在级联滤波器组情况下的低复杂性子带域滤波

摘要

提供了一种用于子带域的滤波方法和系统。第一分析滤波器组被配置为将输入信号划分为多个子带。第二分析滤波器组将一个或多个子带划分为第二子带集。修正单元接受多个子带、第二子带集以及修正数据，并且输出多个经修正的子频带。第一合成滤波器组对多个经修正的子带进行合成。滤波器继而对多个经修正的子带以及一个或多个经合成的修正子带进行滤波，以获得多个经滤波的子带。第二合成滤波器组对多个经滤波的子带进行合成，以获得输出信号。

说明书

技术领域

本发明涉及音频编码，并且更具体地，涉及用于子带域滤波的方法和系统。

背景技术

本小节意在为权利要求中所引证的发明提供背景或上下文。这里的描述包括可能被研究过的概念，但是未必都是先前设想或研究过的概念。因此，除非在此特别指明，否则本小节所描述的内容不构成本申请的说明书和权利要求书的现有技术，并且不应因为其包含在本小节中而被认定为现有技术。

滤波器组是MPEG音频标准应用的基础组件。特别地，滤波器组用于时域音频信号的时间/频率变换。因此，在典型的音频编码应用中，频繁地使用滤波器组来将输入信号划分为子带频率(子带)。继而使用特定的技术来修正子带，以获取期望的输出信号。在一些编码应用中，需要比使用单个滤波器组所获得的解析度更高的频率解析度。在这种情况下，可以使用一个或多个附加滤波器组将子带频率进一步划分为更小的子带。这样的系统经常称为级联滤波器组系统。

在典型的音频编码应用中也会使用子带域滤波操作。子带域滤波可以包括无限冲击响应(IIR)和有限冲击响应(FIR)操作。在级联滤波器组系统中，每使用一个附加的滤波器组，在子带域中执行滤波操作所需的操作数目的复杂性就随之增加。该复杂性导致不期望的高计算代价的过程。因此，需要一种降低在级联滤波器组系统中执行子带域滤波的复杂性的方法和系统。

发明内容

根据本发明的一个实施方式，一种子带域滤波系统，包括外部分析滤波器组，其被配置为接收输入信号，并且将该输入信号划分为多个子带。内部分析滤波器组，其被配置为将一个或多个子带划分为内部子带集。另外，修正单元，其被配置为接受多个子带、内部子带集以及修正数据作为输入。修正单元使用修正数据来输出多个经过修正的子带。此外，内部合成滤波器组，被配置为接收并合成多个经过修正的子带，以产生一个或多个合成子带。子带域滤波器被配置为对多个经过修正的子带以及一个或多个合成子带进行滤波，以获得多个经过滤波的子带。最后，外部合成滤波器组被配置为合成多个经过滤波的子带，以获得输出信号。

根据本发明的另一实施方式，一种子带域滤波系统，包括外部分析滤波器组，其被配置为接收输入信号，并且将该输入信号划分为多个子带。内部分析滤波器组，其被配置为将一个或多个子带划分为内部子带集。另外，修正单元，其被配置为接受多个子带、内部子带集以及修正数据作为输入。修正单元使用修正数据来输出多个经过修正的子带。此外，子带域滤波器被配置为对多个经过修正的子带进行滤波，以获得多个经过滤波的子带。除此之外，内部合成滤波器组，被配置为合成多个经过滤波的子带，以产生合成子带。最后，外部合成滤波器组被配置为对多个经过滤波的子带和该合成子带进行合成，以获得输出信号。

根据本发明的又一实施方式，一种用于在子带域中滤波的方法，包括：首先接收输入信号。接下来，将输入信号划分为多个子带。继而，将一个或多个子带进一步划分为内部子带集。继而根据多个给定数据对子带和内部子带集进行修正，以获得多个经过修正的子带。接下来，对一个或多个经过修正的子带进行合成。继而，对多个经过修正的子带和一个或多个合成子带进行滤波，以获得多个经过滤波的子带。最后，对多个经过滤波的子带进行滤波，以获得输出信号。

根据本发明的另一实施方式，一种用于在子带域中滤波的方法，包括：首先接收输入信号。继而，将输入信号划分为多个子带。接下来，将一个或多个子带划分为内部子带集。继而根据多个数据对子带和内部子带集进行修正，以获得多个经过修正的子带。接下来，对多个经过修正的子带进行滤波，以获得多个经过滤波的子带。继而，对一个或多个经过滤波的子带进行合成，以获得多个合成子带。最后，对经过滤波的子带和多个合成子带进行合成，以获得输出信号。

