CN101944890B - 音频转采样方法及其系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及信号处理技术，公开了一种音频转采样方法及其系统。本发明中，通过在音频转采样的过程中，进行相位补偿处理以达到在不同频率上具有相近延迟的滤波结果，从而可以将相位失真减少到可以被人耳所掩蔽的程度。相对于传统基于无限冲击响应滤波器的转采样系统来比，只牺牲了一定的计算复杂度完成了对相位失真的抑制。而如果和传统有限冲击响应滤波器的转采样系统相比，极大地减少的滤波器的计算复杂度，也可以取得近似的均匀延迟性，即线性相位。

Description

音频转采样方法及其系统

技术领域

本发明涉及信号处理技术，特别涉及信号采样率转换技术。

背景技术

采样率的转换是一门被广泛应用在一维信号处理系统中的技术，它的功能是将输入信号的采样率转到另一个采样率。最常见的应用场景是音频解码和播放系统里。众所周知，输入的解码音频信号的采样率是不固定的且多种的，主要原因在于对应编码器的设置以及输入信号采样率的设置的不同。而在解码和播放系统里，所带的模数转换器通常仅仅支持有限类的采样率。因此，在系统里，采取一套采样率转换器，将输入的解码音频信号的采样率转化到模数转化器所支持的采样率上，是必要的。

采样率转换的方法来源于插值算法。插值算法是根据输入和输出采样率的比例，在原有两个采样点之间增加一个或者数个采样点(采样率增加)，或者在几个采样点内插值出一个采样点(采样率减少)。插值的方法基本是用多项式插值。线性插值是最简单最常用的方法，它的运算复杂度极低，缺点则是准确度很低。更复杂的插值方法则以增加运算复杂度的代价增加插值准确度。但是，不管运用多么高阶的插值方法，都有一个频谱混叠的问题。频谱混叠所带来的后果则是产生一些刺耳的噪音，这是听众所不可以忍受的。基于数字信号处理的采样率转换系统有效地抑制了这个问题，此类方法的思路则是在采样率转换之前，将可能产生混叠的频段用数字低通滤波器抑制，被称为上下采样率转换方法，它根据采样率转换的频率比的最小有理数比例来进行插值和滤波。目前的数字滤波器通常分为两种，一种是有限冲击响应滤波器(FIR)，一种则是无限冲击响应滤波器(IIR)。在数字滤波器的转采样方法里，两种算法都可以使用，且各有各的优势。有限冲击响应滤波器的优点在于它的设计方法简单，并且它有着线性相位。而无限冲击响应滤波器的优点在于它的运算复杂度较低，但是其设计方法比较复杂，并且相位不是线性的。非线性相位所带来的坏处则是不同的频率成分经过滤波器以后延迟不一样，导致在时间轴上会有一定的失真。

现有的音频转采样方法如图1所示，即上采样-滤波-下采样。上文所述的最简便的插值方法等效于图1的流程图中只执行了第一步上采样处理和第三步下采样处理。在实际应用中，图1中的低通滤波起着十分关键的作用，它有效的抑制了上采样后的混叠失真。换句话说，采用低通滤波效果越好的滤波器，所产生的混叠失真将越小。因此，在理论上，采取足够高阶的数字滤波器，无论是有限冲击响应滤波器还是无限冲击响应滤波器，都可以取得极小的混叠失真。关于现有的采样率转换技术也可参见专利号为“5892695”的美国专利。

然而，本发明的发明人发现，事实上，在很多实时系统里，包括很多手持设备里，运算复杂度往往是受到限制的，即过高的运算开销是不被允许的。如果能用较低的开销完成滤波过程并取得较好的滤波效果，对大部分受电池所限的手持设备的音频系统是十分有意义的。因此在现有的技术中，往往采取无限冲击响应滤波器实现图1中的低通滤波处理。但是，由于无限冲击响应滤波器有着非线性的相位，往往给不同频率的信号带来了不同的延迟，从而产生了所谓的延迟失真。如果采取有限冲击响应滤波器实现图1中的低通滤波处理，则虽然能够避免失真的问题，但有限冲击响应滤波器所要求的计算高负责度往往是能力受限的手持设备无法实现的。

发明内容

本发明的目的在于提供一种音频转采样方法及其系统，使得音频系统在复杂度与相位失真之间取得一个较好的平衡，在具备较低复杂度的同时，将相位失真减少到可以被人耳所掩蔽的程度。

