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JP2009017520A - Sampling frequency conversion apparatus - Google Patents

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JP2009017520A
JP2009017520A JP2007200038A JP2007200038A JP2009017520A JP 2009017520 A JP2009017520 A JP 2009017520A JP 2007200038 A JP2007200038 A JP 2007200038A JP 2007200038 A JP2007200038 A JP 2007200038A JP 2009017520 A JP2009017520 A JP 2009017520A
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Japan
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time
sampling frequency
sample
sampling
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JP2007200038A
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Tatsuya Kato
辰哉 加藤
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Original Assignee
Individual
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a sampling frequency conversion method and apparatus capable of changing, in real-time, a sampling frequency conversion ratio from up-sampling to down-sampling seamlessly with realistic computational complexity and achieving sampling frequency conversion with high accuracy also in the aspect of Shannon's sampling theorem. <P>SOLUTION: Together with an amplitude value of a sample of a pre-conversion discrete signal, a sample time is recorded or determined by sequential calculation and a detection value at a time when the sample is captured as a continuous signal, is determined from a difference between a detection time and the sample time. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

本発明は、離散時間信号処理のサンプリング周波数を変換するサンプリング周波数変換装置に関する。The present invention relates to a sampling frequency converter that converts a sampling frequency of discrete-time signal processing.

従来から離散時間信号処理のサンプリング周波数変換装置は、様々な実現方法、および応用方法が知られている。
例えば特許文献1では、オーバーサンプリング、フィルタ、デシメーション処理を介すことにより、アナログ回路を用いず、デジタル信号処理のみによってサンプリング周波数変換を実現する方法が述べられている。
また、特許文献2では、デシメーション処理前段の帯域制限用FIRフィルタの係数を求めるにあたって、事前にテーブル格納されたフィルタ係数テンプレートを時間伸縮することにより、所要の周波数特性を持つフィルタ係数を生成する方法が述べられている。
また、特許文献3では、入力側サンプリング周期毎に巡回バッファに格納されたサンプル値を、出力側サンプリング周期のタイミングで、該格納されたサンプル値の格納時刻と該出力側サンプリング周期時刻との時間差に基づき多項式補間する機能を持ち、かつ該多項式補間を該出力側サンプリング周期時刻の前後数区間に対して行い、その出力値の重み付き平均値を該出力側サンプリング周期の出力値とすることにより、オーバーサンプリングを介さずサンプリング周波数変換を行う方法が述べられている。
また、特許文献4はサンプリング周波数変換装置の音楽的な応用例であり、サンプリング周波数をあえて下げることにより、古いデジタルオーディオ機器の質感を再現する方法が述べられている。
Conventionally, various implementation methods and application methods are known for sampling frequency converters for discrete-time signal processing.
For example, Patent Document 1 describes a method of realizing sampling frequency conversion only by digital signal processing without using an analog circuit through oversampling, filtering, and decimation processing.
Further, in Patent Document 2, when obtaining the coefficients of the band limiting FIR filter in the pre-decimation process, a method of generating filter coefficients having a required frequency characteristic by time-stretching a filter coefficient template stored in a table in advance. Is stated.
Further, in Patent Document 3, the sample value stored in the circular buffer for each input-side sampling period is determined by calculating the time difference between the stored sample value storage time and the output-side sampling period time at the timing of the output-side sampling period. And performing the polynomial interpolation on several intervals before and after the output side sampling cycle time, and setting the weighted average value of the output values as the output value of the output side sampling cycle A method of performing sampling frequency conversion without oversampling is described.
Patent Document 4 is a musical application example of a sampling frequency converter, and describes a method of reproducing the texture of an old digital audio device by deliberately lowering the sampling frequency.

特許3044739号Patent 3044739 特許3707148号Japanese Patent No. 3707148 特開2003−324337JP2003-324337 特許3743326号Japanese Patent No. 3743326

ところで、上述した従来のサンプリング周波数変換装置は、サンプリング周波数の変換比が動作中に固定であることを前提としている。サンプリング周波数の異なる機材間で信号をやりとりすることを目的とすれば、固定であることに問題があるわけではない。
しかし、サンプリング周波数の変換を音響効果として利用する場合を想定すると、固定の変換比であっては、効果の幅が限定されたものとなってしまう。
さらに、特許文献1、特許文献2は変換前後のサンプリング周波数の最小公倍数となるサンプリング周波数へのオーバーサンプリングを前提としており、さらに畳み込みなどのフィルタ処理を伴うことから、計算量が大きくなってしまう問題を有する。
特許文献3では、位相差の情報を用いることにより、オーバーサンプリングを避ける方法が示されているが、変換前のサンプル値の多項式補間を前提としており、後述するシャノンの標本化定理の面から必ずしも最適な補間方法とはいえない。
本発明は現実的な計算量で、サンプリング周波数の変換比をアップサンプリングからダウンサンプリングまで繋ぎ目なく、リアルタイムで変更でき、かつシャノンの標本化定理の面からも精度の高いサンプリング周波数変換を実現するサンプリング周波数変換方法およびサンプリング周波数変換装置を提供することを目的としている。
By the way, the above-described conventional sampling frequency converter is based on the premise that the conversion ratio of the sampling frequency is fixed during operation. For the purpose of exchanging signals between equipment with different sampling frequencies, there is no problem with being fixed.
However, assuming that sampling frequency conversion is used as an acoustic effect, the range of the effect is limited with a fixed conversion ratio.
Furthermore, Patent Document 1 and Patent Document 2 are based on the premise of oversampling to the sampling frequency that is the least common multiple of the sampling frequency before and after the conversion, and further involve a filtering process such as convolution, which increases the amount of calculation. Have
Patent Document 3 shows a method of avoiding oversampling by using phase difference information, but presupposes polynomial interpolation of sample values before conversion, and is not necessarily in view of the Shannon sampling theorem described later. It is not an optimal interpolation method.
The present invention realizes a highly accurate sampling frequency conversion from the viewpoint of Shannon's sampling theorem, which can be changed in real time without a seamless transition from upsampling to downsampling, with a realistic calculation amount. It is an object to provide a sampling frequency conversion method and a sampling frequency conversion device.

