CN107735821B - 声学警报检测器 - Google Patents
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Abstract
一种可听警报检测器,包括:话筒,该话筒根据可听信号生成电子信号;锁相环,该锁相环锁定到存在于所生成的电子信号中的频率分量以输出经解调的信号;以及模式检测器,该模式检测器用于将所述经解调的信号与已知的模板集中的每个模板进行比较,每个模板都表示标准脉冲流,其中在检测到所述经解调的信号与已知的模板中的一个相匹配时,所述可听警报检测器被布置成输出指示标准脉冲流中的一个的存在的警报检测信号。
Description
技术领域
本发明涉及声学信号检测领域,尤其涉及用于检测指示诸如火灾或一氧化碳的存在之类的某些事件的特定声学信号的方法和装置。
发明背景
近年来,可听火警信号具有由美国国家标准协会(ANSI)设定的标准化模式。例如,根据ANSI S3.41,用于烟雾警报的模式是被称为T3的三脉冲模式,其包括三个半秒开启脉冲,每个半秒开启脉冲后面跟随半秒关闭时段,该组合后面跟随一秒半停顿,该循环重复至少180秒。一氧化碳检测器使用类似的模式,使用由国家防火协会(NFPA)定义的称为T4的四个脉冲,其中该信号由四个100毫秒开启脉冲组成,每个脉冲后面跟随100毫秒关闭时段,该组合后面跟随5秒停顿。警报器可能使用较旧的3100Hz正弦波或较新的520Hz方波。
声学警报的目的是为了提醒现场人员撤离,但自动检测声学警报信号的存在是合乎需要的,以便可采取适当的动作(例如提醒非现场人员),而不需要与一氧化碳检测器的烟雾整合。此类声学检测器存在,但是在检测距离和噪声抑制方面受到限制,并且容易发生误报。现有技术检测系统的示例包括美国专利No.7,015,807和8,269,625,其每一个的全部内容都通过引用并入本文。
发明概述
根据本发明的一方面,提供了一种可听警报检测器,包括:话筒,该话筒根据可听信号生成电子信号;锁相环,该锁相环锁定到存在于所生成的电子信号中的频率分量上以输出经解调的信号;以及模式检测器,该模式检测器用于将所述经解调的信号与已知的模板集中的每个模板进行比较,每个模板都表示标准脉冲流,其中在检测到所述经解调的信号与已知的模板中的一个相匹配时,所述可听警报检测器被布置成输出指示标准脉冲流中的一个的存在的警报检测信号。
根据本发明的另一方面,提供了一种用于根据可听警报生成警报信号的方法,包括:检测可听信号并生成电子信号;使用锁相环以锁定到存在于所生成的电子信号中的频率分量上并输出经解调的信号;将所述经解调的信号与已知的模板集中的每个模板进行比较并产生匹配分数,每个模板都表示标准脉冲流;以及在检测到所述经解调的信号与已知的模板中的一个相匹配时,输出指示标准脉冲流中的一个的存在的警报检测信号。
附图说明
现将参照附图仅通过示例来更详细地描述本发明,附图中:
图1是根据本发明的一实施例的可听警报检测器的系统框图;以及
图2是示出了锁相环的实施例和带外能量适格器的实施例的细节的图1的可听警报检测器的系统框图。
优选实施例的详细描述
图1示出了根据本发明的一实施例的示出可听警报检测器100的顶级功能的框图。检测器100包括检测可听提醒信号以及其他环境声音的话筒接口110。这些可听提醒信号可包括由烟雾/火灾检测器发出的工业标准T3脉冲流和由一氧化碳警报器发出的工业标准T4脉冲流。T3/T4警报可以是较旧的3100Hz正弦波警报或较新的520Hz方波警报。话筒接口110将来自可听提醒信号的感测到的声能转换成电磁能。话筒接口可包括可包含模数转换器的数字话筒。然而,本发明不限于数字话筒,并且模拟话筒也可被实现。模数转换器将优选地被提供以将可听提醒信号转换为数字信号。被检测信号优选地以8KHz或16KHz进行采样,以转换成数字信号。接着,从话筒接口110输出的数字信号被输入到前端信号调节框120。前端信号调节框120从数字信号移除常数(即,DC)和低频分量。前端信号调节框20还调整频率响应并放大数字信号。