技术摘要：
本发明涉及数字信号的改进的卷积。当第一数字信号与第二数字信号卷积以获得输出数字信号时，随后将使用有限的位数进行转换。为了防止信息丢失，并且因此防止将来转换时输出数字信号的劣化，第一和第二数字信号中的至少一个由合适值形成，这些值将来自第一数字信号的信  全部
背景技术：
如今，信号通常以数字形式表示、使用和修改。例如，视觉或图像信号的情况，其通 常以表示一个或多个颜色层的像素亮度的幅度的数字矩阵的形式来表示，并且针对音频信 号，其通常针对一个或多个音频信道，通过在每个音频信道上的一连串的音频轨迹的幅度 的时间采样来表示。 在许多应用中，数字信号可以被修改。例如，这是希望改变音频信号的幅度、修改 图像的亮度或对比度、或更一般地对信号执行滤波的情况。可以针对大量应用执行信号滤 波，例如执行去噪、调整要收听的音频信号，或者更一般地对信号应用任何类型的效果。 在实践中，数字信号的修改通常通过与另一数字信号的卷积来执行。卷积包括在 一个时间窗口上对两个信号的值进行乘法和加法以获得修改后的信号。卷积的最简单的情 况在于简单地将输入数字信号的样本乘以单个系数，以对输入数字信号应用幅度的变化， 并且从而获得放大的或衰减的输出数字信号。 在滤波器的许多其他示例中，例如去噪滤波器、低通滤波器、高通滤波器等…通过 在无限大小的时间窗口上对输入数字信号和表示滤波器的信号进行卷积，可以在理论上将 滤波器应用于输入数字信号。然而，在大多数情况下，卷积仅限于有限大小的窗口。通过在 有限大小的窗口上乘以系数定义的滤波器称为有限脉冲响应(FIR)滤波器。将这种滤波器 应用于脉冲或狄拉克delta函数时，产生一个称为滤波器的脉冲响应的输出信号，该输出信 号由幅度分别等于滤波器系数的样本形成。 数字信号由存储在若干位(称为信号的位深)上的样本形成。例如，音频信号通常 具有16或24位的位深度，而图像信号通常具有8到16位之间包含的位深度。当对输入数字信 号应用滤波器、变换、传递函数或卷积时，所得到的输出数字信号通常具有比输入数字信号 的位深度高的位深度，以便从输入数字信号和变换中保存尽可能多的信息。例如，16位输入 数字信号的衰减的结果可以存储在24位或者甚至32位上，以便在输出数字信号中具有尽可 能高的精度。 被计算能力通常用于计算操作的位数通常远高于用于存储数字信号的位数。例 如，大多数处理器以32位或64位执行操作，而大多数音频信号具有16的位深，并且大多数图 像信号的位深为8。这种特性被数字信号处理系统所使用，以获得尽可能高的滤波精度。例 如，信号的衰减通常用dB表示。音频处理的常见操作包括对音频信号应用以dB表示的增益。 处理能力所允许的位数被广泛用于获得音频信号的幅度变化的非常精确的值。以类似的方 式，当应用FIR滤波器时，使用最大位数，以便获得尽可能接近理论/理想脉冲响应的FIR滤 波器的脉冲响应。 然而，这样的输出信号需要被转换以便被用户感测。例如，音频输出数字信号的转 4 CN 111602340 A 说　明　书 2/34 页 换可以由数模转换器(DAC)执行，DAC将输出数字信号转换为使用扬声器收听的模拟信号。 例如，可以通过激活由输出数字信号的样本的值定义的亮度级别的像素来查看图像输出数 字信号。 应当注意，这种允许用户感测输出数字信号的转换的本身是使用定义的数量的位 来执行的。例如，尽管大多数音频DAC转换具有高达24位的位深的音频样本，但实际上使用 较低的位深(例如21位)来转换音频数字信号。因此，当音频数字信号被转换为要收听的音 频模拟信号时，这种DAC的性能大致对应于音频数字信号的21个最有效位。这种信息的丢失 会导致音频信号的劣化，这可能会显著改变音频收听的质量。 在应用增加位数的变换之后，在转换其他类型的数字信号(例如数字图像信号) 时，也可能发生类似的劣化。 然而，当对信号应用滤波器时，由于数字信号的转换而导致的这种信息丢失可能 不仅影响信号本身，而且影响滤波器的响应。 因此，需要一种能够执行数字信号的变换(例如幅度的变化或滤波)的设备，同时 在将来使用有限的位数对所述数字信号进行转换时减少用户对所述数字信号感知到的劣 化。还需要一种设备，该设备能够在将来使用有限的位数对所述数字信号进行转换时，执行 数字信号的转换，同时减少由转换的用户感知到的劣化。
技术实现要素：
