CN101764611B - 一种采样率转换方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种采样率转换方法和装置，该方法先使用至少一次上下转采样方法将输入信号从输入采样率转换到一过渡采样率，其中此过渡采样率和输入采样率的最简整数比例中，分子和分母均为尽可能最小的整数；然后使用至少一次插值方法将输入信号从过渡采样率转换到目标采样率。本发明结合了插值算法和上下转采样方法的优点，其中该最简整数比例的分子和分母相对小的取值有助于使上下转采样方法有在算法复杂度上极大地下降，而性能上没有明显损失。

Description

一种采样率转换方法和装置
技术领域
本发明涉及音频信号处理领域，尤其涉及一种采样率转换方法和装置。
背景技术
在绝大多数音频系统里，采样率的转换是极其重要的一环。由于音频序列的采样率有很多种(常见的有8k，11.025k，12k，12.8k，16k，22.05k，24k，32k，44.1k，48k，单位是Hertz)，因此在音频输出设备里，需要考虑设计针对很多采样率的模拟-数字转换器，这样会带来成本的增加。一种可行的解决方法则是将所有的采样率都转换到特定有限组采样率中。
采样率转换是将输入信号从某一个采样率转换到另一个采样率。在音频系统里，通常的转换是在几个特定采样率里完成的，即一些常见音频采样率(8k，11.025k，12k，12.8k，16k，22.05k，24k，32k，44.1k，48k)之间的互相转换。常见的方法是插值算法和上下转采样方法。插值的方法比较简单，根据输入采样率和输出采样率的比例对输入信号进行插值。最常见的插值方法则是线性插值。上下转采样方法是确定输入采样率以及输入采样率的比例的最简整数比例，(例如32kHz和44.1kHz的最简整数比例是320∶441)，再根据这个最简整数比例进行上采样和下采样，达到采样率转换的目的。则需要先升再降采样处理，期间需要进行反混叠的滤波，需要较大量的运算，其效果也通常好于线性插值算法。
考虑到在实际应用里，开销是一个很重要的因素，可以看到转采样的两类通用算法里，插值是一种开销小但效果差的方法，而上下转采样方法则有着良好的效果，但是它有着很大的开销，而且在某一些采样率的转换里，例如32kHz到44.1kHz的转换，它需要的开销极其大，可以认为是不可实现的。
发明内容
本发明的目的是提供一种采样率转换方法和装置，结合了上下转采样方法和插值方法的优点，并克服了二者的缺点。
为此，本发明的一实施例提出一种采样率转换方法，包括以下步骤：
使用至少一次上下转采样方法将输入信号从输入采样率转换到一过渡采样率，其中所述过渡采样率和所述输入采样率的最简整数比例中，分子和分母均为尽可能最小的整数；以及
使用至少一次插值方法将所述输入信号从所述过渡采样率转换到所述目标采样率。
在上述的方法中，连续采用两次或者两次以上的所述上下转采样方法进行所述输入采样率到所述过渡采样率的转化。
根据本发明的另一实施例，提出一种采样率转换方法，包括以下步骤：
使用至少一次插值方法将输入信号从输入采样率转换到一过渡采样率，使所述过渡采样率和一目标采样率的最简整数比例中，分子和分母均为尽可能最小的整数；以及
使用至少一次上下转采样方法将所述输入信号从所述过渡采样率转换到所述目标采样率。
在上述的方法中，上下转采样方法包括：先增加信号的采样率，再进行低通滤波防止混叠，最后降低信号的采样率。
在上述的方法中，插值方法包括线性插值方法或多项式插值方法。
另一方面，本发明一实施例提出一种采样率转换装置，包括：
第一转采样单元，使用至少一次上下转采样方法将输入信号从输入采样率转换到一过渡采样率，其中所述过渡采样率和所述输入采样率的最简整数比例中，分子和分母均为尽可能最小的整数；以及
第二转采样单元，使用至少一次插值方法将所述输入信号从所述过渡采样率转换到所述目标采样率。
本发明的另一实施例提出一种采样率转换装置，包括：
第一转采样单元，使用至少一次插值方法将输入信号从输入采样率转换到一过渡采样率，使所述过渡采样率和一目标采样率的最简整数比例中，分子和分母均为尽可能最小的整数；以及
第二转采样单元，使用至少一次上下转采样方法将所述输入信号从所述过渡采样率转换到所述目标采样率。
