專利名稱：低延遲調(diào)制濾波器組的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本文涉及調(diào)制子采樣數(shù)字濾波器組以及用于設(shè)計(jì)這樣的濾波器組的方法和系統(tǒng)。 具體而言，它提供一種用于接近理想構(gòu)造的低延遲余弦或者復(fù)指數(shù)調(diào)制濾波器組的新設(shè)計(jì)方法和裝置，該濾波器組被優(yōu)化用于抑制由于修改譜系數(shù)或者子頻帶信號(hào)而出現(xiàn)的混疊。 另外給出一種用于64通道濾波器組的具體設(shè)計(jì)，該濾波器組使用640個(gè)系數(shù)的原型濾波器長(zhǎng)度和319個(gè)樣本的系統(tǒng)延遲。
背景技術(shù)：
本文的教導(dǎo)可以適用于如例如在A. J. S. Ferreira, J. M. N. Viera的“An Efficient 20 Band Digital Audio Equalizer，，(AES Preprint, 98th Convention 1995 February 25-28 Paris，N. Y.，USA)中概述的數(shù)字濾波器；如例如在 A. Gilloire、 Μ·Vetterli 的"Adaptive Filtering in Subbands with Critical Sampling :Analysis, Experiments, and Application to Acoustic Echo Cancellation，， (IEEE Transactions on Signal Processing, vol. 40, no. 8, August, 1992)中概述的自適應(yīng)濾波器；多頻帶壓縮擴(kuò)展器；以及利用高頻重建(HFR)方法的音頻編碼系統(tǒng)；或者運(yùn)用所謂參數(shù)立體聲技術(shù)的音頻編碼系統(tǒng)。在后兩個(gè)例子中，數(shù)字濾波器組用于自適應(yīng)調(diào)節(jié)音頻信號(hào)的譜包絡(luò)。一種示例HFR系統(tǒng)是例如在WO 98/57436中概述的譜頻帶復(fù)制(SBR)系統(tǒng)，并且例如在EP1410687 中描述了一種參數(shù)立體聲系統(tǒng)。在包括權(quán)利要求書的本公開內(nèi)容全文中，“子頻帶信號(hào)”或者“子頻帶樣本”這些表達(dá)表明來(lái)自數(shù)字濾波器組的分析部分的一個(gè)或者多個(gè)輸出信號(hào)或者一個(gè)或者多個(gè)輸出樣本或者來(lái)自基于變換的系統(tǒng)的正向變換(即對(duì)時(shí)域數(shù)據(jù)進(jìn)行操作的變化)的輸出。用于這樣的正向變換的輸出的例子是來(lái)自加窗數(shù)字傅里葉變換(DFT)的頻域系數(shù)或者來(lái)自改型離散余弦變換(MDCT)的分析級(jí)的輸出樣本。在包括權(quán)利要求書的本公開內(nèi)容全文中，“混疊”這樣的表達(dá)表明由于子采樣數(shù)字濾波器組中的抽選和插值(可能與子頻帶樣本的修改(例如衰減或者量化)組合)而產(chǎn)生的非線性失真。數(shù)字濾波器組是兩個(gè)或者更多并聯(lián)數(shù)字濾波器的匯集。該分析濾波器組將傳入信號(hào)拆分成稱為子頻帶信號(hào)或者譜系數(shù)的多個(gè)單獨(dú)信號(hào)。當(dāng)每單位時(shí)間的子頻帶樣本總數(shù)與用于輸入信號(hào)的每單位時(shí)間的子頻帶樣本總數(shù)相同時(shí)，臨界地采樣或者最大程度地抽選濾波器組。所謂合成濾波器組將子頻帶信號(hào)組合成輸出信號(hào)。一種常見類型的臨界采樣的濾波器組是余弦調(diào)制濾波器組，其中通過低通濾波器(所謂原型濾波器)的余弦調(diào)制來(lái)獲得濾波器。余弦調(diào)制濾波器組賦予有效實(shí)施方式并且常用于自然音頻編碼系統(tǒng)中。