CN101155438A - 音频设备的频率响应自适应均衡方法 - Google Patents

Abstract

一种音频设备的频率响应自适应均衡方法，在音频设备的一数字信号处理器上设立频率响应自适应均衡模块，利用该模块发出一组带限白噪声测试信号序列，经过音频CODEC后转换为模拟的信号，经一电路元件处理后连接到被测音频设备的输入端，将其输出接至一声音发送装置发出声音信号，经一声音接收装置接收该声音信号后，再经另一电路元件接音频CODEC处理该信号，并转换成一数字序列后传回该频率响应自适应均衡模块，作时域至频域变换，在频域检测接收到的信号的频谱特性，若检测过程中出现频谱峰、谷值，则根据被测音频设备的频率响应特性，自动设计一组级联的提升和衰减数字滤波器对频谱的峰、谷值进行补偿，使被测音频设备的频谱特性变得平坦。

Description

音频设备的频率响应自适应均衡方法

技术领域

本发明是一种音频设备的频率响应自适应均衡方法，特别是指一种可用于任何场合对音频设备进行频率响应特性检测并自动调整的方法。

背景技术

音频设备的频率响应特性是不是平坦直接影响音色、音场表现等音质效果，是音频设备最主要的参数之一。如果频率响应特性不平坦，有某段频率下陷的地方，则这一频段就会听不太清楚；而突出的频段则又会把较弱的频段遮盖掉，所以无论是厂家、发烧友都在想尽一切办法改善音频设备的频响特性曲线。但实际情况是：即使使用统一规格、型号的元器件制造音频设备，由于元器件的分散性，其频率响应特性也不一定与设计要求一致；同时不同材料的机械震动频响不均也会造成音频设备的频响曲线不平坦；听音房间的几何尺寸、形状和墙面材料等都会影响其频响曲线，而且随着频率的变化，频响曲线变化很大。因此要对音频设备的频率响应特性进行均衡。早期的图示均衡器一般采用模拟方法，对预先设置的8或10个频点进行提升或衰减，以获得所需的平坦频响曲线。由于频点预先设置，不能跟随环境变化，且频点数少，实际使用不方便，效果也不理想。数字参量均衡虽然可设多达31个频点，但由于无法知道实际音频设备的频率响应不平坦处对应的频率和增益，很难通过调整参量均衡器的参数获得平坦的频率响应特性曲线。因此，本发明针对上述数点提出一种音频设备频率响应特性的自我检测校正方法，以有效解决上述问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种音频设备的频率响应自适应均衡方法，使生产者或使用者可自行检测并调整音频设备的频率响应特性，不需外在的检测、调整设备，便于在家中或生产线等任何场合进行自我检测、调整，同时使用本发明提供的音频设备频率响应特性自适应均衡方法，不需把成品拆开即可实现，使用简单方便。

实现本发明目的的技术方案为：一种音频设备的频率响应自适应均衡方法，其特征在于在音频设备的一数字信号处理器上设立频率响应自适应均衡模块，利用该模块发出一组带限白噪声测试信号序列，经过音频CODEC后转换为模拟的带限白噪声信号，经一电路元件处理后连接到被测音频设备的输入端，将其输出接至一声音发送装置发出声音信号，经一声音接收装置接收该声音信号后，再经另一电路元件接至音频CODEC处理该信号，并转换成一数字序列后传回该频率响应自适应均衡模块，该模块将接收到的序列作时域至频域变换如FFT变换或小波变换，在频域检测接收到的信号的频谱特性，如果发现大于门限值的频谱峰、谷值，就用数字削减滤波器或数字提升滤波器对带限白噪声信号进行削减或提升滤波后，再次发送，去前面所述的循环处理过程，直至频谱峰、谷值在设定的要求范围内结束，或者是，频谱峰、谷值始终没能在设定的要求范围内，提示出错而结束；如果没有出现大于门限值的频谱峰、谷值，则无需进行频率响应均衡调整。

