多通道时序信号的时频特征提取电路及自适应抑噪电路

1.本发明属于时序信号处理技术领域，具体涉及一种多通道时序信号的时频特征提取电路及自适应抑噪电路。


背景技术：

2.在时序信号处理中（如语音信号、雷达信号、地震波信号、通信信号等等无线传播信号），常常需要利用短时傅里叶变换(stft)来分析数据的时频特性，尤其针对其中的突变信号，然而，在一些有边缘计算要求的领域中受限于算力和能源不足，对stft这类的信号预处理计算有着较严格的低功耗要求。此外，在现实场景下时序信号处理几乎不可避免需要面对噪声干扰问题，因此预处理需要考虑对目标信号的增强和噪声信号的衰减，但是由于自然环境中的噪声类型复杂，甚至可能是与目标信号的同源干扰（如多径效应、空间混响、信号混叠等等），因此常常使用基于多通道的波束成形技术进行噪声抑制或信号增强，这类方法有着对噪声类型不敏感的优势，利用信号源和多个接收机的相对方向关系实现定向抑制或增强。这类方法主要分为时间域波束成形和频域波束成形：时间域波束成形的原理在于延迟累加，但在数字信号系统中信号都是以采集后的离散数据类型存在，因此时间域波束成形要求前端传感器的采样率较高、传感器相对距离较远，高采样率会带来系统的高运算复杂度，远距离摆放传感器则限制了技术的使用场景（如无法在小型智能设备中使用）；而频域波束成形的原理在于相位旋转累加，对采样率和传感器距离要求低，但是需要计算快速傅里叶变换（fft），涉及大量的运算。
3.因此，针对上述stft和波束成形的特点和应用场景要求，可以通过专用集成电路(asic)电路设计技术，同时满足时序信号在预处理阶段的时频特征提取和抑噪/信号增强的以下几点要求和挑战：1）低功耗处理，无论是stft还是波束成形都会带来大量运算复杂度，从而导致相应设计的硬件电路需要大量资源开销和功耗开销；2）灵活可配置，在信号处理的不同阶段，可能涉及到不同的预处理工作模式，比如在高信噪比情况下不需要进行波束成形，对采样率要求低且不需要处理多通道信号，如何灵活可配置以适应不同的工作模式；3）架构可扩展性，针对不同类型的时序信号的不同应用场景，在预处理阶段会涉及不同的算法，如语音的时频域特征提取中除stft外还会涉及到预加重和梅尔滤波等算法，设计的电路架构应该有良好的可扩展性。然而，现阶段的低功耗预处理电路设计方案大多是基于近似计算、模拟域计算或低精度运算等电路，但这些方法会损失一部分特征精度，同时并没有利用好相关应用场景的特点，如信噪比的高低、信号有无检测与种类识别的不同阶段等等，若能提出一种利用这些特点的处理方案便可以进一步降低预处理功耗且更加灵活、适应更多的应用场景。


技术实现要素：

4.本发明提供了一种多通道时序信号的时频特征提取电路及自适应抑噪电路，以降低特征提取和自适应抑噪处理的硬件资源开销和功耗。
5.一方面，本发明提供了一种多通道时序信号时频特征提取电路，其包括：参数配置模块、通道选择模块、降采样模块、短时傅里叶变换特征提取器、后处理选通控制模块和短时傅里叶变换特征后处理器；
6.其中，参数配置模块用于配置通道选择模块的单/双通道选择参数，配置降采样模块的降采样参数，配置短时傅里叶变换特征提取器的工作参数，以及配置后处理选通控制模块的选通控制参数；
7.通道选择模块根据参数配置模块配置的单/双通道选择参数开启单通道模式或者双通道模式，通道选择模块的输出端与降采样模块的输入端相连；
8.降采样模块根据参数配置模块配置的降采样参数对通道选择模块输出的信号进行降采样操作，降采样模块的输出端与短时傅里叶变换特征提取器的输入端相连；
9.短时傅里叶变换特征提取器用于根据参数配置模块配置的工作参数对降采样模块输出的信号进行短时傅里叶变换特征提取，得到第一时序信号特征并送入向后处理选通控制模块；所述第一时序信号特征包括多种不同点数的快速傅里叶变换模式；
10.后处理选通控制模块根据参数配置模块配置的选通控制参数确定：直接输出第一时序信号特征（短时傅里叶变换特征），或者将第一时序信号特征送入短时傅里叶变换特征后处理器，以获取第二时序信号特征；
11.短时傅里叶变换特征后处理器用于提取第二时序信号特征并输出，如语音特征。
12.进一步的，参数配置模块配置的工作参数包括：预加重选通控制参数、加窗选通参数和短时傅里叶变换模式选择参数；
13.进一步的，所述短时傅里叶变换特征提取器包括：预加重选通控制模块、预加重模块、分帧模块、加窗选通控制模块、加窗模块和快速傅里叶变换模块；
14.其中，预加重选通控制模块基于预加重选通控制参数控制从降采样模块输入的信号流向预加重模块还是直接流入分帧模块；
