CN101473535A - 用于在数字域处理数字输入信号的方法及用于处理数字输入信号的数字滤波器电路 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种方法，用于在数字域处理数字输入信号(x(i))，包括：使用采样频率(fs)对所述数字输入信号(x(i))的宽带输入频率进行采样，其中使用抽取因子(D)进行抽取，利用可配置延迟，对采样得到的输入频率执行线性成形，生成包含线性成形的输入频率的输出信号(y(i))，其中输出信号(y(i))具有与所述输入信号(x(i))相同的采样频率。
Description
技术领域
本发明涉及用于处理数字输入信号的方法，例如用于在数字扬声器系统中的应用。进一步地，本发明涉及数字滤波器电路，特别是用在数字扬声器系统中的数字滤波器电路。
背景技术
在很多应用中，数字滤波器已代替传统的模拟滤波器。特别地，高频数字滤波器在无线网络设备和其他射频应用(如有源扬声器系统)中的使用日益广泛。
有源扬声器系统的数字声音质量由交叉网络(crossover network)和功率放大器提供，并由于受到高级的MOSFET工艺和集成电路设计技术的驱使，在近些年得到充分提高。有源扬声器(如多路扬声器系统)，包括从特定生产商可知的交叉网络(如T+A)。有源交叉网络需要大容量的电感和电容。在通常的交叉网络中，不论是有源的还是无源的，对应每一个交叉中的一个通带，总会在整体响应中引入群时延失真。特别地，数字交叉网络使用大量的处理时间用于数字滤波。进一步地，已知的支持直接使用有限脉冲响应(finite-impulse response，FIR)的数字滤波器(用于低频的高Q成形滤波)呈现出非常长的脉冲响应，并因此通常呈现出非常高的实现复杂度。
发明内容
因此，本发明的目的在于提供一种改进的方法，用于处理数字输入信号，该方法具有改进的抑制特性而没有很大地增加滤波器特性的复杂度。进一步地，本发明的目的在于提供具有低复杂度解决方案的数字滤波器电路。
通过在数字域用于处理数字输入信号x(i)的方法，可以实现以上提到的目的，该方法包括：
使用采样频率fs采样所述数字输入信号x(i)的宽带输入频率，使用抽取因子D进行抽取。
通过可配置的延迟，线性成形采样得到的输入频率，
产生输出信号y(i)，其包含线性成形的输入频率，其中输出信号y(i)具有与所述输入信号x(i)相同的采样频率。
本发明的关键在于数字输入信号x(i)的线性成形。本发明提供用于数字滤波器结构的新颖技术，其使得可以实现根据所需幅度和相位响应的成形滤波器。在这种方法中，与采样频率fs相比，甚至对于非常低频率的高Q成形滤波函数，也能获得较低的实现复杂度。
在本发明的优选实施例中，在每一级N，采样频率fs被预先设定的抽取因子D抽取成抽取器输出信号，抽取输出信号具有频率fs/Dn，其中n等于0到N。较佳地，抽取因子D是2。当预先设定的抽取因子D是2时，输入频率的一半带宽被用于线性成形。换句话说：所提议的结构包括连续线性相位半频带抽取滤波器(特别是FIR滤波器)链，以将输入信号x(i)分割成倍频间隔的频带(简称为“分析链”)，其中从一级N到下一级N+1，采样频率fs被除以2。
在本发明进一步的实施例中，所述抽取器输出信号通过数字成形滤波器组(digital shaping filter bank)(具有不同的通带以及可配置的延迟)线性成形为成形滤波器输出信号。针对抽取器输出信号的线性成形滤波，多个单个FIR滤波器被通过这样一种方式进行特别设计，即整体结构接近所需的整体目标响应。
然后，所述成形滤波器输出信号被同一个预先设定的抽取因子D(如D＝2)上采样和插值成所述输出信号y(i)。换句话说：使用连续的半频带插值器(如FIR插值器)链，成形滤波器组的成形滤波器输出信号被2上采样(upsample)。在这种方式中，相同采样频率fs的信号在下一次上采样之前被相加(简称为“合成链”)。