まず、簡単にシャノンの標本化定理について説明する。
シャノンの標本化定理とは、一定間隔で連続時間信号をサンプリングするとき、そのサンプリング周波数の2分の1の周波数(以下ナイキスト周波数)までの周波数成分の情報(振幅および位相)が正しく保存でき、ナイキスト周波数よりも高い周波数成分は、ナイキスト周波数よりも低い成分(エイリアス成分)として折り返されるように現れるというものである。
一旦エイリアスとして混入した成分は取り除くことができないため、連続時間信号を正しくサンプリングするためには、事前にナイキスト周波数よりも高い周波数成分を除去しなければならない。逆にナイキスト周波数よりも高い周波数成分を除去した連続時間信号は、数理上は離散時間信号に変換した後もその情報は完全に保持され、再度、同一の連続時間信号に変換することができる。
First, we will briefly explain Shannon's sampling theorem.
Shannon's sampling theorem means that when sampling a continuous-time signal at regular intervals, frequency component information (amplitude and phase) up to half the sampling frequency (hereinafter Nyquist frequency) can be stored correctly. A frequency component higher than the Nyquist frequency appears to be folded back as a component (alias component) lower than the Nyquist frequency.
Since components once mixed as aliases cannot be removed, in order to sample a continuous-time signal correctly, frequency components higher than the Nyquist frequency must be removed in advance. Conversely, a continuous-time signal from which a frequency component higher than the Nyquist frequency is removed is mathematically retained even after being converted into a discrete-time signal, and can be converted again into the same continuous-time signal.

ナイキスト周波数よりも高い周波数成分を除去した連続時間信号と、これを一定間隔でサンプリングした離散時間信号とを等価変換するために、ナイキスト周波数よりも高い成分は0倍、ナイキスト周波数よりも低い成分は1倍で、かつ特定の周波数の位相を変化させないフィルタを想定しなければならない。
上記の特性を有するフィルタは理想フィルタとも呼ばれ、数式上はSin(x)/xで表される。またこの数式はSinc関数とも称されるものである。図1にSinc関数のグラフを示す。
In order to equivalently convert a continuous time signal from which a frequency component higher than the Nyquist frequency is removed and a discrete time signal obtained by sampling the continuous time signal at a constant interval, a component higher than the Nyquist frequency is 0 times and a component lower than the Nyquist frequency is A filter must be assumed that is 1x and does not change the phase of a particular frequency.
A filter having the above characteristics is also referred to as an ideal filter, and is represented by Sin (x) / x in the mathematical expression. This mathematical expression is also called a Sinc function. FIG. 1 shows a graph of the Sinc function.

具体的には、サンプリング周波数をfとするとき、サンプリングされた離散時間信号の各サンプル値を、「Sinc(π・f・(時刻−サンプル時刻))・サンプル値」という形の連続時間波形とみなし、該連続時間波形を全てのサンプル値に対し加算合成した結果の波形は、サンプリング処理前の連続時間信号の波形と同一となる。(「・」は乗算を表す)
離散時間信号と連続時間信号とを等価に見なすことができるため、この原理は連続時間→離散時間信号の変換だけではなく、サンプリング周波数の異なる離散時間→離散時間信号の変換にも当てはめることができる。
さて、本発明は任意の変換比でのサンプリング周波数の変換を目的としているが、これは変換前の離散時間信号(D1s)を、理論上の連続時間信号(Cs)を介して、元の離散時間信号と異なる離散時間信号(D2s)へ変換する処理といえる。
Specifically, when the sampling frequency is f, each sample value of the sampled discrete time signal is expressed as a continuous time waveform in the form of “Sinc (π · f · (time−sample time)) · sample value”. Therefore, the waveform obtained by adding and synthesizing the continuous time waveform to all the sample values is the same as the waveform of the continuous time signal before the sampling process. ("・" Represents multiplication)
Since a discrete-time signal and a continuous-time signal can be regarded as equivalent, this principle can be applied not only to the conversion of continuous-time → discrete-time signals, but also to the conversion of discrete-time → discrete-time signals with different sampling frequencies. .
Now, the present invention is aimed at the conversion of the sampling frequency at an arbitrary conversion ratio. This is because the discrete time signal (D1s) before the conversion is converted to the original discrete time signal via the theoretical continuous time signal (Cs). This can be said to be a process of converting to a discrete time signal (D2s) different from the time signal.

これを実現するためには以下の機能を具備しなければならない。
1.Csの上限周波数をD1s、D2sのサンプリング周波数のうち小さい周波数の2分の1以下となるように調整する機能。
2.D1sのサンプリング周波数に依存することなく任意の時刻のCs値をサンプリングする機能。
3.サンプリング周波数比に応じてD2sの振幅を調整する機能。
In order to realize this, the following functions must be provided.
1. A function of adjusting the upper limit frequency of Cs so that it is equal to or less than half of the smaller frequency among the sampling frequencies of D1s and D2s.
2. A function of sampling a Cs value at an arbitrary time without depending on the sampling frequency of D1s.
3. A function of adjusting the amplitude of D2s according to the sampling frequency ratio.

