CN101185240A - 用于音频信号增益控制的设备和方法 - Google Patents

Abstract

一种用于处理音频信号并控制信号放大器(24)的音频压缩器设备(20)，包括信号分析器功能(27、29)，该信号分析器功能(27、29)被设计成在时帧(28)期间分析输入信号，以便确定该信号代表的是噪声还是音频数据，其中所述音频压缩器设备适合于根据分析设定用于信号放大器的增益。分析器功能可包括自相关功能(27)，该自相关功能(27)可用于在确定信号代表的是噪声还是音频数据的过程中执行输入信号的自相关。

Description

用于音频信号增益控制的设备和方法

技术领域

本发明通常涉及控制音频信号的增益的方法和适合于控制音频信号的增益的音频压缩器设备。更具体地说，本发明涉及用于分析音频信号的内容以估计音频信号中噪声的存在并根据分析来控制增益的装置。

背景技术

移动电话行业在服务质量、传输能力以及制造高级通信终端的技术方面已取得了长足进展。仅在几十年间，通信系统就从模拟步入数字，与此同时，通信终端的尺寸已从公文包般大小过渡到了当今可置于口袋中的电话。目前，移动电话变得越来越小，而且通常认为其大小对终端用户来说是一个重要因素。电子领域的发展已使终端部件小型化成为可能，同时使终端能够完成更高级的功能和服务。新传输方案的开发也为将更高级数据传送到无线通信终端提供了可能性，例如实时视频。

目前，几乎不可能在可以认为是移动电话与可以称为是便携式可置于口袋的计算机之间划分出清楚的界限。然而，为无线通信准备的便携式电子设备必须至少被认为是满足了作为移动电话的基本要求的，即便是这种电子设备采用了例如掌上电脑的形状也是如此。

通常与为例如语音的音频数据的通信准备的通信设备有关的问题、尤其是与移动电话有关的问题是声音质量可能并非总是最佳的。对于无线通信连接来说，由于多种原因，例如语音信号的清晰度和响度可能较差。首先，在通信会话远端处的通话方可能仅是轻声讲话者，这意味着语音水平将低于声音响亮的人。低语音电平也可能是由远端方的移动电话与通信网络之间的软上行链路导致的，或者是由网络中的衰减导致的。无论如何，结果是音频信号的音频数据的幅度比中间或强幅度的音频信号更接近于空闲或背景噪声电平。

现有技术中解决该问题的一种方案是采用所谓的音频压缩器。音频压缩器是一种动态处理器，其用于降低或压缩输入信号的动态范围并将电平保持得更恒定，使得它在无论是噪声还是例如伴随的音乐声的背景声音之上可以更清楚地被听到。理想的压缩器通常在不起作用时会引入少量的失真和噪声，并且以使收听者的耳朵愉悦的方式来控制音频电平。通常，音频压缩器与噪声门一起使用，该噪声门是特殊类型的扩展器。扩展器是一类动态处理器，该动态处理器用于增加信号的动态范围，以使低电平信号被衰减，而较响亮的部分既未被衰减也未被放大。从这个意义上讲，扩展器的表现与压缩器的表现相反。在扩展时，噪声门被发挥到极致，在此情形中，噪声门会大大衰减输入或将输入完全消除，仅留下静音。

图1示意性地示出了依照现有技术的组合压缩器和噪声门的功能以及这种功能如何控制施加到输入音频信号的增益以放大到输出音频信号。虚线1表示单位增益，而粗线2表示压缩器控制的增益的设置。正如可从图中看到的，在输入信号的非常低的电平3处，噪声门功能起到消除输出信号的作用。这通常发生在讲话的人不出声且仅有背景噪声存在时。在低电平4处，设定低增益以便于避免将背景噪声放大太多。在中间电平范围5内，施加高增益，并且在高电平时设定增益以便于避免放大之后的数字削波。

