CN1989695B - 离散信号的信号处理装置及信号处理方法 - Google Patents

Abstract

提供在采样点间隔不均等的离散信号的再生中，可以进行平滑的信号再生的信号处理装置及信号处理方法。该装置具备：系数计算部(4)，输入表示采样点间隔不均等的离散信号E1的采样点的时间的采样点信号E2，求得对应于离散信号的采样函数的系数；和再生信号计算部(5)，其根据离散信号与系数计算部输出的所述系数值，计算并输出所述采样点间隔内的函数值，由此得到连续的再生信号E3。

Description

离散信号的信号处理装置及信号处理方法

技术领域

本发明涉及对于连续信号的离散化以及离散信号的再生有效的处理装置和处理方法，特别涉及适用于图像信号、音响信号或提取图像轮廓而得到的信号的信号处理装置和信号处理方法。

背景技术

通过在一定间隔的每个采样点取出连续信号的信号值的采样器(采样电路)来进行连续信号的离散化。当连续信号为模拟信号时，离散信号(采样信号)通过被量化以及被编码而变为数字信号。这样一来，模拟一数字转换而得的数字信号，在数字一模拟转换中经过离散信号被再生为连续信号。已知以按照一定间隔进行采样的情况为对象，通过离散信号与采样函数的卷积运算，由离散信号得到再生信号的方法(例如，参照专利文献1)。

专利文献1：特开2000-13226号公报

发明内容

以往存在以下问题：在由连续信号得到离散信号的过程中，由于噪声或抖动(jitter)(信号的时间轴的起伏)等导致采样器的采样定时发生变化、信号间隔不同的情况下，也作为一定间隔的信号来处理，无法恰当地进行信号的计算处理或再生。

作为均等间隔的采样函数的例子，有图9所示的分段多项式函数。该函数以在全部点可一次微分的2次分段多项式表示，以下述式(1)所示的2次B-样条(spline)函数{Φ_l(t)}为基础而构成。

【数学式1】

${\mathrm{\φ}}_l\left(t\right)\≡{\∫}_{-\∞}^{\∞}{\left(\frac{\sin \mathrm{\πfh}}{\mathrm{\πfh}}\right)}^3{e}^{j2\mathrm{\πf}(t-\mathrm{lh})}\mathrm{df}...\left(1\right)$

在此，h为偏移(shift)间隔，1为偏移数。通过对该基础进行如下线性组合，导出图9所示的式(2)的2次流畅(fluency)采样函数ψ(t)。

【数学式2】

$\mathrm{\ψ}\left(t\right)=\underset{l=-1}{\overset{1}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\λ}}_l{\mathrm{\φ}}_l\left(t\right),\left\{{\mathrm{\λ}}_l\right\}=\{-\frac{1}{2},2,\frac{1}{2}\}\·\·\·\left(2\right)$

该采样函数，当偏移间隔h为采样点间隔的1/2、整个区间为J时，在以每1/2采样点间隔划分而得的8个区间中以各自连续的2次式表示，作为在全部点可一次微分的2次连续多项式函数被提供。与香农(shannon)的Sinc函数相比，由于具有有界支集的性质(函数的定义区间限于有限区间J的性质)，因此在有限区间中的计算良好、在计算量方面也很优秀，被应用于音响装置、图像装置等。在专利文献1中所使用的采样函数为上述函数的例子。

但是，如此导出的采样函数以均等间隔的采样为对象，在一部分采样点间隔部分性地变化、间隔不均等的情况下，无法保证在区间接合点的微分系数的连续性(一次可微性)而成为有角度的波形。因此难以进行平滑的信号插补。

本发明的目的是，提供在采样点间隔不均等的离散信号的再生中，可以进行平滑的信号再生的信号处理装置及信号处理方法。

用于实现上述目的的本发明的信号处理装置具备：输入表示间隔不均等的采样点的时间或位置的第2信号(即采样点信号)，求得采样函数的系数的系数计算部；根据在采样点被离散化的第1信号(即离散信号)与系数计算部输出的系数值，计算并输出采样点间隔内的函数值，由此得到连续再生信号的再生信号计算部。确定对应于各个离散信号采样值的采样函数，从而可以获得平滑的连续信号再生。

