專利名稱：利用非一致濾波器庫(kù)的音頻編碼的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及音頻信號(hào)的編碼和譯碼。


圖1(a)顯示一個(gè)包括傳統(tǒng)的M信道分析濾波器庫(kù)10和合成濾波器庫(kù)12的系統(tǒng)的基本方框圖。分析濾波器庫(kù)包括數(shù)字濾波器Hk(z)，k＝0...，M-1，的集合，每個(gè)具有相關(guān)的輸出信道和公共的輸入x(n)。合成濾波器庫(kù)包括濾波器Fk(z)的集合，每個(gè)具有相關(guān)的輸入信道和公共的輸出y(n)。在分析濾波器庫(kù)10中，每個(gè)信道按因子M被分樣，以及在合成濾波器庫(kù)12中，每個(gè)信道按因子M被內(nèi)插。如果內(nèi)插的程度等于分樣的程度，正如本例中那樣，則濾波器庫(kù)被精確(critically)采樣，以及如果所有的濾波器具有相同的帶寬，則濾波器庫(kù)是一致的濾波器庫(kù)。
由分析濾波器庫(kù)10輸出的M信道可以以任意的多種方式被處理。例如，如果分析濾波器庫(kù)10形成音頻編碼器的一部分，則對(duì)于給定的更新時(shí)間間隔，信道數(shù)據(jù)和(可能地)濾波器庫(kù)結(jié)構(gòu)可被編碼成代表音頻信號(hào)x(n)的比特流。如果合成濾波器庫(kù)12形成音頻譯碼器的一部分，則合成濾波器庫(kù)結(jié)構(gòu)與信道數(shù)據(jù)相組合，生成信號(hào)y(n)。替換地，兩個(gè)庫(kù)10，12可被包括在一個(gè)音頻處理系統(tǒng)中，在其中例如信號(hào)x(n)受到某種形式的后處理，而被處理的信號(hào)y(n)被存儲(chǔ)在貯存媒體中，或在傳輸媒體上被傳送。
在余弦調(diào)制濾波器(CMF)庫(kù)中，分析和合成濾波器是單個(gè)原型濾波器的余弦調(diào)制的型式。用于分析和合成濾波器的已知的公式是hk(n)=2p0(n)cos[(2k+1)2Mπn+ϵk],]]>k＝0，...，M-1fk(n)=2p0(n)cos[(2k+1)2Mπn+γk],]]>其中ϵk=-π2M(2k+1)α2+π2β]]>并且γk=π2M(2k+1)α2+π2β]]>其中α∈Z是調(diào)制相位，以及對(duì)于余弦調(diào)制β＝0，而對(duì)于正弦調(diào)制β＝1。
已經(jīng)知道，在諸如數(shù)字信號(hào)的編碼那樣的應(yīng)用中利用一致的CMF庫(kù)，有時(shí)稱為準(zhǔn)QMF(正交鏡像濾波器)庫(kù)或調(diào)制的疊蓋(lapped)變換。術(shù)語(yǔ)完全重建(perfect reconstruction，PR)被應(yīng)用到濾波器庫(kù)，其中輸出y(n)是輸入x(n)的縮放的和延時(shí)的版本。用于PR一致CMF庫(kù)的設(shè)計(jì)的理論是早已建立的，在以上的情形下，PR性質(zhì)可以通過(guò)適當(dāng)?shù)剡x擇α和原型濾波器P0而被滿足。對(duì)于本說(shuō)明來(lái)說(shuō)，示例的P0是具有通帶[-π2M+ϵ,π2M-ϵ]]]>(對(duì)于ϵ<π2M]]>)和無(wú)限衰減的阻帶、長(zhǎng)度為N的實(shí)系數(shù)線性相位低通濾波器，見(jiàn)圖2，也就是|P0(ejω)|＝0 對(duì)于|ω|≥π2M+ϵ,ϵ<π2M]]>某些應(yīng)用要求使用非一致的濾波器庫(kù)，即，其濾波器具有變化帶寬的濾波器庫(kù)。例如，在音頻編碼中，希望提供可適配于輸入信號(hào)的時(shí)間-頻率能量分布和特性的濾波器庫(kù)。非一致的濾波器庫(kù)的設(shè)計(jì)通常是相當(dāng)復(fù)雜的，但某些最近的方法允許設(shè)計(jì)非一致的CMF庫(kù)。
