CN114838809B - 一种自适应提高频率测量精度的音频信号测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明为一种自适应提高频率测量精度的音频信号测量方法,旨在提供一种在采样率和实际FFT处理计算数据量不变的情况下自适应提高FFT处理的计算分辨率,从而提高了信号频率检测精度的音频信号测量方法。本发明包括以下流程:首先,设定模数转换器的采样率、设定一偏差比例k以及设定数据抽取数m为1,初次采集时对采集的n个数据执行加窗处理后做FFT运算处理获取相应的复数形式的数据,根据获取的参数和数据执行校准算法计算计算输入信号的主频率f1,进一步计算输入信号的主频率f1与当前的频率分辨率fp的倍数关系x,根据倍数关系x与设定的偏差比例k比对结果对数据抽取数m进行自适应调整,调整后重新采样获取精度更高的频率数值f2,完成比对后输出测量结果。本发明应用于音频信号测量的技术领域。
Description
技术领域
本发明应用于音频信号测量的技术领域,特别涉及一种自适应提高频率测量精度的音频信号测量方法。
背景技术
生活中我们常见的手机,电脑等各种带有音频输入的电子设备以及各种电器都有音频采集的功能。这些音频采集模块在出厂之前是需要验证其功能与性能的。评估音频采集功能的常见参数有:输入信号的频率,输入信号的幅值,底噪,谐波分量等等。对于人耳能够分辨的声音频率范围是20~20000Hz,因此我们的音频模块需要测试的信号频率也在此范围。根据奈奎斯特采样定理,只要采样频率大于或等于有效信号最高频率的两倍,采样值就可以包含原始信号的所有信息,被采样的信号就可以不失真地还原成原始信号。在测试过程中,我们常用模数转换器的采样频率有48KHz,96KHz,192KHz。为了验证音频模块采集的信号频率是否准确,我们需要将输入信号从时域转换到频域,这样能够更方便的计算信号的各种指标。FFT处理(快速傅氏变换)就是将时域信号转换成频域信号,其输入参数有:被测试信号,采样频率。
FFT处理的分辨率计算公式为:fp=Fs/N,公式中fp为频率分辨率,Fs为采样率,N为采集信号的数据个数。如果要提高测量信号频率的精度,需要降低信号采样率,或者增加采集信号的数据个数。
对于前端输入信号频率的不确定性,并不能确定采样率设置多少更合适,而且当硬件确定后,模数转换器的芯片也确定了,那么该模数转换器能够选择使用的采样率就固定了。如果只是单纯的增加采集信号的数据量,需要消耗更多的资源和成本。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的不足,提供了一种在采样率和实际FFT处理计算数据量不变的情况下自适应提高FFT处理的计算分辨率,从而提高了信号频率检测精度的音频信号测量方法。
本发明所采用的技术方案是:本发明所述音频信号测量方法包括以下步骤:
步骤S1、为进行采样的模数转换器设定一固定的采样率Fs以及设定偏差比例为k;
步骤S2、初次采样时设置数据抽取数m=1,对模数转换器采样回来的数据量不做任何处理;
步骤S3、执行初次信号采集,读取模数转换器采样回来的N个数据并储存在存储器中;
步骤S4、完成存储后对N个数据执行加窗处理后做FFT运算处理,产生N个的复数形式的数据,并根据模数转换器的采样率Fs、N个复数形式数据、数据抽取数m以及窗函数的校准算法计算输入信号的主频率f1;
步骤S5、设输入信号的主频率f1与当前的频率分辨率fp的倍数关系为x,且x=f1/fp,fp=Fs/N,根据输入信号的主频率f1计算当前倍数关系x的数值,将倍数关系x的值与设定的偏差比例k的值进行比对;
步骤S6、当x<k时,根据初次采样获得输入信号的主频率f1、初次采样数据个数N、设定的偏差比例k以及当前的频率分辨率fp进行数据抽取数m的调整,数据抽取数m的值根据中间变量n进行取值,n=(fp*k)/(N*f1),同时依据调整后的数据抽取数m执行二次信号采集,并获得新的N个数据,对新的N个数据执行加窗处理后做FFT运算处理,产生新的N个复数形式的数据;
步骤S7、根据模数转换器的采样率Fs、新的N个复数形式数据、数据抽取数m以及窗函数的校准算法计算输入信号的主频率f2;
步骤S8、根据调整后输入信号的主频率f2计算当前倍数关系x的数值,将倍数关系x的值与设定的偏差比例k的值进行比对,当x>=k的值时表示频率分辨率达到设定范围并输出测量结果,反之则返回步骤S6。
