CN1776805B - 低内存需求的数字混响系统与方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种低内存需求的数字混响系统与方法，该系统包含一加法器、一降频装置、一压缩装置、一延迟寄存器、一延伸装置、一衰减装置及一插补装置。降频装置对一音频数据流进行降低取样率运算；压缩装置对该降频数据流进行压缩处理；延迟寄存器暂存该压缩数据流，并依据一预定的延迟时间，延迟输出该压缩数据流；延伸装置对延迟的压缩数据流进行解压缩运算；衰减装置将解压缩数据流予以衰减；插补装置对衰减数据流进行插补运算，以增加数据量，加法器将插补音频数据流加入该音频数据流中，而使得该音频数据流具有回声效果。

Description

低内存需求的数字混响系统与方法

技术领域

本发明涉及一种数字混响系统与方法，尤指一种低内存需求的数字混响系统与方法。

背景技术

由于多媒体技术的快速发展，各类多媒体装置(例如：DVD录放机、数字相机、数字录像机、卡拉OK家庭影音系统)已深入各个家庭。混响是卡拉OK家庭影音系统必备的功能，可让由麦克风输入的音频信号增添混响(echo)效果。图1为一公知产生混响(echo)系统的方块图，其包含一低通滤波装置110、一延迟装置120、一衰减装置130及一加法装置140。首先将一音频信号通过该低通滤波装置110，经过该低通滤波装置110低通滤波后，降低该音频信号的频宽。该延迟装置120存储低通滤波后的音频信号。该衰减装置130将延迟输出的音频信号予以衰减，加法装置140将衰减的音频信号与原先的音频信号相加，以产生一具有回声(echo)效果的音频信号。

然而当回声(echo)效果需有0.1秒的延迟时，对一8位的音频信号以44.1K的取样率进行取样，则有4.41K的样本数，亦即该延迟装置120需具有4.41K字节，方能达到0.1秒的延迟。此花费许多的存储内存。针对上述的缺点，美国专利第USP5,917,917号公告揭露以取样率转换(sampling rate conversion)的方式，先将语音数据进行缩减取样(Downsampling)运算，以减少数据量，以减少内存的使用量。美国专利第USP6,647,064号公告揭露以可适性差分脉冲码调制(AdaptiveDifferential Pulse Code Modulation、ADPCM)的方式，对语音信号进行压缩后，再将压缩后的数据存储于内存中，以减少内存的使用量。虽然ADPCM压缩率比较高，但是ADPCM压缩及解压缩的编码译码较复杂，且由于ADPCM无法从任意一点开始译码，也增加控制的复杂度。故公知的数字混响系统与方法仍有改善的空间。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种低内存需求的数字混响系统与方法，以能减少音频数据流的数据量，以减少内存的使用量。

本发明的另一目的是提供一种低内存需求的数字混响系统与方法，以能避免公知技术使用ADPCM运算所产生无法从任意一点开始译码的问题，也减少编码及译码时控制的复杂度。

依据本发明的一个方面，提出一种低内存需求的数字混响系统，主要包含一加法器、一降频装置、一压缩装置、一延迟寄存器、一延伸装置、一衰减装置及一插补装置.该加法器的第一输入端用以输入一音频数据流；该降频装置连接至该加法器的输出端，以对该加法器输出的音频数据流进行降低取样率运算，获得一降频数据流；该压缩装置连接至该降频装置，以对该降频数据流进行压缩处理，产生一压缩数据流；该延迟寄存器连接至该压缩装置，以暂存该压缩数据流，并依据一预定的延迟时间，延迟输出该压缩数据流；该延伸装置连接至该延迟寄存器，以对延迟的压缩数据流进行解压缩运算；该衰减装置连接至该延伸装置，以将其输出的解压缩数据流予以衰减；该插补装置连接至该衰减装置，以对该衰减装置输出的衰减数据流进行插补运算，以增加数据量；其中，该加法器第二输入端连接至该插补装置，以将该插补装置所产生的音频信号加入该音频数据流中，而使得该音频数据流具有回声(echo)效果.

