Патент на изобретение №2297049

(54) СПОСОБ ОБРАТНОЙ ФИЛЬТРАЦИИ, СПОСОБ СИНТЕЗИРУЮЩЕЙ ФИЛЬТРАЦИИ, УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОБРАТНОЙ ФИЛЬТРАЦИИ, УСТРОЙСТВО ДЛЯ СИНТЕЗИРУЮЩЕЙ ФИЛЬТРАЦИИ И ПРИСПОСОБЛЕНИЯ, СОДЕРЖАЩИЕ ТАКИЕ ФИЛЬТРУЮЩИЕ УСТРОЙСТВА

(57) Реферат:

Изобретение относится к системам/способам фильтрации сигналов. Техническим результатом является разработка способа фильтрации сигнала с циклом задержки. Его достигают тем, что осуществляют фильтрацию входного сигнала для формирования первого отфильтрованного сигнала; комбинирование первого отфильтрованного сигнала с упомянутым входным сигналом для получения разностного сигнала, причем этап фильтрации входного сигнала для формирования первого отфильтрованного сигнала содержит: этап получения, по меньшей мере, одного задержанного, усиленного и отфильтрованного сигнала, а этап получения содержит: сохранение сигнала, относящегося к упомянутому входному сигналу в буфере; извлечение из буфера задержанного сигнала, фильтрацию сигнала для формирования, по меньшей мере, одного второго отфильтрованного сигнала, причем фильтрация является стабильной и причинной; усиление, по меньшей мере, одного сигнала коэффициентом усиления, при этом способ также содержит получение упомянутого первого отфильтрованного сигнала, основываясь, по меньшей мере, на упомянутом, по меньшей мере, одном задержанном, усиленном и отфильтрованном сигнале. 10 н. и 13 з.п. ф-лы, 10 ил.

(56) (продолжение):

CLASS=”b560m”A1, 07.05.1974. Адаптивные фильтры. Под ред. К.Ф.Н.КОУЭНА, П.М.ГРАНТА. – М.: Мир, 1988, стр.94-103.

Изобретение относится к способу обратной фильтрации. Кроме того, изобретение относится к способу синтезирующей фильтрации. Также изобретение относится к устройству для обратной фильтрации, синтезирующему фильтру и к приспособлениям, содержащим такие устройства для фильтрации. Изобретение также относится к компьютерной программе для реализации стадий способа в соответствии с изобретением.

Устройство для фильтрации известно из статьи А.Harma «Implementation of frequency-warped recursive filters», Signal Processing 80 (2000) 543-548. В этой статье описывается кодер с линейным предсказанием при частотном искажении (WLP-кодер) и декодер с линейным предсказанием при частотном искажении (WLP-декодер). WLP-кодер содержит стандартный фильтр с конечным импульсным откликом (FIR), в котором единичные задержки заменяются всечастотными фильтрами первого порядка.

Недостаток кодера, известного из этой статьи, состоит в том, что без дополнительных приспособлений WLP-декодер содержал бы циклы без задержки. В этой статье описываются два решения этой проблемы. Во-первых, WLP-декодер может быть подобран таким образом, чтобы исключить циклы без задержки. Во-вторых, вычисление выходного сигнала декодера и коррекция внутренних состояний фильтра могут быть разделены. В обоих вариантах решения WLP-декодер отличается от WLP-кодера. Кроме того, из-за разницы между кодером и декодером параметры WLP-кодера, такие как коэффициенты предсказания, должны быть преобразованы для WLP-декодера, что требует дополнительной обработки и связано с численными задачами.

Таким образом, задачей предлагаемого изобретения является создание кодера и декодера, которые могут иметь аналогичную конструкцию. Следовательно, изобретение обеспечивает способ обратной фильтрации в соответствии с п.1 формулы изобретения.

Таким образом, синтезирующий фильтр не содержит циклы без задержки, потому что создается задержка. Следовательно, обратная фильтрация и синтезирующая фильтрация могут быть по существу аналогичны.

Кроме того, изобретение обеспечивает способ синтезирующей фильтрации в соответствии с пунктом 17 формулы изобретения. Кроме того, изобретение раскрывает устройство для обратной фильтрации в соответствии с пунктом 18 формулы изобретения, устройство для синтезирующей фильтрации в соответствии с пунктом 19 формулы изобретения и приспособления, содержащие такие фильтрующие устройства. Изобретение также обеспечивает компьютерную программу для реализации стадий способа в соответствии с изобретением.

Конкретные варианты осуществления изобретения раскрыты в зависимых пунктах формулы изобретения. Далее детали, аспекты и варианты осуществления изобретения будут описаны со ссылкой на сопровождающие чертежи.

Фиг.1 представляет собой структурную схему первого варианта осуществления устройства для обратной фильтрации в соответствии с изобретением.

Фиг.2 представляет собой структурную схему первого варианта осуществления устройства для синтезирующей фильтрации в соответствии с изобретением.

Фиг.3 представляет собой блок-схему первого варианта осуществления способа обратной фильтрации в соответствии с изобретением.

Фиг.4 представляет собой блок-схему первого варианта осуществления способа синтезирующей фильтрации в соответствии с изобретением.

Фиг.5 представляет собой схему устройства для передачи данных, созданного на основе кодера с предсказанием, в соответствии с изобретением.

Фиг.6 представляет собой схему устройства для хранения данных, созданного на основе кодера с предсказанием, в соответствии с изобретением.

Фиг.7 представляет собой схему устройства для обработки данных, созданного на основе декодера с предсказанием, в соответствии с изобретением.

Фиг.8 представляет собой схему аудиовизуального устройства, созданного на основе декодера с предсказанием, в соответствии с изобретением.

Фиг.9 представляет собой схему аудиовизуального записывающего устройства, созданного на основе декодера с предсказанием, в соответствии с изобретением.

