CN101635865B - 一种双音多频信号抗误检测的系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种双音多频信号抗误检测的系统,该系统包括音频数据采集单元、时域能量计算单元、频域能量计算单元、能量关系建立单元和判决单元;其中,能量关系建立单元,用于获取并根据音频数据的时域能量以及音频数据的频域能量,建立音频数据的时域能量与音频数据的频域能量的能量关系;判决单元,用于获取并根据建立的能量关系,完成对音频数据是否为双音多频信号的判决。本发明还公开了一种双音多频信号抗误检测的方法,该方法包括以下步骤:判决单元从能量关系建立单元获取到建立的能量关系,并根据建立的能量关系完成对音频数据是否为双音多频信号的判决。采用本发明的系统及方法,避免了将非双音多频信号检测为双音多频信号的误检测。
Description
技术领域
本发明涉及信号抗误检测的技术,尤其涉及一种双音多频信号抗误检测的系统及方法。
背景技术
双音多频信号为:用两个单音频信号组合后的单音频组合信号来代表数字信号以实现其功能的一种编码技术。两个单音频信号的频率不同,代表的数字信号或实现的功能也不同。具体来说,普通输入设备比如电话机上通常有16个按键,包括十个数字键0至9,以及六个功能键*、#、A、B、C、D。为方便单音频信号的组合,同时确保单音频信号的频率间隔便于检测,一般有八种不同的单音频信号,因此可用于组合的频率也有八种,故组合后的信号称之为多频信号,又因它采用从八种单音频信号的频率中任意抽出两种进行组合来进行编码,姑称为双音多频信号。双音多频信号又称之为八中取二的编码技术。
目前,通常采用的用于组合的频率为697Hz、770Hz、852Hz、941Hz、1209Hz、1336Hz、1477Hz和1633Hz这八种。用这八种频率可形成十六种不同的单音频信号的组合,从而代表十六种不同的数字或功能键,具体组合如表1所示。
表1
由于数字号码最大传输速度为每秒10个,即一个数字号码占100ms时间片。
且在100ms时间片内双音多频信号持续不少于45ms且不多于55ms的时间。因此,典型的双音多频信号频率范围是700~1700Hz。根据Nyquist这种采样理论可知,采样频率应该大于3400hz。而双音多频信号一般采用与语音相同的传输链路,同时为了减少码元间干扰,因此实际检测中一般选取8000Hz作为采样频率,取50ms作为双音多频信号的标准持续时间,那么每个信号含400个点的信息和400点的间隔。若以100个点为一帧检测,那么400个点的信息将会连续检测到4次,考虑到首尾的截断效应,选取合适的阈值,连续检测的次数不低于3次。
在实际检测中为降低时间复杂度,通常只需检测已知的八个频点,为此一般采用Goertzel这种表达离散傅立叶变换的简化算法计算相应八个频点的频点幅度值,并根据国际规定的电气标准作为判断依据,可以准确地检测出比较纯净的双音多频信号,做到没有漏检测,但是很难避免误检测而将非双音多频信号误检测为双音多频信号。比如在正常的通话中或背景存在较强音乐的情况下经常有误检测产生,统计结果为普通三分钟音乐有约十个误检测产生。播放音乐的不同会得到不同数量的误检测。这些误检测虽然次数不多,但是严重干扰正常的工作,比如普通通话中的误检测会影响通话质量,如果误检测在双音多频自动控制系统工作时产生,还会导致错误的控制。
另外,通过分析误检测产生时的音乐信号可知,该音乐信号的语谱图所揭示的频谱幅度分布和信号持续时间长度,与纯净的双音多频信号是非常相似的,也就是说,采用现有技术只能避免漏检测,而无法避免误检测,存在误检测的原因在于,现有技术对双音多频信号的检测过于粗糙、判决机制过于简单。具体来说,公开号为CN1816164的专利申请存在以下不足:该专利申请针对噪音下的信号音进行检测,实质是为了避免漏检测,而并未提出针对误检测的解决方案。公开号为US2007116242的专利申请存在以下不足:该专利申请的判决机制主要采用了频域中频点幅度值的幅度关系以及时域中的过零率方法来进行判决,由于频域的判决和时域的判决完全孤立,不能全面的反映内在联系,因此判决机制不够精细。综上所述,目前针对误检测,并没有有效的解决方案,也就是说,采用现有技术,经常将非双音多频信号检测为双音多频信号。
