CN106549652A - 时域滤波中的滤波器系数更新 - Google Patents

Abstract

本文中公开的示例实施例涉及时域滤波中的滤波器系数更新。公开了一种处理音频信号的方法。该方法包括通过分析音频信号的第一部分来获得针对音频信号的第一部分的预定数目的目标增益。目标增益中的每个目标增益对应于音频信号的线性子带。该方法还包括通过迭代地执行以下操作来确定用于对音频信号的第一部分进行滤波的滤波器系数：从目标增益中选择至少一个目标增益，以及基于所选择的至少一个目标增益来更新滤波器系数。还公开了相应的处理音频信号的系统和计算机程序产品。

Description

时域滤波中的滤波器系数更新

技术领域

本文中公开的示例实施例总体上涉及音频信号处理，并且更具体地，涉及用于音频信号的时域滤波中的滤波器系数更新的方法和系统。

背景技术

为了获得具有良好质量的音频信号，通常需要处理音频信号。这样的音频信号处理任务可以在频域或时域中执行。在频域方案中，输入音频信号被变换到频域，从而该音频信号可以以频率子带级别进行分析和滤波。在时域方案中，输入音频信号可以在时域或频域中进行分析，并且在时域中进行滤波。一般而言，可以出于各种目的来设计一个或多个滤波器用以处理音频信号。

相较于频域滤波方案(在该方案中音频信号在具有长延迟的帧基础上被处理并且通常经受非完美卷积)，时域滤波方案可以提供超低延迟和改进的线性卷积。在许多需要超低延迟的实时处理的使用情况中，诸如在语音通信中，可以有利地采用时域滤波。

然而，时域滤波的使用所面临的挑战在于时域滤波器的设计。与频域滤波器不同(频域滤波器可以通过简单地调整频域中的音频信号的子带增益、来直接地改变它的频率响应)，时域滤波器必须要适配它的滤波器系数以便尽可能地接近目标频率响应。常规地，在音频处理系统中使用的时域滤波器在线下被预先训练为具有固定的滤波器系数并且因此有固定的频率响应。然而，由于音频信号的时变特点，期望使用滤波器系数被实时调整的时域滤波器来对音频信号进行滤波。

发明内容

本文中公开的示例实施例提出了一种用于通过适应性地更新用于滤波音频信号的滤波器系数来处理音频信号的解决方案。

在一个方面，本文中公开的示例实施例提供了一种处理音频信号的方法。该方法包括通过分析音频信号的第一部分来获得针对音频信号的第一部分的预定数目的目标增益。目标增益中的每个目标增益对应于音频信号的线性子带。该方法还包括通过迭代地执行以下操作来确定用于对音频信号的第一部分进行滤波的滤波器系数：从目标增益中选择至少一个目标增益，以及基于所选择的至少一个目标增益来更新滤波器系数。这方面的实施例还包括相应的计算机程序产品。

在另一个方面，本文中公开的示例实施例提供了一种用于处理音频信号的系统。该系统包括目标增益获得模块，被配置为通过分析音频信号的第一部分来获得针对音频信号的第一部分的预定数目的目标增益。目标增益中的每个目标增益对应于音频信号的线性子带。该系统还包括系数确定模块，被配置为通过迭代地执行以下操作来确定用于对音频信号的第一部分进行滤波的滤波器系数：从目标增益中选择至少一个目标增益，以及基于所选择的至少一个目标增益来更新滤波器系数。

通过下文描述将会理解，根据本文中公开的示例实施例，用于对音频信号进行滤波的滤波器系数被适应性地更新。音频信号的一部分被分析以获得一组目标增益，其中每个目标增益对应于音频信号的一个线性子带。所获得的目标增益用于迭代地更新滤波器系数，并且然后基于经更新的滤波器系数，音频信号可以如期望的那样被处理。在本文中公开的示例实施例中，取决于不同音频部分的分析结果，可以获得不同组的目标增益用以相应地调整滤波器系数。通过这种方式，可以利用时变的滤波器系数来对音频信号进行滤波。本文中公开的示例实施例所带来的其他益处将通过下文描述而清楚。

附图说明

通过参考附图阅读下文的详细描述，本文中公开的示例实施例的上述以及其他目的、特征和优点将变得易于理解。在附图中，以示例而非限制性的方式示出了本文中公开的若干示例实施例，其中：

图1是根据本文中公开的一个示例实施例的处理音频信号的方法的流程图；

图2是根据本文中公开的一个示例实施例的目标频率响应的示意图；

图3是根据本文中公开的一个示例实施例的示出在不同样本数目处的频率响应更新过程的示意图；

图4是根据本文中公开的一个示例实施例的时域滤波器的框图；

图5是根据本文中公开的另一个示例实施例的时域滤波器的框图；

图6是根据本文中公开的一个示例实施例的用于处理音频信号的系统的框图；以及

图7是适于实现本文中公开的示例实施例的示例计算机系统的框图。

在各个附图中，相同或对应的标号表示相同或对应的部分。

具体实施方式

下面将参考附图中示出的若干示例实施例来描述本文中公开的示例实施例的原理。应当理解，描述这些实施例仅仅是为了使本领域技术人员能够更好地理解进而实现本文中公开的示例实施例，而并非以任何方式限制本文中公开的主题的范围。

在本文中使用的术语“包括”及其变形表示开放性包括，即“包括但不限于”。除非特别申明，术语“或”表示“和/或”。术语“基于”表示“至少部分地基于”。术语“一个示例实施例”和“一个实施例”表示“至少一个示例实施例”。术语“另一实施例”表示“至少一个另外的实施例”。

