KR102068464B1 - Complex exponential modulated filter bank for high frequency reconstruction or parametric stereo - Google Patents

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Abstract

본 문서는 변조되고 서브-샘플링된 디지털 필터 뱅크들뿐만 아니라, 그와 같은 필터 뱅크들의 설계를 위한 방법들 및 시스템들에 관한 것이다. 특히, 본 문서는 저 지연 변조 디지털 필터 뱅크들의 개선을 위한 방법 및 장치를 제안한다. 상기 방법은 비대칭 저역 통과 프로토타입 필터의 변조 및 이 필터의 계수들을 최적화하기 위한 새로운 방법을 이용한다. 더욱이, 계수들(640)의 프로토타입 필터 길이 및 샘플들(319)의 시스템 지연을 이용하는 채널 필터 뱅크(64)에 대한 특정 설계가 제공된다. 상기 방법은 예를 들어 필터 뱅크를 스펙트럼 이퀄라이저로 이용할 때, 서브대역 신호들의 독자적인 변경들로부터 발생하는 에일리어싱으로 인한 아티팩트들을 실질적으로 감소시킨다. 상기 방법은 바람직하게도 표준 PC 또는 디지털 신호 프로세서(DSP)에서 운영되는 소프트웨어에서 구현되지만, 또한 주문형 칩에서 하드코딩될 수 있다. 상기 방법은 다양한 유형들의 디지털 이퀄라이저들, 적응형 필터들, 다중대역 압신기들 및 고주파 복원(HFR) 또는 파라메트릭 스테레오 시스템들에서 이용되는 필터 뱅크들을 조정하는 스펙트럼 포락선에 대한 개선들을 제공한다.This document relates to modulated and sub-sampled digital filter banks, as well as methods and systems for the design of such filter banks. In particular, this document proposes a method and apparatus for the improvement of low delay modulated digital filter banks. The method utilizes the modulation of the asymmetric low pass prototype filter and a new method for optimizing the coefficients of the filter. Moreover, a specific design is provided for channel filter bank 64 using the prototype filter length of coefficients 640 and the system delay of samples 319. The method substantially reduces artifacts due to aliasing resulting from independent changes in subband signals, for example when using a filter bank as a spectral equalizer. The method is preferably implemented in software running on a standard PC or digital signal processor (DSP), but can also be hardcoded on a custom chip. The method provides improvements to the spectral envelope that adjusts filter banks used in various types of digital equalizers, adaptive filters, multiband comparators and high frequency reconstruction (HFR) or parametric stereo systems.

Description

고 주파수 재구성 또는 파라메트릭 스테레오를 위한 복소 지수 변조 필터 뱅크{COMPLEX EXPONENTIAL MODULATED FILTER BANK FOR HIGH FREQUENCY RECONSTRUCTION OR PARAMETRIC STEREO}COMPLEX EXPONENTIAL MODULATED FILTER BANK FOR HIGH FREQUENCY RECONSTRUCTION OR PARAMETRIC STEREO}

본 발명은 변조되고 서브-샘플링(sub-sampling)되는 디지털 필터 뱅크(filter bank)들뿐만 아니라 그와 같은 필터 뱅크들의 설계를 위한 방법들 및 시스템들에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 서브대역 신호들 또는 공간 계수들의 변경들로부터 발생하는 에일리어스(aliasing)의 억제를 위해 최적화되는, 거의 완전한 복구 저 지연 코사인 또는 복소 지수 변조 필터 뱅크에 대한 새로운 설계 방법 및 장치를 제공한다. 더욱이, 640 계수들의 프로토타입 필터(prototype filter) 길이 및 319 샘플들의 시스템 지연을 이용하여 64 채널 필터 뱅크에 대한 특정한 설계가 제공된다.The present invention relates to digital filter banks that are modulated and sub-sampled, as well as methods and systems for the design of such filter banks. In particular, the present invention is a novel design method and apparatus for an almost complete recovery low delay cosine or complex exponential modulated filter bank that is optimized for suppression of aliasing resulting from changes in subband signals or spatial coefficients. To provide. Moreover, a specific design for a 64 channel filter bank is provided using a prototype filter length of 640 coefficients and a system delay of 319 samples.

본 문서의 내용들은 예를 들어 미국 N.Y. Paris에서 1995년 2월 25일 ~ 28일의 AES preprint 98차 컨벤션에서 A.J.S.Ferreira, J.M.N.Viera의 "An Efficient 20 Band Digital Audio Equalizer"에 개설된 바와 같은 디지털 이퀄라이저(digital equalizer)들; 예를 들어 1992년 8월, IEEE Transactions on Signal Processing, vol.40, no.8에서 A.Gilloire, M. Vetterli의 Adaptive Filtering in Subbands with Critical Sampling: Analysis, Experiments, and Application to Acoustic Echo Cancellation"에 개설된 바와 같은 적응형 필터들; 다중대역 압신기들; 및 고주파 복원(high frequency reconstruction: HFR) 방법들을 이용하는 오디오 코딩 시스템들; 또는 소위 파라매트릭 스테레오 기술(parametric stereo technique)들을 이용하는 오디오 코딩 시스템들에 적용 가능하다. 두 개의 후자의 예들에서, 디지털 필터 뱅크는 오디오 신호의 스펙트럼 포락선의 적응형 조정에 이용된다. 예시적인 HFR 시스템은 예를 들어 WO98/57436에 개설되는 SBR(Spectral Band Replication) 시스템이고, 파라메트릭 스테레오 시스템은 예를 들어 EP1410687에 기술된다.The contents of this document are described, for example, in US N.Y. Digital equalizers as outlined in A.J.S.Ferreira, J.M.N.Viera's "An Efficient 20 Band Digital Audio Equalizer" at the AES preprint 98th Convention, February 25-28, 1995 in Paris; See, for example, A.Gilloire, M. Vetterli's Adaptive Filtering in Subbands with Critical Sampling: Analysis, Experiments, and Application to Acoustic Echo Cancellation in August 1992, IEEE Transactions on Signal Processing, vol. 40, no. Adaptive filters as outlined, multiband compensators, and audio coding systems using high frequency reconstruction (HFR) methods; or audio coding systems using so-called parametric stereo techniques. In the latter two examples, the digital filter bank is used for adaptive adjustment of the spectral envelope of the audio signal The exemplary HFR system is for example the Spectral Band Replication (SBR) system outlined in WO98 / 57436. And parametric stereo systems are described, for example, in EP1410687.

청구항들을 포함하는 본 명세서 내에서, 표현들 "서브대역 신호들" 또는 "서브대역 샘플들"은 출력 신호 또는 출력 신호들, 또는 디지털 필터 뱅크의 분석부로부터의 출력 샘플 또는 출력 샘플들 또는 변환 기반 시스템의 전방 변환(forward transform), 즉 시간 도메인 데이터에서 연산되는 변환으로부터의 출력을 나타낸다. 그와 같은 전방 변환들의 출력에 대한 예들은 윈도우잉(windowing)된 디지털 푸리에 변환(digital Fourier transform: DFT)으로부터의 주파수 도메인 계수들 또는 수정된 이산 코사인 변환(modified discrete cosine transform: MDCT)의 분석 단계로부터의 출력 샘플들이다.Within the specification, including the claims, the expressions "subband signals" or "subband samples" refer to an output signal or output signals, or an output sample or output samples or transform based from an analysis portion of the digital filter bank. Represents the output from the system's forward transform, that is, the transform computed on the time domain data. Examples of the output of such forward transforms include the analysis of frequency domain coefficients from a windowed digital Fourier transform (DFT) or a modified discrete cosine transform (MDCT). Output samples from

청구항들을 포함하는 본 명세서 내에서, 표현들 "에일리어싱(aliasing)"은, 가능하게도 서브-샘플링된 디지털 필터 뱅크에서의 서브 대역 샘플들의 변경(예를 들어 감쇠 또는 양자화)과 결합되는 축약(decimation) 및 보간(interpolation)으로부터 발생하는 비선형 왜곡을 나타낸다.Within the present specification, including the claims, the expression “aliasing” is a reduction, possibly combined with a change (eg, attenuation or quantization) of subband samples in a sub-sampled digital filter bank. And nonlinear distortion resulting from interpolation.

디지털 필터 뱅크는 둘 이상의 병렬 디지털 필터들의 집합체이다. 분석 필터 뱅크는 인입하는 신호를 서브대역 신호들로 칭해지는 다수의 별개의 신호들 또는 스펙트럼 계수들로 분리한다. 필터 뱅크는 단위 시간 당 서브대역 샘플들의 총 수가 입력 신호에 대한 총수와 동일할 때 임계적으로 샘플링되거나 최대로 축약된다. 소위 합성 필터 뱅크는 서브대역 신호들을 출력 신호 내로 결합한다. 대중적인 유형의 임계적으로 샘플링된 필터 뱅크들은 코사인 변조 필터 뱅크이고, 여기서 필터들은 저역 통과 필터, 소위 프로토타입 필터의 코사인 변조에 의해 획득된다. 코사인 변조 필터 뱅크는 효율적인 구현예들을 제공하고 자연스런 오디오 코딩 시스템들에서 흔히 이용된다. 더욱 자세한 세부사항들을 위해, 1996년 AES, Collected Papers on Digital Audio Bitrate Reduction에서의 K. Brandenburg에 의한 "Introduction to Perceptual Coding"이 참조된다.The digital filter bank is a collection of two or more parallel digital filters. The analysis filter bank separates the incoming signal into a number of separate signals or spectral coefficients called subband signals. The filter bank is critically sampled or maximized when the total number of subband samples per unit time is equal to the total number for the input signal. A so-called synthesis filter bank combines the subband signals into the output signal. Popular types of critically sampled filter banks are cosine modulated filter banks, where the filters are obtained by cosine modulation of a low pass filter, the so-called prototype filter. Cosine modulated filter banks provide efficient implementations and are commonly used in natural audio coding systems. For more details, see "Introduction to Perceptual Coding" by K. Brandenburg in 1996 AES, Collected Papers on Digital Audio Bitrate Reduction.

필터 뱅크 설계에서의 공통적인 문제는 예를 들어, 이퀄라이징 이득 곡선을 적용함으로써 또는 서브대역 샘플들을 양자화함으로써 서브대역 샘플들 또는 스펙트럼 계수들을 변경하려는 어떠한 시도도 전형적으로 출력 신호들에 에일리어싱 아티팩트(artifact)들을 렌더링한다는 것이다. 그러므로, 심지어 서브대역 샘플들이 심한 변경을 겪을 때조차도 그와 같은 아티팩트들을 감소시키는 필터 뱅크 설계들이 바람직하다.A common problem in filter bank design is that any attempt to change subband samples or spectral coefficients, for example by applying an equalizing gain curve or by quantizing subband samples, typically results in aliasing artifacts to the output signals. To render them. Therefore, filter bank designs that reduce such artifacts, even when the subband samples undergo severe changes, are desirable.

가능한 방법은 오버샘플링(oversampling)된, 즉 임계적으로 샘플링되지 않은 필터 뱅크들을 이용하는 것이다. 오버샘플링된 필터 뱅크의 예는 복소 지수로 변조되는 필터 뱅크들의 클래스이고, 여기서 허수의 사인 변조 부분은 코사인 변조 필터 뱅크의 실수부에 추가된다. 그와 같은 복소 지수 변조 필터 뱅크는 본원에 참조로서 통합되어 있는 EP1374399에 기술된다.A possible way is to use oversampled, ie critically unsampled filter banks. An example of an oversampled filter bank is a class of filter banks that are modulated with a complex exponent, where the imaginary sine modulation portion is added to the real part of the cosine modulated filter bank. Such complex exponential modulated filter banks are described in EP1374399, which is incorporated herein by reference.

복소 지수 변조 필터 뱅크들의 속성들 중 하나는 이들이 코사인 변조 필터 뱅크들에 존재하는 주 에일리어싱 항들로부터 자유롭다는 것이다. 결과적으로, 그와 같은 필터 뱅크들은 전형적으로 서브대역 샘플들에 대한 변경들에 의해 아티팩트들이 유도되는 경향이 더 적다. 그럼에도 불구하고, 다른 에일리어싱 항들이 남아 있고 서브대역 신호들의 변경들로부터 발생하는 에일리어싱과 같은 장애들을 최소화하기 위해 그와 같은 복소 지수 변조 필터 뱅크의 프로토타입 필터에 대해 복잡한 설계 기술들이 적용되어야만 한다.One of the properties of complex exponential modulated filter banks is that they are free from the main aliasing terms present in the cosine modulated filter banks. As a result, such filter banks are typically less prone to artifacts induced by changes to subband samples. Nevertheless, complex design techniques must be applied to the prototype filter of such a complex exponentially modulated filter bank to minimize other aliasing terms, such as aliasing resulting from changes in subband signals.

필터 뱅크들의 추가 속성은 신호가 그와 같은 필터 뱅크들을 통과할 때 발생하는 지연의 양이다. 특히 오디오 및 비디오 스트림들과 같은, 실시간 애플리케이션들의 경우, 필터 또는 시스템 지연은 낮아야만 한다. 낮은 총 시스템 지연, 즉, 합성 필터 뱅크 이전의 분석 필터 뱅크를 통과하는 신호들의 낮은 지연 또는 레이턴시(latency)를 갖는 필터 뱅크를 획득하기 위한 가능한 방법은 짧은 대칭 프로토타입 필터들을 이용하는 것이다. 전형적으로 짧은 프로토타입 필터들을 이용하면 상대적으로 불량한 주파수 대역 분리 특성을 야기하여 인접한 서브대역들 사이에 넓은 주파수 중첩 영역들이 발생한다. 결과적으로, 짧은 프로토타입 필터들은 통상적으로, 서브대역 샘플들을 수정할 때 에일리어싱을 적절하게 억제하는 필터 뱅크 설계가 가능하지 않고 저 지연 필터 뱅크들의 설계에 대한 다른 방법들이 요구된다.An additional attribute of filter banks is the amount of delay that occurs when a signal passes through such filter banks. Especially for real-time applications, such as audio and video streams, the filter or system delay should be low. A possible way to obtain a filter bank with low total system delay, i.e. low delay or latency of signals passing through the analysis filter bank before the synthesis filter bank, is to use short symmetric prototype filters. Typically using short prototype filters results in relatively poor frequency band separation characteristics resulting in wide frequency overlap regions between adjacent subbands. As a result, short prototype filters typically do not allow filter bank design to adequately suppress aliasing when modifying subband samples and other methods for the design of low delay filter banks are required.

그러므로 특정한 수의 바람직한 속성들을 결합하는 필터 뱅크들에 대한 설계 방법을 제공하는 것이 바람직하다. 그와 같은 속성들은 서브대역 신호들의 변경들을 겪은 에일리어싱과 같은 신호 손상들에 대한 고 레벨의 무민감도(insusceptibility); 분석 및 합성 필터 뱅크들을 통과하는 신호들의 낮은 지연 또는 레이턴시; 및 완전한 복구 속성에 대한 양호한 근사화이다. 즉, 낮은 레벨의 에러들을 발생시키는 필터 뱅크들에 대한 설계 방법을 제공하는 것이 바람직하다. 서브 샘플링된 필터 뱅크들은 전형적으로 두 유형들의 에러들, 진폭 및 위상 에러들로 추가로 분할될 수 있는 통과 대역 항으로부터의 선형 왜곡, 및 에일리어싱 항들로부터 발생하는 비-선형 왜곡을 발생시킨다. PR(perfect reconstruction: 완전한 복구) 속성의 "양호한 근사화"가 이 에러들 모두를 낮은 레벨로 유지할지라도, 인식의 관점에서 에일리어싱에 의해 발생되는 왜곡들의 감소를 더욱 많이 강조하는 것이 유리할 수 있다.It would therefore be desirable to provide a design method for filter banks that combines a certain number of desirable attributes. Such attributes may include high levels of insensceptibility to signal impairments such as aliasing that have undergone changes in subband signals; Low delay or latency of signals passing through the analysis and synthesis filter banks; And good approximation for complete recovery attributes. That is, it is desirable to provide a design method for filter banks that generate low levels of errors. Subsampled filter banks typically produce linear distortion from a passband term that can be further divided into two types of errors, amplitude and phase errors, and non-linear distortion resulting from aliasing terms. Although the "good approximation" of the PR (perfect reconstruction) attribute keeps all of these errors at a low level, it may be advantageous to more emphasize the reduction of distortions caused by aliasing in terms of recognition.

더욱이, 그와 같은 속성들을 나타내는 분석 및/또는 합성 필터 뱅크를 설계하는데 이용될 수 있는 프로토타입 필터를 제공하는 것이 바람직하다. 출력 신호의 위상 분산으로 인한 아티팩트들을 최소화하기 위해 거의 일정한 그룹 지연을 나타내는 것이 필터 뱅크의 속성이 또한 바람직하다.Furthermore, it is desirable to provide a prototype filter that can be used to design an analysis and / or synthesis filter bank that exhibits such properties. It is also desirable for the property of the filter bank to exhibit an almost constant group delay to minimize artifacts due to phase dispersion of the output signal.

