TWI230021B - Apparatus for providing high quality audio output by median filter in audio system - Google Patents

Description

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發明之領域： 供一種用於一音響系統中以提高輸出音質 、 ，/一種用於無線音響系統、使用中間值 me 1 an fi Iter)濾波器來濾除雜訊、減少爆音的裝置。 背景說明： 士次聲音一直是人類溝通最基本直覺的途徑之一，舉凡交 =資訊的語音、以及悅耳動聽的音樂，都是藉由聲音來傳 即使疋科技發達的今天，聲音訊息也未曾稍減其重要 用來播放聲音的音響系統，更是現今資訊業者致力研 的重點。尤其是近年來無線電技術的發展，無線音響系 統能將聲音訊號轉以無線電來傳輸，再轉換成聲音訊號播 放出來。一般來說，訊號在無線傳輸的過程都很容易受雜 訊干擾’所以在這種·無線音響系統中，要如何減少聲音訊 號在無線傳輸過程中的雜訊、增進播放聲音時的音質，更 已成為音響系統發展的新挑戰。 請參考圖一。圖一為一習知的無線音響系統丨〇之功能 方塊圖。無線音響系統1 〇中有發射裝置丨2 A及接收裝置 1 2 B，發射裝置1 2 A能將聲音訊號轉換並以無線電的形式發 送出去’接收裝置1 2B#收無線電形式的訊號後，則能將 對應的聲音訊號播放出來。發射裝置1 2 A中設有音源輸入

1230021 五、發明說明（2) 器1 4A、1 4B，並列/串列轉換器1 6、編碼器1 8、時叢控制 單元1 9、調變模組2 0、發射電路2 2 ;接收裝置1 2 B中則設 有接收電路24、解調變模組26、時叢控制單元28、解碼器 3 0、串列/並列轉換器3 2以及語音轉換裝置3 4 A、3 4 B及揚 聲器 38A、 38B。 在習知技術的發射裝置12A中，音源輸入器14A、14B 中可另設有麥克風及類比至數位轉換器，使音源輸入器 1 4 A、1 4 B能分別接收兩個不同聲道（如左右聲道）的不同 聲音，並將其取樣為電子形式的取樣資料點（每一取樣點 之取樣值就代表聲音在某一取樣時點的振幅大小），以依 序形成序列形式之數位訊號P a、P b，共同輸出至並列/串 列轉換器1 6。並列/串列轉換器丨6能將音源輸入器1 4 a、 14B的兩股數位訊號pa、Pb編為同一序列的數位訊號p卜 並輸出至編碼器1 8。編碼器1 8能將數位訊號p 1加上錯誤保 護碼，經由時叢控制·單元1 9的時序控制及資料同步後，成 為數位訊號P2，再輸出至調變模組2〇。調變模組20中會將 數位訊號P2、調變為適合無線傳輸的類比基頻訊號？3，再 輸出至發射電路22，由發射電路22將其進一步調變為高頻 的射頻訊號P4，並以無線電的形式發射出去。 ^ ,接收裝置12B在接收到由發射裝置12A發射的無線電訊 ^後’會由接收電路24將無線射頻訊號p4號轉換為基頻訊 號P5 (對應於原來的基頻訊號p3)，並輸出至解調變模組

第6頁 1230021 五、發明說明（3) 26，取出基頻訊號P5中的數位資料p6。時叢控制單元28則 會進行時序控制及資料同步，產生數位資料P7;此數位資 料P 7就對應於原來未調變的數位資料p 2。串列/並列轉換 器32則將數位資料P7中原本屬於不同聲道的數位訊號重新 分離出來’產生數位資料pc、Pd。分別對應於數位資料

Pa、Pb的數位資料pc、Pd會分別輸入至不同聲道的語音轉 換裝置34A、34B。語音轉換裝置34A、34B係為數位至類比 轉換器’可將數位訊號重新變為類比形式的音頻訊號pe、

