CN1508677A - 数字音讯取样的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种数字音讯取样的方法，包含安装一软件程序于一电脑内，用以藉由内置的加权最小均方根演算法来计算一取样速率转换(SRC)滤波器的脉冲响应。该加权最小均方根演算法也可配置在一数字信号处理器或一特定集成电路内，藉以执行，并不限定于只经由上述电脑来执行。如此，本发明可效地极小化软件配置时所需的计算次方。一种数字音讯取样的方法其特征在于包含将一使用加权最小均方根演算法来计算一取样速率转换(SRC)滤波器的脉冲响应的软件程序安装在一电脑内，其中，上述脉冲响应的相关频谱在一取样频率的倍数处具有波谷(notches)，可供该SRC滤波器使用以进一步产生想要的频率响应。

Description

数字音讯取样的方法

技术领域

本发明是有关于一种数字音讯取样的方法，其使用加权最小均方根演算法以展开要配置一SRC的脉冲响应时所需的系数。

背景技术

在实际音讯应用例之中，如图1所示，一数字混音器15现在可将来自例如一音效卡11、一音源机12、一光碟播放器13及一卡匣播放器14的许多音讯，以不同取样速率的混合，并藉此透过一后端电路16及左右各一扬声器17、18，以享受更多彩多姿的数字音讯。转换这些数字音讯资料至所需的取样速率是混音器的主要功能。图2是一32划取样速率的波形图。图3是一藉由不连续傅利叶转换(DFT)所产生的图1波形的频率响应图。图4是取样频率为512赫兹时所产生的图1的频率响应图。图5是一用以改变取样速率(例如，从图2的32赫兹至图3的512划)的取样速率转换器(SRC)的方块图。在图5中，实务上，为了简化计算起见，取样速率转换是在时间领域上执行。如图5所示，在时间T时，输入资料X_K经过一用以在每一对样本间***零的内插装置41、一用以执行回旋计算(DFT)的低通滤波器及一用以产生上述回旋计算所需的时间刻度的定标器43，因而产生一输出值Y_K。为了在一输位式混音***中安装这样的SRC功能，典型的方式是使用一有限脉冲响应低通滤波器(此后，称之为FIR滤波器)。使用上述内插计算以取得在取样点间的信号振幅资讯的超取样法是为FIR滤波器设计领域中的主要兴趣，尤其是产生用于超取样法中的脉冲响应。传统上是利用Remez互换演算法来达成。然而，在以最少计算次方来产生最佳化FIR滤波器的设计中，这个演算法既复杂又不容易安装于软件计算中。

发明内容

有鉴于此，本发明的一个目的是提供一种数字音讯取样的方法，其使用加权最小均方根演算法以展开要配置一SRC的脉冲响应时所需的系数。

一种数字音讯取样的方法，包括将一使用加权最小均方根演算法来计算一取样速率转换(SRC)滤波器的脉冲响应的软件程序安装在一电脑内，其中，上述脉冲响应的相关频谱在一取样频率的倍数处具有波谷(notches)，可供该SRC滤波器使用以进一步产生想要的频率响应。

所述的数字音讯取样的方法，其中该加权最小均方根演算法配置于一数字信号处理器。

所述的数字音讯取样的方法，其中该加权最小均方根演算法配置于一专用的集成电路。

所述的数字音讯取样的方法，其中该脉冲响应是以方程式 $a={\left(U^T\mathrm{RU}\right)}^{-1}{U}^{T}R\hat{H}$ 表示，其中，

是想要的频率响应，U是滤波函数，R是一其对角线是想要的最小均方根加权值的对角矩阵，及T是反转运算(reverse operation)。

所述的数字音讯取样的方法，其中，所述U、R及

可以下列方程式表示：

$\hat{H}={[\hat{H}\left(z_1\right),\hat{H}\left(z_2\right),\…]}^T------\left(7\right)$

$R=\left[\begin{array}{cccc}{r}_1& 0& \…& 0\\ 0& r_2& 0& \…\\ \…& 0& \…& 0\\ 0& \…& 0& \…\end{array}\right]--------\left(9\right)$

