（通信与信息系统专业论文）低码率参数音频编码算法研究.pdf

摘要 低码率参数音频编码算法研究 摘要 m p 3 、a a c 等高质量音频编码方法已经成为国际标准，目前研究的热点已转向 更高效率更低比特率的编码算法。论文提出一种新的低码率参数音频编码系统一正 弦暂态噪声系统( s t n p r o ) 。它将音频信号分解，用三个分立的信源模型( 正弦波 模型、暂态模型和噪声模型) 进行处理。 论文将抽象的m p 算法和音频信号相结合，提出了新的m p 算法和c m p 算法来 处理正弦波模型。m p 是一种非线性的基于帧的迭代算法，也是一种自适应的算法。 它从词典中选择一组原子，这些原子与待分析信号的结构最为匹配( 相关性最强) 。 利用m p 算法固有的高度冗余性可以对正弦波参数进行准确的估计。在s t n p r o 中， 采取了许多措施有效地降低了分析与合成过程的计算量。 论文提出了一种新的参数心理声学模型，引入临界频带率、依赖于强度的扩展 函数、非线性迭加和前向掩蔽效应。用参数心理声学模型计算的掩蔽阈值比用m p e g 的心理声学模型计算的掩蔽阈值更加符合心理声学实验的结果。在s t n p r o 中，参 数心理声学模型的作用是去除感知上无关的正弦波，控制模型噪声的分布。 低码率参数音频编码的主要目标是在合成声音质量保持不变的前提下，尽量减 少所需的比特数。围绕这一主旨，论文在以m p 算法为核心的正弦波模型的基础上 提出用幅度动态范围、邻域屏蔽、归一化互相关等措施改进正弦波的筛选，合理控 制正弦波的分布。 论文讨论了将参数心理声学模型与改进m p 算法相结合，对感知上最重要的正 弦波进行排序和选择的几种方案。通过实验的比较，找到了一种理论上的最佳方案， 一种实践中的最佳方案。这两种方案利用参数心理声学模型，在迭代的每一步都更 新掩蔽阈值，以求出当前尚未被掩蔽且对噪掩比改善最大的正弦波。实验证明这两 种方法可以有效地减少所需正弦波的数量。 论文提出了一种新的正弦波轨迹跟踪算法，采用基于感知特性的距离度量和新 的匹配方法。实验证实改进的跟踪算法可以有效地提高轨迹跟踪的效率。 针对可用正弦波数量较少、带宽略嫌不够的实际情况，论文提出合成端采用带 宽增强、线谱增强和断点内插等后处理的新方法。不需或只需很少的额外比特，就 可以增加合成信号的有效带宽( 达到或超过模拟调频信号的带宽) ，提高正弦波的利 用率，使音色变得更为亮丽。增加合成信号的厚实感，减少或消除因谱线缺失引起 的派生噪声，有效提高合成信号的响度。弥补正弦波轨迹被强制截断的缺点，改善 合成信号的质量。 在分析暂态信号特点、总结并比较变换编码器和参数编码器中常用暂态信号处 理方式的基础上，论文提出利用时频空间的对偶特性，将时域的暂态信号映射到d c t 上海交通大学博士学位论文 域的振荡信号，以便用m p 算法进行d c t 域正弦波的分析。论文提出一种新的基于 相邻帧高频能量比值和短时能量与长时能量比值等指标的暂态信号上升沿检测方 法。论文提出根据d c t 域正弦波轨迹的长度和间断现象来甄别可疑的候选暂态区 域。经实验验证，对于暂态特性比较明显的信号，使用暂态模型可以有效提高与其 它模型合并后总的合成信号的质量。 参数音频编码算法的核心是正弦波模型。但是单靠正弦波模型还不足以表现高 质量的宽带音频信号，还必须和噪声模型配合使用才能回放高质量的合成信号。鉴 于直接对正弦波模型残差信号处理合成的噪声偏大、与其它模型融合得不好的缺陷， 论文提出用改进的m p 算法来提取残差信号中多余的正弦波，提出基于能量比值的 停止原则，使得残差信号尽可能地接近白噪声而迭代次数又能有效地减少。论文提 出改进频带边界的能量分配方式以弥补频谱分辨率的不足。噪声模型的优点是控制 结构简单，所需比特数少而又能使合成声音的质量有很大的提高。 论文详细讨论了三个模型的量化编码方案和比特流结构的组织，并对一些不同 实现方法的性能进行了比较。 关键词：正弦波模型，暂态模型，噪声模型，心理声学模型，低码率参数音频编码 l l a b a r a c t r e s e a r c ho fl o wb i tr a t ep a r a m e t r i c a u d i oc o d i n ga l g o r i t h m a b s t r a c t h i 曲q u a l i t ya u d i oc o d i n gm e t h o d ss u c ha s 3a n da a ch a sa l r e a d yb e c o m e i n t e m a t i o n a ls t a n d a r d s ，a tc u r r e n tt h em s e a r c hh a sb e e nf o c u s e do na l g o r i t h m sf o rl o wb i t r a t e 印p l i c a t i o n s i nt h ed i s s e r t a t i o n ，s t n p r 0 ，an e wl o w b i tr a t ep a r a m e t r i ca u d i oc o d i n g s y s t e m ，i sp r o p o s e d i td e c o m p o s e sa u d i os i g n a l si n t ot h r e ed i f f e r e n tp a r t s ，e a c ho fw h i c hi s 。 