CN101061744B - 音频信号的增强 - Google Patents

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Abstract

音频信号(A)通过将其在选定频率范围内划分为时间段并在每个时间段内进行定标而得到增强。时间段(S)由音频信号的零交叉(Z)限定，因此避免引入任何不需要的谐波。定标可能包含线性或非线性定标因子。当被选择的频率范围包含低音频率时，低音增强的效果非常好并且没有失真。

Description

音频信号的增强
技术领域
本发明涉及音频信号的增强。本发明特别涉及改进音频信号感官质量的方法和设备。
背景技术
众所周知的是，例如可通过将一个频率范围放大得强于其它频率范围来增强音频信号。这样就可以”加强”高频和低频信号，在感官上它们听起来一般要弱于中频信号。但是业已发现，如果不引入失真，许多换能器所再现的高频和低频信号达不到可感知的声级。对于低频音频信号或“低音”频率信号，这个问题特别突出。
有人提出通过增加低音频率的谐波来增强音频信号，例如美国专利6,111,960所揭示的。增强信号由谐波发生器产生并随后加入(放大的)原始音频信号。被加入的谐波信号被感知为放大的低音信号。进一步提出的方法是增加音频信号的子谐波来形成低音加强的感觉。
虽然增加谐波或子谐波显著地改善了音频信号的质量，但是一些听众对所合成的增强音频信号并不完全满意，因为这些技术所采用的增益控制机制在某些音频信号内引入了人为结果(artifact)。
发明内容
因此，本发明的一个目标是克服现有技术的这些和其它问题，并提供一种增强音频信号的方法和设备，其基本上不会引入人为结果或失真。
本发明为此提供了一种增强音频信号的方法，该方法包含以下步骤：
对该音频信号进行滤波以选择一个频率范围；
将所选择的频率范围的音频信号划分为时间段；以及
对每个时间段内的音频信号进行定标以增加所述频率范围内音频信号的声级，
其中，该时间段由经过滤波的音频信号的零交叉来限定。
通过将音频信号划分为由音频信号零交叉限定的时间段，可以基本上不引入失真就对每个时间段内的信号进行定标。通过逐个时间段地对信号进行定标，可以实现非常精确的定标，在避免信号失真的同时提高音频信号的声级。通过仅对被选定频率范围逐个时间段地施加这种定标操作，可以使该频率范围的声级相对于音频信号的其它部分有所增大。
需要指出的是，由于美国专利US 5,672,999的存在，利用零交叉限定的时间段来定标音频信号这一方法本身是已知的。但是US5,672,999的定标具有完全不同的目的：是为了防止“限幅(clipping)”，即，为了防止音频信号幅度过大(因此需要按比例缩小)而引起的信号失真。相反，本发明涉及的音频信号幅度一般需要按比例增大以增强特定的信号分量。而且US 5,672,999的限幅防止装置对音频信号的全部频率都进行定标，而本发明的方法和设备仅对选定频率范围的信号分量进行定标。
在本发明中，时间段的边界对应于选定频率范围的音频信号的零交叉，从而防止了任何信号失真或不希望的谐波的引入。当然，任何时间段都可能包含多个部分，每个部分以两个零交叉为界，因此时间段在一个或多个零交叉上延伸。但是优选的是，每个时间段由经过滤波的音频信号的两个连续的零交叉来限定。在优选实施例中，时间段内部不存在零交叉并且所有的零交叉都限定了时间段边界。由于在得益于零交叉限定的边界的同时使时间段尽可能地小，因此这可以更为精确地定标音频信号。
当然也可将一个定标因子应用于所有或多个时间段，从而提供基本上均匀的定标。但是优选的是，定标音频信号的步骤涉及一个对每个时间段不同的定标因子。即，为每个时间段确定一个新的定标因子。当然，该定标因子的数值可以与另一时间段的相等。每个时间段具有单独的定标因子可以对音频信号进行非常严格和精确的定标。
可用的定标因子有几种。在一个实际实施例中，定标步骤采用一个常数定标因子。该实施例的优点是简单有效。但是在其它实施例中，定标步骤采用可变的定标因子，即，随信号幅度变化的定标因子。结果是定标因子例如可以随幅度减小，使得对于小幅度信号所施加的”加强”大于高幅度信号。这种可变定标因子可以是线性或非线性的。比较好的非线性定标因子可包含二次或三次函数。
上述定标被应用于音频信号的选定频率范围。本发明的方法优选进一步包含下列步骤：
将选择的频率范围的已定标音频信号和其余的先前未选择的频率范围的音频信号组合。
这样提供的组合输出信号中同时有音频信号的增强部分和音频信号的剩余部分存在。
在优选实施例中，本发明的方法进一步包括下列步骤：
将该组合音频信号的幅度与一个阈值进行比较；以及
如果超过该阈值，则调整该音频信号的幅度。
这提供了对增强的音频信号的检测并且防止信号被“限幅”。这样在先前步骤中被按比例放大的音频信号可在后续步骤中按比例缩小(至限定的程度)，以避免任何信号失真。优选的是，只调整选择的频率范围的音频信号的幅度。也可以调整全部音频信号的幅度，也即被选择的(且被定标的)频率范围和其余音频信号，但是这将导致其余音频信号按比例缩小，这一般是不希望出现的。通过仅调整被选择的频率范围的音频信号，可以补偿任何过剩的增强。
可以几乎同时比较和调整几个时间段，甚至是全部音频信号。但是优选的是，逐个时间段地进行将组合音频信号幅度与阈值进行比较的步骤和调整组合音频信号幅度的步骤。这使得调整更为精确并且避免将许多时间段都一起按比例缩小。
虽然选择的频率范围可以任意挑选，但是在较好的特定实施例中，被选择的频率范围为低音频率范围。本发明因此提供了非常有利的低音增强或“低音加强”的方法。一般理解低音音频的范围为0Hz～300Hz，虽然也可以采用其它的范围限定，例如20Hz～200Hz或30Hz～150Hz。
本发明的方法可以有利地进一步包含使其它频率范围的信号分量延迟的步骤。即，不属于被选择的频率范围的音频信号部分可被延迟，从而补偿被选择的频率范围内的任何处理延迟。这确保了被选择频率范围的频率分量和其余频率范围的频率分量可以基本上同时使用。
本发明还提供一种增强音频信号的设备，该设备包含：
滤波器装置，用于对该音频信号进行滤波以选择一个频率范围；
划分装置，用于将该选择的频率范围的音频信号划分为时间段；以及
定标装置，用于对每个时间段内的音频信号进行定标以增加所述频率范围内音频信号的声级，
其中，该时间段由经过滤波的音频信号的零交叉来限定。
有利的是，该划分装置被设置为以经过滤波的音频信号的两个连续的零交叉来限定每个时间段。
按照本发明的设备可以包含在音频(立体声)放大器、家庭影院系统、广播系统或其它任何合适的音频装置内。
本发明进一步提供一个包含如上所述设备的音频系统。
附图说明
以下借助附图所示的示例性实施例，进一步描述本发明，其中：
图1示意性地示出了按照本发明的增强音频信号设备第一实施例。
图2示意性地示出了按照本发明的增强音频信号设备第二实施例。
图3更为详细地示意性示出了图1和2中的定标单元。
图4a-c示意性地示出了本发明中所用的音频波形。
图5示意性地示出了按照本发明的增强音频信号的方法。
具体实施方式