Pf，並分別由揚聲器36A、36職放出來，讓使用者能聽 到。 請參考圖二。圖二為圖一音響系統丨〇中各相關訊號的 時序圖’圖二之橫轴即為時間，音頻訊號P e波形之縱轴為 振幅。在音響系統10中的發射裝置12八中，類比波形之聲 ，會被取樣為數位訊號，經數位訊號處理並轉換成類比訊 號’再以類比形式無·線傳輸至空中。到了接收裝置12B 中’無線傳輸的類比訊號又會被轉換回類比音頻訊號的聲 波’以播放出來讓使用者收聽。以單一聲道的語音轉換裝 置34A來說明，數位訊號Pc (對應於發射裝置12A中的數位 ^號Pa)中是以一筆一筆序列的取樣值資料來表示音頻訊 號Pe類比波形在各個資料取樣點的振幅。就如同圖二中所 不’數位訊號Pc中的一筆資料PS1 (通常由八個位元組成 2就代表音頻訊號Pe波形於時點t丨的振幅。同理，數位訊 號Pc中的另一筆資料ps2就代表音頻訊號pe在時點t2的振

1230021 五、發明說明（4) 幅、資料PS8代表音頻訊號Pe於時點t8的振 裝置34A就是將數位訊號pc中的各筆資料彳^幅。語音轉換 的振幅，以將音頻訊號Pe播放出來。 < 序轉換為類比 然而，如前 其他無線訊號或 (mu 11 i -path)等 錯誤。等到有錯 接收後，會連帶 而這樣的錯誤就 中所示，若對應 音頻訊號Pe在時 降低）的脈衝， 突變的波形，成 买貝比 雜訊的干擾 效應的影響 誤的無線傳 地使數位訊 會導致語音 時點18取樣 點18就會發 使得原本應 為讓使用者 訊號在 ，或是 ，而使 輸類比 號Pc、 轉換裝 值的資 生突然 為平緩 不適、 播琛得輪期間，會因為 諸如多傳播路徑 類比讯號中的資料出現 訊號經由接收裝置12B Pd的資料中出現錯誤； 置播放出爆音。如圖二 料PS8出現位元錯誤， 變南（也有可能是突然 變化的音頻訊號Pe產生 降低音質的爆音。 為了要防止上述情形發生，在習知技術中是以加編錯 誤保護碼（err〇r protection c〇de)的方式來防止資料錯曰 誤。在發射裝置12A中，編碼器18會在數位訊號？1的每一曰 筆資料後依照一定的演算機制編入錯誤保護碼，成為數位 訊號P2。接收裝置12B#收後具有錯誤保護碼的訊號後， 會形成數位訊號P 7輸入至解碼器3 0，由解碼器3 0依照錯誤 保護碼來嘗試修正無線傳輸過程中的位元錯誤。如圖二中 所示’帶有錯誤保護碼的數位訊號P7，其每筆資料後都帶 有對應該筆資料的錯誤保護碼，如資料ps丨之後帶有對應 1230021 五、發明說明（5) 的錯誤保護碼e ;資料PSc之後帶有與其對應的錯誤保護碼 ec，等等。解碼器30就是根據數位訊號P7中的錯誤保護碼 修正數位訊號的錯誤，得到具有各資料取樣點取樣值的數 位訊號P 8，再由串列/並列轉換器3 2、語音轉換裝置3 4 a、 3 4 B將數位訊號還原為類比的音頻訊號。 上述習 碼機制。為 需要裝設編 要設有對應 帶地也使編 現。尤其是 最1¾的。這 產、維修的 線傳輸的每 負擔。 發明概述： 知技術的最大缺點， 了要編入錯誤保護碼 碼器18 ;對應地，習 的解碼器30。由於編 碼器18、解碼器30需 解碼器3 0的複雜程度 樣一來，就會增加習 成本及時間。另外， 一筆資料都會變長， 就是需要複 ，習知的發 知的接收裝 碼、解碼的 要用複雜的 ’往往是接 知音響系統 加入錯誤保 增加音響系 雜的編碼、解 射裝置12A中 置12B中也需 機制複雜，連 電路結構來實 收裝置12B中 1 0的設計、生 護碼後，要無 統資料處理的 抑因此，本發明之主要目的在於提供一種以中間值濾波 裔來去除無線傳輸過程中數位訊號錯誤的裝置，可在兼顧 2出音質的情況下省去習知技術中關於錯誤保護碼的編碼 器與解碼器的設置，降低音響系統的成本。

