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您当前的位置： 单音信号频率检测方法、装置、设备及计算机存储介质与流程
2021-01-28 13:01:48|
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本发明属于信号检测领域，尤其涉及一种单音信号频率检测方法、装置、设备及计算机存储介质。
背景技术：
在无线通信系统中，接收设备中需要对单频实数信号进行频率检测，并根据检测结果识别信令、地址号码或字符，比如基于模拟调频的集群通信、模拟对讲以及模拟有线电话传输中经常使用模拟单音传输信令、拨号号码或字符。
目前，检测单音(频)信号的常用方法有格兹尔算法(goertzelalgorithm)和离散傅立叶变换dft算法等。但是，现有的方法需要在已知频点的情况下，对信号进行检测，确认接收信号是否为已知频率信号，无法实现频率盲检，且检测出的结果精确度不高。
技术实现要素：
本发明实施例提供一种单音信号频率检测方法、装置、设备及计算机存储介质，能够实现单音信号的盲检以及提高检测频率精度的效果。
一方面，本发明实施例提供一种单音信号频率检测方法，方法包括：
获取m个采样点的单音信号；
对所述m个采样点的单音信号进行频率估计，得到m个频率估计值；
对所述m个频率估计值进行至少一次累加平均计算，确定所述单音信号的频率值。
另一方面，本发明实施例提供了一种单音信号频率检测装置，装置包括：
单音信号获取模块，用于获取m个采样点的单音信号；
鉴频模块，用于对所述m个采样点的单音信号进行频率估计，得到m个频率估计值；
单音信号频率确定模块，用于对所述m个频率估计值进行至少一次累加平均计算，确定所述单音信号的频率值。
再一方面，本发明实施例提供了一种单音信号频率检测设备，设备包括：
处理器以及存储有计算机程序指令的存储器；
所述处理器执行所述计算机程序指令时实现如上任意一项所述方法。
再一方面，本发明实施例提供了一种计算机存储介质，所述计算机存储介质上存储有计算机程序指令，所述计算机程序指令被处理器执行时实现如上任意一项所述的方法。
本发明实施例的单音信号频率检测方法、装置、设备及计算机存储介质，获取m个采样点的单音信号，通过对所述m个采样点的单音信号进行频率估计，得到m个频率估计值，再对所述m个频率估计值进行至少一次累加平均计算，确定所述单音信号的频率值。采用本申请中的检测方法可无需提前获取接收到的单音信号的频率，实现频率盲检，并且通过对频率估计处理后得到的频率估计值依次进行累加、剔除和累加处理，提高信噪比以及检测精度，使检测误差达到小于2hz的检测精度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图作简单的介绍，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是现有技术中格兹尔算法流程图；
图2是本发明一个实施例提供的单音信号频率检测方法的流程示意图；
图3是本发明一个实施例提供的单音信号频率检测方法的结构示意图；
图4是本发明另一个实施例提供的单音信号频率检测方法的结构示意图；
图5是本发明一个实施例提供的单音信号频率检测装置的结构示意图；
图6是本发明另一个实施例提供的单音信号频率检测设备的结构示意图。
具体实施方式
下面将详细描述本发明的各个方面的特征和示例性实施例，为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本发明进行进一步详细描述。应理解，此处所描述的具体实施例仅被配置为解释本发明，并不被配置为限定本发明。对于本领域技术人员来说，本发明可以在不需要这些具体细节中的一些细节的情况下实施。下面对实施例的描述仅仅是为了通过示出本发明的示例来提供对本发明更好的理解。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
目前检测单频信号的常用方法有格兹尔算法(goertzelalgorithm)和离散傅立叶变换dft算法等。
1、离散傅立叶变换算法(dft)
设接收信号的时域采样为
上式中，f是目标频点，fs是采样频率，i+1是用于计算目标频点频域响应的时域采样点数。离散傅立叶变换算法每步需要计算旋转因子
2、格兹耳算法
格兹尔算法的原理跟离散傅立叶变换一致，只是实现方式与离散傅立叶变换有差别。格兹尔算法用iir滤波器的结构实现离散傅立叶变换，如图1所示。