15.预加重模块在预加重模块选通的模式下，对预加重选通控制模块送入的信号进行信号补偿处理，并将处理后的信号送入分帧模块；
16.分帧模块采用前后两帧之间重叠一半的形式进行分帧处理，再将分帧后的信号送入加窗选通控制模块；
17.加窗选通控制模块根据参数配置模块配置的加窗选通参数，控制从分帧模块送入的信号直接流向快速傅里叶变换模块还是送入加窗模块；
18.加窗模块在加窗模块选通的模式下，将加窗选通控制模块送入的信号和预置的从静态随机存取存储器中读取的对应的窗参数相乘后送入快速傅里叶变换模块；
19.快速傅里叶变换模块根据参数配置模块配置的快速傅里叶变换模式选择参数进行模式设置，对加窗模块送入的信号进行处理获得对应模式下的短时快速傅里叶变换特征，并送至后处理选通控制模块。
20.进一步的，所述分帧模块包括单口随机存取存储器、先进先出队列和控制电路，其中，单口随机存取存储器的深度等于信号帧长；
21.在控制电路的控制下，从预加重选通控制模块或预加重模块输入的信号先写入分帧模块的单口随机存取存储器中，写满第一帧数据后送至加窗选通控制模块；第一帧后每写满半帧则从单口随机存取存储器中读取所有数据并送至加窗选通控制模块；且在对单口
随机存取存储器的读取期间，由预加重选通控制模块或预加重模块输入的信号会保存在先进先出队列中，带读取结束后再存入单口随机存取存储器。
22.进一步的，所述快速傅里叶变换模式包括两种模式：128点快速傅里叶变换和256点快速傅里叶变换。
23.进一步的，所述快速傅里叶变换模块包括两个模式选择模块和五个单路延迟负反馈模块；
24.其中，五个单路延迟负反馈模块分别为：第一混合通道基2方单路延迟负反馈模块、第一混合通道多点基2方单路延迟负反馈模块、第二混合通道多点基2方单路延迟负反馈模块、第三混合通道多点基2方单路延迟负反馈模块、第二混合通道基2方单路延迟负反馈模块；
25.第一模式选择模块用于基于参数配置模块配置的选通参数选通第一混合通道基2方单路延迟负反馈模块或者第一混合通道多点基2方单路延迟负反馈模块；
26.第一、第二和第三混合通道多点基2方单路延迟负反馈模块顺次连接，且第三混合通道多点基2方单路延迟负反馈模块的输出端接入第二模式选择模块；
27.第二模式选择模块用于基于参数配置模块配置的选通参数选通第二混合通道基2方单路延迟负反馈模块或者直接将第三混合通道多点基2方单路延迟负反馈模块的输出送至后处理选通控制模块。
28.进一步的，所述短时傅里叶变换特征后处理器包括梅尔滤波模块和对数模块；
29.其中，梅尔滤波模块在参数配置模块选通短时傅里叶变换特征后处理器的模式下，参数配置模块向梅尔滤波模块发送梅尔滤波工作参数，包括梅尔滤波器组数量、每个滤波器的起止地址及参数；
30.对数模块，用于对梅尔滤波模块的输出进行对数运算，基于对数运算结果得到语音特征提取结果并输出。
31.另一方面，基于本发明的多通道时序信号时频特征提取电路，本发明还提供了一种多通道时序信号自适应抑噪电路，包括：模式切换模块、控制电路、通道间相位差正弦值特征提取器、达波方向估计模块、频域波束成形器和本发明的多通道时序信号时频特征提取电路；
32.所述时频特征提取电路的通道选择模块开启双通道模式，后处理选通控制模块关闭短时快速傅里叶变换特征后处理器，以输出双通道的短时快速傅里叶变换特征；
33.模式切换模块包括两种模式：面向干扰源定位的特征提取模式和面向干扰源定向抑制的频域波束成形模式；且通过控制电路进行两种模式的切换，以用于将时频特征提取电路输出的时频特征输入通道间相位差正弦值特征提取器或者输入频域波束成形器；
34.通道间相位差正弦值特征提取器，用于实现面向干扰源定位的特征提取，提取时频特征提取电路输出的双通道的短时快速傅里叶变换特征的通道间相位差正弦值特征并送入达波方向估计模块；
35.达波方向估计模块基于预置的波达方向估计方法，对送入的通道间相位差正弦值特征进行波达角估计，获取干扰源的方位信息；同时将获取的波达角估计结果送入频域波束成形器；
36.频域波束成形器，用于实现面向干扰源定向抑制的频域波束成形，所述频域波束
成形器预存储有频域旋转因子，基于波达角估计结果提取与之匹配的频域旋转因子，再用提取出的频域旋转因子补偿时频特征提取电路当前输出的双通道的短时快速傅里叶变换特征间的干扰信号的相位差，得到自适应频域波束成形处理后的短时快速傅里叶变换特征。
37.进一步的，所述通道间相位差正弦值特征包括复数相位n阶坐标旋转数字计算模块和复数相位m阶坐标旋转数字计算模块，n和m为正整数，预设值；