第9頁 1230021 發明說明（6) ^ 在本發明中的中間值濾波器，是針對數位訊號中每一 筆取樣值’來比較該取樣值前至少一取樣值、該當取樣值 後至少一取樣值與該當取樣值，在上述複數個取樣值中排 除一最大取樣值及最小取樣值後，由剩餘的取樣值的中間 值（median value)產生對應該取樣值的資料。藉由這種方 式，就此移除造成爆音的錯誤資料。在本發明較佳實施例 的中間值濾波器中，僅需比較某一取樣值前一取樣值及後 一取樣值二者之值，並取其中間值來取代該取樣值。這樣 的中間值濾波器不僅能有效移除錯誤的資料防止爆音，具 體實施時也不需複雜高成本的電路。 、 發明之詳細說明： ”月參考圖二。圖二為本發明中一無線音響系統4 〇之功 月&方塊圖。音響系統40中設有發射裝置42 A及接收裝置 42B。發射裝置42A中設有不同聲道的音源輸入器44A、 4 4B、並列/串列轉換器46、時叢控制單元49、調變模組5〇 及發射電路52。調變模組50中可設有調變電路48A及展頻 電路48B。接收裝置42B中設有接收電路54、解調變模組 5 6:時叢控制單元6 0、串列/並列轉換器6 2、分別用於不 同聲道的濾波器64A、64B及語音轉換裝置66A、66B及揚聲 器68A、68B。調變模組50中設有調變電路48A及展頻電路 48B，解調變模組56中設有解展頻電路58A及解調電路 5 8 B。不同聲道的音源輸入器4 4 A、4 4 B中可以分別設置麥

五、發明說明（7) ^風及類比至數位轉換器，用來將聲 J，或是由別的音源（像是讀取音樂光數：： 數位訊號之輸入。而揚聲器68Α、68β可以是剩二：: =音源輸入器44A、44M生的數位訊號Sa、 輪至並列/串列轉換器46，由並列/串 會被傳 不同聲道的數位訊號合編為單一序歹 將 時叢控制單元49的時序及同步控制，形成數吨 a ”出.至調變模組5。中。調變模組5。中的調變電二:可 ^疋P1/4-DQPSK調變電路，以便將數位訊號^調 = =2;展頻電路_將數位訊號辦—展頻碼⑽ a=C〇nv〇lutlon)等運算，等效上也就是將數 母個位it另以多個位元來代替，成為基頻訊號 調變展頻後的基頻訊號S3會由發射電路52轉換為古 頻訊號S4,以無線電的方式發射出去。轉換為"頻的射 接收裝置42B#收射頻訊號S锻，會由接收電路5 換為基頻訊號S5，再傳輸至解調變模組5 6。解調變模組5 6 的解展頻電路58A能將基頻訊號S5進行解展頻（包括將”美 頻訊號S5與一展頻碼Ss2摺積），產生數位訊號％。解& 電路58B基本上是進行調變電路484的反運算，將數位訊號 S6解調為數位訊號S7。數位訊號S7會經由時叢控制單元6〇 進行時序控制及資料同步，並對應地產生數位訊號S8。單 —序列的數位訊號S8經由串列/並列轉換器62的處理後， 1230021 五、發明說明（8) 會形成分屬不同聲道的數位訊號Sc、Sd。數位訊號Sc、Sd 分別經由濾、波器6 4 A、6 4 B的過濾後，會對應產生數位訊號 Se、Sf。最後，語音轉換裝置66A、66B會分別將數位訊號 Se、Sf轉換為類比形式的音頻訊號Sg、Sh，並由揚聲器 6 8 A、6 8 放出來。各語音轉換裝置66A、66B中可以是數 位至類比轉換器，或是ADPCM調變器。 由圖三中可看出，本發明於習知技術最大的不同•，是 將習知技術中關於錯誤保護碼的編碼器與解碼器省去，改 以濾波器6 4 A、6 4 B來分別濾除不同聲道數位訊號s c、S d中 的錯誤資料。本發明中採用簡單易實現的中間值濾波器來 作為濾波器64A、64B。為說明本發明中中間值濾波器的工 作情形，請參考圖四。圖四為本發明中音響系統運作時各 相關訊號之波形時序的示意圖；圖四之橫轴即為時間。以 下就以濾波器6 4 A的工作情形來描述中間值濾波器的運作 之原理，濾波器6 4 B的工作原理是相同的。類似於習知的 接收裝置12A，接收裝置42 A中也是以數位訊號中依序排列 的一筆一筆資料來表示類比波形在不同資料取樣點的振幅 取樣值。輸入濾波器6 4 A的數位訊號s c所對應的類比波形 就如圖四中的波形Wc所示（其縱軸為波形振幅大小）。至 於濾波器6 4 A處理後輸出的數位訊號§ e，其對應的類比波 形則如波形W e所示（縱軸為振幅）。 如圖四中所示，數位訊號Sc中的各筆資料（通常為八