较佳的数字滤波器电路包括：
至少一个分析链，用于使用采样频率fs采样数字输入信号x(i)的宽带输入频率，使用抽取因子D进行抽取，
至少一个数字成形滤波器组，连接到所述分析链的输出，用于利用可配置延迟对采样得到的输入频率进行线性成形，
至少一个合成链，连接到所述数字成形滤波器组的输出，用于产生包含所述线性成形输入频率的输出信号y(i)，其中输出信号y(i)具有与输入信号x(i)相同的采样频率。
所述分析链包括至少一个抽取器，使用低通滤波和遵从采样定理的后续下采样对所述数字输入信号x(i)进行抽取，产生抽取器输出信号。此外，所述分析链包括至少两个抽取器，其中所述抽取器中至少一个的抽取器输出信号是所述抽取器中另一个的抽取器输入信号。例如，使用例如FIR半频带抽取器链，数字输入信号x(i)被抽取因子D(其值为2)连续下采样。
分析链的抽取器输出信号被馈送到成形滤波器组(包括单独FIR成形滤波器)。所述成形滤波器组特别包括至少两个线性相位有限脉冲响应成形滤波器(随后简称为FIR成形滤波器)，每一个FIR成形滤波器具有可配置的一定长度的非零脉冲响应，并依次具有可配置的延迟，且所述抽取器输出信号或抽取器输入信号之一输入哪一个FIR成形滤波器，哪一个FIR成形滤波器便因此产生成形滤波器输出信号。这样设计的单个FIR成形滤波器使得以最小的复杂度(即最少数目的乘法)实现灵活的滤波器。进一步地，为了设计成形滤波器组，首先通过使用高斯脉冲(其宽度与频率成比例或其宽度根据所谓的MEL比例随频率的不同而变化)对传递函数进行滤波来清理整体目标频率响应。也可使用其他脉冲替代高斯脉冲。清理后，整体目标频率响应被一组交叠的、频率相关的加权函数加权，以获取针对成形滤波组中单个FIR成形滤波器的目标响应。这些单个FIR成形滤波器被设计以在频域使用最小二乘法。
进一步地，合成链包括被馈送以成形滤波器输出信号的至少一个加法器和一个插值器，由此成形滤波输出信号被上采样并插值以产生插值器输出信号，并由此所述加法器对一个所述成形滤波输出信号和一个所述插值器输出信号(两者都有相同的采样频率fs)求和，因此产生加法输出信号y(i)。特别地，合成链包括至少两个所述插值器和至少两个所述加法器，其中至少一个所述插值器的所述成形滤波器输出信号是加法器的加法器输出信号。在进一步的实施例中，所有的插值器通过所有抽取器的相同的抽取因子D插值，其中抽取因子是二。换句话说：成形滤波器输出信号被馈送到连续半频带插值器链，连续半频带插值器链通过值为2的因子以这样的方式执行上采样，在下一次插值/上采样之前将具有相同采样频率fs的信号相加。
所描述的数字滤波器电路可用于设计有源扬声器系统(具有数字交叉网络和用于每一个扬声器的单个数字功率放大器)中的联合交叉和成形网络。进一步地，本发明可用于一种使用针对所有滤波器的目标响应(可源自测量数据)设计宽带成形滤波器的方法。
在构造用于扬声器系统中的数字交叉网络的成形滤波器组的应用中，其中全部的输入频带可在多个扬声器中被分割，每一个扬声器具有其相应的频带，可以使用单个合成链，因此减少计算的复杂度。进一步地，既然每一个扬声器只覆盖输入频带的一部分，可节省用于每个扬声器的成形滤波器组中的FIR成形滤波器数目，因此更减少了复杂度。以这种方式，用于扬声器系统的数字交叉网络的复杂度主要由用于最高频率的组件(可只用于高频扬声器)的FIR成形滤波器决定，亦即复杂度并不随扬声器系统中的扬声器的数目显著增长。
附图说明
前述的或其他本发明的目的、特性和优点将从以下，特别是对本发明的实施例的描述并结合附图变得明显。附图中：
图1示出了具有分析链、成形滤波器组和合成链的数字滤波器电路的示意图，
图2示出了用于处理交叉网络(用于数字有源扬声器系统)中数字输入的系统应用的示意图，
图3示出了用于数字有源扬声器系统的所述数字交叉网络的用户应用示意图，
图4示出了半频带抽取器的示意图，
图5示出了半频带插值器的示意图，
图6a、6b示出了半频带抽取器或插值器的可能的渐变区的图，
