专利名称：基于长脉冲响应的实时快速卷积系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及数字信号处理中使用有限脉冲响应滤波器进行音频信号滤波的技木，具体是指ー种基于长脉冲响应的实时快速卷积系统。
背景技术：
在各种需要使用声信号处理的系统中，常需要用到高阶的房间脉冲响应滤波器对音频信号进行滤波，以达到所要的声学效果。比如2D/3D游戏与虚拟现实系统中，要求声音与场景的变换紧密配合；人工混响系统中，需要通过电声系统对信号的处理，来达到与通过改变建筑声学环境从而改变混响时间的同样效果，以满足像多功能厅这样的厅堂因举办不同的活动而对混响时间的不同要求；虚拟监听系统中，可以将调音台上的监听总线直接拾取的信号与厅堂内扩声系统扬声器到双耳的房间脉冲响应卷积后反馈给控制室内的调音员，使得他所听到的声音与外面听众席上的声音一祥，从而增强调音的依据；在音质设计和评价中，期望利用室内声学的计算机仿真技术来获得厅堂的声环境參数，从而在厅堂建好 之前就能聆听到其大致的音效，提高设计效率。音频信号一般采用44. IKhz或48Khz的采样率，而混响时间有时会达到2秒以上，所以环境的脉冲响应对应的滤波器阶数很高，这使得以上系统在模拟环境音效时均遇到了运算数据量大，难以精确跟踪声场环境变换、延时较大的问题。现有技术有采用系数很少的无线脉冲响应滤波器来模拟，但如何采用有限的系数来精确模拟有线脉冲响应、并保持系统稳定并不容易，而且无线脉冲响应的本质缺陷在于非线性相位，这在对声音质量要求高的场合往往不可接受。采用有线脉冲响应的技术中，现有的时域逐点卷积方法虽然可以保证无延时，但其巨大的运算量使得实施起来很不现实。频域的方法虽然減少了运算量，但块处理的方式会带来无法回避的延时问题，因为即使是512点的延时，也已经带来了约12ms的延时，实际使用时已无法接受。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的上述不足，提供ー种结果简单、运算量小、易于硬件的实现、处理效果好的实时卷积系统。并可直接推广于多通路的实时卷积系统。为达到上述目的，通过以下技术方案实现ー种基于长脉冲响应的实时快速卷积系统，包括实时卷积器、音频输出装置，所述实时卷积器连接输入信号，并与音频输出装置相连，该系统还包括房间脉冲响应预备模块，所述房间脉冲响应预备模块包括房间脉冲响应存储模块、房间脉冲响应低阶近似模块、房间脉冲响应截断模块；所述房间脉冲响应低阶近似模块，用于在音效模拟要求较高、运算开销中等吋，对房间脉冲响应进行最小相位近似，得到的脉冲响应在时域的有效阶数将缩短，而幅频响应不变，其输出送入到实时卷积器中；所述房间脉冲响应截断模块，用于在音效模拟要求适中、运算开销较低吋，对房间脉冲响应保留直达声到达后的Lms内的采样信息，L在80-100之间取值，其输出送入到实时卷积器中；所述实时卷积器，用于在精确模拟房间音效、运算开销较高时，对房间脉冲响应存储模块中的原有房间脉冲响应与输入信号进行实时卷积计算；或用于接收进行了低阶近似的房间脉冲响应，并与输入信号进行实时卷积计算；或用于接收进行了截断采样的房间脉冲响应，并与输入信号进行实时卷积计算，最后输入给音频输出装置。所述房间脉冲响应低阶近似模块包含傅立叶变换模块、希尔伯特变换模块和反傅立叶变换模块，且傅立叶变换模块、希尔伯特变换模块和反傅立叶变换模块依次相连，对房间脉冲响应进行希尔伯特变换。所述房间脉冲响应截断模块包含直达声时刻检测模块和延时模块，所述直达声时刻检测模块用于检测脉冲最大值所在时刻，延时模块用于从最大值所在时刻延时Lms ;所 述房间脉冲响应存储模块输出端并联连接直达声时刻检测模块和延时模块，直达声时刻检测模块的输出端与延时模块输入端相连，从延时模块出来的输出端同实时卷积器相连。