TW202101907A - 訊號處理裝置、訊號處理方法及非暫態電腦可讀取記錄媒體 - Google Patents

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Abstract

本發明實施例提出一種訊號處理裝置、訊號處理方法及非暫態電腦可讀取記錄媒體，其適用於有限脈衝濾波器。在此方法中，對輸入訊號取樣，以取得此輸入訊號的數個取樣值。自(2L+1)個濾波器係數中取得(N+L+1)個係數。L及N是正整數，且L大於N。依據這(N+L+1)個係數對該些取樣值運算以得出輸出訊號。藉此，在延遲長度為N個的情況下，輸出訊號在通帶內的能量可接近或等於輸入訊號的能量。

Description

訊號處理裝置、訊號處理方法及非暫態電腦可讀取記錄媒體
本發明是有關於一種有限脈衝響應(Finite Impulse Response，FIR)濾波技術，且特別是有關於一種應用有限脈衝響應濾波的訊號處理裝置、訊號處理方法及非暫態電腦可讀取記錄媒體。
在現有音訊處理技術中，將先在前端調整等化器(equalizer，EQ)以平衡雙聲道音場，再將調整好的訊號提供給音效處理技術(杜比(Dolby)或數位影音系統(Digital Theater System，DTS)使用。為了提供完整的訊號給音效處理技術來進行合適的調整，有限脈衝響應濾波器是經常被用來調整等化器的技術，從而達到穩定且不造成訊號扭曲的功效。
然而，使用有限脈衝響應濾波器恐會面臨某種特殊狀況，此狀況需要較高階數才能達到較理想效果。具有較銳利的頻率選擇能力的理想濾波器對訊號濾波後在通帶內的能量應該與輸入訊號維持不變，且通帶以外最好是沒有訊號且其能量應為負無窮大。在傳統的有限脈衝響應濾波器應用上，為了使通帶內的能量越大且通帶外的能量越小，結果通常會伴隨著較長時間延遲的問題。若影片的速度和聲音的延遲超過10毫秒(ms)，使用者很容易察覺聲音的延遲情況。此外，音效處理技術也需要5毫秒以上的延遲時間。由此可知，維持通帶內能量強度並能同時減少時間延遲是相關研究人員努力的目標之一。
本發明提供一種訊號處理裝置、訊號處理方法及非暫態電腦可讀取記錄媒體，其可在低延遲時間下維持通帶(pass band)內的訊號能量。
本發明實施例的訊號處理方法，其適用於有限脈衝響應(FIR)濾波器。此訊號處理方法包括下列步驟：對輸入訊號取樣，以取得此輸入訊號的數個取樣值。自(2L+1)個濾波器係數中取得(N+L+1)個係數。L及N是正整數，且L大於N。依據這(N+L+1)個係數對該些取樣值運算以得出輸出訊號。
本發明實施例的訊號處理裝置，其適用於有限脈衝響應(FIR)濾波器。此訊號處理裝置包括儲存器及處理器。儲存器用以儲存輸入訊號。處理器耦接儲存器，並經配置用以執行下列步驟：對輸入訊號取樣，以取得此輸入訊號的數個取樣值。自(2L+1)個濾波器係數中取得(N+L+1)個係數。L及N是正整數，且L大於N。依據這(N+L+1)個係數對該些取樣值運算以得出輸出訊號。
本發明實施例的非暫態電腦可讀取記錄媒體，其記錄電腦程式碼，並經由處理器載入以執行以下步驟：對輸入訊號取樣，以取得此輸入訊號的數個取樣值。自(2L+1)個濾波器係數中取得(N+L+1)個係數。L及N是正整數，且L大於N。依據這(N+L+1)個係數對該些取樣值運算以得出輸出訊號。
基於上述，本發明實施例的訊號處理裝置、訊號處理方法及非暫態電腦可讀取記錄媒體，對(2L+1)個濾波器係數中提取(L+N+1)個係數，以維持N點的遲延時間，並使通帶內的能量接近或等於輸入訊號的能量。例如，延遲時間為2.5毫秒左右，取樣頻率48千赫茲(KHz)換算為延遲120個取樣點，則本發明實施例仍可在通帶內維持較高的能量。
為讓本發明的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。
