TWI413108B - 音訊解碼器、接收機與傳輸系統、音訊解碼方法、用於發射及接收音訊信號之方法及相關電腦程式產品與音訊播放裝置 - Google Patents

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Description

音訊解碼器、接收機與傳輸系統、音訊解碼方法、用於發射及接收音訊信號之方法及相關電腦程式產品與音訊播放裝置
本發明係關於音訊解碼，且具體而言但不排他地，係關於對MPEG Surround信號之解碼。
在過去幾十年中，隨著數位信號表示及通信已日益取代類比表示及通信，對各種源信號之數位編碼已變得日益重要。舉例而言，例如視訊及音樂等媒體內容之發行正日益基於數位內容編碼。
此外，在過去十年中，已出現一種朝多通道音訊且具體而言朝擴展超出傳統立體聲信號之空間音訊發展之趨勢。舉例而言，傳統之立體聲錄音帶僅包含兩個通道，而現代之高級音訊系統通常使用五個或六個通道，如在流行之5.1環繞聲系統中一樣。此會提供更投入之收聽體驗，在此種體驗中，使用者可被多個聲音源環繞。
人們已開發出各種技術及標準來傳送此等多通道信號。舉例而言，根據例如高級音訊編碼(Advanced Audio Coding，AAC)或杜比數位(Dolby Digital)標準，可傳輸代表一5.1環繞系統之六個離散通道。
然而，為提供後向相容性，已知將較高數量之通道減量混頻至較少數量之通道，且具體而言，常常使用其將一5.1環繞聲信號減量混頻至一立體聲信號，從而使舊型(立體聲)解碼器能夠重放立體聲信號，而環繞聲解碼器能夠重放5.1信號。
一個實例係MPEG2後向相容編碼方法。將多通道信號減量混頻成立體聲信號。在附屬資料部分中編碼額外之信號作為多通道資料，從而使MPEG2多通道解碼器能夠產生多通道信號之表示形式。MPEG1解碼器將忽略該附屬資料並因而僅解碼立體聲減量混頻信號。在MPEG2中所應用之編碼方法之主要缺點在於，該等額外信號所需之額外資料傳輸率與對立體聲信號進行編碼所需之資料傳輸率處於同一數量級。因此，用於將立體聲擴展至多通道音訊之額外位元傳輸率非常大。
其他現有之用於後向相容多通道傳輸而無額外多通道資訊之方法通常可由矩陣化環繞方法來表徵。矩陣環繞編碼之實例包括例如Dolby Prologic II及Logic－7。該等方法之一般原理在於，其對輸入信號之該多個通道與一適當矩陣實施矩陣乘法，以由此產生一具有較少數量之通道之輸出信號。具體而言，一矩陣編碼器通常在將該等環繞通道與前端通道及中心通道混合之前，對環繞通道應用相移。
實施通道轉換之另一原因係編碼效率。已發現，例如可將環繞聲音訊信號編碼成多個立體聲通道音訊信號與一描述音訊信號空間特性之參數位元流之組合。解碼器可以非常令人滿意之精確度來重放立體聲音訊信號。藉由此種方式，可節約相當大之位元速率。
存在數個可用於描述音訊信號空間特性之參數。一個此種參數係通道間互相關，例如立體聲信號之左通道與右通道間之互相關。另一參數係通道之功率比。在例如MPEG Surround編碼器等所謂之(參數)空間音訊編碼器中，自原始音訊信號中提取該等及其他參數，以便形成一通道數量減少(例如僅單個通道)之音訊信號加上一組描述原始音訊信號空間特性之參數。在所謂之(參數)空間音訊解碼器中，重新設置由所傳輸空間參數所描述之空間特性。
此種空間音訊編碼較佳在編碼器及解碼器中採用一包含標準單元之級聯的或基於樹的階層式結構。在編碼器中，該等標準單元可係將各通道組合成較少數量通道之減量混頻器，例如2混成1、3混成1、3混成2等減量混頻器，而在解碼器中，對應之標準單元可係將各通道分裂成較高數量通道之增量混頻器，例如1混成2、2混成3增量混頻器。
圖1圖解說明一種用於根據當前由MPEG以MPEG Surround之名稱加以標準化之方法對多通道音訊信號實施編碼之編碼器之一實例。MPEG Surround系統將一多通道信號編碼成一單聲或立體聲減量混頻信號伴隨一組參數。該減量混頻信號可由一舊型音訊編碼器(例如MP3或AAC編碼器)進行編碼。該等參數代表該多通道音訊信號之空間影像，並可編碼及以後向相容方式嵌入至該舊型視訊流中。
在解碼器側上，首先將核心位元流解碼，從而使得產生該單聲或立體聲減量混頻信號。舊型解碼器，即並不利用MPEG Surround解碼之解碼器，仍能解碼該減量混頻信號。然而，若具備一MPEG Surround解碼器，則重新設置各空間參數，從而得到一在感覺上接近原始多通道輸入信號之多通道表示形式。MPEG Surround解碼器之一實例圖解說明於圖2中。
除如圖1及2中所示之基本空間編碼/解碼之外，MPEG Surround系統還提供豐富的一組特徵，從而能達成一大的應用範圍。其中一種最突出之特徵稱作矩陣相容性(Matrix Compatibility)或矩陣(化)環繞相容性(Matrix(ed)Surround Compatibility)。
傳統矩陣環繞系統之實例係Dolby Pro Logic I及II以及Circle Surround。該等系統之運作如在圖3中所示。通常使用一5(.1)－2矩陣將多通道PCM輸入信號變換成一所謂之矩陣化減量混頻信號。矩陣環繞系統之概念係，在立體聲減量混頻信號中分別對前端與環繞(後端)通道進行同相及不同相混頻。在某種程度上，此會在解碼器側上達成反轉，從而重構一多通道。
在矩陣環繞系統中，可使用擬用於立體聲傳輸之傳統通道來傳輸立體聲信號。因而，類似於MPEG Surround系統，矩陣環繞系統亦提供一種形式之後向相容性。然而，由於自矩陣環繞編碼所得到之立體聲減量混頻信號之特定相位性質，當自例如揚聲器或頭戴式耳機中作為立體聲信號來收聽時，該等信號常常並不具有高的聲音品質。
