專利名稱：基于端點檢測的無線音頻傳感器網(wǎng)絡(luò)音頻媒體的同步方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種無線音頻傳感器網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域的新技術(shù)，確切地說，涉及一種低復(fù)雜 性、高精度的基于端點檢測的無線音頻傳感器網(wǎng)絡(luò)音頻媒體的同步方法，屬于無線傳感器 網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
隨著無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展，很多新的應(yīng)用都要求能夠在傳統(tǒng)傳感器網(wǎng) 絡(luò)中傳輸音頻信息，從而獲得對監(jiān)控區(qū)域更精確的理解，比如事件檢測、目標(biāo)跟蹤、緊急事 件響應(yīng)等。通常情況下，在這些應(yīng)用中，傳感器節(jié)點采集音頻流并傳輸給匯聚節(jié)點，匯聚節(jié) 點采用信號處理技術(shù)從獲得的原始數(shù)據(jù)中提取更豐富、更有意義的信息。但是，這種信號處 理技術(shù)要求音頻流能夠 實現(xiàn)相對同步。例如，在目標(biāo)跟蹤應(yīng)用中，通過多個音頻節(jié)點的協(xié)作 來評估目標(biāo)在攝像頭無法覆蓋區(qū)域的運動軌跡，如果音頻流不同步，將導(dǎo)致節(jié)點不能精確 定位目標(biāo)。在數(shù)據(jù)融合系統(tǒng)中，為了抑制冗余信息的重復(fù)發(fā)送，識別同一事件的重復(fù)事件的 檢測，也需要音頻流的同步?？傊?，在無線音頻傳感器網(wǎng)絡(luò)中，音頻流的同步是一種非常重 要和實用的支撐技術(shù)。目前的音頻同步算法主要分為兩類(1)基于全局時鐘的前提下實現(xiàn)采集節(jié)點為每個音頻數(shù)據(jù)包添加統(tǒng)一時間戳， 匯聚節(jié)點對數(shù)據(jù)包緩存并排序，然后將音頻流根據(jù)時間戳對齊。這種方法的缺點是一方面 為獲得全局時鐘，需要交換大量的同步消息，能量消耗很大。尤其在事件驅(qū)動的應(yīng)用中，全 網(wǎng)在多數(shù)時間是不需要同步的。另一方面，這種方法沒有考慮到音頻傳感節(jié)點采集數(shù)據(jù)時 所發(fā)生的同步問題。而這個問題是由聲源與各個傳感節(jié)點的距離差而引起的。參見圖1，聲 源距兩個音頻傳感器節(jié)點A和B的距離不同，聲音信號從聲源到該兩節(jié)點就有不同的傳播 延時，從而到達(dá)節(jié)點A和B的聲音信號就存在同步誤差。(2)在沒有全局時鐘的前提下，匯聚節(jié)點通過計算各音頻流間的最大相關(guān)性，評估 音頻流從聲源到達(dá)各采集節(jié)點的時間延時差，從而調(diào)整音頻流的時間軸來獲得相對同步。 這類算法的缺點是由于各采集節(jié)點的芯片與放大電路等器件的差異，麥克靈敏度也各不 相同，各傳感節(jié)點采集到的音頻流所引入的噪聲也不一致；各個傳感節(jié)點與聲源之間的距 離不同，所以引入的衰減也各不相同。而且，基于音頻信號的相關(guān)性運算，其計算量和誤差 都比較大。總之，現(xiàn)有技術(shù)還沒有很好地解決和提供無線音頻傳感器網(wǎng)絡(luò)音頻媒體的同步方 法，這個問題就自然成為許多業(yè)內(nèi)科技人員關(guān)注的焦點。
發(fā)明內(nèi)容
