CN111585543A - 一种Farrow结构实现音频采样率转换的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种Farrow结构实现音频设备采样率转换的方法，包括：步骤1、将输入音响设备的音频信号执行Farrow结构运算，基于分段多项式脉冲响应的滤波器
Figure 541541DEST_PATH_IMAGE002
是使用farrow结构实现；步骤2、使用该farrow结构执行降采，初始数字延时u0=(fs‑f0)/fs,令抽取的采样点数为DeciCnt，其中fs为降采前的采样率，f0为降采后的采样率。降采的流程图如图3所示，每次当uk<1时实现一次抽取运算。其中farrow filter表示经过图1的farrow滤波器运算结构；步骤3、使用该farrow结构执行上采，令初始数字延时u0=fs/f0,令插值的采样点数为InterCnt，其中fs为上采前的采样率，f0为上采后的采样率。上采的流程图如图4所示，每次当u2>1时实现一次新增的插值运算。

Description

一种Farrow结构实现音频采样率转换的方法
技术领域
本发明是关于一种Farrow结构的滤波器实现音频信号采样率转换的方法，音频设备可包括无线蓝牙耳机、音像、音响，无线方式括不仅限于2.4G、WIFI、蓝牙及其他无线连接方式。
背景技术
已有技术中音频设备对于音频信号的采样率转换一般包括48KHz-64KHz、64KHz-48KHz、44.1KHz-48KHz等。对于48K-64K、64K-48K等整数倍范围的采样率转换通常是先上采整数倍（插零法），下采整数倍（抽取），然后经过低通滤波器实现。对于44.1KHz-48KHz等小数倍的采样率转换，通常是采用farrow结构滤波器实现。
已有技术的缺陷是对于不同类型的采样率转换采取不同的算法，需要用不同的硬件结构去实现，开销大。一般的Farrow结构滤波器不能同时实现上采和下采的功能，而且已有的farrow滤波器方案会造成音频信号的失真。
发明内容
本发明的技术方案是提供一种Farrow结构实现音频信号采样率转换的方法，包括：步骤1、将输入音响设备的音频信号执行Farrow结构运算，Farrow结构的采样率转换用公式表示为：
Figure 738230DEST_PATH_IMAGE001
(1)
其中
Figure 693417DEST_PATH_IMAGE003
为输入信号，
Figure 467338DEST_PATH_IMAGE005
为输出信号，
Figure 129263DEST_PATH_IMAGE007
为采样率转换滤波器，基于分段多项式脉冲响应的滤波器
Figure 127175DEST_PATH_IMAGE008
是使用farrow结构实现；
步骤2、使用该farrow结构执行降采，初始数字延时u0=(fs-f0)/ fs,令抽取的采样点数为DeciCnt，其中fs为降采前的采样率，f0为降采后的采样率。降采的流程图如图3所示，每次当uk<1时实现一次抽取运算，其中Farrow filter表示图一的farrow滤波器运算结构；
步骤3、使用该farrow结构执行上采，令初始数字延时u0= fs / f0 , 令插值的采样点数为InterCnt，其中fs为上采前的采样率，f0为上采后的采样率，上采的流程图如图4所示，每次当u2>1时实现一次新增的插值运算。
技术效果：将farrow滤波器的重采样和Matlab自带的Resample结果（理想情况）作对比，两种采样率转换方案在时域和频域的均方误差值分别为：1.7172e-4（时域）和2.81e-2（频域）。
附图说明
图1是执行本发明方法使用的Farrow运算结构图；
图2是原始64K采样音频与Farrow重采到48K音频频域对比图；
图3是64KHz-48KHz降采样抽取图；
图4是44.1KHz到48KHz升采样插值图。
图5是Farrow滤波器硬件实现的定点化方案。
具体实施方式
本发明的技术方案是：（1）将输入音响设备的音频信号执行Farrow结构运算，Farrow结构的采样率转换用公式表示为：
Figure 772920DEST_PATH_IMAGE010
(1)
其中
Figure 822303DEST_PATH_IMAGE011
为输入信号，
Figure 869894DEST_PATH_IMAGE012
为输出信号，
Figure 241969DEST_PATH_IMAGE013
为采样率转换滤波器，基于分段多项式脉冲响应的滤波器
Figure 375010DEST_PATH_IMAGE014
是使用farrow结构实现。这种结构类似于FIR结构，具有固定的乘法器系数，同时具有可变数字延时
Figure 490734DEST_PATH_IMAGE016
。通过的数字延时
Figure 189568DEST_PATH_IMAGE017
可以改变频率转换的比例。所以公式(1)又表示为：
Figure DEST_PATH_IMAGE019
Figure DEST_PATH_IMAGE021
（2）
Figure DEST_PATH_IMAGE023
公式（2）表示的Farrow运算结构图如图1所示。
（2）抽取和插值流程
抽取流程：以64KHz转48KHz为例，介绍farrow滤波器实现降采样的流程。令初始数字延时
Figure DEST_PATH_IMAGE025
,令抽取的采样点数为DeciCnt。抽取的流程图如图3所示，其中farrow filter表示图一的farrow滤波器运算结构。其他倍率的降采样率变换可以用此流程实现。
插值流程：以44.1KHz转48KHz为例，介绍farrow滤波器实现升采样的流程。令初始数字延时
Figure DEST_PATH_IMAGE027
,令插值的采样点数为InterCnt。插值的流程图如4所示。每次当u2>1时实现一次新增的插值运算。其他倍率的升采样率变换可以用此流程实现。
图2是一段64KHz原始音频和用farrow滤波器降采到48KHz后音频的频谱对比。可以看出重采样没有对音频信号造成没有任何失真。
图1的Farrow结构的滤波器系数为：
B = [0 -0.02584 0.01427 0.02964 -0.01807;
0 0.16286 -0.12615 -0.13032 0.09361;
0 -0.70773 0.89228 -0.0051 -0.17945;
1 -0.16034 -1.58858 0.64541 0.10350;
0 0.98724 0.96867 -1.05941 0.10350;
0 -0.34374 -0.19971 0.72289 -0.17945;
0 0.10595 0.04457 -0.24413 0.09361;
0 -0.01933 -0.00524 0.04265 -0.01807];
硬件实现的定点化方案如图5所示。该定点方案保证了输入和输出的信号都是16 bit的，验证实现后的方案对比Matlab自带的resample函数，具有极小的均方误差值。升降采样率后的音频信号在听感上完全一致并且在频域上基本重合。

Claims (1)

1.一种Farrow结构实现音频设备采样率转换的方法，其特征是包括：
步骤1、将输入音响设备的音频信号执行Farrow结构运算，Farrow结构的采样率转换用公式表示为：
Figure DEST_PATH_IMAGE001
(1)
其中
Figure 994255DEST_PATH_IMAGE002
为输入信号，
Figure DEST_PATH_IMAGE003
为输出信号，
Figure 252935DEST_PATH_IMAGE004
为采样率转换滤波器，基于分段多项式脉冲响应的滤波器
Figure DEST_PATH_IMAGE005
是使用farrow结构实现；
步骤2、使用该farrow结构执行降采，初始数字延时u0=(fs-f0)/ fs,令抽取的采样点数为DeciCnt，其中fs为降采前的采样率，f0为降采后的采样率，降采的流程图如图3所示，每次当uk<1时实现一次抽取运算；
步骤3、使用该farrow结构执行上采，令初始数字延时u0= fs / f0 , 令插值的采样点数为InterCnt，其中fs为上采前的采样率，f0为上采后的采样率，上采的流程图如图4所示，每次当u2>1时实现一次新增的插值运算。
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