본 문서는 서브대역 신호들의 변경들로부터 발생하는 손상들이 대칭 또는 비대칭 프로토타입 필터들의 최적화를 위해 개선된 에일리어싱 항 최소화(improved alias term minimization: IATM) 방법으로 칭해지는 필터 뱅크 설계 방법을 이용함으로써 현저하게 감소될 수 있음을 제시한다.This document remarks significantly by using a filter bank design method in which damages resulting from changes in subband signals are called an improved alias term minimization (IATM) method for the optimization of symmetric or asymmetric prototype filters. It can be reduced.

본 발명은 의사 QMF(Quadrature Mirror Filter) 설계들, 즉 거의 완전한 복구 필터 뱅크 설계들의 개념들이 비대칭 프로토타입 필터들을 이용하는 저 지연 필터 뱅크 시스템을 커버하는데 확장될 수 있음을 교시한다. 결과적으로 낮은 시스템 지연, 에일리어싱에 대한 낮은 민감도, 및/또는 위상 분산을 포함하는 낮은 레벨의 통과 대역 에러들을 갖는 거의 완전한 복구 필터 뱅크들이 설계될 수 있다. 특정한 요구들에 따라, 필터 뱅크 속성들 중 어느 하나에 대해 가해지는 강조점이 변경될 수 있다. 그러므로, 본 발명에 따른 필터 뱅크 설계 방법은 이퀄라이제이션 시스템 또는 스펙트럼 계수들을 변경하는 다른 시스템에서 이용되는 PR 필터 뱅크들의 현재의 한계들을 경감시킨다.The present invention teaches that the concepts of pseudo Quadrature Mirror Filter (QMF) designs, ie, nearly complete recovery filter bank designs, can be extended to cover a low delay filter bank system using asymmetric prototype filters. As a result, nearly complete recovery filter banks can be designed with low levels of passband errors including low system delay, low sensitivity to aliasing, and / or phase dispersion. Depending on the particular needs, the emphasis placed on either of the filter bank attributes can be changed. Therefore, the filter bank design method according to the present invention alleviates the current limitations of the PR filter banks used in an equalization system or another system that changes the spectral coefficients.

본 문서에 따른 저 지연 복소 지수 변조 필터 뱅크의 설계는 단계들:The design of the low delay complex exponential modulation filter bank according to this document consists of the following steps:

· 원하는 에일리어싱 및 통과 대역 에러 거절들에 대해 최적화되고, 시스템 지연 D에 대해 추가로 최적화되는, π/2M의 컷오프(cutoff) 주파수를 갖는 비대칭 저역 통과 프로토타입 필터의 설계; M은 필터 뱅크의 채널들의 수이다; 및Design of an asymmetric lowpass prototype filter with a cutoff frequency of π / 2M, optimized for desired aliasing and passband error rejections, and further optimized for system delay D; M is the number of channels in the filter bank; And

· 최적화된 프로토타입 필터의 복소 지수 변조에 의한 M-채널 필터 뱅크의 구성을 포함할 수 있다.May comprise the construction of an M-channel filter bank by complex exponential modulation of the optimized prototype filter.

더욱이, 본 문서에 따른 그와 같은 저 지연 복소 지수 변조 필터 뱅크의 동작은 단계들:Moreover, the operation of such a low delay complex exponential modulated filter bank in accordance with this document comprises the following steps:

· 필터 뱅크의 분석부를 통한 실수 값의 시간 도메인 신호의 필터링;Filtering of the real-time time domain signal of the real value through an analysis of the filter bank;

· 예를 들어, 원하는, 가능하게도 시변, 이퀄라이저 세팅(setting)에 따른 복소 값의 서브대역 신호들의 변경;Changing, for example, the complex valued subband signals according to the desired, possibly time varying, equalizer setting;

· 필터 뱅크의 합성부를 통해 변경된 복소 값의 서브대역 샘플들의 필터링; 및Filtering of the changed complex valued subband samples through the synthesis section of the filter bank; And

· 필터 뱅크의 합성부로부터 획득되는 복소 값의 시간 도메인 출력 신호의 실수부의 계산을 포함할 수 있다.May include calculation of the real part of the complex valued time domain output signal obtained from the synthesis part of the filter bank.

새로운 필터 설계 방법을 제공하는 것 외에, 본 문서는 640 계수들의 프로토타입 필터 길이 및 319 샘플들의 시스템 지연을 갖는 64 채널 필터 뱅크의 특정한 설계를 기술한다.In addition to providing a new filter design method, this document describes a specific design of a 64 channel filter bank with a prototype filter length of 640 coefficients and a system delay of 319 samples.

본 발명의 내용들, 특히 제안되는 필터 뱅크 및 제안된 설계 방법에 따라 설계되는 필터 뱅크들은 다양한 애플리케이션들에서 이용될 수 있다. 그와 같은 애플리케이션들은 다양한 유형들의 디지털 이퀄라이저들, 적응형 필터들, 다중대역 압신기들 및 HFR 또는 파라메트릭 스테레오 시스템들에서 이용되는 필터 뱅크들을 조정하는 적응형 포락선을 개선한 것이다.The contents of the present invention, in particular the filter banks designed according to the proposed filter bank and the proposed design method, can be used in various applications. Such applications are an improvement over the adaptive envelope that adjusts filter banks used in various types of digital equalizers, adaptive filters, multiband comparators and HFR or parametric stereo systems.

제 1 양태에 따르면, M-채널, 저 지연, 서브샘플링된 분석/합성 필터 뱅크를 구성하는데 이용되는 비대칭 프로토타입 필터(p0)의 N개의 계수들을 결정하기 위한 방법이 기술된다. 분석/합성 필터 뱅크는 M개의 분석 필터들(hk) 및 M개의 합성 필터들(fk)을 포함할 수 있고, k는 0부터 M-1의 값들을 취하고 전형적으로 M은 1보다 크다. 분석/합성 필터 뱅크는 전형적으로 분석 및 합성 필터들의 계수들뿐만 아니라 축약 및 보간 연산들과 연관되는 전체 전달 함수를 갖는다.According to a first aspect, a method for determining N coefficients of an asymmetric prototype filter p 0 used to construct an M-channel, low delay, subsampled analysis / synthesis filter bank is described. The analysis / synthesis filter bank may include M analysis filters h k and M synthesis filters f k , where k takes values from 0 to M-1 and M is typically greater than one. The analysis / synthesis filter bank typically has an overall transfer function associated with the reduction and interpolation operations as well as the coefficients of the analysis and synthesis filters.

상기 방법은 타깃(target) 지연(D)을 포함하는 필터 뱅크의 타깃 전달 함수를 선택하는 단계를 포함한다. 전형적으로 N보다 작거나 같은 타깃 지연(D)이 선택된다. 상기 방법은 통과 대역 에러 항(et) 및 에일리어싱 에러 항(ea)을 포함하는 합성 목적 함수(composite objective function)(etot)를 결정하는 단계를 추가로 포함한다. 통과 대역 에러 항은 필터 뱅크의 전달 함수와 타깃 전달 함수 사이의 편차와 연관되고 에일리어싱 에러 항(ea)은 서브샘플링에 의해 초래되는 에러들, 즉 필터 뱅크의 축약 및/또는 보간과 연관된다. 추가적인 방법 단계에서, 합성 목적 함수(etot)를 감소시키는 비대칭 프로토타입 필터(p0)의 N개의 계수들이 결정된다.The method includes selecting a target transfer function of a filter bank comprising a target delay (D). Typically a target delay D less than or equal to N is selected. The method further includes determining a composite objective function e tot that includes a passband error term e t and an aliasing error term e a . The passband error term is associated with the deviation between the transfer function and the target transfer function of the filter bank and the aliasing error term e a is associated with the errors caused by subsampling, i.e., the reduction and / or interpolation of the filter bank. In a further method step, N coefficients of the asymmetric prototype filter p 0 that reduce the synthesis objective function e tot are determined.

전형적으로, 목적 에러 함수(etot)를 결정하는 단계 및 비대칭 프로토타입 필터(p0)의 N개의 계수들을 결정하는 단계는 목적 에러 함수(etot)의 최소값에 도달할 때까지, 반복해서 되풀이된다. 즉, 목적 함수(etot)는 프로토타입 필터의 주어진 계수들의 세트에 기초하여 결정되고, 프로토타입 필터의 업데이트된 계수들의 세트는 목적 에러 함수를 감소시킴으로써 생성된다. 이 프로세스는 프로토타입 필터 계수들의 변경을 통해 목적 함수의 추가 감소가 달성될 수 없을 때까지 반복된다. 이는 목적 에러 함수(etot)를 결정하는 단계가 프로토타입 필터(p0)의 주어진 계수들에 대한 합성 목적 함수(etot)에 대한 값을 결정하는 단계를 포함할 수 있고 비대칭 프로토타입 필터(p0)의 N개의 계수들을 결정하는 단계가 프로토타입 필터(p0)의 계수들과 연관되는 합성 목적 함수(etot)의 기울기에 기초하여 프로토타입 필터(p0)의 업데이트된 계수들을 결정하는 단계를 포함할 수 있다.Typically, determining the objective error function e tot and determining the N coefficients of the asymmetric prototype filter p 0 are repeated repeatedly until the minimum value of the objective error function e tot is reached. do. That is, the objective function e tot is determined based on the given set of coefficients of the prototype filter, and the updated set of coefficients of the prototype filter is generated by reducing the objective error function. This process is repeated until further reduction of the objective function cannot be achieved by changing the prototype filter coefficients. This may include determining the objective error function e tot and determining the value for the synthesis objective function e tot for the given coefficients of the prototype filter p 0 and asymmetric prototype filter ( determining an updated coefficient of the step of determining the N coefficients of p 0) prototype filter (the prototype filter (p 0) based on the slope of the composite objective function (e tot) which is associated with a coefficient p 0) It may include the step.

추가적인 양태에 따르면, 합성 목적 에러 함수(etot)는:According to a further aspect, the synthesis objective error function e tot is:

etot(α) = αet + (1 - α)ea e tot (α) = αe t + (1-α) e a

에 의해 제공되고,Provided by

여기서 et는 통과 대역 에러 항이고, ea는 에일리어싱 에러 항이며 α는 0과 1 사이의 값들을 취하는 가중 상수이다. 통과 대역 에러 항(et)은 복수의 주파수들에 대한 타깃 전달 함수와 필터 뱅크의 전달 함수 사이의 제곱 편차를 축적함으로써 결정될 수 있다. 특히, 통과 대역 에러 항(et)은Where e t is the passband error term, e a is the aliasing error term, and α is a weighting constant that takes values between 0 and 1. The passband error term e t can be determined by accumulating the squared deviation between the target transfer function and the transfer function of the filter bank for the plurality of frequencies. In particular, the passband error term e t is

Figure 112019083423756-pat00001
Figure 112019083423756-pat00001

으로 계산될 수 있고,Can be calculated as

여기서 P(ω)e-jwD는 타깃 전달 함수이고,Where P (ω) e -jwD is the target transfer function,

Figure 112019083423756-pat00002
Figure 112019083423756-pat00002

이고, 여기서 Hk(z) 및 Fk(z)는 분석 및 합성 필터들(hk(n) 및 fk(n)) 각각의 z-변환들이다.Where H k (z) and F k (z) are the z-transformations of the analytical and synthesis filters h k (n) and f k (n), respectively.

에일리어싱 에러 항(ea)은 복수의 주파수들에 대한 에일리어스 이득 항들의 제곱 크기(squared magnitude)를 축적함으로써 결정된다. 특히, 에일리어싱 에러 항(ea)은The aliasing error term e a is determined by accumulating the squared magnitude of the alias gain terms for the plurality of frequencies. Specifically, the aliasing error term e a

Figure 112019083423756-pat00003
Figure 112019083423756-pat00003

으로 계산되고,Calculated as

여기서 z = e에 대해,

Figure 112019083423756-pat00004
, l = 1 ... M-1이고,Where z = e ,
Figure 112019083423756-pat00004
, l = 1 ... M-1,

Figure 112019083423756-pat00005
Figure 112019083423756-pat00005

은 W = e-i2π/M으로의 단위 원에서 구한 l번째 에일리어스 이득 항이고, 여기서 Hk(z) 및 Fk(z)는 분석 및 합성 필터들 hk(n) 및 fk(n) 각각의 z-변환들이다. 표기 Al*(z)는 복소 공액 시퀀스 al(n)의 z-변환이다.Is the l th alias gain term obtained from the unit circle with W = e -i2π / M , where H k (z) and F k (z) are the analysis and synthesis filters h k (n) and f k ( n) each of the z-transformations. The notation A l * (z) is the z-transformation of the complex conjugate sequence a l (n).

추가 양태에 따르면, 합성 목적 함수(etot)에 대한 값을 결정하는 단계는 코사인 변조, 사인 변조 및/또는 복소 지수 변조를 이용하여 프로토타입 필터(p0(n))에 기초하는 분석/합성 필터 뱅크의 분석 필터들(hk(n)) 및 합성 필터들(fk(n))을 생성하는 단계를 포함할 수 있다. 특히, 분석 및 합성 필터들은 코사인 변조를 이용하여According to a further aspect, the step of determining a value for the synthesis objective function e tot is an analysis / synthesis based on the prototype filter p 0 (n) using cosine modulation, sine modulation and / or complex exponential modulation. Generating analysis filters h k (n) and synthesis filters f k (n) of the filter bank. In particular, analysis and synthesis filters utilize cosine modulation.

Figure 112019083423756-pat00006
Figure 112019083423756-pat00006

로 결정될 수 있고,Can be determined as

여기서 분석 필터 뱅크의 M개의 분석 필터들에 대해 n = 0...N-1이고;Where n = 0 ... N-1 for the M analytic filters of the analytic filter bank;

Figure 112019083423756-pat00007
Figure 112019083423756-pat00007

이고 여기서 합성 필터 뱅크의 M개의 합성 필터들에 대해, n = 0... N-1이다.And where for M synthesis filters in the synthesis filter bank, n = 0 ... N-1.

분석 및 합성 필터들은 또한 복소 지수 변조를Analysis and synthesis filters also provide complex exponential modulation

Figure 112019083423756-pat00008
Figure 112019083423756-pat00008

로서 이용하여 결정될 수 있고,Can be determined using

여기서 n = 0...N-1이고, A는 분석 필터 뱅크의 M개의 분석 필터들에 대해 임의의 상수이고;Where n = 0 ... N-1 and A is any constant for the M analysis filters of the analysis filter bank;

Figure 112019083423756-pat00009
Figure 112019083423756-pat00009

이고, 여기서 합성 필터 뱅크의 M개의 합성 필터들에 대해 n = 0... N-1이다.Where n = 0 ... N-1 for the M synthesis filters in the synthesis filter bank.

다른 양태에 따르면, 합성 목적 함수(etot)에 대한 값들 결정하는 단계는 필터 뱅크 채널들 중 적어도 하나를 영(0)으로 설정하는 단계를 포함할 수 있다. 이는 적어도 하나의 분석 및/또는 합성 필터에 영 이득을 적용함으로써 달성될 수 있는, 즉, 필터 계수들(hk 및/또는 fk)이 적어도 하나의 채널(k)에 대해 영으로 설정될 수 있다. 예에서 미리 결정된 수의 저주파 채널들 및/또는 미리 결정된 수의 고주파 채널들은 영으로 설정될 수 있다. 즉, 저주파 필터 뱅크 채널들 k = 0에서 최대 Clow(여기서 Clow는 영보다 더 크다)는 영으로 설정될 수 있다. 대안으로 또는 추가적으로, 고주파 필터 뱅크 채널들 k = Chigh에서 최대 M-1(여기서 Chigh는 M-1보다 작다)은 영으로 설정될 수 있다.According to another aspect, determining the values for the synthesis objective function e tot may comprise setting at least one of the filter bank channels to zero. This may be achieved by applying zero gain to at least one analysis and / or synthesis filter, ie filter coefficients h k and / or f k may be set to zero for at least one channel k. have. In an example the predetermined number of low frequency channels and / or the predetermined number of high frequency channels may be set to zero. That is, at low frequency filter bank channels k = 0 the maximum C low (where C low is greater than zero) may be set to zero. Alternatively or additionally, at high frequency filter bank channels k = C high the maximum M-1 (where C high is less than M-1) can be set to zero.

