專(zhuān)利名稱(chēng)：一項(xiàng)頻帶壓縮及數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一項(xiàng)用于頻譜受限信號(hào)的頻帶壓縮及數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)。
目前，隨著以通信和計(jì)算機(jī)為核心的信息技術(shù)的發(fā)展，需要傳輸和記錄的數(shù)據(jù)量越來(lái)越大，致使通信信道日趨飽和，數(shù)據(jù)所需的取樣頻率，記錄容量和傳輸比特率巨增。所以人們發(fā)明了一些壓縮頻帶和數(shù)據(jù)的技術(shù)，如非線性編碼，對(duì)數(shù)等非線性變換，以及計(jì)算機(jī)模擬等，但是一般只能夠?qū)㈩l帶或數(shù)據(jù)壓縮到原來(lái)的幾分之一；對(duì)于圖象信號(hào)還利用了視覺(jué)心理效應(yīng)和圖象統(tǒng)計(jì)特性，雖然提出的方法較多，壓縮的程度也很大，但只針對(duì)于圖象信號(hào)。
本發(fā)明的目的是，克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出一項(xiàng)適用于聲音，圖象等頻譜受限信號(hào)的較大幅度的頻帶壓縮及數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)。
本發(fā)明的實(shí)現(xiàn)根據(jù)下述原理信號(hào)與系統(tǒng)理論認(rèn)為，引入廣義函數(shù)后，任何時(shí)域信號(hào)(周期性或非周期性)與其頻譜密度函數(shù)是一對(duì)傅里葉變換
傅里葉變換具有頻域卷積定理若F1(ω)=ヲ[f1(t)] F2(ω)=ヲ[f2(t)] f(t)=f1(t)·f2(t)則
=12π∫-∞1-∞F1(u)·F2(ω-u)du]]>當(dāng)頻譜F1(ω),F2(ω)分別受限于[ω1,ω2],[ω3,ω4]時(shí)，頻譜F(ω)也是受限的。證明如下
∴ω1+ω3≤ω≤ω2+ω4(3)由此得出結(jié)論由兩個(gè)頻譜受限信號(hào)f1(t)和f2(t)相乘所形成的信號(hào)f(t)，其頻帶寬度是f1(t)和f2(t)頻帶寬度之和。根據(jù)該結(jié)論和卷積的結(jié)合律、交換律性質(zhì)，進(jìn)一步得到推論當(dāng)m值取正有理數(shù)時(shí)，信號(hào)f(t)=vm(t)的頻帶寬度是v(t)的寬度的m倍；反之，信號(hào)v(t)=f1/m(t)的頻帶寬度是f(t)的頻帶寬度的1/m。
上述推論的重要意義在于指出一個(gè)頻譜受限的信號(hào)f(t)在發(fā)送之前，可以先經(jīng)過(guò)非線性運(yùn)算v(t)=f1/m(t),(m＞1)得到頻帶壓縮1/m倍的信號(hào)v(t)而發(fā)送或記錄；在接收之后或重放時(shí)，再將v(t)進(jìn)行非線性逆運(yùn)算f(t)=vm(t)，恢復(fù)出原信號(hào)f(t)。當(dāng)然非線性運(yùn)算和逆運(yùn)算都應(yīng)是一一對(duì)應(yīng)的。由此實(shí)現(xiàn)在一定的受限頻帶內(nèi)劃分更多的信道，一個(gè)信道被更多路的信號(hào)復(fù)用(頻分復(fù)用，時(shí)分復(fù)用，碼分復(fù)用)，以及降低信號(hào)的取樣頻率和記錄容量。在理論上，信號(hào)經(jīng)過(guò)上述的非線性運(yùn)算其頻帶可以得到任意程度的壓縮，但在技術(shù)上卻要注意以下四點(diǎn)1．由于對(duì)信號(hào)運(yùn)算的非線性，因此隨著運(yùn)算程度的加深和次數(shù)的增多，運(yùn)算誤差和干擾、噪聲的影響也越加嚴(yán)重，直至逆運(yùn)算出的信號(hào)面目全非。