38.复数相位n阶坐标旋转数字计算模块的输入端与模式切换模块的输出端相连，复数相位n阶坐标旋转数字计算模块的双通道输出经加法器后再送入复数相位m阶坐标旋转数字计算模块，复数相位m阶坐标旋转数字计算模块的输出端与达波方向估计模块的输入端相连。
39.本发明提供的技术方案至少带来如下有益效果：
40.本发明提出的一种多通道时序信号时频特征提取电路是一种基于可扩展架构的可重构时频域特征提取电路，通过电路复用，在较低额外硬件开销的基础上支持动态采样率、单/双通道处理和128点与256点fft两种快速傅里叶变换模式，并且融合了近似运算等低功耗电路设计技术，从而支持外部控制器在不同工作阶段使用不同工作模式，以节省功耗；同时，基于本发明提出的时频特征提取电路，本发明还提出了一种多通道时序信号自适应抑噪电路，用于实现自适应频域波束成形和时频域特征提取的电路级融合，其利用信号的短时平稳性，在时频域中进行短时频域波束成形，相比频域波束成形运算量更少且可以复用stft的电路和运算，以降低硬件资源开销和功耗。
附图说明
41.为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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它的附图。
42.图1为本发明实施例提供的一种多通道时序信号时频特征提取电路的结构示意图；
43.图2为本发明实施例提供的分帧模块的电路结构示意图；
44.图3为本发明实施例提供的快速傅里叶变换模块的电路结构示意图；
45.图4为本发明实施例提供的一种多通道时序信号自适应抑噪电路的结构示意图；
46.图5为本发明实例提供的一种多通道时序信号自适应抑噪电路在工作阶段的工作流程示意图；
47.图6为本发明实施例中的干扰源定位远场模型示意图。
具体实施方式
48.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。
49.由于时序信号的多样性，且不同信号所需要的预处理方式不完全相同，为了满足多样化的处理需求，在实现stft的基础上，本发明提供了一种多通道时序信号时频特征提
取电路（简称时频域特征提取电路），其是一种可扩展架构的时频域特征提取电路，通过初始化时对模块的配置，可以选通所需要的功能模块，实现对不同目标信号的处理。例如对于语音信号，额外设计了预加重、梅尔滤波和对数模块，结合stft功能实现时序信号fbank(filter bank)特征提取。另外，考虑到不同信噪比、功能条件下所需处理信号的通道数、精度的不同，模块支持单/双通道、128/256点fft运算、全采样/半采样的功能切换。支持用户根据使用场景选择合适的模式，实现功耗最优化。此外，各模块的不同功能模式均实现了电路的复用，以最大程度降低硬件资源开销。
50.作为一种可能的实现方式，如图1所示，本发明实施例提供的时频特征提取电路包括：参数配置模块、通道选择模块、降采样模块、预加重选通控制模块、预加重模块、分帧模块、加窗选通控制模块、加窗模块、快速傅里叶变换模块、后处理选通控制模块、梅尔滤波模块和对数模块；其中，预加重选通控制模块、预加重模块、分帧模块、加窗选通控制模块、加窗模块和快速傅里叶变换模块（fft模块）构成短时傅里叶变换(stft)特征提取器，其可以实现对降采样模块输出的信号的stft特征提取（即第一时序信号特征），并选择送至后续的stft特征后处理模块或直接输出；梅尔滤波模块和对数模块构成stft特征后处理器，其用于实现对stft特征提取器提取的特征的后处理以获得其他时序信号特征（即第二时序信号特征），如针对语音信号的fbank特征。
51.各个模块具体设置如下；
52.（1）参数配置模块：根据用户需求，用于设定单双通道选择参数、降采样参数、预加重选通控制参数、加窗选通控制参数、stft模式选择参数以及stft特征后处理选通控制参数，在工作时送至对应的通道选择、降采样、预加重选通控制、加窗选通控制、快速傅里叶变换功能模块，并将模块所需的参数配置到各模块的sram（static random-access memory，静态随机存取存储器）中。
53.（2）通道选择模块：用于根据参数配置的单双通道选择参数开启单通道模式或者双通道模式，即根据参数配置模块配置的单双通道选择参数，选择保留双通道信号还是仅保留单通道信号，并将处理后的单/双通道信号送至降采样模块，。
54.（3）降采样模块：根据参数配置模块配置的降采样参数，选择是否对信号进行二倍降采样操作，获得处理后的半/全采样信号并送至stft特征提取器。