그와 같은 경우에, 합성 목적 함수(etot)에 대한 값을 결정하는 단계는 복소 지수 변조를 이용하여 에일리어싱 항들(Clow 및 M-Clow 및/또는 Chigh 및 M-Chigh)에 대한 분석 및 합성 필터들을 생성하는 단계를 포함할 수 있다. 이는 코사인 변조를 이용하여 남아있는 에일리어싱 항들에 대한 분석 및 합성 필터들을 추가로 포함할 수 있다. 즉, 최적화 절차는 부분적으로 복소 값화된 방식으로 행해질 수 있고, 여기서 주 에일리어싱으로부터 자유로운 에일리어싱 에러 항은 실수값의 필터들, 예를 들어 코사인 변조를 이용하여 생성되는 필터들을 이용하여 계산되고, 실수 값의 시스템에서 주 에일리어싱을 지니는 에일리어싱 에러 항들은 예를 들어 복소 지수 변조 필터들을 이용하여 복소 값의 프로세싱에 대해 변경된다.In such a case, determining the value for the synthesis objective function e tot comprises analyzing and synthesis filters on the aliasing terms C low and MC low and / or C high and MC high using complex exponential modulation. And generating them. This may further include analysis and synthesis filters for the remaining aliasing terms using cosine modulation. That is, the optimization procedure can be done in a partially complex valued manner, where an aliasing error term free from main aliasing is calculated using real value filters, for example filters generated using cosine modulation, and real value. The aliasing error terms with primary aliasing in the system of are changed for processing of complex values using, for example, complex exponential modulation filters.

추가적인 양태에 따르면, 분석 필터는 M개의 분석 필터들(hk)을 이용하여 입력 신호로부터 M개의 서브대역 신호들을 생성할 수 있다. 이 M개의 서브대역 신호들은 팩터(factor) M에 의해 축약되어 축약된 서브대역 신호들을 산출할 수 있다.전형적으로, 축약된 서브대역 신호들은 예를 들어 이퀄라이제이션 목적들 또는 압축 목적들을 위해 변경된다. 가능성 있는 변경 축약 서브대역 신호들은 팩터 M에 의해 업샘플링될 수 있고 합성 필터 뱅크는 M개의 합성 필터들(fk)을 이용하여 업샘플링된 축약 서브대역 신호들로부터 출력 신호를 생성할 수 있다.According to a further aspect, the analysis filter may generate M subband signals from the input signal using M analysis filters h k . These M subband signals may be abbreviated by factor M to yield abbreviated subband signals. Typically, the abbreviated subband signals are changed for equalization purposes or compression purposes, for example. Possible alternating shortened subband signals may be upsampled by factor M and the synthesis filter bank may generate an output signal from the upsampled shortened subband signals using M synthesis filters f k .

다른 양태에 따르면, 라운딩(rounding), 트런케이팅(truncating), 스케일리(scalng), 서브샘플링 또는 오버샘플링 중 어느 하나에 의해 표 1의 계수들로부터 도출 가능한 계수들을 포함하는 비대칭 프로토타입 필터(p0(n))가 기술된다. 연산들 라운딩, 트런케이팅, 스케일링, 서브샘플링 또는 오버샘플링의 어떠한 결합도 가능하다.According to another aspect, an asymmetric prototype filter comprising coefficients derivable from the coefficients of Table 1 by any one of rounding, truncating, scaling, subsampling or oversampling ( p 0 (n)) is described. Any combination of rounding operations, truncating, scaling, subsampling or oversampling is possible.

필터 계수들의 라운딩 연산은 다음 중 하나를 포함할 수 있다: 20보다 많은 유효 디지트(significant digit)들; 19보다 많은 유효 디지트들; 18보다 많은 유효 디지트들; 17보다 많은 유효 디지트들; 16보다 많은 유효 디지트들; 15보다 많은 유효 디지트들; 14보다 많은 유효 디지트들; 13보다 많은 유효 디지트들; 12보다 많은 유효 디지트들; 11보다 많은 유효 디지트들; 10보다 많은 유효 디지트들; 9보다 많은 유효 디지트들; 8보다 많은 유효 디지트들; 7보다 많은 유효 디지트들; 6보다 많은 유효 디지트들; 5보다 많은 유효 디지트들; 4보다 많은 유효 디지트들; 3보다 많은 유효 디지트들; 2보다 많은 유효 디지트들; 1보다 많은 유효 디지트들; 1 유효 디지트들로의 라운딩.The rounding operation of the filter coefficients may include one of the following: more than 20 significant digits; More than 19 significant digits; More than 18 valid digits; More than 17 significant digits; More than 16 significant digits; More than 15 significant digits; More than 14 significant digits; More than 13 significant digits; More than 12 significant digits; More than 11 significant digits; More than 10 significant digits; More than 9 significant digits; More than 8 significant digits; More than 7 significant digits; More than 6 significant digits; More than 5 significant digits; More than 4 significant digits; More than 3 significant digits; More than 2 significant digits; More than 1 significant digits; 1 rounding to significant digits.

필터 계수들의 트런케이팅 연산은 다음 중 하나를 포함할 수 있다: 20보다 많은 유효 디지트들; 19보다 많은 유효 디지트들; 18보다 많은 유효 디지트들; 17보다 많은 유효 디지트들; 16보다 많은 유효 디지트들; 15보다 많은 유효 디지트들; 14보다 많은 유효 디지트들; 13보다 많은 유효 디지트들; 12보다 많은 유효 디지트들; 11보다 많은 유효 디지트들; 10보다 많은 유효 디지트들; 9보다 많은 유효 디지트들; 8보다 많은 유효 디지트들; 7보다 많은 유효 디지트들; 6보다 많은 유효 디지트들; 5보다 많은 유효 디지트들; 4보다 많은 유효 디지트들; 3보다 많은 유효 디지트들; 2보다 많은 유효 디지트들; 1보다 많은 유효 디지트들; 1 유효 디지트들로의 트런케이팅.The truncating operation of the filter coefficients may include one of the following: more than 20 valid digits; More than 19 significant digits; More than 18 valid digits; More than 17 significant digits; More than 16 significant digits; More than 15 significant digits; More than 14 significant digits; More than 13 significant digits; More than 12 significant digits; More than 11 significant digits; More than 10 significant digits; More than 9 significant digits; More than 8 significant digits; More than 7 significant digits; More than 6 significant digits; More than 5 significant digits; More than 4 significant digits; More than 3 significant digits; More than 2 significant digits; More than 1 significant digits; 1 Truncating to valid digits.

필터 계수들의 스케일링 연산은 필터 계수들의 업-스케일링 및 다운-스케일링을 포함할 수 있다. 특히, 이는 필터 뱅크 채널들의 수 M만큼의 업 및/또는 다운-스케일링을 포함할 수 있다. 그와 같은 업- 및/또는 다운-스케일링은 필터 뱅크의 출력에서 입력 신호의 입력 에너지를 필터 뱅크로 유지하는데 이용될 수 있다.The scaling operation of the filter coefficients may include up-scaling and down-scaling of the filter coefficients. In particular, this may include up and / or down-scaling by the number M of filter bank channels. Such up- and / or down-scaling can be used to maintain the input energy of the input signal in the filter bank at the output of the filter bank.

서브샘플링 연산은 2보다 작거나 같은 팩터, 3보다 작거나 같은 팩터, 4보다 작거나 같은 팩터, 8보다 작거나 같은 팩터, 16보다 작거나 같은 팩터, 32보다 작거나 같은 팩터, 64보다 작거나 같은 팩터, 128보다 작거나 같은 팩터, 256보다 작거나 같은 팩터에 의한 서브샘플링을 포함할 수 있다. 서브샘플링 연산은 서브샘플링된 필터 계수들을 인접한 필터 계수의 평균 값으로 결정하는 것을 추가로 포함할 수 있다. 특히, R의 인접한 필터 계수들의 평균 값은 서브샘플링된 필터 계수들로 결정될 수 있고, 여기서 R은 서브샘플링 팩터이다.The subsampling operation is a factor less than or equal to 2, a factor less than or equal to 3, a factor less than or equal to 4, a factor less than or equal to 8, a factor less than or equal to 16, a factor less than or equal to 32, a factor less than or equal to 64 Subsampling by the same factor, a factor less than or equal to 128, and a factor less than or equal to 256. The subsampling operation may further include determining the subsampled filter coefficients as an average value of adjacent filter coefficients. In particular, the average value of adjacent filter coefficients of R may be determined as subsampled filter coefficients, where R is a subsampling factor.

오버샘플링 연산은 2보다 작거나 같은 팩터, 3보다 작거나 같은 팩터, 4보다 작거나 같은 팩터, 5보다 작거나 같은 팩터, 6보다 작거나 같은 팩터, 7보다 작거나 같은 팩터, 8보다 작거나 같은 팩터, 9보다 작거나 같은 팩터, 10보다 작거나 같은 팩터에 의한 오버샘플링을 포함할 수 있다. 오버샘플링 연산은 2개의 인접한 필터 계수들 간의 보간으로 오버샘플링된 필터 계수들의 결정을 추가로 포함할 수 있다. The oversampling operation is a factor less than or equal to 2, a factor less than or equal to 3, a factor less than or equal to 4, a factor less than or equal to 5, a factor less than or equal to 6, a factor less than or equal to 7, a factor less than or equal to 8 It may include oversampling by the same factor, a factor less than or equal to 9, and a factor less than or equal to 10. The oversampling operation may further include the determination of the oversampled filter coefficients by interpolation between two adjacent filter coefficients.

추가 양태에 따르면, M개의 필터들을 포함하는 필터 뱅크가 기술된다. 이 필터 뱅크의 필터들은 본 문서에서 기술된 비대칭 프로토타입 필터들 및/또는 본 문서에서 개설된 방법들을 통해 결정되는 비대칭 프로토타입 필터들에 기초한다. 특히, M개의 필터들은 프로토타입 필터의 변조된 버전일 수 있고 변조는 코사인 변조, 사인 변조, 및/또는 복소 지수 변조일 수 있다.According to a further aspect, a filter bank comprising M filters is described. The filters in this filter bank are based on the asymmetric prototype filters described in this document and / or the asymmetric prototype filters determined through the methods outlined in this document. In particular, the M filters may be a modulated version of the prototype filter and the modulation may be cosine modulation, sine modulation, and / or complex exponential modulation.

다른 양태에 따르면, 서브대역 신호들의 변경들로부터 발생하는 에일리어싱에 대한 저 민감도를 갖는 축약된 서브대역 신호들을 생성하기 위한 방법이 기술된다. 상기 방법은 본 문서에서 개설되는 방법들에 따라 분석/합성 필터 뱅크의 분석 필터들을 결정하는 단계; 상기 분석 필터들을 통해 실수 값의 시간 도메인 신호를 필터링하여, 복소 값의 서브대역 신호들을 획득하는 단계; 및 상기 서브대역 신호들을 축약하는 단계를 포함한다. 더욱이, 서브대역 신호들의 변경들로부터 발생하는 에일리어싱에 대한 저 민감도를 갖는 복수의 복소 값의 서브대역 신호들로부터 실수 값의 출력 신호를 생성하기 위한 방법이 기술된다. 상기 방법은 본 문서에서 개설된 방법들에 다른 분석/합성 필터 뱅크의 합성 필터들을 결정하는 단계; 상기 복수의 복소 값의 서브대역 신호들을 보간하는 단계; 상기 합성 필터들을 통해 상기 복수의 보간된 서브대역 신호들을 필터링하는 단계; 복소 값의 시간 도메인 출력 신호를 상기 필터링하는 단계로부터 획득되는 신호들의 합으로 생성하는 단계; 및 복소 값의 시간 도메인 출력 신호의 실수부를 실수 값의 출력 신호로 취하는 단계를 포함한다.According to another aspect, a method for generating abbreviated subband signals with low sensitivity to aliasing resulting from changes in subband signals is described. The method includes determining analysis filters of an analysis / synthesis filter bank according to the methods outlined herein; Filtering a real valued time domain signal through the analysis filters to obtain complex valued subband signals; And shortening the subband signals. Moreover, a method for generating a real valued output signal from a plurality of complex valued subband signals with low sensitivity to aliasing resulting from changes in subband signals is described. The method includes determining synthesis filters of an analysis / synthesis filter bank that are different from the methods outlined herein; Interpolating the plurality of complex valued subband signals; Filtering the plurality of interpolated subband signals through the synthesis filters; Generating a complex valued time domain output signal as the sum of the signals obtained from said filtering; And taking the real part of the complex valued time domain output signal as the real valued output signal.

다른 양태에서, 시간 도메인 입력 신호로부터 서브대역 신호들을 생성하도록 동작하는 시스템이 기술되고, 여기서 상기 시스템은 본 문서에서 개설된 방법들에 따라 생성되었고/되었거나 본 문서에서 개설된 프로토타입 필터들에 기초한 분석 필터 뱅크를 포함한다.In another aspect, a system is described that operates to generate subband signals from a time domain input signal, wherein the system is generated in accordance with the methods outlined herein and / or based on prototype filters outlined herein. Include an analysis filter bank.

본 특허 출원에서 개설되는 바와 같이 자체의 바람직간 실시예들을 포함하는 방법들 및 시스템들의 양태들은 단독으로 또는 본 문서에 개시된 방법들 및 시스템들의 다른 양태들과 결합하여 이용될 수 있음이 주목되어야 한다. 더욱이, 본 특허 출원에서 개설되는 방법들 및 시스템들의 모든 양태들은 임의로 결합될 수 있다. 특히 청구항들의 특징들은 임의의 방식으로 서로 결합될 수 있다.It should be noted that aspects of methods and systems including their own preferred embodiments as outlined in this patent application may be used alone or in combination with other aspects of the methods and systems disclosed herein. . Moreover, all aspects of the methods and systems outlined in this patent application may be arbitrarily combined. In particular, the features of the claims may be combined with one another in any way.

도 1은 디지털 필터 뱅크의 분석 및 합성 섹션들을 도시한 도면.
도 2는 코사인 변조된, 즉 실수 값의 필터 뱅크에서 서브대역 샘플들을 변경할 때의 역효과를 도시하기 위해 필터들의 세트에 대한 정형화된 주파수 응답들을 도시한 도면.
도 3은 최적화 절차의 예의 흐름도를 도시한 도면.
도 4는 64 채널들 및 총 319 샘플들의 시스템 지연을 갖는 저 지연 변조 필터 뱅크에 대한 최적화된 프로토타입 필터의 시간 도메인 플롯 및 주파수 응답을 도시한 도면.
도 5는 저 지연 복소 지수 변조 필터 뱅크 시스템의 분석 및 합성부들의 예를 도시한 도면.
1 shows the analysis and synthesis sections of a digital filter bank.
FIG. 2 shows normalized frequency responses for a set of filters to illustrate the adverse effects of changing subband samples in a cosine modulated, ie, real-valued filter bank.
3 shows a flowchart of an example of an optimization procedure.
4 shows a time domain plot and frequency response of an optimized prototype filter for a bank of low delay modulation filter with 64 channels and a system delay of 319 samples in total.
5 shows an example of analysis and synthesis sections of a low delay complex exponential modulated filter bank system.

본 발명은 이제 첨부 도면들을 참조하여 범위를 제한하지 않는 설명 예들에 의해 기술될 것이다.The invention will now be described by means of illustrative examples which do not limit the scope with reference to the accompanying drawings.

본 내용들은 본 특허에서 명시적으로 언급되는 것과는 다른 디지털 뱅크들을 통합하는 구현예들의 범위에 적용 가능하다는 것이 이해되어야 한다. 특히 본 내용들은 프로토타입 필터에 기초하여 필터 뱅크를 설계하기 위한 다른 방법들에 적용 가능할 수 있다.It is to be understood that the disclosures are applicable to the scope of implementations incorporating other digital banks than those expressly mentioned in this patent. In particular, the disclosures may be applicable to other methods for designing a filter bank based on a prototype filter.

다음에, 분석/합성 필터 뱅크의 전체 전달 함수가 결정된다. 즉, 그와 같은 필터 뱅크 시스템을 통과하는 신호의 수학적 표현이 기술된다. 디지털 필터 뱅크는 M이 모여있는 것이고, M은 공통 입력 또는 공통 출력을 공유하는 둘 이상의 병렬 디지털 필터들이다. 그와 같은 필터 뱅크들에 대한 세부사항들을 위해서, 1993년 P.P. Vaidyanathan Prentice Hall: Englewood Cliffs, NJ에 의한 "Multirate Systems and Filter Banks"가 참조된다. 공통 입력을 공유할 때 필터 뱅크는 분석 뱅크로 불릴 수 있다. 분석 뱅크는 인입하는 신호를 서브대역 신호들로 칭해지는 M개의 개별 신호들로 분리한다. 분석 필터들은 Hk(z)로 표시되고, 여기서 k = 0,..,M-1이다. 필터 뱅크는 임계적으로 샘플링되거나 서브대역 신호들이 팩터(M)에 의해 축약될 때 최대로 축약된다. 그러므로, 모든 서브대역들에 걸친 시간 단위당 서브대역 샘플들의 총 수는 입력 신호에 대한 시간 단위당 샘플들의 수와 동일하다. 합성 뱅크는 이 서브대역 신호들을 공통 출력 신호들에 결합한다. 합성 필터들은 k = 0,...,M-1에 대해, Fk(z)로 표시된다.Next, the overall transfer function of the analysis / synthesis filter bank is determined. That is, a mathematical representation of the signal passing through such a filter bank system is described. A digital filter bank is a collection of Ms, where M are two or more parallel digital filters that share a common input or common output. For details on such filter banks, see 1993 "Multirate Systems and Filter Banks" by PP Vaidyanathan Prentice Hall: Englewood Cliffs, NJ. When sharing a common input, a filter bank can be called an analysis bank. The analysis bank separates the incoming signal into M separate signals called subband signals. Analytical filters are denoted by H k (z), where k = 0, .., M-1. The filter bank is truncated to the maximum when it is critically sampled or when the subband signals are abbreviated by the factor (M). Therefore, the total number of subband samples per time unit over all subbands is equal to the number of samples per time unit for the input signal. The synthesis bank combines these subband signals with common output signals. The synthesis filters are denoted F k (z), for k = 0, ..., M-1.

