专利名称：使用时间相关的滤波器组合的传输系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及具有发送器的传输系统，包括一个时间相关分析滤波器组，用于从至少一个输入信号产生至少两个被滤波的信号，编码装置，用于从被滤波信号导出被编码信号，以及发送装置，用于将被编码信号通过一种传播媒介传送到一个接收器，所说接收器包括用于从被编码信号导出所说被滤波信号的解码装置，和从被滤波信号再现至少一个输入信号的时间相关合成滤波器组。
本发明还涉及一种发送器，接收器，编码器，解码器和用于编码和解码的方法。
从J.L.Arrowood Jr.和M.J.T.的参考论文“带有时变滤波器的精确重建分析/合成滤波器组(Exact Reconstruction Analysis/SynthesisFillter Banks with Time Varying Filters)”了解到如前序所述的一种传输系统，此文公布在1993年IEEE关于声学，语言和信号处理的国际会议上，卷III，数字语言处理，PP.233～236。
这样的传输系统能够通过如无线电通道，同轴电线或玻璃纤维这样的传输媒介传输声频或视频信号。也有可能使用这样的传输系统将语言或视频信号记录在例如磁带或盘这样的记录介质上。这样的记录应用有用于视频即需即取(video on demand)的自动应答机、数字录像机或视频服务器。
音频和视频数据的数字传输或记录包括大量的传输的或储存的位。为减少这些位的数量，已开发了许多种编码器。所说的某些编码器使用从一个输入信号导出至少两个被滤波信号的分析滤波器组。所说每个被滤波的信号使用适合于它的编码方法被转成一个被编码的信号。一般，在编码前该被滤波的信号的取样率将减小，目的在于保持代表该输入信号的取样总数为常数。每个被滤波的信号的带宽的降低使这样的取样率降低。该滤波器组的输出信号的编码可包括紧接以无损编码步骤的量化步骤。
被编码信号传输到包括解码装置的接收器，该解码装置将该被编码信号转换成至少两个信号。据此至少两个信号通过使用合成滤波器组再生同输入信号一模一样的复制品。
该方法允许用于每个被滤波的信号的编码方法适合于所说信号的特性。已证明，用此方法对某些类型的信号能改善编码质量对比特率的比值。
在按上述参考论文的系统中，提出使用时间变化分析和合成滤波器组。使用时间变化滤波器组具有优点在于该滤波器组的特性，能适合于被编码的输入信号，导至进一步改善编码性能。通过使用时间变化滤波器组，当该滤波器组的特性随时间发生变化时，能够产生过渡(transition)现象。为减小这种过渡现象，在按上述参考论文的系统中，使用所谓过滤滤波器。这些过渡滤波器在由分析滤波器的一种组合改变到滤波器的不同组合时将补偿被编码信号的失真。
由于存在过渡滤波器，每单位时间在该滤波器组中的改变数目将受到限制。这意味着对于具有快变化特性的输入信号，例如视频信号，该滤波器组不能适合充分快地跟随被编码信号的变化特性。
本发明的目的在于提供按照该序言的一种传输系统，它能较快地适合被编码信号的变化特性。
因此该传输系统的特征在于发送器包括传输转换装置，用于按照第一线性变换改变时间相关分析滤波器组的滤波器系数，以及接收器包括第二转换装置，用于按照第二线性变换改变合成滤波器组的滤波器系数，该第二线性变换是第一线性变换的反变换。
通过按第一线性变换改变分析滤波器组的系数以及按与第一线性变换相反的第二线性变换改变合成滤波器组的系数，就完全不需要过滤滤波器。由于在第一和第二线性变换之间的相反关系，则可保证传输系统的总体转移函数在转换后是不改变的。可以看到，第二变换并不完全是第一变换的反变换，但是第二变换对它所作用的相关数据起到反变换的作用。仅仅在它们正操作的数据的有限范围内存在彼此相反的线性变换。如果所说数据被限制到所说范围，第二变换能看作为第一变换的反变换。
