TW201709155A - 音響警報偵測器 - Google Patents
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Abstract
一種音響警報偵測器,其由下面所構成:一麥克風,其根據一音響信號產生一電子信號;一鎖相迴路,其鎖定至一在該產生電子信號中所存在之頻率成分,以輸出一解調信號;以及一模式偵測器,其用以比較該解調信號與一組已知模板(templates)之每一模板,每一模板表示一標準脈衝流,其中在偵測到該解調信號與該等已知模板中之一匹配後,立即安排該音響警報偵測器,輸出一表示該等標準脈衝流中之一存在的警報偵測信號。
Description
本發明係有關於音響信號偵測之領域,以及具體地,係有關於一種用以偵測表示某些事件(例如,火災或一氧化碳之存在)之特定音響信號的方法及裝置。
近年來,音響火警信號已具有標準化模式,這些標準化模式係由美國國家標準局(ANSI)所制定。例如,依據ANSI S3.41之用於煙霧警報器的模式為一3-脈衝模式(稱為T3),其包括3個半秒打開脈衝,每一打開脈衝後面跟著半秒關閉期間,這組脈衝後面跟著一秒半的暫停,並且最少重複這個循環有180秒。一氧化碳偵測器運用一使用4個脈衝之相似模式,該模式係由美國防火協會規格(NFPA)所定義,稱為T4,其中信號係由4個100毫秒打開脈衝所構成,每一打開脈衝後面跟著100毫秒關閉期間,該組脈衝後面跟著5秒的暫停。該等警報器可以使用較舊的3100Hz正弦波或較新的520Hz方波。
音響警報之目的是使現場人員警覺疏散,但是期望能自動地偵測音響警報信號之存在,以便可以在不需要與一氧化碳偵測器之煙霧整合下採取適當動作,例如,使場外人員警覺。這樣的音響偵測器係存在的,但是受限於偵測距離及雜訊遏止(noise suppression),且容易有錯誤的警報。
習知技藝偵測系統之實例包括美國專利第7,015,807及8,269,625號,在此以提及方式併入該等美國專利之每一者的全部內容。
依據本發明之一態樣,提供一種音響警報偵測器,其包括一麥克風,其根據一音響信號產生一電子信號;一鎖相迴路,其鎖定至一在該產生電子信號中所存在之頻率成分,以輸出一解調信號;以及一模式偵測器,其用以比較該解調信號與一組已知模板(templates)之每一模板,每一模板表示一標準脈衝流,其中在偵測到該解調信號與該等已知模板中之一匹配後,立即安排該音響警報偵測器,輸出一表示該等標準脈衝流中之一存在的警報偵測信號。依據本發明之另一態樣,提供一種根據音響警報產生警報信號之方法,其包括:偵測一音響信號及產生一電子信號;使用一鎖相迴路,鎖定至一在該產生電子信號中所存在之頻率成分及輸出一解調信號;比較該解調信號與一組已知模板之每一模板及產生一匹配分值,每一模板表示一標準脈衝流;以及在偵測到該解調信號與該等已知模板中之一匹配後,立即輸出一表示該等標準脈衝流中之一存在的警報偵測信號。
100‧‧‧音響警報偵測器
110‧‧‧麥克風介面
120‧‧‧前端信號調節模塊
122‧‧‧高通濾波器
124‧‧‧放大器
126‧‧‧等化器
128‧‧‧緩衝器
130‧‧‧數位鎖相迴路
132‧‧‧相位偵測器
134‧‧‧廻路濾波器
136‧‧‧振盪器
140‧‧‧模式偵測器
142‧‧‧T3/T4脈衝流模板
150‧‧‧帶外能量限定器
152‧‧‧濾波器
154‧‧‧功率估計器
156‧‧‧功率估計器
158‧‧‧寬頻帶窄頻帶比模塊
160‧‧‧倍增器
170‧‧‧比較器
172‧‧‧臨界值
180‧‧‧多脈衝限定器
182‧‧‧計時器
190‧‧‧中斷產生模塊
現在將參考所附圖式僅以舉例方式來更詳細描述本發明,其中:圖1係依據本發明之一具體例的音響警報偵測器之系統方塊圖;以及圖2係顯示鎖相迴路之一具體例及帶外能量限定器
(out-of-band energy qualifier)之一具體例的細部之圖1的音響警報偵測器之系統方塊圖。