關(guān)于更 ^iffl ,# ΙΙ K. Brandenburg ^ " Introduction to Perceptual Coding" (AES, Collected Papers on Digital Audio Bitrate Reduction,1996)。濾波器組設(shè)計(jì)中的一個(gè)普遍問題在于任何對(duì)例如通過應(yīng)用均衡增益曲線或者通過對(duì)子頻帶樣本量化子來(lái)變更子頻帶樣本或者譜系數(shù)的嘗試通常導(dǎo)致輸出信號(hào)中的混疊非自然因素。因此希望即使在子頻帶樣本受到嚴(yán)重修改時(shí)仍然減少這樣的非自然因素的濾波器組設(shè)計(jì)?！N可能方式是使用過采樣(即非臨界采樣)濾波器組。過采樣濾波器組的例子是復(fù)指數(shù)調(diào)制濾波器組這一類，其中向余弦調(diào)制濾波器組的實(shí)部添加正弦調(diào)制虛部。在通過引用結(jié)合于此的EP1374399中描述了這樣的復(fù)指數(shù)調(diào)制濾波器組。復(fù)指數(shù)調(diào)制濾波器組的性質(zhì)之一在于它們無(wú)余弦調(diào)制濾波器組中存在的主要混疊項(xiàng)。因而這樣的濾波器組通常不傾向于有由于對(duì)子頻帶樣本的修改而引起的非自然因素。然而剩余其它混疊項(xiàng)并且應(yīng)當(dāng)應(yīng)用針對(duì)這樣的復(fù)指數(shù)調(diào)制濾波器組的原型濾波器的復(fù)雜設(shè)計(jì)技術(shù)以便使由于子頻帶信號(hào)的修改而出現(xiàn)的削弱(比如混疊)最少。剩余混疊項(xiàng)通常不如主要混疊項(xiàng)明顯。濾波器組的又一性質(zhì)在于信號(hào)在穿過這樣的濾波器組時(shí)引起的延遲量。具體對(duì)于實(shí)時(shí)應(yīng)用(比如音頻和視頻流)，濾波器或者系統(tǒng)延遲應(yīng)當(dāng)?shù)?。一種用于獲得總系統(tǒng)延遲低(即信號(hào)穿過分析濾波器組、繼而穿過合成濾波器組的延遲或者延時(shí)低)的濾波器組的可能方式是使用短對(duì)稱原型濾波器。使用短原型濾波器通常導(dǎo)致相對(duì)差的頻帶分離特性和在相鄰子頻帶之間的大頻率重疊區(qū)。因而，短原型濾波器通常不允許一種在修改子頻帶樣本時(shí)充分抑制混疊的濾波器組設(shè)計(jì)，因而需要低延遲濾波器組的其它設(shè)計(jì)方式。

發(fā)明內(nèi)容
因此希望提供一種用于如下濾波器組的設(shè)計(jì)方法，這些濾波器組組合某一數(shù)目的所需性質(zhì)。這樣的性質(zhì)是不易受信號(hào)削弱(該信號(hào)削弱受制于子頻帶信號(hào)的修改)(比如混疊)所影響的水平高、信號(hào)穿過分析和合成濾波器組的延遲或者延時(shí)低以及理想重建性質(zhì)的良好近似。換而言之，希望提供一種用于如下濾波器組的設(shè)計(jì)方法，這些濾波器組生成低水平誤差。子采樣濾波器組通常生成來(lái)自通帶項(xiàng)的線性失真(還可以劃分成幅度和相位誤差)和由于混疊項(xiàng)而出現(xiàn)的非線性失真這兩類誤差。即使ra(理想重建)性質(zhì)的“良好近似”將保持所有這些誤差于低水平，但是更加強(qiáng)調(diào)減少混疊所致失真從感知觀點(diǎn)來(lái)看可能是有益的。另外希望提供一種可以用來(lái)設(shè)計(jì)表現(xiàn)這樣的性質(zhì)的分析和/或合成濾波器組的原型濾波器。還希望濾波器組的性質(zhì)表現(xiàn)接近恒定的群延遲以便使由于輸出信號(hào)的相位分散所致的非自然因素最少。本文示出了可以通過將一種稱為改進(jìn)型混疊項(xiàng)最小化(IATM)方法的濾波器組設(shè)計(jì)方法用于優(yōu)化對(duì)稱或者不對(duì)稱原型濾波器來(lái)明顯減少由于對(duì)子頻帶信號(hào)的修改而出現(xiàn)的削弱。本文教導(dǎo)可以擴(kuò)展偽QMF(正交鏡濾波器)設(shè)計(jì)(即接近理想的重建濾波器組設(shè)計(jì))的概念以覆蓋運(yùn)用不對(duì)稱原型濾波器的低延遲濾波器組系統(tǒng)。