所述实时卷积器包括分割模块,用于将房间脉冲响应的第一块分割出来，其输入端与房间脉冲响应预备模块相连，通过并行输出端分别与时域卷积模块以及房间脉冲响应块处理模块相连；时域卷积模块，用于将房间脉冲响应的第一块分割部分与输入信号进行时域的逐点卷积，其输入端与输入信号和分割模块的相连，输出端与加法器相连；房间脉冲响应块处理模块，用于将房间脉冲响应剩下的分割部分进行分块、块的倒序、每ー块的补零、新块的傅立叶变换，输出端与乘加器相连；信号块处理模块，用于输入信号的分块、块的重叠保留、新块的傅立叶变换其输入端与输入信号相连，输出端与乘加器相连；乘加器，用于将信号块处理模块和房间脉冲响应块处理模块的输出进行相乘，然后将对应位相加，输出端与反傅立叶变换模块相连；反傅立叶变换模块，用于将乘加器的输出进行反傅立叶变换，与加法器相连；加法器，用于计算时域卷积模块的输出和反傅立叶变换模块的输出的总和，计算出的最后值通过音频输出装置输出，其输出端与音频输出装置相连。所述信号块处理模块包括分块器、重叠保留模块、傅立叶变换模块；所述分块器用于对输入信号进行长度为N的分块,其输入端与输入信号相连,输出端与重叠保留模块相连；所述重叠保留模块用于对分块器的输出再次进行重叠保留处理，将每ー个旧块扩展为长度为2N的新块,姆ー个旧块保留之前的N个数据作为前N位,而后N位则为下ー个旧块的N个数据，即每一个新块的后N位数据与下一个新块的前N位数据重叠，其输出端与傅立叶变换模块相连；所述傅立叶变换模块用于对重叠保留后的新块进行傅立叶变换，其输出端与乘加器相连。所述房间脉冲响应块处理模块包括分块器、倒序器、补零器、傅立叶变换模块；所述分块器用于对房间脉冲响应去掉第一块后的数据进行分块，其输入端与分割模块相连，输出端与倒序器相连；
所述倒序器用于对分块器的输出进行块的倒置，即最后一块放在第一块的位置，倒数第二块放在第二块的位置，依次类推，倒数第M块放在第M块的位置，其输出端与补零器相连；所述补零器用于对倒序器的输出进行每ー块后面补上与原块长相同长度的零，其输出端与傅立叶变换模块相连； 所述傅立叶变换模块用于对补零器的输出进行每ー块傅立叶变换，其输出端与乘加器相连。所述反傅立叶变换模块与加法器之间连接有取实模块，所述取实模块用于将反傅立叶变换模块的输出进行后半块取实数部分后，其输入端与反傅立叶变换模块相连，输出端与加法器相连。本发明还公开了ー种基于长脉冲的实时快速卷积方法，包括步骤I :输入信号输入到实时卷积器进行时域频域卷积，所述输入信号为音频信号或语音信号；步骤2 :同时，房间脉冲响应预备模块对脉冲响应库中的房间脉冲进行处理后，再输出给实时卷积器⑴；其中，在音效模拟要求较高、运算开销中等的情况下，对脉冲响应库中的房间脉冲响应进行低阶近似，再输出给实时卷积器，在音效模拟要求适中、运算开销较低的情况下进行截断，再输出给实时卷积器(I)，或者在精确模拟房间音效、运算开销较高的情况下直接输出给实时卷积器。步骤3 :在实时卷积器中，将房间脉冲的实时卷积处理运算分成两部分，一部分为房间脉冲响应的第一块和输入信号在时域的卷积，一部分为房间脉冲响应剩余块和输入信号在频域的分块运算，再将二者的结果相加。步骤4:相加所得的输出通过音频输出装置播放，所述音频输出装置为广播或耳机。