CN1516877A - 滤波设备和方法 - Google Patents

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Abstract

提出了一种滤波方法，其中具体实现了头几个滤波步骤(I－III，IV－VI)。每一个步骤(I－III，IV－VI)包括：产生滤波信号(I，IV)，将此经过滤波的信号(II，V)舍入到一定精度，将此经过舍入的信号和输入信号综合(III，IV)，由此获得滤波误差信号。将此经过滤波的信号综合(VII)第一滤波信号，而后者经过舍入(VIII)并与输入信号综合(IX)，由此获得编码信号。这种方法可以令舍入步骤(II，V)和每一次滤波的综合步骤(III，VI)与特定的滤波器设计相适配。因而，减少有限周期现象，第一滤波信号可用来作进一步处理，在逆向过程中可将舍入操作反转执行。还进一步提供了供逆向过程用的滤波方法、能够利用这些方法的滤波器装置(1，10)、以及含有这些装置的装置(20，30，40，50，60)。

Description

滤波设备和方法
本发明涉及滤波方法，它包括：产生输入信号的主滤波信号；对主滤波信号做舍入运算产生主舍入信号；将主舍入信号与所述输入信号结合算出主滤波误差信号或称编码信号。
根据一般的滤波器理论，用级联的可完成部分主滤波器任务的二次滤波器来代替主滤波器可能是有好处的。但是这种级联未必有好处。
例如，对预测滤波来说就会产生几个问题。这种预测滤波的方法可以从下列文献中找到：A.A.M.L.Bruekers，A.W.J.Oomen，R.J.vd.Vleuten，L.M.van de Kerkhof的“DVD声频无损编码(losslesscoding for DVD audio)”(AES 101届大会，洛杉机，1996年11月印号4358)以及A.A.M.L.Bruekers，A.W.J.Oomen，R.J.v.d.Vleuten，L.M.van de Kerkhof的“经改进的1比特声频信号无损编码(Improvedlossless coding of 1-bit求符号运算als)”(AES 103届大会，纽约，1997年9月印号4563)。
在Brueker第一篇文章所讲的方法中，信号是用预测滤波编码的。在这篇先有技术的文献中所描述的预测滤波包括如下步骤：在先前输入信号的基础上产生输入信号的主预测信号；对主预测信号进行舍入产生主舍入信号；从所述输入信号中减去所述主舍入信号，计算出主滤波误差或称编码信号。在Brueker第二篇文章所讲的方法中，输入信号是1比特信号。在这些方法中简单地使用二次滤波器级联的方法会产生几个问题。首先，为了避免使编码信号的最低有效位的重要性降低，预测误差或称编码信号的最低有效位(1sd)至少必须和输入信号的最低有效位一样。因此二次预测信号必须舍入到某个最低有效位。但是，这种舍入操作将引起预测误差或称编码信号的畸变，由此干扰了下一个二次滤波器对已经畸变了的预测误差或称编码信号的预测。
第二，预测信号本身需要进一步的编码过程，就像超级声频CD(Super Audio CD，SACD)标准中使用的直接码流传输(Direct StreamTransfer，DST)那样。
第三，即如众所周知的滤波过程那样，如果使用递归滤波结构或无限脉冲响应(IIR)滤波器，舍入操作会引起有限周期问题。也就是说，如果没有输入信号，本来应该没有预测信号，但是舍入操作会产生非零的舍入信号，并由此出错。虽然解码器中同等的有限周期会确保没有输出信号或解码信号，但编码效率受到负面的影响。虽然在编码侧根本没有输入信号，而在解码侧却出现了解过码的信号。
本发明的目的就是为了解决这些问题。因此，根据本发明，上面所指的滤波方法的特点在于产生主滤波信号的步骤包括：至少一个二次滤波步骤含有如下步骤：产生源信号的二次滤波信号；将该二次滤波信号进行舍入以产生二次舍入信号；将二次舍入信号与上述源信号结合以计算出二次滤波误差。
这种方法使得可以根据该方法的具体应用要求，将每一个二次滤波信号舍入到任意数位，这是因为只有主滤波信号才需要舍入到所需的最低有效位，正是该信号被用来计算滤波误差或称编码信号。对二次滤波信号的舍入步骤是可逆的，因为受到信号进一步应用限制的唯一需要的舍入是对主滤波信号的舍入，而且还可以在解码过程中重构该主舍入。而且，获得了主滤波信号之后，该信号还可以在后续滤波过程中使用。由于二次滤波信号的舍入可以选择任意的分辨率，通过舍入步骤可以减少有限周期现象。
即如权利要求11所申述的那样，本发明还可以提供反向滤波的方法。该方法允许对任何主滤波信号反向滤波或解码。
而且，本发明提供了用于执行根据本发明的方法的滤波器设备，即如权利要求12所述的那样。本发明还提供了权利要求22所述的滤波器设备。
在各项从属权利要求中陈述了本发明的特别有利的细节。本发明更多的细节、各个方面、实施例将参照附图加以说明。
图1示出说明根据本发明的最佳滤波方法的实例的流程图。
图2示出说明根据本发明的最佳滤波方法的实例的流程图。
