专利名称：一种使用数字信号处理检测音频信号的方法
技术领域：
本发明涉及一种无线通信装置检测对应一音频频率(tone frequency)的音频信号的方法，尤涉及一种无线通信装置使用数字信号处理(digitalsignal processing)以及过零率(zero-crossing rate，ZCR)处理来检测该音频信号的方法。
背景技术：
连续音频编码静音系统(continuous tone-coded squelch system，CTCSS)已经被广泛地应用于无线通信的领域中，主要是用来在一通信区域中让多个使用者通过同一信道(channel)进行通话，该连续音频编码静音系统是使用一低频的音频信号(CTCSS tone)来区别在一信道上所传输的信号，例如现有技术便携式无线对讲机(walki-talki)便是应用该连续音频编码静音系统来达到团体通话(group communication)的目的。请参阅图1，图1为现有技术连续音频编码静音系统所使用频率范围的示意图。如图1所示，频率62.5Hz与250Hz之间的频率范围主要是用来传输上述低频的音频信号，而频率300Hz与3.4KHz之间的频率范围则用来传输一使用者产生的语音信号(speechsignal)。对于现有技术便携式无线对讲机而言，其操作原理简述如下，一般来说是使用14个信道(channel)P1...P14来进行信号传送与接收，该14个信道是物理信道(physical channel)，此外，每一信道又可根据38个不同频率的音频信号Tl......T38来产生总共532(14*38)个逻辑信道(logicalchannel)，当一发话者设定该便携式无线对讲机所使用的物理信道为P1，以及所使用的音频信号为T1，即该发话者设定其逻辑信道为P1(T1)，当该发话者通过按压该便携式无线对讲机的通话键(push-to-talk，PTT)后，该发话者便可通过该物理信道P1输出其语音信号到该便携式无线对讲机所对应的预定通信范围中，若该预定通信范围中有其它3位使用者，并且分别设定其所使用的逻辑信道为P1(T1)、P1(T38)、P2(T1)，对于第一位使用者而言，由于其便携式无线对讲机是在物理信道P1进行信号传送与接收，因此第一位使用者的便携式无线对讲机会开始接收该发话者所输出的语音信号，并且该便携式无线对讲机判断该发话者所使用的音频信号也为T1，即该发话者与该第一位使用者均设定相同的逻辑信道P1(T1)，因此该第一位使用者的便携式无线对讲机便会将接收到的该发话者的语音信号通过一喇叭输出，因此该第一位使用者便可听到该发话者的语音信号，对于第二位使用者而言，由于其便携式无线对讲机是在物理信道P1进行信号传送与接收，因此第二位使用者的便携式无线对讲机也会开始接收该发话者所输出的语音信号，然而该便携式无线对讲机判断该发话者所使用的音频信号为T1而非T38，即该发话者与该第二位使用者分别设定不同的逻辑信道P1(T1)与P1(T38)，因此该第二位使用者的便携式无线对讲机并不会将接收到的该发话者的语音信号通过一喇叭输出，所以该第二位使用者无法听到该发话者的语音信号，对于第三位使用者而言，由于其便携式无线对讲机是在物理信道P2进行信号传送与接收，因此第三位使用者的便携式无线对讲机与该发话者是分别使用不同的信道，因此第三位使用者的便携式无线对讲机无法根据一所接收信号强度指示器(received signal strength indicator，RSSI)所检测到的信号强度来开始接收该发话者所传送的信号，因此该第三位使用者的便携式无线对讲机也不会接收该发话者的语音信号，也就不会通过一喇叭输出该发话者的语音信号，所以该第二、三位使用者无法听到该发话者的语音信号，即该第二、三位使用者的便携式无线对讲机通过判断该音频信号而启动静音(squelch)功能，换句话说，设定相同逻辑信道的使用者才可彼此间进行通话来达到上述团体通话的目的，因此对于收话者而言，如何检测该发话者所使用的逻辑信道便成为现有技术便携式无线对讲机的重要课题。
