專利名稱：統(tǒng)一速率音頻處理方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種音頻處理方法及裝置背景技術(shù)不同速率的音頻數(shù)據(jù)給后續(xù)的聲音信號(hào)處理和播放帶來很多問題。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的普及，出現(xiàn)了許多不同標(biāo)準(zhǔn)的音頻數(shù)據(jù)格式，一般來說，不同格式音頻數(shù)據(jù)的速率存在差異，即使相同格式的音頻數(shù)據(jù)，也可能存在不同速率的音頻數(shù)據(jù)。一方面隨著人們生活水平的提高，對(duì)聲音效果的追求越來越苛刻。基于數(shù)字信號(hào)處理的降噪、混響、回聲、聲場(chǎng)旋轉(zhuǎn)、動(dòng)態(tài)均衡、掐波、變調(diào)、變速不變調(diào)等后繼音效處理成了音頻處理系統(tǒng)必備功能。這些音效處理算法絕大多數(shù)與音頻數(shù)據(jù)速率密切相關(guān)，能自適應(yīng)處理不同速率音頻數(shù)據(jù)的音效處理算法會(huì)復(fù)雜化音效處理器結(jié)構(gòu)，大大提高音效處理器成本。另一方面符合AC97(Audio Codec 97)規(guī)范的音頻處理芯片占據(jù)了絕大部分市場(chǎng)份額，AC97音頻處理芯片存在眾所周知的采樣速率轉(zhuǎn)換SRC(Sampling Rate Convert)問題。制定AC97規(guī)范時(shí)，為節(jié)約音頻處理器生產(chǎn)成本，AC97音頻處理芯片只支持48kHz音頻數(shù)據(jù)。有些芯片廠商為了提高芯片的兼容性，采取簡(jiǎn)單的插值和抽取算法，SRC輸出后的音頻采樣率為原始信號(hào)速率的非整數(shù)倍，產(chǎn)生較大的諧波和噪聲，影響聽感。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種將任意速率的音頻數(shù)據(jù)變換到恒定速率的音頻數(shù)據(jù)的統(tǒng)一速率音頻處理方法及裝置。它既保留原有音頻的頻譜結(jié)構(gòu)，又解決了AC97音頻控制的采樣速率轉(zhuǎn)換SRC問題。
本發(fā)明的目的是通過下述處理方法及裝置實(shí)現(xiàn)的統(tǒng)一速率音頻處理方法(步驟)將輸入音頻數(shù)據(jù)速率通過插值器的N倍頻部件，使輸入音頻數(shù)據(jù)速率增加N倍；增加N倍的音頻數(shù)據(jù)速率再通過插值濾波器進(jìn)行低通濾波，濾除N-1個(gè)頻譜鏡像；把經(jīng)過插值濾波器的音頻數(shù)據(jù)速率通過抽取器的抽取濾波器進(jìn)行低通濾波；然后利用抽取器的M分頻部件將音頻數(shù)據(jù)速率降到1/M。
為實(shí)施上述方法而專門設(shè)計(jì)的統(tǒng)一速率音頻處理裝置
由N倍頻部件和插值濾波器連接組成的插值器，與由抽取濾波器和M分頻部件連接組成的抽取器，插值濾波器和抽取濾波器連接。
所述插值濾波器是多相子插值濾波器并聯(lián)組成。
本發(fā)明由于采用了插值器和抽取器相結(jié)合的處理方法，能使任意音頻數(shù)據(jù)速率轉(zhuǎn)化成符合AC97規(guī)范的，能被所有音頻處理器處理的48kHz的音頻數(shù)據(jù)速率?；诙嘞嘧硬逯禐V波器和抽取濾波器的統(tǒng)一速率音頻處理算法從頻譜結(jié)構(gòu)角度保證了最小失真，最大限度保持原有聲音聽感，而且顯著簡(jiǎn)化了后續(xù)音效處理算法。同時(shí)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低。


