音響系統及其聲音訊號編碼的方法

2023-06-05 22:27:41

專利名稱：音響系統及其聲音訊號編碼的方法
技術領域：
本發明涉及一種音響裝置，特別是指一種音響系統及其聲音訊號 編碼的方法。
背景技術：
在傳統的音響裝置是以磁帶作為錄音媒體，然而磁帶的體積大、 不易保存、錄音與放音的音質容易失真，且無法隨機存取。
為了解決上述傳統的音響裝置的缺點，目前市面上已經發展出以 數字媒體作為存取聲音訊號的存取媒體，例如記憶卡、隨身碟、光碟
片等。利用數字儲存媒體來存取聲音訊號，在運算處理聲音訊號上及 存取聲音訊號上，皆採用數位化的方式，對於存取數字音源所提供的 聲音訊號甚至可以達到不失真(不壓縮)的錄音及不失真的放音，或 是極少失真(需經過壓縮)的錄音及極少失真的放音。此外，以數字 儲存媒體來存取聲音訊號的音響裝置可以擁有較長的錄音時間，且在 錄音速度上，若是採用數字音源作為錄音來源，只要數字音源可以高 倍速播放，音響裝置便可以達到高倍速錄音。
然而，發展以數字儲存媒體來存取聲音訊號的音響裝置，其實現 聲音訊號壓縮的方式是一重要關鍵。 一般而言，目前的音響裝置皆以 單一數字訊號微處理器(digital signal micro-processor)來作聲音訊號 壓縮上的運算處理。當音響裝置處理實時(real time)聲音訊號壓縮時， 若是聲音訊號輸入速率高到超過數字訊號微處理器的處理數據量的極 限，容易造成數據吞吐量不足的現象。

發明內容
本發明的目的是提供一種音響系統及其聲音訊號編碼的方法，該 系統以輔助運算單元來分擔主要運算單元編碼聲音訊號的運算量，並 且以調變濾波器排、快速傅立葉轉換、改良式數字餘弦轉換及改良式 數字正弦轉換來運算聲音訊號，以進一步作編碼的動作，如此一來， 可以降低算法的複雜度、提升處理聲音訊號的效率、降低整體時鐘脈 衝速率，以及節省電力的消耗。
根據本發明所提供的音響系統中，聲音訊號編碼系統包含聲音訊 號輸入端、輸入緩衝單元、編碼單元、輸出緩衝單元及聲音訊號輸出 端。編碼單元更進一步包含輔助運算單元及主要運算單元。
當聲音訊號由聲音訊號輸入端輸入至編碼系統，且為數字訊號時， 編碼系統會先緩衝聲音訊號的數據序列，然後再傳送至編碼單元中。 接著，輔助運算單元會接收聲音訊號，並利用具有運算規律性的餘弦 濾波器排、快速傅立葉轉換、改良式數字餘弦轉換等，來分攤運算聲 音訊號，並將運算過程的狀態及運算後的聲音訊號傳送至主要運算單 元。主要運算單元則會接著將輔助運算單元輸出的聲音訊號作進一步 的編碼動作，並根據輔助運算單元運算聲音訊號的狀態，來提供控制 訊號至輔助運算單元，使輔助運算單元可以再根據此控制訊號來做進 一步的運算動作。最後，輸出緩衝單元會緩衝編碼單元輸出的聲音訊 號，並傳送至聲音訊號輸出端。
通過上述技術特徵，本發明所提供的優點在於，利用輔助運算單 元來分擔聲音訊號編碼系統中主要運算單元的運算量。
本發明所提供的另一優點在於，利用調變濾波器排、快速傅立葉 轉換、改良式數字餘弦轉換及改良式數字正弦轉換來將聲音訊號分成 多個子頻帶，以進一步作編碼的動作。
本發明所提供的再一優點在於，利用快速傅立葉轉換來實現調變
濾波器排。
本發明所提供的再一優點在於，利用改良式數字餘弦轉換及改良 式數字正弦轉換來輔助快速傅立葉轉換來實現調變濾波器排。
本發明所提供的再一優點在於，利用主要運算單元運算量的分擔， 可以提升處理聲音訊號的效率、降低整體時鐘脈衝速率，以及節省電
力的消耗。