由上述方案可见,通过将第一次采集的音频信号进行分析,根据分析结果判断是否需要做第二次处理分析。评估抽取数据值时,采用输入信号的主频率f1和当前的频率分辨率fp的倍数关系x与设定的偏差比例k进行对比,其中k为用户设定值,当k值越大, 频率分辨率fp越高。可以自动评估当前检测频率是否满足用户所要求的分辨率,最终可以提高频率计算的精度。而且不需要用户去根据输入信号的频率去调整模数转换器的采样率和采集数据的个数。其中,步骤S4和步骤S7中的窗函数的选择根据用户的需求设定。
一个优选方案是,步骤S4和步骤S7中窗函数为nuttall 四项三阶窗函数。
由上述方案可见,窗函数的选择根据用户的需求设定,通过选择nuttall 四项三阶窗函数目的在于使thd+n的旁瓣衰减能够<-80dB,进而保证测量精度。
进一步的优选方案是,所述nuttall四项三阶窗函数的校准算法计算频率包括以下步骤:
步骤C1、数据经过FFT运算处理后为N个复数形式数据 x+yj,计算获得N个复数数据的模p,;
步骤C2、找到模值最大的数据和模值第二大的数据以及数据对应在N个数据中的顺序位置和;
步骤C3、根据上述参数计算校准系数,;
步骤C4、根据上述参数计算校准系数,,其中、、均为Nuttall四项三阶的计算系数的常数;
步骤C5、计算频率f,。
由上述方案可见,FFT处理不同的窗函数频率校准算法有所不同,可根据窗函数选择适合自己的校准算法进行频率f的计算,本方案中使用的校准算法是双峰谱线校准法。
一个优选方案是,步骤S6中数据抽取数m的取值需满足m>=n且为当前的频率分辨率fp的约数。
由上述方案可见,在设置数据抽取数m时,通过限定抽取数必须是采样率的公约数,进而实现保证数据抽取后的采样率是整数。
一个优选方案是,步骤S6中依据调整后的数据抽取数m执行二次信号采集的方法具体为:每次读取信号时读取m个数据,取当次读取m个数据中最后读出的数据保存至存储器中,完成N次数据保存后获得新的N个信号数据。
由上述方案可见,通过调整后的数据抽取数m使得实际读取的数据量为N*m,取每次读取信号时最后获得的数据,通过取多次读取后的稳定数值,使得获得更精准的采样数据。
附图说明
图1是本发明的流程图。
具体实施方式
如图1所示,在本实施例中,本发明包括以下步骤:
步骤S1、为进行采样的模数转换器设定一固定的采样率Fs以及设定偏差比例为k;
步骤S2、初次采样时设置数据抽取数m=1,对模数转换器采样回来的数据量不做任何处理;
步骤S3、执行初次信号采集,读取模数转换器采样回来的N个数据并储存在存储器中;
步骤S4、完成存储后对N个数据执行加窗处理后做FFT运算处理,产生N个的复数形式的数据,并根据模数转换器的采样率Fs、N个复数形式数据、数据抽取数m以及窗函数的校准算法计算输入信号的主频率f1;
步骤S5、设输入信号的主频率f1与当前的频率分辨率fp的倍数关系为x,且x=f1/fp,fp=Fs/N,根据输入信号的主频率f1计算当前倍数关系x的数值,将倍数关系x的值与设定的偏差比例k的值进行比对;
步骤S6、当x<k时,根据初次采样获得输入信号的主频率f1、初次采样数据个数N、设定的偏差比例k以及当前的频率分辨率fp进行数据抽取数m的调整,数据抽取数m的值根据中间变量n进行取值,n=(fp*k)/(N*f1),同时依据调整后的数据抽取数m执行二次信号采集,并获得新的N个数据,对新的N个数据执行加窗处理后做FFT运算处理,产生新的N个复数形式的数据。其中,依据调整后的数据抽取数m执行二次信号采集的方法具体为:每次读取信号时读取m个数据,取当次读取m个数据中最后读出的数据保存至存储器中,完成N次数据保存后获得新的N个信号数据;
步骤S7、根据模数转换器的采样率Fs、新的N个复数形式数据、数据抽取数m以及窗函数的校准算法计算输入信号的主频率f2;
步骤S8、根据调整后输入信号的主频率f2计算当前倍数关系x的数值,将倍数关系x的值与设定的偏差比例k的值进行比对,当x>=k的值时表示频率分辨率达到设定范围并输出测量结果,反之则返回步骤S6。
在本实施例中,步骤S4和步骤S7中窗函数选择nuttall 四项三阶窗函数,进而实现thd+n的旁瓣衰减能够<-80dB。
另外,步骤S4和步骤S7根据待测量的音频信号参数可自由选取相应性能的窗函数,示例窗函数如表1所示:
;
在本实施例中,所述nuttall四项三阶窗函数的校准算法计算频率包括以下步骤:
步骤C1、数据经过FFT运算处理后为N个复数形式数据 x+yj,计算获得N个复数数据的模p,;其中,复数形式数据x+yj中的x代表复数形式数据的实部,y代表复数形式数据的虚部;