采样函数，例如是在以点间隔的1/2划分而得到的2n个(n为2以上的偶数)区间的各个区间中以连续的2次式所表示的多项式函数，由在采样点以及采样点间隔的1/2点可一次微分的2次连续多项式函数构成，是在成为基准的采样点的值为1、在其它采样点的值为零的函数。

在采样点间隔不均等的离散信号的再生中，当实现可进行平滑的信号再生的信号处理方法时，利用该方法可以进行以信号的适当化为目标的离散信号的取舍选择。通过取舍选择，即使采样点间隔不等也可以进行平滑的信号再生。作为信号的适当化的一例，例如从配置在远处的传感器传输传感器信 号时，在途中产生浪涌(surge)电流、传感器信号紊乱的情况下，消除紊乱的传感器信号的离散信号。作为信号适当化的另一例，以信号传输量的压缩为目标，在容许的范围内，当采样点间隔前后变化较少时中止离散信号的传输，直到变化达到规定值。

通过本发明，针对由输入信号的异常、输入定时(timing)的偏移、信号压缩等导致的采样值的间隔剔除等，可以再生适当的信号。

附图说明

图1是用于说明本发明的信号处理装置的第1实施方式的结构图。

图2是用于说明本发明的针对不均等间隔的采样函数的一例的曲线图。

图3是用于说明本发明的信号再生的一例的图。

图4是用于说明本发明的第2实施方式的结构图。

图5是用于说明第2实施方式中的输入信号处理部的结构图。

图6是用于说明第2实施方式中的信号适当与否判定部的结构图。

图7是用于说明第2实施方式中的信号存储部的数据格式的图。

图8是用于说明本发明的第3实施方式的结构图。

图9是用于说明采样函数的一例的曲线图。

符号说明

1：信号输入处理部

2：信号存储部

3：信号读取部

4：系数计算部

5：再生信号计算部

12：采样器

13：AD转换器

14：信号适当与否判定部

15：定时器

16：采样点测定部

17：离散信号输出部

21：延迟电路

22：减法器

23：比较器

24、26、29：开关

25：定时电路

27：倒相器

28：保持电路

30：切换开关

具体实施方式

以下，参照附图所示的实施方式，进一步详细说明本发明的离散信号的信号处理装置及方法。此外，图1、图4～图6以及图8中的相同符号表示相同物或类似物。

图1表示本发明的第1实施方式。在图1中，4表示采样函数的系数计算部，其输入表示不等间隔采样点的时间的采样点信号(第2信号)E2，计算最适合于不等间隔的离散信号的采样函数的系数；5表示再生信号计算部，其根据在上述不等间隔的每个采样点被采样的不等间隔离散信号(第1信号)E1与系数计算部4所输出的采样函数的系数数据，计算并输出再生信号E3。此外，图1中虽未表示，但通过测量对应于不等间隔离散信号的不等间隔采样脉冲的脉冲位置，可以求得采样点信号E2。

在此，对系数计算部4所进行的采样函数的系数计算进行说明。

图2中用粗线表示适合于不等间隔离散信号的采样函数的例子。该函数针对作为不均等间隔而提供的信号间隔，将有界支集的区间的采样点{t_i}(i＝—2，—1，0，1，2)的4个采样区间以每[t_i，(t_i+t_i+1)/2]区间划分为8个区间，用下面式(3)中的t的2次式来表示其区间的函数s_i。t_i表示时间，其值通过采样点信号E2来表示。

【数学式3】

$\left.\begin{array}{c}{s}_1\left(t\right)=a_1{t}^2+b_{1}t+c_1[t_{-2},\frac{t_{-2}+t_{-1}}{2}]\\ s_2\left(t\right)=a_2{t}^2+b_{2}t+c_2[\frac{t_{-2}+t_{-1}}{2},t_{-1}]\\ s_3\left(t\right)=a_3{t}^2+b_{3}t+c_3[t_{-1},\frac{t_{-1}+t_0}{2}]\\ s_4\left(t\right)=a_4{t}^2+b_{4}t+c_4[\frac{t_{-1}+t_0}{2},t_0]\\ s_5\left(t\right)=a_5{t}^2+b_{5}t+c_5[t_0,\frac{t_0+t_1}{2}]\\ s_6\left(t\right)=a_6{t}^2+b_{6}t+c_6[\frac{t_0+t_1}{2},t_1]\\ s_7\left(t\right)=a_7{t}^2+b_{7}t+c_7[t_1,\frac{t_1+t_2}{2}]\\ s_8\left(t\right)=a_8{t}^2+b_{8}t+c_8[\frac{t_1+t_2}{2},t_2]\end{array}\right\}---\left(3\right)$

