反滤波法,合成滤波法,反滤波器装置,合成滤波器装置和包括这类滤波器装置的装置

摘要

一种反滤波方法，所述方法包括：基于输入信号产生第一滤波信号；以及将第一滤波信号与输入信号组合以得到剩余信号。所述产生步骤包括：产生第二滤波信号，所述产生是稳定的和具有因果关系的；按照预测系数放大第二滤波信号；基于第二滤波信号获得第一滤波信号；将与输入信号有关的第一信号存储在缓冲器中；以及从缓冲器中检索时延信号。还提出了一种合成滤波方法，一种反滤波器装置和一种合成滤波器装置。

说明书

本发明涉及反滤波法。本发明还涉及合成滤波法。本发明还涉及反滤波器装置、合成滤波器装置和包括这类滤波器装置的装置。本发明还涉及实现本发明方法的各步骤的计算机程序。

由A.Harma，“Implementation of frequency warped recursivefilters”Signal Processing 80(2000)，543-548，已知有一种滤波器装置。Harma的文章说明了一种变形线性预测(WLP)编码器和WLP解码器。WLP编码器装置包括其单位时延用一阶全通滤波器来代替的常规FIR滤波器。

由Harma的文章已知的编码器装置的一个缺点就是如果不采取进一步的措施，WLP解码器装置就会含有无时延回路。在Harma的文章中说明了所述问题的两种解决方案。第一，可以对所述WLP解码器装置进行适配以消除此无时延回路。第二，可以将解码器的输出计算和滤波器内部状态的更新分离开。在这两种解决方案中，WLP解码器装置都与WLP编码器装置不同。而且，由于解码器和编码器之间的不同，WLP编码器装置的参数，例如预测系数，必须转换为WLP解码器装置，这就需要额外的处理，随之而来又有许多的问题。

因此本发明的一个目的是提供具有类似的设计的解码器装置和编码器装置。所以本发明提出了如权利要求1的反滤波方法。

这样，合成滤波器不包含无时延回路，因为已提供了时延。因而，反滤波和合成滤波基本上类似。

另外，本发明提出了如权利要求17的合成滤波方法。本发明还提出了如权利要求18的反滤波装置，如权利要求19的合成滤波装置以及包括这类滤波装置的装置。本发明还涉及实现本发明方法的各步骤的计算机程序。

在所附的权利要求中提出了本发明的具体实施例。本发明的细节、方面和实施例将参考附图加以说明。

图1示出本发明的反滤波装置实施例的第一实例方框图。

图2示出本发明的合成滤波装置实施例的第一实例方框图。

图3示出本发明的反滤波法实施例的第一实例的流程图。

图4示出本发明的合成滤波法实施例的第一实例的流程图。

图5示出配备有本发明预测编码装置的数据传输装置的方框图。

图6示出配备有本发明预测编码装置的数据存储装置的方框图。

图7示出配备有本发明预测解码装置的数据处理装置的方框图。

图8示出配备有本发明预测解码装置的视听装置的方框图。

图9示出配备有本发明预测解码装置的视听记录装置的方框图。

图10示出配备有本发明预测编码方法的数据容器装置的方框图。

在本申请中，使用到以下术语。样值x(n)是某一瞬间信号的实例。段是许多连续的样值，如x(n)，x(n+1)，...x(n+j-1)，x(n+j)。如果在本申请中使用了所述术语信号(样值或段S)中的一个，则这些类型中的另一个也可被读出。转移函数H(z)是在z-域可见的滤波器输入信号和输出信号之间的关系。(对于z＝exp^-iθ，i为-1的平方根，H(z)得出在频率域中的特性。滤波器的脉冲响应是滤波器对脉冲信号的响应，即对n为零时信号具有数值1，而n不为零时数值为零，n表示时间上的一瞬间。在本申请中，滤波器装置应理解为不是仅具有一个或多个时延装置的装置，虽然从非常严格的意义上说时延装置就是滤波装置。但是，包括至少一个滤波装置和一个或多个时延装置的装置才应理解为是滤波器装置。如果输出信号不取决于任何“未来”的输入信号，即滤波器的输出仅取决于当前信号和/或以前的信号，则滤波器至少应被理解为是有因果关系的。如果滤波器对滤波器输入端的任何任意的有界振幅输入信号都给出有界振幅输出信号，则称所述滤波器是稳定的。