有鑒于此，本發(fā)明的目的是提供一種基于端點檢測的無線音頻傳感器網(wǎng)絡(luò)音頻媒 體的同步方法，該方法能夠較好地克服了現(xiàn)有技術(shù)的不足，做到同步精度高，運算復(fù)雜度 低，能量開銷小。
為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供了一種基于端點檢測的無線音頻傳感器網(wǎng)絡(luò)音頻 媒體的同步方法，其特征在于各個音頻采集節(jié)點分別采用端點檢測方法，檢測和確定所采 集的音頻流中的起始時間后，再在各自音頻流的起始時間點觸發(fā)和加入設(shè)定參數(shù)的載波； 再由作為每個簇內(nèi)的數(shù)據(jù)處理中心的簇頭節(jié)點，對接收到的、來自各個采集節(jié)點的音頻信 號進(jìn)行濾波，然后對各路載波進(jìn)行交叉相關(guān)性運算，獲得各路載波間的延時差，并根據(jù)該延 時差對原始音頻流進(jìn)行調(diào)整，最終在簇頭節(jié)點實現(xiàn)各個音頻流的同步。本發(fā) 明技術(shù)的改進(jìn)效果體現(xiàn)在眾所周知，傳統(tǒng)的基于音頻內(nèi)容的傳播時間差的評估方法，計算量大，實時性差。 本發(fā)明方法是在全網(wǎng)時鐘不同步的情況下，實現(xiàn)了音頻流的同步，而且，不需要頻繁地往返 傳遞同步消息，僅需要簇頭節(jié)點組播一次同步消息，就可獲得各個傳感節(jié)點的本地時鐘偏 差。同時，簇頭節(jié)點采用基于能量比例和過零率的時域分析方法進(jìn)行音頻流的端點檢測，能 耗小，精度較高。此外，本發(fā)明方法還在音頻數(shù)據(jù)流的端點檢測基礎(chǔ)上，增加一載波，再通過對該載 波進(jìn)行相關(guān)性運算，用于評估從聲源到各傳感器采集節(jié)點的聲音傳播時間差。這種方法大 大減少了傅里葉變換以及相關(guān)性運算的計算工作量量，明顯節(jié)省節(jié)點的能量，同時減少了 處理延時。最后根據(jù)該評估數(shù)值來調(diào)整音頻流，就能夠非常方便地實現(xiàn)各音頻流間的同步。
圖1是傳感器節(jié)點音頻數(shù)據(jù)流的同步問題示意圖。圖2是本發(fā)明基于端點檢測的無線音頻傳感器網(wǎng)絡(luò)音頻媒體同步方法的流程圖。圖3是兩個傳感節(jié)點A、B實現(xiàn)同步的示意圖。圖4是本發(fā)明方法的步驟(2)中，采用帶通濾波器濾除音頻流中的噪聲信號，并向 濾波后的音頻流中加入載波的信號處理示意圖。
具體實施例方式為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚，下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步 的詳細(xì)描述。簇狀網(wǎng)絡(luò)是傳感器網(wǎng)絡(luò)中常用的一種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，同一簇內(nèi)的采集節(jié)點，將其采集 的數(shù)據(jù)傳送給簇頭節(jié)點，簇頭節(jié)點對收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后，再經(jīng)過多跳發(fā)送給匯聚節(jié)點。 本發(fā)明方法的應(yīng)用場景就是基于這種簇狀網(wǎng)絡(luò)，它是結(jié)合音頻信號特征與數(shù)字信號處理技 術(shù)，在采集節(jié)點對音頻信號實時加入載波，通過對載波進(jìn)行同步處理，從而獲得音頻流的最 終同步。