TWI421858B - 用於處理音頻訊號的系統及方法 - Google Patents

Description

用於處理音頻訊號的系統及方法

本發明之具體實施例係關於音頻處理，更特定言之係關於音頻訊號之分析。

存在許多用於將一音頻訊號分為若干次頻帶並導出隨時間變化之頻率相依振幅與相位特徵之解決方案。範例包括視窗型快速傅立葉變換/反快速傅立葉變換(FFT/IFFT)系統以及並聯若干組有限脈衝回應(FIR)濾波器組與無限脈衝回應(IIR)濾波器組。不過，此等習知解決方案全部遭受缺陷。

不利地，視窗型FFT系統僅針對各頻帶提供一單一固定頻寬。通常，在底部處採用一高解析度選擇一從低頻率至高頻率所施加之頻寬。例如，在100Hz處，需要一具有50kHz頻寬之濾波器(組)。不過，此意味著在8kHz處使用一50Hz頻寬，而在8kHz處一更寬頻寬(例如400Hz)可能更恰當。因此，此等系統無法提供與人感覺相匹配之靈活性。

視窗型FFT系統之另一缺點係稀疏取樣視窗型FFT系統在高頻率處之不充足精細頻率解析度在應用修改(例如，用於雜訊抑制)條件下可導致不可採用人工產物(例如，"音樂雜訊")。藉由明顯減少視窗型框架間之重疊大小"FFT跳躍大小"之樣本數(即，增加超取樣)可在某一程度上減少人工產物數。遺憾的係，FFT系統之計算成本隨超取樣增加而增加。同樣地，濾波器組之FIR子類亦係計算昂貴，其係由於各次頻帶中取樣脈衝回應之卷積(其可導致高潛時)。例如，一具有256個樣本之視窗之系統將需要256個乘法及一128個樣本之潛時，若該視窗為對稱的話。

IIR子類由於其遞迴性質而計算較不昂貴，不過僅採用實值濾波器係數之實施方案在實現近完美重建方面存在困難，尤其係修改次頻帶訊號的話。此外，需要用於各次頻帶之相位與振幅補償以及時間對齊以便在輸出處產生一平坦頻率回應。難以結合實值訊號執行相位補償，因為其丟失用於以精細時間解析度直接計算振幅與相位之正交分量。用以決定振幅與頻率之最普通方法係在各級輸出上應用一Hilbert變換。不過需要一額外用於在實值濾波器組中計算Hilbert變換之計算步驟，且其係計算昂貴的。

因此，需要與現有系統相比計算較不昂貴的用於分析與重建一音頻訊號同時提供低端對端潛時，以及用於時間頻率解析度之必需自由度的系統及方法。

本發明之具體實施例提供用於音頻訊號處理的系統及方法。在範例性具體實施例中，使用一複值濾波器之濾波器級聯來將一輸入音頻訊號分解為複數個次頻帶訊號。在一具體實施例中，採用該濾波器級聯之一複值濾波器對一輸入訊號進行濾波以產生一第一已濾波訊號。從該輸入訊號中減去該第一已濾波訊號以導出一第一次頻帶訊號。接著，藉由該濾波器級聯之下一複值濾波器處理該第一已濾波訊號以產生下一已濾波訊號。重複程序直到利用該級聯中之最後複值濾波器。在某些具體實施例中，該等複值濾波器係單極複值濾波器。

一旦分解該輸入訊號，便可藉由一重建模組來處理該等次頻帶訊號。該重建模組係經組態用以在該等次頻帶訊號之一或多個上執行一相位對齊。該重建模組亦可經組態用以在該等次頻帶訊號之一或多個上執行振幅補償。此外，可藉由該重建模組在該等次頻帶訊號之一或多個上執行一時間延遲。對該等已補償及/或時間已延遲次頻帶訊號之實數部分求和以產生一重建音頻訊號。

本發明之具體實施例提供用於一音頻訊號之近完美重建的系統及方法。該範例性系統利用一遞迴濾波器組來產生正交輸出。在範例性具體實施例中，該濾波器組包含複數個複值濾波器。在其他具體實施例中，該濾波器組包含複數個單極複值濾波器。

