CN1828756B - 高频插补装置及再生装置 - Google Patents

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Abstract

一种高频插补装置，具备：减少采样部，其对被压缩、展开的数字音频信号进行1/2减少采样；增加采样部，其对该减少采样部1/2减少采样后的数字音频信号进行2倍增加采样；数字低通滤波器，其对该增加采样部2倍增加采样后的数字音频信号进行滤波；数字高通滤波器，其对该数字低通滤波器滤波后的数字音频信号再次进行滤波；和加法部，其对该数字高通滤波器滤波后的数字音频信号、及所述被压缩、展开的数字音频信号进行加法运算，并输出相加后的数字音频信号。

Description

高频插补装置及再生装置
技术领域
本发明涉及对MD(Mini Disc)、MP3(MPEG(Moving Picture ExpertsGroup 1)Audio layer3)、DAB(Digital Audio Broadcasting)等所压缩的数字音频信号的高频带进行插补的高频插补装置、及具备该高频插补装置，对数字音频信号进行再生的再生装置。
背景技术
在CD(Compact Disc)的情况下，音频信号是采样频率为44.1kHz、数据位长度为16bit的立体声信号。信息量可以用1秒内所需的位数来表示，在CD的情况下为1411.2kbps。在MD的情况下，利用人的听觉的特性，并通过作为间隔提取难以听见的成分及声音大的前后数据的压缩技术的ATRAC(Advanced Transform Acoustic Coding)及作为其升级版的ATRAC3，而减少编码的数据量。ATRAC3与ATRAC的2倍(MDLP2、132kbps)及4倍(MDLP4、66kbps)的数据压缩率对应。因此ATRAC3与CD相比最大能够压缩到1/20左右，但是随着压缩率的提高而导致音质下降。
通常人的可听频带为20Hz～20kHz，但也因人而异，对一般的人而言，认为上限是14k～15kHz左右。虽然考虑了上述的可听频带，开发压缩技术，但是在测定可听频带时使用纯音(正弦波)。但是在实际的音乐及自然音中混有多种频率的声音。因此人们越来越认识到不能单独听到的可听频带外的声音也因声音宽度等对听感施加影响这一观点。
在特许第3576941号公报及特许第3576951号公报中，公开了：根据间隔提取处理的信号的频谱分布，削除相关关系强的频带组的一方，将另一方的频带内的频谱缩短到低频侧的频率间隔提取(decimating)装置。
在特许第3576942号公报中，公开了：在需要插补信号的情况下，使所插补的信号频谱内、频谱分布相关高的部分沿包络线，追加到插补的信号高频侧，扩展频带的频率插补系统。
在特开2004-80635号公报中，公开了：将对应输入的时间系列信号的给定频带的限制频带的频谱进行编码，在译码侧为了根据限制频带的频谱的映像(mapping)求出应扩展的频带的时间系列信号，相应地制成表示映像的方法的映像信息，并输出编码化后的限制频带的频谱和映像信息的信号编码装置。
以高压缩率对数字音频信号进行压缩并记录的情况下，例如，在MDLP4中，如图1B所示，频率频谱只存在到12kHz左右，即使与图1A所示的CD信号相比较，也会失去高频的频率信息。
本申请人鉴于上述问题而提出了高频插补装置，该高频插补装置将被压缩、展开的数字音频信号进行1/2减少采样之后，进行2倍增加采样，并将2倍增加采样后的数字音频信号用数字低通滤波器滤波，而插补原数字音频信号的高频带。
在将数字音频信号以MDLP4等的高压缩率来压缩的情况下，由于频谱只存在到12kHz左右，因此可以利用上述高频插补装置进行高频插补。但是以MDLP2等的低压缩率来压缩的情况下，频谱只存在到18kHz左右。通过对以低压缩率压缩的数字音频信号进行1/2减少采样而丢失的信息很大，可能会改变音质。
发明内容
本发明是鉴于上述问题而制成的，其目的在于提供一种能够对因用低压缩率压缩的数字音频信号的压缩而被丢失的信息进行插补的高频插补装置及具备该高频插补装置的再生装置。
本发明的第一特征的主要内容在于，具备：减少采样部，其对被压缩、展开的数字音频信号进行1/2减少采样；增加采样部，其对该减少采样部1/2减少采样后的数字音频信号进行2倍增加采样；数字低通滤波器，其对该增加采样部2倍增加采样后的数字音频信号进行滤波；数字高通滤波器，其对该数字低通滤波器滤波后的数字音频信号再次进行滤波；和加法部，其对该数字高通滤波器滤波后的数字音频信号、及所述被压缩、展开的数字音频信号进行加法运算，并输出相加后的数字音频信号。
在有关本发明的第一特征的高频插补装置中，所述数字低通滤波器是进行过采样处理的数字滤波器，基于规定的条件并通过采样值H∞控制来解出应该设计IIR(Infinite Impulse Response)型滤波器的设定的条件式，由此计算出参数，以使被频带限制的原模拟音频信号、和将该原模拟音频信号数字转换后被模拟转换的模拟音频信号之间的误差信号变小。
在有关本发明的第一特征的高频插补装置中，所述数字高通滤波器具有多个截止频率，选择该多个截止频率中的一个。
本发明的第2特征的主要内容在于，一种再生装置，具备权利要求1～3中任一项所述的高频插补装置，并通过所述高频插补装置对从记录介质读取的数字音频信号、或从外部接收的数字音频信号的高频带进行插补后，再生所述数字音频信号。
附图说明
图1是表示用于说明本发明要解决的问题的频率特性的特性图。
图2是表示本发明的高频插补装置的实施方式的主要部分构成的框图。
图3A～3D是用于说明本发明的第1实施方式的高频插补装置的动作的模式的波形图。
图4A及4B是表示用于说明本发明的高频插补装置的动作的频率特性的特性图。
图5是表示计算数字低通滤波器的参数的方法的信号复原系统模型的框图。
图6是表示本发明的第2实施方式的再生装置的构成例的框图。
具体实施方式
以下，参照附图对本发明的各种实施方式进行说明。应注意，在附图中相同或相似的标号被用于相同或相似的部分以及元件，并且对相同或相似部分的描述将被省略或简化。
(第1实施方式)
图2是表示本发明的第1实施方式的高频插补装置的主要部分构成的框图。在该高频插补装置中，减少采样部40对如图3A中模式所示那样德被压缩、展开的数字音频信号进行1/2减少采样，如图3B所示那样间隔提取采样值。1/2减少采样后的数字音频信号被供给增加采样部41。
增加采样部41对所供给的数字音频信号进行2倍增加采样，如图3C所示那样，在各采样值的中间插入采样值为零的采样点(零插补)。在被2倍增加采样后的数字音频信号中产生例如以11kHz(原来的采样频率为44.1kHz的情况)为对称轴的线对称的频谱(图像，imaging)。
