專利名稱：數(shù)字音頻預(yù)補(bǔ)償?shù)闹谱鞣椒?br> 技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總的涉及數(shù)字音頻預(yù)補(bǔ)償，更具體地，涉及數(shù)字預(yù)補(bǔ)償濾波器的設(shè)計(jì)，它藉助于修正被補(bǔ)償系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，產(chǎn)生一個(gè)或幾個(gè)加到聲音生成系統(tǒng)的輸入信號(hào)。
背景技術(shù)：
用于產(chǎn)生或重現(xiàn)聲音的系統(tǒng)，包括放大器，電纜，和揚(yáng)聲器，常常以不希望的方式影響聲音的頻譜特性。放置了這種設(shè)備的房間的混響會(huì)附加上另外的改進(jìn)。具有非常高質(zhì)量的聲音重現(xiàn)可以通過使用匹配的電纜組、放大器和高質(zhì)量的揚(yáng)聲器而達(dá)到，但這是麻煩的和非常昂貴的。PC和數(shù)字信號(hào)處理器的增加的計(jì)算功率引入改進(jìn)聲音產(chǎn)生或聲音重現(xiàn)系統(tǒng)的特性的新的可能性。聲音產(chǎn)生系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性質(zhì)可以通過記錄它對(duì)于已知的測(cè)試信號(hào)的響應(yīng)而被測(cè)量和建模，正如從文獻(xiàn)上熟知的?？梢园杨A(yù)補(bǔ)償濾波器(圖1上的R)放置在原先的聲音源和音頻設(shè)備之間。濾波器被計(jì)算和實(shí)施來補(bǔ)償聲音產(chǎn)生系統(tǒng)的測(cè)量的性質(zhì)(圖1上用H符號(hào)表示)。具體地，希望被補(bǔ)償?shù)南到y(tǒng)相位和幅度響應(yīng)接近于預(yù)規(guī)定的理想的響應(yīng)(圖1上用D符號(hào)表示)。換句話說，因此要求補(bǔ)償?shù)穆曇糁噩F(xiàn)y(t)與理想的yref(t)相匹配到某個(gè)給定的精確度。由預(yù)補(bǔ)償器R產(chǎn)生的預(yù)失真抵消由于系統(tǒng)H造成的失真，以使得最后得到的聲音重現(xiàn)具有D的聲音特性。因此，直到系統(tǒng)的物理限制為止，至少在理論上有可能達(dá)到優(yōu)良的聲音質(zhì)量，而沒有使用極高端的音頻設(shè)備的高的花費(fèi)。設(shè)計(jì)的目的可以是抵消由不理想地構(gòu)建揚(yáng)聲器機(jī)箱造成的聲音諧振。另一個(gè)應(yīng)用可以是使得在收聽房間的不同的位置中由于室內(nèi)聲學(xué)特性造成的低頻諧振最小化。
數(shù)字預(yù)補(bǔ)償濾波器不單被應(yīng)用到單個(gè)揚(yáng)聲器，也應(yīng)用到多信道聲音產(chǎn)生系統(tǒng)。它們可以是被設(shè)計(jì)的重要元件，其設(shè)計(jì)目標(biāo)不單是產(chǎn)生較好的聲音，也產(chǎn)生特別的效果。重現(xiàn)聲音的虛擬聲音源的生成，對(duì)于計(jì)算機(jī)游戲的聲音效果是有利的。
長時(shí)間以來存在有被稱為圖形均衡器的設(shè)備，目的是通過修正它在一組固定的頻段中的增益來補(bǔ)償聲音產(chǎn)生系統(tǒng)的頻率響應(yīng)。存在有調(diào)節(jié)這樣的濾波器的自動(dòng)方案，例如參閱[1]。也有其他的現(xiàn)有技術(shù)把音頻范圍劃分成不同的頻段，以及構(gòu)建每個(gè)這些頻段內(nèi)的不同的補(bǔ)償器，例如參閱[2，3]。這樣的子頻段解決方案具有不適當(dāng)?shù)南辔谎a(bǔ)償?shù)娜秉c(diǎn)，這會(huì)造成許多問題，特別是在頻段的邊界處。
已提出了把感興趣的音頻范圍作為一個(gè)頻段對(duì)待的方法。這要求使用和調(diào)節(jié)具有非常大的數(shù)目的可調(diào)節(jié)的系數(shù)的濾波器。建議的方法通常是基于對(duì)FIR(有限沖擊響應(yīng))濾波器的調(diào)節(jié)，以使得用于測(cè)量補(bǔ)償?shù)男盘?hào)y(t)與想要的響應(yīng)yref(t)之間的偏差的最小平方準(zhǔn)則最小化，例如參閱[4-10]。這個(gè)公式被認(rèn)為是有吸引力的，因?yàn)榇嬖谝滋幚淼淖赃m應(yīng)算法，以及離線設(shè)計(jì)算法，它們可根據(jù)最小平方準(zhǔn)則調(diào)節(jié)FIR濾波器。也存在有對(duì)于非線性補(bǔ)償器的建議，例如參閱[11，30]。提出了分開地測(cè)量室內(nèi)聲學(xué)響應(yīng)和揚(yáng)聲器響應(yīng)的解決方案，已在用于聲音產(chǎn)生系統(tǒng)的預(yù)補(bǔ)償逆濾波器的設(shè)計(jì)中被使用[3，12]。在[13]中，揭示了一種方法，在音頻系統(tǒng)補(bǔ)償中應(yīng)用FIR和IIR(無限沖擊響應(yīng))濾波器。這樣的方法被使用來減小在補(bǔ)償濾波器中所需要的FIR濾波器參量的數(shù)目。然而，所有這些給出的方法具有嚴(yán)重的困難，這使得這些方法的實(shí)際的使用相當(dāng)?shù)爻蓡栴}?，F(xiàn)有技術(shù)中可提供的設(shè)計(jì)方案通常導(dǎo)致具有高的計(jì)算復(fù)雜性和嚴(yán)重的實(shí)際限制的補(bǔ)償濾波器。由于用太高的功率生成補(bǔ)償信號(hào)的風(fēng)險(xiǎn)，最后得到的自動(dòng)生成的補(bǔ)償濾波器有時(shí)對(duì)于音頻設(shè)備甚至是危險(xiǎn)的。
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本發(fā)明的一個(gè)總的目的是提供音頻預(yù)補(bǔ)償濾波器的改進(jìn)的設(shè)計(jì)方案。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供設(shè)計(jì)這樣的濾波器的靈活的、但仍舊非常精確的方式，允許更好地控制要被預(yù)補(bǔ)償濾波器執(zhí)行的補(bǔ)償?shù)某潭群脱a(bǔ)償量。在這方面，特別希望提供濾波器調(diào)節(jié)技術(shù)，這給出對(duì)于在不同的頻率區(qū)域和/或在不同的音頻信道上執(zhí)行的補(bǔ)償量的完全的控制。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供用于音頻預(yù)補(bǔ)償器的設(shè)計(jì)方法和系統(tǒng)，該預(yù)補(bǔ)償器提供良好的補(bǔ)償性能而同時(shí)使用可以由今天的技術(shù)容易地處理的有限的數(shù)目的濾波器參量。
本發(fā)明的再一個(gè)目的提供用于設(shè)計(jì)數(shù)字音頻預(yù)補(bǔ)償濾波器的靈活的和有效的方法，系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)程序。
本發(fā)明基于這樣的認(rèn)識(shí)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型以及數(shù)字預(yù)補(bǔ)償濾波器的基于模型的最優(yōu)化，提供了用于設(shè)計(jì)各種濾波器的有力的工具，這些通過修正加到設(shè)備的輸入信號(hào)而改進(jìn)各種類型的音頻設(shè)備的性能。
按照本發(fā)明的總的概念是，提供使用新穎類別的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則的音頻預(yù)補(bǔ)償濾波器設(shè)計(jì)方案。實(shí)際上，濾波器參量是根據(jù)在一方面把預(yù)補(bǔ)償濾波器近似為固定的非零濾波器部件與另一方面把預(yù)補(bǔ)償?shù)哪Ｐ晚憫?yīng)近似為參考系統(tǒng)響應(yīng)與之間的加權(quán)量被確定的。
為了設(shè)計(jì)的目的，預(yù)補(bǔ)償濾波器優(yōu)選地被看作為一個(gè)附加地包括固定的非零濾波器部件和一個(gè)可調(diào)節(jié)的補(bǔ)償器部件。固定的濾波器部件通常由濾波器設(shè)計(jì)者進(jìn)行配置或被設(shè)置為缺省的配置，而可調(diào)節(jié)的補(bǔ)償器部件是通過把包括以上的加權(quán)值的判定函數(shù)最優(yōu)化而被確定的。與固定濾波器部件類似地，加權(quán)通常被濾波器設(shè)計(jì)者配置或被設(shè)置為缺省的配置。一旦固定的濾波器部件被做成以及可調(diào)節(jié)的補(bǔ)償器部件被確定，預(yù)補(bǔ)償濾波器的濾波器參量就可被計(jì)算和被實(shí)施。在許多實(shí)際的情形下，在固定濾波器部件中包括具有至少一個(gè)可選擇的延時(shí)元件的旁路部件是有利的。
通過使得加權(quán)成為依賴于頻率的和/或依賴于信道的，得到了一種有力的設(shè)計(jì)工具，它提供對(duì)于在不同的頻率區(qū)域中和/或在不同的子信道上執(zhí)行的補(bǔ)償?shù)某潭群皖愋偷耐耆目刂?。?yōu)選地，判定函數(shù)包括頻率加權(quán)的和/或信道加權(quán)的懲罰項(xiàng)，它懲罰預(yù)補(bǔ)償器的補(bǔ)償部分。這種依賴于頻率的和/或依賴于信道的加權(quán)使得容易避免危險(xiǎn)的過補(bǔ)償，而同時(shí)在可以安全地得到補(bǔ)償?shù)念l率區(qū)域和信道中得到良好的補(bǔ)償。
加權(quán)的判定函數(shù)的最優(yōu)化可以通過例如使用遞歸的最優(yōu)化或自適應(yīng)濾波而在線地執(zhí)行，類似于傳統(tǒng)的在線最優(yōu)化，或被執(zhí)行為基于模型的離線設(shè)計(jì)。
為了在使用有限的數(shù)目的濾波器參量時(shí)提供良好的補(bǔ)償性能，提出一種用于調(diào)節(jié)可實(shí)現(xiàn)的(穩(wěn)定的和因果的)無限沖擊響應(yīng)(IIR)補(bǔ)償濾波器的、基于最優(yōu)化的方法。這些數(shù)字濾波器可生成長的沖擊響應(yīng)，而同時(shí)包含有限的數(shù)目的濾波器參量。這樣設(shè)計(jì)的補(bǔ)償濾波器可能具有幾個(gè)輸入和輸出音頻信道，以及可被使用于補(bǔ)償單信道以及多信道音頻設(shè)備。
所提出的設(shè)計(jì)原理和結(jié)構(gòu)對(duì)于線性動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)模型和線性預(yù)補(bǔ)償濾波器是特別有用的，但也可被一般化為非線性設(shè)計(jì)模型和非線性預(yù)補(bǔ)償濾波器的情形。
本發(fā)明的不同的方面包括用于設(shè)計(jì)音頻預(yù)補(bǔ)償濾波器的方法、系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)程序，這樣設(shè)計(jì)的預(yù)補(bǔ)償濾波器，包含這樣的預(yù)補(bǔ)償濾波器的音頻系統(tǒng)以及由這樣的預(yù)補(bǔ)償濾波器生成的數(shù)字音頻信號(hào)。