端點檢測通常用于確定語音信號的開始與結(jié)束，本發(fā)明采用的端點檢測方法是用 于確定加入載波的時間點。本發(fā)明是一種基于端點檢測的無線音頻傳感器網(wǎng)絡(luò)音頻媒體的同步方法，它是在 各個音頻采集節(jié)點分別采用端點檢測方法，檢測和確定所采集音頻流中的起始時間后，再 在各自音頻流的起始時間點觸發(fā)和加入設(shè)定參數(shù)的載波；再由作為每個簇內(nèi)的數(shù)據(jù)處理中 心的簇頭節(jié)點，對接收到的、來自各個采集節(jié)點的音頻信號進(jìn)行濾波，然后對各路載波進(jìn)行 交叉相關(guān)性運算，獲得各路載波間的延時差，并根據(jù)該延時差對原始音頻流進(jìn)行調(diào)整后，最終在簇頭節(jié)點實現(xiàn)各個音頻流的同步。參見圖3，具體說明本發(fā)明方法的下列五個操作步驟步驟1、初始化參數(shù)設(shè)置采樣頻率，采樣位數(shù)，幀長，幀間重疊，以及載波的初始相位、幅值和頻率；其中采樣頻率要大于4Khz ；采樣位數(shù)是每個采樣點所占的比特數(shù)，其取 值范圍是[8，12]；幀長是每幀的采樣點數(shù)，其取值范圍是[100，1024]；幀間重疊是相鄰 兩幀之間重疊的采樣點數(shù)，其數(shù)值取決于同步精度，計算公式為幀長-采樣頻率X預(yù)期的 同步精度；載波的初始相位及其幅值均為任意值；載波的頻率要小于帶通濾波器中的設(shè)定 頻率，以區(qū)別于音頻信號頻率。步驟2、各音頻采集節(jié)點檢測音頻流端點，加入載波信號每個音頻采集節(jié)點按照 設(shè)置的采樣頻率采集音頻信息，并緩存得到的音頻流；先采用帶通濾波器濾除音頻流中位 于設(shè)定頻率范圍(該設(shè)定頻率范圍是音頻帶寬，即300 3400Hz)以外的噪聲信號，再根據(jù) 包括能量和過零率的音頻流特征，按照設(shè)置的幀長和幀間重疊參數(shù)，對濾波后的音頻流進(jìn) 行逐幀分析，檢測音頻流的端點；一旦檢測到新的音頻流端點，就向該音頻流的音頻信號中 加入相位重置為初始相位的設(shè)定參數(shù)的載波(參見圖4)，并向簇頭節(jié)點發(fā)送通知消息。步驟3、簇頭節(jié)點接收來自各采集節(jié)點的音頻流，調(diào)整各路音頻流的時鐘偏差簇 頭節(jié)點向上報通知消息的各個音頻采集節(jié)點組播同步消息；各個音頻采集節(jié)點收到該同步 消息后，立即記錄本地時鐘，并向簇頭節(jié)點發(fā)送加入載波后的音頻流及其記錄的本地時鐘； 簇頭節(jié)點根據(jù)上報的本地時鐘，計算各采集節(jié)點的時鐘偏差；再從上報數(shù)據(jù)的各音頻采集 節(jié)點中隨機(jī)選擇一個作為參考節(jié)點(例如選擇節(jié)點r為參考節(jié)點)，根據(jù)該參考節(jié)點的時鐘 對所有上報的音頻流調(diào)整時鐘偏差。該步驟3進(jìn)一步包括下列計算操作內(nèi)容(31)設(shè)采集節(jié)點i在第j個周期采集到的音頻信號為m)(t) = Τ)τη{ + ^j +^) + n){t)，其中，Γ χ、和心⑴分別是在第j周期里聲音信