1は、離散時間→連続時間信号間の変換処理に際して標本化定理を満たすために必要な機能である。変換前後双方の離散時間信号で標本化定理を満たすためには小さいサンプリング周波数の側に合わせなければならない。
2は、連続時間信号から変換後の離散信号へ変換するために必須な機能であり、従来の技術ではオーバーサンプリングを行うか、標本化定理に対して厳密ではない補間処理を行うなどの方法がとられていた。
3は、再サンプリングした際、単位時間あたりのサンプル値の密度と、Sinc関数の時間伸縮によるエネルギー変化とによって、信号の持つエネルギー(2乗平均振幅値)が変わってしまうため、これを補うための機能である。
本発明は、シャノンの標本化定理に従い、これらの機能を実現する技術を提供するものである。
1 is a function necessary for satisfying the sampling theorem in the conversion process between discrete time → continuous time signals. In order to satisfy the sampling theorem for both discrete time signals before and after conversion, the sampling frequency must be adjusted to a smaller sampling frequency.
2 is an indispensable function for converting a continuous-time signal into a converted discrete signal. In the conventional technique, there is a method of performing oversampling or performing interpolation processing that is not strict with respect to the sampling theorem. It was taken.
3 is to compensate for this because the energy of the signal (root mean square amplitude value) changes depending on the density of sample values per unit time and the energy change due to the time expansion and contraction of the Sinc function when re-sampling is performed. It is a function.
The present invention provides a technique for realizing these functions in accordance with Shannon's sampling theorem.

請求項1に係る発明は、第1の離散時間信号(D1s)のサンプリング周波数(f1)を変換して第2のサンプリング周波数(f2)の離散時間信号(D2s)を生成するデータ処理装置であって、D1sの1サンプルを出力する時刻値(D1t)と、D2sの1サンプルをサンプリングする時刻値(t2)とを求める手段と、該D1sの各サンプルの振幅値(D1v)を逐一記憶する巡回バッファと、畳み込み補間に用いることを前提として0以外の値を返し得るパラメータ区間が有限なローパスフィルタ関数(LPF)の値を求める手段とを有し、D2sの1サンプルの振幅値を求める処理において、前記巡回バッファの全サンプルのうち、少なくともκ=LPFの阻止周波数を1Hzにスケールする定数(ψ)・MIN(f1,f2)・(D1t−t2+正の遅延時間(ct))がLPF関数の有効区間に含まれるサンプル列について、ρ=LPF(κ)・D1vを求め、ρを合計してt2におけるD2sの振幅値とするデータ処理装置である。(ここでMIN(x,y)はxとyのうち小さな値を表す。)The invention according to claim 1 is a data processing device that converts the sampling frequency (f1) of the first discrete time signal (D1s) to generate the discrete time signal (D2s) of the second sampling frequency (f2). Thus, a means for obtaining a time value (D1t) for outputting one sample of D1s and a time value (t2) for sampling one sample of D2s, and a cycle for storing the amplitude value (D1v) of each sample of D1s one by one In a process for obtaining the amplitude value of one sample of D2s, including a buffer and means for obtaining a value of a low-pass filter function (LPF) having a finite parameter section that can return a value other than 0 on the assumption that it is used for convolutional interpolation. A constant (ψ) · MIN (f1, f2) · that scales at least the blocking frequency of κ = LPF to 1 Hz among all samples of the circular buffer Data for (D1t−t2 + positive delay time (ct)) included in the valid section of the LPF function, ρ = LPF (κ) · D1v is obtained, and ρ is added to obtain the amplitude value of D2s at t2. It is a processing device. (Here, MIN (x, y) represents a small value of x and y.)

請求項2に係る発明は、請求項1のデータ処理装置において、ρを合計した後にSQRT(f1≦f2の時:f1/f2、f1>f2の時:f2/f1)に比例した値を乗じてt2におけるD2sの振輻値とするデータ処理装置である。(ここでSQRT(x)はxの平方根を表す。)The invention according to claim 2 is the data processing device according to claim 1, wherein ρ is summed and then multiplied by a value proportional to SQRT (when f1 ≦ f2: f1 / f2, when f1> f2: f2 / f1). This is a data processing device for obtaining the oscillation value of D2s at t2. (Here, SQRT (x) represents the square root of x.)

請求項3に係る発明は、請求項1のデータ処理装置において、D1tとD1vの組を巡回バッファに記録しておき、κの算出に用いるデータ処理装置である。The invention according to claim 3 is the data processing apparatus according to claim 1, wherein a set of D1t and D1v is recorded in a circular buffer and used for calculating κ.

請求項4に係る発明は、請求項1のデータ処理装置において、正の遅延時間(ct)の値を、(LPFの正値側の有効区間+1)/(ψ・MIN(f1,f2))以上の値となるように逐一更新するデータ処理装置である。According to a fourth aspect of the present invention, in the data processing device of the first aspect, the value of the positive delay time (ct) is set to (valid interval on the positive value side of LPF + 1) / (ψ · MIN (f1, f2)) This is a data processing apparatus that updates the values one by one so that the above values are obtained.

請求項5に係る発明は、請求項1における、D2sの1サンプルの振幅値を求める処理において、可変パラメータδに比例してLPFの時間幅を伸縮することにより、D2sの成分にあえてエイリアスを発生させるデータ処理装置。According to a fifth aspect of the present invention, in the processing for obtaining the amplitude value of one sample of D2s in claim 1, an alias is generated for the component of D2s by expanding and contracting the time width of the LPF in proportion to the variable parameter δ. Data processing device to be made.

以上説明したように本発明によれば、現実的な計算量で、サンプリング周波数の変換比をアップサンプリングからダウンサンプリングまで繋ぎ目なく、リアルタイムで変更でき、かつシャノンの標本化定理の面からも精度の高いサンプリング周波数変換を実現するサンプリング周波数変換方法およびサンプリング周波数変換装置を提供するができる。
さらに請求項5によれば、エイリアス成分をあえて発生させることにより、音響効果としての味付けをもたらすことができる。
As described above, according to the present invention, the conversion ratio of the sampling frequency can be changed in real time from the up-sampling to the down-sampling with a realistic calculation amount, and the accuracy from the point of view of the Shannon sampling theorem. It is possible to provide a sampling frequency conversion method and a sampling frequency conversion device that realize high sampling frequency conversion.
Furthermore, according to the fifth aspect, it is possible to provide seasoning as an acoustic effect by intentionally generating an alias component.

以下、本発明を更に理解しやすくするため、実施の形態について説明する。かかる実施の形態は、本発明の一態様を示すものであり、本発明の範囲で任意に変更可能である。Embodiments will be described below for easier understanding of the present invention. Such an embodiment shows one aspect of the present invention, and can be arbitrarily changed within the scope of the present invention.