图7示出了输入信号子频带的加权函数图，
图8示出了三路扬声器系统中数字交叉网络的方框图，且
图9示出了超低音(subwoofer)/卫星扬声器系统中数字交叉网络的方框图。
具体实施方式
图1示出了具有分析链2、成形滤波器组3和合成链4的数字滤波器电路1的示意图。
在分析链2中，具有采样频率fs的输入信号x(i)通过值为2的抽取因子D进行连续抽取，其中抽取包括抽取滤波，如低通滤波，以及后续的满足采样定律的下采样。在所述的实施例中，分析链2包括预定数量的抽取器5，其中所述抽取器中至少一个的抽取器输出信号是所述抽取器5中另一个的抽取器输入信号。
抽取器5的预定数量取决于所给定的应用(如用于3路扬声器系统)并等于相应的基于应用的级数N。更详细地，采样频率fs被在每一级N中预先设定的抽取因子D(特别地，D＝2)抽取成抽取器输出信号，抽取器输出信号具有以下频率fs/Dn，其中n等于0到N，fs＝采样频率，D＝抽取因子，N＝级数。
这样抽取得到的输入频率fs/2n被传送到成形滤波器组3中对应的单个的FIR成形滤波器6。单个FIR成形滤波器6的数目等于级数N。单个FIR成形滤波器6以这样的方式特别设计，即总结构接近所需的整体目标响应。每一个FIR成形滤波器6具有可配置的一定长度的非零脉冲响应(其依次具有可配置的延迟)，以支持最小复杂度下的灵活的滤波器实现。
在本发明进一步的实施例中，一个或多个FIR成形滤波器6(如用于最高频率的FIR成形滤波器6)基于快速傅里叶变换(fast fouriertransformation，FFT)而非直接实现整个成形。特别对于工作在最高频率的FIR成形滤波器6而言，这将进一步减少复杂度。换句话说：对于每一级N实现单独的FIR成形滤波器6，其中用于最低频率的FIR成形滤波器6被直接实现，而用于最高频率的FIR滤波器基于FFT实现。
然后，在合成链4中，成形滤波器组3的成形滤波器输出信号通过值为2的同一个抽取因子D连续插值，其中插值包括上采样和后续的插值滤波，以在相应的下一个插值阶段前，对同一个采样频率fs下的信号求和。具体地，合成链4包括至少一个加法器7(其被输入成形滤波器输出信号)和一个插值器8，由此成形滤波输出信号被上采样并插值以产生插值器输出信号，并由此所述加法器7对所述成形滤波输出信号中的一个和所述插值器输出信号中的一个(两者都有相同的采样频率fs)求和，从而产生加法器输出信号y(i)。
在所示的实施例中，合成链4包括多个加法器7和插值器8，其中至少一个所述插值器8的插值器输入信号是加法器7的加法器输出信号。
在图2中示出了用于交叉网络9中数字滤波器电路1的应用的示意图，交叉网络9和数字功率放大器10用于数字有源扬声器系统11。数字输入信号x(i)通过交叉网络9在多个扬声器12.1到12.3中被分割，每一个扬声器具有其对应的通带LP、BP和HP。
数字滤波器电路1可在专用集成电路或其他适合的集成电路技术中实现。数字滤波器1也可通过程序指令实现，程序指令执行与本发明的方法一致的步骤(用于在图3所示的数字信号处理器(简称DSP)13中或通用微处理器中执行)。在这样的应用中，扬声器12.1到12.3的传递函数都会被测量。可通过定义整个系统的通带特性、选择交叉频率和形状、执行针对所有的扬声器12.1到12.3的成形滤波器的联合设计以及使用测量数据(可例如通过高斯滤波进行清理(clean))定义整体处理延迟，来配置数字滤波器电路1的结构。
图4示出了半频带抽取器5的一个可能的实施例。该实施例使用半频带FIR抽取器5来最小化抽取复杂度。这些半频带FIR抽取器5基于半频带FIR低通滤波器，其对于长度M、滤波公式h(m)具有以下参数，其中M属于{3，7，11，15，19...}，0<＝m<＝M-1：
-h(m)＝h(M-l-m)
-对于M为偶数且m不等于(M-1)/2，h(m)＝0。
对于滤波器长度L，只需要(L+1)/4次乘法运算。