本发明另一实施例的特征在于配置第一转换装置，用于即时改变时间相关分析滤波器组的滤波器系数，以及在于配置第二转换装置，用于即时改变合成滤波器组的脉冲响应。
采用这些措施，有可能具有完备的再生滤波器组，即使在转换瞬间的前后。这种特性将表示在本发明的详细的说明书中。
现在将参照
本发明。
这里表示图1，按本发明的传输系统的方块图；图2，在转换处理期间一个分析滤波器的状态；图3，在转换处理期间一个合成滤波器的状态；图4，在转换前一个分析滤波器组的传输函数的例子；图5，在转换前一个分析滤波器组的传输函数的例子。
在按图1的传输系统中，欲传输的信号加到发送器2。发送器2的输入端连接到分析滤波器组8和发送转换装置16。滤波器确定电路提供一个转换信号到该分析滤波器组8和多路调制器14的第一输入端。
分析滤波器组8的第一输出端连接到编码器10的输入端，而该滤波器组8的第二输出端连接到第二编码器12的输入端。可看到该滤波器组能具有两个以上的输出端，以及该发送器包括两个以上的编码器。甚至滤波器组8的输出端的数量和编码器10……12的数量可能随时间而改变。编码器10和编码器12构成编码装置。
第一编码器10的输出连接到多路调制器14的第二输入端，而第二编码器12的输出连接到该多路调制器14的第三输入端。
多路调制器的输出信号通过传输媒介4发送到接收器6。接收器6的输入端连接到多路解调器18。多路解调器18的第一输出连接至接收转换装置26，其第二输出端连接到第一解码器20的输入端，而其第三输出端连接到第二解码器22。第一解码器的输出连接到合成滤波器组24的第一输入端，而第二解码器的输出连接到该合成滤波器组24的第二输入端。接收转换装置26的输出端连接到合成滤波器组24的转换输入端。滤波器组24的输出是有用的再生信号。
在发送器2中，输入信号由分析滤波器组转换成N个子带信号。通常每个子带信号的取样频率相对输入信号的取样频率缩减1/N。分析滤波器组8的输入信号能用一个无限矢量u＝(…，um-1，um，um+1，…)T表示，ui是输入信号的连续的取样，而(…)T系指转置矢量。分析滤波器组8的输出信号可由一个无限矢量v表示，v＝(··，y1，n-1，y2，n-1，··，yN，n-1，··，y1，n，y2，n，··，yN，··y1，n+1，y2，n+1，··，yN，n+1，··)T对于u和y之间的关系可写成
，其中A＝
在(1)中hi，j是在滤波器组14中第i个滤波器的脉冲响应的第j个取样，M是在该滤波器组中的滤波器的脉冲响应的长度，而N是在该滤波器组中的滤波器的数量。算符A包括限定实际滤波器系数的周期性重复的部分(BLOCKS)。随后的这些部分在水平方向上彼此间相对偏移距离N，只要每个单位时间的代表子带信号整个集合的取样数保持不变。通常水平偏移等于子带信号的抽取因数。在上述情况中，子带信号的抽取因数等于子带数。
按取样率降低滤波器组的输出信号并由编码器10…12进行编码，以降低传输的比特率。配置编码器10…12，以便量化滤波器组的被抽取后的输出信号，从而首先得到比特率的降低。使用无损编码方案对量化的信号进行编码得到比特率进一步的降低。在美国专利USA4,901,075中公开了量化和无损编码的这种结合。
被编码的信号，同发送转换装置的输出信号一起由多路调制器多路调制到一个比特流，并被发送到接收器6。在接收器6中，该比特流被多路解调，以便得到被编码的信号和转换信号。在多路解调器18的输出端上的这个被解调的信号由解码器20…22解码。在多路解调器18的输出端上的转换信号受到控制的情况下，解码器20…22的输出信号被合成到一个输出信号。转换信号指示合成滤波器组24须被转换的瞬间。转换信号可携带所有新的滤波器的参数，但是更可能的是转换信号携带来自许多预定滤波器系数集成中的一个集合的标志(index)。