发明内容
有鉴于此,本发明的主要目的在于提供一种双音多频信号抗误检测的系统,能有效地检测出双音多频信号,提高了检测的准确性。从而避免了将非双音多频信号检测为双音多频信号的误检测。
本发明的另一目的在于提供一种双音多频信号抗误检测的方法,能有效地检测出双音多频信号,提高了检测的准确性。从而避免了将非双音多频信号检测为双音多频信号的误检测。
为达到上述目的,本发明的技术方案是这样实现的:
一种双音多频信号抗误检测的系统,该系统包括:音频数据采集单元、时域能量计算单元、频域能量计算单元、能量关系建立单元和判决单元;其中,
音频数据采集单元,用于将所采集音频数据中的时域样点输入所述时域能量计算单元;以及将所采集音频数据中的频域样点输入所述频域能量计算单元;
时域能量计算单元,用于计算所述音频数据的时域能量;
频域能量计算单元,用于计算所述音频数据的频域能量;
能量关系建立单元,用于获取并根据所述音频数据的时域能量以及所述音频数据的频域能量,建立所述音频数据的时域能量与所述音频数据的两个峰值频点对应的频域能量之和的能量关系;
判决单元,用于获取并根据所述建立的能量关系,当所述音频数据的两个峰值频点对应的频域能量之和占到所述音频数据的时域能量的90%以上时,判决所述音频数据为双音多频信号。
其中,所述判决单元用于判断所述建立的能量关系是否满足预设的第一阀值,如果是,则判决出所述音频数据为双音多频信号;否则,判决出所述音频数据为非双音多频信号。
其中,该系统还包括至少一个音频数据缓冲单元,用于接收并缓冲不同通道的音频数据,以支持至少一个通道的处理;所述音频数据采集单元,进一步用于根据所述音频数据相对应的通道号,将所述音频数据输入到与所述通道号
相对应通道的音频数据缓冲单元。
其中,所述音频数据缓冲单元,进一步用于对接收到的当前标记有双音多频信号标识的音频数据,以及当前标记有非双音多频信号标识的音频数据进行统计,并将统计结果反馈给所述判决单元;所述判决单元,进一步用于判断所述统计结果是否等于预设的第二阀值,如果是,则判决出所述音频数据为双音多频信号;否则,判决出所述音频数据为非双音多频信号。
一种双音多频信号抗误检测的方法,该方法包括以下步骤:
A、音频数据采集单元将所采集音频数据中的时域样点输入时域能量计算单元,以计算出所述音频数据的时域能量;音频数据采集单元将所采集音频数据中的频域样点输入频域能量计算单元,以计算出所述音频数据的频域能量;
B、能量关系建立单元获取并根据所述音频数据的时域能量以及所述音频数据的频域能量,建立所述音频数据的时域能量与所述音频数据的两个峰值频点对应的频域能量之和的能量关系;
C、判决单元获取并根据所述建立的能量关系,当所述音频数据的两个峰值频点对应的频域能量之和占到所述音频数据的时域能量的90%以上时,判决所述音频数据为双音多频信号。
其中,步骤A中,所述计算音频数据的时域能量所采用的计算公式为:
步骤A中,所述计算音频数据的频域能量所采用的计算公式为:
其中,步骤B中,所述建立音频数据的时域能量与所述音频数据两个峰值频点对应的频域能量之和的能量关系所采用的计算公式为:
其中,x(n)为所述所采集音频数据中的时
域样点;n为时域样点的序号;N为时域样点的总个数;X(K1)、X(K2)为所述所采集音频数据中两个峰值频点的频域样点;N为频域样点的总个数,所述时域样点的总个数与频域样点的总个数具有相等关系。
其中,步骤C具体为:在所述判决单元判断所述建立的能量关系是否满足预设的第一阀值,如果是,则判决出所述音频数据为双音多频信号;否则,判决出所述音频数据为非双音多频信号。
其中,步骤A之前还包括:
所述音频数据采集单元根据所述音频数据相对应的通道号,将所述音频数据输入到与所述通道号相对应通道的音频数据缓冲单元,以支持至少一个通道的处理。
