用于设计过采样低延迟滤波器组的方法和设备

相关申请的交叉引用

本申请要求2021年11月30日提交的美国临时申请第63/284,172号和2022年10月26日提交的美国临时申请第63/419,627号的优先权。

技术领域

本文件涉及一种用于设计过采样低延迟滤波器组的方法和对应设备，该滤波器组表现出精确的频带分离和/或低的通道内通带波纹。

背景技术

数字滤波器组是两个或更多个并行数字滤波器的集合。分析滤波器组将输入信号分成多个单独的信号，这些单独的信号被称为子带信号或频谱系数。当每单位时间的子带样本的总数与输入信号的相同时，对滤波器组进行临界采样或最大抽取。所谓的合成滤波器组将子带信号组合成输出信号。

临界采样滤波器组设计中的问题是任何改变子带样本或频谱系数的尝试，(例如，通过应用均衡增益曲线或通过量化采样)，通常在输出信号中呈现混叠伪像。因此，当子带样本经受子带处理时减少这种伪像的滤波器组设计是期望的。

减少混叠伪影的一种可能方法是使用过采样(即，未临界采样的)滤波器组。然而，过采样滤波器组的直接设计可能导致不同子带之间的频带分离受损。

本公开解决了提供如下滤波器组的技术问题，该滤波器组关于混叠伪像是鲁棒的并且表现出精确的频带分离和/或低的通道内通带波纹(在各个子带内)。技术问题由独立权利要求解决。在从属权利要求中描述了优选的示例。

发明内容

根据一个方面，描述了一种用于确定用于构建M通道(低延迟和/或子采样)分析/合成滤波器组的非对称原型滤波器p

M个分析滤波器可形成分析滤波器组，其可用于基于输入(音频)信号确定M个子带信号。该子带信号可以抽取因子S被抽取，其中S

M个抽取后子带信号可以被处理(例如，使用一个或多个均衡滤波器和/或系数)，从而提供M个抽取后的、可能被处理的子带信号。这些子带信号可以抽取因子S被上采样，然后可以使用合成滤波器组的M个合成滤波器来处理，从而提供处理后的(音频)信号。因此，分析/合成滤波器组可以是过采样滤波器组。

所述方法包括以下步骤：确定滤波器组的目标传递函数，所述目标传递函数包括目标延迟D。典型地，选择小于或等于N的目标延迟D。该方法还包括以下步骤：包括传递函数误差项e