p r o c e s s e d 、7 l ，i t l las p e c i f i cs o u r c em o d e l i nt h ed i s s e r t a t i o n ，谢t l l c o m b i n i n ga b s t r a c t a l g o r i t h ma n da u d i os i g n a l ，a m o d i f i e d 田a l g o r i t h ma n dc m pa l g o r i t h mi sp r o p o s e dt os o l v et h es i n u s o i dm o d e l m pi s af r a m e - b a s e dn o n l i n e a ri t e r a t i v ea l g o r i t h ma sw e l la ss i g n a l a d a p t i v e i tc h o o s e sas e to f a t o m sf r o mad i c t i o n a r yw h i c hm a t c ht h es i g n a lb e i n ga n a l y r z e db e s t 、矾t ht h eb e n e f i t so f l l i g hr e d u n d a n c yo ft h e a l g o r i t h m ，s i n u s o i dp a r a m e t e r sc a nb e c 瑚疵l ye s t i m a t e d i n s n 岬r 0 ，s o m em e a s u r e sa let a k e nt oe f f e c t i v e l yr e d u c et h ea m o u n to fc o m p u t a t i o nd u r i n g a n a l y s i sa n ds y n t h e s i s i nt h ed i s s e r t a t i o n , an e wp a r a m e t r i cp s y c h o a c o u s t i cm o d e li s p r o p o s e dw h i c h i n c o r p o r a t e sc r i t i c a lb a n dr a t e ，l e v e l d e p e n d e n ts p r e a d i n gf u n c t i o n , n o n l i n e a rs u p e r p o s i t i o n a n df o r w a r dm a s k i n ge f f e c t t h em a s k i n gt h r e s h o l d sc a l c u l a t e df r o mt h en e wm o d e l m a t c h e sm u c hb e t t e rw i t ht h er e s u l to fp s y c h o a c o u s t i ce x p e r i m e n t st h a nt h et h r e s h o l d s c a l c u l a t e df r o mt h em p e gp s y c h o a c o u s t i cm o d e l i ns n 岬r o ，t h er o l eo ft h ep a r a m e t r i c p s y c h o a c o u s t i cm o d e li st or e m o v et h o s ep e r c e p t u a l l yi r r e l e v a n ts i n u s o i d sa n dc o n t r o lt h e d i s t r i b u t i o no fm o d e ln o i s e i i ll o wb i tr a t ea u d i oc o d i n ga p p l i c a t i o n ，t h et a r g e ti st or e d u c et h ea m o u n to fb i t c o n s u m p t i o na sm u c ha sp o s s i b l ew h i l ek e e p i n gt h es y n t h e s i z e dq u a l i t yu n c h a n g e d t ot h i s a i m ，b a s e do nt h es i n u s o i dm o d e lw i t ht h em pa l g o r i t h ma si t sk e r n e l ，s o m em e a u s u r e ss u c h a sn o r m a l i z e dc r o s sc o r r e l a t i o n , d y n a m i cr a n g eo fm a g n i t u d ea n dn e i g h b o r h o o ds h i e l da l e t a k e nt oi m p r o v et h er i d d l i n go fs i n u s o i d sa n dt oc o n t r o lt h ed i s t r i b u t i o no fs i n u s o i d sm o r e r a t i o n a l l y i h 上海交通大学博士学位论文 i nt h ed i s s e r t a t i o n ，s e v e r a lm e t h o d sc o m b i n i n gp a r a m e t r i cp s y c h o a c o u s t i cm o d e la n d t h em o d i f i e d 瞳a l g o r i t h ma r ed i s c u s s e d t h o s em e t