本發(fā)明提供以下的優(yōu)點(diǎn)-嚴(yán)格控制要由預(yù)補(bǔ)償濾波器執(zhí)行的補(bǔ)償?shù)某潭群脱a(bǔ)償量，因此提供對(duì)于最后得到的聲音響應(yīng)的全面控制；-可以避免危險(xiǎn)的過補(bǔ)償，而同時(shí)在可以安全地完成補(bǔ)償?shù)膱?chǎng)合下仍舊得到良好的補(bǔ)償；-在使用有限數(shù)目的濾波器參量時(shí)，達(dá)到良好的補(bǔ)償性能；以及
-提供最佳地預(yù)補(bǔ)償?shù)囊纛l系統(tǒng)，導(dǎo)致優(yōu)良的聲音質(zhì)量和感覺。
通過閱讀以下的本發(fā)明的實(shí)施例的說明，將會(huì)明白本發(fā)明提供的其他的優(yōu)點(diǎn)和特性。


當(dāng)參照以下的說明連同附圖一起，將會(huì)最好地了解本發(fā)明連同它的其他目的個(gè)優(yōu)點(diǎn)，其中圖1是補(bǔ)償?shù)穆曇舢a(chǎn)生系統(tǒng)的一般的說明；圖2A是顯示未補(bǔ)償?shù)膿P(yáng)聲器模型的幅度響應(yīng)的圖；圖2B是顯示未補(bǔ)償?shù)膿P(yáng)聲器模型的相位響應(yīng)相對(duì)于純延時(shí)的相移的偏差的圖；圖3顯示圖2A和2B的揚(yáng)聲器模型的離散時(shí)間沖擊響應(yīng)，以44.1kHz采樣以及為了說明，被延時(shí)250個(gè)樣本；圖4是按照現(xiàn)有技術(shù)設(shè)計(jì)的、相對(duì)于圖2A，2B和3的揚(yáng)聲器動(dòng)態(tài)特性顛倒的、標(biāo)量FIR補(bǔ)償濾波器的沖擊響應(yīng)的圖；圖5顯示按照本發(fā)明的、根據(jù)圖2A，2B和3的揚(yáng)聲器模型設(shè)計(jì)的標(biāo)量IIR補(bǔ)償濾波器的沖擊響應(yīng)；圖6A是由圖5的IIR濾波器補(bǔ)償?shù)?、圖2A的揚(yáng)聲器模型的幅度響應(yīng)的圖；圖6B是由圖5的IIR濾波器補(bǔ)償?shù)?、圖2B的揚(yáng)聲器模型的相位響應(yīng)相對(duì)于純延時(shí)的相移的偏差的圖；圖7是用圖5的IIR濾波器補(bǔ)償?shù)?、圖3的揚(yáng)聲器模型的補(bǔ)償?shù)臎_擊響應(yīng)；圖8顯示在圖5的IIR濾波器的設(shè)計(jì)中使用的加權(quán)函數(shù)的頻率響應(yīng)幅度；圖9顯示當(dāng)使用不帶有控制懲罰的補(bǔ)償時(shí)圖8的補(bǔ)償?shù)臎_擊響應(yīng)；圖10A是由圖4的現(xiàn)有技術(shù)FIR濾波器補(bǔ)償?shù)?、圖2A的揚(yáng)聲器模型的幅度響應(yīng)的圖；圖10B是由圖4的現(xiàn)有技術(shù)FIR濾波器補(bǔ)償?shù)?、圖2B的揚(yáng)聲器模型的相位響應(yīng)相對(duì)于純延時(shí)的相移的偏差的圖；圖11是顯示按照本發(fā)明的濾波器設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的特定的實(shí)施例的示意圖；
圖12是適合于實(shí)施本發(fā)明的、基于計(jì)算機(jī)的系統(tǒng)的方框圖；圖13是引用按照本發(fā)明的設(shè)計(jì)方法配置的預(yù)補(bǔ)償濾波器的音頻系統(tǒng)；以及圖14是按照本發(fā)明的示例性實(shí)施例的濾波器設(shè)計(jì)方法的總的流程的流程圖。
具體實(shí)施例方式
第1-3節(jié)描述線性情形，第4節(jié)概括結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)原理(針對(duì)著非線性和可能的時(shí)變的系統(tǒng)模型以及非線性和可能的時(shí)變的補(bǔ)償器)，以及第5節(jié)最后描述某些實(shí)施的方面。
1.對(duì)于線性模型和濾波器的設(shè)計(jì)為了更好地了解本發(fā)明，從描述用于設(shè)計(jì)音頻預(yù)補(bǔ)償濾波器的一般方法開始，可能是有用的。
要被修正的聲音產(chǎn)生或重現(xiàn)系統(tǒng)通常用線性時(shí)變動(dòng)態(tài)模型H代表，它描述在一組p個(gè)輸入信號(hào)u(t)與一組m個(gè)輸出信號(hào)y(t)之間的、具有離散的時(shí)間的形式的關(guān)系y(t)＝Hu(t)ym(t)＝y(tǒng)(t)+e(t) (1.1)其中t代表離散時(shí)間指數(shù)，ym(t)(下標(biāo)m表示“測(cè)量”)是m維列矢量，代表聲音時(shí)間序列，在m個(gè)不同的位置；以及e(t)是噪聲，未建模的室內(nèi)反射，不正確的模型結(jié)構(gòu)的影響，非線性失真和其他未建模的貢獻(xiàn)。算子H是一個(gè)m×p的矩陣，其元素是穩(wěn)定的線性動(dòng)態(tài)算子或變換，例如，被實(shí)施為FIR或IIR濾波器。這些濾波器將確定對(duì)于p維任意輸入時(shí)間系列矢量u(t)的響應(yīng)y(t)。線性濾波器或模型由這樣的矩陣代表，它們?cè)谙旅姹环Q為轉(zhuǎn)移函數(shù)矩陣或動(dòng)態(tài)矩陣。轉(zhuǎn)移函數(shù)矩陣H代表整個(gè)的或一部分的聲音產(chǎn)生或聲音重現(xiàn)系統(tǒng)的效果，該系統(tǒng)包括任何預(yù)先存在的數(shù)字補(bǔ)償器、數(shù)字-模擬變換器、模擬放大器、揚(yáng)聲器、電纜以及在某些應(yīng)用中也包括室內(nèi)聲學(xué)響應(yīng)。換句話說，轉(zhuǎn)移函數(shù)矩陣H代表聲音產(chǎn)生系統(tǒng)的相關(guān)的部分的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。加到這個(gè)系統(tǒng)的輸入信號(hào)u(t)是p維列矢量，可以代表加到聲音產(chǎn)生系統(tǒng)的p個(gè)獨(dú)立的放大器-揚(yáng)聲器鏈上的輸入信號(hào)。
測(cè)量的聲音ym(t)，根據(jù)定義，被看作為要被修正的和控制的項(xiàng)y(t)＝Hu(t)與未建模的貢獻(xiàn)e(t)的疊加。對(duì)于好的結(jié)果的先決條件實(shí)際上當(dāng)然是建模和系統(tǒng)設(shè)計(jì)可使得在感興趣的頻率區(qū)域中，與幅度|y(t)|相比較，幅度|e(t)|是不大的。
總的目的是相對(duì)于某些參考動(dòng)態(tài)特性修正由(1.1)表示的聲音產(chǎn)生系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。為此，引入?yún)⒖季仃嘍yref(t)＝Dw(t)， (1.2)其中w(t)是r維矢量，代表一組實(shí)況的或記錄的聲音源或甚至人造地生成的數(shù)字音頻信號(hào)，包括被使用來設(shè)計(jì)濾波器的測(cè)試信號(hào)。矢量w(t)的元素可以代表數(shù)字記錄的聲音的信道，或已被采樣和數(shù)字化的模擬源。在(1.2)中，D是m×r維的轉(zhuǎn)移函數(shù)矩陣，并假設(shè)它是已知的。線性系統(tǒng)D是設(shè)計(jì)變量，它通常代表在(1.1)中的矢量y(t)的參考動(dòng)態(tài)特性。
可想到的設(shè)計(jì)目標(biāo)的例子可以是動(dòng)態(tài)特性的完全倒置和信道的去耦。在r＝m的情形下，矩陣D被設(shè)置為等于具有d個(gè)步長延時(shí)算子作為對(duì)角線元素的平方對(duì)角線矩陣，這樣yref(t)＝w(t-d)。
Y(t)的參考響應(yīng)被定義為正好是原先的聲音矢量w(t)的延時(shí)的版本，w(t)的所有的元素都具有相等的采樣周期延時(shí)d。
更復(fù)雜的設(shè)計(jì)除了引入延時(shí)以外，可以以穩(wěn)定的濾波器的形式把參考動(dòng)態(tài)特性應(yīng)用到聲音產(chǎn)生系統(tǒng)。通過D的這樣的設(shè)計(jì)，有可能把新的聲音特性加到系統(tǒng)，例如，用低質(zhì)量的音頻設(shè)備得到優(yōu)良的聲音質(zhì)量。當(dāng)模擬特別的類型的聲音產(chǎn)生系統(tǒng)時(shí)，更復(fù)雜的設(shè)計(jì)可能是感興趣的。通過設(shè)計(jì)矩陣D引入的所需要的大的延時(shí)d是影響可達(dá)到的性能的重要的參量。這個(gè)延時(shí)被允許得越大，則因果補(bǔ)償濾波器將得到越好的補(bǔ)償。
預(yù)補(bǔ)償通常是通過預(yù)補(bǔ)償濾波器得到的，通常用R表示，它根據(jù)信號(hào)w(t)生成加到音頻重現(xiàn)系統(tǒng)(1.1)的輸入信號(hào)矢量u(t)
u(t)＝Rw(t) (1.3)在現(xiàn)有技術(shù)中，數(shù)字音頻預(yù)補(bǔ)償器的占優(yōu)勢(shì)的趨勢(shì)是生成加到音頻重現(xiàn)系統(tǒng)(1.1)的輸入信號(hào)矢量u(t)，這樣，它的已補(bǔ)償?shù)妮敵鰕(t)在每個(gè)特定的意義下也近似于參考矢量yref(t)。如果在(1.1)中的信號(hào)u(t)由線性預(yù)補(bǔ)償濾波器R生成，則可以達(dá)到這個(gè)目標(biāo)，線性預(yù)補(bǔ)償濾波器R包含一個(gè)p×r矩陣，其元素是穩(wěn)定的和因果線性動(dòng)態(tài)濾波器，它們作用在信號(hào)w(t)上，以使得y(t)將近似于yref(t)y(t)＝Hu(t)＝HRw(t)≌yref(t)＝Dw(t)。
在一般的系統(tǒng)理論內(nèi)，用于精確的補(bǔ)償?shù)臈l件是，R等于動(dòng)態(tài)模型H的因果和穩(wěn)定的右端逆矩陣，右乘以D，R＝H-RD。
這里，H-R表示模型的轉(zhuǎn)移函數(shù)矩陣的右端逆矩陣。這樣的右端逆矩陣，根據(jù)定義，具有性質(zhì)HH-R＝Im(m×m尺寸的單位矩陣)。所以，HR＝HH-RD＝D。
不幸地，音頻系統(tǒng)的模型常常不具有精確的穩(wěn)定的和因果右端逆矩陣。然而，假設(shè)在D內(nèi)的塊延時(shí)d(由D的任何元素引起的最小的延時(shí))允許增加。則，由穩(wěn)定的和因果的補(bǔ)償濾波器得到的最小平方近似誤差|y(t)-yref(t)|2在延時(shí)d→∞時(shí)可被顯示為消失，如果H的正常的秩(除在系統(tǒng)零點(diǎn)以外的轉(zhuǎn)移函數(shù)矩陣的秩)等于m(在y(t)中的元素的數(shù)目)的話。在我們的上下文中，延時(shí)d由設(shè)計(jì)者確定，他由此控制近似程度。
對(duì)于可實(shí)現(xiàn)的良好的預(yù)補(bǔ)償，由H描述的系統(tǒng)至少需要有與輸出一樣多的分開的輸入，即，p≥m。否則，H的秩決不會(huì)與m一樣大。Z1最簡(jiǎn)單的情形下，我們具有標(biāo)量模型和標(biāo)量參考動(dòng)態(tài)特性，其中m＝p＝r＝1，這樣，y(t)，u(t)和w(t)都是標(biāo)量時(shí)間序列。模型H于是可代表要被補(bǔ)償?shù)膯蝹€(gè)放大器-揚(yáng)聲器鏈。
