CN105393554B - 对音频信号进行数字滤波的方法和系统、计算机可读介质 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种使用调节后的音频滤波器对音频信号进行数字滤波的方法。该调节后的音频滤波器由脉冲响应表示，该脉冲响应包括在其时域中的由绝对值正弦函数表示的波形。从两个调节后的音频滤波器得到一个复合音频滤波器，但是可以使用任意数目的滤波器。该复合滤波器通常包括一起定义表示待滤波的音频信号或频谱的频率带宽的滤波器组。还通过组合针对从0到bpf积分的绝对值的正弦分量的频率响应和针对从1/bpf到0积分的绝对值的正弦分量的频率响应来构建带通滤波器。频率响应可以是针对用于创建复合带通滤波器的这些滤波器中的每个滤波器的频率响应的总和。

Description

对音频信号进行数字滤波的方法和系统、计算机可读介质
本申请要求于2013年3月26日递交的第61/805,463号、于2013年5月5日递交第61/819,630号以及于2013年11月12日递交的第61/903,225号美国专利申请的优先权，这些专利申请的内容将被认为通过这些引用结合在此。本申请与全部于2013年3月26日递交的第61/805,406号、第61/805,432号、第61/805,466号、第61/805,469号以及第61/805,449号美国专利申请相关，并且视需要要求这些专利申请的优先权，这些专利申请的内容应当被认为通过这些引用结合在此。
技术领域
本发明广义上涉及一种对音频信号进行数字滤波的方法。具体地但是非排他性地，本披露涉及在音频均衡(EQ)中对音频信号进行数字滤波。本发明扩展到其他数字滤波，包括对图像和包括与数字通信和处理相关联的信号的其他信号进行滤波。
背景技术
在数字记录和回放时，将表示音频的模拟信号转换成适于操纵和存储的数字信号。转换在模数转换器(ADC)中执行。可以在数模转换器(DAC)中将所存储的数字信号转换回模拟信号。使用常规音频设备(如放大器和扬声器)来回放模拟信号。可以在DAC之前操纵数字信号以在回放之前改善它的质量。这种操纵包括音频EQ，其中对音频的频谱的选定部分进行滤波以(例如)补偿频率响应的不规则性。也可以对音频进行滤波以解决它转换成数字信号或转换回模拟信号的问题。
发明内容
根据本发明的一个方面，提供了一种对音频信号进行数字滤波的方法，所述方法包括以下步骤：
提供多个音频分量滤波器，每个音频分量滤波器基本上由在其时域中的由一个绝对时间值正弦函数表示的一个波形表示；
组合这些分量滤波器从而提供一个复合音频滤波器；
使用该复合音频滤波器对该音频信号进行滤波。
还更优选地，该方法还包括在对该音频信号进行滤波之前将该复合音频滤波器的采样率从一个预定采样率增加到一个增加后的采样率的步骤。
优选地，增加该复合音频滤波器的采样率的步骤包括：
定义位于在该预定采样率下的邻近采样点之间的在该增加后的采样率下的中间采样点；
针对这些中间采样点中的每一个中间采样点计算一个加权数，该计算包括以下步骤：(i)在这些邻近采样点中的对应邻近采样点指定基本上表示该音频滤波器的多个邻近波形；(ii)使所指定的这些波形中的每个波形在相关邻近采样点与该中间采样点之间的时域中移位；(iii)组合这些移位后的波形在该中间采样点的值从而得到该加权数；
在这些中间采样点中的对应中间采样点将该加权数应用于该滤波器中的该音频信号。
优选地，使所指定的这些音频信号在该时域中移位到基本上该邻近采样点与该中间采样点中间。
优选地，增加该复合音频滤波器的采样率的步骤包括：
限定位于在该预定采样率下的邻近采样点之间的在该增加后的采样率下的中间采样点；
