专利名称：设定自适应滤波器的讯号传递函数的方法
技术领域：
本发明涉及一种控制自适应滤波器的方法，特别是涉及一种设定自适应滤波器的讯号传递函数的方法。
背景技术：
随着信息、电子技术的进步与普及，在现代社会中，娱乐的型态也越趋多样化。举例来说，有卡拉OK之称的伴唱系统，就能够播放歌曲的背景配乐，让使用者不需乐团的伴奏，就能随背景配乐歌唱，享受专业级的娱乐环境。适应伴唱系统的需要，现代的娱乐业者在推出有专业歌者配唱的歌曲时，也会一并推出该首歌曲不含歌者配唱人声(vocal)的背景配乐，让使用者在聆听专业歌者配唱的歌曲之后，也能利用伴唱系统播放背景配乐，自己享受歌唱的乐趣。
由于每个人的声调不同，所以已知的伴唱系统均提供有一升降调(keyshifting)机制以使背景配乐可经由调整来配合不同使用者的声调，请参阅图1、图2与图3，其为已知的升降调操作的简单示意图。假设背景配乐包含有一音调，其在时域(time domain)上是由三种不同频率的连续讯号所重迭合成，在图1中，该音调在频域(frequency domain)上则分别对应f1、f2、f3。若一第一使用者为女性，一般而言，该第一使用者的声调会较为高亢，因此当背景配乐的音调所对应的频率偏低时，则该第一使用者必须压低其声调以依据该背景配乐来歌唱，另外，该第一使用者亦可控制上述升降调机制以便提升该背景配乐的音调的频率趋近其声调，如图2所示，该背景配乐的音调均经由一系数a(a＞1)调整原先频率f1、f2、f3而使升调后的频率a*f1、a*f2、a*f3高于原先频率f1、f2、f3，因此该第一使用者便不须压低其声调即可依据升调后的背景配乐来歌唱，或者该第一使用者亦可控制上述升降调机制以便提升该背景配乐的音调的频率超过其声调，因此升调后的背景配乐便可辅助该第一使用者提高其声调来歌唱。
另一方面，若一第二使用者为男性，一般而言，该第二使用者的声调会较为低沉，因此当背景配乐的音调所对应的频率范围偏高时，则该第一使用者必须提高其声调以依据该背景配乐来歌唱，另外，该第一使用者亦可控制上述升降调机制以便调降该背景配乐的音调的频率趋近其声调，如图3所示，该背景配乐的音调均经由一系数b(b＜1)调整原先频率f1、f2、f3而使降调后的频率b*f1、b*f2、b*f3低于原先频率f1、f2、f3，因此该第一使用者便不须提高其声调即可依据降调后的背景配乐来歌唱，或者该第一使用者亦可控制上述升降调机制以便调降该背景配乐的音调的频率低于其声调，因此降调后的背景配乐便可辅助该第一使用者降低其声调来歌唱。
如业界所已知的，升降调的作法很多，举例来说，可利用计算背景配乐中各讯号的周期，然后延长各讯号的周期(升调)或缩减各讯号的周期(降调)，最后再将调整后的讯号重迭而完成背景配乐的升降调操作。如上所述，当使用者启动升调的操作时，调整后的背景配乐会具有较多的高频讯号，对于使用者而言，频率过高的讯号会造成调整后的背景配乐十分不悦耳，此外，伴唱系统所产生的高频噪声(例如由讯源本身或升降调操作所产生)亦会干扰调整后的背景配乐，所以已知的伴唱系统均会应用一滤波器(filter)来改善升调后的背景配乐的音质，由于使用者可依据其声调来随意地控制背景配乐的声调与降调，因此，已知的伴唱系统系应用已知的自适应滤波器(adaptive filter)来随着不同的输入数据调整其滤波特性，换句话说，上述自适应滤波器必须耗费大量时间进行运算以自动校正其频率响应，所以已知的自适应滤波器的运算十分繁复。
发明内容
因此本发明的主要目的在于提供一种设定自适应滤波器的讯号传递函数的方法，以解决上述问题。
根据本发明，披露了一种设定自适应滤波器(adaptive filter)的讯号传递函数(transfer function)的方法，该自适应滤波器用来处理一音频讯号，该方法包含有设定一第一极点、一第二极点以及一第三极点；以不依据该音频讯号的方式设定一第一零点，该第一零点的实数部(Real Part)为一负数，该第一零点的虚数部(Imaginary Part)为一正数；设定一第二零点，其实数部为一负数以及其虚数部为一负数；以及依据该音频讯号的升降调(key shifting)来设定一第三零点。
本发明的自适应滤波器具有两固定零点对称于实数轴，而另一可调整零点位于实数轴上，由于该可调整零点可依据使用者在操作升调或降调时所输入的控制数值来决定其在实数轴的位置，因此便可迅速地决定自适应滤波器的相对应讯号传递函数以控制高频讯号的衰减。