Фиг.10 представляет собой схему устройства для хранения данных, созданного на основе способа кодирования с предсказанием, в соответствии с изобретением.

В этом описании используются следующие термины. «Образец x(n)» – это пример сигнала в определенный момент. Сегмент представляет собой ряд последовательных образцов, например, x(n), x(n+1),…, x(n+j-1), x(n+j). Когда используется один из терминов «сигнал», «образец» или «сегмент», другой из этих вариантов также может подразумеваться. «Передаточная функция H(z)» представляет собой соотношение между входным и выходным сигналом фильтра, взятое в области определения z. (Для z=exp^-i i является квадратным корнем из -1, H(z) дает характеристики в области определения частоты). «Импульсный отклик фильтра» представляет собой отклик фильтра на импульсный сигнал, т.е. сигнал, имеющий значение «1» для n=0 и значение, равное 0, для n, не равного 0, причем n отмечает момент времени. В этом описании термин «устройство для фильтрации» подразумевает не устройство, имеющее только устройство задержки или многочисленные устройства задержки, хотя в очень ограниченном смысле устройство задержки представляет собой устройство для фильтрации. Однако подразумевается, что устройство, включающее, по крайней мере, одно фильтрующее устройство и одно или более устройств задержки, является устройством для фильтрации. По крайней мере, подразумевается, что фильтр является причинным, если выходной сигнал не зависит от любых «будущих» входных сигналов, т.е. выходной сигнал фильтра зависит только от текущего сигнала и/или предыдущих сигналов. Говорят, что фильтр является «стабильным», если фильтр дает ограниченный по амплитуде выходной сигнал для любого ограниченного по амплитуде входного сигнала, представленного на входе фильтра.

Фиг.1 показывает структурную схему первого примера варианта реализации устройства 1 для обратной фильтрации в соответствии с изобретением. Показанный пример устройства 1 для обратной фильтрации или устройства кодера содержит порт 11 ввода, где может быть представлен входной сигнал x. Порт ввода подсоединяется к системе 13 фильтрации, которая способна фильтровать принимаемый входной сигнал x и способна давать на выходе первый отфильтрованный сигнал Порт 11 ввода и система 13 фильтрации вместе подсоединяются к первому комбинирующему устройству 12, которое способно комбинировать первый отфильтрованный сигнал и входной сигнал x, в результате чего получается разностный сигнал r.

Система 13 фильтрации содержит буфер или устройство 131 памяти, подсоединенное к порту 11 ввода, и множество вторых фильтрующих устройств 132, подсоединенных к выходу устройства 131. В показанном примере вторые фильтрующие устройства 132 формируют фильтрующее устройство 130 «один вход – множество выходов»(SIMO). Вторые фильтрующие устройства 132 также подсоединяются к усилителям 133, которые далее подсоединяются ко второму комбинирующему устройству 134. Комбинирующее устройство 134 соединяется с выходом первого комбинирующего устройства 12.

Буфер или устройство 131 памяти, на которое в этом описании ссылаются так же, как на устройство задержки, сохраняет принятый входной образец x(n) и выдает образец u(n). Образец u(n) – это предыдущий образец x(n-j) входного сигнала, где j – задержка устройства и j больше 0. Таким образом, образец u(n) предыдущего входного сигнала u равен образцу x(n-j) входного сигнала x, где j представляет собой задержку устройства 131 задержки и j больше или равно 0. Вторые фильтрующие устройства 132 генерируют вторые отфильтрованные сигналы y₁, y_2,..., y_k на основе сигнала u. Вторые фильтрующие устройства стабильны и причинны. Таким образом, фильтрующее устройство 130 SIMO также стабильно и причинно. В варианте реализации фильтрующее устройство 130 SIMO содержит только вторые фильтрующие устройства 132. Однако устройство SIMO может также содержать одно или более устройств задержки или даже прямое возбуждение в параллель со вторыми фильтрующими устройствами 132.

Усилители 133 усиливают или умножают каждый из вторых отфильтрованных сигналов y₁, y_2,..., y_k с коэффициентом усиления или множителем ₁, ₂,…, _k. C этой точки зрения, на коэффициенты усиления ₁, ₂,…, _k ссылаются как на коэффициенты предсказания ₁, ₂,…, _k, где коэффициенты предсказания изменяются в зависимости от времени или зависят от сигнала. Таким образом, вторые отфильтрованные сигналы комбинируются как взвешенная сумма с помощью второго комбинирующего устройства 134.

Выходной сигнал второго комбинирующего устройства 134 является первым отфильтрованным сигналом где каждый образец (n), таким образом, базируется на предыдущих образцах x(n-j) входного сигнала x, где j больше 0. Второе комбинирующее устройство 134 выдает первый отфильтрованный сигнал и передает первый отфильтрованный сигнал к первому комбинирующему устройству 12. Первое комбинирующее устройство 12 комбинирует входной сигнал x с первым отфильтрованным сигналом и выдает разностный сигнал r.

Из-за устройства 131 задержки в системе 13 фильтрации нет циклов без задержки. Таким образом, как обратный фильтр, так и синтезирующий фильтр могут иметь одну и ту же конструкцию, т. е. фильтры могут быть сделаны дополняющими друг друга. Например, пример обратного фильтра в соответствии с фиг.1 и пример синтезирующего фильтра в соответствии с фиг.2 являются дополняющими друг друга. Также частотно-временное разрешение системы фильтрации может быть настроено заранее за счет подходящего выбора передаточной функции H_k вторых фильтров, так как вторые фильтры могут быть стабильными и причинными фильтрами любого подходящего типа, например, за счет выбора параметров (таких, как приращение, полюсы и нули) передаточной функции H_k таким образом, что фильтр настраивается на область с конкретной частотой.