在式(3)中附加以下条件来确定函数。

(1)在各函数的接合点(采样点以及其中间点)连续。

(2)是在各函数的接合点、在t₀以外的采样点具有0值的函数。

(3)将采样点间隔的中间点的函数值决定为使采样点的误差为最小的值。

根据上述条件确定的采样函数可以用式(4)表示。

【数学式4】

在上述式(4)的s_i(t)中，即使右边的式子变形为通常的2次式形式即式(3)的形式，也没有任何影响。

图1中的系数计算部4计算上述B_i式或式(3)的形式中所表示的系数a_i、b_i、c_i。由于仅可以在采样点t_i计算这些系数值，因此系数计算部4输入通过采样点信号E2表示的采样点{t_i}(i＝—2，—1，0，1，2)的值(经过时间)，计算各系数值，将计算结果输出至再生信号计算部5。

再生信号计算部5，根据离散信号E1和系数计算部4的输出，通过内积运算来计算采样点间的函数s_i(t)。图2中表示，当离散信号E1的信号值即采样值为1时结合采样点间的函数s_i(t)而得到的采样函数的例子。采样函数在成为基准的采样点t₀为1，在其它采样点t_-2，t_-1，t1，t2为0，在此顺序的中间点为d_-2，d_-1，d1，d2。

通过将针对各采样值的函数值在相同采样区间中的值进行线性结合，再生该采样区间中的信号，输出平滑的再生信号E3。图3表示再生信号E3的 例子。随着采样点推移采样值为a₀～a₅的情况下，针对各个采样值求出采样函数f₀～f₅，将它们线性结合而得到平滑的连续再生信号E3。换句话说，再生信号计算部5的计算为如下运算：将系数计算部4的计算结果的系数值应用于多项式函数，计算采样点间隔内的规定位置或时间的采样函数值，求得该计算值与离散信号的信号值的积，将相同采样区间的积的总和作为再生信号输出。

在上述实施方式中表示了使用采样点t_i的值来计算系数值的方法，而由所述式子可知，将采样点间隔即Δt_i＝t_i+1-t_i作为系数计算部的输入，即使变形为采样点间隔的式子也没关系。此外，在本实施方式中，除了可以将时间序列信号作为对象以外，显然在图像等中可以将像素位置作为采样点来处理。以座标表示图像位置，以座标点表示采样点。此外，本发明的上述采样函数的采样区间为4个，但区间不限于此，可以为n个区间(n为2以上的偶数)。

另外，根据采样点间隔的不均等程度而附加新条件，由此有时可以获得良好的信号再生。作为条件的例子，有时决定为使采样点间隔的1/2点的采样函数的函数值在成为基准的采样点对称。除此之外，有时还决定为使采样点间隔的1/2点的采样函数的函数值以最小误差近似于均等间隔的采样函数的值。

本实施方式的信号处理装置，可以在各部中使用数字电路和存储器，做成硬件结构，但也可以做成通过程序由计算机执行的软件结构。在这种情况下，信号处理装置主要由中央处理装置(CPU)、暂时存储计算过程中数据等的存储器、存储信号处理程序或采样函数等的文件装置构成。在信号处理程序中，表示了计算机执行系数计算部4以及再生信号计算部5的各处理的步骤。此外，信号处理程序可以存储在CD-ROM(Compact Disc-Read OnlyMemory)等存储介质中，做成独立的程序。

通过利用针对采样点间隔不均等的离散信号进行平滑的信号再生的上述本发明的信号处理方法，可以删除等间隔的离散信号的紊乱部分，对信号进行适当化。

图4表示本发明的第2实施方式。本实施方式中，例如当从配置在远处的传感器传输传感器信号并记录时，在传输途中产生浪涌电流而传感器信号 的一部分紊乱的情况下，删除紊乱部分的离散信号并记录。在记录后的再生中，通过使用本发明的采样函数得到平滑的再生信号。此外，在本实施方式中，输入信号如上述传感器信号那样随时间变化。在图4中，1是信号输入处理部，2是信号存储部，3是读取来自信号存储部2的信号的信号读取部，4是采样函数的系数计算部，5是再生信号计算部。由系数计算部4以及再生信号计算部5构成信号再生部。