为解决上述技术问题，本发明的实施方式提供了一种音频转采样方法，包含以下步骤：

在对经上采样处理后的音频信号进行下采样处理之前，将经上采样处理后的音频信号进行低通滤波处理和相位补偿处理；

对经低通滤波处理和相位补偿处理后的信号进行下采样处理；

其中，低通滤波处理通过无限冲击响应滤波器实现。

本发明的实施方式还提供了一种音频转采样系统，包含：

上采样模块，用于对音频信号进行上采样处理；

低通滤波和相位补偿模块，用于对经上采样处理后的音频信号进行低通滤波处理和相位补偿处理；

下采样模块，用于对经低通滤波处理和相位补偿处理后的信号进行下采样处理；

其中，低通滤波处理通过无限冲击响应滤波器实现。

本发明实施方式与现有技术相比，主要区别及其效果在于：

在进行音频转采样的过程中，在对经上采样处理后的音频信号进行下采样处理之前，将经上采样处理后的音频信号进行低通滤波处理和相位补偿处理，对经低通滤波处理和相位补偿处理后的信号进行下采样处理。其中，低通滤波处理通过无限冲击响应滤波器实现。由于无限冲击响应滤波器实现的低通滤波处理虽然有较低的复杂度，但由于相位不是线性的，将导致在时间轴上会有一定的失真的问题。本发明通过在音频转采样的过程中，进行相位补偿处理以达到在不同频率上具有相近延迟的滤波结果，从而可以将相位失真减少到可以被人耳所掩蔽的程度。相对于传统基于无限冲击响应滤波器的转采样系统来比，只牺牲了一定的计算复杂度完成了对相位失真的抑制。而如果和传统有限冲击响应滤波器的转采样系统相比，极大地减少的滤波器的计算复杂度，也可以取得近似的均匀延迟性，即线性相位。

进一步地，既可以先进行低通滤波处理再进行相位补偿处理，也可以先进行相位补偿处理再进行低通滤波处理。使得本发明的实施方式方式可灵活实现。

附图说明

图1是现有技术中音频转采样方法流程图；

图2是根据本发明第一实施方式的音频转采样方法流程图；

图3是根据本发明第二实施方式的音频转采样方法流程图；

图4是根据本发明第三实施方式的音频转采样系统结构示意图。

具体实施方式

在以下的叙述中，为了使读者更好地理解本申请而提出了许多技术细节。但是，本领域的普通技术人员可以理解，即使没有这些技术细节和基于以下各实施方式的种种变化和修改，也可以实现本申请各权利要求所要求保护的技术方案。

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的实施方式作进一步地详细描述。

本发明第一实施方式涉及一种音频转采样方法，适用于一维的信号采样率转换，尤其是语音和音频信号。在本实施方式中，以较少运算复杂度的代价取得相位的近似线性的无限冲击响应滤波器，取得一个运算复杂度和滤波失真的平衡。也就是说，在通常的低通滤波器后级联一个相位均衡无限冲击响应滤波器以构成近似的线性相位，从而将相位失真减少到可以被人耳所掩蔽。

具体流程如图2所示，在步骤210中，音频系统对音频信号进行上采样处理。本步骤与现有的上采样处理步骤相同，在此不再赘述。

接着，在步骤220中，将经上采样处理后的音频信号进行低通滤波处理。其中，为降低复杂度，低通滤波处理通过无限冲击响应滤波器实现。

具体地说，假定滤波器截止频率是f₀(它通常根据上下转采样倍数和输入信号的采样率决定)，那么设计的低通滤波器的频率响应H(f)可以表示为：

$\left\{\begin{array}{c}1-\mathrm{\&delta;}<\left|H\left(f\right)\right|<1+\mathrm{\&delta;},f<f_0\\ \left|H\left(f\right)\right|<\mathrm{\&gamma;},f>f_0\end{array}\right.---\left(1\right)$

其中，参数δ，γ为预先设定的值。当然，可以理解，在f＝f₀的情况既可以并入到f＜f₀的情况中，也可以并入到f＞f₀的情况中。值得一提的是，低通滤波器可以采用满足公式(1)要求的任意滤波器。另外，需要说明的是，本实施方式中以满足公式(1)要求的滤波器实现低通滤波处理为例进行说明，但在实际应用中，还可以设计其他形式的滤波器实现本实施方式中的低通滤波处理。