M개의 채널들을 갖는 최대로 축약되는 필터 뱅크가 도 1에 도시된다. 분석부(101)는 송신되거나, 저장되거나 변경될 신호들을 구성하는 서브대역 신호들(Vk(z))을 입력 신호(X(z))로부터 산출한다. 합성부(102)는 신호(Vk(z))를 출력 신호(

Figure 112019083423756-pat00010
)로 재합성한다.A maximally abbreviated filter bank with M channels is shown in FIG. 1. The analyzer 101 calculates, from the input signal X (z), subband signals V k (z) constituting the signals to be transmitted, stored or changed. The synthesis unit 102 outputs a signal V k (z) to an output signal (
Figure 112019083423756-pat00010
Resynthesize with).

원래의 신호(X(z))의 근사치(

Figure 112019083423756-pat00011
)를 획득하기 위한 Vk(z)의 재합성은 여러 잠재적인 에러들을 겪는다. 에러들은 완전한 복구 속성의 근사로 인한 것일 수 있고 서브대역들의 축약 및 보간에 의해 발생될 수 있는 에일리어싱으로 인한 비-선형 손상들을 포함한다. 완전 복구 속성의 근사들로 인한 다른 에러들은 위상 및 진폭 왜곡과 같은 선형 손상들로 인한 것일 수 있다.Approximation of the original signal (X (z))
Figure 112019083423756-pat00011
Resynthesis of V k (z) to obtain) suffers from several potential errors. Errors can be due to an approximation of the complete recovery attribute and include non-linear damages due to aliasing that can be caused by shortening and interpolation of subbands. Other errors due to approximations of the full recovery attribute may be due to linear impairments such as phase and amplitude distortion.

도 1의 표기에 따라, 분석 필터들 Hk(z)(103)의 출력은According to the notation of FIG. 1, the output of the analysis filters H k (z) 103 is

Figure 112019083423756-pat00012
Figure 112019083423756-pat00012

이고, 여기서 k = 0,...,M-1이다. 또한 다운-샘플링 유닛으로 칭해지는 데시메이터(decimator)들(104)은 출력들Where k = 0, ..., M-1. Decimators 104, also referred to as down-sampling unit, are outputs.

Figure 112019083423756-pat00013
Figure 112019083423756-pat00013

을 제공하고, 여기서 W = e-i2π/M이다. 또한 업-샘플링 유닛들로 칭해지는 보간기들(105)의 출력은, Where W = e -i2π / M. The output of interpolators 105, also called up-sampling units,

Figure 112019083423756-pat00014
Figure 112019083423756-pat00014

에 의해 제공되고,Provided by

합성 필터들(106)로부터 획득되는 신호들의 합은The sum of the signals obtained from the synthesis filters 106 is

Figure 112019083423756-pat00015
Figure 112019083423756-pat00015

로 기록될 수 있고, 여기서Can be written as

Figure 112019083423756-pat00016
Figure 112019083423756-pat00016

는 l번째 에일리어싱 항 X(zWl)에 대한 이득이다. 식 (4)는

Figure 112019083423756-pat00017
가 변조된 입력 신호(X(zWl)) 및 대응하는 에일리어스 이득 항(Al(z))의 적(product)으로 구성되는 M개의 성분들의 합임을 나타낸다. 식 (4)는Is the gain for the l-th aliasing term X (zW l ). Equation (4) is
Figure 112019083423756-pat00017
Denotes the sum of M components consisting of the product of the modulated input signal X (zW 1 ) and the corresponding alias gain term A 1 (z). Equation (4) is

Figure 112019083423756-pat00018
Figure 112019083423756-pat00018

으로 재기록될 수 있다.Can be rewritten.

우측부(right hand side: RHS)의 마지막의 합은 모든 원하지 않는 에일리어스 항들의 합을 구성한다. Hk(z) 및 Fk(z)의 적절한 선택들을 통해 이 합을 영이 되도록 하는 모든 에일리어스의 소거는The last sum of the right hand side (RHS) constitutes the sum of all unwanted alias terms. Elimination of all aliases that make this sum to zero through the appropriate choices of H k (z) and F k (z)

Figure 112019083423756-pat00019
Figure 112019083423756-pat00019

를 제공하고Providing

여기서here

Figure 112019083423756-pat00020
Figure 112019083423756-pat00020

은 전체 전달 함수 또는 왜곡 함수이다. 식 (8)은 Hk(z) 및 Fk(z)에 따라, T(z)가 위상 왜곡 및 진폭 왜곡 이 둘 모두로부터 자유롭다는 것을 나타낸다. 전체 전달 함수는 이 경우에 단순히 일정한 스케일 팩터(c)를 갖는 D 샘플들의 지연, 즉Is the entire transfer function or the distortion function. Equation (8) shows that, according to H k (z) and F k (z), T (z) is free from both phase distortion and amplitude distortion. The overall transfer function is in this case simply the delay of the D samples with a constant scale factor c, i.e.

Figure 112019083423756-pat00021
Figure 112019083423756-pat00021

일 것이고, 이는 식 (7)로 대체되어,Will be replaced by equation (7),

Figure 112019083423756-pat00022
Figure 112019083423756-pat00022

를 제공한다.To provide.

식 (10)을 만족하는 필터들의 유형은 완전 재복구(perfect reconstruction: PR) 속성을 갖는다고 한다. 식 (10)이 근사적으로 만족되더라도 완전하게 만족되지 않는 경우, 필터들은 근사의 완전 재구성 필터들의 클래스에 속한다.The types of filters that satisfy equation (10) are said to have perfect reconstruction (PR) properties. If equation (10) is approximately satisfied but not completely satisfied, the filters belong to the class of approximate fully reconstructed filters.

다음에, 프로토타입 필터로부터 분석 및 합성 필터 뱅크들을 설계하기 위한 방법이 기술된다. 그 결과에 따른 필터 뱅크들은 코사인 변조 필터 뱅크들로 칭해진다. 코사인 변조 필터 뱅크들에 대한 종래의 이론에서, 분석 필터들 hk(n) 및 합성 필터들 fk(n)은 대칭 저역 통과 프로토타입 필터 p0(n)의 코사인 변조 버전, 즉 각각Next, a method for designing analysis and synthesis filter banks from a prototype filter is described. The resulting filter banks are called cosine modulated filter banks. In the conventional theory of cosine modulated filter banks, the analysis filters h k (n) and the synthesis filters f k (n) are cosine modulated versions of the symmetric low pass prototype filter p 0 (n), ie respectively.

Figure 112019083423756-pat00023
Figure 112019083423756-pat00023

Figure 112019083423756-pat00024
Figure 112019083423756-pat00024

이고, 여기서 M은 필터 뱅크의 채널들의 수이고 N은 프로토타입 필터 차수이다.Where M is the number of channels in the filter bank and N is the prototype filter order.

상기 코사인 변조 분석 필터 뱅크는 실수 값의 입력 신호들에 대한 실수 값의 서브대역 샘플들을 생성한다. 서브대역 샘플들은 팩터(M)에 의해 다운 샘플링되어, 시스템이 임계적으로 샘플링되도록 한다. 프로토타입 필터의 선택에 따라, 필터 뱅크는 근사의 완전 재구성 시스템, 즉 예를 들어 US5436940에 기술되는 소위 의사 QMF 뱅크 또는 완전 재구성(PR) 시스템을 구성한다. PR 시스템의 예는 1990년 IEEE Trans ASSP, vol.38, no.6에서의 H.S.Malvar의 "Lapped Transforms for Efficient Transform/Subband Coding"에 더욱 상세하게 기술된 변조 중복 변환(modulated lapped transform: MLT)이다. 종래의 코사인 변조 필터 뱅크에 대한 전체 지연, 또는 시스템 지연은 N이다.The cosine modulation analysis filter bank produces real valued subband samples for real valued input signals. Subband samples are down sampled by factor M, allowing the system to be sampled critically. Depending on the choice of the prototype filter, the filter bank constitutes an approximate complete reconstruction system, ie a so-called pseudo QMF bank or a full reconstruction (PR) system described, for example, in US5436940. An example of a PR system is a modulated lapped transform (MLT) described in more detail in HSMalvar's "Lapped Transforms for Efficient Transform / Subband Coding" in IEEE Trans ASSP, vol. 38, no.6, 1990. . The total delay, or system delay, for a conventional cosine modulated filter bank is N.

더 낮은 시스템 지연들을 갖는 필터 뱅크 시스템들을 획득하기 위해, 본 문서는 종래의 필터 뱅크들에서 이용되는 대칭 프로토타입 필터들을 비대칭 프로토타입 필터들로 대체할 것을 교시한다. 종래의 기술에서, 비대칭 프로토타입 필터들의 설계는 완전 재구성(PR) 속성을 갖는 시스템들로 제한되었다. 그와 같이 비대칭 프로토타입 필터들을 이용하는 완전 재구성 시스템은 EP0874458에 기술된다. 그러나, 완전 재구성 제한은 프로토타입 필터를 설계할 때의 제한된 자유도로 인해, 예를 들어 이퀄라이제이션 시스템에서 이용되는 필터 뱅크에 한계들을 부과한다. 대칭 프로토타입 필터들은 선형 위상을 갖는, 즉, 이들은 모든 주파수들에 걸쳐 일정한 그룹 지연을 갖는 것이 주목되어야 한다. 한편, 비대칭 필터들은 전형적으로 비선형 위상을 갖는, 즉 이들은 주파수에 따라 변할 수 있는 그룹 지연을 갖는다.In order to obtain filter bank systems with lower system delays, this document teaches the replacement of symmetric prototype filters used in conventional filter banks with asymmetric prototype filters. In the prior art, the design of asymmetric prototype filters has been limited to systems with perfect reconstruction (PR) properties. A full reconstruction system using such asymmetric prototype filters is described in EP0874458. However, the full reconstruction limit imposes limits on the filter banks used in the equalization system, for example, due to the limited degree of freedom in designing the prototype filter. It should be noted that symmetric prototype filters have a linear phase, that is, they have a constant group delay over all frequencies. Asymmetric filters, on the other hand, typically have a nonlinear phase, ie they have a group delay that can vary with frequency.

비대칭 프로토타입 필터들을 이용하는 필터 뱅크 시스템들에서, 분석 및 합성 필터들은 각각In filter bank systems using asymmetric prototype filters, the analysis and synthesis filters are respectively

Figure 112019083423756-pat00025
Figure 112019083423756-pat00025

Figure 112019083423756-pat00026
Figure 112019083423756-pat00026

로 기록될 수 있고, 여기서

Figure 112019083423756-pat00027
Figure 112019083423756-pat00028
는 각각 길이들(Nh 및 Nf)의 분석 및 합성 프로토타입 필터들이고, D는 필터 뱅크 시스템의 총 지연이다. 범위를 제한하지 않고, 다음에서 연구되는 변조 필터 뱅크들은 분석 및 합성 프로토타입들이 동일한 시스템들, 즉Can be written as
Figure 112019083423756-pat00027
And
Figure 112019083423756-pat00028
Are the analysis and synthesis prototype filters of lengths N h and N f , respectively, and D is the total delay of the filter bank system. Without limiting the scope, the modulation filter banks studied in the following are systems where the analytical and synthesis prototypes are identical, namely

Figure 112019083423756-pat00029
Figure 112019083423756-pat00029

이고, 여기서 N은 프로토타입 필터(p0(n))의 길이이다.Where N is the length of the prototype filter p 0 (n).

그러나, 본 문서에서 개설되는 필터 설계 방식들을 이용할 때, 상이한 분석 및 합성 프로토타입 필터들을 이용하는 필터 뱅크들이 결정될 수 있음이 주목되어야 한다.However, it should be noted that when using the filter design approaches outlined in this document, filter banks using different analysis and synthesis prototype filters may be determined.

코사인 변조의 내재하는 속성은 모든 필터가 두 통과대역들; 양의 주파수 범위 내의 하나의 통과 대역 및 음의 주파수 범위 내의 대응하는 통과 대역을 갖는다는 것이다. 소위 주, 또는 유효, 에일리어스 항들은 양의 통과 대역들의 주파수 변조 버전들을 갖는 필터의 음의 통과 대역들 사이, 아니면 상반되게, 음의 통과 대역들의 주파수 변조 버전들을 갖는 필터의 양의 통과 대역들 사이에서 주파수가 중첩됨으로서 발생하는 것이 검증될 수 있다. 식 (13) 및 식 (14)에서의 마지막 항, 즉 항들

Figure 112019083423756-pat00030
은 코사인 변조 필터 뱅크들에서의 주 에일리어싱 항들의 소거를 제공하도록 선택된다. 그럼에도 불구하고, 서브대역 샘플들을 변경하면, 주 에일리어스 항들의 소거가 되지 않음으로써, 주 에일리어스 항들로부터 에일리어싱의 강한 영향력이 발생하게 된다. 그러므로 서브대역 샘플들로부터의 이 주 에일리어스 항들을 완전하게 제거하는 것이 바람직하다.An inherent property of cosine modulation is that every filter has two passbands; One pass band in the positive frequency range and the corresponding pass band in the negative frequency range. The so-called major, or effective, alias terms are between the negative pass bands of the filter with frequency modulated versions of the positive pass bands, or vice versa, the positive pass band of the filter with frequency modulated versions of the negative pass bands. What happens as the frequency overlaps between them can be verified. Last term in equations (13) and (14), ie terms
Figure 112019083423756-pat00030
Is selected to provide cancellation of the main aliasing terms in the cosine modulated filter banks. Nevertheless, changing the subband samples does not cancel the primary alias terms, resulting in a strong influence of aliasing from the primary alias terms. Therefore, it is desirable to completely remove this main alias term from the subband samples.

주 에일리어싱 항들의 제거는 복소 지수 변조로의 코사인 변조의 확장에 기초하고 있는 소위 복소 지수 변조 필터 뱅크들의 이용에 의해 달성될 수 있다. 그와 같은 확장은 이전과 동일한 표시를 이용하여 분석 필터들(hk(n))을Elimination of the main aliasing terms can be achieved by the use of so-called complex exponential modulation filter banks based on the extension of cosine modulation to complex exponential modulation. Such an extension uses the same notation as before to analyze the analysis filters h k (n).

Figure 112019083423756-pat00031
Figure 112019083423756-pat00031

로 산출한다. 이는 허수부를 실수 값의 필터 뱅크에 추가하는 것으로 고려될 수 있고, 여기서 허수부는 동일한 프로토타입 필터의 사인 변조 버전들로 구성된다. 실수 값의 입력 신호를 고려하면, 필터 뱅크로부터의 출력은 서브대역 신호들의 세트로 해석될 수 있고, 여기서 실수부 및 허수부는 서로에 대한 Hilbert 변환들이다. 그러므로 그 결과에 따른 서브대역들은 코사인 변조 필터 뱅크로부터 획득되는 실수 값의 출력의 분석 신호들이다. 그러므로, 복소 값의 표현으로 인해, 서브대역 신호들은 팩터 2에 의해 오버샘플링된다.Calculate This can be thought of as adding an imaginary part to a real valued filter bank, where the imaginary part consists of sine modulated versions of the same prototype filter. Considering a real valued input signal, the output from the filter bank can be interpreted as a set of subband signals, where the real and imaginary parts are Hilbert transforms for each other. The resulting subbands are therefore analysis signals of the real valued output obtained from the cosine modulated filter bank. Therefore, due to the representation of the complex value, the subband signals are oversampled by factor two.

합성 필터들은 동일한 방식으로Synthetic filters work the same way

Figure 112019083423756-pat00032
Figure 112019083423756-pat00032

로 확장된다.Is extended to.