图1表示的算法可用下式表示：
根据上式中yi(f)幅度大小，可以检测出接收信号x(i)是否包含目标频点信号。
离散傅立叶变换和格兹尔算法的共同特点是需要在已知频点的情况下，对信号进行检测，确认接收信号是否是已知频率信号。当接收信号是几种可能的频率中的一种时，需要几组检测模块同时工作，根据计算结果幅度的最大值确定接收信号的频率。或者在没有接收信号频率信息的情况下，这两种算法都不能对信号频率进行盲检。
为了解决现有技术问题，本发明实施例提供了一种单音信号频率检测方法、装置、设备及计算机存储介质。下面首先对本发明实施例所提供的单音信号频率检测方法进行介绍。
本发明方案架构包括三部分：鉴频模块+m点累加平均+n点比较+剔除偏离值+n点累加平均。
第一种鉴频方式：
鉴频模块1：数字变频器+低通滤波+鉴频器。
第二种鉴频方式：
鉴频模块2：差分+低通滤波+接收信号幅度估计+对幅度进行归一化+查表求频率。
该发明可用于需要对模拟实数单频信号进行频率检测的场景，比如有线电话或者模拟对讲设备中的拨号音，模拟亚音信令检测等。
图2示出了本发明一个实施例提供的单音信号频率检测方法的流程示意图。如图2所示，所述方法包括：
步骤s1：获取m个采样点的单音信号。
步骤s2：对所述m个采样点的单音信号进行频率估计，得到m个频率估计值。
步骤s3：对所述m个频率估计值进行至少一次累加平均计算，确定所述单音信号的频率值。
具体地，在步骤s1-s3中，单音信号也称单频信号，采集m(m为大于1的正整数)个采样点的单音信号，其中，每个采样点的频率均为未知。本申请采用两种鉴频方式对所述m个采样点的单音信号进行频率估计，以获取m个频率估计值。
本发明实施例的单音信号频率检测方法、装置、设备及计算机存储介质，获取m个采样点的单音信号，通过对所述m个采样点的单音信号进行频率估计，得到m个频率估计值，再对所述m个频率估计值进行至少一次累加计算，确定所述单音信号的频率值。本申请中的检测方法可无需提前获取接收到的单音信号的频率，即可实现频率盲检。通过对频率估计处理后得到的频率估计值依次进行累加、剔除和累加处理，可提高信噪比以及检测精度，使检测误差达到小于2hz的检测精度。
参见图3，第一种鉴频方式具体如下：
在一个实施例中，步骤s2包括：
步骤s21：对所述m个采样点的单音信号进行数字变频，得到所述m个采样点的单音信号变频后的差频信号和和频信号。
步骤s22：滤除所述m个采样点的单音信号变频后的和频信号，得到所述m个采样点的单音信号变频后的差频信号，并对所述m个采样点的单音信号变频后的差频信号进行鉴频处理，得到m个频率估计值。
在步骤s21-s22中，将所述m个采样点的单音信号表示为：
预设频率指系统内部设定的频率值。本申请中为了获取所需差频信号，遂将其他频带的信号(即和频信号)进行滤除。
在一个实施例中，步骤s21包括：
步骤s211：获取对所述m个采样点的单音信号进行变频后所对应的i路信号和对所述m个采样点的单音信号进行变频后所对应的q路信号。
步骤s212：对所述m个采样点的单音信号进行数字变频，分别得到对所述m个采样点的单音信号进行变频后所对应的i路信号的差频信号和和频信号，以及对所述m个采样点的单音信号进行变频后所对应的q路信号的差频信号和和频信号。
在步骤s211-s212中，将m个采样点的单音信号表示为：
第二种算法：
公式(3)-(6)中f是接收信号频率、fo是数字变频时采用的中心频率、fs是接收信号的采样频率、
在一个实施例中，步骤s22包括：
步骤s221：分别滤除对所述m个采样点的单音信号进行变频后所对应的i路信号的和频信号，以及对所述m个采样点的单音信号进行变频后所对应的q路信号的和频信号，确定对所述m个采样点的单音信号进行变频后所对应的i路信号的差频信号和对所述m个采样点的单音信号进行变频后所对应的q路信号的差频信号。
步骤s222：对所述m个采样点的单音信号进行变频后所对应的i路信号的差频信号和对所述m个采样点的单音信号进行变频后所对应的q路信号的差频信号进行鉴频处理，得到m个频率值。
在步骤s221-s222中，数字变频以后的信号经过低通滤波器滤除i/q信号的和频分量、同相白噪声分量和正交白噪声分量，将i/q信号的差频信号进入鉴频器进行鉴频，以确定m个频率值。
在一个实施例中，步骤s222包括：
步骤s2221：获取数字变频时采用的中心频率值。
