BR122016027554B1 - signal processing apparatus for filtering and performing high-frequency reconstruction of an audio signal - Google Patents
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Abstract
APARELHO OPERÁVEL PARA DETERMINAR N COEFICIENTES DE UM FILTRO PROTÓTIPO. A invenção refere-se a bancos de filtro digital subamostrados, modulados, bem como a métodos e sistemas para o projeto de tais bancos de filtro. Em particular, a presente invenção refere-se a um método e aparelho para melhoramento de bancos de filtro digital modulados de baixo retardo. O método emprega modulação de um filtro protótipo passa-baixo assimétrico, e um novo método para otimizar os coeficientes deste filtro. Além disto, é fornecido um projeto específico para um banco de filtro de 64 canais utilizando um comprimento de filtro protótipo de 640 coeficientes e um retardo de sistema de 319 amostras. O método reduz substancialmente artefatos devido a aliasing que emerge de modificações independentes de sinais de sub-banda, por exemplo ao utilizar um banco de filtro como um equalizador espectral. O método é preferivelmente implementado em software que opera em um PC padrão ou em um processador de sinal digital (DSP), porém também pode ser codificado em um chip cliente. O método oferece melhoramentos para diversos tipos de equalizadores digitais, filtros adaptáveis, compansores multibanda, e bancos de filtro de ajustamento de envoltória espectral utilizados em reconstrução de alta frequência (HFR) ou sistemas (...).OPERATABLE APPLIANCE TO DETERMINE N COEFFICIENTS OF A PROTOTYPE FILTER. The invention relates to sub-sampled, modulated digital filter banks, as well as methods and systems for designing such filter banks. In particular, the present invention relates to a method and apparatus for improving low-delay modulated digital filterbanks. The method employs modulation of an asymmetric low-pass prototype filter, and a new method to optimize the coefficients of this filter. In addition, a specific design for a 64-channel filterbank is provided using a prototype filter length of 640 coefficients and a system delay of 319 samples. The method substantially reduces artifacts due to aliasing that emerge from independent modifications of subband signals, for example when using a filter bank as a spectral equalizer. The method is preferably implemented in software that runs on a standard PC or a digital signal processor (DSP), but it can also be encoded on a client chip. The method offers enhancements to various types of digital equalizers, adaptive filters, multiband compilers, and spectral envelope adjustment filterbanks used in high-frequency reconstruction (HFR) or systems (...).
Description
[001] Dividido do PI1008458-4, depositado em 17.02.2010.[001] Divided from PI1008458-4, filed on 02.17.2010.
[002] A presente invenção refere-se a bancos de filtro digital mo dulados subamostrados, bem como a métodos e sistemas para o projeto de tais bancos de filtro. Em particular, ela fornece um novo método de projeto e aparelho para um banco de filtro modulado por cosseno ou exponencial complexa de baixo retardo de reconstrução quase perfeita, otimizado para supressão de "aliasing" que emerge de modificações de coeficientes espectrais ou sinais de sub-banda. Além disto, é fornecido um projeto específico para um banco de filtro de 64 canais utilizando um comprimento de filtro protótipo de 640 coeficientes e um retardo de sistema de 319 amostras.[002] The present invention relates to subsampled modulated digital filter banks, as well as methods and systems for the design of such filter banks. In particular, it provides a new design method and apparatus for a near-perfect reconstruction low-delay complex exponential or cosine modulated filterbank optimized for suppression of aliasing that emerges from modifications of spectral coefficients or sub-signals. band. In addition, a specific design for a 64-channel filterbank is provided using a prototype filter length of 640 coefficients and a system delay of 319 samples.
[003] Os ensinamentos deste documento podem ser aplicáveis a equalizadores digitais como delineado, por exemplo, em "An Efficient 20 Band Digital Audio Equalizer" A. J. S. Ferreira, J. M. N. Viera, AES preprint, 98th Convention 1995 February 25-28 Paris, N.Y., USA; filtros adaptáveis, como delineado, por exemplo, em "Adaptive Filtering in Subbands with Critical Sampling: Analysis, Experiments, and Application to Acoustic Echo Cancellation" A. Gilloire, M. Vetterli, IEEE Transactions on Signal Processing, vol. 40, no. 8, August, 1992; companso- res multibanda; e a sistemas de codificação de áudio que utilizam métodos de reconstrução de alta frequência (HFR); ou sistemas de codificação de áudio que empregam assim chamadas técnicas estéreo paramétricas. Nos dois últimos exemplos, um banco de filtro digital é utilizado para o ajuste adaptativo da envoltória espectral do sinal de áudio. Um sistema HRF tomado como exemplo é o sistema Replicação de Banda Espectral (Spectral Band Replication - SBR) delineado, por exemplo, na WO 98/57436, e um sistema estéreo paramétrico delineado por exemplo, na EP 1410687.[003] The teachings in this document may be applicable to digital equalizers as outlined, for example, in "An Efficient 20 Band Digital Audio Equalizer" AJS Ferreira, JMN Viera, AES preprint, 98th Convention 1995 February 25-28 Paris, NY, USA ; adaptive filters, as outlined, for example, in "Adaptive Filtering in Subbands with Critical Sampling: Analysis, Experiments, and Application to Acoustic Echo Cancellation" A. Gilloire, M. Vetterli, IEEE Transactions on Signal Processing, vol. 40, no. 8, August, 1992; multiband compressors; and to audio coding systems using high frequency reconstruction (HFR) methods; or audio coding systems that employ so-called parametric stereo techniques. In the last two examples, a digital filter bank is used to adaptively adjust the spectral envelope of the audio signal. An HRF system taken as an example is the Spectral Band Replication (SBR) system outlined, for example, in WO 98/57436, and a parametric stereo system outlined in, for example, EP 1410687.
[004] Através de toda esta divulgação, inclusive das concretiza ções, as expressões "sinais de sub-banda" ou "amostras de subbanda" indicam o sinal de saída ou sinais de saída ou amostra de saída ou amostras de saída a partir da parte de análise de um banco de filtro digital ou a saída a partir de uma transformada para frente, isto é, a transformada que opera nos dados em domínio de tempo de um sistema baseado em transformada. Exemplos da saída de tais transformadas para frente são os coeficientes de domínio de frequência a partir de uma transformada de Fourier digital com janelas (DFT) ou as amostras de saída a partir do estágio de análise de uma transformada de cosseno discreta modificada (MDCT).[004] Throughout this disclosure, including the embodiments, the expressions "subband signals" or "subband samples" indicate the output signal or output signals or output sample or output samples from the part analysis of a digital filter bank or output from a forward transform, that is, the transform that operates on the time-domain data of a transform-based system. Examples of the output of such forward transforms are the frequency domain coefficients from a digital windowed Fourier transform (DFT) or the samples output from the analysis stage of a modified discrete cosine transform (MDCT).
[005] Através de toda esta divulgação, inclusive das concretiza ções, a expressão "aliasing" indica uma distorção não linear que resulta da decimação e interpolação, possivelmente em combinação com modificação (por exemplo, atenuação ou quantização) das amostras de sub-banda em um banco de filtro digital subamostrado.[005] Throughout this disclosure, including the embodiments, the term "aliasing" indicates a non-linear distortion that results from decimation and interpolation, possibly in combination with modification (e.g., attenuation or quantization) of the subband samples in an undersampled digital filter bank.
[006] Um banco de filtro digital é uma coleção de dois ou mais filtros digitais paralelos. O banco de filtro de análise divide o sinal que entra em um número de sinais separados chamados sinais de subbanda ou coeficientes espectrais. O banco de filtro é amostrado de forma crítica ou decimado de forma máxima quando o número total de amostras de sub-banda por unidade de tempo é o mesmo que aquele para o sinal de entrada. Um assim chamado banco de filtro de síntese combina os sinais de sub-banda em um sinal de saída. Um tipo popular de bancos de filtro amostrados de forma crítica é o banco de filtro modulado por cosseno onde os filtros são obtidos em modulação por cosseno de um filtro passa-baixo, um assim chamado filtro protótipo. O banco de filtro modulado por cosseno oferece implementações efetivas e é muitas vezes utilizado em sistemas naturais de codificação de áudio. Para outros detalhes é feita referência a "Introduction to Perceptual Coding" K. Brandenburg, AES, Collected Papers on Digital Audio Bitrate Reduction, 1996.[006] A digital filter bank is a collection of two or more parallel digital filters. The analysis filter bank divides the incoming signal into a number of separate signals called subband signals or spectral coefficients. The filter bank is critically sampled or maximally decimated when the total number of subband samples per unit of time is the same as that for the input signal. A so-called synthesis filter bank combines the subband signals into an output signal. A popular type of critically sampled filterbanks is the cosine modulated filterbank where filters are obtained in cosine modulation of a low-pass filter, a so-called prototype filter. The cosine modulated filter bank offers effective implementations and is often used in natural audio encoding systems. For further details reference is made to "Introduction to Perceptual Coding" K. Brandenburg, AES, Collected Papers on Digital Audio Bitrate Reduction, 1996.
[007] Um problema comum em projeto de banco de filtro é que qualquer tentativa para alterar as amostras de sub-banda ou coeficientes espectrais, por exemplo aplicando uma curva de ganho de equali- zação ou quantizando as amostras, tipicamente forma "artefatos" de aliasing no sinal de saída. Portanto, projetos de banco de filtro são desejáveis, os quais reduzam tais artefatos mesmo quando as amostras de sub-banda são submetidas a modificações severas.[007] A common problem in filter bank design is that any attempt to alter subband samples or spectral coefficients, for example by applying an equalization gain curve or quantizing the samples, typically forms "artifacts" of aliasing on the output signal. Therefore, filterbank designs are desirable, which reduce such artifacts even when subband samples are subjected to severe modifications.
[008] Uma abordagem possível é a utilização de bancos de filtro superamostrados, isto é, não amostrados de forma crítica. Um exemplo de um banco de filtro superamostrado é a classe de bancos de filtro modulados por exponenciais complexas onde uma parte imaginária modulada por seno é adicionada à parte real de um banco de filtro modulado por cosseno. Tal banco de filtro modulado por exponencial complexa está descrito na EP 1374399 que é aqui com isto incorporada para referência.[008] A possible approach is the use of oversampled filter banks, that is, not critically sampled. An example of an oversampled filter bank is the class of complex exponential modulated filter banks where an imaginary sine modulated part is added to the real part of a cosine modulated filter bank. Such a complex exponential modulated filterbank is described in EP 1374399 which is hereby incorporated by reference.
[009] Uma das propriedades dos bancos de filtro modulados por exponenciais complexas é que eles são livres dos termos de aliasing principais presentes nos bancos de filtro modulados por cosseno. Como resultado, tais bancos de filtro são tipicamente menos sujeitos a artefatos induzidos por modificações às amostras de sub-banda. Não obstante, outros termos de aliasing permanecem, e técnicas de projeto sofisticadas para o filtro protótipo de tal banco de filtro modulado por exponencial complexa deveriam ser aplicadas para minimizar os des- casamentos tais como aliasing que emerge de modificações dos sinais de sub-banda. Tipicamente, os termos de aliasing remanescentes são menos significativos do que os termos de aliasing principais.[009] One of the properties of complex exponential modulated filterbanks is that they are free from the main aliasing terms present in cosine modulated filterbanks. As a result, such filterbanks are typically less subject to artifacts induced by modifications to the subband samples. Nevertheless, other aliasing terms remain, and sophisticated design techniques for the prototype filter of such a complex exponential modulated filterbank should be applied to minimize mismatches such as aliasing that emerges from modifications to the subband signals. Typically, the remaining aliasing terms are less significant than the main aliasing terms.
[0010] Uma outra propriedade de bancos de filtro é a quantidade de retardo que um sinal incorre ao passar através de tais bancos de filtro. Em particular para aplicações em tempo real, tais como fluxos ("streams") de áudio e vídeo, o retardo do filtro ou sistema deveria ser baixo. Uma abordagem possível para obter um banco de filtro que tem um retardo de sistema total baixo, isto é, um retardo baixo ou latência de um sinal que atravessa um banco de filtro de análise seguido por um banco de filtro de síntese é a utilização de filtros protótipos simétricos curtos. Tipicamente, a utilização de filtros protótipos curtos conduz a características de separação de banda de frequência relativamente pobre, e a grandes áreas de superposição de frequência entre subbandas adjacentes. Em consequência, filtros protótipos curtos usualmente não permitem um projeto de banco de filtro que suprima o aliasing de maneira adequada ao modificar as amostras de sub-banda, e outras abordagens para o projeto de bancos de filtro de baixo retardo são requeridas.[0010] Another property of filter banks is the amount of delay a signal incurs in passing through such filter banks. In particular for real-time applications, such as audio and video streams, the filter or system delay should be low. One possible approach to obtain a filterbank that has a low total system delay, that is, a low delay or latency of a signal that traverses an analysis filterbank followed by a synthesis filterbank is to use filters short symmetric prototypes. Typically, the use of short prototype filters leads to relatively poor frequency band separation characteristics, and large areas of frequency overlap between adjacent subbands. As a result, short prototype filters usually do not allow for a filterbank design that adequately suppresses aliasing when modifying subband samples, and other approaches to low-delay filterbank design are required.