圖1是本發(fā)明裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是音頻數(shù)據(jù)輸入插值器前的頻譜結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是音頻數(shù)據(jù)輸出插值器后的頻譜結(jié)構(gòu)示意圖；圖4是音頻數(shù)據(jù)輸入抽取器前的頻譜結(jié)構(gòu)示意圖(fo≥fi)；圖5是音頻數(shù)據(jù)輸出抽取器后的頻譜結(jié)構(gòu)示意圖(fo≥fi)；圖6是音頻數(shù)據(jù)輸入抽取器前的頻譜結(jié)構(gòu)示意圖(fo＜fi)；圖7是音頻數(shù)據(jù)輸出抽取器后的頻譜結(jié)構(gòu)示意圖(fo＜fi)；圖8是插值器的工作過程中與音頻速率變化相對(duì)應(yīng)的示意圖；圖9是多相子插值濾波器的工作原理與音頻速率變化相對(duì)應(yīng)的示意圖。
具體實(shí)施例方式
參照?qǐng)D1，本發(fā)明由插值器1和抽取器4連接構(gòu)成。插值器1由N倍增部件2和插值濾波器3連接組成，插值濾波器3是由多相子濾波器11并聯(lián)而成。抽取器4由抽取濾波器5和M分頻部件6連接組成。它是采用芯片F(xiàn)PGA(Field Programmable Gate Array)開發(fā)音頻速率轉(zhuǎn)換信號(hào)處理機(jī)，采用多相插值濾波器和抽取濾波器結(jié)合的方法，將任意速率的音頻數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成符合AC97規(guī)范的能被，所有音頻處理器處理的48kHz的音頻數(shù)據(jù)。
統(tǒng)一速率音頻處理算法先給出統(tǒng)一速率音頻處理算法結(jié)構(gòu)?，F(xiàn)代計(jì)算機(jī)音頻數(shù)據(jù)速率既有低于48kHz，也有高于48kHz。從常用音頻數(shù)據(jù)速率來看，WAV(Wave)是脈沖編碼調(diào)制PCM(Pulse Code Modulation)編碼，有11.025kHz、22.05kHz、44.1kHz，MP3是MPEG1 Layer3編碼，解碼后得到PCM編碼數(shù)據(jù)，音頻數(shù)據(jù)速率也有22.05kHz、32kHz、44.1kHz、48kHz、96kHz等。簡(jiǎn)單的插值和抽取只能改變音頻數(shù)據(jù)速率的整數(shù)倍。通用的采樣音頻數(shù)據(jù)速率變更算法能以任意有理因子比例改變音頻數(shù)據(jù)速率，其輸入與輸出的音頻數(shù)據(jù)速率滿足fo=NMfi---(1)]]>式中fi為輸入音頻數(shù)據(jù)速率，fo為輸出音頻數(shù)據(jù)速率，N、M為自然數(shù)比例因子。采樣速率的轉(zhuǎn)化分兩步完成首先通過插值器的N倍頻部件2將輸入音頻數(shù)據(jù)速率增加到工作頻率速率fm＝Nfi，然后利用抽取器的M分頻部件6將數(shù)據(jù)速率降到fo＝fm/M。
對(duì)于輸入數(shù)據(jù)速率為fo＝32kHz，如果輸出音頻數(shù)據(jù)速率符合AC97要求，則輸出音頻數(shù)據(jù)速率fo要求為fo＝48kHz。顯然要求N＝3，M＝2，fm＝96kHz。當(dāng)然存在N＝1的情況，這時(shí)統(tǒng)一速率音頻處理算法簡(jiǎn)化為抽取器4；當(dāng)M＝1，統(tǒng)一速率處理算法簡(jiǎn)化為插值器1。