请参阅图1与图2，图2为现有技术便携式无线对讲机10的功能方块示意图。便携式无线对讲机10包含有一天线(antenna)11，一收发器(transceiver)12，一选择器(selector)14，一解码器(CTCSS decoder)16，一编码器(CTCSS encoder)18，一语音信号处理单元20，一喇叭(speaker)22，一麦克风(microphone)24，以及一控制单元26。便携式无线对讲机10可通过天线11来接收与传送射频信号RF，对于接收射频信号RF而言，收发器12将高频的射频信号RF转换为低频的基带信号Rx，并传送到选择器14，然后选择器14会通过输出端A输出该基带信号Rx，解码器16则根据基带信号Rx来判断其音频信号的频率，一般而言，解码器16包含有一个模拟滤波电路用来滤波基带信号Rx中介于频率62.5Hz与频率250Hz之间的信号，并判断对应基带信号Rx的音频信号以决定是否使用相同的逻辑信道，同时解码器16会将其判断结果传输到控制单元26，若基带信号Rx所对应的逻辑信道与便携式无线对讲机10所设定的逻辑信道相同，则控制单元26便会启动喇叭22来进行后续信号输出处理，语音信号处理单元20也包含有两个模拟滤波电路，用来撷取频率300Hz的低通滤波至频率3.4KHz的高通滤波之间的信号，最后再通过喇叭22输出。相反地，若基带信号Rx所对应的逻辑信道与便携式无线对讲机10所设定的逻辑信道不同，则控制单元26便不会启动语音信号处理单元20与喇叭22，因此便携式无线对讲机10便不会输出通过不同逻辑信道所传送的任何信号。对于传送射频信号RF而言，当一使用者按压该通话键时，选择器14会选取输入端B，同时控制单元26会启动麦克风24，因此该使用者的语音信号便可输入到语音信号处理单元20，如前所述，语音信号处理单元20通过其滤波电路来撷取频率300Hz至频率3.4KHz之间的信号，然后再输出到编码器18，编码器18会根据便携式无线对讲机10所设定的逻辑信道(CTCSS code)而将相对应音频信号加入到语音信号处理单元20的输出信号而产生基带信号Tx，最后通过收发器12转换为高频的射频信号RF而通过天线11输出。
如上所述，现有技术便携式无线对讲机10是执行模拟信号处理(analogsignal processing)，即从接收模拟射频信号RF到通过喇叭22输出模拟基带信号Rx之间是以模拟方式来进行音频信号等的相关处理，也即解码器16必须使用现有技术滤波电路来撷取所需的频率范围(62.5～250Hz)，然而现有技术滤波电路由于本身特性并无法得到精准的(sharp)的滤波特性以撷取出所需频率范围的信号，例如当38个音频信号平均分布于频率62.5Hz至频率250KHz之间时，相邻音频信号的频率差仅大约3到5Hz，也即解码器16极可能会产生误判音频信号而影响实际信号接收。
发明内容
因此本发明的主要目的在于提供一种无线通信装置以数字信号处理与过零率处理来检测对应一音频频率的音频信号的方法，以解决上述问题。
本发明的权利要求提供一种无线通信装置检测对应一音频频率(tonefrequency)的音频信号的方法，其包含有接收一模拟语音信号，并使用一采样频率(sampling frequency)将该模拟语音信号转换为一数字语音信号，该数字语音信号是由多个信号区段构成，每一信号区段对应一周期(period)；在一检测时间(frame time)内，选取该数字语音信号中对应于一预定频率范围内的多个第一信号区段；以及根据每一第一信号区段所对应的采样点(sample)的数目来判断该模拟语音信号是否包含对应该音频频率的音频信号。该音频频率位于该预定频率范围中。
图1为现有技术连续音频编码静音系统所使用的频率范围的示意图。
图2为现有技术便携式无线对讲机的功能方块示意图。
图3为本发明解码器的功能方块示意图。
图4为图3所示的数字信号处理器的操作流程图。
图5为图3所示的模拟语音信号以及数字语音信号的波形示意图。
附图符号说明10便携式无线对讲机 11天线12收发器 14选择器16、30解码器 18编码器20语音信号处理单元 22喇叭24麦克风 26控制单元32模拟/数字转换器 34数字信号处理器36随机存取存储器 38读存储器具体实施方式