依据本发明的另一方面，提出一种低内存需求的数字混响系统，主要包含一第一加法器、一降频装置、一压缩装置、一延迟寄存器、多个延伸装置、多个衰减装置、一第二加法器及一插补装置。该第一加法器的第一输入端用以输入一音频数据流；该降频装置连接至该第一加法器的输出端，以对该第一加法器输出的音频数据流进行降低取样率运算，获得一降频数据流；该压缩装置连接至该降频装置，以对该降频数据流进行压缩处理，以产生一压缩数据流；该延迟寄存器连接至该压缩装置，以暂存该压缩数据流，并具有多级的延迟输出端，以延迟输出该压缩数据流；该多个延伸装置分别连接至该延迟寄存器的多级延迟输出端，以对延迟的压缩数据流进行解压缩运算；该多个衰减装置连接至该多个延伸装置，以将其输出的解压缩数据流予以衰减；该第二加法器具有多个输入端，该多个输入端连接至该多个衰减装置，以对该多个衰减装置输出的多个衰减数据流进行加法运算；该插补装置，连接至该第二加法器输出端，以对加总之后的衰减数据流进行插补运算，以增加数据量；其中，该第一加法器第二输入端连接至该插补装置，以将该插补装置所产生的音频信号加入该音频数据流中，而使得该音频数据流具有回声(echo)效果。

依据本发明的再一方面，提出一种低内存需求的数字混响方法，该方法主要包含一降频步骤、一压缩步骤、一暂存步骤、一延伸步骤、一衰减步骤、一插补步骤及一加法步骤。该降频步骤接收一音频数据流，并对该音频数据流进行降低取样率运算，获得一降频数据流；该压缩步骤对该降频数据流进行压缩处理；该暂存步骤系暂存该压缩数据流，并依据一预定的延迟时间，输出该压缩数据流；该延伸步骤系对该延迟输出的压缩数据流进行解压缩运算，以产生一解压缩数据流；该衰减步骤对该解压缩数据流予以衰减，以产生一衰减数据流；该插补步骤对该衰减数据流进行插补运算，增加数据量，以产生一插补数据流；该加法步骤将该插补数据流加入该降频步骤中的该音频数据流中，而使得该音频数据流具有回声(echo)效果。

附图说明

图1为一公知产生回声(echo)系统的方块图。

图2为本发明的低内存需求的数字混响系统的方块图。

图3为本发明的降频装置的运行示意图。

图4为本发明的非线性μ-law压缩运算的输出输入关系示意图。

图5为本发明的非线性μ-law压缩运算的输出输入关系的片段线性近似示意图。

图6为本发明延迟寄存器的方块图。

图7为本发明的插补装置的运行示意图。

图8为本发明的低内存需求的数字混响系统另一实施例的方块图。

图9为本发明的低内存需求的数字混响方法的流程图。

具体实施方式

图2为本发明的低内存需求的数字混响系统的方块图，主要包含一加法器210、一降频装置220(decimator)、一压缩装置230(compressor)、一延迟寄存器240(delay buffer)、一延伸装置250(expander)、一衰减装置260(attenuator)、及一插补装置270(interpolator)。该加法器210的第一输入端211用以输入一音频数据流。该降频装置220连接至该加法器210的输出端，以对该加法器210输出的音频数据流进行降低取样率运算(decimation)，获得一降频数据流。该压缩装置230连接至该转换装置220，以对该降频数据流进行压缩处理。

该延迟寄存器240连接至该压缩装置230，以暂存该压缩的数据流，并依据一预定的延迟时间，延迟输出该压缩的数据流。该延伸装置250连接至该延迟寄存器240，以对延迟的压缩数据流进行解压缩运算。该衰减装置260连接至该延伸装置250，以将其输出的解压缩数据流予以衰减。该插补装置270连接至该衰减装置260，以对该衰减装置260输出的衰减数据流进行插补运算，以增加数据量。其中，该加法器210第二输入端212连接至该插补装置270，以将该插补装置270所产生的音频信号加入该音频数据流中，而使得该音频数据流具有回声(echo)效果。

图3为该降频装置220的运行示意图，其将音频数据流经过低通滤波的后，再执行一缩减取样(Downsampling)运算，以减低该音频数据流的数据量。其中，降低取样率运算因子(decimation factor)M为3。亦即，每间隔3(＝M)个输入样本(sample)取样，其它的2(＝M-1)个样本都被“丢弃”。因此，该降频装置220便可在不影响信号还原准确性的情形下，以此取样的方法，将连续3个输入值化简为1个输入值，有效降低该音频数据流的数据量。M为3是为说明起见，并不能作为限定本发明的权利范围。

该降频装置220可用一多相位有限脉冲响应滤波器(polyphase FIRdecimation filter)实现。因为其可有效地以降低取样率运算因子(decimation factor)M降低数据量。

该压缩装置230对该降频数据流进行非线性μ-law压缩运算。图4为一非线性μ-law压缩运算的输出输入关系示意图，其可以用公式(1)表示，

$\left|y\right|=\frac{\ln (1+\mathrm{\μ}|x\left|\right)}{\ln (1+\mathrm{\μ})}---\left(1\right)$

