用于设计过采样低延迟滤波器组的方法和设备与流程

本文件涉及一种用于设计过采样低延迟滤波器组的方法和对应设备，该滤波器组表现出精确的频带分离和/或低的通道内通带波纹。

背景技术：

1、数字滤波器组是两个或更多个并行数字滤波器的集合。分析滤波器组将输入信号分成多个单独的信号，这些单独的信号被称为子带信号或频谱系数。当每单位时间的子带样本的总数与输入信号的相同时，对滤波器组进行临界采样或最大抽取。所谓的合成滤波器组将子带信号组合成输出信号。

2、临界采样滤波器组设计中的问题是任何改变子带样本或频谱系数的尝试，(例如，通过应用均衡增益曲线或通过量化采样)，通常在输出信号中呈现混叠伪像。因此，当子带样本经受子带处理时减少这种伪像的滤波器组设计是期望的。

3、减少混叠伪影的一种可能方法是使用过采样(即，未临界采样的)滤波器组。然而，过采样滤波器组的直接设计可能导致不同子带之间的频带分离受损。

4、本公开解决了提供如下滤波器组的技术问题，该滤波器组关于混叠伪像是鲁棒的并且表现出精确的频带分离和/或低的通道内通带波纹(在各个子带内)。技术问题由独立权利要求解决。在从属权利要求中描述了优选的示例。

技术实现思路

1、根据一个方面，描述了一种用于确定用于构建m通道(低延迟和/或子采样)分析/合成滤波器组的非对称原型滤波器p0的n个系数的方法。该分析/合成滤波器组可以包括m个分析滤波器hk和m个合成滤波器fk，k取0到m-1的值，并且其中m通常大于1。该分析/合成滤波器组具有总体重构精度，其通常与分析和合成滤波器的系数相关联，并且还与抽取和/或内插操作相关联。

2、m个分析滤波器可形成分析滤波器组，其可用于基于输入(音频)信号确定m个子带信号。该子带信号可以抽取因子s被抽取，其中s<m，从而使用分析滤波器组提供m个抽取后子带信号。

3、m个抽取后子带信号可以被处理(例如，使用一个或多个均衡滤波器和/或系数)，从而提供m个抽取后的、可能被处理的子带信号。这些子带信号可以抽取因子s被上采样，然后可以使用合成滤波器组的m个合成滤波器来处理，从而提供处理后的(音频)信号。因此，分析/合成滤波器组可以是过采样滤波器组。

4、所述方法包括以下步骤：确定滤波器组的目标传递函数，所述目标传递函数包括目标延迟d。典型地，选择小于或等于n的目标延迟d。该方法还包括以下步骤：包括传递函数误差项et和混叠误差项ea的复合目标函数etot。该传递函数误差项与滤波器组的传递函数与所述目标传递函数之间的偏差相关联；并且混叠误差项ea与由子带信号的(以抽取因子s进行的)抽取和/或内插引起的误差相关联。在另外的方法步骤中，非对称原型滤波器p0的n个系数被确定为使得减小、特别是优化和/或最小化复合目标函数etot。

5、典型地，确定复合目标函数etot的步骤和确定非对称原型滤波器p0的n个系数的步骤被迭代地重复执行，直到达到复合目标函数etot的最小值。特别地，可以基于原型滤波器的给定系数集来确定目标函数etot，并且可以通过减小目标函数etot来生成原型滤波器的更新后的系数集。可以重复该过程，直到原型滤波器系数的修正不能再实现目标函数的进一步减小为止。这意味着确定目标函数etot的步骤可以包括针对原型滤波器p0的给定系数确定复合目标函数etot的值，并且确定非对称原型滤波器p0的n个系数的步骤可以包括基于与原型滤波器p0的系数相关联的复合目标函数etot的导数或导数估计(例如一阶和/或二阶导数)来确定原型滤波器p0的更新后系数。

6、复合目标函数etot可以包括以下项：

7、αet+(1-α)ea

8、其中et是传递函数误差项，ea是混叠误差项，α是取0和1之间的值的加权常数。传递函数误差项et可以通过将关于多个频率的滤波器组的传递函数和目标传递函数的平方偏差进行累积来确定。特别地，传递函数误差项et可以被计算为：

9、

10、其中，p(ω)e-jωd为所述目标传递函数；

11、

12、其中hk(z)和fk(z)分别是分析滤波器和合成滤波器hk(n)和fk(n)的z变换。

13、混叠误差项ea可通过对关于多个频率的混叠增益项的平方幅值进行累积来确定。特别地，混叠误差项ea可以被计算为：

14、

15、其中，对于z＝ejω，并且

16、

17、为在单位圆上估算的第l混叠增益项，w＝e-i2π/s，其中hk(z)和fk(z)分别是分析滤波器和合成滤波器hk(n)和fk(n)的z变换。符号表示序列即序列al(n)复共轭，的z变换。