作为优先，所述的循环处理过程次数控制在3次，第一次检测的门限值设为6dB，第二次检测的门限值设为3dB，第三次检测的门限值设为1dB。所述的设定的要求范围为±1dB。所述的数字削减滤波器或数字提升滤波器与频率响应自适应均衡模块做在同一个数字信号处理器中。

频率响应调整模块采用一组数字提升(或削减)滤波器来实现，数字滤波器的传递函数为 $H\left(z\right)=\frac{1+M_1+(M_2-M_3-1)z^{-1}+(M_3-M_1)z^{-2}}{1+(M_2-M_3-1)z^{-1}+M_3{z}^{-2}}.$ 滤波器的个数即为接收信号的频谱峰、谷数目。峰值(或削减)滤波器设置三个参数：增益G、中心频率Ω0和带宽BW。带宽事先预设，增益G和中心频率Ω0由接收信号的频谱特性决定。传递函数中的M1、M2和M3与峰值(或削减)滤波器的三个参数G、Ω0和BW有关。若检测到的频谱特性在某一频率处出现峰值，则用一数字削减滤波器来抵消峰值，使被测音频设备的频谱特性变得平坦；相反，若检测到的频谱特性在某一频率处出现谷值，则用一数字提升滤波器来抵消谷值，同样使被测音频设备的频谱特性变得平坦。

本发明具有如下效果：

1使用方便简单

本发明提供的音频设备的频率响应自适应均衡方法，能自动地检测并调整音频设备的整个频率范围内的频率响应特性，不需外在的检测、调整设备，不需拆卸成品，便于在家中或生产线等任何场合进行自我检测、调整。使用简单方便，整个测试、调整过程全部自动完成。

2系统性能优良

本发明对所述音频设备整个频段的频率响应特性进行自适应均衡，确保每个设备具有平坦的频率响应特性波动幅度限制在±1dB范围内。

附图说明

图1本发明方法的原理框图

图2频率响应特性较平坦时的仿真结果

图3频率响应特性不平坦时的仿真结果

图4本发明方法的实现流程图

具体实施方式

以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。

参照图1，本发明的基本思路是在音频设备的一数字信号处理器(也可以外置)上设立频率响应自适应均衡模块，利用该模块发出一组带限白噪声测试信号序列，经过一音频CODEC后转换为模拟的带限白噪声信号，经一电路元件处理后连接到被测音频设备的输入端，将其输出接至一声音发送装置，即扬声器发出声音信号声音接收装置麦克风接收该声音信号后，再经另一电路元件接音频CODEC处理该信号，经音频CODEC转换成一数字序列后传回该频率响应自适应均衡模块。该模块将接收到的序列作FFT变换或小波变换，在频域检测接收到的信号的频谱特性。根据频谱特性决定是否需要进行频率响应均衡。

参照图4，本发明给出了音频设备的频率响应自适应均衡方法具体实现流程，其具体实现步骤为：

一、首先假设被检测的音频设备具有平坦的频率响应曲线，即均衡所需的数字提升(衰减)滤波器的传递函数H(z)＝1。

二、声音信号的传递

预存在频率响应自适应均衡模块中的周期为2047的m序列经数字带限滤波器、提升(衰减)滤波后循环发出，转换为模拟的带限白噪声信号后经一电路元件处理后连接到被测音频设备的输入端，将其输出接至一扬声器发出声音信号，麦克风接收该声音信号后，再经另一电路元件接音频CODEC处理该信号，并转换成一数字序列后传回该频率响应自适应均衡模块。

三、频谱分析

将接收到的数字序列作FFT变换或小波变换，得到包含有音频设备频率响应特性的谱信息。然后判断检测次数，如果是第四次检测，且所有谱线的幅度差值在±1dB范围内，则结束本次频率响应自适应均衡过程，否则发出报警信号，提示被测设备的频率响应特性不平坦。