本发明相对于现有的转采样方法的最主要的优势是结合了上下转采样方法和插值方法的好处，并在一定程度上克服了它们各自的缺点。通过使上下转采用方法中的最简整数比例的分子和分母有相对小的取值，本发明的算法可以达到上下转采样方法的效果，并且在算法复杂度上极大降低。
附图说明
图1示出根据本发明一实施例的采样率转换装置结构框图。
图2示出根据本发明一实施例的采样率转化方法流程图。
图3示出根据本发明另一实施例的采样率转化方法流程图。
具体实施方式
本发明是提出一种采样率转换的方法，它结合上下转采样和插值两个方法的优点并且尽量克服了它们的缺点，以尽可能的满足精度和性能的需求。
图1示出根据本发明一实施例的采样率转换装置10的结构框图。图2示出根据本发明一实施例的采样率转化方法流程图。下面参照图1和图2描述本发明的具体实施例。
考虑输入采样率是fi，输出采样率(即目标采样率)是fo。我们首先利用第一转采样单元11用上下转采样的方法(参照步骤201)将输入信号的采样率转到输出采样率附近的过渡采样频率fi′上，即令fi′与fo满足：
|fi′-fo|≤η
其中，η为预定值，它由输入采样率和输出采样率来决定。
同时应满足：
Figure GSB00000906042000031
且分子p，分母q均为较小的整数。
p/q为上述两频率的最简整数比例，合理的p，q的取值应相对小。理想的p，q取值是取到尽可能最小。
例如，当输入采样率为32k，输出采样率为44.1k的时候，可以选择将采样率先转到44k(η＝0.1)，即p＝11，q＝8。相比直接进行上下转采样，这一过渡的转换比例的开销将可大幅降低。
一种上下转采样方法的实施例描述如下。首先将信号上采样p倍，即在两个样本点之间补满p-1个零，然后对此信号进行低通滤波以防止信号频谱上的混叠，低通滤波器的截止频率根据p和q来决定，最后对信号进行下采样q倍，即将低通滤波以后的信号每隔q-1个点取一个点作为输出信号，输出信号的采样率即为需要的fi′。
另外，本步骤还可以采样2次或2次以上的上下转采样方法来完成，它等效于进行一次转采样。举例来说，上例可以被分解为p1＝11，q1＝4，p2＝1，q2＝2的两次上下转采样，它等效于p＝11，q＝8一次转采样。而在多次上下转采样过程中，可以采用多相滤波器组进行转采样，即在信号增加或者降低采样率的时候，并联数个滤波器对信号进行低通滤波。
由于此时采样信号的采样率和目标采样率已经很接近了，因此可以考虑采用插值的方法(参照步骤202)，即一种效果较差但是较容易实现的方法。
一种实施例则是线性插值方法。首先找到过渡采样率和输出采样率的最简整数比例，即
Figure GSB00000906042000041
对于上例所述的44k和44.1k，可以看到，m＝440，n＝441。线性插值的方法如下所述：将信号两点之间补n-1个零，然后对补长的信号每隔m-1个点取一个采样点，并且根据它最近的两点非零样本点的大小以及相距的距离计算，将此新样本点作为输出信号。
另一种实施例是采用已知的多项式插值方法，在此不再详细描述。
类似地，一次插值方法也可以分解为多次插值方法来实现。
在本发明的另一实施例中，上述的第一转采样单元11和第二转采样单元12所执行的步骤可以互换。也就是说，第一转采样单元11可以执行步骤301所示步骤，而第二转采样单元12可以执行步骤302所示步骤。下面参照图3来描述这一过程。
首先于步骤301，使用插值方法将输入信号从输入采样率fi转换到过渡采样率fi′，这一转换应使该过渡采样率fi′和目标采样率fo的最简整数比例为：
Figure GSB00000906042000051
且p，q均为较小的整数。
插值方法可以是线性插值方法或者多项式插值方法。
然后于步骤302，使用上下转采样方法将输入信号从过渡采样率fi′转换到目标采样率fo。
一个实例是从44.1kHz转换到32kHz上。首先将输入采样率从44.1kHz转换到过渡44kHz上，找到输入采样率和过渡采样率的最简整数比例，即取m＝441，n＝440。步骤301的线性插值的方法如下所述：将信号两点之间补n-1个零，然后对补长的信号每隔m-1个点取一个采样点，并且根据它最近的两点非零样本点的大小以及相距的距离计算，将此新样本点作为输出信号。然后再用上下转采样方法将输入信号从过渡采样率fi′转换到目标采样率fo，其过程参照前述实施例，只是设定p＝8，q＝11即可实现。