[0011] É, portanto, desejável fornecer um método de projeto pa ra bancos de filtro que combine um certo número de propriedades desejáveis. Tais propriedades são um nível elevado de não suscetibilidade a deteriorações de sinal tais como aliasing sujeito a modificações dos sinais de sub-banda; um baixo retardo ou latência de um sinal que atravessa os bancos de filtro de análise e síntese; e uma boa aproximação da propriedade de reconstrução perfeita. Em outras palavras, é desejável fornecer um método de projeto para bancos de filtro que gerem um baixo nível de erros. Bancos de filtro su- bamostrados tipicamente geram dois tipos de erros, distorção linear a partir do termo banda passante que ainda pode ser dividido em erros de amplitude e de fase, e distorção não linear que emerge dos termos de aliasing. Mesmo embora uma "boa aproximação" da propriedade PR (de reconstrução perfeita) pudesse manter todos esses erros em um baixo nível, pode ser benéfico de um ponto de vista de percepção colocar uma ênfase maior na redução de distorções provocadas por aliasing.[0011] It is, therefore, desirable to provide a design method for filter banks that combines a number of desirable properties. Such properties are a high level of non-susceptibility to signal deterioration such as aliasing subject to modification of subband signals; a low delay or latency of a signal that traverses the analysis and synthesis filterbanks; and a good approximation of the perfect rebuild property. In other words, it is desirable to provide a design method for filter banks that generate a low level of errors. Undersampled filterbanks typically generate two types of errors, linear distortion from the passband term that can be further divided into amplitude and phase errors, and nonlinear distortion that emerges from the aliasing terms. Even though a "good approximation" of the PR (perfect reconstruction) property could keep all these errors to a low level, it can be beneficial from a perceptual standpoint to place greater emphasis on reducing distortions caused by aliasing.
[0012] Além disto é desejável fornecer um filtro protótipo que pos sa ser utilizado para projetar um banco de filtro de análise e/ou de síntese que apresente tais propriedades. É uma outra propriedade desejável de um banco de filtro apresentar um retardo de grupo quase constante para minimizar artefatos devido à dispersão de fase do sinal de saída.[0012] Furthermore, it is desirable to provide a prototype filter that can be used to design an analysis and/or synthesis filter bank that presents such properties. It is another desirable property of a filterbank to have an almost constant group delay to minimize artifacts due to phase dispersion of the output signal.
[0013] O presente documento mostra que deteriorações que emergem de modificações dos sinais de sub-banda podem ser reduzidas de maneira significativa empregando um método de projeto de banco de filtro referido como método de minimização de termo de aliasing melhorado (IATM) para otimização de filtros protótipos simétricos ou assimétricos.[0013] The present document shows that deteriorations arising from modifications of subband signals can be significantly reduced by employing a filter bank design method referred to as the improved aliasing term minimization (IATM) method for optimization of symmetric or asymmetric prototype filters.
[0014] O presente documento ensina que o conceito de projetos pseudo QMF (Quadrature Mirror Filter), isto é, projetos de banco de filtro de reconstrução quase perfeita pode ser estendido para cobrir sistemas de banco de filtro de baixo retardo empregando filtros protótipos assimétricos. Como resultado, bancos de filtro de reconstrução quase perfeita com um retardo de sistema baixo, baixa suscetibilidade a aliasing, e/ou baixo nível de erros de banda passante incluindo dispersão de fase, podem ser projetados. Dependendo das necessidades particulares, a ênfase colocada em qualquer uma das propriedades do banco de filtro pode ser trocada. Daí, o método de projeto de banco de filtro de acordo com o presente documento alivia as limitações correntes de bancos de filtro PR utilizados em um sistema de equalização ou outros sistemas que modificam os coeficientes espectrais.[0014] The present document teaches that the concept of pseudo QMF (Quadrature Mirror Filter) designs, that is, nearly perfect reconstruction filterbank designs can be extended to cover low-delay filterbank systems employing asymmetric prototype filters. As a result, nearly perfect reconstruction filterbanks with a low system delay, low susceptibility to aliasing, and/or low level of passband errors including phase dispersion can be designed. Depending on particular needs, the emphasis placed on any of the filter bank properties can be changed. Hence, the filter bank design method according to this document alleviates the current limitations of PR filter banks used in an equalization system or other systems that modify spectral coefficients.
[0015] O projeto de um banco de filtro modulado por exponencial complexa de baixo retardo de acordo com o presente documento pode compreender as etapas: - um projeto de um filtro protótipo passa-baixo assimétrico com uma frequência de corte de π/2M, otimizado para aliasing desejado e rejeição de erros de banda passante, ainda otimizado para um retardo de sistema D, M sendo o número de canais do banco de filtro; e - uma construção de um banco de filtro de M canais por meio de modulação por exponencial complexa do filtro protótipo otimizado.[0015] The design of a low-delay complex exponential modulated filter bank according to the present document can comprise the steps: - a design of an asymmetric low-pass prototype filter with a cut-off frequency of π/2M, optimized for desired aliasing and rejection of passband errors, further optimized for a system delay D, M being the number of channels in the filter bank; and - a construction of an M-channel filter bank through complex exponential modulation of the optimized prototype filter.
[0016] Além disto, a operação de tal banco de filtro modulado por exponencial complexa de baixo retardo de acordo com o presente do-cumento pode compreender as etapas: - uma filtragem de um sinal em domínio de tempo avaliado real através da parte de análise do banco de filtro; - uma modificação dos sinais de sub-banda de valor complexo, por exemplo, de acordo com um ajustamento equalizador desejado, possivelmente variável no tempo; - uma filtragem das amostras de sub-banda de valor complexo modificadas através da parte de síntese do banco de filtro; e - uma computação da parte real do sinal de saída no domínio de tempo do valor complexo obtido a partir da parte de síntese do banco de filtro.[0016] Furthermore, the operation of such low-delay complex exponential modulated filterbank according to the present document can comprise the steps: - a filtering of a signal in real evaluated time domain through the analysis part from the filter bank; - a modification of the complex valued subband signals, for example, in accordance with a desired, possibly time-varying, equalizer adjustment; - a filtering of the modified complex value subband samples through the synthesis part of the filterbank; and - a computation of the real part of the output signal in the time domain of the complex value obtained from the synthesis part of the filterbank.
[0017] Em adição para apresentar um novo método de projeto de filtro, o presente documento descreve um projeto específico de um banco de filtro de 64 canais que tem um comprimento de filtro protótipo de 640 coeficientes e um retardo de sistema de 319 amostras.[0017] In addition to presenting a new filter design method, the present document describes a specific design of a 64-channel filter bank that has a prototype filter length of 640 coefficients and a system delay of 319 samples.
[0018] Os ensinamentos do presente documento, notadamente o banco de filtro proposto e os bancos de filtro projetados de acordo com o método de projeto proposto, podem ser utilizados em diversas aplicações. Tais aplicações são o melhoramento de diversos tipos de equalizadores digitais, filtros adaptáveis, compansores multibanda e bancos de filtro de ajustamento de envoltória adaptável utilizados em sistemas HFR ou estéreo paramétricos.[0018] The teachings of this document, notably the proposed filter bank and the filter banks designed according to the proposed design method, can be used in various applications. Such applications are the enhancement of various types of digital equalizers, adaptive filters, multi-band compressors and adaptive envelope adjustment filter banks used in parametric HFR or stereo systems.
[0019] De acordo com um primeiro aspecto, um método para de terminar N coeficientes de um filtro protótipo assimétrico p0 para utilização para construir um banco de filtro de análise/síntese suba- mostrado de baixo retardo de M canais é descrito. O banco de filtro de análise/síntese pode compreender M filtros de análise hk e M filtros de síntese fk onde k assume os valores desde 0 até M-1, e no qual tipicamente M é maior do que 1. O banco de filtro de análi- se/síntese tem uma função de transferência global que é tipicamente associada com os coeficientes dos filtros de análise e síntese, bem como com as operações de decimação e/ou interpolação.[0019] According to a first aspect, a method for terminating N coefficients of an asymmetrical prototype filter p0 for use to build a low-delay under-delayed analysis/synthesis filterbank of M channels is described. The analysis/synthesis filterbank may comprise M analysis filters hk and M synthesis filters fk where k takes values from 0 to M-1, and where typically M is greater than 1. The analysis filterbank - if/synthesis has a global transfer function that is typically associated with the analysis and synthesis filter coefficients, as well as with the decimation and/or interpolation operations.
[0020] O método compreende a etapa de escolher uma função de transferência alvo do banco de filtro que compreende um retardo alvo D. Tipicamente um retardo alvo D que é menor ou igual a N é selecionado. O método compreende ainda a etapa de determinar uma função de objetivo composto etot que compreende um termo de erro de banda passante et e um termo de erro de aliasing ea. O termo de erro de banda passante é associado com o desvio entre a função de transferência do banco de filtro e a função de transferência alvo e o termo de erro de aliasing ea é associado com erros incorridos devido à subamostragem, isto é, decimação e/ou interpolação do banco de filtro. Em uma outra etapa de método os N coefici-entes do filtro protótipo assimétrico p0 são determinados que reduzem a função de objetivo composto etot.[0020] The method comprises the step of choosing a filter bank target transfer function that comprises a target delay D. Typically a target delay D that is less than or equal to N is selected. The method further comprises the step of determining a composite objective function etot comprising a passband error term et and an aliasing error term ea. The passband error term is associated with the deviation between the filter bank transfer function and the target transfer function and the aliasing error term and is associated with errors incurred due to undersampling, i.e., decimation and/ or filter bank interpolation. In another method step, the N coefficients of the asymmetric prototype filter p0 are determined that reduce the composite objective function etot.
[0021] Tipicamente a etapa de determinar a função de erro de objetivo etot e a etapa de determinar os N coeficientes do filtro protótipo assimétrico p0 são repetidas de maneira iterativa até que um mínimo da função de erro objetivo etot seja alcançado. Em outras palavras, a função de objetivo etot é determinada com base em um dado conjunto de coeficientes do filtro protótipo, e um conjunto atua- lizado de coeficientes do filtro protótipo é gerado reduzindo a função de erro de objetivo. Este processo é repetido até que não mais reduções da função de objetivo possam ser alcançadas através da modificação dos coeficientes do filtro protótipo. Isto significa que a etapa de determinar a função de erro de objetivo etot pode compreender determinar um valor para a função de objetivo composto etot para dados coeficientes do filtro protótipo p0 e a etapa de determinar os N coeficientes do filtro protótipo assimétrico p0 pode compreender determinar coeficientes atualizados do filtro protótipo p0 com base no gradiente da função de objetivo composto etot associada com os coeficientes do filtro protótipo p0.[0021] Typically the step of determining the objective error function etot and the step of determining the N coefficients of the asymmetric prototype filter p0 are iteratively repeated until a minimum of the objective error function etot is reached. In other words, the etot goal function is determined based on a given set of prototype filter coefficients, and an updated set of prototype filter coefficients is generated by reducing the goal error function. This process is repeated until no further reductions of the objective function can be achieved by modifying the prototype filter coefficients. This means that the step of determining the etot objective error function may comprise determining a value for the etot composite objective function for given coefficients of the prototype filter p0 and the step of determining the N coefficients of the asymmetrical prototype filter p0 may comprise determining coefficients updated from the prototype filter p0 based on the gradient of the composite objective function etot associated with the coefficients from the prototype filter p0.
[0022] De acordo com um outro aspecto, a função de erro de ob jetivo composto etot é fornecida por etot (a) = a et + (1 - a) ea com e1 sendo o termo de erro de banda passante, ea sendo o termo de erro de aliasing e α sendo uma constante de ponderação tomada em valores entre 0 e 1. O termo de erro de banda passante e1 pode ser determinado acumulando o desvio quadrado entre a função de transferência do banco de filtro e a função de transferência alvo para uma pluralidade de frequências. Em particular, o termo de erro de de banda passante e1 pode ser calculado como com P(a>)e jaD sendo a função de transferência alvo, e onde Hk(z) e Fk(z) são as transformadas-z dos filtros de análise e síntese hk(n) e fk(n) , respectivamente.[0022] According to another aspect, the compound objective error function etot is given by etot (a) = a et + (1 - a) ea with e1 being the passband error term, ea being o aliasing error term e α being a weighting constant taken in values between 0 and 1. The passband error term e1 can be determined by accumulating the squared deviation between the filter bank transfer function and the target transfer function for a plurality of frequencies. In particular, the bandwidth error term e1 can be calculated as with P(a>) and jaD being the target transfer function, and where Hk(z) and Fk(z) are the z-transforms of the analysis and synthesis filters hk(n) and fk(n) , respectively.
[0023] O termo de erro de aliasing ea é determinado acumulando a magnitude quadrada dos termos de ganho de aliasing para uma pluralidade de frequências. Em particular, o termo de erro de aliasing ea é calculado como [0023] The aliasing error term ea is determined by accumulating the square magnitude of the aliasing gain terms for a plurality of frequencies. In particular, the aliasing error term ea is calculated as
[0024] Sendo o I-ésimo termo de ganho de aliasing avaliado no círculo unitário com W= e-i2π/M, onde Hk(z) e Fk (z) são as transformadas z dos filtros de análise e síntese hk(n) e fk (n), respectivamente. A anotação Al*(z) é a transformada z da sequência conjugada complexa al(n).[0024] The I-th aliasing gain term evaluated in the unit circle with W= e-i2π/M, where Hk(z) and Fk (z) are the z transforms of the analysis and synthesis filters hk(n) and fk(n), respectively. The annotation Al*(z) is the z-transform of the complex conjugate sequence al(n).
[0025] De acordo com outro aspecto, a etapa de determinar um valor para a função de objetivo composto etot pode compreender gerar os filtros de análise hk(n) e os filtros de síntese fk(n) do banco de filtro de análise/síntese com base no filtro protótipo p0(n) utilizando modulação por cosseno, modulação por seno, e/ou modulação por exponen- cial complexa. Em particular, os filtros de análise e síntese podem ser determinados utilizando a modulação em cosseno como com n = 0 . N-1, para os M filtros de análise do banco de filtro de análise e com n = 0 . N-1, para os M filtros de síntese do banco de filtro de síntese.[0025] According to another aspect, the step of determining a value for the composite objective function etot may comprise generating the hk(n) analysis filters and the fk(n) synthesis filters of the analysis/synthesis filter bank based on the prototype filter p0(n) using cosine modulation, sine modulation, and/or complex exponential modulation. In particular, analysis and synthesis filters can be determined using cosine modulation as with n = 0 . N-1, for the M analysis filters of the analysis filter bank and with n = 0 . N-1, for the M synthesis filters from the synthesis filter bank.