图1示出本发明的反滤波装置1的实施例的第一实例方框图。反滤波装置或编码装置1的所示实例包括输入端口11，此处可有输入信号x。输入端口连接到滤波器结构13，它能对接收到的输入信号进行滤波并输出第一滤波信号x，端口11和滤波器结构13都连接到第一组合器装置12，它能将第一滤波信号x和输入信号x组合而得到剩余信号r。

滤波器结构13包括连接到输入端口11的缓冲器或存储装置131，以及连接到装置131的输出端的多个第二滤波装置132。在所示实例中，第二滤波装置132构成单输入多输出(SIMO)的滤波装置130。第二滤波装置132也连接到放大装置133，它们再连接到第二组合器装置134。第二组合器装置134的输出端连接到第一组合器装置12。

缓冲器或存储装置131(在本申请中也称为时延装置)存储接收的输入信号x(n)并释放样值u(n)。样值u(n)是输入信号之前的样值x(n-j)，j代表装置的时延且j大于零。第二滤波器装置132根据信号u产生第二滤波信号y₁，y₂，...，y_k。第二滤波装置132是稳定的和有因果关系的。因此SIMO滤波装置130也是稳定的和有因果关系的。在所述实施例中，SIMO滤波装置130仅包括第二滤波装置132。但SIMO滤波装置也可以包括一个或多个时延装置或甚至与第二滤波装置132并联直接馈通。

放大器装置133以放大或倍增系数α₁，α₂，...α_k放大或倍增每个第二滤波信号y₁，y₂，...，y_k。此后，放大系数α₁，α₂，...α_k称为预测系数α₁，α₂，...α_k，预测系数随时间而变或与信号相关。这样，第二滤波信号由第二组合器装置134组合为加权和。

第二组合器装置134的输出是第一滤波信号，因而每个样值都基于输入信号x以前的信号x(n-j)，j大于零。第二组合器装置134输出第一滤波信号并将所述第一滤波信号提供给第一组合器装置12。第一组合器装置12组合输入信号x和第一滤波信号，得到剩余信号r。

由于时延装置131，在滤波结构13中没有无时延回路。这样，反滤波器和合成滤波器就可具有同样的设计，即：可使滤波器互补。例如，图1所示的本发明的反滤波器实例和图2所示的本发明的合成滤波器实例是互补的。而且，滤波器结构的时间-频率分辨率也可用适当方式选择第二滤波器的转移函数H_k的方法事先调谐，因为第二滤波器可以是任意类型的稳定和因果滤波器，例如可选择转移函数H_k的参数(诸如增益，极性和零值)以使滤波器调谐到特定的频率区域。

所述时延装置以及滤波器和/或放大器可以互换，即滤波器和/或放大器可以放在时延之前。此时，时延会存储第一滤波信号并释放前一个第一滤波信号，这前一个第一滤波信号与输入信号x组合，得到剩余信号r。用数学方式表达：时延装置131以及滤波器和/或放大器是可互换的。但是，单从时延装置，滤波器和/或放大器的相对位置来看，滤波器是通信连接到时延装置和第一组合器装置的。

而且，在反滤波器中使用的参数也可以用在相应的合成滤波器中，例如图2的实例中。这样，没有重新计算预测系数的装置也可实现合成滤波器，从而使合成滤波器更价廉一些。然后可将反滤波器的设置值发送到合成滤波器，例如通过单独的数据通道或与信号r一起发送。