h o d sa r eu s e dt oo r d e ra n ds e l e c tt h e p e r c e p t u a l l ym o s ti m p o r t a n ts i n u s o i d s a f t e re x p e r i m e n t i n go nm a n ya u d i oc l i p s ，a t h e o r e t i c a l l yb e s ts o l u t i o na n dap r a c t i c a l l yb e s ts o l u t i o na r ef o u n dw h i c hi m p r o v et h e n m rm o s t p a r a m e t r i cp s y c h o a c o u s t i cm o d e li sa d o p t e d , m a s k i n gt h r e s h o l di su p d a t e d w i t he a c hi t e r a t i o n s u c ht h a tt h eu n m a s k e ds i n u s o i dw h i c hi m p r o v e st h en 蛐之m o s ti s s e l e c t e d e x p e r i m e n t sv e r i f yt h a tw i t ht h et w om e t h o d s t h en u m b e ro fs i n u s o i d sr e q u i r e d c a i lb ee f f e c t i v e l yr e d u c e d i nt h ed i s s e r t a t i o n ，an e wt r a c k i n ga l g o r i t h mi sp r o p o s e dw h i c ha d o p t sp e r c e p t i o n - b a s e dd i s t a n c em e a s u r ea n dan e wm a t c h i n gp r o c e d u r ei si n t r o d u c e d e x p e r i m e n t ss h o w t h a tt h ei m p r o v e dt r a c k i n ga l g o r i t h mc a ne f f e c t i v e l yb o o s tt h et r a c k i n ge f f i c i e n c y c o n s i d e r i n gt h el i m i t e dn u m b e ro fa v a i l a b l es i n u s o i dp e a k sa n dc o m p a r a t i v e l yl o w b a n d w i d t h , n e wp o s t - p r o c e s s i n gm e t h o d ss u c h 弱 b a n d w i d t he n h a n c e d “l i n ee n h a n c e d a n d b r e a ki n t e r p o l a t i o n ”a r ep r o p o s e di nt h ed i s s e r t a t i o n w i t ht h e s et e c h n o l o g i e s ，t h e e f f e c t i v eb a n d w i d t hc a nb ee x t e n d e dt oo n em o r eo c t a v e ( e q u a l so re x c e e d st h eb a n d w i d t h o fa n a l o g u ef ma u d i o ) a tt h ec o s to fo n l yv e r yf e wa d d i t i o n a lb i t s ；t h et i m b r et e n d st o s o u n ds h a r p e r , t h i c k e ra n dm o r eb e a u t i f u l ；t h el o u d n e s so ft h es y n t h e s i z e ds i g n a lc a nb e l i f t e dt oa p p r o a c ht h el o u d n e s so ft h eo r i g i n a ls i g n a l ；t h ed e r i v a t i v en o i s ed u et od e f i c i e n c y o fs p e c t r a lb i n sc a l lb er e d u c e do rd i m i n i s h e d a f t e ra n a l y z i n gt h ec h a r a c t e r i s t i c so ft r a n s i e n t s ，s u m m a r i z i n ga n dc o m p a r i n gs o m e c o m m o nw a y st oh a n d l et r a n s i e n t si nt r a n s f o r r n b a s e dc o d e ca n dp a r a m e t r i cc o d e c 。