本发明与传统系统相比具有多个优点。本发明提供了用于执行子带域滤波操作的有效系统和方法。例如，该系统和方法显著降低了级联滤波器组系统中的子带域滤波过程的计算复杂性。这种计算复杂性的降低使得滤波系统(例如，音频或者视频编码应用)的速度提高。

根据下文参考附图的详细描述，本发明的这些和其他优点以及特征及其操作的组织和方式将变得显而易见，其中下文描述的多个附图，类似的元素具有相同的标记。

附图说明

图1示出了可以实现本发明的系统的总体视图。

图2是可以在本发明的实现中使用的移动电话的透视图。

图3是图2的移动电话的电话电路的示意性表示。

图4是传统子带滤波系统和方法的框图。

图5是具有级联滤波器组系统的传统子带滤波系统和方法的框图。

图6是根据本发明一个实施方式的用于级联滤波器组系统的子带域滤波系统和方法的框图。

图7是根据本发明另一实施方式的用于级联滤波器组系统的子带域滤波系统和方法的框图。

具体实施方式

下面将参考附图来描述本发明的实施方式。应当理解，下面的描述意在描述本发明的示例性实施方式，而不是限制本发明。

图1示出了可以使用本发明的系统10，其包括可以通过网络进行通信的多个通信设备。系统10可以包括有线或无线网络的任意组合，其中这些网络包括但不限于移动电话网络、无线局域网(LAN)、蓝牙个人局域网、以太网LAN、令牌环LAN、广域网、互联网等。系统10可以包括有线通信设备和无线通信设备两者。

例如，图1中所示系统10包括移动电话网络11和互联网28。通往互联网28的连接可以包括但不限于远程无线连接、短程无线连接，以及各种有线连接，有线连接包括但不限于电话线、电缆线路、电力线等。

系统10的示例性通信设备可以包括但不限于移动电话12、组合式PDA和移动电话14、PDA 16、集成消息传递设备(IMD)18、台式计算机20，以及笔记本计算机22。通信设备可以是固定的或者在由行进中的人携带时是移动的。通信设备还可以处于交通模式中，包括但不限于汽车、卡车、出租车、公共汽车、船、飞机、自行车、摩托车等。通信设备的一些或全部可以通过通往基站24的无线连接25发送和接收呼叫和消息，并且通过通往基站24的无线连接25与服务提供商进行通信。基站24可以连接至网络服务器26，该网络服务器26支持移动电话网络11和互联网28之间的通信。系统10可以包括附加的通信设备和不同类型的通信设备。通信设备可以彼此直接通信。

通信设备可以使用各种传输技术进行通信，包括但不限于，码分多址(CDMA)、全球移动通信系统(GSM)、通用移动通信系统(UMTS)、时分多址(TDMA)、频分多址(FDMA)、传输控制协议/互联网协议(TCP/IP)、短消息传递服务(SMS)、多媒体消息传递服务(MMS)、电子邮件、即时消息传递服务(IMS)、蓝牙、IEEE 802.11等。通信设备可以使用各种介质进行通信，包括但不限于，无线、红外、激光、线缆连接等。

图2和图3示出了本发明可以在其中实现的一个代表性移动电话12。然而应当理解，无意将本发明限制为一种特定类型的移动电话12或者其他电子设备。图2和图3的移动电话12包括外壳30、液晶显示器形式的显示器32、小键盘34、麦克风36、耳机38、电池40、红外端口42、天线44、根据本发明一个实施例的通用UICC形式的智能卡46、读卡器48、无线接口电路52、编解码电路54、控制器56以及存储器58。单独的电路和元件可以是本领域公知的所有类型，例如Nokia范围内的移动电话系列。

图4中示出了传统的子带滤波系统和方法。图4示出了两个滤波器组，和修正单元。首先，滤波器组必须接收输入信号000(例如，音频信号，视频信号等)。滤波器组是低通滤波器(未示出)的阵列，其可以用来将输入信号000划分为多个分量，其中，每个分量携带原始输入信号000的单个子频带150。将单个输入信号000划分为多个子带150的过程通常称为分析，该过程是由称为分析滤波器组100的特定类型的滤波器组来执行的。例如，这里的滤波器组100可以是已知的伪QMF滤波器组。

一般地，还对滤波器组进行设计，使得在某时间点处，可以重新组合子带150以形成单个输出信号450。该过程称为合成，其是由图4中所示的合成滤波器组300执行的。在描述了对子带150的修正之后，将更为详细地讨论合成滤波器组300。