图3用图解的方法展示了根据本发明的1比特信号滤波设备的实例。
图4用图解的方法展示了根据本发明的1比特信号滤波设备的实例，其中二次滤波设备是有限脉冲响应(FIR)滤波器。
图5用图解的方法展示了根据本发明的1比特信号滤波设备的实例，其中二次滤波设备是无限脉冲响应(IIR)滤波器。
图6用图解的方法展示了根据本发明的1比特信号滤波设备的实例的方案。
图7用图解的方法展示了根据本发明的1比特信号滤波设备的实例，其中二次滤波设备是有限脉冲响应(FIR)滤波器
图8用图解的方法展示了根据本发明的1比特信号滤波设备的实例，其中二次滤波设备是无限脉冲响应(IIR)滤波器。
图9用图解的方法展示了根据本发明的配备有预测编码器装置的数据传输装置。
图10用图解的方法展示了根据本发明的配备有预测编码器装置的数据储存装置。
图11用图解的方法展示了根据本发明的配备有预测解码器装置的数据处理装置。
图12用图解的方法展示了根据本发明的配备有预测解码器装置的视听设备。
图13用图解的方法展示了根据本发明的配备有预测解码器装置的视听记录器设备。
图14用图解的方法展示了根据本发明的配备有预测编码方法的数据贮存器装置。
在以下的说明文字中，将把根据本发明的预测滤波或编码方法和预测滤波器或编码装置作为本发明提出的滤波方法和装置的实例来描述。但是应该明白，本发明可以应用于任何滤波方法和滤波设备，而不仅限于预测编码方法或预测编码装置。下面，x是一个正整数，从图1可以看到，根据本发明将x比特信号进行预测编码的方法是从接收数字输入信号X(t)开始的。在储存好n个先前所输入的信号X(t-1)，X(t-2)，X(t-3)，...，X(t-n)的基础上，输入信号的主滤波信号，也就是主预测信号Y(t)在方框I到VII中形成。由于主预测信号是基于先前n个信号导出的，所以又称n阶主预测信号。为清晰起见，请注意在本应用中，滤波步骤的阶数n不一定意味着用n阶多项式做线性滤波。
在形成n阶主预测信号之后，n阶主预测信号Y(t)在步骤VIII中舍入到一定的数位。从现在开始，舍入信号最低有效位(1sd)就叫做n阶主舍入信号，为了防止编码后有效位数减少，从舍入步骤VIII所得到的 的有效位数至少与输入信号X(t)相同。因此，二次预测信号必须舍入到一定的最低有效位。然而，这种舍入方法引起预测误差或称编码信号的畸变，由此干扰了后继的二次滤波器对已经畸变了的预测误差或称编码信号作进一步预测。
经过舍入步骤VIII后，在步骤IX计算n阶主预测误差或称编码信号E(t)。该n阶主预测误差或称编码信号是通过将n阶主舍入信号与输入信号X(t)综合而获得。
在图1所给出的实例中，输入信号是1比特信号，这样X为1。单个比特的信号常常用作声音信号，如被储存到超级音乐光盘(SuperAudio Compact Disc，SACD)的音乐信号。在1比特输入信号的情形，舍入步骤VIII可以是一次求符号运算，这一点下面再分析，而减法运算IX可能是“异-或”运算。
但是，应该明白的是，本发明并不局限于输入信号的位数大小，也不局限于舍入信号的位数。
在本发明的这个方法实例中，n阶主预测步骤I-VI分为两个二次滤波步骤，分别是步骤I-III和步骤IV-VI。这些滤波步骤是阶次较低的预测步骤。在所图示的实例中，n阶预测步骤I-VI被分为第一个m1阶的二次预测步骤I-III和第二个m2阶的二次预测步骤IV-VI，这些二次预测步骤满足条件n＝m1+m2。
作为第一个二次滤波步骤或称m1阶步骤的源信号，输入信号取X(t)。基于m1个先前最后输入的信号X(t-1)，...，X(t-m1)，在第一个二次预测步骤I中计算出输入信号X(t)的第一个二次滤波信号即m1阶预测信号Y1(t)。计算Y1(t)时用的是普适公式Y1＝f1(X(t-1)，...，X(t-m1))。在该公式中f1可以是任何预测公式，只要它是基于X(t-1)，...，X(t-m1)预测X(t)就行。在技术上已经知道有各种预测公式。但必须讲明的是，本发明并不局限于一种特定的预测公式，而是一般地应用于预测编码原理。例如，它还可以应用于所谓的信道间预测滤波器，由此输入信号X(t)的预测值是基于另一个不同信号的先前值，例如第二输入信号的先前值。
第一个二次预测步骤I完成后，m1阶预测信号Y1(t)在舍入步骤II被舍入到第一个二次m1阶舍入信号
Figure A0180774900121
该舍入信号具有一定的最低有效位1sd，该1sd根据具体设计要求可以是任意最低有效位。然而，最好的做法是，让第一个二次舍入信号 的最低有效数字的重要性比输入信号X(t)的最低有效数字来得低。
舍入步骤II完成后，在步骤III计算第一个m1阶二次预测误差信号E1(t)。计算步骤III是一个综合或运算步骤，就是从输入信号X(t)中减去m1阶二次舍入信号
Figure A0180774900131
但是，应该明白，使用其它方法获得预测误差信号也是可以的。