Устройства задержки и фильтры и/или усилители могут меняться местами, т.е. фильтр и/или усилители могут быть размещены перед устройством задержки. В этом случае устройство задержки будет сохранять первый отфильтрованный сигнал и выдавать первый отфильтрованный сигнал с предсказанием, который затем комбинируется с входным сигналом x для получения разностного сигнала r. Говоря математическим языком, устройство 131 задержки и фильтр и/или усилители коммутативны. Однако независимо от относительного расположения устройства задержки, фильтра и/или усилителей, фильтр коммуникативно подсоединяется к устройству задержки и первому комбинирующему устройству.

Кроме того, параметры, используемые в обратном фильтре, могут использоваться в соответствующем синтезирующем фильтре, например, в примере, показанном на фиг.2. Таким образом, синтезирующий фильтр может быть реализован без устройств для пересчета коэффициента предсказания, и, следовательно, синтезирующий фильтр может быть дешевле. Установки обратного фильтра затем могут быть переданы на синтезирующий фильтр, например, через выделенный канал данных или скомбинированы с сигналом r.

Фиг.2 показывает устройство 2 для синтезирующей фильтрации или декодера, которое по существу является обратным к устройству для обратной фильтрации фиг.1. Устройство 2 для синтезирующей фильтрации имеет порт 21 ввода, подсоединенный к первому комбинирующему устройству 22. Комбинирующее устройство 22, кроме того, подсоединяется к системе 23 фильтрации и выходу 24 устройства 2 для синтезирующей фильтрации. На входе 21 может быть представлен входной сигнал r. Затем входной сигнал r принимается первым комбинирующим устройством 22 и комбинируется с первым отфильтрованным сигналом, поступающим от системы 23 фильтрации, с помощью которого получается выходной сигнал x. Если входной сигнал r является разностным сигналом от устройства 1 для обратной фильтрации фиг.1, выходной сигнал x по существу аналогичен входному сигналу x устройства для обратной фильтрации.

Система 23 фильтрации содержит устройство 231 задержки (на которое также ссылаются как на буферное устройство или устройство памяти), подсоединенное к выходу 24, и множество вторых фильтрующих устройств 232. Вторые фильтрующие устройства 232 подсоединяются к усилителям 233, которые подсоединяются ко второму комбинирующему устройству 234. Второе комбинирующее устройство 234 соединяется с выходом первого комбинирующего устройства 12.

Устройство 231 задержки сохраняет выходной образец x(n) и выдает первоначально сохраненный выходной образец x(n-j), где j больше 0. Вторые фильтрующие устройства 232 генерируют вторые отфильтрованные сигналы на основе первоначально сохраненного выходного сигнала. Усилители 233 умножают каждый из вторых отфильтрованных сигналов на коэффициент предсказания ₁, ₂,…, _k. Таким образом, вторые отфильтрованные сигналы комбинируются как взвешенная сумма с помощью второго комбинирующего устройства 234. Выходной сигнал второго комбинирующего устройства 234 является первым отфильтрованным сигналом где каждый образец (n), таким образом, базируется на предыдущих образцах x(n-j) выходного сигнала x при j больше 0. Второе комбинирующее устройство 234 выводит первый отфильтрованный сигнал и передает первый отфильтрованный сигнал первому комбинирующему устройству 1. Первое комбинирующее устройство 22 комбинирует входной сигнал r с первым отфильтрованным сигналом и дает выходной сигнал x.

Из-за устройства задержки в системе 23 фильтрации нет циклов без задержки. Таким образом, синтезирующий фильтр может быть простым способом сделан так, что он является дополняющим по отношению к обратному фильтру. Задержка и фильтр и/или усилители могут быть взаимозаменяемы, т.е. фильтр и/или усилители могут быть расположены перед устройством задержки. Говоря математическим языком, устройство задержки и фильтр и/или усилители являются коммутативными.

В примерах фиг.1 и 2 вторые фильтрующие устройства подсоединяются параллельно к устройству задержки или буферному устройству. Таким образом, каждый образец каждого второго отфильтрованного сигнала основывается на предыдущих образцах входного сигнала по отношению к устройству задержки или буферному устройству. Вторые фильтрующие устройства также могут быть соединены каскадным способом. В этом случае k-ый второй отфильтрованный сигнал y_k базируется на (k-1)-ом втором отфильтрованном сигнале y_k-1.

В устройстве, соответствующем изобретению, устройство задержки может иметь любую требуемую задержку. Предпочтительно, задержка такова, что предшествующий сигнал непосредственно предшествует сигналу, принимаемому у буфера, т.е. задержка является единичной задержкой.

Фиг.3 представляет собой блок-схему способа обратной фильтрации в соответствии с изобретением. На стадиях I-VI принимается входной образец, и генерируется первый отфильтрованный образец (n). После стадии VI первый отфильтрованный образец (n) и входной образец x(n) комбинируются, в результате чего получается разностный образец r(n) на стадии первого комбинирования VII. В показанном примере комбинирование на стадии VII представляет собой метод вычитания, но также возможно осуществлять отличающуюся операцию, пока не получится разностный сигнал, который является мерой сходства между входным сигналом и отфильтрованным сигналом. Следовательно, принимается следующий образец, и стадии I-VII осуществляются снова.