在現(xiàn)有技術(shù)和文獻(xiàn)中，用于解決這種類型的近似問題的最有希望的方法集中在用FIR濾波器表示H和R，然后使用最小平方技術(shù)以使得懲罰在元素y(t)與yref(t)之間的平方差值的平均和的標(biāo)量判決最小E((y(t)-yref(t))T(y(t)-yref(t)))＝E(|y(t)-yref(t)|2). (1.4)這里和在下面，()T表示矢量的轉(zhuǎn)置以及E()代表在所涉及的信號(hào)的相關(guān)的統(tǒng)計(jì)性質(zhì)的平均值。這樣的最小平方設(shè)計(jì)可以通過(1.4)的在線遞歸最小化完成，例如，通過對(duì)測(cè)量的信號(hào)ym(t)和w(t)采用LMS算法或?yàn)V波的x LMS算法[12，13]，參閱在背景一節(jié)中所引用的參考文獻(xiàn)。設(shè)計(jì)也可通過求解固定階數(shù)的FIR濾波器的Wiener最優(yōu)化問題離線地執(zhí)行。這等價(jià)于求解一組線性聯(lián)立方程，Wiener-Hopf方程，它涉及到相關(guān)估計(jì)。(1.4)的最小化不單考慮系統(tǒng)的幅度響應(yīng)，也要考慮系統(tǒng)的相位響應(yīng)。這個(gè)方法比只考慮幅度響應(yīng)的方法(例如，在[14]中描述的方法)更好。使用FIR濾波器的缺點(diǎn)在于，可能必須使用具有系數(shù)數(shù)目很大的濾波器。為此，本發(fā)明集中在通常需要較少的系數(shù)的IIR濾波器的調(diào)節(jié)上。不管使用FIR或IIR濾波器，由本發(fā)明人作出的仔細(xì)的分析揭示，基于最小平方準(zhǔn)則(1.4)的最小化的所有的現(xiàn)有技術(shù)設(shè)計(jì)具有進(jìn)一步的重大缺點(diǎn)·基于最小平方準(zhǔn)則(1.4)的最小化的補(bǔ)償濾波器在最高和最低頻率處將得到極端的性質(zhì)。在標(biāo)量情形下，這是由于轉(zhuǎn)移函數(shù)H在音頻范圍內(nèi)的最高和最低頻率處常常具有低的增益，這導(dǎo)致補(bǔ)償器R在這些頻率處具有高的增益。這樣的補(bǔ)償器具有長的和振蕩的沖擊響應(yīng)，見圖4，它們需要通過計(jì)算來調(diào)節(jié)和實(shí)施。這不單在非常高的和非常低的頻率處是一個(gè)潛在的問題，而且對(duì)于所有的頻率如果準(zhǔn)則(1.4)要被最小化而要求過量的補(bǔ)償也是潛在的問題。
·在某些頻率上具有太高的增益的補(bǔ)償濾波器R可能進(jìn)一步產(chǎn)生非線性失真，這對(duì)于性能具有決定性影響。在最壞的情形下，高增益的輸入會(huì)損壞音頻設(shè)備。
已經(jīng)看到，有需要對(duì)于在不同的頻率和在不同的子信道上執(zhí)行的補(bǔ)償?shù)某潭群脱a(bǔ)償量，得到比起由(1.4)提供的更好的控制。
在按照本發(fā)明的、用于音頻設(shè)備的預(yù)補(bǔ)償濾波器的設(shè)計(jì)中，把濾波器看作為附加地包括兩個(gè)部件原來是有用的，一個(gè)固定的非零濾波器部件和一個(gè)通過最優(yōu)化被確定的、可調(diào)節(jié)的補(bǔ)償器部件。固定的濾波器部件通常被濾波器設(shè)計(jì)者配置或被設(shè)置為缺省的配置。另一方面，可調(diào)節(jié)的補(bǔ)償器部件是通過根據(jù)在(一方面)把預(yù)補(bǔ)償濾波器近似為固定的、非零濾波器部件與(另一方面)把預(yù)補(bǔ)償?shù)哪Ｐ晚憫?yīng)近似為參考系統(tǒng)響應(yīng)之間的給定的加權(quán)量使得判定函數(shù)最優(yōu)化而被確定的。雖然不是必須的，這個(gè)加權(quán)量最好被做成依賴于頻率的和/或依賴于信道的，正如下面解釋的。
為了更清楚的了解本發(fā)明的基本概念，現(xiàn)在通過例子描述基于這樣的加權(quán)的預(yù)補(bǔ)償濾波器的設(shè)計(jì)。
例如，補(bǔ)償可被看作為信號(hào)路徑的附加的修正m(t)＝Cw(t)，信號(hào)路徑通常正好是直接饋送通過和信號(hào)w(t)的延時(shí)u(t)＝w(t-g)+m(t)＝w(t-g)+Cw(t)(1.5)其中g(shù)是適當(dāng)?shù)难訒r(shí)，以及C典型地是FIR或IIR濾波器的矩陣。在(1.5)，u(t)和w(t)假定具有相等的維數(shù)，m＝r。通過使用標(biāo)準(zhǔn)后向移位算子表示法w(t-1)＝q-1w(t)在(1.3)中的補(bǔ)償器矩陣因此對(duì)設(shè)計(jì)來說，被看作為具有以下的形式R(q-1)＝(q-g+C(q-1))補(bǔ)償器部件C的設(shè)計(jì)優(yōu)選地是基于判決函數(shù)的最小化，判決函數(shù)包括懲罰加性修正信號(hào)m(t)＝Cw(t)的幅度的頻率加權(quán)的項(xiàng)。這樣的懲罰項(xiàng)可被包括在任何類型的、用于濾波器最優(yōu)化的準(zhǔn)則。具體地，二次判決函數(shù)(1.4)可被代替為
J＝E(|V(y(t)-yref(t))|2)+E(|Wm(t)|2)＝＝E(|V(HR-D)w(t))|2)+E(|WCw(t)|2)，(1.6)其中W是第一加權(quán)函數(shù)以及V是附加的可任選的加權(quán)函數(shù)。矩陣W優(yōu)選地是(mxm)方陣，包含代表一組設(shè)計(jì)變量的穩(wěn)定線性IIR濾波器。而且，附加的加權(quán)函數(shù)V優(yōu)選地是(pxp)方陣，包含用作為另一組設(shè)計(jì)變量的穩(wěn)定線性IIR濾波器。
在本發(fā)明的特定的實(shí)施例中，由轉(zhuǎn)移函數(shù)矩陣W代表的加權(quán)用作為對(duì)于補(bǔ)償信號(hào)m(t)＝Cw(t)的依賴于頻率的懲罰。通過使用信號(hào)和系統(tǒng)的Z變換表示，可以在頻域中最好地了解用W進(jìn)行加權(quán)的效果。(1.6)的最小化將導(dǎo)致在頻率z處具有小的增益的補(bǔ)償器項(xiàng)C(z)，其中W(z)的模是相當(dāng)大的。這是因?yàn)?1.6)的最后一項(xiàng)否則將超過J。在這樣的頻率區(qū)域中，C(z)w(z)在(1.5)中是小的，所以，未補(bǔ)償?shù)南到y(tǒng)的性質(zhì)將保持不變，除了g個(gè)樣本的延時(shí)外。另一方面，在頻率z，其中W(z)的模是趨于零那樣的小，準(zhǔn)則(1.6)的第一項(xiàng)是最重要的。如果V＝I，則在這些頻率區(qū)域內(nèi)，y(z)≈yref(z)＝D(z)w(z)，因?yàn)檫@種調(diào)節(jié)使(1.6)的第一項(xiàng)對(duì)于到總的判定值的貢獻(xiàn)最小化。
例如，由W代表的加權(quán)函數(shù)可被實(shí)現(xiàn)為具有給定的截止頻率的低通濾波器，與具有給定的極限頻率的高通濾波器并聯(lián)。通過適當(dāng)?shù)剡x擇截止頻率和極限頻率，由預(yù)補(bǔ)償濾波器執(zhí)行的補(bǔ)償可以按照特定的應(yīng)用被定做。當(dāng)然，加權(quán)因子W可以以適當(dāng)?shù)男问奖粚?shí)現(xiàn)。
由矩陣V表示的頻率選擇的加權(quán)因子可被使用于各種用途·通過使用人耳的已知的特性，它可被使用于感知的加權(quán)。在我們更敏感的頻率區(qū)域中補(bǔ)償誤差的消除然后被加強(qiáng)。
·它也被使用來在H中的建模誤差是大的頻率區(qū)域中對(duì)性能偏差加上低的加權(quán)，這樣，最優(yōu)化不集中在其中結(jié)果反正是不可靠的頻率區(qū)域。
·它還可被使用來加權(quán)在空間的不同的位置上，即在矢量y(t)的不同的分量中，得到的誤差。這可以通過把V設(shè)置為對(duì)角線轉(zhuǎn)移函數(shù)矩陣和通過使用不同的濾波器作為V的對(duì)角線元素而達(dá)到。
依賴于頻率的加權(quán)的使用使得能夠在不同的頻率區(qū)域中進(jìn)行不同類型的調(diào)節(jié)，雖然設(shè)計(jì)模型H描述整個(gè)相關(guān)的頻率范圍。把總的頻率區(qū)域分解為子頻帶和分開地補(bǔ)償每個(gè)頻帶的解決方案因此可被避免。除了更復(fù)雜化以外，在圖形均衡器中使用的子頻帶解決方案被認(rèn)為會(huì)產(chǎn)生相位響應(yīng)的失真的問題。
還應(yīng)當(dāng)指出，W在多信道情形下可以是加權(quán)濾波器的矩陣。有可能使用其每個(gè)對(duì)角線元素是不同的對(duì)角線矩陣來調(diào)節(jié)在每個(gè)輸入信道上執(zhí)行的對(duì)于該特定的揚(yáng)聲器的性質(zhì)的補(bǔ)償。這種依賴于信道的加權(quán)可以獨(dú)立地執(zhí)行，通過使用對(duì)于單獨(dú)的信道的、與頻率無關(guān)的加權(quán)或依賴于頻率的加權(quán)，能夠在所述多信道系統(tǒng)的不同的信道中進(jìn)行不同類型的補(bǔ)償。
在(1.5)中的直接饋送通過(旁路)的延時(shí)g是另一個(gè)設(shè)計(jì)變量。在標(biāo)量情形下(m＝p＝r＝1)的適當(dāng)?shù)倪x擇，如果d＞k，是設(shè)置g＝d-k，其中d是D的塊延時(shí)，而k是H的塊延時(shí)。這樣，通過補(bǔ)償系統(tǒng)的總的凈延時(shí)在所有的頻率區(qū)域中大約是g+k＝d。在被W很大地懲罰的區(qū)域中，我們有u(t)≈w(t-g)，這樣，補(bǔ)償模型HR的總的延時(shí)是g+k。在其中W是不重要的區(qū)域中，HR≈D，它被預(yù)先指定延時(shí)d。
對(duì)于多信道補(bǔ)償器，在不同的信道上可能需要不同的饋送通過延時(shí)以及在D中不同的塊延時(shí)。重要的依賴于信道的延時(shí)對(duì)于產(chǎn)生虛擬聲音源是有用的，即，好像從不同于揚(yáng)聲器的方向發(fā)出的聲音。為了包括補(bǔ)償問題的這樣的和其他變量以及也處理其中在w(t)中的信號(hào)數(shù)目不同于在y(t)中的信號(hào)數(shù)目，r≠m，的情形，(1.5)被一般化為u(t)＝Fw(t)+Cw(t)，其中F是穩(wěn)定線性動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的任意的mxr矩陣。這個(gè)矩陣假定是已知的，以及不要通過最優(yōu)化被修正。其中F等于零的特別的情形相應(yīng)于使用對(duì)于補(bǔ)償器輸出u(t)的懲罰，這個(gè)補(bǔ)償器輸出現(xiàn)在將等于m(t)。這個(gè)特別的情形在現(xiàn)有技術(shù)中被討論，在標(biāo)量系統(tǒng)的特別的情形下，具有特別的加權(quán)選擇V＝1和W等于與頻率無關(guān)的加權(quán)的二次準(zhǔn)則，見[17]。這樣的最優(yōu)化的前向饋送調(diào)整器也被設(shè)計(jì)用于處理控制，見[18，19]。這種類型的設(shè)計(jì)對(duì)于音頻預(yù)補(bǔ)償原來是不適當(dāng)?shù)?，所以被排除在建議的解決方案外。大的懲罰W對(duì)于F＝0抑制整個(gè)信號(hào)矢量u(t)的幅度，它本身是預(yù)先存在的系統(tǒng)性質(zhì)的主要的失真。建議的補(bǔ)償器設(shè)計(jì)的主要目的是引入懲罰，可以保留系統(tǒng)的自然響應(yīng)不變，在這里是對(duì)于大的W和F＝q-gI得到的。
在建議的設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵的單元是，補(bǔ)償器(1.3)對(duì)于設(shè)計(jì)來說假設(shè)為被加性地分解成兩個(gè)部分R＝F+C， (1.7)其中F是固定的和非零的，而C是最優(yōu)化的主體。應(yīng)當(dāng)指出，(1.7)的特別的情形(1.5)相應(yīng)于F＝q-gI，對(duì)于r＝m。固定的、非零濾波器部件F因此可以是具有可選擇的延時(shí)的簡(jiǎn)單的旁路部件。然而，沒有東西會(huì)阻止F用一個(gè)或多個(gè)附加的固定的濾波部件被配置。