在第一m1阶二次预测步骤I-III完成后，在步骤IV-VI进行第二个m2阶二次预测。这里使用第一个m1阶预测误差信号E1(t)作为源信号。在步骤IV，基于先前最后的m2阶预测误差信号E1(t-1，...，t-m2)，使用第二个二次预测公式f2(E1(t-1)，...，E1(t-m1))来计算第二个m2阶二次预测信号Y2(t)。
要再次提请注意的是，在技术上存在各种预测公式，本发明并不局限于特定的预测公式而只是应用一般的(预测)滤波原理。还应该明白的是，这第二个二次预测公式不必要与第一个二次预测公式相同。
由于此第一个m1阶二次预测误差E1(t)是基于此刻最近m1个输入信号X(t-1)，...，X(t-m1)算得的，因此第一个m1阶二次预测误差E1(t)的m2阶预测就是X(t)的m1+m2阶预测，用数学公式表示就是：
Y 2 ( t ) = f 2 [ E 1 ( t - 1 ) , . . . , E 1 ( t - 2 ) ]
= f 2 [ Y ^ 1 ( t - 1 ) - X ( t - 1 ) , . . . , Y ^ 1 ( t - m 2 ) - X ( t - m 2 ) ]
= f 2 [ Roud ( Y ^ 1 ( t - 1 ) ) - X ( t - 1 ) , . . . , Round ( Y ^ 1 ( t - m 2 ) ) - X ( t - m 2 ) ]
= f 2 [ Roud ( f 1 ( X ( t - 2 ) , . . . , f 1 ( X ( t - m 1 - 1 ) ) ) - X ( t - 1 ) , . . . , -
Round ( f 1 ( X ( t - m 2 - 1 ) , . . . , f 1 ( X - m 1 - m 2 ) ) ) - X ( t - m 2 ) ]
n阶预测步骤I-VII做的就是m1+m2阶预测。因此没有必要计算第二个m2阶二次舍入信号 或第二个mi阶二次预测误差E2(t)。但是，如果n阶预测的阶次比m1+m2高的话(n＞m1+m2)，或者需要对第二个m2阶二次预测误差E2(t)进行处理，就可以计算该第二个m2阶二次舍入信号
Figure A0180774900138
或第二个二次预测误差E2(t)，这就是在省略号表示的步骤V-VI所做的事情。接着在第二个二次舍入步骤V对第二个m2阶二次预测信号Y2(t)进行舍入以获得具有一定比特长度的第二个m2阶二次舍入信号
Figure A0180774900139
就像第一个m1阶舍入信号 的比特长度一样，这个比特长度根据具体应用可以是任意值。但最好是，使第二个m2阶二次舍入信号 的最低有效位重要性比输入信号X(t)的最低有效位低。尽管如此，还是要指出，不一定要将第二个m2阶预测信号舍入到与第一个m1阶舍入信号
Figure A0180774900142
一样的比特长度。舍入步骤V之后，在步骤VI中通过从第一个m1阶二次预测误差信号E1(t)中减去第二个m2阶二次舍入信号 来计算第二个m2阶二次误差信号。
在相加步骤VII，将两个二次预测信号Y1(t)和Y2(t)相加，所获得的信号就是n阶主预测信号Y(t)。这个n阶主预测信号Y(t)还要和输入信号X(t)本身进行比较。但是，该n阶主预测信号Y(t)的比特长度不一定要和X的比特长度一样。所以首先将n阶主预测信号Y(t)舍入以获得n阶主舍入信号
Figure A0180774900144
由于在本实例中X(t)是1比特信号，主舍入VIII可以是求符号运算。如果n阶主预测信号Y(t)是正或零时，该求符号运算返回1，若n阶主预测信号Y(t)是负时，则返回0。为清楚起见，可以说，1比特的声频信号并不是真正取值0或1，事实上是表示1(正值)或-1(负值)。
经过主舍入步骤VIII之后，就通过从输入信号X(t)中减去n阶主舍入信号 的方法来计算n阶预测误差。由于输入信号是1比特信号，故简单的“异-或”运算用作减法运算IX。
如上所述，m阶预测f(X(t-1)，...，X(t-m))可以取任何形式。例如，这个m阶可以是有限脉冲响应(Finite Impulse Response，FIR)方法。根据这种方法，输入信号的延时样本乘以各自的系数ai，然后求和，再从输入信号X(t)中减去这个总和，由此得到第一个m1阶二次预测误差：
E 1 ( t ) = X ( t ) - Round [ Σ i = 1 m 1 a 1 X ( t - i ) ]
在这种情况下，如果n阶滤波器的阶数n大于1，则本发明提供了优点。如果使用递归的或无限脉冲响应(Infinite Impulse Response，IIR)方法，则从输入信号X(t)中减去输出信号的延时和加权的样值，即预测误差，这样第一个二次预测误差是：
E 1 ( t ) = X ( t ) - Round [ Σ i = 1 m 1 a 1 X ( t - i ) + Σ i = 1 m 1 b i E i ( t - i ) ] - X ( t )