如图4所示，一旦分析滤波器组100将输入信号000划分为子带150，便使用修正单元200来修正子带150。例如，修正单元200可以识别由子带150表示的输入信号000的重要频率和不重要频率。大体上，修正单元200具有数据250，该数据250将影响如何对子带150进行修正(例如，每个子带对输出信号的重要性)。修正单元200继而可以使用该信息来修正(例如，编码、幅值缩放、包络和相位修正或者与其他信号的解相关)子带150。例如，可以丢弃认为不重要的子带频率，同时可以以较高的解析度对认为重要的那些子带频率进行编码，以保留信号完整性和声音质量。根据本发明的一个实施方式，修正单元200是子带域编码器，其使用初始滤波器组系数作为其输入，并且输出该系数的经过编码(合成)的版本。

如图4所示，一旦完成了对子带150的修正从而创建了经过修正的子频带350，便对那些经过修正的子频带350进行合成。对于合成，合成滤波器组300接收经过修正的子频带350作为输入，并且重建经过修正的子频带350，以创建输出信号450。

在包括音频编码在内的多个应用中，对于某些子带需要较高的频率解析度。为了实现它，通常使用一个或多个附加滤波器组对期望的子带进行进一步划分。这被称为级联滤波器组系统，例如在图5中示出。应当理解，级联系统可以包含任意数目的滤波器组，图5中所示的系统仅仅是出于示例目的以及为了简化讨论而示出的。如图5所示，外部分析滤波器组100(a)接受输入信号000。外部分析滤波器组100(a)继而将输入信号000划分为多个子频带150(a)。接下来，将一个或多个子带150(a)输入到第二或者内部分析滤波器组100(b)中。内部分析滤波器组100(b)将子带150(a)进一步划分为第二或者内部子带集150(b)。

如图5所示，将子带150(a)和内部子带集150(b)输入到修正单元200。修正单元200如上所述地根据给定数据250来修正子带频率输入150(a)和150(b)。修正单元200输出多个经过修正的子带350(a)以及第二或者内部修正子带集350(b)。内部修正子带集350(b)对应于内部子带集150(b)，并且被进一步输入到第二或者内部合成滤波器组300(b)中。内部合成滤波器组300(b)重建内部修正子带集350(b)，以获得合成子带350(c)。接下来，由外部合成滤波器组300(a)对合成子带350(c)和多个经修正子带350(a)进一步合成，以产生输出信号450。

根据本发明的一个实施方式，期望使用通过子带域滤波器在子带域中的附加滤波操作来增强上述级联系统。例如，在音频编码应用中，有限冲击响应(FIR)滤波器或者无限冲击响应(IIR)滤波器可以用作子带域滤波器。

滤波子带信号的一个目的是生成与如下信号等同的输出信号：所述信号是通过重建未修正信号、在时域中对未修正信号进行滤波、继而将其重新编码到子带域中而获得的。此外，音频信号的子带域滤波具有多种应用。例如，可以对MPEG信号应用感知效应(perceptualeffects)，可以防止向下采样之前的混叠(aliasing)，并且MPEG信号的频率可被均衡化。

图6示出了根据本发明一个实施方式的级联滤波器组系统和方法。应当理解，级联系统可以包含任意数目的滤波器组，并且图6中所示的系统是出于示例目的以及简化讨论而示出的。首先，外部分析滤波器组100(a)接收输入信号000。外部分析滤波器组100(a)将输入信号000划分为多个子带150(a)。这里的滤波器组100(a)例如可以是已知的伪QMF滤波器组。第二或者内部分析滤波器组100(b)接收一个或多个子带150(a)作为输入。内部分析滤波器组100(b)将输入的子带150(a)进一步划分为第二或者内部子带集150(b)。继而将内部子带集150(b)和多个子带150(a)作为输入提供给修正单元200。

如图6所示，除了接收子带150(a)和内部子带集150(b)之外，修正单元200接收数据250，该数据250与应当如何修正子频带150(a)、150(b)有关。修正单元200继而可以使用该信息来修正(例如，编码、幅值缩放)子带150(a)、150(b)。例如，可以丢弃认为不重要的那些频率，同时以较高的解析率对认为重要的那些频率进行编码，以保留信号完整性和声音质量。

如图6所示，一旦完成了对子频带150(a)、150(b)的修正从而创建了经修正的子带350，便使用子带域滤波器400对那些经修正的子频带350进行滤波。如上所述，子带域滤波器400可以是任何类型的FIR滤波器或者IIR滤波器之一。子带域滤波器400的操作和特性是根据级联滤波器组系统的设计规范和期望的输出信号450来确定的。子带域滤波器400输出对应于内部子带集150(b)的第二或者内部经滤波子带集550(b)，以及多个经滤波的子带550(a)。

