CN101179278B - 音响系统及其声音讯号编码的方法 - Google Patents

Abstract

一种音响系统及其声音讯号编码的方法，该声音讯号编码系统包含声音讯号输入端、输入缓冲单元、编码单元、输出缓冲单元及声音讯号输出端。编码单元更进一步包含辅助运算单元及主要运算单元。该系统以辅助运算单元来分担主要运算单元编码声音讯号的运算量，并且以调变滤波器排、快速傅立叶转换、改良式数字余弦转换及改良式数字正弦转换来运算声音讯号，以降低算法的复杂度、提升处理声音讯号的效率、降低整体时钟脉冲速率，以及节省电力的消耗。

Description

音响系统及其声音讯号编码的方法

技术领域

本发明涉及一种音响装置，特别是指一种音响系统及其声音讯号编码的方法。

背景技术

在传统的音响装置是以磁带作为录音媒体，然而磁带的体积大、不易保存、录音与放音的音质容易失真，且无法随机存取。

为了解决上述传统的音响装置的缺点，目前市面上已经发展出以数字媒体作为存取声音讯号的存取媒体，例如记忆卡、随身碟、光盘片等。利用数字储存媒体来存取声音讯号，在运算处理声音讯号上及存取声音讯号上，皆采用数字化的方式，对于存取数字音源所提供的声音讯号甚至可以达到不失真(不压缩)的录音及不失真的放音，或是极少失真(需经过压缩)的录音及极少失真的放音。此外，以数字储存媒体来存取声音讯号的音响装置可以拥有较长的录音时间，且在录音速度上，若是采用数字音源作为录音来源，只要数字音源可以高倍速播放，音响装置便可以达到高倍速录音。

然而，发展以数字储存媒体来存取声音讯号的音响装置，其实现声音讯号压缩的方式是一重要关键。一般而言，目前的音响装置皆以单一数字讯号微处理器(digital signal micro-processor)来作声音讯号压缩上的运算处理。当音响装置处理实时(real time)声音讯号压缩时，若是声音讯号输入速率高到超过数字讯号微处理器的处理数据量的极限，容易造成数据吞吐量不足的现象。

发明内容

本发明的目的是提供一种音响系统及其声音讯号编码的方法，该系统以辅助运算单元来分担主要运算单元编码声音讯号的运算量，并且以调变滤波器排、快速傅立叶转换、改良式数字余弦转换及改良式数字正弦转换来运算声音讯号，以进一步作编码的动作，如此一来，可以降低算法的复杂度、提升处理声音讯号的效率、降低整体时钟脉冲速率，以及节省电力的消耗。

根据本发明所提供的音响系统中，声音讯号编码系统包含声音讯号输入端、输入缓冲单元、编码单元、输出缓冲单元及声音讯号输出端。编码单元更进一步包含辅助运算单元及主要运算单元。

当声音讯号由声音讯号输入端输入至编码系统，且为数字讯号时，编码系统会先缓冲声音讯号的数据序列，然后再传送至编码单元中。接着，辅助运算单元会接收声音讯号，并利用具有运算规律性的余弦调变滤波器排、快速傅立叶转换、改良式数字余弦转换等，来分摊运算声音讯号，并将运算过程的状态及运算后的声音讯号传送至主要运算单元。主要运算单元则会接着将辅助运算单元输出的声音讯号作进一步的编码动作，并根据辅助运算单元运算声音讯号的状态，来提供控制讯号至辅助运算单元，使辅助运算单元可以再根据此控制讯号来做进一步的运算动作。最后，输出缓冲单元会缓冲编码单元输出的声音讯号，并传送至声音讯号输出端。

为达上述目的，本发明提供一种音响装置，用以将一声音讯号作录制、播放及转档的处理，其包含：一编码/译码单元，用以编码或译码该声音讯号，其中利用一余弦调变滤波器排、一快速傅立叶转换、一改良式数字余弦转换及一改良式数字正弦转换来加速运算处理该声音讯号，其中该快速傅立叶转换用以实现该余弦调变滤波器排；一数字模拟转换器，用以转换经该编码/译码单元译码后的该声音讯号；一数字储存媒体，用以储存该编码/译码单元所提供的经编码后的该声音讯号，或用以提供该声音讯号；以及一播放单元，用以放大并播放经该数字模拟转换器转换的该声音讯号。