55.（4）预加重选通控制模块：根据参数配置模块配置的预加重选通控制参数，控制从降采样模块输入的信号流向预加重模块还是直接流入分帧模块。
56.（5）预加重模块：在预加重模块选通的模式下，对预加重选通控制模块送入的信号进行处理，并将处理后的信号送入分帧模块。
57.预加重模块的目的是补偿原始时序信号高频分量的损失，具体方式如公式（1）所示：
58.ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（1）
59.其中，y(t)、x(t)分别表示t时刻补偿前、后的信号，μ为预加重系数，其典型值介于0.9~1.0之间。
60.（6）分帧模块：该模块由一个单口ram（random access memory，随机存取存储器）、一个先进先出队列（fifo）和控制电路组成，如图2，ram的深度等于帧长。从预加重选通控制模块或预加重模块输入的信号，先写入分帧模块的ram中，写满第一帧数据后送至加窗选通
控制模块。第一帧后每写满半帧就会读出当前ram中所有数据送至加窗选通控制模块，实现前后帧之间的一半的重叠。在读ram期间由预加重选通控制模块或预加重模块输入的信号会存到fifo中，在完成ram中的数据读取后再送入ram，保证输入数据不丢失。
61.即本实施例中，分帧模块包括单口ram，fifo队列和控制电路（具体还可分为输入控制电路和读写控制电路，如图2所示）其中，在控制电路（读写控制电路）的控制下，从预加重选通控制模块或预加重模块输入的信号先写入分帧模块的单口ram中，写满第一帧数据后送至加窗选通控制模块；第一帧后每写满半帧则从单口ram中读取所有数据并送至加窗选通控制模块；且在对单口ram的读取期间，在控制电路（输入控制电路）的控制下，由预加重选通控制模块或预加重模块输入的信号会保存在先进先出队列中，待对单口ram的读取操作结束后，再从fifo队列取出并存入单口ram。
62.（7）加窗选通控制模块：根据参数配置模块配置的加窗选通参数，控制从分帧模块送入的信号直接流向快速傅里叶变换模块还是送入加窗模块。
63.（8）加窗模块：在加窗模块选通的模式下，将加窗选通控制模块送入的信号和从sram中读取的对应的窗参数相乘后送入快速傅里叶变换模块。其中窗的类型可以根据配置不同的窗参数到sram中实现，以满足不同处理需求。
64.（9）快速傅里叶变换模块（fft模块）：根据参数配置模块配置的stft模式选择参数进行模式设置，该模块可以对加窗模块送入的信号进行处理获得单/双通道信号的128点fft或256点fft的结果并送至后处理选通控制模块。
65.如图3所示，本发明实施例的fft模块一共包括5个sdf(single-path delay feedback，单路延迟负反馈)模块，分别为：混合通道基2方sdf模块
①
、混合通道多点基2方sdf模块
②
、混合通道多点基2方sdf模块
③
、混合通道多点基2方sdf模块
④
和混合通道基2方sdf模块
⑤
，输入信号通过
①②③④
所示的1级混合通道基2方sdf模块和3级混合通道多点基2方sdf模块后可得到单/双通道的256点fft结果；通过
②③④
混合通道多点基2方sdf模块得到两组64点的fft结果，而后经过混合通道基2方sdf
⑤
模
⑤
块融合得到单/双通道的128点fft输出。其中基2方sdf模块是基4sdf模块的变种，功能相同的同时消耗资源更少。混合通道表示模块支持输入是单或双通道, 多点表示模块支持128/256点fft运算。128点和256点fft复用了
②③④
3个混合通道多点基2方sdf模块以节约资源。
66.（10）后处理选通控制模块：根据参数配置模块配置的stft特征后处理选通控制参数，控制从stft特征提取器输入的信号直接输出或是送入stft特征后处理器中。
67.（11）梅尔滤波模块：在参数配置模块选通stft特征后处理器的模式下，参数配置模块将梅尔滤波器组数量、每个滤波器的起止地址及参数传进该模块。从stft特征提取器输入的信号经过求平方、求和、倒谱后，和对应频率的梅尔滤波系数做乘加，最终得到梅尔滤波器组的输出，将其送入到对数模块中。通过参数配置模块的传参，该模块可以实现一定范围内的自定义梅尔滤波器个数及参数的功能。
68.（12）对数模块：模块采用分段映射方式实现对数近似计算，分段区间和对应拟合多项式系数可通过配置模块进行配置。梅尔滤波模块的输入根据区间映射到对应的一次多项式，得到对数的线性拟合输出fbank，得到fbank特征。