例如，H.S.Malvar，“Biorthogonal and non-uniform lappedtransforms for transform coding with reduced blocking and ringingartefacts(用于具有減小的阻塞和人工振鈴產(chǎn)物的變換編碼的雙正交和非一致疊蓋變換)”，IEEE Trans.Signal Processing，vol.46，No.4，pp.1043-1053，1998年4月；和H.S.Malvar，“Enhancing theperformance of sub-band audio coders for speech signals(用于語(yǔ)音信號(hào)的子帶音頻編碼器的性能增強(qiáng))”，Proc.Int.Symp.Circuitsand Systems’98，nn.90-101，1998年6月；以及美國(guó)專利No.6,115,689，Malvar揭示了用于構(gòu)建非一致調(diào)制的疊蓋變換(MLT)的方法。這牽涉到組合非一致MLT的子帶濾波器，以及這里將稱為子帶合并。組合的子帶濾波器比非組合的濾波器具有更好的時(shí)間局部化(timelocalization)，但以頻率局部化(frequency localization)的降低為代價(jià)。由于非一致濾波器庫(kù)是通過(guò)簡(jiǎn)單地采用一致MLT濾波器的線性組合而得到的，所以該方法允許有效地實(shí)施時(shí)間變化的變換。Malvar揭示了子帶合并可以在音頻與語(yǔ)音編碼中被有利地使用來(lái)減小人工振鈴產(chǎn)物，例如混響和預(yù)回波。然而，這種變換的設(shè)計(jì)在幾個(gè)方面受到限制只有2個(gè)或4個(gè)子帶濾波器可被組合，以及僅僅組合固定數(shù)目的高頻系數(shù)對(duì)，即，16×2濾波器，8×4濾波器。而且，沒(méi)有揭示系統(tǒng)性設(shè)計(jì)規(guī)程。具體地，在組合的4子帶濾波器的情形下，困難的參量組被選擇來(lái)提供需要的輸出。
按照本發(fā)明，提供了按照權(quán)利要求1的方法。
本發(fā)明提供一種子帶合并方法，它允許以系統(tǒng)的方式組合任意數(shù)目的子帶。優(yōu)選實(shí)施例顯示，從一致的CMF庫(kù)開(kāi)始，可以采用組成濾波器的線性組合，使得最終得到的組合的濾波器具有良好的頻率選擇特性和平坦的通帶響應(yīng)。
現(xiàn)在參照附圖描述本發(fā)明的實(shí)施例，其中圖1(a)是傳統(tǒng)的分析/合成濾波器庫(kù)的方框圖；圖1(b)是按照本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例的分析/合成濾波器庫(kù)的方框圖；圖2顯示在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例中采用的原型濾波器P0的特性；圖3(a)和(b)比較優(yōu)選實(shí)施例的濾波器庫(kù)的時(shí)域響應(yīng)與現(xiàn)有技術(shù)的濾波器庫(kù)的時(shí)域響應(yīng)，(a)是指現(xiàn)有技術(shù)，(b)是指優(yōu)選實(shí)施例；圖4(a)和(b)比較優(yōu)選實(shí)施例的濾波器庫(kù)的幅度響應(yīng)與現(xiàn)有技術(shù)的濾波器庫(kù)的幅度響應(yīng)，(a)是指現(xiàn)有技術(shù)，(b)是指優(yōu)選實(shí)施例；圖5顯示按照本發(fā)明的濾波器庫(kù)的實(shí)際的實(shí)施例。