[0026] Os filtros de análise e síntese também podem ser deter- minados utilizando modulação por exponencial complexa como com n = 0 ... N-1, e A sendo uma constante arbitrária para os M filtros de análise do banco de filtro de análise e com n = 0 . N-1, para os M filtros de síntese do banco de filtro de síntese.[0026] The analysis and synthesis filters can also be determined using complex exponential modulation such as with n = 0 ... N-1, and A being an arbitrary constant for the M analysis filters of the analysis filterbank and with n = 0 . N-1, for the M synthesis filters from the synthesis filter bank.
[0027] De acordo com outro aspecto, a etapa de determinar um valor para a função de objetivo composto etot pode compreender ajustar no mínimo um dos canais do banco de filtro para zero. Isto pode ser conseguido aplicando ganhos zero para no mínimo um filtro de análise e/ou síntese, isto é, os coeficientes de filtro hk e/ou fk podem ser ajustados para zero para no mínimo um canal k. Em um exemplo, um número predeterminado de canais de baixa frequência e/ou um número predeterminado de canais de alta frequência podem ser ajustados para zero. Em outras palavras, os canais de banco de filtro de baixa frequência k=0 até Clow; com Clow maior do que zero podem ser ajustados para zero. Alternativamente ou em adição, os canais de banco de filtro de alta frequência k=Chigh até M-1 com Chigh menor do que M-1 podem ser ajustados para zero.[0027] According to another aspect, the step of determining a value for the composite objective function etot may comprise setting at least one of the filter bank channels to zero. This can be achieved by applying zero gains for at least one analysis and/or synthesis filter, ie the filter coefficients hk and/or fk can be set to zero for at least one channel k. In one example, a predetermined number of low frequency channels and/or a predetermined number of high frequency channels can be set to zero. In other words, the low frequency filter bank channels k=0 to Clow; with Clow greater than zero can be set to zero. Alternatively or in addition, high frequency filter bank channels k=Chigh to M-1 with Chigh less than M-1 can be set to zero.
[0028] Neste caso, a etapa de determinar o valor para a função de objetivo composto etot pode compreender gerar os filtros de análise e síntese para os termos de aliasing Clow e M-Clow e/ou Chigh e M-Chigh utilizando modulação por exponencial complexa. Ela pode ainda compreender gerar os filtros de análise e síntese para os termos de aliasing remanescentes utilizando modulação em cosseno. Em outras palavras, o procedimento de otimização pode ser feito em uma maneira parcialmente avaliada complexa onde os termos de erro de aliasing que são livres da aliasing principal são calculados utilizando filtros avaliados reais, por exemplo, filtros gerados utilizando modulação em cosseno, e onde os termos de erro de aliasing podem carregar a aliasing principal em um sistema avaliado real são modificados por processamento de valor complexo, por exemplo, utilizando filtros modulados por exponenciais complexas.[0028] In this case, the step of determining the value for the composite objective function etot may comprise generating the analysis and synthesis filters for the aliasing terms Clow and M-Clow and/or Chigh and M-Chigh using exponential modulation complex. It can further comprise generating the analysis and synthesis filters for the remaining aliasing terms using cosine modulation. In other words, the optimization procedure can be done in a complex partially evaluated way where the aliasing error terms that are free from the main aliasing are calculated using real evaluated filters, eg filters generated using cosine modulation, and where the Aliasing error terms that can load the main aliasing into an actual evaluated system are modified by complex value processing, for example, using filters modulated by complex exponentials.
[0029] De acordo com outro aspecto, o banco de filtro de análise pode gerar M sinais de sub-banda a partir de um sinal de entrada que utiliza os M filtros de análise hk. Estes M sinais de sub-banda podem ser decimados por um fator M, produzindo sinais de subbanda decimados. Tipicamente os sinais de sub-banda decimados são modificados, por exemplo, para finalidades de equalização ou para finalidades de compressão. Os sinais de sub-banda decimados possivelmente modificados podem ser amostrados com taxa superior por um fator M e o banco de filtro de síntese pode gerar um sinal de saída a partir dos sinais de sub-banda decimados amostrados com taxa superior, utilizando os M filtros de síntese fk.[0029] According to another aspect, the analysis filter bank can generate M subband signals from an input signal using the M analysis filters hk. These M subband signals can be decimated by an M factor, producing decimated subband signals. Typically the decimated subband signals are modified, for example, for equalization purposes or for compression purposes. The possibly modified decimated subband signals can be higher rate sampled by a factor M and the synthesis filter bank can generate an output signal from the higher rate sampled decimated subband signals using the M filters of synthesis fk.
[0030] De acordo com outro aspecto, um filtro protótipo assimé trico p0(n) que compreende coeficientes deriváveis dos coeficientes da Tabela 1 por qualquer uma das operações de arredondamento, truncamento, escalonamento, subamostragem ou superamostragem é descrito. Qualquer combinação das operações de arredondamento, truncamento, escalonamento, subamostragem ou superamostra- gem são possíveis.[0030] According to another aspect, an asymmetric prototype filter p0(n) comprising coefficients derivable from the coefficients in Table 1 by any of the rounding, truncation, scaling, undersampling or oversampling operations is described. Any combination of rounding, truncation, scaling, undersampling, or oversampling operations are possible.
[0031] A operação de arredondamento dos coeficientes de filtro pode compreender qualquer uma das seguintes: arredondar para mais do que 20 dígitos significativos, mais do que 19 dígitos significativos, mais do que 18 dígitos significativos, mais do que 17 dígitos significativos, mais do que 16 dígitos significativos, mais do que 15 dígitos significativos, mais do que 14 dígitos significativos, mais do que 13 dígitos significativos, mais do que 12 dígitos significativos, mais do que 11 dígitos significativos, mais do que 10 dígitos significativos, mais do que 9 dígitos significativos, mais do que 8 dígitos significativos, mais do que 7 dígitos significativos, mais do que 6 dígitos significativos, mais do que 5 dígitos significativos, mais do que 4 dígitos significativos, mais do que 3 dígitos significativos, mais do que 2 dígitos significativos, mais do que 1 dígito significativo, 1 dígito significativo.[0031] The filter coefficients rounding operation can comprise any of the following: round to more than 20 significant digits, more than 19 significant digits, more than 18 significant digits, more than 17 significant digits, more than than 16 significant digits, more than 15 significant digits, more than 14 significant digits, more than 13 significant digits, more than 12 significant digits, more than 11 significant digits, more than 10 significant digits, more than 9 significant digits, more than 8 significant digits, more than 7 significant digits, more than 6 significant digits, more than 5 significant digits, more than 4 significant digits, more than 3 significant digits, more than 2 significant digits, more than 1 significant digit, 1 significant digit.
[0032] A operação de truncamento dos coeficientes de filtro pode compreender qualquer uma das seguintes: truncar até mais do que 20 dígitos significativos, mais do que 19 dígitos significativos, mais do que 18 dígitos significativos, mais do que 17 dígitos significativos, mais do que 16 dígitos significativos, mais do que 15 dígitos significativos, mais do que 14 dígitos significativos, mais do que 13 dígitos significativos, mais do que 12 dígitos significativos, mais do que 11 dígitos significativos, mais do que 10 dígitos significativos, mais do que 9 dígitos significativos, mais do que 8 dígitos significativos, mais do que 7 dígitos significativos, mais do que 6 dígitos significativos, mais do que 5 dígitos significativos, mais do que 4 dígitos significativos, mais do que 3 dígitos significativos, mais do que 2 dí-gitos significativos, mais do que 1 dígito significativo, 1 dígito significativo.[0032] The filter coefficient truncation operation can comprise any of the following: truncate to more than 20 significant digits, more than 19 significant digits, more than 18 significant digits, more than 17 significant digits, more than than 16 significant digits, more than 15 significant digits, more than 14 significant digits, more than 13 significant digits, more than 12 significant digits, more than 11 significant digits, more than 10 significant digits, more than 9 significant digits, more than 8 significant digits, more than 7 significant digits, more than 6 significant digits, more than 5 significant digits, more than 4 significant digits, more than 3 significant digits, more than 2 significant digits, more than 1 significant digit, 1 significant digit.
[0033] A operação de escalonamento do coeficiente de filtro pode compreender escalonar para cima ou escalonar para baixo os coeficientes de filtro. Em particular, pode compreender escalonar para cima e/ou para baixo pelo número M de canais de banco de filtro. Tal escalonamento para cima e/ou para baixo pode ser utilizado para manter a energia de entrada de um sinal de entrada para o banco de filtro na saída do banco de filtro.[0033] The filter coefficient scaling operation may comprise scaling up or scaling down the filter coefficients. In particular, it may comprise scaling up and/or down by the number M of filter bank channels. Such up and/or down scaling can be used to keep the input power of an input signal to the filter bank at the output of the filter bank.
[0034] A operação de subamostragem pode compreender suba- mostrar por um fator menor ou igual a 2, menor ou igual a 3, menor ou igual a 4, menor ou igual a 8, menor ou igual a 16, menor ou igual a 32, menor ou igual a 64, menor ou igual a 128, menor ou igual a 256. A operação de subamostragem pode ainda compreender a determinação dos coeficientes de filtro subamostrados como o valor médio de coeficiente de filtro adjacente. Em particular, o valor médio de coeficientes de filtro adjacente R pode ser determinado como o coeficiente de filtro subamostrado onde R é o fator de su- bamostragem.[0034] The subsampling operation may comprise subsampling by a factor less than or equal to 2, less than or equal to 3, less than or equal to 4, less than or equal to 8, less than or equal to 16, less than or equal to 32 , less than or equal to 64, less than or equal to 128, less than or equal to 256. The subsampling operation may further comprise determining the undersampled filter coefficients as the average value of adjacent filter coefficient. In particular, the average value of adjacent filter coefficients R can be determined as the undersampled filter coefficient where R is the undersampling factor.
[0035] A operação de superamostragem pode compreender su- peramostrar por um fator menor ou igual a 2, menor ou igual a 3, menor ou igual a 4, menor ou igual a 5, menor ou igual 6, menor ou igual a 7, menor ou igual a 8, menor ou igual a 9, menor ou igual a 10. A operação de superamostragem pode ainda compreender a determinação dos coeficientes de filtro superamostrados como a interpolação entre dois coeficientes de filtro.[0035] The oversampling operation may comprise oversampling by a factor less than or equal to 2, less than or equal to 3, less than or equal to 4, less than or equal to 5, less than or equal to 6, less than or equal to 7, less than or equal to 8, less than or equal to 9, less than or equal to 10. The oversampling operation may further comprise determining the oversampled filter coefficients as the interpolation between two filter coefficients.
[0036] De acordo com outro aspecto, um banco de filtro que compreende M filtros é descrito. Os filtros deste banco de filtro são baseados em filtros protótipos assimétricos descritos no presente documento e/ou os filtros protótipos assimétricos determinados através dos métodos delineados no presente documento. Em particular, os M filtros podem ser uma versão modulada do filtro protótipo e a modulação pode ser uma modulação em cosseno, modulação por seno e/ou modulação por exponencial complexa.[0036] According to another aspect, a filterbank comprising M filters is described. The filters in this filterbank are based on the asymmetrical prototype filters described in this document and/or the asymmetrical prototype filters determined using the methods outlined in this document. In particular, the M filters can be a modulated version of the prototype filter and the modulation can be a cosine modulation, sine modulation and/or complex exponential modulation.
[0037] De acordo com outro aspecto, um método para gerar si nais de sub-banda decimados com baixa sensibilidade a aliasing que emerge de modificações de ditos sinais de sub-banda é descrito. O método compreende as etapas de determinar filtros de análise de um banco de filtro de análise/síntese de acordo com métodos delineados no presente documento; filtrar um sinal no domínio de tempo de valor real através de ditos filtros de análise para obter sinais de sub-banda de valores complexos e decimar ditos sinais de sub-banda. Além disto, um método para gerar um sinal de saída de valor real a partir de uma pluralidade de sinais de sub-banda de valores complexos com baixa sensibilidade a aliasing que emerge de modificações de ditos sinais de sub-banda é descrito. O método compreende as etapas de determinar filtros de síntese de um banco de filtro de análise/síntese de acordo com os métodos delineados no presente documento; interpolar dita pluralidade de sinais de subbanda de valores complexos, filtrar dita pluralidade de sinais de sub-banda interpolados através de ditos filtros de síntese; gerar um sinal de saída no domínio de tempo de valor complexo como a soma dos sinais obtidos a partir de dita filtragem; e tomar a parte real do sinal de saída em domínio de tempo de valor de complexo como o sinal de saída de valor real.[0037] According to another aspect, a method for generating decimated subband signals with low aliasing sensitivity that emerges from modifications of said subband signals is described. The method comprises the steps of determining analysis filters of an analysis/synthesis filterbank according to methods outlined in this document; filtering a real-valued time domain signal through said analysis filters to obtain complex value subband signals and decimate said subband signals. Furthermore, a method for generating a real valued output signal from a plurality of subband signals of complex values with low aliasing sensitivity that emerges from modifications of said subband signals is described. The method comprises the steps of determining synthesis filters of an analysis/synthesis filterbank according to the methods outlined in this document; interpolating said plurality of complex valued subband signals, filtering said plurality of interpolated subband signals through said synthesis filters; generating a complex valued time domain output signal as the sum of the signals obtained from said filtering; and taking the real part of the complex value time domain output signal as the real value output signal.
[0038] De acordo com outro aspecto, um sistema operacional de gerar sinais de sub-banda a partir de um sinal de entrada no domínio de tempo é descrito, no qual o sistema compreende um banco de filtro de análise que foi gerado de acordo com métodos delineados no presente documento e/ou que é baseado nos filtros protótipos delineados no presente documento.[0038] According to another aspect, an operating system of generating subband signals from an input signal in the time domain is described, in which the system comprises an analysis filter bank that was generated in accordance with methods outlined in this document and/or which is based on the prototype filters outlined in this document.