식 (16) 및 식 (17)은 합성 뱅크로부터의 출력이 복소 값화되는 것을 의미한다. Ca가 식 (13)으로부터의 코사인 변조 분석 필터들을 갖는 행렬이고 Sa가 동일한 인수의 사인 변조를 갖는 행렬인 행렬 표기를 이용하면, 식 (16)의 필터들은 Ca + jSa로 획득된다. 이 행렬들에서, k는 행 지수(row index)이고 n은 열 지수이다. 유사하게, 행렬 Cs는 식 (14)로부터의 합성 필터들을 갖고, Ss는 대응하는 사인 변조 버전이다. 그러므로 식 (17)은 Cs + jSs로 기록될 수 있고, 여기서 k는 행 지수이고 n은 열 지수이다. 입력 신호를 x로 표시하면, 출력 신호 yEquations (16) and (17) mean that the output from the synthesis bank is complex valued. Using matrix notation where Ca is a matrix with cosine modulation analysis filters from equation (13) and Sa is a matrix with sine modulation of the same factor, the filters of equation (16) are obtained with Ca + j Sa. In these matrices, k is a row index and n is a column index. Similarly, matrix Cs has synthesis filters from equation (14), and Ss is the corresponding sine modulation version. Equation (17) can therefore be written as Cs + j Ss , where k is the row index and n is the column index. If we mark the input signal as x , the output signal y is

Figure 112019083423756-pat00033
Figure 112019083423756-pat00033

로부터 확인된다.Is confirmed.

식 (18)로부터 확인되는 바와 같이, 실수부는 2개의 항을 포함한다; 코사인 변조 필터 뱅크로부터의 출력 및 사인 변조 필터 뱅크로부터의 출력. 코사인 변조 필터 뱅크가 PR 속성을 갖는다면, 부호의 변화를 갖는 그 사인 변조 버전은, 또한 PR 시스템들을 구성한는 것이 용이하게 검증된다. 그러므로, 출력의 실수부를 취함으로써, 복소 지수 변조 시스템은 대응하는 코사인 변조 버전과 동일한 재구성 정확성을 제공한다. 즉, 실수 값의 입력 신호를 이용하면, 복소 지수 변조 시스템의 출력 신호는 출력 신호의 실수부를 취함으로써 결정될 수 있다.As confirmed from equation (18), the real part comprises two terms; Output from cosine modulated filter bank and output from sine modulated filter bank. If the cosine modulation filter bank has a PR attribute, its sine modulation version with a change in sign is also easily verified to constitute PR systems. Therefore, by taking the real part of the output, the complex exponential modulation system provides the same reconstruction accuracy as the corresponding cosine modulation version. That is, using a real valued input signal, the output signal of the complex exponential modulation system can be determined by taking the real part of the output signal.

복소 지수 변조 시스템은 또한 복소 값의 입력 신호들을 처리하도록 확장될 수 있다. 채널들의 수를 2M으로 확장함으로써, 즉, 음의 주파수들을 위해 필터들을 추가함으로써, 그리고 출력 신호의 허수부를 유지함으로써, 복소 값의 신호들에 대한 의사 QMF 또는 PR 시스템이 획득된다.The complex exponential modulation system can also be extended to process complex valued input signals. By extending the number of channels to 2M, ie by adding filters for negative frequencies, and by maintaining the imaginary part of the output signal, a pseudo QMF or PR system for complex valued signals is obtained.

복소 지수 변조 필터 뱅크가 단지 양의 주파수 범위 내의 모든 필터에 대해서만 하나의 통과 대역을 갖는 것이 주목되어야 한다. 그러므로, 이는 주 에일리어싱 항들로부터 자유롭다. 주 에일리어싱 항들의 부재는 코사인(또는 사인) 변조 필터 뱅크로부터 에일리어싱 소거 제한이 복소 지수 변조 버전에서 더 이상 쓸모없도록 한다. 그러므로 분석 및 합성 필터들은It should be noted that the complex exponential modulated filter bank has only one pass band for all filters within the positive frequency range. Therefore, it is free from the main aliasing terms. The absence of primary aliasing terms causes the aliasing cancellation limit from the cosine (or sine) modulation filter bank to be obsolete in the complex exponential modulation version. Therefore, analysis and synthesis filters

Figure 112019083423756-pat00034
Figure 112019083423756-pat00034

And

Figure 112019083423756-pat00035
Figure 112019083423756-pat00035

으로 제공될 수 있고, 여기서 A는 임의의(가능하면 0) 상수이고, 이전과 같이, M은 채널들의 수이고, N은 프로토타입 필터 길이이고, D는 시스템 지연이다. A의 상이한 값들을 이용함으로써, 분석 및 합성 필터 뱅크들의 더욱 효율적인 구현예들, 즉 복잡도가 감소된 구현예들이 달성될 수 있다.Where A is any (possibly zero) constant, as before, M is the number of channels, N is the prototype filter length, and D is the system delay. By using different values of A, more efficient implementations of the analysis and synthesis filter banks, i.e., implementations with reduced complexity, can be achieved.

프로토타입 필터들의 최적화를 위한 방법을 제공하기 전에, 필터 뱅크들의 설계에 대한 개시된 방법들이 요약된다. 대칭 또는 비대칭 프로토타입 필터들에 기초하여, 필터 뱅크들은 예를 들어 코사인 함수 또는 복소 지수 함수를 이용하는 프로토타입 필터들을 변조함으로써 생성될 수 있다. 분석 및 합성 필터 뱅크들에 대한 프로토타입 필터들은 상이하거나 아니면 동일할 수 있다. 복소 지수 변조를 이용할 때, 필터 뱅크들의 주 에일리어싱 항들은 쓸모없게 되고 제거될 수 있으므로, 이에 의해 결과적인 필터 뱅크들의 서브대역 신호들의 변경들에 대한 에일리어싱 민감도가 감소한다. 더욱이, 비대칭 프로토타입 필터들을 이용할 때 필터 뱅크들의 전체 시스템 지연이 감소할 수 있다. 복소 지수 변조 필터 뱅크들을 이용할 때, 실수 값의 입력 신호로부터의 출력 신호가 필터 뱅크의 복소 출력 신호의 실수부를 취함으로써 결정되는 것이 또한 확인되었다.Before providing a method for optimization of prototype filters, the disclosed methods for the design of filter banks are summarized. Based on symmetric or asymmetric prototype filters, filter banks may be generated by modulating prototype filters using, for example, a cosine function or a complex exponential function. Prototype filters for the analysis and synthesis filter banks may be different or the same. When using complex exponential modulation, the main aliasing terms of the filter banks can be obsolete and eliminated, thereby reducing the aliasing sensitivity to changes in the subband signals of the resulting filter banks. Moreover, the overall system delay of the filter banks can be reduced when using asymmetric prototype filters. When using complex exponential modulated filter banks, it has also been confirmed that the output signal from the real valued input signal is determined by taking the real part of the complex output signal of the filter bank.

다음에 프로토타입 필터들의 최적화를 위한 방법이 상세하게 기술된다. 필요에 따라, 최적화는 완전 재구성의 정도를 증가시키는, 즉 에일리어스 및 진폭 왜곡의 결합을 감소시키고, 에일리어싱에 대한 민감도를 감소시키고, 시스템 지연을 감소시키고, 위상 왜곡을 감소시키고, 그리고/또는 진폭 왜곡을 감소시키는 것을 대상으로 한다. 프로토타입 필터(p0(n))를 최적화하기 위해서 에일리어스 이득 항들에 대한 제 1 식이 결정된다. 다음에서, 복소 지수 변조 필터 뱅크에 대한 에일리어스 이득 항들이 도출된다. 그러나, 개설된 에일리어싱 항들은 또한 코사인 변조(실수 값의) 필터 뱅크에 대해 유효함이 주목되어야 한다.Next, a method for optimizing prototype filters is described in detail. If desired, the optimization increases the degree of full reconstruction, i.e. reduces the combination of aliasing and amplitude distortion, reduces sensitivity to aliasing, reduces system delay, reduces phase distortion, and / or It is aimed at reducing amplitude distortion. A first equation for the alias gain terms is determined to optimize the prototype filter p 0 (n). In the following, the alias gain terms for the complex exponential modulated filter bank are derived. However, it should be noted that the opened aliasing terms are also valid for the cosine modulated (real value) filter bank.

식 (4)를 참조하면, 출력 신호

Figure 112019083423756-pat00036
의 실수부의 z-변환은Referring to equation (4), the output signal
Figure 112019083423756-pat00036
The z-transformation of the real part of

Figure 112019083423756-pat00037
Figure 112019083423756-pat00037

기호

Figure 112019083423756-pat00038
는 복소 공액 시퀀스
Figure 112019083423756-pat00039
의 z-변환이다. 식 (4)으로부터, 출력 신호의 실수부의 변환은sign
Figure 112019083423756-pat00038
Complex conjugate sequence
Figure 112019083423756-pat00039
Z-transformation. From equation (4), the conversion of the real part of the output signal is

Figure 112019083423756-pat00040
Figure 112019083423756-pat00040

이고, 여기서 입력 신호 x(n)는 실수 값, 즉 X*(zWl) = X(zW-l)이 이용되었다. 식 (22)는 재배열 후에Where the input signal x (n) is a real value, that is, X * (zW l ) = X (zW −l ). (22) after rearrangement

Figure 112019083423756-pat00041
Figure 112019083423756-pat00041

로 기록될 수 있고, 여기서 Can be written as

Figure 112019083423756-pat00042
Figure 112019083423756-pat00042

는 최적화에 이용되는 에일리어스 이득 항들이다. 식 (24)로부터Are alias gain terms used for optimization. From equation (24)

Figure 112019083423756-pat00043
Figure 112019083423756-pat00043

이 관찰될 수 있다.This can be observed.

특히, 실수 값의 시스템에 대해In particular, for systems of real values

Figure 112019083423756-pat00044
Figure 112019083423756-pat00044

이고, 이는 식 (24)를Which is equal to (24)

Figure 112019083423756-pat00045
Figure 112019083423756-pat00045

로 간소화한다.To simplify.

식 (23)을 검토하고 식 (21)의 변환을 상기함으로써, a0(n)의 실수부가 PR 시스템에 대한 Dirac 펄스이어야만 한다는, 즉,

Figure 112019083423756-pat00046
Figure 112019083423756-pat00047
형태임이 확인될 수 있다. 더욱이, aM/2(n)의 실수부는 영이어야, 즉
Figure 112019083423756-pat00048
이 영이어야 하고, l ≠ 0, M/2에 대한 에일리어스 이득들이By reviewing equation (23) and recalling the transformation of equation (21), the real part of a 0 (n) must be a Dirac pulse for the PR system, i.e.
Figure 112019083423756-pat00046
this
Figure 112019083423756-pat00047
Form can be confirmed. Moreover, the real part of a M / 2 (n) must be zero, ie
Figure 112019083423756-pat00048
Must be zero, and the alias gains for l ≠ 0, M / 2

Figure 112019083423756-pat00049
Figure 112019083423756-pat00049

를 만족시켜야 하고 이는 실수 값의 시스템에 대해, 유념하고 있는 식 (26)에 있어서, 모든 al(n)(l=1...M-1)이 영이어야만 한다는 것을 의미한다. 의사 QMF 시스템들에서, 식 (28)은 단지 근사적으로 참이다. 더욱이, a0(n)의 실수부가 정확하게 Dirac-펄스인 것은 아니며, 또한 aM/2(n)의 실수부가 정확하게 영인 것은 아니다.For a real-valued system, this means that in equation (26), all a l (n) (l = 1 ... M-1) must be zero. In pseudo QMF systems, equation (28) is only approximately true. Moreover, the real part of a 0 (n) is not exactly Dirac-pulse and also the real part of a M / 2 (n) is not exactly zero.

프로토타입 필터들의 최적화에 대한 추가의 세부사항들로 들어가기 전에, 에일리어싱에 대한 서브대역 샘플들의 변경들의 영향력이 조사된다. 이미 상술한 바와 같이, 코사인 변조 필터 뱅크에서 채널들의 이득들을 변경하면 즉 분석/합성 시스템을 이퀄라이저로 이용하면 주 에일리어스 항들로 인해 심하게 왜곡이 된다. 이론 상, 주 에일리어싱 항들은 쌍을 이루는 방식으로 서로를 소거한다. 그러나, 주 에일리어싱 항 소거의 이론은 상이한 서브대역 채널들에 상이한 이득들이 적용될 때, 맞지 않는다. 그러므로, 출력 신호에서의 에일리어싱은 중요할 수 있다. 이를 보여주기 위해, 채널(p) 및 더 높은 채널이 영 이득으로 설정되는 필터 뱅크, 즉Before entering further details on the optimization of prototype filters, the impact of changes in subband samples on aliasing is investigated. As already mentioned above, changing the gains of the channels in the cosine modulated filter bank, i.e. using the analysis / synthesis system as an equalizer, results in severe distortion due to the main alias terms. In theory, the main aliasing terms cancel each other out in a paired manner. However, the theory of main aliasing term cancellation is not correct when different gains are applied to different subband channels. Therefore, aliasing in the output signal can be important. To illustrate this, the filter bank, i.e., where channel p and the higher channel are set to zero gain, i.e.

Figure 112019083423756-pat00050
Figure 112019083423756-pat00050

를 고려하자.Let's consider.

관심있는 분석 및 합성 필터들의 정형화된 주파수 응답들이 도 2에 도시된다. 도 2(a)는 참조 부호들(201 및 202)에 의해 강조되는 합성 채널 필터들(Fp-1(z) 및 Fp(z))을 각각 도시한다. 이미 상술한 바와 같이, 각각의 채널에 대한 코사인 변조로 인해 하나의 양의 주파수 필터 및 하나의 음의 주파수 필터가 생성된다. 즉, 양의 주파수 필터(201 및 202)는 각각 대응하는 음의 주파수 필터들(203 및 204)를 갖는다.The formalized frequency responses of the analytical and synthesis filters of interest are shown in FIG. 2. 2 (a) shows the composite channel filters F p-1 (z) and F p (z), respectively, highlighted by reference numerals 201 and 202. As already mentioned above, the cosine modulation for each channel produces one positive frequency filter and one negative frequency filter. That is, positive frequency filters 201 and 202 have corresponding negative frequency filters 203 and 204, respectively.

분석 필터(Hp-1(z))의 p번째 변조, 즉 참조 부호들(211 및 213)에 의해 표시되는 Hp-1(zWp)는 참조 부호들(201 및 203)에 의해 표시되는 합성 필터(Fp-1(z))와 함께 도 2(b)에 도시된다. 이 도면에서, 참조 부호(211)는 원래의 양의 주파수 필터(Hp-1(z))의 변조된 버전을 나타내고 참조 부호(213)는 원래의 음의 주파수 필터(Hp-1(z))의 변조된 버전을 나타낸다. 차수(p)의 변조로 인해, 음의 주파수 필터(213)는 양의 주파수 에어리어(area)로 이동되고 따라서 양의 합성 필터(201)와 중첩된다. 필터들의 음영의 중첩부(220)는 주 에일리어싱 항의 에너지를 도시한다.The p- th modulation of the analysis filter H p-1 (z), i.e., H p-1 (zW p ) indicated by the reference signs 211 and 213 is indicated by the reference signs 201 and 203. It is shown in Fig. 2 (b) with the synthesis filter F p-1 (z). In this figure, reference numeral 211 denotes a modulated version of the original positive frequency filter H p-1 (z) and reference numeral 213 denotes the original negative frequency filter H p-1 (z Indicates a modulated version of)). Due to the modulation of order p, negative frequency filter 213 is moved to a positive frequency area and thus overlaps with positive synthesis filter 201. The overlay 220 of shades of filters shows the energy of the main aliasing term.

도 2(c)에서 Hp(z)의 p번째 변조, 즉 참조 부호들(212 및 214)에 의해 표시되는 Hp(zWp)는 참조 번호들(202 및 204)인 대응하는 합성 필터(Fp(z))와 함께 도시된다. 다시 음의 주파수 필터(214)는 차수(p)의 변조로 인해 양의 주파수 에어리어로 이동된다. 음영 에어리어(221)는 다시 도면에서 주 에일리어스 항의 에너지를 도시하고 소거되지 않을 것이므로 전형적으로 현저한 에일리어스를 발생시킬 것이다. 에일리어싱을 소거하기 위해, 항은 도 2(b)의 필터들(Hp-1(zWp)(213) 및 Fp-1(z)(201))의 교차점으로부터 획득되는 에일리어싱의 극성 역전 카피(polarity reversed copy), 즉 음영의 에어리어(220)의 극성 역전 카피이어야 한다. 이득들이 변하지 않은 코사인 변조 필터 뱅크에서, 이 주 에일리어싱 항들은 통상적으로 서로를 완전하게 소거할 것이다. 그러나, 이 예에서, 분석(또는 합성) 필터(p)의 이득은 영이고, 따라서 필터들(p-1)에 의해 유도되는 에일리어싱은 출력 신호에서 소거되지 않은 채 남을 것이다. 동일하게 강한 에일리어싱 잔류는 음의 주파수 범위에서 또한 나타날 것이다.In FIG. 2 (c), the p-th modulation of H p (z), i.e., H p (zW p ), denoted by reference signs 212 and 214, is the corresponding synthesis filter ( F p (z)) is shown. Again the negative frequency filter 214 is moved to the positive frequency area due to the modulation of order p. The shaded area 221 again shows the energy of the main alias term in the figure and will typically generate significant aliasing since it will not be erased. To eliminate aliasing, the term is a polarity inversion copy of aliasing obtained from the intersection of the filters H p-1 (zW p ) 213 and F p-1 (z) 201 of FIG. 2 (b). (polarity reversed copy), ie, a polarity reverse copy of the shaded area 220. In a cosine modulated filter bank where the gains do not change, this main aliasing terms will typically completely cancel each other out. However, in this example, the gain of the analysis (or synthesis) filter p is zero, so the aliasing induced by the filters p-1 will remain unerased in the output signal. Equally strong aliasing residuals will also appear in the negative frequency range.