圖1顯示依據本發明之一具體例的音響警報偵測器100之高階功能的方塊圖。該偵測器100包括一用以偵測一音響警報信號及其它周圍聲音之麥克風介面110。這些音響警報信號可以包括一由煙霧/火災偵測器所發出之工業標準T3脈衝流及一由一氧化碳警報器所發出之工業標準T4脈衝流。T3/T4警報可以是舊的3100Hz正弦波警報或新的520Hz方波警報。該麥克風介面110將來自該等音響警報信號之感測聲音能量轉換成電磁能量。該麥克風介面可以包括一數位麥克風,該數位麥克風可以包括一類比至數位轉換器。然而,本發明並非侷限於數位麥克風,亦可以實施一類比麥克風。較佳地可提供一類比至數位轉換而將該音響警報信號轉換成一數位信號。為了轉換成一數位信號,較佳地可以8KHz或16KHz的頻率來取樣該偵測信號。接下來,將從該麥克風介面110輸出的數位信號輸入至前端信號調節模塊120。該前端信號調節模塊120從該數位信號移除固定(亦即,DC)及低頻成分。該前端信號調節模塊120亦使頻率響應平坦化及放大該數位信號。該前端信號調節模塊120可以包括但不限於濾波器,例如,用以移除DC及低頻成分之高通濾波器122。該前端信號調節模塊120亦可以包括用於信號放大之放大器124。接著,可以使該放大信號通過一等化器126,以使頻率響應穩定或平坦化。然後,將該等化信號儲存在緩衝器128中。接著,從該前端信號調節模塊120輸出該調節數位信號且將它輸入至數位鎖相迴路(PLL)130。該PLL 130係用於脈衝解調。該PLL
130鎖定至在520Hz或3100Hz頻帶內存在之最大基頻,此相較於諸如使用濾波器組或快速傅立葉轉換(FFT)之其它方法,可以簡化頻率調諧(frequency tuning)。因為每一PLL將鎖定至一特定頻率,所以520Hz及3100Hz載波頻率之偵測需要至少兩個PLL。該等T3及T4信號之每一者具有3100Hz±10%之載波頻率。同樣地,520Hz之載波頻率會有±10%之變化。如此,該PLL必須能鎖定至那些範圍的頻率。該最大基頻對應於具有最大信號強度或振幅的頻率。該PLL 130之輸出係對應於頻帶內調變信號之包絡(envelope)的基帶解調脈衝。依據本發明之一具體例,該PLL 130使用連續頻域取樣,以便解調該520Hz或3100Hz載波頻率,此可避免取樣被約束在預期輸入期間。此有別於某些習知技藝系統,例如在US 7,015,807中所使用之在快速傅立葉轉換(FFT)方法中的離散取樣,其中量化誤差及頻疊(aliasing)是重要的。再者,PLL取代FFT之使用係有利的,因為在因該PLL 130鎖定至具有最大信號強度之基頻而不需要任何先驗資訊下進行解調。在解調後,將該信號輸入至模式偵測器(pattern detector)140。在該模式偵測器140中,解碼從該PLL 130輸出之解調脈衝,以確定是否該目標T3及/或T4脈衝存在。藉由與一組已知T3/T4脈衝流模板142之相關性來進行該目標T3及/或T4之偵測。在本發明之一些具體例中,可以使用諸如匹配濾波器之相關器(correlator)來達成模式偵測。該模式偵測器140並非侷限於相關器,以及可以使用其它實施方式。在本具體例中,將該組T3/T4模板142儲存在晶載記憶體(未顯示)中。在其它具體例中,可以使用一外部記憶體,儲存更廣泛大量的模板。該模式偵測器140之輸出係一為該PLL 130之輸出與該等T3/T4模板間之匹配強度的
數字表示之匹配分值。在某些情況下,豐富的信號(常常是音樂或相似脈衝非T3警報)會造成假性異常偵測(false positive detection)。為了阻止那些情況造成假性觸發,可以依據本發明之一具體例測試帶外能量(energy out of band)。在此具體例中,藉由帶外能量限定器150以並聯於該PLL 130及該模式偵測器140方式監控包括總功率及在該期望頻帶(3100Hz及/或520Hz)中之功率的信號功率。從該帶外能量限定器150測定及輸出一寬頻帶窄頻帶比(wideband-to-narrowband ratio)。該比率表示0與1間之數值及用以調整該模式偵測器140之輸出。在具有少的寬頻帶雜訊之情況下,該帶外能量限定器150之輸出將接近1。相反地,在很多的寬頻帶雜訊存在之情況下,該帶外能量限定器150之輸出將接近0且因而將顯著地降低從該模式偵測器140輸出之匹配分值。此具有下面效果:在有很多的帶外雜訊之情況下,需要非常精確的偵測信號。將該帶外能量限定器150之輸出與該模式偵測器140之輸出一起輸入至倍增器160。該倍增器160之輸出表示該模式偵測器基於背景雜訊或非T3/T4警報的調整輸出。
