一种基于小波阈值滤波的音频采集系统及方法与流程

本发明属于音频采集技术领域，涉及舰艇航行数据记录仪声音转换模块，尤其是一种基于小波阈值滤波的音频采集系统及方法。

背景技术：

小波阈值滤波的音频采集技术应用于舰艇航行数据记录仪声音转换模块，舰艇航行数据记录仪的主要功能是采集舰艇航行数据，为航行事故、突发事件的分析处理提供有力证据，而音频数据最能直观的反映事故的经过，采集效果的好坏直接影响对事故的判断。

但由于舰艇声音环境复杂，同时伴随不同程度的噪声，同时需要采集的数据量又很大，舰艇航行数据记录仪存储空间有限，利用现有的音频采集技术采集的语音清晰度不高且需占用大量的存储空间。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出一种设计合理、语音清晰度高且能够节约存储容量的音频采集系统及方法。

本发明解决其现实问题是采取以下技术方案实现的：

一种基于小波阈值滤波的音频采集系统，包括拾音装置或音频设备和声音转换模块；所述声音转换模块包括带通滤波器、放大电路、混音处理模块、音频编码器和中央处理单元；所述拾音装置或音频设备的输出端依次与声音转换模块内的带通滤波器和放大电路相连接，用于将多路声音模拟信号进行滤波预处理后将有效音频信号进行放大；所述放大电路的输出端与混音处理模块相连接，用于实现多路声音信号整合；所述混音处理模块的输出端与音频编码器相连接，用于将多路声音模拟信号转换为数字量声音信号；所述音频编码器的输出端与中央处理器相连接，用于进行数字滤波和压缩运算。

而且，所述音频编码器的输出端与以太网驱动器相连接，通过以太网接口将网络数据发送至上位机。

一种基于小波阈值滤波的音频采集方法，包括以下步骤：

步骤1、选定小波函数和小波分解层数；

步骤2、用小波分解函数对数据进行一维离散小波(/包)分解；

步骤3、提取有效频段的小波系数：

步骤4、对提取的小波系数进行小波消噪处理：

步骤5、对消噪后的信号进行小波重构；

而且，所述步骤2的具体方法为：将各层频带与实际信号的有效频带相比较，从而确定小波分解。

而且，所述步骤4的具体方法是：利用信号分析地基本理论，构造一个函数，利用它可以产生信号的默认阈值，再利用此阈值进行小波消噪处理，或者在检测装置地安装调试过程中，测出现场的噪声大小，进而求出阈值。本发明的优点和有益效果：

1、本发明的通过设计模拟音频信号带通滤波器硬件电路和小波阈值短时谱幅度最小均方误差估计的语音软件增强算法，实现了软硬件两级噪声抑制，获得了良好的音频效果，并大幅提升了信噪比。

2、本发明通过在中央处理单元中，设计小波阈值短时谱幅度最小均方误差估计的语音增强算法，该基于小波阈值滤波的音频采集方法采用了一种具有无穷阶连续导数的阈值函数，克服了传统阈值函数软阈值函数和硬阈值函数的缺点，同时基于无偏估计得出一种小波阈值去噪法，可自适应搜寻最佳阈值，满足时变信号的实时处理。这种算法大幅度提高信噪比，用最佳量化法和霍夫曼编码保证了在给定的失真度内使得压缩比做到满意的效果。

附图说明

图1是本发明的电路框图；

图2(a)是未采用数字滤波处理(小波阈值滤波)的声音转换模块的测试效果图；

图2(b)是本发明的采用数字滤波处理(小波阈值滤波)的声音转换模块的测试效果图；

图3是本发明的处理流程图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明实施例作进一步详述：

一种基于小波阈值滤波的音频采集系统，如图1所示，包括：拾音装置或音频设备和声音转换模块；所述声音转换模块包括带通滤波器、放大电路、混音处理模块、音频编码器和中央处理单元；所述拾音装置或音频设备的输出端依次与声音转换模块内的带通滤波器和放大电路相连接，用于将多路声音模拟信号进行滤波预处理后将有效音频信号进行放大；所述放大电路的输出端与混音处理模块相连接，用于实现多路声音信号整合；所述混音处理模块的输出端与音频编码器相连接，用于将多路声音模拟信号转换为数字量声音信号；所述音频编码器的输出端与中央处理器相连接，用于进行数字滤波和压缩运算。