为达上述目的，本发明还提供一种声音讯号编码的方法，其包含：输入一声音讯号至一声音讯号编码系统；利用一余弦调变滤波器排、一快速傅立叶转换、一改良式数字余弦转换及一改良式数字正弦转换来将该声音讯号分成多个子频带，其中该快速傅立叶转换用以实现该余弦调变滤波器排；根据将声音讯号分成这些子频带的状态，产生一控制讯号，并根据该控制讯号产生后续子频带；以及编码这些子频带。

通过上述技术特征，本发明所提供的优点在于，利用辅助运算单元来分担声音讯号编码系统中主要运算单元的运算量。

本发明所提供的另一优点在于，利用调变滤波器排、快速傅立叶转换、改良式数字余弦转换及改良式数字正弦转换来将声音讯号分成多个子频带，以进一步作编码的动作。

本发明所提供的再一优点在于，利用快速傅立叶转换来实现调变滤波器排。

本发明所提供的再一优点在于，利用改良式数字余弦转换及改良式数字正弦转换来辅助快速傅立叶转换来实现调变滤波器排。

本发明所提供的再一优点在于，利用主要运算单元运算量的分担，可以提升处理声音讯号的效率、降低整体时钟脉冲速率，以及节省电力的消耗。

附图说明

图1为本发明内容的音响系统的方块示意图；

图2为本发明内容的编码/译码单元的声音讯号编码系统的方块示意图；

图3为本发明内容的声音讯号的编码流程图；

图4为本发明内容的以余弦调变滤波器排实现声音讯号编码的流程图；

图5为本发明内容的以快速傅立叶转换来实现余弦调变滤波器排的流程图。

图中符号说明

编码/译码单元   10

声音讯号输入端  110

输入缓冲单元    120

编码单元        130

辅助运算单元    131

主要运算单元    133

输出缓冲单元    140

声音讯号输出端  150

模拟数字转换器  20

数字模拟转换器  30

数字储存媒体    40

播放单元        50

具体实施方式

请参考图1所示，用以说明本发明所提供的音响装置的系统架构，其中图1为本发明内容的音响装置的方块示意图。本发明的音响装置1包含一编码/译码单元(encoding/decoding unit)10、一模拟数字转换器(analogy-to-digital converter，ADC)20、一数字模拟转换器30(digital-to-analogy converter，DAC)、一数字储存媒体40及一播放单元50。

假设输入至音响装置1的声音讯号X为数字讯号，音响装置1会利用编码/译码单元10直接将声音讯号X编码，最后储存至数字储存媒体40，或再经由数字模拟转换器30转换成模拟讯号后，由播放单元50放大并输出。假设输入至音响装置1的声音讯号X为模拟讯号，则音响装置1会先利用模拟数字转换器20将声音讯号X转换成数字讯号，再传送至编码/译码单元10作编码动作，最后，将编码后的声音讯号X储存至数字储存媒体40，或再经由数字模拟转换器30转换成模拟讯号后，由播放单元50放大并输出。

当欲播放储存在数字储存媒体40中的声音讯号X时，音响装置1会直接将声音讯号X由数字储存媒体40中撷取出来，经由编码/译码单元10译码后，再经由数字模拟转换器30将数字形式的声音讯号X转换成模拟讯号，最后再由播放单元50将声音讯号X放大并播放出来。

因此，由上述可知，此数字储存媒体40可以是光盘片等，但本发明并不受限于此，凡可以达到将声音讯号X以数字格式储存的储存媒体，皆为本发明的范围。

本发明进一步提出上述编码/译码单元10内之一编码系统来说明，以辅助运算单元辅助数字讯号处理的编码架构，如图2所示，为本发明内容的编码/译码单元的声音讯号编码系统的方块示意图。声音讯号编码系统包含一声音讯号输入端110、一输入缓冲单元(input buffer)120、一编码单元130、一输出缓冲单元(output buffer)140及一声音讯号输出端150。编码单元130更进一步包含一辅助运算单元(auxiliaryoperating unit)131及一主要运算单元(major operating unit)133。

声音讯号输入端110通过输入缓冲单元120，连接于编码单元130中的辅助运算单元131。编码单元130中的主要运算单元133则通过输出缓冲单元140连接于声音讯号输出端150。辅助运算单元131主要用以辅助主要运算单元133作运算，分担主要运算单元133运算处理声音讯号X的运算量(computon)。而主要运算单元133主要用来编码声音讯号X，并根据辅助运算单元131运算声音讯号X的状态来提供控制讯号给辅助运算单元131作进一步的运算。