號從聲源到采集節(jié)點i的衰減系數(shù)、傳播延遲和引入的噪聲；Δ iJ是該采集節(jié)點i在第j周 期里本地時鐘的相對偏移；然后(參見圖4)在該經(jīng)過帶通濾波器濾除其中噪聲的音頻信 號兩⑴上疊加載波心⑴，則被簇頭節(jié)點接收到的信號為力⑴=碎；式中，心⑴ 為采集節(jié)點i在第j個周期加入的載波信號，其表達(dá)式為，其中， A、b、c分別為該載波信號的幅值、頻率與初始相位；(32)當(dāng)采樣節(jié)點r為參考節(jié)點，采集節(jié)點i和采樣參考節(jié)點r在第j周期上報的、 各自記錄的本地時鐘分別為4和A時，則計算得到該兩個采樣節(jié)點i與r的時鐘偏差為 Δ；· - Δ) = - t)；式中，Δ 表示節(jié)點r在第j周期里本地時鐘的相對偏移；(33)根據(jù)參考節(jié)點的時鐘對所有上報的音頻流調(diào)整時鐘偏差其中，采集節(jié)點i 在第j個周期按照下述公式對采集到的音頻信號進(jìn)行時鐘調(diào)整= + + 同樣地，再按照下述公式對載波信號進(jìn)行時鐘調(diào)整= Asmibt+C+χ) +Δ^.)；(34)經(jīng)過時鐘調(diào)整后的簇頭節(jié)點接收到的信號為= m!(t) +Ztj(J)步驟4、簇頭節(jié)點進(jìn)行濾波處理，對其中載波信號進(jìn)行延時評估簇頭節(jié)點先對接 收到的經(jīng)過時鐘調(diào)整后信號進(jìn)行濾波，然后對其中的載波信號的延時進(jìn)行評估對各路載 波信號進(jìn)行快速傅里葉變換和交叉相關(guān)性運算，估算各載波信號間的延時差。該步驟4進(jìn)一步包括下列計算操作內(nèi)容(41)對時鐘調(diào)整后的采集節(jié)點i在第j個周期的信號f/ 1 (t)進(jìn)行濾波，以便簇 頭節(jié)點對其中載波信號h/ i(t)與所采集的音頻信號(O分別進(jìn)行處理；(42)此時簇頭節(jié)點接收到的、來自兩個采集節(jié)點i和r的第j周期的載波信號分 別為=和A Jsin(&+c+;}r;+A〗)，再設(shè)聲音信號從聲源到該兩個 采集節(jié)點i與r的傳播延時差為= χ) -χ]；采用下述步驟對τ f進(jìn)行評估先將載波信號轉(zhuǎn)換到頻域進(jìn)行處理，即對載波信號h/ It)和h/ r(t)進(jìn)行快速傅 里葉變換孖乂/) = F(^(0),式中，F(xiàn)為離散傅里葉變換運算操作；再對該兩個頻域信號H/ (f)和H/ (f)進(jìn)行交叉相關(guān)性運算<formula>formula see original document page 7</formula>式中，* 為復(fù)數(shù)共軛運算；最后，計算^；”(/)的最大似然估計值，得到音頻傳播評估的延時差τ f。步驟5、簇頭節(jié)點調(diào)整各路音頻流達(dá)到同步簇頭節(jié)點利用載波信號計算得到的 音頻傳播延時差，從時間軸上對音頻流進(jìn)行調(diào)整，獲得各音頻流間的同步。本發(fā)明已經(jīng)進(jìn)行了多次實施試驗，試驗的結(jié)果是成功的，實現(xiàn)了發(fā)明目的。
權(quán)利要求
一種基于端點檢測的無線音頻傳感器網(wǎng)絡(luò)音頻媒體的同步方法，其特征在于各個音頻采集節(jié)點分別采用端點檢測方法，檢測和確定所采集的音頻流中的起始時間后，再在各自音頻流的起始時間點觸發(fā)和加入設(shè)定參數(shù)的載波；再由作為每個簇內(nèi)的數(shù)據(jù)處理中心的簇頭節(jié)點，對接收到的、來自各個采集節(jié)點的音頻信號進(jìn)行濾波，然后對各路載波進(jìn)行交叉相關(guān)性運算，獲得各路載波間的延時差，并根據(jù)該延時差對原始音頻流進(jìn)行調(diào)整，最終在簇頭節(jié)點實現(xiàn)各個音頻流的同步。