图5表示信号输入处理部1的结构例。在图5中，11是所输入的连续信号，12是通过采样脉冲而对连续信号11进行采样的采样器，13是对所采样的离散信号进行数字化的AD(Analog to Digital)转换器。直到AD转换器13为止的装置被配置在远处，传输AD转换器13输出的被AD转换的离散信号。另外，在图5中，14是判定传输来的离散信号是否适当的信号适当与否判定部。在信号适当与否判定部14中，当输入离散信号时，对应于离散信号的采样点的定时信号即采样脉冲被再生。接着，15是定时器，16是采样点测定部，其在来自定时器15的时间读取信号适当与否判定部14输出的判定后的采样脉冲的脉冲位置，将读取时间作为表示采样点的采样点信号E2而输出。17是离散信号输出部，其将作为信号适当与否判定部14的适当信号而输出的离散信号E1、与作为采样点测定部16的输出的采样点信号E2作为一对离散信号数据而输出。离散信号输出部17输出的离散信号数据被存储在信号存储部2中。

图6表示信号适当与否判定部14的结构例。在图6中，21是对输入的离散信号的1个采样点前的离散信号进行输出的延迟电路，22是对所输入的离散信号与1个采样点前的离散信号的差的绝对值进行输出的减法器，23是将减法器22的输出与基准电压Vrl进行比较的比较器，24、26是对应于比较器23的比较结果而开闭的开关，25是从所输入的离散信号中提取与之相对应的采样脉冲的定时(timing)电路。比较器23在1个采样点后产生超过基准电压Vrl的突变时输出比较结果，断开开关24、26，切断离散信号以及定时电路25所输出的采样脉冲。由此将1个采样点后发生突变的离散信号判断为不适当，并将其切断。并且分别从开关24、26输出被判断为适当的离散信号以及与之相对应的采样脉冲。此外，设想突变不结束在1个采样点而在 几个采样点持续的情况下，将比较器23的输出与将比较结果保持指定时间的保持电路相连。

接下来，图7表示信号存储部2中存储的离散信号数据的数据格式的一例。在每个采样点，将离散信号的数据x_j(j＝1，2，3，...)与采样点信号的数据t_i作为一对离散信号数据来存储。信号存储部2可以是非易失性存储器等半导体存储器、硬盘、微型光盘(CD：Compact Disk)、Digital Versatile Disk(DVD)、软磁盘等某种介质。

图4中的信号读取部3顺次读出存储在信号存储部2中的离散信号与采样点信号这一对数据，将采样点信号E2输出至采样函数的系数计算部4，将离散信号E1输出至再生信号计算部5。系数计算部4以及再生信号计算部5与第1实施方式中所说明的相同。从再生信号计算部5输出平滑的再生信号。

通过本实施方式，可以删除离散信号的紊乱部分来对信号进行适当化，并且，通过适当化可以对采样点间隔不均等的离散信号进行平滑的再生。

此外，在本实施方式中举例说明了从远处传输传感器信号的情况，但本发明不限于这样的例子，例如将AD转换器13的输出数据记录在存储介质(CD、DVD或磁带等)中，从存储介质再生数据时，由于记录介质中的损伤或附着的灰尘等导致再生紊乱的情况下，当然也可以应用本发明。

另外，在上述说明中，举出了离散信号输出部17输出的离散信号数据被存储在信号存储部2中的情况，但也可以不经过信号存储部2地将离散信号数据提供给信号再生部。

使用图8说明本发明的第3实施方式。本实施方式通过中断离散信号的传输直到采样值的变化达到规定值，来压缩信号传输量，除了信号适当与否判定部的结构以外，与第2实施方式相同。