图2示出一种合成滤波器装置或解码器装置2，它基本上与图1的反滤波器装置相反。合成滤波器2具有输入端口21，后者连接到第一组合器装置22。组合器装置22再连接到滤波器结构23和合成滤波器2的输出端24。在输入端21，可以提供输入信号r。输入信号r由第一组合器装置22接收并与来自滤波器结构23的第一滤波信号组合，得到输出信号x。如果输入信号r是来自图1的反滤波器装置的剩余信号r，则输出信号x基本上类似于反滤波器装置的输入信号x。

滤波器结构23包括时延装置231(也称为缓冲器装置或存储器装置)，它连接到输出端口24和多个第二滤波器装置232。第二滤波器装置232连接到放大器装置233，放大器装置233连接到第二组合器装置234。第二组合器装置234的输出端连接到第一组合器装置12。

时延装置231存储输出样值x(n)并释放以前存储的输出样值x(n-j)，式中j大于零。第二滤波器装置232基于以前存储的输出信号产生第二滤波信号。放大器装置233以预测系数α₁，α₂，...α_k倍增每个第二滤波信号。这样，第二滤波信号由第二组合器装置234组合为加权和。第二组合器装置234的输出是第一滤波信号，这样每个样值基于输出信号x的以前样值x(n-j)，式中j大于零。第二组合器装置234输出第一滤波信号并将所述第一滤波信号提供给第一组合器装置1。第一组合器装置22组合输入信号r和第一滤波信号，得到输出信号x。

由于滤波器结构23中的时延装置，在滤波结构中不存在无时延回路。这样，合成滤波器就可以以更简单的方式与反滤波器互补。所述时延装置以及滤波器和/或放大器可以互换，即滤波器和/或放大器可以放在时延装置之前。用数学方式表达：时延装置以及滤波器和/或放大器是可互换的。

在图1和图2的实例中，第二滤波器装置与时延或缓冲器装置并联。这样，每个第二滤波信号的每个样值都基于时延或缓冲器装置的输入信号的以前样值。第二滤波器装置也可同样连接成级连方式。此时，第k个第二滤波信号y_k基于第k-1个第二滤波信号y_k-1。

在本发明的装置中，时延装置可以具有所需的任何时延。所述时延装置最好是这样的时延装置、使得前一个信号直接在缓冲器接收的信号之前，即，时延为单一时延。

图3示出根据本发明的反滤波方法的流程图。在步骤I-VI，接收输入样值x(n)并产生第一滤波样值。在步骤VI之后，第一滤波样值和输入样值x(n)在第一组合步骤VII进行组合并得到剩余样值r(n)。在所示实例中，步骤VII中的组合为减法，但只要得到的剩余信号是输入信号和滤波信号之间相似程度的一种度量，也可进行不同的运算。然后，接收下一个输入样值，再进行步骤I-VII。

在步骤I-VI中第一滤波信号的产生是以存储步骤I开始的。在存储步骤I，接收输入样值x(n)并将所述输入样值x(n)存储在缓冲器中。在步骤II，从缓冲器中检索出前输入样值u(n)。在所述实例中，前输入样值u(n)就是紧接的前一个输入样值。也可使用一个或多个其他前样值。只使用紧接的前样值可以允许缓冲器尽可能的小。在步骤III，计数器数值k被调整为下一数值k+1。步骤III之后，进行第二滤波步骤IV。在第二滤波步骤IV，对前输入样值u(n)执行滤波法，得到第二滤波样值y_k(n)。在步骤V，将计数器数值k与某一预定数K进行比较，K表示要进行的第二滤波步骤的总数。如果计数器数值k不等于所述预定数K，就再次进行步骤II-V。如果计数器数值k等于所述预定数K，则在第二组合步骤VI中将第二滤波信号y₁(n)，y₂(n)，...，y_k(n)与加权系数α_k组合，从而得到第一滤波样值