$U=\left[\begin{array}{ccccc}1,& z_1^{-1},& z_2^{-2},& \…,& z_1^{-N}\\ 1,& z_2^{-1},& z_2^{-2},& \…,& z_2^{-N}\\ \…& \…& \…& \…& \…\\ \…& \…& \…& \…& \…\end{array}\right]--------\left(5\right)$

其中，r₁、r₂、...为该最小均方根加权函数；z为傅利叶转换函数，用以转换时间领域上的外部输入音讯信号成为频率领域上所要的频率响应，以及当i＝1到N且N代表有限脉冲响应(FIR)低通滤波器的长度时，z_i+1＞z_i。

一种具有一数字音讯取样方法的混音器，该数字音讯取样方法包含一使用加权最小均方根演算法来计算脉冲响应的装置(means)，该混音器包括：

复数个并行的SRC滤波器，每个滤波器具有一或更多脉冲响应，且每个滤波器连接至一外部不同音讯来源，以接收该外部不同音讯来源的样本并将该一或更多脉冲响应与该样本进行回旋运算，以产生想要的输出系数来形成想要的频率响应；及

一加法器，连接至该复数个并行的SRC滤波器，以结合各输出系数来产生一音讯输出。

所述的具有一数字音讯取样方法的混音器，其中，该装置(means)是一安装着该加权最小均方根演算法的数字信号处理器。

所述的具有一数字音讯取样方法的混音器，其中，该装置(means)是一安装着该加权最小均方根演算法的专用集成电路。

所述的具有一数字音讯取样方法的混音器，其中，该样本以方程式 $a={\left(U^T\mathrm{RU}\right)}^{-1}{U}^{T}R\hat{H}$ 表示，其特征在于， 是想要的频率响应，U是滤波函数，R是一其对角线是想要的最小均方根加权值的对角矩阵，及T是反转运算(reverseoperation)。

所述的数字音讯取样的方法，其中，上述U、R及 可以下列方程式表示：

$\hat{H}={[\hat{H}\left(z_1\right),\hat{H}\left(z_2\right),\…]}^T-------\left(7\right)$

$R=\left[\begin{array}{cccc}{r}_1& 0& \…& 0\\ 0& r_2& 0& \…\\ \…& 0& \…& 0\\ 0& \…& 0& \…\end{array}\right]---------\left(9\right)$

$U=\left[\begin{array}{ccccc}1,& z_1^{-1},& z_2^{-2},& \…,& z_1^{-N}\\ 1,& z_2^{-1},& z_2^{-2},& \…,& z_2^{-N}\\ \…& \…& \…& \…& \…\\ \…& \…& \…& \…& \…\end{array}\right]--------\left(5\right)$

其中，r₁、r₂、...为该最小均方根加权函数；z为傅利叶转换函数，用以转换时间领域上的外部输入音讯信号成为频率领域上所要的频率响应，以及当i＝1到N且N代表有限脉冲响应(FIR)低通滤波器的长度时，z_i+1＞z_i。先进先出要求是任一先进先出写入要求。

根据本发明，本数字音讯取样的方法包含安装一软件程序于一电脑内，用以藉由内置的加权最小均方根演算法来计算一取样速率转换(SRC)滤波器的脉冲响应。藉此，整体发明可效地极小化软件配置时所需的计算次方。

附图说明

图1为公知技术中一个典型数字音讯***的方块图；

图2为公知技术中一32赫兹取样速率的波形图；

图3为公知技术中由不连续傅利叶转换(DFT)所产生的图1波形的频率响应图；

图4为公知技术中取样频率为512赫兹时所产生的图1的频率响应图；

图5为公知技术中一用以改变取样速率的取样速率转换器(SRC)的方块图；

图6为本发明一数字混音器方块图；

图7为一使用公知方式与本发明加权最小均方根方式进行最佳化所产生的滤波器频率响应的比较图。

符号说明

11  音效卡

12  音源机

13  光碟播放器

14  卡匣播放器

15  数字混音器

16  后端电路

17  左扬声器

18  右扬声器

41  内插装置

42  低通滤波器

43  定标器

61  有限脉冲响应低通滤波器(FIR滤波器)

