ES2299568T3 - Procedimiento de filtrado inverso, procedimiento de filtrado de sintesis, dispositivo de filtro inverso, dispositivo de filtro de sintesis y dispositivos que comprenden tales dispositivos de filtro. - Google Patents
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Abstract
Procedimiento de filtrado inverso, que comprende al menos: - generar (I a VI) una primera muestra de señal filtrada (¿ x(n)) basándose en una muestra de señal de entrada (x(n)); y - restar (VII) dicha primera muestra de señal filtrada (¿ x(n)) de dicha muestra de señal de entrada (x(n)) para obtener una muestra de señal residual (r(n)), en el que dicha generación (I a VI) de una primera muestra de señal filtrada comprende: - obtener al menos una señal retardada, amplificada y filtrada, comprendiendo dicha obtención: - almacenar (I) una primera muestra de señal relacionada con dicha muestra de señal de entrada en una memoria intermedia; - recuperar (II) de dicha memoria intermedia una muestra de señal retardada (u(n)); - generar (III a V) al menos una segunda muestra de señal filtrada (y(n)), siendo dicha generación estable y causal y no consistiendo sólo en un retardo; - amplificar al menos una muestra de señal con un factor de amplificación (alfa k), factor de amplificación que depende al menos del tiempo o de la señal; y - comprendiendo además dicho procedimiento: - obtener (VI) dicha primera señal filtrada basándose en dicha al menos una señal retardada, amplificada y filtrada.
Description
Procedimiento de filtrado inverso, procedimiento
de filtrado de síntesis, dispositivo de filtro inverso, dispositivo
de filtro de síntesis y dispositivos que comprenden tales
dispositivos de filtro.
La invención se refiere a un procedimiento de
filtrado inverso. La invención se refiere además a un procedimiento
de filtrado de síntesis. La invención también se refiere a un
dispositivo de filtro inverso, un filtro de síntesis y dispositivos
que comprenden tales dispositivos de filtro. La invención también se
refiere a un programa informático para realizar las etapas de un
procedimiento según la invención.
De A. Härmä, "Implementation of
frequency-warped recursive filters",
Signal processing 80 (2000) 543-548, se
conoce un dispositivo de filtro. El artículo de "Härmä"
describe un codificador de predicción lineal deformada (WLP,
warped linear prediction) y un descodificador WLP. El
dispositivo codificador WLP comprende un filtro FIR convencional en
el que sus retardos unitarios se sustituyen por filtros pasa todo de
primer orden.
Una desventaja del dispositivo codificador
conocido a partir de este artículo de "Härmä" es que sin
medidas adicionales el dispositivo descodificador WLP contendría
bucles libres de retardo. En el artículo de Härmä, se describen dos
soluciones a este problema. En primer lugar, el dispositivo
descodificador WLP puede adaptarse con el fin de eliminar los
bucles libres de retardo. En segundo lugar, pueden separarse el
cálculo de la salida del descodificador y la actualización de los
estados internos del filtro. En ambas soluciones, el dispositivo
descodificador WLP se diferencia del dispositivo codificador WLP.
Además, debido a la diferencia entre el codificador y el
descodificador, los parámetros del dispositivo codificador WLP,
tales como los coeficientes de predicción, tienen que convertirse
para el descodificador WLP, lo que requiere un procesamiento
adicional y está asociado con problemas numéricos.
Por lo tanto, es un objetivo de la invención
proporcionar un dispositivo codificador y un dispositivo
descodificador que pueden ser de diseño similar. Por lo tanto, la
invención proporciona un procedimiento de filtrado inverso según la
reivindicación 1.
De ese modo, el filtro de síntesis no contiene
bucles libres de retardo porque se proporciona un retardo. Por
tanto, el filtrado inverso y el filtrado de síntesis pueden ser
sustancialmente similares.
Además, la invención proporciona un
procedimiento de filtrado de síntesis según la reivindicación 15. La
invención proporciona además un dispositivo de filtro inverso según
la reivindicación 16, un dispositivo de filtro de síntesis según la
reivindicación 17 y dispositivos que comprenden tales dispositivos
de filtro. La invención también proporciona un programa informático
para realizar las etapas de un procedimiento según la invención.
En las reivindicaciones dependientes se exponen
realizaciones específicas de la invención. Se describirán detalles,
aspectos y realizaciones adicionales de la invención con referencia
a los dibujos adjuntos.
La figura 1 muestra un diagrama de bloques de un
primer ejemplo de una realización de un dispositivo de filtro
inverso según la invención.
La figura 2 muestra un diagrama de bloques de un
primer ejemplo de una realización de un dispositivo de filtro de
síntesis según la invención.
La figura 3 muestra un diagrama de flujo de un
primer ejemplo de una realización de un procedimiento de filtrado
inverso según la invención.
La figura 4 muestra un diagrama de flujo de un
primer ejemplo de una realización de un procedimiento de filtrado
de síntesis según la invención.
La figura 5 muestra un diagrama de bloques de un
dispositivo de transmisión de datos dotado de un dispositivo
codificador de predicción según la invención.
La figura 6 muestra un diagrama de bloques de un
dispositivo de almacenamiento de datos dotado de un dispositivo
codificador de predicción según la invención.
La figura 7 muestra un diagrama de bloques de un
dispositivo de procesamiento de datos dotado de un dispositivo
descodificador de predicción según la invención.
La figura 8 muestra un diagrama de bloques de un
dispositivo audiovisual dotado de un dispositivo descodificador de
predicción según la invención.
La figura 9 muestra un diagrama de bloques de un
dispositivo grabador audiovisual dotado de un dispositivo
descodificador de predicción según la invención.
La figura 10 muestra un diagrama de bloques de
un dispositivo contenedor de datos dotado de un procedimiento de
codificación de predicción según la invención.
