專利名稱：具有改進(jìn)無(wú)損壓縮和高保真度音頻優(yōu)良音頻品質(zhì)的噪聲－整形裝置和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明通常涉及一種噪聲-整形裝置和方法，更明確地說(shuō)涉及一種具有改進(jìn)壓縮的噪聲-整形裝置和方法。
背景技術(shù)：
無(wú)損壓縮步驟可能是創(chuàng)建超音頻CD(SACD)使用的信號(hào)處理的一部分。該壓縮步驟可用來(lái)將所有數(shù)據(jù)配備在單個(gè)盤上。該壓縮可通過(guò)許多常規(guī)算法實(shí)現(xiàn)，而且通常稱為直接流傳遞(DST)。然而，由于該壓縮是無(wú)損耗的，所以用戶沒(méi)有影響到可能安裝在單個(gè)SACD上的音樂(lè)數(shù)量。所以，通過(guò)稍微改變位流存在提高壓縮率的不同的傳統(tǒng)方法存在。不幸地，如果不允許信號(hào)品質(zhì)惡化(例如保持信號(hào)-對(duì)-噪聲比高于95分貝)，壓縮增益的改善迄今已經(jīng)受限(例如10％改進(jìn))。
圖1說(shuō)明了一種慣用的∑-Δ調(diào)制器(SDM)10，其中c(t)是在輸入x(t)和輸出y(t)之間的誤差表示。只基于在環(huán)路濾波器H(z)的輸出決定輸出比特的符號(hào)。
圖1說(shuō)明了1位SDM的典型模型。將數(shù)字多位輸入信號(hào)x(t)轉(zhuǎn)換為單個(gè)位輸出信號(hào)y(t)。信號(hào)d(t)是誤差信號(hào)，包括噪聲和諧波失真。c(t)是頻率加權(quán)誤差信號(hào)。低通傳送函數(shù)H(z)負(fù)責(zé)噪聲整形影響。裝置Q是用于輸出序列的判定單元。如果是常規(guī)的SDM，Q是具有以下定義的1位量化器y(t)=+1ifc(t)≥0-1ifc(t)<0---(1)]]>在這個(gè)實(shí)施例中，環(huán)路延遲z-1是必需的，否則1位量化器Q在實(shí)際確定y(t)之前就需要知道y(t)值。這樣定義的結(jié)果是，SDM10計(jì)算輸出作為先前輸入和僅輸出值的函數(shù)。選擇新的輸出以便瞬時(shí)誤差(c(t))盡可能小。但是，在每個(gè)時(shí)間都獨(dú)立地最小化該誤差對(duì)于最后的信號(hào)質(zhì)量或者確定壓縮比的最后熵來(lái)說(shuō)都不是必然的最好的解決方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個(gè)目的是給出一種改進(jìn)噪聲整形裝置的無(wú)損耗壓縮性能而同時(shí)保持音頻質(zhì)量的辦法。
為此，本發(fā)明提供一種噪聲整形裝置，其包括至少一個(gè)用于產(chǎn)生輸出信號(hào)的裝置，其中基于輸入信號(hào)和預(yù)測(cè)信號(hào)產(chǎn)生輸出信號(hào)。
在一個(gè)和多個(gè)示例性實(shí)施例中，基于輸出信號(hào)的一個(gè)或者多個(gè)過(guò)去值產(chǎn)生預(yù)測(cè)信號(hào)。
在一個(gè)和多個(gè)示例性實(shí)施例中，至少一個(gè)裝置是判定裝置。在一個(gè)和多個(gè)示例性實(shí)施例中，至少一個(gè)裝置是量化器。在一個(gè)和多個(gè)示例性實(shí)施例中，噪聲整形裝置進(jìn)一步包括一個(gè)預(yù)測(cè)濾波器，用于基于輸出信號(hào)的一個(gè)或者多個(gè)過(guò)去值產(chǎn)生輸出信號(hào)的將來(lái)值，并將輸出信號(hào)的將來(lái)值提供給至少一個(gè)設(shè)備。
在一個(gè)和多個(gè)示例性實(shí)施例中，預(yù)測(cè)濾波器包括加權(quán)系數(shù)，用于在輸出信號(hào)的將來(lái)值被輸入至少一個(gè)設(shè)備前對(duì)其加權(quán)。
在一個(gè)和多個(gè)示例性實(shí)施例中，當(dāng)加權(quán)系數(shù)是零時(shí)，至少一個(gè)設(shè)備的輸出信號(hào)僅基于環(huán)路濾波器的輸出。