前端信号调节框120可以包括但不限于诸如用于移除DC和低频分量的高通滤波器122之类的滤波器。前端信号调节框120还可包括用于信号放大的放大器124。经放大的信号可然后穿过均衡器126以稳定或者平坦化频率响应。经均衡的信号然后被存储在缓冲器128中。经调节的数字信号然后从前端信号调节框120输出并输入到数字锁相环(PLL)130。PLL 130被用于脉冲解调。PLL 130锁定到存在于520Hz或3100Hz频带内的最大基频,这与诸如使用滤波器组或快速傅立叶变换(FFT)之类的其他方法相比简化了频率调谐。由于每个PLL将锁定到特定的频率上,因此至少需要两个PLL来检测520HZ和3100Hz载波频率。T3和T4信号各自都具有为3100Hz的载波频率,其可变化+/-10%。同样地,在520Hz,载波频率可变化+/-10%。如此,PLL必须能够锁定到这些范围频率。最大基频对应于具有最强的信号强度或振幅的频率。PLL 130的输出是与带内调制信号的包络相对应的基带经解调脉冲。根据本发明的实施例,PLL 130使用连续的频域采样来解调520Hz或3100Hz载波频率,这避免了采样被绑定到预期的输入持续时间。这与诸如US 7,015,807中使用的快速傅里叶变换(FFT)方法中的离散采样之类的某些现有技术系统(其中量化误差和混叠可能是被关注的)相反。此外,代替FFT而使用PLL是有利的,因为由于PLL 130锁定到具有最强信号强度的基频上所以不需要任何先验信息就能执行解调。在解调之后,该信号被输入到模式检测器140中。在模式检测器140中,从PLL130输出的解调脉冲被解码以确定目标T3和/或T4脉冲流是否存在。对目标T3和/或T4脉冲流的检测是通过对照已知的T3/T4脉冲流142的模板集进行关联来执行的。在本发明的一些实施例中,可使用诸如匹配滤波器之类的相关器来实现模式检测。模式检测器140不限于相关器,并可使用其他实现。在本实施例中,该组T3/T4模板142被存储在片上存储器(未示出)中。在其他实施例中,外部存储器可被用于存储更大范围的模板。模式检测器140的输出是匹配分数,该匹配分数是PLL 130的输出与T3/T4模板之间的匹配强度的数字表示。
在某些情况下,富信号(通常是音乐或类似地脉冲化的非T3警报)可能导致假阳性检测。为了防止这些情况引起假触发,可以根据本发明的实施例来测试带外能量。在该实施例中,通过带外能量适格器(qualifier)150与PLL 130和模式检测器140并行地监测包括总功率和期望频带(3100Hz和/或520Hz)中的功率的信号功率。宽带到窄带比率(wideband-to-narrowband ratio)被确定并从带外能量适格器150输出。该比率表示0和1之间的值,并被用于调整模式检测器140的输出。在小宽带噪声存在的情况下,带外能量适格器150的输出将更接近于1。相反地,在很多宽带噪声存在的情况下,带外能量适格器150的输出将更接近于0,并且因此将显著地降低从模式检测器140输出的匹配分数。如果存在很多带外噪声,则这就具有要求检测信号非常精确的效果。带外能量适格器150的输出连同模式检测器140的输出一起被输入到乘法器160中。乘法器160的输出表示鉴于背景噪声或非T3/T4警报的模式检测器的经调整的输出。
乘法器160的输出被输入到比较器170中。比较器170将模式检测器140的输出与阈值172进行比较,以确定模式检测器140的结果的资格。如果模式检测器140的输出满足和/或超过阈值172,则由话筒接口110检测到的可听提醒信号被确定为实际的T3/T4脉冲流,并且比较器170输出高电平有效信号。然而,如果模式检测器140的输出低于阈值172,则可听提醒信号被确定为不是T3/T4脉冲流,并且比较器170输出低电平有效信号。