与音频压缩有关的问题涉及低电平输入音频信号。如果增加放大，那么也会增加噪声，从而导致令人不快的声音质量和不必更清晰的声音数据。此外，如果音频数据的声级，即通常为语音，非常低的话，则它有时可能会降到噪声门电平以下并因此被截止，只留下既令人讨厌又难以理解的杂乱声音。出于这个原因，在许多情况下必须关闭噪声门功能，这在输出信号中导致更高的空闲噪声电平。

发明内容

因此，需要在音频压缩领域和音频信号的可变增益控制中进行改进，这是本发明的总体目的。具体为，本发明的目的在于克服与现有技术中弱的或低电平的音频信号的增益控制方面有关的缺陷。

按照本发明的第一方面，该目的通过用于控制音频信号的增益的方法来实现，该方法包括以下步骤：

-接收音频信号；

-在时帧期间分析所述信号以便确定该信号代表的是噪声还是音频数据；

-根据所述分析设定增益；

-通过所述增益放大所述信号。

在一个实施例中，分析信号的步骤包括执行信号的自相关的步骤。

在一个实施例中，分析信号的步骤包括以下步骤：

-比较表示噪声信号的标准和信号的自相关特征；以及

-根据所述比较确定所述信代表的是噪声还是音频数据。

在一个实施例中，该方法包括以下步骤：

-如果确定所述信号代表噪声，则设定第一增益级；如果确定所述信号代表音频数据，则设定第二增益级，其中第二增益级高于第一增益级。

在一个实施例中，该方法包括以下步骤：

-如果确定所述信号代表音频数据，则控制用于信号的噪声门功能以使其起作用。

在一个实施例中，该方法包括以下步骤：

-建立所接收信号的幅度电平的测量；

-如果确定所述幅度电平相对于参考电平是低的，则执行分析、设定和放大步骤。

在一个实施例中，音频数据代表语音。

在一个实施例中，接收并分析音频信号的步骤由通信终端的音频压缩器设备来执行。

在一个实施例中，在通信终端中于下行链路接收音频信号。

在一个实施例中，该方法包括以下步骤：

-通过扬声器输出声音，根据放大的信号对其进行控制。

按照本发明的第二方面，所述目的通过用于处理音频信号并控制信号放大器的音频压缩器设备来实现，该音频压缩器设备包括信号分析器功能，该信号分析器功能被设计成在时帧期间分析输入信号以便确定该信号代表的是噪声还是音频数据，其中该音频压缩器设备适合于根据分析来设定用于信号放大器的增益。

在一个实施例中，分析器功能包括自相关功能，所述自相关功能可用于在确定信号代表的是噪声还是音频数据的过程中执行输入信号的自相关。

在一个实施例中，分析器功能包括比较器功能，所述比较器功能可用于比较表示噪声信号的标准和输入信号的自相关特征，并根据所述比较确定所述信号代表的是噪声还是音频数据。

在一个实施例中，增益控制功能被设计成在确定所述信号代表噪声时设定第一增益级，并在确定所述信号代表音频数据时设定第二增益级，其中第二增益级高于第一增益级。

一个实施例包括用于信号的噪声门功能，如果确定所述信号代表音频数据，则控制该功能以使其起作用。

一个实施例包括信号电平检测器功能，该信号电平检测器功能被设计成建立所接收信号的幅度电平的测量，其中，如果确定所述幅度电平相对于参考电平是低的，则触发所述分析器功能以便分析输入信号。