1230021 五、發明說明（9) 位元長度）就對應於波形W c在不同資料取樣點的取樣值。 資料D1對應於波形W c在時點11的振幅，資料d 2對應於波形 Wc^時點t2的振幅，資料D3、D4乃至於〇7、D8、D9則分別 對應於波形Wc在時點t3、t4及t7、t8、t9的波形大小。同 理數位訊號Se與波形We也有類似的對應關係。如前面討論 過的’因為無線傳輸的過程中訊號易受雜訊等干擾，連帶 地使得接收裝置42路收處理後的數位訊號sc中會帶有錯 誤資料’導致爆音。像是數位資料Sc中的資料D 8就是一筆 錯誤資料，使得波形Wc對應地在時點18出現突波。而渡波 器64A就是要以中間值濾波的功能，來去除數位訊號“中 的錯誤資料以產生更新後的數位資料Se。在本發明最基 本、也是較佳的實施例中，中間值濾波器要更新某一個資 料時’疋以此 > 料本身、此資料的前^資料及後'^資料的 三筆資料來比較，再以中間值的資料來取代原來的資料。 換句話說，是以三筆資料中除去資料内容數值最大的資 料，以及數值最小的·資料，藉此來除去錯誤的資料。以圖 四中的波形來說明。舉例來說，當濾波器6 4 A處理到對應 至時點12的資料D 2時，是比較資料D 1、D 2、D 3 (分別對應 於時點t卜12、13)三者的資料内容大小，等效上也就是 比較波形W c中時點11、12、13三資料取樣點取樣值的大 小。由波形Wc中可看出時點t2的振幅介於時點u、t3的振 幅間’故針對數位訊號Sc中的資料D2，中間值濾波器仍會 於數位訊號S e中對應地輸出資料D 2。處理對應於時點12的 資料D2後，中間值濾波器會依序處理數位訊號“中對應於

1230021 中間值濾波器 )三筆資料的 訊號Se中。然 應於時點14的 方式處理類比 耐奎斯特頻率 料取樣時點的 烈地大幅變化 五、發明說明（10) 時點t3的資料D3。此時 筆）、D3及D4 (後一筆 值的資料D3輸出於數位 績處理數位訊號Sc中對 事實上’在一般以數位 時脈都高於類比訊號的 frequency)，也就是資 樣時點的取樣值不會劇 錯誤資料的情形下，某 料相比，也就恰好會是 形W e所示，在時點17前 波形W e實質上是相同的 會比較資料D2 (前一 大小；並再度以中間 後中間值濾波器會繼 資料D4，以此類推。 訊號的系統中，取樣 (Nyqui st 間隔甚小，使相鄰取 。所以，在正常沒有 中間值。就如 、沒有錯誤資 一取樣點與前一、後一取樣點的資 同圖四中波形Wc與波 料發生時，波形Wc與 當中間值濾波器處理到數位訊號Sc中對應於時點t了的 資料D7時，比較時點t6、17及18的資料，仍會於數位訊號 Se中輸出對應的資料D7。接下來中間值濾波器處理數位訊 號Sc中時點t8的資料D8時，比較前一筆資料D7、後一筆資 料D9及資料D8本身後，會選擇中間值的D7來輸出於數位資 料Se中，使得數位資料Se中對應時點t8的資料改為D7，而 非原來數位資料Sc中的資料D8。這樣一來，在數位訊號Sc 在時點t8的錯誤資料D8，就會被中間值濾波器移除了。接 下來中間值濾波器會繼續處理數位訊號S c中對應於時點19 的資料D9，又會選擇中間值的D9輸出於數位訊號Se中。由 圖四中波形Sc及Se的比較可看出，中間值濾波器的確能使