请参考图3所示，为本发明内容的声音讯号的编码流程图。当声音讯号X由声音讯号输入端110输入至编码/译码单元10中的编码系统，且为数字讯号时，如步骤S310，编码系统会先缓冲声音讯号X的数据序列，如步骤S320，然后再传送至编码单元130中。

编码单元130中的辅助运算单元131会接收声音讯号X，并利用具有运算规律性的余弦调变滤波器排(cosine modulated filter bank)、快速傅立叶转换(fast fourier transform，FFT)、改良式数字余弦转换(modified digital cosine transform，MDCT)等，来分摊运算声音讯号X，并将运算过程的状态及运算后的声音讯号X传送至主要运算单元133，如步骤S330。

主要运算单元133则会接着将辅助运算单元131输出的声音讯号X作进一步的编码动作，并根据辅助运算单元131运算声音讯号X的状态，来提供控制讯号至辅助运算单元131，使辅助运算单元131可以再根据此控制讯号来作进一步的运算动作，如步骤S340。最后，输出缓冲单元140会缓冲编码单元130输出的声音讯号X，如步骤S350，并传送至声音讯号输出端150来输出，如步骤S360。

因此，由上述可知，此主要运算单元133可以为数字讯号处理器(digital signal processing，DSP)等，而辅助运算单元131可以利用程序设计而成的虚拟装置，但本发明并不受限于此，凡可以达到处理运算声音讯号X的机制，皆为本发明的范围。

为了更进一步阐述本发明的编码方法，本发明提出一种利用余弦调变滤波器排来实现声音讯号X编码中声音讯号X压缩的动作，如图4所示，为本发明内容的以余弦调变滤波器排实现声音讯号编码的流程图。

当声音讯号X输入至图3中的编码单元130时，由于声音讯号X具有多个输出点，因此首先将声音讯号X的输出点分成多个数据向量，分别为X[1]至X[N]，如步骤S410。

接着，将这些声音讯号X的数据向量X[1]至X[N]分别利用改良式余弦转换(MDCT)及改良式正弦转换(modified digital sine transform，MDST)来分析，以产生余弦转换函数Y1及正弦转换函数Y2，如步骤S420。

当编码单元130完成将这些声音讯号X的数据向量X[1]至X[N]转换成余弦转换函数Y1及正弦转换函数Y2后，再一次利用第一对照表使余弦转换函数Y1产生向量倍增的效果，以产生余弦倍增函数W1，以及利用第二对照表使正弦转换函数Y2产生向量倍增的效果，以产生正弦倍增函数W2，如步骤S430。其中，第一对照表为一正弦函数的对照表，第二对照表为一余弦函数的对照表，而余弦倍增函数W1为余弦转换函数Y1与第一对照表的相乘，可视为一矩阵函数，正弦倍增函数W2则为正弦转换函数Y2与第二对照表的相乘，亦可视为一矩阵函数。

最后，再将余弦倍增函数W1与正弦倍增函数W2相加，产生调变函数Z，如步骤S440，以进一步输出至主要运算单元133执行编码动作，如步骤S450。由于余弦倍增函数W1与正弦倍增函数W2皆为矩阵函数，因此调变函数Z亦为矩阵函数，且为余弦倍增函数W1与正弦倍增函数W2的整合，可以分成多个频带向量Z[1]至Z[N]。

为了更进一步阐述本发明中，改良式余弦转换及改良式正弦转换将数据讯号X分解成余弦转换函数Y1及正弦转换函数Y2的步骤，本发明提出一种利用快速傅立叶转换来实现余弦调变滤波器排的动作，如图5所示，其为本发明内容的以快速傅立叶转换来实现余弦调变滤波器排的流程图。

首先，将输入至图2的编码单元130内的数据讯号X的输出点重新排序，亦即将数据讯号X的数据向量X[1]至X[N]中的输出点重新排序，如步骤S510。将数据讯号X的输出点排序如下：

$f\left(k\right)\≡\left\{\begin{array}{cc}-f(k+\frac{3}{4}N)& 0\≤k\≤\frac{N}{4}-1\\ f(k-\frac{1}{4}N)& \frac{N}{4}\≤k\≤N-1\end{array}\right.$

且

$F\left(i\right)=\underset{k=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}\tilde{f}\left(k\right)\·\sin \left[\frac{\mathrm{\π}}{2N}(2i+1)(2k+1)\right],$ $i=0,...,\frac{N}{2}-1,$

