望的信号。
在本发明的一个方面中，一种分隔一个时域信号中的脉冲和非脉冲信号分量的方法使用一个子波变换分解时域信号以产生多个子波系数集。每一子波系数集相应于一个相应的时间-频率间隔。为每一子波系数集确定一个相应的统计参数。使用一个施用于这些子波系数集中所选定的一些子波系数集的一个反向子波变换把一个新的时域信号重新加以合成。所选定的这些子波系数集是根据相应的统计参数被选择的。


图1是一个功能方框图，示出了现有技术的一个去除噪音的过程。
图2是一个功能方框图，示出了本发明的一个改进了的信号分隔过程。
图3是一个方框图，较详细地示出了本发明的一个实现。
图4是一个流程图，示出了本发明的一个优选的方法。
图5是一个概略性的方框图，示出了用于实现本发明的定制的硬件。
尽管对减少一个含有噪音的数据信号中的高斯型噪音来说图1中的技术可能是有效的，但在某些应用(例如清晰地分隔脉冲和非脉冲、非高斯分量)中所获得的信号分隔度，是不能完全实现的。使用本发明(如图2中概要性描述的)，这样的信号分隔可大大地得以改进。把一个时域输入信号15输入到一个子波变换16。把多个所得到的子波系数集输入到一个峰态(kurtosis)计算17。根据每一子波系数集中的各系数值的第4级中心时刻与平方后的第2级中心时刻之比率，为每一系数集确定一个峰态值β。每一系数集都具有与输入信号15的大约相同个数的数据点。每一子波系数集相应于子波变换的一个不同的级别或尺寸。并不是如在先前技术中那样，修改在每一个相应的子波系数集中的值，本发明根据相应的峰态值或根据某些其它的统计参数，对子波系数集进行分类。基于对系数集的这一分类，对输入信号的相应的脉冲和非脉冲分量加以分隔。
于是，把子波系数集分类成系数集18和系数集19，其中系数集18具有大于一个预定的峰态门限的峰态值β，系数集19具有小于一个预定的峰态门限的峰态值β。把系数集18传送通过一个反向子波变换20以再生脉冲分量21。把系数集19通过一个反向子波变换22加以传送，以产生非脉冲分量23。把这些信号分量中的一个或两个耦合于一个输出设备24，例如，输出设备24可能包括一个音频换能器或一个视频显示器，用于再生音频和视频信号。
峰态值是一个优选的统计参数，用于分隔脉冲的和非脉冲的分量。然而，也可以使用其它统计参数，例如平均值、标准偏差、偏斜度以及方差等。另外，用于分隔信号分量的门限也可根据信号源取不同的值。一般情况下，大约等于5的峰态门限可以提供很好的结果。
图3较详细地描述了本发明的一个具体的实现。把一个具有脉冲和非脉冲分量并希望加以分隔的时域信号输入到一个离散的子波变换(DWT)25。使用一常规的DWT。如在现有技术中所知道的那样，必须规定一个所选定的基函数和针对每一时间-频率间隔的间隔的个数与位置。在单元26-29中生成多个子波系数集CS1-CS4。通常，时间-频率间隔的个数大于4，但是为了简化该图，仅采用了个数4。在许多应用中，可以发现间隔数为8能够提供良好的性能。
把CS1单元26耦合于一个峰态计算单元30。把来自峰态计算单元30的峰态值提供给一个分类器/比较器31，把一个预定的门限也提供给分类器/比较器31，并把它与峰态值加以比较。根据比较的结果，分类器/比较器31控制一个复接开关32，复接开关32的输入接收系数集CS1，可以把复接开关的输出转换到一个脉冲IDWT 36或一个非脉冲IDWT 37。把系数单元27-29以及复接开关33-35中的每一个都连接于相应的相同的峰态计算单元和分类器/比较器单元(未在图中加以显示)。于是，把具有一个大于门限的峰态值的系数集通过它们相应的复接开关提供给脉冲IDVT，从而产生一个时域脉冲信号。把具有一个小于门限的峰态值的系数集转换到非脉冲IDWT 37，从而产生一个时域非脉冲信号。