如以上所定义的，解码器20…20的输出信号由无限矢量y表示。可以看到，由于量化，解码器20…22的输出信号略不同于分析滤波器8的输出信号。然而描述系统时将忽略其差异。
合成滤波器组24的输出信号由无限矢量z＝(…，zk-1，zk，zk+1，…)T表示。zi构成合成滤波器组24的输出信号的连续的取样。对于
可写成
。S为描述合成滤波器组24的合成矩阵。对于S可写成
在(2)中gi，j是在合成滤波器组24中第i个滤波器的脉冲响应的第j个取样。
对于良好的再生系统，合成滤波器组24的工作必须和分析滤波器组14的工作相反。这个条件由S·A＝I表示。
按本发明可予见迟早将改变分析滤波器组8和合成滤波器组24，而这将取决于接收信号的特性。因此有一个准则可用来判断是否必要转换滤波器参数。一种可能性是用有限组不同滤波器组参数执行全部分析，编码，解码和合成操作，以及选择导至对输入信号特定部分的最好的编码性能的那组滤波器参数。
如果该组滤波器组系数改变，算符A改变成
在(3)中，P是在改变滤波器组之后分析滤波器的数量，Q是在改变滤波器组之后滤波器脉冲响应的长度，而fi，j是被改变的滤波器组的系数。算符S改变成
在(4)中是新的合成滤波器的系数。
如果在转换操作期间系统仍应具有良好的再现性能，则滤波器系数fi，j和li，j不能任意选择。按本发明概念，系数fi，j和li，j分别从系数h和g通过线性变换导出。以下将讨论线性变换。该变换通过选择包括h系数的A算符的行的一个或多个部分并乘上通过反转变换矩阵T得到的“部分矩阵”B进行。所说变换的结果是一个部分矩阵C，它包含包括f系数的A矩阵的行的一个或多个部分。
从用于计算变换的A矩阵选出的部分的数量依在转换前和后在滤波器组14中的滤波器的数量而定。该部分矩阵的量值在变换之后必须包含包括f系数的部分的一个整数。这意味着部分矩阵的行的数量必须是一个整数乘上N和P的最小公倍数(1cm)。
类似的操作在合成矩阵S上进行。该变换通过选择包括g系数的A算符的列的一个或多个部分并乘上通过反转变换矩阵T得到的“部分矩阵”U进行。所说变换的结果是一个部分矩阵V，它包含包括1系数的A矩阵的列的一个或多个部分。
以下给出这样变换的一个例子。考虑将具有两个滤波器的滤波器组变换到具有四个滤波器的滤波器组的情况。
在转换之前，作为例子的滤波器的A矩阵等于
相应于该滤波器的S矩阵等于
如果转换是从具有两个滤波器(N＝2)的滤波器组到具有四个滤波器的滤波器组(P＝4)进行的，从算符A选择的部分必须包括1cm(2，4)＝4行。同样发现从算符S选择的该部分包括4列。
对于部分矩阵B我们现在有-0.1460.8540.854-0.14600-0.1460.854-0.8540.1460000-0.1460.8540.854-0.14600-0.1460.854-0.8540.146----(7)]]>使用一个变换矩阵T＝0.749-0.2580.7490.2580.6100.100-0.6100.100-0.063-0.608-0.0630.6080.098-0.530-0.098-0.530----(8)]]>按变换T·B导出一个部分矩阵C＝-0.0720.4190.7120.7120.419-0.072-0.1040.6060.510-0.510-0.6060.1040.098-0.5730.3850.385-0.5730.0980.063-0.3690.628-0.6280.369-0.063----(9)]]>由此对算符A描述转换操作能写成
对于部分矩阵U能写成0.1040.104000.6040.604000.604-0.6040.1040.1040.104-0.1040.6040.604000.604-0.604000.104-0.104----(11)]]>