62  加法器

65  混音器

具体实施方式

全文中，类似元件功能以相同元件编号来代表。

图6为一本发明数字混音器方块图。在图6中，所有输入的数字音讯资料D1-Dn是在经过各自对应的取样速率转换器(SRC)有限脉冲响应(FIR)低通滤波器61(今后简称为FIR滤波器)后，由加法器62混音，藉以产生一输出波形。如图6所示，上述FIR滤波器61及加法器62形成一混音器65。混音器65的配置是与公知的架构相同，但是在关键性FIR滤波器的配置方法上是使用加权最小均方根演算法。使用加权最小均方根演算法所产生的本发明FIR滤波器的频率响应可以公式(1)表示于下：

$P\left(z\right)=\underset{n=0}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{p}_n{z}^{-n}--------\left(1\right)$

其中，P(Z)是傅利叶转换函数(此后称之为Z函数)，系数p_n是FIR滤波器的脉冲响应，其中N是FIR滤波器的长度(阶度)。令 为想要的FIR滤波器频率响应而频率响应误差函数E为：

$E\left(z\right)=\underset{n=0}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{p}_n{z}^{-n}-\hat{H}\left(z\right)------\left(2\right)$

方程式(2)可评量于一线性分布从ω＝0到л的频率密度格点上。对于一具有长度N的FIR滤波器而言，4N频率格点就足以表示滤波器的功效。若频带边缘未落在所设的频率格点上时，就须要增加额外的格点以对应上述遗漏的频带边缘。此时，可以下列向量方程式来表示：

$E=U_0-\hat{H}-------\left(3\right)$

其中

E＝[E(z₁)，E(z₂)，...]^T

                                     (4)

$U=\left[\begin{array}{ccccc}1,& z_1^{-1},& z_2^{-2},& \…,& z_1^{-N}\\ 1,& z_2^{-1},& z_2^{-2},& \…,& z_2^{-N}\\ \…& \…& \…& \…& \…\\ \…& \…& \…& \…& \…\end{array}\right]-------\left(5\right)$

a＝[p₀，...，p_N]^T

                                     (6)

$\hat{H}={[\hat{H}\left(z_1\right),\hat{H}\left(z_2\right),\…]}^T------\left(7\right)$

其中z_i+1＞z_I。

在本发明加权最小均方根方法的设计中，∑_n{r_nE(z_n)²)被极小化，其中，r_n是最小均方根加权值(least square weighting value)。最佳化的解决方案可使用下列方程式来表示：

$a={\left(U^T\mathrm{RU}\right)}^{-1}{U}^{T}R\hat{H}------\left(8\right)$

其中R可表示成如下的一个对角线矩阵，只在对角线具有函数值r₁、r₂、…：

$r=\left[\begin{array}{cccc}{r}_1& 0& \…& 0\\ 0& r_2& 0& \…\\ \…& 0& \…& 0\\ 0& \…& 0& \…\end{array}\right]----------\left(9\right)$

一线性相位低通滤波器的范例，其使用一指数函数代入上述方程式(1)-(9)的线性相他项中，并与公知技术做比较，其比较结果示于图7。上述比较基准为取样频率之频带边缘在0.15、滤波器长度为51且所有对角线值为1的条件下。从图7中可看到，使用本发明最小均方根方式所配置的滤波器具有远小于公知方式的履波振荡音量(ripple magneitude)。又，使用本发明最小均方根方式所配置的滤波器在靠近频带边缘处的效率，在靠近频带边缘处使用一较大的r_n值时，相较其它地方可减少更多的效率损耗进而显着地增加此处执行的效率。这是本发明采用最小均方根技术的重点所在。

如上所述，本发明数字音讯取样的方法包含安装一软件程序于一电脑内，用以藉由内置的加权最小均方根演算法来计算一取样速率转换(SRC)滤波器的脉冲响应。该加权最小均方根演算法也可配置在一数字信号处理器或一特定集成电路内，籍以执行，并不限定于只经由上述电脑来执行。如此，本发明可效地极小化软件配置时所需的计算次方。

Claims (10)

1.一种数字音讯取样的方法，其特征在于将一使用加权最小均方根演算法来计算一取样速率转换(SRC)滤波器的脉冲响应的软件程序安装在一电脑内，其中，上述脉冲响应的相关频谱在一取样频率的倍数处具有波谷(notches)，可供该SRC滤波器使用以进一步产生想要的频率响应。