针对这些中间采样点中的每个中间采样点计算一个加权数，该计算包括以下步骤：(i)提供一个假设波形，该假设波形基本上表示该音频滤波器并且在其时域中被移位成与该中间采样点对准；(ii)在该时域中扩展该移位后的假设波形；(iii)组合该扩展后的假设波形在这些邻近采样点处的值从而得到该加权数；
在这些中间采样点中的对应中间采样点将该加权数应用于该滤波器中的该音频信号。
优选地，该移位后的假设音频信号在该时域中被扩展基本上两(2)倍。
优选地，一个在调节后的采样率下执行所述组合这些调节后的音频滤波器的步骤，其中，该另一个音频滤波器包括在其邻近采样点中的相邻采样点之间的一个或多个介于中间的采样点。更优选地，用于将该音频滤波器应用于该另一个音频滤波器的该调节后的采样率相对于该另一个滤波器的邻近采样点的数目与采样点的总数基本上成反比。
优选地，增加该复合音频滤波器的采样率的步骤包括：
限定位于在该预定采样率下的邻近采样点之间的在该增加后的采样率下的中间采样点；
针对这些中间采样点中的每个中间采样点计算一个加权数，该计算包括以下步骤：(i)提供一个假设波形，该假设波形基本上表示该复合音频滤波器并且在其时域中被移位成与该中间采样点对准；(ii)确定该假设波形在这些邻近采样点的值；(iii)组合这些邻近采样点的这些值从而得到该加权数；
在这些中间采样点中的对应中间采样点将该加权数应用于该复合音频滤波器的该音频信号。
替代地，增加该复合音频滤波器的采样率的步骤包括：
定义位于在该预定采样率下的邻近采样点之间的在该增加后的采样率下的中间采样点；
针对这些中间采样点中的每个采样点计算一个加权数，该计算包括以下步骤：(i)在这些邻近采样点中的对应邻近采样点指定基本上表示该复合音频滤波器中的多个邻近波形；(ii)组合这些邻近波形在该中间采样点的值从而得到该加权数；
在这些中间采样点中的对应中间采样点将该加权数应用于该复合音频滤波器的该音频信号。
优选地，跨越预定数目的这些邻近采样点应用该加权数。
根据本发明的另一个方面，提供了一种计算机或设备可读介质，该计算机或设备可读介质包括用于使用多个音频分量滤波器对一个音频信号进行数字滤波的指令，每个音频分量滤波器基本上由在其时域中的由一个绝对时间值正弦函数表示的一个波形表示，在由一个处理器执行时，所述指令使所述处理器：
组合这些分量滤波器从而提供一个复合音频滤波器；
使用该复合音频滤波器对该音频信号进行滤波。
根据本发明的又一个方面，提供了一种用于对音频信号进行数字滤波的系统，所述系统包括：
多个音频分量滤波器，每个音频分量滤波器基本上由在其时域中的由一个绝对时间值正弦函数表示的一个波形表示；
一个处理器，该处理器被配置为用于：
组合这些分量滤波器从而提供一个复合音频滤波器；
使用该复合音频滤波器对该音频信号进行滤波。
根据本披露的又另一个方面，提供了一种对信号进行数字滤波的方法，所述方法包括以下步骤：
提供由一个脉冲响应表示的一个调节后的滤波器，该脉冲响应包括在其时域中由一个绝对值正弦函数表示的一个波形；
使用该调节后的滤波器对该信号进行滤波。
优选地，该信号是从传感器或测量设备的位移得到的电子信号。
根据本发明的又另外一个方面，提供了一种对图像进行数字滤波的方法，所述方法包括以下步骤：
提供由一个脉冲响应表示的一个调节后的图像滤波器，该脉冲响应包括在其时域中由一个绝对值正弦函数表示的一个波形；
使用该调节后的图像滤波器对该图像进行滤波。
优选地，该图像包括该复合图像滤波器所应用于的像素矩阵。
根据本发明的又另一个方面，提供了一种对音频信号进行数字滤波的方法，所述方法包括以下步骤：
提供由一个脉冲响应表示的一个调节后的音频滤波器，该脉冲响应包括在其时域中由仅从零到正无穷大的值的一个正弦函数表示的一个波形；
使用该调节后的音频滤波器对该音频信号进行滤波。
根据本发明的另外一个方面，提供了一种用于对音频信号进行数字滤波的系统，所述系统包括：