借助反变换矩阵T-1＝0.6450.795-0.2740.150-0.0670.147-0.794-0.9150.645-0.795-0.274-0.1500.0670.1470.794-0.915----(12)]]>按变换U·T-1对部分矩阵V得到0.0600.098-0.111-0.0790.3490.569-0.644-0.4620.5030.3240.3680.5320.503-0.3240.368-0.5320.349-0.569-0.6440.6420.060-0.098-0.1110.079----(13)]]>对于算符S描述的转换操作最后得到
如果按(10)和(14)的算符S和A分别地相乘，可得到基本上等于一个无限恒等的矩阵的矩阵。当实际计算S·A时，可以发现某些偏离单位矩阵的偏差。这个偏差是由于滤波器系数的表示精度受到一定限制所造成的。然而通过增加表示滤波器系数的精度，将能任意地减小这个偏差。
可以看到变换矩阵T和T-1不必是方形。如果每个被滤波信号的取样率和滤波器数量的乘积不是常数，则有可能具有不是方形的矩阵T和T-1。
在按图2的FIR滤波器中，一输入信号连接到延迟元件40的输入端和乘法器32的输入端。延迟元件40的输出端连接到延迟元件42的输入端和乘法器34的输入端。延迟元件42的输出端连接到延迟元件44的输入端和乘法器36的输入端。延迟元件44的输出端连接到乘法器38的输入端。乘法器32，34，36和38的输出端连接到加法器30的相应的输入端。加法器30的输出构成滤波器的输出。
图2表示用FIR滤波器实施转换分析滤波器组的情况。为容易说明起见假定脉冲响应的持续时间保持相同，但应明确在转换滤波器参数的情况下，脉冲响应的持续时间可以改变。
在t＝-1瞬间，转换尚未执行，第i个滤波器的系数是hi，0，hi，1，hi，2和hi，3。输出取样yi，-1等于yi，-1＝hi，0·u-1+hi，1·u-2+hi，2·u-3+hi，3·u-4(15)在t＝0瞬间，执行转换，所有滤波器系数同时改变。因此输出信号yi，0等于yi，0＝fi，0·u0+fi，1·u-1+fi，2·u-2+fi，3·u-3(16)在t＝1瞬间，在滤波器系数中已不再发生变化。输出信号yi，1等于yi，1＝fi，0·u1+fi，1·u0+fi，2·u-1+fi，3·u-2(17)按图3的FIR滤波器中，一个输入信号连接到延时元件60的输入端和乘法器52的输入端。延迟元件60的输出端连接到延迟元件62的输入端和乘法器54的输入端。延迟元件62的输出端连接到延迟元件64的输入端和乘法器56的输入端。延迟元件64的输出端连接到乘法器58的输入端。乘法器52，54，56和58的输出端连接到加法器50的相应输入端。加法器50的输出构成滤波器的输出。
图3表示用FIR滤波器实施转换合成滤波器组的情况，仍然假定脉冲响应的持续时间保持相同。在t＝-1，转换尚未执行，输出信号z-i，-1等于zi，-1＝gi，0·yi，-1+gi，1·yi，-2+gi，2·ui，-3+gi，3·ui，-4(18)在转换瞬间t＝0，现在不是所有滤波器系数值被修改，但仅第一个被修改。z0，i现在等于根据(19)，可以看到，在合成滤波器组中的滤波器的系数zi，0＝li，0·yi，0+gi，1·yi，-1+gi，2·yi，-2+gi，3·yi，-3(19)逐渐地改变。对于输出信号zi，1，zi，2和zi，3现在可以写成
zi，1＝li，0·yi，1+li，1·yi，0+gi，2·yi，-1+gi·3·yi，-2(20)zi，2＝li，0·yi，2+li，1·yi，1+li，2·yi，0+gi，3·yi，-1(21)zi，3＝li，0·yi，3+li，1·yi，2+li，2·yi，0+li，3·yi，1(22)按(18)～(21)的转换操作导至滤波器的脉冲响应的同时变化而无任何过渡现象。