圖1是依據本發明一實施例的訊號處理裝置100的元件方塊圖。請參照圖1，訊號處理裝置100包括但不僅限於儲存器110及處理器130。訊號處理裝置100可以是電腦系統、音響系統、智慧喇叭、智慧電視、擴大器、等化器等裝置。
儲存器110可以是任何型態的固定或可移動隨機存取記憶體（Random Access Memory，RAM）、唯讀記憶體（Read-Only Memory，ROM）、快閃記憶體（Flash Memory）或類似元件或上述元件之組合的儲存器，儲存器110並用於儲存緩衝的或永久的資料、軟體模組、應用程式、輸入訊號、輸出訊號、濾波器係數等資料，且其詳細內容待後續實施例詳述。
處理器130與儲存器110耦接，處理器130並可以是中央處理單元(Central Processing Unit，CPU)，或是其他可程式化之一般用途或特殊用途的微處理器(Microprocessor)、數位信號處理器(Digital Signal Processor，DSP)、可程式化控制器、特殊應用積體電路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)或其他類似元件或上述元件的組合。在本發明實施例中，處理器130用以執行訊號處理算裝置100的所有作業，且可載入並執行儲存器110所記錄的各軟體模組、檔案及資料。在一實施例中，處理器130可執行有限脈衝響應濾波處理(透過軟體運行或設有濾波電路(例如，由數個加法器、位移器、及乘法器所組成的電路))。在另一實施例中，處理器130可能連接額外的有限脈衝響應濾波電路(例如，由數個加法器、位移器、及乘法器所組成的電路)，且處理器130用以決定濾波電路所用的係數及輸入訊號的取樣點。
為了方便理解本發明實施例的操作流程，以下將舉諸多實施例詳細說明本發明實施例中訊號處理裝置100的運作流程。下文中，將搭配訊號處理裝置100的各項元件及裝置說明本發明實施例所述之方法。本方法的各個流程可依照實施情形而隨之調整，且並不僅限於此。
圖2是依據本發明一實施例的訊號處理方法的流程圖。請參照圖2，處理器130自儲存器110取得輸入訊號，並對此輸入訊號取樣，以取得輸入訊號的數個取樣值(步驟S210)。在一實施例中，處理器130是在第n時間點對輸入訊號取得(N+L+1)個取樣點的取樣值。這些取樣點係對應於以第n時間點為基準的過去(N+L)個取樣時間點、及當前取樣時間點，且n、L及N是正整數。以數學形式表示這些取樣值：
Figure 02_image001
…(1)x [n ]是對應於第n時間點的當前取樣時間點對輸入訊號(假設為x (t )，t 為時間)取樣的取樣值，x [n -1]是對應於過去1個(即，前一個)取樣時間點對輸入訊號取樣的取樣值。依此類推，x [n -N -L ]是對應於過去第(N+L)個(即，與當前取樣時間點相距(N+L)個取樣時間點)取樣時間點對輸入訊號取樣的取樣值，且(N+L+1)個取樣值可形成輸入訊號的向量
Figure 02_image003
。需說明的是，L及N的決定將於後續實施例說明。此外，輸入訊號可能是音源訊號、影像訊號或其他類型的訊號。
接著，處理器130自(2L+1)個濾波器係數中取得(N+L+1)個係數(步驟S230)。具體而言，在傳統有限脈衝響應濾波技術中，雖然增加取樣點數可使通帶內的訊號能量維持，但卻有較長的時間延遲問題。另一方面，若欲減少時間延遲，傳統有限脈衝響應濾波技術卻無法將通帶內的訊號能量維持。
舉例而言，在第n時間點對輸入訊號(假設為
Figure 02_image005
(t )，t 為時間)取得2N+1的取樣點，其數學形式表示為：
Figure 02_image007
…(2) 針對濾波器的頻率，以第N取樣點為中心，取得對稱於中心兩邊共2N+1個濾波器係數，其數學形式表示為：
Figure 02_image009
…(3) 對向量
Figure 02_image011
及
Figure 02_image013