t h e d i s s e r t a t i o np r o p o s e st om a pt h et i m e d o m a i nt r a n s i e n t st od c t - d o m a i ns i n u s o i d st o f a c i l i t a t et h ep r o c e s s i n go fm 口a l g o r i t h mi nd c t - d o m a i ni nc o n s i d e r a t i o no ft h ed u a l i t y b e t w e e nt i m e - d o m a i na n df r e q u e n c y d o m a i n an e w r i s i n ge d g ed e t e c t o rb a s e do nr a t i oo f h i 曲一f r e q u e n c ye n e r g i e sb e t w e e na d j a c e n tf l a m e sa n dr a t i oo fs h o r t - t i m ee n e r g i e st ol 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f f e r e n ts o l u t i o n si sc o m p a r e d k e yw o r d s ：s i n u s o i dm o d e l ，t r a n s i e n tm o d e l ，n o i s em o d e l ，p s y c h o a c o u s t i cm o d e l ，l o w b i tr a t ep a r a m e t r i ca u d i oc o d i n g v 上海交通大学博士学位论文 a a c a b s a d p c m a m a o d 心 a r a r m a a s i c a s s n r a t r a c a u d i o b i f s b c b e b i b s a c c a s a c b r c c i t t c d c e c e l p c f b c 田 d a b d c t d f t d p c m d s p d v b d v d e p a c e r b f f t f i r 英文缩写说明 a d v a n c e da u t oc o o i n g a n a l y s i sb ys y n t h e s i s a d a p t i v ed e l t ap l l l s ec o d em o d u l a t i o n a m p l i t u d em o d u l a t i o n a u d i oo nd e m a n d a 1 1p a s sf i l t e r a u t or e g r e s s i v e a u t or e g r e s s i v em o v i n ga v e r a g e a p p l i c a t i o ns p e c i f i ci n t e g r a t e dc i r c u i t a v e r a g es e g m e n t e ds i g n a lt on o i s er a t i o a d a p t i v et r a n s f o r ma c o u s t i cc o d i n g a u d i ob i n a r yf o r m a tf o rs c e n ed e s c r i p t i o n b a c k w a r dc o m p a t i b l e b a n d w i d t he n h a n c e m e n t b r e a ki n t e r p o l a t i o n b i ts l i c e da r i t h m e t i cc o d i n g c o m p u t a t i o n a la u d i t o r ys c e n ea n a l y s i s c o n s t a n tb i tr a t e i n t e r n a t i o n a lt e l e p h o n ea n dt e l e g r a p hc o n s u l t a t i v ec o m m i t t e e c o m p a c td i s k c o r ee x p e r i m e n t c o d ee x c i t e dl i n e a rp r e d i c t i o n c o m p l e m e n t a r yf i l t e rb a n k c o n s i s t e n tm a t c h i n gp u r s u i t d i g i t a la u d i ob r o a d c a s t i n g d i s c r e t ec o s i n et r a n s f o r m d i s c r e t ef o u r i e rt r a n s f o r m d e l t ap u l s ec o d em o d u l a t i o n d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r d i 百t a lv i d e ob r o a d c a s t i n g d i 西t a lv i d e od i s k e n h a n c e dp e m e p t u a la u d i o c o d e r e q u i v a l e n tr e c t a n g u l a rb a n d w i