一个调节后的音频滤波器，该调节后的音频滤波器包括在其时域中由仅从零到正无穷大的值的一个正弦函数表示的一个波形；
一个处理器，该处理器被配置为用于使用该调节后的音频滤波器对该音频信号进行滤波。
附图说明
为了实现对本发明的性质的更好的理解，现在将仅通过示例的方式参照附图描述对音频信号进行数字滤波的方法，在附图中：
图1是本披露的实施例在数字音频记录和回放中的应用的示意图；
图2是本披露的实施例的音频滤波器的脉冲响应；
图3是本实施例的另一个音频滤波器的另一脉冲响应；
图4是通过将图2和图3的滤波器彼此组合而获得的复合音频滤波器；
图5是针对图4中的复合低通滤波器的频率响应；
图6是针对图5中的复合音频滤波器的脉冲响应以及典型的正弦函数脉冲响应；
图7是用于增加滤波器的采样率的一种技术的示意图；
图8示意性展示了根据本披露的替代实施例的用于调节采样率的一种技术；并且
图9是用于增加滤波器的采样率的另一种技术的示意图；
图10是用于增加脉冲响应的采样率的替代技术的示意图；
图11是用于增加脉冲响应的采样率的另一种替代技术的示意图。
具体实施方式
在某些实施例中，本发明可以针对一种使用调节后的音频滤波器对音频信号进行数字滤波的方法。该调节后的音频滤波器由脉冲响应表示，该脉冲响应包括在其时域中由绝对值正弦函数表示的波形。
图1示出了本披露的各种实施例在数字音频记录和回放过程中的应用。在模数转换器(ADC)12将模拟音频信号10转换成数字音频信号。然后可以使数字音频信号在数字处理器14(例如在音频均衡(EQ)中)经受信号处理。在采样率增加之前对经处理的数字信号进行下采样并且存储在存储存储器16以在回放之前增加其分辨率。然后在数模转换器(DAC)18将相对高分辨率的数字音频信号转换回模拟信号20。
应当理解的是，本披露的各种实施例可以应用在：
i)ADC 12，在这里，数字音频信号经历采样率增加或过采样，这在某些实施例中可以通过加权来执行；
ii)数字信号处理器14或与EQ相关联的数字滤波器，在这里，例如用低通滤波器或带通滤波器对数字信号进行滤波；
iii)存储存储器16的下游，在这里，经滤波的音频信号在回放之前经历采样率增加或上采样。
本披露的某些实施例可以在计算机程序代码或软件中来体现。数字信号处理器14的数字滤波器由特别的频率响应表示。特别的频率响应通常取决于滤波器的脉冲响应，该滤波器的特征在于本披露的各实施例的软件或技术。本披露的实施例可以涵盖将数字滤波器分类所根据的基本频率响应类型，包括低通、高通、带通和带阻或陷波滤波器。数字滤波器广义上被分类为有限脉冲响应(FIR)滤波器或无限脉冲响应(IIR)滤波器。
为了理解音频滤波的这个实施例，为简单起见，从两(2)个调节后的音频滤波器得到复合音频滤波器，但是应当认识到，可以使用任意数目的滤波器。复合音频滤波器通常包括调节后的滤波器组。该组滤波器一起定义表示待滤波的音频信号或频谱的频率带宽。在本实施例中，脉冲响应由被馈送到对应的滤波器的脉冲产生。可以根据以下方程式由绝对值正弦函数来表示这些调节后的滤波器中的每个滤波器的脉冲响应：
Sin[2πAbs[x]/bpf]/bpf 方程式1
其中，方程式1中，bpf是滤波器的带通频率，并且x是x轴上的时间变量。
图2展示了方程式1的脉冲响应。应当理解的是，a[0]是脉冲发生所在的实例，并且a[n]表示针对脉冲响应的邻近采样点，其中n是在预定采样率下的采样点的数目。在本实施例中，预定采样率是44.1kHz(采样数/秒)，但是应当认识到的是，取决于应用，可以使用任何其他采样率。
图3展示了具有两(2)个样本的波长的方程式1的脉冲响应，而图2描绘了具有一(1)个样本的波长的脉冲响应。
图4展示了针对在最上面的曲线中从0到lpf积分的绝对值的正弦分量的频率响应。其还展示了针对在最下面的曲线中从1/lpf到0积分的绝对值的正弦分量的频率响应。
