CN1217491C - 采样速率转换装置及采样速率转换方法 - Google Patents

Abstract

采样速率转换装置及方法，通过提供一具有根据原型滤波器按照转换速率通过对数据进行内插得到的内插数据作为其系数的内插滤波器实现。采样速率转换装置包含：内插器，用于根据原型滤波器按照转换速率内插预定的数据，以便得到所需的滤波器系数；以及采样速率转换器，用于利用由内插器提供的滤波器系数对输入信号进行内插滤波。可提供适于各种转换速率的内插滤波器的系数不必使用大的单片存储器，获得对于输入信号优异的内插的版本。

Description

采样速率转换装置及采样速率转换方法

技术领域

本发明涉及采样速率转换装置及采样速率转换方法，特别是涉及利用内插滤波器的采样速率转换装置及其采样速率转换方法。

背景技术

采样速率转换装置用于按照可变的采样速率改变输入信号。通常的采样速率转换装置是一个图像定标器。该采样速率转换装置一般利用一作为线性相位低通滤波器的内插滤波器。

图1表示常规的利用内插滤波器的采样速率转换装置的示例，其中采用的滤波器系数是固定的。换句话说，将与多个转换(扫描)速率对应的滤波器系数存储在滤波器系数存储单元101中。如输入一任意的转换速率，采样速率变化单元110中的上采样器111确定上采样速率L_u并对输入信号x(n)按照上采样速率L_u进行上采样，以便输出一按公式(1)表达的上采样信号u(n)：

采样速率变化单元110的内插滤波器113是一线性相位低通滤波器的内插滤波器，其截止频率(Wc)为π/M并采用第M频带滤波器。这里，M是采样速率L_u和下采样速率L_d中的最大值。作为第M频带滤波器的内插滤波器112必须满足公式(2)：

内插滤波器113利用与从滤波器系数存储单元101读出的转换速率对应的滤波器系数对上采样信号进行滤波，输出一经滤波的信号，如公式(3)表达：

v(n)＝h(n)*u(n)                  ……(3)

采样速率变化单元110的下采样器115按照由转换速率确定的下采样速率L_d对经滤波的信号v(n)进行下采样，然后，将经下采样的信号y(n)输出，如公式(4)表达：

$y\left(n\right)=v\left(L_{d}n\right)$

$=\underset{k\∈Z}{\mathrm{\Σ}}h\left(k\right)u(L_d-k)......\left(4\right)$

$=\underset{m\∈Z}{\mathrm{\Σ}}h(L_{d}n-L_{u}m)\×\left(m\right)$

其中y(n)是输入信号x(n)的内插版本，其转换速率为L_u/L_d。公式(4)中的第三行是多相符号，可以用于图1、2或3中的采样速率变化单元。

利用第M频带滤波器的采样速率转换装置作为内插滤波器的优点是易于扩展到二维转换。

然而，由于将对应于各种不同转换速率的第M频带滤波器系数存储在滤波器系数存储单元101，需要一大的单片存储器。就是说，对于第M频带滤波器需要K+1个系数。因此，在采样速率转换装置能够适应转换速率A的情况下，滤波器系数存储单元101应能存储K+1个系数，其中K=(N-1)/2及N=4M-1。这里，N是第M频带滤波器的长度。在将变量M可以设置到其它任何整数之前，产生倍数(multiplier)“4”，但必须是一个整数，例如2或6，因为第M频带滤波器的长度必须是奇数。

为了解决上述缺陷，已经提出图2中所示的采样速率转换装置。按照这种装置，对原型半频带滤波器中的系数按照该采样速率进行余弦调制，然后，提供到一内插滤波器，即第M频带滤波器，因为其系数要用于改变输入信号的采样速率。

换句话说，将适合于采样速率变化单元210中的内插滤波器213的原型半频带滤波器中的系数预存储在采样速率变化单元210中。如果应用输入信号的转换速率，滤波器系数调制器202读出在采样速率变化单元210中存储的滤波器系数p(n)并进行余弦调制，以便得到第M频带滤波器系数h_c(n)，如公式(5)表达：