參考圖1，顯示一範例性系統100，在該系統100中可實行本發明之具體實施例。該系統100可為能夠處理音頻訊號之任何裝置，例如但不受限於，蜂巢式電話、助聽器、揚聲器電話、電腦或任何其他裝置。該系統100亦可表示此等裝置之任何裝置之一音頻路徑。

系統100包含一音頻處理引擎102、一音頻來源104、一調節模組106及一音頻槽108。其他與音頻訊號之重建無關之組件可提供於系統100中。此外，雖然系統100說明一從圖1之各組件至下一者之資料邏輯行進，但替代具體實施例可包含系統100之各種經由一或多個匯流排或其他元件而耦合之組件。

範例性音頻處理引擎102處理經由音頻來源104而輸入之輸入(音頻)訊號。在一具體實施例中，音頻處理引擎102包含儲存於一裝置上之軟體，該裝置係藉由一通用處理器來操作。在各種具體實施例中，音頻處理引擎102包含一分析濾波器組模組110、一修改模組112及一重建模組114。應注意，在音頻處理引擎102中可提供更多、更少或功能等效模組。例如，可將模組110至114之一或多個組合為很少模組且仍提供相同功能性。

音頻來源104包含接收輸入(音頻)訊號之任何裝置。在某些具體實施例中，音頻來源104係經組態用以接收類比音頻訊號。在一範例中，音頻來源104係一耦合至類比至數位(A/D)轉換器之麥克風。該麥克風係經組態用以接收類比音頻訊號，同時該A/D轉換器取樣該等類比音頻訊號以將該等類比音頻訊號轉換為適於進一步處理之數位音頻訊號。在其他範例中，該音頻來源104係經組態用以接收類比音頻訊號，同時該調節模組106包含該A/D轉換器。在替代具體實施例中，音頻來源104係經組態用以接收數位音頻訊號。例如，音頻來源104係一能夠讀取儲存於硬碟或其他媒體形式上之音頻訊號資料之磁碟裝置。其他具體實施例可利用其他形式之音頻訊號感測/捕獲裝置。

調節模組106預處理輸入訊號(即，不需要輸入訊號之分解之任何處理)。在一具體實施例中，調節模組106包含一自動增益控制。調節模組106亦可執行誤差校正與雜訊濾波。調節模組106可包含用於預處理音頻訊號之其他組件與功能。

分析濾波器組模組110將接收到之輸入訊號分解為複數個次頻帶訊號。在某些具體實施例中，可直接使用來自分析濾波器組模組110之輸出(例如，用於視覺顯示)。將結合圖2更詳細地論述分析濾波器組模組110。在範例性具體實施例中，各次頻帶訊號表示一頻率分量。

範例性修改模組112透過個別分析路徑從分析濾波器組模組110接收各次頻帶訊號。修改模組112可基於個別分析路徑修改/調整該等次頻帶訊號。在一範例中，修改模組112對透過特定分析路徑接收到之次頻帶訊號中之雜訊進行濾波。在另一範例中，一從特定分析路徑接收到之次頻帶訊號可變小、受抑制或穿過另一濾波器以消除該次頻帶訊號之不可採用部分。

該重建模組114將該等已修改次頻帶訊號重建為一重建音頻訊號供輸出用。在範例性具體實施例中，重建模組114在重建期間在複數次頻帶訊號上執行相位對齊、執行振幅補償、消除複數部分及使次頻帶訊號之其餘實數部分延遲以便改善該重建音頻訊號之解析度。將結合圖6更詳細地論述重建模組114。

音頻槽108包含用於輸出重建音頻訊號之任何裝置。在某些具體實施例中，音頻槽108輸出一類比重建音頻訊號。例如，音頻槽108可包含一數位至類比(D/A)轉換器與一揚聲器。在此範例中，該D/A轉換器係經組態用以接收來自音頻處理引擎102之重建音頻訊號並將其轉換為類比重建音頻訊號。該揚聲器可接著接收並輸出該類比重建音頻訊號。音頻槽108可包含任何類比輸出裝置，其包括但不受限於頭戴式耳機、耳機或助聽器。或者，音頻槽108包含該D/A轉換器及一經組態用以耦合至外部音頻裝置(例如，揚聲器、頭戴式耳機、耳機、助聽器)之音頻輸出埠。