对于第1、2、3次检测来说，分别将各个频率处的幅值与平均值对比，若发现某个频率点处的幅度差值超出相应的门限值，则保存峰谷点数目、对应的频率及幅度差值，并将检测次数加1后保存。如果在频谱分析过程中没有发现峰、谷值，则将检测次数增加1后直接返回步骤2。

四、频率均衡

如果在步骤3中检测到频谱峰值，则用数字削减滤波器来抵消频谱峰值，使被测音频设备的频率响应特性平坦。步骤三检测到的频谱峰值对应的频率即为削减滤波器的中心频率Ω₀，幅度差值取反后即为其增益G。带宽BW预设为1/3倍频程。根据下面的公式计算出相应的数字削减滤波器的系数M₁、M₂和M₃。

$M_1=\frac{-(2^{\mathrm{BW}}-1)(G-1)\tan \left(\frac{{\mathrm{\Ω}}_0}{T_s}\right)}{2^{\frac{\mathrm{BW}}{2}}[1+{\tan }^2\left(\frac{{\mathrm{\Ω}}_0}{T_s}\right)]+G(2^{\mathrm{BW}}-1)\tan \left(\frac{{\mathrm{\Ω}}_0}{T_s}\right)}$

$M_2=\frac{4(2^{\mathrm{BW}}-1){\tan }^2\left(\frac{{\mathrm{\Ω}}_0}{T_s}\right)}{2^{\frac{\mathrm{BW}}{2}}[1+{\tan }^2\left(\frac{{\mathrm{\Ω}}_0}{T_s}\right)]+G{\tan }^2\left(\frac{{\mathrm{\Ω}}_0}{T_s}\right)(2^{\mathrm{BW}}-1)}$

$M_3=\frac{2^{\frac{\mathrm{BW}}{2}}[1+{\tan }^2\left(\frac{{\mathrm{\Ω}}_0}{T_s}\right)]-G\tan \left(\frac{{\mathrm{\Ω}}_0}{T_s}\right)(2^{\mathrm{BW}}-1)}{2^{\frac{\mathrm{BW}}{2}}[1+{\tan }^2\left(\frac{{\mathrm{\Ω}}_0}{T_s}\right)]+G\tan \left(\frac{{\mathrm{\Ω}}_0}{T_s}\right)(2^{\mathrm{BW}}-1)}$

如果在步骤3中检测到频谱谷值，则用数字提升滤波器来抵消频谱谷值，使被测音频设备的频率响应特性平坦。步骤三检测到的频谱谷值对应的频率即为削减滤波器的中心频率Ω₀，幅度差值取反后即为其增益G。带宽BW预设为1/3倍频程。根据下面的公式计算出相应的数字提升滤波器的系数M₁、M₂和M₃。

$M_1=\frac{-(2^{\mathrm{BW}}-1)(G-1)\tan \left(\frac{{\mathrm{\Ω}}_0}{T_s}\right)}{2^{\frac{\mathrm{BW}}{2}}[1+{\tan }^2\left(\frac{{\mathrm{\Ω}}_0}{T_s}\right)]+(2^{\mathrm{BW}}-1)\tan \left(\frac{{\mathrm{\Ω}}_0}{T_s}\right)}$

$M_2=\frac{4(2^{\mathrm{BW}}-1){\tan }^2\left(\frac{{\mathrm{\Ω}}_0}{T_s}\right)}{2^{\frac{\mathrm{BW}}{2}}[1+{\tan }^2\left(\frac{{\mathrm{\Ω}}_0}{T_s}\right)]+\tan \left(\frac{{\mathrm{\Ω}}_0}{T_s}\right)(2^{\mathrm{BW}}-1)}$

$M_3=\frac{2^{\frac{\mathrm{BW}}{2}}[1+{\tan }^2\left(\frac{{\mathrm{\Ω}}_0}{T_s}\right)]-\tan \left(\frac{{\mathrm{\Ω}}_0}{T_s}\right)(2^{\mathrm{BW}}-1)}{2^{\frac{\mathrm{BW}}{2}}[1+{\tan }^2\left(\frac{{\mathrm{\Ω}}_0}{T_s}\right)]+\tan \left(\frac{{\mathrm{\Ω}}_0}{T_s}\right)(2^{\mathrm{BW}}-1)}$

