??? 摘 要： 本系統(tǒng)針對(duì)廣播節(jié)目信號(hào)傳輸時(shí)易受干擾的問題，采用相關(guān)系數(shù)算法判別廣播音頻信號(hào)的相似性,實(shí)現(xiàn)在高速數(shù)字信號(hào)處理器（DSPs）芯片上對(duì)輸入的多路節(jié)目信號(hào)進(jìn)行自動(dòng)識(shí)別，并分析其實(shí)現(xiàn)原理。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明了系統(tǒng)的正確性和合理性。
??? 關(guān)鍵詞： 相關(guān)系數(shù)；音頻信號(hào)；DSP6713；語音識(shí)別
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??? 目前，國(guó)內(nèi)廣播中心節(jié)目傳輸系統(tǒng)是將其所有播出節(jié)目通過傳輸系統(tǒng)送往發(fā)射中心和其他目的地。傳輸方式有地面無線、光纖、微波中繼及衛(wèi)星傳輸?shù)取Ｒ纛l廣播節(jié)目通過這四種傳輸方式傳輸?shù)綇V播發(fā)射機(jī)房供發(fā)射機(jī)選擇使用。然而，現(xiàn)今的轉(zhuǎn)播選擇控制過程都要依靠人為來實(shí)現(xiàn)，既浪費(fèi)了人力物力，又容易出現(xiàn)誤操作。特別在無人看守的情況下，一旦出現(xiàn)惡意攻擊節(jié)目信號(hào)的事件，后果將難以估計(jì)。
??? 在通常情況下，每個(gè)信道同時(shí)受到攻擊的可能性很小,一般是某個(gè)信道受到攻擊或干擾。因此，要把接收到的四路信號(hào)進(jìn)行兩兩比較。若四路信號(hào)都為同一信息，則說明四路都沒被攻擊；若有一路或兩路信號(hào)與其他路信號(hào)不同，即可判為被惡意攻擊的信號(hào)。
??? 本系統(tǒng)利用瑞泰公司的ICETEK-C6713-A評(píng)估板支持多路輸入輸出的特性，同時(shí)對(duì)四路廣播節(jié)目信號(hào)進(jìn)行采集，然后對(duì)采集到的四路信號(hào)進(jìn)行同步，再通過相關(guān)系數(shù)算法，對(duì)其兩兩的相似性作判決，最終選出一路最佳信號(hào)，并做出相應(yīng)操作。該系統(tǒng)從保證節(jié)目安全播出的角度出發(fā)，能夠?qū)V播節(jié)目進(jìn)行自動(dòng)識(shí)別，可應(yīng)用于廣播節(jié)目自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)，提高廣播機(jī)房工作的有效性、可靠性、安全性。
1 識(shí)別算法的實(shí)現(xiàn)
1.1 互相關(guān)算法
??? 互相關(guān)處理是信號(hào)檢測(cè)中常用的方法，即求兩個(gè)信號(hào)的相似程度，當(dāng)兩個(gè)信號(hào)出現(xiàn)互相關(guān)性時(shí)會(huì)產(chǎn)生峰值，而無相關(guān)性信號(hào)將被大幅度衰減，從而判斷出被噪聲淹沒的兩路信號(hào)的相似程度。這是因?yàn)樾畔⒂辛己玫臅r(shí)間相關(guān)性(即信號(hào)是積累的)，而噪聲是隨機(jī)的，沒有時(shí)間相關(guān)性(即噪聲不積累)。假設(shè)x(t)為一路信號(hào)，y(t)為另一路信號(hào)，n(t)為噪聲，則s(t)=x(t)+n(t)為被噪聲干擾的信號(hào)。則它們的互相關(guān)函數(shù)為：
????
