PROCEDIMIENTO Y APARATO PARA EL FILTRADO DIGITAL DE SEÑALES.

Procedimiento y aparato para el filtrado digital de señales.El objeto principal de la presente invención es un procedimiento y un aparato para el filtrado digital de señales aplicable a campos como el audio,

video, comunicaciones, radar, sismología etc., que permite conseguir una excelente resolución espectral en un amplio rango de frecuencias. Además, se consigue un gran ahorro computacional con relación a los filtros digitales empleados hasta el momento. Fundamentalmente, el procedimiento comprende utilizar una combinación de filtros digitales lineales con filtros lineales deformados, bien en cascada o en paralelo. La invención es especialmente útil en el campo de la acústica

Tipo: Patente de Invención. Resumen de patente/invención. Número de Solicitud: P200800229.

Solicitante: UNIVERSIDAD POLITECNICA DE VALENCIA.

Nacionalidad solicitante: España.

Provincia: VALENCIA.

Inventor/es: LOPEZ MONFORT,JOSE JAVIER, RAMOS PEINADO,GERMAN.

Fecha de Solicitud: 23 de Enero de 2008.

Fecha de Publicación: .

Fecha de Concesión: 20 de Mayo de 2011.

Clasificación Internacional de Patentes:

  • H03H17/02 SECCION H — ELECTRICIDAD.H03 CIRCUITOS ELECTRONICOS BASICOS.H03H REDES DE IMPEDANCIA, p. ej. CIRCUITOS RESONANTES; RESONADORES (medidas, ensayos G01R; disposiciones para producir una reverberación sonora o un eco G10K 15/08; redes de impedancia o resonadores que se componen de impedancias distribuidas, p. ej. del tipo guía de ondas, H01P; control de la amplificación, p. ej. control del ancho de banda de los amplificadores, H03G; sintonización de circuitos resonantes, p. ej. sintonización de circuitos resonantes acoplados, H03J; redes para modificar las características de frecuencia de sistemas de comunicación H04B). › H03H 17/00 Redes que utilizan técnicas digitales. › Redes selectoras de frecuencia.

Clasificación PCT:

  • H03H17/02 H03H 17/00 […] › Redes selectoras de frecuencia.

PDF original: ES-2341200_B2.pdf

 


Fragmento de la descripción:

Procedimiento y aparato para el filtrado digital de señales.

Objeto de la invención

El objeto principal de la presente invención es un procedimiento y un aparato para el filtrado digital de señales que combina filtros digitales lineales con filtros lineales deformados (warped en terminología inglesa).

Antecedentes de la invención

El filtrado digital de señales es ampliamente empleado en diferentes campos, como audio, vídeo, comunicaciones, radar, sismología, etc. En el presente documento denominaremos "ecualización" a un filtrado cuyo objetivo es mejorar o compensar la respuesta no ideal de un sistema mediante el filtrado de su respuesta compleja con el filtro diseñado para que la respuesta filtrada se parezca a una respuesta objetivo. Por el contrario, cuando lo que se desea es aislar una parte concreta (por ejemplo, una banda de frecuencias) de una señal para obtener características determinadas de dicha señal, diremos que se trata de un "análisis".

Por otro lado, en el presente documento llamaremos "sistema" al dispositivo cuya respuesta se desea filtrar. Ejemplos de sistemas pueden ser un altavoz, un radar, canal de comunicaciones, etc. La siguiente ecuación relaciona la función de transferencia ideal del filtro a diseñar con la función de transferencia objetivo y la función de transferencia del sistema:


Cuando la función de transferencia del sistema no sea de fase mínima, su inversa será inestable, por lo que la función de transferencia del sistema filtrado podrá sólo aproximarse la función de transferencia objetivo.

En los últimos años se han desarrollado diversos métodos para el diseño de filtros digitales. Sin embargo, cuando la banda de frecuencias a ecualizar o analizar abarca un amplio rango de octavas (por ejemplo, tres o superior), todos estos métodos requieren de un elevado coste computacional para poder conseguir una resolución espectral en la ecualización adecuada en todo el rango de frecuencias.