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述方法包括下列操作步驟 (1)初始化參數(shù)設(shè)置采樣頻率，采樣位數(shù)，幀長，幀間重疊，以及載波的初始相位、幅 值和頻率；(2)各音頻采集節(jié)點檢測音頻流端點，加入載波信號每個音頻采集節(jié)點按照設(shè)置的 采樣頻率采集音頻信息，并緩存得到的音頻流；先采用帶通濾波器濾除音頻流中位于設(shè)定 頻率范圍以外的信號，再根據(jù)包括能量和過零率的音頻流特征，按照設(shè)置的幀長和幀間重 疊參數(shù)，對濾波后的音頻流進(jìn)行逐幀分析，檢測音頻流的端點；當(dāng)檢測到新的音頻流端點 時，就向該音頻流的音頻信號中加入相位重置為初始相位的設(shè)定參數(shù)的載波，并向簇頭節(jié) 點發(fā)送通知消息(3)簇頭節(jié)點接收來自各采集節(jié)點的音頻流，調(diào)整各路音頻流的時鐘偏差簇頭節(jié)點 向上報通知消息的各個音頻采集節(jié)點組播同步消息；各個音頻采集節(jié)點收到該同步消息 后，立即記錄本地時鐘，并向簇頭節(jié)點發(fā)送加入載波后的音頻流及其記錄的本地時鐘；簇 頭節(jié)點根據(jù)上報的本地時鐘，計算各采集節(jié)點的時鐘偏差；再從上報數(shù)據(jù)的各音頻采集節(jié) 點中隨機(jī)選擇一個作為參考節(jié)點，根據(jù)該參考節(jié)點的時鐘對所有上報的音頻流調(diào)整時鐘偏 差；(4)簇頭節(jié)點進(jìn)行濾波處理，對其中載波信號進(jìn)行延時評估簇頭節(jié)點先對接收到的 經(jīng)過時鐘調(diào)整后信號進(jìn)行濾波，然后對其中的載波信號的延時進(jìn)行評估對各路載波信號 進(jìn)行快速傅里葉變換和交叉相關(guān)性運算，估算各載波信號間的延時差；(5)簇頭節(jié)點調(diào)整各路音頻流達(dá)到同步簇頭節(jié)點利用載波信號計算得到的音頻傳播 延時差，從時間軸上對音頻流進(jìn)行調(diào)整，獲得各音頻流間的同步。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于所述采樣頻率要大于4Khz；所述采樣位 數(shù)是每個采樣點所占的比特數(shù)，其取值范圍是[8，12]；所述幀長是每幀的采樣點數(shù)，其取 值范圍是[100，1024]；所述幀間重疊是相鄰兩幀之間重疊的采樣點數(shù)，其數(shù)值取決于同 步精度，計算公式為幀長-采樣頻率X預(yù)期的同步精度；所述載波的初始相位及其幅值 均為任意值；所述載波的頻率要小于所述帶通濾波器中的設(shè)定頻率，以區(qū)別于音頻信號頻 率。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于所述帶通濾波器中的設(shè)定頻率范圍為音 頻帶寬，即300 3400Hz。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于所述步驟(3)進(jìn)一步包括下列計算操作 內(nèi)容(31)設(shè)采集節(jié)點i在第j個周期采集到的音頻信號為兩= ++ 丨⑴，其中，Γ /、χ /和n/⑴分別是在第j周期里聲音信號從聲源到采集節(jié)點i的衰減系數(shù)、傳播 延遲和引入的噪聲；Δ /是該采集節(jié)點i在第j周期里本地時鐘的相對偏移；然后在該經(jīng)過帶通濾波器濾除其中噪聲的音頻信號碎W上疊加載波h/(t)，則被簇頭節(jié)點接收到的信號 為力⑴=蛘式中，h/(t)為采集節(jié)點i在第j個周期加入的載波信號，其表達(dá) 