图1、图2与图3为已知的升降调操作的示意图。
图4为本发明自适应滤波器的讯号传递函数在Z平面所对应的极点-零点示意图。
图5、图6与图7为本发明自适应滤波器的讯号传递函数的频率响应示意图。
具体实施例方式
请参阅图4，图4为本发明自适应滤波器的讯号传递函数在Z平面所对应的极点-零点示意图。本实施例中，本发明自适应滤波器为一三阶有限脉冲响应(finite impulse response，FIR)的自适应滤波器，由图4所示，本发明自适应滤波器包含有三个零点(zero)Z1、Z2、Z3，其分别对应于cosθ+jsinθ，cosθ-jsinθ，-0.8-ΔZ，其中零点Z1、Z2为一共轭复数对而对称于实数轴。此外，本发明自适应滤波器还包含有三个极点(pole)P1、P2、P3，其均对应于Z平面上的原点。如上所述，本发明自适应滤波器的讯号传递函数H(z)即为H(z)=z-Z1z×z-Z2z×z-Z3z]]>=z-(cosθ+jsinθ)z×z-(cosθ-jsinθ)z×z-(-0.8-ΔZ)z]]>本实施例中，两零点Z1、Z2分别为一固定值，而非如已知的自适应滤波器一般地由输入数据计算产生，亦即本发明自适应滤波器于操作时，其零点Z1、Z2不会随着输入数据的变动(例如受升降调操作的影响)而改变，而另一零点Z3为可调整的，其是依据使用者执行升降调操作所输入的控制数值KEYSHIFT而变动。举例来说，本发明自适应滤波器设定两零点Z1、Z2在Z平面上分别对应±(3π/4)，如前所述，伴唱系统均提供有一升降调机制以使背景配乐配合使用者的声调，因此该使用者便可将一控制数值KEYSHIFT输入该伴唱系统来决定启动升调或降调的操作，因此若该使用者所输入的KEYSHIFT为正值，则表示其欲启动升调的操作；相反地，若该使用者所输入的KEYSHIFT为负值，则表示其欲启动降调的操作。另外，控制数值KEYSHIFT的绝对值则表示升调或降调的幅度，所以当控制数值KEYSHIFT的绝对值越大时，则表示升调或降调的幅度越大。对于零点Z3来说，其调整值ΔZ为该控制数值KEYSHIFT经由向右位位移(bit-shift)6个位而产生，亦即将控制数值KEYSHIFT除以26即为所要的调整值ΔZ，换句话说，(-0.8-ΔZ)为一升降调参数，用来在实数轴上调整本发明自适应滤波器的零点Z3，明显地，当零点Z3在Z平面上的位置调整后，则本发明的自适应滤波器的讯号传递函数H(z)亦随之改变，因此对应该讯号传递函数H(z)的频率响应亦会产生变化，而零点Z3的移动与讯号传递函数H(z)的频率响应之间的关系则叙述如下。
请参阅图5、图6与图7，图5、图6与图7为讯号传递函数H(z)的频率响应的示意图。若使用者未启动升调或降调的操作，亦即零点Z3此时在实数轴上是对应-0.8，已知零点Z1在Z平面的单位圆10上所对应的频率θ为3π/4，以及另一零点Z2在Z平面的单位圆10上所对应的频率θ为-3π/4，因此，当频率由0开始沿着单位圆10朝π前进时，根据极点P1、P2、P3与零点Z1、Z2、Z3在Z平面上的分布可知本发明自适应滤波器会逐渐地衰减输入数据，并会大幅地衰减频率为±3π/4的输入数据(如图5所示)。同理，根据极点P1、P2、P3与零点Z1、Z2、Z3在Z平面上的分布，可知本发明自适应滤波器亦会衰减频率为π的输入数据(如图5所示)。
当使用者启动降调的操作时，此时控制数值KEYSHIFT为负值，换句话说，零点Z3此时在实数轴上是对应-0.8-ΔZ(ΔZ为负值)，亦即零点Z3此时在实数轴上会偏离原先-0.8的位置而趋近原点。如上所述，已知零点Z1在Z平面的单位圆10上所对应的频率θ为3π/4，以及另一零点Z2在Z平面的单位圆10上所对应的频率θ为-3π/4，因此，当频率由0开始沿着单位圆10朝π前进时，根据极点P1、P2、P3与零点Z1、Z2、Z3在Z平面上的分布可知本发明的自适应滤波器会逐渐地衰减输入数据，并会大幅地衰减频率为±3π/4的输入数据(如图6所示)。同理，根据极点P1、P2、P3与零点Z1、Z2、Z3在Z平面上的分布，可知本发明的自适应滤波器亦会衰减频率为π的输入数据(如图6所示)。请注意，由于调整后的零点Z3远离实数轴上的-1的位置，因此比较图5与图6可知，本发明自适应滤波器为一低通滤波器，且其于调整零点Z3后对于频率为π的输入数据的衰减幅度较小。由于频率π对应高频，换句话说，当使用者启动降调的操作后，降调处理后的背景配乐此时即会包含较多的低频成分，而本发明的自适应滤波器仍可部分保留高频讯号而使调整后的背景配乐具有较佳的音质。明显地，若降调的幅度越大，则本发明的自适应滤波器对于频率为π的输入数据的衰减幅度越小而可保留更多的高频讯号。