在矩陣環繞解碼器中，應用一M－N(其中例如M＝2且N＝5(.1))矩陣來產生多通道PCM輸出信號。然而，一般而言，N－M矩陣組(其中(N>M))不可逆，且因而矩陣環繞系統一般不能夠精確地重構原始多通道PCM輸出信號，該等多通道PCM輸出信號往往具有非常明顯之假像。
與此等傳統矩陣環繞系統相比，在MPEG Surround中，藉由在MPEG Surround編碼之後對MPEG Surround編碼器之頻率子頻帶中之複數樣本值應用一2x2矩陣，來獲得MPEG Surround相容性。此一編碼器之一實例圖解說明於圖4中。該2x2矩陣通常係一複數值矩陣，其係數相依於空間參數。在此種系統中，該等空間參數既係時變參數，又係頻變參數，且因此，該2x2矩陣亦既係時變矩陣，又係頻變矩陣。相應地，通常對時間－頻率拼圖應用複數矩陣運算。
藉由在MPEG環繞編碼器中應用矩陣環繞相容性(Matrix Surround Compatibility)功能，能使所得到之立體聲信號與由傳統矩陣環繞編碼器(例如Dolby Pro－LogicTM )所產生之信號相容。此將使舊型解碼器能夠對環繞信號實施解碼。此外，可使矩陣環繞相容性作業在相容之MPEG Surround解碼器中反向，由此便能夠產生高品質多通道信號。
可將矩陣相容性編碼矩陣描述為： 其中L，R係傳統MPEG立體聲減量混頻信號，LMTX ，RMTX 係經矩陣環繞編碼之減量混頻信號，且其中hxy 係複數係數，其根據多通道參數加以確定。
藉由一2x2矩陣來提供矩陣相容立體聲信號之一優點在於該等矩陣可逆此一事實。因此，無論在編碼器中是否採用一矩陣相容性立體聲減量混頻信號，MPEG Surround解碼器皆仍可遞送相同之輸出音訊品質。一相容性MPEG環繞解碼器之一實例圖解說明於圖5中。
在正常MPEG Surround解碼器中，解碼器側之逆處理可由此藉由下式加以確定： 因此，由於H 可逆，因而矩陣相容性編碼器之運算亦可逆。
在MPEG Surround系統中，包括矩陣相容性運算在內之處理係在頻域中進行。更具體而言，使用所謂之經複指數調變之正交鏡相濾波器(QMF)組將頻率軸劃分成若干個頻帶。
在許多方面，此種類型之QMF組可等同於交疊－相加離散傅立葉變換(DFT)組、或其有效對等者快速傅立葉變換(FFT)。QMF組以及DFT組共同具有進行信號調處所需之如下特性：－表示形式係經過超取樣。由於該特性，可應用例如等化(對各個頻帶之按比例縮放)等調處，而不會引入混淆失真。而經過緊要取樣之表示形式，例在AAC中所採用之眾所習知之經修正離散餘弦變換(MDCT)，並不遵循該特性。因而，在合成之前對MDCT係數進行時變及頻變修改會導致混淆，而此又會在輸出信號中造成可聽到之假像。
－頻域表示形式係複數值。與實數值表示形式相比，複數值表示形式能夠達成對信號相位之簡單修改。
儘管在信號調處方面相對於經緊要取樣之實數值表示形式具有若干優點，然而與此種表示形式相比，其一明顯之缺點係計算複雜度。MPEG Surround解碼器之複雜度之主要部分起因於QMF分析及合成濾波器組及對複數值信號之對應處理。
相應地，對於所謂之低功率(LP)解碼器，已提出在實數值域中實施一部分處理。為此，已使用實數值餘弦調變濾波器組來取代複數調變濾波器組，隨後對於較低頻帶，部分地擴展至複數值域。此一濾波器組圖解說明於圖6中。
在正常運作模式中，MPEG Surround解碼器對複數值子頻帶域樣本應用實數值處理，或者在為LP之情況下，對實數值子頻帶域樣本應用該等處理。然而，該解碼器中之矩陣相容性特徵涉及到相位旋轉，以便在頻域中恢復原始立體聲減量混頻信號。該等相位旋轉係藉由複數值處理來達成。換言之，為引入所需之相位旋轉，矩陣相容性解碼矩陣H－1 固有地為複數值。相應地，在此等系統中，矩陣環繞相容運算在LP頻域表示形式之實數值部分中不可逆，從而導致解碼品質降低。
因而，改良之音訊解碼作業將較佳。
相應地，本發明力圖分別或以任意組合形式較佳減輕、緩解或消除一個或多個上述缺陷。
根據本發明之一第一態樣，提供一種音訊解碼器，其包括：接收構件，其用於接收包含一N通道信號之輸入資料，該N通道信號對應於一M通道音訊信號之減量混頻信號，M>N，該M通道音訊信號具有多個應用於子頻帶中之複數值子頻帶編碼矩陣及與該減量混頻信號相關聯之參數多通道資料；產生構件，其用於為該N通道信號產生頻率子頻帶，該等頻率子頻帶中之至少某些係實數值頻率子頻帶；確定構件，其用於根據該參數多通道資料來確定用於補償該等編碼矩陣之應用之實數值子頻帶解碼矩陣；產生構件，其用於藉由在該至少某些實數值頻率子頻帶中對該等實數值子頻帶解碼矩陣與該N通道信號之資料實施矩陣乘法，來產生對應於該減量混頻信號之減量混頻資料。
本發明可達成改良及/或便利之解碼。具體而言，本發明可達成明顯之複雜度降低，同時獲得高的音訊品質。舉例而言，本發明可達成使複數值子頻帶矩陣乘法在實數值頻率子頻帶解碼器中部分地反向之效果。
作為一具體實例，本發明可例如能夠使MPEG矩陣相容性編碼在使用實數值頻率子頻帶之MPEG環繞解碼器中部分地反向。
該解碼器可包括用於根據減量混頻資料來產生減量混頻信號之構件，並可進一步包括用於根據減量混頻資料及參數多通道資料來產生M通道音訊信號之構件。在此等實施例中，本發明可至少部分地根據實數值頻率子頻帶來產生一精確之多通道音訊信號。
可為每一頻率子頻帶確定一不同之解碼矩陣。