图4中显示了根据本发明的一个方法的一个优选的实施例。在步骤40中，为脉冲和非脉冲的信号分隔的一个具体应用选择了一个基函数、时间-频率间隔的个数以及位置、和一预定的门限。一个适合的基函数的例子可能是Debauchies 40基函数。时间-频率间隔的一个优选的个数大约为8，这些间隔覆盖从0到22kHz的频率(使用一个通常的用于音频信号的44kHz的取样率)。几何地安排这些间隔，且不覆盖相等的频率范围。例如，一个第一间隔可能覆盖11kHz到22kHz。一个第二间隔覆盖5.5kHz到11kHz，等等。对于一个峰态门限的优选的值可能大约等于5。
在步骤41中，把输入信号数据分解成子波系数集。在步骤42中，针对每一相应的子波系数集计算一个统计参数。在一个优选的实施例中，使用一个子波系数集中的各个系数值作为对计算的输入而采用计算一个峰态值的标准数学函数。计算的输出是一个用于该系数集的单一的峰态值。在步骤43中，根据子波系数集的统计参数的相应的值，对它们进行选择或分类。该优选的实施例包括根据希望用于重构的是脉冲的还是非脉冲的分量，对子波系数集中的一些子波系数集的选择，这些子波系数集全都具有一个大于或小于峰态门限的峰态值。在步骤44中，通过把所选定的系数集施用于一个反向脉冲子波变换，自所选定的系数集重新合成那一个分量，或那两个分量。换句话说，把在一个具体反向变换中未被包括的子波系数集中的所有子波系数设置成0。
在重新合成之后，可能已引入信号赝象，因为使用了截断(即，设置成0)的数据对反向子波变换加以处理。一个典型的赝象是，在时域信号的任一端的错误地增加的输出值。于是，在步骤45中，通过放弃重新合成的时域信号中的端点样本去除赝象。
例如，更可取的做法是，使用数字信号处理(DSP)可编程通用处理器或专门设计的专用集成电路(ASIC)实现本发明。图5显示的是一个以通用DSP或ASIC加以实现的一个功能方框图。把一个输入信号提供给一个模数转换器50。例如，可以按约为44kHz的取样频率Fs，对输入信号加以数字化。把数字化后的信号提供给一个离散子波变换(DWT)51。在分解之后，DWT 51把多个子波参数集提供给一个参数集随机存取存储器(CSRAM)52。把来自CSRAM 52的参数集提供给一排由与门构成的传输门53。把每一个系数集耦合于两个传输门，按以下所描述的方式对它们相反地加以控制。每一对儿传输门的输出分别连接于IDWT 54或IDWT 55。IDWT 54在将反向变换信号传送通过一个数模的变换器56之后，提供脉冲输出信号。把IDWT 55的输出连接于一个数模转换器57，数模转换器57提供非脉冲信号。
把各种控制输入提供给一个控制逻辑单元60。通过这些控制输入，用户可以为基于子波的信号分隔规定各种参数，包括基子波函数、时间-频率间隔的个数和位置、门限值、以及其它参数(例如准备使用的取样率)。把与变换相关的参数提供给一个配置单元61，配置单元61配置DWT 51，以及IDWT 54和55。
控制逻辑60还把门限值提供给一个门限寄存器62。把门限值从门限寄存器62提供给多个比较器63-66的反向输入。比较器63-66的非反向的输入分别接收来自多个峰态计算器67-70的相应的系数集的峰态值β。每一比较器的输出控制一对传输门，它们相应于该系数集，比较器也接收用于该系数集的相应的峰态值。在一个传输门的输入端把比较器的输出加以反转，以使可把相应的系数集仅耦合于IDWT54或55之一，从而，可把脉冲和非脉冲信号分量加以分隔，并使可在该DSP或ASIC的输出端获得，而且还能够将它们有选择地用于任何所希望的应用。
