CN104079363A - 时间修改***、用于混合信号的***以及用于时间修改输入信号的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种时间修改***，包括延迟模块(D)，用于接收输入信号(S)，该输入信号(S)包括在输入采样率下的一系列数字样本，该延迟模块(D)提供延迟的输出信号(延迟的S)；持续时间修改模块(M)，用于接收输入信号(S)并且提供修改的输出信号(修改的S)以及第一开关(SW1)，该第一开关(SW1)用于选择延迟的输出信号(延迟的S)或者修改的输出信号(修改的S)。

Description

时间修改***、用于混合信号的***以及用于时间修改输入信号的方法

技术领域

本发明涉及数字信号处理领域，特别是针对混和数字化信号的样本并特别地涉及音频信号。 

背景技术

近来数字传输广播在无线电广播设备和视频应用中大幅增加。然而，它们与传统的发射模拟广播的模拟广播站同时存在。在音频信号传输中经常出现不同的广播设备发射相同的内容的情况，可能会使用不同的射频标准(例如AM、FM、DAB、等等)。例如，许多发射数字广播的无线电台也以模拟方式发射相同的节目，即AM或者FM。对于带内同频(IBOC)HD射频^TM***，数字和模拟广播集中在相同的频率上，而对于尤里卡147(Eureka147)数字音频广播(DAB)***，数字广播节目是在与相应的模拟FM或者AM广播节目不同的频率上传送。来自不同的发射站的音频信号可能不是时间匹配的，因为通过不同空中路径的不同延迟导致不同的处理类型，并在数字标准中缓冲。例如，来自DAB广播的音频信号滞后于来自FM广播的音频信号。 

相同的广播节目的两个广播是数字和模拟音频广播，或者是相同节目的两个数字广播，当一个广播的接收劣于另一个广播的接收时，接收机可以从一个广播切换到另一个广播。这种现象的例子，经常被称为混和，Kroeger和Stehlik在2001年1月的题为“用于减轻音频无线广播中的间歇性中断的***和方法”的美国专利6178317中对此进行了描述。 

因此，适当地对两个信号进行时间匹配是重要的，从而使从一个信号到另一个信号的转变尽可能无缝。两个信号之间的延迟可以在回放期间确定，在这种情况下，当一个音频信号在播放时通过两个信号之间的互相关函数中的峰值确定时间延迟，或者它可以预先确定，并且首先可用的“导前”信号可以适当的延迟，以便两个信号变成时间匹配。 

当无线电广播设备接通时，它能同时收到若干广播，来自其中一个广播的音频信号有可能比其它音频信号更早可用。最小化启动时间，选择导前音频信号用于回放，启动时间即为从接通无线电广播设备和听到来自无线电广播设备的音频回放之间的时间间隔。当导前音频信号播放而没有增加延迟线，切换到另一个信号，即滞后的音频信号时，可能引起听觉失真。 

也有可能同时收到若干广播，其中一个广播的延迟版本正在播放，即信号被延迟以致它与第二个广播时间匹配。延迟的长度可能需要改变：例如，当第二个广播的延迟变化时，第一个广播信号的延迟可能要改变以与第二个广播信号再一次时间匹配。延迟缓冲区的长度可能需要增加或者减少。 

可以从模拟传输标准例如AM或者FM获得音频信号，或者可以从数字传输标准例如DAB获得音频信号。在第一种情况中，使用模拟到数字转换器将信号转换到数字域。对于本申请的其余部分，信号被假定为是数字的，即它们是一系列数字样本值。 

导前信号在音频质量或者其他的方面未必是优选的信号，也许期望使用另一个信号作为默认信号用于回放，即优选的信号。这将在优选的音频信号不能使用期间导致静止期，从而增加启动时间。另一种情况是，当接收质量降低、而替换的音频服务具有更好的接收质量，你可能想从导前音频切换到可能是滞后的具有相同的内容的替换的音频服务，该替换的音频服务是数字的或模拟的音频服务。这常常发生在当广播设置在移动的车辆，例如汽车上时。 