[0039] Deveria ser observado que os aspectos dos métodos e sistemas que incluem suas modalidades preferidas, como delineado no presente Pedido de Patente, podem ser utilizados isoladamente ou em combinação com os outros aspectos dos métodos e sistemas divulgados neste documento. Além disto, todos os aspectos dos métodos e sistemas delineados no presente Pedido de Patente podem ser combinados de maneira arbitrária. Em particular, os aspectos das concretizações podem ser combinados um com o outro em uma maneira arbitrária.[0039] It should be noted that aspects of the methods and systems that include their preferred embodiments, as outlined in this Patent Application, may be used alone or in combination with the other aspects of the methods and systems disclosed herein. Furthermore, all aspects of the methods and systems outlined in this patent application may be arbitrarily combined. In particular, aspects of the embodiments can be combined with one another in an arbitrary manner.
[0040] A presente invenção será descrita agora à guisa de exemplos ilustrativos não limitativos ao escopo, com referência aos desenhos que acompanham, nos quais:[0040] The present invention will now be described by way of illustrative examples not limiting in scope, with reference to the accompanying drawings, in which:
[0041] A figura 1 ilustra as seções de análise e síntese de um banco de filtro digital; a figura 2 mostra as respostas de frequência estilizadas para um conjunto de filtros, para ilustrar o efeito adverso ao modificar as amostras de sub-banda em um banco de filtro modulado por cosseno, isto é, avaliado real; a figura 3 mostra um fluxograma de um exemplo do procedimento de otimização; a figura 4 mostra uma plotagem no domínio de tempo e a resposta em frequência de um filtro protótipo otimizado para um banco de filtro modulado de baixo retardo que tem 64 canais e um retardo total de sistema de 319 amostras; e a figura 5 ilustra um exemplo das partes de análise e síntese de um sistema de banco de filtro modulado por exponencial complexa de baixo retardo.[0041] Figure 1 illustrates the analysis and synthesis sections of a digital filter bank; Figure 2 shows the stylized frequency responses for a set of filters, to illustrate the adverse effect of modifying the subband samples in a cosine modulated, i.e., rated real, filter bank; Figure 3 shows a flowchart of an example optimization procedure; Figure 4 shows a plot in the time domain and frequency response of a prototype filter optimized for a low-delay modulated filter bank that has 64 channels and a total system delay of 319 samples; and Figure 5 illustrates an example of the analysis and synthesis parts of a low-delay complex exponential modulated filterbank system.
[0042] Deveria ser entendido que os presentes ensinamentos são aplicáveis a uma faixa de implementações que incorpora bancos de filtro digitais diferentes daqueles explicitamente mencionados nesta Patente. Em particular, os presentes ensinamentos podem ser aplicáveis a outros métodos para projetar um banco de filtro com base em um filtro protótipo.[0042] It should be understood that the present teachings are applicable to a range of implementations that incorporate digital filterbanks other than those explicitly mentioned in this Patent. In particular, the present teachings can be applicable to other methods for designing a filter bank based on a prototype filter.
[0043] No que segue, a função transferência global de um banco de filtro de análise/síntese é determinada. Em outras palavras, a re-presentação matemática de um sinal que atravessa tal sistema de banco de filtro é descrita. Um banco de filtro digital é uma coleção de M, M sendo dois ou mais filtros digitais paralelos que compartilham uma entrada comum ou uma saída comum. Para detalhes de tais bancos de filtro é feita referência à "Multirate Systems and Filter Banks" P.P. Vaidyanathan Prentice Hall: Englewood Cliffs, NJ, 1993. Quando compartilhando uma entrada comum, o banco de filtro pode ser chamado um banco de análise. O banco de análise divide o sinal que entra em M sinais separados chamados sinais de sub-banda. Os filtros de análise são indicados Hk(z) onde k=0, ...M-1. O banco de filtro é criticamente amostrado ou decimado de forma máxima quando os sinais de sub-banda são decimados por um fator M. Assim, o número total de amostras de sub-banda por unidade de tempo através de todas as sub-bandas é o mesmo que o número de amostras por unidade de tempo para o sinal de entrada. O banco de síntese combina estes sinais de sub-banda em um sinal de saída comum. Os filtros de síntese são indicados Fk(z) para k=0, ...M-1.[0043] In what follows, the global transfer function of an analysis/synthesis filterbank is determined. In other words, the mathematical representation of a signal that traverses such a filterbank system is described. A digital filter bank is a collection of M, M being two or more parallel digital filters that share a common input or common output. For details of such filter banks reference is made to "Multirate Systems and Filter Banks" P.P. Vaidyanathan Prentice Hall: Englewood Cliffs, NJ, 1993. When sharing a common input, the filterbank can be called an analysis bank. The analysis bank divides the incoming signal into M separate signals called subband signals. Analysis filters are indicated Hk(z) where k=0, ...M-1. The filterbank is critically sampled or maximally decimated when the subband signals are decimated by a factor M. Thus, the total number of subband samples per unit of time across all subbands is the same as the number of samples per time unit for the input signal. The synthesis bank combines these subband signals into a common output signal. Synthesis filters are indicated Fk(z) for k=0, ...M-1.
[0044] Um banco de filtros decimado de maneira máxima com M canais ou sub-bandas está mostrado na figura 1. A parte de análise 101 produz a partir do sinal de entrada X(z) os sinais de sub-banda Vk(z) que constituem os sinais a serem transmitidos, armazenados ou modificados. A parte de síntese 102 recombina os sinais Vk(z) para o sinal de saída AX(z).[0044] A maximally decimated filterbank with M channels or subbands is shown in figure 1. The
[0045] A recombinação de Vk(z) para obter a aproximação AX(z) do sinal original X(z) está sujeita a diversos erros potenciais. Os erros podem ser devidos a uma aproximação da propriedade de reconstrução perfeita, e incluem deteriorações não lineares devido a aliasing, que podem ser provocadas por decimação e interpolação das sub-bandas. Outros erros que resultam de aproximações da propriedade de reconstrução perfeita podem ser devidos às deteriorações lineares, tais como distorção de fase e a amplitude.[0045] The recombination of Vk(z) to obtain the approximation AX(z) of the original signal X(z) is subject to several potential errors. The errors can be due to an approximation of the perfect reconstruction property, and include non-linear deterioration due to aliasing, which can be caused by subband decimation and interpolation. Other errors that result from approximations of the perfect reconstruction property may be due to linear deteriorations such as phase and amplitude distortion.
[0046] Seguindo as anotações da figura 1, as saídas dos filtros de análise Hk(z) 103 são Xk (z) = Hk (z) X (z), (1) onde k=0, ...M-1. Os redutores 104 também referidos como unidades de amostragem para baixo fornecem as saídas onde W = e-i2π/M. As saídas dos interpoladores 105, também referidas como unidades de amostragem para cima, são fornecidas por e a soma dos sinais obtidos a partir dos filtros de síntese 106 pode ser escrita como é o ganho para o I-ésimo termo de aliasing X(zW l). A equação 4 mostra que XX(z) é uma soma de M componentes que consistem no produto do sinal de entrada modulado X(zWl)e o termo de ganho de aliasing correspondente A (z) . A equação 4 pode ser reescrita como
[0046] Following the annotations of figure 1, the outputs of the analysis filters Hk(z) 103 are Xk (z) = Hk (z) X (z), (1) where k=0, ...M-1 .
[0047] A última soma do lado direito (RHS) constitui a soma de todos os termos de aliasing não desejados.[0047] The last sum on the right hand side (RHS) constitutes the sum of all unwanted aliasing terms.
[0048] Cancelar todo o aliasing, isto é, forçando esta soma para zero por meio de escolhas adequadas de Hk(z) e Fk(z), fornece: é a função transferência global ou função distorção. A equação 8 mostra que dependendo de Hk(z) e Fk(z), T(z) poderia ser livre de ambas, da distorção de fase e da distorção de amplitude. A função transferência global deveria, neste caso, ser simplesmente um retardo de D amostras com um fator de escala constante e, isto é, T (z) = cz - D, (9) que, substituída na equação 7, fornece X(z) = cz -DX(z) . (10)[0048] Canceling all aliasing, that is, forcing this sum to zero through proper choices of Hk(z) and Fk(z), provides: is the global transfer function or distortion function. Equation 8 shows that depending on Hk(z) and Fk(z), T(z) could be free from both phase distortion and amplitude distortion. The global transfer function should, in this case, be simply a delay of D samples with a constant scale factor e, ie, T(z) = cz - D, (9) which, substituted in equation 7, gives X(z ) = cz -DX(z) . (10)
[0049] O tipo de filtros que satisfaz à equação 10 é dito terem a propriedade de reconstrução perfeita (PR). Se a equação 10 não é satisfeita de maneira perfeita, embora satisfeita de maneira aproximada, os filtros são da classe de filtros de reconstrução perfeita aproximada.[0049] The type of filters that satisfies equation 10 is said to have the perfect reconstruction property (PR). If equation 10 is not perfectly satisfied, although approximately satisfied, the filters are of the approximate perfect reconstruction filter class.
[0050] No que segue, um método para projetar bancos de filtro de análise e síntese a partir de um filtro protótipo é descrito. Os bancos de filtro resultantes são referidos como bancos de filtro modulados em cosseno. Na teoria tradicional para bancos de filtro modulados em cosseno, os filtros de análise hk(n) e os filtros de síntese fk(n) são versões moduladas em cosseno de um filtro protótipo passa-baixo simétrico p0(n), isto é [0050] In what follows, a method for designing analysis and synthesis filter banks from a prototype filter is described. The resulting filter banks are referred to as cosine modulated filter banks. In the traditional theory for cosine modulated filterbanks, the hk(n) analysis filters and the fk(n) synthesis filters are cosine modulated versions of a symmetrical low-pass prototype filter p0(n), ie.
[0051] Respectivamente, onde M é o número de canais no banco de filtro e N é a ordem do filtro protótipo.[0051] Respectively, where M is the number of channels in the filter bank and N is the order of the prototype filter.
[0052] O banco de filtro de análise acima modulado em cosseno produz amostras de sub-banda avaliadas reais para sinais de entrada avaliados reais. As amostras de sub-banda são amostradas para baixo por um fator M, tornando o sistema amostrado de maneira crítica. Dependendo da escolha do filtro protótipo, o banco de filtro pode constituir um sistema de reconstrução perfeita aproximada, isto é, um assim chamado banco pseudo QMF descrito, por exemplo, na US 5.436.940, ou um sistema de reconstrução perfeita (PR). Um exemplo de um sistema PR é a transformada superposta modulada (MLT) descrita em mais detalhe em "Lapped Transforms for Efficient Transform/Subband Coding" H.S. Malvar, IEEE Trans ASSP, vol. 38, no. 6, 1990. O retardo global ou retardo do sistema para um banco de filtro tradicional modulado em cosseno é N.[0052] The above cosine modulated analysis filterbank produces real evaluated subband samples for real evaluated input signals. Subband samples are down-sampled by an M factor, making the system critically sampled. Depending on the choice of the prototype filter, the filterbank can constitute an approximate perfect reconstruction system, i.e. a so-called pseudo QMF bank described, for example, in US 5,436,940, or a perfect reconstruction (PR) system. An example of a PR system is the modulated superimposed transform (MLT) described in more detail in "Lapped Transforms for Efficient Transform/Subband Coding" H.S. Malvar, IEEE Trans ASSP, vol. 38, no. 6, 1990. The global delay or system delay for a traditional cosine modulated filterbank is N.
[0053] Para obter sistemas de banco de filtro que tenham retardos de sistema mais baixos, o presente documento ensina substituir os filtros protótipos simétricos utilizados em bancos de filtro convencionais por filtros protótipos assimétricos. Na técnica precedente, o projeto de filtros protótipos assimétricos foi restringido a sistemas tendo a propriedade de reconstrução perfeita PR. Tal sistema de reconstrução perfeita utilizando filtros protótipos assimétricos está descrito em EP 0874458. Contudo, a restrição de reconstrução perfeita impõe limitações a um banco de filtro utilizado, por exemplo, em um sistema de equalização devido aos graus de liberdade restringidos ao projetar o filtro protótipo. Deveria ser observado que filtros protótipos assimétricos têm uma fase linear, isto é, eles têm um retardo de grupo constante através de todas as frequências. Por outro lado, filtros assimétricos tipicamente têm uma fase não linear, isto é, eles têm um retardo de grupo que pode mudar com a frequência.[0053] To obtain filter bank systems that have lower system delays, this document teaches to replace the symmetrical prototype filters used in conventional filterbanks by asymmetrical prototype filters. In the prior art, the design of asymmetric prototype filters was restricted to systems having the perfect reconstruction property PR. Such a perfect reconstruction system using asymmetric prototype filters is described in EP 0874458. However, the perfect reconstruction constraint imposes limitations on a filter bank used, for example, in an equalization system due to the restricted degrees of freedom when designing the prototype filter . It should be noted that asymmetrical prototype filters have a linear phase, that is, they have a constant group delay across all frequencies. Asymmetric filters, on the other hand, typically have a non-linear phase, that is, they have a group delay that can change with frequency.
[0054] Em sistemas de banco de filtro que utilizam filtros protóti pos assimétricos, os filtros de análise e síntese podem ser descritos como respectivamente, onde h(n) e f(n)são os filtros protóti- pos de análise e síntese de comprimentos Nh e Nf, respectivamente, e D é o retardo total do sistema de banco de filtro. Sem limitar o escopo, os bancos de filtro modulados, estudados no que segue, são sistemas onde os protótipos de análise e síntese são idênticos, isto é f0( n) = h0( n) = p 0( n), 0 < n < Nh = Nf = N (15) onde N é o comprimento do filtro protótipo p0(n).[0054] In filterbank systems that use asymmetric prototype filters, analysis and synthesis filters can be described as respectively, where h(n) and f(n) are the prototype filters for analysis and synthesis of lengths Nh and Nf, respectively, and D is the total delay of the filter bank system. Without limiting the scope, the modulated filterbanks, studied in what follows, are systems where the analysis and synthesis prototypes are identical, that is, f0(n) = h0(n) = p 0(n), 0 < n < Nh = Nf = N (15) where N is the length of the prototype filter p0(n).