为了提供低处理延迟和提高线性卷积性能，时域滤波器在音频处理系统中被有利地采用。另一方面，由于时域滤波通常涉及诸如乘法和加法的运算，这些运算可以由多数实际的现代数字信号处理器(DSP)中的专用电路来有效地实现，因此通过时域滤波器的使用还可以潜在地降低音频处理的计算复杂度。由于音频信号的时变特点，期望能够调节时域滤波器，以利用不同的滤波器系数以及因此是不同的频率响应来处理音频信号的不同部分。

图1是根据本文中公开的一个示例实施例的处理音频信号的方法100的流程图。方法100开始于步骤110，其中通过分析音频信号的一部分来获得针对音频信号的该部分的预定数目的目标增益。每个目标增益对应于音频信号的一个线性子带，指示该子带的所期望的幅度增益和/或相位增益。在一些示例实施例中，音频信号的整个频率范围可以以线性的方式被划分成多个子带，每个线性子带具有相同的带宽。

所获得的目标增益组成针对音频信号的当前部分的滤波的目标频率响应。音频信号中的被分析以获得预定数目的目标增益的该部分在下文被称为“第一部分”或“第一音频部分”。基于对音频信号的不同部分的分析结果，可以获得针对各个音频部分的不同组的目标增益。就此而言，目标频率响应可以是频域中的时变曲线，其在一个示例中可以是向量，该向量的每个元素指示针对音频信号的一部分的目标增益中的一个目标增益。在一些示例实施例中，音频部分可以包括一个或多个音频样本。取决于音频信号的特性，每个分析的音频部分的长度可以不必要具有相同长度。

在一些示例实施例中，可以在多个方面来分析音频信号的第一部分以便确定目标增益。在一些示例实施例中，第一音频部分可以被变换到频域，以便以子带级别来分析音频信号的能量、功率或频谱特性。备选地或附加地，分析第一音频部分的时域特性以获得目标频率响应。当然，将理解的是，可以出于任何其他目的来分析音频信号，并且本文中公开的主题的范围在此方面不受限制。

一般而言，为了在时域中处理音频信号的第一部分，应当设计时域滤波器。期望所设计的时域滤波器的频率响应接近于针对该音频部分的目标频率响应。在这种情况下，所设计的滤波器的滤波器系数可以被调整，以获得目标频率响应。根据本文中公开的示例实施例，所获得的目标增益可以被用来在步骤120至140的迭代过程中确定用于对音频信号的第一部分进行滤波的滤波器系数。

具体地，在步骤120中，从预定数目的目标增益中选择至少一个目标增益。然后，在步骤130中，基于所选择的至少一个目标增益，更新时域滤波器的滤波器系数。理解的是，滤波器的滤波器系数的数目取决于该滤波器的阶数。对于2N阶的滤波器，要确定2N+1个滤波器系数来对音频信号进行滤波，其中N可以是任何非零整数值。

一般而言，在(多个)滤波器系数与目标频率响应的目标增益之间可以存在固定的映射关系。有多种方法可以用于计算该映射关系。作为一个示例，以下基于最小二乘法原理来描述这些方法中的一个方法。

给定有限脉冲响应(FIR)时域滤波器，其滤波器系数可以表示为这个滤波器的脉冲响应的系数。在一个示例中，该时域滤波器的滤波器系数可以被表示为以下：

h＝[h(0)h(1)h(2)...h(2N)] (1)

其中h表示脉冲响应；2N表示该滤波器的阶数；并且h(i)表示滤波器系数，其中i从0到2N。根据公式(1)，时域滤波器的脉冲响应h可以用于标识这个滤波器的一组滤波器系数。

对称滤波器可以提供线性相位响应，这在音频处理的许多使用情况中是期望的。因此，假设FIR时域滤波器是类型I偶对称滤波器，这个滤波器的零相位频率响应可以被确定为滤波器系数和与数字角频率有关的复指数函数的线性组合。在一个示例实施例中，对称FIR滤波器的零相位频率响应可以被写为：

其中ω表示数字角频率；h(i)表示滤波器系数；e^-jω表示与角频率ω有关的复指数函数；并且F_z(ω)表示零相位频率响应。

要理解的是，公式(2)可以被扩展至包括非对称滤波器内在的其他类型的滤波器，这对于本领域技术人员而言是熟知的。基于对称性质，公式(2)的零相位频率响应F_z(ω)可以被进一步表示为如下：

如以上所提及的，目标频率响应包括预定数目的目标增益。假设预定数目是P。P个目标增益中的每个目标增益对应于音频信号的一个子带，并且指示该子带中的所期望的幅度增益和/或相位增益。在这种情况下，音频信号的角频率可以以线性的方式被划分以获得P个子带，ω₀、ω₁、……ω_P-1。目标频率响应d然后可以以矩阵形式被表示为d＝[d(ω₀)d(ω₁)d(ω₂)...d(ω_P-1)]^T，每个目标增益d(ω_i)对应于一个子带ω_i。类似地，滤波器的零相位频率响应也可以采取具有P个增益的矩阵形式。例如，零相位频率响应F_z(ω)可以以矩阵形式被表示为F_z＝[F_z(ω₀)F_z(ω₁)F_z(ω₂)...F_z(ω_P-1)]^T，每个增益F_z(ω_i)对应于一个子带ω_i。

期望时域滤波器的零相位频率响应接近于目标频率响应，这可以在矩阵形式中被写为如下：

F_z＝Ch≈d (4)

其中F_z表示零相位频率响应；h表示一组滤波器系数；d表示目标频率响应；并且C表示包括恒定值元素的矩阵。在一个示例中，可以根据公式(3)确定恒定值矩阵C是

从公式(4)可以看出，可以基于目标频率响应d和恒定值矩阵C来确定滤波器系数h。在一个示例实施例中，通过对以上公式(4)应用最小二乘法，可以确定滤波器系数为如下：

h_LS＝(C^TC)^-1C^Td (5)