请参阅图3，图3为本发明解码器30的功能方块示意图。解码器30应用在图2所示的现有技术便携式无线对讲机10中，用来检测一发话者输出的通信信号的相对应音频信号以决定是否使用相同的逻辑信道。本实施例中，解码器30包含有一模拟/数字转换器(analog-to-digital converter，ADC)32，一数字信号处理器(digital signal processor，DSP)34，一随机存取存储器(randomaccess memory，RAM)36，以及一只读存储器(read-onle memory，ROM)38。如图2所示，当现有技术便携式无线对讲机10通过天线11接收一语音信号A1后传送到解码器30进行音频信号的相关处理，然后本实施例的模拟/数字转换器32会将该模拟的语音信号A1以一采样频率(sampling frequency)转换为一数字的语音信号D1，而该语音信号D1则通过数字信号处理器34来进一步地检测语音信号D1是否使用便携式无线对讲机10所设定的逻辑信道，也即数字信号处理器34是处理语音信号D1中对应于频率62.5Hz～250Hz间的信号来判断该语音信号A1所对应的音频频率(tone frequency)。此外，只读存储器38则储存数字信号处理器34用来执行上述操作所需的运算程序，并通过随机存取存储器36来缓存数字信号处理器40执行该运算程序所产生的缓存数据，也即随机存取存储器48为一数据缓冲器(buffer)，当数字信号处理器34完成该语音信号D1的音频信号处理后会产生一检测结果D2，并传送到一控制电路40(例如一微处理器)，它是用来控制现有技术便携式无线对讲机的整体操作，并提供一人机接口(man machine interface，MMI)以使一使用者通过该人机接口得知该便携式无线对讲机的状态与通过该人机接口来操作该便携式无线对讲机，所以控制电路40便根据该检测结果D2来判断该便携式无线对讲机是否通过一输出装置(例如图2所示的喇叭22)来输出该语音信号A1中频率介于300Hz～3.4KHz的信号而完成信号接收。
请参阅图4，图4为图3所示的数字信号处理器34的操作流程图。数字信号处理器34的操作包含有下列步骤步骤100开始；步骤102对语音信号D1的一采样点执行一对应该逻辑信道的带通滤波处理(band-pass filtering)；步骤104对该带通滤波处理后的信号执行一平滑滤波处理(smoothfiltering)；步骤106使用一过零率(zero crossing rate，ZCR)处理来判断该语音信号D1是否已将对应一周期(period)的采样点输入到数字信号处理器34，若是，则执行步骤108，否则执行步骤112；步骤108检测该周期的采样点所对应的信号能量(signal energy)，并比较该信号能量与一预定能量数值以判断该周期的采样点是否有效(valid)，以及比较该周期的采样点的数目与一预定计数值以判断该周期的采样点是否有效，若是，则执行步骤110，否则执行步骤112；
步骤110记录该周期的采样点的数目；步骤112检查是否已达到一检查时间(frame period)，若是，则执行步骤114，否则执行步骤102；步骤114计算已记录的每一周期采样点数目的平均值；步骤116计算该平均值与该预定计数值的偏移量；步骤118比较该偏移量与一阈值(threshold)以判断该语音信号D1是否使用该逻辑信道，并通知控制电路，回到步骤102。
数字信号处理器34判断音频信号的操作叙述如下，如图1所示，音频信号的频率是介于62.5Hz～250Hz之间，因此38个不同频率的音频信号会分布于62.5Hz～250Hz之间，所以本实施例是先使用38个频率范围来滤波输入语音信号D1以简化后续处理的复杂度(complexity)，举例来说，若一使用者设定其便携式无线对讲机的逻辑信道为P1(T38)，也即采用第38个音频信号(其频率为250Hz)来区别于物理信道P1上所传输的各种语音信号，因此本实施例会启动对应该第38个音频信号的频率范围238Hz～250Hz来滤除频率范围238Hz～250Hz以外的语音信号以提高后续音频信号检测的处理效率，也即数字信号处理器34会先对输入的语音信号D1进行带通滤波(band-pass filtering)处理(步骤102)以撷取出可能与音频信号(其频率为250Hz)有关的信号。