作为非限定实例在图1中所示的设备1包含用于对音频信号进行滤波以选择一个频率范围的滤波器单元2、用于将所选择的频率范围的音频信号划分为时间段的分段单元3以及用于对每个时间段内的音频信号进行定标以增加所述频率范围内音频信号的声级的定标单元4。在所示实施例中，还可有下列可选单元：组合单元5、比较单元6、调整单元7和延迟/滤波器单元8。虽然可以利用模拟技术实现设备1，但是以下假设设备1被设置为以数字方式处理音频信号并且音频信号以数字形式作为样本提供。显而易见的是，如果音频信号仅以模拟形式存在，则可将采样-保持单元加入设备1。
滤波器单元2选择将按照本发明进行信号增强的频率范围。在一个优选实施例中，被选择的频率范围包含低音频率，例如0Hz～大约300Hz的频率范围，虽然其它的频率也是可行的(例如20Hz到大约150或200Hz)。业已发现，本发明特别适合于提供“低音加强”，即，用于增强音频信号的低频(低音)部分，虽然如果需要也可以增强中频或高频部分。
经过滤波的被选择频率范围的音频信号由分段单元3(按照本发明，其包含一个零交叉检测器)划分为时间段。该检测器本身是公知的。按照本发明，经过滤波的音频信号被划分为以零交叉为界的段。图4a示出了这一点，其所示的音频信号波形A具有零交叉Z。在该优选实施例中，段S由两个连续的零交叉限定，虽然段可以在几个零交叉上扩展并且例如由每第一和第三个零交叉限定。但是由相邻的零交叉所限定的较小的段可以对音频信号更为精确地定标和进行进一步处理。比较好的是定义一个最小的时间段以确保每个段内有最少数量的样本，一个小于最小尺度的段与邻近的段组合在一起。
定标单元4对音频信号的每个段进行定标。虽然可以将同一定标因子(F)应用于每个段，但是该设备的优选实施例将不同的定标因子(F)应用于每个段，甚至于下面所述的每个样本。定标单元4一般按比例扩大被选择的频率范围的音频信号：信号(即样本)幅度一般被增大以增强整个音频信号。在当前的实例中，音频信号的低音频率被“加强”。
被选定的频率范围(这里为低音)的增强的音频信号被送至组合单元5，在那里与其余音频信号组合。即，未经过滤波器2的频率经延迟或附加滤波器单元8被送至组合单元5。该单元8优选的是由一个互补滤波器构成，它使被滤波器2阻挡的频率通过。在当前的实例中，滤波器2可以是低通滤波器而滤波器8可以是高通滤波器。滤波器2和8可以具有基本相同的截止频率。替换方式为，单元8为全通滤波器，它使所有的频率都产生延迟以补偿在单元2、3和4的并行分支内产生的任何延迟。可以将实施例设想为单元8仅仅是直通连接。
如上所述，经过定标的选定频率范围的音频信号和其余频率的未经定标的音频信号在组合单元5内组合以形成一个组合的增强音频信号。该组合音频信号可以在经过合适的放大器(可选的)放大后输出至合适的换能器(例如扬声器)。但是在图1的优选实施例中，进行了额外的增益控制检测。为此，组合音频信号被送至比较器单元6以将音频信号与阈值比较。如果在任何段内信号超过阈值，则比较器单元6向调整单元7发送相应的调整因子，从而减少音频信号电平。调整单元7可包含公知的乘法器，用于将组合音频信号与比较器单元6确定的调整因子相乘。
当然也可以采用其它设计来避免过大的信号电平。在一个替换实施例(未画出)中，比较器单元6的输入耦合至滤波器单元8的输出而非组合单元5的输出，从而接收将与定标音频信号组合的其余频率的音频信号。比较器单元6产生的调整因子随后被送至定标单元4，从而直接对定标产生影响。在这样一个实施例中，调整单元7一般可以省去。
在图2的实施例中，调整单元7被设置在定标单元4的输出与组合单元5的输入之间。就象在图1的实施例中的那样，比较器6的输入耦合至组合单元5的输出。这种设置为增益控制提供了反馈回路。值得指出的是，在数字信号处理设备中，可以重新处理样本，从而使超出比较器6幅度阈值的信号分量在由图2设备输出之前按比例缩小。
图3更为详细地示出了定标单元4的示例性实施例。所示该单元4包含乘法器43，用于将音频信号与一个由定标因子单元42确定的定标因子F相乘。强度检测单元41确定信号的每个时间段(优选是每个样本)的最大信号电平，并且将信号电平送至定标因子单元42，由其确定一个适当的定标因子F。强度检测单元41本身是公知的，而定标因子单元42比较合适的是由包含查询表的半导体存储器构成。定标因子F初始时等于1，并且响应强度检测单元41的输出信号而减小。
设备1的操作如图4a-c所示，其中图4a所示的波形A具有多个零交叉Z。波形A优选由图1和2的滤波器2产生，并且仅包含被选定频率范围的频率。分段单元3将波形A划分为以零交叉Z为界的时间段S(为清楚起见，这里仅示出两个段S)。定标单元4的强度检测单元41随后确定如图4b所示的每个段内的最大信号值M。该最大值M随后被用来确定定标因子F，从而得到如图4c所示的按比例放大的波形B。值得指出的是，在图4a-c中水平轴上的数字指的是样本数，而垂直轴上的数字指的是标准化的信号电平。
值得指出的是，在本发明中，两个零交叉之间的所有信号样本都与同一定标因子相乘。因此波形保持其原先的形状而不会失真。需要进一步指出的是，由于每个段基本上是单独处理的，因此本发明设备1提供的信号增强基本上是瞬时的。
可采用几种类型的定标因子。定标因子F可以是常数。该情形如表1所示，这里的信号值X(图4a的波形A的幅度)与定标因子F相乘以产生新的信号值Y(图4c的波形B的幅度)。由表可见，新的信号值Y随信号值X线性增大。
表1(常数因子F)：
                                      编号                                       X                                       F＝1                                       Y＝X.F
                                      1                                       0.0                                       1.0                                       0.0
                                      2                                       0.1                                       1.0                                       0.1
                                      3                                       0.2                                       1.0                                       0.2
                                      4                                       0.3                                       1.0                                       0.3