En esta solicitud se utilizan los siguientes
términos. Una muestra x(n) es un ejemplo de una señal
en un determinado momento. Un segmento es un número de
muestras sucesivas, por ejemplo x(n), x(n+1)
...x(n+j-1), x(n+j). Cuando en esta
solicitud se utiliza uno de los términos señal, muestra o segmento,
también puede leerse otro de estos tipos. Una función de
transferencia H(z) es la relación entre la señal de
entrada y la señal de salida de un filtro, vista en el dominio de z.
(Para z=exp^{-i\theta}, siendo i la raíz cuadrada de -1,
H(z) proporciona las características en el dominio de la
frecuencia. La respuesta al impulso de un filtro es la
respuesta del filtro a una señal de impulso, que es una señal que
tiene un valor de 1 para n igual a cero y un valor de 0 si n es
distinto de cero, indicando n un momento en el tiempo. En esta
solicitud, se entiende que un dispositivo de filtro no es un
dispositivo que tenga sólo un dispositivo de retardo o múltiples
dispositivos de retardo aunque en un sentido muy estricto un
dispositivo de retardo es un dispositivo de filtro. Sin embargo, se
entiende que un dispositivo que incluya al menos un dispositivo de
filtro y uno o más dispositivos de retardo es un dispositivo de
filtro. Se entiende que un filtro es al menos causal si la
señal de salida no depende de ninguna señal de entrada
"futura", es decir, la salida del filtro sólo depende de una
señal actual y/o señales anteriores. Se dice que un filtro es
estable si el filtro proporciona una señal de salida limitada
en amplitud para cualquier señal de entrada limitada en amplitud
arbitraria presentada en la entrada del filtro.
La figura 1 muestra un diagrama de bloques de un
primer ejemplo de una realización de un dispositivo 1 de filtro
inverso según la invención. El ejemplo mostrado de un dispositivo de
filtro inverso o dispositivo 1 codificador comprende un puerto 11 de
entrada en el que puede presentarse una señal de entrada x. El
puerto de entrada está conectado a una estructura 13 de filtro que
puede filtrar la señal de entrada x recibida y puede emitir una
primera señal filtrada \hat{x}. El puerto 11 de entrada y la
estructura 13 de filtro están ambos conectados a un primer
dispositivo 12 combinador que puede combinar la primera señal
filtrada \hat{x} y la señal de entrada x por lo que se obtiene
una señal residual r.
La estructura 13 de filtro comprende una memoria
intermedia o dispositivo 131 de memoria conectado al puerto 11 de
entrada y una pluralidad de segundos dispositivos 132 de filtro
conectados a la salida del dispositivo 131. En el ejemplo mostrado,
los segundos dispositivos 132 de filtro forman un dispositivo 130 de
filtro de entrada única salida múltiple (SIMO, single input
multiple output). Los segundos dispositivos 132 de filtro
también están conectados a dispositivos 133 amplificadores que están
conectados además a un segundo dispositivo 134 combinador. El
dispositivo 134 combinador está conectado con una salida al primer
dispositivo 12 combinador.
La memoria intermedia o dispositivo 131 de
memoria, en esta solicitud también denominado un dispositivo de
retardo, almacena la muestra de entrada x(n) recibida y
libera una muestra u(n). La muestra u(n) es una
muestra previa x(n-j) de la señal de
entrada, representando j el retardo del dispositivo y siendo j mayor
que cero. Por tanto, una muestra u(n) de la señal de entrada
u previa es igual a una muestra x(n-j) de la
señal de entrada x, representando j el retardo del dispositivo 131
de retardo y siendo j mayor o igual a cero. Los segundos
dispositivos 132 de filtro generan segundas señales filtradas
y_{1}, y_{2}, ..., y_{k} basándose en la señal u. Los
segundos dispositivos de filtro son estables y causales. Por tanto
el dispositivo 130 de filtro SIMO también es estable y causal. En
la realización, el dispositivo 130 de filtro SIMO comprende sólo
segundos dispositivos 132 de filtro. Sin embargo el dispositivo de
filtro SIMO también puede contener uno o más dispositivos de
retardo o incluso una alimentación directa en paralelo con los
segundos dispositivos 132 de filtro.
Los dispositivos 133 amplificadores amplifican o
multiplican cada segunda señal filtrada y_{1}, y_{2}, ...,
y_{k} con un factor de multiplicación o amplificación
\alpha_{1}, \alpha_{2}, ..., \alpha_{K}. A partir de
este punto se hace referencia a los factores de amplificación
\alpha_{1}, \alpha_{2}, ..., \alpha_{K} como los
coeficientes de predicción \alpha_{1}, \alpha_{2}, ...,
\alpha_{k}, donde los coeficientes de predicción varían en el
tiempo o dependen de la señal. Por tanto, las segundas señales
filtradas se combinan como una suma ponderada mediante el segundo
dispositivo 134 combinador.
La salida del segundo dispositivo 134 combinador
es la primera señal filtrada \hat{x} en la que cada muestra
\hat{x}(n) se basa por tanto en muestras previas
x(n-j) de la señal de entrada x, con j mayor
que cero. El segundo dispositivo 134 combinador emite la primera
señal filtrada \hat{x} y presenta la primera señal filtrada
\hat{x} al primer dispositivo 12 combinador. El primer
dispositivo 12 combinador combina la señal de entrada x con la
primera señal filtrada y obtiene una señal residual r.
Debido al dispositivo 131 de retardo, no hay
bucles libres de retardo presentes en la estructura 13 de filtro. De
ese modo, tanto el filtro inverso como el filtro de síntesis pueden
tener el mismo diseño, es decir, los filtros pueden realizarse de
manera complementaria entre sí. Por ejemplo, el ejemplo de un filtro
inverso según la invención de la figura 1 y el ejemplo de un filtro
de síntesis según la invención de la figura 2 son complementarios.
También puede ajustarse por adelantado la resolución de
tiempo-frecuencia de la estructura de filtro
seleccionando las funciones de transferencia H_{k} de los segundos
filtros de una manera apropiada puesto que los segundos filtros
pueden ser cualquier tipo apropiado de filtros estables y causales,
por ejemplo eligiendo los parámetros (tales como la ganancia, polos
y ceros) de la función de transferencia H_{k} de tal manera que el
filtro se ajusta a una región de frecuencia particular.