在一个实施例中，音频数据代表语音。

在一个实施例中，通过通信终端的信号处理器来实现所述功能。

在一个实施例中，通信终端具有用于在下行链路中接收音频信号的信号接收装置。

在一个实施例中，连接音频压缩器设备以便控制通过扬声器的声音输出，根据信号放大器对声音进行控制。

附图说明

由下面结合附图对优选实施例进行的描述，本发明的其它特征和优点将变得更加显而易见，其中：

图1示意性地示出了现有技术中的音频压缩器设置；以及

图2示意性地示出了表示按照本发明实施例的音频压缩器设备的功能元件的框图。

具体实施方式

本发明涉及音频压缩领域中的用于音频信号的增益控制。本发明通常适用于例如移动电话的便携式无线电通信设备，但并不限于此。实际上，本发明可用在音频信号处理设备中，该音频信号处理设备具有用于音频信号的输入端、音频信号放大器和音频信号输出端。因此，应当理解本发明还可用于例如固定电话。此外，应当强调的是，在说明书和所附权利要求书中使用的表明被包括的特征、元件或步骤的术语“包括”无论如何也不能解释为排除所表达的或所述的那些之外的其它特征、元件或步骤。

下面提到的一个实施例涉及在通过扬声器输出由音频信号表示的声音之前处理自远端方在下行链路中接收的输入音频信号的移动电话中的应用。换言之，本发明属于应用在通信设备的接收器端的情况。在备选实施例中，将音频处理和增益控制应用于通信连接的发射端，即，在由麦克风拾取的声音被编码成通信信号并被传输到接收方之前依照本发明对其进行处理，对该备选实施例将不再进行详细讨论，但是该备选实施例也可构成本发明的一部分。不用说，这样的实施例并不能够克服发生在通信方之间的传输期间或之后的声音质量问题。然而，这两个实施例的结合也是一个备选。

图2示出了依照本发明的音频压缩器设备20的实施例的功能元件的框图。应注意到，该图并不是用来举例说明用于本发明的特定电路解决方案的。相反，音频压缩器设备的元件通常通过装置或在信号处理器中执行的计算机程序代码来实现，例如数字信号处理器DSP，该信号处理器具有相关的数据存储装置。将参考作为形成以移动电话形式的通信终端的一部分的图2对本发明进行描述。音频压缩器设备20包括音频信号输入端21、信号电平检测器功能22、增益控制功能23、放大器24和音频信号输出端25。对于例如移动电话的音频接收设备中的实际应用来说，音频压缩器设备20的信号输出端25随后直接地或通过另外的放大器或信号处理装置被连接到扬声器32或扬声器输出端。信号电平检测器功能22通过测量或估计信号幅度来确定通过输入端21接收的音频信号的幅度电平，然后由增益控制功能23将增益设定到如图1所示的包络所确定的增益。而后将增益应用于放大器24，放大器24用设定的增益放大输入音频信号并在信号输出端25上提供放大的信号。

然而，信号电平检测器功能22还包括用于比较所确定的输入信号的幅度电平和参考电平的装置。参考电平可以是从存储器26获得的固定的存储电平值，例如表示空闲噪声电平或仅仅是表示低电平信号的电平。另一方面，可在音频信号中测量背景噪声，例如在该信号中无音频数据时。对于代表语音的音频信号来说，例如在电话会话中，当通话方无声时，通常通过估计在某一时间段于信号中维持的最低幅度电平代表噪声电平来测量背景噪声电平。可连续估计噪声电平或测量某个时间段的噪声电平并将其存储在存储器26中。信号电平检测器功能比较所确定的音频信号的幅度电平和参考信号，以便确定音频信号相对于参考信号是否是低的。如果参考信号是噪声或背景信号，那么相对较低仍然可能意味着音频信号高于参考电平，但是，例如意味着它并未充分超过参考电平。如果参考电平是表示低电平信号的阈值电平，那么通常可将未超过阈值电平的音频信号确定为低电平信号。