2．頻帶壓縮后的信號(hào)在傳輸過(guò)程中的失真將對(duì)信號(hào)的恢復(fù)產(chǎn)生很壞的影響。
3．由于對(duì)信號(hào)非線性運(yùn)算的冪函數(shù)性質(zhì)，因此，無(wú)論信號(hào)是周期性還是非周期性，在運(yùn)算之前如果信號(hào)的直流部分丟失或完全失去，則恢復(fù)出的信號(hào)產(chǎn)生失真。
4．模擬信號(hào)的主要缺點(diǎn)是，在信號(hào)傳輸過(guò)程中，干擾、噪聲和失真是積累的。另外，模擬系統(tǒng)還具有穩(wěn)定性差、可靠性低、難于調(diào)整和運(yùn)算精度低等缺點(diǎn)。
數(shù)字信號(hào)可以克服模擬信號(hào)的主要缺點(diǎn)，并且容易實(shí)現(xiàn)模擬信號(hào)無(wú)法實(shí)現(xiàn)的其他功能。這是因?yàn)閿?shù)字信號(hào)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，穩(wěn)定性高，處理容易，調(diào)整方便，在傳輸上可以通過(guò)采用糾錯(cuò)編譯碼技術(shù)克服信道上的噪聲和干擾，并且在失真(線性和非線性)不太嚴(yán)重時(shí)對(duì)正確譯碼幾乎沒(méi)有影響。因此，采用數(shù)字信號(hào)形式進(jìn)行非線性運(yùn)算，處理和傳輸要比模擬信號(hào)形式優(yōu)越得多。但是數(shù)字信號(hào)也存在取樣誤差、量化誤差以及運(yùn)算的舍入誤差，所以也不可能無(wú)限地壓縮頻帶，要隨所要求的誤差限和技術(shù)水平而定。
頻域取樣定理認(rèn)為一個(gè)頻帶受限于[-fm,fm]的信號(hào)f(t)，若對(duì)其進(jìn)行等間隔的時(shí)域取樣，當(dāng)取樣頻率fs≥2fm時(shí)，則取樣信號(hào)fs(t)可以唯一地表示出原信號(hào)f(t)。將取樣信號(hào)fs(t)進(jìn)行量化，編碼，可以形成數(shù)字信號(hào)x(n)。由數(shù)字信號(hào)理論可知，若x(n)的(有限)長(zhǎng)度為N，則由非線性運(yùn)算得到的y(n)=x1/m(n)仍然是一個(gè)(有限)長(zhǎng)度為N的數(shù)字信號(hào)，y(n)與其離散傅里葉變換Y(k)的(有限)長(zhǎng)度也是相同的。
式中W=e-j(2πN)]]>n,k=0,1,…,N-1離散傅里葉變換具有頻域圓卷積定理若y(n)=x1(n)·x2(n)則Y(k)=DFT[y(n)]=1Nx1(n)⊗x2(n)]]>=1NΣn=0N-1x1(n)·x2((k-n))N·GN(k)----(5)]]>式中((k-n))N表示“(k-n)對(duì)N取模值”；GN(k)是矩形脈沖序列，即
圓卷積可以借助快速傅里葉變換(FFT)技術(shù)，使運(yùn)算速度顯著提高。需注意的是，為了避免頻譜混疊，應(yīng)將X1(k)、X2(k)(設(shè)原長(zhǎng)度為N1、N2)補(bǔ)一些零，以擴(kuò)展其(有限)長(zhǎng)度N，使得N≥N1+N2-1(7)這樣求得的頻譜Y(k)及其對(duì)應(yīng)的數(shù)字信號(hào)y(n)的(有限)長(zhǎng)度N≥N1+N2-1，符合了取樣定理。