Генерация первого отфильтрованного сигнала (n) на стадиях I-VI начинается со стадии сохранения I. На стадии сохранения I принимается входной образец x(n) и сохраняется в буфере. На стадии II предшествующий входной образец u(n) извлекается из буфера. В примере предшествующий входной образец u(n) является непосредственно предшествующим входным образцом. Также возможно использовать один или более других предшествующих образцов. Использование только непосредственно предшествующего образца позволяет буферу быть таким маленьким, насколько это возможно. На стадии III значение счетчика k подбирается так, чтобы следующей величиной было k+1. После стадии III осуществляется стадия второй фильтрации IV. На стадии второй фильтрации способ фильтрации реализуется на предшествующем входном образце u(n), в результате получается второй отфильтрованный образец y_k(n). На стадии V значение счетчика k сравнивается с некоторым предварительно заданным значением K, причем K показывает полное число стадий второй фильтрации, которые осуществляются. Если значение k не сходно с предварительно заданным значением K, стадии II-V осуществляются снова. Если значение k сходно с предварительно заданным значением K, вторые отфильтрованные сигналы y₁(n), y₂(n),…, y_k(n) комбинируются с некоторым весовым коэффициентом _k на стадии второго комбинирования VI, в результате чего получается первый отфильтрованный образец (n).

Фиг.4 показывает блок-схему примера способа синтезирующей фильтрации в соответствии с изобретением. Способ синтезирующей фильтрации, представленный с помощью блок-схемы фиг.4, может, например, осуществляться с помощью устройства для синтезирующей фильтрации фиг.2.

На стадии II образец u(n) извлекается из буфера. Образец u(n) является предшествующим выходным образцом x(n-1). На стадии III значение счетчика k подбирается так, чтобы следующим значением было k+1. После стадии III осуществляется стадия второй фильтрации IV. На стадии второй фильтрации способ фильтрации с передаточной функцией H_k(z) реализуется на образце u(n), в результате получается второй отфильтрованный образец y_k(n). На стадии V значение счетчика k сравнивается с некоторым предварительно заданным значением K, показывающим полное число стадий второй фильтрации, которые осуществляются. Если значение k не сходно с предварительно заданным значением K, стадии II-V осуществляются снова. Если значение k сходно с предварительно заданным значением K, вторые отфильтрованные сигналы y₁(n), y₂(n),…, y_k(n) комбинируются с некоторым весовым коэффициентом _k на стадии второго комбинирования VI, в результате чего получается первый отфильтрованный образец (n). На стадии первого комбинирования VIII входной образец r(n) комбинируется с первым отфильтрованным образцом (n), в результате чего получается выходной образец x(n). После этого, выходной образец x(n) сохраняется в буфере, и процедура повторяется.

В способе или устройстве в соответствии с изобретением стадии второй фильтрации или вторые фильтрующие устройства могут быть любого типа, подходящего для конкретной реализации, поскольку они являются стабильными и причинными. Кроме того, способ или устройство в соответствии с изобретением может, помимо, по крайней мере, одного фильтра, включать одно или более устройств задержки или прямого возбуждения.

Стадии второй фильтрации или фильтрующее устройство могут, например, быть стадиями рекурсивной фильтрации или фильтрующими устройствами или стадиями фильтрации и фильтрующими устройствами с неограниченным импульсным откликом (IIR). В IIR способе также используются взвешенные образцы выходного сигнала и/или образцы с задержкой для получения выходного сигнала. Кроме того, по крайней мере, одно из вторых фильтрующих устройств может быть нелинейным фильтрующим устройством.

На устройство для второй фильтрации или второе фильтрующее устройство можно воздействовать психоакустически; т.е. оно может иметь частотно-временное разрешение, сравнимое с системой слуха человека. Например, вторая фильтрация или генерация, по меньшей мере, одного из вторых отфильтрованных сигналов может быть всечастотной фильтрацией с передаточной функцией:

в этом уравнении (1) z^-1 представляет устройство задержки, k представляет собой количество стадий вторичной фильтрации, оно является положительным целым числом между 1 и K, K представляет собой полное число вторичных фильтров или стадий фильтрации и представляет постоянную, имеющую абсолютное значение между нулем и единицей. Параметр может, например, выбираться таким образом, что фильтр имеет частотно-временное разрешение, сравнимое с системой слуха человека.

Также фильтрации при психоакустическом воздействии может быть фильтрацией Лягерра с передаточной функцией H_k(z), как описывается с помощью математического алгоритма:

В этом уравнении (2) k представляет собой количество рекурсивных стадий фильтрации, z^-1 представляет собой задержку и представляет собой параметр, имеющий абсолютное значение между нулем и единицей.

Также возможно осуществлять вторую фильтрацию как фильтрацию Кауца с передаточной функцией H_k(z), как описывается с помощью математического алгоритма:

В уравнении (3) k представляет собой количество рекурсивных стадий фильтрации, z^-1 представляет собой операцию задержки и _m представляет собой параметр, имеющий абсолютное значение между нулем и единицей и _m ^* – комплексно сопряженная величина.

Вторая фильтрация может также быть гамма-тон фильтрацией или блоком гамма-тон фильтров, как, например, известно из статьи T. Irino et. al., «A time domain, level dependent auditory filter», J. Acoust. Soc. Am., 101: 412 – 419, 1997. В общем, гамма-тон фильтры являются стационарными фильтрами, имеющими импульсный отклик h_k, определяемый формулой:

где параметры подбираются в соответствии с подходящими психоакустическими данными. В этом уравнении член t^-1e^t представляет собой статистическое гамма-распределение, _k представляет собой частоту или тон члена с функцией cos, t – время и Ф_k – фаза.

После второй фильтрации может осуществляться некоторая дополнительная обработка, такая, как матричная операция. Комбинированная передаточная функция фильтрации и матричной операции затем может быть представлена с помощью математического алгоритма:

где алгоритм H_k(z) представляет собой комбинированную передаточную функцию вторых фильтров и матрицы, k представляет собой число стадий фильтрации, с_kn представляет собой значение матричного элемента в положении k,n в матрице, G_n(z) представляет собой передаточную функцию второго фильтра n. В уравнении (5) фильтры G_n(z) могут, например, быть фильтрами Лягерра, как определяется с помощью уравнения (2), или фильтрами Кауца, как определяется уравнением (3).