在替代具體實施例中，音頻槽108輸出一數位重建音頻訊號。在另一範例中，音頻槽108係一磁碟裝置，其中可將該重建音頻訊號儲存於一硬碟或其他媒體上。在替代具體實施例中，音頻槽108係可選的且音頻處理引擎102產生該重建音頻訊號用於進一步處理(圖1未顯示)。

現在參考圖2，更詳細顯示範例性分析濾波器組模組110。在範例性具體實施例中，分析濾波器組模組110接收一輸入訊號202，且透過一系列濾波器204處理該輸入訊號202以產生複數個次頻帶訊號或分量(例如P1至P6)。許多濾波器204可包含該分析濾波器組模組110。在範例性具體實施例中，濾波器204係複值濾波器。在其他具體實施例中，濾波器204係一階濾波器(例如單極複值)。圖3進一步論述濾波器204。

在範例性具體實施例中，將濾波器204組織成一濾波器級聯，藉此一濾波器204之一輸出變為該級聯中下一濾波器204中的一輸入。因此，輸入訊號202係饋送至一第一濾波器204a。藉由一第一計算節點206a從輸入訊號202中減去第一濾波器204a之一輸出訊號P1以產生一輸出D1。輸出D1表示進入第一濾波器204a中之訊號與第一濾波器204a後之訊號間之差訊號。

在替代具體實施例中，不使用計算節點206來決定次頻帶訊號就可實現濾波器級聯之益處。即，舉例而言，可直接使用各濾波器204之輸出來表示輸出處或欲顯示之訊號之能量。

由於分析濾波器組模組110之級聯結構，輸出訊號P1現在係一進入級聯中下一濾波器204b中之輸入訊號。和與第一濾波器204a相關聯之程序類似，藉由下一計算節點206b從輸入訊號P1中減去下一濾波器204b之一輸出(即P2)以獲得下一頻帶或頻道(即輸出D2)。此下一頻道強調本濾波器204b與先前濾波器204a之截止頻率間之頻率。此程序透過該級聯之濾波器204之其餘者繼續。

在一具體實施例中，將該級聯中之濾波器集分離為八個一組。因此可在不同八個一組中之對應濾波器(位於一類似位置)間共用濾波器參數與係數。在美國專利申請案序號09/534,682中詳細說明此程序。

在某些具體實施例中，濾波器204係單極複值濾波器。例如，濾波器204可包含採用複值運作之一階數位或類比濾波器。全體地，濾波器204之輸出表示音頻訊號之次頻帶分量。由於計算節點206，各輸出表示一次頻帶，且所有輸出之和表示整個輸入訊號202。由於級聯濾波器204係一階，所以計算費用可比級聯濾波器204為二階或二階以上之計算費用少很多。此外，藉由改變一階濾波器204可很容易修改從音頻訊號所擷取之各次頻帶。在其他具體實施例中，濾波器204係複值濾波器且不必為單極。

在其他具體實施例中，修改模組112(圖1)可在必要時處理計算節點206之輸出。例如，修改模組112可半波整流已濾波次頻帶。此外，可調整輸出之增益以壓縮或擴展一動態範圍。在某些具體實施例中，藉由另一濾波器204鏈/級聯加以處理之前，可降低取樣任何濾波器204之輸出。

在範例性具體實施例中，濾波器204係具有經設計用以產生所需頻道解析度之截止頻率之無限脈衝回應(IIR)濾波器。濾波器204可在複數音頻訊號上採用各種係數執行連續Hilbert變換以便在特定次頻帶內抑制或輸出訊號。

圖3係一方塊圖，其解說本發明之一範例性具體實施例中之此訊號流。傳遞濾波器204之輸出y_real [n]與y_imag [n]分別用作級聯中下一濾波器204之輸入x_real [n＋1]與x_imag [n＋1]。項"n"識別欲從音頻訊號擷取之次頻帶，其中"n"係假定為一整數。由於IIR濾波器204係遞迴式，所以濾波器之輸出可基於先前輸出而改變。可在訊號之實分量之求和之後、之前或期間對輸入訊號之虛分量(例如x_imag [n])求和。在一具體實施例中，可藉由複數一階差分方程式y(k)＝g*(x(k)＋b*x(k－1))＋a*y(k－1)來說明濾波器204，其中b＝r_z*exp(i*theta_p)且a＝－r_p*exp(i*theta_p)而"y"係一樣本索引。

