CN1256806C - 用于音频信号采样率转换的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

公开了一种用于对基于心理声学的、频谱编码的数字音频信号进行采样率转换的方法和装置。通常，执行从较高采样频率fs1到较低采样频率fs2采样频率的转换会导致混叠失真。现在已知用一带低通滤波器(称为抗混叠滤波器)可以避免这种混叠失真。其效果是从该数字信号中除去比fs2/2频率更高的频谱成分。根据本发明，在频谱解码时，该信号部分被限制在要被重新采样的小于第二采样频率fs2的一半的信号带宽之内。这可以通过把解码限制为特定数目的分频段而用于MPEG编码信号，通过在解码时把特定频谱线设为零而用于杜比AC-3编码信号。

Description

用于音频信号采样率转换的方法和装置
技术领域
本发明涉及一种用于音频信号采样率转换的方法和装置，特别用于在对MPEG(运动图像专家组)音频或杜比(DOLBY)AC-3编码信号进行解码采样率转换。
背景技术
当今存在许多不同的采样率，例如用于压缩光盘的44.1kHz，用于数字录音带(DAT)、数字录像带(数字-VCR)或Sat-TV的32kHz和48kHz，以及用于数字化视频光盘(DVD)音频信号的48kHz或96kHz。因此，如果回放或记录设备的内部采样率不同于要被解码的音频信号的采样率则需要改变该采样率。
通常，执行从较高采样频率到较低采样频率的采样率转换(例如，从48到32kHz)会造成类似于图1中所示的混叠失真。用fs1进行采样的数字信号的示意频谱SPEC1在图1a)中示出。在用fs2＜fs1进行重新采样之后，该数字信号具有如图1b)中所示的频谱SPEC2。重叠区域OV示出已经发生混叠错误的情况。在连续数模转换和适当的低通滤波之后，产生具有如图1c)所示的频谱SPEC 3的模拟信号，其中包含严重的混叠失真AL。
现在已知采用称为抗混叠滤波器的一种低通滤波器通过从该数字信号中减少或除去比fs2/2更高的频谱成分可以减少或完全避免这种混叠失真。但是，计算这种抗混叠滤波器需要附加的处理功率，而这种能量是希望可节省的。
发明内容
本发明的目的是提出一种用于音频信号采样率转换的方法，而不需要采用抗混叠滤波器。
根据本发明的一个方面，一种用于对基于心理声学的、频谱编码的数字音频信号进行采样率转换的方法，该方法包括：接收编码的数字音频信号的频域表示，其中所述数字音频信号在编码之前在第一采样频率被采样；在所述接收的数字音频信号的频-时转换期间，抑制所述数字音频信号中超过第二采样频率(fs2)的一半的部分；以及用小于第一采样频率(fs1)的第二采样频率(fs2)重新采样所述频-时转换的数字音频信号。
本发明的另一个目的是提出一种用于执行根据本发明的方法的装置。
根据本发明的另一个方面，一种用于对基于心理声学的、频谱编码的数字音频信号进行采样率转换的装置，其特征在于，该装置包括：频-时转换器，在所述编码的数字音频信号的频-时转换期间，抑制表示超过第二采样频率(fs2)的一半的、所述编码的数字音频信号的频域表示的部分，其中所述数字音频信号在编码之前在第一采样频率被采样；采样率转换器，用所述第二采样频率重采样所述频-时转换的数字音频信号，其中所述第二采样频率小于第一采样频率。
理论上说，在频谱编码之前用第一采样频率进行采样，并且在频谱解码之后用小于第一采样频率的第二采样频率进行采样的用于音频信号的采样率转换的方法存在如下事实，即，在频谱解码时超过高频限的信号部分被减小(被良好地抑制)结果被重新采样的信号的带宽小于第二采样频率的一半。
该方法不但完全消除为计算抗混叠滤波器所需的处理功率，而且，减少了所需的解码工作。
在一种优选方案中，该频谱编码算法采用分频段编码。
在这种情况下，如果该分频段编码算法对应于MPEG标准，并且解码被限制为最初的20个分频段，则该算法更加有利。
在进一步的发明中，该频谱编码算法采用某种变换方式变换到频域，例如，离散傅利叶变换(DFT)。
在此种情况下，如果该频谱编码算法对应于AC-3标准，并且频谱线在解码中被降低或设为0，则该算法更为有利。
特别地，用于执行本发明方法的装置包括用于从第一采样率变为第二采样率的数字音频信号的采样率转换的采样率转换器，其中存在这一种事实，即，频-时转换器抑制超过高频限的数字音频信号的信号部分，结果要被重新采样的信号的带宽等于或小于第二采样频率的一半。
如果该装置是用于解码根据MPEG音频或杜比AC-3标准的音频数据时，则本发明更为有用。
附图说明
下面参照图1和图3描述本发明的实施例。其中：
图2a)具有六个分频段的示意频谱，
b)在解码后的示意频谱，
c)在数模转换和低通滤波后所得的模拟输出；
图3根据本发明的解码过程的方框图。
具体实施方式
图2示出根据本发明的用于MPEG编码音频信号的方法。按ISO/IEC11172-3标准的规定(该标准定义了用于MPEG1音频信号的编码，并且对根据下文的ISO/IEC 13818-3标准所规定的MPEG2音频信号同样有效)，执行分频段编码以减少数据。该分频段编码把音步频谱分为32个不同的频带以利用可以把人耳当作一个多频带频谱分析仪这一事实。32个分频段中的每一个具有该采样率的一半的1/32的带宽，即，用48kHz作为750Hz的采样率。频带分离处理对应于时间-频率转换，并通过采用用于计算滤波的特殊分频段编码算法执行频带分离处理。在解码结束后，该频带必须由反向频-时转换重新复合为原始宽带信号。
在频-时转换之后，在fs1(例如，48kHz)的频率下采样的数字信号具有如图2a中所示的频谱SPEC1′，其中为了清楚起见仅示出六个分频段。以前的频域表示被作为在示意频谱中的区段示出。当按照抑制在较高频率范围中的信号成分的方式进行频-时转换时，得出如图2b中所示的只具有四个分频段的频谱SPEC2′。在后续的数模转换和通过后续的低通滤波器对谐振信号进行抑制之后，最终得出图2c中的不带有任何混叠失真的频谱SPEC3′。
也可以对采用变换编码的杜比AC-3使用类似的方法。在变换编码中，输入信号的时间触发信号模式被通过时-频变换法(例如，DFT(离散傅利叶变换)、DCT(离散余弦变换)、或者其变形方法)变换为频域。然后，通过利用心理声学现象对频域中的数值进行量化、编码和发送。在该解码器中，频率值被扩展并且重新变换为时域。在此种情况下，包含于较高频率范围中的信号成分可以被通过设置频谱线在频-时转换中减少和抑制，以减少数值或甚至变为0。
图3中示出根据本发明的解码过程的方框图。具有采样率fs1的编码信号S1被首先馈送到按照抑制在较高频率范围中的信号成分的方式进行转换的频-时转换器FTC中。结果信号S2具有如图2b中所示的频谱，并且被馈送到采样率转换器SPR。该采样率转换器SPR执行上述从第一采样率fs1到第二采样频率fs2的采样率转换，并产生一信号S3。该数字信号S3被数模转换器DA转换为模拟信号A1。最后，低频滤波器LPF在fs2的频率产生输出信号A2。
本发明可以有效地用于与DVD播放机相连的电视接收器中。编码的DVD音频信号使用48kHz或96kHz的频率。为了各种目的，可以不在DVD播放机中对AC-3或MPEG音频信号进行解码，而是在相连的电视接收器中进行，这一般采用32kHz的内部采样率，并用15kHz的频率范围进行回放。通过不对超出新的上限频率的信号部分进行解码，可以根据本发明而进行采样率的转换，而不用抗混叠滤波器。通常，根据ISO/IEC11172-3标准的MPEG音频信号使用上述的采样率和典型的比特率，32的分频段中只有27个被解码。因此，通过采用本发明，27个分频段中较高的7个分频段不被解码，即，该解码仅限于对最初的20个分频段进行(20×750Hz＝15kHz)。
另外，本发明可以用于所有其他用于记录或再现数字编码音频信号的装置，例如，机顶附加盒装置、所有磁带录音机、计算机设备。最后，本发明不限于MPEG或杜比AC-3编码音频信号，而且应用于由其他基于由其频谱成分表示的信号所编码的节省比特率的算法。