進行內積運算(即，透過濾波器係數對輸入訊號濾波或是基於濾波器係數的加權運算)，則可得出延遲N個取樣點的輸入訊號y 1 [n -N ]。
圖3是使用傳統有限脈衝響應濾波器的取樣點-能量圖。假設將一個能量為-6分貝(dB)且頻率是從1000赫茲(Hz)到3000Hz的掃頻訊號(即，輸入訊號)，經過通帶945Hz~1190Hz的傳統有限脈衝濾波濾波器(設定其截止頻率1190Hz大約在40000的取樣點位置(取樣點40000以下為通帶))。請參照圖3上圖，假設延遲長度N為480(相關於延遲時間)，且總取樣總數為961個點(即，8N+1)，則通帶內的能量接近原訊號並為-6.19dB。過度頻帶較短(大約在40000-67000取樣點位置)，過度頻帶能量為-16dB，且止帶(stopband)(67000以上)能量為-65 dB。
請參照圖3下圖，假設為延遲長度N為120，且總取樣總數為241個點(即，2N+1)，則通帶內的能量只有-10.17dB。過度頻帶較長(大約在40000-130000取樣點位置)，且過度頻帶能量為-21dB，代表鄰近的濾波器彼此干擾很嚴重。為了方便比較，過度頻帶可被區分為兩部分，第一部分是取樣點介於40000-67000且其能量為-14 dB，第二部分是取樣點介於67000-130000且其能量為-28 dB。此外，止帶(取樣點130000以上)的能量為-65 dB。
為了維持延遲長度為N的取樣點，且將主頻帶部分修正的較為理想(例如，總取樣點為8N+1、更多或更少)，本發明實施例提出以下的改良。在步驟S210中，處理器130設定延長取樣點L例如為7N(L之值大於N)，且L之值是依據濾波後的輸出訊號的預期能量所決定。例如，處理器130設定輸出訊號在通帶內的預期能量與輸入訊號相差特定能量門檻值(例如，0.5、1、或0.3分貝等)，從而決定L之值。需說明的是，L也可能是8N、或其他數值。雖然L之值越大，其濾波結果越接近理想狀況(通帶能量接近或等於輸入訊號的能量)，但也必須考慮計算量過大而造成運算負擔。
此外，處理器130提供(2L+1)階的有限脈衝響應濾波器。此有限脈衝響應濾波器經組態具有以第L取樣點為中心且對稱於中心兩邊共(2L+1)個濾波器係數(即，中心兩邊各L個濾波器係數)。依據不同需求，濾波器係數可能是基於高通、低通或特定通帶的濾波器所設計，且本發明實施例不加以限制。濾波器係數之數學形式表示為：
Figure 02_image015
…(4) 也就是說，這些濾波器係數原先是針對輸入訊號的(2L+1)個取樣點所設計的係數。其中，第一濾波係數
Figure 02_image017
是針對當前取樣時間點取樣的取樣值，第二濾波係數
Figure 02_image019
是針對前一個取樣時間點取樣的取樣值。依此類推，第(2L+1)濾波係數
Figure 02_image021
是針對與當前取樣時間點相距(2L+1)個取樣點取樣的取樣值。然而，由圖3的結果可知，過多的取樣點數會增長延遲時間。採用所有(2L+1)個濾波器係數將導致延遲長度增長至L個(大於N個)。
為了維持延遲長度為N個，處理器130僅取得這(2L+1)個濾波器係數中的第(L-N+1)濾波器係數至第(2L+1)濾波器係數(即，後面的(N+L+1)個濾波器係數)，從而得到(N+L+1)個係數，以數學形式表示為：
Figure 02_image023
…(5) 第(L-N+1)濾波器係數是
Figure 02_image025
，第(L+1)濾波器係數是
Figure 02_image027
。依此類推，第(2L+1)濾波器係數是
Figure 02_image021
。即，以第L取樣點(
Figure 02_image027
)為中心，一邊共N個係數，另一邊共L個係數。需說明的是，在其他實施例中，處理器130可選擇其他區段。例如，係數
Figure 02_image029
至
Figure 02_image031
，係數