其中,步骤C进一步为:
C1、将当前判决为双音多频信号的音频数据标记上双音多频信号标识后,输入与所述当前双音多频信号的音频数据相对应通道的音频数据缓冲单元,以及将当前判决为非双音多频信号的音频数据标记上非双音多频信号标识后,输入与所述当前非双音多频信号的音频数据相对应通道的音频数据缓冲单元;
C2、当前通道的音频数据缓冲单元接收到当前标记有双音多频信号标识的音频数据,以及当前标记有非双音多频信号标识的音频数据后进行统计,并将统计结果反馈给所述判决单元,所述判决单元判断所述统计结果是否等于预设的第二阀值,如果是,则判决出所述音频数据为双音多频信号;否则,判决出所述音频数据为非双音多频信号。
本发明建立音频数据的时域能量与音频数据的频域能量的能量关系,并根据所述建立的能量关系,完成对音频数据是否为双音多频信号的判决。也就是说,本发明结合了双音多频信号的时域特征和频域特征,采用时、频域联合比对检测的判决手段,有效地提高了检测的准确性。从而避免了将非双音多频信号检测为双音多频信号的误检测。比如在普通通话情况下将正常语音误检测为双音多频信号,或者在背景存在较强乐音的情况下将乐音误检测为双音多频信 号。
而现有技术一般采用Goertzel算法在计算出已知八个频点的频点幅度值后,通过简单的比较频点幅度值的幅度关系来作为判断该音频数据是否为双音多频信号的重要依据,从而存在误检测。本发明通过时、频域联合比对检测的判决手段,严格比对时域能量和两个峰值频点的频域能量的关系从而达到准确地检测双音多频信号,彻底杜绝了针对双音多频信号的误检测。
附图说明
图1为本发明系统的组成结构示意图;
图2为本发明方法的实现流程示意图;
图3为Goertzel算法的原理框图。
具体实施方式
本发明的核心思想是:建立音频数据的时域能量与音频数据的频域能量的能量关系,并根据所述建立的能量关系,完成对音频数据是否为双音多频信号的判决。也就是说本发明结合了双音多频信号的时域特征和频域特征,采用时、频域联合对比检测的判决手段,有效地提高了检测的准确性。从而避免了将非双音多频信号检测为双音多频信号的误检测。
下面结合附图对技术方案的实施作进一步的详细描述。
如图1所示,一种双音多频信号抗误检测的系统,该系统包括:音频数据采集单元1、时域能量计算单元2、频域能量计算单元3、能量关系建立单元4和判决单元5。其中,音频数据采集单元1用于将所采集音频数据中的时域样点输入时域能量计算单元2;以及将所采集音频数据中的频域样点输入频域能量计算单元3。时域能量计算单元2用于从音频数据采集单元1接收到所采集音频数据中的时域样点后,根据所采集音频数据中的时域样点计算音频数据的时域能量。频域能量计算单元3用于从音频数据采集单元1接收到所采集音频数据中的频域样点后,根据所采集音频数据中的频域样点计算音频数据的频域
能量。能量关系建立单元4用于获取并根据音频数据的时域能量以及音频数据的频域能量,建立音频数据的时域能量与音频数据的频域能量的能量关系。判决单元5用于获取并根据所建立音频数据的时域能量与音频数据的频域能量的能量关系,完成对音频数据是否为双音多频信号的判决。
这里,判决单元5用于判断所建立音频数据的时域能量与音频数据的频域能量的能量关系是否满足预设的第一阀值,如果是,则判决出音频数据为双音多频信号;否则,判决出音频数据为非双音多频信号。
一种双音多频信号抗误检测的系统,该系统还包括多个音频数据缓冲单元,用于接收并缓冲不同通道的音频数据,以支持多通道的处理。针对多通道处理而言,在音频数据采集单元根据音频数据相对应的通道号,将音频数据输入到与通道号相对应通道的音频数据缓冲单元情况下,采用多通道处理机制,能缓冲多个通道的音频数据,提高了处理效率。在当前通道的音频数据缓冲单元接收到当前标记有双音多频信号标识的音频数据,以及当前标记有非双音多频信号标识的音频数据后进行统计之前的情况下,采用多通道处理机制,能保存多个通道的检测数据,即标记有双音多频信号标识的音频数据,以及标记有非双音多频信号标识的音频数据,以便于后续基于这些多个通道的检测数据进行统计。那么音频数据采集单元1进一步用于根据音频数据相对应的通道号,将音频数据输入到与该通道号相对应通道的音频数据缓冲单元。