El retardo y el filtro y/o los amplificadores
pueden intercambiarse, es decir, el filtro y/o los amplificadores
pueden colocarse antes del retardo. En ese caso, el retardo
almacenará la primera señal filtrada \hat{x} y liberará una
primera señal filtrada precedente que se combina entonces con la
señal de entrada x para obtener la señal residual r. Dicho de
manera matemática: el dispositivo 131 de retardo y el filtro y/o los
amplificadores son conmutativos. Sin embargo, independientemente de
la posición relativa del dispositivo de retardo, el filtro y/o los
amplificadores, el filtro está conectado de manera comunicativa con
el dispositivo de retardo y el primer dispositivo combinador.
Además, los parámetros utilizados en el filtro
inverso pueden utilizarse en el filtro de síntesis correspondiente,
por ejemplo en el ejemplo de la figura 2. De ese modo, el filtro de
síntesis puede implementarse sin medios para el recálculo del
coeficiente de predicción y por tanto, el filtro de síntesis puede
ser más barato. Los ajustes del filtro inverso pueden transmitirse
entonces al filtro de síntesis, por ejemplo a través de un canal de
datos separado o unidos con la señal r.
La figura 2 muestra un dispositivo de filtro de
síntesis o dispositivo 2 descodificador que es sustancialmente el
inverso del dispositivo de filtro inverso de la figura 1. El
dispositivo 2 de filtro de síntesis tiene un puerto 21 de entrada
conectado a un primer dispositivo 22 combinador. El dispositivo 22
combinador está conectado además a una estructura 23 de filtro y a
una salida 24 del dispositivo 2 de filtro de síntesis. En la
entrada 21 puede presentarse una señal de entrada r. La señal de
entrada r se recibe entonces por el primer dispositivo 22
combinador y se combina con una primera señal filtrada de la
estructura 23 de filtro, por lo que se obtiene una señal de salida
x. Si la señal de entrada r es la señal residual r del dispositivo
1 de filtro inverso de la figura 1, la señal de salida x es
sustancialmente similar a la señal de entrada x del dispositivo de
filtro inverso.
La estructura 23 de filtro comprende un
dispositivo 231 de retardo (al que también se hace referencia como
un dispositivo de memoria intermedia o un dispositivo de memoria)
conectado al puerto 24 de salida y una pluralidad de segundos
dispositivos 232 de filtro. Los segundos dispositivos 232 de filtro
están conectados a dispositivos 233 amplificadores que están
conectados a un segundo dispositivo 234 combinador. El segundo
dispositivo 234 combinador está conectado con una salida al primer
dispositivo 12 combinador.
El dispositivo 231 de retardo almacena la
muestra de salida x(n) y libera una muestra de salida
x(n-j) almacenada previamente, con j mayor
que cero. Los segundos dispositivos 232 de filtro generan segundas
señales filtradas basándose en la señal de salida almacenada
previamente. Los dispositivos 233 amplificadores multiplican cada
segunda señal filtrada con un coeficiente de predicción
\alpha_{1}, \alpha_{2}, ..., \alpha_{K}. Por tanto, las
segundas señales filtradas se combinan como una suma ponderada
mediante el segundo dispositivo 234 combinador. La salida del
segundo dispositivo 234 combinador es la primera señal filtrada
\hat{x} en la que cada muestra \hat{x}(n) se basa por
tanto en muestras previas x(n-j) de la señal
de salida x, con j mayor que 0. El segundo dispositivo 234
combinador emite la primera señal filtrada \hat{x} y presenta la
primera señal filtrada \hat{x} al primer dispositivo 1
combinador. El primer dispositivo 22 combinador combina la señal de
entrada r con la primera señal filtrada \hat{x} y obtiene la señal
de salida x.
Debido al dispositivo de retardo en la
estructura 23 de filtro, no hay bucles libres de retardo presentes
en la estructura de filtro. De ese modo, el filtro de síntesis puede
realizarse complementario al filtro inverso de una manera sencilla.
El retardo y el filtro y/o los amplificadores pueden intercambiarse,
es decir, el filtro y/o los amplificadores pueden colocarse antes
del retardo. Dicho de manera matemática: el dispositivo de retardo
y el filtro y/o los amplificadores son conmutativos.
En los ejemplos de las figuras 1 y 2, los
segundos dispositivos de filtro están conectados en paralelo con el
dispositivo de memoria intermedia o retardo. Por tanto, cada muestra
de cada segunda señal filtrada se basa en muestras precedentes de
la señal de entrada al dispositivo de memoria intermedia o retardo.
Los segundos dispositivos de filtro pueden conectarse asimismo en
cascada. En ese caso la k-ésima segunda señal filtrada y_{k} se
basa en la k-1-ésima segunda señal filtrada
y_{k-1}.
En un dispositivo según la invención, el
dispositivo de retardo puede tener cualquier retardo requerido.
Preferiblemente, el retardo es tal que la señal precedente precede
directamente a la señal recibida en la memoria intermedia, es
decir, el retardo es un retardo único.
La figura 3 muestra un diagrama de flujo de un
procedimiento de filtrado inverso según la invención. En las etapas
I a VI se recibe la muestra de entrada x(n) y se genera la
primera muestra filtrada \hat{x}(n). Después de la etapa
VI, se combinan la primera muestra filtrada \hat{x}(n) y la
muestra de entrada x(n) por lo que se obtiene la muestra
residual r(n) en una etapa VII de primera combinación. En el
ejemplo mostrado, la combinación en la etapa VII es un
procedimiento de resta, pero también es posible realizar una
operación diferente, siempre que se obtenga una señal residual que
sea una medida de las similitudes entre la señal de entrada y la
señal filtrada. A partir de entonces, se recibe una muestra de
entrada siguiente y se realizan de nuevo las etapas I a VII.