在该公式中，上限m1是相同的，但是两部分同样可以取不同的上限。如果使用无限脉冲响应方法，本发明的优点还在于可应用于带单个二次滤波步骤的滤波器结构，因为可以使用任何与上述公式有关的舍入过程并提取第一个二次滤波信号来计算主滤波误差，以作为编码信号。图2示出与图1所示的滤波方法相反的滤波方法的实例的工作流程图。图2的滤波方法是对n阶预测编码信号进行解码的方法，其中n＝m1+m2。在图2所示的实例中使用图1的已编码信号E(t)作为它的输入信号。通过在步骤XIX中将n阶主舍入信号
Figure A0180774900152
与X比特的输入信号E(t)相加，达到将输入信号解码的目的，其结果是获得解码信号X(t)。由于输入信号是1比特信号，XIX步骤的加法运算可以用简单的“异-或”运算完成。该n阶主舍入信号
Figure A0180774900153
是通过在步骤XI-XVII中基于n个先前最近解码信号X(t-1)，X(t-2)，X(t-3)，...，X(t-n)来预测解码信号X(t)，求取其n阶主预测信号Y(t)而获得的；在步骤XVIII中将n阶主预测信号Y(t)做主舍入运算，得到n阶主舍入信号
Figure A0180774900154
在所给的实例中，计算n阶主预测信号
Figure A0180774900155
的步骤包括XI-XVII等几个步骤。首先，第一个m1阶二次预测信号Y1(t)是基于先前最近信号X(t-1)，...，X(t-m1)在第一个二次预测步骤XI形成的。在进行这次预测过程中所使用的公式f1必须与图1所使用的公式f1相同。
自此以后，在二次舍入步骤XII中对第一个m1阶二次预测信号进行舍入。该二次舍入步骤XII的结果就是第一个m1阶二次舍入信号 该二次舍入信号 的最低有效数位的重要性应该最多与输入信号的最低有效数位相同。其理由已经在阐述第一个m1阶二次舍入步骤II中分析过了。而且，如果该舍入步骤与步骤II的舍入步骤在本质上类似，则这是一个优点，因为这可以实现无损编码过程。
经过第一次二次舍入后，就进行第一次二次相减步骤XIII。在该二次相减步骤XIII中，从解码信号X(t)中减去第一个二次舍入信号
Figure A0180774900161
由此算出第一个m1阶二次预测误差E1(t)。该第一个m1阶二次预测误差信号被用作第二个m2阶二次预测步骤XIV-XVI的源信号。
基于先前最近第一个m1阶二次预测误差信号E1(t-1，...，t-m1)，在步骤XIV形成第一个m1阶二次预测误差E1(t)的第二个m2阶二次预测信号Y2(t)。进行这次预测所使用的公式f2必须与图1所使用的公式f2一样。
由于n阶主预测步骤I-VII是m1+m2阶预测，这就不一定要去计算第二个m2阶二次舍入信号
Figure A0180774900162
或第二个m2阶二次预测误差E2(t)。但是如果，若n阶主预测的阶数高于m1+m2(n＞m1+m2)，或者，第二个m2阶二次预测误差E2(t)需要进行进一步的处理，可以计算第二个m2阶二次舍入信号 或第二个m2阶二次预测误差E2(t)，即如由省略号所表示的步骤XV-XVI那样。
如果n阶主预测的阶数高于m1+m2，则在步骤XV对第二个m2阶二次预测信号Y2(t)进行舍入运算得到第二个m2阶经过舍入的二次预测信号
Figure A0180774900164
该第二个m2阶二次舍入信号的最低有效位的重要性最多和输入信号X的最低有效位一样。不然的话，该方法与先有技术相比没有什么优越性可言。这在上面关于编码方法的阐述中已经分析过了。
经过二次舍入步骤XV之后，将从第一个二次预测误差中减去第二个m2阶经过舍入的二次预测信号
Figure A0180774900165
由此算出第二个m2阶二次预测误差E2(t)。
在步骤XVII，两个二次预测信号Y1(t)和Y2(t)相加获得n阶主预测信号Y(t)。
在步骤XVIII，对该n阶主预测信号Y(t)进行取舍使其最低有效位的重要性至少与信号X(t)一样。在这种情况下X＝1，这样就可以对n阶主预测信号进行简单的求符号运算，就像先前分析的那样。求符号运算的结果产生了n阶主舍入信号
Figure A0180774900171
在此实例中，在步骤XIX，编码信号E(t)作为源信号被加到n阶主舍入信号中去，由此得到经过解码的信号，它与图1的输入信号X(t)一样。在本实例中，加法步骤可以使用简单的“异-或”运算，这是因为信号是1比特信号，先前已经分析过了。
在图2所示的实例中，输入信号是1比特信号，n阶主预测信号的主舍入步骤用的是求符号运算，而且计算n阶主预测误差用的是“异-或”运算，但本发明当然不会局限于上述例子的信号位数；并且这些类型的舍入步骤和计算步骤只不过是可能的实例而已。
在图3中，作为根据本发明设计的滤波设备实例，给出了预测编码设备1。该预测编码设备1包含用来接收输入信号X(t)的输入接口2以及用来发送主预测误差或称编码信号E(t)的输出接口3。在输入接口2和输出接口3之间，提供了主滤波器结构或主预测结构4-8，其中包括：作为n阶主预测装置4-6的主滤波器装置；主舍入器装置7；以及作为主综合装置的减法器装置8。
图3所示的主滤波器设备实例是对1比特信号进行编码的主预测编码器设备1，因此主舍入器7是求符号运算装置，进行上面所讲的求符号运算，而减法器8是先有技术所普遍使用的“异-或”门。