图8表示本实施方式的信号适当与否判定部的结构例。在图8中，21是对所输入的离散信号的1个采样点前的离散信号进行输出的延迟电路；28是保持电路，对该保持电路时常输入延迟电路21输出的离散信号，但在输入被切断时，保持切断前的离散信号；30是切换延迟电路21输出的离散信号或保持电路28输出的离散信号的切换开关；22是对所输入的离散信号与切换开关30输出的离散信号的差的绝对值进行输出的减法器；23是比较减法器 22的输出与基准电压Vr2的比较器；27是与比较器23相连、输出反相比较结果的倒相器(inverter)；24、26、29是对应于反相比较结果而开闭的开关；25是从所输入的离散信号中提取与之相对应的采样脉冲的定时电路。

与倒相器27相连的比较器23，当离散信号在1个采样点后未超过基准电压Vr2时输出反相比较结果，直到其离散信号与其离散信号后接着输入的离散信号的差超过基准电压Vr2，将开关24、26、29关断，使切换开关30与保持电路28相连，切断离散信号以及定时电路输出的采样脉冲。由此，将1个采样点以后差不超过基准电压Vr2的离散信号判定为不适当并将其切断。并且，分别从开关24、26输出被判断为适当的离散信号以及与之相对应的采样脉冲。

根据本实施方式，中断离散信号的传输直到采样点以后的采样值变化达到规定值，并且通过适当化，采样点间隔不均等的离散信号被平滑地再生，从而可以压缩信号传输量。

此外，在本实施方式中，也可以不经过信号存储部2地将离散信号输出部17所输出的离散信号数据提供给信号再生部。

Claims (20)

1.一种信号处理装置，其特征在于，

输入采样点间隔不均等的被离散化的第1信号、和表示采样点的时间或位置的第2信号，根据所输入的所述第2信号决定由多项式函数构成的采样函数的系数，求得所决定的采样函数的系数值与所述第1信号的大小的积，通过针对每个第1信号的输入所求得的所述积的值的线性结合，对采样点间隔内的信号进行再生。

2.一种信号处理装置，其特征在于，

具备：

系数计算部，输入表示间隔不均等的采样点的时间或位置的第2信号，根据所输入的所述第2信号求得由多项式函数构成的采样函数的系数；以及

再生信号计算部，其根据在所述采样点被离散化的第1信号与所述系数计算部输出的所述系数的值，计算并输出采样点间隔内的函数值，由此获得连续的再生信号。

3.根据权利要求2所述的信号处理装置，其特征在于，

所述再生信号计算部，将所述系数计算部输出的所述系数的值应用于多项式函数，计算采样点间隔内的规定的时间或位置的所述采样函数的值，求得作为计算结果的计算值与所述第1信号的信号值的积，将所求得的积值的所述采样点间隔内的规定的时间或位置的总和作为再生信号进行输出。

4.一种信号处理装置，其特征在于，

具备：

系数计算部，输入表示间隔不均等的采样点的时间或位置的第2信号，根据所输入的所述第2信号求得由多项式函数构成的采样函数的系数；以及

再生信号计算部，其根据求出的所述系数的值计算采样点间隔内的所述采样函数的函数值，并求得计算出的函数值与在上述采样点被离散化的第1信号的值的积，根据同一采样区间的每个输入的积值的线性结合的总和，获得连续的再生信号。

5.根据权利要求1～4中任意一项所述的信号处理装置，其特征在于，

所述采样函数，是在以采样点间隔的1/2划分而得的2n个区间的各个区间中以连续的2次式表示的多项式函数，由在采样点以及采样点间隔的1/2点可一次微分的2次连续多项式函数构成，在成为基准的采样点的值为1，在其它采样点的值为0。