69.另一方面，基于本发明所提出的时频特征提取电路，本发明还提供了一种多通道时序信号自适应抑噪电路，如图4所示，其包括本发明的时频特征提取电路、模式切换模块、
控制电路、通道间相位差正弦值（sipd）特征提取器、达波方向估计（direction of arrival，doa）模块和和频域波束成形器；
70.其中，时频特征提取电路的通道选择模块开启双通道模式，后处理选通控制模块关闭stft特征后处理器，以输出双通道的stft特征；
71.模式切换模块包括两种模式：面向干扰源定位的特征提取模式和面向干扰源定向抑制的频域波束成形模式；且通过控制电路进行两种模式的切换，以用于将时频特征提取电路输出的时频特征输入sipd特征提取器或者输入频域波束成形器；
72.sipd特征提取器，用于实现面向干扰源定位的特征提取，提取时频特征提取电路输出的双通道的stft特征的sipd特征并送入doa模块。
73.本实施例中，sipd特征提取器包括复数相位n阶cordic（coordinate rotation digital computer，坐标旋转数字计算）计算模块和正弦值m阶cordic计算模块，两个模块具体为：
74.复数相位n阶cordic计算模块：从时频特征提取电路送入的复信号可以利用n阶cordic算法实现复数相位提取。基于cordic反正切算法计算得到的相位值存在相位模糊问题，本发明实施例进一步结合实部和虚部的正负性来消除相位模糊问题，在此基础上，分别计算双通道复数信号各频点的相位值，并计算出各频点通道间的相位差，如公式（2）所示，计算相位的cordic算法的阶数n可选，本实施例中，将n的取值设置为16。
[0075] (2)
[0076]
其中，表示第i个频点通道间的相位差，、分别表示两个通道（通道1和通道2）第i个频点的stft 复数相位，、分别表示两个通道第i个频点的stft 复数值, 和分别表示求取实部和虚部。
[0077]
正弦值m阶cordic计算模块：获取各频点通道间相位差后，利用m阶cordic算法实现对应相位的正弦值计算，计算正弦值的cordic算法的阶数m可选，本实例中，将m的取值设置为16。
[0078]
doa估计模块：基于预置的doa估计方法（具体方式不限，例如神经网络、延时估计、超分辨率谱估计等），对送入的sipd特征进行doa估计，获取干扰源的方位信息；同时将获取的doa结果送入频域波束成形器。
[0079]
即本发明实施例中，干扰源方位信息获取涉及三个处理模块：复数相位n阶cordic计算、正弦值m阶cordic计算以及doa估计模块。
[0080]
频域波束成形器，用于实现面向干扰源定向抑制的频域波束成形，所述频域波束成形器预存储有频域旋转因子（即频域相位旋转因子），基于doa估计模块送入的doa结果提取与之匹配的频域旋转因子，再用提取出的频域旋转因子补偿时频特征提取电路当前输出的双通道的stft特征间的干扰信号的相位差，得到自适应频域波束成形处理后的stft特征。
[0081]
作为一种可能的实现方式，频域波束成形器包括乘法器、加法器和存储器，所述存储器用于存储预生成的频域相位旋转因子，从存储器中读取与doa估计模块送入的doa结果相匹配的频域相位旋转因子并送入乘法器中，并将时频特征提取电路当前输出的双通道的
stft特征中的指定通道的stft特征也送入该乘法器中，再将另一通道的stft特征送入加法器中，同时将乘法器的计算结果送入该加法器，基于加法器的输出得到自适应频域波束成形处理后的stft特征。
[0082]
需要说明的是，本发明中，双通道的stft特征是对称的，可以任意指定其中一个通道的stft特征送入乘法器，当实现确定好对应的通道后，再预生成各个频点的对应的频域旋转因子，以便于实现乘法运算过程，并将预生成的各个频点的频域旋转因子存入存储器中。
[0083]
在本发明实施例所提出的多通道时序信号自适应抑噪电路中，实现了将自适应频域波束成形技术电路与时频域特征提取电路进行高度融合与复用，未复用的模块包括：通道间相位差正弦值（sipd）特征提取器、频域波束成形器、doa估计模块以及控制电路。该多通道时序信号自适应抑噪电路的工作流程如下：
[0084]
首先，在初始化阶段，初始化生成各信号源（比如声源信号）方位下对应stft频点的频域旋转因子；由参数配置模块将频域旋转因子存入存储器中；
[0085]
然后，进入工作阶段，如图5所示，执行下述操作：
[0086]