總的來說，在補(bǔ)償器(1.7)中用于得到C的建議的設(shè)計(jì)原理是，最優(yōu)化包括兩個(gè)目標(biāo)的加權(quán)的準(zhǔn)則(i)在總的預(yù)補(bǔ)償濾波器R與預(yù)定的動(dòng)態(tài)非零濾波器部件F之間的偏差盡可能小，以及(ii)在補(bǔ)償?shù)脑O(shè)計(jì)模型HR與預(yù)定的動(dòng)態(tài)參考系統(tǒng)D之間的偏差盡可能小。具體地，當(dāng)這個(gè)加權(quán)是依賴于頻率和/或依賴于輸入信道進(jìn)行時(shí)，得到用于自動(dòng)的/計(jì)算機(jī)支持的濾波器設(shè)計(jì)的有效的工具，它提供對(duì)于在不同的頻率區(qū)域中和/或在多信道設(shè)計(jì)的不同的子信道上執(zhí)行的補(bǔ)償量的控制。
本發(fā)明的預(yù)補(bǔ)償濾波器通常在多信道系統(tǒng)中被實(shí)施為一個(gè)數(shù)字濾波器，或一組數(shù)字濾波器。
濾波器和模型可以由適合于線性系統(tǒng)的任何算子或變換代表物代表，諸如延時(shí)算子形式，Z變換代表物，Δ算子代表物，函數(shù)級(jí)數(shù)代表物或在[20]中引入的頻率翹曲代表物。近似程度(接近度)可以通過線性時(shí)間不變動(dòng)態(tài)系統(tǒng)矩陣的度量的任何模被測(cè)量，諸如二次模(1.6)，頻率加權(quán)的H∞?；蚣訖?quán)的L1模，參閱[21，22]。
為了更好地理解由本發(fā)明提供的優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)在進(jìn)行在按照本發(fā)明設(shè)計(jì)的預(yù)補(bǔ)償濾波器與根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)設(shè)計(jì)的預(yù)補(bǔ)償濾波器的性能之間的比較。在本例中，預(yù)補(bǔ)償濾波器被應(yīng)用到單個(gè)揚(yáng)聲器和放大器鏈。
建模的音頻鏈的幅度響應(yīng)和相位響應(yīng)的偏差分別被顯示在圖2A和2B上，以及模型沖擊響應(yīng)被顯示在圖3上。采樣頻率是44.1kHz。設(shè)計(jì)模型具有零的塊延時(shí)k，雖然在圖3上它的沖擊響應(yīng)被向右移位，以便更容易與補(bǔ)償?shù)捻憫?yīng)進(jìn)行比較。我們使用yref(t)＝w(t-d)，其中d＝300個(gè)樣本，如在(1.2)中想要的參考。正如在圖2A上看到的，未補(bǔ)償?shù)膶?shí)驗(yàn)的揚(yáng)聲器和放大器模型的幅度響應(yīng)遠(yuǎn)不同于理想的，在中間頻率區(qū)域中的起伏和在低的與高的頻率處低的功率。
首先，這個(gè)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ屯ㄟ^用按照本發(fā)明的教導(dǎo)的、可實(shí)現(xiàn)的(穩(wěn)定的和因果的)IIR補(bǔ)償器(1.5)將(1.6)最小化而被補(bǔ)償。使用了下面在第2節(jié)更詳細(xì)地說明的多項(xiàng)式Wiener設(shè)計(jì)。從20Hz到20000Hz的整個(gè)音頻范圍的完全的倒置在圖2A的最低的和最高的頻率上將需要極大的放大。如果整個(gè)音頻范圍要被顛倒，則可以產(chǎn)生具有太高功率的補(bǔ)償信號(hào)，特別是對(duì)于最高的和最低的頻率上。這樣的高的功率信號(hào)可損壞音頻設(shè)備，所以，目標(biāo)是完美地顛倒在80Hz到15kHz的頻率范圍內(nèi)的揚(yáng)聲器動(dòng)態(tài)特性(直至d＝g＝300的延時(shí))。在這個(gè)范圍以外，放大也應(yīng)當(dāng)小于20dB。在這個(gè)特定的設(shè)計(jì)中使用的、在(1.6)中加權(quán)因子W包含具有30Hz的截止頻率的低通濾波器，與具有17kHz的極限頻率的高通濾波器相并聯(lián)，見圖8。設(shè)計(jì)的IIR預(yù)補(bǔ)償濾波器的沖擊響應(yīng)顯示于圖5上。補(bǔ)償?shù)姆软憫?yīng)和相位響應(yīng)的偏差分別顯示于圖6A和6B。正如在圖6A上看到的，在圖2A上的中間頻率起伏已被消除，以及在補(bǔ)償?shù)念l率范圍內(nèi)(80Hz到15kHz)的幅度響應(yīng)緊密地遵循想要的平坦響應(yīng)(幅度響應(yīng)＝0dB)。另外，補(bǔ)償?shù)哪Ｐ拖到y(tǒng)的相位響應(yīng)的偏差，圖6B，與圖2B上相位響應(yīng)的未補(bǔ)償?shù)钠钕啾容^，已明顯地改進(jìn)。由圖7顯示的、補(bǔ)償?shù)臎_擊響應(yīng)接近于理想的Dirac脈沖響應(yīng)yref(t)＝w(t-300)。接近于主要的峰值的、剩余的小的起伏是由于我們已限制在最低的和最高的頻率處的補(bǔ)償量。這個(gè)起伏可以通過在設(shè)計(jì)中使用W＝0而被去除，見圖9，以設(shè)計(jì)在最低的和最高的頻率處具有非常高的增益的預(yù)補(bǔ)償濾波器為代價(jià)。
這些結(jié)果可以與通過使用具有適當(dāng)?shù)恼{(diào)諧步長的理想化的LMS算法進(jìn)行最小平方準(zhǔn)則(1.4)最小化而被設(shè)計(jì)的FIR預(yù)補(bǔ)償器相比較。這個(gè)現(xiàn)有技術(shù)的補(bǔ)償器的沖擊響應(yīng)被顯示于圖4。這樣的補(bǔ)償器具有長的和振蕩的沖擊響應(yīng)，它們?cè)谟?jì)算上要求調(diào)節(jié)和實(shí)施的。這不單在非常高的和低的頻率處是一個(gè)潛在的問題，而且如果準(zhǔn)則(1.4)要被最小化而要求過量的補(bǔ)償?shù)那樾蜗乱彩菍?duì)于所有的頻率的潛在的問題?，F(xiàn)有技術(shù)補(bǔ)償?shù)南到y(tǒng)的幅度響應(yīng)和相對(duì)相位響應(yīng)分別顯示于圖10A和10B上。這個(gè)補(bǔ)償系統(tǒng)的幅度響應(yīng)，與用按照本發(fā)明的濾波器補(bǔ)償?shù)南到y(tǒng)相比較，顯示對(duì)于中頻的高得多的振蕩，特別是對(duì)于最高的頻率。因此，本發(fā)明性的設(shè)計(jì)導(dǎo)致短得多的和更好的特性的補(bǔ)償濾波器，也在其中想要補(bǔ)償?shù)念l率范圍內(nèi)提供更精確的倒置。
2.被設(shè)計(jì)為因果Wiener濾波器的標(biāo)量補(bǔ)償器下面，參照?qǐng)D11描述其中標(biāo)量濾波器被設(shè)計(jì)為因果Wiener濾波器的預(yù)補(bǔ)償濾波器設(shè)計(jì)方法。作為本發(fā)明的實(shí)施例的例子，考慮預(yù)補(bǔ)償單個(gè)音頻鏈(放大器，電纜，揚(yáng)聲器，和可能地室內(nèi)聲學(xué))的問題。標(biāo)量模型H可以代表在多個(gè)點(diǎn)相對(duì)于揚(yáng)聲器測(cè)量的動(dòng)態(tài)特性的平均值，這樣，其中達(dá)到良好的補(bǔ)償?shù)目臻g體積被增大。室內(nèi)聲學(xué)響應(yīng)在某些類型的問題中被忽略，這樣，只有揚(yáng)聲器鏈被補(bǔ)償。線性系統(tǒng)和模型，在這種情形下，都被假設(shè)為時(shí)間不變的。它們是通過使用離散時(shí)間后向移位算子被表示的，這里表示為q-1。信號(hào)s(t)被這個(gè)算子后向移位一個(gè)樣本q-1s(t)＝s(t-1)。同樣地，后向移位算子被表示為q，這樣，qs(t)＝s(t+1)，例如參閱[23]。標(biāo)量設(shè)計(jì)模型(1.1)然后通過具有固定的系數(shù)的線性時(shí)間不變差分方程來代表y(t)＝-a1y(t-1)-a2y(t-2)-...-any(t-n)+b0u(t-k)+b1u(t-k-1)+...+bhu(t-k-h) (2.1)假設(shè)b0≠0，在輸入u(t)影響輸出y(t)之前將有k個(gè)樣本的延時(shí)。這個(gè)延時(shí)k可以代表聲音輸送延時(shí)，以及這里它被稱為模型的塊延時(shí)。系數(shù)aj和bj確定由模型描述的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。最大延時(shí)n和h在音頻系統(tǒng)的某些模型中可以是好幾百或甚至幾千樣本。
把所有的項(xiàng)相對(duì)于y移動(dòng)到左手端。對(duì)于移位算子代表物，模型(2.1)等價(jià)于表示式(1+a1q-1++a2q-2+...+anq-n)y(t)＝(b0+b1q-1+...+bhq-h)u(t-k)。
通過引用多項(xiàng)式A(q-1)＝(1+a1q-1++a2q-2+...+anq-n)和B(q-1)＝(b0+b1q-1+...+bhq-h)，離散時(shí)間動(dòng)態(tài)模型(2.1)可以由更緊湊的表示式來代表
A(q-1)y(t)＝B(q-1)u(t-k). (2.2)多項(xiàng)式A(q-1)被稱為首項(xiàng)系數(shù)是1的(monic)，因?yàn)樗牡?個(gè)系數(shù)是1。在FI R模型的特定的情形下，A(q-1)＝1。一般地，在由濾波器A(q-1)代表的老的輸出y(t-j)中的遞歸給予模型以無限沖擊響應(yīng)。在公式(2.2)中表示的IIR濾波器也被稱為有理式濾波器(rationalfilter)，因?yàn)樗鼈兊霓D(zhuǎn)移算子可以由q-1)的多項(xiàng)式的比值來表示y(t)=B(q-1)A(q-1)u(t-k).]]>所有的涉及到的IIR系統(tǒng)、模型和濾波器在下面假設(shè)為穩(wěn)定的。穩(wěn)定準(zhǔn)則是指，當(dāng)復(fù)變量z用算子q代替時(shí)，這等價(jià)于方程A(z-1)＝0只具有幅度|z|＜1的解。換句話說，復(fù)函數(shù)A(z-1)的所有的零點(diǎn)必須在復(fù)數(shù)平面的單位圓內(nèi)。
要被補(bǔ)償?shù)男盘?hào)w(t)的假設(shè)的二階統(tǒng)計(jì)(頻譜性質(zhì))可以由穩(wěn)定的和可穩(wěn)定地顛倒的自回歸移動(dòng)平均(ARMA)模型代表H(q-1)w(t)＝G(q-1)v(t)，其中v(t)是白色噪聲，以及多項(xiàng)式H(z-1)和G(z-1)都是首項(xiàng)系數(shù)是1的，并且它們的所有的零點(diǎn)都在|z|＜1中，即，是穩(wěn)定的。
代表對(duì)于y(t)的想要的響應(yīng)的設(shè)計(jì)模型由穩(wěn)定的差分方程代表N(q-1)yref(t)＝D(q-1)w(t-d)， (2.3)其中多項(xiàng)式N(q-1)是首項(xiàng)系數(shù)是1的，以及在D(q-1)中的第一項(xiàng)多項(xiàng)式系數(shù)假設(shè)為非零的，這樣d代表想要的塊延時(shí)。
所使用的補(bǔ)償器結(jié)構(gòu)是(1.7)，其中固定的濾波器F被設(shè)置為FIR濾波器(多項(xiàng)式)F(q-1)以及旁路延時(shí)g被設(shè)置為等于d-k，假設(shè)d≥k。g的這個(gè)選擇已在上一節(jié)中概略地導(dǎo)出。因此，
u(t)＝R(q-1)w(t)＝F(q-1)w(t-d+k)+m(t) (2.4)m(t)＝C(q-1)w(t).