接下来，将内部经滤波子带集500(b)作为输入提供到第二或者内部合成滤波器组300(b)中。内部合成滤波器组300(b)对第二经滤波子带集550(b)进行重建，以产生合成子带550(c)。如图6所示，继而将合成子带550(c)和多个经滤波子带550(a)输入到外部合成滤波器组300(a)中。外部合成滤波器组300(a)对输入信号550(a)、550(c)进行重建，以产生输出信号450。

一般地，可以将子带域滤波器400表示为矩阵操作。由此，当子频带的数目增加时，所需的计算性操作的数目也随之增加。根据本发明的另一实施方式，提供了一种级联滤波器组系统和方法，其降低了在使用子带域滤波器时遇到的复杂性。

图7中示出了用于降低子带域中滤波的操作复杂性的级联滤波器组系统和方法。应当理解，级联系统可以包含任意数目的滤波器组，并且图7中所示的系统是出于示例目的以及简化讨论而示出的。如上所述，图7中所示的系统包含外部分析滤波器组100(a)、内部分析滤波器组100(b)以及修正单元200。这些组件以及相应的过程与上文参考图6所描述的相同。

修正单元200输出多个经修正子带350(a)以及第二或内部经修正子带集350(b)。内部经修正子带集350(b)对应于内部子带集150(b)，并且被进一步输入到第二或内部合成滤波器组300(b)中。内部合成滤波器组300(b)对内部经修正子带集350(b)进行重建，以获得合成子带350(c)。继而将合成子带350(c)和多个经修正子带350(a)输入到子带域滤波器400中。如上所述，子带域滤波器400可以是任意类型的FIR滤波器或者IIR滤波器之一。

由于内部经修正子带集350(b)在输入到子带域滤波器400之前被合成，因此需要较少的操作计算。例如，设X(t，k)是时刻t处分析滤波器组100的子带k的值(150)。取决于分析滤波器组，X(t，k)可以是复数。根据以下公式来获得子带域中的经滤波信号Y(t，k)(550)：

$Y(t,k)=\underset{m=-M_{\mathrm{low}}^k}{\overset{m=M_{\mathrm{high}}^k}{\Sigma }}\underset{n=-N_{\mathrm{low}}^k}{\overset{n=N_{\mathrm{high}}^k}{\Sigma }}X(t+m,k+n)F_k(m+M_{\mathrm{low}}^k,n+N_{\mathrm{low}}^k)$

在上面的公式中，F_k(m，n)是具有行和列的、用于子带k的滤波器矩阵，其中和是≥0的。矩阵F_k(m，n)的大小取决于k的值，取决于分析滤波器组100，并且取决于滤波操作的期望精度。取得子带域中的经滤波信号Y(t，k)(550)需要大量的操作，尤其是在子带域滤波器400较长或者X(t，k)的参数复杂的情况下。在图7所示的级联滤波器组系统中，必须进行滤波的子带数目变得非常大。然而，通过在对一个或多个经修正子频带350(b)进行合成之后执行滤波操作400，显著降低了操作复杂性。

接下来，子带域滤波器400将多个经滤波子带550输出到外部合成滤波器组300(a)。最后，外部合成滤波器组300(a)对经滤波的子带进行重建，以产生输出信号450。下面描述上述系统的具体实现。

根据本发明的另一实施方式，修正单元200使用增益值对输入子带150(a)、150(b)的振幅进行修正。设X(t，k)是外部分析滤波器组100(a)的子频带150(a)，其在内部分析滤波器组100(b)中被进一步划分为内部子带集150(b)，这些频带表示为H₁(t，k)，...，H_B(t，k)。在修正单元200中利用给定的增益对这些频带中的每个频带进行缩放，得到g₁(t，k)H₁(t，k)，...，g_B(t，k)H_B(t，k)。

修正单元200输出多个经修正子带350(a)以及内部经修正子频带集350(b)。内部经修正子带集350(b)对应于内部子带集150(b)，并且被进一步输入到内部合成滤波器组300(b)中。从内部合成滤波器组300(b)获得原始子带参数的经缩放版本，将其表示为可以如下估计增益g₁(t，k)，...，g_B(t，k)对子频带150(a)、150(b)的总效应(其中，G(t，k)可以是复数)：