d t h f a s tf o u r i e rt r a n s f o n n f i l l i t ei m p u l s er e s p o n s e v i 英文缩写说明 f m f s s h d t v h i l n m 心4 h r 口 h v x c i c a ) f t i f f t c 口 i s o 肿a 肿f l e l p l p c l s p l t p 毋e d n i d c t m d i 艘s h 心嗄a 限 母3 毋a c m 噼e g m s v n b c n 己 o l a p a c p a d p c p c m p l d p n s f r e q u e n c ym o d u l a t i o n f r e q u e n c ys e l e c t i v es w i t c h h i g h - d e f i n i t i o nt v h a r m o n i ca n di n d i v i d u a ll i n ep l u sn o i s e h i d d e nm a r k o vm o d e l h i 曲r e s o l u t i o nm a t e h i n gp u r s u i t h a r m o n i cv e c t o re x i c i t a t i o nc o d i n g i n d e p e n d e n tc o m p o n e n ta n a l y s i s i n v e r s ed i s c r e t ef o u r i e rt r a n s f o r m i n v e r s ef a s tf o u r i e rt r a n s f o r m i n t e r n a t i o n a le l e c t r o t e c h n i c a lc o m m i s s i o n i n t e l l e c t u a lp r o p e r t y i n t e r n a t i o n a ls t a n d a r do r g i n a z a t i o n 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o d u l a t i o n p r o g r a m m a b l el o g i c a ld e v i c e p e r c e p t u a ln o i s es u b s t i t u t i o n l 上海交通大学博士学位论文 p r q b h q o s r a m r o m s a s a o l s a s b f s a s l s 限 s n r s p i n c s t f t s v d t n s t w i n v q v b r v q w f i r 、珊c x m 儿 p e r f e c tr e c o n s t r u c t i o n q u e r yb yh u m m i n g q u a l i t yo fs e r v i c e r a n d o ma c c e s sm e m o w r e a do n l ym e m o r y s t r u c t u r e da u d i o s t r u c t u r e da u d i oo r c h e s t r al a n g u a g e s t r u c t u r e da u d i os a m p l eb a n kf o r m a t s t r u c t u r e da u d i os c o r el a n g u a g e s i g n a lt om a s k i n gr a t i o s i g n a lt on o i s er a t i o s p e c t r a li n c r e m e mf u n c t i o n s h o r t 耽n ef o u r i e rt r a n s f o r l n s i n g u l a r 、，r a l u ed e c o m p o s i t i o n t e m p o r a ln o i s es h a p i n g t r a n s f o r m d o m a i nw e i g h t e di n t e r l e a v ev e c t o rq u a n t i z a t i o n v 撕a b l eb i tr a t e v e c t o rq u a n t i z a t i o n w a r p e df i n i t ei m p u l s er e s p o n s e w a r p e dl i l l e a rp r e d i c t i o nc o d i n g e x t e n s i b l em a r k u pl a n g u a g e v i i i 上海交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规 定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权上海交通大学可以将本学位论 文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印 或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密中，在上年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密口。 ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者签名：同芳 指导教师签名： 日期：2 0 0 2 ；月子1 9 日期矽7 缉夕月9r 上海交通大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本 论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本 文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：f 司旁 日期：2 0 0 ? 年弓月苫日 第一章绪论 第一章绪论 八十年代初期刚刚推出c d 的时候，人们对数字音频压缩系统及其存在的必要 性普遍持怀疑和观望的态度。有了c d 以及类似介质的超大存储容量，那时几乎没 有人认为数字压缩是需要的。今天的情况则完全不同了，几乎每一种新型数字音频 系统中都采用了这种或那种数字音频压缩算法。最明显的变化是，自1 9 9 5 年以来， i n t e m e t 上采用m p e g 编码方法的音频素材呈现指数级的增长。到了1 9 9 9 年， “m p 3 ”已成为网上最常被搜索的词汇之一。形形色色的m p 3 播放机已成为时下 年轻人的新宠。与此同时，音频数据的定位、检索、过滤和管理变得越发困难。计 算机、网络、存储介质和移动通信的飞速发展对数字音频压缩算法和描述方法提出 了新的更高的要求，推动了压缩编码算法和描述方法的新一轮研究热潮以及两者相 关性和联系的研究。 本章主要归纳了音频编码和相关的一些技术。第一节讨论和总结了音频信号处 理的模型、分析合成算法与描述方法。第二节概括和介绍了m p e g 的音频编码算法 和标准，以及需要注意的一些共性问题。第三节探讨了音频编码的新进展和新应用。 最后第四节对全文内容和结构进行简单的说明。 1 。1 信号模型与分析合成 信号模型在m p 3 、m i d i 等音频信号处理的工程应用中有着悠久的历史。信号 模型的任务是用一个基本的结构和相应的参数空间来描述某一类信号共同的根本属 性。分析是将模型应用到特定信号的一个过程，而合成是运用分析数据和相应模型 重建信号的一个过程。对模型参数量化和编码( 包括信源编码和信道编码) ，可以有 效地存储和传输信号。在许多应用场合，合成之前还需要对模型参数进行修改。合 成过程也可以独立于分析过程( 不需要分析过程) 。 在讨论结构化的声音模型时，我们特别关注信号的感知特性。就是要充分理解 听众感受声音的过程和方式，建立信号模型与人类听觉之间的联系。对于一般工程 实践中比较关心的完美重建问题，在数字音频系统中通常是不需要的。类似地，一 般工程实践中用于比较不同表示方法效果的误差准则( 比如最小均方误差准则) ，也 并不适合于声音信号。人类并不使用这种方式判断声音质量的高低或噪声的大小。 1 1 1 信号的合成 一种合成算法就是一个参数模型，有自己特定的参数空间。一种合成算法一般 只适合于表示某一特定类型的声音。换句话说，这一类声音用这种合成算法表示比 用其它合成算法表示效率更高。在效率和通用性之间，总是存在着矛盾和折衷。下 面对一些常用的合成算法进行归纳和总结。 1 样本合成：有时也称为波表合成，是历史最悠久的一种算法。它的参数包括p c m 样本和处理用的控制参数( 比如包络和滤波器参数) 。该算法对存储器容量有较高的 上海交通大学博士学位论文 要求，适合于表现离散的音符、孤立的声音事件和环境声音。在表现差别很大的两 个声音事件之间的过渡段时效果较差。当原始声音可以分解成重复、递归的成分( 比 如乐章中的音符) ，或者准周期性、适于循环使用的成分时，用该算法可以得到相当 简洁的表示( 比如冲激成分加循环成分) 。 2 加性合成：也是一种经典的算法 1 。声音的合成是通过迭加正弦波成分实现的， 正弦波的参数包括时变的幅度和频率。准周期音乐信号通常包含许多谐波成分，特 别适合用这种方法表示。加性合成算法被广泛地用于乐器音色的研究。正弦波分析 是通过计算s t f t 、搜索频谱峰值、在相邻的分析帧之间进行峰值匹配构建正弦波轨 迹等一系列步骤来实现的。该算法很容易用s a 比特流实现，它的主要成分可以用 s a o l 高效地表示( 是s a o l 的内部函数) 。 3 减性合成：采用源一滤波器模型，它的参数包括激励参数和滤波器参数【2 】。语 音合成是它的典型应用。语音是声门激励经过声道后由嘴( 和鼻) 辐射而形成的。 浊音激励通常用周期脉冲加噪声表示，清音激励通常用噪声表示，而声道共振峰通 常用简单的零极点滤波器网络表示。其它一些物理发声系统也可采用这一算法模拟。 4 共振峰合成：周期脉冲驱动共振峰滤波器的结果在时域上等效于延时的共振峰 冲激响应之和。迭加共振峰冲激响应构成了生成浊音和歌声的一种时域方法。这种 合成方法定义了时域的共振峰波形函数，用中心频率、幅度和带宽等参数表示】。 由于这些共振峰波形函数在时间上是同步的，该算法也可称为同步颗粒合成。 5 异步颗粒合成：也是把参数化的时域函数( 即所谓的颗粒) 累加，但这些函数 在时间上是异步关系。每一个颗粒都是限带的时域函数，占据时频空间的一部分。 将这些颗粒按特定的方式相加，就可以控制整个时频空间的能量分布。这种方法比 较适合于噪声或水、风、火、掌声等所谓结构声的生成【4 】。 6 调频合成：适合于表示具有离散频谱结构的音符。它的参数包括载波频率、调 制频率和调制指数 5 6 1 。由于频谱成分的幅度与调制指数的关系比较复杂，缓慢改变 调制指数可以使音色发生丰富的变化。采用这种算法要求作曲者有丰富的经验。调 频合成是波形整形合成的一个特例。所谓波形整形合成就是对正弦波振荡器的输出 进行非线性的处理，从而形成和声频谱。 7 物理模型：是一种新兴的方法【7 ，8 1 。乐器通常可以用差分方程( 比如波动方程) 来模拟。用数值方法可以解差分方程