복소 지수 변조 필터 뱅크들을 이용할 때, 복소 값의 변조는 결과적으로 양의 주파수 필터들만을 발생시킨다. 결과적으로, 주 에일리어싱 항들은 사라지는, 즉 변조 분석 필터들(Hp(zWp))과 이들의 대응하는 합성 필터들(Fp(z)) 사이에 유효한 중첩이 존재하지 않고 에일리어싱은 이퀄라이저들과 같은 그러한 필터 뱅크 시스템들을 이용할 때 현저하게 감소할 수 있다. 그 결과에 따른 에일리어싱은 다만 나머지 에일리어싱 항들의 억제의 정도에 좌우된다.When using complex exponential modulation filter banks, the modulation of the complex value results in only positive frequency filters. As a result, the main aliasing terms disappear, i.e. there is no valid overlap between the modulation analysis filters H p (zW p ) and their corresponding synthesis filters F p (z) and aliasing is equal to the equalizers. This can be significantly reduced when using such filter bank systems. The resulting aliasing depends only on the degree of suppression of the remaining aliasing terms.

그러므로, 심지어 복소 지수 변조 필터 뱅크들을 이용할 때, 주 에일리어싱 항들이 그와 같은 필터 뱅크들에 대해 제거되지 않았을지라도, 에일리어스 이득 항들의 최대 억제를 위한 프로토타입 필터를 설계하는 것이 중요하다. 나머지 에일리어싱 항들이 주 에일리어싱 항들보다 덜 중요할지라도, 이것들은 여전히 프로세싱된 신호에 아티팩트들을 발생시키는 에일리어스를 생성할 수 있다. 그러므로, 그와 같은 프로토타입 필터의 설계는 바람직하게도 합성 목적 함수를 최소화함으로써 달성될 수 있다. 이 목적을 위해, 다양한 최적화 알고리즘이 이용될 수 있다. 예들은 예를 들어 선형 프로그래밍 방법들, Downhill Simplex Method 또는 무구속(non-constained) 기울기 기반 방법 또는 다른 비선형 최적화 알고리즘들이다. 예시적인 실시예에서 프로토타입 필터의 초기 해법이 선택된다. 합성 목적 함수를 이용하면, 합성 목적 함수의 최대 기울기를 제공하는, 프로토타입 필터 계수들을 변경하기 위한 방향이 결정된다. 그리고나서 필터 계수들은 특정 단계 길이를 이용하여 변경되고 반복 절차는 합성 목적 함수의 최소값이 획득될 때까지 되풀이된다. 그와 같은 최적화 알고리즘들에 대한 추가적인 세부사항들을 위해, 본원에 참조로서 통합되어 있는, 1992년 NY의 Cambridge University Press에서의 W.H. Press, S.A.Teukolsky, W.T.Vetterling, B.P.Flannery의 "Numerical Recipes in C, The Art of Scientific Computing, Second Edition"이 참조된다.Therefore, even when using complex exponential modulated filter banks, it is important to design a prototype filter for maximum suppression of alias gain terms, even though the main aliasing terms have not been removed for such filter banks. Although the remaining aliasing terms are of less importance than the main aliasing terms, they can still generate aliases that cause artifacts in the processed signal. Therefore, the design of such a prototype filter can preferably be achieved by minimizing the synthesis objective function. For this purpose, various optimization algorithms can be used. Examples are for example linear programming methods, Downhill Simplex Method or non-constained gradient based method or other nonlinear optimization algorithms. In an exemplary embodiment, an initial solution of the prototype filter is selected. Using the synthesis objective function, a direction for changing prototype filter coefficients is determined, which provides the maximum slope of the synthesis objective function. The filter coefficients are then changed using a particular step length and the iterative procedure is repeated until the minimum value of the synthesis objective function is obtained. For further details on such optimization algorithms, see W.H. at Cambridge University Press, 1992 NY, which is incorporated herein by reference. See, "Numerical Recipes in C, The Art of Scientific Computing, Second Edition" by Press, S.A.Teukolsky, W.T.Vetterling, B.P.Flannery.

프로토타입 필터의 개선된 에일리어싱 항 최소화(improved alias term minimization: IATM)를 위해, 바람직한 목적 함수는For improved alias term minimization (IATM) of the prototype filter, the preferred objective function is

Figure 112019083423756-pat00051
Figure 112019083423756-pat00051

로 표시되고, 여기서 총 에러(etot(α))는 전달 함수 에러(et) 및 에일리어싱 에러(ea)의 가중 합이다. 단위 원에서, 즉 z=e에 대해 추정되는 식 (23)의 우측(RHS)에서의 첫번째 항은 전달 함수의 에러 에너지(et)의 측정치를Where the total error e tot (α) is the weighted sum of the transfer function error e t and the aliasing error e a . The first term in the unit circle, ie on the right side (RHS) of equation (23) estimated for z = e , is a measure of the error energy (e t ) of the transfer function.

Figure 112019083423756-pat00052
Figure 112019083423756-pat00052

로 제공하도록 이용될 수 있고,Can be used to provide

여기서, P(ω)는 통과 대역 및 정지 대역 범위들을 규정하는 대칭 실수 값의 함수이고, D는 총 시스템 지연이다. 즉, P(ω)는 희망하는 전달 함수를 기술한다. 가장 일반적인 경우에서, 그와 같은 전달 함수는 주파수(ω)의 함수인 크기를 포함한다. 실수 값의 시스템에 대해서 식 (31)은Where P ([omega]) is a function of the symmetric real value that defines the pass band and stop band ranges, and D is the total system delay. That is, P (ω) describes the desired transfer function. In the most common case, such a transfer function includes a magnitude that is a function of frequency ω. For a system of real values, equation (31)

Figure 112019083423756-pat00053
Figure 112019083423756-pat00053

로 간소화된다.To be simplified.

타깃 함수(P(ω)) 및 타깃 지연(D)은 최적화 절차에 대한 입력 파라미터들로 선택될 수 있다. 표현 P(ω)e-jwD는 타깃 전달 함수로 칭해질 수 있다.The target function P ([omega]) and the target delay D may be selected as input parameters for the optimization procedure. The expression P (ω) e -jwD can be referred to as a target transfer function.

총 에일리어싱의 에너지의 측정치(ea)는 단위 원에서, 식 (23)의 우측에서의 에일리어싱 항들, 즉 식 (23)의 두번째 항의 합을 평가함으로써A measure of the energy of total aliasing e a is determined by evaluating the sum of the aliasing terms on the right side of equation (23), ie the second term of equation (23), in the unit circle.

Figure 112019083423756-pat00054
Figure 112019083423756-pat00054

와 같이 계산될 수 있다.It can be calculated as

실수 값의 시스템들에 대해, 이는For real valued systems, this is

Figure 112019083423756-pat00055
Figure 112019083423756-pat00055

로 변환된다.Is converted to.

전체적으로, 프로토타입 필터(p0(n))를 결정하기 위한 최적화 절차는 식 (30)의 에러의 최소화에 기초할 수 있다. 파라미터(α)는 전달 함수 및 프로토타입 필터의 에일리어싱에 대한 민감도 사이에서 강조점을 분배하는데 이용될 수 있다. 파라미터(α)를 1로 증가시키는 것이 전달 함수 에러(et)를 더 강조하고, 파라미터(α)를 0으로 감소시키는 것은 에일리어싱 에러(ea)를 더욱 강조할 것이다. 파라미터들(P(ω) 및 D)은 프로토타입 필터(p0(n))의 타깃 전달 함수를 설정, 즉 통과 대역 및 정지 대역 작동을 규정하고 전체 시스템 지연을 규정하는데 이용될 수 있다.Overall, the optimization procedure for determining the prototype filter p 0 (n) may be based on minimizing the error of equation (30). The parameter α can be used to distribute the emphasis between the transfer function and the sensitivity to aliasing of the prototype filter. Increasing the parameter α to 1 further accentuates the transfer function error e t , and decreasing the parameter α to 0 will further emphasize the aliasing error e a . The parameters P (ω) and D can be used to set the target transfer function of the prototype filter p 0 (n), i.e. specify the passband and stopband operation and define the overall system delay.

예에 따르면, 다수의 필터 뱅크 채널들(k)은 영으로 설정될 수 있고, 예를 들어 필터 뱅크 채널들의 상위 절반에는 영 이득이 제공된다. 결과적으로, 필터 뱅크는 많은 양의 에일리어싱을 생성하도록 트리거(trigger)된다. 이 에일리어싱은 후속해서 최적화 프로세스에 의해 최소화될 것이다. 즉, 특정한 수의 필터 뱅크 채널들을 영으로 설정함으로써, 최적화 절차 동안 에일리어싱이 최소화될 수 있는 에일리어싱 에러(ea)를 생성하기 위해서, 에일리어싱이 유도될 수 있다. 더욱이, 최적화 프로세스의 계산의 복잡도는 필터 뱅크 채널들을 영으로 설정함으로써 감소될 수 있다.According to an example, the plurality of filter bank channels k may be set to zero, for example the zero gain is provided in the upper half of the filter bank channels. As a result, the filter bank is triggered to generate a large amount of aliasing. This aliasing will subsequently be minimized by the optimization process. That is, by setting a certain number of filter bank channels to zero, aliasing can be derived to produce an aliasing error e a , in which aliasing can be minimized during the optimization procedure. Moreover, the complexity of the calculation of the optimization process can be reduced by setting the filter bank channels to zero.

예에 따르면, 프로토타입 필터는 복소 값의 버전을 직접적으로 최적화하는 것보다 더 적절할 수 있는 실수 값의, 즉 코사인 변조 필터 뱅크에 대해 최적화된다. 이는 실수 값의 프로세싱이 복소 값 프로세싱보다 더 큰 범위로 훨씬 벗어난 에일리어싱 감쇠를 우선화하기 때문이다. 그러나, 상술한 바와 같이 에일리어싱을 트리거할 때, 이 경우 유도된 에일리어싱의 주요 부분은 전형적으로 주 에일리어싱 항들을 지니는 항들로부터 기원할 것이다. According to an example, the prototype filter is optimized for a real value, ie, cosine modulated filter bank, which may be more appropriate than directly optimizing the version of the complex value. This is because the processing of the real value prioritizes the aliasing attenuation far beyond the complex range. However, when triggering aliasing as described above, in this case the main part of the derived aliasing will typically originate from terms with main aliasing terms.

그러므로, 최적화 알고리즘은 결과적인 복소 지수 변조 시스템에서 내재하여 존재하지 않는 주 에일리어싱을 최소화하는데 자원들을 소비할 수 있다. 이를 경감시키기 위해서, 최적화는 부분적인 복소 시스템에서 행해질 수 있다; 주 에일리어싱으로부터 자유로운 에일리어싱 항들의 대해, 최적화는 실수 값의 필터 프로세싱을 이용하여 행해질 수 있다. 한편, 실수 값의 시스템에서 주 에일리어싱 항들을 지닐 에일리어싱 항들은 복소 값의 필터 프로세싱을 위해 변경될 것이다. 그와 같은 부분적인 복소 최적화를 통해서, 실수 값의 프로세싱을 이용하여 프로세싱을 실행하는 이점들이 달성될 수 있으면서도, 복소 변조 필터 뱅크 시스템에서 이용하기 위한 프로토타입 필터를 여전히 최적화한다.Therefore, the optimization algorithm may consume resources to minimize primary aliasing that is not inherent in the resulting complex exponential modulation system. To mitigate this, optimization can be done in a partial complex system; For aliasing terms free from main aliasing, the optimization can be done using filter processing of real values. On the other hand, the aliasing terms that will have the main aliasing terms in the real valued system will be changed for complex valued filter processing. Such partial complex optimization still optimizes the prototype filter for use in a complex modulation filter bank system, while the benefits of performing processing using real valued processing can be achieved.

필터 뱅크 채널들의 정확히 상위 절반이 영으로 설정되는 예시적인 최적화에서, 복소 값의 필터들로부터 계산되는 유일한 에일리어싱 항은 식 (33)의 항 l = M/2이다. 이 예에서, 식 (31)의 함수(P(ω))는 통과 대역을 구성하는 주파수 범위를 커버하도록, ε가 π/2에 비해 작을 때 범위가 -π/2 +ε로부터 π/2 -ε인 단위 크기 상수로서 선택될 수 있다. 통과 대역 외부에서, 함수(P(ω))는 영으로 규정되거나 규정되지 않은 채로 남을 수 있다. 후자의 경우, 전달 함수 식 (31)의 에러 에너지는 단지 -π/2 +ε 및 π/2 -ε 사이에서 구해진다. 대안으로 또는 바람직하게도, 통과 대역 에러(et)는 P(ω)가 일정한 채로 -π부터 π까지, 모든 채널들(k = 0,...,M-1)에 걸쳐 계산될 수 있고, 반면에 에일리어싱은 여전히 복수의 채널들이 상술한 바와 같이 영으로 설정된 채로 계산된다.In an exemplary optimization in which exactly the upper half of the filter bank channels are set to zero, the only aliasing term computed from complex valued filters is term l = M / 2 in equation (33). In this example, the function P (ω) in equation (31) covers the frequency range constituting the passband, so that when ε is small compared to π / 2, the range is from -π / 2 + ε to π / 2- It can be chosen as a unit size constant that is ε. Outside the pass band, the function P (ω) may be defined as zero or remain undefined. In the latter case, the error energy of the transfer function equation (31) is found only between -π / 2 + ε and π / 2 -ε. Alternatively or preferably, the passband error e t can be calculated over all channels k = 0, ..., M-1, from -π to π with P (ω) constant, Aliasing, on the other hand, is still calculated with a plurality of channels set to zero as described above.

전형적으로 최적화 절차는 반복 절차이고, 여기서 특정 반복 단계에서 제공되는 프로토타입 필터 계수들(p0(n))(n=0,...,N-1), 타깃 지연(D), 채널들의 수(M), 영으로 설정되는 저 대역 채널들의 수(loCut), 영으로 설정되는 고 대역 채널들의 수(hiCut), 및 이 반복 단계 동안 목적 함수에 대한 값인 가중 팩터(α)가 계산된다. 반 복소 연산들을 이용하면, 이는 단계들:Typically the optimization procedure is an iterative procedure where the prototype filter coefficients (p 0 (n)) (n = 0, ..., N-1), target delay (D), The number M, the number of low band channels set to zero (loCut), the number of high band channels set to zero (hiCut), and the weight factor α that is the value for the objective function during this iteration step are calculated. Using half complex operations, these steps are:

1. 통과 대역 에러(et)를 획득하기 위해, P(ω)가 상수일 때1. When P (ω) is a constant to obtain a passband error (e t )

Figure 112019083423756-pat00056
Figure 112019083423756-pat00056

를 이용하여 식 (32)를 구하고,Using Equation (32),

여기서 Hk(e) 및 Fk(e)는 식 (13) 내지 식 (15)로부터의 이 반복 단계에서 프로토타입 필터들로부터 각각 발생되는 분석 및 합성 필터들(hk(n) 및 fk(n))의 DFT 변환들이다.Where H k (e ) and F k (e ) are the analysis and synthesis filters (h k (n) and) generated from the prototype filters in this iteration step from equations (13) to (15), respectively; f k (n)).

2. 유효한 에일리어싱이 적용되지 않는 에일리어싱 항들에 대한 에일리어싱 에러(ea)를 획득하기 위해서2. to obtain an aliasing error e a for aliasing terms for which no valid aliasing is applied;

Figure 112019083423756-pat00057
Figure 112019083423756-pat00057

를 구하고, 여기서 Al(e)는, Where A l (e ) is

Figure 112019083423756-pat00058
Figure 112019083423756-pat00058

로 계산되고,Is calculated as

Hk(e) 및 Fk(e)는 DFT 변환들, 즉 식 (13) 내지 식 (15)로부터의 분석 및 합성 필터들(hk(n) 및 fk(n))의, 단위 원에서 구해지는 z-변환들이다.H k (e ) and F k (e ) are the DFT transforms, i.e., of the analysis and synthesis filters h k (n) and f k (n) from equations (13) to (15), Z-transformations from unit circles.