典型地，确定复合目标函数e

复合目标函数e

αe

其中e

其中，P(ω)e

其中H

混叠误差项e

其中，对于z＝e

为在单位圆上估算的第l混叠增益项，W＝e

确定复合目标函数e

对于分析滤波器组的M个分析滤波器，

其中n＝0…N-1；以及

对于合成滤波器组的M个合成滤波器，

其中n＝0…N-1。

分析滤波器和合成滤波器还可以使用复指数调制被确定为：

对于分析滤波器组的M个分析滤波器，

其中n＝0…N-1，A为任意常数；以及

对于合成滤波器组的M个合成滤波器，

其中n＝0…N-1。

确定复合目标函数e

将预定数量的通道设置为零的目的是将滤波器组呈现为均衡的极端形式，其通常将表现为强混叠，即，混叠误差项e

在这种情况下，确定复合目标函数e

如上所述，可以确定用于过采样滤波器组的原型滤波器。可以看出，在原型滤波器p

波瓣宽度项可以取决于指示两个相邻子带通道之间的过渡的过渡频率范围内原型滤波器p

波瓣宽度项可取决于或可对应于

其中，P

复合目标函数e

可以使用大于由分析和/或合成滤波器组使用的抽取因子S的辅助抽取因子来确定减小复合目标函数e

具有稳健混叠性能的非对称低延迟分析/合成滤波器组的确定可能导致不同分析和/或合成滤波器的个体通带的频率响应中的波纹增加。为此，除了传递函数误差项e

波纹项可取决于原型滤波器p

脉动项可取决于或可对应于

其中P

复合目标函数e

在优选示例中，复合目标函数e

该方法可以包括使用该N个系数配置非对称原型滤波器p

根据进一步的方面，描述了一种用于确定在包括M个分析滤波器h

该设备可被配置为确定该分析和/或合成滤波器组的目标传递函数，所述目标传递函数包括目标延迟D。此外，该设备可被配置为确定包括传递函数误差项e

根据进一步的方面，描述了一种被配置为处理音频信号的系统，其中该系统包括一个或多个处理器，以及存储指令的非暂时性计算机可读介质，该指令在由所述一个或多个处理器执行时使得所述一个或多个处理器执行本文描述的方法的操作。

根据另一方面，描述了一种用于处理音频信号的方法。该方法包括通过利用过采样分析滤波器组的M个分析滤波器对所述音频信号进行滤波来确定多个子带信号；处理所述多个子带信号以生成多个处理后的子带信号；以及通过利用过采样合成滤波器组的M个合成滤波器对所述多个处理后的子带信号进行滤波来确定处理后的音频信号。该M个分析滤波器和所述M个合成滤波器可以是通过使用文中所述方法确定的非对称原型滤波器p

根据进一步的方面，描述了一种用于处理音频信号的音频信号处理设备。该音频处理设备被配置为通过利用过采样分析滤波器组的M个分析滤波器对所述音频信号进行滤波来确定多个子带信号；处理所述多个子带信号以生成多个处理后的子带信号；以及通过利用过采样合成滤波器组的M个合成滤波器对所述多个处理后的子带信号进行滤波来确定处理后的音频信号。

应指出，本文描述的方法均可以全部或部分地在一个或多个处理器上以软件和/或计算机可读代码实现。

根据进一步的方面，描述了一种软件程序。软件程序可以适于在处理器上执行，并且当在处理器上实行时用于执行本文中概述的方法步骤。

根据另一方面，描述了一种存储介质。存储介质可以包括软件程序，该软件程序适于在处理器上执行，并且当在处理器上实行时用于执行本文中概述的方法步骤。

根据进一步的方面，描述了一种计算机程序产品。计算机程序可以包括可执行指令，该可执行指令在计算机上执行时用于实现本文中概述的方法步骤。

根据进一步的方面，描述了一种非暂时性计算机可读介质，其存储指令，所述指令在由一个或多个处理器执行时使所述一个或多个处理器执行本文描述的任何方法的操作。

应指出，包括如本专利申请中概述的其优选实施例的方法和系统可以独立地使用，或与本文公开的其它方法和系统结合使用。此外，本专利申请中概述的方法和系统的所有方面可被任意组合。特别地，权利要求的特征可被以任意方式彼此组合。

附图说明

下面将参照附图以示例性的方式解释本发明，其中：

图1示出了使用抽取因子S的具有M个通道或子带的示例性的被抽取滤波器组；以及

图2示出了用于使用滤波器组处理音频的示例方法的流程图。

具体实施方式

如上所述，本公开针对设计如下低延迟过采样滤波器组，该滤波器组关于混叠伪像是鲁棒的，表现出不同子带或通道之间的精确频带分离，和/或表现出低的通带波纹。在此上下文中，图1示出了使用抽取因子S的具有M个通道或子带的被抽取滤波器组。