Например, вторые отфильтрованные сигналы y₁, y_2,..., y_k могут быть перемножены с помощью Фурье-матрицы. В этом случае матричные значения c_kn уравнения (5) могут быть выбраны равными:

В этом уравнении (6) w представляет собой весовую функцию, i представляет собой квадратный корень из -1, K представляет собой количество частей второго фильтра.

Фильтрующее устройство и способ фильтрации в соответствии с изобретением могут использоваться при сжатии данных, таком, как кодирование с линейным прогнозом. Например, в системе кодирования, содержащей кодер и декодер, коммуникативно присоединенный к кодеру, кодер может содержать устройство для обратной фильтрации в соответствии с изобретением и декодер может содержать устройство для синтезирующей фильтрации в соответствии с изобретением.

В фильтре с предсказанием или кодере или декодере с предсказанием коэффициенты предсказания ₁, ₂,…, _k могут быть получены при использовании следующей процедуры. В показанном примере коэффициенты предсказания зависят от сигналов, присутствующих в фильтре. Например, коэффициент предсказания может быть основан на некоторой процедуре оптимизации полученных образцов или сигналов, такой, как минимизация значащей квадратичной ошибки.

Для определения _k в момент времени n выбирается часть входного сигнала x вокруг n, например, сегмент x(t), где t = (n-M₁, n-M₁+1,…, n+M₂), где M₁, M₂ >K. Далее сегмент x(t) обрабатывается методом окна (например, с помощью окна Ханига) для получения обработанного методом окна сегмента s.

Обработанный методом окна сегмент s затем может быть адаптирован для нового сегмента s. Например, сигнал может быть дополнен нулями, к сигналу может быть добавлено небольшое количество шума для того, чтобы предотвратить численные проблемы при обращении матрицы (которое делается на более поздней стадии), или сегмент сигнала s может быть трансформирован в другой сегмент. Это может быть сделано, например, для получения подходящего психоакустического сигнала. В этом случае скрытый порог может быть вычислен с помощью сегмента s и обратное преобразование Фурье может быть использовано на скрытом пороге для получения соответствующего временного сигнала.

Сигнал s’, необязательно адаптированный или модифицированный, затем обрабатывается с помощью способа фильтрации или фильтрующего устройства в соответствии с изобретением, и получаются вторые отфильтрованные сигналы y_k. Затем определяются коэффициенты предсказания ₁, ₂,…, _k путем решения уравнения:

В этом уравнении (7) представляет собой вектор, содержащий коэффициенты предсказания: =[₁, ₂,…, _k]^t и Q является матрицей, а P – вектор, компоненты которого определяются следующим образом:

В этом уравнении (8) k и l равны или больше чем единица, но меньше или равны K, * определяет комплексное сопряжение. Для того чтобы предотвратить численные проблемы, связанные с обращением матриц, которое требуется для определения , может быть использована известная методика регуляризации, такая как добавление небольшой матрицы смещения I к матрице Q перед обращением, причем представляет собой малое число, I является единичной матрицей. Определение коэффициентов предсказания может осуществляться в любой момент времени n. Однако на практике коэффициенты могут быть определены на регулярных интервалах времени. С помощью процедур интерполяции коэффициенты предсказания затем могут быть определены для других моментов времени.

Кроме того, способ фильтрации в соответствии с изобретением может применяться в методе адаптивной дифференциальной импульсно-кодовой модуляции (ADPCM). Также фильтрующее устройство в соответствии с изобретением может использоваться в устройстве адаптивной дифференциальной импульсно-кодовой модуляции, как известно в технике, например из работы K.Sayood «Introduction to Data compression», 2^nd ed. Morgan Kaufmann 2000, chapter 10.5.

Также фильтрующее устройство или способ фильтрации в соответствии с изобретением могут применяться в кодировании речи, или аудиокодировании, или фильтрации.

Фильтрующие устройства в соответствии с изобретением могут использоваться в различных приборах, например в устройстве 20 для передачи данных, таком как радиопередатчик или маршрутизатор вычислительной сети, которое содержит устройство 21 для приема входного сигнала и передающее устройство 22, например антенну, для передачи закодированного сигнала, они могут быть обеспечены кодирующим устройством 1 с предсказанием в соответствии с изобретением, которое подсоединяется к устройству 21 для приема входного сигнала и передающему устройству 22, как показано на фиг.5. Такое устройство может передавать большое количество данных при использовании небольшой полосы пропускания, так как процесс кодирования сжимает данные.

В равной степени возможно использовать кодирующее устройство 1 с предсказанием, в соответствии с изобретением, в устройстве 30 для хранения данных, таком как программатор ППЗУ супер-аудио компакт-диска (SACD), программатор ППЗУ DVD, или устройстве записи для мини-дисков, для хранения данных в устройстве 31 для хранения данных, таком как SACD, DVD, компакт-диск или компьютерный жесткий диск. Такое устройство 30 содержит удерживающие приспособления 32 для устройства 31 для хранения данных, записывающее устройство 33 для записи данных в устройство 31 для хранения данных, устройство 34 для приема входного сигнала, например микрофон, и кодирующее устройство 1 с предсказанием, в соответствии с изобретением, которое подсоединяется к устройству 34 для приема входного сигнала и записывающему устройству 33, как показано на фигуре 6. Это устройство 30 для хранения данных способно сохранить больше данных в устройстве 31 для хранения данных, в то же время удается избежать недостатков известных устройств для хранения данных.