因而可以設(shè)計(jì)系統(tǒng)延遲低、不易受混疊影響和/或通帶誤差(包括相位分散)水平低的接近理想的重建濾波器組。 根據(jù)具體需要，可以改變對(duì)任一濾波器組性質(zhì)的強(qiáng)調(diào)。因此，根據(jù)本文的濾波器組設(shè)計(jì)方法緩解在修改譜系數(shù)的均衡系統(tǒng)或者其它系統(tǒng)中使用的PR濾波器組的當(dāng)前限制。根據(jù)本發(fā)明的低延遲復(fù)指數(shù)調(diào)制濾波器組的設(shè)計(jì)可以包括以下步驟 設(shè)計(jì)截止頻率為π /2Μ的不對(duì)稱低通原型濾波器，該濾波器被優(yōu)化用于所需要的混疊和通帶誤差抑制，還被優(yōu)化用于系統(tǒng)延遲D ;M是濾波器組的通道數(shù)目；并且 通過對(duì)優(yōu)化的原型濾波器進(jìn)行復(fù)指數(shù)調(diào)制來(lái)構(gòu)造M通道濾波器組。另外，根據(jù)本文的這樣的低延遲復(fù)指數(shù)調(diào)制濾波器組的操作可以包括以下步驟 通過濾波器組的分析部分對(duì)實(shí)值時(shí)域信號(hào)進(jìn)行濾波； 例如根據(jù)所需(可能隨時(shí)間變化)均衡器設(shè)置來(lái)修改復(fù)值子頻帶信號(hào)； 通過濾波器組的合成部分對(duì)修改的復(fù)值子頻帶樣本進(jìn)行濾波；并且 計(jì)算根據(jù)濾波器組的合成部分而獲得的復(fù)值時(shí)域輸出信號(hào)的實(shí)部。除了呈現(xiàn)一種新濾波器設(shè)計(jì)方法之外，本文描述64通道濾波器組的具體設(shè)計(jì)，該濾波器組具有640個(gè)系數(shù)的原型濾波器長(zhǎng)度和319個(gè)樣本的延遲?？梢栽诟鞣N應(yīng)用中使用本文的教導(dǎo)、具體為提出的濾波器組和根據(jù)提出的設(shè)計(jì)方法的濾波器組。這樣的應(yīng)用是對(duì)在HFR或者參數(shù)立體聲系統(tǒng)中使用的各類數(shù)字均衡器、自適應(yīng)均衡器、多頻帶壓縮擴(kuò)展器和自適應(yīng)包絡(luò)調(diào)節(jié)濾波器組的改進(jìn)。根據(jù)第一方面，描述一種用于確定不對(duì)稱原型濾波器Ptl的N個(gè)系數(shù)的方法，該不對(duì)稱原型濾波器用于構(gòu)建M通道的、低延遲子采樣分析/合成濾波器組。分析/合成濾波器組可以包括M個(gè)分析濾波器hk和M個(gè)合成濾波器fk，其中k取從0至M-I的值，其中M通常大于1。分析/合成濾波器組具有通常與分析和合成濾波器的系數(shù)以及與抽選和/或插值操作關(guān)聯(lián)的總傳遞函數(shù)。該方法包括如下步驟選擇包括目標(biāo)延遲D的濾波器組的目標(biāo)傳遞函數(shù)。通常選擇小于或者等于N的目標(biāo)延遲D。該方法還包括以下步驟確定包括通帶誤差項(xiàng)et和混疊誤差項(xiàng)ea的復(fù)合目標(biāo)函數(shù)et。t。通帶誤差項(xiàng)與在濾波器組的傳遞函數(shù)與目標(biāo)傳遞函數(shù)之間的偏差關(guān)聯(lián)；并且混疊誤差項(xiàng)ea與由于濾波器組的子采樣(即抽選和/或插值)引起的誤差關(guān)聯(lián)。在又一方法步驟中，確定減少?gòu)?fù)合目標(biāo)函數(shù)et。t的不對(duì)稱原型濾波器Ptl的N個(gè)系數(shù)。通常迭代重復(fù)確定復(fù)合目標(biāo)函數(shù)et。t的步驟和確定不對(duì)稱原型濾波器Ptl的N個(gè)系數(shù)的步驟，直至達(dá)到目標(biāo)誤差函數(shù)et。t的最小值。換而言之，基于原型濾波器的給定系數(shù)集合來(lái)確定目標(biāo)函數(shù)etot，并且通過減少目標(biāo)誤差函數(shù)來(lái)生成原型濾波器的更新系數(shù)集合。 