CN1636243A - 用于混合过采样数字音频信号的混合系统 - Google Patents

Abstract

一个用于混合多个数字音频信号的混合系统，多个数字音频信号的至少一个是具有一个预定采样频率和位分辨率的噪声整形过采样数字音频信号，所述系统包括：一个用于计算所述多个输入信号的和信号的加法单元；一个具有用于接收所述和信号的输入端的限幅单元，所述限幅单元对所述和信号进行限幅；进一步包括一个在所述输入终端和所述限幅单元之间的滤波器单元，该单元被设置成有选择地抑制来自和信号的音频频带之外的频率成分；以及一个变频器单元，该单元被设置成接收来自所述限幅单元的一个经过限幅的和信号，并使用噪声整形将所述经过限幅的和信号转换为所述位分辨率的输出信号，该限幅单元被设置成将该输入值限定在变频器能够以一种稳定的模式处理的值的范围之内。

Description

用于混合过采样数字音频信号的混合系统

本发明涉及用于混合多个具有一个预定采样频率和位分辨率的噪声整形过采样数字音频信号的一个混合系统，所述系统包括一个具有多个输入终端的加法单元，每一个输入终端用于分别接收所述多个音频信号中的一个，该加法单元用于计算所述多个输入信号的一个和信号，以及一个具有一个用于接收所述和信号的输入的限幅单元，所述限幅单元对所述和信号进行限幅。

美国专利第5581480号公开了一个混频器，该混频器对多个所采样的音频信号求和。使用公知的脉码调制技术(PCM)表示所述采样，其中以多位(例如8-16位)码字表示信号的幅值。在该技术中，所使用的采样频率，其至少是根据尼奎斯特定理而定的最小采样频率，众所周知，是信号带宽的至少两倍。

在这个公布中所公开的混频器，具有一个用于将所混合的信号保持在一定的值的范围之内的限幅器，所述值以与输入信号相同的分辨率(通常为8或16位分辨率)来表示。如果所述和超出了最大值，例如通过8或16位表示的最大值，则上述的限幅器将两个音频采样的和减少到一个较小的值。

虽然8或16位PCM信号是表示音频信号的一个有效方法，但是由于它们的码字较长，所以它们具有某些缺点。作为另外一种选择，有人建议使用“噪声整形过采样”音频信号来代替具有上述较长码字的PCM信号。噪声整形过采样音频信号在采样频率大大超过音频信号的尼奎斯特频率的情况下，每个采样包含一个或多个位。上述信号的基本概念是通过这样的一种方法来表示信号，该方法中，作为利用少量的位而产生的结果的大的量化误差的频谱密度，由于高的采样频率，实质上至少集中在额外的可用带宽中的音频带宽之外。

作为一个实例，在通常所说的标准DSD(直接流数字)信号的格式中，音频内容以具有2.8MHz的采样率的1位采样流进行存储。作为另外一种选择，可以使用诸如每个采样2位的一种较高的分辨率。

由于在从采样中重建一声频片断中可使用多个采样以提高信号分辨率，因此，上述噪声整形过采样采样流提供一个使用具有低声频噪声的相对低位分辨率的可能。此外，很明显，与传统的PCM唱片技术相比，人类听觉系统更欣赏该唱片技术，即使该采样流可以具有一个很小，甚至1位的分辨率。

将上述噪声整形过采样信号，通过产生具有相同采样频率的经过混合的信号的方式进行混合是最好不过的。因此，能够将一个混频器合并至一个系统中，该系统中，噪声整形过采样信号在多个系统组件之间进行通信。

然而，当混合上述噪声整形过采样音频信号时，如果使用了诸如美国专利第5581480号公开的限幅方法，所混合的信号将会严重失真，所述限幅方法在所述和超过最大值的条件下，将所混合的信号减小至一个较小的值。

因此，本发明的一个目的在于提供一个混合噪声整形过采样信号的混合系统，以便产生一个失真较小的噪声整形过采样输出信号。

为了实现上述目的，根据本发明，在导言中描述的混合系统包括：

在输入终端和限幅单元之间的一个滤波器单元，该单元被设置成有选择性地抑制输入信号和/或和信号中的音频频带之外的频率成分；以及

一个变频器单元，该单元被设置成接收来自限幅单元的一个经过限幅的和信号，并使用噪声整形，将所述经过限幅的和信号转换为所述位分辨率的输出信号，该限幅单元被设置成将该输入值限定在变频器能够以一种稳定的模式处理的值的范围之内。

根据本发明，该变频器通过噪声整形将所混合的信号转换回低分辨率。该限幅单元将输入至变频器的输入值限定在所述变频器能够处理的范围之内。与美国专利第5581480号的限幅单元相对比，美国专利第5581480号的限幅单元的功能在于使信号幅值保持在可通过特定的PCM位字表示的所需范围之内，并且因此执行实际转换功能。后一种范围比变频器能够处理的范围窄得多。