??? 由于廣播節(jié)目信號(hào)與環(huán)境的隨機(jī)噪聲沒有相關(guān)性，所以Rny(τ)=0，故Rsy(τ)=Rxy(τ)，可以排除環(huán)境的隨機(jī)噪聲對(duì)系統(tǒng)識(shí)別的影響。因此，只要根據(jù)Rxy(τ)的值，就能判斷出接收到的兩路信號(hào)是不是同一信號(hào)，即有沒有受到惡意攻擊。可以設(shè)一個(gè)門限K來判斷，若Rxy(τ)>K，則認(rèn)為這兩路信號(hào)有相關(guān)性，判為同一信號(hào)；否則判為不同信號(hào)。
??? 但是在實(shí)際應(yīng)用中，由于信號(hào)的不同或噪聲等其他因素的影響，Rxy(τ)值的波動(dòng)太大，所以K的值很難確定。針對(duì)該問題，本系統(tǒng)采用求兩路信號(hào)的相關(guān)系數(shù)ρ的絕對(duì)值來解決，因?yàn)棣讶≈捣秶橛?1～1之間。ρ＞0為正相關(guān)，ρ＜0為負(fù)相關(guān)，ρ＝0表示不相關(guān)；ρ的絕對(duì)值越大，相關(guān)程度越高。ρ的計(jì)算公式如下：
??? 
1.2 算法可行性在MATLAB上的驗(yàn)證
??? 首先，通過麥克風(fēng)錄音，隨便保存好幾個(gè)音頻信號(hào)，用于下面的語音識(shí)別，如本實(shí)驗(yàn)中，錄入由筆者念的“1”、“2”、“福州大學(xué)”、“信息工程”等音頻信號(hào)；接著通過MATLAB打開音頻信號(hào)，加入噪聲，再找出信號(hào)間的相關(guān)性，并畫出波形圖。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。
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??? 在圖1中，信號(hào)一和信號(hào)二的信號(hào)內(nèi)容都是筆者自己錄制的“福州大學(xué)”四個(gè)字的音頻信號(hào)，相關(guān)性為這兩個(gè)信號(hào)在加噪后（信噪比為25dB）求出的互相關(guān)程度。其中在X軸為3841的位置有明顯的波峰，峰值為205.8。
??? 在圖2中，信號(hào)一的信號(hào)內(nèi)容是筆者自己錄制的“福州大學(xué)”四個(gè)字的音頻信號(hào)，而信號(hào)二的信號(hào)內(nèi)容都是 “信息工程”四個(gè)字的音頻信號(hào)，其中相關(guān)性也是這兩個(gè)信號(hào)在加噪后(信噪比為25dB)求出的互相關(guān)程度。圖中沒有明顯的波峰，且相關(guān)性大小幅值明顯偏小（其幅值最大值為4.947）。
??? 從圖1與圖2可以看出，相同信號(hào)在噪聲的影響下具有較大的相關(guān)性，而不同信號(hào)之間的相關(guān)性非常小，從而說明了該算法的可行性。
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1.3 算法在DSP上的實(shí)現(xiàn)
??? 本系統(tǒng)的主要算法是求兩信號(hào)的相關(guān)系數(shù)，由公式（2）可看出，相關(guān)系數(shù)的計(jì)算，其實(shí)就是用兩信號(hào)的互相關(guān)性除以各信號(hào)的自相關(guān)的乘積的平方根。因此，求一次相關(guān)系數(shù)就等于求三次互相關(guān)性，如式（1）。
??? 利用DSP6713的浮點(diǎn)運(yùn)算功能的優(yōu)勢(shì)，用快速傅立葉（FFT）來計(jì)算兩信號(hào)的互相關(guān)性[1]。其步驟如下：
??? (1)假設(shè)截取的用來識(shí)別的信號(hào)長(zhǎng)度為M，則選擇FFT的變換長(zhǎng)度L應(yīng)滿足如下條件：
????
??? (2)將截取的音頻信號(hào)x(n)、y(n)也按如下方式補(bǔ)零，形成長(zhǎng)度有L的序列：
??? 
??? (3)用FFT算法分別計(jì)算信號(hào)序列
的離散傅立葉變換X(k)和Y(k)：
?????