3. 유효한 에일리어싱이 적용되는 항들에 대해,3. For terms to which valid aliasing applies,

Figure 112019083423756-pat00059
Figure 112019083423756-pat00059

여기서

Figure 112019083423756-pat00060
은 식 (24)에 의해 제공되고, Al(e)로 식 (37)로 제공되고, Hk(e) 및 Fk(e)는 식 (19) 및 식 (20)으로부터의 hk(n) 및 fk(n)의 DFT 변환들이다.here
Figure 112019083423756-pat00060
Is given by equation (24), A l (e ) is given by equation (37), and H k (e ) and F k (e ) are obtained from equations (19) and (20) DFT transforms of h k (n) and f k (n).

4. 에러는 후속해서 α로4. The error subsequently goes to α

Figure 112019083423756-pat00061
Figure 112019083423756-pat00061

로 가중된다.Weighted to

상술한 비선형 최적화 알고리즘 중 어느 하나를 이용하면, 계수들의 최적화 세트가 획득될 때까지, 프로토타입 필터의 계수들을 변경함으로써 총 에러가 감소한다. 예를 들어, 에러 함수(etot)의 가장 큰 기울기의 방향은 제공된 반복 단계에서 프로토타입 필터 계수들에 대해 결정된다. 특정 단계 크기를 이용하여 프로토타입 필터 계수들은 가장 큰 기울기의 방향으로 변경된다. 변경된 프로토타입 필터 계수들은 후속 반복 단계에 대한 시작 지점으로 이용된다. 이 절차는 최적화 절차가 에러 함수(etot)의 최소 값으로 수렴할 때까지 반복된다.Using any of the nonlinear optimization algorithms described above, the total error is reduced by changing the coefficients of the prototype filter until an optimized set of coefficients is obtained. For example, the direction of the largest slope of the error function e tot is determined for prototype filter coefficients in a given iteration step. Using a specific step size, the prototype filter coefficients are changed in the direction of the largest slope. The modified prototype filter coefficients are used as the starting point for subsequent iteration steps. This procedure is repeated until the optimization procedure converges to the minimum value of the error function e tot .

최적화 절차의 예시적인 실시예가 도 3에서 흐름도(300)로 도시된다. 파라미터 결정 단계(301)에서 최적화 절차의 파라미터들, 즉, 특히 타깃 지연(D), 타깃 필터 뱅크의 채널들의 수(M), 프로토타입 필터의 계수들의 수(N), 목적 에러 함수의 가중 파라미터들(α)뿐만 아니라 에일리어싱 생성에 대한 파라미터들, 즉 (locut 및/또는 hiCut)에 대한 파라미터들을 포함하는 타깃 전달 함수가 규정된다. 초기화 단계(302)에서, 프로토타입 필터의 계수들의 제 1 세트가 선택된다.An exemplary embodiment of the optimization procedure is shown by flow diagram 300 in FIG. 3. In the parameter determination step 301 the parameters of the optimization procedure, in particular the target delay (D), the number of channels (M) of the target filter bank, the number of coefficients (N) of the prototype filter, the weighting parameter of the objective error function A target transfer function is defined that includes not only? But also parameters for aliasing generation, i.e., parameters for (locut and / or hiCut). In initialization step 302, a first set of coefficients of a prototype filter is selected.

통과 대역 에러 결정 유닛(303)에서, 통과 대역 에러 항(et)은 프로토타입 필터의 계수들의 제공된 세트를 이용하여 결정된다. 이는 식 (35) 및 식 (13) 내지 식 (15)와 결합하는 식 (32)를 이용하여 행해질 수 있다. 실수 값의 에일리어싱 에러 결정 유닛(304)에서, 에일리어싱 에러 항(ea)의 제 1 부분(eaReal)은 식 (13) 내지 식 (15)와 결합하는 식 (36) 및 식 (37)을 이용하여 결정될 수 있다. 더욱이, 복소 값의 에일리어싱 에러 결정 유닛(305)에서, 에일리어싱 에러 항(ea)의 제 2 부분(eaCplx)은 식 (19) 및 식 (20)과 결합하는 식 (38)을 이용하여 결정될 수 있다. 결과적으로, 목적 함수(etot)는 식 (29)를 이용하는 유닛들(303, 304, 305)의 결과들로부터 결정될 수 있다.In the pass band error determination unit 303, the pass band error term e t is determined using the provided set of coefficients of the prototype filter. This can be done using equations (35) and (32) in combination with equations (13) to (15). In the aliasing error determination unit 304 of the real value, the first portion e aReal of the aliasing error term e a is obtained by combining equations (36) and (37) which combine with equations (13) to (15). Can be determined using. Furthermore, in the complex valued aliasing error determination unit 305, the second portion e aCplx of the aliasing error term e a can be determined using equation (38) combining with equation (19) and equation (20). Can be. As a result, the objective function e tot can be determined from the results of the units 303, 304, 305 using equation (29).

비선형 최적화 유닛(306)은 목적 함수의 값을 감소시키기 위해 선형 프로그래밍과 같은 최적화 방법들을 이용한다. 예를 들어, 이는 프로토타입 필터의 계수들의 수정들에 관한 목적 함수의 가능한 최대 기울기를 결정함으로써 행해질 수 있다. 즉, 목적 함수의 가능한 최대 감소가 발생하는 프로토타입 필터의 계수들의 상기 변경들이 결정될 수 있다.Nonlinear optimization unit 306 uses optimization methods such as linear programming to reduce the value of the objective function. For example, this can be done by determining the maximum possible slope of the objective function with respect to modifications of the coefficients of the prototype filter. That is, the changes of the coefficients of the prototype filter in which the maximum possible reduction of the objective function occurs can be determined.

유닛(306)에서 결정되는 기울기가 미리 결정된 경계들 내에 남는 경우, 결정 유닛(307)은 목적 함수의 최소값에 도달되었고 단계(308)에서 최적화 절차를 종료할 것을 결정한다. 한편 기울기가 미리 결정된 값을 초과하면, 프로토타입 필터의 계수들은 업데이트 유닛(209)에서 업데이트된다. 계수들의 업데이트는 기울기에 의해 제공되는 방향으로 미리 결정된 단계에 의해 상기 계수들을 변경함으로써 실행될 수 있다. 결국, 프로토타입 필터의 업데이트된 계수들은 최적화 절차의 다른 반복을 위해 통과 대역 에러 결정 유닛(303)에 입력으로서 다시 삽입된다.If the slope determined at unit 306 remains within the predetermined boundaries, the determining unit 307 has reached the minimum value of the objective function and determines to end the optimization procedure at step 308. On the other hand, if the slope exceeds a predetermined value, the coefficients of the prototype filter are updated in the update unit 209. The updating of the coefficients can be carried out by changing the coefficients by predetermined steps in the direction provided by the slope. Eventually, the updated coefficients of the prototype filter are inserted again as input to the passband error determination unit 303 for another iteration of the optimization procedure.

전체적으로, 상기 에러 함수 및 적절한 최적화 알고리즘을 이용하여, 프로토타입 필터들의 완전한 재구성의 정도에 대해, 즉 낮은 위상 및/또는 진폭 왜곡, 서브대역 변경들에 의한 프로토타입 필터들의 에일리어싱 복원력, 프로토타입 필터들의 시스템 지연 및/또는 프로토타입 필터들의 전달 함수와 관련되는 낮은 에일리어싱에 대해 최적화되는 프로토타입 필터들이 결정될 수 있다. 설계 방법은 파라미터들, 특히 가중 파라미터(α), 타깃 지연(D), 타깃 전달 함수(P(ω)), 필터 길이(N), 필터 뱅크 채널들의 수(M)뿐만 아니라 에일리어싱 트리거 파라미터들(HiCut, loCut)를 제공하고, 이것들은 상술한 필터 속성들의 최적의 결합을 획득하도록 선택될 수 있다. 더욱이, 서브대역 채널들의 특정한 수의 영으로의 설정뿐만 아니라 부분 복소 프로세싱은 최적화 절차의 전체 복잡도를 감소시키는데 이용될 수 있다. 결과적으로, 복소 지수 변조 필터 뱅크에서 이용하기 위해 거의 완전한 재구성 속성, 에일리어싱에 대한 저 민감도, 및 저 시스템 지연을 갖는 비대칭 프로토타입 필터들이 결정될 수 있다. 프로토타입 필터의 상기 결정 방식은 복소 지수 변조 필터 뱅크의 상황에서 개설되었음이 주목되어야 한다. 다른 필터 뱅크 설계 방법들, 예를 들어 코사인 변조 또는 사인 변조 필터 뱅크 설계 방법들이 이용되면, 최적화 절차는 각각의 필터 뱅크 설계 방법의 설계 식들을 이용하여 분석 및 합성 필터들(hk(n) 및 fk(n))을 생성함으로써 적응될 수 있다. 예를 들어, 식 (13) 내지 식 (15)는 코사인 변조 필터 뱅크의 상황에서 이용될 수 있다.Overall, using the error function and an appropriate optimization algorithm, the degree of full reconstruction of prototype filters, ie low phase and / or amplitude distortion, aliasing resilience of prototype filters by subband changes, prototype filters Prototype filters can be determined that are optimized for low aliasing related to the system delay and / or transfer function of the prototype filters. The design method is not only parameters, in particular weighting parameter (α), target delay (D), target transfer function (P (ω)), filter length (N), number of filter bank channels (M), but also aliasing trigger parameters ( HiCut, loCut), which can be selected to obtain an optimal combination of the filter properties described above. Moreover, partial complex processing as well as setting a particular number of subband channels to zero can be used to reduce the overall complexity of the optimization procedure. As a result, asymmetric prototype filters with near complete reconstruction properties, low sensitivity to aliasing, and low system delay can be determined for use in the complex exponential modulation filter bank. It should be noted that the above decision method of the prototype filter was established in the context of a complex exponential modulated filter bank. If other filter bank design methods are used, for example cosine modulation or sine modulation filter bank design methods, the optimization procedure uses analysis and synthesis filters h k (n) and the design equations of the respective filter bank design method. f k (n)) can be adapted. For example, equations (13) to (15) can be used in the context of a cosine modulated filter bank.

다음에, 64 채널 저 지연 필터 뱅크의 세부적인 예가 기술된다. 제안된 상술한 최적화 방법을 이용하면, 최적화된 에일리어스 이득 항, 저 지연, 64-채널 필터 뱅크(M = 64)의 세부적인 예가 개설될 것이다. 이 예에서, 부분적인 복소 최적화 방법이 이용되었고 최상위 40 채널들이 프로토타입 필터 최적화 동안 영으로 설정, 즉 hicut = 40이고, 반면에 locut 파라미터는 이용되지 않고 남아 있었다. 그러므로, l = 24, 40인

Figure 112019083423756-pat00062
을 제외한 모든 에일리어스 이득 항들은 실수 값의 필터들을 이용하여 계산된다. 총 시스템 지연은 D = 319로 선택되고, 프로토타입 필터 길이는 N = 640이다. 그 결과에 따른 프로토타입 필터의 시간 도메인 플롯이 도 4(a)에 제공되고, 프로토타입 필터의 주파수 응답이 도 4(b)에 도시된다. 필터 뱅크는 -72dB의 통과 대역(진폭 및 위상) 재구성 에러를 제공한다. 선형 위상으로부터의 위상 편차는 ±0.02°보다 작고, 에일리어싱 억제는 서브대역 샘플들에 변경들이 행해지지 않을 때 76dB이다. 실제 필터 계수들은 표 1에 표식화된다. 계수들은 프로토타입 필터의 절대 스케일링에 따른 본 문서에서의 다른 식들에 대해 팩터 M = 64에 의해 스케일링된다.Next, a detailed example of the 64 channel low delay filter bank is described. Using the proposed optimization method described above, a detailed example of the optimized alias gain term, low delay, 64-channel filter bank (M = 64) will be outlined. In this example, a partial complex optimization method was used and the top 40 channels were set to zero during prototype filter optimization, ie hicut = 40, while the locut parameter remained unused. Therefore, l = 24, 40
Figure 112019083423756-pat00062
All alias gain terms except are computed using real-valued filters. The total system delay is chosen as D = 319 and the prototype filter length is N = 640. The resulting time domain plot of the prototype filter is provided in FIG. 4 (a) and the frequency response of the prototype filter is shown in FIG. 4 (b). The filter bank provides -72dB of passband (amplitude and phase) reconstruction error. The phase deviation from the linear phase is less than ± 0.02 ° and the aliasing suppression is 76 dB when no changes are made to the subband samples. Actual filter coefficients are labeled in Table 1. The coefficients are scaled by factor M = 64 for other equations in this document according to the absolute scaling of the prototype filter.

필터 뱅크의 설계의 상기 설명이 표준 필터 뱅크 표시법에 기초할지라도, 설계된 필터 뱅크를 동작하기 위한 예는 다른 필터 뱅크 기술들 또는 표기법, 예를 들어 디지털 신호 프로세서에 대해 더욱 효율적인 동작을 가능하게 하는 필터 뱅크 구현예들로 동작할 수 있다.Although the above description of the design of the filter bank is based on the standard filter bank notation, an example for operating the designed filter bank is a filter that enables more efficient operation for other filter bank techniques or notations, for example a digital signal processor. May operate in bank implementations.

예에서, 최적화 프로토타입 필터를 이용하여 시간 도메인 신호를 필터링하기 위한 단계들은 다음과 같이 기술될 수 있다:In an example, the steps for filtering the time domain signal using an optimized prototype filter can be described as follows:

· 필터 뱅크를 효율적인 방식으로 동작시키기 위해, 표 1로부터의 프로토타입 필터, 즉 p0(n)은 우선 다상 표현으로 배열되고, 다상 필터 계수들은 하나씩 걸러 니게이팅(negate)되고 모든 계수는In order to operate the filter bank in an efficient manner, the prototype filters from Table 1, p 0 (n), are first arranged in a polyphase representation, the polyphase filter coefficients are negated one by one and all coefficients are

Figure 112019083423756-pat00063
Figure 112019083423756-pat00063

로 시간에 따라 플립핑(flipping)된다Flip over time

· 분석 단계는 길이 128의 벡터 xl(n)을Analytical steps produce a vector x l (n) of length 128

Figure 112019083423756-pat00064
Figure 112019083423756-pat00064

로 산출하기 위해 시간 도메인 신호(x(n))에 적용되고 있는 필터의 다상 표현으로 시작한다Start with a polyphase representation of the filter being applied to the time domain signal x (n) to yield

· xl(n)은 후속해서X l (n) is subsequently

Figure 112019083423756-pat00065
Figure 112019083423756-pat00065

와 같이 변조 행렬에 의해 승산되고,Multiplied by a modulation matrix,

여기서 vk(n), k =0...63은 서브대역 신호들을 구성한다. 시간 지수(n)는 결과적으로 후속대역 샘플들에 제공된다.Where v k (n), k = 0 ... 63 constitute subband signals. The time index n is consequently provided for subsequent band samples.

· 그리고나서 복소 값의 서브대역 신호들은 예를 들어 일부 원하는, 가능하면 시변 및 복소 값의 이퀄라이제이션 곡선(gk(n))에 따라,The complex valued subband signals are then, for example, according to some desired, possibly time varying and complex valued equalization curve g k (n),

Figure 112019083423756-pat00066
Figure 112019083423756-pat00066

과 같이 변경될 수 있다Can be changed as

· 합성 단계는Synthesis step

Figure 112019083423756-pat00067
Figure 112019083423756-pat00067

와 같이 변경된 서브대역 신호들의 복조 단계로 시작한다Begin with the demodulation step of the changed subband signals as

식 (42) 및 식 (44)의 변조 단계들은 고속 푸리에 변환(fast Fourier transform : FFT) 커널(kernel)들을 이용하는 고속 알고리즘들로 계산에 매우 효율적인 방식으로 달성될 수 있다.The modulation steps of equations (42) and (44) can be accomplished in a very efficient manner with computations using fast algorithms using fast Fourier transform (FFT) kernels.

· 복조된 샘플들은 프로토타입 필터의 다상 표현으로 필터링되고 The demodulated samples are filtered with a polyphase representation of the prototype filter

Figure 112019083423756-pat00068
Figure 112019083423756-pat00068

에 따라 출력 시간 도메인 신호

Figure 112019083423756-pat00069
에 축적되고,According to output time domain signal
Figure 112019083423756-pat00069
Accumulate in the

여기서

Figure 112019083423756-pat00070
는 시작 시간에서 모든 n에 대해 0으로 설정된다.here
Figure 112019083423756-pat00070
Is set to zero for all n at start time.

부유 지점 및 고정 지점 구현예들 모두는 표 1에 제공된 계수들의 수치 정확성을 프로세싱에 더 적합한 어떤 것으로 변경할 수 있음이 주목되어야 한다. 범위를 제한하지 않고, 값들은 라운딩, 트런케이팅에 의해, 그리고/또는 계수들을 정수 또는 다른 표현들 특히 필터 뱅크가 동작할 하드웨어 및/또는 소프트웨어 플랫폼의 이용 가능한 자원들에 적합한 표현들로 스케일링함으로써 더 낮은 수치 정확성으로 양자화될 수 있다. It should be noted that both floating point and fixed point implementations can change the numerical accuracy of the coefficients provided in Table 1 to something more suitable for processing. Without limiting the range, the values may be rounded, truncated, and / or scaled coefficients to integers or other representations, in particular representations suitable for the available resources of the hardware and / or software platform on which the filter bank will operate. Can be quantized with lower numerical accuracy.