2.如权利要求1所述的数字音讯取样的方法，其特征在于该加权最小均方根演算法配置于一数字信号处理器。

3.如权利要求1所述的数字音讯取样的方法，其特征在于，该加权最小均方根演算法配置于一专用的集成电路。

4.如权利要求1所述的数字音讯取样的方法，其特征在于，该脉冲响应是以方程式 $a=(U^T\mathrm{RU}{)}^{-1}{U}^{T}R\hat{H}$ 表示，其中，

是想要的频率响应，U是滤波函数，R是一其对角线是想要的最小均方根加权值的对角矩阵，及T是反转运算(reverse operation)。

5.如权利要求4所述的数字音讯取样的方法，其特征在于，所述U、R及

可以下列方程式表示：

$\hat{H}=[\hat{H}\left(z_1\right),\hat{H}\left(z_2\right),\…{]}^T---------\left(7\right)$

$R=\left[\begin{array}{cccc}{r}_1& 0& \…& 0\\ 0& r_2& 0& \…\\ \…& 0& \…& 0\\ 0& \…& 0& \…\end{array}\right]---------\left(9\right)$

$U=\left[\begin{array}{ccccc}1,& z_1^{-1},& z_2^{-2},& \…,& z_1^{-N}\\ 1,& z_2^{-1},& z_2^{-2},& \…,& z_2^{-N}\\ \…& \…& \…& \…& \…\\ \…& \…& \…& \…& \…\end{array}\right]--------\left(5\right)$

其中，r₁、r₂、...为该最小均方根加权函数；z为傅利叶转换函数，用以转换时间领域上的外部输入音讯信号成为频率领域上所要的频率响应，以及当i＝1到N且N代表有限脉冲响应(FIR)低通滤波器的长度时，z_i+1＞z_i。

6.一种具有一数字音讯取样方法的混音器，该数字音讯取样方法包含一使用加权最小均方根演算法来计算脉冲响应的装置(means)，其特征在于该混音器包括：

复数个并行的SRC滤波器，每个滤波器具有一或更多脉冲响应，且每个滤波器连接至一外部不同音讯来源，以接收该外部不同音讯来源的样本并将该一或更多脉冲响应与该样本进行回旋运算，以产生想要的输出系数来形成想要的频率响应：及

一加法器，连接至该复数个并行的SRC滤波器，以结合各输出系数来产生一音讯输出。

7.如权利要求6所述的具有一数字音讯取样方法的混音器，其特征在于，该装置(means)是一安装着该加权最小均方根演算法的数字信号处理器。

8.如权利要求6所述的具有一数字音讯取样方法的混音器，其特征在于，该装置(means)是一安装着该加权最小均方根演算法的专用集成电路。

9.如权利要求7所述的具有一数字音讯取样方法的混音器，其特征在于，该样本以方程式 $a=(U^T\mathrm{RU}{)}^{-1}{U}^{T}R\hat{H}$ 表示，其特征在于，

是想要的频率响应，U是滤波函数，R是一其对角线是想要的最小均方根加权值的对角矩阵，及T是反转运算(reverse operation)。

10.如权利要求9所述的数字音讯取样的方法，其特征在于，上述U、R及

可以下列方程式表示：

$\hat{H}={[\hat{H}\left(z_1\right),\hat{H}\left(z_2\right),\…]}^T-------\left(7\right)$

$R=\left[\begin{array}{cccc}{r}_1& 0& \…& 0\\ 0& r_2& 0& \…\\ \…& 0& \…& 0\\ 0& \…& 0& \…\end{array}\right]----------\left(9\right)$

$U=\left[\begin{array}{ccccc}1,& z_1^{-1},& z_2^{-2},& \…,& z_1^{-N}\\ 1,& z_2^{-1},& z_2^{-2},& \…,& z_2^{-N}\\ \…& \…& \…& \…& \…\\ \…& \…& \…& \…& \…\end{array}\right]-------\left(5\right)$

其中，r₁、r₂、...为该最小均方根加权函数；z为傅利叶转换函数，用以转换时间领域上的外部输入音讯信号成为频率领域上所要的频率响应，以及当i＝1到N且N代表有限脉冲响应(FIR)低通滤波器的长度时，z_i+1＞z_i。先进先出要求是任一先进先出写入要求。

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