所述n阶主预测设备配备有第一个m1阶二次预测装置4和第二个m2阶二次预测装置5。两种装置都根据先前最近的源信号X(t-1，...，t-m1)、E1(t-1，...，t-m2)并通过从各自的源信号X(t)、E1(t)减去相应的第一阶预测信号Y1(t)、Y2(t)来分别计算二次预测误差E1(t)和E2(t)。
第二个m2阶二次预测装置不必含有二次减法器装置，也不需要包含二次舍入装置，这是因为在后续的处理过程中没有用到第二个m2阶二次预测误差E2(t)。但是，如果在后续的处理过程需要用到第二个m2阶二次预测误差E2(t)，或者n阶预测滤波器的阶数高于m1+m2的话，所提供的第二个m2阶二次预测装置就可以带有减法器装置和舍入装置，即如在图3-5中的省略号所表示的那样。
二次预测信号Y1(t)、Y2(t)被加法器6相加以获得n阶主预测信号Y(t)。该主预测信号Y(t)被主舍入器装置7施行舍入运算使其比特长度与输入信号X(t)相同。在图3所给出的实例中，输入信号X(t)是一位信号。因此，主舍入器装置7可以就是能够做先前所讲的求符号运算的简单的求符号运算装置。主舍入装置的输出信号是n阶主舍入信号
Figure A0180774900181
这个n阶主舍入信号
Figure A0180774900182
被输送到主减法器装置8，在那里从输入信号X(t)中减去n阶主舍入信号
Figure A0180774900183
结果得到n阶主预测误差E(t)。由于无论是n阶主舍入信号
Figure A0180774900184
还是输入信号X(t)都是单比特信号，所以所示的主减法器装置就是数字电子技术中众所周知的“异-或”门。
所述二次滤波器装置4可以是任何类型的预测装置。但如果使用FIR预测装置作为二次滤波器装置4、5的话，图3所示的预测编码器装置1看起来就好象图4所示的预测编码器装置1。
在图4中，FIR预测装置41、51包含m1阶和m2阶预测装置41、51，它们预测m1阶、m2阶预测信号Y1(t)、Y2(t)。要预测这些预测信号可以使用任何数学公式，只要这些公式是基于m1、m2个最近过去的源信号X(t-1)，X(t-2)，X(t-3)，...，X(t-m1，2)做预测就行。对于m1、m2阶二次预测装置的情形，预测将基于m1、m2个最近过去的信号X(t-1，...，t-m1，2)、E(t-1，...，t-m1，2)。与m1阶二次预测装置41、51相连的是二次舍入器装置42、52。该舍入器装置42、52将mi阶二次预测信号Y1(t)、Y2(t)施行舍入操作以获得具有一定最低有效数位(1sd)的mi阶二次舍入信号
Figure A0180774900185
Figure A0180774900186
与主舍入器装置7中进行的舍入操作不同的是，该最低有效数位1sd可以任意选择，只要适合预测编码器设计就行；但为了克服先前所讲的问题，它最多等于输入信号X(t)的最低有效数位1sd。
为清楚起见，请注意第二个mi阶二次预测装置不必含有图3-5中虚线所表示的装置。
图5示出实施本发明的预测编码设备1的一个特定实例。在该实例中，IIR二次预测滤波器装置4被用到预测滤波器装置1中。该IIR二次预测滤波器装置4拥有预测装置41和递归预测装置44，前者的任务是基于先前的输入信号X(t-1，...，t-m1，2)来预测前向预测信号，而后者的工作是基于先前的预测误差E1(t，...t-n)来预测递归预测信号。
这些前向和递归的预测信号被加法器45相加成二次预测信号Y(t)。该加法器45将预测信号Y(t)输送到二次舍入器装置42，该装置可以是类似于图4所示的舍入器装置。且加法器还将二次预测信号Y(t)输送到主舍入器装置7，它可以是求符号运算装置，与图4所示的主舍入器装置7相类似。
通过求符号运算所得到的第一主舍入信号
Figure A0180774900191
被输送到“异-或”门8，在那里从输入信号X(t)中减去舍入信号
Figure A0180774900192
由此获得主预测误差E(t)。
图6用图解的方法展示了根据本发明设计的滤波器设备，即对已编码信号进行解码的解码器设备10。解码器设备10含有：用来接收x比特输入信号E(t)的输入口11；与输入口11相连的主加法器装置17，其功能是通过将n阶主舍入信号 与输入信号E(t)相加算出经过解码的信号；与主加法器装置相连的n阶主预测装置13-15，它的任务是基于n个最近的已解码信号X(t-1)，X(t-2)，X(t-3)，...，X(t-n)来计算已解码信号X(t)的n阶主预测信号Y(t)；与n阶主预测装置13-15和主加法器装置17相连的主舍入装置16，它的工作就是对n阶主预测信号Y(t)进行舍入操作以获得n阶主舍入信号由此n阶主舍入信号的最低有效位至少与输入信号E(t)的最低有效位相同。
该解码器设备还包括与加法器装置17相连的输出口12，以便输出已解码的信号X(t)。所述n阶主预测装置13-15含有两个mi阶二次预测装置13、14，满足关系∑mi＝n。