当使用导前音频信号的回放，并且优选的音频信号晚于导前音频信号到达时，由于两个音频信号之间的延迟，不可能从导前音频信号切换到优选的音频信号而没有音频转变，导前音频信号即为保证最短的启动时间的信号。清楚地，启动时间和播放优选的信号可能是矛盾的需求，启动时间也就是从接通无线电广播设备到听到来自音频信号的第一个样本所需要的时间。 

通常，以上所述的情况发生时，可以使用延迟线或者时长修改模块。图1b)示出了延迟线的示意图。输入信号，S，通过固定数目的样本被延 迟，以及其输出是延迟版本，输入信号的“延迟的S”。延迟可以使用移位寄存器实现，但也可以使用其他可能的设备。模块包含音频样本的先进先出(FIFO)缓冲区。图1a)示出该操作的示意图。水平轴表示输出信号时间。这是真实的回放时间。垂直轴表示输入信号时间，即用于产生输出信号的输入信号中的位置。虚线表示输入信号S的瞬时回放，该虚线具有45度斜率并通过原点。延迟线的输出由实线表示。如我们已经提到的，延迟可以在HW中实现，如移位寄存器，其长度决定在音频样本中实现的延迟的长度。输出信号时间保持听不见，即在没有音频输出期间具有几乎零振幅，没有音频输出期间定义为无声期。无声期之后，输出信号以与瞬时回放相同的45度斜率线性增加。 

图2b)示出了接收输入信号S的时长修改模块，并提供输出信号“修改的S”。时长修改是当保持大部分频谱特性例如音高时改变输入信号的持续时间的操作。时长修改指的是输入信号的持续时间的延长或者压缩，即对于一秒的输入音频，大于或者小于一秒的音频被输出。为了能在较低的时间刻度，即较长的持续时间，播放输入信号S，音频缓冲区需要维持包含那些还没有被发送给输出的样本。随着时间的推进，缓冲区变得更长，即通过提供更长的寄存器。这在图2a中以虚线示出，该虚线在给定的瞬时时间t1被标为“音频缓冲区”。例如，考虑到再采样，再采样是将信号从fs1再采样到更高的采样率fs2。这样，对于B输入样本，产生B*fs2/fs1样本。B样本被发送到输出并且B*(1-fs2/fs1)样本被添加到音频缓冲区。当输入S在较高的时间刻度播放，即，较短的持续时间，已有的音频缓冲区可以渐进地减少，从而缓冲区变短。时长修改算法的介绍可见Laroche和Dolson于1999年在IEEETransSpeechandaudioProcessing7(3)，323-332发表的文章“Improvedphasevocoderphasevocodertime-scalemodificationofaudio”。 

Fig2a)示出了该操作。再一次，虚线表示瞬时回放，以及实线表示时长修改操作。回放立即开始，也就是说，直线通过原点，但具有比瞬时回放更小的斜率。因此，在任何时刻，输入信号的已经被处理的并且被发送到输出的部分小于用于瞬时回放的部分。 

发明内容

因此需要一种减少上述缺点的***，这些缺点出现在数字的或者数字化信号的接收中。 

因此本发明的目的是改变在回放期间两个广播之间的时间延迟，例如，最小化无线电接收装置的启动时间，在初始的转变周期之后仍然维持切换到优选的音频信号的可能性。 

本发明在时间修改***中实现，该时间修改***包括： 

-延迟模块，用于接收输入信号，该输入信号包括在输入采样率下的一系列数字样本，延迟模块提供延迟的输出信号； 

-持续时间修改模块，用于接收输入信号并提供修改的输出信号； 

-第一开关，用于选择延迟的输出信号或者修改的输出信号。 

可以改变现有的缓冲区的长度，例如使它更长或者更短。这可以被用于最小化无线电接收装置的启动时间，在初始的转变周期之后仍然维持切换到优选的音频信号的可能性。另外，它可以用于调整来自不同的广播的信号之间的时间匹配，在这种情况下，可能需要增加或者减少延迟。 