Figure 02_image033
至
Figure 02_image035
等。總取樣點數(L+N+1)介於圖3所示(2L+1)及(2N+1)之間，但延遲長度仍維持在N個。需說明的是，此N之值可基於延遲時間例如為2.5、5、或6等毫秒所決定，且此延遲時間是小於10毫秒或其他人耳無法輕易察覺聲音延遲的時間。
接著，處理器130依據這(N+L+1)個係數對步驟S210所取得的那(N+L+1)個取樣值運算以得出輸出訊號(步驟S250)。具體而言，處理器130可對向量
Figure 02_image003
和
Figure 02_image037
進行內積運算(即，迴旋積分運算(convolution))，即可求得延遲N個點的輸出訊號y [n -N ]。輸出訊號的數學表示如下：
Figure 02_image039
…(6)
需說明的是，在處理器130連接額外的濾波電路的實施例中，處理器130是將選擇的係數(
Figure 02_image025
、
Figure 02_image041
、…
Figure 02_image021
通知給連接的濾波電路，並透過此濾波電路基於決定的係數來對輸入訊號進行濾波處理。此外，輸出訊號可進一步進行音效處理或播放輸出(透過揚聲器)。
圖4是應用本發明一實施例後的取樣點-能量圖。假設將一個能量為-6 dB且頻率是從1000 Hz到3000Hz的掃頻訊號(即，輸入訊號)，經過通帶945Hz~1190Hz的本發明有限脈衝濾波濾波器/電路(設定其截止頻率1190Hz大約在40000的取樣點位置(取樣點40000以下為通帶))。請參照圖4，假設延遲長度N為120，且總取樣總數為961個點(即，8N+1)，通帶內的能量為-6.3dB。為了方便比較，過度頻帶可被區分為三部分：第一部分是取樣點介於40000-67000且其能量為-18 dB，與圖3所示傳統有限脈衝濾波的相同取樣點比較下更好。第二部分是取樣點介於67000-130000且其能量為-31 dB，與圖3所示傳統有限脈衝濾波的相同取樣點比較下更好。第三部分是取樣點為130000以上，且其能量為-43 dB。
表(1)是本發明實施例與傳統有限脈衝濾波的能量比較表。由表(1)可得出，本發明實施例在通帶內的能量接近原輸入訊號的能量。雖然本發明實施例造成過度頻帶很長(超過了3000Hz)，但整能量不高。在第一部份的能量甚至衰減最多；在第二部分的能量至少比同樣延遲時間的傳統有限脈衝濾波衰減最多；雖然在第三部分的能量效果最差，但因為第三部分的能量已經比通帶內的能量小了超過30dB，人耳幾乎聽不出來，因此這樣的能量表現在可接受範圍內。 表(1)
  40000以下 40000-67000 67000-130000 130000以上
本發明實施例：取樣點數為961，延遲長度為120 -6.3dB -18 dB -31 dB -43 dB
傳統：取樣點數為取樣241，延遲長度為120 -10.17dB -14 dB -28 dB -65 dB
傳統：取樣點數為961，延遲長度為480 -6.19dB -16 dB -65 dB -65 dB
另一方面，本發明實施例還提供了一種非暫態電腦可讀取記錄媒體，其記錄電腦程式碼以加載到設置在訊號處理裝置100的處理器130中。此電腦程式碼由多個程式指令組成（例如，組織圖、建立程式指令、表批准程式指令、設置程式指令以及建置程式指令）。一旦程式指令被加載到訊號處理裝置100並由其執行時，將可完成前述訊號處理方法的步驟。
綜上所述，本發明實施例的訊號處理裝置、訊號處理方法及非暫態電腦可讀取記錄媒體，針對(2L+1)個濾波器係數僅提取 (L+N+1)個濾波器係數與輸入訊號的取樣值進行運算，從而維持延遲長度在N個，且輸出訊號在通帶內的能量仍可接近或等於輸入訊號的能量。
雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。