在一個(gè)和多個(gè)示例性實(shí)施例中，當(dāng)加權(quán)系數(shù)為無(wú)窮大時(shí)，至少一個(gè)設(shè)備的輸出信號(hào)僅基于僅預(yù)測(cè)濾波器的輸出。
在一個(gè)和多個(gè)示例性實(shí)施例中，噪聲整形裝置是穩(wěn)定性改進(jìn)裝置。在一個(gè)或多個(gè)示例性實(shí)施例中，噪聲整形裝置是“超前”(look-ahead)裝置。在一個(gè)或多個(gè)示例性實(shí)施例中，噪聲整形裝置是∑-Δ調(diào)制器(SDM)。在一個(gè)或多個(gè)示例性實(shí)施例中，∑-Δ調(diào)制器是格狀(trellis)∑-Δ調(diào)制器或者有效格狀(efficient trellis)∑-Δ調(diào)制器。
為此，本發(fā)明的一個(gè)或者多個(gè)示例性實(shí)施例會(huì)通過(guò)使用基于環(huán)路濾波器的輸出和預(yù)測(cè)濾波器的輸出的成本函數(shù)，提供在位流的可壓縮性和它的信號(hào)質(zhì)量之間的平衡。當(dāng)使用格狀SDM時(shí)，輸出位流的可壓縮性會(huì)增長(zhǎng)大約百分之二十，同時(shí)保持優(yōu)良信號(hào)質(zhì)量。
在一個(gè)或多個(gè)示例性實(shí)施例中，格狀∑-Δ調(diào)制器最小化成本函數(shù)，其是環(huán)路濾波器輸出、預(yù)測(cè)濾波器輸出和先前輸出的函數(shù)。
在一個(gè)或多個(gè)示例性實(shí)施例中，成本成本函數(shù)表示為C(t)=Στ=0t[c(τ)]2=C(t-1)+[c(t)]2]]>其中C(t)是在當(dāng)前時(shí)間t的成本函數(shù)，C(t-1)是在先前時(shí)間的成本函數(shù)，并且c(t)是瞬時(shí)誤差信號(hào)。
在一個(gè)或多個(gè)示例性實(shí)施例中，成本函數(shù)表示為CT(t)＝C(t)+β·CP(t)其中CT(t)是總成本函數(shù)，CP(t)是當(dāng)前預(yù)測(cè)誤差，以及β是加權(quán)因子。
在一個(gè)或多個(gè)示例性實(shí)施例中，成本函數(shù)表示為CP(t)=Στ=0t[y^(τ)-y(τ)]2=CP(t-1)+[y^(t)-y(t)]2]]>其中 是預(yù)測(cè)濾波器的輸出，以及y(t)是噪聲整形裝置的輸出。
在一個(gè)或多個(gè)示例性實(shí)施例中，格狀∑-Δ調(diào)制器最小化成本函數(shù)，它是一個(gè)環(huán)路濾波器輸出、預(yù)測(cè)濾波器輸出、和先前輸出的函數(shù)。
在一個(gè)或多個(gè)示例性實(shí)施例中，成本函數(shù)表示為 為此，本發(fā)明還提供一種方法，該方法包括接收輸入信號(hào)和預(yù)測(cè)信號(hào)，將預(yù)測(cè)信號(hào)加權(quán)，并基于輸入信號(hào)和加權(quán)后的預(yù)測(cè)信號(hào)產(chǎn)生輸出信號(hào)，其中輸出信號(hào)是輸入信號(hào)和預(yù)測(cè)信號(hào)的函數(shù)，而且預(yù)測(cè)信號(hào)基于輸出信號(hào)的一個(gè)或者多個(gè)過(guò)去值表示輸出信號(hào)的將來(lái)值。
從下面給出的詳細(xì)描述和附圖中可以更充分理解本發(fā)明，給出所述詳細(xì)描述和附圖僅為了說(shuō)明的目的，并不因此限制本發(fā)明。


圖1示出了常規(guī)SDM。
圖2示出了依據(jù)常規(guī)技術(shù)的預(yù)測(cè)編碼原理。
圖3示出了依據(jù)本發(fā)明一個(gè)示例性實(shí)施例的噪聲整形裝置。
圖4示出了依據(jù)本發(fā)明另一個(gè)示例性實(shí)施例的噪聲整形裝置。
具體實(shí)施例方式