为了“构建”或创建用于本实施例的低通滤波器，图4中的曲线被组合或在这种情况下被求和。这可以由以下方程式以数学方式表示：
其中，方程式2中，bpf是带通滤波器的交叉频率，并且x是x轴上的时间变量，lpf为低通滤波器的截止频率。
图5展示了针对本实施例的复合低通滤波器的频率响应。该频率响应是针对用于创建复合低通滤波器的这些滤波器中的每个滤波器的频率响应的总和。
图6展示了针对本实施例的复合低通音频滤波器的脉冲响应与从正弦函数得到的典型脉冲响应(虚线细节)的比较。可以看出，本披露的这个实施例的脉冲响应围绕音频信号的实际发生而集中，这在实践中意味着更少信号拖尾。本示例的复合低通滤波器对高于四(4)个样本波长的波长进行滤波并且该脉冲响应示出了这个滤波器中的在这四个样本内的大部分样本。
在本实施例中，在对音频信号进行滤波之前将复合音频滤波器的采样率从预定采样率增加到增加后的采样率。
在某些实施例中，可以通过以下两种技术来对复合音频滤波器执行采样率增加，这两种技术涉及：
1.移位后的邻近音频信号；和/或
2.扩展后的假设脉冲响应。
在使用移位后的邻近音频信号对脉冲响应的值进行加权时，从待确定的中间采样点的任一侧指定邻近脉冲响应。然后使所指定的邻近信号中的每个信号在时域中移位到基本上邻近采样点与中间采样点中间。在本示例中，通过将移位后的邻近脉冲响应中的每个脉冲响应在相关中间采样点贡献的值求和来计算相关加权数。图7示意性展示了这种技术。在某些实施例中，可以跨越预定数目的邻近采样点(例如1024个采样点)来应用加权数。
在使用这种加权技术时，在调节后的采样率下执行音频滤波器的组合，从而使得针对音频滤波器的邻近采样点至少与它所应用于的另一个音频滤波器的介于中间的采样点中的每个采样点对准或相对应。这涉及使在调节后的采样率下的音频滤波器相对于另一个音频滤波器移位。例如，如果另一个音频滤波器包括基本上位于其邻采近样点中的相邻采样点中间的介于中间的采样点，则用于将滤波器应用于彼此的调节后的采样率可以是基本上预定采样率的一半。图8示意性展示了用于调节采样率的这种技术。
在本实施例中通过对每隔一个脉冲响应求卷积来调节采样率。这意味着，用实线详细示出的三(3)个脉冲响应对图8中的最上面的脉冲响应求卷积，并且有效地忽略用虚线详细示出的其他脉冲响应。所产生的或复合音频滤波器是图8中的以虚线详细示出的最下面的脉冲响应并且在本示例中可以由以下方程式来表示。
针对44.1kHz的预定采样率，本示例中的调节后的采样率是22.05kHz。如果另一个音频滤波器在其邻近采样点中的相邻采样点之间包括九(9)个介于中间的采样点，则调节后的采样率将是预定采样率的十分之一。针对44.1kHz的预定采样率，这等于4.41kHz的调节后的采样率。应当理解的是，调节采样率“校正”了在针对中间采样点中的每个采样点计算加权数时指定的邻近采样点的移位。所指定的邻近信号在时域中的移位通常与在对音频滤波器求卷积时对采样率的调节成比例。因此，所指定的邻近信号移位到邻近采样点与中间采样点中间意味着采样率被调节基本上一半。
在使用扩展后的假设脉冲响应对脉冲响应的值进行加权时，将相关的脉冲响应有效地复制为假设脉冲响应，其中，它的时域被移位成与待确定的中间采样点对准。在某些实施例中，可以将假设并且移位后的脉冲响应在其时域中基本上扩展基本上2倍。在本示例中，通过将扩展后的脉冲响应在邻近采样点的值求和来计算相关加权数。图9示意性展示了这种技术。在某些实施例中，可以跨越预定数目的邻近采样点(例如1024个采样点)来应用加权数。
在这些以及其他实施例中，可以通过以下两(2)种技术来执行采样率增加，这两种技术涉及(i)假设音频信号，和/或(ii)邻近音频信号。