通过此低通滤波器后，低于f₀的频率成分得以保留。然而，由于滤波器H(f)的群延迟不固定，不同频率分量所产生的延迟

是不同的。因此，在步骤230中，由一个相位补偿滤波器对经低通滤波处理后的音频信号进行相位补偿处理，使得对输入信号x(n)(即上采样滤波器输出结果)的不同频率分量的总延迟是相同或者相近的。

具体地说，可设计满足以下公式的相位补偿滤波器，对低通滤波器的输出结果进行相位补偿处理：

$\left\{\begin{array}{c}d-\mathrm{\&epsiv;}<|\frac{\&PartialD;\&angle;H\left(f\right)}{\&PartialD;f}+\frac{\&PartialD;\&angle;G\left(f\right)}{\&PartialD;f}|<d+\mathrm{\&epsiv;},\mathrm{\&epsiv;}<<d\\ 1-\mathrm{\&eta;}<\left|G\left(f\right)\right|<1+\mathrm{\&eta;},\mathrm{\&eta;}<<1\end{array}\right.---\left(2\right)$

其中，G(f)表示需进行的相位补偿，表示不同频率分量所产生的延迟，参数d，ε，η为预先设定的值。

不难发现，由于低通滤波器和相位补偿滤波器的群延迟和都位于参数d附近，因此可以认为对所有频率分量的延迟是相同或者相近的。此外，可以理解，相位补偿处理可以通过满足公式(2)要求的任意滤波器实现，可以是相位均衡无限冲击响应滤波器，也可以是其他任意的滤波器。一种常见的实施例是全通滤波器，全通滤波器的系数根据公式(2)的前一个要求来约束。

另外，需要说明的是，本实施方式中是以满足公式(2)要求的滤波器实现相位补偿处理为例进行说明，但在实际应用中，还可以设计其他形式的滤波器，只要能根据低通滤波器的在不同频率上不同的延迟进行补偿处理，以达到具有相近延迟的滤波结果即可。

步骤220至步骤230完成了将经上采样处理后的音频信号进行低通滤波处理和相位补偿处理。也就是说，假设上采样滤波器的输出结果为x(n)，下采样处理的输入信号为y(n)，则y(n)＝x(n)＊H(n)＊G(n)。其中，＊表示卷积，H(n)为低通滤波的冲击响应，G(n)为相位补偿的冲击响应，步骤220中的H(f)是H(n)的傅叶里变换，步骤230中的G(f)是G(n)的傅叶里变换。

接着，在步骤240中，对经低通滤波处理和相位补偿处理后的信号进行下采样处理，即对输入信号y(n)进行下采样处理。下采样的处理步骤与现有技术相同，在此不再赘述。

不难发现，在本实施方式中，以一个可接受的运算开销减少了混叠失真和延迟失真，取得了较为接近理想(不可实现)转采样系统的结果。相对于传统基于无限冲击响应滤波器的转采样系统来比，只牺牲了一定的计算复杂度完成了对相位失真的抑制。而如果和传统有限冲击响应滤波器的转采样系统相比，极大地减少的滤波器的计算复杂度，也可以取得近似的均匀延迟性，即线性相位。

此外，可以理解，本实施方式可以被应用到任意包含基于低通滤波器的上下转采样系统里。

本发明第二实施方式涉及一种音频转采样方法。第二实施方式与第一实施方式基本相同，区别主要在于：

在第一实施方式中，将经上采样处理后的音频信号先进行低通滤波处理，再将经低通滤波处理后的音频信号进行相位补偿处理。

然而在第二实施方式中，将经上采样处理后的音频信号先进行相位补偿处理，再将经相位补偿处理后的音频信号进行低通滤波处理，如图3所示。

由此可见，实现低通滤波处理的低通滤波器和实现相位补偿处理的相位补偿滤波器是可以互相交换位置的，也就是说，既可以先进行低通滤波处理再进行相位补偿处理，也可以先进行相位补偿处理再进行低通滤波处理。使得本发明的实施方式方式可灵活实现。