圖1為本發明內容的音響系統的方塊示意圖2為本發明內容的編碼/解碼單元的聲音訊號編碼系統的方塊示
意圖3為本發明內容的聲音訊號的編碼流程圖4為本發明內容的以餘弦調變濾波器排實現聲音訊號編碼的流
程圖5為本發明內容的以快速傅立葉轉換來實現餘弦調變濾波器排 的流程圖。
圖中符號說明
編碼/解碼單元10
聲音訊號輸入端110
輸入緩衝單元120
編碼單元130
輔助運算單元131
主要運算單元133
輸出緩衝單元140
聲音訊號輸出端150
模擬數字轉換器20
數字模擬轉換器30
數字儲存媒體 40 播放單元 50
具體實施例方式
請參考圖l所示，用以說明本發明所提供的音響裝置的系統架構， 其中圖1為本發明內容的音響裝置的方塊示意圖。本發明的音響裝置1
包含一編碼/解碼單元(encoding/decoding unit) 10、 一模擬數字轉換器 (analogy-to-digital converter, ADC ) 20 、 一數字模擬轉換器30 (digital-to-analogy converter, DAC)、 一數字儲存媒體40及一播放單元50。
假設輸入至音響裝置1的聲音訊號X為數字訊號，音響裝置1會 利用編碼/解碼單元10直接將聲音訊號X編碼，最後儲存至數字儲存 媒體40，或再經由數字模擬轉換器30轉換成模擬訊號後，由播放單元 50放大並輸出。假設輸入至音響裝置1的聲音訊號X為模擬訊號，則 音響裝置1會先利用模擬數字轉換器20將聲音訊號X轉換成數字訊 號，再傳送至編碼/解碼單元10作編碼動作，最後，將編碼後的聲音訊 號X儲存至數字儲存媒體40，或再經由數字模擬轉換器30轉換成模 擬訊號後，由播放單元50放大並輸出。
當欲播放儲存在數字儲存媒體40中的聲音訊號X時，音響裝置1 會直接將聲音訊號X由數字儲存媒體40中擷取出來，經由編碼/解碼 單元10解碼後，再經由數字模擬轉換器30將數字形式的聲音訊號X 轉換成模擬訊號，最後再由播放單元50將聲音訊號X放大並播放出來。
因此，由上述可知，此數字儲存媒體40可以是光碟片等，但本發 明並不受限於此，凡可以達到將聲音訊號X以數字格式儲存的儲存媒 體，皆為本發明的範圍。
本發明進一步提出上述編碼/解碼單元10內之一編碼系統來說明，
以輔助運算單元輔助數字訊號處理的編碼架構，如圖2所示，為本發 明內容的編碼/解碼單元的聲音訊號編碼系統的方塊示意圖。聲音訊號 編碼系統包含一聲音訊號輸入端110、 一輸入緩衝單元(inputbuffer) 120、 一編碼單元130、 一輸出緩衝單元(output buffer) 140及一聲音 訊號輸出端150。編碼單元130更進一步包含一輔助運算單元(auxiliary operating unit) 131及一主要運算單元(major operating unit) 133。
聲音訊號輸入端IIO通過輸入緩衝單元120，連接於編碼單元130 中的輔助運算單元131。編碼單元130中的主要運算單元133則通過輸 出緩衝單元140連接於聲音訊號輸出端150。輔助運算單元131主要用 以輔助主要運算單元133作運算，分擔主要運算單元133運算處理聲 音訊號X的運算量(computon)。而主要運算單元133主要用來編碼聲 音訊號X，並根據輔助運算單元131運算聲音訊號X的狀態來提供控 制訊號給輔助運算單元131作進一步的運算。
請參考圖3所示，為本發明內容的聲音訊號的編碼流程圖。當聲 音訊號X由聲音訊號輸入端110輸入至編碼/解碼單元10中的編碼系 統，且為數字訊號時，如步驟S310，編碼系統會先緩衝聲音訊號X的 數據序列，如步驟S320，然後再傳送至編碼單元130中。
