[发明专利]高效子频带自适应有限脉冲响应滤波

说明书

技术领域

本发明涉及音频应用中的子频带信号处理，更具体来说，涉及一种用于设计一组能够实现所需目标传递函数的计算有效实施的子频带FIR滤波器的方法。

背景技术

与IIR滤波器（无限脉冲响应滤波器）相反，FIR滤波器（有限脉冲响应滤波器）提供了实现具有可任意定义的所需传递函数（也就是说，幅度响应和相位响应）的数字滤波器的可能性。因此，所需传递函数不仅可以被设计成最小相位而且可以被设计成最大相位甚至混合相位。另外，也可以实施在音频信号处理中通常需要的线性相位传递函数。

然而，尤其是在音频信号处理中，在使用FIR滤波器时，要求的滤波器长度通常相当高，从而增加了运行期间的计算量和存储要求。这主要是由两个实质因素引起的。第一，存在于大多数音频应用中的房间脉冲响应的衰减时间相当长，从而导致了使用FIR滤波器时相应的长滤波器长度。第二，人类听觉系统适应于在不同的频带提供不均匀的频率分辨率。所述人类听觉系统很好地解决了低频率问题，也就是说，在低绝对频率的情况下很好地辨别出频率差值，而并不容易识别出高频率。举例来说，可以很容易将100Hz音频与200Hz音频区分开来，而人类的耳朵却很难将5000Hz音频与5100Hz音频区分开来，尽管在这两种情况下频率差值都是100Hz。也就是说，人类听觉系统的频率分辨率随着频率的增加而减少。这一现象是众所周知的，并且形成适合于人类听觉系统的诸如树皮标度、美尔标度和ERB（等效矩形带宽）标度的心理声学频率标度的基础。

研究表明，由于视听室的内部（毛毯、软垫家具等），使得视听室的房间脉冲响应相当长，尤其是在低频率的情况下，这是因为能量递降较慢。由音频再现系统产生的声压是低音频率范围（也就是说，200Hz以下）中的最大声压而人类听觉系统对于低频率音频信号较不敏感的事实更加加强了这一效果。

对于所有这些因素的综合意见指明，人类听觉系统的特征和典型视听室的特征要求FIR滤波器的长度不应短于某个最小长度，以便在音频信号处理系统中提供足够的音质。举例来说，为了提供低音频率范围中约10Hz的所需频率分辨率，采样频率为44100Hz的每个音频通道都需要滤波器系数为4410的FIR滤波器，借此现代音频系统已多达16个通道。

由于长的FIR滤波器使得运行期间的相当大计算量和/或高存储要求成为必要，所以在音频应用中就需要FIR滤波器的高效实施，以允许使用标准数字音频信号处理。

发明内容

本发明公开了具有至少一个音频通道的音频系统。所述音频系统包括数字音频处理器，其中对每个通道实施至少一个数字滤波器。每个通道的数字滤波器包括：分析滤波器组，其被设置来接收宽频带输入音频信号并且将所述输入音频信号划分成多个子频带，从而提供具有相等带宽的子频带信号，所述子频带信号的频谱组成输入音频信号的频谱；每个子频带的子频带FIR滤波器，从而分别提供被滤过的子频带信号；和合成滤波器组，其被设置来接收被滤过的子频带信号并且对所述子频带信号进行组合来提供宽频带输出音频信号，其中延迟与每个子频带信号相关联，所述子频带信号中一个子频带信号的延迟被应用到合成滤波器组上游的宽频带输入音频信号，并且剩余的延迟被应用到合成滤波器组下游的剩余子频带信号。本发明公开了相应的过滤方法。

附图说明

参阅以下附图和描述可以更好地理解本发明。在附图中，相同的参考数字表示相应的部件。在附图中：

图1示出FIR滤波器的滤波器系数的自适应计算的基本信号处理结构，所述FIR滤波器表示与预定义的目标函数P(z)大致匹配的传递函数G(z)；

图2示出图1结构的修改，借此图1的全频带FIR滤波器G(z)将由一组子频带FIR滤波器G_m(z)取代；

图3示出包括一组可以取代全频带FIR滤波器G(z)的子频带FIR滤波器G_m(z)的信号处理结构；

图4示出用于包括许多子频带的自适应FIR滤波器设计的信号处理结构，每个子频带包括子频带FIR滤波器和延迟线；

图5示出基于树皮标度的权重因数，其用于在调适子频带FIR滤波器的长度时突出强调低频率子频带；

图6示意性地示出偶数堆叠和奇数堆叠滤波器组的幅度响应；

图7a示意性地示出划分成多个子频带滤波器的FIR滤波器的结构；

图7b示意性地示出图7a实施例的简化替代实施例；

图8示出图6滤波器组的存储要求减少的替代实施例；