將倍增器160之輸出輸入至比較器170。該比較器170比較該模式偵測器140之輸出與一臨界值172,以限定該模式偵測器140之結果。如果該模式偵測器140之輸出符合及/或超過該臨界值172,則確定該麥克風介面110所偵測之音響警報信號為一實際T3/T4脈衝流及該比較器170輸出一高態有效信號。然而,如果該模式偵測器140之輸出低於該臨界值172,則確定該音響警報信號不是一T3/T4脈衝流及該比較器170輸出一低態有效信號。
在某些具體例中,在該比較器170之輸出處以一高態
有效信號偵測到單一T3/T4警報期間後,可以藉由以多脈衝限定器180檢查是否有後續警報存在來進一步限定該警報。例如,在一些具體例中,在輸出一警報偵測信號前,在一由計時器182所決定之預定時間窗口內必須偵測到N個音響警報。在偵測到只有單一警報期間且在該預定時間窗口內沒有後續警報期間之情況下,該多脈衝限定器180不會確立一警報偵測信號。此增加警報偵測準確性之一般穩健性。此過程查看是否在一給定時間間隔中一預定數目以上的幀(frames)造成該比較器170之高態有效信號的確立。因為在該比較器170前面的該模式偵測器140之輸出係一對應於所偵測之T3/T4警報的可能性之分值,所以可以隨著時間加總這些分值,以提供一連續多脈衝限定。如果是這樣,回應於來自該多脈衝限定器180之輸出警報偵測信號,主人/使用者會被警示已偵測到一T3/T4警報。在模塊190中,為了回應來自該多脈衝限定器180之輸出警報偵測信號,產生及輸出一中斷或一通知,較佳地至一主機系統,以便可以採取行動。該中斷或通知因此回應在該比較器170之輸出處的確立信號而產生。在某些具體例中,不設置該多脈衝限定器180,亦不設置該帶外能量限定器150。或者,在本發明之其它具體例中,在不需要該比較器170或該多脈衝限定器180之情況下,使用該模式偵測器140之輸出(如果需要的話,可以適當地被緩衝或放大)做為該中斷或通知輸出。
圖2顯示具有該PLL 130及該帶外能量限定器150之細部的圖1之偵測器100。如圖2所示,該麥克風介面110連接至該前端信號調節模塊120,該前端信號調節模塊120之細部顯示於圖1中。然後,將調節信號輸入至該PLL 130及該帶外能量限定
器150。該PLL 130之結構通常包括一相位偵測器132、一廻路濾波器134及一像數值控制振盪器(NCO)或電壓控制振盪器之振盪器136。亦可以被實施為其它振盪器配置。將該調節信號與來自該振盪器136之回授一起輸入至該相位偵測器132。可以將該相位偵測器視為一倍增器,以致於該相位偵測器之輸出包含總和及不同頻率成分。該迴路濾波器134移除高頻成分及該迴路濾波器134之輸出為解調信號。接著,將從該廻路濾波器134輸出之解調信號饋入該模式偵測器140。該帶外能量限定器150與該PLL並聯,用以檢核所偵測之音響警報信號,以避免因背景雜訊或非T3/T4警報而造成T3/T4流之假性異常偵測(false positive detection)。該帶外能量限定器包括濾波器152,該濾波器152通常是一用以使所感興趣的頻帶(它可以是520Hz頻帶或3100Hz頻帶)變窄之帶通濾波器。然後,使用功率估計器154,測定所感興趣的頻帶之功率。同時,使用功率估計器156,測定通常對應於所偵測之音響警報信號的頻帶之該調節信號的整個頻帶之總功率。在模塊158中,測定該功率估計器154之輸出(所感興趣的頻帶或窄頻帶之功率)與該功率估計器156之輸出(所偵測之音響警報信號之整個頻譜的功率)的寬頻帶窄頻帶比。結果是在0與1間之數值且其用以做為對該倍增器160之輸入,以調整上述模式偵測器140之輸出或匹配分值。
熟悉該項技藝者應該察覺到,這裡的任何方塊圖表示用以體現本發明之原理的說明電路之概念視圖。例如,在專用硬體及能執行與適當軟體相關之軟體的硬體之使用中可以設置一處理器。當以一處理器來提供功能時,可以以單一專用處理器、單一共用處理器或複數個個別處理器(可以共用部分個別處理器)來提供功