6.根据权利要求1～4中任意一项所述的信号处理装置，其特征在于，

当所述第1信号为时间序列信号时，以时间表示所述第2信号，当所述第1信号为使用座标来表示的信号时，以座标点表示所述第2信号。

7.一种信号处理方法，其特征在于，

具备以下步骤：

输入采样点间隔不均等的被离散化的第1信号、与表示采样点的时间或位置的第2信号；

根据所输入的所述第2信号决定由多项式函数构成的采样函数的系数；

求得所决定的采样函数的系数值与所述第1信号的大小的积；以及

通过针对每个第1信号的输入而求得的所述积的值的线性结合，再生采样点间隔内的信号。

8.一种信号处理方法，其特征在于，

具备以下步骤：

输入表示间隔不均等的采样点的时间或位置的第2信号；

根据所输入的所述第2信号求得由多项式函数构成的采样函数的系数；以及

根据在所述采样点被离散化的第1信号与所述系数的值，计算并输出采样点间隔内的函数值，由此得到连续的再生信号。

9.一种信号处理方法，其特征在于，

具备以下步骤：

输入表示间隔不均等的采样点的时间或位置的第2信号；

根据所输入的所述第2信号求得由多项式函数构成的采样函数的系数；

根据求出的所述系数的值计算采样点间隔内的所述采样函数的函数值，并求得计算出的函数值与在所述采样点被离散化的第1信号的值的积；以及

根据同一采样区间的每个输入的积值的线性结合的总和，获得连续的再生信号。

10.根据权利要求7～9中任意一项所述的信号处理方法，其特征在于，

所述采样函数，是在以采样点间隔的1/2划分而得的2n个区间的各个区间中以连续的2次式表示的多项式函数，由在采样点以及采样点间隔的1/2点可一次微分的2次连续多项式函数构成，在成为基准的采样点的值为1，在其它采样点的值为0。

11.根据权利要求7～9中任意一项所述的信号处理方法，其特征在于，

根据规定的条件来确定采样点间隔的1/2点的所述采样函数的函数值。

12.根据权利要求11所述的信号处理方法，其特征在于，

确定所述规定条件，以使采样点间隔的1/2点的所述采样函数的所述函数值在成为基准的采样点对称。

13.根据权利要求11所述的信号处理方法，其特征在于，

确定所述规定条件，以使采样点间隔的1/2点的所述采样函数的所述函数值，以最小误差近似于均等间隔的采样函数的值。

14.一种信号处理装置，其特征在于，

具备：

信号适当与否判定部，判断对连续信号进行采样而得到的第1信号适当与否；

采样点测定部，当判断为适当时生成表示所述第1信号的采样点的时间或位置的第2信号；以及

信号再生部，输入被判断为适当的所述第1信号与所述第2信号，得到再生信号，

所述信号再生部具备：

系数计算部，输入所述第2信号，根据所输入的所述第2信号求得由多项式函数构成的采样函数的系数；以及

再生信号计算部，其根据所述被判断为适当的第1信号与所述系数计算部输出的所述系数的值，计算并输出采样点间隔内的函数值，由此得到连续的再生信号。

15.根据权利要求14所述的信号处理装置，其特征在于，

所述信号适当与否判定部，根据所述第1信号的采样值和与之邻接的采样点的第1信号的采样值的差的绝对值是否超过了规定基准值来判断适当与否，当超过基准值时判断为不适当。

16.根据权利要求14所述的信号处理装置，其特征在于，

所述信号适当与否判定部，根据所述第1信号的采样值和与之连续的第1信号的采样值的差的绝对值是否超过规定基准值来判断适当与否，当超过基准值时判断为适当。

17.一种信号处理方法，其特征在于，

具有以下步骤：

判断对连续信号进行采样所得到的第1信号是否适当的第1步骤；

当判断为适当时，生成表示所述第1信号的采样点的时间或位置的第2信号的第2步骤；以及

输入被判断为适当的所述第1信号与所述第2信号，得到再生信号的第3步骤，

所述第3步骤具备：

输入所述第2信号，根据所输入的所述第2信号求得由多项式函数构成的采样函数的系数的第4步骤；以及

根据所述被判断为适当的第1信号与所述系数的值，计算并输出采样点间隔内的函数值，由此得到连续的再生信号的第5步骤。

18.根据权利要求17所述的信号处理方法，其特征在于，

在所述第1步骤中，根据所述第1信号的采样值和与之邻接的采样点的第1信号的采样值的差的绝对值是否超过规定的基准值来判断适当与否，当超过基准值时判断为不适当。

19.根据权利要求17所述的信号处理方法，其特征在于，

在所述第1步骤中，根据所述第1信号的采样值和与之连续的第1信号的采样值的差的绝对值是否超过规定的基准值来判断适当与否，当超过基准值时判断为适当。

20.一种信号处理方法，其特征在于，

输入不等间隔的信号，根据表示该不等间隔的采样点的时间或位置的信号来决定由多项式函数构成的采样函数的系数，根据所输入的所述不等间隔的信号的值、和所决定的采样函数的系数的值，再生该间隔内的信号值。

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