根據本發明之一可選特徵，該確定構件經設置以確定該等編碼矩陣之複數值子頻帶逆矩陣及根據該等逆矩陣來確定該等解碼矩陣。
此可達成特別有效之實施方案及/或改良之解碼品質。
根據本發明之一可選特徵，該確定構件經設置以根據該等逆矩陣之一對應矩陣係數之絕對值來確定該等解碼矩陣之每一實數值矩陣係數。
此可達成一特別有效之實施方案及/或改良之解碼品質。可根據該等逆矩陣之僅該對應矩陣係數之絕對值而不考量任一其他矩陣係數，來確定該等解碼矩陣之每一實數值矩陣係數。對應之矩陣係數可係對應於同一頻率子頻帶之該逆矩陣之同一位置上之矩陣係數。
根據本發明之一可選特徵，該確定構件經設置以將每一實數值矩陣係數實質上確定為該等逆矩陣中該對應矩陣係數之絕對值。
此可達成一特別有效之實施方案及/或改良之解碼品質。
根據本發明之一可選特徵，該確定構件經設置以根據子頻帶轉換矩陣係對應解碼矩陣與編碼矩陣之乘積，來確定該等解碼矩陣。
此可達成一特別有效之實施方案及/或改良之解碼品質。該等對應之解碼矩陣及編碼矩陣可係對應於同一頻率子頻帶之編碼矩陣及解碼矩陣。該確定構件可具體而言經設置以選擇該等解碼矩陣之係數值，以使該等轉換矩陣具有一所需特性。
根據本發明之一可選特徵，該確定構件經設置以根據僅該等轉換矩陣之量值量度來確定該等解碼矩陣。
此可達成一特別有效之實施方案及/或改良之解碼品質。具體而言，該確定構件可經設置以在確定該等解碼矩陣時忽略相位量度。此可降低複雜度，同時使可感覺到之音訊品質降格保持較低。
根據本發明之一可選特徵，每一子頻帶之轉換矩陣表示為： 其中G係一子頻帶解碼矩陣，且H係一子頻帶編碼矩陣，且該確定構件經設置以選擇矩陣係數 以使p12 及p21 之功率量度滿足一準則。
此可達成一特別有效之實施方案及/或改良之解碼品質。可對該解碼矩陣加以選擇，以得到一低於一臨限值(其可根據約束條件或其他參數來確定)之功率量度，或者可例如將該解碼矩陣選擇為會得到最小功率量度之解碼矩陣。
根據本發明之一可選特徵，根據下式來確定量值量度
此可達成一特別有效之實施方案及/或改良之解碼品質。
根據本發明之一可選特徵，該確定構件進一步經設置以在使p11 及p22 的量值大致等於1之約束條件下選擇該等矩陣係數。
此可達成一特別有效之實施方案及/或改良之解碼品質。
根據本發明之一可選特徵，該減量混頻信號及參數多通道資料係符合一MPEG環繞標準。
對於MPEG環繞相容信號，本發明可達成特別有效、低複雜度及/或改良音訊品質之解碼。
根據本發明之一可選特徵，該編碼矩陣係一MPEG矩陣環繞相容性編碼矩陣，且該第一N通道信號係一MPEG矩陣環繞相容性信號。
本發明可達成特別有效、低複雜度及/或改良之音訊品質，並可尤其達成低複雜度解碼，以有效地補償在編碼器中實施之MPEG矩陣環繞相容性運算。
根據本發明之另一態樣，提供一種音訊解碼方法，該方法包括：接收包含一N通道信號之輸入資料，該N通道信號對應於一M通道音訊信號之減量混頻信號，M>N，該M通道音訊信號具有多個應用於頻率子頻帶中之複數值子頻帶編碼矩陣及與該減量混頻信號相關聯之參數多通道資料；為該N通道信號產生頻率子頻帶，該等頻率子頻帶中之至少某些係實數值頻率子頻帶；根據該參數多通道資料來確定用於補償該等編碼矩陣之應用之實數值子頻帶解碼矩陣；及藉由在該至少某些實數值頻率子頻帶中對該等實數值子頻帶解碼矩陣與該N通道信號之資料實施矩陣乘法，來產生對應於該減量混頻信號之減量混頻資料。
根據本發明之另一態樣，提供一種用於接收一N通道信號之接收機，該接收機包括：接收構件，其用於接收包含一N通道信號之輸入資料，該N通道信號對應於一M通道音訊信號之減量混頻信號，M>N，該M通道音訊信號具有多個應用於頻率子頻帶中之複數值子頻帶編碼矩陣及與該減量混頻信號相關聯之參數多通道資料；產生構件，其用於為該N通道信號產生頻率子頻帶，該等頻率子頻帶中之至少某些係實數值頻率子頻帶；確定構件，其用於根據該參數多通道資料來確定用於補償該等編碼矩陣之應用之實數值子頻帶解碼矩陣；產生構件，其用於藉由在該至少某些實數值頻率子頻帶中對該等實數值子頻帶解碼矩陣與該N通道信號之資料實施矩陣乘法，來產生對應於該減量混頻信號之減量混頻資料。
根據本發明之另一態樣，提供一種用於傳輸一音訊信號之傳輸系統，該傳輸系統包括：一發射機，其包括：產生構件，其用於產生一M通道音訊信號之N通道減量混頻信號，M>N；產生構件，其用於產生與該減量混頻信號相關聯之參數多通道資料；產生構件，其用於藉由在各頻率子頻帶中對該N通道減量混頻信號應用複數值子頻帶編碼矩陣來產生一第一N通道信號；產生構件，其用於產生一包含該第一N通道信號及該參數多通道資料之第二N通道信號；及發射構件，其用於將該第二N通道信號發射至一接收機；且該接收機包括：接收構件，其用於接收該第二N通道信號；產生構件，其用於為該第一N通道信號產生頻率子頻帶，該等頻率子頻帶中之至少某些係實數值頻率子頻帶；確定構件，其用於根據該參數多通道資料來確定實數值子頻帶解碼矩陣，以用於補償該等編碼矩陣之應用；及產生構件，其用於藉由在該至少某些實數值頻率子頻帶中對該等實數值子頻帶解碼矩陣與該N通道信號之資料實施一矩陣乘法，來產生對應於該N通道減量混頻信號之減量混頻資料。
該N通道信號可具有一包含該參數多通道資料之額外相關通道。
根據本發明之另一態樣，提供一種自一可換算音訊位元流接收一音訊信號之方法，該方法包括：接收包含一N通道信號之輸入資料，該N通道信號對應於一M通道音訊信號之減量混頻信號，M>N，該M通道音訊信號具有多個應用於頻率子頻帶中之複數值子頻帶編碼矩陣及與該減量混頻信號相關聯之參數多通道資料；為該N通道信號產生頻率子頻帶，該等頻率子頻帶中之至少某些係實數值頻率子頻帶；根據該參數多通道資料來確定用於補償該等編碼矩陣之應用之實數值子頻帶解碼矩陣；及藉由在該至少某些實數值頻率子頻帶中對該等實數值子頻帶解碼矩陣與該N通道信號之資料實施矩陣乘法，來產生對應於該減量混頻信號之減量混頻資料。
