时域和频域中的分段快速卷积制造技术

本发明专利技术涉及一种通过有限脉冲响应（ＦＩＲ）滤波装置处理数字输入信号的方法，包括：在时域中至少部分地分割数字输入信号以获得数字输入信号的至少两个分割部分；在时域中分割ＦＩＲ滤波装置以获得ＦＩＲ滤波装置的至少两个分割部分；对数字输入信号的至少两个分割部分中的每一个进行傅里叶变换，以获得傅里叶变换后的信号分割部分；对ＦＩＲ滤波装置的至少两个分割部分中的每一个进行傅里叶变换，以获得傅里叶变换后的滤波器分割部分；执行傅里叶变换后的信号分割部分和相应的傅里叶变换后的滤波器分割部分的卷积，以获得频谱分割部分；合并频谱分割部分以获得总频谱；以及对总频谱进行反傅里叶变换以获得数字输出信号。

【技术实现步骤摘要】
时域和频域中的分段快速卷积
本专利技术涉及数字信号处理，且特别地，涉及使用有限脉冲响应(FIR)滤波器进行音频信号的滤波。本专利技术特别涉及使用长的有限脉冲响应滤波器进行滤波以用于回声补偿和均衡。
技术介绍
提高通信系统中所接收信号的质量，是声音、特别是语音信号处理中的中心课题。两方之间的通信时常是在噪声背景环境下进行的，因而有必要降低噪声以及进行回声补偿以保证清晰度。一个突出的实例是车辆中的免提语音通信。由扬声器发出并因而又被传声器接收到的远程用户信号的处理是特别重要的，否则令人不悦的回声会严重影响语音会话的质量和清晰度。在最坏情况下，声反馈甚至会导致通信完全中断。为了克服上述问题，提供有声学回声补偿装置，其基本上如下工作。合成声反馈的副本并且从扬声器的接收信号中获得补偿信号。将此补偿信号从传声器的发送信号中减除，从而生成将要发送给远程用户的结果信号。此外，为了将传送信号的质量提高至可接受的水平，例如为了在免提电话中提高接收到的、由远程通信方发送的语音信号的清晰度，音频信号的均衡通常是必要的。均衡滤波装置通常通过在预定的频率范围内增强或衰减信号来处理声输入信号。均衡滤波装置可包括坡形(shelving)滤波器，用于选择性地增强/衰减低频或高频范围，以及峰值滤波器，用于增强/衰减具有中心频率的信号，带宽的带内和带外增益可分别调整。均衡滤波装置还可包括参量均衡器，其结合一个或多个坡形滤波器及峰值滤波器。目前可用的滤波装置的一个主要问题在于，为提高处理的音频信号的质量而被适应或最优化的大量的滤波器系数，这导致信号处理装置很高的存储器需求和很重的处理器负荷。在回声补偿滤波装置的情况下，采样率因而时常被限制于约8kHz，这对于语音信号而言被认为是可容许的极限。对于均衡滤波装置，通常采用无限脉冲响应(IIR)滤波器，因为有限脉冲响应(FIR)滤波器的实施由于上述原因还未证明是成功的。均衡主要必须在高频和中频范围内进行，且必须对于未降低的采样率(例如，约44kHz)以相对高的精确度实现以获得可接受的结果。因此，包含许多滤波器系数的很长的滤波器就变得必要。然而，FIR滤波器将会是有优势的，因为例如，它们是无条件稳定滤波器(滤波器输出不被反馈)且易于设计。为了解决上述问题，已经提出使用在扭曲的频率范围内设计的短滤波器，即所谓的折曲(warped)FIR或IIR滤波器。然而，折曲滤波器同样受困于需要长计算时间。根据一种替代方案，通过并行带通滤波器在多个频率范围内对待处理的音频信号进行分隔的多速率数字系统或滤波器组已被用于均衡。然而，这种方案受困于高存储器需求和长等待时间，即，信号从滤波装置的输入到输出的长的行程时间。尽管近来有发展和改进，仍然需要改进使用FIR滤波装置对数字信号进行的滤波。因此，本专利技术的根本问题是要克服上述缺陷，并提供一种数字信号的滤波方法和一种长的FIR滤波装置，其具有对计算机资源的降低的需求和减少的等待时间。而且，该FIR滤波装置必须可容易地适用于给定种类的数字信号处理器。
技术实现思路
