具有在高解析音频的前响应频率下的群延迟的非线性滤波器制造技术

描述了用于减少音频信号中的前响应的声响效应的方法和装置。所述前响应通过采用数字非最小相位滤波器被有效地延迟，所述数字非最小相位滤波器包括在其z变换响应中位于单位圆外部的零点。这个零点与在单位圆内部的倒数位置处的另一个零点不成对，因为这将使相位修正线性化。滤波会引入比低频率(诸如，500Hz或甚至0Hz)下的群延迟更大的前响应频率下的群延迟。该技术可以用来减少现有音频信号中的前响应并且还预先制止将通过后续处理被引入到音频信号的前响应。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】具有在高解析音频的前响应频率下的群延迟的非线性滤波器
本专利技术涉及在商业分销之前对音频信号的处理以改进如由消费者所听到的音质，且具体地涉及减少前响应的声响效应。
技术介绍
直到大约1995年，大多数人才认为光盘(CD)的44.1kHz采样率是完全足够的。自1995年以来，‘高解析’移动已采用96kHz、192kHz或更高的采样频率，从而潜在地允许音频带宽为40kHz、80kHz或更大。自从44.1kHz的CD采样率允许近乎完美地再现高达20kHz(这是普遍认可的人耳听觉的频率上限)的音频频率以来，总是有一些关于为什么在带宽扩展中存在声响优势的疑问。作为对这一明显悖论的可能解释，已提出了卓越的时间分辨率，且J.R.Stuart和P.G.Craven的最近的一篇论文“AHierarchicalApproachtoArchivingandDistribution”(在音频工程协会大会(洛杉矶，2014年10月11日[AES预印本编号9178])上呈现)解释了这个概念并引证了支持这种观点的几个神经科学参考文献。根据这个观点，录音和再现链的脉冲响应在时间上应尽可能紧凑。经验表明，声响前响应是特别不期望的，且上文引用的参考文献呈现了关于为什么产生这种情况的争论。要么已普遍使用提供44.1kHz输出的过采样模拟-数位转换器来产生在44.1kHz处所存储的许多现有录音，要么对以更高采样率产生的录音明确地进行下采样以产生在44.1kHz下所存储的许多现有录音。两种情况下都需要滤波，并且直到最近才普遍认为更好的是使用线性相位滤波。不幸的是，线性相位滤波总是引入前响应。在以诸如88.2kHz或更高的采样率产生的录音的情况下，可以通过“变迹”来减少前响应，如在Craven,P.G.的“AntialiasfiltersandSystemTransientResponseatHighSamplerates”(音频工程学会杂志，第52卷，第3期，第216页至242页，2004年3月)中所描述。通常，88.2kHz采样系统将具有在40kHz或稍高的频率处陡然截止的抗混叠滤波器。论文中所提议的解决方案是‘变迹’，即，滤波器更平缓地在20kHz或稍微更高的频率处开始并逐渐减小大约40kHz到零点。高于40kHz的锐频带边沿由此再现为无害的，因为变迹滤波器已去除了在将引发嗡嗡声或前响应的频率处的信号能量。仍然有来自变迹滤波器自身的某些前响应和/或后响应，但这在时间上会短得多，因为其过渡带(从20kHz到40kHz)要宽得多。对于44.1kHz录音来说，情形要不利得多。对于这些录音来说，已普遍认为使用下采样或抗混叠滤波器是理想的，其中响应持平到20kHz，然后到22.05kHz的奈奎斯特频率时锐截止到基本上零点。因此，变迹滤波器不可能将响应平缓地逐渐减小直至锐截止滤波器的频率时减小到零点，除非变迹滤波器在更低的频率(诸如，15kHz)处开始逐渐减小，而所述频率普遍认为是不可接受的。有时，有可能通过在20kHz处开始滚降的滤波器来改进声音，但一般地存在这样的危险：受约束的变迹器因此将简单地用一个几乎一样锐利且处于稍低频率处的带边来代替另一个带边。因此，需要一种改进的或替代的技术来最小化前响应的不期望的声响效应，尤其是对于已以相对低的采样率(诸如，44.1kHz)存储或将以相对低的采样率(诸如，44.1kHz)传输的信号来说。
技术实现思路
本专利技术人已认识到，可以不通过直接试图减小前响应的振幅来减小前响应的可听度，而是通过使用非最小相位零点引入在前响应具有最多能量的频率下的群延迟来减小前响应的可听度。因此，根据本专利技术的第一方面，提供了一种减少在前响应频率下具有能量的前响应的声响效应的方法，该方法包括通过使用数字非最小相位滤波器对数字音频信号进行滤波来引入在前响应频率下的群延迟，所述数字非最小相位滤波器具有包括位于单位圆外部的零点的z变换响应。该零点大致可以用来产生比低频率(包括处于或接近0Hz的频率)下的群延迟更大的前响应频率下的群延迟。该零点不应与在单位圆内部的倒数位置处的另一个零点成对(如发生在常规线性相位滤波中)，因为这种成对将使由该零点所提供的相位修正线性化，并使其在前响应频率附近提供额外延迟的手段是无效的。在单位圆外部的零点将‘最大相位’元素引入到滤波器的传递函数中，所得群延迟由此使前响应延迟使得其至脉冲响应的主峰值的时间被减小且前响应由此较难听到。在几个此类零点合作地作用的情况下，时间提前量可减小到零或可变成负数；因此可将前响应变换为后响应，所述后响应较难听到得多。从档案库检索到的信号可已经包含前响应，在这种情况下，本专利技术将使现有前响应延迟。可替代地或另外，可抢占式地使用本专利技术以使可在后续处理操作中引发前响应的信号频率分量延迟。