然而，通过应用限幅操作，引入了非线性效果。所述限幅功能的非线性效果具有将来自输入信号的量化噪声从上述音频频带返送至音频频谱的效果。在低分辨率信号中，该量化噪声相对较强。根据本发明的该混合系统，在进行限幅之前抑制来自信号的高频成分，以便减少由所述限幅操作的非线性特性所导致的返送。

在一个优选实施例中，所述滤波器单元包括在一个输入声道中，且为了限定上述输入信号的音频带宽，该滤波器单元对上述输入信号进行滤波。上述位置具有带宽的减小缓和对数字处理速度的需要的优点。最好所述第一和第二采样频率在幅值上是相等的；更准确地说，所述输入信号和/或所述输出信号都是上述DSD格式。

在另一个优选实施例中，上述变频器单元包括一个西格马-德尔塔调制器。此外，所限幅的信号可以最大化至一个服从上述西格马-德尔塔调制器的限幅水平。特别是，与该西格马-德尔塔调制器的幅值输出相比，上述信号输出可以最大化至-3dB。

所述输入声道可以包括一个用于向下采样所述输入信号的向下采样单元。上述向下采样单元具有带宽的减小缓和对数字处理速度的需要的优点。

为了输出一个具有所需第二采样频率的输出信号，所述变频器单元可以包括一个向上采样单元。

为了得到令人愉悦的心理声学性能，所述限幅单元可以是一个软限幅类型。

本发明进一步涉及混合多个音频输入信号的方法，所述多个音频输入信号具有一个第一预定采样频率和位分辨率，所述采样频率相对高于音频带宽，且所述位分辨率相对低，该方法包括以下步骤，分别接收所述多个音频信号中的一个，计算所述多个输入信号的一个和信号，有选择地抑制输入信号和/或和信号中的音频频带之外的频率成分，对所述和信号进行限幅，以及将所限幅的和信号转换为所述位分辨率的输出信号，使用噪声整形，所述限幅单元被设置成将输入的值限定在变频器能够以一种稳定的模式处理的值的范围之内。

该方法可以进一步包括限定所述输入信号的音频带宽的步骤。

本发明还涉及一个音频系统，该系统包括根据上述方面的用于混合多个具有一个预定采样频率和位分辨率的噪声整形过采样数字音频信号的一个混合系统。

本发明进一步的目的和特征，将在附图中变得清晰，其中：

图1是根据本发明，具有一个混合系统的音频系统的简图；

图2是根据本发明，所述混频器的实施例的简图；

在图1中，描述了一个音频播放系统1的普通设置，该系统能够使用包含在超音频CD2的多声道唱片中的音频信息，该超音频CD2最好是用于输出声道少于所记录的声道的音频设置。作为一个实例，附图2中输入声道3的数目为5，输出声道4的数目为2。为了这个目的，音频系统1包括一个用于混合具有一个预定采样频率和位分辨率的所述多个噪声整形过采样数字音频信号6的混频器5。上述噪声整形过采样信号6的一个实例是DSD信号格式，该格式以具有2.8MHz(很高的)采样率的1位采样流存储信号内容，从而与传统的以多位码字存储信号的唱片技术(通常所说的PCM或脉码调制)形成对比。该格式能够提供极好的音频质量，并对常规CD记录载体的后继者：超音频光盘(SACD)形成标准。

虽然在本说明书中，使用了一个由1位采样构成的采样流，但是所述采样流实际上可以通过大于1位的采样来实现。本发明适用于为了消除量化噪声影响而应用过采样的所有情况，所述量化噪声影响，是由于在采样流中使用的各位的位分辨率受限而产生的。在混合之后，图1的设置在所需采样频率和位分辨率提供输出信号7，因此，产生提供一模块信号处理系统的可能性，该系统包括被设置成提供成本效率和/或质量的所需折衷的处理模块8。

在图2中，混频器5包括多个输入声道3。在该实例中，每一个声道3包括一个向下采样单元9。通过减小输入信号6的采样率，所述输入声道3中表示的信号处理器10可执行更节省成本的信号处理。

在信号处理之后，信号6在换算阶段11与换算系数C1-CN加权。然后，将信号6加至加法单元12，以产生一个混合信号13。在相加之后，一个限幅单元14对所混合的信号7进行限幅，以将所述混合信号13限定在最大信号幅值。

由于所述限幅单元14，在信号处理中引入了非线性效果，该非线性效果等于倍频和混合。因此，涉及量化噪声的频率成分被映射返送至所述音频频谱，所述量化噪声在很高频带中表现的十分强烈。为了消除上述高频噪声的返送，在限幅器14之前引入了滤波器单元15。这个滤波器15能够消除包括在源自上述位分辨率的上述(混合)信号6和13中的频率成分。