在某些实施例中,在比较器170的输出端通过高电平有效信号检测到单个T3/T4警报周期之后,可通过由多脉冲适格器180检查是否存在后续警报来进一步确定警报的资格。例如,在本发明的一些实施例中,在输出警报检测信号之前,必须在由定时器182确定的预定时间窗内检测到N个可听警报。在仅检测到单个警报周期,而预定时间窗口内没有后续警报周期的情况下,多脉冲适格器180不断言警报检测信号。这增加了警报检测精度的一般鲁棒性。该过程查看在给定间隔内是否有超过预定数量的帧导致比较器170作出高电平有效信号的断言。由于在比较器170之前的模式检测器140的输出是对应于检测到T3/T4警报的概率的分数,所以这些分数可能会随着时间的推移而相加以提供连续的多脉冲资格。如果如此,则响应于来自多脉冲适格器180的输出警报检测信号,主机/用户被提醒检测到T3/T4警报。在框190中,响应于来自多脉冲适格器180的输出警报检测信号,中断或通知被生成并输出,优选地被输出到主机系统以便可采取动作。因此,响应于比较器170的输出处断言的信号而生成中断或通知。在某些实施例中,既不提供多脉冲适格器180也不提供带外能量适格器150。替换地,在本发明的其他实施例中,模式检测器140的输出(如果需要,则被适当地缓冲或放大)被用作中断或通知输出,而不需要比较器170或多脉冲适格器180。
图2示出了图1的检测器100,其具有PLL 130和带外能量适格器150的细节。如图2所示,话筒接口110被连接到前端信号调节框120,其细节在图1中示出。然后,经调节的信号被输入到PLL 130和带外能量适格器150。PLL130的结构通常包括相位检测器132、环路滤波器134和诸如数控振荡器(NCO)或压控振荡器之类的振荡器136。其他振荡器配置也可被实现。经调节的信号连同来自振荡器136的反馈一起被输入到相位检测器132。相位检测器可被视为乘法器,使得相位检测器的输出包含和频分量与差频分量两者。环路滤波器134移除高频分量,并且来自环路滤波器134的输出是经解调的信号。从环路滤波器134输出的此经解调的信号然后被馈送到模式检测器140。并行于PLL,带外能量适格器150用于确定检测到的可听提醒信号的资格,以避免由于背景噪声或非T3/T4警报而导致对T3/T4流的假阳性检测。带外能量适格器包括滤波器152,滤波器152通常是带通滤波器,以收窄感兴趣的频带,其可以是520Hz频带或3100Hz频带。功率估计器154然后被用于确定感兴趣的频带的功率。同时,功率估计器156被用于确定一般与检测到的可听提醒信号的频带相对应的经调节的信号的整个频带的总功率。在框158中,确定功率估计器154的输出(感兴趣的频带或窄带的功率)与功率估计器156的输出(检测到的可听提醒信号的整个频谱的功率)的宽带到窄带的比率。结果是范围在0和1之间的值,并被用作乘法器160的输入以调整模式检测器140的输出或匹配分数,如上所述。
本领域的技术人员应当领会,本文中的任何框图表示采用本发明的原理的说明性电路系统的概念图。例如,处理器可通过使用专用硬件以及与合适的软件相关联地执行软件的硬件来提供。当通过处理器来提供时,这些功能可由单个专用处理器、单个共享处理器或多个个体处理器(其中的一些可被共享)来提供。此外,对术语“处理器”的显式使用不应当被解释为排他地指代能够执行软件的硬件,而可隐含地包括而不作为限制数字信号处理器(DSP)硬件、网络处理器、专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)、用于存储软件的只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)和非易失性存储。也可包括其它硬件(传统的和/或自定义的)。在实践中,本文中示出的功能框或模块可用硬件或在合适的处理器上运行的软件来实现。
Claims (15)
1.一种用于检测脉冲可听音调的一个或多个标准脉冲流的可听警报检测器,包括:
话筒,所述话筒根据可听信号生成电子信号;
其特征在于,所述可听警报检测器进一步包括:
锁相环,所述锁相环用于锁定到存在于所生成的电子信号中的频率分量并且包括生成基带经解调脉冲流的环路滤波器;以及
模式检测器,所述模式检测器耦合到所述环路滤波器的输出,以用于将所述基带经解调脉冲流与已知的模板集进行比较,每个模板都表示所述标准脉冲流中的一个,以及