在所给的实例中，两个m阶二次预测装置13、14的m值都取1。每一个m阶二次预测装置13、14的任务都是基于m个最近收到的源信号X(t-1)，X(t-2)，X(t-3)，...，X(t-m)；E1(t-1)，E1(t-2)，E1(t-3)，...，E1(t-m)来预测m阶二次预测信号Y1(t)、Y2(t)。所述m阶二次预测装置13、14还负责计算m阶二次误差信号E1(t)、E2(t)，供下一个m阶二次预测装置作源信号使用。由于第二个m阶二次预测装置没有下一个m阶二次预测装置，除非该二次预测误差E2(t)需要进行后续处理，不需要计算该第二个m阶二次预测误差E2(t)，如图6中用虚线箭头所表示的那样。
所述m阶二次预测信号Y1(t)、Y2(t)被与所有m阶二次预测装置13、14相连的主加法器装置15相加。相加运算的结果产生m阶主预测信号Y(t)，该信号被主舍入器装置16施行舍入操作。
图7示出解码器设备的实例，在这里m阶二次预测装置是FIR型预测装置13、14。这些二次装置包括前向二次预测装置131、141，其工作就是根据m1，2个最近收到的源信号预测出m1，2阶预测信号Y1(t)、Y2(t)。该m1，2阶二次预测信号Y1(t)、Y2(t)被m1，2阶二次舍入装置132、142施行舍入操作得到具有一定最低有效位(1sd)的m阶二次舍入信号
Figure A0180774900202
与n阶主舍入装置16不同的是，上述1sd可以根据装置的设计任意选取，但为了克服上面讲过的先有技术的缺点，最好的做法是，该1sd的重要性最多不超过输入信号X(t)。
在二次减法器装置133、143里，源信号X(t)、E1(t)被减去m阶二次舍入信号 通过这个相减步骤以后得到了二次预测误差信号E1(t)、E2(t)，它们可以作为下一个m阶二次预测装置的源信号使用。
为了清晰起见，应该说明的是，m阶预测装置不一定需要包含如图6和图7中的虚线所示的二次减法器装置143和二次舍入器装置142。
图8用图解的方法展示了根据本发明的1比特信号滤波器的实例，在其中二次滤波器装置是无限脉冲响应滤波器。该二次装置类似于FIR装置，但进一步提供了递归二次预测装置134，其作用就是基于最近收到的二次预测误差E1(t-1，...，t-m)预测出递归的二次预测信号。该前向m阶二次预测信号被二次加法器装置135加入到二次递归信号中去，由此得到m阶二次预测信号Y1(t)。该m阶二次预测信号又被输送到二次舍入装置132，该装置可以是类似于图7的二次舍入装置132。另一方面，该二次预测信号被输送到求符号运算装置16，该装置处于n阶主解码装置之后，与图7所示的解码装置相同。
本发明的优点还在于可以应用于各种装置，例如，数据传输装置20，如无线电发送和计算机网络路由器之类设备，它们包含有输入信号的接收装置21和如天线一类用以发送编码信号的发送装置22，它们都可以装备根据本发明设计的预测编码器装置1。该装置可以连接到输入信号接收器装置21和发送装置22，如图9所示。这种装置可以使用小的带宽发送大量的数据，其原因是数据被编码过程压缩了。同样可以做的是，将根据本发明设计的预测编码设备1应用到存贮装置30，像SACD烧录机、DVD烧录机或小光盘刻录机之类，可供存贮数据的数据贮存器31，如SACD、DVD、光盘或计算机硬磁盘等。这类装置30包括：所述数据贮存器31的保持器32；写入装置33，供将数据写入到数据贮存器31上面；输入信号接收器装置34，如麦克风等；以及根据本发明设计的，与输入信号接收器装置34和写入装置33相连的预测编码器装置1，如图10所示。该数据存贮装置30能够将更多的数据存贮到数据贮存器31里面去，克服了已知的数据存贮设备的缺点。
同样，可以提供数据处理设备40，它包括：输入信号接收装置41，如DVD-rom播放机；以及数据处理装置42，它带有根据本发明预测编码信号的解码器装置11，如图11所示。这样一种数据处理设备40可以是一台计算机或电视机的机顶盒。
还有的优点是提供声音装置55(如家庭立体声或多通道播放机)，包括数据输入装置51(如音乐CD播放机)以及声音输出装置52(如扬声器)，还有根据本发明预测编码信号用的解码装置11，如图12所示。特别优越的是，如果声音装置50能够播放SACD，因为它提供了SACD播放工具511，因为所述的方法完全遵循“超级声频CD(Super Audio CD)”标准，故所提供的SACD比通常的光盘含有更多的声频数据，因而提高了输出的质量。类似地，如图13所示，包括声频输入装置61(如麦克风)和数据输出装置62的录音设备60可以配备预测编码器装置11，从而此装置可以利用同等数量的存储空间记录更多的数据。
还有，本发明可以应用于存贮到数据存贮器件(如图14所示的软磁盘70)中的数据。数据存贮器件或装置的例子可以是DVD(DigitalVersatile Disc)和SACD(Super Audio CD)本身或生产这些DVD或SACD的母盘或模板。