Также возможно создать устройство 40 для обработки данных, содержащее устройство 41 для приема входного сигнала, такое как DVD-rom плеер, и устройство 42 для обработки данных, с помощью декодера 11 для кодированных сигналов с предсказанием в соответствии с изобретением, как показано на фиг.7. Такое устройство 40 для обработки данных может быть компьютером или компьютерной приставкой к телевизору.

Также возможно создать аудиоустройство 50, такое как домашний стерео или многоканальный плеер, содержащее входное устройство 51 для данных, такое как аудио CD плеер, и выходное аудиоустройство 52, такое как громкоговоритель, с помощью декодера 11 для кодированных сигналов с предсказанием, в соответствии с изобретением, как показано на фиг.8. Аналогично, записывающее аудиоустройство 60, такое, как показано на фиг.9, содержащее входное аудиоустройство 61, такое как микрофон, и выходное устройство 62 для данных могут быть созданы с помощью кодера 11 с предсказанием, что позволяет записывать больше данных при использовании того же количества пространства для сохранения данных.

Кроме того, изобретение можно применять к данным, которые сохраняются в устройстве для хранения данных, подобном дискете 70, показанной на фиг.10, такое устройство для хранения данных может, например, также быть цифровым универсальным диском, или самим супер-аудио компакт-диском (SACD), или первым оригиналом, или матрицей для изготовления таких DVD или SACD.

Изобретение не ограничивается реализацией описанных примеров устройств, но также может применяться в других устройствах. В частности, изобретение не ограничивается физическими устройствами, но также может применяться в логических устройствах более абстрактного типа или в программном обеспечении, осуществляющем функции устройства. Кроме того, устройства могут быть физически распределены по ряду приборов, в то время как логически это рассматривается как отдельное устройство. Также устройства, логически рассматриваемые как отдельные устройства, могут быть объединены в отдельное физическое устройство. Например, буфер или устройство задержки могут быть физически объединены во вторые фильтрующие устройства, хотя логически могут рассматриваться как отдельное устройство, например, за счет реализации в каждом втором фильтрующем устройстве 132 в устройстве задержки фиг.1. Также устройство для обратной или синтезирующей фильтрации само может быть реализовано как отдельная интегральная схема.

Изобретение также может быть реализовано в компьютерной программе для расчетов в компьютерной системе, включающей, по крайней мере, кодовые части для осуществления стадий способа в соответствии с изобретением, или для того, чтобы дать возможность широко используемым компьютерным системам осуществлять функции фильтрующего устройства в соответствии с изобретением. Такая компьютерная программа может быть создана на носителе данных, таком как CD-rom или дискета, может храниться с данными, загружаемыми в память компьютерной системы, причем данные представляют собой компьютерную программу. Носитель данных, кроме того, может быть соединительным устройством для данных, таким как телефонный кабель, или беспроводным соединительным устройством, передающим сигналы, представляющие компьютерную программу, в соответствии с изобретением.

В приведенном выше описании изобретение было описано со ссылкой на конкретные варианты осуществления изобретения. Однако должно быть очевидным, что могут быть сделаны различные модификации и изменения без отступления от более широкой сути и объема изобретения, который определен прилагаемой формулой изобретения. Описания и чертежи должны рассматриваться, соответственно, как иллюстративные, а не как ограничивающие рамки изобретения.

Формула изобретения

1. Способ обратной фильтрации сигнала, содержащий, по меньшей мере фильтрацию (I-VI) входного сигнала х для формирования первого отфильтрованного сигнала комбинирование (VII) упомянутого первого отфильтрованного сигнала с упомянутым входным сигналом х для получения разностного сигнала, при этом этап фильтрации (I-VI) входного сигнала х для формирования (I-VI) первого отфильтрованного сигнала содержит этап получения по меньшей мере одного задержанного, усиленного и отфильтрованного сигнала, при этом этап получения содержит сохранение (I) сигнала х(n), относящегося к упомянутому входному сигналу х, в буфере (131); извлечение (II) из буфера (131) задержанного сигнала x(n-j), упомянутый задержанный сигнал x(n-j) был сохранен в буфере (131) до того, как упомянутый сигнал х(n) соотнесен с упомянутым входным сигналом х; фильтрацию сигнала u(n) для формирования (III-V), по меньшей мере, одного второго отфильтрованного сигнала y_k(n), причем фильтрация является стабильной – второй отфильтрованный сигнал у_k(n) является ограниченным по амплитуде для любого произвольно выбранного ограниченного по амплитуде сигнала u(n), и причинной – второй отфильтрованный сигнал у_k(n) является зависимым только от сигнала u(n) и/или предыдущих сигналов u(n-j); усиление, по меньшей мере, одного сигнала коэффициентом усиления _k, где коэффициент усиления _k является, по крайней мере, изменяющимся во времени или зависимым от входного сигнала; при этом способ также содержит получение (VI) упомянутого первого отфильтрованного сигнала основываясь, по меньшей мере, на упомянутом по меньшей мере одном задержанном, усиленном и отфильтрованном сигнале _kу_k.

2. Способ обратной фильтрации сигнала по п.1, по которому сохранение первого сигнала х(n), относящегося к входному сигналу х в буфере (131), и извлечение из буфера задержанного сигнала x(n-j) осуществляется перед упомянутой фильтрацией сигнала u(n) для формирования, по меньшей мере, одного второго отфильтрованного сигнала у_k(n), и упомянутый первый сигнал х(n) является входным сигналом х, упомянутый задержанный сигнал x(n-j) отфильтрован для формирования упомянутого, по меньшей мере, одного второго отфильтрованного сигнала y_k(n).

3. Способ обратной фильтрации сигнала по п.1, по которому сохранение первого сигнала х(n), относящегося к входному сигналу х в буфере (131), и извлечение из буфера задержанного сигнала x(n-j) осуществляется после фильтрации сигнала u(n) для формирования, по меньшей мере, одного второго отфильтрованного сигнала y_k(n), и упомянутый первый сигнал является упомянутым первым отфильтрованным сигналом упомянутый входной сигнал х отфильтрован для формирования упомянутого, по меньшей мере, одного второго отфильтрованного сигнала y_k(n).