在所述步骤3中，包含以下步骤(a)所述实时卷积器将房间脉冲响应分为第一块和剩余块，是通过分割模块在时域中分割所述经过低阶近似、截断或不作任何处理的房间脉冲响应以获得房间脉冲响应的第一块和剩余块；(b)所述房间脉冲响应的第一块和输入信号在时域的卷积，是通过时域卷积模块接收房间脉冲响应的第一块，并用干与数字输入信号x[n]进行时域卷积，得到函数I' [η]，并送往加法器；(C)所述房间脉冲响应剩余块和输入信号在频域的分块运算，是通过房间脉冲响应块处理模块接收房间脉冲响应的剩余块并对其进行分块，倒序，补零，傅立叶变换，获得其傅立叶变换函数H(W)，并送往乘加器；信号块处理模块对数字输入信号X[η]进行分块，重叠保留构造新块，并对新块进行傅立叶变换，获得其傅立叶变换函数X(w)，送往乘加器；乘加器执行X(w)和H(W)的对应块相乘，然后进行对应位的相加，获得频谱部分Y(W)，送往反傅立叶变换模块；反傅立叶变换模块对Y(w)进行反傅立叶变换，以获得反傅立叶变换函数I0" [η]，并将J0" [η]送往加法器；(d)所述卷积和分块运算的结果相加，是通过加法器将所接收的y/ [η]与I' [η]相加，得到卷积系统的输出，并输出给音频输出装置；所述步骤3中的频域分块运算，对执行了反傅立叶变换之后的函数y/ [η]进行提取其后半段的实数部分，以获得数字输出信号y" [n]，并将y" [η]送往加法器，与I' [η]相加，得到卷积系统的输出。与现有技术相比，本发明具有以下优点I.实时性好。在本发明提出的分块算法中，输出来自于两个部分，其中一部分I' [η]的计算是由脉冲响应的第一块与输入信号在时域卷积而成的，即输入一点则输出一点的算法，该部分的输出无延时；而另一部分只用到了当前块之前的有限块进行运算，所以也无延时，二者输出之和依然是实时的，而普通的分块算法至少需要延时ー个块的长度。 2.提出了低阶近似模块或以及根据建筑声学原理来截断模块的方法，拓展了本方法的应用领域。在对相频响应要求不高的场合，对房间脉冲响应进行最小相位近似后得到的脉冲响应在时域的有效阶数将缩短，而幅频响应不变，这样可減少运算量和存储量，从而可进ー步降低硬件成本。而在对房间可听度、清晰度要求较高的场合，因为根据建筑声学理论，音质空间感和语言清晰度主要与直达声到达后的Lms内的声能有关(L取80-100间的值)，因此主要保留直达声到达后的Lms内的采样信息。3.效果好，实现容易，运算量小。由于本分块混合算法中采用了时域卷积与频域算法相结合，卷积效果与传统时域算法一祥，但由分块块长和脉冲长度不同，运算量可以降低几十到几百倍。4.所述房间脉冲响应预备模块、实时卷积器均可采用通用的DSP芯片实现，如德州仪器公司Ti的TMS320VC5503/06/07/09A，和美国模拟器件公司ADI的ADAU1445和ADAU140IA 等。5.可直接推广到多通路。多通路的卷积与单通路的卷积并没有本质的区别，所以可以直接推广到多通道的情況。
图I为根据本发明的实施例的基于长脉冲响应的实时快速卷积系统的框图。图2为房间脉冲响应预备模块的框图。图3为房间脉冲响应低阶近似模块的框图。图4为房间脉冲响应截断模块的框。图5为实时卷积器的框图。图6为信号块处理模块的框图。图7为房间脉冲响应块处理模块的框图。图8为根据本发明的实时快速卷积器处理数字输入信号的ー个实例。
具体实施例方式下面结合附图和具体实施方式
对本发明作进ー步的说明。实施例I如图I-图7所示是本发明基于长脉冲响应的实时快速卷积系统的实施例之一，包括实时卷积器I、音频输出装置2、房间脉冲响应预备模块3，所述房间脉冲响应预备模块3与输入信号4并联连接于实时卷积器1，实时卷积器I与音频输出装置2相连；所述房间脉冲响应预备模块3包括房间脉冲响应存储模块5、房间脉冲响应低阶近似模块6、房间脉冲响应截断模块7 ；所述房间脉冲响应存储模块5，用于存储各频段的房间脉冲响应(RIR)，其输出端与三选ー开关的ー个输入端相连，三选一开关的三个输出端分别与房间脉冲响应低阶近似模块6、房间脉冲响应截断模块7、实时卷积器I相连；所述房间脉冲响应低阶近似模块6，用于在音效模拟要求较高、运算开销中等吋，此电路接通，对房间脉冲响应进行最小相位近似，得到的脉冲响应在时域的有效阶数将缩短，而幅频响应不变，其输出送入到实时卷积器I中；所述房间脉冲响应截断模块7，用于在在音效模拟要求适中、运算开销较低时，此电路接通，对房间脉冲响应保留直达声到达后的80ms-100ms内的采样信息，其输出送入到实时卷积器I中；