図2に信号処理回路の一部をソフトウェア的に異なるサンプリング周波数で動作させる回路を例としてあげ、固定→可変サンプリング周波数回路への変換、可変→固定サンプリング周波数回路への変換手段を説明する。
同図に示すように、固定のサンプリング周波数で動作する回路1と、可変のサンプリング周波数で動作する回路2、固定サンプリング周波数の離散信号を可変サンプリング周波数の離散信号へと変換する変換装置3、可変サンプリング周波数の離散信号を固定サンプリング周波数の離散信号へと変換する変換装置4とで構成され、可変のサンプリング周波数で動作する回路2は可変サンプリング周波数値8により、そのサンプリング周波数をいつでも変更可能である。
FIG. 2 shows an example of a circuit that operates a part of the signal processing circuit at a different sampling frequency in terms of software, and the conversion means from fixed to variable sampling frequency circuit and from variable to fixed sampling frequency circuit will be described.
As shown in the figure, a circuit 1 that operates at a fixed sampling frequency, a circuit 2 that operates at a variable sampling frequency, a converter 3 that converts a discrete signal at a fixed sampling frequency into a discrete signal at a variable sampling frequency, and a variable The circuit 2 that is composed of a conversion device 4 that converts a discrete signal having a sampling frequency into a discrete signal having a fixed sampling frequency and that operates at a variable sampling frequency can change the sampling frequency at any time by a variable sampling frequency value 8. .

固定サンプリング周波数は回路全体のハードウェア的サンプリング周波数を仮定し、可変サンプリング周波数はソフトウェア的に(すなわち計算上で)作られるサンプリング周波数を仮定する。(ソフトウェア的サンプリング周波数とはいえ、2次的な巡回バッファを設けるなどしてジッターなどのハードウェア的なサンプリング周波数の予期せぬ変動に対応できれば、ハードウェア間のサンプリング周波数変換にも応用可能である。)The fixed sampling frequency assumes the hardware sampling frequency of the entire circuit, and the variable sampling frequency assumes a sampling frequency that is generated in software (ie, computationally). (Although it is a software sampling frequency, if it can cope with unexpected fluctuations in hardware sampling frequency such as jitter by providing a secondary circular buffer, it can also be applied to sampling frequency conversion between hardware. is there.)

まず、固定→可変の変換と、可変→固定の変換に共通する構成について説明する。
本発明は変換前離散信号のサンプルの振幅値とともにサンプル時刻を記録しておくか、あるいは逐一計算によって求め、該サンプルを連続信号と捉えたときの検出値を、検出時刻とサンプル時刻との差から求めることを特徴としている。
ところで、これを視覚的に理解するためには、時刻の差というよりも、位置の差として捉えたほうが判りやすい。
そこで、図3Aに本発明のサンプリング周波数変換装置における変換前の離散時間信号のサンプルを、等速度で移動する粒子になぞらえた模式図を示す。
変換前の離散時間信号(D1s)のサンプル値(D1v)はノズル101から粒子102として変換前のサンプリング周期のタイミングで放出され、センサ103は変換後のサンプリング周期のタイミングで、各粒子をその振幅値により乗ぜられたSinc関数とみなして(図3B)、全粒子に対するその集計値を変換前の離散時間信号(D2s)のサンプル値(D2v)とする。
この例によれば、ノズルからセンサに対して粒子が移動するまでにかかる時間は、ノズルとセンサとの間の距離に比例する。すなわち、粒子とセンサのサンプリング時刻の差は、距離の差に置き換えて考えることができる。
First, a configuration common to fixed to variable conversion and variable to fixed conversion will be described.
In the present invention, the sample time is recorded together with the amplitude value of the sample of the discrete signal before conversion, or is obtained by calculation one by one, and the detected value when the sample is regarded as a continuous signal is calculated as the difference between the detected time and the sample time. It is characterized by seeking from.
By the way, in order to understand this visually, it is easier to understand it as a position difference rather than a time difference.
FIG. 3A is a schematic diagram in which samples of a discrete time signal before conversion in the sampling frequency converter of the present invention are compared to particles moving at a constant speed.
The sample value (D1v) of the discrete time signal (D1s) before conversion is emitted from the nozzle 101 as particles 102 at the timing of the sampling period before conversion, and the sensor 103 determines the amplitude of each particle at the timing of the sampling period after conversion. Considering the Sinc function multiplied by the value (FIG. 3B), the total value for all particles is taken as the sample value (D2v) of the discrete time signal (D2s) before conversion.
According to this example, the time taken for the particles to move from the nozzle to the sensor is proportional to the distance between the nozzle and the sensor. That is, the difference between the sampling time of the particle and the sensor can be considered by replacing it with a difference in distance.

さて、ノズルとセンサのサンプリング周波数が同一であれば、ノズルが新しい粒子を放出するのと同時にセンサの検出処理を行い、センサの出力値を求めることができる。
しかし、ノズルとセンサのサンプリング周波数が同一でなく、例えばノズルのそれが44.1KHzで、センサが48KHzであった場合に、ハードウェア的なサンプリング時刻に依存する形でノズルの粒子放出タイミングと、センサの検出タイミングとの同期をとろうとすると、44100と48000の最小公倍数のサンプリング周波数へのオーバーサンプリングが必要となり、現実的な計算量で求めることができなくなってしまう。
そこで、固定側サンプリング周波数で動作する回路については、毎処理に粒子放出、あるいは検出の処理を行い、可変側サンプリング周波数で動作する回路については、その処理タイミングを固定側回路に合わせこみ、該処理タイミングにおける時刻と、本来処理すべきであった時刻との差を、センサ(固定→可変の場合)、あるいはノズル(可変→固定の場合)の座標操作により補正するのである。
If the sampling frequency of the nozzle and the sensor is the same, the sensor detection process can be performed at the same time as the nozzle releases new particles, and the output value of the sensor can be obtained.
However, when the sampling frequency of the nozzle and the sensor is not the same, for example, that of the nozzle is 44.1 KHz and the sensor is 48 KHz, the particle emission timing of the nozzle in a form depending on the hardware sampling time, In order to synchronize with the detection timing of the sensor, oversampling to the sampling frequency of the least common multiple of 44100 and 48000 is required, and it cannot be obtained with a realistic calculation amount.
Therefore, for a circuit that operates at a fixed sampling frequency, a particle emission or detection process is performed for each process, and for a circuit that operates at a variable sampling frequency, the processing timing is adjusted to the fixed circuit. The difference between the time at the timing and the time that should have been processed is corrected by the coordinate operation of the sensor (in the case of fixed → variable) or the nozzle (in the case of variable → fixed).