如果信号电平检测器功能未确定音频信号相对较低，则用于该信号的增益随后由增益控制功能23设定到取决于已确定的信号电平的电平。另一方面，如果确定信号电平相对较低，则运行信号分析器功能来分析输入信号，以便确定所选择的音频信号的部分代表的是噪声还是音频数据，即通常代表语音的数据。不用说，来自噪声的低电平信号与高电平信号相比是不明显的。因此，为了确定信号代表的是噪声还是音频数据，进行音频信号的特征的时域调查。对于在至通信终端的通信链中生成的噪声而言，时域表现通常是随机的，而代表语音的音频数据更受限定。在一个实施例中，这用于通过采用自相关功能27来识别音频信号的特征。自相关是一种时域函数，这种时域函数是信号形状或波形在多大程度上与其本身的延迟版本类似的量度。自相关的最大值是1。例如正弦波的周期信号具有自相关，这种自相关在零时间延迟时等于1，在波周期的一半的时间延迟时等于零，并且在一个周期的时间延迟时等于1；换言之，其本身是正弦波形。然而，随机噪声具有在零迟时的自相关，但在所有其它延迟时它基本上为零。在优选实施例中，自相关功能27被设计成在预定的时帧内执行所接收音频信号的自相关，预定的时帧可在例如1和100ms之间，或通常介于5和50ms之间，例如约为10ms。新的自相关可在紧挨着前面的时帧的时帧中进行，或者可以在其间具有某一时间延迟的后一时帧中进行。控制时帧的开始和持续时间并且还可能控制随后的自相关之间的周期的时钟信号可由时钟功能28来提供。

信号分析器功能还包括比较器功能29，比较器功能29可用于比较由自相关功能27获得的输入信号的自相关特征和表示噪声信号的某个形式的标准。这种分析可包含查看自相关中的零交叉数量以及将其与表示确定为是噪声的信号的零交叉的预定数量进行比较。可将标准作为通过比较器功能29访问的阈值存储在标准存储器30中，所述标准例如是表示代表噪声的信号的零交叉数量的数据。如果信号分析器功能27、29根据其设置揭示出音频信号代表所分析的时帧中的噪声，则触发增益控制功能23以便设定低的第一级增益。另一方面，如果信号分析器功能27、29根据其设置揭示出音频信号包括所分析的时帧中的例如语音的音频数据，则触发增益控制功能23以便设定更高的第二级增益，其中第二级增益高于第一级增益。因此，不仅根据音频信号的幅度而且根据音频信号的特征来设定增益。这使得特别是在接近噪声平台的低电平信号处微调增益成为可能。参看图1，取决于是否已经确定在某一时帧内所分析的音频信号代表的是噪声还是音频数据的增益调节可以通过对为增益控制功能23设定的音频压缩器的低电平部分4的斜率进行调节来实现。向左移动部分4的低端将会例如增加增益，尤其是在部分4的低电平端处。另一种方式是将部分4的设置布置成非线性，例如开始更接近于最低电平的单位放大，接着以较小的斜率增加到某一断点，随后在信号电平达到部分4的更高端时采取如图1所示的斜率。但是可选择备选设置。

在一个实施例中，信号分析功能27、29还被设计成控制噪声门功能31，使得如果信号确定为代表音频数据则控制噪声门功能以使其起作用。这样，可以降低电话通话期间感觉到的空闲噪声电平，即使对于低电平信号来说也是如此，目前，对于低电平信号，通常会关闭噪声门功能。

所提出的解决方案通过自动处理其中音频信号电平接近于噪声平台的棘手情况为音频压缩器提供了更好的灵活性，并且它也不需要对噪声平台的精确电平知道太多，因为通过其特征而非其幅度来确定噪声的存在。本说明书中描述的信号分析器功能27、29用于低电平音频信号，信号分析器功能对低电平音频信号尤为有利。然而，当然可将自相关设置成适用于所有音频信号而不仅仅是低电平信号，在这种情形中，信号分析器功能不必依赖于信号电平检测器功能22。

前面已经描述了本发明的原理、优选实施例和操作模式。然而，上述实施例应当被认为是说明性的而非限制性的，并且本领域的技术人员应当意识到，在未背离所附权利要求书限定的本发明范围的情况下，可对这些实施例进行变更。

Claims (20)