18、确定复合目标函数etot的值的步骤可以包括使用余弦调制、正弦调制和/或复指数调制基于原型滤波器p0(n)生成分析/合成滤波器组的分析滤波器hk(n)和合成滤波器fk(n)。特别地，分析滤波器和合成滤波器可以使用余弦调制被确定为：

19、对于分析滤波器组的m个分析滤波器，

20、

21、其中n＝0…n-1；以及

22、对于合成滤波器组的m个合成滤波器，

23、

24、其中n＝0…n-1。

25、分析滤波器和合成滤波器还可以使用复指数调制被确定为：

26、对于分析滤波器组的m个分析滤波器，

27、

28、其中n＝0…n-1，a为任意常数；以及

29、对于合成滤波器组的m个合成滤波器，

30、

31、其中n＝0…n-1。

32、确定复合目标函数etot的值的步骤可以包括将滤波器组通道中的至少一个设置为零。这可以通过向至少一个分析和/或合成滤波器应用零增益来实现，即，对于至少一个通道k，可以将滤波器系数hk和/或fk设置为零。特别地，可以将预定数量的低频通道和/或预定数量的高频通道设置为零。换句话说，低频滤波器组通道k＝0直到clow；而大于零的clow可被设为零。可替代地，高频滤波器组通道k＝chigh直到m-1，而小于m-1的chigh可被设为零。

33、将预定数量的通道设置为零的目的是将滤波器组呈现为均衡的极端形式，其通常将表现为强混叠，即，混叠误差项ea在确定复合目标函数etot的值的步骤中将变大。在达到复合目标函数etot的最小值之后，这导致了如下滤波器组设计，该滤波器组设计减少了子带样本经受子带处理时的混叠伪影。

34、在这种情况下，确定复合目标函数etot的值的步骤可以包括针对携带最大混叠(主混叠)的混叠项使用复指数调制生成分析和合成滤波器。还可以包括针对剩余混叠项使用余弦调制生成分析和合成滤波器。换句话说，优化过程可被以部分复值的方式进行，其中使用实值滤波器(例如使用余弦调制生成的滤波器)计算没有主混叠的混叠误差项，以及对实值系统中携带主混叠的任何主混叠的混叠误差项被进行修改以进行复值处理，例如使用复指数调制滤波器。由此，可以以计算高效方式生成高质量滤波器组。

35、如上所述，可以确定用于过采样滤波器组的原型滤波器。可以看出，在原型滤波器p0的设计期间的过采样操作，即抽取因子s<m的使用，可能导致分析和/或合成滤波器的主瓣变宽和/或分析和/或合成滤波器组的频带分离质量下降(与临界采样滤波器组的设计相比)。鉴于此，除了传递函数误差项et和混叠误差项ea之外，复合目标函数etot还可以包括波瓣宽度项em，其中波瓣宽度项可以旨在减小原型滤波器p0的主瓣宽度。

36、波瓣宽度项可以取决于指示两个相邻子带通道之间的过渡的过渡频率范围内原型滤波器p0的频率响应的能量。特别地，波瓣宽度项可以取决于在过渡频率范围上原型滤波器p0的频率响应的能量的积分。过渡频率范围可以从两个子带通道之间的(期望的)相交点(即，交叉频率)处开始(换句话说，正好在两个相邻子带通道的通带中的两个中点之间的频率点)。可替代地或附加地，过渡频率范围可以在对应于两个子带通道之间的相交点的频率的至少两倍处结束。通常，过渡频率范围不延伸到(被认为是)原型滤波器的通带和阻带中。

37、波瓣宽度项可取决于或可对应于

38、

39、其中，p0(ejω)是原型滤波器p0的频率响应，并且是(在频率中转换为原型滤波器p0的频率响应的)所得到的分析和/或合成滤波器组的过渡频率范围。

40、复合目标函数etot可以包括波瓣宽度项em、传递函数误差项et和混叠误差项ea的加权和。通过利用目标函数内的波瓣宽度项，过采样分析/合成滤波器组的频带分离质量可被以高效且可靠的方式改进。

41、可以使用大于由分析和/或合成滤波器组使用的抽取因子s的辅助抽取因子来确定减小复合目标函数etot的非对称原型滤波器p0的n个系数。换句话说，在用于确定非对称原型滤波器p0的n个系数的(迭代)过程期间，可以假设分析和/或合成滤波器组利用大于抽取因子s但通常小于m的辅助抽取因子。这样，过采样分析/合成滤波器组的频带分离质量可被以高效且可靠的方式改进。

42、具有稳健混叠性能的非对称低延迟分析/合成滤波器组的确定可能导致不同分析和/或合成滤波器的个体通带的频率响应中的波纹增加。为此，除了传递函数误差项et和混叠误差项ea之外，复合目标函数etot还可包括波纹项es，其中波纹项可旨在限制和/或减少原型滤波器p0的通带中的波纹，尤其是交叉频率附近的超调。