应该注意的是，上述实施例并不能局限本发明的范围，那些技术熟练的人士可以设计出许多不同的实施例，但又不离开所附的权利要求书的范畴。在该权利要求书中，任何放在括号中间的引用符号不应构成对权利要求的限制。术语“包括”(comprising)不应排斥不在权利要求中列出的其它基本元件(element)或步骤。本发明可以用若干种类各异的元件组成的硬件来实现，也可以用经过恰当编程的计算机实现。在关于装置的权利要求中列举了若干种装置，这些装置(工具)中有几个可以用一种及同类的硬件实现。不争的事实是，某些措施在相互依赖的权利要求中都陈述并不表明这些措施不可以结合起来使用以获取最佳效果。
总而言之，(本发明)提出了一种滤波方法，其中实现了头几个滤波步骤。每一步包括：产生滤波信号，将这种滤波信号舍入到某种精确程度并将经过舍入的信号与输入信号综合起来，由此获得滤波器误差。所述滤波后的信号被综合成第一滤波信号，然后经舍入，再与输入信号结合，由此获得编码信号。这样可以在每一滤波步骤中令舍入步骤和综合步骤与特定的滤波器设计相适配。由此，有限周期现象被减小；第一滤波信号可以继续被处理；在相反的过程中舍入操作可以逆向进行。而且还提供了供逆向过程用的滤波方法、能够使用这些方法的滤波器装置、以及含有这些装置的设备。

Claims (29)

1.一种滤波方法，它包括如下步骤：
产生(I-VII)输入信号的第一滤波信号；
对所述第一滤波信号进行舍入(VIII)运算产生第一舍入信号；和
将所述第一舍入信号和所述输入信号结合(IX)以便计算第一滤波误差或编码信号；
其特征在于：
产生所述第一滤波信号的步骤(I-VII)包括：
至少一个滤波步骤(I-III，IV-VI)包括如下步骤：
产生(I，IV)源信号的第二滤波信号；
对所述第二滤波信号舍入(II，V)而产生第二舍入信号；和
将所述第二舍入信号和所述源信号结合(III，VI)以便算出第二滤波误差。
2.如权利要求1所述方法，其特征在于：产生(I-VII)所述第一滤波信号的所述步骤还包括：
最后的滤波步骤(IV)，它只包括产生第二源信号的最近第二滤波信号的步骤(IV)。
3.如权利要求1或2所述方法，其特征在于：
产生(I-VII)所述滤波信号的步骤包括：
至少两个滤波步骤，和
产生(I-VII)所述第一滤波信号的步骤进一步包括：将第二滤波信号组合(VII)以便获得所述第一滤波信号。
4.如上述权利要求中任何一个所述的方法，其特征在于：所述方法是预测滤波方法，其中所述产生(I-VII)第一滤波信号的步骤是产生所述输入信号的第一预测信号的预测滤波步骤；以及所述产生第二滤波信号的步骤(I-III，IV-VI)是基于先前的源信号来产生所述源信号的第二预测信号的预测滤波步骤。
5.如上述权利要求中任何一个所述的方法，其特征在于：对所述第二滤波信号进行舍入操作而产生第二舍入信号，其精确度至少与所述第一舍入信号最低有效数位相同。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于：在对所述第一滤波信号的所述舍入步骤中，所述第一滤波信号被舍入而产生第一舍入信号，其精确度最多与所述输入信号的最低有效数位相同。
7.如上述权利要求中任何一个所述的方法，其特征在于：所述预测第二预测信号的步骤(I，IV)是利用有限脉冲响应(FIR)方法进行的。
8.如权利要求1-6中任何一个所述的方法，其特征在于：所述预测第二预测信号的步骤(I，IV)是利用无限脉冲响应(IIR)方法进行的。
9.如上述权利要求中任何一个所述的方法，其特征在于：在各滤波步骤(I-II，IV-VI)中，先前重复的(I-III)第二滤波误差被用来作为后续滤波步骤(IV-VI)的源信号，而所述输入信号被用作产生第二滤波信号的第一滤波步骤(I-III)的源信号。
10.如上述权利要求中任何一个所述的方法，其特征在于：所述输入信号是1比特信号，舍入所述第一预测信号的步骤(VIII)是求符号运算，而计算所述第一预测误差或编码信号的步骤(IX)是“异-或”运算。
11.一种滤波方法，它包括如下步骤：
将第一舍入信号与输入信号结合(XIX)以便计算输出信号；
产生所述输出信号的第一滤波信号(XI-XVII)；以及
舍入所述第一滤波信号产生所述第一舍入信号(XVIII)；
其特征在于：
产生所述第一滤波信号的所述步骤包括：
至少一个滤波步骤(XI-XIII，XIV-XVI)包括如下步骤：
产生源信号的第二滤波信号(XI，XIV)；
舍入所述第二滤波信号(XII，XV)后得到第二舍入信号；以及
将所述第二舍入信号与所述源信号结合(XIII，XVI)以便算出第二滤波误差。
12.一种滤波设备(10)，它包括：
用以接收输入信号的输入端口(11)；
连接到所述输入端口(11)的第一综合装置(17)，用于通过将第一舍入信号与所述输入信号综合来算出输出信号；
滤波结构(13-16)，它包括：
连接到所述第一综合装置(17)的第一滤波设备(13-15)，用来产生第一滤波信号；以及
连接到所述第一滤波设备(13-15)和所述第一综合装置(17)的第一舍入器装置(16)，用以将所述第一滤波信号舍入而产生所述第一舍入信号；