1.一种用于控制音频信号的增益的方法，所述方法包括如下步骤：

接收(21)音频信号；

在时帧期间分析(27、29)所述信号以便确定所述信号代表的是噪声还是音频数据；

根据所述分析设定增益(23)；

通过所述增益放大(24)所述信号。

2.如权利要求1所述的方法，其中分析所述信号的步骤包括以下步骤：

执行所述信号的自相关(27)。

3.如权利要求2所述的方法，其中分析所述信号的步骤包括以下步骤：

比较(29)所述信号的自相关特征和表示噪声信号的标准(30)；以及

根据所述比较确定所述信号代表的是噪声还是音频数据。

4.如前面的权利要求中的任何一项所述的方法，所述方法包括如下步骤：

如果确定所述信号代表噪声，则设定第一增益级，如果确定所述信号代表音频数据，则设定第二增益级，所述第二增益级高于所述第一增益级。

5.如前面的权利要求中的任何一项所述的方法，所述方法包括如下步骤：

如果确定所述信号代表音频数据，则控制用于所述信号的噪声门功能(31)以使其起作用。

6.如前面的权利要求中的任何一项所述的方法，所述方法包括如下步骤：

建立所接收信号的幅度电平(22)的测量；

如果确定所述幅度电平相对于参考电平(26)是低的，则执行分析、设定和放大步骤。

7.如前面的权利要求中的任何一项所述的方法，其中所述音频数据代表语音。

8.如前面的权利要求中的任何一项所述的方法，其中接收和分析所述音频信号的步骤由通信终端的音频压缩器设备(20)来执行。

9.如权利要求8所述的方法，其中在所述通信终端中于下行链路接收所述音频信号。

10.如前面的权利要求中的任何一项所述的方法，所述方法包括如下步骤：

通过扬声器(32)输出声音，根据放大的信号(25)控制所述声音。

11.一种用于处理音频信号并控制信号放大器(24)的音频压缩器设备(20)，其特征在于，信号分析器功能(27、29)被设计成在时帧(28)期间分析输入信号以便确定所述信号代表的是噪声还是音频数据，其中所述音频压缩器设备适合于根据所述分析设定用于所述信号放大器的增益。

12.如权利要求11所述的音频压缩器设备，其特征在于，所述分析器功能包括自相关功能(27)，所述自相关功能用于在确定所述信号代表的是噪声还是音频数据的过程中执行所述输入信号的自相关。

13.如权利要求12所述的音频压缩器设备，其特征在于，所述分析器功能包括比较器功能(29)，所述比较器功能用于比较表示噪声信号的标准(30)和所述输入信号的自相关特征，并根据所述比较确定所述信号代表的是噪声还是音频数据。

14.如权利要求11至13中的任何一项所述的音频压缩器设备，其特征在于，增益控制功能(23)被设计成在确定所述信号代表噪声时设定第一增益级，并在确定所述信号代表音频数据时设定第二增益级，所述第二增益级高于所述第一增益级。

15.如权利要求11至14中的任何一项所述的音频压缩器设备，其特征在于，用于所述信号的噪声门功能(31)，如果确定所述信号代表音频数据，则控制所述噪声门功能以使其起所用。

16.如权利要求10至13中的任何一项所述的音频压缩器设备，其特征在于，信号电平检测器功能(22)被设计成建立所接收信号的幅度电平的测量，其中，如果确定所述幅度电平相对于参考电平(26)是低的，则触发所述分析器功能以便分析所述输入信号。

17.如权利要求10至14中的任何一项所述的音频压缩器设备，其特征在于，所述音频数据代表语音。

18.如权利要求10至15中的任何一项所述的音频压缩器设备，其特征在于，通过通信终端的信号处理器来实现所述功能。

19.如权利要求17所述的音频压缩器设备，其特征在于，所述通信终端具有用于在下行链路中接收所述音频信号的信号接收装置。

20.如权利要求10至15中的任何一项所述的音频压缩器设备，其特征在于，连接所述音频压缩器设备以便控制通过扬声器(32)的声音输出，根据所述信号放大器对所述声音进行控制。

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