滤波器组100的分析部分101从输入信号X(z)生成子带信号V

重新组合子带信号V

遵照图1的注释，不同分析滤波器H

X

其中k＝0,…,M-1。抽取器104，也被称为下采样单元，给出输出

其中W＝e

并且使用式(3)，从不同的合成滤波器106获得的信号的总和可被写为：

其中：

是第l混叠项X(zW

式(6)的右手侧(RHS)的最后总和构成所有不想要的混叠项的总和。消除所有混叠，即通过适当选择H

其中：

为总传递函数或失真函数。式(8)示出，取决于H

T(z)＝cz

其代入式(7)，给出

满足式(10)的滤波器类型可以说具有完全重构(PR)特性。如果不能完全满足式(10)，而是近似地满足，则滤波器是近似完全重构滤波器的类别。

下文描述了一种用于从原型滤波器设计分析和合成滤波器组101，102的方法。所得到的滤波器组被称为余弦调制滤波器组。在余弦调制滤波器组的传统理论中，分析滤波器h

其中M是滤波器组100的通道数，N是原型滤波器的阶数。

上述余弦调制分析滤波器组101对于实值输入信号产生实值子带样本。如果使用因子S＝M对子带样本进行下采样，则对系统进行临界采样。取决于原型滤波器的选择，滤波器组可以构成近似完全重构系统，尤其是所谓的伪QMF滤波器组，或者完全重构(PR)系统。使用对称原型滤波器的传统余弦调制滤波器组的总延迟或系统延迟是N。

为了获得具有较低系统延迟的滤波器组系统，在常规滤波器组中使用的对称原型滤波器可由非对称原型滤波器代替。在现有技术中，非对称原型滤波器的设计被局限于具有完全重构(PR)特性的系统。然而，由于设计原型滤波器时的有限的自由度，完全重构约束对例如均衡系统中使用的滤波器组施加了限制。应指出，对称原型滤波器具有线性相位，即，它们在所有频率上具有恒定的群延迟。另一方面，非对称滤波器通常具有非线性相位，即，它们具有可随频率变化的群延迟。

在使用非对称原型滤波器的滤波器组系统中，分析和合成滤波器可以分别写为：

其中p

然而，应指出，当使用本文中概述的滤波器设计方案时，可以确定使用不同分析和合成原型滤波器的滤波器组。

余弦调制的一个固有特性是每个滤波器具有两个通带：一个在正频率范围内，一个对应的通带在负频率范围内。可以验证，所谓的主混叠项或显著混叠项出现于滤波器负通带与正通带的频率调制版本之间的频率重叠、或相互地，出现于滤波器正通带与负通带的频率调制版本之间的频率重叠。(13)和(14)式中的最后项，即

可以通过使用基于余弦调制到复指数调制的扩展的所谓的复指数调制滤波器组来实现主混叠项的移除。这样的扩展产生了分析滤波器h

这可以被视为向实值滤波器组添加虚部，其中虚部由相同原型滤波器的正弦调制版本组成。考虑实值输入信号，来自滤波器组101的输出可被解释为一组子带信号(对于一组对应的子带通道)，其中实部和虚部彼此互为希尔伯特变换。由此产生的子带(近似地)是从余弦调制滤波器组获得的实值输出的分析信号。然而，这对于子带通道0和M-1是无效的，因为这些通道的频率响应过渡到负频率。取决于滤波器组设计，其他子带通道也可以具有过渡到负频率的频率响应(诸如，复指数调制修正离散余弦变换，CMDCT)，但是对于具有主要与其最近邻域重叠的通道频率响应的精心设计的复指数调制伪正交镜像滤波器(CQMF)组，上述说法可以是成立的。由于复值表示，子带信号被以至少因子2(取决于S的选择)过采样。

合成滤波器以相同的方式扩展，如下：

式(15)和(16)暗示来自合成组的输出是复值的。使用矩阵符号，其中C

y＝(C

从式(17)中可以看出，实部包括两个项：来自余弦调制滤波器组的输出和来自正弦调制滤波器组的输出。可以验证，如果余弦调制滤波器组具有PR特性，则其正弦调制版本(具有符号的改变)也构成PR系统。因此，通过取输出的实部，复指数调制系统提供与对应的余弦调制系统相同的重构精度。