図4にD1sのサンプリング周波数を固定、D2sのサンプリング周波数を可変とした場合の処理イメージを示す。図中で粒子の下に書かれた吹き出しは粒子に記録された時刻を表し、固定サンプリング周波数側の1サンプル時間(この場合は3000分の1秒)をその単位としている(以下、固定サンプル時間と呼ぶ)。4つの処理のコマが図示されているが、1つのコマは1固定サンプル時間での状態のスナップショットを表す。
センサ、すなわちD2sのサンプリング周波数はこの場合は2000Hzとなっているため、本来は1.5固定サンプル時間の間隔で検出処理を行うものである。
「1回目」はノズルとセンサの動作タイミングが一致しているため、センサは基準位置(図の例ではt=2の粒子の位置)で検出処理を行う。
「2回目」は1回目の処理で動作した後、1固定サンプル時間しか経過していないため、検出処理は行わない。
「3回目」は1回目の処理で動作した後、2固定サンプル時間経過しているため、検出処理を行う。ただし実際に検出したいのは1回目の処理から1.5固定サンプル時間経過したときの状態であるため、0.5固定サンプル時間分ずらした位置により検出を行う。(図の例ではt=3とt=4の粒子の中間位置、すなわちt=3.5の位置)
「4回目」は1回目の処理で動作した後、3固定サンプル時間経過している。センサの検出間隔は1.5固定サンプル時間であり、3固定サンプル時間はその整数倍であるため、ここでは基準位置にて検出処理を行う。
FIG. 4 shows a processing image when the sampling frequency of D1s is fixed and the sampling frequency of D2s is variable. The balloon written under the particle in the figure represents the time recorded on the particle, and the unit is 1 sample time (in this case, 1/3000 second) on the fixed sampling frequency side (hereinafter, fixed sample time). Called). Although four processing frames are illustrated, one frame represents a snapshot of the state at one fixed sample time.
Since the sampling frequency of the sensor, that is, D2s is 2000 Hz in this case, the detection processing is originally performed at intervals of 1.5 fixed sample times.
Since the operation timings of the nozzle and the sensor coincide with each other at the “first time”, the sensor performs the detection process at the reference position (the position of the particle at t = 2 in the example in the figure).
In the “second time”, since only one fixed sample time has elapsed since the operation in the first time, the detection process is not performed.
In the “third time”, since two fixed sample times have elapsed after operating in the first process, a detection process is performed. However, since what is actually desired to be detected is a state when 1.5 fixed sample times have elapsed since the first processing, detection is performed at a position shifted by 0.5 fixed sample times. (In the example in the figure, the intermediate position of the particles of t = 3 and t = 4, that is, the position of t = 3.5)
In the “fourth”, three fixed sample times have elapsed after operating in the first process. Since the detection interval of the sensor is 1.5 fixed sample times, and the 3 fixed sample times are integer multiples thereof, here, the detection process is performed at the reference position.

図4の例とは反対に、D1sのサンプリング周波数を可変、D2sのサンプリング周波数を固定とした場合は、センサではなく、ノズルの位置をずらすことにより、オーバーサンプリングを介さずに端数時間を扱うことができる。Contrary to the example in FIG. 4, when the sampling frequency of D1s is variable and the sampling frequency of D2s is fixed, the fractional time is handled without oversampling by shifting the position of the nozzle instead of the sensor. Can do.

さて、本発明で用いるSinc関数(Sin(x)/x)は、数学的には無限の定義域で値を持つことが知られていて、仮にSinc関数をそのまま使うことを考えると無限の計算量が必要となってしまい、実現不可能である。
そこで、Sinc関数を有限な区間で打ち切る必要が生じる。このような方法は幾つか知られているが、ここでは、窓関数によりSinc関数の定義域を打ち切る方法を紹介する。
pSinc(t) = Sinc(π・t)
Win(t) = (1 −Cos(π・t/n))/2
(nは任意の自然数)
wSinc(t) = (|t|≦nのとき:pSinc(t)・Win(t)、|t|>nのとき:0)
pSinc()は、正規化Sinc関数と呼ばれる。正規化Sinc関数は、サンプリング周期(サンプリング周波数の逆数)を1としてそのパラメータに対応付けることで、ナイキスト周波数が阻止周波数となるような理想フィルタ波形として機能する。(なおSinc関数は0を起点に左右対称なグラフである)
Win()はハニング窓と呼ばれている窓関数である。
wSincはpSinc()とWin()とを掛け合わせることにより、−n〜nで表される周期の数だけ値を持つ正規化Sinc関数として機能する。
wSincは阻止周波数以上の周波数成分が必ずしも0となるわけではないが、実用上は0とみなして差し支えない。
上述したセンサでは、各粒子をその振幅値により乗ぜられたSinc関数とみなしているが、以降はSinc関数の代わりに上記のwSinc関数を用いるものとする。
The Sinc function (Sin (x) / x) used in the present invention is known to have a value in an infinite domain in terms of mathematics. Considering that the Sinc function is used as it is, an infinite calculation is considered. A quantity is required and is not feasible.
Therefore, it is necessary to terminate the Sinc function in a finite interval. Several such methods are known. Here, a method of terminating the domain of the Sinc function by a window function is introduced.
pSinc (t) = Sinc (π · t)
Win (t) = (1−Cos (π · t / n)) / 2
(N is an arbitrary natural number)
wSinc (t) = (when | t | ≦ n: pSinc (t) · Win (t), when | t |> n: 0)
pSinc () is called a normalized Sinc function. The normalized Sinc function functions as an ideal filter waveform in which the Nyquist frequency becomes the stop frequency by associating the sampling period (the reciprocal of the sampling frequency) with the parameter of 1. (The Sinc function is a symmetrical graph with 0 as the starting point.)
Win () is a window function called a Hanning window.
wSinc functions as a normalized Sinc function having a value corresponding to the number of periods represented by −n to n by multiplying pSinc () and Win ().
wSinc does not necessarily have a frequency component equal to or higher than the stop frequency at 0, but it can be regarded as 0 in practical use.
In the above-described sensor, each particle is regarded as a Sinc function multiplied by its amplitude value. However, the above-described wSinc function is used instead of the Sinc function.