[0055] Deveria ser observado, contudo, ao utilizar os esquemas de projeto de filtro delineados no presente documento, que bancos de filtro utilizando diferentes filtros protótipos de análise e síntese podem ser determinados.[0055] It should be noted, however, when using the filter design schemes outlined in this document, that filter banks using different prototype filters for analysis and synthesis can be determined.
[0056] Uma propriedade inerente da modulação por cosseno é que cada filtro tem duas bandas passantes, uma na faixa de frequência positiva e uma que corresponde à banda passante na faixa de frequência negativa. Pode ser verificado que os termos de aliasing assim chamados principais ou significativos, emergem da superposição em frequência entre quaisquer das bandas passantes dos filtros de bandas que passam negativas com versões moduladas em frequência das bandas que passam positivas ou, de maneira recíproca, os filtros de bandas que passam positivas com versões de frequência modulada das bandas que passam negativas. Os últimos termos nas equações π1 1 13 e 14, isto é, os termos —I k+ -1, são selecionados de modo a for necer a anulação dos termos de aliasing principais em bancos de filtro modulados em cosseno. Não obstante, ao modificar as amostras de sub-banda, a anulação de termos de aliasing principais é deteriorada, resultando com isto em um forte impacto de aliasing dos termos de aliasing principais. É, portanto, desejável remover estes termos de aliasing principais das amostras de sub-banda, tudo junto.[0056] An inherent property of cosine modulation is that each filter has two pass bands, one in the positive frequency band and one that corresponds to the pass band in the negative frequency band. It can be seen that the so-called main or significant aliasing terms emerge from the frequency superposition between any of the passing bands of the negative-passing band filters with frequency-modulated versions of the positive-passing bands or, reciprocally, the positive-passing filters positive pass bands with frequency modulated versions of the negative pass bands. The last terms in equations π1 1 13 and 14, that is, the terms —I k+ -1, are selected so as to provide the nullification of the main aliasing terms in cosine modulated filter banks. However, by modifying the subband samples, the nulling of main aliasing terms deteriorates, thereby resulting in a strong aliasing impact of the main aliasing terms. It is therefore desirable to remove these main aliasing terms from the subband samples all together.
[0057] A remoção dos termos de aliasing principais pode ser conseguida pela utilização dos bancos assim chamados Bancos de Filtro Modulados por Exponencial Complexa, que são baseados em uma extensão da modulação oor cosseno para modulação por exponencial complexa. Tal extensão produz os filtros de análise hk(n) como utilizando a mesma notação que antes. Isto pode ser observado como adicionar uma parte imaginária ao banco de filtro avaliado real, onde a parte imaginária consiste em versões moduladas em seno do mesmo filtro protótipo. Considerando um sinal de entrada avaliado real, a saída a partir do banco de filtro pode ser interpretada como um conjunto de sinais de sub-banda onde as partes real e imaginária são transformadas de Hilbert uma da outra. As subbandas resultantes são assim os sinais analíticos da saída avaliada real obtida a partir do banco de filtro modulado por cosseno. Daí, devido à representação de valor complexo os sinais de sub-banda são superamostrados por um fator 2.[0057] The removal of the main aliasing terms can be achieved by using the so called Complex Exponential Modulated Filter Banks, which are based on an extension of the or cosine modulation for complex exponential modulation. Such an extension produces the hk(n) parsing filters as using the same notation as before. This can be seen as adding an imaginary part to the real rated filter bank, where the imaginary part consists of sine modulated versions of the same prototype filter. Considering a real evaluated input signal, the output from the filterbank can be interpreted as a set of subband signals where the real and imaginary parts are Hilbert transformed from each other. The resulting subbands are thus the analytical signals of the actual evaluated output obtained from the cosine modulated filterbank. Hence, due to the complex value representation the subband signals are oversampled by a factor of 2.
[0058] Os filtros de síntese são estendidos da mesma maneira para [0058] Synthesis filters are extended in the same way for
[0059] As equações 16 e 17 implicam que a saída a partir do banco de síntese é de valor complexo. Utilizando notação matricial onde Ca é uma matriz com os filtros de análise modulados em cosseno a partir da equação 13, e Sa é uma matriz com a modulação em seno do mesmo argumento, os filtros da equação 16 são obtidos como Ca+jSa. Nessas matrizes k é o índice de fileira e n é o índice de coluna. De maneira análoga, a matriz Cs tem filtros de síntese a partir da equação 14, e Ss é a versão correspondente modulada em seno. A equação 17 pode assim ser escrita Cs+jS, onde k é o índice de coluna e n é o índice de fileira. Indicando o sinal de entrada x, o sinal de saída y é encontrado de y = (Cs + j Ss) (Ca + j Sa) x = (CsCa - SsSa) x + j (CsSa + SsCa) x (18)[0059] Equations 16 and 17 imply that the output from the synthesis bank is of complex value. Using matrix notation where Ca is a matrix with the analysis filters modulated in cosine from equation 13, and Sa is a matrix with the sine modulation of the same argument, the filters from equation 16 are obtained as Ca+jSa. In these arrays k is the row index and n is the column index. Analogously, matrix Cs has synthesis filters from equation 14, and Ss is the corresponding sine-modulated version. Equation 17 can thus be written Cs+jS, where k is the column index and n is the row index. Indicating the input signal x, the output signal y is found from y = (Cs + j Ss) (Ca + j Sa) x = (CsCa - SsSa) x + j (CsSa + SsCa) x (18)
[0060] Como visto da equação 18, a parte real compreende dois termos; a saída a partir do banco de filtro modulado por cosseno e uma saída a partir de um banco de filtro modulado em seno. É facilmente verificado que se um banco de filtro modulado por cosseno tem a propriedade PR, então sua versão modulada em seno, com uma mudança de sinal, constitui também um sistema PR. Assim, assumindo a parte real da saída, o sistema modulado por exponencial complexa oferece a mesma precisão de reconstrução que a versão correspondente modulada em cosseno. Em outras palavras, ao utilizar um sinal de entrada de valor real, o sinal de saída do sistema modulado por exponencial complexa pode ser determinado assumindo a parte real do sinal de saída.[0060] As seen from equation 18, the real part comprises two terms; the output from the cosine modulated filter bank and one output from a sine modulated filter bank. It is easily verified that if a cosine-modulated filterbank has the PR property, then its sine-modulated version, with a change of sign, constitutes a PR system as well. Thus, assuming the real part of the output, the complex exponential modulated system offers the same reconstruction precision as the corresponding cosine modulated version. In other words, by using a real value input signal, the complex exponential modulated system output signal can be determined by assuming the real part of the output signal.
[0061] O sistema modulado por exponencial complexa pode ser estendido para manipular também sinais de entrada de valores complexos. Estendendo o número de canais para 2M, isto é, adicionando os filtros para frequências negativas e mantendo a parte imaginária do sinal de saída, um sistema pseudo QMF ou PR para sinais de valores complexos é obtido.[0061] The complex exponential modulated system can be extended to also handle complex valued input signals. By extending the number of channels to 2M, that is, adding the filters for negative frequencies and keeping the imaginary part of the output signal, a pseudo QMF or PR system for complex value signals is obtained.
[0062] Deveria ser observado que o banco de filtro modulado por exponencial complexa tem somente uma banda passante para cada filtro na faixa de frequência positiva. Daí, ele estar livre dos termos de aliasing principais. A ausência de termos de aliasing principais torna a restrição de anulação de aliasing a partir do banco de filtro modulado por cosseno (ou seno) obsoleta na versão modulada por exponencial complexa. Os filtros de análise e síntese podem, assim, ser fornecidos como onde A é uma constante arbitrária (possivelmente zero) e, como antes, M é número de canais, N é o comprimento do filtro protótipo, e D é o retardo do sistema. Utilizando diferentes valores de A, implementações mais eficientes dos bancos de filtro de análise e síntese, isto é, implementações com complexidade reduzida, podem ser obtidas.[0062] It should be noted that the complex exponential modulated filter bank has only one passband for each filter in the positive frequency range. Hence, it is free from the main aliasing terms. The absence of main aliasing terms makes the unaliasing constraint from the cosine (or sine) modulated filter bank obsolete in the complex exponential modulated version. Analysis and synthesis filters can thus be provided as where A is an arbitrary constant (possibly zero) and, as before, M is the number of channels, N is the prototype filter length, and D is the system delay. Using different values of A, more efficient implementations of the analysis and synthesis filterbanks, that is, implementations with reduced complexity, can be obtained.
[0063] Antes de apresentar um método para otimização de filtros protótipos as abordagens divulgadas para o projeto de bancos de filtro são resumidas. Com base em filtros protótipos simétricos ou assimétricos, bancos de filtro podem ser gerados, por exemplo, modulando os filtros protótipos utilizando uma função cosseno ou uma função exponencial complexa. Os filtros protótipos para os bancos de filtro de análise e síntese podem ser diferentes ou idênticos. Ao utilizar modulação por exponencial complexa os termos de aliasing principais dos bancos de filtro estão obsoletos e podem ser removi-dos, reduzindo com isto a sensibilidade de aliasing para modificações dos sinais de sub-banda dos bancos de filtro resultantes. Além disto, ao utilizar filtros protótipos assimétricos o retardo global do sistema dos bancos de filtro pode ser reduzido. Também foi mostrado que ao utilizar bancos de filtro modulados por exponenciais complexas o sinal de saída a partir de um sinal de entrada de valor real pode ser determinado assumindo a parte real do sinal de saída complexo do banco de filtro.[0063] Before presenting a method for optimizing prototype filters, the approaches disclosed for the design of filter banks are summarized. Based on symmetrical or asymmetrical prototype filters, filterbanks can be generated, for example, by modulating the prototype filters using a cosine function or a complex exponential function. The prototype filters for the analysis and synthesis filter banks can be different or identical. When using complex exponential modulation the main aliasing terms of the filterbanks are obsolete and can be removed, thereby reducing the aliasing sensitivity to modifications of the subband signals of the resulting filterbanks. Furthermore, by using asymmetric prototype filters the overall delay of the filter bank system can be reduced. It has also been shown that by using complex exponential modulated filter banks the output signal from a real valued input signal can be determined by assuming the real part of the complex output signal from the filter bank.
[0064] No que segue, um método para otimização dos filtros pro tótipos é descrito em detalhe. Dependendo das necessidades, a otimização pode ser direcionada para aumentar o grau de reconstrução perfeito, isto é, na redução da combinação de aliasing e distorção de amplitude, na redução da sensibilidade para aliasing, na redução do retardo do sistema, na redução de distorção de fase e/ou na redução de distorção de amplitude. Para otimizar o filtro protótipo p0(n) primeiras expressões para os termos de ganho de aliasing são determinadas. No que segue, os termos de ganho de aliasing para um banco de filtro modulado por exponencial complexa são derivados. Contudo, deveria ser observado que os termos de ganho de aliasing delineados também são válidos para um banco de filtro modulado por cosseno (avaliado real).[0064] In what follows, a method for optimizing prototype filters is described in detail. Depending on the needs, optimization can be directed towards increasing the degree of perfect reconstruction, that is, reducing the combination of aliasing and amplitude distortion, reducing sensitivity for aliasing, reducing system delay, reducing distortion of phase and/or amplitude distortion reduction. To optimize the prototype filter p0(n) first expressions for the aliasing gain terms are determined. In what follows, the aliasing gain terms for a complex exponential modulated filterbank are derived. However, it should be noted that the delineated aliasing gain terms are also valid for a cosine modulated (actual rated) filter bank.