圖2示出了依據(jù)SACD規(guī)范(緋紅色書(shū)籍(scarlet book))的預(yù)測(cè)編碼原理?；谙惹俺闃觵(t-n)，...，y(t)，濾波器A(z)可以設(shè)計(jì)為提供將來(lái)抽樣 的估計(jì)。很清楚，這個(gè)預(yù)測(cè)越好，通常壓縮就越好。如果位流可以這樣生成，其盡可能符合濾波器A(z)的預(yù)測(cè)，那么壓縮會(huì)增加。在圖2中，如上所述，Q是常規(guī)1位量化器。
圖3示出了依據(jù)本發(fā)明示例性實(shí)施例的噪聲整形裝置20，其中輸出y(t)基于環(huán)路濾波器H(z)的輸出和預(yù)測(cè)濾波器A(z)的輸出。
當(dāng)加權(quán)系數(shù)β是零時(shí)，判定電路DM僅基于環(huán)路濾波器H(z)的輸出判定，噪聲整形裝置20等同于標(biāo)準(zhǔn)SDM(如圖1所示)。當(dāng)加權(quán)系數(shù)β是無(wú)窮大時(shí)，輸出僅基于預(yù)測(cè)濾波器A(z)(作為結(jié)果，輸出流是完美壓縮的，但是沒(méi)有精確的表示輸入信號(hào)x)。對(duì)于β的中間值，噪聲整形裝置20顯示優(yōu)良信號(hào)性能(高信號(hào)-對(duì)-噪聲比)和優(yōu)良可壓縮性的理想組合。
在本發(fā)明的一個(gè)示例性實(shí)施例中，DM不是常規(guī)1位量化器，而是實(shí)施為格狀SDM或者有效格狀SDM，所述有效格狀SDM通常顯示出與格狀SDM相同的優(yōu)勢(shì)，但是需要更少的計(jì)算。在本發(fā)明的示范性實(shí)施例中，格狀SDM或者有效格狀SDM都減少或者最小化成本函數(shù)。這種最小化的示例性算法是格狀維特比算法，因此基于這個(gè)概念的SDM的被稱為“格狀SDM”。對(duì)于格狀SDM，示例性成本成本函數(shù)C(t)可以定義為C(t)=Στ=0t[c(τ)]2=C(t-1)+[c(t)]2---(2)]]>將圖3的概念應(yīng)用到格狀SDM的概念可以通過(guò)用CT(t)替換等式(2)中的成本函數(shù)實(shí)現(xiàn)CT(t)＝C(t)+β·CP(t)(3)其中成本函數(shù)CP(t)將損失歸因于不與其預(yù)測(cè)值相同的輸出位(由于A(z))。原則上，成本函數(shù)CP(t)的選擇無(wú)限自由。在等式(4)中提供示例。
CP(t)=Στ=0t[y^(τ)-y(τ)]2=CP(t-1)+[y^(t)-y(t)]2---(4)]]>為了等式(4)中作出的選擇，現(xiàn)在噪聲整形裝置20穩(wěn)定的用于有限β，同時(shí)顯示優(yōu)良信號(hào)特性和增加位流可壓縮性。注意正如本領(lǐng)域的一個(gè)技術(shù)人員將知道的，除了上述的一個(gè)，還可以有許多其他成本函數(shù)來(lái)代替它。
為了說(shuō)明實(shí)現(xiàn)的改進(jìn)，考慮通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)SDM產(chǎn)生的顯示出110dB的SNR的位流作為個(gè)示例。這個(gè)位流可以通過(guò)常規(guī)算法通過(guò)因子2.6壓縮。當(dāng)應(yīng)用上述概念時(shí)，當(dāng)SNR僅下降到101dB時(shí)，壓縮率可以增加到因子3.4。而且，通過(guò)選擇不同的加權(quán)系數(shù)β，可以實(shí)現(xiàn)可壓縮性和信號(hào)質(zhì)量之間的平衡。
所述算法的進(jìn)一步改進(jìn)包括預(yù)測(cè)濾波器A(z)的適應(yīng)性，其導(dǎo)致改進(jìn)的算法性能(在增加的計(jì)算費(fèi)用上)。
圖4示出了依據(jù)本發(fā)明示例性實(shí)施例的噪聲整形裝置30，其中判定電路DM替換為加法器和量化器Q。
在一個(gè)或多個(gè)示例性實(shí)施例中，噪聲整形裝置20是穩(wěn)定性改進(jìn)裝置。在一個(gè)或多個(gè)示例性實(shí)施例中，噪聲整形裝置20是‘超前’裝置。在一個(gè)或多個(gè)示例性實(shí)施例中，噪聲整形裝置20是∑-Δ調(diào)制器(SDM)。在一個(gè)或多個(gè)示例性實(shí)施例中，∑-Δ調(diào)制器是格狀∑-Δ調(diào)制器或者有效格狀∑-Δ調(diào)制器。