$G(t,k)=\frac{\hat{X}(t,k)}{X(t,k)}$

对于应用了内部分析滤波器组100(b)的外部分析滤波器组100(a)的每个子频带150(a)使用上述方法，获得外部分析滤波器组100(a)的每个子频带150(a)、150(b)的增益值。接下来，可以将利用增益的振幅缩放与滤波操作400有效地结合起来。现在给出滤波公式：

$Y(t,k)=\underset{m=-M_{\mathrm{low}}^k}{\overset{m=M_{\mathrm{high}}^k}{\Sigma }}\underset{n=-N_{\mathrm{low}}^k}{\overset{n=N_{\mathrm{high}}^k}{\Sigma }}G(t+m,k+n)X(t+m,k+n)F_k(m+M_{\mathrm{low}}^k,n+N_{\mathrm{low}}^k)$

接下来，子带域滤波器400将多个经滤波子带550输出到外部合成滤波器组300(a)。外部合成滤波器组300(a)继而对经滤波子频带进行重建，以产生输出信号450。

根据本发明的一个实施方式，下面参考图7给出了与正在进行的MPEG环绕编码器的标准化有关的一个示例情况。首先，使用QMF分析滤波器组100(a)将输入信号000划分为64个子带150(a)。在最低频率处，需要较高的频率解析度，因此使用级联滤波器组结构。通过使用尼奎斯特(Nyquist)分析滤波器组100(b)，分别将三个最低QMF域子频带划分为6个、2个和2个尼奎斯特域频带150(b)。

如[0042]段所述，现在通过修正单元200来使用增益参数对子带进行缩放，以便将振幅设置为期望水平。一部分增益信息用于尼奎斯特域频带150(b)，而另一部分用于QMF域频带150(a)。

在MPEG环绕编码器的一个操作模式中，通过头相关传输函数(HRTF)滤波器400对输入信号进行滤波。HRTF滤波器通常是FIR滤波器，其仿真如何在声音达到耳膜之前头的衍射和反射属性对给定的声波输入(参数化为频率和源位置)如何进行滤波。典型的HRTF滤波器400在采样频率为44100kHz时具有128个采样的长度(也可以有不同的滤波器长度)。

OMF域中具有合理精度的HRTF滤波例如需要这样的滤波器矩阵：$M_{\mathrm{low}}^k=4,$$M_{\mathrm{high}}^k=4,$$N_{\mathrm{low}}^k=1$and$N_{\mathrm{high}}^k=1$。通过仅在QMF域中进行滤波，可以降低滤波操作的复杂性。将经过幅值缩放的尼奎斯特域子带采样350(b)馈送到相应的尼奎斯特合成滤波器组300(b)。现在可以使用在[0043]段落中引入的公式来计算用于前三个子带350(b)的QMF域增益值。现在，由于具有了用于每个QMF子带350(a)、350(c)的增益值，所以可以如[0044]段落所述的执行HRTF滤波器400。

根据上述方面，实现了多个优点。首先，实现了用于执行子带域滤波操作的有效系统和方法。该系统和方法显著降低了级联滤波器组系统中的子带域滤波器过程的计算复杂性。这种计算复杂性的降低使得诸如音频或视频编码应用的滤波系统的速度得以提高。

在方法步骤的一般性上下文中对本发明进行了描述，在一个实施例中，本发明可以通过程序产品来实现，该计算机程序产品包括在网络环境中由计算机执行的计算机可执行指令，诸如程序代码。通常，程序模块包括例程、程序、对象、组件、数据结构等，用于执行具体任务或者实现特定的抽象数据类型。计算机可执行指令、相关数据结构和程序模块代表了用于实现此处公开的方法和执行步骤的程序代码的示例。这种可执行指令或者相关数据结构的特定序列代表了用于实现在这种步骤中描述的功能的对应动作的示例。

本发明的软件和网络实现能够利用标准编程技术来完成，利用基于规则的逻辑或者其他逻辑来实现数据库搜索步骤、相关步骤、比较步骤和决策步骤。还应当注意的是，此处以及权利要求书中使用的词语“组件”和“模块”意在包括使用一行或者多行软件代码的实现和/或硬件实现和/或用于接收手工输入的设备。

出于示例和描述的目的，已经给出了本发明实施的前述说明。前述说明并非是穷举性的也并非要将本发明限制到所公开的确切形式，根据上述教导还可能存在各种变形和修改，或者是可能从本发明的实践中得到各种变形和修改。选择和描述这些实施例是为了说明本发明的原理及其实际应用，以使得本领域的技术人员能够以适合于构思的特定用途来以各种实施方式和各种修改而利用本发明。