为此，本发明公开了一种数字电路，其被配置为对输入数字信号和表示变换的数 字信号执行卷积以获得输出数字信号，所述输入数字信号和表示变换的所述数字信号中的 至少一个包括由目标数字信号的位需求优化获得的一个或多个样本。 有利地，变换(St)是对输入数字信号的过采样。 有利地，所述位需求优化包括将所述输入数字信号和表示变换的所述数字信号中 的所述至少一个的样本的值定义为将第一整数除以2的第二整数次幂。 有利地，所述第二整数包含在最小数(K)和最大数(K D)之间，并且等于使用最小 位数将样本转换为表示之间的差的绝对值的递增函数。 有利地，所述第二整数包含在最小数(K)和最大数(K D)之间，并且等于使用最小 位数除以样本的值将样本转换为表示之间的差的绝对值的递增函数。 有利地，所述递减函数定义了等于或小于最大位数的位数。 有利地，递减函数是精度的位数减去目标数字信号的目标样本的所述绝对值的绝 对值的二进制对数。 有利地，根据变换的目标精度定义了精度的位数。 有利地，位需求优化的值包括基于目标样本的目标值在合适值的集合中选择样本 的值。 有利地，精度的位数等于在具有形式]1/2N 1；1/2N]的范围内的合适值的目标数目 的二进制对数的上限。 有利地，在具有形式]1/2N 1；1/2N]的范围中的合适值的数目等于6除以两个合适 值之间的平均目标阶跃，单位为dB。 有利地，合适值的集合进一步由最大合适值定义，并且包括：2的精度值的位数次 5 CN 111602340 A 说　明　书 3/34 页 幂，分别等于：从1到2的精度位数次幂除以2的最大位数次幂的第一整数值；针对由第二整 数值定义的多个范围中的每个范围，该第二整数值包含在所述最大合适值的二进制对数和 最大位数减1之间：2的精度位数减1次幂，分别等于：第一整数值，从1加2的精度的位数减1 次幂到2的精度的位数次幂除以2的第二个整数值次幂。 有利地，所述输入数字信号和表示变换的数字信号中的所述至少一个包括多个样 本；每个样本根据所述样本所需的精度与精度的位数相关联；每个样本的值在至少由与所 述样本相关联的精度的位数定义的合适值的离散集合中选择。 有利地，表示变换的数字信号包括单个样本，该样本表示要应用于输入数字信号 的幅度变化的系数。 有利地，数字电路被配置为：在时间窗口上确定所述输入数字信号的最大绝对值； 基于所述最大绝对值和预定义的最大饱和系数计算最大幅度变化系数；在合适值的所述集 合中选择所述单个样本的值，该值表示小于所述最大幅度变化系数的幅度变化系数，所述 最大幅度变化系数最接近目标幅度变化系数。 有利地，根据目标数字信号的样本的目标值和合适值的选择规则，在合适值中选 择一个或多个样本的值。 有利地，选择规则选择最接近目标值的合适值。 有利地，选择规则基于目标值和合适值之间的错误以及合适值所需的附加位数的 组合来选择合适值。 有利地，选择规则首先选择最接近目标值的候选合适值；如果候选合适值的第一 个整数是奇数，则选择规则选择(如果存在)作为候选合适值的邻居的合适值集合中的合适 值，并且其第一个整数是4的倍数。 有利地，选择规则：将最接近目标值的第一合适值添加到候选值的空列表中；迭代 地，针对添加到候选值的列表中的每个候选值：将候选值定义为第一奇整数除以2的第二整 数次幂；验证第一附加值(等于第一奇整数加1除以2的第二整数次幂)是否在目标值周围的 错误范围内；如果是，则将第一附加值添加到候选值的列表中；验证第二附加值(等于第一 奇整数减1除以2的第二整数次幂)是否在目标值周围的错误范围内；如果是，则将第二附加 值添加到候选值的列表中；在候选值的列表中选择候选值，该候选值列表已经定义为第一 奇整数除以2的第二整数次幂，所述第二整数是候选值中最小的。 有利地，输入数字信号具有输入位深度，并且所述输出数字信号具有高于或等于 输入位深度的输出位深度。 有利地，表示变换的数字信号的样本的值是整数值，所述数字电路被配置为执行 将输入数字信号的样本完全转换为具有输出位深度的转换后的样本，并且将转换后的样本 乘以表示变换的数字信号的一个或多个样本。 有利地，表示变换的数字信号的样本的值是整数值，该整数值等于合适系数的值 乘以2的所述输出位深度和所述输入位深度之间的差次幂，所述数字电路被配置为执行将 输入数字信号的样本转换为具有输出位深度的转换后的样本，并且将转换后的样本乘以表 示变换的数字信号的样本的值。 