其中h_LS表示通过最小二乘法确定的滤波器系数。将(C^TC)^-1C^T表示为恒定值矩阵P＝[p₀p₁…p_P-1]，其中p_i是矩阵P中的与子带ω_i对应的第i列。矩阵P是能够将滤波器系数h_LS与目标频率响应d相关联的映射矩阵。滤波器系数h_LS因此可以被计算为每个映射列p_i与每个目标增益d(ω_i)的线性组合。在一个示例中，滤波器系数h_LS可以被表示为如下：

映射矩阵P对于特定类型的时域滤波器而言通常是恒定的。由于矩阵C的较大的尺寸(P乘2N的尺寸)，计算映射矩阵P的开销较大。在一些示例实施例中，映射矩阵P可以被预先计算并且被存储在存储器中以供使用。

在一些示例实施例中，按音频样本来更新滤波器系数。也就是说，针对音频信号的每个样本，在步骤130中更新滤波器系数一次。在这些实施例中，可以针对每轮迭代来选择目标增益。可以基于所选择的目标增益和预先存储的映射，从针对之前的音频样本的滤波器系数来更新针对当前音频样本的滤波器系数。例如，针对每个音频样本，可以计算滤波器系数如下：

h_LS(n)＝h_LS(n-1)+d(ω_i,n)p_i (7)

其中h_LS(n)表示针对第n个音频样本的滤波器系数；h_LS(n-1)表示针对第(n-1)个音频样本的滤波器系数；d(ω_i,n)表示针对子带ω_i的目标增益，其被选择用于更新针对第n个音频样本的滤波器系数；并且p_i表示与子带ω_i对应的映射。在一些示例中，滤波器系数可以在音频信号的最开始处被初始化为例如随机值或者一些预定义的值。

尽管在公式(7)中示出了仅一个目标增益被选择用以更新针对音频样本的滤波器系数h_LS(n)，要理解的是，可以使用多于一个的目标增益。在两个或更多个目标增益被选择的情况中，可以计算这些目标增益与对应映射的乘积之和以用于更新。在一些示例实施例中，公式(7)中的索引i可以从0到P-1的范围，意味着针对第一音频部分的P个目标增益基于它们对应的子带而被顺序地选择。备选地，在每轮迭代中使用的目标增益d(ω_i,n)可以从P个目标增益中随机选择。也就是说，可以不必要从低频率到高频率、或者从高频率到低频率来执行更新。对于不同轮迭代，从所获得的预定数目的目标增益中选择不同的目标增益。

在步骤130中将滤波器系数更新一次之后，在方法100中，在步骤140确定是否满足收敛条件。如果更新过程未收敛，方法100返回步骤120，进入下一次迭代。为了获得目标频率响应，在一些示例实施例中，可以使用所有的目标增益来更新滤波器系数。在这种情况下，基于是否所有P个目标增益均被选择，来确定收敛条件。如果满足收敛条件，滤波器系数更新过程结束。

在针对每轮迭代于步骤120中选择仅一个目标增益的情况下，时域滤波器的频率响应可以在最多P个音频样本之后收敛到目标频率响应。要理解的是，所确定的目标频率响应在大多数实际使用情况中可能不会每个样本地变化，而是可能缓慢地变动。在这种情况下，在第一音频部分中的P个样本之后的音频样本可以基于所得到的滤波器系数来如所期望的那样进行滤波。在一个示例中，P个音频样本可以用逐步更新的滤波器系数来进行滤波。

如从公式(7)可以看出的，目标增益P的数目对滤波器系数更新过程的收敛速度以及计算复杂度有影响。在一些示例实施例中，为了获得良好的频率采样(避免丢失目标频率响应中的任何异常情况(anomaly))并且获得滤波器系数更新时相对低的计算复杂度，P的值可以基于时域滤波器的阶数来设置。例如，P可以被设置为时域滤波器的阶数的倍数，如下：

P＝2QN (8)

其中2N表示滤波器的阶数；并且Q是正整数值。在一个示例中，对于96阶(N＝48)的时域滤波器，目标增益的数目可以被设置为480，Q是5。在这个示例中，使用公式(7)中示出的更新过程，时域滤波器的频率响应可以在480个样本(或者，对于480kHz的音频采样率而言是10ms)内收敛到目标频率响应。要理解的是，基于本领域技术人员的实践经验，Q可以被设置为任何其他值，并且本文中公开的主题的范围在此方面不受限制。

图2描绘了具有在480个不同的子带中的目标增益的目标频率响应的示意图。图3描绘了时域滤波器的频率响应在120、240、360和480的样本数目处如何变动。在图3的示例中，以按样本来更新滤波器系数。如所示出的，在图3中，时域滤波器可以在480个样本之后具有接近于目标频率响应的频率响应。

如以上提及的，在每轮迭代中，可以从P个目标增益中选择两个或更多个目标增益来更新滤波器系数。在这种情况下，获得目标频率响应所花费的时间可以从P样本的时间段降低至更短的时间段。然而，如果在每轮中使用过多的目标增益，在某个时间点处可能发生计算资源使用量的峰值，这将破坏计算的均匀分布，并且因此将潜在地引起临时的资源短缺。因此，在收敛速度与计算的均匀分布之间存在权衡。

在一些示例实施例中，在步骤120中选择的目标增益的数目可以基于可用的计算资源来确定。如果有足够的计算资源，每次可以选择更多的目标增益用于更新。否则，在每轮迭代中可以仅基于一个目标增益来更新滤波器系数。备选地或附加地，在选择(多个)目标增益时，可以将对滤波器系数更新的收敛要求纳入考虑之中。例如，如果期望时域滤波器快速地收敛到目标频率响应以获得所期望的输出音频信号，那么在每轮迭代中可以选择更多的目标增益，以便加快收敛速度。