在本具體實施例中，"g"係一增益因數。應注意，可在不影響極與零位置之任何地方應用該增益因數。在替代具體實施例中，已將音頻訊號分解為次頻帶訊號之後，可藉由修改模組112(圖1)來應用該增益。

現在參考圖4，針對一音頻訊號之每六個(6)次頻帶顯示一範例性量值與相位之對數顯示。量值與相位資訊係基於來自分析濾波器組模組110(圖1)之輸出。即，圖4所示振幅係來自計算節點206(圖2)之輸出(即輸出D1至D6)。在本範例中，分析濾波器組模組110正在結合一從80Hz至8kHz之頻率範圍之235個次頻帶以一16kHz取樣速率運作。此分析濾波器組模組110之端對端潛時係17.3 ms。

在某些具體實施例中，需要在高頻率處具有一寬頻率回應且在低頻率處具有一窄頻率回應。因為本發明之具體實施例係可適於許多音頻來源104(圖1)，所以可使用不同頻率處之不同頻寬。因此，可獲得高頻率處具有寬頻寬之快速回應及低頻率處具有窄、短頻寬之緩慢回應。此導致具有相對較低潛時(例如12 ms)更適於入耳之回應。

現在參考圖5，顯示一分析耳蝸設計之每級量值與相位之一範例。圖5所示振幅係圖2之濾波器204之輸出(例如P1至P6)。

圖6解說依據本發明之一具體實施例之重建模組114之運作。在範例性具體實施例中，對齊各次頻帶訊號之相位、執行振幅補償、移除各次頻帶訊號之複數部分、然後在必要時藉由使各次頻帶訊號延遲來對齊時間以獲得一平坦重建頻譜並減少脈衝回應分散。

因為濾波器使用複合訊號(例如實數與虛數部分)，所以可針對任何樣本導出相位。此外，亦可藉由 來計算振幅。因此，數學上使得音頻訊號之重建更容易。作為此方法之結果，任何樣本之振幅與相位可很容易用於進一步處理(即至修改模組112(圖1))。

由於次頻帶訊號之脈衝回應可具有不同群組延遲，所以僅僅對分析濾波器組模組110(圖1)之輸出求和可能不會提供音頻訊號之準確重建。因此，可使一次頻帶之輸出延遲該次頻帶之脈衝回應峰值時間以便所有次頻帶濾波器在同一時間瞬時具有其脈衝回應包絡最大值。

在脈衝回應波形最大值之時間比所需群組延遲更遲的一具體實施例中，將濾波器輸出與一複數常數相乘以便脈衝回應之實數部分在所需群組延遲處具有一局部最大值。

如圖所示，重建模組114從修改模組112(圖1)接收次頻帶訊號602(例如S₀ 、S_n 及S_m )。接著將係數604(例如a₀ 、a_n 及a_m )應用於次頻帶訊號。係數包含一固定複數因數(即包含一實數與虛數部分)。或者，可在分析濾波器組模組110內將係數604應用於次頻帶訊號。將係數應用於各次頻帶訊號會對齊次頻帶訊號之相位並補償各振幅。在範例性具體實施例中，該等係數係預定的。係數之應用之後，藉由一實值模組606(即Re{ })丟棄虛數部分。

接著藉由一延遲Z^－1 608使次頻帶訊號之各實數部分延遲。此延遲提供交叉次頻帶對齊。在一具體實施例中，延遲Z^－1 608提供一分接頭延遲。該延遲之後，在一求和節點610中對個別次頻帶訊號求和，導致一值。接著將部分重建訊號載送至下一求和節點610中並應用於下一已延遲次頻帶訊號。該程序繼續直到對所有次頻帶訊號求和，導致一重建音頻訊號。因此重建音頻訊號係適於音頻槽108(圖1)。儘管顯示延遲Z^－1 608係在對次頻帶訊號求和之後描述，不過重建模組114之運作順序可互換。

圖7解說一基於圖4與圖5之範例之重建曲線圖。藉由重建模組114(圖1)所執行之相位對齊、振幅補償及針對交叉次頻帶對齊之延遲之後，藉由組合各濾波器204(圖2)之輸出獲得重建(即重建音頻訊號)。因此，該重建曲線圖相對較平坦。