重復(fù)這一過程直至不可以通過修改原型濾波器系數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)目標(biāo)函數(shù)的進(jìn)一步減少。這意味著確定目標(biāo)誤差函數(shù)et。t的步驟可以包括針對(duì)原型濾波器P(l的給定系數(shù)確定復(fù)合目標(biāo)函數(shù) etot的值，并且確定不對(duì)稱原型濾波器Ptl的N個(gè)系數(shù)的步驟可以包括基于復(fù)合目標(biāo)函數(shù)etot 與原型濾波器Po的系數(shù)關(guān)聯(lián)的梯度來(lái)確定原型濾波器Po的更新系數(shù)。根據(jù)又一方面，下式給出復(fù)合目標(biāo)誤差函數(shù)et。t etot ( α ) = α et+(l-a )ea,其中％是通帶誤差項(xiàng)、^是混疊誤差項(xiàng)而α是在0與1之間取值的加權(quán)常數(shù)?？梢酝ㄟ^針對(duì)多個(gè)頻率累加在濾波器組的傳遞函數(shù)與目標(biāo)傳遞函數(shù)之間的平方偏差來(lái)確定通帶誤差項(xiàng)et。具體而言，可以將通帶誤差項(xiàng)et計(jì)算為
權(quán)利要求
1.一種用于確定不對(duì)稱原型濾波器Po的N個(gè)系數(shù)的方法(300)，所述不對(duì)稱原型濾波器用于構(gòu)建M通道的、低延遲抽選分析/合成濾波器組(101，102)，所述分析/合成濾波器組包括M個(gè)分析濾波器hk(103)和M個(gè)合成濾波器fk(106)，k = 0，…，M-I，其中M大于1， 并且所述分析/合成濾波器組具有傳遞函數(shù)，所述方法包括以下步驟-選擇(301)包括目標(biāo)延遲D的所述濾波器組的目標(biāo)傳遞函數(shù)；其中D小于或者等于
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法(300)，其中下式給出所述復(fù)合目標(biāo)函數(shù)et。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法(300)，其中通過針對(duì)多個(gè)頻率累加所述濾波器組的所述傳遞函數(shù)與所述目標(biāo)傳遞函數(shù)之間的平方偏差來(lái)確定(30 所述通帶誤差項(xiàng)et。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法(300)，其中將所述通帶誤差項(xiàng)et計(jì)算(30 為其中P (ω) 是所述目標(biāo)傳遞函數(shù)，并且其中Hk(Z)和Fk(Z)分別是所述分析濾波器hk(n)和所述合成濾波器fk(n)的ζ變換。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法(300)，其中通過針對(duì)多個(gè)頻率累加混疊增益項(xiàng)的平方量值來(lái)確定(304,30 所述混疊誤差項(xiàng)％。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法(300)，其中將所述混疊誤差項(xiàng) 計(jì)算(304,30 為
7.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的方法(300)，其中迭代重復(fù)確定(303，304，30幻所述復(fù)合目標(biāo)函數(shù)et。t的步驟和確定(306，309)所述不對(duì)稱原型濾波器P(l的所述N個(gè)系數(shù)的步驟，直至達(dá)到所述復(fù)合目標(biāo)函數(shù)et。t的最小值為止。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法(300)，其中