$\mathrm{hc}\left(n\right)=l\underset{x\→n}{\mathrm{im}}p\left(n\right)\frac{\sin (\mathrm{xp}/M)}{\sin (\mathrm{xp}/2)}......\left(5\right)$

然而，由公式(5)得到的第M频带滤波器系数具有不良的抑止频带衰减，导致形成不希望有的赝象。

因此，改变输入信号x(n)的采样速率之前，利用前置滤波器204对输入信号x(n)进行前置滤波。前置滤波器204按由转换速率确定的M×M尺寸的窗口对输入信号x(n)进行前置滤波。

滤波器系数均衡器203均衡从滤波器系数调制器202输出的滤波器系数h_c(n)，以便均衡前置滤波产生的幅值畸变，然后将经均衡的滤波器系数提供到内插滤波器213。内插滤波器213利用经均衡的滤波器系数对从上采样器211输出的上采样信号u(n)进行滤波，然后将经内插-滤波的信号发送到下采样器215。相应地，采样速率变化单元210输出该输入信号x(n)的内插版本y(n)。

然而，图2中所示的采样速率转换装置具有的缺点在于，基于前置滤波和均衡的计算是复杂的，当要处理图像序列时特别明显。

发明内容

为了解决上述问题，本发明的第一个目的是提供一种采样速率转换装置及转换输入信号采样速率的方法，通过提供一种具有根据原型滤波器按照转换速率通过对系数进行内插得到内插数据作为其系数的内插滤波器实现。

本发明的第二个目的是提供一种采样速率转换装置及一种用于转换输入信号采样速率的方法，通过提供一种具有按照转换速率通过对原型滤波器的系数进行内插得到内插系数作为其系数的内插滤波器实现。

本发明的第三个目的是提供一种采样速率转换装置及一种用于转换输入信号采样速率的方法，通过提供一种具有按照转换速率在对原型滤波器的系数进行内插时的中间内插结果以及最终内插结果作为其系数的内插滤波器实现。

因此，为了实现第一目的，提供一种采样速率转换装置，包含：上采样器，用于上采样一输入信号；数字内插滤波器，用于对所述上采样器的输出进行滤波；下采样器，用于下采样所述数字内插滤波器的输出；用于存储原型滤波器的系数的存储单元；内插器，用于获得通过对从存储单元读出的原型滤波器的系数进行内插而形成的连续的函数，并在4M-1均匀间隔的点对连续的函数进行采样，用以为所述数字内插滤波器提供系数；其中，M是上采样器和下采样器的采样速率中的较大的一个。

最好，该预定的数据是原型滤波器的系数，或者是按照转换速率在内插原型滤波器的系数时得到的中间内插结果。

根据本发明的另一方面，提供一种采样速率转换方法，包含的步骤有：存储原型滤波器的系数；提供通过内插原型滤波器的系数而形成的连续的函数；在4M-1均匀间隔的点采样所述连续的函数，用于为数字内插滤波器提供系数；上采样一输入信号；利用数字内插滤波器对上采样的输入信号进行滤波；以及下采样所述数字内插滤波器的输出；其中M是在上采样和下采样中所采用的采样速率中的较大一个。

附图说明

通过参照附图详细介绍本发明的一优选实施例，将会使本发明上述目的和优点变得更加明显，其中：

图1是利用固定滤波器系数的常规采样速率转换装置的方块图；

图2是利用余弦调制的常规采样速率转换装置的方块图；

图3是根据本发明的采样速率转换装置的方块图；

图4表示图3所示的滤波器系数内插器的内插概念示意图；

图5是描述根据本发明的采样速率转换方法的操作流程图。

具体实施方式

下面参照附图详细介绍本发明。

参照图3，根据本发明的采样速率转换装置包括：滤波器系数存储单元301、滤波器系数内插器302和采样速率变化单元310。采样速率变化单元310包括：上采样器311、内插滤波器313和下采样器315。