其中，μ为一大于0的常数，x为输入信号，y为输出信号。图5为图4中非线性μ-law压缩运算的输出输入关系的片段线性近似示意图，该压缩装置230则依据图5的输出输入关系，对该降频数据流进行非线性μ-law压缩运算，减少信号编码时所需的位数目，以能再进一步减少数据量。

该延迟寄存器240可使用N位M级的正反器所组成，如图6所示。在图6中，若时序信号CLK每一脉波宽度为K微秒(μs)，该延迟寄存器240则可提供M×K微秒(μs)的延迟输出。该延迟寄存器240亦可使用同步先进先出寄存器(synchronous first in first out，SFIFO)予以实现，或是一先进先出寄存器(FIFO)或是随机存取内存(RAM)配合读写电路予以实现。

该延伸装置250对该压缩数据流进行一反μ-law解压缩运算，以还原回线性PCM值.该衰减装置260将该延伸装置250的输出信号予以衰减，主要是因为作为回声(echo)效果的信号，其振幅(amplitude)应该小于由该第一输入端211输入的该音频数据流的振幅，做先由该衰减装置260先予以衰减.

一般而言，该降频装置220的输入信号频率与该插补装置270的信号输出频率相等。因此，在信号经过该降频装置220降频之后，必须在该插补装置270中，将多个信号插补回去，以获得与该降频装置220的输入信号相同频率的该插补装置270的输出信号。图7为该插补装置270的运行示意图，其执行一插补(interpolation)运算或超取样(upsampling)与低通滤波运算，以增加该音频数据流的数据量。其中，插补因子(interpolation factor)L为3。亦即，每一个输入样本(sample)后，插入2(＝L-1)个样本。即在每个样本之后，插入2(＝L-1)个值为0的信号点。该插补装置270可为一多相位有限脉冲响应滤波器(polyphase FIRinterpolation filter)。

该插补装置270的输出的插补音频数据流，经由该加法器210的第二输入端212，与该加法器210第一输入端211输入该音频数据流相加，而达到回声(echo)效果。

图8为本发明的低内存需求的数字混响系统另一实施例的方块图，其与图2主要差别在于增加N组的延伸装置(851～85N)、衰减装置(861～86N)。如此可产生不同振福及不同延迟回声(echo)效果。

图9为本发明的低内存需求的数字混响方法的流程图。首先，于步骤S910中，输入一音频数据流，该音频数据流可为一脉冲码调制(Pulse Code Modulation、PCM)格式。于步骤S920中，执行一降频运算，以减低该音频数据流的数据量。于步骤S930中，执行一非线性μ-law压缩运算，减少信号编码时所需的位数目，以能再进一步减少数据量。于步骤S940中，暂存步骤S930中所产生的压缩数据流。

于步骤S950中，依据一预定的延迟时间，将步骤S940中暂存的压缩数据流读出。于步骤S960中，执行一反μ-law解压缩运算，以还原回线性PCM值。于步骤S970中，执行一衰减运算，以让作为回声(echo)效果的信号的振幅(amplitude)小于步骤S910中输入音频数据流的振幅。于步骤S980中，执行一插补(interpolation)运算或超取样(upsampling)运算，以增加该音频数据流的数据量，以让回声(echo)效果的信号的频率与步骤S910中输入音频数据流的频率相符。于步骤S990中，将插补后的信号与步骤S910中输入音频数据流相加，以产生具有回声(echo)效果的音频数据流。

调整内存写入与输出之间的长度可以改变延迟时间，衰减值也可以调整来达到不同效果。

综上所述，本发明不仅使用缩减取样(Downsampling)运算，以减少音频数据流的数据量，以减少内存的使用量。同时又使用非线性μ-law压缩运算，减少信号编码时所需的位数目，更进一步减少音频数据流的数据量。又，本发明使用非线性μ-law压缩运算，可避免公知技术使用ADPCM运算所产生无法从任意一点开始译码的问题，也减少编码及译码时控制的复杂度。

上述实施例仅是为了方便说明而举例而已，本发明所主张的权利范围自应以权利要求范围所述为准，而非仅限于上述实施例。

Claims (19)

1.一种低内存需求的数字混响系统，主要包含：

一加法器，其第一输入端用来输入一音频数据流；

一降频装置，连接至该加法器的输出端，以对该加法器输出的音频数据流进行降低取样率运算，获得一降频数据流，其中，该降频装置执行一低通滤波与一缩减取样运算，以减低该音频数据流的数据量；