La generación de la primera muestra filtrada
\hat{x}(n) en las etapas I a VI se inicia con una etapa I
de almacenamiento. En la etapa I de almacenamiento, se recibe la
muestra de entrada x(n) y se almacena la muestra de entrada
x(n) en una memoria intermedia. En la etapa II, se recupera
una muestra de entrada u(n) precedente de la memoria
intermedia. En el ejemplo, la muestra de entrada u(n)
precedente es una muestra de entrada precedente directa. También es
posible utilizar una o más muestras precedentes distintas. El uso de
sólo la muestra precedente directa permite que la memoria
intermedia sea lo más pequeña posible. En la etapa III, se ajusta un
valor de contador k para que tenga un valor siguiente k+1. Después
de la etapa III, se realiza una etapa IV de segundo filtrado. En la
etapa de segunda filtrado se realiza un procedimiento de filtrado
sobre la muestra de entrada u(n) precedente, dando como
resultado una segunda muestra filtrada y_{k}(n). En la
etapa V, el valor de contador k se compara con algún número
predeterminado K, indicando K el número total de etapas de segundo
filtrado que van a realizarse. Si el valor de contador k no es
similar al número predeterminado K, se realizan de nuevo las etapas
II a V. Si el valor de contador k es similar al número
predeterminado K, las segundas señales filtradas y_{1}(n),
y_{2}(n), ..., y_{k}(n) se combinan con algún
factor de ponderación \alpha_{k} en una etapa VI de segunda
combinación, por lo que se obtiene la primera muestra filtrada
\hat{x}(n).
La figura 4 muestra un diagrama de flujo de un
ejemplo de un procedimiento de filtrado de síntesis según la
invención. El procedimiento de filtrado de síntesis representado con
el diagrama de flujo de la figura 4 puede realizarse por ejemplo
mediante el dispositivo de filtro de síntesis de la figura 2.
En la etapa II, se recupera una muestra
u(n) de una memoria intermedia. La muestra u(n) es la
muestra de salida
x(n-1) precedente. En la etapa III, se ajusta un valor de contador k para que tenga un valor siguiente k+1. Después de la etapa III, se realiza una etapa IV de segundo filtrado. En la etapa de segundo filtrado se realiza un procedimiento de filtrado con una función de transferencia H_{k}(z) sobre la muestra u(n), dando como resultado una segunda muestra filtrada y_{k}(n). En la etapa V, el valor de contador k se compara con algún número predeterminado K, que indica el número total de etapas de segundo filtrado que van a realizarse. Si el valor de contador k no es similar al número predeterminado K, se realizan de nuevo las etapas II a V. Si el valor de contador k es similar al número predeterminado K, las segundas muestras filtradas y_{1}(n), y_{2}(n), ..., y_{k}(n) se combinan con algún factor de ponderación \alpha_{k} en una etapa VI de segunda combinación, por lo que se obtiene una primera muestra filtrada \hat{x}(n). En una etapa VIII de primera combinación se combina una muestra de entrada r(n) con la primera muestra filtrada \hat{x}(n), por lo que se obtiene una muestra de salida x(n). A partir de entonces, se almacena la muestra de salida x(n) en la memoria intermedia y se repite el procedimiento.
x(n-1) precedente. En la etapa III, se ajusta un valor de contador k para que tenga un valor siguiente k+1. Después de la etapa III, se realiza una etapa IV de segundo filtrado. En la etapa de segundo filtrado se realiza un procedimiento de filtrado con una función de transferencia H_{k}(z) sobre la muestra u(n), dando como resultado una segunda muestra filtrada y_{k}(n). En la etapa V, el valor de contador k se compara con algún número predeterminado K, que indica el número total de etapas de segundo filtrado que van a realizarse. Si el valor de contador k no es similar al número predeterminado K, se realizan de nuevo las etapas II a V. Si el valor de contador k es similar al número predeterminado K, las segundas muestras filtradas y_{1}(n), y_{2}(n), ..., y_{k}(n) se combinan con algún factor de ponderación \alpha_{k} en una etapa VI de segunda combinación, por lo que se obtiene una primera muestra filtrada \hat{x}(n). En una etapa VIII de primera combinación se combina una muestra de entrada r(n) con la primera muestra filtrada \hat{x}(n), por lo que se obtiene una muestra de salida x(n). A partir de entonces, se almacena la muestra de salida x(n) en la memoria intermedia y se repite el procedimiento.
En un procedimiento o dispositivo según la
invención, las etapas de segundo filtrado o los segundos
dispositivos de filtro pueden ser de cualquier tipo adecuado para
la implementación específica, siempre que sean estables y causales.
Además, un procedimiento o dispositivo según la invención puede
incluir además de al menos un filtro uno o más retardos o una
alimentación directa.
Las etapas de segundo filtrado o el segundo
dispositivo de filtro pueden por ejemplo ser etapas de filtrado o
dispositivos de filtro de respuesta infinita al impulso (IIR,
Infinite Impulse Response). En un procedimiento IIR, también
se utilizan muestras retardadas y/o ponderadas de la señal de salida
para obtener la señal de salida. Además, al menos uno del segundo
dispositivo de filtro puede ser un dispositivo de filtro no
lineal.
El segundo filtrado o dispositivo de filtro
puede estar inspirado en la psicoacústica; es decir, tener una
resolución de tiempo-frecuencia comparable al
sistema auditivo humano. Por ejemplo, el segundo filtrado o la
generación de al menos una segunda señal filtrada puede ser un
filtrado pasa todo con una función de transferencia:
ecuación (1) en la que z^{-1}
representa el dispositivo de retardo, k representa el número de
etapas de filtrado secundario que es un entero positivo entre 1 y
K, K representa el número total de filtros o etapas de filtrado
secundarios y \lambda representa una constante que tiene un valor
absoluto entre cero y uno. El parámetro \lambda puede elegirse
por ejemplo de tal manera que el filtro tenga una resolución de
tiempo-frecuencia comparable al sistema auditivo
humano.