4. Способ обратной фильтрации сигнала по п.1, по которому упомянутый задержанный сигнал x(n-j) непосредственно предшествует упомянутому сигналу х(n), относящемуся к упомянутому входному сигналу х.

5. Способ обратной фильтрации сигнала по п.1, в котором фильтрация входного сигнала х для формирования первого отфильтрованного сигнала содержит, по крайней мере, одну стадию нелинейной фильтрации.

6. Способ обратной фильтрации сигнала по п.1, по которому фильтрация сигнала u(n) для формирования, по крайней мере, одного второго отфильтрованного сигнала y_k(n) содержит, по крайней мере, одну стадию рекурсивной фильтрации.

7. Способ обратной фильтрации сигнала по п.1, который имеет частотно-временное разрешение, сравнимое с системой слуха человека.

8. Способ обратной фильтрации сигнала по п.6, по которому фильтрация сигнала u(n) для формирования, по крайней мере, одного второго отфильтрованного сигнала y_k(n) включает в себя, по крайней мере, одну стадию всечастотной фильтрации.

9. Способ обратной фильтрации сигнала по п.1, по которому фильтрация сигнала u(n) для формирования, по крайней мере, одного второго отфильтрованного сигнала у_k(n) включает в себя, по крайней мере, одну стадию фильтрации Лагерра.

10. Способ обратной фильтрации сигнала по п.1, по которому фильтрация сигнала u(n) для формирования, по крайней мере, одного второго отфильтрованного сигнала у_k(n) включает в себя, по крайней мере, одну стадию фильтрации Кауца.

11. Способ обратной фильтрации сигнала по п.1, по которому фильтрация сигнала u(n) для формирования, по крайней мере, одного второго отфильтрованного сигнала у_k(n) включает в себя стадию гамма-тон фильтрации.

12. Способ обратной фильтрации сигнала по п.1, по которому также осуществляют матричную операцию с, по крайней мере, одним из вторых отфильтрованных сигналов y_k(n), при этом комбинированная передаточная функция упомянутой фильтрации сигнала u(n) для формирования второго отфильтрованного сигнала y_k(n) и матричной операции осуществляется по математическому алгоритму

где Н_к(z) представляет комбинированную передаточную функцию вторых фильтров и матрицы; k представляет число стадий фильтрации;

c_kn представляет значение матричного элемента в положении k, n в матрице;

G_n(z) представляет передаточную функцию второго фильтра n для формирования второго отфильтрованного сигнала y_k(n).

13. Способ обратной фильтрации сигнала по п.1, по которому усиление, по крайней мере, одного сигнала содержит умножение, по крайней мере, одного из вторых отфильтрованных сигналов y_k(n) с использованием коэффициента предсказания _k, где коэффициент предсказания _k получается в соответствии со способом фильтрации с предсказанием.

14. Способ обратной фильтрации сигнала по п.1, по которому усиление, по крайней мере, одного сигнала содержит умножение, по крайней мере, одного из вторых отфильтрованных сигналов y_k(n) с использованием коэффициента предсказания _k, где коэффициент предсказания _k получается в соответствии с методом адаптивной дифференциальной импульсно-кодовой модуляции.

15. Способ синтезирующей фильтрации сигнала содержащий, по меньшей мере комбинирование (VIII) первого отфильтрованного сигнала с входным сигналом r для определения выходного сигнала х; фильтрацию упомянутого выходного сигнала для формирования (I-VI) первого отфильтрованного сигнала при этом этап фильтрации содержит этап получения по меньшей мере одного задержанного, усиленного и отфильтрованного сигнала, при этом этап получения содержит сохранение (I) первого сигнала х(n), относящегося к упомянутому входному сигналу r, в буфере (131); извлечение(II) из буфера (131) задержанного сигнала x(n-j), упомянутый задержанный сигнал x(n-j) был сохранен в буфере (131) до того, как упомянутый сигнал х(n) соотнесен с упомянутым входным сигналом r; фильтрацию сигнала u(n) для формирования (III-V), по меньшей мере, одного второго отфильтрованного сигнала y_k(n), причем генерация является стабильной – второй отфильтрованный сигнал y_k(n) является ограниченным по амплитуде для любого произвольно выбранного ограниченного по амплитуде сигнала u(n), и причинной – второй отфильтрованный сигнал y_k(n) является зависимым только от сигнала u(n) и/или предыдущих сигналов u(n-j); усиление, по крайней мере, одного сигнала коэффициентом усиления _k, где коэффициент усиления является, по крайней мере, изменяющимся во времени или зависимым от входного сигнала; при этом способ также содержит получение (VI) упомянутого отфильтрованного сигнала х, основываясь, по меньшей мере, на упомянутом по меньшей мере одном задержанном, усиленном и отфильтрованном сигнале _ky_k.