所以，本实施例是设定38个频率范围以便分别滤波出38个相对应音频信号T1～T38，换句话说，本实施例根据该使用者所设定的逻辑信道来启动其中一相对应频率范围以排除与该逻辑信道的相对应音频信号无关的信号。由于发话者与收话者之间的信号传送过程可能受到环境(例如建筑物、天气等)而产生杂波干扰，因此可能使该便携式无线对讲机所接收的语音信号A1的波形会因为杂波而产生尖峰信号(spike)等不规则的波形变动，所以本实施例还使用一平滑滤波(smoothing)处理(步骤104)来消除上述杂波对语音信号A1的影响。请参阅图5，图5为图3所示的模拟语音信号A1以及数字语音信号D1的波形示意图。横轴代表时间，而纵轴代表采样值，语音信号A1是模拟信号，其通过模拟/数字转换器32以一采样频率来对语音信号A1进行采样而产生语音信号D1，语音信号D1是数字信号，其对应于多个采样点(sample)，如图5所示，语音信号D1包含有多个信号区段S1、S2、S3，且每一信号区段S1、S2、S3分别对应一周期(period)，然而在信号区段S2中，在采样点SPn-1与采样点SPn+1之间，由于语音信号A1受干扰而产生尖峰信号，因此使其波形产生不规则变化，所以理论上采样点SPn的采样值应为正值，然而通过尖峰信号的影响而成为负值，也即采样点SPn的采样值产生错误，所以本发明是以每一采样点之前的多个采样点来进行平均采样值的运算以使每一采样点受杂波的影响减轻，举例来说，对于受杂波影响的采样点SPn，可计算采样点SPn-4、SPn-3、SPn-2、SPn-1、SPn的采样值的平均值来更新(update)采样点SPn的采样值，所以采样点SPn的采样值会由原先错误的负值修正为正确的正值而降低该杂波的干扰，由于本实施例是以现有技术过零率(zero-crossing rate，ZCR)的方式来判断每一信号区段的启始与结束，所以当两相邻采样点的采样值产生正值与负值的转变时即表示一半周期的结束与另一半周期的开始，如图5所示，采样点SPm-1的采样值为负值，而下一采样点SPm的采样值则为正值，所以表示采样点SPm-1是为信号区段S2中的最后一个采样点，而采样点SPm则为另一信号区段S3的第一个采样点，而当采样点SPk-1的采样值为正值，下一采样点SPk的采样值则为负值时，则表示信号区段S3已完成一半周期(halfperiod)，而同样地，当采样点SP1-1的采样值为负值，下一采样点SP1的采样值为正值时，则表示信号区段S3已完成了一周期。如前所述，采样点SP1-1是信号区段S3中的最后一个采样点，所以通过现有技术过零率的运算处理得知对应某一信号区段的采样点(步骤106)，由于本实施例是逐一对采样点进行处理，因此当步骤106尚未完成一信号区段的检测时，例如处理采样点SPm，由于采样点SPm并非信号区段S3的最后一个采样点SP1-1，所以会进行下一步骤112，步骤112是用来判断该数字信号处理器34检测音频信号的操作是否已达到一检查时间(frame time)，例如150ms，若未达到该检查时间则回到步骤102以持续对下一个采样点SPm+1进行处理。此外，若在执行步骤106时判断出一信号区段时，则会进一步判断该信号区段的采样点是否有效(步骤108)，步骤108是以该信号区段的采样点所对应的信号能量(signal energy)以及该信号区段的采样点的数目来做为判断根据，其原理叙述如下。