本发明的各方法实施方式均可以以软件、硬件、固件等方式实现。不管本发明是以软件、硬件、还是固件方式实现，指令代码都可以存储在任何类型的计算机可访问的存储器中(例如永久的或者可修改的，易失性的或者非易失性的，固态的或者非固态的，固定的或者可更换的介质等等)。同样，存储器可以例如是可编程阵列逻辑(Programmable Array Logic，简称“PAL”)、随机存取存储器(Random Access Memory，简称“RAM”)、可编程只读存储器(Programmable Read Only Memory，简称“PROM”)、只读存储器(Read-Only Memory，简称“ROM”)、电可擦除可编程只读存储器(Electrically Erasable Programmable ROM，简称“EEPROM”)、磁盘、光盘、数字通用光盘(Digital Versatile Disc，简称“DVD”)等等。

本发明第三实施方式涉及一种音频转采样系统。如图4所示，该音频转采样系统包含：

上采样模块，用于对音频信号进行上采样处理。

低通滤波和相位补偿模块，用于对经上采样处理后的音频信号进行低通滤波处理和相位补偿处理。

下采样模块，用于对经低通滤波处理和相位补偿处理后的信号进行下采样处理。

其中，上采样模块和下采样模块至少有一个被启动，低通滤波和相位补偿模块包含低通滤波子模块和相位补偿子模块。

低通滤波子模块用于对经上采样处理后的音频信号进行低通滤波处理，该低通滤波子模块通过无限冲击响应滤波器实现，并通过以下公式进行低通滤波处理：

$\left\{\begin{array}{c}1-\mathrm{\&delta;}<\left|H\left(f\right)\right|<1+\mathrm{\&delta;},f<f_0\\ \left|H\left(f\right)\right|<\mathrm{\&gamma;},f>f_0\end{array}\right.$

其中，H(f)表示频率响应；f表示频率；f₀表示截止频率，参数δ，γ为预先设定的值。

相位补偿子模块用于对经低通滤波处理后的音频信号进行相位补偿处理，通过以下公式进行相位补偿处理：

$\left\{\begin{array}{c}d-\mathrm{\&epsiv;}<|\frac{\&PartialD;\&angle;H\left(f\right)}{\&PartialD;f}+\frac{\&PartialD;\&angle;G\left(f\right)}{\&PartialD;f}|<d+\mathrm{\&epsiv;},\mathrm{\&epsiv;}<<d\\ 1-\mathrm{\&eta;}<\left|G\left(f\right)\right|<1+\mathrm{\&eta;},\mathrm{\&eta;}<<1\end{array}\right.;$

其中，G(f)表示需进行的相位补偿，

表示不同频率分量所产生的延迟，参数d，ε，η为预先设定的值。

不难发现，第一实施方式是与本实施方式相对应的方法实施方式，本实施方式可与第一实施方式互相配合实施。第一实施方式中提到的相关技术细节在本实施方式中依然有效，为了减少重复，这里不再赘述。相应地，本实施方式中提到的相关技术细节也可应用在第一实施方式中。

本发明第四实施方式涉及一种音频转采样系统。第四实施方式与第三实施方式基本相同，区别主要在于：

在第三实施方式中，低通滤波子模块用于对经上采样处理后的音频信号进行低通滤波处理。相位补偿子模块用于对经低通滤波处理后的音频信号进行相位补偿处理。

然而在第四实施方式中，相位补偿子模块用于对经上采样处理后的音频信号进行相位补偿处理。低通滤波子模块用于对经相位补偿处理后的音频信号进行低通滤波处理。

不难发现，第二实施方式是与本实施方式相对应的方法实施方式，本实施方式可与第二实施方式互相配合实施。第二实施方式中提到的相关技术细节在本实施方式中依然有效，为了减少重复，这里不再赘述。相应地，本实施方式中提到的相关技术细节也可应用在第二实施方式中。

需要说明的是，本发明各设备实施方式中提到的各单元都是逻辑单元，在物理上，一个逻辑单元可以是一个物理单元，也可以是一个物理单元的一部分，还可以以多个物理单元的组合实现，这些逻辑单元本身的物理实现方式并不是最重要的，这些逻辑单元所实现的功能的组合是才解决本发明所提出的技术问题的关键。此外，为了突出本发明的创新部分，本发明上述各设备实施方式并没有将与解决本发明所提出的技术问题关系不太密切的单元引入，这并不表明上述设备实施方式并不存在其它的单元。

虽然通过参照本发明的某些优选实施方式，已经对本发明进行了图示和描述，但本领域的普通技术人员应该明白，可以在形式上和细节上对其作各种改变，而不偏离本发明的精神和范围。