增加采样部41进行2倍增加采样后的数字音频信号，也包括图像成分，被供给IIR型或FIR(Finite Impulse Response)型的数字低通滤波器42后，进行过采样(over-sampling)处理。此外，在过采样处理中也包含了增加采样部41的2倍增加采样处理。
数字音频信号通过过采样处理，如图3D所示，在由零插补的采样点也插补采样值，产生高频成分并被输出。
通过增加采样部41及数字低通滤波器42进行过采样处理后的数字音频信号，通过数字高通滤波器43提取所期望的截止(cutoff)频率以上的高频带成分而供给加法部44。
此外，数字高通滤波器43具有多个截止频率，并且根据原来的数字音频信号的压缩率来选择1个截止频率。即，在压缩率低的数字音频信号的情况下，由于直到较高的频率中都存在频谱，因此无需该范围的插补，选择较高的截止频率。从而，能够实现可根据压缩率适当地插补对通过用低压缩率压缩的数字音频信号的压缩而被丢失的信息的高频插补装置。
加法部44对被供给的高频带成分和原来的被压缩、展开的数字音频信号进行加法运算，并作为插补高频带的数字音频信号来输出。由此，能够将被MDLP2压缩并具有如图4B所示的18kHz左右以下的频谱的数字音频信号高频插补为具有如图4A所示那样的20kHz左右的频谱的数字音频信号。
此外，在数字高通滤波器43及加法部44之间具备放大器并通过调节1以下的增益，也可以调节高频插补效果。
由此，根据第1实施方式的高频插补装置，能够插补因以低压缩率压缩的数字音频信号的压缩而丢失的信息。
图5是表示计算数字低通滤波器42的参数的方法的信号复原系统模型的框图。在该信号复原系统模型中，来自于信号模型50的模拟信号通过A/D转换器51转换为数字信号，其中该信号模型50具有成为被频带限制的原模拟信号的频率特性的模型的函数F(s)。通过A/D转换器51转换的数字信号在增加采样部52中被M(M为2个以上的整数)倍增加采样。
将被M倍增加采样后的数字信号供给数字低通滤波器53后，进行过采样处理。过采样处理后的数字信号通过D/A转换器54转换为模拟信号，通过具有特性P(s)的后置滤波器55滤波之后供给减法部56。减法部56运算并输出来自于信号模型50的模拟信号(根据情况来延迟)和用后置滤波器55滤波的模拟信号之间的误差信号e。
在计算数字低通滤波器42的参数时，在上述的信号复原系统模型中，以使误差信号e变小的方式设定应设计IIR型的数字低通滤波器53的条件式。接着，求出将该条件式近似地变换为有限维离散时间序列的计算式，通过基于规定的条件由采样值H∞控制对所求得的计算式进行求解，来计算出数字低通滤波器53(数字低通滤波器42)的参数。
此外，通过上述得到的数字低通滤波器为IIR型滤波器，但是在数字信号处理中，为了编程方便、易于安装，多采用FIR型滤波器。此时，通过计算被导出的IIR型滤波器的脉冲响应，可作为FIR型滤波器高精度地实现。
在上述的数字低通滤波器的设计方法中，也考虑如后置滤波器55那样的模拟部件的特性P(s)，这些模拟特性通过采样值控制理论的提高，以不失去采样点间的信息的形式被离散化(数字化)。因此，甚至包含采样点间响应的最佳设计成为可能。该设计方法的详细情况参照特开2001-127637号公报。
从而，能够实现高频插补装置，该高频插补装置能够插补通过以低压缩率压缩的数字音频信号的压缩而丢失的信息。另外，能够得到近似于压缩前的原声的频谱，能够执行更接近于原声的高频插补。
(第2实施方式)
图6是表示作为本发明的第2实施方式的再生装置的光盘装置的构成的框图。该光盘装置是可记录/再生的小型盘装置，并且收纳小型盘11的方形平板状的卡盒12被装入到小型盘装置的状态下，打开卡盒12的两面的遮挡板(shutter)，光拾取器15通过物镜14从小型盘11的一面进行读取。在记录时，由磁头19产生的磁场施加于小型盘11的另一面。
小型盘11通过主轴电机13以给定的一定线速度进行旋转驱动。光拾取器15由进给电机16驱动，沿小型盘11的半径方向移动。磁头19在记录时由磁头驱动部20进行驱动，并沿小型盘11的半径方向移动，按照与光拾取器15一起从两面夹住同一磁道的方式进行位置控制。
主轴电机13、光拾取器15及进给电机16分别由伺服控制部17进行驱动控制。而且，伺服控制部17具备跟踪控制部32及聚焦控制部33。光拾取器15检测出的信号被传送到RF(Radio Frequeney)放大器22进行放大。由RF放大器22放大的信号内、聚焦错误信号及跟踪错误信号分别被供给伺服控制部17的聚焦控制部33及跟踪控制部32。。
由RF放大器22放大的信号内、地址信号被送到地址译码器21进行译码，并赋予编码器/译码器23。由编码器/译码器23被译码的地址信号，被使用于磁头控制部20所带来的磁头19的位置控制中。此外，由编码器/译码器23被译码的地址信号，被送到系统控制器18，被使用于由伺服控制部17的主轴电机13、光拾取器15以及进给电机16的驱动控制等中。
由RF放大器22放大的信号内的数据信号，被送到编码器/译码器23进行译码，通过抗振用存储控制器24，被送到DRAM25(Dynamic RandomAccess Memory)。被送到DRAM25的数据(数字音频信号)一旦被存储后，便通过抗振用存储控制器24，被送到音频压缩编码器/译码器26。音频压缩编码器/译码器26展开所传输来的数据，并供给到在第1实施方式中已说明的高频插补装置的高频插补部34。高频插补部34，如第1实施方式说明的那样执行所供给数据(数字音频信号)的高频插补。被高频插补的数字音频信号，通过D/A转换器28输出。
通过A/D转换器27输入的数字音频信号由音频压缩编码器/译码器26进行音频压缩并编码，通过抗振用存储控制器24被送到DRAM25。被送到DRAM25的数据一旦被存储后，便通过抗振用存储控制器24，被送到编码器/译码器23被编码，由磁头19及光拾取器15记录到小型盘11。
抗振用存储控制器24及DRAM25，利用向DRAM25存储所需要的时间以及从DRAM25读出所需要的时间之差，防止因震动等引起的音漏(sound skipping)。系统控制器18与显示部29、计时电路(timer)30以及操作部3 1连接，在进行伺服控制部17、编码器/译码器23以及抗振用存储控制器24的动作控制的同时，对应根据操作部31的操作等，将指定的信息显示在显示部29中。
根据有关第2实施方式的再生装置，可插补因以低压缩率压缩的数字音频信号的压缩而失去的信息，从而可得到接近于压缩前的原声的再生音。
(其他实施方式)
本发明在不超出请求范围的前提下，本行业技术人员可进行各种变更。