在原来的数字提升(衰减)滤波器组后级联本次检测新增的数字滤波器，重复步骤二、三、四，可以完成被测音频设备的频率响应自适应均衡。

为了更好的说明本发明方法的具体实施方式以及频率响应自适应均衡效果，以TMS320VC5402数字信号处理器和TMS320AD77音频CODEC为核心芯片组建频率响应自适应均衡模块硬件平台，参照图4编写程序后进行如下实验。

(1)假设某音频设备的频率响应曲线如图2实线所示，此设备的频率响应特性在1080Hz附近有1.5dB的衰减，在5240Hz附近有2.2dB的衰减，在9420Hz附近有3.1dB的衰减；在3160Hz附近有6.6dB的提升，在7300Hz附近有5.1dB的提升，在11560Hz附近有3.9dB的提升。整条频率响应曲线有多处突起和凹陷的地方，但幅度都较小，权且称之为频率响应较平坦的情况。采用本发明方法，对此设备的频率响应特性进行检测、分析，获得一组级联的提升和衰减滤波器去补偿原来的频响特性，以实现被测设备的频率响应自适应均衡，均衡结果参照图2虚线所示，整个音频范围内的衰减和提升的幅度都在±1dB范围内，获得了平坦的频率响应特性。

(2)假设某音频设备的频率响应曲线具有尖峰和深谷，如图3实线所示，此设备的频率响应特性在980Hz附近有20.5dB的提升，在404Hz附近有22.1dB的衰减，权且称之为频率响应不平坦的情况。同理采用本发明方法，对此设备的频率响应特性进行检测、分析，获得一组级联的提升和衰减滤波器去补偿原来的频响特性，以实现被测设备的频率响应自适应均衡，均衡结果参照图3虚线所示，整个音频范围内的衰减和提升的幅度都在±1dB范围内，获得了平坦的频率响应特性。

以上所述，仅为本发明方法的较佳实施例而已，并非用来限定本发明实施的范围。故即凡依本发明申请范围所述的特征及精神所为的均等变化或修饰，均应包括于本发明的申请专利范围内。

Claims (9)

1.一种音频设备的频率响应自适应均衡方法，其特征在于在音频设备的一数字信号处理器上设立频率响应自适应均衡模块，利用该模块发出一组带限白噪声测试信号序列，经过音频CODEC后转换为模拟的带限白噪声信号，经一电路元件处理后连接到被测音频设备的输入端，将其输出接至一声音发送装置发出声音信号，经一声音接收装置接收该声音信号后，再经另一电路元件接至音频CODEC处理该信号，并转换成一数字序列后传回该频率响应自适应均衡模块，该模块将接收到的序列作时域至频域变换，在频域检测接收到的信号的频谱特性，如果发现大于门限值的频谱峰、谷值，就用数字削减滤波器或数字提升滤波器对带限白噪声信号进行削减或提升滤波后，再次发送，去前面所述的循环处理过程，直至频谱峰、谷值在设定的要求范围内结束，或者是，频谱峰、谷值始终没能在设定的要求范围内，提示出错而结束；如果没有出现大于门限值的频谱峰、谷值，则无需进行频率响应均衡调整。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述的循环处理过程次数控制在3次，第一次检测的门限值设为6dB，第二次检测的门限值设为3dB，第三次检测的门限值设为1dB。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述的设定的要求范围为±1dB。

4.根据权利要求2或3所述的方法，其特征在于所述的数字削减滤波器或数字提升滤波器的传递函数是

$H\left(z\right)=\frac{1+M_1+(M_2-M_3-1)z^{-1}+(M_3-M_1)z^{-2}}{1+(M_2-M_3-1)z^{-1}+M_3{z}^{-3}}.$