在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例中，圖1(b)，M信道最大分樣的一致CMF庫(kù)10，12包括理想地通過(guò)如圖2所示的單個(gè)原型濾波器P0的余弦調(diào)制得到的濾波器Hk(z)，F(xiàn)k(z)。局部化模塊14根據(jù)在給定的時(shí)間間隔內(nèi)的信號(hào)x(n)的時(shí)頻能量分布和信號(hào)特性而確定為了有利于增加的時(shí)間分辨率最好將頻率分段去局部化(delocalization)，以提供改進(jìn)的編碼的信號(hào)質(zhì)量。(替換地，模塊14可確定，如果將頻率分段去局部化，則有可能降低總的比特率，而同時(shí)保持相同的質(zhì)量水平。)因此，在圖1(b)的例子中，模塊14確定，包括一致濾波器庫(kù)中任意數(shù)目p＜M的相鄰濾波器的x組濾波器，要被組合在分段矩陣S1，...Sx中，以提供非一致的濾波器庫(kù)。
(雖然對(duì)于本發(fā)明并不必要，但在本說(shuō)明書(shū)中假設(shè)，在分段后產(chǎn)生總共M個(gè)輸出信道。)包括信道數(shù)據(jù)和在任何給定時(shí)間間隔中要被利用的頻率分段的指示的編碼信號(hào)在分段逆矩陣S-11，...S-1x漭中被譯碼，以便提供對(duì)于一致的合成濾波器庫(kù)12的輸入。
對(duì)于具有適當(dāng)?shù)念l率響應(yīng)的非一致濾波器庫(kù)，它的濾波器的幅度特征必須呈現(xiàn)良好的頻率選擇性和平坦的通帶響應(yīng)。為了說(shuō)明本發(fā)明提供了這些選擇性和響應(yīng)特性，我們考慮一個(gè)合并的濾波器Hp，k(z)是從一致CMF庫(kù)中的第k個(gè)濾波器開(kāi)始的p個(gè)相鄰濾波器的線性組合，即，
Hp,k(z)=Σi=0p-1bk+iHk+i(z),k=0,...,M-p]]> 是幅度為1的組合系數(shù)。如果|Hp，k(z)|2(或等價(jià)地|Σi=0p-1bk+iHk+i(z)|2]]>)等于Σi=0p-1|Hk+i(z)|2,]]>則Hp，k(z)具有平坦的通帶響應(yīng)和類似于基礎(chǔ)的均勻間隔開(kāi)的子帶濾波器的轉(zhuǎn)換帶寬。如果原型濾波器滿足關(guān)于阻帶減小的條件(如示例的P0)，則在濾波器Hk(z)與H1(z)(對(duì)于k-1＞2)之間沒(méi)有頻譜重疊，這樣Σi=0p-1|Hk+i(ejω)|2=c,]]>對(duì)于|ω|∈[kπ2M+ϵ,(k+p)π2M-ϵ],c≠0]]>，而在它的阻帶中為零。
然而，將會(huì)看到，原型濾波器P0在實(shí)際的應(yīng)用中不能被實(shí)施，因?yàn)樗枰獰o(wú)限長(zhǎng)度濾波器。所以，在實(shí)際的情形下，在非相鄰的濾波器的頻率域中確實(shí)存在重疊項(xiàng)，這導(dǎo)致組合的濾波器的通帶中的起伏，然而，通過(guò)使原型濾波器的阻帶衰減保持為高，這些起伏可被保持最小。
以下給出關(guān)于調(diào)制相位(即，關(guān)于一致濾波器庫(kù))和組合系數(shù)的必要和充分條件，以使得最終得到的組合濾波器確實(shí)展現(xiàn)所需要的頻率行為。
對(duì)于圖2的原型濾波器P0和 k＝0，...，M-1，我們?nèi)缓笥衸Σi=0p-1bk+iHk+i(z)|2=Σi=0p-1|Hk+i(z)|2,]]>對(duì)于1≤p≤M和0≤k≤M-p，當(dāng)且僅當(dāng)α＝(N-1)-M(2m+1)，m∈Z，以及k-k+1＝nπ，n∈N。