在一些其他示例实施例中，在步骤140中检测是否获得针对接下来的音频部分的新的目标增益，以便决定当前迭代过程是否收敛。如果获得了新的目标增益，当前的更新过程可以被停止，以便基于新的目标增益来适配时域滤波器。这在音频信号的特性频繁变化的时候可能会发生。在这种情况下，步骤110中的第一音频部分可能较短(例如，包括比P更少的音频样本)。备选地或附加地，步骤140中的收敛条件可以被设置为预定时间段或者预定数目的迭代。

在以上描述的滤波器系数更新过程中，计算复杂度取决于滤波器的阶数以及用于计算滤波器系数的目标增益的数目。然而，滤波器的阶数通常是预定义的，以便获得某些滤波效果。为了降低计算复杂度，可以减少在更新过程中使用的目标增益的数目。在一些示例实施例中，仅当特定频率子带中存在较大的增益改变时，才更新滤波器系数。在这种情况下，具有较小改变的目标增益将不会被选择以供使用。

在一个示例实施例中，对于针对第一音频部分的P个目标增益中的第一目标增益，确定第一目标增益与针对第一音频部分之前的第二音频部分的第二目标增益之间的差异。第一目标增益和第二目标增益对应于同一子带。如果该差异大于预定阈值，这意味着在这个子带中存在较大变化，那么可以选择第一目标增益用于更新滤波器系数。差异与预定阈值之间的关系可以被表示为如下：

|d(ω_i,t)-d(ω_i,t-1)|＞e(ω_i) (9)

其中d(ω_i,t)表示针对音频信号的当前音频部分t的、与子带ω_i对应的第一目标增益；d(ω_i,t-1)表示针对音频信号的之前音频部分t-1的、与同一子带ω_i对应的第二目标增益；并且e(ω_i)表示预定阈值，并且在一个示例中该预定阈值可以针对不同的子带而变化。对于针对当前音频部分所获得的目标增益中的每个目标增益，均可以确定以上公式(9)是否满足。

如果满足公式(9)，例如如果第一目标增益d(ω_i,t)与第二目标增益d(ω_i,t-1)之间的差异高于阈值e(ω_i)，那么目标增益d(ω_i,t)可以被用于更新针对当前音频部分的滤波器系数。在一些示例实施例中，针对其中增益的较小变化都可被听到的敏感频率子带(例如，临界频带(critical band))，预定阈值e(ω_i)可以被设置为较小的值。否则，针对不敏感的频率子带，e(ω_i)可以被设置为相对大的值。

在其中第一和第二目标增益之间的差异小于或等于预定阈值e(ω_i)的情况中，可以丢弃针对当前的第一音频部分的第一目标增益。在许多使用场景中，不同子带中的目标增益不会频繁地变化，并且并非所有的目标增益均在同一时间突然变化。因此，P个目标增益中仅较小数目的目标增益可以被选择用于更新滤波器系数，这可以显著地减低计算复杂度。

在一些示例实施例中，期望将时域滤波器的当前频率响应缓慢地适配到目标频率响应，以便提高过渡性能并且减低可能产生的任何潜在的人为噪音(artifact)。为了实现这一点，在被用于更新之前，基于平滑因数和针对第一音频部分之前的第二音频部分的第二目标增益，来平滑针对第一音频部分的所选择的目标增益中的第一目标增益。第一目标增益和第二目标增益对应于同一子带。通过这种方式，时域滤波器的滤波器系数可以经历更平滑且更少噪声的适配。

在平滑过程中，取决于平滑因数，针对当前音频部分的目标增益和针对之前的音频部分的目标增益可以对经平滑的目标增益具有相应的贡献。相应的贡献可以被组合起来用以确定经平滑的目标增益。在一个示例中，一种简单的一阶递归平滑可以被表示为如下：

其中d(ω_i,t)表示针对音频信号的当前音频部分t的、与子带ω_i对应的所选择的第一目标增益；d(ω_i,t-1)表示针对音频信号的之前音频部分t-1的、与同一子带ω_i对应的第二目标增益；表示平滑因数，并且在一个示例中该平滑因数可以针对不同的子带而变化；并且d_S(ω_i,t)表示经平滑的第一目标增益。平滑因数可以是预定义的，或者在需要的时候可以在线修改。对于所选择的目标增益中的每个目标增益，均可以执行公式(10)中的平滑过程。

在一些示例实施例中，可以按感知子带来执行滤波器系数更新过程，其中音频信号的整个频率范围被划分成多个感知子带。在同一感知子带中的一些相邻频率点之间存在许多相关性。一般地，感知子带的数目可以远少于以线性的方式划分的子带的数目。现有技术中有许多熟知的准则用于划分感知子带。例如，整个频率范围可以被划分成多个等效矩阵频带(Equivalent Rectangular Band，ERB)。在一个实例中，20个ERB足够用于音频处理。在这种情况下，仅需要20个增益用于获得目标频率响应，每个增益对应于这些ERB中的一个ERB。

由于感知子带与线性子带之间存在相关性，针对感知子带的目标增益和针对线性子带的目标增益可以通过转换矩阵来彼此转换。在一个示例中，目标增益可以被如下表示：

d＝Qg_p (11)

其中d表示目标频率响应，其是与P个线性子带对应的目标增益矩阵；Q表示转换矩阵，其通常是取决于在划分感知子带时所使用的准则的恒定矩阵；并且g_p表示与感知子带对应的目标增益矩阵。假设感知子带的数目是B，其小于P。目标增益矩阵g_p可以被表示为g_p＝[g_p(b₀)g_p(b₁)g_p(b₂)...g_p(b_B-1)]^T，每个目标增益g_p(b_i)对应于感知子带b_i。转换矩阵Q可以用于将与线性子带对应的P个目标增益转换成与感知子带对应的B个目标增益。