其中，k代表数据讯号X的第k个输出点，N代表数据讯号X的N个数据向量，I代表数据讯号X的第i个数据向量，而F(i)为f(k)的傅立叶转换公式。

利用变量变换使F(2i+1)＝F(N-2i-2)，并且合并数据讯号X的输出点，以产生复数函数f1及f2，如步骤S520。

$f1=(\tilde{f}\left(2k\right)-\tilde{f}(N-2k-1))+j\·(\tilde{f}(\frac{N}{2}+2k)-\tilde{f}(\frac{N}{2}-2k-1)),$ $0\≤k\≤\frac{N}{4}-1,$

$f2=(\tilde{f}\left(2k\right)+\tilde{f}(N-2k-1))+j\·(\tilde{f}(\frac{N}{2}+2k)+\tilde{f}(\frac{N}{2}-2k-1)),$ $0\≤k\≤\frac{N}{4}-1,$

其中，f1为偶函数的复数函数，f2为奇函数的复数函数。

旋转

并取复数函数f1、f2的共轭复数，形成共轭函数f1^*及f2^*，如步骤S530。

${f1}^{*}\left(k\right)=f1\·e^{\frac{2\mathrm{\πj}}{N}(k+\frac{1}{8})}$

${f2}^{*}\left(k\right)=f2\·e^{\frac{2\mathrm{\πj}}{N}(k+\frac{1}{8})}$

利用快速傅立叶转换来作运算，产生转移函数F1、F2，如步骤S540。

F_i＝(FFT(f^*))^*

再一次取共轭复数并旋转

产生还原转移函数F1^*、F2^*，如步骤S550。

$F^{*}\left(i\right)=F\left(i\right)\·e^{\frac{2\mathrm{\πj}}{N}(i+\frac{1}{8})}$

排序计算结果，产生余弦转换函数Y1及正弦转换函数Y2，如步骤S560。

$Y1\left\{\begin{array}{c}F\left(2i\right)=\mathrm{Re}\left(\tilde{F}\left(i\right)\right)\\ F(2i+1)=\mathrm{Im}\left(\tilde{F}(\frac{N}{4}-i-1)\right)\end{array}\right.,m=0~\frac{N}{4}-1,$

$Y2\left\{\begin{array}{c}F\left(2i\right)=\mathrm{Im}\left(\tilde{F}\left(i\right)\right)\\ F(2i+1)=\mathrm{Re}\left(\tilde{F}(\frac{N}{4}-i-1)\right)\end{array}\right.,m=0~\frac{N}{4}-1,$

由上述可知，藉由利用快速傅立叶转换来实现余弦调变滤波器排，当声音讯号X的子频带数量增加，而导致运算量大幅增加时，本发明内容的声音讯号编码系统可以降低运算声音讯号X所应用到的算法的复杂度，除此之外，因为运算量的分担，可以提升处理声音讯号的效率、降低整体时钟脉冲速率，以及节省电力的消耗。

所示附图仅提供参考与说明用，并非用来对本发明加以限制。以上所述，仅为本发明的较佳可行实施例，非因此即局限本发明的专利范围，故举凡运用本发明说明书及图标内容所为的等效结构变化，均同理包含于本发明的范围内，合予陈明。

Claims (14)

1.一种音响装置，用以将一声音讯号作录制、播放及转档的处理，其特征在于，包含：

一编码/译码单元，用以编码或译码该声音讯号，其中利用一余弦调变滤波器排、一快速傅立叶转换、一改良式数字余弦转换及一改良式数字正弦转换来加速运算处理该声音讯号，其中该快速傅立叶转换用以实现该余弦调变滤波器排；