这里,音频数据缓冲单元进一步用于对接收到的当前标记有双音多频信号标识的音频数据,以及当前标记有非双音多频信号标识的音频数据进行统计,并将统计结果反馈给判决单元5。判决单元5进一步用于判断该统计结果是否等于预设的第二阀值,如果是,则判决出音频数据为双音多频信号;否则,判决出音频数据为非双音多频信号。
一种双音多频信号抗误检测的系统,该系统还包括频率点检测单元,在频率点检测单元采用Goertzel算法计算出已知八个频点的频点幅度值后,以实现通过比较频点幅度值的幅度关系,来判断音频数据是否为双音多频信号。
如图2所示,一种双音多频信号抗误检测的方法,该方法包括以下步骤:
步骤100、音频数据采集单元将所采集的音频数据输入频率点检测单元,在频率点检测单元采用Goertzel算法计算出已知八个频点的频点幅度值后,通过比较频点幅度值的幅度关系,来粗略判断并检测音频数据是否为双音多频信号。
这里需要指出的是,为了简化计算,避免复数运算,可以将计算出的频点幅度值转换为频点幅度值的平方后再进行比较和检测。
针对Goertzel算法而言,Goertzel算法实质是一个两极点的无限冲激响应(IIR)滤波器,Goertzel算法的原理框图如图3所示。图3中,包括加法运算器,乘法运算器和延时运算器。且加法运算器以 表示,乘法运算器以 表示,延时运算器以 表示。
Goertzel算法具体推导如下所示:
则当 时,H(z)相当于由H1(z)和H2(z)构成的级联型网络。
综上所述,如图3所示,x(n)经过第一级滤波后的输出信号为:
x(n)经过第二级滤波后的输出信号为:
这里,y(n)即为计算出的频点幅度值,为了避免复数计算直接计算该频点 幅度值的平方,如以下公式(1)所示。相当于得到该频点处的频域能量。
这样,按照公式(1)计算就得到了已知八个频点的频域能量,可以用于粗略判断并检测音频数据是否为双音多频信号。
步骤101、音频数据采集单元将所采集音频数据中的时域样点输入时域能量计算单元,以便时域能量计算单元能计算出音频数据的时域能量;音频数据采集单元将所采集音频数据中的频域样点输入频域能量计算单元,以便频域能量计算单元能计算出音频数据的频域能量。
这里,步骤101中,计算音频数据的时域能量所采用的计算公式为:
步骤101中,计算音频数据的频域能量所采用的计算公式为:
其中,X(k)为所述所采集音频数据中的频域样点;k为频域样点的序号,代表第k个时域样点;N为频域样点的总个数。
步骤102、能量关系建立单元获取并根据音频数据的时域能量以及音频数据的频域能量,建立音频数据的时域能量与音频数据的频域能量的能量关系。
这里,步骤102中,建立音频数据的时域能量与音频数据的频域能量的能量关系所采用的计算公式为:
其中,x(n)为所述所采集音频数据中的时域样点;n为时域样点的序号;N为时域样点的总个数;X(k)为所述所采集音频数据中的频域样点;k为频域样点的序号;N为频域样点的总个数。
上述公式(2)的推导过程具体为:
上述推导过程反映了离散傅立叶变换下时域能量和频域能量的关系。由于实际应用中对于具体的双音多频信号来说,能量将全部集中在构成该双音多频信号的两个频点,尤其是共轭的两个频点上面,那么步骤102中,建立音频数据的时域能量与音频数据的频域能量的能量关系所采用的计算公式进一步为:
上述公式(3)的推导过程具体为:
上述公式(3)反映了正常双音多频信号时域能量和频域能量的相等关系,在实际应用中考虑到本发明双音多频信号抗误检测的系统的计算误差,频域能量应该占到时域能量的90%以上。
综上所述,对比现有技术和本发明,现有技术采用Goertzel算法在计算出已知八个频点的频点幅度值后,仅仅简单的比较八个频点的频点幅度值的幅度关系和音频的时长,来作为判断该音频数据是否为双音多频信号的重要依据,难以排除出普通通话时或者背景乐音较强时产生的频谱分布类似双音多频信号的音频信号。从而导致普通通话情况下将正常语音误检测为双音多频信号,或者在背景存在较强乐音的情况下将乐音误检测为双音多频信号这些误检测。而