さて、D1sからD2sへの変換時に、標本化定理を満たすためには、wSinc関数の阻止周波数が、D1sとD2sいずれのサンプリング周波数の2分の1よりも低くなければならない。
これを実現するためには、以下のようにwSincを時間伸縮すればよい。
ρ=wSinc(MIN(D1sのサンプリング周波数,D2sのサンプリング周波数)・(粒子の持つ時刻−センサのサンプリング時刻+正の遅延時間(ct))・δ)
ここで粒子とセンサの時間差の単位は秒である。
なお、式中のδはwSincの伸縮率を微調整するための値である。wSincは理想的なSinc関数ではなく、その阻止周波数は厳密にはSinc関数のそれとは異なる。そこで、δに1未満の値を設定することで阻止周波数を下げ、エイリアス成分の発生を抑えるのである。
Now, in order to satisfy the sampling theorem when converting from D1s to D2s, the stop frequency of the wSinc function must be lower than half of the sampling frequency of either D1s or D2s.
In order to realize this, wSinc may be expanded and contracted as follows.
ρ = wSinc (MIN (D1s sampling frequency, D2s sampling frequency) · (particle time−sensor sampling time + positive delay time (ct)) · δ)
Here, the unit of time difference between the particle and the sensor is second.
In the equation, δ is a value for finely adjusting the expansion / contraction rate of wSinc. wSinc is not an ideal Sinc function, and its stop frequency is strictly different from that of the Sinc function. Therefore, by setting δ to a value less than 1, the blocking frequency is lowered to suppress the occurrence of alias components.

また、wSincの時間伸縮と、サンプリング周波数の変化によって、センサで検出される信号の信号のエネルギーは変化するので、これを補正しなければならない。
wSincの時間伸長率と、wSinc自体をフーリエ変換した後の各スペクトル成分が持つ振幅は比例する関係にある。wSincはフィルタ係数であるので、これによりフィルタリングされた波形の振幅増幅率は、wSincの時間伸長率に比例する。
また、相関のない連続信号同士を加算した結果の波形の振幅は、足し合わされる信号の数の平方根に比例する。センサでの粒子の足し合わせは、概ね相関のない連続信号同士の加算と見なすことができる。そして足し合わされる粒子の数は、D2sとD1sのサンプリング周波数比に比例する。
これらの条件から、以下のように補正値を求めることができる
α=SQRT(f1≦f2の時:f1/f2、f1>f2の時:f2/f1)・δ
※ここでSQRT(x)はxの平方根を表す。
Further, since the signal energy of the signal detected by the sensor changes due to the time expansion / contraction of wSinc and the change of the sampling frequency, this must be corrected.
There is a proportional relationship between the time expansion rate of wSinc and the amplitude of each spectral component after the Fourier transform of wSinc itself. Since wSinc is a filter coefficient, the amplitude amplification factor of the waveform filtered by this is proportional to the time expansion rate of wSinc.
Further, the amplitude of the waveform obtained by adding together uncorrelated continuous signals is proportional to the square root of the number of signals to be added. The addition of particles at the sensor can be regarded as the addition of continuous signals that are generally uncorrelated. The number of particles added is proportional to the sampling frequency ratio between D2s and D1s.
From these conditions, a correction value can be obtained as follows: α = SQRT (when f1 ≦ f2: f1 / f2, when f1> f2: f2 / f1) · δ
* Here, SQRT (x) represents the square root of x.

センサの検出処理では、「ρ・粒子の持つ振幅値・α」を全ての粒子に対して求め、合計すればよい。In the detection process of the sensor, “ρ · amplitude value of particle · α” may be obtained for all particles and summed up.

さて、本発明では巡回バッファを用いてD1sのサンプル値とサンプル時刻の組、先の例で言えば粒子の情報を保持している。ハードウェア的に無制限にメモリを増やすことはできないし、センサでの検出(畳み込み)処理の計算量も巡回バッファのサイズに依存するため、該巡回バッファサイズの見積もりは重要である。In the present invention, a circular buffer is used to hold a set of D1s sample values and sample times, and in the above example, particle information. Since the memory cannot be increased without limitation in terms of hardware, and the calculation amount of detection (convolution) processing by the sensor depends on the size of the circular buffer, the estimation of the circular buffer size is important.

まず、可変側サンプリング周波数の最大値、最小値に基づき以下の変数を定義する。
VRMin=可変側サンプリング周波数の最小値
VRMax=可変側サンプリング周波数の最大値
CR=固定側のサンプリング周波数
TRMin=MIN(CR,VRMin)
TRMax=MAX(CR,VRMax)
First, the following variables are defined based on the maximum value and minimum value of the variable side sampling frequency.
VRMin = minimum value of variable-side sampling frequency VRMax = maximum value of variable-side sampling frequency CR = fixed-side sampling frequency TRMin = MIN (CR, VRMin)
TRMax = MAX (CR, VRMax)

センサが粒子をwSinc関数の有効区間として捉えている間に、係る粒子が消えてしまうと、センサの検出値には不連続なノイズとして影響してしまうため、係る有効区間にいる間、粒子は存在し続けなければならない。
仮に粒子の座標を0とすると、wSinc関数の有効区間の最大幅は、
SincWidth=n/TRMin/δ
(※単位は秒。nは窓関数の中でSinc関数の0点が繰り返される回数)
として
−SinncWidth≦t≦SincWidth
となる。
If the particle disappears while the sensor is capturing the particle as an effective interval of the wSinc function, the detection value of the sensor will be affected as discontinuous noise. It must continue to exist.
If the coordinate of the particle is 0, the maximum width of the effective section of the wSinc function is
SincWidth = n / TRMin / δ
(* Unit is seconds. N is the number of times the 0 point of the Sinc function is repeated in the window function.)
-SincWidth ≦ t ≦ SincWidth
It becomes.