可以看到，關(guān)于α的條件是對(duì)作為基礎(chǔ)的一致CMF庫(kù)的新限制，但情況并非如此。從文獻(xiàn)已知的大多數(shù)CMF庫(kù)滿足關(guān)于α的條件，因?yàn)樗窒嗽讦亍蕒0，π}時(shí)的一階混疊和幅度失真。至于bk的條件，這相當(dāng)于選擇只在正負(fù)號(hào)上不同的、幅度1的組合系數(shù)，組合運(yùn)算可以由矩陣乘法代表?？紤]其中組合兩個(gè)濾波器(p＝2)的例子。如果我們把包含一致CMF庫(kù)分析濾波器的沖擊響應(yīng)的矩陣A定義為 則包含非一致CMF庫(kù)分析濾波器的沖擊響應(yīng)的矩陣A’可以通過(guò)矩陣乘法A’＝SA而被創(chuàng)建，其中
組合系數(shù)bk在S的塊-對(duì)角線單元的行中找到，在本例中它是尺寸為2的Hadamard矩陣-非奇異矩陣。
在p＞2的情形下，S中的非奇異塊-對(duì)角線單元尺寸為pxp，具有條目±1。在優(yōu)選實(shí)施例中，這樣的非奇異矩陣是尺寸N＞p的Hadamard矩陣的pxp主子矩陣。
因此，按照本發(fā)明，代表想要的濾波器庫(kù)結(jié)構(gòu)的PR非一致CMF庫(kù)可以通過(guò)分量濾波器和來(lái)自Hadamard矩陣的非奇異塊的矩陣乘法被提供到編碼器中。
在譯碼器中，對(duì)于p＝2n，n∈N，分段信號(hào)A’＝SA可以與矩陣S的轉(zhuǎn)置ST相乘，以提供原始信號(hào)的縮放版本。因此，變換AS→STA’可以通過(guò)適當(dāng)?shù)乜s放組合系數(shù)bk而被做成么正的(unitary)(歸一正交的)，這樣，假設(shè)原先的一致濾波器庫(kù)是么正的，則非一致濾波器庫(kù)也是么正的。例如，對(duì)于p＝4，矩陣S是11111-11-111-1-11-1-11]]>把這個(gè)矩陣乘以它的轉(zhuǎn)置矩陣，可以提供具有4的單元幅度的單位矩陣，這樣，在這種情形下，系數(shù)bk＝1/2應(yīng)當(dāng)被使用于么正系統(tǒng)。類似地，對(duì)于p＝2，應(yīng)當(dāng)使用bk=1/2.]]>對(duì)于p≠2n，n∈N，在綜合運(yùn)算中必須使用逆矩陣而不是轉(zhuǎn)置矩陣，這樣SS-1給出單位矩陣。(這樣，不會(huì)像在p＝2n時(shí)那樣在計(jì)算上有效。)分段矩陣S，S-1可被實(shí)施為級(jí)聯(lián)到任何的一致濾波器庫(kù)。例如，圖5顯示了分析濾波器庫(kù)10’在MPEG編碼器中利用的形式。在這種情形下，輸入信號(hào)x(n)通過(guò)抽頭延時(shí)線被連接，使每個(gè)接連地延時(shí)的信號(hào)按因子M被分樣。通過(guò)與圖1(a)和(b)所示的方案相比較，本方案意味著只有分樣的信號(hào)被濾波，而不是反過(guò)來(lái)的情況。分樣的信號(hào)由各對(duì)濾波函數(shù)Gm(-z2)進(jìn)行濾波，且它們的輸出在余弦調(diào)制模塊內(nèi)被交叉鏈接，該余弦調(diào)制模塊產(chǎn)生M個(gè)輸出信道。
正如在圖1(b)的情形下，其中局部化模塊14確定，在給定的子帶中的頻率去局部化將通過(guò)改進(jìn)時(shí)間分辨率而改進(jìn)響應(yīng)的質(zhì)量，相鄰濾波器輸出信道的一個(gè)或多個(gè)組隨之在分段矩陣系統(tǒng)S內(nèi)被相應(yīng)組合，S包括如上所述的Hadamard矩陣的一個(gè)或多個(gè)主子矩陣。