根據本發明之另一態樣，提供一種用於發射和接收一音訊信號之方法，該方法包括：在一發射機中執行如下步驟：產生一M通道音訊信號之N通道減量混頻信號，M>N，產生與該減量混頻信號相關聯之參數多通道資料，藉由在各頻率子頻帶中對該N通道減量混頻信號應用複數值子頻帶編碼矩陣來產生一第一N通道信號，產生一包含該第一N通道信號及該參數多通道資料之第二N通道信號，及將該第二N通道信號發射至一接收機；且在該接收機中執行如下步驟：接收該第二N通道信號；為該第一N通道信號產生頻率子頻帶，該等頻率子頻帶中之至少某些係實數值頻率子頻帶；根據該參數多通道資料來確定實數值子頻帶解碼矩陣，以用於補償該等編碼矩陣之應用；及藉由在該至少某些實數值頻率子頻帶中對該等實數值子頻帶解碼矩陣與該N通道信號之資料實施一矩陣乘法，來產生對應於該N通道減量混頻信號之減量混頻資料。
參考下述實施例來闡述本發明，將易知本發明之該等及其他態樣、特徵及優點。
下文說明著重於適用於一種用於對一MPEG環繞編碼信號進行解碼之解碼器之本發明實施例，該MPEG環繞編碼信號包含矩陣環繞相容性編碼。然而，應瞭解，本發明並不僅限於此種應用，而是亦可應用於許多其他編碼標準。
圖7圖解說明一種根據本發明某些實施例用於傳送音訊信號之傳輸系統700。傳輸系統700包括一發射機701，發射機701經由一網路705(其具體而言可為網際網路)耦接至一接收機703。
在該具體實例中，發射機701係一信號記錄裝置，且接收機703係一信號播放裝置，但應瞭解，在其他實施例中，發射機及接收機亦可在其他應用中用於其他用途。
在其中支援信號記錄功能之具體實例中，發射機701包括一數位化器707，數位化器707接收一類比多通道信號，藉由取樣及類比－數位轉換將該類比多通道信號轉換成一數位PCM(經脈衝編碼調變)多通道信號。
發射機701耦接至圖1中之編碼器709，由編碼器709根據一種包含用於矩陣環繞相容性編碼之功能之MPEG環繞編碼算法對PCM信號實施編碼。編碼器709可例如係圖4中之先前技術解碼器。在該實例中，編碼器709具體而言產生一立體聲MPEG矩陣環繞相容立體聲減量混頻信號。
因此，編碼器709產生一由下式表示之信號 其中L，R係一傳統MPEG環繞立體聲減量混頻信號，LMTX ，RMTX 係編碼器709所輸出之經矩陣環繞相容編碼之減量混頻信號。此外，編碼器709所產生之信號包含藉由MPEG環繞編碼所產生之多通道參數資料。此外，hxy 係根據多通道參數確定出之複數係數。熟習此項技術者容易理解，編碼器709所實施之處理係在複數值子頻帶中使用複數運算來實施。
編碼器709耦接至一網路發射機711，網路發射機711接收經編碼之信號並介接至網路705。網路發射機711可將經編碼之信號經由網路705發射至接收機703。
接收機703包含一網路介面713，網路介面713介接至網路705並經設置以自發射機701接收經編碼之信號。
網路介面713耦接至一解碼器715。解碼器715接收經編碼之信號並按照一種解碼算法將其解碼。在該實例中，解碼器715重新產生原始多通道信號。具體而言，解碼器715首先產生一經補償之立體聲減量混頻信號，其對應於在實施MPEG矩陣環繞相容運算之前藉由MPEG環繞編碼所產生之減量混頻信號。然後，根據該減量混頻信號及所接收之多通道參數資料來產生一經解碼之多通道信號。
在其中支援信號播放功能之該具體實例中，接收機703進一步包括一信號播放器717，信號播放器717自解碼器715接收經解碼之多通道音訊信號並將其提供給使用者。具體而言，信號播放器717可包含為輸出經解碼之音訊信號所需之數位－類比轉換器、放大器及揚聲器。
圖8更詳細地圖解說明解碼器715。
解碼器715包含接收機801，其接收由編碼器709所產生之信號。如前面所述，該信號係一立體聲信號，其對應於藉由將複數值頻率子頻帶中之複數樣本值乘以一複數值編碼矩陣H而經過處理之減量混頻信號。此外，所接收信號包括對應於該減量混頻信號之多通道參數資料。具體而言，所接收信號係一經過矩陣環繞相容性處理之經MPEG環繞編碼信號。
此外，接收機801提供對所接收信號之核心解碼，以產生減量混頻PCM信號。
接收機801耦接至一參數資料處理器803，參數資料處理器803自所接收信號中提取多通道參數資料。
此外，接收機801耦接至一子頻帶濾波器組805，子頻帶濾波器組805將所接收立體聲信號變換至頻域。具體而言，子頻帶濾波器組805產生複數個頻率子頻帶。該等頻率子頻帶中之至少某些係實數值頻率子頻帶。子頻帶濾波器組805可具體對應於圖6中所示之功能。因此，子頻帶濾波器組805可產生K個複數值子頻帶及M－K個實數值子頻帶。實數值子頻帶通常將為較高頻率子頻帶，例如高於2 kHz之子頻帶。使用實數值子頻帶實質上有利於子頻帶產生以及在該等子頻帶中對樣本實施之運算。因此，在解碼器715中，將M－K個子頻帶作為實數值資料及運算而非作為複數值資料及運算加以處理，由此達成複雜度及成本之明顯降低。
子頻帶濾波器組805耦接至一補償處理器807，補償處理器807產生對應於減量混頻信號之減量混頻資料。具體而言，補償處理器807藉由力圖對在編碼器709之頻率子頻帶中乘以編碼矩陣H之運算進行逆運算，來補償矩陣環繞相容性運算。藉由將子頻帶之資料值乘以一子頻帶解碼矩陣G來實施此種補償。然而，與編碼器709中之處理相比，解碼器715之實數值子頻帶中之矩陣乘法僅在實數域中實施。因此，不僅樣本值為實數值樣本，解碼矩陣G之矩陣係數亦為實數值係數。