また、上述のようにサンプリング周期の違いから端数時間を処理するため、粒子の放出、あるいは検出時刻値をずらす処理が行われる。
この処理による時刻補正の最大値は、以下の計算により求める。
AdjustWidth=1/CR
固定→可変のサンプリング周波数変換装置における必要なバッファサイズは、
S1=(SincWidth・2+AdjustWidth)・CR
=n/TRMin/δ・2・CR+1
である。
そして、可変→固定のサンプリング周波数変換装置における必要なバッファサイズは、
S2=(SincWidth・2+AdjustWidth)・TRMax
=n/TRMin/δ・2・TRMax+1/CR・TRMax
である。
Further, as described above, in order to process the fractional time from the difference in the sampling cycle, the process of releasing the particles or shifting the detection time value is performed.
The maximum value of time correction by this processing is obtained by the following calculation.
AdjustWidth = 1 / CR
The required buffer size in the fixed to variable sampling frequency converter is:
S1 = (SincWidth · 2 + AdjustWidth) · CR
= N / TRMin / δ · 2 · CR + 1
It is.
And the necessary buffer size in the variable → fixed sampling frequency converter is:
S2 = (SincWidth · 2 + AdjustWidth) · TRMax
= N / TRMin / δ · 2 · TRMax + 1 / CR · TRMax
It is.

ところで、上記の式ではSincWidthは可変なサンプリング周波数の値に依らずTRMinにより求めている。
このため可変なサンプリング周波数の変化域が広い場合(たとえば1KHzから100KHzなどであった場合)、バッファサイズ、特にS2の値は非常に大きくなり、計算量も増大してしまう。
サンプリング周波数変換に伴う信号の遅延時間を固定とする場合(すなわちノズルとセンサとの距離を固定とする場合)は、可変側サンプリング周波数が最小値をとるときにおいても、wSincの有効区間が収まるに十分な遅延時間をとる必要があるため、この問題を避けることはできない。
By the way, in the above equation, SincWidth is obtained by TRMin regardless of the value of the variable sampling frequency.
For this reason, when the change range of the variable sampling frequency is wide (for example, from 1 KHz to 100 KHz), the buffer size, particularly the value of S2, becomes very large, and the amount of calculation also increases.
When the delay time of the signal accompanying the sampling frequency conversion is fixed (that is, when the distance between the nozzle and the sensor is fixed), the effective section of wSinc can be accommodated even when the variable side sampling frequency takes the minimum value. This problem cannot be avoided because a sufficient delay time is required.

しかし、該遅延時間を可変側サンプリング周波数に基づき可変とすれば、バッファサイズと計算量を大幅に削減することができる。
その時々の可変側サンプリング周波数をVRNowとすれば、その時々で必要なバッファサイズは、以下の式によって求める。
固定→可変のサンプリング周波数変換:
S1Now=n/MIN(CR,VRNow)/δ・2・CR+1
可変→固定のサンプリング周波数変換
S2Now=n/MIN(CR,VRNow)/δ・2・VRNow+1/CR・VRNow
S1NowはVRNowに反比例し、S2NowはVRNowに比例するため、最大バッファサイズは、以下の計算により求める。
S1VMax=n/MIN(CR,VRMin)/δ・2・CR+1
S2VMax=n/MIN(CR,VRMax)/δ・2・VRMax+1/CR・VRMax
However, if the delay time is variable based on the variable side sampling frequency, the buffer size and the calculation amount can be greatly reduced.
If the variable sampling frequency at that time is VRNow, the buffer size required at that time is obtained by the following equation.
Fixed to variable sampling frequency conversion:
S1Now = n / MIN (CR, VRNow) / δ · 2 · CR + 1
Variable to fixed sampling frequency conversion S2Now = n / MIN (CR, VRNow) / δ · 2 · VRNow + 1 / CR · VRNow
Since S1Now is inversely proportional to VRNow and S2Now is proportional to VRNow, the maximum buffer size is obtained by the following calculation.
S1VMax = n / MIN (CR, VRMin) / δ · 2 · CR + 1
S2VMax = n / MIN (CR, VRMax) / δ · 2 · VRMax + 1 / CR · VRMax

S2Nowについては、VRNowの変動に対して大きな変動はないため、バッファないの全要素についてセンサの検出処理を行えばよい。
S1Nowについては、VRNowの変動に大きく依存するため、最新の粒子のインデックスから、S1Now分過去のインデックスまでについてのみセンサの検出処理を行うことで、計算量をさらに削減できる。巡回バッファのインデックス計算方法については自明のため割愛する。
With respect to S2Now, since there is no great variation with respect to the variation of VRNow, the sensor detection process may be performed for all elements that are not buffered.
Since S1Now greatly depends on the change in VRNow, the amount of calculation can be further reduced by performing sensor detection processing only from the latest particle index to the past index of S1Now. The method for calculating the index of the circular buffer is omitted because it is obvious.