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于所述的数字削减滤波器将检测到的频谱峰值对应的频率作为削减滤波器的中心频率Ω₀，幅度差值取反后即为其增益G，带宽BW预设为1/3倍频程，根据下面的公式计算出相应的数字削减滤波器的系数M₁、M₂和M₃。

$M_1=\frac{-(2^{\mathrm{BW}}-1)(G-1)\tan \left(\frac{{\mathrm{\Ω}}_0}{T_s}\right)}{2^{\frac{\mathrm{BW}}{2}}[1+{\tan }^2\left(\frac{{\mathrm{\Ω}}_0}{T_s}\right)]+G(2^{\mathrm{BW}}-1)\tan \left(\frac{{\mathrm{\Ω}}_0}{T_s}\right)}$

$M_2=\frac{4(2^{\mathrm{BW}}-1)\mathrm{ta}{n}^2\left(\frac{{\mathrm{\Ω}}_0}{T_s}\right)}{2^{\frac{\mathrm{BW}}{2}}[1+{\tan }^2\left(\frac{{\mathrm{\Ω}}_0}{T_s}\right)]+G{\tan }^2\left(\frac{{\mathrm{\Ω}}_0}{T_s}\right)(2^{\mathrm{BW}}-1)}$

$M_3=\frac{2^{\frac{\mathrm{BW}}{2}}[1+\mathrm{ta}{n}^2\left(\frac{{\mathrm{\Ω}}_0}{T_s}\right)]-G\tan \left(\frac{{\mathrm{\Ω}}_0}{T_s}\right)(2^{\mathrm{BW}}-1)}{2^{\frac{\mathrm{BW}}{2}}[1+{\tan }^2\left(\frac{{\mathrm{\Ω}}_0}{T_s}\right)]+G\tan \left(\frac{{\mathrm{\Ω}}_0}{T_s}\right)(2^{\mathrm{BW}}-1)}.$

6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于所述的数字提升滤波器将频谱谷值对应的频率作为削减滤波器的中心频率Ω₀，幅度差值取反后即为其增益G，带宽BW预设为1/3倍频程，根据下面的公式计算出相应的数字提升滤波器的系数M₁、M₂和M₃。

$M_1=\frac{-(2^{\mathrm{BW}}-1)(G-1)\tan \left(\frac{{\mathrm{\Ω}}_0}{T_s}\right)}{2^{\frac{\mathrm{BW}}{2}}[1+{\tan }^2\left(\frac{{\mathrm{\Ω}}_0}{T_s}\right)]+G(2^{\mathrm{BW}}-1)\tan \left(\frac{{\mathrm{\Ω}}_0}{T_s}\right)}$

$M_2=\frac{4(2^{\mathrm{BW}}-1)\mathrm{ta}{n}^2\left(\frac{{\mathrm{\Ω}}_0}{T_s}\right)}{2^{\frac{\mathrm{BW}}{2}}[1+{\tan }^2\left(\frac{{\mathrm{\Ω}}_0}{T_s}\right)]+\tan \left(\frac{{\mathrm{\Ω}}_0}{T_s}\right)(2^{\mathrm{BW}}-1)}$

$M_3=\frac{2^{\frac{\mathrm{BW}}{2}}[1+\mathrm{ta}{n}^2\left(\frac{{\mathrm{\Ω}}_0}{T_s}\right)]-\tan \left(\frac{{\mathrm{\Ω}}_0}{T_s}\right)(2^{\mathrm{BW}}-1)}{2^{\frac{\mathrm{BW}}{2}}[1+{\tan }^2\left(\frac{{\mathrm{\Ω}}_0}{T_s}\right)]+\tan \left(\frac{{\mathrm{\Ω}}_0}{T_s}\right)(2^{\mathrm{BW}}-1)}.$

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述的数字削减滤波器或数字提升滤波器与频率响应自适应均衡模块做在同一个数字信号处理器中。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述的数字信号处理器为外挂数字信号处理器。

9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述的时域至频域变换为傅里叶变换或小波变换。

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