編碼單元130中的輔助運算單元131會接收聲音訊號X，並利用 具有運算規律性的餘弦濾波器排(cosine modulated filter bank)、快速 傅立葉轉換(fast fourier transform, FFT)、改良式數字餘弦轉換 (modified digital cosine transform, MDCT)等，來分攤運算聲音訊號X， 並將運算過程的狀態及運算後的聲音訊號X傳送至主要運算單元133， 如步驟S330。
主要運算單元133則會接著將輔助運算單元131輸出的聲音訊號 X作進一步的編碼動作，並根據輔助運算單元131運算聲音訊號X的 狀態，來提供控制訊號至輔助運算單元131，使輔助運算單元131可以
再根據此控制訊號來作進一步的運算動作，如步驟S340。最後，輸出
緩衝單元140會緩衝編碼單元130輸出的聲音訊號X，如步驟S350, 並傳送至聲音訊號輸出端150來輸出，如步驟S360。
因此，由上述可知，此主要運算單元133可以為數字訊號處理器 (digital signal processing, DSP)等，而輔助運算單元131可以利用程 序設計而成的虛擬裝置，但本發明並不受限於此，凡可以達到處理運 算聲音訊號X的機制，皆為本發明的範圍。
為了更進一步闡述本發明的編碼方法，本發明提出一種利用餘弦 調變濾波器排來實現聲音訊號X編碼中聲音訊號X壓縮的動作，如圖 4所示，為本發明內容的以餘弦調變濾波器排實現聲音訊號編碼的流程 圖。
當聲音訊號X輸入至圖3中的編碼單元130時，由於聲音訊號X 具有多個輸出點，因此首先將聲音訊號X的輸出點分成多個數據向量， 分別為X[l]至X[N]，如步驟S410。
接著，將這些聲音訊號X的數據向量X[l]至X[N]分別利用改良式 餘弦轉換(MDCT)及改良式正弦轉換(modified digital sine transform, MDST)來分析，以產生餘弦轉換函數Yl及正弦轉換函數Y2，如步驟 S420。
當編碼單元130完成將這些聲音訊號X的數據向量X[l]至X[N] 轉換成餘弦轉換函數Yl及正弦轉換函數Y2後，再一次利用第一對照 表使餘弦轉換函數Yl產生向量倍增的效果，以產生餘弦倍增函數Wl， 以及利用第二對照表使正弦轉換函數Y2產生向量倍增的效果，以產生 正弦倍增函數W2，如步驟S430。其中，第一對照表為一正弦函數的 對照表，第二對照表為一餘弦函數的對照表，而餘弦倍增函數Wl為餘 弦轉換函數Yl與第一對照表的相乘，可視為一矩陣函數，正弦倍增函
數W2則為正弦轉換函數Y2與第二對照表的相乘，亦可視為一矩陣函數。
最後，再將餘弦倍增函數Wl與正弦倍增函數W2相加，產生調 變函數Z，如步驟S440，以進一步輸出至主要運算單元133.執行編碼 動作，如步驟S450。由於餘弦倍增函數Wl與正弦倍增函數W2皆為 矩陣函數，因此調變函數Z亦為矩陣函數，且為餘弦倍增函數W1與 正弦倍增函數W2的整合，可以分成多個頻帶向量Z[l]至Z[N]。
為了更進一步闡述本發明中，改良式餘弦轉換及改良式正弦轉換 將數據訊號X分解成餘弦轉換函數Yl及正弦轉換函數Y2的步驟，本 發明提出一種利用快速傅立葉轉換來實現餘弦調變濾波器排的動作， 如圖5所示，其為本發明內容的以快速傅立葉轉換來實現餘弦調變濾 波器排的流程圖。