复指数调制系统可以被扩展以处理复值输入信号。通过将通道的数量扩展到2M，即通过为负频率添加滤波器，并且通过保持输出信号的虚部，获得用于复值信号的伪QMF或PR系统。

应指出，复指数调制滤波器组对于正频率范围中的每个滤波器仅具有一个通带。因此，它没有主混叠项。不存在主混叠项使得来自余弦(或正弦)调制滤波器组系统的混叠抵消约束在复指数调制系统中过时。因此，分析和合成滤波器可被给出为

以及

其中A是任意(可能为零)常数，并且如前所述，M是通道的数量，N是原型滤波器长度，并且D是系统延迟。通过使用A的不同值，可以获得分析和合成滤波器组101，102的更高效实现，即复杂性降低的实现。

在呈现用于优化原型滤波器的方法之前，概括了所公开的滤波器组设计方法。基于对称或非对称原型滤波器，可以例如通过使用余弦函数或复指数函数调制原型滤波器来生成滤波器组。用于分析和合成滤波器组的原型滤波器可以是不同的或相同的。当使用复指数调制时，主混叠项消失，从而降低了对所得滤波器组的子带信号的修改的混叠敏感性。此外，当使用非对称原型滤波器时，可以减小滤波器组的总系统延迟。还示出了当使用复指数调制滤波器组时，得自实值输入信号的输出信号可以通过取滤波器组的复值输出信号的实部来确定。

下面详细描述用于优化原型滤波器的方法。根据需要，优化可以针对增加重构精度，即，减少混叠和线性失真的组合，在减小对混叠的灵敏度，减小系统延迟，减小相位失真，和/或减小线性失真。为了优化原型滤波器p

参考式(4)，输出信号

符号

其中使用输入信号x(n)是实值的，即X

其中：

以及W＝e

式(23)表示优化方案中使用的混叠增益项。可以从式(23)中观察到

具体地，对于实值系统

这将式(23)简化为：

为了改善非对称原型滤波器的混叠项最小化，为了在具有下采样因子S＜M的M通道滤波器组系统中使用，优选目标函数可表示为：

e

其中总误差e

其中P(ω)是定义通带和阻带范围的对称实值函数，并且D是总系统延迟。换句话说，P(ω)描述了期望的幅度传递函数。在一个优选的例子中，P(ω)＝1。在最一般情况下，这样的传递函数包括作为频率ω的函数的幅值。对于实值系统，式(28)简化为

目标函数P(ω)和目标延迟D可以被选择为优化过程的输入参数。该表达式P(ω)e

总混叠e

总之，用于确定原型滤波器p

滤波器组通道k的子集可被设为零，例如，滤波器组通道的上半部可被赋予零增益。因此，滤波器组被触发以产生大量的混叠。该混叠随后将通过该优化过程被最小化。换句话说，通过将一定数量的滤波器组通道设置为零，将引起混叠以产生混叠误差e

在使用下采样因子S(S

为了结合式(32)的度量，式(27)可以改变为，例如，

e

其中β是(相对较小的)加权系数。

缓解变宽的主瓣的另一种方法可以是与在滤波器组100的实际部署期间将使用的下采样因子S的值相比，在原型滤波器的优化阶段期间使用增大的下采样因子S的值(从而减小原型滤波器的主瓣)。

通过更加侧重限制所得滤波器组的混叠来对受等待时间约束的非对称原型滤波器进行优化可能得到如下的原型滤波器，因此得到如下的调制滤波器组通道，其在频率响应中朝向与相邻通道的交叉频率点具有相对大的过冲(over shoot)(而不是在频率响应中具有从中频逐渐减弱的圆化的主波瓣)。为了防止此效应，可在总误差函数中添加附加的惩罚项，其中与在中频(即，对于原型滤波器P