Los filtros digitales lineales consiguen una excelente resolución en altas frecuencias, pero deficiente en bajas frecuencias (respecto a la frecuencia de muestreo fs empleada) si no se emplean filtros de alto orden, lo que su pone un enorme coste computacional cuando se implementa el filtro lineal en el dominio del tiempo. El coste computacional es menor si se implementa en el dominio de la frecuencia mediante transformada de Fourier (FFT, Fast Fourier Transform en inglés). Sin embargo, esta solución introduce una latencia, debida a los procesos de almacenamiento en búfer a la entrada y la salida, que puede limitar su uso en aplicaciones de tiempo real que requieran baja latencia. En aplicaciones de audio, por ejemplo, esta latencia puede resultar incómoda para los oyentes y músicos.

Los filtros deformados o warped, por otro lado, permiten conseguir una resolución no lineal que, en función de la elección de un parámetro, puede ser mayor a bajas frecuencias a costa de perderla a altas frecuencias. Sin embargo, uno de los mayores inconvenientes de los filtros deformados o warped consiste en el aumento del coste computacional.

Por tanto, existe una necesidad de un filtro digital que presente una buena resolución tanto a altas como a bajas frecuencias, y que no suponga un coste computacional excesivo ni introduzca latencias no permitidas.

Descripción de la invención

De acuerdo con una segunda clasificación, los filtros digitales se pueden dividir en filtros digitales FIR (Respuesta al Impulso Finita) y filtros digitales IIR (Respuesta al Impulso Infinita).

Los filtros digitales FIR son fáciles de diseñar e implementar, son siempre estables y pueden corregir la respuesta en magnitud y fase al mismo tiempo. Su diseño se puede llevar a cabo en el dominio de la frecuencia o en el dominio del tiempo. En el dominio de la frecuencia, el procedimiento de diseño de filtros más sencillo es la inversión de la transformada de Fourier de la respuesta deseada del filtro. Por otro lado, en el dominio de la frecuencia se puede utilizar la aproximación por mínimos cuadrados (J. N. Mourjopoulos, "Digital Equalization of Room Acoustics", J. Audio Eng. Soc. Vol. 42, no. 11, pp. 884-900, Nov. 1994). La resolución de los filtros lineales suele ser bastante buena a altas frecuencias (depende principalmente de la relación entre la frecuencia de muestreo y el orden del filtro), mientras que en bajas frecuencias la resolución suele ser demasiado baja, lo que se traduce en un rizado en la respuesta del filtro en frecuencias bajas que puede resultar inadmisible, y que se va atenuando a medida que aumenta el orden del filtro.

La ecuación que define la función de transferencia de un filtro digital FIR lineal es la siguiente:


donde N es el orden del filtro.

Por otro lado, se obtiene un filtro digital FIR deformado o warped cuando se sustituyen los elementos unitarios de retardo z-1 de un filtro digital FIR lineal por filtros paso-todo de primer orden. Por lo tanto, la función de transferencia de un filtro digital FIR deformado es la siguiente:


donde N es el orden del filtro y λ un parámetro del que depende que la deformación mejore la resolución para las altas frecuencias (λ>0) o para las bajas frecuencias (λ<0).

Con este tipo de filtros se obtiene una resolución en frecuencia no uniforme, que puede ser mayor a altas o a bajas frecuencias en función del signo del parámetro λ.

En el caso de filtros digitales IIR, la ecuación que define su función de transferencia se caracteriza por tener tanto polos como ceros:


Por otro lado, para obtener la función de transferencia de un filtro digital IIR deformado, se sustituyen los elementos de retardo unitarios z-1 por filtros paso- todo de primer orden y los coeficientes ai por los nuevos coeficientes σi:


Por tanto, y de acuerdo con un aspecto de la presente invención, se proporciona un procedimiento de filtrado digital que comprende aplicar a la señal de respuesta de un sistema un filtrado lineal combinado con, al menos, un filtrado deformado para obtener una respuesta objetivo, que se elige en función de cada aplicación.