步骤s2222：对所述m个频率值中每个频率值与所述中心频率值进行计算，得到m个频率估计值。
在步骤s2221-s2222中，对于式(3)和(4)，鉴频后输出为：
参见图4，第二种鉴频方式具体如下：
在一个实施例中，步骤s2还包括：
步骤s23：对所述m个采样点的单音信号进行差分处理，得到所述m个采样点的单音信号的差频信号和和频信号。
步骤s24：滤除所述m个采样点的单音信号中的和频信号，确定所述m个采样点的单音信号的差频信号。
步骤s25：计算所述m个采样点的单音信号的平方，得到所述m个采样点的单音信号的平方值。
步骤s26：对所述m个采样点的单音信号的平方值进行低通滤波，得到所述m个采样点的单音信号的幅度估计值。
步骤s27：利用所述m个采样点的单音信号的幅度估计值，依次对所述m个采样点的单音信号的差频信号进行归一化和反余弦运算，得到m个频率估计值。
在步骤s23-s27中，m个采样点的单音信号为：
假设单音信号为恒包络信号，ai＝ai-1，则上式可以进一步展开为：
对式(8)进一步进行低通滤波，得到信号：
第二路对所述m个采样点的单音信号进行平方运算，得到下式：
对式(10)进行低通滤波，得到接收信号的幅度估计值
在一个实施例中，步骤s3包括：
步骤s31：在所述m个频率估计值中依次选取第一预设数量的频率估计值，并对所述第一预设数量的频率估计值进行累加平均，得到n个第一累加平均结果。
步骤s32：剔除所述n个第一累加平均结果中异常的第一累加平均结果，得到k个第一累加平均结果。
步骤s33：在所述k个第一累加平均结果中依次选取第二预设数量的第一累加平均结果，并对所述第二预设数量的第一累加平均结果再进行累加平均，得到至少一个第二累加平均结果，并将所述至少一个第二累加平均结果作为所述单音信号的频率值；其中，m、n、k均为整数，m>n>＝k，k>1。
在步骤s31-s33中，通过以上两种方式对单音信号进行鉴频后，得到m个频率估计值。进一步，对m个频率估计值进行m点累加，提高信噪比；对于m点累加以后的信号，再取n点进行观察，在n点信号中，剔除取值明显偏离的值，然后再进行累加，进一步提高信噪比。最后，将剩余的频率估计值作为所述单音信号的频率值。其中，第一预设数量和第二预设数量指系统内部设定的固定数量，第一预设数量用m表示，第二预设数量用n表示，其中，m、n均为大于1的整数。
在一个实施例中，所述步骤s32包括：
步骤s321：若所述n个第一累加平均结果中存在超出预设阈值范围的第一累加平均结果，则剔除超出预设阈值范围的第一累加平均结果，得到k个第一累加平均结果。
具体地，预设范围阈值指提前设定的关于频率估计值得取值范围。对于k个第一累加结果的获取并不限定于以上实施例，还可以先选取预设数量的第一累加结果，之后求预设数量的第一累加结果的平均值，将求取的平均值与预设平均值进行比较，若存在明显偏离预设平均值的第一累加结果，则将明显偏离平均值的第一累加结果剔除，以确定k个第一累加结果。
本发明的优点包括：
1、采用数字变频，然后再鉴频的方法进行频率检测，可以实现单频实数信号的盲检，现有技术中都需要已知接收信号频率，无法实现频率盲检。
2、m点累加，n点比较剔除偏离值然后累加的方法，充分利用了鉴频后信号的特点，保证了低信噪比条件下的检测性能，实现灵活。
现有技术可采用增加dft长度或增加滤波时间长度等方式来改善检测结果信噪比，提高频率检测准确度。但是增加dft长度或增加滤波时间的方式的代价是增加检测时间，这样在检测时间比较敏感的场合，比如利用单音信号做通信信令的场景下，检测时间无法满足通信体制的要求。尤其是当接收端已知频率信息与接收到的实际频率信息不一致时，需要重新启动技术一中的dft计算，或将技术二中滤波器中间值清零，达到检测新的频点的目的，对这种突变情况反应不灵活。而本发明采用的技术通过观察m点累加以后的输出值，可以很快地得到初步检测结果，通过n点比较剔除偏离值然后累加的方法又可以进一步改善信噪比，提高检测精度。另外通过观察可以很方便发现接收信号频率发生的变化，对突发情况应对灵活。
参见图5，本申请还提供了一种单音信号频率检测装置，所述装置包括：
信号获取模块10，用于获取m个采样点的单音信号。
鉴频模块20，用于对所述m个采样点的单音信号进行频率估计，得到m个频率估计值。
信号频率确定模块30，用于对所述m个频率估计值进行至少一次累加平均计算，确定所述单音信号的频率值。
图6示出了本发明实施例提供的单音信息频率检测的硬件结构示意图。
单音信息频率检测设备可以包括处理器301以及存储有计算机程序指令的存储器302。