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所述实时卷积器1，用于在精确模拟房间音效、运算开销较高时此电路接通，对房间脉冲响应存储模块5中的原有房间脉冲响应与输入信号4进行实时卷积计算；或用于接收进行了低阶近似的房间脉冲响应，并与输入信号4进行实时卷积计算；或用于接收进行了截断采样的房间脉冲响应，并与输入信号4进行实时卷积计算，最后输出送入给音频输出装置2 ;所述房间脉冲响应预备模块3用于将存储的房间脉冲响应经过低阶近似、截断或者不作任何处理再输出送入给实时卷积器I。所述房间脉冲响应低阶近似模块6包含傅立叶变换模块(FFT) 8、希尔伯特变换模块9和反傅立叶变换模块(IFFT) 10，且傅立叶变换模块8、希尔伯特变换模块9和反傅立叶变换模块10依次相连，对房间脉冲响应进行希尔伯特变换。所述房间脉冲响应截断模块7包含一个直达声时刻检测模块11和延时模块12,根据建筑声学理论，音质空间感和语言清晰度主要与直达声到达后的80ms内的声能有夫，因此必须要保留直达声到达后的80ms内的采样信息，直达声时刻检测模块11用于检测脉冲最大值所在时刻，延时模块12用于从最大值所在时刻延时80ms，则房间脉冲响应截断模块7输出为原房间脉冲响应起始点到房间脉冲响应直达声到达后的80ms内的信息，所述房间脉冲响应存储模块5输出端并联连接直达声时刻检测模块11和延时模块12，直达声时刻检测模块11的输出端与延时模块12输入端相连，从延时模块12出来的输出端同实时卷积器相连。所述实时卷积器I包括分割模块13、信号块处理模块14、房间脉冲响应块处理模块15、乘加器16、反傅立叶变换模块10、取实模块17、时域卷积模块18、加法器19 ;分割模块13用于将房间脉冲响应的第一块分割出来，其输入端与房间脉冲响应预备模块3相连，通过并行输出端分别与时域卷积模块18以及房间脉冲响应块处理模块15相连；时域卷积模块18,用于将房间脉冲响应的第一块分割部分与输入信号4进行时域的逐点卷积,其输入端与输入信号4和分割模块13的相连,输出端与加法器19相连；房间脉冲响应块处理模块15，用于将房间脉冲响应剩下的分割部分进行分块、块的倒序、每ー块的补零、新块的傅立叶变换，输出端与乘加器16相连；信号块处理模块14,用于输入信号4的分块、块的重叠保留、新块的傅立叶变换，输出端与乘加器16相连；乘加器16，用于将信号块处理模块14和房间脉冲响应块处理模块15的输出进行相乘，然后将对应位相加，输出端与反傅立叶变换模块10相连；反傅立叶变换模块10，用于将乘加器16的输出进行反傅立叶变换，与加法器19相连；加法器19，用于计算时域卷积模块18的输出和反傅立叶变换模块10的输出的总和，，其输出端与音频输出装置2相连，即计算出的最后值通过音频输出装置2输出。所述信号块处理模块14包括分块器20、重叠保留模块21、傅立叶变换模块8 ;所述分块器20用于对输入信号进行长度为N的分块，其输入端与输入信号4相连,输出端与重叠保留模块21相连；所述重叠保留模块21用于对分块器20的输出再次进行重叠保留处理，将姆ー个旧块扩展为长度为2N的新块,姆ー个旧块保留之前的N个数据作为前N位,而后N位则为下一个旧块的N个数据，即姆ー个新块的后N位数据与下一个新块的前N位数据重叠，其输出端与傅立叶变换模块8相连；所述傅立叶变换模块8用于对重叠保留后的新块进行傅立叶变换，其输出端与乘加器16相连。