在一个实施例中，持续时间修改模块的输入包含输入音频信号。 

在另一个实施例中，持续时间修改模块的输入包含输入音频信号的延迟版本，可以再使用已经准备就绪的延迟缓冲区。这样，延迟缓冲区被用于产生输入信号的两个版本，这两个版本具有不同的延迟。 

在一个实施例中，持续时间修改模块适于改变输入信号的持续时间并维持输入信号频谱特性。 

另外，在另一个实施例中，持续时间修改模块适于再采样输入信号到比输入信号更低的采样率。优选地，该输入信号是音频信号。 

在另一个的实施例中，时间修改***被用于一种用于混和信号的***中，用于混合信号的***包括： 

-前面所述的时间修改***，该时间修改***适于接收第一输入信号，并且提供时间修改的输出信号， 

-第二开关，该第二开关适于选择修改的输出信号或者第二输入信 号并且提供输出混和的信号。 

用于混和信号的***可以进一步包含控制单元，该控制单元适于提供第一控制信号，该第一控制信号用于控制持续时间修改模块，第二控制信号，该第二控制信号用于控制第一开关，以及第三控制信号，该第三控制信号用于控制第二开关。 

在本发明的另一个实施例中，提供用于时间修改输入信号的方法，输入信号包括一系列数字样本，该方法包括以下步骤： 

-延迟输入信号并且提供延迟的输出信号； 

-时间修改输入信号并且提供修改的输出信号； 

-判定是否达到目标延迟；以及 

-选择延迟的输出信号或者修改的输出信号并且发送到输出。 

该方法可以进一步包括以下步骤： 

-接收第二信号； 

-提供第二控制信号用于选择时间修改的输出信号，或者第二信号。 

例如，用于混和音频信号的***可以被包括在接收机中以及可以用于汽车收音机。 

本发明由独立权利要求限定。从属权利要求限定优选的实施例。 

附图说明

以上所述及其他优点从附图的示例性描述中是明显的，其中： 

图1a)示出了延迟设备操作的示意图； 

图1b)示出了延迟设备的示意图； 

图2a)示出了时长修改设备操作的示意图； 

图2b)示出了时长修改设备的示意图； 

图3a)示出了根据本发明的时长修改设备操作的示意图； 

图3b)示出了根据本发明的时长修改设备的示意图； 

图4示出了根据本发明的混和工艺；以及 

图5示出了根据本发明的具有混和的***。 

具体实施方式

本申请描述一种方法和***，可用于当两个信号，例如两个音频信号，是可用的并且具有近似相同的音频内容时，但不是同时到达并且可能具有不同的编码和/或噪音伪影。延迟是必需的用于使音频信号同步。上述信息在广播应用中通常是已知的，其可以存储具有相应的频率的一系列频道。假设目标延迟是已知的并且它可以从之前的离线测量中知道，或者它可以在线估计，例如，通过两个信号中的互相关函数确定峰值。我们定义导前信号作为首先可用的信号。如果优选的(或者目标)信号是第二，即滞后信号，根据本发明的***以来自导前信号的回放作为开始，但伴随调整阶段，该调整阶段是通过时长修改模块或者再采样模块，并且当达到目标延迟时切换到延迟版本，当内部音频缓冲区的长度等于目标延迟时，达到目标延迟，即，达到导前音频信号和目标音频信号之间的延迟。该切换后，切换到目标音频信号是可能的，导前信号的延迟版本与目标信号时间匹配。 

这里描述的***使用″持续时间修改″模块，它可以是在维持大部分频谱特性的同时改变输入音频信号的持续时间的时长修改模块，或者是再采样模块，该再采样模块再采样输入音频信号到较低的采样率但播放输出样本值似乎采样率没有变化，从而改变频谱特性，如输入信号的音高。 