具体地，上述处理器301可以包括中央处理器(cpu)，或者特定集成电路(applicationspecificintegratedcircuit，asic)，或者可以被配置成实施本发明实施例的一个或多个集成电路。
存储器302可以包括用于数据或指令的大容量存储器。举例来说而非限制，存储器302可包括硬盘驱动器(harddiskdrive，hdd)、软盘驱动器、闪存、光盘、磁光盘、磁带或通用串行总线(universalserialbus，usb)驱动器或者两个或更多个以上这些的组合。在合适的情况下，存储器302可包括可移除或不可移除(或固定)的介质。在合适的情况下，存储器302可在综合网关容灾设备的内部或外部。在特定实施例中，存储器302是非易失性固态存储器。在特定实施例中，存储器302包括只读存储器(rom)。在合适的情况下，该rom可以是掩模编程的rom、可编程rom(prom)、可擦除prom(eprom)、电可擦除prom(eeprom)、电可改写rom(earom)或闪存或者两个或更多个以上这些的组合。
处理器301通过读取并执行存储器302中存储的计算机程序指令，以实现上述实施例中的任意一种单音信号频率检测方法。
在一个示例中，单音信息频率检测设备还可包括通信接口303和总线310。其中，如图3所示，处理器301、存储器302、通信接口303通过总线310连接并完成相互间的通信。
通信接口303，主要用于实现本发明实施例中各模块、装置、单元和/或设备之间的通信。
总线310包括硬件、软件或两者，将单音信号频率检测设备的部件彼此耦接在一起。举例来说而非限制，总线可包括加速图形端口(agp)或其他图形总线、增强工业标准架构(eisa)总线、前端总线(fsb)、超传输(ht)互连、工业标准架构(isa)总线、无限带宽互连、低引脚数(lpc)总线、存储器总线、微信道架构(mca)总线、外围组件互连(pci)总线、pci-express(pci-x)总线、串行高级技术附件(sata)总线、视频电子标准协会局部(vlb)总线或其他合适的总线或者两个或更多个以上这些的组合。在合适的情况下，总线310可包括一个或多个总线。尽管本发明实施例描述和示出了特定的总线，但本发明考虑任何合适的总线或互连。
另外，结合上述实施例中的单音信号频率检测方法，本发明实施例可提供一种计算机存储介质来实现。该计算机存储介质上存储有计算机程序指令；该计算机程序指令被处理器执行时实现上述实施例中的任意一种单音信号频率检测方法。
需要明确的是，本发明并不局限于上文所描述并在图中示出的特定配置和处理。为了简明起见，这里省略了对已知方法的详细描述。在上述实施例中，描述和示出了若干具体的步骤作为示例。但是，本发明的方法过程并不限于所描述和示出的具体步骤，本领域的技术人员可以在领会本发明的精神后，作出各种改变、修改和添加，或者改变步骤之间的顺序。
以上所述的结构框图中所示的功能块可以实现为硬件、软件、固件或者它们的组合。当以硬件方式实现时，其可以例如是电子电路、专用集成电路(asic)、适当的固件、插件、功能卡等等。当以软件方式实现时，本发明的元素是被用于执行所需任务的程序或者代码段。程序或者代码段可以存储在机器可读介质中，或者通过载波中携带的数据信号在传输介质或者通信链路上传送。“机器可读介质”可以包括能够存储或传输信息的任何介质。机器可读介质的例子包括电子电路、半导体存储器设备、rom、闪存、可擦除rom(erom)、软盘、cd-rom、光盘、硬盘、光纤介质、射频(rf)链路，等等。代码段可以经由诸如因特网、内联网等的计算机网络被下载。
还需要说明的是，本发明中提及的示例性实施例，基于一系列的步骤或者装置描述一些方法或系统。但是，本发明不局限于上述步骤的顺序，也就是说，可以按照实施例中提及的顺序执行步骤，也可以不同于实施例中的顺序，或者若干步骤同时执行。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为了描述的方便和简洁，上述描述的系统、模块和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。应理解，本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。
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