所述滤波设备(10)还包括与所述第一综合装置(17)连接的输出端口(12)，
其特征在于：
所述第一滤波设备(13-15)包括至少一个第二滤波设备(13，14)，而后者包括：
用以产生源信号的第二滤波信号的第二滤波装置(131，141)；
连接到所述第二滤波装置(131，141)的第二舍入器装置(132，142)，用以将所述第二滤波信号舍入而产生第二舍入信号；以及
连接到所述第二舍入器装置(132，142)的第二综合装置(133，143)，用以通过将所述源信号与所述第二舍入信号综合来算出第二滤波误差。
13.如权利要求12所述的滤波设备，其特征在于：所述第一滤波设备还包括最后第二滤波设备(14)，后者只包括用以产生源信号的最后的第二滤波信号的最后的第二滤波装置(141)，。
14.如权利要求12-13中任何一个所述的滤波设备，其特征在于：所述滤波设备(13-15)包括至少两个第二滤波设备(13，14)，而所述第一滤波设备(13-15)包括连接到所述第二滤波设备(13，14)的所述第二滤波装置(131，141)的第三综合装置(15)，用以通过综合第二滤波信号获得第一滤波信号，所述第三综合装置(15)连接到所述第一舍入器装置(16)。
15.如权利要求12-14中任何一个所述的滤波设备(10)，其特征在于：所述滤波设备是预测滤波设备，所述滤波器结构是预测滤波器结构，所述第一和第二滤波设备是预测滤波设备，而所述第二滤波装置是预测滤波装置，所述输入信号是预测滤波信号。
16.如权利要求12-15中任何一个所述的滤波设备(10)，其特征在于：所述第二舍入器装置至少具有所述第一舍入信号的最低有效位的舍入精确度。
17.如权利要求16所述的滤波设备(10)，其特征在于：所述第一舍入装置最多具有所述输入信号的最低有效位的舍入精确度。
18.如权利要求12-17中任何一个所述的滤波设备(10)，其特征在于：所述第二滤波装置是有限脉冲响应滤波装置。
19.如权利要求12-17中任何一个所述的滤波设备(10)，其特征在于：所述第二滤波装置是无限脉冲响应滤波装置。
20.如权利要求13-19中任何一个所述的滤波设备(10)，其特征在于：所述第二预测设备的第二预测装置连接到前级第二预测设备的第二综合装置，而第一个第二预测设备的第二预测装置连接到所述输入端口。
21.如权利要求12-20中任何一个所述的滤波设备(10)，其特征在于：所述输入信号是1比特信号，所述第一舍入器装置是求符号运算装置，而所述综合装置是“异-或”器件。
22.一种滤波设备(1)，它包括：
用来接收输入信号的输入端口(2)，
与所述输入端口(2)相连接的滤波结构(4-8)，它包括：
用来产生所述输入信号的第一滤波信号的第一滤波设备(4-6)，
与所述第一滤波设备连接的第一舍入器装置(7)，用来对所述第一滤波信号进行舍入操作而产生第一舍入信号，以及
与所述舍入器装置和所述输入端口连接的第一综合装置(8)，用以通过从所述输入信号中减去所述第一舍入信号来计算第一滤波误差或编码信号，以及
所述滤波设备(1)还包括与所述第一综合装置(8)连接的输出端口(3)；
其特征在于：
所述第一滤波设备(4-6)包括：
至少一个第二滤波设备(4，5)，它包括：
第二滤波装置(41，51)，用以根据最近收到的先前源信号产生源信号的第二滤波信号；
连接到所述第二滤波装置(41，51)的第二舍入器装置(42，52)，用以对所述第二滤波信号进行舍入运算，产生第二舍入信号；
连接到所述第二舍入器装置(42，52)的第二综合装置(43，53)，用以通过将所述源信号和所述第二舍入信号综合，算出第二滤波误差。
23.一种利用如权利要求1-11中任何一个所述的方法进行滤波的信号。
24.一种数据传输装置(20)，它包括：输入信号接收器装置(22)；发送装置(23)，用以发送编码信号；以及如权利要求22所述的滤波设备(1)，它连接到所述输入信号接收装置和所述发送装置。
25.一种数据存储装置(30)，用以将数据存储在数据贮存装置(31)中，它包括：用于所述数据贮存装置的保持装置(32)；用于将数据写入到所述数据贮存装置的写入装置(33)；输入信号接收装置(34)；以及连接到所述输入信号接收装置(34)和所述写入装置(33)的、如权利要求22所述的滤波设备(1)。
26.一种数据处理装置(40)，它包括：输入信号接收装置(41)；数据处理装置(42)；以及连接到所述输入信号接收装置(41)和所述数据处理装置(42)的、如权利要求12-21中任何一个所述的滤波设备(10)。
27.一种视听设备(50)，它包括：数据输入装置(51)；视听输出装置(52)；以及如权利要求12-21中任何一个所述的滤波设备(11)。
28.一种视听记录设备(60)，它包括：视听输入装置(61)；数据输出装置(62)；以及如权利要求22所述的滤波设备(1)。
29.一种数据贮存装置(70)，用以贮存利用如权利要求1-11中任何一个所述的方法滤波的表示数据的信号。
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