第14頁 1230021 五、發明說明（11) -- 波形恢復平緩而移除錯誤資料。等到數位資料以由語音轉 換裝置66 A轉換成音頻訊號並經由揚聲器68A播放出來後， 使用者就不會聽到爆音了。 總結地說，在正常無錯誤的情況下，相鄰資料取樣點 的取樣值彼此間也不會有劇烈變化；比較某一取樣值的前 一取樣值、後一取樣值與該取樣值本身後，中間值也會是 該取樣值本身。所以中間值濾波器在資料正常無錯誤的狀 況下會維持波形不變。當某一資料取樣點的取樣值資料發 生錯誤而突然劇烈增加或降低時，這個取樣值與前一、後 一取樣值相比一定不會是中間值，換句話說中間值濾波器 會以這個取樣值的前一取樣值或後一取樣值來取代這個錯 誤的取樣值’以維持輸出訊號對應波形平緩，進而防止爆 音發生。 請參考圖五。圖·五為本發明用來實現濾波器64A、64B 之中間值濾波器的功能方塊圖。以上述比較三筆資料的中 間值濾波器為例，圖五的中間值濾波器6 6中對應地設有三 個延遲單元7 〇 ;若以數位資料處理常用的z-轉換 (ζ-transform)來描述，各個延遲單元的功能相當於進行 z -的運算。三個延遲單元7 0能取得輸入數位訊號中的三個 相鄰資料取樣點’再送入中間值選擇器Μ中選出這三筆資 料中數值内容大小居中的數值，作為輸出。由於數位訊號 中緊鄰之連續兩筆資料皆為錯誤資料的機率甚小，所以本

第15頁 1230021 五、發明說明（12) 發明中以比較三筆資料的中間值濾波器就足以有效移除錯 誤資料。當然’本發明中的中間值遽波器也能採用比較五 筆資料（或更多筆資料）的中間值濾波器。以五筆資料的 中間值濾波器來說，是比較某一筆資料的前兩個資料、後 兩個資料及該資料本身共五筆資料比較後得出中間值；當 然這樣的中間值濾波器就要用五個延遲單元來實現。 相較於習知技術以複雜的編碼器、解碼器來加入錯誤 保護碼才能移除錯誤資料，本發明係以構造較簡單的中間 值濾波器來移除錯誤資料；故本發明中的無線音響系統的 發射裝置不需編碼器、接收裝置也不需複雜的解碼器，僅 要對不同的聲道個別設置構造簡單、成本低廉中間值濾波 器’就能有效地移除數位訊號中的錯誤資料，降低爆音的 發生’提升總體音響系統的音質。而本發明適用的頻帶範 圍不僅可介於2· 4GHz到2. 5GHz之ISM頻帶（Industry， Science，Medical Band)無線音響系統，亦可適用於 5· 15GHz到5· 35GHz的頻帶，因為這些頻帶通常為不需執照 的開放頻帶，常有雜訊干擾，而本發明之技術就能以低成 本的裝置來有效減少無線傳輸過程中的錯誤資料，減少爆 音；因為無線傳輸的訊號中不必加上錯誤保護碼，也能減 輕無線傳輸的負擔。另外，雖然上述討論是針對本發明運 用於無線音響系統，但本發明之精神應能廣泛運用於一般 數位音響系統，來有效移除數位訊號中可能的錯誤資料， 提升音質。