根据现有技术连续音频编码静音系统的规范(specification)，音频信号(频率介于62.5Hz～250Hz)与通信信号(频率介于300Hz～3.4KHz)之间的信号能量比例成1∶4～1∶5的关系，因此通过计算该信号区段的采样点所对应的信号能量即可将虽频率介于62.5Hz～250Hz却不属于音频信号的杂波滤除，例如步骤102筛选出频率范围238～250Hz的信号，然后可能有非音频信号的杂波通过频率范围238～250Hz的带通滤波处理而进行步骤108，然而，该杂波却可能因为强度太弱(例如由周围环境所产生)而无法满足上述信号能量比例的条件，所以通过步骤108即可忽略(skip)该信号区段而不进行后续步骤110以记录该信号区段的采样点数目。所以，本实施例是设定一预定能量数值，若该信号区段的采样点所对应的信号能量低于该预定能量数值，则忽略该信号区段的采样点而执行步骤112来判断是否已达到该检查时间。另外，步骤108也会检查该信号区段的采样点的数目来滤除严重地受杂波影响的信号区段，举例来说，对于音频信号T38而言，其频率为250Hz，若模拟/数字转换器32所使用的采样频率为16KHz，则理论上该音频信号T38中，每一信号区段理应包含有64个采样点，虽然步骤104通过平滑滤波处理来衰减杂波干扰的问题，然而，若一杂波使该音频信号中一信号区段产生失真(distortion)，或者数字信号处理器34也可能在运算的过程中因为本身电路干扰而使该音频信号产生失真的现象，所以该信号区段会因而短暂改变其周期，也即该信号区段所对应的采样数目会大幅偏离理想值64，为了避免上述干扰影响本实施例检测音频信号，因此本实施例会将一信号区段所包含的采样点数目与该理想值比较，以将两者差量大于一阈值的信号区段忽略而不执行步骤110来记录该信号区段所包含的采样点数目，也即随之执行步骤112来判断是否达到该检查时间。换句话说，若一信号区段的采样点符合上述信号能量比例以及采样数目的限制条件才会执行步骤110，以记录该信号区段所包含的采样点数目以进一步地用来判断该音频信号。
当数字信号处理器34的操作达到该检查时间后会执行步骤114，若该检查时间为150ms，对于音频信号T38(频率为250Hz)而言，理论上最多可在该检查时间记录37个信号区段，也即当步骤114开始执行时，数字信号处理器34应记录对应37个周期的采样数目，请注意，在该检查时间中，本实施例仅记录具有完整周期的信号区段，而忽略开始操作时可能存在的非完整周期的信号区段的采样点。本实施例通过步骤114来求出步骤110所记录的采样点数目的平均值，由于信号在发话者与收话者之间的传送过程会受到发话者/收话者移动，建筑物阻挡等干扰而使其频率产生偏移(offset)，所以本实施例是通过一平均运算来降低上述频率偏移对采样点数目的影响，因此可通过该平均值来使数字信号处理器34检测音频信号的操作更准确，然后，计算该平均值与一理论值(对音频信号T38而言为64)的偏移量(步骤116)，最后比较该偏移量与一阈值以判断该语音信号D1是否使用该逻辑信道，若该偏移量小于该阈值则表示语音信号A1、D1与该便携式无线对讲机所使用的逻辑信道相同，因此当控制电路40被通知后便可启动相关操作来将该发话者的通话(频率范围300Hz～3.4KHz)输出到该便携式无线对讲机。反之，若该偏移量大于该阈值则表示语音信号A1、D1与该便携式无线对讲机所使用的逻辑信道不相同，也即数字信号处理器34无法从语音信号A1、D1中检测到该便携式无线对讲机所使用的音频信号，因此当控制电路40被通知后便忽略所接收的语音信号A1，然后数字信号处理器34会重新进行检测音频信号的操作(步骤102)，以不断地对该便携式无线对讲机所接收的信号进行处理。
请注意，本实施例所公开的平滑滤波处理是以平均运算来消除尖峰信号等瞬间转变(abruption transition)对于后续过零率处理的影响，然而也可以使用其它方式来达到平滑滤波处理的效果，举例来说，对于一待处理采样点来说，考虑该待处理采样点在其前面连续一预定数量(例如7个)的已处理采样点，然后在该8个采样点中去除具有最大采样值与最小采样值的二采样点，并在剩下的6个采样点所对应的采样值中选取一中间值，或是计算该6个采样值的平均值来做为该待处理采样点的采样值，均可使步骤106能产生更准确的结果。此外，本实施例中，当数字信号处理器34判断音频信号的操作启动后(步骤100)是执行下一步骤102，并根据图4所示的流程来操作，然而，若当数字信号处理器34判断音频信号的操作启动后(步骤100)由步骤112开始执行，并根据图4所示的流程来操作也可达到本发明的目的。另外，本实施例所公开的步骤106是以对应该语音信号A1的一周期来做为一信号区段，然而也可以使用半周期的语音信号A1来做为一信号区段，以计算所包含的采样数目，都可以使用过零率的运算来判断出各信号区段的开始与结束，并通过图4的步骤114、116、118来达到本发明检测音频信号的目的，而且本实施例不仅使用现有技术的连续音频编码静音系统，也可以应用其它装置以用来检测一预定频率的信号，例如在北美地区所使用的天气警报(weather alert)信号，其频率为1050Hz，上述操作均属本发明的范围。