通过将公式(11)代入公式(5)中，滤波器系数h_LS可以被确定为如下：

h_LS＝(C^TC)^-1C^TQg_p (12)

将公式(12)中的(C^TC)^-1C^TQ表示为映射矩阵P'，其中p'_i是矩阵P'中的与感知子带b_i对应的第i列。映射矩阵P'用于将针对感知子带的目标增益映射到滤波器系数中。映射矩阵P'可以被预先计算和存储以供在滤波器系数更新过程中使用。在经过从公式(6)到公式(7)的相同过程之后，针对每个音频样本的滤波器系数可以被计算如下：

h_LS(n)＝h_LS(n-1)+g_p(b_i,n)p'_i (13)

其中g_p(b_i,n)表示针对第i个感知子带b_i的目标增益，其被选择用于更新第n个音频样本；并且p'_i表示映射矩阵P'中第i个映射列。根据公式(13)，可以以迭代过程，基于针对感知子带的目标增益来滤波器系数。在每轮迭代中，针对感知子带的一个或多个目标增益可以被选择用于更新。

可以看出，公式(13)与公式(7)之间的主要区别在于索引i循环更少的数目。在公式(7)中，索引i从0到P-1，而在公式(13)中，索引i从0到B-1，B小于P。通过这种方式，可以减少复杂度并且可以加速滤波器系数的收敛。在一个示例中，收敛到目标频率响应的乘法的总数目可以被减少收敛时间也是一样地。在其中P是400并且B是20的示例中，滤波器系数在感知子带的基础上的收敛快了24倍(或者，针对480kHz的音频采样率，在0.4ms内收敛)。此外，需要用于存储预先计算的映射矩阵P'的存储空间也减少这对于具有有限存储的音频处理设备而言是有益的。

在一些示例实施例中，每次被选择用于更新滤波器系数的目标增益的数目g_p(b_i,n)可以通过考虑可用计算资源和/或具体的收敛要求来确定。在一些其他示例实施例中，针对特定感知子带的目标增益可以不被使用，除非在该感知子带中存在较大的增益编号，这可以进一步减少计算复杂度。备选地或附加地，可以在音频信号的样本上对感知子带的目标增益进行平滑。这个平滑过程类似于以上针对线性子带的目标增益所描述的过程，在此不再重复。

利用经更新的滤波器系数，可以将时域滤波器设计为提供目标频率响应并且然后用于在时域中对音频信号进行滤波。可以取决于处理类型来设计时域滤波器。在一些示例实施例中，时域滤波器可以是有限脉冲响应(FIR)滤波器或者无限脉冲响应(IIR)滤波器。在一些示例中，为了获得线性相位(恒定的群延迟)，可以选择对称的FIR滤波器。根据一些具体的处理要求，时域滤波器还可以成形为低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器、带阻滤波器或者陷波滤波器。将理解的是，根据需要还可以利用任何其他类型的滤波器，并且本文中公开的主题的范围在此方面不受限制。

使用2N阶的FIR时域滤波器作为示例，当前输入音频信号样本和2N个之前的输入音频信号样本可以与相应的(2N+1)个滤波器系数相乘。乘法运算的乘积可以相加到一起用以确定输出音频信号。例如，输出音频信号y(n)可以由如下公式与输入音频信号x(n)相关：

其中n表示音频样本索引；2N表示FIR滤波器的阶数；并且h(i)表示滤波器系数。

一般地，步骤110中的音频分析和步骤120至140中的滤波器系数更新可能引入一些延迟。出于实时处理的目的，在一些示例实施例中，音频分析和滤波器系数更新可以与音频信号的滤波并行地执行。也就是说，时域滤波器可以旨在于对输入音频信号的实时处理。无论何时获得经更新的滤波器系数，时域滤波器均据此处理音频信号。例如，在方法100的步骤130中获得的经更新的滤波器系数可以被用于对第一音频部分的对应的音频样本进行滤波。备选地，第一音频部分的开始部分可以基于针对先前音频部分的滤波器系数来进行滤波，直至所获得的针对第一部分的滤波器系数在步骤140中收敛。

可以以各种方式利用滤波器系数来实现时域滤波器。在一些示例实施例中，对于输入音频信号的每个音频样本，可以在时域滤波器中预先计算这个样本与所有滤波器系数的乘法运算，并且存储乘积。然后，将输入音频信号计算为所有经延迟的乘积之和。图4描绘了这样的时域滤波器400的框图。时域滤波器400具有2N的长度。如所示出的，时域滤波器400包括(2N+1)个乘法器401₁、401₂、……、401_2N、401_(2N+1)。从滤波器系数更新过程中获得的(2N+1)个滤波器系数可以被分别应用到(2N+1)个乘法器，以便于输入音频信号的每个样本x(n)相乘。

时域滤波器400还包括2N个加法器402₁、402₂、……、402_2N和2N个延迟单元403₁、403₂、……、403_2N。来自乘法器401₂、……、401_2N、401_(2N+1)的乘积在对应的延迟单元403中被延迟。可以看出，在乘法器401₁中相乘的样本不被延迟。每个延迟单元403可以将这些乘积延迟一个音频样本。所有经延迟的乘积和来自乘法器401₁的乘积可以被加在一起以获得输出音频信号y(n)。时域滤波器的这个结构的一个优点在于，如果滤波器系数在幅度上频繁地变化，所获得的输出音频信号将会平滑地过渡。