本发明还公开了一种设备，其包括：本发明的数字电路；与数模转换器的连接，所 述数模转换器被配置为使用所述输入位深度和所述输出位深度之间包含的转换精度将所 6 CN 111602340 A 说　明　书 4/34 页 述输出数字信号转换为数字输出数字信号，转换成输出模拟信号。 有利地，该设备进一步包括与一个或多个衰减器或放大器的连接，以使用具有有 限个可能值的固定增益或可变增益对输出模拟信号应用幅度变化。 本发明还公开了一种将输入数字信号与表示变换的数字信号卷积以获得输出数 字信号的方法，所述输入数字信号和表示变换的所述数字信号中的至少一个包括由目标数 字信号的位需求优化获得的一个或多个样本。 本发明还公开了一种计算机程序，其包括计算机代码指令，该代码指令被配置为 对输入数字信号和表示变换的数字信号执行卷积以获得输出数字信号，所述输入数字信号 和表示变换的所述数字信号中的至少一个包括由目标数字信号的位需求优化获得的一个 或多个样本。 本发明还公开了一种创建要与第二数字信号卷积的第一数字信号的方法，包括目 标数字信号的位需求优化。 本发明还公开了一种数字电路，其被配置为对输入数字信号和表示变换的数字信 号进行卷积以获得输出数字信号，所述输入数字信号和表示变换的所述数字信号中的至少 一个包括一个或多个样本，其值属于合适值的离散集合，其中：所述合适值的离散集合至少 由一个递减函数定义，所述递减函数将若干位定义为所述合适值的绝对值的函数；合适值 等于第一整数除以2的第二整数次幂，所述第二整数等于或小于将递减函数应用于所述合 适值的绝对值的上限。 有利地，所述合适值的离散集合进一步由最大位数定义；针对每个合适系数的每 一个第二整数等于或小于所述最大位数。 有利地，递减函数是精度的位数减去所述合适值的绝对值的二进制对数。 有利地，根据变换的目标精度定义了精度的位数。 有利地，精度的位数等于在具有形式]1/2N 1；1/2N]的范围内的目标数目的合适值 的二进制对数的上限。 有利地，在具有形式]1/2N 1；1/2N]的范围内的合适值的数目等于6除以两个合适 值之间的平均目标阶跃，单位为dB。 有利地，合适值的集合进一步由最大合适值定义，并且包括：2的精度值的位数次 幂，分别等于：第一整数值，从1到2的精度的位数次幂除以2的最大位数次幂；针对由第二整 数值定义的多个范围中的每个范围，该第二整数值包含在所述最大合适值的二进制对数和 最大位数减1之间：2的精度位数减1次幂，分别等于：第一整数值，从1加2的精度位数减1次 幂到2的精度位数次幂除以2的第二个整数值次幂。 有利地，所述输入数字信号和表示变换的数字信号中的一个包括多个样本；根据 所述样本所要求的精度，每个样本与多个精度位相关联；每个样本的值属于至少由与所述 样本相关联的精度位数定义的合适值的离散集合。 有利地，表示变换的数字信号包括单个样本，该样本表示要应用于输入数字信号 的幅度变化的系数。 有利地，数字电路被配置为：在时间窗口上确定所述输入数字信号的最大绝对值； 基于所述最大绝对值和预定义的最大饱和系数计算最大幅度变化系数；在所述合适值的集 合中选择所述单个样本的值，所述合适值表示小于所述最大幅度变化系数的幅度变化系 7 CN 111602340 A 说　明　书 5/34 页 数，所述最大幅度变化系数最接近目标幅度变化系数。 有利地，根据目标值和合适值的选择规则，在合适值中选择一个或多个样本的值。 有利地，选择规则选择最接近目标值的合适值。 有利地，选择规则基于目标值和合适值之间的错误以及合适值所需的附加位数的 组合来选择合适值。 有利地，选择规则首先选择最接近目标值的候选合适值；如果候选合适值的第一 整数是奇数，则选择规则选择(如果存在)作为候选合适值的邻居的合适值的集合中的合适 值，并且其第一整数是4的倍数。 有利地，选择规则：将最接近目标值的第一合适值添加到候选值的空列表中；迭代 地，针对添加到候选值的列表中的每个候选值：将候选值定义为第一奇整数除以2的第二整 数次幂；验证第一附加值(等于第一奇整数加1除以2的第二整数次幂)是否在目标值周围的 错误范围内；如果是，则将第一附加值添加到候选值的列表中；验证第二附加值(等于第一 奇整数减1除以2的第二整数次幂)是否在目标值周围的错误范围内；如果是，则将第二附加 值添加到候选值的列表中；在候选值的列表中选择候选值，该候选值被定义为第一奇整数 除以2的第二整数次幂，所述第二整数是候选值中最小的。 