補償處理器807耦接至一矩陣處理器809，矩陣處理器809確定要應用於子頻帶中之解碼矩陣。對於該M個複數值子頻帶，可簡單地將解碼矩陣G確定為同一子頻帶中編碼矩陣H之逆矩陣。然而，對於實數值子頻帶，矩陣處理器809確定可對編碼矩陣運算提供有效補償之實數值矩陣係數。
因此，補償處理器807之輸出對應於經MPEG環繞編碼之減量混頻信號之子頻帶表示形式。相應地，可明顯減輕或消除矩陣環繞相容性運算之影響。
補償處理器807耦接至一合成子頻帶濾波器組811，合成子頻帶濾波器組811自該子頻帶表示形式產生一時域PCM MPEG環繞解碼減量混頻信號。在該具體實例中，合成子頻帶濾波器組811因此在將信號轉換回時域之過程中形成子頻帶濾波器組805之對應裝置。
合成子頻帶濾波器組811饋送至一多通道解碼器813，多通道解碼器813進一步耦接至參數資料處理器803。多通道解碼器813接收時域PCM減量混頻信號及多通道參數資料，並產生原始多通道信號。
在該實例中，合成子頻帶濾波器組811將已實施矩陣運算之子頻帶信號變換至時域。多通道解碼器813因此接收一MPEG環繞編碼信號，該MPEG環繞編碼信號與假若未在解碼器中應用矩陣環繞相容運算時所將接收到之信號相當。因此，可對矩陣環繞相容信號及對非矩陣環繞相容信號使用同一MPEG多通道解碼算法。然而，在其他實施例中，多通道解碼器813可在由補償處理器807進行補償之後直接處理子頻帶樣本。在此等情形中，可省卻合成子頻帶濾波器組811，或者可將合成子頻帶濾波器組811之某些功能與多通道解碼器813相整合。
因此，為降低複雜度，當將經補償之信號提供至多通道解碼器813時，保持處於子頻帶域中常常較佳。因此，可避免合成子頻帶濾波器組811及作為多通道解碼器813之一部分之分析濾波器組之複雜度。
實際上，如果有可能，通常較佳不在頻域與時域之間來回移動，乃因其計算代價較高。因而，在根據本發明某些實施例之解碼器中，在已將信號轉換至子頻帶域(頻域)(其本身又係藉由對核心位元流實施解碼並對所得到之PCM信號應用濾波器組來加以確定)後，在補償處理器807中應用矩陣環繞求逆(若適用，即若在位元流中發出信號)，並隨後直接使用所得到之子頻帶域信號來重構多通道(子頻帶域)信號。最後，應用合成濾波器組來獲得時域多通道信號。
因此，在圖7所示之系統中，編碼器709可產生一可由例如Dolby Pro LogicTM 解碼器等舊型矩陣環繞解碼器進行解碼之矩陣環繞相容信號。儘管此需要藉由一矩陣環繞相容性運算使原始MPEG環繞編碼減量混頻信號失真，然而在MPEG多通道解碼器中可有效地消除該運算，藉以能夠使用參數資料來產生原始多通道之精確表示形式。
此外，解碼器715允許在實數值頻率子頻帶中實施對矩陣環繞相容性運算之補償，而非要求使用複數值頻率子頻帶，從而能在獲得高音訊品質之同時明顯降低解碼器715之複雜度。
在下文中，將說明對適用於解碼矩陣之矩陣係數之確定過程之實例。
編碼器709藉由在每一子頻帶中應用如下複數值編碼矩陣(應瞭解，每一子頻帶具有一不同之編碼矩陣)，來執行矩陣環繞相容性運算。
其中L，R係傳統立體聲減量混頻信號，且LMTX ，RMTX 係矩陣環繞編碼減量混頻信號。編碼器矩陣H表示為： 其中w 1 及w 2 相依於藉由MPEG環繞編碼所產生之空間參數。具體而言： 其中w 1, t 及w 2, t 係非正規化權重，其定義為： 其中CLD l 及CLD r 分別表示左－前、左－環繞、與右－前、右－環繞通道對之通道位準差(以dB表示)。c 1, MTX 及c 2, MTX 係矩陣係數，其係用於在解碼器中按下式根據左L DMX 及右R DMX 減量混頻信號來導出中間左L 、中心C 及右R 信號之預測係數c 1 及c 2 之函數： c 1, MTX 及c 2, MTX 按下式進行確定： 其中x ＝{0,1}。
另一選擇為，MPEG環繞解碼器支援一種其中係數c 1 及c 2 分別表示左－左加中心及右－右加中心之功率比之模式。在此種情形中，c 1, MTX 及c 2, MTX 採用不同之函數。
因此，對於每一時間/頻率拼圖，對複數樣本值應用一複數值編碼矩陣H。假若在原始多通道輸入信號中前端信號佔主導，則權重w 1 及w 2 將接近於0。因此，矩陣環繞減量混頻信號將接近於輸入立體聲減量混頻信號。假若環繞(後端)信號在原始多通道輸入信號中佔主導，則權重w 1 及w 2 將接近於1。因此，矩陣環繞減量混頻信號將包含由MPEG Surround編碼器所提供原始立體聲減量混頻信號之高度不同相型式。
藉由一2x2矩陣來提供矩陣相容立體聲信號之一主要優點在於如下事實：該等矩陣可逆。因此，無論編碼器是否採用矩陣相容立體聲減量混頻信號，MPEG Surround解碼器皆仍可遞送相同之輸出音訊品質。
因而，在其中所有頻率子頻帶皆為複數值子頻帶(例如使用經複數調變之QMF組)之MPEG Surround解碼器中，解碼器側上之逆處理表示為： 其中 其中N ＝h 11 h 22 －h 12 h 21 。
然而，此種逆運算需要使用複數值，且因此不能在圖7所示解碼器715中應用，乃因該解碼器715(至少部分地)使用實數值子頻帶。相應地，矩陣處理器809產生一可用於明顯減輕編碼矩陣之影響之實數值解碼矩陣。
每一子頻帶中各編碼及解碼矩陣之總體影響可由轉換矩陣P表示為： 其中H 表示編碼器矩陣，且G 表示解碼器矩陣。