上述问题经由在此公开的、通过有限脉冲响应(FIR)滤波装置处理数字输入信号的方法而得以解决。所要求的通过FIR滤波装置处理数字输入信号的方法包含以下步骤：在时域中至少部分地分割数字输入信号以获得数字输入信号的至少两个分割部分；在时域中分割FIR滤波装置以获得FIR滤波装置的至少两个分割部分；对数字输入信号的至少两个分割部分中的每一个进行傅里叶变换，以获得傅里叶变换后的信号分割部分；对FIR滤波装置的至少两个分割部分中的每一个进行傅里叶变换，以获得傅里叶变换后的滤波器分割部分；执行傅里叶变换后的信号分割部分和相应的傅里叶变换后的滤波器分割部分的卷积，以获得频谱分割部分；合并频谱分割部分以获得总频谱；以及对总频谱进行反傅里叶变换以获得数字输出信号。数字输入信号可以是，例如音频信号或语音信号。此公开的方法特别有用于语音信号处理的场合。基于傅里叶变换，卷积在频域中被执行(其转化为时域中所谓的循环卷积)。将数字输入信号在时域中通过某种延时滤波(分割延迟线)进行分割，并将得到的分割部分进行傅里叶变换以便进行卷积。数字输入信号的分割在原则上可通过包含用于特定频率范围的滤过器(passfilter)(高通、带通和低通滤波器)的滤波器组来执行。优选地，傅里叶变换以快速傅里叶变换而被执行，从而产生分段快速卷积。应该注意的是，虽然所公开的方法必需包括傅里叶变换的步骤，但是在滤波处理的过程中傅里叶变换不必在线地计算。而是可以对FIR滤波器分割部分预先进行傅里叶变换，并将其存储在外部存储器中。这特别有用于计算机资源有限而外部存储器充分大的情况。而且，如果FIR滤波装置不随时间变化，则存储变换后的滤波器分割部分是有优势的。预先部分或完全地计算滤波器分割部分的傅里叶变换以及存储傅里叶变换后的滤波器分割部分，可根据特定应用中可用的硬件资源来进行。将与时域中的信号分割部分相对应的各个傅里叶变换后的信号分割部分X1(ω)，…，Xp(ω)，分别乘以与分割的FIR滤波装置相对应的各个傅里叶变换后的滤波器分割部分FIR1(ω)，…，FIRp(ω)。原则上，在时域中音频信号分割部分的数目Nx和FIR滤波装置分割部分的数目NFIR可以不同。为了避免循环伪信号(circularartifact)，可在傅里叶变换前，将时域中的音频信号和时域中的滤波器分割部分填补零，使得它们各自的长度分别为Nx+NFIR-1。应该强调的是，FIR滤波装置的分割完全是在时域中进行的。分割在谱(频)域中进行卷积。这种混合的时间-频率处理允许在分别考虑了时间和频率处理的优缺点的情况下，在实际应用中进行实施。众所周知，与循环或快速卷积相反，时域中的处理，如通常的卷积处理的情况那样，计算量众所周知地十分巨大。另一方面，频域中的信号处理受困于巨大的存储器需求。对于给定的硬件资源，本专利技术的方法允许通过适当地选择所选的分割长度，来最优化地使用可用的计算机资源，来用长的FIR滤波装置进行数字信号的滤波。可以采用对于现有技术的滤波方法在处理器负荷和/或存储器需求方面不可行的滤波器长度。此外，根据本专利技术的方法的信号处理的等待时间以及内部存储器需求和处理器负荷，可通过快速傅里叶变换(FFT)的长度进行控制。等待时间由所采用的FFT的长度的两倍给定。内部存储器需求与FFT长度成比例地增加，并大约为FFT长度的四倍。处理器负荷随FFT长度的减小而增加。根据本专利技术方法的优选实施例，将数字输入信号在时域中部分地分割以获得输入信号的分割部分，随后对其进行傅里叶变换并在谱域中部分地分割。根据这一实施例，可以执行时域和谱域中的数字输入信号的组合的分段快速卷积，其允许根据可用的计算机资源分别在时域和谱域中选择分割部分的数目。一方面，在时域中的分割部分的数目可以选择为使得对于高效的信号处理而言计算时间可被接受(而不会产生听得见的伪信号)。另一方面，在谱域中的分割部分(复值)的数目可以选择为使得对存储器的需求不超过可用的存储器资源和/或用于数据传递的接口的能力。在时域和谱域中的分割部分的分配(分布)可以被自动地控制或由用户控制。在上述实施例中，可在时域中将数字输入信号有利地分割成块，并可通过重叠保留块卷积来执行卷积。可将数本文档来自技高网...