1230021 五、發明說明（13) 以上所述僅為本發明之較佳實施例，凡依本發明申請 專利範圍所做之均等變化與修飾，皆應屬本發明專利之涵 蓋範圍。

第17頁 1230021 圖式簡單說明 圖式之簡單說明： 圖一為一習知無線音響系祐从 m 丄 日尔統的功能方塊圖。 圖二為圖一中音響系統I + 圖 '連作時各相關訊號之波形時序 圖三為本發明無線音響系統的功能方塊圖。 一圖四為圖三中中間值濾波器運作時相關之波形時序的 不意圖。 圖五為圖二中中間值濾波器之功能方塊圖。 圖式之符號說明：

10' 12B 14A 16' 20^ 2[ 28' 30 32' 34A 36A

40 42B 14B 46 50 54 60' 62 34B 36B

38A、 38B 12A、42A 發射裝置

無線音響系統 接收裝置 、44A、 44B 並列/串列轉換器1 8 調變模組 2 2 接收電路 2 6 19、49 解碼器

串列/並列轉換器 、66A、 66B 、66A、 66B 、68A、 68B 音源輸入器 編碼 5 2 發射電路 56 解調變模組 時叢控制單元 語音轉換叢置 轉換單元 揚聲器

第18頁 1230021 圖式簡單說明 48A 調變電路 48B 展頻電路 58A 解展頻電路 58B 解調電路 64A、 64B 濾、波器 66 中間值濾波器 68 中間值選擇器 70 延遲單元 Ss 1、Ss2 展頻碼 Pa-Pd' Pl- -P2、 P6-P8' S a - S h 數位訊號 P3、 P5、 S3 卜S5 基頻訊號 P4、S4 射頻訊號Pe、Pf、Sg、Sh 音頻訊號

PS 卜 PS2、PS3、PSc、D 卜D4、D7-D9 資料 tl-tlO 時點 e、e c 錯誤保護碼 W c、W e 波形

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Claims (1)

1230021 六、申請專利範圍 1 · 一種在音響系統中藉由中間值濾波器來提供高音質之 裝置’其包含有·· 一接收電路，用來接收一無線電之射頻（radi〇 frequency)訊號並產生一對應之基頻（baseband)訊號； 一訊號解調模組，電連於該接收電路，用來解調該基 頻訊號且對應地依序輸出連續的資料取樣點（data samples)，其中每一資料取樣點均具有一取樣值； 一時叢控制單元（BMC)，電連於該訊號解調模組， 提供對該資料取樣點的時序控制及資料同步； 一滤波器’電連於該時叢控制單元，用來移除該時叢 控制單元輸出的錯誤資料；以及 一語音轉換裝置，耦合於該濾波器，俾將該濾波器輸 出之資料轉換成音頻訊號。 ^ 如申請專利範圍第1項之裝置，其中該訊號解調模組 包含一解調（demodulation)電路，該解調電路係對基頻訊 號1進行訊號解調的動作。 ^八如申請專利範圍第2項之裝置，其中該訊號解調模組 包含一解展頻（de_spreading)電路，該解展頻電路將基 頻訊號與一展頻碼產生摺積（convo 1 u t i on)關係後，以還 原成解展頻訊號，再送至該解調電路進行訊號解調的動 作。

第20頁 1230021 六、申請專利範圍 4 ·如申請專利範圍第1項之裝置，其中該濾波器係為一 中間值濾波器，其比較任一取樣值前至少一取樣值、該當 取樣值後至少一取樣值與該當取樣值，在上述複數個取樣 值中排除一最大取樣值及最小取樣值後，由剩餘的取樣值 的中間值（median value)產生對應該取樣值的資料 5· 如申請專利範圍第1項之裝置，其中，更可包含— 在該時叢控制單元與濾波器之間的串列/並列二位 接徂★ , ^，以 左右兩聲道的音頻訊號輸出。 ΐ^m®第5項之裝i n更分別對應增 音頻ίί 語音轉換裝4 應輸出左右兩聲道的

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