現在參考圖8，提供一範例性用於音頻訊號處理之方法之流程圖800。在步驟802中，將一音頻訊號分解為若干次頻帶訊號。在範例性具體實施例中，藉由分析濾波器組模組110(圖1)處理該音頻訊號。該處理包含透過一濾波器204(圖2)級聯對該音頻訊號進行濾波，各濾波器204之輸出導致個別輸出206處之一次頻帶訊號。在一具體實施例中，濾波器204係複值濾波器。在另一具體實施例中，濾波器204係單極複值濾波器。

次頻帶分解之後，在步驟804中透過修改模組112(圖1)處理次頻帶訊號。在範例性具體實施例中，修改模組112(圖1)調整輸出之增益以壓縮或擴展一動態範圍。在某些具體實施例中，修改模組112可抑制不可採用次頻帶訊號。

在步驟806中，一重建模組114(圖1)接著在各次頻帶訊號上執行相位與振幅補償。在一具體實施例中，藉由將一複數係數應用於該次頻帶訊號執行相位與振幅補償。之後在步驟808中將已補償次頻帶訊號之虛數部分丟棄。在其他具體實施例中，保留已補償次頻帶訊號之虛數部分。

使用已補償次頻帶訊號之實數部分，在步驟810中針對交叉次頻帶對齊使次頻帶訊號延遲。在一具體實施例中，藉由利用重建模組114中之一延遲線獲得該延遲。

在步驟812中，對已延遲次頻帶訊號求和以獲得一重建訊號。在範例性具體實施例中，各次頻帶訊號/片段表示一頻率。

以上已參考範例性具體實施例說明本發明之具體實施例。熟知此項技術者應明白，在不背離本發明之更廣泛範疇下，可進行各種修改且可使用其他具體實施例。因此，期望依據該等範例性具體實施例之此等及其他變化為本發明所涵蓋。

100．．．系統

102．．．音頻處理引擎

104．．．音頻來源

106．．．調節模組

108．．．音頻槽

110．．．分析濾波器組模組

112．．．修改模組

114．．．重建模組

204．．．濾波器

204a．．．第一濾波器

204b．．．下一濾波器

206．．．計算節點/輸出

206a．．．第一計算節點

206b．．．下一計算節點

606．．．實值模組

610．．．求和節點

圖1係一採用本發明之具體實施例之系統的範例性方塊圖；圖2係本發明之一範例性具體實施例中之分析濾波器組模組之範例性方塊圖；圖3解說依據一具體實施例的該分析濾波器組模組之一濾波器；圖4針對每六個(6)次頻帶解說次頻帶轉移函數之量值與相位之對數顯示；圖5針對每六(6)級解說累積濾波器轉移函數之量值與相位之對數顯示；圖6解說該範例性重建模組之運作；圖7解說該音頻訊號之一範例性重建之曲線圖表示；及圖8係一範例性用於重建音頻訊號之方法之流程圖。

100．．．系統

102．．．音頻處理引擎

104．．．音頻來源

106．．．調節模組

108．．．音頻槽

110．．．分析濾波器組模組

112．．．修改模組

114．．．重建模組

Claims (23)