9.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的方法(300)，其中確定(303，304，30幻所述復(fù)合目標(biāo)函數(shù)etot的值的步驟包括-使用余弦調(diào)制、正弦調(diào)制和/或復(fù)指數(shù)調(diào)制基于所述原型濾波器Po來(lái)生成所述分析 /合成濾波器組的所述分析濾波器hk和所述合成濾波器fk。
10.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的方法(300)，其中將所述分析濾波器和所述合成濾波器確定為對(duì)于所述分析濾波器組的所述M個(gè)分析濾波器，
11.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的方法(300)，其中將所述分析濾波器和所述合成濾波器確定為對(duì)于所述分析濾波器組的所述M個(gè)分析濾波器，
12.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的方法(300)，其中確定(303，304，30幻所述復(fù)合目標(biāo)函數(shù)et。t的值的步驟包括-將所述濾波器組通道中的至少一個(gè)通道設(shè)置成零。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法(300)，其中 將以下通道設(shè)置成零-低頻濾波器組通道k = 0上至C1ot，其中C1ot大于零，和/或 -高頻濾波器組通道k = Chigh上至M-I，其中Chigh小于M-I。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法(300)，其中確定(303，304，30幻所述復(fù)合目標(biāo)函數(shù)etot的值的步驟包括-使用權(quán)利要求11來(lái)生成用于所述通道Clw和M-Clw以及/或者Chigh和M-Chigh的所述分析濾波器和所述合成濾波器；并且-使用權(quán)利要求10來(lái)生成用于剩余通道的所述分析濾波器和所述合成濾波器。
15.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的方法(300)，其中-所述分析濾波器組使用所述M個(gè)分析濾波器hk (10 根據(jù)輸入信號(hào)生成M個(gè)子頻帶信號(hào)；-按照因子M抽選(104)所述M個(gè)子頻帶信號(hào)，從而產(chǎn)生抽選的子頻帶信號(hào)； -按照因子M上采樣(105)所抽選的子頻帶信號(hào)；并且-所述合成濾波器組使用所述M個(gè)合成濾波器fk (106)根據(jù)上采樣的抽選的子頻帶信號(hào)生成輸出信號(hào)。
16.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的方法(300)，其中 -M = 64 ；-N = 640 ；以及 -D = 319。
17.—種不對(duì)稱原型濾波器Ptl(Ii)，包括通過取整、截尾、縮放、子采樣或者過采樣這些操作中的任何操作根據(jù)表1的系數(shù)可導(dǎo)出的系數(shù)。
18.—種濾波器組，包括基于根據(jù)權(quán)利要求17所述的不對(duì)稱原型濾波器和/或基于通過根據(jù)權(quán)利要求1至16中的任一權(quán)利要求所述的方法生成的不對(duì)稱原型濾波器的M個(gè)濾波器。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的濾波器組，其中-所述M個(gè)濾波器是所述原型濾波器的調(diào)制版本；并且 -所述調(diào)制是余弦調(diào)制、正弦調(diào)制和/或復(fù)指數(shù)調(diào)制。
20.一種用于生成抽選的子頻帶信號(hào)的方法，所述子頻帶信號(hào)對(duì)由于所述子頻帶信號(hào)的修改而出現(xiàn)的混疊的靈敏度低，所述方法包括以下步驟-確定根據(jù)權(quán)利要求18或者19所述的分析/合成濾波器組的分析濾波器； -通過所述分析濾波器對(duì)實(shí)值時(shí)域信號(hào)進(jìn)行濾波，以獲得復(fù)值子頻帶信號(hào)；并且 -抽選所述子頻帶信號(hào)。