本实施例中的插值方法也可以分为一次或者多次来完成。而本实施例中的上下转采样方法也可以分为一次或者多次来完成。
上面描述了执行顺序不同的两个实施例，在实际设计中，可以输入信号采样率与输出采样率来选择合适的执行顺序，从而获得合适的p，q值。
综上所述，本发明相对于现有的转采样方法的最主要的优势是结合了上下转采样方法和插值方法的好处，并在一定程度上克服了它们各自的缺点。上下转采样方法的好处是理想情况下没有混叠，但是其开销很大，无论是计算次数或者占用的内存空间，都偏大。而插值方法则仅需要很小的开销，具体来说，是很少的乘加法以及几乎不占用内存空间。但是其最大的劣势则是有着比较明显的频域混叠现象，尤其在低码率转到高码率或者码率相差较大的转换中，信号的混叠非常明显且听上去非常刺耳。本发明将信号从用较精确的方法将信号转到与输出信号相近的采样率，其开销能大幅度减小(相对于直接转到输出采样率)。再对两个相近的采样率进行用插值方法进行转换，这样引起的混叠的频段比较窄也比较小，且大多数情况下都在极高频段里，且能量较小，容易被人耳屏蔽。因此，本发明所述的算法可以达到上下转采样方法的效果，并且在算法复杂度上极大降低。

Claims (12)

1.一种采样率转换方法，包括以下步骤：
使用至少一次上下转采样方法将输入信号从输入采样率转换到一过渡采样率，其中所述过渡采样率和所述输入采样率最简整数比例中，分子和分母均为尽可能最小的整数；
使用至少一次插值方法将所述输入信号从所述过渡采样率转换到一目标采样率。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，连续采用两次或者两次以上的所述上下转采样方法进行所述输入采样率到所述过渡采样率的转化。
3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述上下转采样方法包括：先增加信号的采样率，再进行低通滤波防止混叠，最后降低信号的采样率。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述插值方法包括线性插值方法。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述插值方法包括多项式插值方法。
6.一种采样率转换方法，包括以下步骤：
使用至少一次插值方法将输入信号从输入采样率转换到一过渡采样率，使所述过渡采样率和一目标采样率的最简整数比例中，分子和分母均为尽可能最小的整数；
使用至少一次上下转采样方法将所述输入信号从所述过渡采样率转换到所述目标采样率。
7.一种采样率转换装置，包括：
用于使用至少一次上下转采样方法将输入信号从输入采样率转换到一过渡采样率的装置，其中所述过渡采样率和所述输入采样率最简整数比例中，分子和分母均为尽可能最小的整数；以及
用于使用至少一次插值方法将所述输入信号从所述过渡采样率转换到一目标采样率的装置。
8.如权利要求7所述的装置，其特征在于，所述用于使用至少一次上下转采样方法将输入信号从输入采样率转换到一过渡采样率的装置连续采用两次或者两次以上的所述上下转采样方法进行所述输入采样率到所述过渡采样率的转化。
9.如权利要求7或8所述的装置，其特征在于，所述上下转采样方法包括：先增加信号的采样率，再进行低通滤波防止混叠，最后降低信号的采样率。
10.如权利要求7所述的装置，其特征在于，所述插值方法包括线性插值方法。
11.如权利要求7所述的装置，其特征在于，所述插值方法包括多项式插值方法。
12.一种采样率转换装置，包括：
用于使用至少一次插值方法将输入信号从输入采样率转换到一过渡采样率，使所述过渡采样率和一目标采样率的最简整数比例中，分子和分母均为尽可能最小的整数的装置；以及
用于使用至少一次上下转采样方法将所述输入信号从所述过渡采样率转换到所述目标采样率的装置。
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