通過(guò)對(duì)信號(hào)進(jìn)行頻譜分析可知，若信號(hào)是時(shí)間受限的，則其頻譜寬度是無(wú)限的；若信號(hào)是頻譜受限的，則其在時(shí)域內(nèi)將是無(wú)限的。這就是說(shuō)，對(duì)于時(shí)間無(wú)限頻譜受限的信號(hào)經(jīng)截?cái)嘁鸬念l譜泄漏是必然的，那么對(duì)截?cái)嘀蟮男盘?hào)進(jìn)行時(shí)域取樣后，頻譜必然造成混疊。實(shí)際上，所用信號(hào)都是時(shí)間受限的，而在傳輸和處理過(guò)程中，其頻譜也必須受到一定限制，所以信號(hào)的失真不可避免。因此，在對(duì)傳輸信號(hào)進(jìn)行非線性運(yùn)算或取樣之前，必須在失真允許的范圍內(nèi)進(jìn)行較精確的濾波，以嚴(yán)格確定一定的頻帶寬度。
數(shù)值插補(bǔ)與函數(shù)逼近理論認(rèn)為若給定函數(shù)f(t)在[t0,tN-1]中的N個(gè)均勻取樣的值yn(n=0,1,…,N-1)，則可以尋求某一函數(shù)(φ(t)去逼近f(t)。即要求在tn處φ(tn)與yn相等，而在[t0,tN-1]中的別處，讓?duì)?t)滿足誤差要求地近似代替f(t)。尋找逼近函數(shù)φ(t)的方法是很多的，既可以是多項(xiàng)式又可以是非多項(xiàng)式，其中各類(lèi)樣條函數(shù)作為分段光滑的函數(shù)在現(xiàn)代函數(shù)逼近中具有極其重要的廣泛應(yīng)用。
若給定均勻的插值節(jié)點(diǎn)(取樣點(diǎn))tn=t0+nTs，及相應(yīng)的函數(shù)(信號(hào))值yn(n=0,1,…,N-1)，則可由下面的近似公式給出函數(shù)在各插值點(diǎn)的導(dǎo)數(shù)。
從而給出三次埃爾米特樣條函數(shù)H3(t)H3(t)=yn·φ00(t-t0Ts-n)+yn+1.φ00(n+1-t-t0Ts)]]>+yn′.Ts.φ01(t-t0Ts-n)-yn+1′.T3·φ01(n+1-t-t0Ts)--(9)]]>(tn≤t≤tn+1n=0,1,…,N-2)式中Ts=tN-1-t0N-1]]>，為取樣間隔。
φ00(t)=(1+2t)·(1-t)2φ01(t)=t·(1-t)2根據(jù)上述原理，實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的目的。一項(xiàng)頻帶壓縮及數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)，在信號(hào)被發(fā)送或被記錄之前，先通過(guò)濾波器，將其頻譜限定在一定的寬度，得到頻譜受限于[-fm,fm]的模擬信號(hào)f(t)，之后的具體步驟有三種方案。
方案1-模擬信號(hào)方案在發(fā)送端或記錄之前，信號(hào)f(t)先經(jīng)過(guò)非線性運(yùn)算v(t)=f1/m(t)(m∈N,m＞1；若f(t)為正的同極性信號(hào)，m可取奇數(shù)或偶數(shù)，否則只取奇數(shù))，得到頻帶壓縮到1/m倍的信號(hào)v(t)，然后發(fā)送或記錄之；在接收端或重放時(shí)，再將信號(hào)v(t)進(jìn)行非線性逆運(yùn)算f(t)=vm(t)，以恢復(fù)出原模擬信號(hào)f(t)。
方案2-半數(shù)字化方案在發(fā)送端或記錄前，信號(hào)f(t)先經(jīng)過(guò)非線性運(yùn)算v(t)=f1/m(t)(m∈N,m＞1；若f(t)為正的同極性信號(hào)，m可取奇數(shù)或偶數(shù)，否則只取奇數(shù))，得到頻帶壓縮到1/m倍的信號(hào)v(t)，再對(duì)v(t)進(jìn)行取樣頻率(2fm>fs≥2mfm)]]>的等間隔時(shí)域取樣，然后將取樣信號(hào)vs(t)進(jìn)行量化編碼以形成數(shù)字信號(hào)x(n)(即完成模數(shù)轉(zhuǎn)換)而發(fā)送或記錄之；在接收端或重放時(shí)，將數(shù)字信號(hào)x(n)先進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換或?yàn)V波處理而得到模擬信號(hào)v(t)，再對(duì)v(t)進(jìn)行非線性逆運(yùn)算f(t)=vm(t)，即恢復(fù)出原信號(hào)f(t)。