所述房间脉冲响应块处理模块15包括分块器20、倒序器22、补零器23、傅立叶变换模块8 ;所述分块器20用于对房间脉冲响应去掉第一块后的数据进行分块，其输入端与 分割模块13相连，输出端与倒序器22相连；所述倒序器22用于对分块器20的输出进行块的倒置，即最后一块放在第一块的位置，倒数第二块放在第二块的位置，依次类推，倒数第M块放在第M块的位置，其输出端与补零器23相连；所述补零器23用于对倒序器22的输出进行每一块后面补上与原块长相同长度的零，其输出端与傅立叶变换模块8相连；所述傅立叶变换模块8用于对补零器23的输出进行每ー块傅立叶变换，其输出端与乘加器16相连。所述反傅立叶变换模块10与加法器19之间连接有取实模块17，所述取实模块17用于将反傅立叶变换模块10的输出进行后半块取实数部分，其输入端与反傅立叶变换模块10相连，输出端与加法器19相连。所述基于长脉冲的实时快速卷积系统结合信号和应用场合的声学特点以及数字信号处理的等价运算来实现基于长脉冲响应的实时快速卷积，其是根据应用场合的需要，房间脉冲响应预备模块3对脉冲响应库中的房间脉冲响应进行低阶近似、截断或直接输出给实时卷积器1，所述实时卷积器I对房间脉冲响应预备模块3输出的房间脉冲响应通过分割模块13分成两部分，一部分为房间脉冲响应的第一块，同输入信号4在时域卷积模块18中进行时域的卷积，另一部分为房间脉冲响应的剩余块，在经过了房间脉冲响应块处理模块15之后与经过了信号块处理模块14之后的输入信号4输入给乘加器16，进行乘加运算，之后再通过反傅立叶变换模块10进行反傅立叶变换，其值输入到取实模块17进行提取后半段的实数部分，得到的新块以及进行了时域卷积之后的块通过加法器19进行加法运算，最后得到的值送入音频输出装置2，即播放实时卷积器I的输出信号。实施例2图8所示为本发明所提供的基于长脉冲的实时快速卷积方法处理数字输入信号的一个实例，输入信号4输入到实时卷积器I，同时，房间脉冲响应预备模块3对脉冲响应库中的房间脉冲响应进行处理，本实例选择在精确模拟房间音效、运算开销较高的情况下，房间脉冲响应预备模块直接通过直通通路输出给实时卷积器I ;在实时卷积器I中，将房间脉冲响应的实时卷积处理运算分成两部分，一部分为房间脉冲响应的第一块和输入信号4在时域的卷积，一部分为房间脉冲响应剩余块和输入信号4在频域的分块运算，再将二者的结果相加；相加所得的输出通过音频输出装置2播放。其中在所述实时卷积器I中，将房间脉冲响应分为第一块和剩余块，是通过分割模块13在时域中分割所述经过低阶近似、截断或不作任何处理的房间脉冲响应以获得房间脉冲响应的第一块和剩余块，即对房间脉冲响应信号在时域中以N为块长进行分割，为简单记，假设房间脉冲响应信号长度为NX (M+1)，分割出的第一块为RIR1，输出送入给时域卷积模块18，分割出得剰余块为RIRi (η)，输出送入给房间脉冲响应块处理模块15 ；所述房间脉冲响应的第一块和输入信号4在时域的卷积，是通过时域卷积模块18接收房间脉冲响应的第一块RIR1，并用于与数字输入信号x[n]进行时域卷积，得到函数