在该情况下，根据本专利技术的滤波将抢占式地使将引发前响应的信号频率分量延迟，从而也使关于信号的更低频率分量的前响应延迟。由于线性滤波是可交换操作，所以两种情形从数学上讲是相同的。通常，前响应是由关于采样率的改变所执行的滤波操作引起的，通常在略低于‘参考’奈奎斯特频率(对应于‘参考’采样率)的频率下应用陡峭截止滤波器(steep-cutfilter)，所述‘参考’采样率是所涉及的采样率中的更低者。可以预料到由此产生的前响应具有主要在所述参考奈奎斯特频率的20％内的能量。可使用具有许多z平面零点的滤波器来执行该方法，但本专利技术人已发现，可常常使用具有在单位圆外部的少至3个的零点的滤波器来获得显著的声响优势，每个零点具有上文所引用的群延迟性质。具体地，如果‘z’表示在等于两倍的参考奈奎斯特频率的采样频率下的一个样本的时间提前量，那么优选地滤波器包括至少三个z平面零点，这些z平面零点具有倒数，所述倒数的实部均小于-0.5。在一些实施方案中，本专利技术的方法将应用于已从更高频率被下采样的信号。在该情况下，适当的参考采样率通常是数字音频信号的采样频率。有时，将该方法应用于已按2的倍数被上采样的信号或可替代地应用于将随后按2的倍数被下采样的信号是方便的。在该情况下，参考采样率通常是数字音频信号的采样频率的一半。日益地，内容经母带处理从而以‘2倍’采样率(诸如，96kHz)来递送，但此类内容常常混合自多个异构源，其中一些异构源是以‘1倍’参考采样率(诸如，44.1kHz或48kHz)来录音或处理的。音频混合体的这些分量可包含在处于或略低于22.05kHz或24kHz的对应参考奈奎斯特频率处具有能量的前响应。96kHz采样信号可因此具有此类前响应连同在略低于48kHz的信号奈奎斯特频率处具有能量的另外的前响应。在此类情况下，使用适当定位在单位圆外部的另外的零点来根据本专利技术如此处理两组前响应可为有利的。当然，如果未明确区分‘1倍’参考采样率与信号采样率，那么这个双处理无多大关系，并且专注于其中‘1倍’前响应具有不超过信号奈奎斯特频率的60％的频率的情形似乎是明智的。接近于奈奎斯特频率的z平面零点将产生在奈奎斯特频率附近受到严重抑制的振幅响应。可通过将倒数位置处的极点也并入于z平面中来使振幅响应完全变平，所述零点和所述极点结合形成滤波器的传递函数中的全通因子。可替代地，可通过添加频率稍低于零点频率的极点来使振幅响应在更低频率下变平，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于减少在前响应频率处具有能量的前响应的声响效应的方法，所述方法包括：通过使用数字非最小相位滤波器对数字音频信号进行滤波来在所述前响应频率处引入群延迟，所述数字非最小相位滤波器具有包括位于单位圆外部的零点的z变换响应，通过所述单位圆内部的倒数位置处的零点，所述数字非最小相位滤波器的相位响应是非线性的。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.12.03 EP 14196063.3;2014.12.03 GB 1421466.21.一种用于减少在前响应频率处具有能量的前响应的声响效应的方法，所述方法包括：通过使用数字非最小相位滤波器对数字音频信号进行滤波来在所述前响应频率处引入群延迟，所述数字非最小相位滤波器具有包括位于单位圆外部的零点的z变换响应，通过所述单位圆内部的倒数位置处的零点，所述数字非最小相位滤波器的相位响应是非线性的。2.一种用于减少在前响应频率下具有能量的前响应的声响效应的方法，所述方法包括：通过使用数字非最小相位滤波器对数字音频信号进行滤波来引入在所述前响应频率下的群延迟，所述数字非最小相位滤波器具有包括位于单位圆外部的零点的z变换响应，其中所述零点经选择以在前响应频率处产生比0Hz的频率处的群延迟更大的群延迟。3.根据权利要求1或权利要求2所述的方法，其中所述数字音频信号在滤波之前包含所述前响应。4.根据任一前述权利要求所述的方法，其中所述滤波对所述数字音频信号进行预处理，以减少将在随后的上采样过程中产生的前响应。5.根据任一前述权利要求所述的方法，其中所述前响应频率在参考奈奎斯特频率的20％内，所述参考奈奎斯特频率等于参考采样频率的一半，所述参考采样频率小于或等于所述数字音频信号的采样频率。6.根据权利要求5所述的方法，其中所述滤波器的所述z变换响应具有位于所述单位圆外部的至少三个零点，每个零点经选择使得其具有z平面倒数，所述z平面倒数的实部小于-0.5，其中z表示在所述参考采样频率下的一个样本的时间提前量。7.根据权利要求5或权利要求6所述的方法，其中所述参考采样频率是产生所述前响应的过程的采样频率。8.根据权利要求5至7中的任一项所述的方法，其中所述参考采样频率是44.1kHz或48kHz。9.根据权利要求5或权利要求6所述的方法，其中所述参考采样频率是所述数字音频信号的所述采样频率。10.根据权利要求5或权利要求6所述的方法，其中所述参考采样频率是所述数字音频信号的所述采样频率的一半。11.根据权利要求5或权利要求6所述的方法，其中所述前响应频率不大于信号奈...

【专利技术属性】
技术研发人员：彼得·格雷厄姆·克雷文，约翰·罗伯特·斯图亚特，
申请(专利权)人：瑞内特有限公司，彼得·格雷厄姆·克雷文，
类型：发明
国别省市：卢森堡,LU