在理想情況下，G＝H －1 ，從而使P＝H －1 ．H＝I ，即單位矩陣。由於編碼器矩陣H 之各權重h xy 全部為複數值之事實，無法在解碼器中針對實數值子頻帶對該矩陣求逆。
實數值子頻帶通常處於較高頻率，例如高於2 kHz之子頻帶。在該等頻率下，相位關系之重要性在感覺上低得多，且因此矩陣處理器809確定具有適當量值(功率)特性之解碼矩陣，而不考量相位特性。具體而言，矩陣處理器809可確定在|p 11 |1及|p 22 |1之假定或約束條件下將使串擾項p 12 及p 21 之量值或功率值較小之實數值矩陣係數。
在某些實施例中，矩陣處理器809可確定編碼矩陣之複數值子頻帶逆矩陣H－1 ，並隨後根據該矩陣之矩陣係數來確定實數值解碼矩陣G。具體而言，G中之每一係數皆可根據H－1 中處於同一位置之係數加以確定。舉例而言，可根據H－1 中對應係數之量值來確定一實數值係數。實際上，在某些實施例中，矩陣處理器可確定H－1 之係數並隨後將G之係數確定為逆矩陣H－1 中對應矩陣係數之絕對值。
因此，矩陣處理器809可確定 為 其中N ＝h 11 h 22 －h 12 h 21 。
可以證明，對於w 1 ＝w 2 ＝0及w 1 ＝w 2 ＝1之具體情形，該解完全滿足上述約束條件(|p 11 |＝|p 22 |＝1及|p 12 |＝|p 21 |＝0)。
圖9圖解說明該解之轉換矩陣主項(10log10 |p11 |2 )之量值。圖10圖解說明p11 之相位角，且圖11圖解說明串擾項(10log10 |p21 |2 )。
具體而言，圖9顯示主矩陣項p 11 相對於|p 11 |＝1之理想值之偏差(以dB表示)隨w 1 及w 2 之變化。可以看到，相對於理想情形之最大偏差小於1 dB。圖10顯示p 11 之角度隨w 1 及w 2 之變化。根據相對於理想複數值情形之差值可以預計，相位差最高達90度。圖11顯示以dB為單位量測之串擾矩陣項p 21 之量值隨權重w 1 及w 2 之變化。應注意，藉由交換w 1 與w 2 ，可獲得其他轉換矩陣元素。
在某些實施例中，矩陣處理器809可根據子頻帶轉換矩陣P＝G．H來確定一子頻帶之解碼矩陣G。具體而言，矩陣處理器可選擇G之係數值，以使P獲得一給定特性。
同樣，由於實數值子頻帶之相位值往往具有低之感覺權重，因而實例性解碼器715僅考量P之量值特性。藉由選擇解碼矩陣係數以使p12 及p21 之功率量度滿足一準則－例如(舉例而言)使功率量度最小化或者使功率量度低於一給定準則，矩陣處理器809可獲得高品質效能。矩陣處理器809可例如在一可能實數值係數範圍內進行搜索，並選擇會使p12 及p21 之功率量度最低之實數值係數。此外，可使該評價具有其他約束條件，例如使p11 及p22 基本等於1(例如介於0.9與1.1之間)之約束條件。
在某些實施例中，矩陣處理器809可執行一種數學算法來確定適合於解碼方法之實數值係數值。其一具體實例闡述於下文中，其中該算法力求在|p 11 |2 ＝1及|p 22 |2 ＝1之約束條件下使總體串擾最小化：|p 12 |2 ＋|p 21 |2 。
該問題可通過一標準多元數學分析工具來求解。具體而言，適於使用拉格朗日(Lagrangian)乘數方法，對於G 中之每一列向量v ，該方法皆使用一由二次型q 所表示之正規化要求q (v )＝1變換成vA＝ λ vB 之矩陣特徵值問題。矩陣A 及B 以及二次型q 相依於複數矩陣H 中之元。
下面給出v ＝[g 11 g 12 ]之解。顯然，藉由在下面的解中互換變數w 1 與w 2 ，亦可求解v ＝[g 21 g 22 ]。
拉格朗日矩陣A 及B 定義為： 其中q 1 及q 2 定義為： 藉由下式得到特徵值：det(A －λ B )＝0，其會得到二次多項式之根： 其中 現在便可確定兩個候選解：
最終解係藉由v ＝c i ．v i 來確定，其中i 為1或2，以使|p 11 |2 ＝1且具有最小之串擾。第一c i 係按下式計算： 然後計算該兩個皆之串擾|p 12 |2 ：
會產生最小串擾之索引i 表示為v ＝c i ．v i 。無需進一步證明便可指出，索引i 始終等於2，而與變數w 1 及w 2 無關。
為完整起見，下文以解析方程式形式給出G之完整解。定義如下變數： s ＝q 1 ＋q 2 ， 然後，按下式計算變數b ： 按下式計算矩陣G 中兩列之根r α 及r β ：
然後，可按下式確定未經換算之解v temp ,1 及v temp ,2 ： 按下式計算正規化常數c ： 最後，將矩陣G 表示為：
圖12、13及14圖解說明該解之效能。圖12顯示主矩陣項p 11 之量值相對於|p 11 |＝1之理想值之偏差(以dB表示)隨w 1 及w 2 之變化。可以看到，由於為該解所設定之約束條件，該量值始終等於理想值|p 11 |＝1。
圖13顯示p 11 之角度隨w 1 及w 2 之變化。應注意，由於全實數解所施加之約束條件，此處之相位差別亦最高達90度。
圖14顯示以dB為單位量測之串擾矩陣項p 21 之量值隨權重w 1 及w 2 之變化。
如在該等圖中所示，將解碼矩陣係數設定為逆編碼矩陣係數之絕對值之解在主項增益與串擾抑制兩方面僅相對於使串擾最小化之更複雜方法偏差＋/－ 1 dB。
圖15圖解說明一種根據本發明某些實施例之音訊解碼方法。
在步驟1501中，一解碼器接收包含一N通道信號之輸入資料，該N通道信號對應於一M通道音訊信號之減量混頻信號，M>N，該M通道音訊信號具有多個應用於頻率子頻帶中之複數值子頻帶編碼矩陣及與該減量混頻信號相關聯之參數多通道資料。
在步驟1501之後進行步驟1503，在該步驟中為該N通道信號產生頻率子頻帶。該等頻率子頻帶中之至少某些係實數值頻率子頻帶。