首先将多通道时序信号（例如双通道一维时间信号）输入本发明的基于时频域特征提取器（stft特征提取器），获得双通道stft结果；控制电路控制工作模式，可以通过判断当前的工作模式是否为获取干扰源方向来选通两种工作模式，若当前工作模式为获取干扰源方向，则进行sipd特征的提取，并使用提取的sipd特征进行基于任意波达方向算法进行干扰源定位，以获取干扰源方向，得到波达方向估计结果；若工作模式不是获取干扰源方向，即进入面向干扰源定向抑制的频域波束成形模式：将stft结果和波达方向估计结果送入频域波束成形器进行处理，基于波达方向估计结果从存储器中提取存储的干扰源方向频域旋转因子（基于doa结果的干扰源方位信息选择存储器中相应的频域旋转因子），用于对双通道stft结果进行定向抑制的频域波束成形（利用提取的频域旋转因子对双通道stft结果进行加权处理），输出处理后的stft结果，实现抑噪，提升信噪比。
[0087]
对本发明实施例的多通道时序信号自适应抑噪电路的初始化阶段和工作阶段的处理原理说明如下：
[0088]
（a）初始化阶段：频域波束成形旋转因子生成。
[0089]
频域波束成形的旋转因子有多种生成方法，本发明实施例关注于使用各种方法生成的旋转因子，包含但不限于以下生成方式。
[0090]
在现实应用中，干扰源相对于接收器多为远场模型，如图6所示，其包括两个接收器：接收器1和2，两接收器所对应的信号通道分别为通道1和通道2，两接收器之间的间距为d，干扰源方向与接收器阵列水平线的方向夹角为，以接收器1为基准取两接收器接收到的干扰信号为和：
[0091]
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(3)
[0092]
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(4)
[0093]
其中，，分别为两接收器接收到的干扰信号，表示噪声信号，为以通道1为基准下的通道2接收到的干扰信号延时。可根据干扰源方向与接收器阵列水平线的方向夹角，接收器间距d以及波速,计算出两个通道间的延时差：
[0094]
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(5)
[0095]
stft变换可以将宽带输入信号分解为正交的窄带信号，对于单频或窄带信号存在时频变换关系：
[0096]
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(6)
[0097]
其中，、分别为信号的傅里叶变换结果、角频率，表示自然底数。
[0098]
可以在各频点获得对应干扰源方向下使得两通道延时对齐的补偿旋转因子（即频域旋转因子），计算式如下：
[0099]
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(7)
[0100]
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(8)
[0101]
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(9)
[0102]
其中，分别表示fft变换得到的第i个频点对应的物理频率、角频率以及对应时延下的相位，表示信号的物理采样率，表示fft变换的频点数。
[0103]
频域波束成形的频域旋转因子生成的计算仅需在片下完成，然后在片下获取各方向与频点下的频域旋转因子后，需通过参数配置模块将其配置于片上存储器中。
[0104]
（b）工作阶段：基于时频特征提取的自适应频域波束成形，即基于时频特征提取的自适应抑噪。
[0105]
基于本发明的时频特征提取电路获取的双通道stft结果在控制电路的控制下，先进入面向干扰源定位的特征提取模式，将信号送入sipd特征提取器进行特征提取，并将提取的特征送入doa模块进行干扰源定位；再由控制电路切入面向干扰源定向抑制的频域波束成形模式，将后续双通道stft结果送入频域波束成形器，结合获得的干扰源方位信息进行定向抑制。
[0106]
（b1）面向干扰源定位的特征提取模式。
[0107]
干扰源方位信息获取涉及三个处理模块：复数相位n阶cordic计算、正弦值m阶cordic计算以及doa估计模块。
[0108]
（b2）面向干扰源定向抑制的频域波束成形模式。
[0109]
获取干扰源方位信息后，在控制电路控制下将干扰源方位信息与时频域特征提取器提取的双通道stft结果一同送入频域波束成形器中，模块的具体实现与原理如下。
