[發(fā)明專利]基于信息分布模式的隨機采樣方法

有效

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• 申請日: 2017-11-27
• 公開（公告）號: CN108322218B
• 公開（公告）日: 2021-09-07
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 姚萌;蘇勇飛;葉征宇
• 申請（專利權(quán)）人: 中科觀世（北京）科技有限公司
• 主分類號: H03M1/12
• 分類號: H03M1/12;G06F7/58;G06N3/12
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

基于信息分布模式的隨機采樣方法。自適應地建立與原始信號分布有相似分布特征的隨機采樣點進行原始信號采集的方法。本方法主要由信號采集模塊(1)、信號傳感器(5)、FIFO模塊(8)、隨機數(shù)據(jù)生成模塊(9)、計算機(10)、Y分布模塊(12)和信號分析模塊(13)組成。當聲音帶寬22.05KHz時，奈奎斯特采樣率需要44.1KHz，才能實現(xiàn)完全重建原始聲音；然而，用正態(tài)分布模式采樣重建原始聲音時，只需要采樣頻率400Hz，就能夠獲得小于0.3％誤差的聲音效果。當用Y分布模式采樣與奈奎斯特模式采樣得到相同信號分辨率的情況下，可以大大壓縮Y分布模式采樣的數(shù)據(jù)量。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于信號檢測與信息獲取技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種基于信息分布而 建立的偽隨機采樣技術(shù)。

背景技術(shù)

采樣是將一個目標信號轉(zhuǎn)換成一個數(shù)值序列的數(shù)學方法。在相應時間采集 目標信號數(shù)據(jù)的采集點我們稱為采樣點，樣本的采樣過程稱為樣本采樣，每一 個采樣的信號數(shù)值稱為一個采樣樣本；兩個采樣點之間的時間空隙稱為采樣間 隔；信號采樣的時間間隔很小，可以在毫秒和微秒甚至納秒的量級；采樣點的 時間函數(shù)為x(t)，在采樣點采集的信號數(shù)值為信號電平，通過模/數(shù)轉(zhuǎn)換，將 模擬信號電平值變成為數(shù)字信號——稱為采樣數(shù)值或樣本數(shù)值。

采樣定理指出，如果信號是帶限的，并且采樣頻率f高于信號帶寬頻率F 的兩倍，f＞2F，那么，原來的連續(xù)信號可以從采樣樣本中完全重建出來；當采 樣頻率f低于原始信號中頻率F的兩倍時f≤2F，采樣后的頻率分量會導致混疊 現(xiàn)象，混疊問題的嚴重程度與這些混疊頻率分量的相對強度有關(guān)。f-2F的數(shù)值 越小，則混疊現(xiàn)象越嚴重。

例如：當前一段音樂的頻率在22KHz，當采用奈奎斯特采樣時，聲卡常用的 采樣頻率f＝44.1KHz，每秒采集聲音樣本44.1千次，能夠充分還原原始信號的 頻率是F＝22.05KHz以下的聲音頻率，采樣頻率f越高，獲得的聲音文件質(zhì)量 越好，占用存儲空間也就越大。一首CD音質(zhì)的歌曲會占去45M左右的存儲空間。

為了壓縮音頻信號的存儲空間，近年來，出現(xiàn)了替代奈奎斯特采樣定理的 “壓縮采樣”理論。用隨機采樣來獲取信號的離散樣本，然后通過非線性重建 算法重建信號，實現(xiàn)用不完全的數(shù)據(jù)組來重建原信號。以下兩種措施可避免混 疊的發(fā)生：1)提高采樣頻率，使之達到最高信號頻率的兩倍以上；2)引入低 通濾波器或提高低通濾波器的參數(shù)；該低通濾波器通常稱為抗混疊濾波器。這 兩種措施依然是建立在均勻采樣的基礎(chǔ)之上的。

最新發(fā)展的“壓縮采樣信號”理論，即CS理論依靠兩個準則：稀疏性和不 連貫性。稀疏性：CS方法發(fā)現(xiàn)許多自然信號是十分稀疏并可壓縮的，當用適當 的基礎(chǔ)特征函數(shù)Ψ表述時，他們就能有簡明的表達。不連貫性：延續(xù)了時間和 頻率的二元性，并表明目標在基礎(chǔ)特征函數(shù)Ψ的區(qū)間內(nèi)有一個稀少的特征并一 定會在他們已有的范圍內(nèi)擴展。這種壓縮采樣為加速斷層成像，模數(shù)轉(zhuǎn)換和數(shù) 字攝影等一系列應用提供了新的方向。但是，在“壓縮采樣”理論的實踐中發(fā) 現(xiàn)，“壓縮采樣”中的奈奎斯特采樣仍然會遵循采樣定理的規(guī)律出現(xiàn)“混疊”現(xiàn) 象。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是基于原信號信息分布情況，自適應地建立起相似分布的隨 機采樣點，對原始信號進行采樣的方法。

為什么“壓縮采樣信號”理論出現(xiàn)后，至今沒有實現(xiàn)這一方法的系統(tǒng)出現(xiàn)？ 這是因為該CS理論依靠兩個準則：原始信號的稀疏性和不連貫性。長期以來， 人們在不斷尋找符合該理論的表達方式或函數(shù)，但是到目前為止，沒有找到更 好的表達模式。