21.一種用于根據(jù)多個(gè)復(fù)值子頻帶信號(hào)生成實(shí)值輸出信號(hào)的方法，所述子頻帶信號(hào)對(duì)由于所述子頻帶信號(hào)的修改而出現(xiàn)的混疊的靈敏度低，所述方法包括以下步驟-確定根據(jù)權(quán)利要求18或者19所述的分析/合成濾波器組的合成濾波器； -對(duì)所述多個(gè)復(fù)值子頻帶信號(hào)進(jìn)行插值； -通過所述合成濾波器對(duì)所述多個(gè)插值的子頻帶信號(hào)進(jìn)行濾波； -將復(fù)值時(shí)域輸出信號(hào)生成為根據(jù)所述濾波獲得的所述信號(hào)之和；并且 -取所述復(fù)值時(shí)域輸出信號(hào)的實(shí)部為所述實(shí)值輸出信號(hào)。
22.一種用于根據(jù)時(shí)域輸入信號(hào)生成子頻帶信號(hào)的系統(tǒng)，其中所述系統(tǒng)包括根據(jù)權(quán)利要求18或者19所述的分析濾波器組。
23.一種用于確定不對(duì)稱原型濾波器Ptl的N個(gè)系數(shù)的裝置，所述不對(duì)稱原型濾波器用于構(gòu)建M通道的、低延遲抽選分析/合成濾波器組(101，102)，所述分析/合成濾波器組包括M個(gè)分析濾波器hk(103)和M個(gè)合成濾波器fk(106)，k = 0，…，M-1，其中M大于1，并且所述分析/合成濾波器組具有傳遞函數(shù)，所述裝置包括以下-參數(shù)設(shè)置單元(301)，用于設(shè)置包括目標(biāo)延遲D的所述濾波器組的目標(biāo)傳遞函數(shù)；其中D小于或者等于N ；-誤差確定單元(303，304，305)，用于確定包括通帶誤差項(xiàng)％和混疊誤差項(xiàng)ea的復(fù)合目標(biāo)函數(shù)et。t ；其中所述通帶誤差項(xiàng)et與在所述濾波器組的所述傳遞函數(shù)和所述目標(biāo)傳遞函數(shù)之間的偏差關(guān)聯(lián)；并且其中所述混疊誤差項(xiàng)ea與由于所述濾波器組的子采樣引起的誤差關(guān)聯(lián)；以及-優(yōu)化單元(306，309)，用于確定減少所述復(fù)合目標(biāo)函數(shù)etot的所述不對(duì)稱原型濾波器 Po的N個(gè)系數(shù)。
全文摘要
本文涉及調(diào)制的子采樣數(shù)字濾波器組以及用于設(shè)計(jì)這樣的濾波器組的方法和系統(tǒng)。具體而言，本文提出一種用于改進(jìn)低延遲調(diào)制數(shù)字濾波器組的方法和裝置。該方法運(yùn)用不對(duì)稱低通原型濾波器的調(diào)制和用于優(yōu)化這一濾波器的系數(shù)的新方法。另外給出用于(64)通道濾波器組的具體設(shè)計(jì)，該濾波器組使用(640個(gè))系數(shù)的原型濾波器長(zhǎng)度和(319個(gè))樣本的系統(tǒng)延遲。該方法例如在使用濾波器組作為譜均衡器時(shí)明顯減少由于子頻帶信號(hào)的獨(dú)立修改而出現(xiàn)的混疊所致的非自然因素。該方法優(yōu)選地用在標(biāo)準(zhǔn)PC或者數(shù)字信號(hào)濾波器(DSP)上運(yùn)行的軟件來(lái)實(shí)施、但是也可以硬編碼于定制芯片上。該方法賦予針對(duì)在高頻重建(HFR)或者參數(shù)立體聲系統(tǒng)中使用的各類數(shù)字均衡器、自適應(yīng)濾波器、多頻帶壓縮擴(kuò)展器和譜包絡(luò)調(diào)節(jié)濾波器的改進(jìn)。
文檔編號(hào)H03H17/02GK102318189SQ201080008058
公開日2012年1月11日 申請(qǐng)日期2010年2月17日 優(yōu)先權(quán)日2009年2月18日
發(fā)明者佩爾·埃克斯特蘭德 申請(qǐng)人:杜比國(guó)際公司