                                      5                                       0.4                                       1.0                                       0.4
                                      6                                       0.5                                       1.0                                       0.5
                                      7                                       0.6                                       1.0                                       0.6
                                      8                                       0.7                                       1.0                                       0.7
                                      9                                       0.8                                       1.0                                       0.8
                                      10                                       0.9                                       1.0                                       0.9
                                      11                                       1.0                                       1.0                                       1.0
替换方式为，定标因子是可变的，一般随信号值X而变化，从而对较小的信号值应用较大的定标因子。表2示出了一个实例，其中定标因子F随信号值X线性变化：F＝2-X
表2：
                                      编号                                       X                                       F＝2-X                                       Y＝X.F
                                      1                                       0.0                                       2.0                                       0.00
                                      2                                       0.1                                       1.9                                       0.19
                                      3                                       0.2                                       1.8                                       0.36
                                      4                                       0.3                                       1.7                                       0.51
                                      5                                       0.4                                       1.6                                       0.64
                                      6                                       0.5                                       1.5                                       0.75
                                      7                                       0.6                                       1.4                                       0.84
                                      8                                       0.7                                       1.3                                       0.91
                                      9                                       0.8                                       1.2                                       0.96
                                      10                                       0.9                                       1.1                                       0.99
                                      11                                       1.0                                       1.0                                       1.00