式為砂O-jsinM+c+Z+Ai)，其中A、b、C分別為該載波信號的幅值、頻率與初始相位；(32)設(shè)采樣節(jié)點r為參考節(jié)點，采集節(jié)點i和采樣節(jié)點r在第j周期上報的、各 自記錄的本地時鐘分別為t/和t/，則計算得到該兩個采樣節(jié)點i與r的時鐘偏差為 Aij - Arj = -彳；式中，Δ /表示節(jié)點r在第j周期里本地時鐘的相對偏移；(33)根據(jù)參考節(jié)點的時鐘對所有上報的音頻流調(diào)整時鐘偏差其中，采集節(jié)點i在第 j個周期按照下述公式對采集到的音頻信號進(jìn)行時鐘調(diào)整￥ = 1>1^ + ;^.+八；；)+ <妁,同 樣地，再按照下述公式對載波信號進(jìn)行時鐘調(diào)整《⑴sdsinife + c + X+Ap;(34)經(jīng)過時鐘調(diào)整后的簇頭節(jié)點接收到的信號為:<formula>formula see original document page 3</formula>
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于所述步驟(4)進(jìn)一步包括下列計算操作 內(nèi)容(41)對時鐘調(diào)整后的采集節(jié)點i在第j個周期的信號f/1 (t)進(jìn)行濾波，以便簇頭節(jié) 點對其中載波信號h/ 1 (t)與所采集的音頻信號分別進(jìn)行處理；(42)此時簇頭節(jié)點接收到的、來自兩個采集節(jié)點i和r的第j周期的載波信號分別為 <formula>formula see original document page 3</formula>再設(shè)聲音信號從聲源到該兩個采集 節(jié)點i與r的傳播延時差為< =； -Zj ；采用下述步驟對τ 進(jìn)行評估先將載波信號轉(zhuǎn)換到頻域進(jìn)行處理，即對載波信號h/ It)和h/ It)進(jìn)行快速傅里 葉變換孖乂/) 二 F(A)(O),式中，F(xiàn)為離散傅里葉變換運算操作；再對該兩個頻域信號H/(f)和H/(f)進(jìn)行交叉相關(guān)性運算 r^1 (/) = Hj (/T χ丑;(/)，式中，*為復(fù)數(shù)共軛運算；最后，計算&的最大似然估計值，得到音頻傳播評估的延時差τ ,。
全文摘要
一種基于端點檢測的無線音頻傳感器網(wǎng)絡(luò)音頻媒體的同步方法，是各采集節(jié)點分別采用端點檢測方法，檢測和確定所采集的音頻流中的起始時間后，再在各自音頻流的起始時間點觸發(fā)和加入設(shè)定參數(shù)的載波；再由作為每個簇內(nèi)的數(shù)據(jù)處理中心的簇頭節(jié)點，對接收到的、來自各采集節(jié)點的音頻信號進(jìn)行濾波，然后對各路載波進(jìn)行交叉相關(guān)性運算，獲得各路載波間的延時差，并根據(jù)該延時差對原始音頻流進(jìn)行調(diào)整，最終在簇頭節(jié)點實現(xiàn)各個音頻流的同步。該方法僅需簇頭節(jié)點組播一次同步消息，就可獲得各采集節(jié)點的本地時鐘偏差；再通過濾波和增加載波來輔助實現(xiàn)無線音頻傳感器網(wǎng)絡(luò)中音頻媒體同步，能夠顯著降低計算復(fù)雜度，節(jié)省節(jié)點能量，提高處理速度。
文檔編號H04W84/18GK101820310SQ20101010920
公開日2010年9月1日 申請日期2010年2月8日 優(yōu)先權(quán)日2010年2月8日
發(fā)明者孫巖, 羅紅, 趙國濤, 馬華東 申請人:北京郵電大學(xué)