在步驟1503之後進行步驟1505，在該步驟中，根據該參數多通道資料來確定用於補償該等編碼矩陣之應用之實數值子頻帶解碼矩陣。
在步驟1505之後進行步驟1507，在該步驟中，藉由在該至少某些實數值頻率子頻帶中對該等實數值子頻帶解碼矩陣與該N通道信號之資料實施矩陣乘法，來產生對應於該減量混頻信號之減量混頻資料。
應瞭解，為清楚起見，在上文說明中已參照不同功能單元及處理器闡述了本發明之實施例。然而，易於得知，可在不背離本發明之條件下在不同功能單元或處理器之間使用任意適當之功能分配。舉例而言，在圖中顯示成由各單獨處理器或控制器實施之功能可由同一處理器或控制器實施。因而，應將對具體功能單元之提及僅視為對適合提供所述功能之構件之提及，而非表示嚴格之邏輯或物理結構或組織形式。
本發明之方法可構建為任一適宜之形式，包括硬體、軟體、韌體或該等之任一組合。本發明可視需要至少部分地構建為在一個或多個資料處理器及/或數位信號處理器上運行之電腦軟體。可採用任一適宜方式在實體上、功能上及邏輯上構建本發明一實施例之各元件及組件。實際上，該功能可構建於單個單元內、複數個單元內或作為其它功能單元之一部分。因此，本發明可構建於單個單元內而或可在實體上及功能上分佈於不同單元及處理器之間。
儘管已結合某些實施例闡述了本發明，但本發明並非旨在僅限於本文中所陳述之具體形式。而是，本發明之範圍僅受隨附申請專利範圍限制。另外，儘管一特徵可能看起來係結合特定實施例加以說明，然而熟習此項技術者將知，根據本發明，可將各所述實施例之不同特徵加以組合。於申請專利範圍中，用語"包含(comprising)"並不排除其它元件或步驟之存在。
此外，儘管是個別列出，但複數個構件、元件或方法步驟可由例如單個單元或處理器構建。另外，儘管在不同請求項內可能包含個別之特徵，然而該等特徵可有利地加以組合，且包含於不同請求項內並非意味著該等特徵之組合不可行或不有利。此外，將一特徵包含於一類請求項中並不意味著僅限於該類別，而是表示該特徵視需要同等地適用於其他請求項類別。此外，請求項中各特徵之次序並不意味著該等特徵在起作用時所必須遵循之任何特定此項，且具體而言，方法項中各單獨步驟之次序並不意味著必須以該次序來實施該等步驟。而是，可按任何適宜之次序來實施該等步驟。另外，單數提及形式並不排除複數形式。因此，所提及之"一"、"一個"、"第一"、"第二"等並不排除複數。申請專利範圍中之參考符號僅供作為一闡釋性實例且不應被解釋為以任何方式限定申請專利範圍之範疇。
700．．．傳輸系統
701．．．發射機
703．．．接收機
705．．．網路
707．．．數位化器
709．．．編碼器
711．．．網路發射機
713．．．網路介面
715．．．解碼器
717．．．信號播放器
801．．．接收機
803．．．參數資料處理器
805．．．子頻帶濾波器組
807．．．補償處理器
809．．．矩陣處理器
811．．．合成子頻帶濾波器組
813．．．多通道解碼器
現在將參照圖式僅以舉例方式來說明本發明之實施例，圖式中：圖1圖解說明一種根據先前技術用於對多通道音訊信號進行編碼之編碼器之實例；圖2圖解說明一種根據先前技術用於對多通道音訊信號進行解碼之解碼器之實例；圖3圖解說明一種根據先前技術之矩陣環繞編碼/解碼系統之實例；圖4圖解說明一種根據先前技術用於對多通道音訊信號進行編碼之編碼器之實例；圖5圖解說明一種根據先前技術用於對多通道音訊信號進行解碼之解碼器之實例；圖6圖解說明一種用於產生複數值及實數值頻率子頻帶之濾波器組之實例；圖7圖解說明一種根據某些實施例用於傳送音訊信號之傳輸系統；圖8圖解說明一種根據本發明某些實施例之解碼器；圖9－14圖解說明一種根據本發明某些實施例之解碼器之性能特性；及圖15圖解說明一種根據本發明某些實施例進行解碼之方法。
715．．．解碼器
801．．．接收機
803．．．參數資料處理器
805．．．子頻帶濾波器組
807．．．補償處理器
809．．．矩陣處理器
811．．．合成子頻帶濾波器組
813．．．多通道解碼器

Claims (18)

  1. 一種音訊解碼器(715)，其包括：－接收構件(801)，其用於接收包含一N通道信號之輸入資料，該N通道信號對應於一M通道音訊信號之一減量混頻信號，M>N，該M通道音訊信號具有應用於頻率子頻帶中之複數值子頻帶編碼矩陣及與該減量混頻信號相關聯之參數多通道資料；－產生構件(805)，其用於為該N通道信號產生頻率子頻帶，該等頻率子頻帶中之至少某些係實數值頻率子頻帶；－確定構件(809)，其用於根據該參數多通道資料來確定用於補償該等編碼矩陣之應用之實數值子頻帶解碼矩陣；及－產生構件(807)，其用於藉由在該至少某些實數值頻率子頻帶中對該等實數值子頻帶解碼矩陣與該N通道信號之資料實施一矩陣乘法來產生對應於該減量混頻信號之減量混頻資料。
  2. 如請求項1之音訊解碼器(715)，其中該確定構件(809)經設置以確定該等編碼矩陣之複數值子頻帶逆矩陣並根據該等逆矩陣來確定該等解碼矩陣。
  3. 如請求項2之音訊解碼器(715)，其中該確定構件(809)經設置以根據該等逆矩陣之對應矩陣係數之一絕對值來確定該等解碼矩陣之每一實數值矩陣係數。
  4. 如請求項3之音訊解碼器(715)，其中該確定構件(809)經設置以將每一實數值矩陣係數實質上確定為該等逆矩陣之該對應矩陣係數之一絕對值。
  5. 如請求項1之音訊解碼器(715)，其中該確定構件(809)經設置以根據子頻帶轉換矩陣係對應解碼矩陣與編碼矩陣之乘積來確定該等解碼矩陣。