더욱이, 상기 예는 시간 도메인 출력 신호가 입력 신호와 동일한 샘플링 주파수로 이루어지는 동작을 개설한다. 다른 구현예들은 각각 분석 및 합성 필터 뱅크들의 상이한 크기들, 예를 들어 상이한 수의 채널들을 이용함으로써, 시간 도메인 신호를 재샘플링할 수 있다. 그러나, 필터 뱅크들은 동일한 프로토타입 필터에기초하고 축약 아니면 보간을 통한 원래의 프로토타입 필터의 재샘플링에 의해 획득된다. 예로서, 32 채널 필터 뱅크에 대한 프로토타입 필터는 계수들(p0(n))을Moreover, the above example outlines the operation in which the time domain output signal has the same sampling frequency as the input signal. Other implementations can resample the time domain signal by using different sizes of analysis and synthesis filter banks, for example, different numbers of channels. However, filter banks are based on the same prototype filter and are obtained by resampling the original prototype filter through abbreviation or interpolation. As an example, a prototype filter for a 32 channel filter bank may return coefficients p 0 (n).

Figure 112019083423756-pat00071
Figure 112019083423756-pat00071

로 재샘플링함으로써 달성된다.By resampling to.

그러므로 새로운 프로토타입 필터의 길이는 320이고 지연은

Figure 112019083423756-pat00072
이고, 여기서 연산자
Figure 112019083423756-pat00073
은 자체의 인수의 정수 부분을 리턴(return)시킨다.So the new prototype filter is 320 and the delay
Figure 112019083423756-pat00072
Where operator
Figure 112019083423756-pat00073
Returns the integer part of its argument.

Figure 112019083423756-pat00074
Figure 112019083423756-pat00074

Figure 112019083423756-pat00075
Figure 112019083423756-pat00075

Figure 112019083423756-pat00076
Figure 112019083423756-pat00076

Figure 112019083423756-pat00077
Figure 112019083423756-pat00077

Figure 112019083423756-pat00078
Figure 112019083423756-pat00078

다음에, 실제 구현예들의 상이한 양태들이 개설된다. 표준 PC 또는 DSP를 이용하면, 저 지연 복소 변조 필터 뱅크의 실시간 동작이 가능하다. 필터 뱅크는 또한 맞춤형 칩에 하드 코딩(hard coding)될 수 있다. 도 5(a)는 복소 지수 변조 필터 뱅크 시스템의 분석부의 효율적인 구현예에 대한 구조를 도시한다. 아날로그 입력 신호가 우선 A/D 변환기(501)에 공급된다. 디지털 시간 도메인 신호는 시간(502)에서 M 샘플들을 시프트하는 2M 샘플들을 지니는 시프트 레지스터(shift resistor)에 공급된다. 그리고나서 시프트 레지스터로부터의 신호들은 프로토타입 필터(503)의 다상 계수들을 통해 필터링된다. 필터링된 신호들은 후속해서 결합되고(504) DCT-IV(505) 및 DST-IV(506) 변환에 의해 동시에 변환된다. 코사인 및 사인 변환들로부터의 출력들은 서브대역 샘플들의 실수부 및 허수부를 각각 구성한다. 서브대역 샘플들의 이득들은 현재의 스펙트럼 포락선 조정기 세팅(507)에 따라 변경된다.Next, different aspects of the actual implementations are outlined. Using a standard PC or DSP, real-time operation of a low delay complex modulated filter bank is possible. The filter bank can also be hard coded on a custom chip. Fig. 5A shows the structure of an efficient implementation of the analysis part of the complex exponential modulation filter bank system. The analog input signal is first supplied to the A / D converter 501. The digital time domain signal is supplied to a shift resistor with 2M samples that shift M samples at time 502. The signals from the shift register are then filtered through the polyphase coefficients of the prototype filter 503. The filtered signals are subsequently combined 504 and converted simultaneously by the DCT-IV 505 and DST-IV 506 transforms. The outputs from the cosine and sine transforms constitute the real and imaginary parts of the subband samples, respectively. The gains of the subband samples are changed according to the current spectral envelope adjuster setting 507.

저 지연 복소 지수 변조 시스템의 합성부의 효율적인 구현예가 도 5(b)에 도시된다. 서브대역 샘플들은 우선 복소 값의 회전 팩터들, 즉 복소 값의 채널 의존 상수들(511)로 승산되고, 실수부는 DCT-IV(512) 변환에 의해 허수부는 DST-IV(513) 변환에 의해 변조된다. 변환들로부터의 출력들은 결합되고(514) 프로토타입 필터(515)의 다상 성분들을 통해 공급된다. 시간 도메인 출력 신호는 시프트 레지스터(516)로부터 획득된다. 최종적으로, 디지털 출력 신호는 아날로그 파형(517)으로 역으로 변환된다.An efficient implementation of the synthesis section of the low delay complex exponential modulation system is shown in FIG. 5 (b). The subband samples are first multiplied by complex rotational factors, i. do. The outputs from the transforms are combined 514 and fed through the polyphase components of the prototype filter 515. The time domain output signal is obtained from the shift register 516. Finally, the digital output signal is converted back to analog waveform 517.

상술한 구현예들이 DCT 및 DST 유형 IV 변환들을 이용할지라도, DCT 유형 II 및 III 커널들을 이용하는 구현예들(및 또한 DST 유형 II 및 III 기반 구현예들)이 마찬가지로 가능하다. 그러나, 복소 지수 변조 뱅크들에 대한 계산상 가장 효율적인 구현예들은 순 FFT 커널들을 이용한다. 직접 행렬-벡터 승산을 이용하는 구현예들 또한 가능하지만 효율 면에서 열등하다.Although the implementations described above use DCT and DST type IV transforms, implementations using DCT type II and III kernels (and also DST type II and III based implementations) are likewise possible. However, the computationally most efficient implementations for complex exponential modulation banks use pure FFT kernels. Implementations using direct matrix-vector multiplication are also possible but inferior in efficiency.

요약하면, 본 문서는 분석/합성 필터 뱅크들에서 이용되는 프로토타입 필터들을 위한 설계 및 방법을 기술한다. 프로토타입 필터들 및 그 결과에 따른 분석/합성 필터 뱅크들의 원하는 속성들은 거의 완전한 재구성, 저 지연, 에일리어싱에 대한 저 민감도 및 최소 진폭/위상 왜곡이다. 프로토타입 필터들의 적절한 계수를 결정하기 위해 최적화 알고리즘에서 이용될 수 있는 에러 함수가 제안된다. 에러 함수는 원하는 필터 속성들 사이에서의 강조점을 변경하도록 튜닝될 수 있는 파라미터들의 세트를 포함한다. 바람직하게도, 비대칭 프로토타입 필터들이 이용된다. 더욱이, 원하는 필터 속성들, 즉, 거의 완전한 재구성, 저 지연, 에일리어싱에 대한 고 복원력 및 최소 위상/진폭 왜곡의 양호한 절충을 제공하는 프로토타입 필터가 기술된다.In summary, this document describes a design and method for prototype filters used in analysis / synthesis filter banks. The desired properties of the prototype filters and the resulting analysis / synthesis filter banks are nearly complete reconstruction, low delay, low sensitivity to aliasing and minimum amplitude / phase distortion. An error function is proposed that can be used in the optimization algorithm to determine the proper coefficients of the prototype filters. The error function includes a set of parameters that can be tuned to change the emphasis between desired filter attributes. Preferably, asymmetric prototype filters are used. Moreover, a prototype filter is described that provides a good compromise of the desired filter properties, namely near complete reconstruction, low delay, high resilience to aliasing and minimum phase / amplitude distortion.

본원에서 특성 실시예들 및 응용예들이 기술되었을지라도, 당업자에게는 본원에서 기술된 실시예들 및 응용예들에 대한 많은 변경들이 본원에서 기술되고 청구되는 본 발명의 범위를 벗어나지 않고도 가능하다는 것이 명백할 것이다. 본 발명의 특정한 형태들이 도시되었고 기술되었을지라도, 본 발명은 도시되고 기술된 특정 실시예들 또는 기술된 특정 방법들로 제한되지 않아야 함이 이해되어야 한다.Although specific embodiments and applications have been described herein, it will be apparent to those skilled in the art that many changes to the embodiments and applications described herein are possible without departing from the scope of the invention described and claimed herein. will be. Although specific forms of the invention have been shown and described, it should be understood that the invention is not limited to the specific embodiments shown and described or the specific methods described.

본 문서에 기술되는 필터 뱅크뿐만 아니라 필터 설계 방법 및 시스템은 소프트웨어, 펌웨어 및/또는 하드웨어로 구현될 수 있다. 특정 구성요소들은 예를 들어 디지털 신호 프로세서 또는 마이크로프로세서에서 운용되는 소프트웨어로서 구현될 수 있다. 다른 구성요소는 예를 들어 하드웨어로서 또는 주문형 반도체로서 구현될 수 있다. 기술된 방법들 및 시스템들에서 접하는 신호들은 랜덤 액세스 메모리 또는 광 저장 매체와 같은 매체에 저장될 수 있다. 이들은 라디오 네트워크들, 위성 네트워크들, 무선네트워크들 또는 유선 네트워크들, 예를 들어 인터넷과 같은 네트워크들을 통해 전송된다. 본 문서에서 기술되는 필터 뱅크들을 이용하는 전형적인 디바이스들은 셋탑 박스 또는 오디오 신호들을 디코딩하는 다른 고객 구내 장비들이다. 인코딩하는 측에서, 필터 뱅크는 브로드캐스팅 스테이션(station)들에서, 예를 들어 비디오 헤드엔드(headend) 시스템들에서 이용될 수 있다.Filter design methods and systems as well as filter banks described in this document may be implemented in software, firmware and / or hardware. Certain components may be implemented, for example, as software running on a digital signal processor or microprocessor. Other components may be implemented, for example, as hardware or as a custom semiconductor. The signals encountered in the described methods and systems may be stored in a medium such as a random access memory or an optical storage medium. They are transmitted over radio networks, satellite networks, wireless networks or wired networks, for example the networks such as the Internet. Typical devices using the filter banks described in this document are set-top boxes or other customer premises equipment that decodes audio signals. On the encoding side, the filter bank can be used in broadcasting stations, for example in video headend systems.

101 : 분석 뱅크 102 : 합성 뱅크 103 : 분석 필터
104 : 데시메이터 105 : 보간기 106 : 합성 필터
101: analysis bank 102: synthesis bank 103: analysis filter
104: decimator 105: interpolator 106: synthesis filter

Claims (11)

오디오 신호를 필터링하기 위한 신호 처리 장치에 있어서,
변경된 복소 값의 서브대역 샘플들을 생성하는 고 주파수 재구성기 또는 파라메트릭 스테레오 프로세서;
상기 변경된 복소 값의 서브대역 샘플들의 위상을 일정 양만큼 언시프트(unshift)하는 위상 시프터; 및
상기 변경된 복소 값의 서브대역 샘플들을 수신하고 시간 도메인 출력 오디오 샘플들을 생성하는 합성 필터 뱅크를 포함하고,
상기 합성 필터 뱅크는:
Figure 112019083423756-pat00079
,
Figure 112019083423756-pat00080

에 따른 프로토타입 필터(p0(n))의 복소 지수 변조 버전들인 합성 필터들(fk(n))을 포함하고,
여기서 M은 채널들의 수이고, 상기 프로토타입 필터(p0(n))는 길이 N을 갖고, D는 시스템 지연이며,
상기 신호 처리 장치는, 적어도 부분적으로, 하나 이상의 하드웨어 소자들에 의해 구현되는, 신호 처리 장치.
In the signal processing apparatus for filtering an audio signal,
A high frequency reconstructor or parametric stereo processor that produces modified complex valued subband samples;
A phase shifter for unshifting the phase of the modified complex valued subband samples by a predetermined amount; And
A synthesis filter bank that receives the modified complex valued subband samples and generates time domain output audio samples;
The synthesis filter bank is:
Figure 112019083423756-pat00079
,
Figure 112019083423756-pat00080

Comprises synthesis filters f k (n) which are complex exponential modulated versions of the prototype filter p 0 (n) according to
Where M is the number of channels, the prototype filter p 0 (n) has a length N, D is the system delay,
The signal processing apparatus is implemented, at least in part, by one or more hardware elements.
제 1 항에 있어서,
상기 프로토타입 필터(p0(n))는 대칭 저역 통과 프로토타입 필터 또는 비대칭 저역 통과 프로토타입 필터인, 신호 처리 장치.
The method of claim 1,
The prototype filter (p 0 (n)) is a symmetric low pass prototype filter or an asymmetric low pass prototype filter.
제 1 항에 있어서,
상기 합성 필터 뱅크는 의사 QMF 뱅크인, 신호 처리 장치.
The method of claim 1,
And the synthesis filter bank is a pseudo QMF bank.
제 1 항에 있어서,
상기 프로토타입 필터(p0(n))의 차수는 상기 시스템 지연과 같은, 신호 처리 장치.
The method of claim 1,
And the order of the prototype filter (p 0 (n)) is equal to the system delay.
제 1 항에 있어서,
상기 고 주파수 재구성기는 SBR(Spectral Band Replication)을 수행하는, 신호 처리 장치.
The method of claim 1,
The high frequency reconstructor performs Spectral Band Replication (SBR).
제 1 항에 있어서,
상기 양의 값은 상기 장치 구현의 복잡도를 감소하도록 선택되는, 신호 처리 장치.
The method of claim 1,
And the positive value is selected to reduce the complexity of the device implementation.
제 1 항에 있어서,
상기 하나 이상의 하드웨어 소자들은 디지털 신호 프로세서, 마이크로프로세서, 또는 메모리를 포함하는, 신호 처리 장치.
The method of claim 1,
The one or more hardware elements include a digital signal processor, microprocessor, or memory.
제 1 항에 있어서,
상기 합성 필터 뱅크의 채널들의 수는 대응하는 분석 필터 뱅크의 채널들의 수와 다른, 신호 처리 장치.
The method of claim 1,
And the number of channels of the synthesis filter bank is different from the number of channels of the corresponding analysis filter bank.
제 8 항에 있어서,
상기 분석 필터 뱅크의 채널들의 수는 32이고 상기 합성 필터 뱅크의 채널들의 수는 64인, 신호 처리 장치.
The method of claim 8,
And the number of channels of the analysis filter bank is 32 and the number of channels of the synthesis filter bank is 64.
오디오 신호를 필터링하기 위한 신호 처리 장치에 의해 실행되는 방법에 있어서:
고 주파수 재구성 프로세스 또는 파라메트릭 스테레오 프로세스를 통해 변조된 복소 값의 서브대역 샘플들을 생성하는 단계;
상기 변경된 복소 값의 서브대역 샘플들의 위상을 일정 양만큼 언시프트하는 단계; 및
시간 도메인 출력 오디오 샘플들을 생성하기 위해 합성 필터 뱅크로 상기 변경된 복소 값의 서브대역 샘플들을 필터링하는 단계를 포함하고,
상기 합성 필터 뱅크는:
Figure 112019083423756-pat00081
,
Figure 112019083423756-pat00082

에 따른 프로토타입 필터(p0(n))의 복소 지수 변조 버전들인 합성 필터들(fk(n))을 포함하고,
여기서 M은 채널들의 수이고, 상기 프로토타입 필터(p0(n))는 길이 N을 갖고, D는 시스템 지연이며,
상기 신호 처리 장치는 하나 이상의 하드웨어 소자들을 포함하는, 오디오 신호를 필터링하기 위한 신호 처리 장치에 의해 실행되는 방법.
A method executed by a signal processing device for filtering an audio signal, the method comprising:
Generating modulated complex valued subband samples via a high frequency reconstruction process or a parametric stereo process;
Unshifting the phase of the modified complex valued subband samples by a predetermined amount; And
Filtering the modified complex valued subband samples with a synthesis filter bank to produce time domain output audio samples,
The synthesis filter bank is:
Figure 112019083423756-pat00081
,
Figure 112019083423756-pat00082

Comprises synthesis filters f k (n) which are complex exponential modulated versions of the prototype filter p 0 (n) according to
Where M is the number of channels, the prototype filter p 0 (n) has a length N, D is the system delay,
And the signal processing device comprises one or more hardware elements.
비일시적(non-transitory) 컴퓨터 판독가능 매체에 있어서,
프로세서에 의해 실행될 때, 제 10 항의 방법을 수행하는 명령들을 포함하는, 비일시적 컴퓨터 판독가능 매체.
A non-transitory computer readable medium,
A non-transitory computer readable medium comprising instructions that, when executed by a processor, perform the method of claim 10.
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