本发明通过增加时、频域能量联合比对检测的判决手段,可以确保构成双音多频信号中的两个单音频信号的频域能量比重,而偶然产生的类似双音多频信号的音频信号虽然频谱分布类似,即使单独比较八个频点的频点幅度值的幅度关系也满足判决,但是总体上八个频点的频域能量分布达不到正常产生的双音多频信号的频域能量在整个时域能量中的比重,从而,采用本发明通过增加时、频域能量联合比对检测的判决手段,能避免此类误检测的发生。
步骤103、判决单元获取并根据所建立音频数据的时域能量与音频数据的频域能量的能量关系,完成对音频数据是否为双音多频信号的判决。
这里,步骤103具体为:在判决单元判断所建立音频数据的时域能量与音频数据的频域能量的能量关系是否满足预设的第一阀值,如果是,则判决出音频数据为双音多频信号;否则,判决出音频数据为非双音多频信号。
针对第一阀值而言,该第一阈值一般取0.9,即组成双音多频信号的两个单音频信号的频域能量应该占到整个时域能量的90%以上。
这里,步骤100之前还包括:音频数据采集单元根据音频数据相对应的通道号,将音频数据输入到与通道号相对应通道的音频数据缓冲单元,以支持至多通道的处理。那么,步骤103的具体处理过程进一步为:
步骤1031、将当前判决为双音多频信号的音频数据标记上双音多频信号标识后,输入与当前双音多频信号的音频数据相对应通道的音频数据缓冲单元,以及将当前判决为非双音多频信号的音频数据标记上非双音多频信号标识后,输入与当前非双音多频信号的音频数据相对应通道的音频数据缓冲单元。
步骤1032、当前通道的音频数据缓冲单元接收到当前标记有双音多频信号标识的音频数据,以及当前标记有非双音多频信号标识的音频数据后进行统计,并将统计结果反馈给判决单元,判决单元判断该统计结果是否等于预设的第二阀值,如果是,则判决出音频数据为双音多频信号;否则,判决出音频数据为非双音多频信号。
这里,针对第二阀值而言,该第二阈值的选择一般为当该通道的音频数据连续三次被标记为双音多频信号,则此时将该音频数据判决为双音多频信号。
方法实施例一:
步骤201、音频数据采集单元根据音频数据相对应的通道号,将音频数据输入到与通道号相对应通道的音频数据缓冲单元。
步骤202、音频数据采集单元将所采集的音频数据输入频率点检测单元;频率点检测单元对当前接收的一帧音频数据采用Goertzel算法计算出已知八个频点的频点幅度值,且为避免复数运算将计算出的频点幅度值转换为频点幅度值的平方后再进行后续的比较和检测。
步骤203、按照识别双音多频的信号的检测规则判断该帧音频数据是否满足该检测规则,如果不满足,则标记该帧音频数据为非双音多频信号并退回到步骤201等待接收下一帧的音频数据,如果满足则转入执行步骤204。
步骤204、时域能量计算单元计算该帧音频数据的时域能量。
步骤205、频域能量计算单元计算该帧音频数据的频域能量。
这里,该帧音频数据的频域能量即该帧音频数据已经选出的两个峰值频点包括两个共轭的频点所对应的频域能量的和。
步骤206、能量关系建立单元建立该帧音频数据的时域能量与音频数据的频域能量的能量关系。
步骤207、判决单元判断所建立音频数据的时域能量与音频数据的频域能量的能量关系是否满足预设的第一阀值,如果不满足,则标记该帧音频数据为非双音多频信号并记入该音频数据相对应通道的音频数据缓冲单元;否则,标记为双音多频信号并记入相对应通道的音频数据缓冲单元。
步骤208、当前通道的音频数据缓冲单元接收到当前标记为双音多频信号的音频数据,以及当前标记为非双音多频信号的音频数据后进行统计,并将统计结果反馈给判决单元;判决单元判断当前通道音频数据缓冲单元的统计结果是否等于预设的第二阀值,如果不相等,则返回到步骤201等待处理下一帧音频数据;否则,判定并检测出该音频数据为双音多频信号并返回到步骤201。以上所述,仅为本发明的较佳实施例而已,并非用于限定本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种双音多频信号抗误检测的系统,其特征在于,该系统包括:音频数据采集单元、时域能量计算单元、频域能量计算单元、能量关系建立单元和判决单元;其中,