[0110]
以获得的干扰源方位信息及对应频点为索引，取出预先生成并存入存储器中与源方向、频率相关的频域旋转因子。结合公式（3），（4）和（5）可得：
[0111]
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(10)
[0112]
其中，、分别表示通道1和通道2的傅里叶变换结果。
[0113]
当双通道既含有目标信号又含有干扰信号时，利用频域旋转因子补偿两通道间干扰信号的相位差(复数乘法)，再对两通道信号做差即可对消通道中的干扰信号达到降噪目
的，结合公式（8）和（10），可将其公式化表述为：
[0114]
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(11)
[0115]
其中，表示第i个频点的自适应频域波束成形处理后的stft特征，、分别表示通道1和通道2的第i个频点的傅里叶变换结果。
[0116]
作用于通道2的的旋转因子，由于已在片下生成并存于存储器中，见公式（7）~（9），故而无需在片上耗费大量的计算资源进行复杂的复指数运算，仅需从存储器中取出使用即可。
[0117]
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
[0118]
以上所述的仅是本发明的一些实施方式。对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

技术特征：
1.一种多通道时序信号时频特征提取电路，其特征在于，包括：参数配置模块、通道选择模块、降采样模块、短时傅里叶变换特征提取器、后处理选通控制模块和短时傅里叶变换特征后处理器；其中，参数配置模块用于配置通道选择模块的单/双通道选择参数，配置降采样模块的降采样参数，配置短时傅里叶变换特征提取器的工作参数，以及配置后处理选通控制模块的选通控制参数；通道选择模块根据参数配置模块配置的单/双通道选择参数开启单通道模式或者双通道模式，通道选择模块的输出端与降采样模块的输入端相连；降采样模块根据参数配置模块配置的降采样参数对通道选择模块输出的信号进行降采样操作，降采样模块的输出端与短时傅里叶变换特征提取器的输入端相连；短时傅里叶变换特征提取器用于根据参数配置模块配置的工作参数对降采样模块输出的信号进行短时傅里叶变换特征提取，得到第一时序信号特征并送入向后处理选通控制模块；所述第一时序信号特征包括多种不同点数的快速傅里叶变换模式；后处理选通控制模块根据参数配置模块配置的选通控制参数确定：直接输出第一时序信号特征，或者将第一时序信号特征送入短时傅里叶变换特征后处理器；短时傅里叶变换特征后处理器用于提取第二时序信号特征并输出。2.如权利要求1所述的多通道时序信号时频特征提取电路，其特征在于，参数配置模块配置的工作参数包括：预加重选通控制参数、加窗选通参数和短时傅里叶变换模式选择参数。3.如权利要求2所述的多通道时序信号时频特征提取电路，其特征在于，所述短时傅里叶变换特征提取器包括：预加重选通控制模块、预加重模块、分帧模块、加窗选通控制模块、加窗模块和快速傅里叶变换模块；其中，预加重选通控制模块基于预加重选通控制参数控制从降采样模块输入的信号流向预加重模块或者直接流入分帧模块；预加重模块在预加重模块选通的模式下，对预加重选通控制模块送入的信号进行信号补偿处理，并将处理后的信号送入分帧模块；分帧模块采用前后两帧之间重叠一半的形式进行分帧处理，再将分帧后的信号送入加窗选通控制模块；加窗选通控制模块根据参数配置模块配置的加窗选通参数，控制从分帧模块送入的信号直接流向快速傅里叶变换模块或者送入加窗模块；加窗模块在加窗模块选通的模式下，将加窗选通控制模块送入的信号和预置的从静态随机存取存储器中读取的对应的窗参数相乘后送入快速傅里叶变换模块；快速傅里叶变换模块根据参数配置模块配置的快速傅里叶变换模式选择参数进行模式设置，对加窗模块送入的信号进行处理获得对应模式下的短时快速傅里叶变换特征，并送至后处理选通控制模块。4.如权利要求3所述的多通道时序信号时频特征提取电路，其特征在于，所述分帧模块包括单口随机存取存储器、先进先出队列和控制电路，其中，单口随机存取存储器的深度等于信号帧长；在控制电路的控制下，从预加重选通控制模块或预加重模块输入的信号先写入分帧模