在一些其他示例实施例中，时域滤波器可以具有其他结构。例如，输入音频信号的每个音频样本可以首先被延迟并且然后与滤波器系数相乘。乘法运算的乘积可以被加在一起以获得输出音频信号。图5描绘了针对这个示例的时域滤波器500的框图。输入音频信号x(n)的每个音频样本首先经过2N个延迟单元503₁、……、503_(2N-1)、503_2N，并且然后分别与(2N+1)个滤波器系数由(2N+1)个乘法器501₁、501₂、……、501_2N、501_(2N+1)相乘。可以看出，要在乘法器501₁中相乘的样本不被延迟。(2N+1)个乘法运算的乘积可以由2N个加法器502₁、502₂、……、502_2N相加以提供输出音频信号y(n)。

要理解的是，仅出于解释说明的目的来描述时域滤波器的结构，而不是给出对本文中所描述的主题的范围的任何限制。时域滤波器可以以其他不同的结构来体现。在一些示例实施例中，时域滤波器可以由现代DSP来实现，因为多数实际的现代DSP包括用于时域滤波中涉及的乘法和加法运算的专用电路。将理解的是，还可以采用任何其他类型的处理器，诸如举例而言，通用处理器以及如以下参照图7所描绘的处理器。本文中公开的主题的范围在此方面不受限制。

在一些示例实施例中，为了减少音频信号滤波过程中的计算复杂度，经更新的滤波器系数中的具有较小值的一些滤波器系数可以不被用于乘上音频样本。具体地，如果经更新的滤波器系数中的任何滤波器系数较小，例如近乎等于零，那么对应的乘法器可以停止运行并且在这个分支中的输出将被直接设置为零。例如，在时域滤波器500中，如果滤波器系数h(2N)具有几乎等于零的值，将避免在乘法器501₁的分支中的乘法运算。备选地或附加地，如果长时间观察到滤波器系数中的一个或多个滤波器系数保持在较小值，该时域滤波器可以被配置为具有较小的阶数。因此，目标增益的数目P(如以上所描述的，其取决于滤波器的阶数)可以被减少为较小的值。这为滤波器系数更新过程的计算复杂度和收敛速度带来了直接益处。

图6是根据本文中描述的一个示例实施例的用于处理音频信号的系统600的框图。如所示出的，系统600包括目标增益获得模块610，被配置为通过分析音频信号的第一部分来获得针对音频信号的第一部分的预定数目的目标增益。目标增益中的每个目标增益对应于音频信号的线性子带。系统600还包括系数确定模块620，被配置为通过迭代地执行以下操作来确定用于对音频信号的第一部分进行滤波的滤波器系数：从目标增益中选择至少一个目标增益，以及基于所选择的至少一个目标增益来更新滤波器系数。

在本文中公开的一些示例实施例中，目标增益获得模块610可以进一步被配置为基于滤波的阶数来确定预定数目。

在本文中公开的一些示例实施例中，系数确定模块620可以进一步被配置为基于以下各项中的至少一项来从目标增益中选择至少一个目标增益：可用于滤波器系数的更新的计算资源，以及滤波器系数的更新的收敛要求。

在本文中公开的一些示例实施例中，系数确定模块620可以进一步被配置为：对于针对第一部分的目标增益中的第一目标增益，确定第一目标增益与针对音频信号的第二部分的第二目标增益之间的差异，第二部分在第一部分之前，第一目标增益和第二目标增益对应于同一线性子带。系数确定模块620还可以进一步被配置为响应于差异超过预定阈值，选择第一目标增益。

在本文中公开的一些示例实施例中，系数确定模块620可以进一步被配置为获得将所选择的至少一个目标增益与滤波器系数相关联的映射。系数确定模块620还可以进一步被配置为基于所选择的至少一个目标增益以及映射，更新滤波器系数。

在本文中公开的一些示例实施例中，系数确定模块620可以进一步被配置为：对于针对第一部分的所选择的至少一个目标增益中的第一目标增益，基于平滑因数和针对音频信号的第二部分的第二目标增益来平滑第一目标增益，第二部分在第一部分之前，第一目标增益和第二目标增益对应于同一线性子带。系数确定模块620还可以进一步被配置为基于经平滑的目标增益来更新滤波器系数。

假设以上预定数目是第一预定数目。在本文中公开的一些示例实施例中，系统600可以可选地包括目标增益转换模块630，被配置为将第一预定数目的目标增益转换成第二预定数目的目标增益，第二预定数目的目标增益中的每个目标增益对应于音频信号的感知子带，第二预定数目低于第一预定数目。在这些实施例中，系数确定模块620可以进一步被配置为从第二预定数目的目标增益中选择至少一个目标增益。

在本文中公开的一些示例实施例中，系统600可以可选地包括音频滤波模块640，被配置为基于经更新的滤波器系数，在时域中对音频信号的第一部分进行滤波。在这些实施例中，音频滤波模块640可以包括时域滤波器，该时域滤波器基于经更新的滤波器系数来适应性地调整。

要理解的是，系统600的各部件可以是硬件模块，也可以是软件单元模块等等。例如，在某些示例实施例中，这些系统中的任何系统可以部分或者全部利用软件和/或固件来实现，例如被实现为包含在计算机可读介质上的计算机程序产品。备选地或附加地，这些系统中的任何系统可以部分或者全部基于硬件来实现，例如被实现为集成电路(IC)、专用集成电路(ASIC)、片上系统(SOC)、现场可编程门阵列(FPGA)等。本文中公开的主题的范围在此方面不受限制。

图7描绘了适于用来实现本文中公开的示例实施例的示例计算机系统700的示意性框图。如所描绘的，计算机系统700包括中央处理单元(CPU)701，其可以根据存储在只读存储器(ROM)702中的程序或者从存储部分708加载到随机访问存储器(RAM)703中的程序而执行各种适当的动作和处理。如所需要的，在RAM 703中，还存储有CPU 701执行各种过程等需要的数据。CPU 701、ROM 702以及RAM703通过总线704彼此相连。输入/输出(I/O)接口705也连接至总线704。