在使用假设音频信号对复合滤波器的值进行加权时，可以有效地复制相关的脉冲响应，其中它的时域被移位成与待确定的中间采样点对准。通过将假设音频信号在邻近采样点的值求和来计算加权数，并且该加权数是与这些值的总和成反比的因子。可以在中间采样点中的对应中间采样点将相关的加权数或因子应用于复合滤波器。图10示意性展示了这种技术。如前所述，在某些实施例中，可以跨越预定数目的邻近采样点来计算加权数。
在使用相邻音频信号对复合滤波器的值进行加权时，从将进行确定的中间采样点的任一侧指定相邻脉冲响应。在本示例中，通过将所指定的邻近脉冲响应中的每个脉冲响应在相关中间采样点贡献的值求和来计算相关加权数。图11中示意性展示了这种技术。可以跨越预先确定数目的相邻采样点(例如1024个采样点)来应用加权。
脉冲响应还可以具有应用于其的平均曲线，其中，例如，e–(qx)2表示平均曲线，其中q表示平均曲线的纵横比。可以将平均曲被调节为与它所应用于的脉冲响应的波长成比例的宽度。
在这些或其他实施例中，脉冲响应可以从在其时域中由从零(0)到正无穷大的值的正弦函数表示的波形来构建。该波形可以不包括从零(0)以下到负无穷大的值。可以使用在前面的实施例的上下文中描述的技术中的一种或多种技术来使脉冲响应表示的音频滤波器经受采样率增加。脉冲响应可以具有如在前面段落中描述的应用于它的平均曲线。
至此已经描述了本披露的若干实施例，对于本领域技术人员而言将明显的是，对音频信号进行数字滤波的方法至少具有优于现有技术的以下优点：
1.使用调节后的音频滤波器对音频信号进行滤波，该调节后的音频滤波器在其频率响应上提供了相对“平滑”的滤波器；
2.可以组合调节后的音频滤波器从而提供复合滤波器，用于改善例如EQ中的滤波；
3.复合音频滤波器大幅度减少了模拟和现有数字滤波器中所固有的不期望的响音；
4.它提供了更平滑并且在这方面更类似于模拟滤波器的频率响应。
本领域技术人员应当认识到，本文所描述的本披露易于作出除具体描述的那些变化和修改外的变化和修改。
音频信号的处理不必限于声学，而是扩展到其他声音应用，包括超声和声呐。本披露还扩展超出音频信号到其他信号，包括从物理位移得到的信号，如从测量设备(例如应变仪或通常将位移转换成电子信号的其他传感器)获得的信号。本披露还涵盖与数字通信相关联的信号的数字滤波。
在另一个实施例中，本披露应用于成像。例如，利用采样率增加来处理图像中的像素矩阵中的每个像素。在增加采样率以包括中间点时，取决于邻近采样点的影响，对这些中间点进行加权。
所有这种变化和修改应当被视为在本披露的范围内，本发明的性质要从前面的描述来确定。

Claims (11)

1.一种对音频信号进行数字滤波的方法，所述方法包括以下步骤：
提供多个音频分量滤波器，每个音频分量滤波器由对应音频分量滤波器的脉冲响应表示，该脉冲响应包括在其时域中的由一个绝对值正弦函数表示的一个波形；所述绝对值正弦函数表示为方程式1:Sin[2π Abs[x]/bpf]/bpf；其中，方程式1中，bpf是所述对应音频分量滤波器的带通频率，x是x轴上的时间变量；
通过方程式2组合所述多个音频分量滤波器从而提供一个复合音频滤波器；其中，所述方程式2为：
其中，方程式2中，bpf是带通滤波器的交叉频率，x是x轴上的时间变量，lpf为低通滤波器的截止频率；
使用该复合音频滤波器对该音频信号进行滤波。
2.如权利要求1所述的方法，还包括通过在表示该复合音频滤波器的脉冲响应的邻近采样点之间引入中间采样点将该复合音频滤波器的采样率从一个预定采样率增加到一个增加后的采样率的步骤。
3.如权利要求2所述的方法，其中，所述增加该复合音频滤波器的该采样率的步骤包括：