其中γ是指示允许的过冲的正的常数，并且其中符号(·)

e

其中δ是加权系数，其与β相比可以相对较大，以严格地防止幅值过冲值超过γ|P

在一个示例中，用于通过具有M个通道、使用滤波器长度N的原型滤波器、具有系统延迟D、并且针对某个下采样因子S被优化的复调制滤波器组对时域信号进行滤波的步骤可被描述如下：

·为了以高效的方式操作滤波器组，原型滤波器p

p′

0≤n＜2M,0≤m

·分析阶段开始于将滤波器的多相表示应用于时域信号x(n)，以产生长度为2M的向量x

·x

其中，v

·然后，可以例如根据一些期望的、可能时变的和复值的均衡曲线g

·合成阶段开始于对修正后子带信号的解调步骤，如下：

应指出，式(37)和(39)的调制可以通过使用快速傅立叶变换(FFT)内核的算法以计算高效的方式来实现。

·根据下式，利用原型滤波器的多相表示对经解调的样本进行滤波，并将其累积为输出时域信号

其中在开始时

上文所描述的滤波器组可应用于基于通道或基于对象的音频处理，包括音频编码，传输和/或解码，其中对一个或更多个输入音频信号进行编码以产生编码输出，或其中对一个或更多个编码输入进行解码以产生输出音频信号。

图2是用于使用过采样低延迟滤波器组100来处理音频的示例方法200的流程图。方法200可以由包括一个或更多个计算机处理器的系统执行。流程图中所示的一个或更多个步骤可以是可选步骤。

方法200可针对确定在M通道(过采样)分析和/或合成滤波器组101，102中使用的非对称原型滤波器p

方法200包括确定201包括目标延迟D的分析和/或合成滤波器组101,102的目标传递函数，其中D通常小于或等于N。目标函数可能已经由方法200的用户(例如，经由用户界面)设置。

方法200还包括确定202可包括传递函数误差项e

传递函数误差项e

此外，方法200包括确定203非对称原型滤波器p

本文描述的系统的各方面可以在用于处理数字或数字化音频文件的适当的基于计算机的声音处理网络环境中实现。自适应音频系统的部分可以包括一个或多个网络，该一个或多个网络包括任何期望数量的个体机器，包括用于缓冲和路由在计算机之间传输的数据的一个或多个路由器(未示出)。这样的网络可以构建在各种不同的网络协议上，并且可以是因特网、广域网(WAN)、局域网(LAN)或其任何组合。

组件、块、过程或其他功能组件中的一个或多个可以通过控制系统的基于处理器的计算设备的执行的计算机程序来实现。还应指出，本文公开的各种功能可以根据它们的行为，寄存器传输，逻辑组件和/或其他特性使用硬件，固件的任意数量的组合来描述，和/或描述为体现在各种机器可读或计算机可读介质中的数据和/或指令。其中可体现这样的格式化数据和/或指令的计算机可读介质包括但不限于各种形式的物理(非暂时性)、非易失性存储介质，例如，光学、磁性或半导体存储介质。

虽然已经通过示例并且根据具体实施例描述了一个或多个实现，但是应当理解，一个或多个实现不限于所公开的实施例。相反，本领域的技术人员将会明白，希望覆盖各种修改和类似的布置。因此，所附权利要求的范围应被给予最宽泛的解释，以便涵盖所有此类修改和类似布置。