以下部件连接至I/O接口705：包括键盘、鼠标等的输入部分706；包括诸如阴极射线管(CRT)、液晶显示器(LCD)等以及扬声器等的输出部分707；包括硬盘等的存储部分708；以及包括诸如LAN卡、调制解调器等的网络接口卡的通信部分709。通信部分709经由诸如因特网的网络执行通信处理。驱动器710也根据需要连接至I/O接口705。可拆卸介质711，诸如磁盘、光盘、磁光盘、半导体存储器等等，根据需要安装在驱动器710上，以便于从其上读出的计算机程序根据需要被安装入存储部分708。

特别地，根据本文中公开的示例实施例，上文参考图1描述的方法可以被实现为计算机软件程序。例如，本文中公开的示例实施例包括一种计算机程序产品，其包括有形地包含在机器可读介质上的计算机程序，所述计算机程序包含用于执行方法100的程序代码。在这样的实施例中，该计算机程序可以通过通信部分709从网络上被下载和安装，和/或从可拆卸介质711被安装。

一般而言，本文中公开的各种示例实施例可以在硬件或专用电路、软件、逻辑，或其任何组合中实施。某些方面可以在硬件中实施，而其他方面可以在可以由控制器、微处理器或其他计算设备执行的固件或软件中实施。当本文中公开的示例实施例的各方面被图示或描述为框图、流程图或使用某些其他图形表示时，将理解此处描述的方框、装置、系统、技术或方法可以作为非限制性的示例在硬件、软件、固件、专用电路或逻辑、通用硬件或控制器或其他计算设备，或前述的某些组合中实施。

而且，流程图中的各框可以被看作是方法步骤，和/或计算机程序代码的操作生成的操作，和/或理解为执行相关功能的多个耦合的逻辑电路元件。例如，本文中公开的实施例包括计算机程序产品，该计算机程序产品包括有形地实现在机器可读介质上的计算机程序，该计算机程序包含被配置为实现上文描述方法的程序代码。

在公开的上下文内，机器可读介质可以是包含或存储用于或有关于指令执行系统、装置或设备的程序的任何有形介质。机器可读介质可以是机器可读信号介质或机器可读存储介质。机器可读介质可以包括但不限于电子的、磁的、光学的、电磁的、红外的或半导体系统、装置或设备，或其任意合适的组合。机器可读存储介质的更详细示例将包括带有一根或多根导线的电气连接、便携式计算机磁盘、硬盘、随机存储存取器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦除可编程只读存储器(EPROM或闪存)、便携式压缩盘只读存储器(CD-ROM)、光存储设备、磁存储设备，或前述的任意合适的组合。

用于实现本文中公开的方法的计算机程序代码可以用一种或多种编程语言编写。这些计算机程序代码可以提供给通用计算机、专用计算机或其他可编程的数据处理装置的处理器，使得程序代码在被计算机或其他可编程的数据处理装置执行的时候，引起在流程图和/或框图中规定的功能/操作被实施。程序代码可以完全在计算机上、部分在计算机上、作为独立的软件包、部分在计算机上且部分在远程计算机上或完全在远程计算机或服务器上执行。程序代码可以被分布在被特定编程的设备，这些设备通常在本文中可以被称为“模块”。这些模块的软件分组部分可以以任何具体计算机语言来编写并且可以是单片集成代码库的一部分，或者可以被开发成多个离散代码部分，诸如通常以面向对象的计算机语言来开发。此外，模块可以跨多个计算机平台、服务器、终端、移动设备等来分布。给定的模块甚至可以被实施为使得所描述的功能由单个处理器和/或计算机硬件平台来执行。

如本申请中所使用的，术语“电路装置”指的是以下的所有：(a)仅硬件电路实现方式(诸如仅模拟电路装置和/或仅数字电路装置的实现方式)以及(b)与电路和软件(和/或固件)的组合，诸如(如果可用的话)：(i)与处理器的组合或(ii)处理器/软件(包括数字信号处理器)、软件和存储器的部分，这些部分一起工作以使得装置(诸如移动电话或服务器)执行各种功能，以及(c)电路，诸如微处理器或微处理器的一部分，其需要软件或固件用于操作，即使软件或固件不是物理存在的。此外，本领域技术人员已知的是，通信媒介通常体现计算机可读指令、数据结构、程序模块或模块化数据信号中的其他数据，该数据信号诸如载波或其他传输机制，并且通信媒介包括任何信息传送媒介。

另外，尽管操作以特定顺序被描绘，但这并不应该理解为要求此类操作以示出的特定顺序或以相继顺序完成，或者执行所有图示的操作以获取期望结果。在某些情况下，多任务和并行处理会是有益的。同样地，尽管上述讨论包含了某些特定的实施细节，但这并不应解释为限制本文中公开的主题或权利要求的范围，而应解释为对可以针对特定实施例的特征的描述。本说明书中在分开的实施例的上下文中描述的某些特征也可以整合实施在单个实施例中。相反地，在单个实施例的上下文中描述的各种特征也可以分离地在多个实施例或在任意合适的子组合中实施。

针对本文中公开的前述示例实施例的各种修改、改变将在连同附图查看前述描述时对相关技术领域的技术人员变得明显。任何及所有修改将仍落入非限制的和本文中公开的示例实施例范围。此外，前述说明书和附图存在启发的益处，涉及本文中公开的这些实施例的技术领域的技术人员将会想到此处阐明的其他实施例。