  6. 如請求項5之音訊解碼器(715)，其中該確定構件(809)經設置以根據僅該等轉換矩陣之量值量度來確定該等解碼矩陣。
  7. 如請求項5之音訊解碼器(715)，其中每一子頻帶之該等轉換矩陣表示為： 其中G係一子頻帶解碼矩陣，且H係一子頻帶編碼矩陣，且該確定構件經設置以選擇矩陣係數 以使p12 及p21 之功率量度滿足一準則。
  8. 如請求項7之音訊解碼器(715)，其中該量值量度係根據下式加以確定
  9. 如請求項7之音訊解碼器(715)，其中該確定構件(809)經進一步設置以在使p11 及p22 的一量值大致等於1之約束條件下選擇該等矩陣係數。
  10. 如請求項1之音訊解碼器，其中該減量混頻信號及該參數多通道資料係根據一MPEG環繞標準。
  11. 如請求項1之音訊解碼器(715)，其中該編碼矩陣係一MPEG矩陣環繞相容性編碼矩陣且該第一N通道信號係一MPEG矩陣環繞相容信號。
  12. 一種音訊解碼方法，該方法包括：－接收(1501)包含一N通道信號之輸入資料，該N通道信號對應於一M通道音訊信號之一減量混頻信號，M>N，該M通道音訊信號具有應用於頻率子頻帶中之複數值子頻帶編碼矩陣及與該減量混頻信號相關聯之參數多通道資料；－為該N通道信號產生(1503)頻率子頻帶，該等頻率子頻帶中之至少某些係實數值頻率子頻帶；－根據該參數多通道資料來確定(1505)用於補償該等編碼矩陣之應用之實數值子頻帶解碼矩陣；及－藉由在該至少某些實數值頻率子頻帶中對該等實數值子頻帶解碼矩陣與該N通道信號之資料實施一矩陣乘法來產生(1507)對應於該減量混頻信號之減量混頻資料。
  13. 一種用於接收一N通道信號之接收機(703)，該接收機(703)包括：－接收構件(801)，其用於接收包含一N通道信號之輸入資料，該N通道信號對應於一M通道音訊信號之減量混頻信號，M>N，該M通道音訊信號具有多個應用於頻率子頻帶中之複數值子頻帶編碼矩陣及與該減量混頻信號相關聯之參數多通道資料；－產生構件(805)，其用於為該N通道信號產生頻率子頻帶，該等頻率子頻帶中之至少某些係實數值頻率子頻帶；－確定構件(809)，其用於根據該參數多通道資料來確定用於補償該等編碼矩陣之應用之實數值子頻帶解碼矩陣；－產生構件(807)，其用於藉由在該至少某些實數值頻率子頻帶中對該等實數值子頻帶解碼矩陣與該N通道信號之資料實施一矩陣乘法來產生對應於該減量混頻信號之減量混頻資料。
  14. 一種用於傳輸一音訊信號之傳輸系統(700)，該傳輸系統包括：－一發射機(701)，其包括：－產生構件(709)，其用於產生一M通道音訊信號之一N通道減量混頻信號，M>N，－產生構件(709)，其用於產生與該減量混頻信號相關聯之參數多通道資料，－產生構件(709)，其用於藉由在各頻率子頻帶中對該N通道減量混頻信號應用複數值子頻帶編碼矩陣來產生一第一N通道信號；－產生構件(709)，其用於產生一包含該第一N通道信號及該參數多通道資料之第二N通道信號；及－發射構件(711)，其用於將該第二N通道信號發射至一接收機(703)；及－該接收機(703)包括：－接收構件(801)，其用於接收該第二N通道信號，－產生構件(805)，其用於為該第一N通道信號產生頻率子頻帶，該等頻率子頻帶中之至少某些係實數值頻率子頻帶；－確定構件(809)，其用於根據該參數多通道資料來確定實數值子頻帶解碼矩陣，以用於補償該等編碼矩陣之應用；及－產生構件(807)，其用於藉由在該至少某些實數值頻率子頻帶中對該等實數值子頻帶解碼矩陣與該N通道信號之資料實施一矩陣乘法來產生對應於該N通道減量混頻信號之減量混頻資料。
  15. 一種接收一音訊信號之方法，該方法包括：－接收(1501)包含一N通道信號之輸入資料，該N通道信號對應於一M通道音訊信號之一減量混頻信號，M>N，該M通道音訊信號具有多個應用於頻率子頻帶中之複數值子頻帶編碼矩陣及與該減量混頻信號相關聯之參數多通道資料；－為該N通道信號產生(1503)頻率子頻帶，該等頻率子頻帶中之至少某些係實數值頻率子頻帶；－根據該參數多通道資料來確定(1505)用於補償該等編碼矩陣之應用之實數值子頻帶解碼矩陣；及－藉由在該至少某些實數值頻率子頻帶中對該等實數值子頻帶解碼矩陣與該N通道信號之資料實施一矩陣乘法來產生(1507)對應於該減量混頻信號之減量混頻資料。
  16. 一種用於發射和接收一音訊信號之方法，該方法包括：－在一發射機(701)中執行如下步驟：－產生一M通道音訊信號之N通道減量混頻信號，M>N，－產生與該減量混頻信號相關聯之參數多通道資料，－藉由在各頻率子頻帶中對該N通道減量混頻信號應用複數值子頻帶編碼矩陣來產生一第一N通道信號，－產生一包含該第一N通道信號及該參數多通道資料之第二N通道信號，及－將該第二N通道信號發射至一接收機(703)；及－在該接收機(703)中執行如下步驟：－接收(1501)該第二N通道信號，－為該第一N通道信號產生(1503)頻率子頻帶，該等頻率子頻帶中之至少某些係實數值頻率子頻帶，－根據該參數多通道資料來確定(1505)用於補償該等編碼矩陣之應用之實數值子頻帶解碼矩陣，－藉由在該至少某些實數值頻率子頻帶中對該等實數值子頻帶解碼矩陣與該N通道信號之資料實施一矩陣乘法來產生(1507)對應於該N通道減量混頻信號之減量混頻資料。
  17. 一種電腦程式產品，其用於執行如請求項12、15、16中任一項之方法。
  18. 一種音訊播放裝置(703)，其包括一如請求項1之解碼器(715)。
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