图4示出根据本发明的合成滤波方法的流程图。图4流程图所代表的合成滤波方法可以例如由图2的合成滤波装置来执行。

在步骤II，从缓冲器检索出样值u(n)。在步骤III，计数器数值k被调整为下一数值k+1。步骤III之后，执行第二滤波步骤IV。在第二滤波步骤，对样值u(n)执行具有转移函数H_k(z)的滤波法，得到第二滤波样值y_k(n)。在步骤V，将计数器数值k与某一预定数K进行比较，K表示要进行的第二滤波步骤的总数。如果计数器数值k不等于所述预定数K，就再次执行步骤II-V。如果计数器数值k等于所述预定数K，在第二组合步骤VI将第二滤波信号y₁(n)，y₂(n)，...，y_k(n)与加权系数α_k组合，从而得到第一滤波样值。在第一组合步骤VIII中，将输入样值r(n)与第一滤波样值组合，得到输出样值x(n)。然后，输出样值x(n)存储在缓冲器中并重复所述过程。

在本发明的方法或装置中，第二滤波步骤或第二滤波装置可以是任何适合于具体实现的类型，只要它们是稳定的和有因果关系的。此外，本发明的方法或装置除了至少有一个滤波器外还可以包括一个或多个时延或直接馈通。

第二滤波步骤或滤波装置可以例如是递归的或无限的脉冲响应(IIR)滤波步骤或滤波装置。在IIR方法中，也使用输出信号的时延或加权样值来获得输出信号。而且，至少有一个第二滤波装置可以是非线性滤波装置。

可以以心理声学的方式来产生第二滤波步骤或滤波装置，即，具有可与人的听觉系统相比拟的时间-频率分辨率。例如，第二滤波或产生至少一个第二滤波信号可以是具有以下转移函数的全通滤波： $>>>H>k>>>(>z>)>>=>>>(>>>>z>>->1>>>->>\lambda >*>>>>1>->>z>>->1>>>\lambda >>>)>>>k>->1>>>->->->>(>1>)>>>s>$

在方程(1)中，z^-1代表时延装置，k代表二次滤波步骤数(它是1和K之间的一个整数)，K代表二次滤波或滤波步骤的总数，而λ代表其绝对值在0和1之间的常数。例如，可以这样选择参数λ、使得滤波器具有可与人的听觉系统相比拟的时间-频率分辨率。

而且，心理声学产生的滤波可以是用以下数学算法表示的具有转移函数H_k(z)的Laguerre滤波： $>>>H>k>>>(>z>)>>=>\sqrt{>1>->>>|>\lambda >|>>2>}>>1>->>z>>->1>>>\lambda >>>>>\{>>>>z>>->1>>>->>\lambda >*>>>>1>->>z>>->1>>>\lambda >>>\}>>>k>->1>>>->->->>(>2>)>>>s>$

在方程(2)中，k代表递归滤波步骤数，z^-1代表时延，λ是其绝对值在0和1之间的参数。

也可以进行例如用以下数学算法表示的具有转移函数H_k(z)的Kautz滤波的第二滤波： $>>>H>k>>>(>z>)>>=>\sqrt{>1>->>>|>>\lambda >k>>|>>2>}>>1>->>z>>->1>>>>\lambda >k>>>>>\Pi >>m>=>1>>>k>->1>>>>>>z>>->1>>>-sup>>\lambda >m>*sup>>>>1>->>z>>->1>>>>\lambda >m>>>>->->->>(>3>)>>>s>$

在方程(3)中，k代表递归滤波步骤数，z^-1代表时延操作，λ_m是其绝对值在0和1之间的参数，λ^*_m是λ_m的复共轭值。

第二滤波也可以是Gamma音滤波或Gamma音滤波器组的数字模拟，例如T.Irino等的“A time domain，level dependent auditoryfilter”，J.Acoust.Soc.Am.，101：412-419，1997一文中所述。总之，Gamma音滤波器是连续时间滤波器，其脉冲响应h_k用下式定义： $>>>h>k>>>(>t>)>>=>>t>>>\gamma >k>>->1>>>>e>>>\sigma >k>>f>>>cos>>(>>\omega >k>>t>+>>\Phi >k>>)>>->->->>(>4>)>>>s>$