首先，將輸入至圖2的編碼單元130內的數據訊號X的輸出點重 新排序，亦即將數據訊號X的數據向量X[l]至X[N]中的輸出點重新排 序，如步驟S510。將數據訊號X的輸出點排序如下
且formula see original document page 14
其中，k代表數據訊號X的第k個輸出點，N代表數據訊號X的N個 數據向量，I代表數據訊號X的第i個數據向量，而F(i)為f(k)的傅立
葉轉換公式。
利用變量變換使F(2i+l)=F(N-2i-2)，並且合併數據訊號X的輸出 點，以產生複數函數fl及f2，如步驟S520。TV
，— — 1 4
/1 = (7(2*) - 7(W - 2".《+ 2" _ - 2" 1)
、2 2
/2 = (7(2" + 7(mi))+_7 + 2" + /(^ —2"1))， 0"^-l,
V2 2 乂 4
其中，fl為偶函數的複數函數，f2為奇函數的複數函數。
^ 丄
旋轉ei'^並取複數函數fl、 f2的共軛複數，形成共軛函數f" 及f2*，如步驟S530。
利用快速傅立葉轉換來作運算，產生轉移函數Fl、 F2，如步驟
S540。
巧=，/ )
2巧「丄
再一次取共軛複數並旋轉el'^ ，產生還原轉移函數F卩、F2*， 如步驟S550。
F'(/) = F(!')-en
排序計算結果，產生餘弦轉換函數Yl及正弦轉換函數Y2，如步 驟S560。
72
F(2z〕 = Re W ，+ l) = Im( P([/-1)
' ，)-Im(,)
屍(2"1)-Re(
、 4
，w = 0---1 ，
4
，w = 0---1 ，
4
由上述可知，藉由利用快速傅立葉轉換來實現餘弦調變濾波器排， 當聲音訊號X的子頻帶數量增加，而導致運算量大幅增加時，本發明 內容的聲音訊號編碼系統可以降低運算聲音訊號X所應用到的算法的複雜度，除此之外，因為運算量的分擔，可以提升處理聲音訊號的效 率、降低整體時鐘脈衝速率，以及節省電力的消耗。
所示附圖僅提供參考與說明用，並非用來對本發明加以限制。以 上所述，僅為本發明的較佳可行實施例，非因此即局限本發明的專利 範圍，故舉凡運用本發明說明書及圖標內容所為的等效結構變化，均 同理包含於本發明的範圍內，合予陳明。
權利要求
1.一種聲音訊號編碼系統，其特徵在於包含一聲音訊號輸入端；一輔助運算單元，用以接收該聲音訊號輸入端所提供之一聲音訊號，並根據一控制訊號，將該聲音訊號作初步運算，以產生一狀態訊號；一主要運算單元，用以根據該狀態訊號來提供該控制訊號，並且將經初步運算後的該聲音訊號作編碼動作；以及一聲音訊號輸出端，用以將該編碼後的該聲音訊號輸出至一後段裝置。
2. 如權利要求l所述的聲音訊號編碼系統，其特徵在於更進一步 包含一輸入緩衝單元，用以緩衝該聲音訊號輸入端所提供的該聲音訊 號，來進一步作運算及編碼動作；以及一輸出緩衝單元，用以緩衝該主要運算單元所提供的該聲音訊號， 以進一步作輸出動作。
3. 如權利要求1所述的聲音訊號編碼系統，其特徵在於該輔助運 算單元為一虛擬的運算處理器。
4. 如權利要求l所述的聲音訊號編碼系統，其特徵在於該主要運 算單元為一數字訊號編碼裝置。
5. 如權利要求l所述的聲音訊號編碼系統，其特徵在於該輔助運 算單元利用一調變濾波器排、 一快速傅立葉轉換、 一改良式數字餘弦 轉換及一改良式數字正弦轉換來運算該聲音訊號。
6. 如權利要求5所述的聲音訊號編碼系統，其特徵在於該聲音訊 號編碼系統編碼該聲音訊號的步驟，包含 輸入該聲音訊號至該輔助運算單元；根據一控制訊號，利用該調變濾波器排、該快速傅立葉轉換、該 改良式數字餘弦轉換及該改良式數字正弦轉換，將該聲音訊號分成多 個子頻帶，並產生該狀態訊號至該主要運算單元；根據將該狀態訊號，產生該控制訊號；以及編碼這些子頻帶。