Claims (4)

1.一种高频插补装置，具备：
减少采样部，其对被压缩和被展开的数字音频信号进行1/2减少采样；
增加采样部，其对该减少采样部1/2减少采样后的数字音频信号进行2倍增加采样；
数字低通滤波器，其对该增加采样部2倍增加采样后的数字音频信号进行滤波；
数字高通滤波器，其对该数字低通滤波器滤波后的音频信号再次进行滤波；和
加法部，其对该数字高通滤波器滤波后的数字音频信号、及所述被压缩、展开的数字音频信号进行加法运算，并输出相加后的数字音频信号。
2.根据权利要求1所述的高频插补装置，其特征在于，
所述数字低通滤波器是进行过采样处理的数字滤波器，基于规定的条件并通过采样值H∞控制来解出应该设计IIR(Infinite Impulse Response)型滤波器的设定的条件式，由此计算出参数，以使被频带限制的未进行过转换的原模拟音频信号、和对该原模拟音频信号进行了数字转换后再进行模拟转换后的模拟音频信号之间的误差信号变小。
3.根据权利要求1所述的高频插补装置，其特征在于，
所述数字高通滤波器具有多个截止频率，选择该多个截止频率中的一个。
4.一种再生装置，
具备权利要求1～3中任一项所述的高频插补装置，并通过所述高频插补装置对从记录介质读取的数字音频信号、或从外部接收的数字音频信号的高频带进行插补后，再生所述数字音频信号。
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