在表3的实例中，定标因子F是信号值X的二次函数：F＝3-3X+X2。这使得较小的信号值具有更强的定标。
表3：
                                      编号                                       X                                       F＝3-3X+X2                                       Y＝X.F
                                      1                                       0.0                                       3.00                                       0.000
                                      2                                       0.1                                       2.71                                       0.271
                                      3                                       0.2                                       2.44                                       0.488
                                      4                                       0.3                                       2.19                                       0.657
                                      5                                       0.4                                       1.96                                       0.784
                                      6                                       0.5                                       1.75                                       0.875
                                      7                                       0.6                                       1.56                                       0.936
                                      8                                       0.7                                       1.39                                       0.973
                                      9                                       0.8                                       1.24                                       0.999
                                      10                                       0.9                                       1.11                                       0.999
                                      11                                       1.0                                       1.00                                       1.000
在另一个实施例中，如表4所示，定标因子F是信号值X的三次函数：F＝4-6X+4X2-X3。
表4：
                                      编号                                       X                                       F＝4-6X+4X2-X3                                       Y＝X.F
                                      1                                       0.0                                       4.000                                       0.000
                                      2                                       0.1                                       3.439                                       0.344
                                      3                                       0.2                                       2.952                                       0.590
                                      4                                       0.3                                       2.533                                       0.760
