Allpass based analysis synthesis filter banks : design and application

Löllmann, Heinrich W.; Vary, Peter

doi:31339

Allpass based analysis synthesis filter banks : design and application = Allpass-basierte Analyse-Synthese-Filterbänke : Entwurf und Anwendung

Löllmann, Heinrich W.

2011

VerantwortlichkeitsangabeHeinrich W. Löllmann

Ausgabe1. Aufl.

ImpressumAachen : Mainz 2011

UmfangVIII, 238 S. : graph. Darst.

ISBN3-86130-308-6

ReiheAachener Beiträge zu digitalen Nachrichtensystemen ; 30

Zugl.: Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2011

Zsfassung in dt. und engl. Sprache

Genehmigende Fakultät
Fak06

Hauptberichter/Gutachter
Vary, Peter (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2011-06-01

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-38434
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/64283/files/3843.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl und Institut für Nachrichtengeräte und Datenverarbeitung (613310)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Filterbank (Genormte SW) ; Frequenztransformation (Genormte SW) ; Spektraltransformation (Genormte SW) ; Allpass (Genormte SW) ; Warping (Genormte SW) ; Digitale Signalverarbeitung (Genormte SW) ; Ingenieurwissenschaften (frei) ; Allpass-Transformation (frei) ; ungleichförmige Filterbänke (frei) ; rekursive Filterbänke (frei) ; geringe Signallaufzeit (frei) ; allpass transformation (frei) ; frequency warping (frei) ; non-uniform filter banks (frei) ; recursive filter banks (frei) ; low signal delay (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Filterbänke sind ein essentieller Bestandteil zahlreicher Algorithmen für die digitale Signalverarbeitung, die heutzutage in einer Vielzahl von unterschiedlichen Geräten eingesetzt werden. Filterbänke ermöglichen eine Signalverarbeitung im Frequenzbereich und deren Entwurf hat oft einen entscheidenden Einfluss auf die Leistungsfähigkeit eines Systems in Bezug auf dessen Rechenkomplexität, Signalqualität und Verzögerungszeit. In dieser Arbeit werden neuartige Entwurfsverfahren für unterschiedliche Klassen von allpass-basierten Filterbänken entwickelt. Ein wesentlicher Vorteil dieser rekursiven Filterbänke ist, dass sie eine hohe Frequenzselektivität und/oder eine nichtgleichförmige Zeit-Frequenzauflösung mit einer gleichzeitig geringen Signallaufzeit erreichen können. Ein Schwerpunkt dieser Arbeit bildet der Entwurf von allpass-basierten Quadrature-Mirror-Filterbänken (QMF-Bänken) mit fast perfekter Signalrekonstruktion. Neuartige Synthese-Filterbänke werden vorgestellt, dessen Polyphasenkomponenten aus Allpassfiltern bestehen. Diese werden mittels einfacher geschlossener Formeln entworfen, wodurch der Zielkonflikt zwischen Rekonstruktionsfehler und Signalverzögerung der Filterbank in einfacher Weise kontrolliert werden kann. Die neu entwickelte QMF-Bank war Bestandteil eines neuen Sprach- und Audiocodecs der im Rahmen einer ITU-T Standardisierung vorgeschlagen wurde, und hat dazu beigetragen eine hohe Sprach- und Audioqualität mit einer gleichzeitig geringen Signallaufzeit zu erreichen. Ein zentrales Problem beim Entwurf allpass-basierter Filterbänke ist die Kompensation nichtlinearer Phasenverzerrungen, die durch die rekursive Analyse-Filterbank verursacht werden. Daher werden bekannte sowie neue Ansätze zur Lösung dieses Phasenkompensationproblems vorgestellt und analysiert. Ein anderer Schwerpunkt dieser Arbeit ist der Entwurf von allpass-transformierten Analyse-Synthese-Filterbänken. Diese können eine Frequenzauflösung erreichen, die der des menschlichen Gehörs sehr ähnelt, was von besonderem Interesse für die Sprach- und Audiosignalverarbeitung ist. Neue geschlossene sowie numerische Entwurfsverfahren für die Synthese-Filterbank werden vorgestellt, die unterschiedliche Entwurfsziele verfolgen. Ein Vorteil der geschlossenen Entwurfsverfahren ist deren Einfachheit, wohingegen die numerischen Verfahren den Vorteil bieten, dass bestimmte Eigenschaften der Filterbank, wie dessen Rekonstruktionsfehler, Signalverzögerung, Bandpasscharakteristik der Synthese-Filter etc., explizit beeinflusst werden können. Die neuen numerischen Verfahren beruhen dabei auf konvexen Optimierungsproblemen, die relativ einfach zu lösen sind. Schließlich wird in dieser Arbeit eine besonders effiziente Realisierung für den Spezialfall einer allpass-transformierten Filterbank ohne Unterabtastung entwickelt. Dieses als Filter-Bank Equalizer bezeichnete System ermöglicht eine adaptive Signalfilterung mit geringer Signallaufzeit. Es wird aufgezeigt, wie dieses Verfahren für die Störgeräuschreduktion, die Enthallung von Sprachsignalen oder die Verständlichkeitsverbesserung in gestörten Umgebungen eingesetzt werden kann. Diese Sprachverbesserungssysteme mit geringer Latenz sind für den Einsatz in Mobilfunktelefonen, Freisprecheinrichtungen oder digitalen Hörgeräten von besonderem Interesse.

Filter-banks are an essential component of many algorithms for digital signal processing, which are nowadays employed in a variety of ubiquitous devices. Filter-banks enable signal processing in the frequency-domain and their design has often a significant influence on the performance of a system with regard to its computational complexity, signal quality and delay. In this thesis, novel design approaches for different types of allpass-based analysis-synthesis filter-banks are devised. A substantial benefit of these recursive filter-banks is that they can achieve a high frequency selectivity and/or a non-uniform time-frequency resolution with a low signal delay. One focus of this work is the design of allpass-based quadrature-mirror filter-banks (QMF-Banks) with near-perfect reconstruction. New synthesis filter-banks are presented which consist of allpass polyphase filters. They are designed by simple analytical expressions such that the trade-off between reconstruction error and signal delay of the filter-bank can be controlled in a simple manner. The devised QMF-bank has been employed in a candidate proposal for a new ITU-T speech and audio codec and has helped to achieve a high speech and audio quality with a low signal delay. A key issue in the design of allpass-based filter-banks is to compensate non-linear phase distortions caused by the recursive analysis filter-bank. Therefore, known as well as novel phase equalizer designs for this purpose are presented and analyzed. Another focus of this work is the design of allpass transformed analysis-synthesis filter-banks. They can achieve a non-uniform time-frequency resolution similar to that of the human auditory system, which is beneficial for speech and audio processing systems. Novel closed-form and numerical designs for the synthesis filter-bank are introduced, which aim for different design objectives. A benefit of the closed-form designs is their simplicity, while the numerical designs allow the explicit control of specific properties of the filter-bank such as signal delay, reconstruction error, bandpass characteristic of the synthesis filters etc. The new numerical designs are all stated as a convex optimization problem which can be solved rather easily. Finally, an efficient implementation for the special case of an allpass transformed filter-bank without subsampling is derived. This system, termed as filter-bank equalizer, allows to perform adaptive subband filtering with a low signal delay. It is shown how this filter-bank can be used for noise reduction, speech dereverberation, or speech intelligibility improvement in noisy environments. These low delay speech enhancement systems are of particular interest for applications within cell phones, hands-free devices, or digital hearing aids.

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