100:訊號處理裝置 110:儲存器 130:處理器 S210~S250:步驟
圖1是依據本發明一實施例的訊號處理裝置的元件方塊圖。 圖2是依據本發明一實施例的訊號處理方法的流程圖。 圖3是使用傳統有限脈衝響應濾波器的取樣點-能量圖。 圖4是應用本發明一實施例後的取樣點-能量圖。
S210~S250:步驟

Claims (10)

  1. 一種訊號處理方法，適用於一有限脈衝響應(Finite Impulse Response，FIR)濾波器，該訊號處理方法包括： 對一輸入訊號取樣，以取得該輸入訊號的多個取樣值； 自(2L+1)個濾波器係數中取得(N+L+1)個係數，其中L及N是正整數，且L大於N；以及 依據該(N+L+1)個係數對該些取樣值運算以得出一輸出訊號。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的訊號處理方法，其中取得該輸入訊號的該些取樣值的步驟包括： 在一第n時間點對該輸入訊號取得(N+L+1)個取樣點的該些取樣值，其中該些取樣點對應於以該第n時間點為基準的過去N+L個取樣時間點、及當前取樣時間點，且n是正整數；以及 提供(2L+1)階的該有限脈衝響應濾波器，其中該有限脈衝響應濾波器經組態具有以第L取樣點為中心且對稱於其兩邊共該(2L+1)個濾波器係數。
  3. 如申請專利範圍第1項所述的訊號處理方法，其中取得該輸入訊號的該些取樣值步驟包括： 依據該輸出訊號的預期能量決定L。
  4. 如申請專利範圍第1項所述的訊號處理方法，其中L為7N，且該(N+L+1)個係數對應於該(2L+1)個濾波器係數中的第(L-N+1)濾波器係數至第(2L+1)濾波器係數。
  5. 一種訊號處理裝置，適用於一有限脈衝響應濾波器，該訊號處理裝置包括： 一儲存器，儲存一輸入訊號；以及 一處理器，耦接該儲存器，並經配置用以執行： 對該輸入訊號取樣，以取得該輸入訊號的多個取樣值； 自(2L+1)個濾波器係數中取得(N+L+1)個係數，其中L及N是正整數，且L大於N；以及 依據該(N+L+1)個係數對該些取樣值運算以得出一輸出訊號。
  6. 如申請專利範圍第5項所述的訊號處理裝置，其中該處理器更經配置用以執行： 在一第n時間點對該輸入訊號取得(N+L+1)個取樣點的該些取樣值，其中該些取樣點對應於以該第n時間點為基準的過去N+L個取樣時間點、及當前取樣時間點，且n是正整數：以及 提供(2L+1)階的該有限脈衝響應濾波器，其中該有限脈衝響應濾波器經組態具有以第L取樣點為中心且對稱於其兩邊共該(2L+1)個濾波器係數。
  7. 如申請專利範圍第5項所述的訊號處理裝置，其中該處理器更經配置用以執行： 依據該輸出訊號的預期能量決定L。
  8. 如申請專利範圍第5項所述的訊號處理裝置，其中L為7N，且該(N+L+1)個係數對應於該(2L+1)個濾波器係數中的第(L-N+1)濾波器係數至第(2L+1)濾波器係數。
  9. 一種非暫態電腦可讀取記錄媒體，記錄一電腦程式碼，並經由一處理器載入以執行以下步驟： 對一輸入訊號取樣，以取得該輸入訊號的多個取樣值； 自(2L+1)個濾波器係數中取得(N+L+1)個係數，其中L及N是正整數，且L大於N；以及 依據該(N+L+1)個係數對該些取樣值運算以得出一輸出訊號。
  10. 如申請專利範圍第9項所述的電腦可讀取記錄媒體，其中該電腦程式碼經該處理器載入以執行以下步驟： 依據該輸出訊號的預期能量決定L； 在一第n時間點對該輸入訊號取得(N+L+1)個取樣點的該些取樣值，其中該些取樣點對應於以該第n時間點為基準的過去N+L個取樣時間點、及當前取樣時間點，且n是正整數；以及 提供(2L+1)階的一有限脈衝響應濾波器，其中該有限脈衝響應濾波器經組態具有以第L取樣點為中心且對稱於其兩邊共該(2L+1)個濾波器係數。
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