方案3-全數(shù)字化方案在發(fā)送端或記錄前，信號(hào)f(t)先進(jìn)行取樣頻率(2fm>fs≥2mfm)]]>的等間隔時(shí)域取樣(m∈N,m＞1；若f(t)為正的同極性信號(hào)，m可取奇數(shù)或偶數(shù)，否則只取奇數(shù))，再將取樣信號(hào)進(jìn)行量化編碼而形成數(shù)字信號(hào)y(n)(即完成模數(shù)轉(zhuǎn)換)，然后進(jìn)行非線性運(yùn)算x(n)=y1/m(n)，得到數(shù)字信號(hào)x(n)而發(fā)送或記錄之；在接收端或重放時(shí)，先將x(n)依次截取長(zhǎng)度為N的數(shù)據(jù)段以分別進(jìn)行快速傅里葉變換X(k)=FFT[x(n)](或?qū)⒋丝焖俑道锶~變換的過(guò)程在發(fā)送端或記錄前完成而發(fā)送或存貯X(k))，再對(duì)各段X(k)進(jìn)行m次圓卷積X(k)X(k)(要先擴(kuò)展X(k)的長(zhǎng)度使頻譜不混疊)，而得到各段長(zhǎng)度為(mN-1)的頻域數(shù)字信號(hào)Y(k)，然后進(jìn)行快速傅里葉逆變換y(e)=IFFT[Y(k)]，求出各段長(zhǎng)度為(mN-1)的時(shí)域數(shù)字信號(hào)y(e)，最后依次將各段y(e)以mfs的頻率通過(guò)數(shù)模轉(zhuǎn)換或?yàn)V波處理，即恢復(fù)出原模擬信號(hào)f(t)。在接收端或重放時(shí)，還可以采用另一方法根據(jù)x(n)被依次截取的長(zhǎng)度為N的各個(gè)數(shù)據(jù)段，求出各段對(duì)應(yīng)的三次埃爾米特樣條函數(shù)，再進(jìn)行數(shù)值插補(bǔ)以將各段x(n)擴(kuò)展成長(zhǎng)度為(mN-1)的數(shù)字信號(hào)x(e)，然后進(jìn)行非線性逆運(yùn)算y(e)=xm(e)，最后依次將各段y(e)以mfs的頻率通過(guò)數(shù)模轉(zhuǎn)換或?yàn)V處理，即恢復(fù)出原模擬信號(hào)f(t)。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下優(yōu)越性1．本發(fā)明的三種技術(shù)方案適用于各種頻譜受限的信號(hào)，可以根據(jù)信號(hào)數(shù)據(jù)處理的不同誤差要求，使其頻帶或數(shù)據(jù)得到不同程度的壓縮。
2．本發(fā)明的模擬信號(hào)方案和半數(shù)字化方案可以對(duì)信號(hào)實(shí)時(shí)地進(jìn)行頻帶或數(shù)據(jù)壓縮，并使數(shù)模轉(zhuǎn)換的頻率減小。
3．本發(fā)明的半數(shù)字化方案和全數(shù)字化方案，可以使數(shù)據(jù)的取樣頻率、記錄容量和傳輸比特率大幅減小，甚至可以采用半導(dǎo)體存貯器存貯長(zhǎng)時(shí)間的信號(hào)。
4．本發(fā)明的全數(shù)字化方案，使得對(duì)數(shù)據(jù)的各種運(yùn)算和處理可以采用專(zhuān)用的集成芯片來(lái)完成，或方便地與計(jì)算機(jī)結(jié)合，使電路系統(tǒng)簡(jiǎn)單優(yōu)化，可靠性高。