式中的参数根据相应的心理声学数据进行调谐。在此方程中，项代表统计Gamma分布，ω_k代表余弦项的频率或音调，t代表时间，Φ_k代表相位。

在第二滤波之后，可以进行某些额外的处理，例如矩阵运算。滤波的组合转移函数以及矩阵运算可以用以下数学算法来代表： $>>>H>k>>>(>z>)>>=>>\Sigma >>n>=>1>>K>>>c>kn>>>G>n>>>(>z>)>>->->->>(>5>)>>>s>$

在所述方程中，H_k(z)代表第二滤波器和矩阵的组合转移函数，k代表滤波步骤数，c_kn代表在矩阵中位置k，n处的矩阵值，G_n(n)代表第二滤波器n的转移函数。在方程(5)中，滤波器G_n(z)可以是例如方程(2)定义的Laguerre滤波器或方程(3)定义的Kautz滤波器。

例如第二滤波信号y₁，y₂，...，y_k可以乘以傅立叶矩阵。此时，方程(5)的矩阵值c_kn可以选择为：

             c_kn＝w(n)e^{i2x(m-1)(k-1)/K}    (6)

在方程(6)中，w代表某个加权函数，i代表-1的平方根，K代表第二滤波器部分数。

根据本发明的滤波器装置和滤波方法可以用在数据压缩应用中，例如线性预测编码。例如在由编码器装置和与编码器装置通信连接的解码器装置组成的编码系统中，所述编码器装置可以包括根据本发明的反滤波器装置，而解码器装置可以包括根据本发明的合成波器装置。

在预测滤波器或预测编码器或解码器中，预测系数α₁，α₂，...，α_K可以利用以下过程得出。在所示实例中，预测系数取决于存在于滤波器中的信号。例如，预测系数可基于(所得)样值或信号的优化过程，例如最小化均方差。

为确定在时刻n的α_K，选择了n附近的输入信号x，例如段x(t)，t＝{n-M₁，n-M₁+1，...，n+M₂}，且M₁，M₂＞K。其次，将段x(t)用窗口(例如用Hanning窗口)筛选为窗口筛选后的段s。

然后可以使窗口筛选段s适合于新段s。例如，信号可以附加上零、小量的噪声可以加到信号上以避免矩阵反向(在后面的一个步骤完成)时的数值问题，或者可以将信号段变换成另一段。这样做，例如，可以产生心理声学相关信号。在这种情况下，可以从段s计算掩蔽阈值，并用所述掩蔽阈值进行反傅立叶变换，得到其关联的时间信号。

然后，可以利用本发明的滤波方法或滤波器装置来处理任选的适配的或修改的信号s’，得到第二滤波信号y_k。解以下方程求出预测系数α₁，α₂，...α_k：

     Qα＝P                         (7)

在方程(7)中，α是含有预测系数α＝[α₁，α₂，...α_k]^t的矢量，Q是矩阵，P是具有以下定义的元素的矢量： $>>>Q>>k>,>l>>>=>>\Sigma >n>>>y>t>>>(>n>)>sup>>y>k>*sup>>>(>n>)>>>s>$ >>>P>k>>=>>\Sigma >n>>>s>\prime >>>(>n>)>sup>>y>k>*sup>>>>(>n>)>>*>>->->->>(>8>)>>>s>$$