如上面的描述和說(shuō)明，本發(fā)明的示例性實(shí)施例涉及于數(shù)字噪聲整形裝置上。但是，本發(fā)明同樣適用于模擬噪聲整形裝置(反饋或者前饋)。同樣應(yīng)當(dāng)注意的是，本發(fā)明的特征可用于許多類型的噪聲整形器、SDM和穩(wěn)定性改進(jìn)裝置，包括反饋、前饋、離散時(shí)間、軟件、硬件、模擬、數(shù)字、SC-濾波器、振動(dòng)(dithered)、不振動(dòng)(undithered)、低階、高階、單位、多位或者這些特征的任意組合，以及與SDM和/或其他裝置組合(例如，級(jí)聯(lián))或單獨(dú)的諸如噪聲整形器和/或穩(wěn)定性改進(jìn)裝置的其他裝置。
本發(fā)明的原理可以同樣的用于多位噪聲整形裝置。當(dāng)前，還應(yīng)用目前技術(shù)發(fā)展水平的壓縮原理、預(yù)測(cè)濾波器，而且當(dāng)預(yù)測(cè)濾波器的預(yù)測(cè)能力較大時(shí)，在這種情況下同樣通常取得良好的壓縮。使用本發(fā)明的示教，這可以通過(guò)對(duì)多位信號(hào)進(jìn)行噪聲整形來(lái)與所述的用于單位信號(hào)的相同的方式實(shí)現(xiàn)，以便它更好的適應(yīng)預(yù)測(cè)濾波器的特性。
同樣值得注意的是，上述各種示例性實(shí)施例的結(jié)構(gòu)和功能特征都可以交替使用、單獨(dú)使用或者組合使用。
依據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的裝置可以包括在ADC和/或DD轉(zhuǎn)換器中。這樣的ADC和/或DD轉(zhuǎn)換器可以是超音頻CD(SACD)設(shè)備，例如播放器的信號(hào)處理應(yīng)用程序/裝置的一部分。
注意上述處理在DSD的處理中非常有用。
還應(yīng)注意的是，輸入不需要限定為位流；輸入可以是模擬或數(shù)字的。應(yīng)當(dāng)注意的是，上面提到的實(shí)施例說(shuō)明不是限制本發(fā)明，而且本領(lǐng)域技術(shù)人員在不脫離附加權(quán)利要求的范圍下，可以設(shè)計(jì)許多備選實(shí)施例。在權(quán)利要求中，放置在括號(hào)間的任何參考信號(hào)都不能解釋為限制該權(quán)利要求。詞語(yǔ)“包括”并不排除在權(quán)利要求中列出的那些之外出現(xiàn)的其他元素或者步驟。在所附權(quán)利要求中所使用的修飾詞“一”、“一個(gè)”、“至少一個(gè)”包括它們定義的一個(gè)或者多個(gè)。本發(fā)明可以通過(guò)包括一些獨(dú)立元件的硬件和適當(dāng)編程的計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)。在裝置權(quán)利要求中列舉了一些裝置，這些裝置中的一些可用一個(gè)相同的硬件對(duì)象具體化。在相互不同的權(quán)利要求中敘述的特定措施的單一要素并不表示這些措施的組合不會(huì)是有利的。
權(quán)利要求
1.一種噪聲整形裝置(20，30)，包括至少一個(gè)用于產(chǎn)生輸出信號(hào)的裝置(DM，Q)，其中基于輸入信號(hào)和預(yù)測(cè)信號(hào)產(chǎn)生輸出信號(hào)。
2.如權(quán)利要求1所述的噪聲整形裝置(20，30)，其中基于輸出信號(hào)的一個(gè)或多個(gè)過(guò)去值產(chǎn)生預(yù)測(cè)信號(hào)。
3.如權(quán)利要求1所述的噪聲整形裝置(20，30)，其中至少一個(gè)裝置(DM)是判定電路。
4.如權(quán)利要求1所述的噪聲整形裝置(20，30)，其中至少一個(gè)裝置(Q)是量化器。