其中在检测到所述基带经解调脉冲流与所述已知的模板中的一个相匹配时,所述可听警报检测器输出指示所述可听信号中存在所述标准脉冲流中的一个的警报检测信号。
2.如权利要求1所述的可听警报检测器,其特征在于,所述频率分量是所述脉冲可听音调中存在的基频。
3.如权利要求1所述的可听警报检测器,其特征在于,进一步包括比较器,所述比较器用于将所述模式检测器的输出与阈值进行比较,并且其中当所述模式检测器的所述输出超过所述阈值时,所述比较器被布置成输出高电平有效信号,所述警报检测信号响应于所述比较器输出的高电平有效信号。
4.如权利要求3所述的可听警报检测器,其特征在于,进一步包括:
带外能量适格器,所述带外能量适格器确定所述可听信号的落入预期可听警报频带中的那一部分的功率与所述可听信号的总功率的比率;以及
乘法器,所述乘法器被布置为通过所述带外能量适格器的输出来调整所述模式检测器的输出,所述模式检测器的经调整的输出被馈送到所述比较器的输入。
5.如权利要求4所述的可听警报检测器,其特征在于,进一步包括多脉冲适格器,所述多脉冲适格器被布置成响应于预定时间窗口内的、所述比较器输出的多个高电平有效信号而输出所述警报检测信号。
6.如权利要求1所述的可听警报检测器,其特征在于,进一步包括多脉冲适格器,其中所述多脉冲适格器被布置成只有在给定时间窗口内所述多脉冲适格器检测到预定数量的可听警报时才输出所述警报检测信号。
7.如权利要求1所述的可听警报检测器,其特征在于,所述锁相环是响应于所述可听信号的采样版本的数字锁相环。
8.一种可听警报检测器,包括:
话筒,所述话筒根据可听信号生成电子信号;
其特征在于,所述可听警报检测器进一步包括:
锁相环,所述锁相环锁定到存在于所生成的电子信号中的频率分量以输出基带经解调信号;
模式检测器,所述模式检测器用于将所述基带经解调信号与已知的模板集中的每个模板进行比较,每个模板都表示标准脉冲流;
其中在检测到所述经解调信号与已知的模板中的一个相匹配时,所述可听警报检测器被布置成输出指示所述标准脉冲流中的一个的存在的警报检测信号;以及所述可听警报检测器进一步包括:
带外能量适格器,所述带外能量适格器被布置成确定所述可听信号在预期可听警报频带中的那一部分的功率与所述可听信号的总功率的比率;以及
乘法器,所述乘法器被布置成通过所述带外能量适格器的输出来调整所述模式检测器的输出。
9.一种根据包括脉冲可听音调的一个或多个标准脉冲流的可听警报生成警报信号的方法,所述方法包括:
检测可听信号并生成电子信号;
其特征在于,所述方法进一步包括:
使用锁相环以锁定到存在于所生成的电子信号中的频率分量,所述锁相环包括输出基带经解调脉冲流的环路滤波器;
将所述基带经解调脉冲流与已知的模板集进行比较并产生匹配分数,每个模板都表示所述标准脉冲流;以及
在检测到所述基带经解调脉冲流与所述已知的模板中的一个相匹配时,输出指示在所述可听信号中存在所述标准脉冲流中的一个的警报检测信号。
10.如权利要求9所述的方法,其特征在于,所述频率分量是所述可听警报中存在的基频。
11.如权利要求9所述的方法,其特征在于,进一步包括将所述匹配分数与阈值进行比较,其中,当所述匹配分数超过所述阈值时,高电平有效信号被输出,以及其中所述警报检测信号响应于所述高电平有效信号。
12.如权利要求11所述的方法,其特征在于,进一步包括:
确定所述可听信号在预期可听警报频带内的功率与所述可听信号的总功率的比率;以及
基于所述比率调整所述匹配分数。
13.如权利要求12所述的方法,其特征在于,进一步包括响应于预定时间窗口内的多个所述高电平有效信号而输出所述警报检测信号。
14.如权利要求9所述的方法,其特征在于,进一步包括:
确定所述可听信号在预期可听警报频带内的功率与所述可听信号的总功率的比率;以及
基于所述比率调整所述匹配分数。
15.如权利要求11所述的方法,其特征在于,进一步包括响应于在预定时间窗口内检测到多个所述高电平有效信号而输出所述警报检测信号。
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