??? (4)計(jì)算X(k)和Y(k)的乘積： Z(k)=X*(k)Y(k)，其中*表示復(fù)共軛。
??? (5)用FFT算法計(jì)算Z(k)離散傅立葉反變換，得到相關(guān)性z(n)：
???? 
2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
????本系統(tǒng)主要基于TMS320C6713實(shí)現(xiàn)廣播中心的自動(dòng)識(shí)別，它是基于語音識(shí)別技術(shù)實(shí)現(xiàn)的。基本處理流程為：對(duì)輸入的多路音頻信號(hào)進(jìn)行采集，對(duì)得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行信號(hào)處理，用相關(guān)算法判別信號(hào)的相似性，而后輸出控制信號(hào)對(duì)多路信號(hào)進(jìn)行切換，使輸出的數(shù)據(jù)具有最佳信噪比。系統(tǒng)框圖如圖3所示。
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2.1 節(jié)目信號(hào)的輸入
??? 本系統(tǒng)語音采集主要利用ICETEK-AIC23板上語音codec芯片TLV320AIC23實(shí)現(xiàn)。在語音輸入時(shí)利用了ICETEK-C6713-A EVM支持多路輸入輸出的特點(diǎn)。首先，DSP通過I2C總線將配置命令發(fā)送到AIC23使其初始化，等配置完成后AIC23開始工作。然后AIC23通過其中的AD轉(zhuǎn)換采集輸入的語音信號(hào)，每采集完一個(gè)信號(hào)后，將數(shù)據(jù)發(fā)送到DSP的McBSP接口上，DSP可以讀取到語音數(shù)據(jù)，每個(gè)數(shù)據(jù)為16位無符號(hào)整數(shù)，左右通道各有一個(gè)數(shù)值。
2.2 分幀
??? 從整體來看語音信號(hào)的特性及表征其本質(zhì)特征的參數(shù)均是隨時(shí)間而變化的，是一個(gè)典型的非平穩(wěn)過程，但是在一個(gè)短時(shí)間段內(nèi)(10ms～30ms的短時(shí)間段內(nèi))其特性保持相對(duì)穩(wěn)定，因而可以看作是一個(gè)準(zhǔn)平穩(wěn)過程，即語音信號(hào)的短時(shí)平穩(wěn)性。目前絕大多數(shù)的語音信號(hào)處理技術(shù)均是在“短時(shí)”的基礎(chǔ)上，將語音信號(hào)分為許多段來逐段分析其特征參數(shù)，其中每一段稱為一“幀”，分段的過程稱為“分幀”處理。根據(jù)不同的處理需求，選取不同的幀長(zhǎng)。通常，幀長(zhǎng)選取10ms～30ms(當(dāng)FS=22.050kHz時(shí)，相應(yīng)于每幀有220～661個(gè)信號(hào)樣本值）。在取數(shù)據(jù)時(shí)，前一幀的尾和后一幀的頭交疊截取，交疊部分稱為幀移。幀移與幀長(zhǎng)的比值一般取為0～1/2。在端點(diǎn)檢測(cè)前，選取幀長(zhǎng)為240個(gè)信號(hào)樣本值，幀移為80個(gè)信號(hào)樣本值。
2.3 迭加濾波
??? 由于語音信號(hào)具有短時(shí)平穩(wěn)性的特點(diǎn)，即語音信號(hào)在30ms左右時(shí)間里基本保持不變，而噪聲則具有隨機(jī)性的特點(diǎn)，不具備短時(shí)平穩(wěn)性的特點(diǎn)，因此，本系統(tǒng)用迭加濾波的方法對(duì)輸入的廣播節(jié)目信號(hào)進(jìn)行濾波。迭加濾波的實(shí)現(xiàn)步驟如下：
??? (1)語音信號(hào)經(jīng)過采樣和量化后，以N點(diǎn)為一幀，對(duì)一幀內(nèi)的N點(diǎn)進(jìn)行累加，設(shè)累加后的結(jié)果為SUM。
?? ?(2)將這一幀內(nèi)的平均值（SUM/N）代替該幀的信號(hào)采樣值。