在方程(8)中，k和l等于或大于1但小于或等于K，^*表示复数共轭。为避免与确定α所需的矩阵反向相联的数值问题，可以使用已知的规则化技术，例如在反向前在矩阵Q上加一个小的偏置矩阵εI，ε代表一个小的数，I为识别矩阵。预测系数的确定可在任何时刻n进行。但在实际中，可在定期的时间间隔确定这些系数。通过插入技术，可以确定其它时刻的预测系数。

而且，本发明的滤波方法也可用在自适应微分脉冲代码调制方法(ADPCM)中。同理，本发明的滤波装置也可用在ADPCM的装置中，如业界已知的K.Sayood“Introdution to data compression”，2^nd ed.Morgan Kaufmann 2000，10.5章。

本发明的滤波器装置和滤波方法也可用于语音或声音编码或滤波。

本发明的滤波器装置可以用在各种装置中，例如数据发送装置20，像包括输入信号接收装置21和发射装置22的无线电发射机或计算机网络路由器，例如用来发射编码信号的天线可以配备有连接到输入信号接收装置21和发射装置22的本发明的预测编码器装置1，如图5所示。这种装置由于编码过程压缩了数据，故可以用小的带宽发送大量的数据。

同样也可以将本发明的预测编码装置1应用在数据存储装置30中，像SACD burner，DVD burner或迷你盘录像机中，用来在数据容器装置31(如SACD，DVD，光盘或计算机硬盘)中存储数据。这种装置30包括：数据容器装置31的支持装置32；将数据写入数据容器装置31的写入装置33；输入信号接收装置34，例如麦克风；以及连接到输入信号接收装置34和写入装置33的本发明的预测编码器装置1，如图6所示。这种数据存储装置30可以在数据容器装置31上存储更多的数据，而避免了已知数据存储装置的缺点。

同样，也可以在包括输入信号接收装置41(像DVD-rom重放机)和数据处理装置42的数据处理装置40上配备本发明的解码器装置11，用于预测编码信号，如图7所示。这种数据处理装置40可以是一台计算机或电视机顶盒。

也可以在包括数据输入装置51(像声频CD播放机)和声频输出装置52(像扩音器)的声频装置50、像家用立体声或多通道重放机上配备根据本发明的解码器装置11，用于预测编码信号，如图8所示。同理，包括声频输入装置61(如麦克风)和数据输出装置62的声频记录装置60(如图9所示)也可配备预测编码器装置11，从而可以利用同样数量的存储空间记录更多的数据。

另外，本发明可应用于存储在数据容器装置(像图10所示的软盘70)中的数据，这种数据容器装置可以本身是例如数字易失性盘或超级声频CD，或是制造这种DVD或SACD的母盘或原模。

本发明不限于在公开的装置实例中实现，而可应用在其他装置中。具体地说，本发明不限于物理装置，而可应用于更为抽象型的逻辑装置上，或实现装置功能的软件中。此外，所述装置在(物理)实体上可以分布在许多电器上，而逻辑上可视为单个的物理装置。而且，在逻辑上视为单独的一些装置可以集成在单个的物理装置中。例如，缓冲器或时延装置物理上可集成在第二滤波装置中，虽然逻辑上可以看作是一个单独的装置，例如在每个第二滤波装置中实现一个时延装置。而且，反滤波器或合成滤波器装置本身可以以单个的集成电路实现。

本发明也可在计算机系统上运行的计算机程序中实现，所述程序在计算机系统上运行时至少应包括代码部分以完成本发明的方法的各步骤，或使通用计算机系统能完成本发明的滤波器装置的功能。这种计算机程序可在诸如CD-rom或软盘等数据载体上提供，数据载体上存储有计算机系统的内存可装载的代表计算机程序的数据。数据载体还可以是一种数据连接，例如发送代表本发明计算机程序的信号的电话电缆或无线连接。

在以上的说明书中，结合本发明实施例的具体实例对本发明作了说明。但显然可以在不背离在所附权利要求书中提出的本发明的广义精神和范围的条件下作各种变化和修改。因此，说明书和附图应视为只是说明性的，而非限制性的。