滤波器系数存储单元301存储原型滤波器的系数，即具有线性相位和长度为4M_p-1的第M频带滤波器，其中p代表一原型滤波器。为了使原型滤波器成为第M频带滤波器，原型滤波器必须满足公式(6)：

$b_p=\arg \min \underset{b}{b^{\′}}{p}_{p}b......\left(6\right)$

其中b_p是一由[h_p(0)，2h_p(1)，...2h_p(K)]^t(K＝2M_p-1)  定义的矢量，P_p是一在原型滤波器的通频带和抑止频带产生的误差的矩阵。由公式(6)可以看出，在b_p处产生b^tP_pb的最小值。在滤波器系数存储单元301中存储的满足公式(6)的原型滤波器系数h_p由公式(7)表达：

h_p＝[h(K-_p)，…h(K_p)]^t               ………(7)

其中当将一任选的转换速率应用于滤波器系数内插器302时，从滤波器系数内插器302中读出原型滤波器系数h_p。

滤波器系数内插器302提供一种具有线性相位和长度为4M-1的内插滤波器313的系数。这里，M是上采样速率L_u和下采样速率L_d中的最大值。该内插滤波器系数满足由公式(8)给定的第M频带条件：

$b_d=\arg \min \underset{b}{b^{\′}}{p}_{d}b......\left(8\right)$

其中b_d是一按照[h_d(0)，2h_d(1)，…2h_d(K)]^t(K＝2M_d-1)定义的矢量，P_d代表内插滤波器313的系数，可以利用公式(9)由原型滤波器系数得到：

b_d＝Tb_p………(9)

为了利用公式(9)由原型滤波器系数得到第M频带内插滤波器的系数，必须求出T。本发明提供通过正则化得到的T。

当得到内插滤波器313的系数时，滤波器内插器302首先对从滤波器系数存储单元301读出的原型滤波器系数进行内插，以便产生一连续的函数h_d(x)。这里，在利用作为一种内插方法的仿样内插的情况下，连续的函数h_d(x)由公式(10)给定：

$h_d\left(x\right)=\underset{k}{\mathrm{\Σ}}s\left(k\right)B(x-k)......\left(10\right)$

其中B(x-k)是仿样内核(spline kernel)，s(k)是公式(11)或(12)的解。

h_d＝Es                                 ……(11)

$\left(\begin{array}{c}h(-K_p)\\ h(-K_p+1)\\ \·\\ \·\\ \·\\ h(K_p-1)\\ h\left(K_p\right)\end{array}\right)=\frac{1}{6}\left(\begin{array}{c}410\\ 141\\ \·\\ \·\\ \·\\ 141\\ 014\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}s(-K_p)\\ s(-K_p+1)\\ \·\\ \·\\ \·\\ s(K_p-1)\\ s\left(K_p\right)\end{array}\right)......\left(12\right)$

由公式(11)和(12)可以理解，从由仿样内核可得到的常数和由滤波器系数存储单元301提供的原型滤波器系数h_p组成的矩阵E易于得到s。如果由s和公式(10)得到一连续的函数h_d(x)，通过在均匀隔开的(4M-1)点对该连续的函数h_d(x)进行采样得到所需的第M频带滤波器滤波器系数h_p。对各点采样的条件按照转换速率是可变的，因为M是由转换速率确定的。这一操作程序可以写出如下：

h_dBE^-1h_p                  ……(13)

其中B是按均匀隔开的(4M-1)点由仿样影响函数的数值组成的矩阵。

图4A表示从滤波器系数存储单元301中读出的原型滤波器系数，图4B是利用读出的滤波器系数得到的连续函数的特性示意图以及图4C表示根据应用的转换速率的内插的原型滤波器系数。