有利地，输入数字信号具有输入位深度，并且所述输出数字信号具有高于或等于 输入位深度的输出位深度。 有利地，表示该变换的数字信号的样本的值是整数值，所述数字电路被配置为执 行将输入数字信号的样本完全转换为具有输出位深度的转换后的样本，并且将转换后的样 本乘以表示变换的数字信号的一个或多个样本。 有利地，表示变换的数字信号的样本的值是整数值，该整数值等于合适系数的值 乘以2的所述输出位深度和所述输入位深度之间的差次幂，所述数字电路被配置为执行将 输入数字信号的样本转换为具有输出位深度的转换后的样本，并且将转换后的样本乘以表 示变换的数字信号的样本的值。 本发明还公开了一种设备，其包括：本发明的数字电路；与数模转换器的连接，所 述数模转换器被配置为使用包含在所述输入位深度和所述输出位深度之间的转换精度将 所述输出数字信号转换为数字输出数字信号，转换为输出模拟信号。 有利地，该设备包括与一个或多个衰减器或放大器的连接，以使用具有有限个可 能值的固定增益或可变增益对输出模拟信号应用幅度变化。 本发明还公开了一种将输入数字信号和表示变换的数字信号卷积以获得输出数 字信号的方法，所述输入数字信号和表示变换的数字信号中的至少一个包含其值属于合适 值的离散集合的一个或多个样本，其中：所述合适值的离散集合至少由将多个位定义为所 述合适值的绝对值的函数的递减函数定义；每个合适值等于第一整数除以2的第二整数次 幂，所述第二整数等于或小于将递减函数应用于所述合适值的绝对值的上限。 本发明还公开了一种计算机程序产品，该计算机程序产品包括计算机代码指令， 该计算机代码指令被配置为执行对输入数字信号和表示变换的数字信号的卷积以获得输 出数字信号，所述输入数字信号和表示变换的数字信号中的至少一个包含其值属于合适值 的离散集合的一个或多个样本，其中：所述合适值的离散集合至少由将多个位定义为所述 合适值的绝对值的函数的递减函数定义；每个合适值等于第一整数除以2的第二整数次幂， 8 CN 111602340 A 说　明　书 6/34 页 所述第二整数等于或小于将递减函数应用于所述合适值的绝对值的上限。 本发明还公开了一种创建将与第二数字信号卷积的第一数字信号的方法，包括： 获取第一数字信号的样本的目标值；针对样本的每个目标值，选择属于合适值的集合的合 适值，其中：所述合适值的离散集合至少由将多个位定义为所述合适值的绝对值的函数的 递减函数定义；每个合适值等于第一整数除以2的第二整数次幂，所述第二整数等于或小于 将递减函数应用于所述合适值的绝对值的上限；将样本的值设置为合适值。 本发明极大地改进了用户对数字信号和/或其变换的感知。 本发明可适用于对两个数字信号执行卷积的任何系统，以便改进用户对所得到的 数字信号的感知。 可以对本发明进行定制，以在改进用户对正在卷积的两个数字信号中的一个的感 知和第二个信号与目标数字信号的接近度之间提供折衷。 本发明可以适用于输入数字信号和输出数字信号的位数，以及用于转换输出数字 信号的位数。 附图说明 通过以下对仅出于说明目的而提供的多个示例性实施例的描述及其附图，将可以 更好地理解本发明，并且其各种特征和优点将变得显而易见，其中： 图1a和图1b分别显示了两个数字信号； 图2a、图2b和图2c显示了本发明多个实施例中的设备的三个示例； 图3显示了在本发明的多个实施例中用于管理汽车中的音频设备的系统的示例； 图4显示了本发明的多个实施例中的压缩机设备的示例； 图5显示了本发明的多个实施例中的音频放大器设备的示例； 图6显示了本发明的多个实施例中的高保真处理器的示例； 图7显示了本发明的多个实施例中的混合器的示例； 图8显示了在本发明的多个实施例中执行两个数字信号的卷积的方法； 图9显示了根据本发明的将与第二数字信号卷积的第一数字信号的创建方法； 图10a、图10b和图10c分别显示了其系数使用16位进行量化的现有技术低通滤波 器的频率响应、本发明的低通滤波器的频率响应以及本发明的低通滤波器的脉冲响应； 图11a、图11b和图11c分别显示了其系数使用16位进行量化的现有技术RIAA滤波 器的频率响应、本发明的RIAA滤波器的频率响应以及本发明的RIAA滤波器的脉冲响应； 图12a、图12b和图12c分别表示根据本发明的使用8位系数、16位系数和使用位需 求优化的8至16位系数的低通滤波器的脉冲响应。