滤波器15可以放置在限幅器之前的任何地方，从而实现对高频量化噪声的所需滤波。作为一个实例，在附图1中未示出，原则上，滤波器15可以放置在混频器5之后。然而，滤波器15的优选位置，是如同在附图1中所示出的，与具有向下采样单元9的滤波器相结合。在这个位置，可通过减少复制的音频带频谱，执行更节省成本的信号处理。当充分减小时，该采样频率也可以减小，而同时保持一个可接受的信号分辨率。

这样，消除高频量化噪声并减小所复制的音频频谱的功能可以结合在一个单独的滤波器级15中。

由于不同的信号处理步骤，信号6的换算和相加，因而加法单元5的输出是多位的。为了将信号6转换为输出信号7的所需格式，向上采样单元16和变频器17，最好是引入一个西格马-德尔塔调制器。上述变频器17实质上是一个微分器，仅仅以1位值输出信号13的增量。向上采样可通过多个公知程序来实现，例如，采样保持或内插法。

为了产生一个稳定的结果，西格马-德尔塔调制器的实际输入值需要小于-3dB，所以，通过将来自西格马-德尔塔调制器的二进制输出电压-3dB，限定该输入电压的范围。最好是设计限幅器14，以限定变频器14中输入的输入值。

为了获得输出信号7的令人愉悦的听觉感受，使用了软类型的限幅器14，该限幅器限定了通过限幅功能的边缘的圆整所引入的较高级别频率的数目。

本领域技术人员将能够明确，本发明并不局限于参考附图描述的实施例，还可以包括本发明的各种类型的变体。可以认为这些和其他变体，属于所附权利要求书的保护范围之内。

Claims (14)

1.用于混合多个数字音频信号的混合系统，多个数字音频信号的至少一个是具有一个预定采样频率和位分辨率的噪声整形过采样数字音频信号，所述系统包括：

一个具有多个输入终端的加法单元，输入终端的每一个用于分别接收所述多个音频信号的一个，该加法单元用于计算所述多个输入信号的一个和信号；

一个具有接收所述和信号的输入的限幅单元，所述限幅单元对所述和信号进行限幅；

在输入终端和限幅单元之间的一个滤波器单元，该单元被设置成有选择地抑制来自和信号的音频频带之外的频率成分；以及

一个变频器单元，该单元被设置成接收来自所述限幅单元的一个经过限幅的和信号，并使用噪声整形将所述经过限幅的和信号转换为所述位分辨率的输出信号，该限幅单元被设置成将该输入值限定在变频器能够以一种稳定的模式处理的值的范围之内。

2.如权利要求1所述的一个混合系统，其特征在于所述滤波器单元包括在一个输入声道之中，且为了限定上述输入信号的音频带宽，该滤波器单元对上述输入信号进行滤波。

3.如上述权利要求中的任意一个所述的一个混合系统，其特征在于所述第一和第二采样频率的幅值相等。

4.如上述权利要求中的任意一个所述的一个混合系统，其特征在于所述输入信号和/或所述输出信号都是DSD格式。

5.如上述权利要求中的任意一个所述的一个混合系统，其特征在于所述变频器单元包括一个西格马-德尔塔调制器。

6.如权利要求5所述的一个混合系统，其特征在于经过限幅的信号被最大化至服从上述西格马-德尔塔调制器的限幅水平。

7.如权利要求6所述的一个混合系统，其特征在于与该西格马-德尔塔调制器的幅值输出相比，所述信号输出可以最大化至-3dB。

8.如上述权利要求中的任意一个所述的一个混合系统，其特征在于所述输入声道包括一个用于向下采样所述输入信号的向下采样单元。

9.如上述权利要求中的任意一个所述的一个混合系统，其特征在于所述变频器单元包括一个向上采样单元。

10.如上述权利要求中的任意一个所述的一个混合系统，其特征在于限幅单元是软限幅类型。

11.一个混合多个噪声整形过采样数字音频信号的方法，多个噪声整形过采样数字音频信号具有一个预定的采样频率和位分辨率，该方法包括步骤：

分别接收所述多个音频信号的一个；

计算所述多个输入信号的一个和信号；

有选择地抑制在输入信号和/或和信号中的音频频带之外的频率成分；

对所述和信号进行限幅；以及

使用噪声整形，将所述经过限幅的和信号转换为所述位分辨率的输出信号，该限幅单元被设置成将该输入值限定在变频器能够以一种稳定的模式处理的值的范围之内。

12.如权利要求11所述的方法，其特征在于该方法进一步包括限定所述输入信号的音频带宽的步骤。

13.如权利要求11或12所述的方法，其特征在于对包括在源自所述位分辨率的所述混合信号中的频率成分进行滤波的步骤和限定所述输入信号的音频带宽的步骤被结合在一个单独的级中。

14.一个音频系统，包括如权利要求1到10中任意一个权利要求所述的一个混合系统，该混合系统用于混合多个具有一个预定采样频率和位分辨率的噪声整形过采样数字音频信号。

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