虽然，已经通过利用仿样内插由滤波器内插器302执行内插的该实施例进行介绍，但可以借助于公知的线性内插、二次内插或三次内插，通过对按照转换速率从滤波器系数存储单元301读出的原型滤波器系数进行内插来实施本发明，因此，得到内插滤波器313的所需系数。

包括上采样器311、内插滤波器313和下采样器315的采样速率变化单元310的结构和操作与在图1中表示的相同。特别是，由于在采样速率变化单元310中存储的原型滤波器的长度为4M-1，内插滤波器313必须为长度为4M-1的第M频带滤波器。此外，如在图1中所表示的，如果将内插的滤波器系数提供到内插滤波器313，内插滤波器313对上采样信号u(n)进行内插-滤波并将经内插-滤波的信号v(n)传输到下采样器315。下采样器315对经内插-滤波的信号v(n)进行下采样，以便输出该输入信号x(n)的内插版本y(n)。

当图像或影像尺寸转换扩展时，也可以使用上述采样速率转换装置。为了实现采样速率转换，已经在其中采样速率变化单元310中存储原型滤波器的上述实施例中做了介绍。然而，将作为由于在公式(11)和(12)中内插得到的中间内插的结果的s的数值滤波器系数存储单元301中。换句话说，取代原型滤波器系数将s的数值存储在滤波器系数存储单元301中，然后，响应于应用的转换速率读出存储的s数值，以便得到连续的函数h_d(x)。其后，可以提供按照应用的转换速率确定的采样点采样的h_d作为内插滤波器系数。如上所述，通过利用s的数值实施采样速率转换，可以比用参照图3提出的方法更简单地得到所需的内插滤波器系数。

图5表示根据本发明的采样速率转换方法的实施。在步骤501，存储满足内插滤波器313相应要求的原型滤波器系数。在步骤502，当应用一任意的转换速率时，读出所存储的原型滤波器系数，然后，按照本内插方法和应用的转换速率进行内插。本内插方法包含公知的内插方法例如仿样内插、线性内插、二次内插和三次内插等，如图3中所示。在步骤503，提供内插结果作为内插滤波器313的系数。相应地，在步骤504，内插滤波器313利用提供的系数对从上采样器311发送的上采样信号进行内插滤波，然后输出。下采样器315对输出信号进行下采样以便输出该输入信号x(n)的内插信号y(n)。

根据本发明，转换输入信号的采样速率，使得按照转换速率实时对原型滤波器系数进行内插，提供内插结果作为内插滤波器即第M频带滤波器系数。因此，不使用大的单片存储器就可以提供可适合于各种转换速率的内插滤波器的系数，因此，得到对于输入信号优异的内插版本。

Claims (4)

1.一种采样速率转换装置，包含：

上采样器，用于上采样一输入信号；

数字内插滤波器，用于对所述上采样器的输出进行滤波；

下采样器，用于下采样所述数字内插滤波器的输出；

用于存储原型滤波器的系数的存储单元；

其特征在于还包括：

内插器，用于获得通过对从存储单元读出的原型滤波器的系数进行内插而形成的连续的函数，并在4M-1均匀间隔的点对连续的函数进行采样，用以为所

述数字内插滤波器提供系数；

其中，M是上采样器和下采样器的采样速率中的较大的一个。

2.根据权利要求1所述的采样速率转换装置，其中利用根据仿样内插、线性内插、二次内插和三次内插所选择的方法，内插器得到所述连续的函数。

3.根据权利要求1所述的采样速率转换装置，还包含一用于存储定义所述连续的函数的参数的存储单元。

4.一种采样速率转换方法，包含的步骤有：

存储原型滤波器的系数；

提供通过内插原型滤波器的系数而形成的连续的函数；

在4M-1均匀间隔的点采样所述连续的函数，用于为数字内插滤波器提供系数；

上采样一输入信号；

利用数字内插滤波器对上采样的输入信号进行滤波；以及

下采样所述数字内插滤波器的输出；

其中M是在上采样和下采样中所采用的采样速率中的较大一个。

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