[0065] Fazendo referência à equação 4, a transformada-z da parte real do sinal de entrada x( n) é [0065] Referring to equation 4, the z-transform of the real part of the input signal x(n) is
[0066] A anotação X*(z) é a transformada-z da sequência conju- gada complexa x( n). A partir da equação 4 segue-se que a transfor- mada da parte real do sinal de saída é [0066] The annotation X*(z) is the z-transform of the complex conjugate sequence x(n). From equation 4 it follows that the transform of the real part of the output signal is
[0067] Onde foi utilizado que o sinal de entrada x(n) é avaliado re al, isto é, X*( zW1) = X (zW ~l). A equação 22 pode ser escrita depois de ser rearranjada são os termos de ganho de aliasing utilizados na otimiza- ção. Pode ser observado da equação 24 que [0067] Where it was used that the input signal x(n) is evaluated real, that is, X*(zW1) = X(zW ~l). Equation 22 can be written after being rearranged are the aliasing gain terms used in the optimization. It can be seen from equation 24 that
[0068] Especificamente para sistemas avaliados reais [0068] Specifically for real rated systems
[0069] Inspecionando a equação 23 e retomando a transformada da equação 21, pode ser visto que a parte real de a0(n) deve ser um pulso Dirac para um sistema PR, isto é, Ã0(z) é na forma Ã0(z)=c z-D. Além disto, a parte real de aM/2(n) deve ser zero, isto é, ÃM/2(z) deve ser zero, e os ganhos de ali-asing para l # 0, M/2, devem satisfazer a AM-l(z)=-Al*(z) , que para um sistema avaliado real com a equação 26 em mente, significa que todo ai(n), l = 1... M-1 deve ser zero. Em sistemas pseudo QMF a equação 28 se mantém verdadeira apenas de maneira aproximada. Além disto, a parte real de a0(n) não é exatamente um pulso Dirac nem a parte real de aM/2(n) é exatamente zero.[0069] Inspecting equation 23 and resuming the transform of equation 21, it can be seen that the real part of a0(n) must be a Dirac pulse for a PR system, ie, Ã0(z) is in the form Ã0(z) )=c zD. Furthermore, the real part of aM/2(n) must be zero, that is, ÃM/2(z) must be zero, and the ali-asing gains for
[0070] Antes de ir para detalhes adicionais na otimização dos fil- tros protótipos, o impacto de modificações das amostras de sub-banda em aliasing é investigada. Como já mencionado acima, mudanças de ganhos dos canais em um banco de filtro modulado por cosseno, isto é, utilizar o sistema de análise/síntese como um equalizador, cria dis-torção severa devido aos termos de aliasing principais. Em teoria, os termos de aliasing principais se anulam um ou outro em um par, em maneira emparelhada. Contudo, esta teoria de anulação de termo de aliasing principal quebra quando ganhos diferentes são aplicados a diferentes canais de sub-banda. Daí, a aliasing no sinal de saída pode ser substancial. Para mostrar isso considere um banco de filtro onde o canal p e canais mais elevados são ajustados para ganhos zero, isto é, [0070] Before going into further details on the optimization of prototype filters, the impact of subband sample modifications on aliasing is investigated. As already mentioned above, channel gain changes in a cosine modulated filterbank, ie using the analysis/synthesis system as an equalizer, creates severe distortion due to the main aliasing terms. In theory, the main aliasing terms cancel each other out in a pair, in a paired fashion. However, this principal aliasing term nullification theory breaks down when different gains are applied to different subband channels. Hence, the aliasing in the output signal can be substantial. To show this consider a filterbank where the channel p and the highest channels are set to zero gains, ie,
[0071] As respostas em frequência estilizadas dos filtros de análi se e síntese de interesse estão mostradas na figura 2. A figura 2a mostra os filtros de canal de síntese Fp-1(z) e Fp(z) destacados por meio dos sinais de referência 201e 202, respectivamente. Como já indicado acima, a modulação em cosseno para cada canal resulta em um filtro de frequência positiva e um filtro de frequência negativa. Em outras palavras, os filtros de frequência positiva 201 e 202 têm filtros de frequência negativa correspondentes 203 e 204, respectivamente.[0071] The stylized frequency responses of the analysis and synthesis filters of interest are shown in figure 2. Figure 2a shows the synthesis channel filters Fp-1(z) and Fp(z) highlighted by means of the signals of
[0072] A p-ésima modulação do filtro de análise Hp-1(z), i.e. Hp- 1(zWp) indicada pelos sinais de referência 211 a 213 está delineada na figura 2b juntamente com o filtro de síntese Fp-1(z), indicado pelos sinais de referência 201 e 203. Nesta figura o sinal de referência 211 indica a versão modulada do filtro Hp-1(z) de frequência originalmente positiva e o sinal de referência 203 indica a versão modulada do filtro Hp-1(z) de frequência originalmente negativa. Devido à modulação da ordem p, o filtro de frequência negativa 213 é movido para a área de frequência positiva e, portanto, se superpõe como filtro de síntese po-sitivo 201. A superposição sombreada 220 dos filtros ilustra a energia de um termo de aliasing principal.[0072] The p-th modulation of the analysis filter Hp-1(z), ie Hp-1(zWp) indicated by the reference signals 211 to 213 is delineated in figure 2b together with the synthesis filter Fp-1(z ), indicated by
[0073] Na figura 2c a p-ésima modulação Hp-1(z), i.e. Hp-1(zWp) indicada pelos sinais de referência 212 e 214 está mostrada junta-mente com o filtro de síntese Fp(z), sinais de referência 202 e 204. Novamente o filtro de frequência negativa 214 é movido para a área de frequência positiva devido à modulação de ordem p. A área sombreada 211 novamente mostra de maneira pictórica a energia de um termo de aliasing principal e deveria de maneira típica não- cancelada, resultar em aliasing significativa. Para anular o aliasing, o termo deveria ser a cópia em polaridade invertida do aliasing obtida a partir da interseção dos filtros Hp-1(zWp,) 213, e Fp-1(zWp,) 201 da figura 2b, isto é, a cópia da polaridade invertida da área sombreada 220. Em um banco de filtro modulado por cosseno, onde os ganhos são não-mudados, estes termos de aliasing principais usualmente irão anular completamente um ao outro. Contudo, neste exemplo, o ganho do filtro p de análise (ou de síntese) é zero, de modo que o aliasing induzida pelos filtros p-1 irá permanecer não- anulada no sinal de saída. Um resíduo de aliasing igualmente forte também irá emergir na faixa de frequência negativa.[0073] In figure 2c the p-th modulation Hp-1(z), ie Hp-1(zWp) indicated by the reference signals 212 and 214 is shown together with the synthesis filter Fp(z), signals of
[0074] Ao utilizar bancos de filtro modulados por exponencial com plexa, a modulação de valor complexo resulta em somente filtros de frequência positiva. Consequentemente, os termos de aliasing princi-pais se foram, isto é, não há superposição significativa entre os filtros de análise modulados Hp(zWp,) e seus filtros de síntese corresponden-tes Fp(z) e aliasing pode ser reduzido de maneira significativa ao utilizar tais sistemas de banco de filtro como equalizadores. O aliasing re-sultante é dependente apenas do grau de supressão dos termos de aliasing remanescentes.[0074] When using complex exponential modulated filter banks, complex value modulation results in only positive frequency filters. Consequently, the main aliasing terms are gone, ie there is no significant overlap between the modulated analysis filters Hp(zWp,) and their corresponding synthesis filters Fp(z) and aliasing can be significantly reduced when using such filter bank systems as equalizers. The resulting aliasing is dependent only on the degree of suppression of the remaining aliasing terms.
[0075] Daí, mesmo ao utilizar bancos de filtro modulados por ex ponencial complexa é crucial projetar um filtro protótipo para supressão máxima dos termos de ganhos de aliasing, embora os termos de aliasing principais tenham sido removidos para tais bancos de filtro. Mesmo embora os termos de aliasing remanescentes sejam menos significativos do que os termos de aliasing principais, eles podem ainda gerar aliasing que provoca artefatos para o sinal processado. Portanto, o projeto de tal filtro protótipo pode ser realizado preferivelmente minimizando uma função de objetivo composto. Para esta finalidade, diversos algoritmos de otimização podem ser utilizados. Exemplos são, por exemplo, métodos de programação linear, Método Simplex Downhill ou um método baseado em gradiente não restringido ou ou-tros algoritmos de otimização não linear. Em uma modalidade tomada como exemplo, uma solução inicial para o filtro protótipo é selecionada. Utilizando a função de objetivo composto, uma direção para modificar os coeficientes de filtro protótipo é determinada, a qual fornece o gradiente o mais elevado da função de objetivo composto. Então, os coeficientes de filtro são modificados utilizando um certo comprimento de etapa, e o procedimento iterativo é repetido até que um mínimo da função de objetivo composto é obtido. Para outros detalhes em tais algoritmos de otimização é feita referência à "Numerical Recipes in C, The Art of Scientific Computing, Second Edition" W. H. Press, S. A. Teukolsky, W. T. Vetterling, B. P. Flannery, Cambridge University Press, NY, 1992, que é incorporada para referência.Hence, even when using complex exponential modulated filterbanks it is crucial to design a prototype filter for maximum suppression of aliasing gain terms, although the main aliasing terms have been removed for such filterbanks. Even though the remaining aliasing terms are less significant than the main aliasing terms, they can still generate aliasing that causes artifacts to the processed signal. Therefore, the design of such a prototype filter can preferably be performed by minimizing a composite objective function. For this purpose, several optimization algorithms can be used. Examples are, for example, linear programming methods, Simplex Downhill Method or an unconstrained gradient-based method, or other non-linear optimization algorithms. In a modality taken as an example, an initial solution for the prototype filter is selected. Using the composite objective function, a direction to modify the prototype filter coefficients is determined, which gives the highest gradient of the composite objective function. Then, the filter coefficients are modified using a certain step length, and the iterative procedure is repeated until a minimum of the composite objective function is obtained. For further details on such optimization algorithms reference is made to "Numeric Recipes in C, The Art of Scientific Computing, Second Edition" WH Press, SA Teukolsky, WT Vetterling, BP Flannery, Cambridge University Press, NY, 1992, which is incorporated For reference.
[0076] Para minimização do termo de aliasing melhorado (IATM) do filtro protótipo, uma função de objetivo preferida pode ser indicada etot (a) = aet + (1 - ®) ea , (30) onde o erro total etot(α) é uma soma ponderada do erro da função de transferência e1 e o erro de aliasing ea. O primeiro termo no lado direito (RHS) da equação 23 avaliada no círculo unitário, isto é,para z = e jw pode ser utilizado para fornecer uma medida da energia do erro et da função de transferência como onde P(ω) é uma função simétrica avaliada real que define as faixas de banda passante e de banda suprimida e D é o retardo total do sistema. Em outras palavras, P(ω) descreve a função de transferência desejada. No caso o mais genérico, tal função de transferência compreende uma magnitude que é uma função da frequência ω. Para um sistema avaliado real a equação 31 se simplifica para [0076] For minimization of the improved aliasing term (IATM) of the prototype filter, a preferred objective function can be indicated etot (a) = aet + (1 - ®) ea , (30) where the total error etot(α) is a weighted sum of the transfer function error e1 and the aliasing error ea. The first term on the right-hand side (RHS) of equation 23 evaluated on the unit circle, ie, for z = e jw can be used to provide a measure of the error energy t of the transfer function as where P(ω) is a real evaluated symmetric function that defines the passband and suppressed band bands and D is the total delay of the system. In other words, P(ω) describes the desired transfer function. In the most general case, such a transfer function comprises a magnitude that is a function of the frequency ω. For a real rated system, equation 31 is simplified to
[0077] A função alvo P(ω) e o retardo alvo D podem ser selecionados como um parâmetro de entrada para o procedimento de otimização. A expressão P(w)e- jwD pode se referida como a função de transferência alvo.[0077] The target function P(ω) and the target delay D can be selected as an input parameter for the optimization procedure. The expression P(w)e-jwD can be referred to as the target transfer function.
[0078] Uma medida da energia de aliasing total ea pode ser calculada avaliando a soma de todos os termos de aliasing do lado direito (RHS) da equação 23, isto é, o segundo termo da equação 23 no círculo unitário como [0078] A measure of the total aliasing energy ea can be calculated by evaluating the sum of all the right-hand aliasing terms (RHS) of equation 23, ie, the second term of equation 23 on the unit circle as
[0079] Para sistemas avaliados reais e isso se traduz para [0079] For real rated systems and this translates to
[0080] No global, um procedimento de otimização para determinar um filtro protótipo p0(n) pode ser baseado na minimização do erro da equação 30. O parâmetro α pode ser utilizado para distribuir a ênfase entre a função de transferência e a sensibilidade para alia- sing do filtro protótipo. Enquanto aumentar o parâmetro α no sentido de 1 irá colocar mais ênfase no erro da função de transferência et, reduzir o parâmetro α no sentido de zero irá colocar mais ênfase no erro de aliasing ea. Os parâmetros P(w) e D podem ser utilizados para estabelecer uma função de transferência alvo do filtro protótipo p0(n), isto é, definir o comportamento da banda passante e da banda reprimida para definir o retardo total do sistema.[0080] Overall, an optimization procedure to determine a prototype filter p0(n) can be based on the minimization of the error of equation 30. The parameter α can be used to distribute the emphasis between the transfer function and the sensitivity for alia - sing of the prototype filter. While increasing the α parameter towards 1 will place more emphasis on the transfer function error et, decreasing the α parameter towards zero will place more emphasis on the aliasing error ea. Parameters P(w) and D can be used to establish a target transfer function of the prototype filter p0(n), that is, to define the behavior of the passband and the repressed band to define the total delay of the system.
[0081] De acordo com um exemplo, um número dos canais do banco de filtro k pode ser ajustado para zero, por exemplo, a metade superior dos canais do banco de filtro recebe ganho zero. Con-sequentemente, o banco de filtro é disparado para gerar uma grande quantidade de aliasing. Este aliasing será em seguida minimizado por meio do processo de otimização. Em outras palavras, ajustando um certo número de canais do banco de filtro para zero o aliasing será induzido para gerar um erro de aliasing ea que pode ser minimizado durante o procedimento de otimização. Além disto, a complexidade de computação do processo de otimização pode ser reduzida ajustando canais do banco de filtro para zero.[0081] According to an example, a number of the filter bank channels k can be set to zero, for example, the upper half of the filter bank channels receive zero gain. Consequently, the filterbank is triggered to generate a large amount of aliasing. This aliasing will then be minimized through the optimization process. In other words, by setting a certain number of filterbank channels to zero the aliasing will be induced to generate an aliasing error and which can be minimized during the optimization procedure. Furthermore, the computation complexity of the optimization process can be reduced by setting filterbank channels to zero.
[0082] De acordo com um exemplo, um filtro protótipo é otimizado para um valor real, isto é, modulado por cosseno, que pode ser mais apropriado que otimizar diretamente a versão de valor complexo. Isto porque processamento de valor real prioriza a atenuação de aliasing remoto por uma extensão maior do que processamento de valor com-plexo. Contudo, quando disparando aliasing como delineado acima, a parte principal do aliasing induzida neste caso irá se originar tipica-mente dos termos que carregam os termos de aliasing principais. Daí, o algoritmo de otimização pode gastar recursos na maximização do aliasing principal que inerentemente não está presente no sistema modulado por exponencial complexa resultante. Para aliviar isto, a otimização pode ser feita em um sistema parcialmente complexo; para os termos de aliasing que estão livres de aliasing principal, a otimiza-ção pode ser feita utilizando processamento de filtro avaliado real. Por outro lado, os termos de aliasing que deveriam carregar os termos de aliasing principais, em um sistema de valor real, deveriam ser modifi-cados para processamento de filtro de valor complexo. Por meio de tal otimização parcialmente complexa, os benefícios de realizar o proces-samento utilizando processamento de valor real podem ser obtidos, enquanto ainda otimizando o filtro protótipo para utilização em um sis-tema de banco de filtro modulado complexo.[0082] According to an example, a prototype filter is optimized for a real value, that is, modulated by cosine, which may be more appropriate than directly optimizing the complex value version. This is because real-value processing prioritizes remote aliasing mitigation by a greater extent than complex-value processing. However, when triggering aliasing as outlined above, the main part of the aliasing induced in this case will typically originate from the terms that carry the main aliasing terms. Hence, the optimization algorithm can spend resources on maximizing the main aliasing that is inherently not present in the resulting complex exponential modulated system. To alleviate this, optimization can be done on a partially complex system; for aliasing terms that are free from main aliasing, optimization can be done using real rated filter processing. On the other hand, aliasing terms that should carry the main aliasing terms, in a real value system, should be modified for complex value filter processing. Through such partially complex optimization, the benefits of performing the processing using real-value processing can be obtained, while still optimizing the prototype filter for use in a complex modulated filterbank system.