y(n)，SPア⑷输出并送往加法器19 ；所述房间脉冲响应剩余块和输入信号4在频域的分块运算，是通过房间脉冲响应块处理模块15接收房间脉冲响应的剩余块RIRi (n)，i = 1，2，…，M并对其进行分块，倒序，补零，所补的零的长度也为N，对补零后的块进行快速傅立叶变换(FFT)，以获得傅立叶 变换后的FRIRk(GJ)，，k = I,... 2N，输出送入给乘加器16 ;信号块处理模块14对数字输入信号x[n]进行分块，即将数字输入信号X (η)分割成块，块的长度为N，为便于快速傅立叶变换，N为2的正整数次幂，按照新块加旧块的方式进行顺序重叠串接以便处理，将进入的块进行快速傅立叶变换以获得傅立叶变化后的当前块的频域信号Xk( )，k = 1，. . . 2Ν，输出送入给乘加器16 ;乘加器16执行Xk (ω)和FRIRk (ω)的对应块相乗，将Xk(ω)和FRIRk(ω)相乘后得到的Ykw，即Yk(w) =Xk( ) X FRIRk (ω)，然后进行对应位的相加，即YlM，Y2(w)，…，Ymw相加，以得到Y ( ω )，Y ( ω ) = Y1 (w)+Y2(w)+. . . +YM(w)，获得频谱部分Y ( ω )，送往反傅立叶变换模块10 ;反傅立叶变换模块10对Y(W)进行反傅立叶变换(IFFT)，以获得反傅立叶变换函数y/ [η];取实模块17，对执行了反傅立叶变换之后的函数y/ [η]进行提取其后半段的实数部分，以获得数字输出信号y" [n]，并将y" [η]送往加法器19;所述卷积和分块运算的结果相加，是通过加法器19将所接收的yQ" [η]与デ[η]相加，得到卷积系统的输出信号y(η)，并输出给音频输出装置2，用于播放输出。本发明基于长脉冲响应的实时快速卷积系统并不限于以上实施方式，只要是本说明书及权利要求书中提及的方案均是可以实施的。
权利要求
1.ー种基于长脉冲响应的实时快速卷积系统，包括实时卷积器(I)、音频输出装置(2)，所述实时卷积器(I)连接输入信号(4)，并与音频输出装置(2)相连，其特征在于，该系统还包括房间脉冲响应预备模块(3)，所述房间脉冲响应预备模块(3)包括房间脉冲响应存储模块(5)、房间脉冲响应低阶近似模块(6)、房间脉冲响应截断模块(7)； 所述房间脉冲响应存储模块(5)，用于存储完整的房间脉冲响应，可存储ー个或多个房间脉冲响应，房间脉冲响应可通过实际測量或声场模拟软件获得。根据需要和使用场合，其有选择性的输出给房间脉冲响应低阶近似模块(6)、房间脉冲响应截断模块(7)和实时卷积器(I)三个中的其中ー个，实际使用中主要根据音效模拟要求、运算开销预算来选取； 所述房间脉冲响应低阶近似模块(6)，用于在音效模拟要求较高、运算开销中等吋，此时对房间脉冲响应进行最小相位近似，得到的脉冲响应在时域的有效阶数将缩短，而幅频响应不变，其输出送入到实时卷积器(I)中； 所述房间脉冲响应截断模块(7)，用于在音效模拟要求适中、运算开销较低吋，对房间脉冲响应保留直达声到达后的Lms内的采样信息，根据建筑声学理论，L在80-100之间取值，截断后的脉冲响应在时域的有效阶数会大大缩短，其输出送入到实时卷积器(I)中； 所述实时卷积器(I)，用于在精确模拟房间音效、运算开销较高时，对房间脉冲响应存储模块(5)中的原有房间脉冲响应与输入信号(4)进行实时卷积计算；或用于接收进行了低阶近似的房间脉冲响应，并与输入信号(4)进行实时卷积计算；或用于接收进行了截断采样的房间脉冲响应，并与输入信号(4)进行实时卷积计算，最后输入给音频输出装置⑵。
2.根据权利要求I所述基于长脉冲响应的实时快速卷积系统，其特征在于，所述房间脉冲响应低阶近似模块(6)包含傅立叶变换模块(8)、希尔伯特变换模块(9)和反傅立叶变换模块(10)，且傅立叶变换模块(8)、希尔伯特变换模块(9)和反傅立叶变换模块(10)依次相连，对房间脉冲响应进行希尔伯特变换。