一数字模拟转换器，用以转换经该编码/译码单元译码后的该声音讯号；

一数字储存媒体，用以储存该编码/译码单元所提供的经编码后的该声音讯号，或用以提供该声音讯号；以及

一播放单元，用以放大并播放经该数字模拟转换器转换的该声音讯号。

2.如权利要求1所述的音响装置，其特征在于，该声音讯号为一数字讯号。

3.如权利要求1所述的音响装置，其特征在于，进一步包含一模拟数字转换器，用以转换一模拟讯号以产生该声音讯号。

4.如权利要求1所述的音响装置，其特征在于，该编码/译码单元包含：

一辅助运算单元，用以接收该声音讯号，并将该声音讯号作初步运算，以产生一状态讯号；以及

一主要运算单元，用以根据该状态讯号来提供一控制讯号至该辅助运算单元，并且将经初步运算后的该声音讯号作编码动作；

其中，该辅助运算单元在接收到该控制讯号后，便依据该控制讯号将该声音讯号作更进一步的运算动作。

5.如权利要求4所述的音响装置，其特征在于，该编码/译码单元还进一步包含：

一输入缓冲单元，用以缓冲该声音讯号，来进一步作运算及编码动作；以及

一输出缓冲单元，用以缓冲该主要运算单元所提供的该声音讯号，以进一步作输出动作。

6.如权利要求1所述的音响装置，其特征在于，该数字储存媒体为一光盘片、一内建记忆装置或一外接记忆装置。

7.如权利要求4所述的音响装置，其特征在于，该辅助运算单元在接收到该声音讯号后，即利用该余弦调变滤波器排、该快速傅立叶转换、该改良式数字余弦转换及该改良式数字正弦转换，将该声音讯号分成多个子频带，以产生该状态讯号，并根据该控制讯号来产生后续的状态讯号；而该主要运算单元接收从该辅助运算单元传送而来的该状态讯号以及经初步运算后的该声音讯号，并根据该状态讯号，产生该控制讯号回传至该辅助运算单元，且编码这些子频带。

8.如权利要求7所述的音响装置，其特征在于，该辅助运算单元将该声音讯号分成该些子频带，利用该改良式数字余弦转换及该改良式数字正弦转换，来分析该声音讯号，以产生一余弦转换函数及一正弦转换函数并根据一第一对照表及一第二对照表，分别计算该余弦转换函数及该正弦转换函数，以产生一余弦倍增函数及一正弦倍增函数再整合该余弦倍增函数及该正弦倍增函数，以将该声音讯号分成这些子频带。

9.如权利要求8所述的音响装置，其特征在于，该辅助运算单元产生该余弦转换函数及该正弦转换函数，通过重新配置该声音讯号的多个输出点，并利用该改良式数字余弦转换及该改良式数字正弦转换，来合并这些输出点，以产生多个复数函数；然后该辅助运算单元分别于旋转这些复数函数后，取这些复数函数的共轭复数，以形成多个共轭函数，并利用该快速傅立叶转换，来运算这些共轭函数，以产生这些共轭函数所相对应的转移函数；接着该辅助运算单元取这些转移函数的共轭复数后，旋转这些转移函数的共轭复数，以产生多个还原转移函数；该辅助运算单元再排序这些还原转移函数，以产生该余弦转移函数及该正弦转移函数。

10.如权利要求8所述的音响装置，其特征在于，该第一对照表为一正弦函数对照表，而该第二对照表为一余弦函数对照表。

11.一种声音讯号编码的方法，其特征在于，包含：

输入一声音讯号至一声音讯号编码系统；

利用一余弦调变滤波器排、一快速傅立叶转换、一改良式数字余弦转换及一改良式数字正弦转换来将该声音讯号分成多个子频带，其中该快速傅立叶转换用以实现该余弦调变滤波器排；

根据将声音讯号分成这些子频带的状态，产生一控制讯号，并根据该控制讯号产生后续子频带；以及

编码这些子频带。

12.如权利要求11所述的声音讯号编码的方法，其特征在于，将该声音讯号分成这些子频带的步骤，包含：

利用该改良式数字余弦转换及该改良式数字正弦转换，来分析该声音讯号，以产生一余弦转换函数及一正弦转换函数；

根据一第一对照表及一第二对照表，分别计算该余弦转换函数及该正弦转换函数，以产生一余弦倍增函数及一正弦倍增函数；

整合该余弦倍增函数及该正弦倍增函数，以产生这些子频带。

13.如权利要求12所述的声音讯号编码的方法，其特征在于，产生该余弦转换函数及该正弦转换函数的步骤，包含：

重新配置该声音讯号的多个输出点；

利用该改良式数字余弦转换及该改良式数字正弦转换，来合并这些输出点，以产生多个复数函数；

分别于旋转这些复数函数后，取共轭复数，以形成多个共轭函数；

利用该快速傅立叶转换，来运算这些共轭函数，以产生这些共轭函数所相对应的转移函数；

取这些转移函数的共轭复数后，旋转这些共轭复数，以产生多个还原转移函数；以及

排序这些还原转移函数，以产生该余弦转移函数及该正弦转移函数。

14.如权利要求12所述的声音讯号编码的方法，其特征在于，该第一对照表为一正弦函数对照表，而该第二对照表为一余弦函数对照表。

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