图3a)和3b)示出了根据本发明的时长修改设备操作的示意图和各自的时长修改设备的示意图。 

在图3b)中，输入信号，S，可以是单信道或者多信道，被提供给上面的分支，该上面的分支包括具有输出“修改的S”的持续时间修改模块，并提供给下面的分支，该下面的分支包括具有输出“延迟的S”的延迟线。输出，输出S，可以被选择为在达到目标延迟前的修改的S或者已经达到目标延迟时的延迟的S。该操作在图3a)中示出，其中虚线表示瞬时回放，并且实线表示被提出的模块的输出，输出S。首先，回放比在瞬时回放情况中慢，由此，斜率比瞬时回放的斜率小。当达到目标延迟时，回放速度被恢复到最初的回放速度，因此曲线的斜率再一次与瞬时回放的斜率相同。当输出，输出S，是从下面的分支选择时，即当 达到目标延迟并且输出S与延迟的S相应时，则输出与目标信号时间匹配并且可以转变到目标信号。 

持续时间修改模块可以具有输入帧和输出帧之间的固定比，或者该比率可以是变化的。在后面的情况中，例如，它可以根据仍然需要克服的延迟相应地减少，以便使比率在启动时最大并且当达到目标延迟时降到零。 

简单来说，时间修改***包含延迟模块D，延迟模块D用于接收输入信号S，该输入信号S包括在输入采样速率的一系列数字样本，延迟模块D提供延迟的输出信号“延迟的S”。它进一步包含持续时间修改模块M，持续时间修改模块M用于接收输入信号S和用于提供修改的输出信号“修改的S”。该模块还包含，第一开关SW1用于选择延迟的输出信号″延迟的S″或者修改的输出信号″修改的S″。一般认为该***包含目标延迟比较器，该目标延迟比较器指示延迟是否达到目标延迟。该比较器作为本领域技术人员已知的部分没有在图中示出。 

持续时间修改模块M可以适于改变输入信号S的持续时间并维持输入信号频谱特性。持续时间修改模块M可以再采样输入信号S到比输入信号S更低的采样率。 

输入信号S可以是音频信号，但它可以是包括样本序列的任何信号。 

图4示出了根据本发明的混和工艺。图4中示出的流程图示出了与图3中的***相连的工艺并且它的含义不言自明。 

图5示出了根据本发明的具有混和的***。提供两个输入信号S，导前S和滞后S。导前信号通过第一延迟线并且在第一分支中被提供给具有输出“修改的S”的时间延续修改模块，并且通过在另一个分支中的具有输出“延迟的S”的第二、固定延迟线模块。例如，在启动时第一延迟线的延迟值是零，或者在延迟中的可能变化之前，需要与延迟相应的正数个样本。注意相同的延迟缓冲区用于延迟具有两个不同的延迟的信号。第二延迟线的延迟被设置，从而使“延迟的S”和“滞后S”同时发生。持续时间修改模块由来自控制单元100的控制信号c1控制。当达到目标延迟时，第二开关SW2可以连接修改的S或者延迟的S。该开关由来自控制模块100的控制信号c2控制。当达到目标延迟时，可以决 定从延迟的S切换到滞后S。该开关由来自控制单元100的控制信号c3控制，并且可以通过用户请求启动或者自动启动。该***的输出是输出S。当没有达到目标延迟时，它与修改的S相应，以及如果达到目标延迟，它是延迟的S或者滞后S，取决于来自控制单元100的控制信号c3。 

简单来说，一种***被描述为用于混和信号，包括时间修改，该时间修改适于接收第一输入信号(导前S)并且提供时间修改的输出信号(03)；第二开关SW2，该第二开关SW2适于选择修改的输出信号(03)或者第二输入信号(滞后S)并且提供输出混和的信号(输出S)。 

一种用于混和信号的***，可以进一步包含控制单元100，该控制单元100适于提供第一控制信号c1，第一控制信号c1用于控制持续时间修改模块M；第二控制信号c2，第二控制信号c2用于控制第一开关SW1，以及第三控制信号c3，第三控制信号c3用于控制第二开关SW2。 