另一方面，当使用者启动升调的操作时，此时控制数值KEYSHIFT为正值，换句话说，零点Z3此时在实数轴上对应-0.8-ΔZ(ΔZ为正值)，亦即零点Z3此时在实数轴上会偏离原先-0.8的位置而趋近-1。如上所述，已知零点Z1在Z平面的单位圆10上所对应的频率θ为3π/4，以及另一零点Z2于Z平面的单位圆10上所对应的频率θ为-3π/4，因此，当频率由0开始沿着单位圆10朝π前进时，根据极点P1、P2、P3与零点Z1、Z2、Z3在Z平面上的分布可知本发明的自适应滤波器会逐渐地衰减输入数据，并会大幅地衰减频率为±3π/4的输入数据(如图7所示)。同理，根据极点P1、P2、P3与零点Z1、Z2、Z3在Z平面上的分布，可知本发明的自适应滤波器亦会衰减频率为π的输入数据(如图6所示)。请注意，由于调整后的零点Z3趋近实数轴上的-1的位置，因此比较图5与图7可知，本发明自适应滤波器在调整零点Z3后对于频率为π的输入数据的衰减幅度较大。由于频率π是对应高频，而高频讯号的干扰以及过量的高频讯号会造成调整后的背景配乐的音质不佳，换句话说，当使用者启动升调的操作后，升调处理后的背景配乐此时即会包含较多的高频成分，所以本发明的自适应滤波器可滤除较多的高频讯号(包含高频噪声)而使调整后的背景配乐具有较佳的音质。明显地，若升调的幅度越大，则本发明的自适应滤波器对于频率为π的输入数据的衰减幅度越大而可衰减更多的高频讯号。
相较于已知技术，本发明的自适应滤波器为一三阶滤波器，其两固定零点在Z平面上是对称于实数轴，而另一可调整零点是位于实数轴上，该可调整零点可依据使用者在操作升调或降调时所输入的控制数值来决定其在实数轴的位置，因此可迅速地决定自适应滤波器的相对应讯号传递函数以控制高频讯号的衰减。当使用者执行升调操作时，本发明的自适应滤波器可经由可调整零点的设定来衰减更多的高频讯号，此外，当使用者执行降调操作时，本发明的自适应滤波器可经由可调整零点的设定来保留更多的高频讯号，综上所述，本发明的自适应滤波器可使升降调处理后的背景配乐具有较佳的音质，此外，本发明的自适应滤波器可快速地对输入数据进行运算而具有较佳的处理效率。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明权利要求所做的均等变化与修饰，皆应属本发明专利的涵盖范围。
权利要求
1.一种设定自适应滤波器的讯号传递函数的方法，该自适应滤波器用来处理一音频讯号，该方法包含有(a)设定一第一极点、一第二极点以及一第三极点；(b)以不依据该音频讯号的方式设定一第一零点，该第一零点的实数部为一负数，该第一零点的虚数部为一正数；(c)设定一第二零点，其实数部为一负数以及其虚数部为一负数；以及(d)依据该音频讯号的升降调来设定一第三零点。
2.如权利要求1所述的方法，其中一第一极点、一第二极点以及一第三极点均对应一零值。
3.如权利要求1所述的方法，其中该第三零点对应于一负实数。
4.如权利要求3所述的方法，其中当该音频讯号升调时，调整该第三零点以增加该第三零点的绝对值。
5.如权利要求3所述的方法，其中当该音频讯号降调时，调整该第三零点以减少该第三零点的绝对值。
6.如权利要求1所述的方法，其中该第一零点及该第二零点为复数共轭对。
7.如权利要求1所述的方法，其中该自适应滤波器为一低通滤波器。
8.如权利要求1所述的方法，其中步骤(c)以不依据该音频讯号的方式设定该第二零点。
9.一种装置，用来实施如权利要求1所述的方法。
全文摘要
本发明提供一种设定自适应滤波器的讯号传递函数的方法，该自适应滤波器用来处理一音频讯号，该方法包含有设定一第一极点、一第二极点以及一第三极点；以不依据该音频讯号的方式设定一第一零点，该第一零点的实数部为一负数，该第一零点的虚数部为一正数；设定一第二零点，其实数部为一负数以及其虚数部为一负数；以及依据该音频讯号的升降调来设定一第三零点。
文档编号H03H21/00GK1614887SQ20031011415
公开日2005年5月11日 申请日期2003年11月5日 优先权日2003年11月5日
发明者吴俊德 申请人:扬智科技股份有限公司