7. 如權利要求6所述的聲音訊號編碼系統，其特徵在於，該快速 傅立葉轉換用以實現該調變濾波器排。
8. 如權利要求6所述的聲音訊號編碼系統，其特徵在於，該輔助 運算單元將該聲音訊號分成這些子頻帶的步驟，包含利用該改良式數字餘弦轉換及該改良式數字正弦轉換，來分析該 聲音訊號，以產生一餘弦轉換函數及一正弦轉換函數；根據一第一對照表及一第二對照表，分別計算該餘弦轉換函數及 該正弦轉換函數，以產生一餘弦倍增函數及一正弦倍增函數；整合該餘弦倍增函數及該正弦倍增函數，以產生這些子頻帶。
9. 如權利要求8所述的聲音訊號編碼系統，其特徵在於，產生該 餘弦轉換函數及該正弦轉換函數的步驟，包含重新配置該聲音訊號的多個輸出點；利用該改良式數字餘弦轉換及該改良式數字正弦轉換，來合併這 些輸出點，以產生多個複數函數；分別於旋轉這些複數函數後，取共軛複數，以形成多個共軛函數;利用該快速傅立葉轉換，來運算這些共軛函數，以產生這些共軛 函數所相對應的轉移函數；取這些轉移函數的共軛複數後，旋轉這些共軛複數，以產生多個 還原轉移函數；排序這些還原轉移函數，以產生該餘弦轉移函數及該正弦轉移函數。
10. 如權利要求8所述的聲音訊號編碼系統，其特徵在於，該第 一對照表為一正弦函數對照表，而該第二對照表為一餘弦函數對照表。
11. 一種音響裝置，用以錄製、播放及轉文件一聲音訊號，其特徵 在於，包含一編碼/解碼單元，用以編碼或解碼該聲音訊號，其中利用一調變 濾波器排、 一快速傅立葉轉換、 一改良式數字餘弦轉換及一改良式數 字正弦轉換來加速運算處理該聲音訊號；一數字模擬轉換器，用以轉換經該編碼/解碼單元解碼後的該聲音訊號；一數字儲存媒體，用以儲存該編碼/解碼單元所提供的經編碼後的 該聲音訊號，或用以提供該聲音訊號；以及一播放單元，用以放大並播放經該數字模擬轉換器轉換的該聲音訊號。
12. 如權利要求ll所述的音響裝置，其特徵在於，該聲音訊號為 一數字訊號。
13. 如權利要求11所述的音響裝置，其特徵在於，進一步包含一 模擬數字轉換器，用以轉換一模擬訊號以產生該聲音訊號。
14. 如權利要求ll所述的音響裝置，其特徵在於，該編碼/解碼單元包含一輔助運算單元，用以接收該聲音訊號，並根據一控制訊號，將 該聲音訊號作初步運算，以產生一狀態訊號；以及一主要運算單元，用以根據該狀態訊號來提供該控制訊號，並且 將經初步運算後的該聲音訊號作編碼動作。
15. 如權利要求ll所述的音響裝置，其特徵在於該編碼/解碼單元 更進一步包含一輸入緩衝單元，用以緩衝該聲音訊號，來迸一步作運算及編碼 動作；以及一輸出緩衝單元，用以緩衝該主要運算單元所提供的該聲音訊號， 以進一步作輸出動作。
16. 如權利要求ll所述的音響裝置，其特徵在於，該數字儲存媒 體為一光碟片、 一內建記憶裝置或一外接記憶裝置。
17. 如權利要求11所述的音響裝置，其特徵在於，該快速傅立葉 轉換用以實現該調變濾波器排。
18. 如權利要求11所述的音響裝置，其特徵在於，該編碼/解碼單 元編碼該聲音訊號的步驟，包含輸入該聲音訊號至一輔助運算單元；根據一控制訊號，利用該調變濾波器排、該快速傅立葉轉換、該 改良式數字餘弦轉換及該改良式數字正弦轉換，將該聲音訊號分成多 個子頻帶，並產生該狀態訊號至一主要運算單元；根據將該狀態訊號，產生該控制訊號；以及編碼這些子頻帶。