下面結(jié)合附圖
以最佳實(shí)施例詳述本發(fā)明。
附圖為本發(fā)明最佳實(shí)施例的系統(tǒng)方案原理框圖。
欲發(fā)送或記錄的頻譜受限信號(hào)f(t)，先經(jīng)過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換1，對(duì)其進(jìn)行取樣頻率fs=2mfm]]>的等間隔時(shí)域取樣(m∈N，且為大于1的奇數(shù)；fm為f(t)的上限頻率)、量化、編碼形成數(shù)字信號(hào)y(n)；y(n)經(jīng)過(guò)非線性運(yùn)算2，進(jìn)行非線性運(yùn)算x(n)=y1/m(n)從而得到數(shù)字信號(hào)x(n)；再對(duì)x(n)以長(zhǎng)度N分段進(jìn)行快速傅里葉變換3，求出頻域數(shù)字信號(hào)X(k)；然后對(duì)X(k)發(fā)送(或記錄)4。經(jīng)過(guò)接收(或輸出)5的X(k)，先送去頻域圓卷積6，對(duì)各段X(k)擴(kuò)展長(zhǎng)度成(mN-1)后進(jìn)行m次圓卷積而得到各段長(zhǎng)度為(mN-1)的頻域數(shù)字信號(hào)Y(k)；再將Y(k)進(jìn)行快速傅里葉逆變換7，求出各段長(zhǎng)度為(mN-1)的時(shí)域數(shù)字信號(hào)y(e)；最后將各段y(e)以mfs的頻率經(jīng)過(guò)數(shù)模轉(zhuǎn)換8，即恢復(fù)出原模擬信號(hào)f(t)。
權(quán)利要求
1．一項(xiàng)頻帶壓縮及數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)，將欲發(fā)送或記錄的信號(hào)通過(guò)濾波器，得到頻譜受限的模擬信號(hào)f(t)，然后進(jìn)行頻帶或數(shù)據(jù)壓縮，其特征是在發(fā)送端或記錄之前，信號(hào)f(t)先經(jīng)過(guò)非線性運(yùn)算v(t)=f1/m(t)(m∈N,m＞1；若f(t)為正的同極性信號(hào)，m可取奇數(shù)或偶數(shù)，否則只取奇數(shù))，得到頻帶壓縮到1/m倍的信號(hào)v(t)，然后發(fā)送或記錄之；在接收端或重放時(shí)，再將信號(hào)v(t)進(jìn)行非線性逆運(yùn)算f(t)=vm(t)，以恢復(fù)出原模擬信號(hào)f(t)。
2．一項(xiàng)頻帶壓縮及數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)，將欲發(fā)送或記錄的信號(hào)通過(guò)濾波器，得到頻譜受限的模擬信號(hào)f(t)，然后進(jìn)行頻帶或數(shù)據(jù)壓縮，其特征是在發(fā)送端或記錄前，信號(hào)f(t)先經(jīng)過(guò)非線性運(yùn)算v(t)=f1/m(t)(m∈N,m＞1；若f(t)為正的同極性信號(hào)，m可取奇數(shù)或偶數(shù)，否則只取奇數(shù))，得到頻帶壓縮到1/m倍的信號(hào)v(t)，再對(duì)v(t)進(jìn)行取樣頻率(2fm>fs≥2mfm)]]>的等間隔時(shí)域取樣，然后將取樣信號(hào)vs(t)進(jìn)行量化編碼以形成數(shù)字信號(hào)x(n)(即完成模數(shù)轉(zhuǎn)換)而發(fā)送或記錄之；在接收端或重放時(shí)，將數(shù)字信號(hào)x(n)先進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換或?yàn)V波處理而得到模擬信號(hào)v(t)，再對(duì)v(t)進(jìn)行非線性逆運(yùn)算f(t)=vm(t)，即恢復(fù)出原信號(hào)f(t)。
