[發明專利]一種聲信號隨機稀疏壓縮采樣方法及裝置

有效

• 申請號: 201810386587.2
• 申請日: 2018-04-26
• 公開（公告）號: CN108631786B
• 公開（公告）日: 2022-05-27
• 發明（設計）人: 劉志紅;劉尊民;儀垂杰;趙玉貴;宿元亮;李賀
• 申請（專利權）人: 青島理工大學
• 主分類號: H03M7/30
• 分類號: H03M7/30;G10L19/00
• 代理公司: 濟南圣達知識產權代理有限公司 37221
• 代理人: 楊哲

本發明公開了一種聲信號隨機稀疏壓縮采樣方法及裝置，該方法包括：采集模擬量聲信號，對模擬量聲信號進行稀疏表示和稀疏分解，得到信號稀疏向量、稀疏度及A/D轉換稀疏系數；根據稀疏采樣、基主分量和隨機高斯矩陣構建出測量矩陣，將信號稀疏向量在測量矩陣上進行自適應投影；并利用等距性條件檢驗測量矩陣的有效性；根據稀疏度確定稀疏采樣的平均采樣頻率和采樣率，完成稀疏壓縮采樣。本發明將聲信號的稀疏性與隨機壓縮采樣進行結合，實現遠低于經典奈奎斯特采樣頻率的壓縮采樣。

技術領域

本發明屬于稀疏聲信號處理的技術領域，尤其是涉及一種聲信號隨機稀疏壓縮采樣方法及裝置。

背景技術

傳統信號采集與處理過程包括采樣、壓縮、傳輸、解壓縮四個部分，其采樣過程必須遵循Shannon-Nyquist采樣定理，這種信息獲取方式對模數轉換器(ADC)要求高、采樣數據量大、信息冗余性強、占用傳輸帶寬以及存儲空間大，是嚴重制約數據高效利用和高速傳輸的主要原因。

目前，國內外對信號的處理方法有非均勻采樣法、時間交替并行采樣法、隨機采樣法和壓縮采樣法等。非均勻、時間交替并行和隨機采樣法雖然在現有ADC技術條件下能提高采集系統捕捉信號的能力，但是由于采樣過程仍受Shannon-Nyquist采樣定理和ADC有限帶寬的限制，因而即使在被測信號稀疏先驗條件下，仍不能降低數量采集量和存儲空間。

壓縮采樣法作為一種全新的信息獲取方法是建立在壓縮感知理論基礎上，該方法利用被測信號的稀疏先驗知識，以遠低于信號Nyquist頻率的采樣率獲取稀疏信號的非自適應線性投影，通過最優化稀疏重建算法仍能準確重構原始信號。在對信號采樣的同時對數據進行壓縮，將傳統的信號獲取和處理過程中的數據采集和壓縮合二為一。大幅度降低了數據采集量，提高了數據傳輸速度。

然而，壓縮采樣過程包括兩個關鍵因素，一是信號的稀疏表示；二是隨機投影測量矩陣的構建。目前，針對信號稀疏表示主要基于基函數，如傅里葉、正弦和小波基，這種以基函數為分解基礎的稀疏表示方法一旦基函數確定其稀疏表示就確定了，不能得到最優稀疏表示，使得信息冗余度大，稀疏度小，采集數據量壓縮有限；針對隨機投影測量矩陣的構建均已等距性條件為依據，采樣隨機傅里葉矩陣等，而這種等距性條件僅能作為檢驗條件，而不能作為構造依據。

鑒于上述，研究切實可行的聲信號隨機稀疏壓縮采樣技術，對減輕數據量和無線傳感成本，促進我國聲信息測量和無線傳輸高速發展具有現實意義。隨機壓縮采樣是一種高效的信息獲取和處理方法，在信息論、圖像處理、醫學成像、模式識別等領域得到了廣泛研究與應用。若將聲信號的稀疏性與隨機壓縮采樣結合，定能帶來聲信號測量技術與成本的革新與優化。

綜上所述，針對現有技術中如何將聲信號的稀疏性與隨機壓縮采樣進行結合實現遠低于經典奈奎斯特采樣頻率的壓縮采樣的問題，尚缺乏有效的解決方案。

發明內容

針對現有技術中存在的不足，本發明提供了一種聲信號隨機稀疏壓縮采樣方法及裝置，將具有稀疏性的聲信號在基矩陣上稀疏表示，確定聲信號稀疏度形成稀疏分量，再以與基矩陣所有列向量不相關的符合高斯隨機分布的隨機矩陣作為測量矩陣，利用測量矩陣對聲信號稀疏分量隨機投影降維，進而實現遠低于經典奈奎斯特采樣頻率的壓縮采樣。

本發明的第一目的是提供一種聲信號隨機稀疏壓縮采樣方法。

為了實現上述目的，本發明采用如下一種技術方案：

一種聲信號隨機稀疏壓縮采樣方法，該方法包括：

采集模擬量聲信號，對模擬量聲信號進行稀疏表示和稀疏分解，得到信號稀疏向量、稀疏度及A/D轉換稀疏系數；

根據稀疏采樣、基主分量和隨機高斯矩陣構建出測量矩陣，將信號稀疏向量在測量矩陣上進行自適應投影；并利用等距性條件檢驗測量矩陣的有效性；

根據稀疏度確定稀疏采樣的平均采樣頻率和采樣率，完成稀疏壓縮采樣。