所建议的应用可以实现为软件模块。它要求特别包括以下组件： 

·至少两个音频信号，其中第一个是“导前”音频信号； 

·先进先出(FIFO)寄存器用于延迟导前音频信号； 

·修改导前音频信号，或者其延迟版本的持续时间的可能性，如修改采样率； 

·从延迟线的输出切换到持续时间修改模块的输出。 

本申请可以用于混合无线电广播设备，其中，例如，FM和DAB广播都是可用的，导致导前FM音频信号和优选的DAB音频信号。在目前的无线电广播设备中，若干秒之后DAB音频信号才可用，并且在启动时间内没有音频输出。本发明建议当导前FM音频信号可用时可以立刻开始音频回放。所建议的发明可以装满或者耗尽现有的延迟缓冲区以调整广播之间的时间匹配。 

甚至，本申请适于在汽车收音机中实现，因为汽车的位置经常改变并且接收信号相应地改变方向。 

值得注意的是本发明的保护范围不限于在这里描述的实施例。本发明的保护范围也不受限于权利要求中的附图标记。术语″包括″并不排除权利要求中提到的元件以外的部分。元件前面的“一种”不排除那些元件的复数。形成本发明的单元可以以专用硬件的形式实现或者以编程的目标 处理器的形式实现。本发明存在于各个新的特征或者特征的组合中。 

Claims (10)

1.一种时间修改***，其特征在于，包括：

-延迟模块(D)，用于接收输入信号(S)，该输入信号(S)包括在输入采样率下的一系列数字样本，延迟模块(D)提供延迟的输出信号(延迟的S)；

-持续时间修改模块(M)，用于接收输入信号(S)或者其延迟版本，并提供修改的输出信号(修改的S)；

-第一开关(SW1)，用于选择延迟的输出信号(延迟的S)或者修改的输出信号(修改的S)。

2.根据权利要求1所述的时间修改***，其特征在于，持续时间修改模块(M)适于改变输入信号(S)或者其延迟版本的持续时间，并维持输入信号频谱特性。

3.根据权利要求1所述的时间修改***，其特征在于，持续时间修改模块(M)适于再采样输入信号(S)或者其延迟版本到比输入信号(S)更低的采样率。

4.根据前述任一权利要求所述的时间修改***，其特征在于，输入信号(S)是音频信号。

5.一种用于混合信号的***，其特征在于，包括：

-根据前述任一权利要求所述的时间修改***，该时间修改***适于接收第一输入信号(导前S)或者其延迟版本(O5)，并且提供时间修改的输出信号(O3)，

-第二开关(SW2)，该第二开关(SW2)适于选择修改的输出信号(O3)或者第二输入信号(滞后S)并且提供输出混和的信号(输出S)。

6.一种根据权利要求5所述的用于混和信号的***，其特征在于，还包括控制单元(100)，该控制单元(100)适于提供

-第一控制信号(c1)，用于控制持续时间修改模块(M)；

-第二控制信号(c2)，用于控制第一开关(SW1)；以及

-第三控制信号(c3)，用于控制第二开关(SW2)。

7.一种用于时间修改输入信号(S，导前S)的方法，其特征在于，输入信号(S，导前S)包括一系列数字样本，所述方法包括以下步骤：

-延迟输入信号(S)并且提供延迟的输出信号(延迟的S)；

-时间修改输入信号(S)或者其延迟版本，提供修改的输出信号(修改的S)；

-判定是否已经达到目标延迟；并且

-选择延迟的输出信号(延迟的S)或者修改的输出信号(修改的S)并且发送到输出(O3)。

8.一种根据权利要求7所述的用于时间修改输入信号(S，导前S)的方法，其特征在于，还包括以下步骤：

-接收第二信号(滞后S)，

-提供第二控制信号(c2)用于选择时间修改的输出信号(O3)，或者第二信号(滞后S)。

9.一种接收机，其特征在于，包括根据权利要求5或6所述的***，该***用于混和音频信号。

10.一种根据权利要求7或8所述的方法，其特征在于，所述方法用于在接收机中时间修改输入信号，并且所述方法在汽车无线接收机中使用。