[0083] Em uma otimização tomada como exemplo, onde exata mente a metade superior dos canais de banco de filtro é ajustada para zero, o único termo de aliasing calculado a partir de filtros de valor complexo é o termo I=M/2 da equação 33. Neste exemplo, a função P(w) da equação 31 pode ser escolhida como uma constante de magnitude unitária que se situa desde - π/2 +ε até π/2 -ε onde ε é uma fração de π/2 para cobrir a faixa de frequência que constitui a banda passante. Fora da banda passante a função P(w) pode ser definida ser zero ou ser deixada indefinida. Neste último caso a energia de erro da função de transferência (equação 31) é somente avaliada entre - π/2 +ε e π/2 -ε. De maneira alternativa e preferida, o erro de banda passante et poderia ser calculado sobre todos os canais k=0,...M-1 desde - π até + π com P(w) sendo constante enquanto o aliasing é ainda calculado com uma pluralidade dos canais ajustados para zero, como descrito acima.[0083] In an optimization taken as an example, where exactly the top half of the filter bank channels is set to zero, the only aliasing term calculated from complex value filters is the I=M/2 term of the equation 33. In this example, the function P(w) of equation 31 can be chosen as a constant of unit magnitude that ranges from - π/2 +ε to π/2 -ε where ε is a fraction of π/2 to cover the frequency range that constitutes the passband. Outside the passband function P(w) can be set to be zero or left undefined. In the latter case, the error energy of the transfer function (equation 31) is only evaluated between - π/2 +ε and π/2 -ε. Alternatively and preferred, the passband error et could be calculated over all channels k=0,...M-1 from - π to + π with P(w) being constant while aliasing is still calculated with a plurality of channels set to zero as described above.
[0084] Tipicamente, o procedimento de otimização é um proce dimento iterativo onde dados os coeficientes de filtro protótipo p0(n)(n=0, ...N-1) em uma certa etapa de interação, o retardo alvo D, o número de canais M, os números de canais de banda baixa ajustados para zero IoCut, o número de canais de banda alta ajustados para zero hiCut e o fator de ponderação α, um valor para a função de objetivo para esta etapa de reiteração é calculado. Utilizando operações semicomplexas e isto compreende as etapas: 1. Para obter o erro de banda passante et avaliar a equação 32 com P(w) sendo uma constante utilizar onde a Hk(ejw) e Fk(ejw) são as transformadas DFT dos fil- tros de análise e síntese hk(n) e fk(n) como gerados dos coeficientes de filtros protótipos nesta etapa de interação a partir das equações 13 até 15, respectivamente. 2. Para obter o erro de aliasing ea para termos de aliasing não submetidos a aliasing significativa, avaliar e Hk(e™j) e Fk(e™j) são as transformadas, isto é, as trans- formadas-z avaliadas no círculo unitário dos filtros de análise e síntese hk(n) e fk(n) a partir das equações 13 até 15. 3. Para os termos submetidos s aliasing significativa avaliar: onde Ãl(e™j) é fornecida pela equação 24, com Al(e™j) co mo equação 37, com Hk(eWJ) e Fk(eWJ) sendo as transformadas DFT de hk(n) e fk(n) a partir das equações 19 e 20. 4. O erro é em seguida ponderado com α como
[0084] Typically, the optimization procedure is an iterative procedure where given the prototype filter coefficients p0(n)(n=0, ...N-1) at a certain interaction step, the target delay D, o number of channels M, the numbers of lowband channels set to zero IoCut, the number of highband channels set to zero hiCut and the weighting factor α, a value for the objective function for this reiteration step is calculated. Using semi-complex operations and this comprises the steps: 1. To obtain the passband error and evaluate equation 32 with P(w) being a constant use where Hk(ejw) and Fk(ejw) are the DFT transforms of the analysis and synthesis filters hk(n) and fk(n) as generated from the prototype filter coefficients in this interaction step from equations 13 to 15 , respectively. 2. To get the aliasing error and for aliased terms not significantly aliased, evaluate and Hk(e™j) and Fk(e™j) are the transforms, that is, the z-transforms evaluated in the unit circle of the analysis and synthesis filters hk(n) and fk(n) from the equations 13 to 15. 3. For terms submitted to significant aliasing, evaluate: where Ãl(e™j) is given by equation 24, with Al(e™j) as equation 37, with Hk(eWJ) and Fk(eWJ) being the DFT transforms of hk(n) and fk(n) a from
[0085] Utilizando qualquer um dos algoritmos de otimização não linear referidos acima, este erro total é reduzido modificando os coe-ficientes do filtro protótipo até que um conjunto ótimo de coeficientes seja obtido. À guisa de exemplo, a direção do gradiente de máximo da função de erro ewt é determinada para os coeficientes de filtro protótipo em uma dada etapa de iteração. Utilizando uma certa dimensão de etapa, os coeficientes de filtro protótipo são modificados na direção do gradiente máximo. Os coeficientes de filtro protótipo modificado são utilizados como um ponto de partida para a etapa de iteração subsequente. O procedimento é repetido até que o procedimento de otimização tenha convergido para um valor mínimo da função de erro etot.[0085] Using any of the nonlinear optimization algorithms mentioned above, this total error is reduced by modifying the prototype filter coefficients until an optimal set of coefficients is obtained. By way of example, the direction of the maximum gradient of the error function ewt is determined for the prototype filter coefficients in a given iteration step. Using a certain step dimension, the prototype filter coefficients are modified in the direction of the maximum gradient. Modified prototype filter coefficients are used as a starting point for the subsequent iteration step. The procedure is repeated until the optimization procedure has converged to a minimum value of the etot error function.
[0086] Uma modalidade tomada como exemplo do procedimento de otimização está ilustrada na figura 3, como um fluxograma 300. Em uma etapa de determinação de parâmetro 301 os parâmetros do procedimento de otimização, isto é, notadamente a função de trans-ferência alvo que compreende o retardo alvo D, o número de canais M do banco de filtro alvo, o número N de coeficientes do filtro protótipo, o parâmetro de ponderação α da função de erro objetivo, bem como os parâmetros para a geração de aliasing, isto é, loCut e/ou hiCut são definidos. Em uma etapa de inicialização 302 um primeiro conjunto de coeficientes do filtro protótipo é selecionado.[0086] A modality taken as an example of the optimization procedure is illustrated in Figure 3, as a
[0087] Na unidade de determinação de erro de banda passante 303 o termo de erro de banda passante et é determinado utilizando o conjunto dado de coeficientes do filtro protótipo. Isto pode ser feito utilizando a equação 32 em combinação com as equações 35 e 13 até 15. Na unidade de determinação de erro de aliasing avaliado 304 uma primeira parte eaReal do termo de erro de aliasing ea pode ser determinada utilizando as equações 36 e 37 em combinação com as equações 13 até 15. Além disto, na unidade de determinação de erro de aliasing de valor complexo 305 uma segunda parte[0087] In the passband
[0088] eaCplx do termo de erro de aliasing ea pode ser determina da utilizando a equação 38 em combinação com as equações 19 e 20. Como uma consequência, a função de objetivo ewt pode ser de-terminada a partir dos resultados das unidades 303, 304 e 305, utili-zando a equação 39.[0088] eaCplx of the aliasing error term ea can be determined using equation 38 in combination with
[0089] A unidade de otimização não linear 306 utiliza métodos de otimização, tais como programação linear, para reduzir o valor da função de objetivo. À guisa de exemplo, isto pode ser feito determi-nando um gradiente possivelmente máximo da função de objetivo com relação a modificações dos coeficientes do filtro protótipo. Em outras palavras, estas modificações dos coeficientes do filtro protótipo podem ser determinadas, o que resulta em uma redução possivelmente máxima da função de objetivo.[0089] The
[0090] Se o gradiente determinado na unidade 306 permanece dentro de limites predeterminados, a unidade de decisão 307 decide que um mínimo da função de objetivo foi alcançado e termina o pro-cedimento de otimização na etapa 308. Se, por outro lado, o gradiente excede o valor predeterminado, então os coeficientes do filtro protótipo são atualizados na unidade de atualização 309. A atualização dos coeficientes pode ser realizada modificando os coeficientes com uma etapa predeterminada para a direção fornecida pelo gradiente. Eventualmente os coeficientes atualizados do filtro protótipo são reinseridos como uma entrada para a unidade de determinação de erro da banda passante 303 para outra iteração do procedimento de otimização.[0090] If the gradient determined in
[0091] No global, pode ser descrito que utilizando a função de erro acima e um algoritmo de otimização apropriado, filtros protótipos podem ser determinados, os quais são utilizados em relação ao seu grau de reconstrução perfeita, isto é, com relação a um aliasing baixa em combinação com fase baixa e/ou distorção de amplitude, sua resiliência a aliasing devido a modificações de sub-banda, seu retardo de sistema e/ou sua função de transferência. O método de projeto fornece parâmetros, notadamente um parâmetro de ponderação α, um retardo alvo D, uma função de transferência alvo P(w), um comprimento de filtro N, um número de canais de banco de filtro M, bem como parâmetros de disparo de aliasing hiCut, loCut, que podem ser selecionados para obter uma combinação ótima das propriedades de filtro mencionadas acima. Além disto, o ajustamento para zero de um certo número de canais de sub-banda, bem como o processamento complexo parcial podem ser utilizados para reduzir a complexidade global do procedimento de otimização. Como resultado, filtros protótipos assimétricos com uma propriedade de reconstrução quase perfeita, baixa sensibilidade o aliasing e um retardo baixo do sistema, podem ser determinados para utilização em um banco de filtro modulado por exponencial complexa. Deveria ser observado que o esquema de determinação acima de um filtro protótipo foi delineado no contexto de um banco de filtro modulado por exponencial complexa. Se outros métodos de projeto de banco de filtro são utilizados, por exemplo, métodos de projeto de banco de filtro modulados em cosseno ou modulados em seno, então o procedimento de otimização pode ser adaptado para gerar os filtros de análise e síntese hk(n) e fk(n) utilizando as equações de projeto do respectivo método de projeto de banco de filtro. À guisa de exemplo, as equações 13 até 15 podem ser utilizadas no contexto de um banco de filtro modulado por cosseno.[0091] Overall, it can be described that using the above error function and an appropriate optimization algorithm, prototype filters can be determined, which are used in relation to their degree of perfect reconstruction, that is, with respect to an aliasing low in combination with low phase and/or amplitude distortion, its resilience to aliasing due to subband modifications, its system delay and/or its transfer function. The design method provides parameters, notably a weighting parameter α, a target delay D, a target transfer function P(w), a filter length N, a number of filter bank channels M, as well as trigger parameters aliasing hiCut, loCut, which can be selected to get an optimal combination of the filter properties mentioned above. Furthermore, zero adjustment of a number of subband channels as well as partial complex processing can be used to reduce the overall complexity of the optimization procedure. As a result, asymmetrical prototype filters with an almost perfect reconstruction property, low aliasing sensitivity and a low system delay can be determined for use in a complex exponential modulated filterbank. It should be noted that the above determination scheme of a prototype filter was delineated in the context of a complex exponential modulated filterbank. If other filter bank design methods are used, for example cosine modulated or sine modulated filter bank design methods, then the optimization procedure can be adapted to generate the hk(n) analysis and synthesis filters and fk(n) using the design equations of the respective filter bank design method. By way of example, equations 13 to 15 can be used in the context of a cosine modulated filterbank.
[0092] No que segue, um exemplo detalhado de um banco de filtro de retardo baixo de 64 canais é descrito. Utilizando o método de otimização proposto anteriormente mencionado, um exemplo detalhado de um banco de filtro de 64 canais (M=64) de retardo baixo utilizado em termo de ganho de aliasing será delineado. Neste exemplo o método de otimização parcialmente complexo foi utilizado e os 40 canais os mais superiores foram ajustados para zero durante otimização do filtro protótipo, isto é, hiCut =40, enquanto o parâmetro loCut permaneceu não utilizado. Daí, todos os termos de ganho de aliasing exceto Ãl, onde l = 24, 40 são calculados utilizando filtros avaliados reais. O retardo total do sistema escolhido como D=319 e o comprimento do filtro protótipo N=640. Uma plotagem no domínio de tempo do filtro protótipo resultante é fornecida na figura 4a e a resposta em frequência do filtro protótipo está delineada na figura 4b. O banco de filtro oferece um erro de reconstrução de banda passante (amplitude e fase) de -72 dB. O desvio de fase de uma fase linear é menor do que ±0,02 °, e a supressão de aliasing é 76 dB quando nenhuma modificação é feita nas amostras de subbanda. Os coeficientes de filtro reais estão tabulados na Tabela 1. Observar que os coeficientes são escalonados por um fator M=64 com relação a outras equações neste documento que são dependentes de um escalonamento absoluto do filtro protótipo.[0092] In the following, a detailed example of a 64 channel low delay filter bank is described. Using the aforementioned proposed optimization method, a detailed example of a low-delay 64-channel (M=64) filterbank used in terms of aliasing gain will be outlined. In this example the partially complex optimization method was used and the top 40 channels were set to zero during optimization of the prototype filter, ie, hiCut =40, while the loCut parameter remained unused. Hence, all aliasing gain terms except Ãl, where l = 24, 40 are calculated using real evaluated filters. The total delay of the chosen system as D=319 and the length of the prototype filter N=640. A time-domain plot of the resulting prototype filter is provided in figure 4a and the frequency response of the prototype filter is outlined in figure 4b. The filter bank offers a passband reconstruction error (amplitude and phase) of -72 dB. The phase shift of a linear phase is less than ±0.02°, and aliasing suppression is 76 dB when no modification is made to subband samples. The actual filter coefficients are tabulated in Table 1. Note that the coefficients are scaled by a factor M=64 with respect to other equations in this document that are dependent on an absolute scaling of the prototype filter.