穩(wěn)定的離散時(shí)間標(biāo)量有理式濾波器C(q-1)現(xiàn)在要通過將二次準(zhǔn)則(1.6)最小化而被最優(yōu)化。這里，為簡(jiǎn)化起見，假設(shè)V＝1，而Wm(t)是具有輸出f(t)的標(biāo)量的和穩(wěn)定的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)，由差分方程表示V(q-1)f(t)＝W(q-1)m(t). (2.5)多項(xiàng)式V(z-1)和W(z-1)都是設(shè)計(jì)變量。它們被限制為它們的所有的零點(diǎn)都在|z|＜1中。因此，準(zhǔn)則(1.6)可被表示為J＝E(|(y(t)-yref(t))|2)+E(|f(t)|2). (2.6)下面說明最優(yōu)化解決方案。
假設(shè)以上引用的和在圖11上顯示的模型和多項(xiàng)式V，W，G，H，D，N，B，A以及延時(shí)k和d用數(shù)字說明。使得準(zhǔn)則(2.6)最小化的、在(2.4)中的穩(wěn)定的和因果的IIR濾波器C(q-1)然后由差分方程說明β(q-1)N(q-1)G(q-1)m(t)＝Q(q-1)V(q-1)w(t)， (2.7)其中首項(xiàng)系數(shù)是1的多項(xiàng)式β(q-1)具有的它的所有的零點(diǎn)都在|z|＜1中。它與變量r一起，被給出為多項(xiàng)式頻譜因式分解方程的唯一穩(wěn)定的和首項(xiàng)系數(shù)是1的解rβ(q-1)β*(q)＝V(q-1)V*(q)B(q-1)B*(q)+W(q-1)W*(q)A(q-1)A*(q)，(2.8)而在(2.7)中多項(xiàng)式Q(q-1)，連同反因果FIR濾波器L*(q)一起，由線性標(biāo)量Diophantine多項(xiàng)式方程的唯一解給出
z-d+k[D(q-1)A(q-1)-F(q-1)B(q-1)N(q-1)]G(q-1)V*(q)B*(q)＝Q(q-1)rβ*(q)-A(q-1)N(q-1)H(q-1)qL*(q).(2.9)以上在前向移位算子中的多項(xiàng)式代表反因果算子，它在時(shí)間上向前移位信號(hào)。它們由下標(biāo)中的星號(hào)表示。對(duì)于實(shí)數(shù)值系數(shù)的多項(xiàng)式P(q-1)＝(p0+p1q-1+p2q-2+...+pnpq-np)，共軛多項(xiàng)式被定義為P*(q)＝(p0+p1q+p2q2+...+pnpqnp)。
因?yàn)棣?q-1)具有的它的所有的零點(diǎn)都在|z|＜1中，而由于問題公式化，N(q-1)和G(q-1)假設(shè)為具有的所有的零點(diǎn)都在|z|＜1中，濾波器(2.7)保證是穩(wěn)定的。補(bǔ)償器將是因果的，因?yàn)樗婕暗臑V波器只具有后向移位算子作為宗量，以及因?yàn)樵?2.7)中的βGN由于所有的涉及的多項(xiàng)式都是首項(xiàng)系數(shù)是1的，而具有非零的第一項(xiàng)系數(shù)。這意味著，m(t)和它的輸出信號(hào)u(t)在時(shí)間t不是w(t)的將來的數(shù)值的函數(shù)。最佳濾波器結(jié)構(gòu)(2.7)和想要的設(shè)計(jì)公式(2.8)與(2.9)可以由正交性原理推導(dǎo)出，例如參閱[19，23，24，29]。所有的可允許的替換的濾波器然后被認(rèn)為此后表明，沒有替換的補(bǔ)償器能夠得到比起通過(2.7)得到的更低的判定值。
多項(xiàng)式頻譜因式分解方程(2.8)總是具有穩(wěn)定的解。當(dāng)復(fù)數(shù)變量z被算子q代替時(shí)，(2.8)的右端可被看作為具有對(duì)稱地分布在|z|＝1的單位圓的里面和外面的零點(diǎn)的多項(xiàng)式。由于等于以上引用的濾波器和模型的穩(wěn)定性假設(shè)，沒有零點(diǎn)可以精確地位于單位圓上。方程(2.8)的解相應(yīng)于把包括所有的零點(diǎn)的唯一的因子集中在單位圓的里面，這形成多項(xiàng)式β(q-1)。標(biāo)量r正好是使得β(q-1)為單一的歸一化因子。
多項(xiàng)式Diophantine方程(2.9)可以容易地變換成要對(duì)于Q(q-1)和L*(q)的多項(xiàng)式系數(shù)求解的線性方程的系統(tǒng)。這些方程是通過設(shè)置q的相同的冪次的系數(shù)在(2.9)的右端和左端為相等而被形成的。由于對(duì)于多項(xiàng)式Diophantine方程的可解性的一般理論，見[25]，方程(2.9)可以保證具有唯一解。這是因?yàn)樵谟叶说亩囗?xiàng)式β*(z)和A(z-1)N(z-1)H(z-1)z決沒有公因子。這是因?yàn)槭铅?(z)是β(z-1)的共軛多項(xiàng)式，所以它的所有的零點(diǎn)都在|z|＝1的外面，而A(z-1)，N(z-1)和H(z-1)，由于設(shè)計(jì)假設(shè)，只具有在|z|＝1的里面的零點(diǎn)。因此，所述的設(shè)計(jì)問題總是能夠求解，以及它們的解由補(bǔ)償濾波器表示式(2.4)，(2.7)和設(shè)計(jì)方程(2.8)與(2.9)體現(xiàn)。
根據(jù)二階(頻譜)信號(hào)模型使得二次準(zhǔn)則最小化的線性時(shí)間不變量濾波器在文獻(xiàn)中被稱為Wiener濾波器。例如參閱[26]。對(duì)于濾波器(2.4)導(dǎo)致準(zhǔn)則(2.6)最小化的補(bǔ)償器設(shè)計(jì)方程，不單在音頻預(yù)補(bǔ)償領(lǐng)域中，而且一般地也在Wiener濾波器設(shè)計(jì)和線性二次設(shè)計(jì)中，代表新穎的結(jié)果。
3.例如通過線性二次最優(yōu)化設(shè)計(jì)的、以狀態(tài)空間形式實(shí)現(xiàn)的多變量補(bǔ)償器上一節(jié)的多項(xiàng)式形式和設(shè)計(jì)可通過使用在[27]中描述的多項(xiàng)式矩陣表示法，而被概括為MIMO(多輸入多輸出)濾波器和模型。MIMO設(shè)計(jì)也可以根據(jù)狀態(tài)空間模型通過線性二次高斯(LQG)最優(yōu)化而被執(zhí)行，以及這樣的設(shè)計(jì)將在下面被概述。對(duì)于基于狀態(tài)空間方法的LQG設(shè)計(jì)的一般性介紹，例如參閱[28]。
下面，在狀態(tài)理論領(lǐng)域中動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的慣用的表示法被使用來描述本發(fā)明的預(yù)補(bǔ)償濾波器的多信道實(shí)施方案。其元素是實(shí)數(shù)值常數(shù)的矩陣(不是濾波器)在下面用粗黑的和底下劃線的符號(hào)表示。W(t)的矢量-ARMA模型然后作為以離散時(shí)間的線性時(shí)間不變的狀態(tài)空間模型被引用，具有適當(dāng)?shù)木S的狀態(tài)矢量x1(t)x1(t+1)=F1‾x1(t)+G1‾v(t)---(3.1)]]>w(t)=C1‾x1(t)+D1‾v(t),]]>其中w(t)是具有r維的列矢量，如在第1節(jié)中那樣的矢量。r維的矢量v(t)代表具有已知的協(xié)變矩陣的白色噪聲R1。ARMA模型(3.1)假設(shè)為穩(wěn)定的和可穩(wěn)定地倒置的。在(3.1)中，D1被假設(shè)為可倒置的r×r矩陣，它通常被設(shè)置為等于單位矩陣。當(dāng)w(t)假設(shè)為白色時(shí)，x1(t)的維數(shù)是零，以及w(t)＝D1v(t)。
描述要被補(bǔ)償?shù)囊纛l系統(tǒng)的、在(1.1)中的穩(wěn)定的線性設(shè)計(jì)模型H利用狀態(tài)矢量x2(t)以狀態(tài)空間形式被實(shí)現(xiàn)為x2(t+1)=F2‾x2(t)+G2‾u(t)---(3.2)]]>y(t)=C2‾x2(t),]]>其中矢量y(t)具有m維，而u(t)具有p維。塊延時(shí)被假設(shè)為由狀態(tài)延時(shí)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的。更大的延時(shí)將增加狀態(tài)矢量x2(t)的維數(shù)。
穩(wěn)定的想要的系統(tǒng)(1.2)也以狀態(tài)空間形式被實(shí)現(xiàn)，具有狀態(tài)矢量x3(t)為x3(t+1)=F3‾x3(t)+G3‾w(t)---(3.3)]]>yref(t)=C3‾x3(t),]]>其中塊延時(shí)d被構(gòu)建在狀態(tài)延時(shí)結(jié)構(gòu)中。
使用了補(bǔ)償器濾波器結(jié)構(gòu)(1.7)，其中穩(wěn)定的預(yù)先規(guī)定的線性濾波器F以狀態(tài)空間形式被實(shí)現(xiàn)，具有狀態(tài)矢量x4(t)為x4(t+1)=F4‾x4(t)+G4‾w(t)---(3.4)]]>u(t)=C4‾x4(t)+m(t).]]>在(3.4)中的加性信號(hào)m(t)根據(jù)準(zhǔn)則(1.6)被最優(yōu)化，這里，為了簡(jiǎn)單性起見，設(shè)V＝I。在準(zhǔn)則中的穩(wěn)定的輸入懲罰濾波器W以狀態(tài)空間形式被實(shí)現(xiàn)為另一個(gè)濾波器，輸出信號(hào)矢量被表示為f(t)x5(t+1)=F5‾x5(t)+G5‾m(t)---(3.5)]]>f(t)=C5‾x5(t).]]>要被最小化的二次準(zhǔn)則(1.6)因此被給出為
J＝E(|(y(t)-yref(t))|2)+E(|f(t)|)2.(3.6)現(xiàn)在，定義系統(tǒng)的總的狀態(tài)矢量為x(t)＝[x1(t)Tx2(t)Tx3(t)Tx4(t)Tx5(t)T]T. (3.7)在(3.1)-(3.5)中的狀態(tài)更新公式可被組合成單個(gè)模型x(t+1)＝Fx(t)+Gm(t)+Hv(t)，(3.8)其中聯(lián)合模型的狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣F和輸入矩陣G與H可以容易地從子模型(3.1)-(3.5)得出。準(zhǔn)則(3.6)然后可以用具有無限控制水平線和對(duì)于選擇的狀態(tài)的懲罰的準(zhǔn)則的形式來表示。我們也加上對(duì)于m(t)中的二次形式的懲罰作為規(guī)則化項(xiàng)，具有懲罰矩陣RJ＝E(x(t)TCTCx(t)+x(t)TMTMx(t)+m(t)TRm(t)＝(3.9)＝E(x(t)TQx(t)+m(t)TRm(T))，其中C‾=(0C2‾-C3‾00)]]>M‾=(0000C5‾)]]>Q＝CTC+MTM.
如果x(t)是已知的，則線性狀態(tài)反饋m(t)＝-Lx(t)， (3.10)
可被設(shè)計(jì)來將無限水平準(zhǔn)則(3.8)最小化。最佳控制器增益矩陣被給出為L＝(GTSG+R)-1GTSF， (3.11)其中S是對(duì)稱的和正的半確定矩陣，它求解代數(shù)矩陣Riccati方程S＝FTSF+Q-FTSF(GTSG+R)-1GTSF. (3.12)由于所有的涉及的系統(tǒng)是穩(wěn)定的，根據(jù)定義，總的系統(tǒng)是可檢測(cè)的和穩(wěn)定的。這保證這個(gè)線性二次狀態(tài)反饋控制問題的解的存在。這個(gè)解相應(yīng)于(3.12)的解的矩陣S，它是半正定的。如果R被設(shè)置為正定矩陣，則在(3.11)(3.12)中出現(xiàn)的pxp逆矩陣將總是存在的。
如果狀態(tài)矢量是未知的，則可以由觀察器估計(jì)它。線性二次最佳控制理論的分離原理闡述，如果這個(gè)觀察器被設(shè)計(jì)為二次最佳的線性觀察器，Kalman估值器，則可以得到只使用可測(cè)量的信號(hào)的和將(3.9)最小化的聯(lián)合最佳設(shè)計(jì)。這樣的設(shè)計(jì)被稱為線性二次高斯(LQG)設(shè)計(jì)，或H2最佳設(shè)計(jì)。在這里考慮的特定的問題公式化中，最佳狀態(tài)觀察器可以簡(jiǎn)單地進(jìn)行設(shè)計(jì)。穩(wěn)定的子系統(tǒng)(3.3)-(3.5)只被可測(cè)量的信號(hào)驅(qū)動(dòng)，不具有噪聲，它們是補(bǔ)償器和問題的構(gòu)成的一部分。所以它們的狀態(tài)是已知的。模型(3.2)的輸出不是直接可測(cè)量的，因?yàn)樵O(shè)計(jì)是前向饋送的解，它不使用來自聲音測(cè)量ym(t)的反饋。用于x2(t)的最好的許可的觀察器只是(3.2)的復(fù)制品，它由提供狀態(tài)估值x2(t|t-1)的已知的信號(hào)u(t)驅(qū)動(dòng)。
在模型(3.1)中，D1被假設(shè)為不可倒置的，這樣噪聲輸入可被估值為v(t|t)=D1‾-1(w(t)-C1‾x1(t|t-1)).]]>
x1(t)的狀態(tài)估值所以可以通過下式被更新x1(t+1|t)=F1‾x1(t|t-1)+G1‾v(t|t)=(F1‾-G1D1‾-1C1‾)x1(t|t-1)+G1D1‾-1w(t).---(3.13)]]>這種遞歸將是穩(wěn)定的，因?yàn)锳RMA模型(3.13)假設(shè)為穩(wěn)定地可逆的。當(dāng)w(t)假設(shè)為白色時(shí)，方程(3.13)當(dāng)然是不必要的。因此，通過用于估計(jì)狀態(tài)的公式(3.13)，(3.2)，(3.3)，(3.5)和代表預(yù)補(bǔ)償器的(3.4)，給出完全的解，m(t)被產(chǎn)生為m(t)＝-Lx(t|t-1)，(3.14)其中x(t|t-1)＝[x1(t|t-1)Tx2(t|t-1)Tx3(t)Tx4(t)Tx5(t)T]T. (3.15)比較器(3.4)，(3.14)u(t)=C4‾x4(t)-L‾x(t|t-1),]]>構(gòu)成具有r個(gè)輸入w(t)和p個(gè)輸出u(t)的IIR濾波器。通過用代數(shù)Riccati方程的許多存在的解之一來求解(3.12)得出S，然后使用(3.11)，而使得增益矩陣L最優(yōu)化。
4.非線性模型和補(bǔ)償器在第一節(jié)中介紹的設(shè)計(jì)原理可被概括為音頻預(yù)補(bǔ)償問題，其中設(shè)計(jì)模型可以是非線性的和/或其中需要的補(bǔ)償器具有非線性結(jié)構(gòu)。最簡(jiǎn)單的例子或許是線性系統(tǒng)和補(bǔ)償器與非線性靜態(tài)元件相串聯(lián)，諸如限幅器。
實(shí)際上這樣的元件在真實(shí)系統(tǒng)中總是存在的，但在線性設(shè)計(jì)和最優(yōu)化中被忽略的。其他可想到的非線性模型和濾波器結(jié)構(gòu)包括Volterra和Wiener模型，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，函數(shù)級(jí)數(shù)展開，和包括聲學(xué)元件的非線性基于物理的模型的模型結(jié)構(gòu)。
定義延時(shí)的信號(hào)矢量組Y(T)＝{y(t)，y(t-1)，...}U(t)＝{u(t)，u(t-1)，...}W(t)＝{w(T)，w(t-1)，...}.
相應(yīng)于(1.1)的非線性和可能的時(shí)變的動(dòng)態(tài)模型然后可由下式表示y(t)＝h(U(t)，t) (4.1)ym(t)＝y(tǒng)(t)+e(t)，其中h()代表可能的非線性和時(shí)變動(dòng)態(tài)算子。同樣地，使得結(jié)構(gòu)一般化的、可能的非線性的想要的響應(yīng)模型是yref(r)＝d(W(t)，t)， (4.2)其中d()代表可能的非線性和時(shí)變動(dòng)態(tài)算子。在非線性情形下也保留的、建議的本發(fā)明的關(guān)鍵性質(zhì)是附加分解預(yù)補(bǔ)償器。對(duì)于非線性和可能的時(shí)變補(bǔ)償器，這用以下的形式來表示u(t)＝r(W(t)，t)＝f(W(t)，t)+m(t)；f(t)≠0 (4.3)m(t)＝c(W(t)，t).