También, el filtrado inspirado en la
psicoacústica puede ser el filtrado de Laguerre con una función de
transferencia H_{k}(z) tal como se describe mediante el
algoritmo matemático:
En esta ecuación (2), k representa el número de
etapas de filtrado recursivo, z^{-1} representa el retardo y
\lambda es un parámetro que tiene un valor absoluto entre cero y
uno.
También es posible implementar el segundo
filtrado como filtrado de Kautz con una función de
transferencia
H_{k}(z) tal como se describe mediante el algoritmo matemático:
H_{k}(z) tal como se describe mediante el algoritmo matemático:
En la ecuación (3), k representa el número de
etapas de filtrado recursivo, z^{-1} representa la operación de
retardo y \lambda_{m} es un parámetro que tiene un valor
absoluto entre cero y uno y \lambda^{*}_{m} es el valor
complejo conjugado de \lambda_{m}.
\newpage
El segundo filtrado también puede ser un
filtrado gamma-tono o un análogo digital de un banco
de filtros gamma-tono, tal como se conoce por
ejemplo de T. Irino et. al., "A time domain, level
dependent auditory filter", J. Acoust. Soc. Am., 101:
412-419, 1997. En general, los filtros
gamma-tono son filtros de tiempo continuo que tienen
una respuesta al impulso h_{k} definida por
\vskip1.000000\baselineskip
donde los parámetros se ajustan
según los datos psicoacústicos pertinentes. En esta ecuación, el
término t^{\gamma k^{-1}} e^{\sigma _{k}t} representa una
distribución Gamma estadística, \omega_{k} representa la
frecuencia o tono del término de coseno, t el tiempo y \Phi_{k}
la
fase.
Después del segundo filtrado, puede realizarse
algún procesamiento adicional, tal como una operación de matrices.
La función de transferencia combinada del filtrado y la operación de
matrices pueden representarse mediante el algoritmo matemático:
\vskip1.000000\baselineskip
\vskip1.000000\baselineskip
algoritmo en el que
H_{k}(z) representa la función de transferencia combinada
de los segundos filtros y la matriz, k representa el número de
etapas de filtrado, c_{kn} representa un valor del elemento de
matriz en la posición k,n de la matriz, G_{n}(z)
representa la función de transferencia del segundo filtro n. En la
ecuación (5), los filtros G_{n}(z) pueden ser por
ejemplo filtros de Laguerre tal como se definen mediante la
ecuación (2) o filtros de Kautz tal como se definen mediante la
ecuación
(3).
Por ejemplo las segundas señales filtradas
y_{1}, y_{2}, ..., y_{k} pueden multiplicarse con una matriz
de Fourier. En ese caso los valores c_{kn} de la matriz de la
ecuación (5) pueden elegirse para que sean:
\vskip1.000000\baselineskip
\vskip1.000000\baselineskip
En esta ecuación (6), w representa una función
de ponderación, i representa la raíz cuadrada de -1, K representa el
número de secciones de segundo filtro.
Un dispositivo de filtro y un procedimiento de
filtrado según la invención pueden aplicarse en aplicaciones de
compresión de datos, tales como codificación predictiva lineal. Por
ejemplo, en un sistema de codificación que comprende un dispositivo
codificador y un dispositivo descodificador conectados de manera
comunicativa con el dispositivo codificador, el dispositivo
codificador puede comprender un dispositivo de filtro inverso según
la invención y el dispositivo descodificador puede comprender un
dispositivo de filtro de síntesis según la invención.
En un filtro de predicción o codificador o
descodificador de predicción, los coeficientes de predicción
\alpha_{1}, \alpha_{2}, ..., \alpha_{K} pueden obtenerse
utilizando el siguiente procedimiento. En el ejemplo mostrado, los
coeficientes de predicción dependen de las señales presentes en el
filtro. Por ejemplo, el coeficiente de predicción puede basarse en
algún procedimiento de optimización de las señales o muestras
(obtenidas), tal como la minimización de un error cuadrático
medio.
Para la determinación de \alpha_{K} en el
instante de tiempo n, se selecciona una parte de la señal de entrada
x alrededor de n, por ejemplo un segmento x(t) con
t={n-M_{1}, n-M_{1} +1, ...,
n+M_{2}}, con M_{1}, M_{2} > K. A continuación, se aplica
una función ventana al segmento x(t) (por ejemplo, una
ventana Hanning) para dar un segmento s al que se le ha aplicado una
función ventana.
El segmento s al que se le ha aplicado una
función ventana puede adaptarse entonces para dar un nuevo segmento
s. Por ejemplo, pueden adjuntársele ceros a la señal, puede sumarse
alguna pequeña cantidad de ruido a la señal con el fin de evitar
problemas numéricos en la inversión de matriz (realizada en una
etapa posterior), o puede transformarse el segmento de señal s en
otro segmento. Esto puede realizarse, por ejemplo, para producir
una señal relevante en cuanto a la psicoacústica. En ese caso,
podría calcularse un umbral enmascarado a partir del segmento s y
podría aplicarse una transformada inversa de Fourier al umbral
enmascarado para obtener su señal de tiempo asociada.
La señal s', opcionalmente adaptada o
modificada, se procesa entonces utilizando un procedimiento de
filtrado o un dispositivo de filtro según la invención y se obtienen
las segundas señales filtradas y_{k}. Entonces se determinan los
coeficientes de predicción \alpha_{1}, \alpha_{2}, ...,
\alpha_{K} resolviendo la ecuación:
Ecuación (7) en la que \alpha es un vector que
contiene los coeficientes de predicción: \alpha =
[\alpha_{1}, \alpha_{2}, ..., \alpha_{K}]^{t} y
Q es una matriz y P es un vector en el que los elementos se definen
mediante
En esta ecuación (8), k y l son iguales o
mayores que uno pero menores o iguales a K y * denota un complejo
conjugado. Con el fin de evitar problemas numéricos asociados con la
inversión de matriz requerida para determinar \alpha, pueden
utilizarse técnicas de regularización conocidas, tales como sumar
una matriz de pequeño desfase \varepsilonI a la matriz Q antes de
la inversión, representando \varepsilon un número pequeño y siendo
I la matriz identidad. La determinación de los coeficientes de
predicción puede realizarse en cualquier instante de tiempo n. Sin
embargo, en la práctica, los coeficientes pueden determinarse a
intervalos de tiempo regulares. A través de técnicas de
interpolación, pueden determinarse entonces los coeficientes de
predicción para otros instantes de tiempo.