16. Устройство для обратной фильтрации сигнала, содержащее, по крайней мере порт (11) ввода для приема входного сигнала х; первое комбинирующее устройство (12), подсоединенное к порту ввода для вычисления разностного сигнала r путем комбинирования первого отфильтрованного сигнала с входным сигналом х; систему (13) фильтрации, подсоединенную к порту ввода и первому комбинирующему устройству (12) для фильтрации упомянутого входного сигнала х для формирования первого отфильтрованного сигнала и передачи упомянутого первого отфильтрованного сигнала на первое комбинирующее устройство (12); при этом для получения по меньшей мере одного задержанного, усиленного и отфильтрованного сигнала устройство для фильтрации сигнала также содержит порт (14) вывода, подсоединенный к первому комбинирующему устройству (12) для выведения разностного сигнала r, при этом система фильтрации (13) содержит буферное устройство (131) для хранения первого сигнала х(n), относящегося к упомянутому входному сигналу х, и извлечение задержанного сигнала x(n-j), упомянутый задержанный сигнал x(n-j) был сохранен в буфере (131) до того, как упомянутый сигнал х(n) соотнесен с упомянутым входным сигналом х; по меньшей мере, одно второе фильтрующее устройство (130, 132), коммуникативно подсоединенное к буферному устройству (131) и первому комбинирующему устройству (12), для фильтрации сигнала u(n) для формирования, по крайней мере, одного второго отфильтрованного сигнала y_k(n); причем фильтрующее устройство (130, 132) является стабильным – второй отфильтрованный сигнал y_k(n) является ограниченным по амплитуде для любого произвольно выбранного ограниченного по амплитуде сигнала u(n), и причинным – второй отфильтрованный сигнал y_k(n) является зависимым только от сигнала u(n) и/или предыдущих сигналов u(n-j); по крайней мере, один усилитель (133), имеющий коэффициент усиления _k, причем коэффициент усиления _k является, по крайней мере, изменяющимся во времени или зависимым от входного сигнала; при этом система фильтрации также содержит второе комбинирующее устройство (134), подсоединенное, по меньшей мере, к одному из усилителей (133), упомянутому буферному устройству и упомянутому второму фильтрующему устройству, для получения первого отфильтрованного сигнала из упомянутого, по меньшей мере, одного задержанного, усиленного и отфильтрованного сигнала _ky_k.

17. Устройство для синтезирующей фильтрации сигнала, содержащее, по меньшей мере порт (21) ввода для приема входного сигнала r; первое комбинирующее устройство (22) для комбинирования упомянутого входного сигнала r с первым отфильтрованным сигналом в результате чего получают выходной сигнал х; систему (23) фильтрации, подсоединенную к порту (21) ввода и первому комбинирующему устройству (22) для фильтрации выходного сигнала х для формирования первого отфильтрованного сигнала и передачи первого отфильтрованного сигнала на первое комбинирующее устройство (21); при этом устройство для фильтрации также содержит порт (22) вывода, подсоединенный к первому комбинирующему устройству (21) для вывода выходного сигнала х, при этом для получения по меньшей мере одного задержанного, усиленного и отфильтрованного сигнала система фильтрации также содержит буферное устройство (231) для хранения первого сигнала х(n) и извлечения задержанного сигнала x(n-j), упомянутый задержанный сигнал x(n-j) был сохранен в буфере (131) до того, как упомянутый сигнал х(n) соотнесен с упомянутым входным сигналом r; по меньшей мере, одно второе фильтрующее устройство (230, 232), коммуникативно подсоединенное к буферному устройству (231) и первому комбинирующему устройству (22), для фильтрации сигнала u(n) для формирования, по крайней мере, одного второго отфильтрованного сигнала y_k(n), причем второе фильтрующее устройство является стабильным – второй отфильтрованный сигнал y_k(n) является ограниченным по амплитуде для любого произвольно выбранного ограниченного по амплитуде сигнала u(n), и причинным – второй отфильтрованный сигнал у_k(n) является зависимым только от сигнала u(n) и/или предыдущих сигналов u(n-j); по меньшей мере, один усилитель (233), имеющий коэффициент усиления _k, причем коэффициент усиления _k является, по крайней мере, изменяющимся во времени или зависимым от входного сигнала; при этом система фильтрации также содержит второе комбинирующее устройство (234), упомянутое буферное устройство и упомянутое второе фильтрующее устройство, для получения первого отфильтрованного сигнала из упомянутого, по меньшей мере, одного задержанного, усиленного и отфильтрованного, сигнала _kу_k.

18. Устройство передачи данных, содержащее устройство для приема входного сигнала, передатчик для передачи отфильтрованного сигнала и устройство для обратной фильтрации сигнала по п.16, подсоединенное к приемнику входного сигнала и передатчику.

19. Устройство для хранения данных в запоминающем устройстве, содержащее удерживающие приспособления для запоминающего устройства, записывающее устройство для записи данных в запоминающее устройство, приемник входного сигнала и устройство для обратной фильтрации сигнала по п.16, подсоединенное к приемнику входного сигнала и записывающему устройству.

20. Устройство для обработки данных, содержащее приемник входного сигнала для приема входных данных, устройство для синтезирующей фильтрации сигнала по п.17, коммуникативно подсоединенное к приемнику входного сигнала для фильтрации упомянутых входных данных и вывода отфильтрованных входных данных, и средство для обработки упомянутых отфильтрованных входных данных.

21. Аудиовизуальное устройство, содержащее входное устройство для данных, устройство для синтезирующей фильтрации сигнала по п.17, подсоединенное своим входом к входному устройству для данных, и аудиовизуальное выходное устройство, подсоединенное своим входом к выходу устройства для синтезирующей фильтрации сигнала.

22. Аудиовизуальное записывающее устройство, содержащее аудиовизуальное входное устройство, устройство для обратной фильтрации сигнала по п.16, подсоединенное своим входом к выходу аудиовизуального входного устройства, и выходное устройство для данных, подсоединенное своим входом к выходу устройства для обратной фильтрации сигнала, при этом упомянутое выходное устройство для данных выполнено с возможностью соединения с запоминающим устройством, для хранения данных.

23. Система кодирования, содержащая кодер; декодер, коммуникативно подсоединенный к кодеру; при этом кодер содержит, по меньшей мере, одно устройство для обратной фильтрации сигнала по п.16 и декодер содержит, по меньшей мере, одно устройство для синтезирующей фильтрации сигнала по п.17.

РИСУНКИ