這里，r()，f()和c()代表可能的非線性和時(shí)變動(dòng)態(tài)算子。算子f被預(yù)先規(guī)定以及不同于零，而c要通過最優(yōu)化被調(diào)節(jié)。最好是，如果c的參量化是使得通過某些參量設(shè)置而允許c＝0，這樣，對(duì)于這種情形可以得到標(biāo)稱的響應(yīng)r＝f。另外，對(duì)于非線性問題，最優(yōu)化準(zhǔn)則應(yīng)當(dāng)包括在r和f的接近程度(m(t)是小的)與補(bǔ)償?shù)妮敵鰕(t)和yref(t)的接近程度之間的加權(quán)。如果這個(gè)加權(quán)被做成依賴于頻率的，則這應(yīng)當(dāng)與線性情形一樣，由線性的和穩(wěn)定的動(dòng)態(tài)加權(quán)矩陣V和W來表示，因?yàn)轭l率性質(zhì)只由線性系統(tǒng)以有意義的方式被保留。
對(duì)于非線性系統(tǒng)，相應(yīng)于(1.6)的準(zhǔn)則依賴于輸入信號(hào)幅度。加權(quán)給定的決定性輸入信號(hào)序列w(t)的響應(yīng)的標(biāo)量二次準(zhǔn)則仍可被規(guī)定和最小化。可能的適當(dāng)?shù)臏?zhǔn)則具有形式∑t(|V(y(t)-yref(t))|2)+∑t(Wm(t)|2)， (4.4)其中∑t()表示對(duì)于具有適當(dāng)?shù)姆确秶摹⑻囟ǖ臏y(cè)試信號(hào)序列w(t)的和值。將(4.4)相對(duì)于在(4.3)的c()中的自由參量進(jìn)行最小化可以通過數(shù)字搜索子程序?qū)τ诜蔷€性模型和/或非線性濾波器來執(zhí)行。
5.實(shí)施方面典型地，在分開的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)上求解設(shè)計(jì)方程，產(chǎn)生預(yù)補(bǔ)償濾波器的濾波器參量。計(jì)算的濾波器參量然后正常地下載到由數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)或類似的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的數(shù)字濾波器，它執(zhí)行實(shí)際的濾波。
由本發(fā)明建議的濾波器設(shè)計(jì)方案因此優(yōu)選地由軟件以程序模塊、函數(shù)或等價(jià)物被實(shí)施。軟件可以以任何類型的計(jì)算機(jī)語言被編寫，諸如C，C++或甚至用于數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)的專門化的語言。實(shí)際上，本發(fā)明的相關(guān)的步驟，函數(shù)和行動(dòng)被變換成計(jì)算機(jī)程序，它們?cè)谟捎?jì)算機(jī)系統(tǒng)執(zhí)行時(shí)實(shí)施與預(yù)補(bǔ)償濾波器的設(shè)計(jì)有關(guān)的計(jì)算。在基于PC的系統(tǒng)的情形下，用于音頻預(yù)補(bǔ)償濾波器設(shè)計(jì)的計(jì)算機(jī)程序通常被編碼在計(jì)算機(jī)可讀的媒體上，諸如CD，或用于分布到用戶/濾波器設(shè)計(jì)者的類似的結(jié)構(gòu)，然后他們可以把程序裝載到他/她的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，用于以后執(zhí)行。
圖12是顯示適用于實(shí)施按照本發(fā)明的濾波器設(shè)計(jì)算法的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的例子的示意性方框圖。系統(tǒng)100可以以任何慣用的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的形式被實(shí)現(xiàn)，包括個(gè)人計(jì)算機(jī)(PC)，大型計(jì)算機(jī)，多處理器系統(tǒng)，網(wǎng)絡(luò)PC，數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)等等。無論如何，系統(tǒng)100基本上包括中央處理單元(CPU)或數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)核心10，系統(tǒng)存儲(chǔ)器20和的互聯(lián)各個(gè)系統(tǒng)部件系統(tǒng)總線30。系統(tǒng)存儲(chǔ)器20典型地包括只讀存儲(chǔ)器(ROM)22和隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(RAM)24。而且，系統(tǒng)100通常包括一個(gè)或多個(gè)驅(qū)動(dòng)器控制的外圍存儲(chǔ)器裝置40，諸如硬盤，磁盤，光盤，軟盤，數(shù)字視盤或存儲(chǔ)器卡，提供設(shè)計(jì)和程序信息的非易失性貯存。每個(gè)外圍存儲(chǔ)器裝置40通常與一個(gè)用于控制存儲(chǔ)器裝置40的存儲(chǔ)器驅(qū)動(dòng)和一個(gè)用于把存儲(chǔ)器裝置40連接到系統(tǒng)總線30的驅(qū)動(dòng)接口(未示出)相聯(lián)系。實(shí)施按照本發(fā)明的設(shè)計(jì)算法的濾波器設(shè)計(jì)程序，可能連同其他的相關(guān)的程序模塊一起，可被存儲(chǔ)在外圍存儲(chǔ)器40中，以及被裝載到系統(tǒng)存儲(chǔ)器20的RAM 22中由CPU 10執(zhí)行。給定相關(guān)的輸入數(shù)據(jù)，諸如模型代表物，固定濾波器部件，配置的加權(quán)和參考系統(tǒng)的代表物，濾波器設(shè)計(jì)程序計(jì)算預(yù)補(bǔ)償濾波器的濾波器參量。
所確定的濾波器參量然后通常從系統(tǒng)存儲(chǔ)器20中的RAM 24經(jīng)過系統(tǒng)100的I/O接口70傳送到預(yù)補(bǔ)償濾波器系統(tǒng)200。優(yōu)選地，預(yù)補(bǔ)償濾波器系統(tǒng)200是基于數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)或類似的中央處理單元(CPU)202，和用于保存濾波器參量與需要的延時(shí)的信號(hào)樣本的一個(gè)或多個(gè)存儲(chǔ)器模塊204的。存儲(chǔ)器204通常也包括濾波程序，它在被處理器202執(zhí)行時(shí)，根據(jù)濾波器參量執(zhí)行實(shí)際的濾波。
代替把計(jì)算的濾波器參量經(jīng)過I/O系統(tǒng)70直接傳送到預(yù)補(bǔ)償濾波器系統(tǒng)200，濾波器參量可被存儲(chǔ)在外圍存儲(chǔ)器卡或存儲(chǔ)器硬盤40，以便以后分布到預(yù)補(bǔ)償濾波器系統(tǒng)，預(yù)補(bǔ)償濾波器系統(tǒng)可以或不一定遠(yuǎn)離濾波器設(shè)計(jì)系統(tǒng)100。
為了使得能夠測(cè)量由所考慮的音頻設(shè)備產(chǎn)生的聲音，任何慣用的話筒單元或類似的記錄設(shè)備80一般可以經(jīng)過模擬-數(shù)字(A/D)變換器80而被連接到計(jì)算機(jī)系統(tǒng)100。根據(jù)由話筒80單元作出的常規(guī)測(cè)試信號(hào)的測(cè)量，系統(tǒng)100可以使用被裝載在系統(tǒng)存儲(chǔ)器20中的應(yīng)用程序開發(fā)音頻系統(tǒng)的模型。測(cè)量值也可以被使用來評(píng)估預(yù)補(bǔ)償濾波器與音頻設(shè)備的組合的系統(tǒng)的性能。如果設(shè)計(jì)者不滿意最后得到的設(shè)計(jì)，他可以根據(jù)修正的設(shè)計(jì)參量組發(fā)起對(duì)預(yù)補(bǔ)償濾波器的新的最優(yōu)化。
而且，系統(tǒng)100典型地具有用戶接口50，以便允許用戶與濾波器設(shè)計(jì)者交互。幾個(gè)不同的用戶交互情形是可能的。
例如，濾波器設(shè)計(jì)者可以決定他/她想要在濾波器系統(tǒng)200的濾波器參量的計(jì)算中使用一個(gè)特別定做的設(shè)計(jì)參量組(諸如特定的固定的濾波器部件和/或加權(quán)值)。于是，濾波器設(shè)計(jì)者通過用戶接口50規(guī)定相關(guān)的設(shè)計(jì)參量(諸如固定的濾波器部件和/或加權(quán)值)。
濾波器設(shè)計(jì)者也有可能在一組不同的預(yù)先配置的固定的濾波器部件和/或加權(quán)值之間進(jìn)行選擇，這組濾波器部件和/或加權(quán)值可被設(shè)計(jì)用于不同的音頻系統(tǒng)，收聽環(huán)境和/或?yàn)榱税烟貏e的特性引入到最后得到的聲音中。在這樣的情形下，預(yù)先配置的任選項(xiàng)通常被存儲(chǔ)在外圍存儲(chǔ)器40中，以及在執(zhí)行濾波器設(shè)計(jì)程序期間被裝載到系統(tǒng)存儲(chǔ)器。通過測(cè)試幾個(gè)預(yù)先配置的任選項(xiàng)和/或通過修正在預(yù)先配置的任選項(xiàng)中的參量，濾波器設(shè)計(jì)者然后可以選擇最好地適用于現(xiàn)在的音頻系統(tǒng)和收聽環(huán)境的、固定的非零濾波器部件和/或加權(quán)值。
替換地，濾波器設(shè)計(jì)程序有可能根據(jù)其中要使用預(yù)補(bǔ)償濾波器的音頻設(shè)備來或多或少地自動(dòng)選擇缺省的固定的非零濾波器部件和/或加權(quán)值。
除了固定的非零濾波器部件和依賴于頻率的和/或依賴于信道的加權(quán)值以外，濾波器設(shè)計(jì)者也可以通過使用用戶接口50來規(guī)定參考系統(tǒng)。例如，參考系統(tǒng)的延時(shí)可以由用戶選擇，或被作為缺省延時(shí)提供。通過仔細(xì)選擇參考系統(tǒng)，可以引入更先進(jìn)的特別的效果。這樣的特別的效果可包括用緊湊的立體聲系統(tǒng)來得到電影院聲音重現(xiàn)。
代替根據(jù)話筒測(cè)量確定系統(tǒng)模型，濾波器設(shè)計(jì)者也有可能從一組不同的預(yù)先配置的系統(tǒng)模型中選擇音頻系統(tǒng)的模型。優(yōu)選地，這樣的選擇是基于其中要使用最后得到的預(yù)補(bǔ)償濾波器的特定的音頻設(shè)備來進(jìn)行的。
在替換的實(shí)施方案中，濾波器設(shè)計(jì)或多或少地自動(dòng)地執(zhí)行，無需或只需勉強(qiáng)夠格的用戶參加?，F(xiàn)在將描述這樣的結(jié)構(gòu)的例子。示例性系統(tǒng)包括監(jiān)管程序，系統(tǒng)識(shí)別軟件和濾波器設(shè)計(jì)軟件。監(jiān)管程序首先產(chǎn)生測(cè)試信號(hào)和測(cè)量音頻系統(tǒng)的最后得到的聲音響應(yīng)。根據(jù)測(cè)試信號(hào)和得到的測(cè)量值，系統(tǒng)識(shí)別軟件確定音頻系統(tǒng)的模型。監(jiān)管程序然后收集和/或產(chǎn)生需要的設(shè)計(jì)參量和把這些設(shè)計(jì)參量轉(zhuǎn)發(fā)給用于計(jì)算預(yù)補(bǔ)償濾波器參量的濾波器設(shè)計(jì)程序。作為任選項(xiàng)，監(jiān)管程序然后可以基于測(cè)量的信號(hào)評(píng)估最后得到的設(shè)計(jì)的性能，以及如果必要的話，命令濾波器設(shè)計(jì)程序根據(jù)一個(gè)修正的設(shè)計(jì)參量組確定新的濾波器參量組。這個(gè)程序過程可以重復(fù)進(jìn)行，直至得到滿意的結(jié)果為止。然后，最后一組濾波器參量被下載給預(yù)補(bǔ)償濾波器系統(tǒng)。
也有可能自適應(yīng)地調(diào)節(jié)預(yù)補(bǔ)償濾波器的濾波器參量，而不使用固定的濾波器參量組。在使用音頻系統(tǒng)的濾波器期間，音頻條件可以改變。例如，揚(yáng)聲器和/或物體(諸如家具)在收聽環(huán)境中的位置可以改變，后者又可能影響室內(nèi)聲學(xué)，和/或音頻系統(tǒng)中的某些設(shè)備可能被某些其他設(shè)備替換，從而導(dǎo)致總的音頻系統(tǒng)的不同的特性。在這樣的情形下，在收聽環(huán)境中的一個(gè)或幾個(gè)位置處來自音頻系統(tǒng)的聲音的連續(xù)的或間歇的測(cè)量，可以由一個(gè)或多個(gè)話筒單元或類似的聲音記錄設(shè)備來執(zhí)行。記錄的聲音數(shù)據(jù)然后可被饋送到濾波器設(shè)計(jì)系統(tǒng)，諸如圖12的系統(tǒng)100，后者計(jì)算新的音頻系統(tǒng)模型和調(diào)節(jié)濾波器參量，從而使它們更好地適合于新的音頻條件。