1. 一種用於處理音頻訊號之方法，該方法包含：採用一濾波器級聯(filter cascade)之一複數值濾波器(complex-valued filter)對一輸入訊號進行濾波以產生一第一已濾波訊號，該複數值濾波器係經組態以操作於複數值輸入上；採用該濾波器級聯之一第二複數值濾波器對該第一已濾波訊號進行濾波以產生一第二已濾波訊號；使用一複數值乘法器對該等已濾波訊號之一或多個執行相位對齊(phase alignment)；及將該等相位已對齊的已濾波訊號相加以產生一重建之輸出信號。
2. 如請求項1之方法，其中該等複數值濾波器之每一者包含一單個極點(pole)。
3. 如請求項1之方法，其進一步包含：從該輸入訊號中減去該第一已濾波訊號以導出一第一次頻帶(sub-band)訊號；從該第一已濾波訊號中減去該第二已濾波訊號以導出一第二次頻帶訊號；使用一複數值乘法器對該等次頻帶訊號之一或多個執行相位對齊；及將該等相位已對齊的次頻帶訊號相加以產生一重建之輸出信號。
4. 如請求項3之方法，其進一步包含丟棄(disposing of)該等 相位已對齊次頻帶訊號之一或多個之一虛數部分。
5. 如請求項3之方法，其進一步包含對該等次頻帶訊號之一或多個執行振幅補償。
6. 如請求項3之方法，其進一步包含為達成交叉次頻帶之對齊而對該等次頻帶訊號之一或多個執行一時間延遲。
7. 如請求項6之方法，其進一步包含修改該等已濾波訊號之一或多個。
8. 如請求項3之方法，其進一步包含在採用該濾波器級聯之該複數值濾波器對該輸入訊號進行濾波之前預處理該輸入訊號。
9. 如請求項3之方法，其進一步包含修改該等次頻帶訊號之一或多個。
10. 如請求項3之方法，其中該等次頻帶訊號係該輸入訊號之頻率分量。
11. 一種用於處理一音頻訊號之系統，該系統包含：一記憶體；及一執行儲存於該記憶體中之指令之處理器，該等指令用於執行以下步驟：採用一濾波器級聯之一複數值濾波器對一輸入訊號進行濾波以產生一第一已濾波訊號，該複數值濾波器係經組態以操作於複數值輸入上；採用該濾波器級聯之一第二複數值濾波器對該第一已濾波訊號進行濾波以產生一第二已濾波訊號；使用一複數值乘法器對該等已濾波訊號之一或多個 執行相位對齊；及將該等相位已對齊的已濾波訊號相加以產生一重建之輸出信號。
12. 如請求項11之系統，其中該等複數值濾波器之每一者包含一單個極點(pole)。
13. 如請求項11之系統，其中該處理器進一步執行用於執行以下步驟之指令：從該輸入訊號中減去該第一已濾波訊號以導出一第一次頻帶訊號；從該第一已濾波訊號中減去該第二已濾波訊號以導出一第二次頻帶訊號；使用一複數值乘法器對該等次頻帶訊號之一或多個執行相位對齊；及將該等相位已對齊的次頻帶訊號相加以產生一重建之輸出信號。
14. 如請求項13之系統，其中該處理器進一步執行用於執行以下步驟之指令：對該等次頻帶訊號之一或多個執行振幅補償。
15. 如請求項13之系統，其中該處理器進一步執行用於執行以下步驟之指令：對該等次頻帶訊號之一或多個執行一時間延遲。
16. 如請求項13之系統，其中該處理器進一步執行用於執行以下步驟之指令：基於一自該濾波器級聯之分析路徑修改該等次頻帶訊號之一或多個。
17. 如請求項11之系統，該處理器進一步執行用於執行以下步驟之指令：在採用該濾波器級聯對該輸入訊號進行濾波之前預處理該輸入訊號。
18. 一種其上包含一程式之機器可讀取媒體，該程式係可藉由一機器來執行以執行一用於處理音頻訊號之方法，該方法包含：採用一濾波器級聯之一複數值濾波器對一輸入訊號進行濾波以產生一第一已濾波訊號，該複數值濾波器係經組態以操作於複數值輸入上；採用該濾波器級聯之一第二複數值濾波器對該第一已濾波訊號進行濾波以產生一第二已濾波訊號；使用一複數值乘法器對該等已濾波訊號之一或多個執行相位對齊；及將該等相位已對齊的已濾波訊號相加以產生一重建之輸出信號。
19. 如請求項18之機器可讀取媒體，其中該複數值濾波器與該第二複數值濾波器皆包含一單個極點。
20. 如請求項18之機器可讀取媒體，其中該方法進一步包含：從該輸入訊號中減去該第一已濾波訊號以導出一第一次頻帶訊號；從該第一已濾波訊號中減去該第二已濾波訊號以導出一第二次頻帶訊號；使用一複數值乘法器對該等次頻帶訊號之一或多個執 行相位對齊；及將該等相位已對齊的次頻帶訊號相加以產生一重建之輸出信號。
21. 如請求項20之機器可讀取媒體，其中該方法進一步包含對該等次頻帶訊號之一或多個執行振幅補償。
22. 如請求項20之機器可讀取媒體，其中該方法進一步包含對該等次頻帶訊號之一或多個執行一時間延遲。
23. 如請求項20之機器可讀取媒體，其中該方法進一步包含在採用該濾波器級聯對該輸入訊號進行濾波之前預處理該輸入訊號。