将会理解，本文中公开的主题的实施例不限于公开的特定实施例，并且修改和其他实施例都应包含于所附的权利要求范围内。尽管此处使用了特定的术语，但是它们仅在通用和描述的意义上使用，而并不用于限制目的。

Claims (17)

1.一种处理音频信号的方法，包括：

通过分析所述音频信号的第一部分来获得针对所述音频信号的所述第一部分的预定数目的目标增益，所述目标增益中的每个目标增益对应于所述音频信号的线性子带；以及

通过迭代地执行以下操作来确定用于对所述音频信号的所述第一部分进行滤波的滤波器系数：

从所述目标增益中选择至少一个目标增益，以及

基于所选择的至少一个目标增益来更新所述滤波器系数。

2.根据权利要求1所述的方法，其中获得所述目标增益包括：

基于所述滤波的阶数来确定所述预定数目。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其中从所述目标增益中选择至少一个目标增益包括：

基于以下各项中的至少一项来从所述目标增益中选择至少一个目标增益：

可用于所述滤波器系数的所述更新的计算资源，以及

所述滤波器系数的所述更新的收敛要求。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其中从所述目标增益中选择至少一个目标增益包括：

对于针对所述第一部分的所述目标增益中的第一目标增益，确定所述第一目标增益与针对所述音频信号的第二部分的第二目标增益之间的差异，所述第二部分在所述第一部分之前，所述第一目标增益和所述第二目标增益对应于同一线性子带；以及

响应于所述差异超过预定阈值，选择所述第一目标增益。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其中基于所选择的至少一个目标增益来更新所述滤波器系数包括：

获得将所选择的至少一个目标增益与所述滤波器系数相关联的映射；以及

基于所选择的至少一个目标增益以及所述映射，更新所述滤波器系数。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其中基于所选择的至少一个目标增益来更新所述滤波器系数包括：

对于针对所述第一部分的所选择的至少一个目标增益中的第一目标增益，基于平滑因数和针对所述音频信号的第二部分的第二目标增益来平滑所述第一目标增益，所述第二部分在所述第一部分之前，所述第一目标增益和所述第二目标增益对应于同一线性子带；以及

基于经平滑的目标增益来更新所述滤波器系数。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的方法，其中所述预定数目是第一预定数目，所述方法进一步包括：

将所述第一预定数目的目标增益转换成第二预定数目的目标增益，所述第二预定数目的目标增益中的每个目标增益对应于所述音频信号的感知子带，所述第二预定数目低于所述第一预定数目，并且

其中从所述目标增益中选择至少一个目标增益包括：

从所述第二预定数目的目标增益中选择至少一个目标增益。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的方法，进一步包括：

基于经更新的滤波器系数，在时域中对所述音频信号的所述第一部分进行滤波。

9.一种用于处理音频信号的系统，包括：

目标增益获得模块，被配置为通过分析所述音频信号的第一部分来获得针对所述音频信号的所述第一部分的预定数目的目标增益，所述目标增益中的每个目标增益对应于所述音频信号的线性子带；以及

系数确定模块，被配置为通过迭代地执行以下操作来确定用于对所述音频信号的所述第一部分进行滤波的滤波器系数：

从所述目标增益中选择至少一个目标增益，以及

基于所选择的至少一个目标增益来更新所述滤波器系数。

10.根据权利要求9所述的系统，其中所述目标增益获得模块进一步被配置为基于所述滤波的阶数来确定所述预定数目。

11.根据权利要求9或10所述的系统，其中所述系数确定模块进一步被配置为基于以下各项中的至少一项来从所述目标增益中选择至少一个目标增益：

可用于所述滤波器系数的所述更新的计算资源，以及

所述滤波器系数的所述更新的收敛要求。

12.根据权利要求9至11中任一项所述的系统，其中所述系数确定模块进一步被配置为：

对于针对所述第一部分的所述目标增益中的第一目标增益，确定所述第一目标增益与针对所述音频信号的第二部分的第二目标增益之间的差异，所述第二部分在所述第一部分之前，所述第一目标增益和所述第二目标增益对应于同一线性子带；以及

响应于所述差异超过预定阈值，选择所述第一目标增益。

13.根据权利要求9至12中任一项所述的系统，其中所述系数确定模块进一步被配置为：

获得将所选择的至少一个目标增益与所述滤波器系数相关联的映射；以及

基于所选择的至少一个目标增益以及所述映射，更新所述滤波器系数。

14.根据权利要求9至13中任一项所述的系统，其中所述系数确定模块进一步被配置为：

对于针对所述第一部分的所选择的至少一个目标增益中的第一目标增益，基于平滑因数和针对所述音频信号的第二部分的第二目标增益来平滑所述第一目标增益，所述第二部分在所述第一部分之前，所述第一目标增益和所述第二目标增益对应于同一线性子带；以及

基于经平滑的目标增益来更新所述滤波器系数。

15.根据权利要求9至14中任一项所述的系统，其中所述预定数目是第一预定数目，所述系统进一步包括：

目标增益转换模块，被配置为将所述第一预定数目的目标增益转换成第二预定数目的目标增益，所述第二预定数目的目标增益中的每个目标增益对应于所述音频信号的感知子带，所述第二预定数目低于所述第一预定数目，并且

其中所述系数确定模块进一步被配置为从所述第二预定数目的目标增益中选择至少一个目标增益。

16.根据权利要求9至15中任一项所述的系统，进一步包括：

音频滤波模块，被配置为基于经更新的滤波器系数，在时域中对所述音频信号的所述第一部分进行滤波。

17.一种处理音频信号的计算机程序产品，所述计算机程序产品包括被有形地体现在机器可读介质上的计算机程序，所述计算机程序包含程序代码，所述程序代码用于执行根据权利要求1至8中任一项所述的方法。