自然地，本發(fā)明并不限于圖12的安排。作為替換例，預(yù)補(bǔ)償濾波器的設(shè)計(jì)和濾波器的實(shí)際的實(shí)施方案可以在同一個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)100或200中被執(zhí)行。這一般意味著，濾波器設(shè)計(jì)程序和濾波程序在相同的DSP或微處理器系統(tǒng)上被實(shí)施或被執(zhí)行。
包含按照本發(fā)明的預(yù)補(bǔ)償濾波器系統(tǒng)200的聲音產(chǎn)生或重現(xiàn)系統(tǒng)300示意地顯示在圖13上。來自聲音源的音頻信號(hào)w(t)可以通過傳統(tǒng)的I/O接口210被轉(zhuǎn)發(fā)到預(yù)補(bǔ)償濾波器系統(tǒng)200。如果音頻信號(hào)w(t)是模擬的(諸如用于LP、模擬音頻盒式磁帶和其他模擬聲音源)，則信號(hào)在進(jìn)入濾波器之前首先在A/D變換器210中被數(shù)字化。來自CD，DAT磁帶，DVD，微型軟盤等等的數(shù)字音頻信號(hào)可直接轉(zhuǎn)發(fā)到濾波器200而不用任何變換。
數(shù)字的或數(shù)字化的輸入信號(hào)w(t)然后由預(yù)補(bǔ)償濾波器200進(jìn)行預(yù)補(bǔ)償，以便基本上考慮到以后的音頻系統(tǒng)設(shè)備的效果。數(shù)字音頻信號(hào)的補(bǔ)償是隨依賴于頻率的和/或依賴于信道的懲罰項(xiàng)而變化的，這些懲罰項(xiàng)懲罰濾波系統(tǒng)的補(bǔ)償部分。
最后得到的補(bǔ)償?shù)男盘?hào)u(t)然后可以通過另一個(gè)IO單元230被轉(zhuǎn)發(fā)到DA變換器240，其中數(shù)字補(bǔ)償?shù)男盘?hào)u(t)被變換成相應(yīng)的模擬信號(hào)。這個(gè)模擬信號(hào)然后進(jìn)入放大器250和揚(yáng)聲器260。從揚(yáng)聲器260發(fā)出的聲音信號(hào)ym(t)然后具有想要的音頻特性，給出接近于理想的聲音感覺。這意味著，音頻系統(tǒng)設(shè)備的任何不想要的效果通過預(yù)補(bǔ)償濾波器的逆向的作用而被消除，不會(huì)使該系統(tǒng)過補(bǔ)償。如上所述，額外的聲音效果也可被引入到最后得到的聲音信號(hào)ym(t)中。
預(yù)補(bǔ)償濾波器系統(tǒng)可以作為數(shù)字信號(hào)處理器或計(jì)算機(jī)中的單獨(dú)的設(shè)備來實(shí)現(xiàn)，如上所述，它與后面的放大器之間具有模擬或數(shù)字接口。替換地，它可被集成到數(shù)字預(yù)放大器，計(jì)算機(jī)聲卡，小型立體聲系統(tǒng)，家庭影院系統(tǒng)，計(jì)算機(jī)游戲控制臺(tái)或任何其他用于產(chǎn)生聲音的設(shè)備或系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)中。也有可能通過定做的計(jì)算的硬件結(jié)構(gòu)以與硬件更加相關(guān)的方式實(shí)現(xiàn)預(yù)補(bǔ)償濾波器。
應(yīng)當(dāng)看到，預(yù)補(bǔ)償可以與把聲音信號(hào)分布到實(shí)際的重現(xiàn)位置的操作分開地執(zhí)行。由預(yù)補(bǔ)償濾波器產(chǎn)生的預(yù)補(bǔ)償信號(hào)不必立即分布到聲音產(chǎn)生系統(tǒng)和直接與聲音產(chǎn)生系統(tǒng)相聯(lián)系，但可被記錄在分開的媒體上，以便以后分布到聲音產(chǎn)生系統(tǒng)。在圖1上的補(bǔ)償信號(hào)u(t)然后可表示在CD或DVD盤上的記錄的音樂，它已被調(diào)節(jié)成適合特定的音頻設(shè)備和收聽環(huán)境。它也可以是被存儲(chǔ)在互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器的預(yù)補(bǔ)償?shù)囊纛l文件，該服務(wù)器允許通過互聯(lián)網(wǎng)以后下載文件到遠(yuǎn)端位置。
最后，參照?qǐng)D14的流程圖來概述按照本發(fā)明的示例性實(shí)施例的濾波器設(shè)計(jì)方法的總的流程。這個(gè)流程圖不僅顯示實(shí)際的設(shè)計(jì)步驟，而且也顯示優(yōu)選地連同本發(fā)明一起被使用的預(yù)先的步驟，所以，它代表了設(shè)計(jì)本發(fā)明的預(yù)補(bǔ)償濾波器的總的步驟的例子，其中從未補(bǔ)償?shù)囊纛l系統(tǒng)開始以及直到一個(gè)實(shí)現(xiàn)了的濾波器才結(jié)束。
總的設(shè)計(jì)方法在步驟S1開始。在步驟S2，根據(jù)本領(lǐng)域技術(shù)人員熟知的方法確定音頻系統(tǒng)的模型，例如，根據(jù)物理定律確定模型或通過使用已知的測(cè)試信號(hào)對(duì)于音頻系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)量。然后在步驟S3配置固定的非零濾波器部件。這種配置可以通過使用缺省的配置的濾波器部件，通過從一組預(yù)先配置的濾波器部件中選擇濾波器部件或通過輸入用戶特別定做的固定的濾波器部件而被執(zhí)行。在步驟S4，配置一個(gè)加權(quán)值。這是在一方面把預(yù)補(bǔ)償濾波器近似為固定的濾波器部件與另一方面把預(yù)補(bǔ)償?shù)哪Ｐ晚憫?yīng)近似為參考系統(tǒng)響應(yīng)這二者之間的一個(gè)加權(quán)值。這種配置可以通過使用缺省的預(yù)先配置的加權(quán)值、通過從一組加權(quán)值中選擇一個(gè)加權(quán)值或通過輸入一個(gè)完全新穎的加權(quán)值，以與用于濾波器部件相同的方式來執(zhí)行。在步驟S5(它代表本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例)，要使包括了在步驟S4配置的加權(quán)值的判定函數(shù)相對(duì)于可調(diào)節(jié)的補(bǔ)償器部件被最優(yōu)化。這個(gè)最優(yōu)化可以給出一個(gè)可調(diào)節(jié)的補(bǔ)償器部件，它在步驟S6連同固定的非零濾波器部件一起被使用來確定預(yù)補(bǔ)償濾波器的濾波器參量。在步驟S7，已確定的濾波器參量于是被實(shí)施為預(yù)補(bǔ)償濾波器的濾波器硬件或軟件。
如果需要的話，濾波器參量必須被調(diào)節(jié)?？偟脑O(shè)計(jì)方法然后可重復(fù)進(jìn)行(由虛線400示意地表示)，或者某些步驟可重復(fù)進(jìn)行(如由虛線500表示)。
上述的實(shí)施例僅僅作為例子給出，應(yīng)當(dāng)看到，本發(fā)明并不限于此。這里所揭示的和要求保護(hù)的基礎(chǔ)原理的進(jìn)一步的修正、改變和改進(jìn)都屬于本發(fā)明的精神和范圍。
權(quán)利要求
1.用于根據(jù)相關(guān)的聲音產(chǎn)生系統(tǒng)的響應(yīng)的模型(H；h)來設(shè)計(jì)預(yù)補(bǔ)償濾波器(200)的方法，其特征在于，為了設(shè)計(jì)的目的，所述預(yù)補(bǔ)償濾波器(R；r)被看作為附加地包括固定的非線性濾波器部件(F；f)和可調(diào)節(jié)的補(bǔ)償器部件(C；c)，以及所述方法包括以下步驟-通過使包括了處在以下兩項(xiàng)之間的給定的加權(quán)值在內(nèi)的判定函數(shù)最優(yōu)化從而確定所述預(yù)補(bǔ)償濾波器的所述可調(diào)節(jié)的補(bǔ)償器部件(C；c)(i)一方面，把預(yù)補(bǔ)償濾波器(R；r)近似為所述固定的非零濾波器部件(F；f)；和(ii)另一方面，把預(yù)補(bǔ)償?shù)哪Ｐ晚憫?yīng)(y)近似為參考系統(tǒng)(D；d)的響應(yīng)；以及-根據(jù)把所述固定的濾波部件(F；f)和所述確定的補(bǔ)償器部件(C；c)相加來確定所述預(yù)補(bǔ)償濾波器(R；r)。
2.按照權(quán)利要求1的方法，還包括配置所述固定的濾波器部件和配置所述加權(quán)值的步驟。
3.按照前述權(quán)利要求的任一項(xiàng)的方法，其特征在于，所述固定的濾波器部件包括具有至少一個(gè)可選擇的延時(shí)單元的旁路部件。
4.按照前述權(quán)利要求的任一項(xiàng)的方法，其特征在于，所述聲音產(chǎn)生系統(tǒng)的響應(yīng)的模型是線性動(dòng)態(tài)模型，以及所述預(yù)補(bǔ)償濾波器是線性動(dòng)態(tài)濾波器。
5.按照前述權(quán)利要求的任一項(xiàng)的方法，其特征在于，所述加權(quán)值包括依賴于頻率的加權(quán)值和/或依賴于信道的加權(quán)值。
6.按照前述權(quán)利要求的任一項(xiàng)的方法，其特征在于，所述加權(quán)值包括依賴于頻率的加權(quán)值。
7.按照權(quán)利要求6的方法，其特征在于，所述依賴于頻率的加權(quán)值被配置成使得能在由所述方法描述的頻率范圍內(nèi)不同的頻率區(qū)域中進(jìn)行不同的程度的補(bǔ)償。
8.按照權(quán)利要求6的方法，其特征在于，所述依賴于頻率的加權(quán)值被配置成可以使得補(bǔ)償?shù)哪Ｐ晚憫?yīng)近似于一組用戶特定的頻率范圍的參考系統(tǒng)響應(yīng)，并且同時(shí)補(bǔ)償?shù)哪Ｐ晚憫?yīng)近似于另一組用戶特定的頻率范圍的旁路的模型響應(yīng)。
9.按照權(quán)利要求8的方法，其特征在于，近似程度用動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的任何適當(dāng)?shù)哪矶攘俊?br> 10.按照前述權(quán)利要求的任一項(xiàng)的方法，其特征在于，所述聲音產(chǎn)生系統(tǒng)是多信道系統(tǒng)，以及所述預(yù)補(bǔ)償濾波器包括多個(gè)濾波器，為了設(shè)計(jì)的目的，每個(gè)濾波器具有單獨(dú)的非零旁路部件和單獨(dú)的補(bǔ)償器部件。
11.按照權(quán)利要求10的方法，其特征在于，所述加權(quán)包括依賴于信道的加權(quán)值。
12.按照權(quán)利要求11的方法，其特征在于，所述依賴于信道的加權(quán)值被配置成使得能在所述多信道系統(tǒng)的不同的信道上進(jìn)行不同類型的補(bǔ)償。
13.按照前述權(quán)利要求的任一項(xiàng)的方法，其特征在于，所述使得所述判定函數(shù)最優(yōu)化的步驟通過使用遞歸最優(yōu)化或自適應(yīng)濾波而在線地執(zhí)行。
14.按照權(quán)利要求1-12的任一項(xiàng)的方法，其特征在于，所述使得所述判定函數(shù)最優(yōu)化的步驟作為基于模型的離線設(shè)計(jì)而執(zhí)行。
15.按照前述權(quán)利要求的任一項(xiàng)的方法，其特征在于，所述確定所述補(bǔ)償器部件的步驟包括使得所述加權(quán)的判定函數(shù)相對(duì)于在所述補(bǔ)償器部件中的可調(diào)節(jié)的濾波器參量進(jìn)行最優(yōu)化的步驟。
16.按照權(quán)利要求15的方法，其特征在于，所述判定函數(shù)被定義為J＝E(|V(HR-D)w(t))|2)+E(|WCw(t)|2)，其中H是所述模型的代表，R是所述預(yù)補(bǔ)償濾波器的代表，D是所述參考系統(tǒng)的代表，C是所述可調(diào)節(jié)的補(bǔ)償器部件的代表，W是代表所述加權(quán)值的加權(quán)函數(shù)以及V是另一個(gè)可任選的加權(quán)函數(shù)，這兩個(gè)所述加權(quán)函數(shù)是線性的和穩(wěn)定的轉(zhuǎn)移函數(shù)矩陣，w(t)是加到所述預(yù)補(bǔ)償濾波器的輸入信號(hào)，以及E()表示對(duì)于所述輸入信號(hào)w(t)的期望值。
17.按照權(quán)利要求16的方法，其特征在于，所述預(yù)補(bǔ)償濾波器作為穩(wěn)定的IIR濾波器的狀態(tài)空間實(shí)現(xiàn)方案而被實(shí)施，以及它是基于借助線性二次狀態(tài)空間工具實(shí)現(xiàn)的所述判定函數(shù)的最小化的。