针对这些中间采样点中的每个中间采样点计算一个加权数，该计算包括以下步骤：(i)在这些邻近采样点中的对应邻近采样点指定表示该复合音频滤波器的该脉冲响应的多个邻近波形；(ii)使所指定的这些波形中的每个波形在相关邻近采样点与该中间采样点之间的时域中移位；(iii)组合这些移位后的邻近波形在该中间采样点的值从而得到该加权数；
在这些中间采样点中的对应中间采样点将该加权数应用于该复合音频滤波器的该脉冲响应。
4.如权利要求3所述的方法，其中，使所指定的这些波形在该时域中移位到该邻近采样点与该中间采样点中间。
5.如权利要求2所述的方法，其中，所述增加该复合音频滤波器的该采样率的步骤包括：
针对这些中间采样点中的每个采样点计算一个加权数，该计算包括以下步骤：(i)提供一个假设波形，该假设波形表示该复合音频滤波器的该脉冲响应并且在其时域中被移位成与该中间采样点对准；(ii)在该时域中扩展该移位后的波形；(iii)组合该扩展后的波形在这些邻近采样点处的值从而得到该加权数；
在这些中间采样点中的对应中间采样点将该加权数应用于该复合音频滤波器的该脉冲响应。
6.如权利要求5所述的方法，其中，该移位后的波形在该时域中被扩展两(2)倍。
7.如权利要求2所述的方法，其中，所述增加该复合音频滤波器的该采样率的步骤包括：
针对这些中间采样点中的每个中间采样点计算一个加权数，该计算包括以下步骤：(i)提供一个假设波形，该假设波形表示该复合音频滤波器的该脉冲响应并且在其时域中被移位成与该中间采样点对准；(ii)确定该假设波形在这些邻近采样点的值；(iii)组合这些邻近采样点的这些值从而得到该加权数；
在这些中间采样点中的对应中间采样点将该加权数应用于该复合音频滤波器的该脉冲响应。
8.如权利要求2所述的方法，其中，所述增加该复合音频滤波器的该采样率的步骤包括：
针对这些中间采样点中的每个中间采样点计算一个加权数，该计算包括以下步骤：(i)在这些邻近采样点中的对应邻近采样点指定表示该复合音频滤波器的该脉冲响应的多个邻近音频波形；(ii)组合这些邻近波形在该中间采样点的值从而得到该加权数；
在这些中间采样点中的对应中间采样点将该加权数应用于该复合音频滤波器的该脉冲响应。
9.如权利要求3至8中任一项所述的方法，其中，跨越预定数目的这些邻近采样点来应用该加权数。
10.一种计算机可读介质，该计算机可读介质包括用于使用多个音频分量滤波器对一个音频信号进行数字滤波的计算机程序，每个音频分量滤波器由对应音频分量滤波器的脉冲响应表示，该脉冲响应包括在其时域中的由一个绝对值正弦函数表示的一个波形，所述绝对值正弦函数表示为方程式1:Sin[2π Abs[x]/bpf]/bpf；其中，方程1中，bpf是所述对应音频分量滤波器的带通频率，x是x轴上的时间变量；
在由一个处理器执行时，所述计算机程序使所述处理器：
通过方程式2组合所述多个音频分量滤波器从而提供一个复合音频滤波器；其中，所述方程式2为：
其中，方程2中，bpf是带通滤波器的交叉频率，x是x轴上的时间变量，lpf为低通滤波器的截止频率；
使用该复合音频滤波器对该音频信号进行滤波。
11.一种用于对音频信号进行数字滤波的系统，所述系统包括：
多个音频分量滤波器，每个音频分量滤波器由对应音频分量滤波器的脉冲响应表示，该脉冲响应包括在其时域中的由一个绝对值正弦函数表示的一个波形；所述绝对值正弦函数表示为方程式1:Sin[2π Abs[x]/bpf]/bpf；其中，方程式1中，bpf是所述对应音频分量滤波器的带通频率，x是x轴上的时间变量；
一个处理器，该处理器被配置为用于：
通过方程式2组合所述多个音频分量滤波器从而提供一个复合音频滤波器；
其中，所述方程式2为：
其中，方程式2中，bpf是带通滤波器的交叉频率，x是x轴上的时间变量，lpf为低通滤波器的截止频率；
使用该复合音频滤波器对该音频信号进行滤波。
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