                                      5                                       0.4                                       2.176                                       0.870
                                      6                                       0.5                                       1.875                                       0.936
                                      7                                       0.6                                       1.624                                       0.974
                                      8                                       0.7                                       1.417                                       0.992
                                      9                                       0.8                                       1.248                                       0.998
                                      10                                       0.9                                       1.111                                       0.999
                                      11                                       1.0                                       1.000                                       1.000
上述定标因子的共同特征是总是随X值的增大而增大。但这不是实质性的，可以预见在一些实施例中，如表5所示，定标因子先增大，然后略微减小，其中F＝3-2X。
表5：
                                      编号                                       X                                       F＝3-2X                                       Y＝X.F
                                      1                                       0.0                                       3.0                                       0.00
                                      2                                       0.1                                       2.8                                       0.28
                                      3                                       0.2                                       2.6                                       0.52
                                      4                                       0.3                                       2.4                                       0.72
                                      5                                       0.4                                       2.2                                       0.88
                                      6                                       0.5                                       2.0                                       1.00
                                      7                                       0.6                                       1.8                                       1.08
                                      8                                       0.7                                       1.6                                       1.12
                                      9                                       0.8                                       1.4                                       1.12
                                      10                                       0.9                                       1.2                                       1.08
                                      11                                       1.0                                       1.0                                       1.00
同样的定标因子F的方程式可应用于整个信号或者只应用于一个或几个时间段。即，可利用不同的定标因子方程式对连续的时间段进行定标。当然，优选的是避免所选择的相邻时间段的不同定标因子方程式出现不连续。
如上表可见，对应信号值的定标因子适于存储在查询表内。有利的是，图3的定标因子单元42包含与多个定标因子方程式对应的多个表，由音频信号的类型或合适的控制信号确定具体所用的表。这种控制信号例如可以与一个选择器开关的不同设定对应，该选择器使得用户可选择特定类型的“低音加强”或其它信号增强。
图5示出了本发明的方法。在步骤101(“开始”)中启动方法后，在步骤102中选择频率范围(“频率分段”或“选择频率范围”)。该选择的频率范围按照本发明的方式处理。所有其它频率都被阻断，但是优选保留起来以在步骤106中与经过处理的信号组合。
在步骤103(“时间分段”或“确定时间段”)中，被选择的频率范围的音频信号被划分为以信号的零交叉(图4a中的Z)为界的时间段(图4a中的S)。在步骤104(“检测最大值”)中，确定每个时间段的最大值(图4b中的M)。该最大值被用来确定在步骤105(“定标样本”)中对音频信号样本进行定标时的定标因子F。在步骤106(与其它频率范围组合)中，所处理的被选择频率范围内的音频信号与其余频率范围内未处理的音频信号组合，从而产生组合的输出信号。该方法结束于步骤107(“结束”)。
值得指出的是，图5的示意图假设音频信号样本的有限时间的集合。显然，也可以按照本发明对音频信号进行实时操作，此时基本上是重复所示方法并且可以连续执行。
对于立体声音频信号，比较好的是将本发明的定标方法应用于组合的(左声道+右声道)信号，因为这避免了重复处理。大多数立体声信息由其余频率的音频信号保留，使得可以组合被选择频率的音频信号。
本发明建立在下列要点基础之上，通过将音频信号划分为以零交叉为界的时间段可以在基本上不引入人为信号(例如不希望出现的谐波)的前提下对信号进行定标。本发明还得益于下列要点，逐个时间段地定标音频信号可以使信号增强(例如“低音加强”)非常有效并且不会产生失真。
本发明不仅适于用专用硬件(例如ASIC)实现，而且适于由运行在专用或通用处理器上的软件实现。因此上述方法的步骤可以计算机程序产品的形式实现。
计算机程序产品应该理解为这样一个指令集的物理实现方式，其使处理器(通用或专用)在经一系列的加载步骤而使命令进入处理器内后执行本发明的任何特征功能。特别是，计算机程序产品的实现形式可以是载体(例如光盘或磁带)上的数据、存储器内存在的数据、网络连接(有线或无线)中传送的数据或纸件上的程序代码。除了程序代码，程序所需的特征数据的实现方式也可以是计算机程序产品。
值得指出的是，本文中所用的任何术语不应解释为是对本发明范围的限定。特别是“包含”一词并不意味着将任何未表述的单元排除在外。单个(电路)单元可以用多个(电路)单元或等同表述替换。
对于本领域内技术人员显而易见的是，本发明并不局限于上述实施例，在不偏离所附权利要求限定的发明范围的前提下，可以作出多种修改和增加。

Claims (28)

1.一种增强音频信号的方法，该方法包含以下步骤：
对该音频信号进行滤波以选择一个频率范围；
将该选择的频率范围的音频信号划分为时间段；以及
对每个时间段内的音频信号进行定标以增加所述频率范围内音频信号的声级，
其中，该时间段由经过滤波的音频信号的零交叉来限定。
2.如权利要求1所述的方法，其中，每个时间段由经过滤波的音频信号的两个连续的零交叉来限定。
3.如权利要求1或2所述的方法，其中，定标音频信号的步骤涉及一个对每个时间段不同的定标因子。
4.如权利要求1或2所述的方法，其中，该定标步骤涉及一个对每个时间段恒定的定标因子。
5.如权利要求1或2所述的方法，其中，该定标步骤涉及一个随该音频信号幅度变化的定标因子。
6.如权利要求5所述的方法，其中，该定标步骤涉及一个非线性的定标因子。
7.如权利要求6所述的方法，所述非线性的定标因子包括二次或三次函数。
8.如权利要求1或2所述的方法，进一步包含下列步骤：
将该选择的频率范围的定标音频信号和其余的先前未选择的频率范围的音频信号组合。
9.如权利要求8所述的方法，进一步包括下列步骤：
将该组合音频信号的幅度与一个阈值进行比较；以及
如果超过该阈值，则调整该音频信号的幅度。
10.如权利要求9所述的方法，其中，只调整该被选择的频率范围的音频信号幅度。
11.如权利要求9所述的方法，其中，比较组合音频信号幅度和调整音频信号幅度这两个步骤都是逐个时间段地进行。
12.如权利要求1或2所述的方法，其中，该被选择的频率范围为低音频率范围。
13.如权利要求1或2所述的方法，其中，进一步包含使其它频率范围的任意信号分量延迟的步骤。
14.一种增强音频信号的设备(1)，该设备包含：
滤波器装置(2)，用于对该音频信号进行滤波以选择一个频率范围；
划分装置(3)，用于将该选择的频率范围的音频信号划分为时间段；以及
定标装置(4)，用于对每个时间段内的音频信号进行定标以增加所述频率范围内音频信号的声级，
其中，该时间段由经过滤波的音频信号的零交叉来限定。
15.如权利要求14所述的设备，其中，该划分装置(3)被设置为以经过滤波的音频信号的两个连续的零交叉来限定每个时间段。
16.如权利要求14或15所述的设备，其中，该定标装置被设置为采用一个对每个时间段不同的定标因子。
17.如权利要求14或15所述的设备，其中，该定标装置被设置为采用一个对每个时间段恒定的定标因子。
18.如权利要求14或15所述的设备，其中，该定标装置被设置为采用一个随该音频信号幅度变化的定标因子。
19.如权利要求18所述的设备，其中，该定标装置采用一个非线性的定标因子。
20.如权利要求19所述的设备，所述非线性的定标因子包括二次或三次函数。
21.如权利要求14或15所述的设备，进一步包含：
组合装置(5)，用于将该选择的频率范围的定标音频信号和其余的先前未选择的频率范围的音频信号组合。
22.如权利要求21所述的设备，进一步包括：
比较装置(6)，用于将该组合音频信号的幅度与一个阈值进行比较；以及
调整装置(7)，用于在超过该阈值时调整该音频信号的幅度。
23.如权利要求22所述的设备，其中，该调整装置(7)被设置为只调整该被选择的频率范围的音频信号幅度。
24.如权利要求22所述的设备，其中，该比较装置(6)和该调整装置(7)被设置为分别逐个时间段地比较组合音频信号幅度和逐个时间段地调整音频信号幅度。
25.如权利要求14或15所述的设备，其中，该被选择的频率范围为低音频率范围。
26.如权利要求14或15所述的设备，其中，进一步包含使其它频率范围的信号分量延迟的延迟单元(8)。
27.一种音频放大器，包含一个如权利要求14-26中任何一项所述的设备(1)。
28.一种音频系统，包含一个如权利要求14-26中任何一项所述的设备(1)。
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