因此，在任何更新時(shí)間間隔內(nèi)，這些濾波器輸出信道組可被分段，以組合單獨(dú)的濾波器，這樣，使得頻率選擇去局部化而同時(shí)提高比特流的時(shí)間分辨率。由局部化模塊14用來(lái)確定最佳時(shí)間-頻率分段的特定方法，超出了本說(shuō)明書(shū)的范圍，但某些內(nèi)容在例如Malvar的文章中被討論。然而，一般地，這些牽涉到對(duì)于比特速率的花費(fèi)函數(shù)平衡失真，以及可以單獨(dú)地被應(yīng)用于頻率分段，或與自適應(yīng)時(shí)間分段系統(tǒng)組合。
為了把按照本發(fā)明合并的濾波器庫(kù)與在Malvar文章中揭示的濾波器庫(kù)的結(jié)果進(jìn)行比較，4個(gè)子帶濾波器被組合在64信道MLT中。在圖3和4上分別顯示了組合濾波器最終得到的時(shí)間和頻率響應(yīng)。圖3(a)和4(a)顯示了在Malvar文章中揭示的結(jié)果，而圖3(b)和4(b)顯示了本發(fā)明的結(jié)果。通過(guò)觀察附圖，可以看到，對(duì)于可比較的時(shí)間局部化，本發(fā)明給出更好的頻率響應(yīng)。
因此，在相對(duì)于例如Malvar來(lái)說(shuō)要求可比較的質(zhì)量水平的場(chǎng)合下，包括按照本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例的分段矩陣的音頻編碼器可以降低比特速率，這樣節(jié)省了總的帶寬。替換地，對(duì)于相同的比特速率將提供改進(jìn)的質(zhì)量。
權(quán)利要求
1.一種編碼音頻信號(hào)(x(n))的方法，該方法包括以下步驟把所述信號(hào)(x(n))作為輸入提供到一致的分析濾波器庫(kù)(10)，所述分析濾波器庫(kù)包括多個(gè)余弦調(diào)制的濾波器(Hk(z))，每個(gè)濾波器提供相應(yīng)的輸出信號(hào)；確定(14)所述分析濾波器庫(kù)的非一致的分段，其中三個(gè)或多個(gè)濾波器的至少一個(gè)組要對(duì)于所述音頻信號(hào)的至少一個(gè)時(shí)間間隔被組合；把所述至少一個(gè)組的濾波器與相應(yīng)的分段矩陣(S1...Sx)組合，每個(gè)矩陣包括Hadamard矩陣的pxp主子矩陣，其中p等于在組內(nèi)要被組合的濾波器的數(shù)目；以及在比特流中編碼所述濾波器和所述分段矩陣的輸出以及所述分段的相應(yīng)指示。
2.按照權(quán)利要求1的方法，還包括以下步驟把每個(gè)Hadamard矩陣的系數(shù)與組合系數(shù)(bk)相乘，以使得所述矩陣組合是正交的。
3.一種解碼比特流的方法，該方法包括以下步驟讀出所述比特流，以提供相應(yīng)于在非一致合成濾波器庫(kù)中的頻帶的多個(gè)數(shù)據(jù)信道；根據(jù)所述比特流確定所述合成濾波器庫(kù)的非一致分段，其中三個(gè)或多個(gè)數(shù)據(jù)信道的至少一個(gè)組要對(duì)于所述比特流的至少一個(gè)時(shí)間間隔被組合；把所述至少一個(gè)組的數(shù)據(jù)信道與相應(yīng)的分段矩陣(S-11...S-1x)組合，每個(gè)矩陣包括Hadamard矩陣的pxp主子矩陣，其中p等于在組內(nèi)要被組合的濾波器的數(shù)目；以及將所述至少一個(gè)組合的輸出作為相應(yīng)的信道輸入而提供到包括多個(gè)余弦調(diào)制的濾波器(Fk(z))的一致合成濾波器庫(kù)(12)，所述濾波器提供公共輸出信號(hào)(y(n))。
4.按照權(quán)利要求3的方法，其中p等于2的整數(shù)冪，以及其中每個(gè)分段矩陣包括pxp的Hadamard矩陣的轉(zhuǎn)置。
5.按照權(quán)利要求3的方法，其中p不等于2的整數(shù)冪，以及其中每個(gè)分段矩陣包括pxp的Hadamard矩陣的逆矩陣。