【技术保护点】
通过有限脉冲响应（ＦＩＲ）滤波装置处理数字输入信号（ｘ［ｎ］）的方法，包括：　　　　在时域中至少部分地分割所述数字输入信号（ｘ［ｎ］）以获得所述数字输入信号的至少两个分割部分（ｘ↓［ｉ］［ｎ］）；　　　　在时域中分割所述ＦＩＲ滤波装置以获得所述ＦＩＲ滤波装置的至少两个分割部分（ＦＩＲ↓［ｉ］［ｎ］）；　　　　对所述数字输入信号（ｘ［ｎ］）的所述至少两个分割部分（ｘ↓［ｉ］［ｎ］）中的每一个进行傅里叶变换，以获得傅里叶变换后的信号分割部分（Ｘ↓［ｉ］（ω））；　　　　对所述ＦＩＲ滤波装置的所述至少两个分割部分（ＦＩＲ↓［ｉ］［ｎ］）中的每一个进行傅里叶变换（１４），以获得傅里叶变换后的滤波器分割部分（ＦＩＲ↓［ｉ］（ω））；　　　　执行所述傅里叶变换后的信号分割部分（Ｘ↓［ｉ］（ω））和相应的傅里叶变换后的滤波器分割部分（ＦＩＲ↓［ｉ］（ω））的卷积（１５），以获得频谱分割部分（Ｙ↓［ｉ］（ω））；　　　　合并（１６）所述频谱分割部分（Ｙ↓［ｉ］（ω））以获得总频谱（Ｙ（ω））；以及　　　　对所述总频谱（Ｙ（ω））进行反傅里叶变换（１７）以获得数字输出信号（ｙ［ｎ］）。

【技术特征摘要】
EP 2006-7-10 06014253.6;EP 2007-6-13 07011621.51.通过有限脉冲响应FIR滤波装置处理数字输入信号(x[n])的方法，包括：在时域中至少部分地分割所述数字输入信号(x[n])以获得所述数字输入信号的至少两个分割部分(xi[n])；在时域中完全分割所述FIR滤波装置以获得所述FIR滤波装置的至少两个分割部分(FIRi[n])；对所述数字输入信号(x[n])的所述至少两个分割部分(xi[n])中的每一个分别进行傅里叶变换，以获得傅里叶变换后的信号分割部分(Xi(ω))；对所述FIR滤波装置的所述至少两个分割部分(FIRi[n])中的每一个分别进行傅里叶变换，以获得傅里叶变换后的滤波器分割部分(FIRi(ω))；执行所述傅里叶变换后的信号分割部分(Xi(ω))和相应的傅里叶变换后的滤波器分割部分(FIRi(ω))的卷积，以获得频谱分割部分(Yi(ω))；计算所述频谱分割部分(Yi(ω))的总和以获得总频谱(Y(ω))；以及对所述总频谱(Y(ω))进行反傅里叶变换以获得数字输出信号(y[n])；其中，在时域中分割所述数字输入信号(x[n])的第一部分以获得所述数字输入信号的T个分割部分(xT[n])，对所述数字输入信号的T个分割部分(xT[n])分别进行傅里叶变换以获得傅里叶变换后的信号分割部分(XT(ω))，其中T为整数；对所述数字输入信号(x[n])的不同于所述第一部分的第二部分分别进行傅里叶变换，并分割傅里叶变换后的第二部分以获得S个傅里叶变换后的信号分割部分(XS(ω))，其中S为大于1的整数；并且执行所述T个和S个傅里叶变换后的信号分割部分(XT(ω)，XS(ω))与相应的傅里叶变换后的滤波器分割部分(FIRT(ω)，FIRS(ω))的卷积，以获得频谱分割部分(Y1(ω)，...，YT+S(ω))，将所述频谱分割部分(Y1(ω)，...，YT+S(ω))合并以获得总频谱(Y(ω))，对所述总频谱(Y(ω))进行反傅里叶变换以获得所述数字输出信号(y[n])。2.如权利要求1所述的方法，其中将所述数字输入信号(x[n])在时域中分割成块，并通过重叠保留块卷积来执行所述卷积。3.如前述权利要求中的任一项所述的方法，其中所述总频谱(Y(ω))是通过使用半数的所述傅里叶变换后的滤波器分割部分的傅里叶分量来获得的。4.如权利要求1所述的方法，其中所述傅里叶变换后的信号分割部分(Xi(ω))和所述傅里叶变换后的滤波器分割部分(Yi(ω))全部具有相同的带宽，并且中心频率分布在等距离的离散频率栅上。5.如权利要求1所述的方法，其中基于可用的计算机资源，在时域和谱域中各自选择分割部分的数目。6.用于...

【专利技术属性】
技术研发人员：M克里斯托夫，
申请(专利权)人：哈曼贝克自动系统股份有限公司，
类型：发明
国别省市：DE[德国]