Además, puede aplicarse un procedimiento de
filtrado según la invención en un procedimiento de modulación de
código por pulso diferencial adaptativo (ADPCM, adaptive
differential pulse code modulation). Asimismo, puede aplicarse
un dispositivo de filtrado según la invención en un dispositivo
ADPCM, tal como se conoce generalmente en la técnica, por ejemplo de
K. Sayood "Introduction to Data compression", 2ª
edición, Morgan Kaufmann 2000, capítulo 10.5.
También puede aplicarse un dispositivo de filtro
o procedimiento de filtrado según la invención en filtrado o
codificación de voz o audio.
Los dispositivos de filtrado según la invención
pueden aplicarse en diversos dispositivos, por ejemplo un
dispositivo 20 de transmisión de datos, como un transmisor de radio
o un encaminador (router) de red informática que comprenda
medios 21 receptores de señal de entrada y medios 22 transmisores,
por ejemplo puede dotarse a una antena para transmitir una señal
codificada de un dispositivo 1 codificador de predicción según la
invención que se conecta a los medios 21 receptores de señal de
entrada y los medios 22 transmisores, tal como se muestra en la
figura 5. Un dispositivo de este tipo puede transmitir una gran
cantidad de datos utilizando un ancho de banda pequeño puesto que el
proceso de codificación comprime los datos.
Igualmente, es posible aplicar un dispositivo 1
de codificación de predicción según la invención en un dispositivo
30 de almacenamiento de datos, como un grabador de SACD, grabador de
DVD o un grabador de Mini Disc, para almacenar datos en un
dispositivo 31 contenedor de datos, como un SACD, un DVD, un disco
compacto o una unidad de disco duro de ordenador. Un dispositivo 30
de este tipo comprende medios 32 de soporte para el dispositivo 31
contenedor de datos, medios 33 de escritura para escribir datos en
el dispositivo 31 contenedor de datos, medios 34 receptores de
señal de entrada, por ejemplo un micrófono y un dispositivo 1
codificador de predicción según la invención que se conecta a los
medios 34 receptores de señal de entrada y a los medios 33 de
escritura, tal como se muestra en la figura 6. Este dispositivo 30
de almacenamiento de datos puede almacenar más datos en un
dispositivo 31 contenedor de datos, mientras que se evitan las
desventajas de los dispositivos de almacenamiento de datos
conocidos.
Igualmente, es posible proporcionar un
dispositivo 40 de procesamiento de datos que comprende medios 41
receptores de señal de entrada, como un reproductor de
DVD-rom y medios 42 de proceso de datos, con un
dispositivo 11 descodificador para señales codificadas por
predicción según la invención, tal como se muestra en la figura 7.
Un dispositivo 40 de procesamiento de datos podría ser un ordenador
o un módulo descodificador de televisión.
También es posible proporcionar un dispositivo
50 de audio como un reproductor multicanal o estéreo doméstico, que
comprende medios 51 de entrada de datos, como un reproductor de CD
de audio, y medios 52 de salida de audio, como un altavoz, con un
dispositivo 11 descodificador para señales codificadas por
predicción según la invención, tal como se muestra en la figura 8.
De manera similar puede proporcionarse un dispositivo 60 grabador
de audio, tal como se muestra en la figura 9, que comprende medios
61 de entrada de audio, como un micrófono, y medios 62 de salida de
datos, con un dispositivo 11 codificador de predicción, permitiendo
de ese modo grabar más datos mientras se utiliza la misma cantidad
de espacio de almacenamiento de datos.
\newpage
Además, la invención puede aplicarse a datos que
se almacenan en un dispositivo contenedor de datos como el disquete
70 mostrado en la figura 10, un dispositivo contenedor de datos de
este tipo podría ser también por ejemplo un disco versátil digital
o un propio super audio CD o un original o negativo para fabricar
tales DVD o SACD.
La invención no se limita a la implementación en
los ejemplos de dispositivos dados a conocer, sino que también puede
aplicarse en otros dispositivos. En particular, la invención no se
limita a dispositivos físicos sino que también puede aplicarse en
dispositivos lógicos de una clase más abstracta o en software que
realizan las funciones del dispositivo. Además, los dispositivos
pueden distribuirse físicamente por un número de aparatos, aunque
se consideran lógicamente como un único dispositivo. Además, los
dispositivos considerados lógicamente como dispositivos separados
pueden integrarse en un único dispositivo físico. Por ejemplo, el
dispositivo de retardo memoria intermedia pueden integrarse
físicamente en los segundos dispositivos de filtro, aunque puede
verse lógicamente como un dispositivo separado, por ejemplo
implementando en cada segundo dispositivo 132 de filtro de la
figura 1 un dispositivo de retardo. Además, el propio dispositivo de
filtro de síntesis o inverso puede implementase como un único
circuito integrado.
La invención también puede implementarse en un
programa informático para su ejecución en un sistema informático,
que incluye al menos partes de código para realizar las etapas de un
procedimiento según la invención cuando se ejecuta en un sistema
informático o permitir a un sistema informático de propósito general
realizar funciones de un dispositivo de filtro según la invención.
Un programa informático de este tipo puede proporcionarse en un
portador de datos, tal como un CD-rom o disquete,
almacenado con datos que pueden cargarse en una memoria de un
sistema informático, representando los datos el programa
informático. El portador de datos puede ser además una conexión de
datos, tal como un cable de teléfono o una conexión inalámbrica que
transmite señales que representan un programa informático según la
invención.