与现有技术技术相比较，本发明检测音频信号的方法是将一模拟通信信号转换为一数字通信信号，以便通过一数字滤波处理来得到比现有技术模拟滤波器更好的带通滤波效果，然后再通过一平滑滤波处理来降低尖峰信号对于过零率的处理的干扰，同时使用信号能量比例以及采样数目等限制条件来进一步滤波杂波的干扰，最后对于各信号区段的采样数目进行一平均运算以降低信号在无线传输过程所伴随的频率偏移对采样数目的影响，因此本发明检测音频信号的方法不但可得到更准确的检测结果，而且由于其容易实现而大幅降低硬件成本。
以上所述仅为本发明的优选实施例，凡是根据本发明权利要求所做的等同变化与修饰，都属于本发明专利的涵盖范围。
权利要求
1.一种无线通信装置检测对应一音频频率的音频信号的方法，该方法包含接收一模拟语音信号，并使用一采样频率将该模拟语音信号转换为一数字语音信号，该数字语音信号由多个信号区段构成，每一信号区段分别对应一周期；在一检测时间(frame time)内，选取该数字语音信号中对应于一预定频率范围内的多个第一信号区段；以及根据每一第一信号区段所对应的采样点的数目来判断该模拟语音信号是否包含对应该音频率的音频信号；其中该音频频率是位于预定频率范围中。
2.如权利要求1所述的方法，还包含有在每一第一信号区段中，连续地选取一预定数目的采样点，并计算该预定数目的采样点的采样值的平均值，以及使用该平均值更新该预定数目的采样点中一第一采样点的采样值。
3.如权利要求2所述的方法，其中该第一采样点是该预定数目的采样点在时域中的最后一采样点。
4.如权利要求1所述的方法，还包含有检测对应每一第一信号区段的过零率来判断其周期，并计算每一第一信号区段在该检测时间内所对应的采样点的数目。
5.如权利要求1所述的方法，还包含有比较一预定能量数值以及每一第一信号区段所对应的信号能量以判断是否选取该第一信号区段。
6.如权利要求5所述的方法，还包含有计算每一第一信号区段所对应的信号能量与该预定能量数值的偏移量，若该偏移量小于一阈值则选取该第一信号区段。
7.如权利要求1所述的方法，还包含有比较一预定计数值以及每一第一信号区段所对应的采样点的数目以判断是否选取该第一信号区段。
8.如权利要求7所述的方法，还包含有计算每一第一信号区段所对应的采样点的数目与该预定计数值的偏移量，若该偏移量小于一阈值则选取该第一信号区段。
9.如权利要求1所述的方法，还包含有计算该多个第一信号区段所对应的采样点的数目的平均值；以及比较该平均值以及该音频信号根据该采样频率所对应的采样点的数目以判断该模拟语音信号是否包含该音频信号。
10.如权利要求9所述的方法，还包含有计算该音频信号根据该采样频率所对应的采样点的数目与该平均值的偏移量，若该偏移量小于一阈值则该模拟语音信号包含该音频信号。
11.如权利要求1所述的方法，其中该无线通信装置为一便携式无线对讲机。
12.如权利要求1所述的方法，应用在一连续音频编码静音系统中，其中该无线通信装置根据对应该音频频率的音频信号来区别在一信道上所传送的信号。
全文摘要
本发明提供一种无线通信装置检测对应一音频频率的音频信号的方法，其包含有接收一模拟语音信号，并使用一采样频率将该模拟语音信号转换为一相对应数字语音信号，在一检测时间内选取该数字语音信号中对应于一预定频率范围内的多个信号区段，其中该音频频率位于该预定频率范围中，以及最后根据每一信号区段所对应的采样点的数目来判断该模拟语音信号是否包含对应该音频频率的音频信号。
文档编号H04Q5/00GK1518366SQ0310158
公开日2004年8月4日 申请日期2003年1月15日 优先权日2003年1月15日
发明者谢朝凯 申请人:康奈科技股份有限公司