統(tǒng)一速率音頻處理算法的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則就是保持輸入/輸出音頻數(shù)據(jù)的速率頻譜結(jié)構(gòu)。音頻數(shù)據(jù)頻譜集中在20Hz～20kHz范圍內(nèi)，無論增加，還是減小音頻數(shù)據(jù)速率，保持該頻段內(nèi)頻譜結(jié)構(gòu)不變，如圖2、圖3所示，圖中有有用頻譜8。
插值濾波器3扮演低通濾波器功能，濾除N-1個(gè)頻譜鏡像7，其工作頻率速率為fm，帶寬為fi/2＝fm/(2N)。
與插值器1相比較，抽取器4要滿足的頻譜變換功能略為復(fù)雜。插值器1音頻數(shù)據(jù)速率增加，只要濾除N-1個(gè)頻譜鏡像7，不存在頻譜混疊現(xiàn)象。抽取器4功能剛好與插值器1功能相反，需要?jiǎng)?chuàng)建出M-1個(gè)頻譜鏡像7。分為兩種情況當(dāng)fo≥fi這種情況比較簡(jiǎn)單，不存在頻譜混疊現(xiàn)象，如圖4、圖5所示。
此時(shí)抽取濾波器5設(shè)計(jì)非常簡(jiǎn)單，起到低通濾波器的作用，其工作頻率速率為fm，帶寬為fo/2＝fm/(2M)≥fi/2，不會(huì)損失原有頻譜。
當(dāng)fo＜fi這種情況比較復(fù)雜，抽取濾波器5會(huì)濾除部分頻譜，如圖6、圖7所示。
事實(shí)上，音頻數(shù)據(jù)速率頻譜集中在20Hz～20kHz范圍內(nèi)，AC97規(guī)范規(guī)定的音頻數(shù)據(jù)速率fo為48kHz，帶寬為24kHz的低通抽取濾波器5足以保留音頻數(shù)據(jù)速率fi的頻譜，不會(huì)對(duì)音質(zhì)產(chǎn)生影響。
多相子插值濾波器9先來考慮N倍頻部件2插值，它首先會(huì)在輸入音頻數(shù)據(jù)速率為fi的低速輸入序列x(n)的相鄰樣本間插入N-1個(gè)零值，然后對(duì)工作頻率速率為fm＝Nfi的高速中間序列xup(n)進(jìn)行FIR(Finite Impulse Responce)低通濾波獲得N-1個(gè)插值數(shù)據(jù)，最后獲得插值器1輸出序列y(n)，頻譜變換滿足圖2、圖3所示要求，處理過程如圖8所示從圖8可以看出， 由圖2、圖3分析可知，插值濾波器3是帶寬為fi/2＝fm/(2N)的低通濾波器，其數(shù)字截止頻率為ωc=2πfi/2fm=πN---(3)]]>通帶內(nèi)增益以N取代1，理想的插值低通濾波器系數(shù)可以通過逆Fourier變換得到d(k)=12π∫-ππD(ω)ejωπdω=12π∫-π/Nπ/NNejωπdω=sin(πk/N)πk/N---(4)]]>采用Hamming窗進(jìn)行FIR低通濾波器設(shè)計(jì)，取窗口長(zhǎng)度L＝2NK+1，窗口經(jīng)過因果移位得到低通濾波器h(n)＝w(n)d(n-KM) n＝0，1，...，L-1 (5)其中w(n)=0.54-0.46cos(2πnL-1)--n=0,1,···,L-1---(6)]]>最后插值器4輸出序列y(n)可以通過中間序列xup(n)與h(n)卷積獲得y(n)=Σk=0L-1h(k)xup(n-k)---(7)]]>在實(shí)際算法實(shí)現(xiàn)中，序列插零涉及內(nèi)存分配和釋放等繁瑣操作，而且樣本個(gè)數(shù)的增加也會(huì)顯著增加運(yùn)算量。仔細(xì)分析式(7)，采用多相子插值濾波器9可以解決式(7)的計(jì)算。由于序列xup(n)是序列x(n)的相鄰樣本間插入N-1個(gè)零值獲得，式(7)中n以nN+i(i＝0，1，2，...，N-1)代替，k以kN+j(j＝0，1，2，...，N-1，k＝0，1，2，...，2K-1)代替，則式(7)為y(nN+i)=Σk=02k-1Σj=0N-1h(kN+j)xup(nN+i-kN-j)---(8)]]>定義第i個(gè)多相子濾波器9系數(shù)和輸出分別為hi(k)＝h(kN+i)i＝0，1，...，N-1 k＝0，1，...，2K-1(9)yi(n)＝y(tǒng)(nN+i)i＝0，1，...，N-1 n＝0，1，...，2K-1(10)