En la memoria descriptiva anterior, se ha
descrito la invención con referencia a ejemplos específicos de
realizaciones de la invención. Sin embargo, será evidente que pueden
realizarse diversas modificaciones y cambios en los mismos sin
apartarse del alcance de la invención tal como se expone en las
reivindicaciones adjuntas. Por consiguiente, las especificaciones y
dibujos han de considerarse en sentido ilustrativo en lugar de
restrictivo.
Claims (25)
1. Procedimiento de filtrado inverso, que
comprende al menos:
- generar (I a VI) una primera muestra de señal
filtrada (\hat{x}(n)) basándose en una muestra de señal de
entrada (x(n)); y
- restar (VII) dicha primera muestra de señal
filtrada (\hat{x}(n)) de dicha muestra de señal de entrada
(x(n)) para obtener una muestra de señal residual
(r(n)),
en el que dicha generación (I a VI) de una
primera muestra de señal filtrada comprende:
- obtener al menos una señal retardada,
amplificada y filtrada, comprendiendo dicha obtención:
- almacenar (I) una primera muestra de señal
relacionada con dicha muestra de señal de entrada en una memoria
intermedia;
- recuperar (II) de dicha memoria intermedia una
muestra de señal retardada (u(n));
- generar (III a V) al menos una segunda muestra
de señal filtrada (y(n)), siendo dicha generación estable y
causal y no consistiendo sólo en un retardo;
- amplificar al menos una muestra de señal con
un factor de amplificación (\alpha_{k}), factor de amplificación
que depende al menos del tiempo o de la señal; y
- comprendiendo además dicho procedimiento:
- obtener (VI) dicha primera señal filtrada
basándose en dicha al menos una señal retardada, amplificada y
filtrada.
2. Procedimiento de filtrado inverso según la
reivindicación 1, en el que dicho almacenamiento de una primera
muestra de señal relacionada con dicha muestra de señal de entrada
en una memoria intermedia y recuperación de dicha memoria
intermedia de una muestra de señal retardada se realizan antes de
dicha generación de al menos una segunda muestra de señal de
filtrada y
- dicha primera muestra de señal es dicha
muestra de señal de entrada;
- dicha al menos una segunda muestra de señal
filtrada se genera filtrando dicha muestra de señal retardada.
3. Procedimiento de filtrado inverso según la
reivindicación 1, en el que dicho almacenamiento de una primera
muestra de señal relacionada con dicha muestra de señal de entrada
en una memoria intermedia y recuperación de dicha memoria
intermedia de una muestra de señal retardada se realizan después de
dicha generación de al menos una segunda muestra de señal filtrada
y
- dicha primera muestra de señal es dicha
segunda muestra de señal filtrada;
- dicha al menos una segunda muestra de señal
filtrada se genera filtrando dicha muestra de señal de entrada.
4. Procedimiento de filtrado inverso según una
cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que dicha
muestra retardada precede directamente a dicha primera muestra de
señal.
5. Procedimiento de filtrado inverso según una
cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que dicha
generación de una primera muestra de señal filtrada comprende al
menos una etapa de filtrado no lineal.
6. Procedimiento de filtrado inverso según una
cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, en el que dicha generación
de al menos una segunda muestra de señal filtrada comprende al
menos una etapa de filtrado recursivo.
7. Procedimiento de filtrado inverso según una
cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que dicha
generación de una segunda señal filtrada tiene una resolución de
tiempo-frecuencia comparable al sistema auditivo
humano.
8. Procedimiento de filtrado inverso según la
reivindicación 6 o las reivindicaciones 6 y 7, en el que dicha
generación de al menos una segunda muestra de señal filtrada
comprende al menos una etapa de filtrado pasa todo.
9. Procedimiento de filtrado inverso según una
cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que dicha
generación de al menos una segunda muestra de señal filtrada
comprende al menos una etapa de filtrado de Laguerre.
10. Procedimiento de filtrado inverso según una
cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que dicha
generación de al menos una segunda muestra de señal filtrada
comprende al menos una etapa de filtrado de Kautz.
11. Procedimiento de filtrado inverso según una
cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que dicha
generación de al menos una segunda muestra de señal filtrada
comprende una etapa de filtrado gamma-tono.
12. Procedimiento de filtrado inverso según una
cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende además
realizar una operación de matrices sobre al menos una de dichas
segundas muestras de señal filtradas.
13. Procedimiento de filtrado inverso según una
cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que dicha
amplificación de al menos una de dichas segundas muestras de señal
filtradas comprende multiplicar al menos una de dichas segundas
muestras de señal filtradas con un coeficiente de predicción,
coeficiente de predicción que se obtiene según un procedimiento de
filtrado de predicción.
14. Procedimiento de filtrado inverso según una
cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que dicha
amplificación de al menos una de dichas segundas muestras de señal
filtradas comprende multiplicar al menos una de dichas segundas
muestras de señal filtradas con un coeficiente de predicción,
coeficiente de predicción que se obtiene según un procedimiento de
modulación de código por pulso adaptativo.
15. Procedimiento de filtrado de síntesis, que
comprende al menos:
- sumar (VIII) una primera muestra de señal
filtrada (\hat{x}(n)) con una muestra de señal de entrada
(r(n)) para determinar una muestra de señal de salida
(x(n));
- generar (I a VI) una primera muestra de señal
filtrada (\hat{x}(n)) a partir de dicha muestra de señal de
salida (r(n)),
en el que dicha generación comprende:
- obtener al menos una señal retardada,
amplificada y filtrada, comprendiendo dicha obtención:
- almacenar (I) una primera muestra de señal
relacionada con dicha muestra de señal de entrada en una memoria
intermedia;
- recuperar (II) de dicha memoria intermedia una
muestra de señal retardada (u(n));
- generar (III a V) al menos una segunda muestra
de señal filtrada (y_{k}(n)), siendo dicha generación
estable y causal y no consistiendo sólo en un retardo;
- amplificar al menos una muestra de señal con
un factor de amplificación (\alpha_{k}), factor de amplificación
que depende al menos del tiempo o de la señal;
- comprendiendo además dicho procedimiento:
- obtener (VI) dicha primera muestra de señal
filtrada (\hat{x}(n)) basándose en dicha al menos una señal
retardada, amplificada y filtrada.