[0093] Embora a descrição acima do projeto do banco de filtro seja baseada em uma notação de banco de filtro padrão, um exemplo para operar o banco de filtro indicado, pode operar em outras descrições ou notações de banco de filtro, por exemplo, implemen-tações de banco de filtro que permitem uma operação mais eficiente em um processador de sinal digital.[0093] Although the above description of the filter bank design is based on a standard filter bank notation, an example to operate the indicated filter bank may operate in other filter bank descriptions or notations, for example, implement. -filter bank settings that allow for more efficient operation in a digital signal processor.
[0094] Em um exemplo, as etapas para filtrar um sinal em domínio de tempo que utiliza o filtro protótipo otimizado podem ser descritas como a seguir: - para operar o banco de filtro em uma maneira eficiente, o filtro protótipo, isto é, p0(n) da Tabela 1, é primeiro arranjado na repre-sentação polifásica onde cada outro dos coeficientes de filtro polifási- cos é negado e todos os coeficientes são deslocados no tempo como p0(639 -128m -n) = (-1)mp0(128m + n), 0 < n < 128,0 < m < 5 (40) - o estágio de análise começa com a representação polifá- sica do filtro sendo aplicada ao sinal no domínio de tempo x(n) para produzir um vetor xI(n) de comprimento 128 como - xI(n) é em seguida multiplicado com uma matriz de modu-lação como onde vk(n), k=0 63, constituem os sinais de sub-banda. O índice tempo n é em seguida fornecido em amostras de subbanda. - os sinais de sub-banda de valor complexo podem então ser modificados, por exemplo, de acordo com alguma curva de equalização gk(n) desejada, possivelmente variável com o tempo e de valor complexo como vk(m)(n) = gk(n)vk(n), 0<k<64. (43)[0094] In an example, the steps to filter a signal in time domain using the optimized prototype filter can be described as follows: - to operate the filter bank in an efficient way, the prototype filter, ie, p0 (n) from Table 1, is first arranged in the polyphase representation where each other of the polyphase filter coefficients is negated and all coefficients are time shifted as p0(639 -128m -n) = (-1)mp0 (128m + n), 0 < n < 128.0 < m < 5 (40) - the analysis stage starts with the polyphase representation of the filter being applied to the signal in the x(n) time domain to produce a vector xI(n) of length 128 as - xI(n) is then multiplied with a modulation matrix like where vk(n), k=0 63, constitute the subband signals. The index time n is then given in subband samples. - the complex valued subband signals can then be modified, for example, according to some desired gk(n) equalization curve, possibly time-varying and complex valued like vk(m)(n) = gk (n)vk(n), 0<k<64. (43)
[0095] O estágio de síntese começa com uma etapa de desmo- dulação dos sinais de sub-banda modificados como [0095] The synthesis stage starts with a demodulation step of the modified subband signals as
[0096] Deveria ser observado que as etapas de modulação das equações 42 e 44 podem ser realizadas em uma maneira muito efi-ciente computacionalmente e com algoritmos rápidos que utilizam núcleos de transformada rápida de Fourier (FFT).[0096] It should be noted that the modulation steps of equations 42 and 44 can be performed in a very computationally efficient way and with fast algorithms that use Fast Fourier Transform (FFT) cores.
[0097] As amostras desmoduladas são filtradas com a representação polifásica do filtro protótipo e acumuladas para o sinal de domínio de tempo de saída i(n) de acordo com onde x(n) é ajustado para zero para todos os n no momento de partida.[0097] The demodulated samples are filtered with the polyphase representation of the prototype filter and accumulated to the output time domain signal i(n) according to where x(n) is set to zero for all n at start time.
[0098] Deveria ser observado que ambas as implementações de ponto flutuante e ponto fixo deveriam mudar a precisão numérica dos coeficientes fornecidos na Tabela um para algo mais adequado para processamento. Sem limitar o escopo, os valores podem ser quantizados para uma precisão numérica mais baixa por arredon-damento, truncamento e/ou escalonamento dos coeficientes para inteiros ou outras representações, em particular representações que são adaptadas para os recursos disponíveis de uma plataforma de hardware e/ou software na qual o banco de filtro deve operar.[0098] It should be noted that both floating-point and fixed-point implementations should change the numerical precision of the coefficients given in Table one to something more suitable for processing. Without limiting scope, values can be quantized to lower numerical precision by rounding, truncating and/or scaling the coefficients to integers or other representations, in particular representations that are adapted to the available resources of a hardware platform and /or software the filterbank should operate on.
[0099] Além disto, o exemplo acima delineia operação onde o sinal de saída no domínio de tempo é da mesma frequência de amostragem que o sinal de entrada. Outras implementações podem reamostrar o sinal em domínio de tempo utilizando diferentes tamanhos, isto é, diferente número de canais dos bancos de filtro de análise e síntese, respectivamente. Contudo, os bancos de filtro deveriam ser baseados no mesmo filtro protótipo e são obtidos reamos- trando o filtro protótipo original através de decimação ou de interpolação. Como um exemplo, um filtro protótipo para um banco de filtro de 32 canais é conseguido reamostrando os coeficientes p0(n) como [0099] Furthermore, the example above delineates operation where the output signal in the time domain is of the same sampling frequency as the input signal. Other implementations can resample the signal in time domain using different sizes, that is, different number of channels of the analysis and synthesis filter banks, respectively. However, the filter banks should be based on the same prototype filter and are obtained by resampling the original prototype filter through decimation or interpolation. As an example, a prototype filter for a 32-channel filterbank is achieved by resampling the p0(n) coefficients as
[00100] O comprimento do novo filtro protótipo é daí 320, e o re- tardo é D = |_319/2_| = 159, onde o operador |_-_| retorna à parte inteira de seu argumento. Tabela 1 - Coeficientes de um filtro protótipo de baixo retardo de 64 canais [00100] The length of the new prototype filter is then 320, and the delay is D = |_319/2_| = 159, where the operator |_-_| returns to the entire part of your argument. Table 1 - Coefficients of a 64-channel low-delay prototype filter
[00101] no que segue, diferentes aspectos de implementações práticas são delineados. Utilizar uma operação em tempo real padrão, PC ou DSP de um banco de filtro modulado por exponencial complexa de retardo baixo é possível. O banco de filtro também pode ser codificado em um chip cliente. A figura 5a mostra a estrutura para uma implemen-tação efetiva da parte de análise de um sistema de banco de filtro mo-dulado por exponencial complexa. O sinal de entrada analógico é pri-meiro alimentado para um conversor A/D 501. O sinal digital em domí-nio de tempo é alimentado para um registrador de deslocamento que sustenta 2M amostras deslocando M amostras em um momento 502. Os sinais a partir do registrador de deslocamento são então filtrados através de coeficientes polifásicos do filtro protótipo 503. Os sinais fil-trados são em seguida combinados 504 e em paralelo transformados com uma transformada DCT-IV 505 e uma DST-IV 506. As saídas das transformadas em cosseno e seno constituem as partes real e imagi-nária das amostras de sub-banda, respectivamente. Os ganhos das amostras de sub-banda são modificados de acordo com o ajuste do ajustador de envoltória espectral corrente 507.[00101] In what follows, different aspects of practical implementations are outlined. Using a standard real-time PC or DSP operation of a low-delay complex exponential-modulated filter bank is possible. The filter bank can also be encoded on a client chip. Figure 5a shows the structure for an effective implementation of the analysis part of a complex exponential modulated filterbank system. The analog input signal is first fed to a 501 A/D converter. The time-domain digital signal is fed to a shift register which holds 2M samples by shifting M samples at a
[00102] Uma implementação efetiva da parte de síntese de um sistema modulado por exponencial complexa de retardo baixo está mostrada na figura 5b. As amostras de sub-banda são primeiro multiplicadas com fatores manipulados de valores complexos, isto é, constantes dependentes de canal de valores complexos 511 e a parte real é mo-dulada com um DCT-IV 512 e a parte imaginária com uma transforma-da DST-IV 513. As saídas das transformadas são combinadas 514 e alimentadas através dos componentes polifásicos do filtro protótipo 515. O sinal de saída em domínio de tempo é obtido a partir do registro de deslocamento 516. Finalmente, o sinal de saída digital é convertido de volta para uma forma de onda analógica 517.[00102] An effective implementation of the synthesis part of a low-delay complex exponential modulated system is shown in figure 5b. The subband samples are first multiplied with complex value manipulated factors, ie, channel dependent constants of
[00103] Embora as implementações delineadas acima utilizem transformadas DCT e DST de tipo IV, implementações utilizando nú-cleos DCT tipo II e tipo III são igualmente possíveis (e também imple-mentações baseadas em DST tipo II e III). Contudo, as implementa-ções computacionalmente mais eficientes para bancos modulados por exponenciais complexas utilizam núcleos FFT puros. Implementações que utilizam uma multiplicação direta de matriz-vetor também são pos-síveis, porém são inferiores em eficiência.[00103] Although the implementations outlined above use DCT and DST type IV transforms, implementations using DCT type II and type III cores are equally possible (and also implementations based on DST type II and III). However, the most computationally efficient implementations for complex exponential modulated banks use pure FFT cores. Implementations that use a direct matrix-vector multiplication are also possible, but they are inferior in efficiency.
[00104] Em resumo, o presente documento descreve um método de projeto para filtros protótipos utilizados em bancos de filtro de análise e síntese. Propriedades desejadas dos filtros protótipos e os bancos de filtro de análise/síntese resultantes são de reconstrução quase perfeita, retardo baixo, baixa sensibilidade a aliasing e distorção mínima de amplitude/fase. Uma função de erro é proposta, a qual pode ser utili-zada em um algoritmo de otimização para determinar coeficientes apropriados dos filtros protótipos. A função de erro compreende um conjunto de parâmetros que pode ser sintonizado para modificar a ên-fase entre as propriedades de filtro desejadas. Preferivelmente, filtros protótipos assimétricos são utilizados. Além disto, um filtro protótipo é descrito, o qual fornece um bom compromisso de propriedades de filtro desejadas, isto é, reconstrução quase perfeita, retardo baixo, alta resi- liência a aliasing, e distorção mínima de fase/amplitude.[00104] In summary, this document describes a design method for prototype filters used in analysis and synthesis filter banks. Desired properties of the prototype filters and the resulting analysis/synthesis filterbanks are near perfect reconstruction, low delay, low aliasing sensitivity, and minimal amplitude/phase distortion. An error function is proposed, which can be used in an optimization algorithm to determine appropriate coefficients of the prototype filters. The error function comprises a set of parameters that can be tuned to modify the emphasis between the desired filter properties. Preferably, asymmetrical prototype filters are used. In addition, a prototype filter is described, which provides a good compromise of desired filter properties, ie, near-perfect reconstruction, low delay, high aliasing resiliency, and minimal phase/amplitude distortion.
[00105] Embora modalidades e aplicações específicas tenham sido descritas aqui, será evidente àqueles de talento ordinário na técnica, que diversas variações nas modalidades e aplicações descritas aqui são possíveis sem se afastar do escopo da invenção descrita e aqui reivindicada. Deveria ser entendido que embora certas formas da in-venção tenham sido mostradas e descritas, a invenção não está limi-tada às modalidades específicas descritas e mostradas, ou aos méto-dos específicos descritos.[00105] Although specific modalities and applications have been described herein, it will be evident to those of ordinary skill in the art that various variations in the modalities and applications described herein are possible without departing from the scope of the invention described and claimed herein. It should be understood that while certain forms of the invention have been shown and described, the invention is not limited to the specific embodiments described and shown, or to the specific methods described.
[00106] O método e sistema de projeto de filtro, bem como o banco de filtro descrito no presente documento, podem ser implementados como software, firmware e/ou hardware. Certos componentes podem, por exemplo, ser implementados como software que opera em um processador ou microprocessador de sinal digital. Outros componentes podem ser, por exemplo, implementados como hardware e/ou circuitos integrados de aplicação específica. Os sinais encontrados nos métodos e sistemas descritos podem ser armazenados em mídias tais como memória de acesso randômico ou meio ótico de armazenagem. Eles podem ser transferidos através de redes tais como redes de rádio, redes de satélite, redes sem fio ou redes com fio, por exemplo a Internet. Dispositivos típicos que fazem uso dos bancos de filtro descritos no presente documento são caixas de sincronização ou outros equipamentos de instalações de cliente, que decodificam sinais de áudio. No lado de codificação os bancos de filtro podem ser utilizados em estações de radiodifusão, por exemplo, em sistemas de radiodifusão sonora de vídeo.[00106] The filter design method and system, as well as the filter bank described in this document, can be implemented as software, firmware and/or hardware. Certain components can, for example, be implemented as software that operates on a digital signal processor or microprocessor. Other components can be, for example, implemented as application-specific hardware and/or integrated circuits. The signals found in the described methods and systems can be stored on media such as random access memory or optical storage media. They can be transferred over networks such as radio networks, satellite networks, wireless networks or wired networks, for example the Internet. Typical devices that make use of the filter banks described in this document are synchronization boxes or other customer premises equipment, which decode audio signals. On the coding side, filter banks can be used in broadcast stations, for example, in video audio broadcast systems.
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