图4表示按(5)的滤波器组的幅度传输函数，可以看到，输入信号被分成两个子带信号。
图5表示按(14)右部分的分析滤波器组的四个滤波器的幅度传输函数。可以看到，输入信号被分成四个子带信号。
权利要求
1.具有发送器的传输系统包括一个时间相关分析滤波器组，用于从至少一个输入信号导出至少两个被滤波的信号，编码装置，用于从该被滤波的信号导出被编码信号，以及发送装置，用于通过一种传输媒介将该被编码的信号发送到一个接收器，所说接收器包括解码装置，用于从被编码信号导出所说被滤波的信号，以及一个时间相关合成滤波器组，用于从该被滤波信号重建所说至少一个输入信号，特征在于发送器包括发送转换装置，用于按照第一线性变换改变时间相关分析滤波器组的滤波器系数，以及在于接收器包括第二转换装置，用于按照与第一线性变换相逆的第二线性变换改变合成滤波器组的滤波器系数。
2.按权利要求1的传输系统，特征在于配置该第一转换装置，以便即时改变时间相关分析滤波器组的滤波器的系数，以及在于配置的第二转换装置、为了即时改变合成滤波器组的脉冲响应。
3.发送器包括，一个时间相关分析滤波器组，用于从至少一个输入信号导出至少两个被滤波的信号，编码装置，用于从该被滤波的信号导出被编码的信号，以及发送装置，用于通过一种传输媒介将该被编码的信号发送到一个接收器，特征在于发送器包括转换装置，用于按照第一线性变换改变时间相关分析滤波器的滤波器系数。
4.按权利要求3的发送器，特征在于配置转换装置，以便即时改变时间相关分析滤波器组的滤波器的系数。
5.接收器包括，一个解码装置，用于从至少两个被编码的信号导出部分信号，以及一个合成滤波器组，用于从该部分信号重建至少一个输入信号，特征在于该接收器包括转换装置，用于按照一种线性变换改变该合成滤波器组的滤波器的系数。
6.按权利要求5的接收器，特征在于配置接收转换装置，以便即时改变合成滤波器组的脉冲响应。
7.编码器包括，一个时间相关分析滤波器组，用于从至少一个输入信号导出至少两个被滤波的信号，编码装置，用于从该被滤波的信号导出被编码的信号，特征在于该编码器包括转换装置，用于按照一种线性变换改变时间相关分析滤波器组的滤波器的系数。
8.按权利要求7的编码器，特征在于配置转换装置，以便即时改变该时间相关分析滤波器组的滤波器的系数。
9.解码器包括解码装置，用于从至少两个被编码的信号导出部分信号，以及一个合成滤波器组，用于从该部分信号重建至少一个输入信号，特征在于该解码器包括转换装置，用于按照一种线性变换改变该合成滤波器组的滤波器系数。
10.按权利要求9的解码器，特征在于配置接收转换装置，以便即时改变该合成滤波器组的脉冲响应。
11.编码方法包括从至少一个输入信号导出至少两个被滤波的信号以及从该被滤波的信号导出被编码的信号，特征在于该编码方法包括至少在一个瞬间按照一种线性变换改变该时间相关分析滤波器组的滤波器的系数。
12.解码方法包括从至少两个被编码的信号导出部分信号以及借助时间相关合成滤波器从该部分信号再现至少一个输入信号，特征在于该解码方法包括至少在一个瞬间按照一种线性变换改变该时间相关合成滤波器组的滤波器的系数。
全文摘要
在原始编码使用中可包括转换滤波器组，以便使该滤波器组适合被编码信号的性质。如果在再现信号中不允许转换引起过渡现象，则需使用所称的边界滤波器。在按本发明的系统中，有可能配置转换滤波器而不引起不希望有的过渡现象。为得到所说特性，新的滤波器的系数(在转换之后)必须是原始滤波器的系数(在转换之前)的一种线性组合。
文档编号H03M7/30GK1165596SQ96191109
公开日1997年11月19日 申请日期1996年9月16日 优先权日1995年9月22日
发明者H·G·J·修尼斯 申请人:菲利浦电子有限公司