在图5中，类似示出了半频带插值器8，作为基于半频带FIR低通滤波器的半频带FIR插值器实现。
图6a和6b示出了具有半频带抽取器5或插值器8的可能的渐变区的图。通带范围从零到采样频率fs的六分之一，且阻带范围从采样频率的三分之一到耐奎斯特频率(Nyquist frequency)。换句话说：渐变区占可用带宽的三分之一。
在本发明进一步的实施例中，单个FIR成形滤波器6以通过子频带的特定加权函数加权整体目标响应的方式进行设计。加权函数以这样的方式进行定义，如图7所示(输入信号x(i)的子频带的加权函数图)，在第一和最后一个加权函数之间跨越输入频率或整个频率x(i)的范围，累加所有的加权函数可以得到一个常数。
可替代地，可在频域中使用最小二乘法，根据子频带特定目标响应设计FIR成形滤波器6。
在进一步的可替代实施例中，单个FIR成形滤波器6可根据整体目标响应(原始目标响应被滤波(清理)后的版本)进行设计，其中，滤波包括在频域内使用高斯信号对传递函数进行高斯滤波，高斯信号的宽度与频率成比例或遵循所谓Mel比例。也可以使用除了高斯信号外的其他公式。
另一个实施例以这样的方式扩展成形滤波器组3为多输出信号，如图8所示，只实现一个单独的分析链2，其将下采样后的输入频率馈送到多个成形滤波器组3.1到3.3以及合成链4.1到4.3。图8示出了三路扬声器系统11中的数字交叉网络9的方框图。多个成形滤波器组3.1到3.3共用一个单独的分析链2，以减小复杂度。在本实施例中，对应多输出信号y1(i)(高音输出)、y2(i)(中音输出)以及y3(i)(低音输出)的多个成形滤波器组3.1到3.3以及多个合成链4.1到4.3只被部分地实现，以进一步减小应用(其中对应的y1(i)到y3(i)只发送输入频带的一部分)中的复杂度。较佳地，在本应用中，通过改变用于对应扬声器12.1到12.3的级N的数目，可以改变用于每一个扬声器12.1到12.3的频带或子频带的数目。
在可替换的实施例中，交叉网络9使用多个成形滤波器组3.1到3.3的联合设计，以使系统整体响应包括数字交叉网络9。多个扬声器12.1到12.3满足在从数字输入信号x(i)到声波的转换中特定的目标响应。
图9示出了数字交叉网络9的可替换实施例的方框图，用于如超低音/卫星扬声器系统11，其具有五个扬声器12.1到12.5，一个超低音扬声器和两个卫星扬声器。本实施例使用多个输入信号x1(i)，x2(i)和多个分析链2.1、2.2，并在将抽取的分析链输出馈入成形滤波器组3.1到3.5和相关的合成链4.1到4.5中的一些组件之前，合并抽取的分析链输出。对于超低音通路，在成形滤波前合并两路分析链2.1和2.3(也被称为抽取左通道和抽取右通道)。
所描述的本发明的关键概念使得用于不同有源数字扬声器的应用成为可能，有源数字扬声器可以是用于带有数字接口的Hi-Fi和多媒体有源数字扬声器，包括数字交叉网络、用于所有的扬声器的数字功率放大器以及功率管理单元。另外的应用包括声音再现系统，如在移动电话、汽车或用于电视设备的声音再现系统。
Claims (14)
1.一种方法，用于在数字域处理数字输入信号(x(i))，包括：
使用采样频率(fs)对所述数字输入信号(x(i))的宽带输入频率进行采样，其中使用抽取因子(D)进行抽取，
利用可配置延迟，对采样得到的输入频率执行线性成形，
生成包含线性成形的输入频率的输出信号(y(i))，其中输出信号(y(i))具有与所述输入信号(x(i))相同的采样频率。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，采样频率(fs)被在每一级中预先设定的抽取因子(D)抽取，从而得到抽取器输出信号，抽取器输出信号具有频率fs/Dn，其中n等于0到N。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，当预先设定的抽取因子(D)是2时，输入频率的一半带宽被用于线性成形。