18.按照權(quán)利要求16的方法，其特征在于，所述預(yù)補(bǔ)償濾波器以穩(wěn)定的IIR wiener濾波器的形式而被實(shí)施，其中由F代表的固定的非零旁路部件被配置為FIR濾波器，從而F(q-1)＝q-d+kF(q-1)，其中q-x是標(biāo)準(zhǔn)后向移位x步的算子，而qx是標(biāo)準(zhǔn)前向移位x步的算子，以及所述可調(diào)節(jié)的補(bǔ)償器部件C是穩(wěn)定的遞歸濾波器，它被定義為β(q-1)N(q-1)G(q-1)C(q-1)＝Q(q-1)V(q-1)，其中多項(xiàng)式Q(q-1)連同反因果FIR濾波器L*(q)一起，由以下的線性標(biāo)量Diophantine多項(xiàng)式方程的唯一解給出z-d+k[D(q-1)A(q-1)-F(q-1)B(q-1)N(q-1)]G(q-1)V*(q)B*(q)＝Q(q-1)rβ*(q)-A(q-1)N(q-1)H(q-1)qL*(q)，而首項(xiàng)系數(shù)為1的多項(xiàng)式β(q-1)連同標(biāo)量r一起，由多項(xiàng)式頻譜因式分解的唯一穩(wěn)定解給出rβ(q-1)β*(q)＝V(q-1)V*(q)B(q-1)B*(q)+W(q-1)W*(q)A(q-1)A*(q)其中A，B，G，L，N是輔助多項(xiàng)式。
19.按照權(quán)利要求1-3的任一項(xiàng)的方法，其特征在于，所述聲音產(chǎn)生系統(tǒng)的響應(yīng)的模型是非線性動(dòng)態(tài)模型，以及所述預(yù)補(bǔ)償濾波器是非線性動(dòng)態(tài)濾波器。
20.用于根據(jù)相關(guān)的聲音產(chǎn)生系統(tǒng)的響應(yīng)的模型(H；h)來設(shè)計(jì)預(yù)補(bǔ)償濾波器(200)的系統(tǒng)，其特征在于，為了設(shè)計(jì)的目的，所述預(yù)補(bǔ)償濾波器(R；r)被看作為附加地包括固定的非線性濾波器部件(F；f)和可調(diào)節(jié)的補(bǔ)償器部件(C；c)，以及所述系統(tǒng)包括-用于通過使包括了處在以下兩項(xiàng)之間的給定的加權(quán)值在內(nèi)的判定函數(shù)最優(yōu)化從而確定所述預(yù)補(bǔ)償濾波器的所述可調(diào)節(jié)的補(bǔ)償器部件(C；c)的裝置(i)一方面，把預(yù)補(bǔ)償濾波器(R；r)近似為所述固定的非零濾波器部件(F；f)；和(ii)另一方面，把預(yù)補(bǔ)償?shù)哪Ｐ晚憫?yīng)(y)近似為參考系統(tǒng)(D；d)的響應(yīng)；以及-用于根據(jù)把所述固定的濾波部件(F；f)和所述確定的補(bǔ)償器部件(C；c)相加來確定所述預(yù)補(bǔ)償濾波器(R；r)的裝置。
21.按照權(quán)利要求20的系統(tǒng)，還包括用于配置所述固定的濾波器部件的裝置和用于配置所述加權(quán)值的裝置。
22.按照權(quán)利要求20或21的系統(tǒng)，其特征在于，所述固定的濾波器部件包括具有至少一個(gè)可選擇的延時(shí)單元的旁路部件。
23.按照權(quán)利要求20-22的任一項(xiàng)的系統(tǒng)，其特征在于，所述聲音產(chǎn)生系統(tǒng)的響應(yīng)的模型是線性動(dòng)態(tài)模型，以及所述預(yù)補(bǔ)償濾波器是線性動(dòng)態(tài)濾波器。
24.按照權(quán)利要求20-23的任一項(xiàng)的系統(tǒng)，其特征在于，所述加權(quán)包括依賴于頻率的加權(quán)值和/或依賴于信道的加權(quán)值。
25.按照權(quán)利要求20-24的任一項(xiàng)的系統(tǒng)，其特征在于，所述加權(quán)包括依賴于頻率的加權(quán)值。
26.按照權(quán)利要求25的系統(tǒng)，其特征在于，所述依賴于頻率的加權(quán)被配置成使得能在由所述方法描述的頻率范圍內(nèi)不同的頻率區(qū)域中進(jìn)行不同的程度的補(bǔ)償。
27.按照權(quán)利要求25的系統(tǒng)，其特征在于，所述依賴于頻率的加權(quán)值被配置成可以使得補(bǔ)償?shù)哪Ｐ晚憫?yīng)近似于一組用戶特定的頻率范圍的參考系統(tǒng)響應(yīng)，并且同時(shí)補(bǔ)償?shù)哪Ｐ晚憫?yīng)近似于另一組用戶特定的頻率范圍的旁路的模型響應(yīng)。
28.按照權(quán)利要求27的系統(tǒng)，其特征在于，近似程度用動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的任何適當(dāng)?shù)哪矶攘俊?br> 29.按照權(quán)利要求20-28的系統(tǒng)，其特征在于，所述聲音產(chǎn)生系統(tǒng)是多信道系統(tǒng)，以及所述預(yù)補(bǔ)償濾波器包括多個(gè)濾波器，為了設(shè)計(jì)的目的，每個(gè)濾波器具有單獨(dú)的非零旁路部件和單獨(dú)的補(bǔ)償器部件。
30.按照權(quán)利要求29的系統(tǒng)，其特征在于，所述加權(quán)值包括依賴于信道的加權(quán)值。
31.按照權(quán)利要求30的系統(tǒng)，其特征在于，所述依賴于信道的加權(quán)值被配置成使得能在所述多信道系統(tǒng)的不同的信道上進(jìn)行不同類型的補(bǔ)償。
32.按照權(quán)利要求20-31的系統(tǒng)，其特征在于，所述使得所述判定函數(shù)最優(yōu)化的步驟通過使用遞歸最優(yōu)化或自適應(yīng)濾波在線地執(zhí)行。
33.按照權(quán)利要求20-31的任一項(xiàng)的系統(tǒng)，其特征在于，所述使得所述判定函數(shù)最優(yōu)化作為基于模型的離線設(shè)計(jì)而被執(zhí)行。
34.按照權(quán)利要求20-33的任一項(xiàng)的系統(tǒng)，其特征在于，所述用于確定所述補(bǔ)償器部件的裝置包括用于使得所述加權(quán)的判定函數(shù)相對(duì)于在所述補(bǔ)償器部件中的可調(diào)節(jié)的濾波器參量進(jìn)行最優(yōu)化的裝置。
35.按照權(quán)利要求34的系統(tǒng)，其特征在于，所述判定函數(shù)被定義為J＝E(|V(HR-D)w(t))|2)+E(|WCw(t)|2)，其中H是所述模型的代表，R是所述預(yù)補(bǔ)償濾波器的代表，D是所述參考系統(tǒng)的代表，C是所述可調(diào)節(jié)的補(bǔ)償器部件的代表，W是代表所述加權(quán)值的加權(quán)函數(shù)以及V是另一個(gè)可任選的加權(quán)函數(shù)，這兩個(gè)所述加權(quán)函數(shù)是線性的和穩(wěn)定的轉(zhuǎn)移函數(shù)矩陣，w(t)是加到所述預(yù)補(bǔ)償濾波器的輸入信號(hào)，以及E()表示對(duì)于所述輸入信號(hào)w(t)的期望值。
36.按照權(quán)利要求35的系統(tǒng)，其特征在于，所述預(yù)補(bǔ)償濾波器作為穩(wěn)定的IIR濾波器的狀態(tài)空間實(shí)現(xiàn)方案而被實(shí)施，以及它是基于借助線性二次狀態(tài)空間工具實(shí)現(xiàn)的所述判定函數(shù)的最小化的。
37.按照權(quán)利要求35的系統(tǒng)，其特征在于，所述預(yù)補(bǔ)償濾波器以穩(wěn)定的IIR wiener濾波器的形式而被實(shí)施，其中由F代表的固定的非零旁路部件被配置為FIR濾波器，從而F(q-1)＝q-d+kF(q-1)，其中q-x是標(biāo)準(zhǔn)后向移位x步的算子，而qx是標(biāo)準(zhǔn)前向移位x步的算子，以及所述可調(diào)節(jié)的補(bǔ)償器部件C是穩(wěn)定的遞歸濾波器，它被定義為β(q-1)N(q-1)G(q-1)C(q-1)＝Q(q-1)V(q-1)，其中多項(xiàng)式Q(q-1)連同反因果FIR濾波器L*(q)一起，由以下的線性標(biāo)量Diophantine多項(xiàng)式方程的唯一解給出z-d+k[D(q-1)A(q-1)-F(q-1)B(q-1)N(q-1)]G(q-1)V*(q)B*(q)＝Q(q-1)rβ*(q)-A(q-1)N(q-1)H(q-1)qL*(q)，而首項(xiàng)系數(shù)為1的多項(xiàng)式β(q-1)連同標(biāo)量r一起，由多項(xiàng)式頻譜因式分解的唯一穩(wěn)定解給出rβ(q-1)β*(q)＝V(q-1)V*(q)B(q-1)B*(q)+W(q-1)W*(q)A(q-1)A*(q)其中A，B，G，L，N是輔助多項(xiàng)式。
38.按照權(quán)利要求20-22的任一項(xiàng)的系統(tǒng)，其特征在于，所述聲音產(chǎn)生系統(tǒng)的響應(yīng)的模型是非線性動(dòng)態(tài)模型，以及所述預(yù)補(bǔ)償濾波器是非線性動(dòng)態(tài)濾波器。
39.用于根據(jù)相關(guān)的聲音產(chǎn)生系統(tǒng)的響應(yīng)的模型來設(shè)計(jì)當(dāng)運(yùn)行在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)(100；200)上時(shí)的預(yù)補(bǔ)償濾波器(200)的計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品，其特征在于，所述計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品包括-用于配置所述預(yù)補(bǔ)償濾波器的固定的非線性部件(F；f)的程序裝置(PRG)；-用于配置處在以下兩項(xiàng)之間的加權(quán)值的程序裝置(PRG)(i)一方面，把預(yù)補(bǔ)償濾波器近似為所述固定的非零濾波器部件(F；f)；和(ii)另一方面，把預(yù)補(bǔ)償?shù)哪Ｐ晚憫?yīng)(y)近似為參考系統(tǒng)(D；d)的響應(yīng)；-用于通過根據(jù)所述加權(quán)值進(jìn)行判定函數(shù)最優(yōu)化從而確定所述預(yù)補(bǔ)償濾波器的可調(diào)節(jié)的補(bǔ)償器部件(C；c)的裝置；以及-用于根據(jù)加上所述固定的濾波部件(F；f)和所述確定的補(bǔ)償器部件(C；c)確定所述預(yù)補(bǔ)償濾波器(R；r)的程序裝置(PRG)。
40.按照權(quán)利要求39的計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品，其特征在于，所述固定的濾波器部件包括具有至少一個(gè)可選擇的延時(shí)單元的旁路部件。
41.按照權(quán)利要求39或40的計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品，其中所述計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品在計(jì)算機(jī)可讀的媒體(40)上被編碼。
42.通過使用按照權(quán)利要求1-19的任一項(xiàng)的方法設(shè)計(jì)的預(yù)補(bǔ)償濾波器(200)。
43.包括一個(gè)聲音產(chǎn)生系統(tǒng)和一個(gè)設(shè)置在所述聲音產(chǎn)生系統(tǒng)的輸入路徑上的預(yù)補(bǔ)償濾波器(200)的音頻系統(tǒng)(300)，其中所述預(yù)補(bǔ)償濾波器(200)是通過使用按照權(quán)利要求1-19的任一項(xiàng)的方法設(shè)計(jì)的。
44.由通過使用按照權(quán)利要求1-19的任一項(xiàng)的方法設(shè)計(jì)的預(yù)補(bǔ)償濾波器(200)產(chǎn)生的數(shù)字音頻信號(hào)(u)。
45.按照權(quán)利要求44的數(shù)字音頻信號(hào)，其中所述數(shù)字信號(hào)(u)在可由聲音產(chǎn)生系統(tǒng)讀出的媒體上被編碼。
全文摘要
本發(fā)明涉及數(shù)字音頻預(yù)補(bǔ)償和數(shù)字預(yù)補(bǔ)償濾波器的設(shè)計(jì)，提出了使用新穎類別的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則的音頻預(yù)補(bǔ)償濾波器設(shè)計(jì)方案。概略地，濾波器參量是根據(jù)在把預(yù)補(bǔ)償濾波器近似為固定的、非零濾波器部件與把預(yù)補(bǔ)償?shù)哪Ｐ晚憫?yīng)近似為參考系統(tǒng)響應(yīng)與之間的加權(quán)量被確定的。為了設(shè)計(jì)，預(yù)補(bǔ)償濾波器優(yōu)選地被看作為附加地包括固定的、非零濾波器部件和可調(diào)節(jié)的補(bǔ)償器部件。固定的濾波器部件通常由濾波器設(shè)計(jì)者進(jìn)行配置，而可調(diào)節(jié)的補(bǔ)償器部件通過使得包括以上的加權(quán)值的判定函數(shù)最優(yōu)化而被確定。加權(quán)可被做成依賴于頻率的和/或依賴于信道，以提供有力的設(shè)計(jì)工具，用于有效地控制在不同頻率區(qū)域和/或子信道執(zhí)行補(bǔ)償?shù)某潭群脱a(bǔ)償量。
文檔編號(hào)H04R29/00GK1596030SQ0311044
公開日2005年3月16日 申請(qǐng)日期2003年4月15日 優(yōu)先權(quán)日2002年4月17日
發(fā)明者M·斯特爾納德, A·阿倫 申請(qǐng)人:迪拉克研究公司