3.根据权利要求I所述基于长脉冲响应的实时快速卷积系统，其特征在于，所述房间脉冲响应截断模块(7)包含直达声时刻检测模块(11)和延时模块(12)，所述直达声时刻检测模块(11)用于检测脉冲最大值所在时刻，延时模块(12)用于从最大值所在时刻延时Lms ;所述房间脉冲响应存储模块(5)输出端并联连接直达声时刻检测模块(11)和延时模块(12)，直达声时刻检测模块(11)的输出端与延时模块(12)输入端相连，从延时模块(12)出来的输出端同实时卷积器相连。
4.根据权利要求I所述基于长脉冲响应的实时快速卷积系统，其特征在于，所述实时卷积器⑴包括 分割模块(13),用于在时域中将房间脉冲响应的第一块分割出来,第一块的块长取决于房间脉冲响应的长度、剩下分割部分中分块的块长与运算开销的预算，一般与剩下分割部分中分块的块长N相同，其输入端与房间脉冲响应预备模块(3)相连，通过并行输出端分别与时域卷积模块(18)以及房间脉冲响应块处理模块(15)相连； 时域卷积模块(18)，用于将房间脉冲响应的第一块分割部分与输入信号(4)进行时域的逐点卷积，其输入端与输入信号(4)和分割模块(13)的相连，输出端与加法器(19)相 连； 房间脉冲响应块处理模块(15)，用于将房间脉冲响应剩下的分割部分进行分块、块的倒序、每ー块的补零、新块的傅立叶变换，输出端与乘加器(16)相连； 信号块处理模块(14)，用于输入信号(4)的分块、块的重叠保留、新块的傅立叶变换，其输入端与输入信号(4)相连，输出端与乘加器(16)相连； 乘加器(16)，用于将信号块处理模块(14)和房间脉冲响应块处理模块(15)的输出进行相乘，然后将对应位相加，输出端与反傅立叶变换模块(10)相连； 反傅立叶变换模块(10)，用于将乘加器(16)的输出进行反傅立叶变换，与加法器(19)相连； 加法器(19)，用于计算时域卷积模块(18)的输出和反傅立叶变换模块(10)的输出的总和，其输出端与音频输出装置(2)相连。
5.根据权利要求4所述基于长脉冲响应的实时快速卷积系统，其特征在干，所述信号块处理模块(14)包括分块器(20)、重叠保留模块(21)、傅立叶变换模块(8)； 所述分块器(20)用于对输入信号(4)进行长度为N的分块，其输入端与输入信号(4)相连，输出端与重叠保留模块(21)相连； 所述重叠保留模块(21)用于对分块器(20)的输出再次进行重叠保留处理，将每ー个旧块扩展为长度为2N的新块,姆ー个旧块保留之前的N个数据作为前N位,而后N位则为下一个旧块的N个数据，即每一个新块的后N位数据与下一个新块的前N位数据重叠，其输出端与傅立叶变换模块(8)相连； 所述傅立叶变换模块(8)用于对重叠保留后的新块进行傅立叶变换，其输出端与乘加器(16)相连。
6.根据权利要求4所述基于长脉冲响应的实时快速卷积系统，其特征在干，所述房间脉冲响应块处理模块(15)包括分块器(20)、倒序器(22)、补零器(23)、傅立叶变换模块(8)； 所述分块器(20)用于对房间脉冲响应去掉第一块后的数据进行分块，其输入端与分割模块(13)相连，输出端与倒序器(22)相连； 所述倒序器(22)用于对分块器(20)的输出进行块的倒置，即最后一块放在第一块的位置，倒数第二块放在第二块的位置，依次类推，倒数第M块放在第M块的位置，其输出端与补零器(23)相连； 所述补零器(23)用于对倒序器(22)的输出进行每ー块后面补上与原块长相同长度的零，其输出端与傅立叶变换模块(8)相连； 所述傅立叶变换模块(8)用于对补零器(23)的输出进行每ー块傅立叶变换，其输出端与乘加器(16)相连。
7.根据权利要求4所述基于长脉冲响应的实时快速卷积系统，其特征在干，所述反傅立叶变换模块(10)与加法器(19)之间连接有取实模块(17)，所述取实模块(17)用于将反傅立叶变换模块(10)的输出进行后半块取实数部分，其输入端与反傅立叶变换模块(10)相连，输出端与加法器(19)相连。