4.根据权利要求2或3所述的方法，其特征在于，通过具有不同通带并具有可配置延迟的数字成形滤波器组(3、3.1到3.5)，将所述抽取器输出信号线性成形，从而得到成形滤波器输出信号。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，通过相同的预先设定的抽取因子(D)对所述成形滤波器输出信号进行上采样和插值，从而得到所述输出信号(y(i))。
6.一种数字滤波器电路(1)，包括：
至少一个分析链(2、2.1到2.2)，用于使用采样频率(fs)对所述数字输入信号(x(i))的宽带输入频率进行采样，其中使用抽取因子(D)进行抽取，
至少一个数字成形滤波器组(3、3.1到3.5)，连接到所述分析链(2、2.1到2.2)的输出，用于利用可配置延迟来对采样得到的输入频率进行线性成形。
至少一个合成链(4、4.1到4.5)，连接到所述数字成形滤波器组(3、3.1到3.5)的输出，用于产生包含线性成形的输入频率的输出信号(y(i))，其中输出信号(y(i))具有与输入信号(x(i))相同的采样频率(fs)。
7.根据权利要求6所述的数字滤波器电路(1)，其中所述分析链(2、2.1到2.2)包括至少一个抽取器(5)，所述抽取器(5)使用低通滤波和遵从采样定理的后续下采样对所述数字输入信号(x(i))进行抽取，从而产生抽取器输出信号。
8.根据权利要求7所述的数字滤波器电路，其特征在于，所述数字成形滤波器组(3、3.1到3.5)包括至少两个线性相位有限脉冲响应成形滤波器(FIR0，0到FIRk，N，FIR0到FIRN)，每一个线性相位有限脉冲响应成形滤波器具有可配置的一定长度的非零脉冲响应，并依次具有可配置的延迟，并且所述抽取器输出信号或抽取器输入信号之一输入哪一个线性相位有限脉冲响应成形滤波器，哪一个线性相位有限脉冲响应成形滤波器便产生成形滤波器输出信号。
9.根据权利要求8所述的数字滤波器电路，其特征在于所述合成链(4、4.1到4.5)包括被馈送以成形滤波器输出信号的至少一个加法器(7)以及一个插值器(8)，由此所述成形滤波器输出信号被上采样并插值以产生插值器输出信号，从而所述加法器(7)将具有相同的采样频率(fs)的所述成形滤波器输出信号之一和所述插值器输出信号之一相加，以产生加法器输出信号(y(i))。
10.根据权利要求6至9中任意一项所述的数字滤波器电路，其中所述分析链(2、2.1到2.2)包括至少两个抽取器(5)，其中至少一个所述抽取器(5)的抽取器输出信号是另一个所述抽取器(5)的抽取器输入信号。
11.根据权利要求9或10所述的数字滤波器电路，其中所述合成链(4、4.1到4.5)包括至少两个所述插值器(8)和至少两个所述加法器(7)，其中至少一个所述插值器(8)的所述成形滤波器输出信号是加法器(7)的加法器输出信号。
12.根据权利要求6至11中任意一项所述的数字滤波器电路，其中所有抽取器(5)通过相同的抽取因子(D)进行抽取，并且所有插值器(8)通过所述抽取因子(D)进行插值。
13.根据权利要求12所述的数字滤波器电路，其中抽取因子(D)是2。
14.一种使用数字滤波器电路(1)的方法，用于针对每一个扬声器(12.1到12.5)设计带有数字交叉网络(9)和单个数字功率放大器(10)的有源扬声器系统(11)。
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2007
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Cited By (1)
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|---|---|---|---|---|
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