根据以上描述，本发明使用一个预定的门限，自动检测和分隔任何类型信号的脉冲信号分量(例如通信信号中的静态噪音，或汽车的由道路引发的碾轧声和震动声)与非脉冲的分量(例如背景噪音)。本发明适应于不同类型的信号和门限电平。本发明可实现非常快的处理速度，并可使用通用的或定制的集成电路加以实现。本发明可用于识别和分离出反映机器操作故障(例如轴承故障、质量控制问题等)的脉冲噪音特征。本发明也可用于通信、医学成象等其它需要对脉冲噪音或信息加以分隔的应用，例如在静态噪音、外部噪音、震动或干扰等的隔离中。
权利要求
1．一种分隔一个时域信号中的脉冲和非脉冲信号分量的方法，该方法包括下列步骤使用一个子波变换分解所述的时域信号，以产生多个子波系数集，每一个子波系数集相应于一个相应的时间-频率间隔；确定用于每一子波系数集的一个相应的统计参数；以及使用一个施用于所述子波系数集中所选定的一些子波系数集的反向子波变换，重新合成一个新的时域信号，根据所述的相应的统计参数选择所述所选定的一些子波系数集。
2．权利要求1中的方法，其中，通过把每一相应的统计参数与一个预定的门限进行比较，确定所述子波系数集中所选定的那些子波系数集。
3．权利要求1或2中的方法，其中，所述的统计参数包括一个峰态值。
4．权利要求3中的方法，其中，通过把每一个相应的峰态值与一个预定的峰态门限加以比较，确定所述的子波系数集中所述选定的那些子波系数集。
5．权利要求4中的方法，其中，所述的预定的峰态门限等于5。
6．一种把非脉冲信号分量从一个时域信号中去除的方法，该方法包括下列步骤使用一个子波变换分解所述的时域信号，以产生多个子波系数集，每一个子波系数集相应于一个相应的时间/频率间隔；确定用于每一子波系数集的一个相应的统计参数；把每一相应的统计参数与一个预定的门限进行比较；以及使用一个施用于所述子波系数集中所选定的一些子波系数集的一个反向子波变换，重新合成一个新的时域信号，这些选定的子波系数集的所述的相应统计参数大于所述的预定的门限。
7．一种把脉冲信号分量从一个时域信号中去除的方法，该方法包括下列步骤使用一个子波变换分解所述的时域信号，以产生多个子波系数集，每一个子波系数集相应于一个相应的时间/频率间隔；确定用于每一个子波系数集的一相应的统计参数；将每一相应的统计参数与一个预定的门限进行比较；以及使用一个施用于所述子波系数集中所选定的那些子波系数集的一个反向子波变换，重新合成一个新的时域信号，这些选定的子波系数集的所述的相应统计参数小于所述的预定的门限。
8．用于把一个输入信号的脉冲和非脉冲信号加以分隔的装置，该装置包括一个子波变换器(25)，它把所述输入信号分解成多个子波系数集；一个统计参数计算器(30)，它计算用于每一子波系数集的一个统计参数；一个分类器(31)，它根据所述的统计参数，识别一脉冲群的子波系数集和一非脉冲群的子波系数集；以及一个反向子波变换器(36,37)，用于把来自所述群之一的子波系数集的输出信号加以合成。
9．权利要求8的一种装置，其中，所述的分类器把所述脉冲群的子波系数集识别成具有大于一个预定的门限的统计参数的子波系数集，并把所述非脉冲群的子波系数集识别成具有小于所述预定的门限的统计参数的子波系数集。
10．权利要求9的装置，其中，所述的统计参数是一个峰态值，所述的预定的门限是一个峰态门限。
全文摘要
使用子波分析,并根据每一相应系数集的统计参数对子波系数集进行分类,把任何一个时域信号(例如,音频、视频以及震动等)中的脉冲分量和非脉冲的分量加以分隔。根据统计参数,每一个完整的系数集既可包括也可不包括每一相应的分隔的分量。于是,可以实现自动的、自适应的、灵活的、以及可靠的脉冲和非脉冲分量的分隔。
文档编号G10L11/00GK1313984SQ99809987
公开日2001年9月19日 申请日期1999年8月17日 优先权日1998年8月25日
发明者维·德兰, 希欧－丰·雷, 耿·D·徐衣 申请人:福特环球技术公司