さて、既に述べた通り本発明ではサンプリング周波数の変換比が可変である。
サンプリング周波数が変化することによって、少なからず非線形効果が生じてノイズが発生してしまうし、一時的にwSincの有効区間がバッファサイズを超えてしまうことがありうる。
そこで、バッファサイズを少し大きめに確保しておき、また、可変側のサンプリング周波数値にはローパスフィルタを施すことにより、これらの問題を回避することができる。
As described above, in the present invention, the sampling frequency conversion ratio is variable.
By changing the sampling frequency, there is a considerable nonlinear effect and noise is generated, and the effective section of wSinc may temporarily exceed the buffer size.
Therefore, it is possible to avoid these problems by securing a slightly larger buffer size and applying a low-pass filter to the variable sampling frequency value.

ところでwSinc関数の伸縮率を微調整するために用いた値δであるが、これに1よりも大きな値を設定することで、エイリアス成分をあえて発生させることができる。
計測用機器やオーディオ機器などでは意味のある操作ではないが、音響効果の一種として捉えれば、意味を持つものである。
By the way, the value δ used for finely adjusting the expansion / contraction rate of the wSinc function can be generated by setting an alias component larger than 1 to this value.
Although it is not a meaningful operation in a measurement device or an audio device, it is meaningful when viewed as a kind of acoustic effect.

また、これまでに述べたサンプル間の補間用関数は主にSinc関数とそこから派生したwSincであったが、時間伸縮により阻止周波数の変化とスペクトルの振幅値の変化は畳み込み処理をベースとした補間用関数であれば当てはまるものであり、ローパスフィルタとしての性質を持ち、阻止周波数以上の振幅が十分に小さい補間用関数であれば、本発明のサンプリング周波数変換装置に利用可能である。In addition, the interpolation function between samples described so far is mainly the Sinc function and wSinc derived therefrom, but the change in the stop frequency and the change in the amplitude value of the spectrum due to time expansion and contraction are based on the convolution process. Any interpolation function is applicable, and any interpolation function that has properties as a low-pass filter and has a sufficiently small amplitude above the stop frequency can be used in the sampling frequency conversion apparatus of the present invention.

Sinc関数のグラフを示した図である。It is the figure which showed the graph of the Sinc function. 本発明の一実施形態の構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structure of one Embodiment of this invention. 本発明のサンプリング周波数変換装置の模式図である。It is a schematic diagram of the sampling frequency converter of this invention. 本発明のサンプリング周波数変換装置の処理イメージを示した図である。It is the figure which showed the processing image of the sampling frequency converter of this invention.

Claims (5)

第1の離散時間信号(D1s)のサンプリング周波数(f1)を変換して第2のサンプリング周波数(f2)の離散時間信号(D2s)を生成するデータ処理装置であって、
D1sの1サンプルを出力する時刻値(D1t)と、D2sの1サンプルをサンプリングする時刻値(t2)とを求める手段と、該D1sの各サンプルの振幅値(D1v)を逐一記憶する巡回バッファと、畳み込み補間に用いることを前提として0以外の値を返し得るパラメータ区間が有限なローパスフィルタ関数(LPF)の値を求める手段とを有し、
D2sの1サンプルの振幅値を求める処理において、前記巡回バッファの全サンプルのうち、少なくともκ=LPFの阻止周波数を1Hzにスケールする定数(ψ)・MIN(f1,f2)・(D1t−t2+正の遅延時間(ct))がLPF関数の有効区間に含まれるサンプル列について、ρ=LPF(κ)・D1vを求め、ρを合計してt2におけるD2sの振幅値とするデータ処理装置。(ここでMIN(x,y)はxとyのうち小さな値を表す。)
A data processing device for converting a sampling frequency (f1) of a first discrete time signal (D1s) to generate a discrete time signal (D2s) of a second sampling frequency (f2),
Means for obtaining a time value (D1t) for outputting one sample of D1s and a time value (t2) for sampling one sample of D2s, and a cyclic buffer for storing the amplitude value (D1v) of each sample of D1s one by one Means for obtaining a value of a low-pass filter function (LPF) having a finite parameter section that can return a value other than 0 on the assumption that it is used for convolution interpolation,
In the process of obtaining the amplitude value of one sample of D2s, a constant (ψ) · MIN (f1, f2) · (D1t−t2 + positive) that scales at least the blocking frequency of κ = LPF to 1 Hz among all samples of the circular buffer Is a data processing apparatus that obtains ρ = LPF (κ) · D1v for a sample sequence whose delay time (ct)) is included in the valid section of the LPF function, and sums ρ to obtain the amplitude value of D2s at t2. (Here, MIN (x, y) represents a small value of x and y.)
請求項1のデータ処理装置において、ρを合計した後にSQRT(f1≦f2の時:f1/f2、f1>f2の時:f2/f1)に比例した値を乗じてt2におけるD2sの振幅値とするデータ処理装置。(ここでSQRT(x)はxの平方根を表す。)2. The data processing apparatus according to claim 1, wherein after summing ρ, the amplitude value of D2s at t2 is multiplied by a value proportional to SQRT (when f1 ≦ f2: f1 / f2, when f1> f2: f2 / f1). Data processing device. (Here, SQRT (x) represents the square root of x.) 請求項1のデータ処理装置において、D1tとD1vの組を巡回バッファに記録しておき、κの算出に用いるデータ処理装置。2. The data processing apparatus according to claim 1, wherein a set of D1t and D1v is recorded in a circular buffer and used for calculating κ. 請求項1のデータ処理装置において、正の遅延時間(ct)の値を、(LPFの正値側の有効区間+1)/(ψ・MIN(f1,f2))以上の値となるように逐一更新するデータ処理装置。2. The data processing apparatus according to claim 1, wherein the value of the positive delay time (ct) is successively set to be equal to or greater than (LPF positive value side effective interval + 1) / (ψ · MIN (f1, f2)). Data processing device to be updated. 請求項1における、D2sの1サンプルの振幅値を求める処理において、可変パラメータδに比例してLPFの時間幅を伸縮することにより、D2sの成分にあえてエイリアスを発生させるデータ処理装置。2. The data processing apparatus according to claim 1, wherein in the process of obtaining an amplitude value of one sample of D2s, an alias is generated for the component of D2s by expanding and contracting the time width of the LPF in proportion to the variable parameter δ.
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