8.ー种基于长脉冲响应的实时快速卷积方法，其特征在于，包括 步骤I :输入信号(4)输入到实时卷积器(I)进行时域频域卷积； 步骤2 :同时，房间脉冲响应预备模块(3)对脉冲响应库中的房间脉冲响进行处理后，再输出给实时卷积器(I);其中，在音效模拟要求较高、硬件成本中等的情况下，对脉冲响应库中的房间脉冲响应进行低阶近似，再输出给实时卷积器(I)，在音效模拟要求适中、硬件成本较低的情况下进行截断，再输出给实时卷积器(I)，或者在精确模拟房间音效、硬件成本较高的情况下直接输出给实时卷积器(I)。
步骤3:在实时卷积器(I)中，将房间脉冲响应的实时卷积处理运算分成两部分，一部分为房间脉冲响应的第一块和输入信号(4)在时域的卷积，一部分为房间脉冲响应剩余块和输入信号(4)在频域的分块运算，再将二者的结果相加。
步骤4:相加所得的输出通过音频输出装置(2)播放。
9.根据权利要求8所述的ー种基于长脉冲响应的实时快速卷积方法，其特征在干，在所述步骤3中，包含以下步骤 (a)所述实时卷积器(I)将房间脉冲响应分为第一块和剩余块，是通过分割模块(13)在时域中分割所述经过低阶近似、截断或不作任何处理的房间脉冲响应以获得房间脉冲响应的第一块和剩余块； (b)所述房间脉冲响应的第一块和输入信号(4)在时域的卷积，是通过时域卷积模块(18)接收房间脉冲响应的第一块，并用干与数字输入信号x[n]进行时域卷积，得到函数I' [η]，并送往加法器(19); (c)所述房间脉冲响应剩余块和输入信号(4)在频域的分块运算，是通过房间脉冲响应块处理模块(15)接收房间脉冲响应的剩余块并对其进行分块，倒序，补零，傅立叶变换，获得其傅立叶变换函数H(W)，并送往乘加器(16);信号块处理模块(14)对数字输入信号x[n]进行分块，重叠保留构造新块，并对新块进行傅立叶变换，获得其傅立叶变换函数X(w)，送往乘加器(16);乘加器(16)执行X(W)和H(W)的对应块相乘，然后进行对应位的相加，获得频谱部分Y (w)，送往反傅立叶变换模块(10);反傅立叶变换模块(10)对Y (w)进行反傅立叶变换，以获得反傅立叶变换函数y/ [n]，并将y/ [η]送往加法器(19); (d)所述卷积和分块运算的结果相加，是通过加法器(19)将所接收的y/[η]与I' [η]相加，得到卷积系统的输出，并输出给音频输出装置(2)。
10.根据权利要求9所述的ー种基于长脉冲响应的实时快速卷积方法，其特征在于，所述步骤3中的频域分块运算，对执行了反傅立叶变换之后的函数y/ [η]进行提取其后半段的实数部分，以获得数字输出信号y" [n]，并将y" [η]送往加法器(19)，与デ[η]相カロ，得到卷积系统的输出。
全文摘要
本发明提供一种有限脉冲响应数字信号处理系统，特指一种基于长脉冲响应的实时快速卷积系统。它包括实时卷积器、音频输出装置，所述实时卷积器连接输入信号，并与音频输出装置相连，该系统还包括房间脉冲响应预备模块，所述房间脉冲响应预备模块包括房间脉冲响应存储模块、房间脉冲响应低阶近似模块、房间脉冲响应截断模块，用于对存储的房间脉冲响应(RIR)做出低阶近似、截断或不作任何处理中的一个处理后输出给实时卷积器。本发明具有很好的实时性，结果简单，运算量小，效果与非实时的信号卷积系统相当，易于在通用的DSP平台上实现。
文档编号G10L19/02GK102708870SQ20121010188
公开日2012年10月3日 申请日期2012年4月5日 优先权日2012年4月5日
发明者王杰 申请人:广州大学