音频数据采集单元,用于将所采集音频数据中的时域样点输入所述时域能量计算单元;以及将所采集音频数据中的频域样点输入所述频域能量计算单元;
时域能量计算单元,用于计算所述音频数据的时域能量;
频域能量计算单元,用于计算所述音频数据的频域能量;
能量关系建立单元,用于获取并根据所述音频数据的时域能量以及所述音频数据的频域能量,建立所述音频数据的时域能量与所述音频数据的两个峰值频点对应的频域能量之和的能量关系;
判决单元,用于获取并根据所述建立的能量关系,当所述音频数据的两个峰值频点对应的频域能量之和占到所述音频数据的时域能量的90%以上时,判决所述音频数据为双音多频信号。
2.根据权利要求1所述的系统,其特征在于,该系统还包括至少一个音频数据缓冲单元,用于接收并缓冲不同通道的音频数据,以支持至少一个通道的处理;所述音频数据采集单元,进一步用于根据所述音频数据相对应的通道号,将所述音频数据输入到与所述通道号相对应通道的音频数据缓冲单元。
3.根据权利要求2所述的系统,其特征在于,所述音频数据缓冲单元,进一步用于对接收到的当前标记有双音多频信号标识的音频数据,以及当前标记有非双音多频信号标识的音频数据进行统计,并将统计结果反馈给所述判决单元;所述判决单元,进一步用于判断所述统计结果是否等于预设的第二阀值,如果是,则判决出所述音频数据为双音多频信号;否则,判决出所述音频数据为非双音多频信号。
4.一种双音多频信号抗误检测的方法,其特征在于,该方法包括以下步骤:
A、音频数据采集单元将所采集音频数据中的时域样点输入时域能量计算单元,以计算出所述音频数据的时域能量;音频数据采集单元将所采集音频数据中的频域样点输入频域能量计算单元,以计算出所述音频数据的频域能量;
B、能量关系建立单元获取并根据所述音频数据的时域能量以及所述音频数据的频域能量,建立所述音频数据的时域能量与所述音频数据的两个峰值频点对应的频域能量之和的能量关系;
C、判决单元获取并根据所述建立的能量关系,当所述音频数据的两个峰值频点对应的频域能量之和占到所述音频数据的时域能量的90%以上时,判决所述音频数据为双音多频信号。
6.根据权利要求5所述的方法,其特征在于,步骤B中,所述建立音频数据的时域能量与所述音频数据两个峰值频点对应的频域能量之和的能量关系所采用的计算公式为:
其中,x(n)为所述所采集音频数据中的时域样点;n为时域样点的序号;N为时域样点的总个数;X(K1)、X(K2)为所述所采集音频数据中两个峰值频点的频域样点;N为频域样点的总个数,所述时域样点的总个数与频域样点的总个数具有相等关系。
7.根据权利要求4所述的方法,其特征在于,步骤A之前还包括:
所述音频数据采集单元根据所述音频数据相对应的通道号,将所述音频数据输入到与所述通道号相对应通道的音频数据缓冲单元,以支持至少一个通道的处理。
8.根据权利要求7所述的方法,其特征在于,步骤C进一步为:
C1、将当前判决为双音多频信号的音频数据标记上双音多频信号标识后,输入与所述当前双音多频信号的音频数据相对应通道的音频数据缓冲单元,以及将当前判决为非双音多频信号的音频数据标记上非双音多频信号标识后,输入与所述当前非双音多频信号的音频数据相对应通道的音频数据缓冲单元;
C2、当前通道的音频数据缓冲单元接收到当前标记有双音多频信号标识的音频数据,以及当前标记有非双音多频信号标识的音频数据后进行统计,并将统计结果反馈给所述判决单元,所述判决单元判断所述统计结果是否等于预设的第二阀值,如果是,则判决出所述音频数据为双音多频信号;否则,判决出所述音频数据为非双音多频信号。
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