在本实施例中，所述音频编码器的输出端与以太网驱动器相连接，通过以太网接口将网络数据发送至上位机。

本发明的一种基于小波阈值滤波的音频采集系统的工作过程是：

将拾音装置或音频设备的采集的多路外部声音模拟信号经带通滤波器进行模拟量滤波预处理，将人耳不能分辨的频率信号过滤掉，然后经模拟量放大电路对采集到的有效音频信号进行放大，接着通过多路混音电路实现多路声音信号整合，最后经音频编码器转换为数字量声音信号，由中央处理单元进一步进行数字滤波和压缩运算，并通过以太网接口发送出去。

一种基于小波阈值滤波的音频采集方法，如图3所示，包括以下步骤：

步骤1、选定小波函数和小波分解层数；

步骤2、用小波分解函数对数据进行一维离散小波(/包)分解；

所述步骤2的具体方法为：总体上来说，一个一维离散的信号，它的高频部分影响的是小波分解的高频第一层，低频部分影响的是小波分解的最深层及其低频层。将各层频带与实际信号的有效频带相比较，就可以确定小波分解。

步骤3、提取有效频段的小波系数：

提取有用频段的小波系数也可以看作是小波滤波，也就是把有用频带之外的小波分解系数强制置0。

步骤4、对提取的小波系数进行小波消噪处理：

所述步骤4的具体方法是：利用信号分析地基本理论，构造一个函数，利用它可以产生信号的默认阈值，再利用此阈值进行小波消噪处理，或者在检测装置地安装调试过程中，测出现场的噪声大小，进而求出阈值。

步骤5、对消噪后的信号进行小波重构；

所述步骤5的具体方法是：提取的有用频段的小波系数经消噪后再进行小波重构的波形。

小波分析能同时在时、频域内对信号进行分析，并能有效地区分信号中的突变部分和噪声，可以很好地保存有用信号中的尖峰和突变部分，从而实现信号的消噪。

本发明的有效性在中国科学院声学计量测试站声音记录性能测试中得到了验证，未采用和采用数字滤波处理(小波阈值滤波)的声音转换模块在测试中效果对比如图2(a)和图2(b)，处理后的信号中保留有原始信号的全部特征，但无关信息及噪声已大大减小甚至全部被消除。

需要强调的是，本发明所述实施例是说明性的，而不是限定性的，因此本发明包括并不限于具体实施方式中所述实施例，凡是由本领域技术人员根据本发明的技术方案得出的其他实施方式，同样属于本发明保护的范围。

技术特征：

技术总结
本发明涉及一种基于小波阈值滤波的音频采集系统及方法，其技术特点在于：包括拾音装置和声音转换模块；所述声音转换模块包括带通滤波器、放大电路、混音处理模块、音频编码器和中央处理单元；所述拾音装置的输出端依次与声音转换模块内的带通滤波器和放大电路相连接，用于将多路声音模拟信号进行滤波预处理后将有效音频信号进行放大；所述放大电路的输出端与混音处理模块相连接，用于实现多路声音信号整合；所述混音处理模块的输出端与音频编码器相连接，用于将多路声音模拟信号转换为数字量声音信号；所述音频编码器的输出端与中央处理器相连接，用于进行数字滤波和压缩运算。本发明采集的语音清晰度高且能够节约存储容量。

技术研发人员：贾明建;方颖;徐宏业;周博;苏建忠;吕志龙
受保护的技术使用者：中国船舶重工集团公司第七0七研究所
技术研发日：2018.11.23
技术公布日：2019.05.03