19. 如權利要求18所述的音響裝置，其特徵在於，該輔助運算單元將該聲音訊號分成子頻帶的步驟，包含利用該改良式數字餘弦轉換及該改良式數字正弦轉換，來分析該 聲音訊號，以產生一餘弦轉換函數及一正弦轉換函數；根據一第一對照表及一第二對照表，分別計算該餘弦轉換函數及 該正弦轉換函數，以產生一餘弦倍增函數及一正弦倍增函數；整合該餘弦倍增函數及該正弦倍增函數，以產生這些子頻帶。
20. 如權利要求19所述的音響裝置，其特徵在於，產生該餘弦轉 換函數及該正弦轉換函數的步驟，包含重新配置該聲音訊號的多個輸出點；利用該改良式數字餘弦轉換及該改良式數字正弦轉換，來合併這 些輸出點，以產生多個複數函數；分別於旋轉這些複數函數後，取共軛複數，以形成多個共軛函數；利用該快速傅立葉轉換，來運算這些共軛函數，以產生這些共軛 函數所相對應的轉移函數；取這些轉移函數的共軛複數後，旋轉這些共軛複數，以產生多個 還原轉移函數；排序這些還原轉移函數，以產生該餘弦轉移函數及該正弦轉移函數。
21. 如權利要求19所述的音響裝置，其特徵在於，該第一對照表 為一正弦函數對照表，而該第二對照表為一餘弦函數對照表。
22. —種聲音訊號編碼的方法，其特徵在於，包含 輸入一聲音訊號至一聲音訊號編碼系統；根據一控制訊號，利用一調變濾波器排、 一快速傅立葉轉換、一 改良式數字餘弦轉換及一改良式數字正弦轉換來將該聲音訊號分成多 個子頻帶；根據將聲音訊號分成這些子頻帶的狀態，產生該控制訊號；以及 編碼這些子頻帶。
23. 如權利要求22所述的聲音訊號編碼的方法，其特徵在於，該 快速傅立葉轉換用以實現該調變濾波器排。
24. 如權利要求22所述的聲音訊號編碼的方法，其特徵在於，將 該聲音訊號分成這些子頻帶的步驟，包含利用該改良式數字餘弦轉換及該改良式數字正弦轉換，來分析該聲音訊號，以產生一餘弦轉換函數及一正弦轉換函數；根據一第一對照表及一第二對照表，分別計算該餘弦轉換函數及該正弦轉換函數，以產生一餘弦倍增函數及一正弦倍增函數；整合該餘弦倍增函數及該正弦倍增函數，以產生這些子頻帶。
25. 如權利要求23所述的聲音訊號編碼的方法，其特徵在於，產 生該餘弦轉換函數及該正弦轉換函數的步驟，包含重新配置該聲音訊號的多個輸出點；利用該改良式數字餘弦轉換及該改良式數字正弦轉換，來合併這 些輸出點，以產生多個複數函數；分別於旋轉這些複數函數後，取共軛複數，以形成多個共軛函數；利用該快速傅立葉轉換，來運算這些共軛函數，以產生這些共軛 函數所相對應的轉移函數；取這些轉移函數的共軛複數後，旋轉這些共軛複數，以產生多個 還原轉移函數；排序這些還原轉移函數，以產生該餘弦轉移函數及該正弦轉移函數。
26. 如權利要求24所述的聲音訊號編碼的方法，其特徵在於，該 第一對照表為一正弦函數對照表，而該第二對照表為一餘弦函數對照表。
全文摘要
一種音響系統及其聲音訊號編碼的方法，該聲音訊號編碼系統包含聲音訊號輸入端、輸入緩衝單元、編碼單元、輸出緩衝單元及聲音訊號輸出端。編碼單元更進一步包含輔助運算單元及主要運算單元。該系統以輔助運算單元來分擔主要運算單元編碼聲音訊號的運算量，並且以調變濾波器排、快速傅立葉轉換、改良式數字餘弦轉換及改良式數字正弦轉換來運算聲音訊號，以降低算法的複雜度、提升處理聲音訊號的效率、降低整體時鐘脈衝速率，以及節省電力的消耗。
文檔編號H03M7/30GK101179278SQ20061014394
公開日2008年5月14日 申請日期2006年11月7日 優先權日2006年11月7日
發明者蕭詩駿 申請人:揚智科技股份有限公司