本发明的各个方面和实施方式还可以从以下列举的示例实施例(EEE)中理解，这些实施例不是权利要求。

EEE 1.一种用于确定在包括M个分析滤波器h

-确定(201)所述分析和/或合成滤波器组(101,102)的目标传递函数，所述目标传递函数包括目标延迟D；其中D小于或等于N；

-确定(202)包括传递函数误差项e

-确定(203)减小、特别是最小化复合目标函数e

EEE2.根据EEE 1所述的方法(200)，其中

-除了传递函数误差项e

-波瓣宽度项旨在减小原型滤波器p

EEE3.根据EEE 2所述的方法(200)，其中

-所述波瓣宽度项取决于在所得的分析和/或合成滤波器组(101，102)的两个相邻子带之间的过渡处的过渡频率范围内所述原型滤波器p

-所述波瓣宽度项取决于在所述过渡频率范围上所述原型滤波器p

EEE4.根据EEE 2至EEE3中任一项所述的方法(200)，其中所述波瓣宽度项取决于或对应于

其中，P

EEE5.根据EEE2至EEE4中任一项所述的方法(200)，其中复合目标函数e

EEE6.根据任何先前EEE的方法(200)，其中使用辅助抽取因子来确定减小复合目标函数e

EEE7.根据任何前述EEE的方法(200)，其中

-除了传递函数误差项e

-波纹项旨在限制和/或减少原型滤波器p

EEE8.根据EEE 7所述的方法(200)，其中

-所述波纹项取决于所述原型滤波器p

-所述波纹项取决于所述原型滤波器p

EEE9.根据EEE 7至EEE8中任一项所述的方法(200)，其中所述波纹项取决于或对应于

其中P

EEE10.根据EEE7至EEE9中任一项所述的方法(200)，其中所述复合目标函数e

EEE11.根据引用EEE2至EEE5的EEE7至EEE9中任一项所述的方法(200)，其中所述复合目标函数e

EEE12.根据任何前述EEE的方法(200)，其中确定(202)复合目标函数e

EEE13.根据EEE 11所述的方法(200)，其中

-确定(202)复合目标函数e

-确定(203)非对称原型滤波器p

EEE14.根据任何前述EEE的方法(200)，还包括：

-使用所述N个系数来配置(204)所述非对称原型滤波器p

-将所配置的非对称原型滤波器p

EEE15.根据任何前述EEE的方法(200)，还包括：

-使用余弦调制、正弦调制和/或复指数调制基于原型滤波器p

-使用所述分析和/或合成滤波器组(101，102)处理音频信号。

EEE16.一种用于确定在包括M个分析滤波器h

-确定所述分析和/或合成滤波器组(101,102)的目标传递函数，所述目标传递函数包括目标延迟D；其中D小于或等于N；

-确定包括传递函数误差项e

-确定减小、特别是最小化复合目标函数e

EEE17.一种用于处理音频信号的系统，包括：

一个或多个处理器：以及

存储指令的非暂时性计算机可读介质，所述指令在由所述一个或多个处理器执行时使所述一个或多个处理器执行根据EEE 1至EEE15中任一项所述的方法的操作。

EEE18.一种用于处理音频信号的方法，所述方法包括：

-通过利用过采样分析滤波器组(101)的M个分析滤波器(103)对所述音频信号进行滤波来确定多个子带信号；

-处理所述多个子带信号以生成多个处理后的子带信号；以及

-通过利用过采样合成滤波器组(102)的M个合成滤波器(106)对所述多个处理后的子带信号进行滤波来确定处理后的音频信号；其中所述M个分析滤波器(103)和所述M个合成滤波器(106)是使用根据EEE 1至EEE15的方法(200)确定的非对称原型滤波器p

EEE19.一种用于处理音频信号的音频信号处理设备，其中所述音频处理设备被配置为：

-通过利用过采样分析滤波器组(101)的M个分析滤波器(103)对所述音频信号进行滤波来确定多个子带信号；

-处理所述多个子带信号以生成多个处理后的子带信号；以及

-通过利用过采样合成滤波器组(102)的M个合成滤波器(106)对所述多个处理后的子带信号进行滤波来确定处理后的音频信号；其中所述M个分析滤波器(103)和所述M个合成滤波器(106)是使用根据EEE 1至EEE15的方法(200)确定的非对称原型滤波器p

EEE20.一种存储指令的非暂时性计算机可读介质，所述指令在由所述一个或多个处理器执行时使所述一个或多个处理器执行根据EEE 1至EEE15和EEE18中任一项所述的方法的操作。