块的单口随机存取存储器中，写满第一帧数据后送至加窗选通控制模块；第一帧后每写满半帧则从单口随机存取存储器中读取所有数据并送至加窗选通控制模块；且在对单口随机存取存储器的读取期间，由预加重选通控制模块或预加重模块输入的信号会保存在先进先出队列中，待读取操作结束后再存入单口随机存取存储器。5.如权利要求1所述的多通道时序信号时频特征提取电路，其特征在于，所述快速傅里叶变换模式包括两种模式：128点快速傅里叶变换和256点快速傅里叶变换。6.如权利要求3所述的多通道时序信号时频特征提取电路，其特征在于，所述快速傅里叶变换模块包括两个模式选择模块和五个单路延迟负反馈模块；其中，五个单路延迟负反馈模块分别为：第一混合通道基2方单路延迟负反馈模块、第一混合通道多点基2方单路延迟负反馈模块、第二混合通道多点基2方单路延迟负反馈模块、第三混合通道多点基2方单路延迟负反馈模块、第二混合通道基2方单路延迟负反馈模块；第一模式选择模块用于基于参数配置模块配置的选通参数选通第一混合通道基2方单路延迟负反馈模块或者第一混合通道多点基2方单路延迟负反馈模块；第一、第二和第三混合通道多点基2方单路延迟负反馈模块顺次连接，且第三混合通道多点基2方单路延迟负反馈模块的输出端接入第二模式选择模块；第二模式选择模块用于基于参数配置模块配置的选通参数选通第二混合通道基2方单路延迟负反馈模块或者直接将第三混合通道多点基2方单路延迟负反馈模块的输出送至后处理选通控制模块。7.如权利要求1所述的多通道时序信号时频特征提取电路，其特征在于，所述短时傅里叶变换特征后处理器包括梅尔滤波模块和对数模块；其中，梅尔滤波模块在参数配置模块选通短时傅里叶变换特征后处理器的模式下，参数配置模块向梅尔滤波模块发送梅尔滤波工作参数，包括梅尔滤波器组数量、每个滤波器的起止地址及参数；对数模块，用于对梅尔滤波模块的输出进行对数运算，基于对数运算结果得到语音特征提取结果并输出。8.一种多通道时序信号自适应抑噪电路，其特征在于，包括：模式切换模块、控制电路、通道间相位差正弦值特征提取器、达波方向估计模块和频域波束成形器；以及权利要求1至7任一项所述的多通道时序信号时频特征提取电路；所述时频特征提取电路的通道选择模块开启双通道模式，后处理选通控制模块关闭短时快速傅里叶变换特征后处理器；模式切换模块包括两种模式：面向干扰源定位的特征提取模式和面向干扰源定向抑制的频域波束成形模式；且通过控制电路进行两种模式的切换，以用于将时频特征提取电路输出的时频特征输入通道间相位差正弦值特征提取器或者输入频域波束成形器；通道间相位差正弦值特征提取器，用于实现面向干扰源定位的特征提取，提取时频特征提取电路输出的双通道的短时快速傅里叶变换特征的通道间相位差正弦值特征并送入达波方向估计模块；达波方向估计模块基于预置的波达方向估计方法，对送入的通道间相位差正弦值特征进行波达角估计，获取干扰源的方位信息；同时将获取的波达角估计结果送入频域波束成
形器；频域波束成形器，用于实现面向干扰源定向抑制的频域波束成形，所述频域波束成形器预存储有频域旋转因子，基于波达角估计结果提取与之匹配的频域旋转因子，再用提取出的频域旋转因子补偿时频特征提取电路当前输出的双通道的短时快速傅里叶变换特征间的干扰信号的相位差，得到自适应频域波束成形处理后的短时快速傅里叶变换特征。9.如权利要求8所述的多通道时序信号自适应抑噪电路，其特征在于，所述通道间相位差正弦值特征包括复数相位n阶坐标旋转数字计算模块和复数相位m阶坐标旋转数字计算模块，n和m为正整数，预设值；复数相位n阶坐标旋转数字计算模块的输入端与模式切换模块的输出端相连，复数相位n阶坐标旋转数字计算模块的双通道输出经加法器后再送入复数相位m阶坐标旋转数字计算模块，复数相位m阶坐标旋转数字计算模块的输出端与达波方向估计模块的输入端相连。

技术总结
本发明公开了一种多通道时序信号的时频特征提取电路及自适应抑噪电路，属于时序信号处理技术领域。本发明的多通道时序信号时频特征提取电路是一种基于可扩展架构的可重构电路，在较低额外硬件开销的基础上支持动态采样率、单/双通道处理和128点与256点FFT两种快速傅里叶变换模式，并融合了近似运算等低功耗电路设计技术，从而支持外部控制器在不同工作阶段使用不同工作模式，以节省功耗；基于本发明的征提取电路的多通道时序信号时频特征提取电路，实现了自适应频域波束成形和时频域特征提取的电路级融合，其利用信号短时平稳性在时频域中进行短时频域波束成形，相比频域波束成形运算量更少且可以复用特征提取电路，降低了硬件资源开销和功耗。硬件资源开销和功耗。硬件资源开销和功耗。


技术研发人员：周军 张旭辉 肖剑彪 朱世健 杜勐
受保护的技术使用者：电子科技大学
技术研发日：2023.08.08
技术公布日：2023/9/7