6.按照權(quán)利要求4或5的方法，還包括以下步驟把每個(gè)Hadamard矩陣的系數(shù)與組合系數(shù)(bk)相乘，以使得所述矩陣組合是么正的。
7.音頻編碼器，包括用于把音頻信號(hào)(x(n))作為輸入提供到一致的分析濾波器庫(kù)(10)的裝置，所述分析濾波器庫(kù)包括多個(gè)余弦調(diào)制濾波器(Hk(z))，每個(gè)濾波器提供相應(yīng)的輸出信號(hào)；用于確定(14)所述分析濾波器庫(kù)的非一致分段的裝置，其中三個(gè)或多個(gè)濾波器的至少一個(gè)組要對(duì)于所述音頻信號(hào)的至少一個(gè)時(shí)間間隔被組合；用于把所述至少一個(gè)組的濾波器與相應(yīng)的分段矩陣(S1...Sx)組合的裝置，每個(gè)矩陣包括Hadamard矩陣的pxp主子矩陣，其中p等于在組內(nèi)要被組合的濾波器的數(shù)目；以及編碼器，用于在比特流中提供所述濾波器和所述分段矩陣的輸出，以及所述分段的相應(yīng)指示。
8.音頻播放器，包括用于讀出比特流，以提供相應(yīng)于在非一致合成濾波器庫(kù)中的頻帶的多個(gè)數(shù)據(jù)信道的裝置；用于根據(jù)所述比特流確定所述合成濾波器庫(kù)的非一致分段的裝置，其中三個(gè)或多個(gè)數(shù)據(jù)信道的至少一個(gè)組要對(duì)于所述比特流的至少一個(gè)時(shí)間間隔被組合；用于把所述至少一個(gè)組的數(shù)據(jù)信道與相應(yīng)的分段矩陣(S-11...S-1x)組合的裝置，每個(gè)矩陣包括Hadamard矩陣的pxp主子矩陣，其中p等于在組內(nèi)要被組合的濾波器的數(shù)目；以及用于將所述至少一個(gè)組合的輸出作為相應(yīng)輸入而提供到包括多個(gè)余弦調(diào)制的濾波器(Fk(z))的一致合成濾波器庫(kù)(12)的裝置，所述濾波器提供公共輸出信號(hào)(y(n))。
9.包括如權(quán)利要求7中所述的音頻編碼器和如權(quán)利要求8中所述的音頻播放器的音頻系統(tǒng)。
10.包括多個(gè)信道的數(shù)據(jù)的比特流，該多個(gè)信道相應(yīng)于非一致合成濾波器庫(kù)中的頻帶，所述非一致合成濾波器庫(kù)包括多個(gè)余弦調(diào)制的濾波器(Fk(z))；所述比特流還包括所述合成濾波器庫(kù)的非一致分段的指示，其中三個(gè)或多個(gè)數(shù)據(jù)信道的至少一個(gè)組要對(duì)于所述比特流的至少一個(gè)時(shí)間間隔與相應(yīng)的分段矩陣(S-11...S-1x)組合，每個(gè)矩陣包括pxp的Hadamard矩陣，其中p等于在組內(nèi)要被組合的濾波器的數(shù)目。
11.其上存儲(chǔ)如在權(quán)利要求10中所述的比特流的貯存媒體。
全文摘要
一種編碼音頻信號(hào)(x(n))的方法，包括把信號(hào)(x(n))作為輸入提供到一致的余弦調(diào)制濾波器庫(kù)(10)。對(duì)于該濾波器庫(kù)確定非一致的分段，其中三個(gè)或多個(gè)濾波器的至少一個(gè)組要在音頻信號(hào)的至少一個(gè)時(shí)間間隔內(nèi)被組合。該至少一個(gè)組的濾波器與相應(yīng)分段矩陣(S
文檔編號(hào)G10L19/02GK1545697SQ02816277
公開(kāi)日2004年11月10日 申請(qǐng)日期2002年8月14日 優(yōu)先權(quán)日2001年8月21日
發(fā)明者O·A·尼亞穆特, O A 尼亞穆特, R·休斯登斯, 溝撬 申請(qǐng)人:皇家飛利浦電子股份有限公司