Claims (7)

1、一种用于对基于心理声学的、频谱编码的数字音频信号进行采样率转换的方法，该方法包括：
接收编码的数字音频信号的频域表示，其中所述数字音频信号在编码之前在第一采样频率(fs1)被采样；
在所述接收的数字音频信号的频-时转换期间，抑制所述数字音频信号中超过第二采样频率(fs2)的一半的部分；以及
用小于第一采样频率(fs1)的第二采样频率(fs2)重新采样所述频-时转换的数字音频信号。
2、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，用分频段编码系统进行频谱编码，并且用一逆系统进行频谱解码。
3、根据权利要求2所述的方法，其特征在于，数字音频信号的编码和解码对应于任何MPEG音频标准，并且该抑制步骤将接收的信号限制于最初的20个分频段。
4、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在频谱编码时采用一种变换到频域的变换法，而在频谱解码时采用一种逆变换。
5、根据权利要求4所述的方法，其特征在于，该数字音频信号的编码和解码对应于杜比AC-3标准，并且在解码时频谱线被设为被减少的数值，或为零。
6、一种用于对基于心理声学的、频谱编码的数字音频信号进行采样率转换的装置，其特征在于，该装置包括：
频-时转换器，在所述编码的数字音频信号的频-时转换期间，抑制表示超过第二采样频率(fs2)的一半的、所述编码的数字音频信号的频域表示的部分，其中所述数字音频信号在编码之前在第一采样频率(fs1)被采样；
采样率转换器，用所述第二采样频率(fs2)重采样所述频-时转换的数字音频信号，其中所述第二采样频率(fs2)小于第一采样频率(fs1)。
7、根据权利要求6所述的装置，其特征在于，该装置是用于解码根据任何MPEG音频或杜比AC-3标准的解码音频数据的音频解码器的一部分。
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