一压缩装置，连接至该降频装置，以对该降频数据流进行压缩处理，以产生一压缩数据流；

一延迟寄存器，连接至该压缩装置，以暂存该压缩数据流，并依据一预定的延迟时间，延迟输出该压缩数据流；

一延伸装置，连接至该延迟寄存器，以对延迟的压缩数据流进行解压缩运算；

一衰减装置，连接至该延伸装置，以将其输出的解压缩数据流予以衰减；以及

一插补装置，连接至该衰减装置，以对该衰减装置输出的衰减数据流进行插补运算，以增加数据量；

其中，该加法器第二输入端连接至该插补装置，以将该插补装置所产生的音频信号加入该音频数据流中，而使得该音频数据流具有回声效果。

2.如权利要求1所述的系统，其中，该压缩装置对该降频数据流进行非线性压缩运算。

3.如权利要求2所述的系统，其中，该非线性压缩运算为一μ-law压缩运算。

4.如权利要求1所述的系统，其中，该延伸装置对该压缩数据流进行非线性解压缩运算。

5.如权利要求4所述的系统，其中，该非线性解压缩运算为一反μ-law解压缩运算。

6.如权利要求1所述的系统，其中，该插补装置执行一超取样运算，以增加该音频数据流的数据量。

7.一种低内存需求的数字混响系统，主要包含：

一第一加法器，其第一输入端用以输入一音频数据流；

一降频装置，连接至该第一加法器的输出端，以对该第一加法器输出的音频数据流进行降低取样率运算，获得一降频数据流；

一压缩装置，连接至该降频装置，以对该降频数据流进行压缩处理，以产生一压缩数据流；

一延迟寄存器，连接至该压缩装置，以暂存该压缩数据流，并具有多级的延迟输出端，以延迟输出该压缩数据流；

一多个延伸装置，分别连接至该延迟寄存器的多级延迟输出端，以对延迟的压缩数据流进行解压缩运算；

一多个衰减装置，连接至该多个延伸装置，以将其输出的解压缩数据流予以衰减；

一第二加法器，其具有多个输入端，该多个输入端连接至该多个衰减装置，以对该多个衰减装置输出的多个衰减数据流进行加法运算；以及

一插补装置，连接至该第二加法器，以对加总之后的衰减数据流进行插补运算，以增加数据量；

其中，该第一加法器第二输入端连接至该插补装置，以将该插补装置所产生的音频信号加入该音频数据流中，而使得该音频数据流具有回声效果。

8.如权利要求7所述的系统，其中，该降频装置执行一低通滤波与一缩减取样运算，以减低该音频数据流的数据量。

9.如权利要求7所述的系统，其中，该压缩装置对该取样数据流进行非线性压缩运算。

10.如权利要求9所述的系统，其中，该非线性压缩运算为一μ-law压缩运算。

11.如权利要求7所述的系统，其中，该延伸装置对该压缩数据流进行非线性解压缩运算。

12.如权利要求11所述的系统，其中，该非线性解压缩运算为一反μ-law解压缩运算。

13.如权利要求7所述的系统，其中，该插补装置执行一超取样运算，以增加该音频数据流的数据量。

14.一种低内存需求的数字混响方法，该方法主要包含下列步骤：

一降频步骤，其接收一音频数据流，并对该音频数据流进行降低取样率运算，获得一降频数据流，其中，该降频步骤执行一低通滤波与一缩减取样运算，以减低该音频数据流的数据量；

一压缩步骤，其对该降频数据流进行压缩处理；

一暂存步骤，其暂存该压缩数据流，并依据一预定的延迟时间，输出该压缩数据流；

一延伸步骤，其对该延迟输出的压缩数据流进行解压缩运算，以产生一解压缩数据流；

一衰减步骤，其对该解压缩数据流予以衰减，以产生一衰减数据流；

一插补步骤，其对该衰减数据流进行插补运算，增加数据量，以产生一插补数据流；以及

一加法步骤，将该插补数据流加入该降频步骤中的该音频数据流中，而使得该音频数据流具有回声效果。

15.如权利要求14所述的方法，其中，该压缩步骤对该降频数据流进行非线性压缩运算。

16.如权利要求15所述的方法，其中，该非线性压缩运算为一μ-law压缩运算。

17.如权利要求14所述的方法，其中，该延伸步骤对该压缩数据流进行非线性解压缩运算。

18.如权利要求17所述的方法，其中，该非线性解压缩运算为一反μ-law解压缩运算。

19.如权利要求14所述的方法，其中，该插补步骤执行一超取样运算，以增加该音频数据流的数据量。

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