能。此外,術語「處理器」之明確使用不應該被解讀為排外地意指能執行軟體之硬體,以及可以暗示性地包括但不限於數位信號處理器(DSP)硬體、網路處理器、應用特定積體電路(ASIC)、現場可程式閘陣列(FPGA)、用以儲存軟體之唯讀記憶體(ROM)、隨機存取記憶體(RAM)及非揮發性儲存器。亦可以包括其它傳統及/或定制硬體。實際上,可以以硬體或在一合適處理器上執行之軟體來實施在此所述之功能模塊或模組。
100‧‧‧音響警報偵測器
110‧‧‧麥克風介面
120‧‧‧前端信號調節模塊
122‧‧‧高通濾波器
124‧‧‧放大器
126‧‧‧等化器
128‧‧‧緩衝器
130‧‧‧數位鎖相迴路
140‧‧‧模式偵測器
142‧‧‧T3/T4脈衝流模板
150‧‧‧帶外能量限定器
160‧‧‧倍增器
170‧‧‧比較器
172‧‧‧臨界值
180‧‧‧多脈衝限定器
182‧‧‧計時器
190‧‧‧中斷產生模塊
Claims (14)
- 一種音響警報偵測器,其包括:一麥克風,其根據一音響信號產生一電子信號;一鎖相迴路,其鎖定至存在於所產生之該電子信號中的一頻率成分,以輸出一解調信號;以及一模式偵測器,其用以比較該解調信號與一組已知模板中之每一模板,每一模板表示一標準脈衝流,其中該音響警報偵測器係配置為偵測到該解調信號與該等已知模板中之一者匹配時輸出一警報偵測信號,該警報偵測信號指示該等標準脈衝流中之一者的存在。
- 如請求項1之音響警報偵測器,其中,該頻率成分係存在於該音響警報中之最大基頻。
- 如請求項1之音響警報偵測器,進一步包括一比較器,其用以比較該模式偵測器之輸出與一臨界值,以及其中該比較器係配置為當該模式偵測器之輸出超過該臨界值時輸出一高態有效信號,該警報偵測信號係回應於該比較器高態有效輸出信號。
- 如請求項3之音響警報偵測器,進一步包括:一帶外能量限定器(out-of-band energy qualifier),其測定在一期望音響警報頻帶內之音響信號之功率與整個音響信號之總功率的比率;以及一倍增器,其配置成用以藉由該帶外能量限定器之輸出調整該模式偵測器之輸出,該模式偵測器之經調整的輸出被饋送至該比較器之輸入。
- 如請求項4之音響警報偵測器,進一步包括一多脈衝限定器, 其配置成用以輸出該警報偵測信號,該警報偵測信號回應於在一預定時間窗口內之複數個比較器高態有效輸出信號。
- 如請求項1之音響警報偵測器,進一步包括:一帶外能量限定器,其配置成用以測定在一期望音響警報頻帶內之音響信號之功率與整個音響信號之總功率的比率;以及一倍增器,其配置成用以藉由該帶外能量限定器之輸出調整該模式偵測器之輸出。
- 如請求項1之音響警報偵測器,進一步包括一多脈衝限定器,其中該多脈衝限定器係配置成只在一給定時間窗口內偵測到一預定數目的音響警報時,輸出該警報偵測信號。
- 一種根據音響警報產生警報信號之方法,其包括:偵測一音響信號及產生一電子信號;使用一鎖相迴路鎖定存在於該產生電子信號中之一頻率成分及輸出一解調信號;比較該解調信號與一組已知模板中之每一模板及產生一匹配分值,每一模板表示一標準脈衝流;以及當偵測到該解調信號與該等已知模板中之一者匹配時,輸出一警報偵測信號,該警報偵測信號指示該等標準脈衝流中之一者的存在。
- 如請求項8之方法,其中,該頻率成分係存在於該音響警報中之最大基頻。
- 如請求項8之方法,進一步包括比較該匹配分值與一臨界值,其中當該匹配分值超過該臨界值時,輸出一高態有效信號,以及其中該警報偵測信號係回應於該高態有效信號。
- 如請求項10之方法,進一步包括:測定在一期望音響警報頻帶內之音響信號之功率與整個音響信號之總功率的比率;以及根據該比率調整該匹配分值。
- 如請求項11之方法,進一步包括輸出該警報偵測信號,該警報偵測信號係回應於在一預定時間窗口內之複數個高態有效信號。
- 如請求項8之方法,進一步包括:測定在一期望音響警報頻帶內之音響信號之功率與整個音響信號之總功率的比率;以及根據該比率調整該匹配分值。
- 如請求項10之方法,進一步包括輸出該警報偵測信號,以回應在一預定時間窗口內之複數個高態有效信號。
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