而且xup(nN+i-kN-j)=x(n-k)i=j0i≠j---(11)]]>式(9)、(10)、(11)代入式(8)得多相子插值濾波器9卷積公式為yi(n)Σk=02K-1hi(k)x(n-k)--i=0,1,···,N-1---(12)]]>如果采用一般插值濾波器3，由式(7)可以看出，每計(jì)算一個(gè)插值點(diǎn)需要2L＝2NK次乘法，N個(gè)插值點(diǎn)共需2N2K次乘法；如果采用多相子插值濾波器9，由式(12)可以看出，每計(jì)算一個(gè)插值點(diǎn)需要2K次乘法，N個(gè)插值點(diǎn)共需2NK次乘法。多相子插值濾波器9實(shí)現(xiàn)節(jié)約了N倍計(jì)算量。多相子插值濾波器9每輸入一個(gè)低速樣本，輸出N個(gè)濾波值，如圖9所示。
抽取器4抽取器4比較簡(jiǎn)單，經(jīng)低通抽取濾波器5濾波后，每M個(gè)樣本保留1個(gè)樣本即可。由插值器1分析可知存在fo≥fi和fo＜fi兩種情況，低通濾波器截止頻率不一樣，因此抽取低通濾波器分別為d(k)=sin(πk/M)πk/Mfo≥fisin(πk/N)πk/Nfo<fi---(13)]]>為了降低旁瓣，對(duì)低通濾波器采用漢寧Hanning加窗，同時(shí)為了保證因果性，還需要進(jìn)行移位操作。
權(quán)利要求
1.一種統(tǒng)一速率音頻處理方法1)將輸入音頻數(shù)據(jù)速率通過插值器的N倍頻部件，使輸入音頻數(shù)據(jù)速率增加N倍；2)增加N倍的音頻數(shù)據(jù)速率再通過插值濾波器進(jìn)行低通濾波，濾除N-1個(gè)頻譜鏡像；3)把經(jīng)過插值濾波器的音頻數(shù)據(jù)速率通過抽取器的抽取濾波器進(jìn)行低通濾波；4)然后利用抽取器的M分頻部件將音頻數(shù)據(jù)速率降到1/M。
2.為實(shí)施權(quán)利要求1而專門設(shè)計(jì)的裝置，其特征在于由N倍頻部件(2)和插值濾波器(3)連接組成的插值器(1)，與由抽取濾波器(5)和M分頻部件(6)連接組成的抽取器(4)，插值濾波器(3)和抽取濾波器(5)連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的裝置，其特征在于所述插值濾波器(3)是多相子插值濾波器(11)并聯(lián)組成。
全文摘要
一種統(tǒng)一速率音頻處理方法及裝置，是將輸入音頻數(shù)據(jù)速率通過插值器的N倍頻部件，使其增加N倍；再通過插值濾波器，濾除N－1個(gè)頻譜鏡像；然后經(jīng)抽取濾波器進(jìn)行低通濾波；最后經(jīng)M分頻部件將音頻數(shù)據(jù)速率降到1/M。裝置是由N倍頻部件和插值濾波器連接組成的插值器，與由抽取濾波器和M分頻部件連接組成的抽取器相連接。本發(fā)明由于采用了插值器和抽取器相結(jié)合的處理方法，使任意音頻數(shù)據(jù)速率轉(zhuǎn)化成符合AC97規(guī)范的，能被所有音頻處理器處理的48kHz的音頻數(shù)據(jù)速率?；诙嘞嘧硬逯禐V波器和抽取濾波器的統(tǒng)一速率音頻處理算法從頻譜結(jié)構(gòu)角度保證了最小失真，最大限度保持原有聲音聽感，而且顯著簡(jiǎn)化了后續(xù)音效處理。同時(shí)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低。
文檔編號(hào)H04R5/04GK1776808SQ20051006185
公開日2006年5月24日 申請(qǐng)日期2005年12月6日 優(yōu)先權(quán)日2005年12月6日
發(fā)明者郁發(fā)新, 郎曉黎 申請(qǐng)人:浙江大學(xué)