?? ?(3)重復(fù)步驟(2)的操作，直到所有的幀均作平均處理。
2.4 端點(diǎn)檢測(cè)
??? 語音的端點(diǎn)檢測(cè)就是確定語音的起點(diǎn)和終點(diǎn)，端點(diǎn)檢測(cè)的正確與否對(duì)語音識(shí)別的性能有很大的影響，特別是對(duì)端點(diǎn)檢測(cè)比較敏感的語音識(shí)別算法。漢語語音因?yàn)槁暷付际乔迓暷福€有送氣與不送氣的塞音和塞擦音，它們與環(huán)境噪聲難以分辨。
??? 常用的端點(diǎn)檢測(cè)方法有過零檢測(cè)和短時(shí)能量檢測(cè)。本系統(tǒng)采用這兩種方法的綜合——雙門限端點(diǎn)檢測(cè)法來進(jìn)行語音信號(hào)端點(diǎn)檢測(cè)，檢測(cè)時(shí)，先要分別為短時(shí)能量和過零率確定兩個(gè)門限。高門限被超過時(shí)，基本可以確定語音的起始端點(diǎn)，低門限用于確定語音真正的端點(diǎn)。低門限被超過未必就是語音的起始端點(diǎn)，也有可能是短時(shí)噪聲。當(dāng)高門限已經(jīng)確定語音起始端點(diǎn)，再返回去利用低門限確定語音的真正起始點(diǎn)，語音結(jié)束點(diǎn)的判別方法類似。有時(shí)噪聲的能量也相當(dāng)大，可能超過高門限，但是噪聲一般持續(xù)時(shí)間比較短，可以用持續(xù)時(shí)間來決定是噪聲還是語音。
2.5 識(shí)別判決與相應(yīng)動(dòng)作
??? 因?yàn)楣饫w傳輸?shù)墓?jié)目受到惡意侵入的可能性比較小，因此，可以以這路信號(hào)為模板，將其他三路信號(hào)與該路信號(hào)比較，判決其他三路信號(hào)是否遭到惡意侵入。若沒有一路信號(hào)與其相同，則說明該路可能受到敵意攻擊，則再選另一路做為模板來做判決。
??? 經(jīng)過語音識(shí)別判決后，在已經(jīng)識(shí)別出的未受干擾的正常廣播節(jié)目信號(hào)中，要選取一路最佳節(jié)目作為輸出，即要尋找一路信噪比最高的信號(hào)。
??? 在這里，通過計(jì)算信號(hào)的平均功率來進(jìn)行判別。具體步驟如下：
??? (1)讀取各路正常信號(hào)進(jìn)行分幀后，計(jì)算每一幀的短時(shí)能量；
?? ?(2)對(duì)各路信號(hào)均取其N幀的短時(shí)能量進(jìn)行累加；
?? ?(3)對(duì)它們累加后的結(jié)果取平均，便得到各路信號(hào)的平均功率；
?? ?(4)根據(jù)各路信號(hào)的平均功率進(jìn)行比較，選擇平均功率最高的那路信號(hào)作為輸出。
2.6 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
??? 在ICETEK-C6713-A的硬件平臺(tái)下，每次輸入兩路語音信號(hào)，并給信號(hào)加噪聲（信噪比為13dB），然后對(duì)相同信號(hào)與不同信號(hào)之間進(jìn)行判決。各做了66次實(shí)驗(yàn)，其結(jié)果如表1所示。
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??? 本系統(tǒng)采用相關(guān)性算法，結(jié)合TI公司高速的DSP浮點(diǎn)處理器TMS320C6713嵌入式硬件平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)四路廣播節(jié)目的自動(dòng)識(shí)別。系統(tǒng)對(duì)提高廣播機(jī)房工作的有效性、可靠性、安全性，并最終實(shí)現(xiàn)無人看守方面有著重大意義。當(dāng)然，系統(tǒng)處理速度和識(shí)別率等方面都有待于優(yōu)化。
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