5.如權(quán)利要求1所述的噪聲整形裝置(20，30)，還包括預(yù)測(cè)濾波器(A(z))，用于基于輸出信號(hào)的一個(gè)或者多個(gè)過(guò)去值產(chǎn)生輸出信號(hào)的預(yù)測(cè)將來(lái)值，并將輸出信號(hào)的預(yù)測(cè)將來(lái)值提供給至少一個(gè)裝置(DM，Q)。
6.如權(quán)利要求5所述的噪聲整形裝置(20，30)，其中預(yù)測(cè)濾波器(A(z))包括加權(quán)系數(shù)(β)，用于在將輸出信號(hào)的預(yù)測(cè)將來(lái)值輸入至少一個(gè)裝置(DM，Q)前對(duì)其加權(quán)。
7.如權(quán)利要求6所述的噪聲整形裝置(20，30)，其中當(dāng)加權(quán)系數(shù)β是無(wú)窮大時(shí)，至少一個(gè)裝置(DM，Q)的輸出信號(hào)僅基于預(yù)測(cè)濾波器A(z)的輸出。
8.如權(quán)利要求1所述的噪聲整形裝置(20，30)，還包括環(huán)路濾波器(H(z))，用于提供輸入信號(hào)，其中輸入信號(hào)通過(guò)環(huán)路濾波器(H(z))過(guò)濾。
9.如權(quán)利要求1所述的噪聲整形裝置(20，30)，其中噪聲整形裝置(20，30)是超前∑-Δ調(diào)制器。
10.如權(quán)利要求9所述的噪聲整形裝置(20，30)，其中超前∑-Δ調(diào)制器最小化成本函數(shù)，它是環(huán)路濾波器(H(z))的輸出、預(yù)測(cè)濾波器(A(z))的輸出和先前輸出的函數(shù)。
11.如權(quán)利要求9所述的噪聲整形裝置(20，30)，其中超前∑-Δ調(diào)制器是格狀∑-Δ調(diào)制器。
12.如權(quán)利要求11所述的噪聲整形裝置(20，30)，其中格狀∑-Δ調(diào)制器最小化成本函數(shù)，它是環(huán)路濾波器(H(z))的輸出、預(yù)測(cè)濾波器(A(z))的輸出和先前輸出的函數(shù)。
13.如權(quán)利要求9所述的噪聲整形裝置(20，30)，其中超前∑-Δ調(diào)制器是有效格狀∑-Δ調(diào)制器。
14.如權(quán)利要求13所述的噪聲整形裝置(20，30)，其中有效格狀∑-Δ調(diào)制器最小化成本函數(shù)，它是環(huán)路濾波器(H(z))的輸出、預(yù)測(cè)濾波器(A(z))的輸出和先前輸出的函數(shù)。
15.一種方法，包括接收輸入信號(hào)和預(yù)測(cè)信號(hào)；加權(quán)預(yù)測(cè)信號(hào)；和基于輸入信號(hào)和加權(quán)后的預(yù)測(cè)信號(hào)，產(chǎn)生輸出信號(hào)，其中輸出信號(hào)是輸入信號(hào)和預(yù)測(cè)信號(hào)的函數(shù)，而且預(yù)測(cè)信號(hào)基于輸出信號(hào)的一個(gè)或多個(gè)過(guò)去值表示輸出信號(hào)的將來(lái)值。
全文摘要
用于1－位數(shù)字音頻噪聲整形的改進(jìn)的∑－Δ調(diào)制器(SDM)。目的是為了產(chǎn)生和緋紅色書(shū)籍規(guī)范(超音頻CD標(biāo)準(zhǔn)，SACD)相兼容的位流，而且當(dāng)根據(jù)該標(biāo)準(zhǔn)壓縮和解壓時(shí)實(shí)現(xiàn)較高無(wú)損壓縮比率。這個(gè)目標(biāo)通過(guò)使用基于格狀的SDM和/或SDM內(nèi)部預(yù)測(cè)濾波器實(shí)現(xiàn)，所述預(yù)測(cè)濾波器與編碼器中的預(yù)測(cè)濾波器相似或相同。該格狀SDM被設(shè)計(jì)用來(lái)從大范圍候選信號(hào)中產(chǎn)生作為盡可能接近輸入信號(hào)的預(yù)測(cè)信號(hào)。
文檔編號(hào)H03M7/00GK1826730SQ200480021083
公開(kāi)日2006年8月30日 申請(qǐng)日期2004年7月15日 優(yōu)先權(quán)日2003年7月24日
發(fā)明者D·里夫曼, P·J·A·哈佩, E·詹森 申請(qǐng)人:皇家飛利浦電子股份有限公司