16. Dispositivo de filtro inverso, que comprende
al menos:
- un puerto (11) de entrada para recibir una
señal de entrada (x(n));
- un primer dispositivo (12) combinador
conectado a dicho puerto de entrada, para calcular una señal
residual (r(n)) restando una primera señal filtrada
(\hat{x}(n)) de dicha señal de entrada (x(n));
- una estructura (13) de filtro conectada a
dicho puerto de entrada y a dicho primer dispositivo combinador para
generar dicha primera señal filtrada (\hat{x}(n)) basándose
en dicha señal de entrada (x(n)) y presentar dicha primera
señal filtrada (\hat{x}(n)) a dicho primer dispositivo
combinador;
- comprendiendo además dicho dispositivo de
filtro:
- un puerto (14) de salida conectado a dicho
primer dispositivo combinador para emitir dicha señal residual
(r(n)),
en el que dicha estructura (13) de filtro
comprende, para obtener al menos una señal retardada, amplificada y
filtrada:
- un dispositivo (131) de memoria intermedia
para almacenar una primera señal y liberar una señal retardada
(u(n));
- al menos un segundo dispositivo (130; 132) de
filtro estable y causal, segundo dispositivo de filtro que no
consiste sólo en un retardo y segundo dispositivo de filtro que está
conectado de manera comunicativa con dicho dispositivo de memoria
intermedia y dicho primer dispositivo combinador, para generar al
menos una segunda señal filtrada (y_{k}(n)) basándose en
dicha señal de entrada;
- al menos un dispositivo (133) amplificador que
tiene un factor de amplificación (\alpha_{k}), factor de
amplificación que depende al menos del tiempo o de la señal; y
- dicha estructura de filtro comprende
además:
- un segundo dispositivo (134) combinador para
obtener dicha primera señal filtrada (\hat{x}(n)) a partir
de dicha al menos una señal retardada, filtrada y amplificada.
17. Dispositivo de filtro de síntesis que
comprende al menos:
- un puerto (21) de entrada para recibir una
señal de entrada (r(n)),
- un primer dispositivo (22) combinador para
sumar dicha señal de entrada (r(n)) con una primera señal
filtrada
(\hat{x}(n)), por lo que se obtiene una señal de salida (x(n));
(\hat{x}(n)), por lo que se obtiene una señal de salida (x(n));
comprendiendo además dicho dispositivo de filtro
un puerto (24) de salida conectado a dicho primer dispositivo
combinador para emitir dicha señal de salida (x(n)),
- una estructura (23) de filtro conectada a
dicho puerto (24) de salida y a dicho primer dispositivo combinador
para generar dicha primera señal filtrada (\hat{x}(n))
basándose en dicha señal de salida(x(n)) y presentar
dicha primera señal filtrada (\hat{x}(n)) a dicho primer
dispositivo combinador;
en el que dicha estructura de filtro comprende,
para obtener al menos una señal retardada, amplificada y
filtrada:
- una dispositivo (231) de memoria intermedia
para almacenar una primera señal y liberar una señal
retardada
(u(n));
(u(n));
- al menos un segundo dispositivo (230; 232) de
filtro estable y causal, segundo dispositivo de filtro que no
consiste sólo en un retardo y segundo dispositivo de filtro que está
conectado de manera comunicativa con dicho dispositivo de memoria
intermedia y dicho primer dispositivo combinador, para generar al
menos una segunda señal filtrada (y_{k}(n)) basándose en
dicha señal de salida x(n);
- al menos un dispositivo (233) amplificador que
tiene un factor de amplificación (\alpha_{k}), factor de
amplificación que depende al menos del tiempo o de la señal; y
- dicha estructura de filtro comprende
además:
- un segundo dispositivo (234) combinador para
obtener dicha primera señal filtrada (\hat{x}(n)) a partir
de dicha al menos una señal retardada, amplificada y filtrada.
18. Dispositivo de transmisión de datos que
comprende medios receptores de señal de entrada, medios transmisores
para transmitir una señal codificada y un dispositivo de filtro
según la reivindicación 16 conectado a los medios receptores de
señal de entrada y a los medios transmisores.
19. Dispositivo de almacenamiento de datos para
almacenar datos en un dispositivo contenedor de datos, que comprende
medios de soporte para un dispositivo contenedor de datos, medios de
escritura para escribir datos en el dispositivo contenedor de
datos, medios receptores de señal de entrada y un dispositivo de
filtro según la reivindicación 16 conectado a los medios receptores
de señal de entrada y a los medios de escritura.
20. Dispositivo de procesamiento de datos que
comprende medios receptores de señal de entrada, medios de
procesamiento de datos y un dispositivo de filtro según la
reivindicación 17 conectado de manera comunicativa con los medios
receptores de señal de entrada y los medios de procesamiento de
datos.
21. Dispositivo audiovisual, que comprende
medios de entrada de datos, medios de salida audiovisual y un
dispositivo de filtro según la reivindicación 17.
22. Dispositivo grabador audiovisual, que
comprende medios de entrada audiovisual, medios de salida de datos y
un dispositivo de filtro según la reivindicación 16.
23. Sistema de codificación, que comprende:
- un dispositivo codificador
- un dispositivo descodificador conectado de
manera comunicativa con dicho dispositivo codificador, en el que
- dicho dispositivo codificador comprende al
menos un dispositivo de filtro inverso según la reivindicación 16
y
\newpage
- dicho dispositivo descodificador comprende al
menos un dispositivo de filtro de síntesis según la reivindicación
17.
24. Programa informático que incluye partes de
código para realizar las etapas de un procedimiento según una
cualquiera de las reivindicaciones 1 a 15.
25. Dispositivo portador de datos que incluye
datos que representan un programa informático según la
reivindicación 25.
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