Para ello, en primer lugar se obtiene la señal de respuesta del sistema. Por ejemplo, para la ecualización de un altavoz, se podría calcular la respuesta del mismo empleando técnicas como la MLS (Máximum Length Sequence), barrido sinusoidal logarítmico o ruido periódico. Sin embargo, también es posible suponer, con base en la experiencia, que la señal de respuesta del sistema que se desea ecualizar posee unas determinadas características. Por ejemplo, para proporcionar a unos altavoces diferentes ecualizaciones en función del tipo de música reproducida normalmente no se calcula la señal respuesta de los altavoces, sino que se les supone una serie de características comunes a todos los altavoces. Aún una posibilidad más es aplicar el procedimiento de filtrado digital a una señal transmitida, sin que se conozca ni tenga acceso al sistema que originó la señal. Por tanto, en este ámbito el término "la señal de respuesta de un sistema" hace referencia a todas estas posibilidades.

A continuación, se elige la respuesta objetivo en función de la aplicación. Por ejemplo, para ecualizar unos altavoces específicamente para música jazz, la respuesta objetivo se elige a partir del conocimiento del tipo de sonidos que componen ese tipo de música. En otro ejemplo relativo a un canal de comunicaciones, la respuesta objetivo del canal se elegiría teniendo en cuenta la distorsión máxima que puede soportar ese canal sin pérdida de información.

El procedimiento, además de producir un ahorro computacional importante con respecto a procedimientos de filtrado conocidos, es eficaz tanto a bajas como a altas frecuencias, pero para obtener unos resultados óptimos se debe aplicar a señales que abarquen un rango de octavas en torno a tres o superior. Por otro lado, es evidente para un experto... [Seguir leyendo]

 


Reivindicaciones:

1. Procedimiento de filtrado digital de señales caracterizado porque comprende aplicar a una señal de respuesta de un sistema una combinación en cascada o en paralelo de un filtrado digital lineal con, al menos, un filtrado digital deformado para obtener una respuesta objetivo, y donde la combinación de filtros no incluye ningún retardo.

2. Procedimiento de filtrado digital de señales de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque el sistema es un sistema acústico.

3. Procedimiento de filtrado digital de señales de acuerdo con la reivindicación 2, caracterizado porque el sistema acústico es un altavoz.

4. Procedimiento de filtrado digital de señales de acuerdo con la reivindicación 2, caracterizado porque el sistema acústico es un audífono.

5. Programa de ordenador que comprende instrucciones de programa que provocan que un ordenador lleve a cabo las operaciones del procedimiento de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores.

6. Programa de ordenador de acuerdo con la reivindicación 5, caracterizado porque está almacenado en unos medios de almacenamiento.

7. Programa de ordenador de acuerdo con la reivindicación 5, caracterizado porque se transmite a través de una señal portadora.

8. Aparato (1) para el filtrado digital de señales, caracterizado porque comprende:

un medio de entrada (11), que transmite una señal de entrada a un medio de procesamiento (6); y

un medio de procesamiento (6), que recibe la señal de entrada del medio de entrada (11) y le aplica un filtrado digital que combina un filtrado lineal con, al menos, un filtrado deformado, en cascada o en paralelo, obteniendo una señal objetivo, donde la combinación de filtrados no incluye retardos.

9. Aparato (1) para el filtrado digital de señales de acuerdo con la reivindicación 8, caracterizado porque el medio de procesamiento (6) se elige de entre la siguiente lista: un ordenador, un DSP, una FPGA, un ASIC, un microprocesador y un microcontrolador.

10. Aparato (1) para el filtrado digital de señales de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 8 ó 9, caracterizado porque comprende además un medio de salida (12), que transmite al exterior la señal objetivo desde el medio de procesamiento (6).

11. Aparato (1) para el filtrado digital de señales de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 8-10, caracterizado porque los medios de entrada y salida (11, 12) comprenden, respectivamente, medios de conversión analógico-digital (4) y digital-analógico (5) y/o un receptor (2) y un transmisor (3) de datos digitales.

12. Aparato (1) para el filtrado digital de señales de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 8-11, caracterizado porque comprende además un medio de comunicaciones (8).

13. Aparato (1) para el filtrado digital de señales de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 8-12, caracterizado porque comprende además un medio de interfaz (10) con los usuarios.

14. Aparato (1) para el filtrado digital de señales de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 8-13, caracterizado porque además comprende un medio de almacenamiento (7).

15. Aparato (1) para el filtrado digital de señales de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 8-14, caracterizado porque además comprende un microcontrolador (9).


 

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