Claims (6)

1.一种音频转采样方法，其特征在于，包含以下步骤：

在对经上采样处理后的音频信号进行下采样处理之前，将经上采样处理后的音频信号进行低通滤波处理和相位补偿处理；

对经低通滤波处理和相位补偿处理后的信号进行下采样处理；

其中，所述低通滤波处理通过无限冲击响应滤波器实现；

所述将经上采样处理后的音频信号进行低通滤波处理和相位补偿处理的步骤中：

将经上采样处理后的音频信号先进行低通滤波处理，再将经低通滤波处理后的音频信号进行相位补偿处理；或者，

将经上采样处理后的音频信号先进行相位补偿处理，再将经相位补偿处理后的音频信号进行低通滤波处理。

2.根据权利要求1所述的音频转采样方法，其特征在于，通过以下公式进行所述相位补偿处理：

$\left\{\begin{array}{c}d-\mathrm{\&epsiv;}<|\frac{\&PartialD;\&angle;H\left(f\right)}{\&PartialD;f}+\frac{\&PartialD;\&angle;G\left(f\right)}{\&PartialD;f}|<d+\mathrm{\&epsiv;},\mathrm{\&epsiv;}<<d\\ 1-\mathrm{\&eta;}<\left|G\left(f\right)\right|<1+\mathrm{\&eta;},\mathrm{\&eta;}<<1\end{array}\right.$

其中，G(f)表示需进行的相位补偿，H(f)表示低通滤波器的频率响应，

表示不同频率分量所产生的延迟，参数d，ε，η为预先设定的值。

3.根据权利要求1所述的音频转采样方法，其特征在于，通过以下公式进行所述低通滤波处理：

$\left\{\begin{array}{c}1-\mathrm{\&delta;}<\left|H\left(f\right)\right|<1+\mathrm{\&delta;},f<f_0\\ \left|H\left(f\right)\right|<\mathrm{\&gamma;},f>f_0\end{array}\right.$

其中，H(f)表示频率响应；f表示频率；f₀表示截止频率，参数δ，γ为预先设定的值。

4.一种音频转采样系统，其特征在于，包含：

上采样模块，用于对音频信号进行上采样处理；

低通滤波和相位补偿模块，用于对经上采样处理后的音频信号进行低通滤波处理和相位补偿处理；

下采样模块，用于对经低通滤波处理和相位补偿处理后的信号进行下采样处理；

其中，所述低通滤波处理通过无限冲击响应滤波器实现；

所述低通滤波和相位补偿模块包含：低通滤波子模块，用于对经上采样处理后的音频信号进行低通滤波处理；相位补偿子模块，用于对经低通滤波处理后的音频信号进行相位补偿处理；或者，

所述低通滤波和相位补偿模块包含：相位补偿子模块，用于对经上采样处理后的音频信号进行相位补偿处理；低通滤波子模块，用于对经相位补偿处理后的音频信号进行低通滤波处理。

5.根据权利要求4所述的音频转采样系统，其特征在于，所述低通滤波和相位补偿模块通过以下公式进行所述相位补偿处理：

$\left\{\begin{array}{c}d-\mathrm{\&epsiv;}<|\frac{\&PartialD;\&angle;H\left(f\right)}{\&PartialD;f}+\frac{\&PartialD;\&angle;G\left(f\right)}{\&PartialD;f}|<d+\mathrm{\&epsiv;},\mathrm{\&epsiv;}<<d\\ 1-\mathrm{\&eta;}<\left|G\left(f\right)\right|<1+\mathrm{\&eta;},\mathrm{\&eta;}<<1\end{array}\right.;$

其中，G(f)表示需进行的相位补偿，H(f)表示低通滤波器的频率响应，

表示不同频率分量所产生的延迟，参数d，ε，η为预先设定的值。

6.根据权利要求4所述的音频转采样系统，其特征在于，所述低通滤波和相位补偿模块通过以下公式进行所述低通滤波处理：

$\left\{\begin{array}{c}1-\mathrm{\&delta;}<\left|H\left(f\right)\right|<1+\mathrm{\&delta;},f<f_0\\ \left|H\left(f\right)\right|<\mathrm{\&gamma;},f>f_0\end{array}\right.$

其中，H(f)表示频率响应；f表示频率；f₀表示截止频率，参数δ，γ为预先设定的值。

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