43、波纹项可取决于原型滤波器p0在通带内的频率响应中的偏差(尤其是与所述通带的中频和/或中心频率处的缩放频率响应的偏差)的能量。特别地，波纹项可取决于原型滤波器p0在通带上的频率响应中与所述通带的中频和/或中心频率处的频率响应的偏差的能量的积分。

44、脉动项可取决于或可对应于

45、

46、其中p0(ω)是原型滤波器p0的频率响应，并且其中是(在频率中转换为原型滤波器p0的频率响应的)所得的分析和/或合成滤波器组的通带的频率范围，特别是通带的一半的频率范围，其中p0(0)是原型滤波器p0在通带的中频和/或中心频率(ω＝0)处的频率响应，其中γ是控制允许波纹量的缩放因子，并且(·)+是如下这样的算子，其将所述算子内的表达式限制为正值，即，从积分中排除所有负值。

47、复合目标函数etot可包括波纹项es、传递函数误差项et和混叠误差项ea的加权和。通过利用目标函数内的波纹项，低延迟非对称分析/合成滤波器组的子带内的波纹可被以高效且可靠的方式控制。

48、在优选示例中，复合目标函数etot可包括波纹项es、传递函数误差项et、混叠误差项ea和波瓣宽度项em的加权和，从而以优化的方式控制分析/合成滤波器组的子带内的波纹和分析/合成滤波器组的带分离质量

49、该方法可以包括使用该n个系数配置非对称原型滤波器p0，和/或在滤波器组中应用被配置的非对称原型滤波器p0以处理音频信号。可替代地或附加地，该方法可以包括使用例如余弦调制、正弦调制和/或复指数调制基于原型滤波器p0的n个系数来生成分析和/或合成滤波器组的分析滤波器hk和合成滤波器fk。可以使用分析和/或合成滤波器组来处理音频信号。

50、根据进一步的方面，描述了一种用于确定在包括m个分析滤波器hk和/或m个合成滤波器fk,k＝0,…,m-1的m通道分析和/或合成滤波器组中使用的非对称原型滤波器p0的n个系数的设备和/或装置，其中m通常大于1，并且其中由该分析和/或合成滤波器组处理的子带信号以抽取因子s被抽取，s<m。

51、该设备可被配置为确定该分析和/或合成滤波器组的目标传递函数，所述目标传递函数包括目标延迟d。此外，该设备可被配置为确定包括传递函数误差项et和混叠误差项ea的复合目标函数etot。复合目标函数etot可以包括附加的波纹项es和/或附加的波瓣宽度项em。此外，该设备可以被配置为通过减小复合目标函数etot来确定非对称原型滤波器p0的系数。

52、根据进一步的方面，描述了一种被配置为处理音频信号的系统，其中该系统包括一个或多个处理器，以及存储指令的非暂时性计算机可读介质，该指令在由所述一个或多个处理器执行时使得所述一个或多个处理器执行本文描述的方法的操作。

53、根据另一方面，描述了一种用于处理音频信号的方法。该方法包括通过利用过采样分析滤波器组的m个分析滤波器对所述音频信号进行滤波来确定多个子带信号；处理所述多个子带信号以生成多个处理后的子带信号；以及通过利用过采样合成滤波器组的m个合成滤波器对所述多个处理后的子带信号进行滤波来确定处理后的音频信号。该m个分析滤波器和所述m个合成滤波器可以是通过使用文中所述方法确定的非对称原型滤波器p0的调制版本。

54、根据进一步的方面，描述了一种用于处理音频信号的音频信号处理设备。该音频处理设备被配置为通过利用过采样分析滤波器组的m个分析滤波器对所述音频信号进行滤波来确定多个子带信号；处理所述多个子带信号以生成多个处理后的子带信号；以及通过利用过采样合成滤波器组的m个合成滤波器对所述多个处理后的子带信号进行滤波来确定处理后的音频信号。

55、应指出，本文描述的方法均可以全部或部分地在一个或多个处理器上以软件和/或计算机可读代码实现。

56、根据进一步的方面，描述了一种软件程序。软件程序可以适于在处理器上执行，并且当在处理器上实行时用于执行本文中概述的方法步骤。

57、根据另一方面，描述了一种存储介质。存储介质可以包括软件程序，该软件程序适于在处理器上执行，并且当在处理器上实行时用于执行本文中概述的方法步骤。

58、根据进一步的方面，描述了一种计算机程序产品。计算机程序可以包括可执行指令，该可执行指令在计算机上执行时用于实现本文中概述的方法步骤。

59、根据进一步的方面，描述了一种非暂时性计算机可读介质，其存储指令，所述指令在由一个或多个处理器执行时使所述一个或多个处理器执行本文描述的任何方法的操作。

60、应指出，包括如本专利申请中概述的其优选实施例的方法和系统可以独立地使用，或与本文公开的其它方法和系统结合使用。此外，本专利申请中概述的方法和系统的所有方面可被任意组合。特别地，权利要求的特征可被以任意方式彼此组合。