3．一項(xiàng)頻帶壓縮及數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)，將欲發(fā)送或記錄的信號(hào)通過(guò)濾波器，得到頻譜受限的模擬信號(hào)f(t)，然后進(jìn)行頻帶或數(shù)據(jù)壓縮，其特征是在發(fā)送端或記錄前，信號(hào)f(t)先進(jìn)行取樣頻率(2fm>fs≥2mfm)]]>的等間隔時(shí)域取樣(m∈N,m＞1；若f(t)為正的同極性信號(hào)，m可取奇數(shù)或偶數(shù)，否則只取奇數(shù))，再將取樣信號(hào)進(jìn)行量化編碼而形成數(shù)字信號(hào)y(n)(即完成模數(shù)轉(zhuǎn)換)，然后進(jìn)行非線性運(yùn)算x(n)=y1/m(n)，得到數(shù)字信號(hào)x(n)而發(fā)送或記錄之；在接收端或重放時(shí)，先將x(n)依次截取長(zhǎng)度為N的數(shù)據(jù)段以分別進(jìn)行快速傅里葉變換X(k)=FFT[x(n)](或?qū)⒋丝焖俑道锶~變換的過(guò)程在發(fā)送端或記錄前完成而發(fā)送或存貯X(k))，再對(duì)各段X(k)進(jìn)行m次圓卷積X(k)X(k)(要先擴(kuò)展X(k)的長(zhǎng)度使頻譜不混疊)，而得到各段長(zhǎng)度為(mN-1)的頻域數(shù)字信號(hào)Y(k)，然后進(jìn)行快速傅里葉逆變換y(e)=IFFT[Y(k)]，求出各段長(zhǎng)度為(mN-1)的時(shí)域數(shù)字信號(hào)y(e)，最后依次將各段y(e)以mfs的頻率通過(guò)數(shù)模轉(zhuǎn)換或?yàn)V波處理，即恢復(fù)出原模擬信號(hào)f(t)；在接收端或重放時(shí)，還可以采用另一方法根據(jù)x(n)被依次截取的長(zhǎng)度為N的各個(gè)數(shù)據(jù)段，求出各段對(duì)應(yīng)的三次埃爾米特樣條函數(shù)，再進(jìn)行數(shù)值插補(bǔ)以將各段x(n)擴(kuò)展成長(zhǎng)度為(mN-1)的數(shù)字信號(hào)x(e)，然后進(jìn)行非線性逆運(yùn)算y(e)=xm(e)，最后依次將各段y(e)以mfs的頻率通過(guò)數(shù)模轉(zhuǎn)換或?yàn)V處理，即恢復(fù)出原模擬信號(hào)f(t)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一項(xiàng)頻帶壓縮及數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)。頻譜受限的信號(hào)在發(fā)送或記錄之前,先以模擬形式或數(shù)字形式進(jìn)行冪函數(shù)性質(zhì)的非線性運(yùn)算,使其頻帶壓縮到原來(lái)的幾分之一至幾十分之一,從而其對(duì)應(yīng)的數(shù)字信號(hào)以及離散傅里葉變換得到的頻域數(shù)字信號(hào)的數(shù)據(jù)量也得到相同程度的壓縮;在接收后或重放時(shí),再進(jìn)行冪函數(shù)性質(zhì)的非線性逆運(yùn)算或配合函數(shù)逼近的方法或利用離散傅里葉分析,使信號(hào)恢復(fù)原來(lái)的頻譜和波形。
文檔編號(hào)H04B1/66GK1220526SQ9712170
公開(kāi)日1999年6月23日 申請(qǐng)日期1997年12月15日 優(yōu)先權(quán)日1997年12月15日
發(fā)明者張惠植, 郭旭明 申請(qǐng)人:郭旭明