步骤C2、找到模值最大的数据和模值第二大的数据以及数据对应在N个数据中的顺序位置和;
步骤C3、根据上述参数计算校准系数,;
步骤C4、根据上述参数计算校准系数,,其中、、均为Nuttall四项三阶的计算系数的常数,,,;
步骤C5、计算频率f,。
在本实施例中,步骤S6中数据抽取数m的取值需满足m>=n且为当前的频率分辨率fp的约数。
实施例一:
输入的音频信号频率为20Hz,数据的采样数量N为8192;
;
常规测量方法对比:
。
实施例二:
输入的音频信号频率为30Hz,数据的采样数量N为8192;
;
常规测量方法对比:
。
实施例三:
输入的音频信号频率为40Hz,数据的采样数量N为8192;
;
常规测量方法对比:
。
结论:通过申请设定模数转换器的采样率、设定一偏差比例k以及设定数据抽取数m为1,在初次采集时对采集的n个数据执行加窗处理后做FFT运算处理获取相应的复数形式的数据,根据获取的参数和数据执行校准算法计算计算输入信号的主频率f1,进一步计算输入信号的主频率f1与当前的频率分辨率fp的倍数关系x,根据倍数关系x与设定的偏差比例k比对结果对数据抽取数m进行自适应调整,进而通过调整后的数据抽取数进行二次采样以及采样数据的筛选,再根据自动调整参数后的函数进行计算获取测量值,实现自适应提高测量分辨率。达到在采样率和实际FFT处理计算数据量不变的情况下自适应提高FFT处理的计算分辨率,保证消耗资源和成本相同的情况下提高信号频率检测精度。
Claims (4)
1.一种自适应提高频率测量精度的音频信号测量方法,其特征在于,它包括以下步骤:步骤S1、为进行采样的模数转换器设定一固定的采样率Fs以及设定偏差比例为k;
步骤S2、初次采样时设置数据抽取数m=1,对模数转换器采样回来的数据量不做任何处理;
步骤S3、执行初次信号采集,读取模数转换器采样回来的N个数据并储存在存储器中;
步骤S4、完成存储后对N个数据执行加窗处理后做FFT运算处理,产生N个的复数形式的数据,并根据模数转换器的采样率Fs、N个复数形式数据、数据抽取数m以及窗函数的校准算法计算输入信号的主频率f1;
步骤S5、设输入信号的主频率f1与当前的频率分辨率fp的倍数关系为x,且x=f1/fp,fp=Fs/N,根据输入信号的主频率f1计算当前倍数关系x的数值,将倍数关系x的值与设定的偏差比例k的值进行比对;
步骤S6、当x<k时,根据初次采样获得输入信号的主频率f1、初次采样数据个数N、设定的偏差比例k以及当前的频率分辨率fp进行数据抽取数m的调整,数据抽取数m的值根据中间变量n进行取值,n=(fp*k)/(N*f1),同时依据调整后的数据抽取数m执行二次信号采集,并获得新的N个数据,对新的N个数据执行加窗处理后做FFT运算处理,产生新的N个复数形式的数据;其中,数据抽取数m的取值需满足m>=n且为当前的频率分辨率fp的约数;
步骤S7、根据模数转换器的采样率Fs、新的N个复数形式数据、数据抽取数m以及窗函数的校准算法计算输入信号的主频率f2;
步骤S8、根据调整后输入信号的主频率f2计算当前倍数关系x的数值,将倍数关系x的值与设定的偏差比例k的值进行比对,当x>=k的值时表示频率分辨率达到设定范围并输出测量结果,反之则返回步骤S6。
2.根据权利要求1所述的一种自适应提高频率测量精度的音频信号测量方法,其特征在于,步骤S4和步骤S7中窗函数为nuttall 四项三阶窗函数。
3.根据权利要求2所述的一种自适应提高频率测量精度的音频信号测量方法,其特征在于,所述nuttall四项三阶窗函数的校准算法计算频率包括以下步骤:
步骤C1.数据经过FFT运算处理后为N个复数形式数据 x+yj,计算获得N个复数数据的模p,;
步骤C2.找到模值最大的数据和模值第二大的数据以及数据对应在N个数据中的顺序位置和;
步骤C3.根据上述参数计算校准系数,;
步骤C4.根据上述参数计算校准系数,,其中、、均为Nuttall四项三阶的计算系数的常数;
步骤C5.计算频率f,。
4.根据权利要求1所述的一种自适应提高频率测量精度的音频信号测量方法,其特征在于,步骤S6中依据调整后的数据抽取数m执行二次信号采集的方法具体为:每次读取信号时读取m个数据,取当次读取m个数据中最后读出的数据保存至存储器中,完成N次数据保存后获得新的N个信号数据。
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