CN101267223B - 低音增强方法、信号处理设备和音频再现系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了低音增强方法、信号处理设备和音频再现系统。若当前采样的绝对值大于或等于前一采样处的包络值，则令当前采样处的包络值大于前一采样处的包络值。若当前采样的绝对值小于前一采样处的包络值并且计数值C未达到预定数目N，则将计数值C增加1并且使当前采样处的包络值保持为前一采样处的包络值。若当前采样的绝对值小于前一采样处的包络值，并且计数值C达到预定数目N，则令当前采样处的包络值小于前一采样处的包络值。

Description

低音增强方法、信号处理设备和音频再现系统

技术领域

本发明涉及低音(bass)增强方法和用于增强音频信号的低音分量(bass component)的电路，并涉及包括低音增强电路和电动音频换能器(electric audio transducer)的音频再现系统，例如扬声器或头戴听筒。

背景技术

图8示出例如在具有功率放大器电路的有源扬声器中使用的紧凑型扬声器(compact speaker)的频率特性。如图8所示，紧凑型扬声器的输出电平(output level)在低于最低再现频率f0的频率范围内减小。最低再现频率f0(例如，约100Hz)通常在可听频率范围内。

因此，通过增强音频信号中约等于或低于最低再现频率f0处的低音分量，可以产生醇厚的低音。

图9和图10说明这类低音增强方法的示例。

在图9所示的低音增强电路中，例如截止频率稍高于f0(100Hz)的低通滤波器(LPF)71提取输入音频信号Sin的低音分量Slin(见图10)，并且乘法器72用如下所述计算的增益G乘以低音分量Slin。即，低音分量Slin被用计算出的增益G放大。

另外，通过补偿低通滤波器71和乘法器72中的相位延迟的方式，相位调节器73调节输入音频信号Sin的相位。然后，加法器74将通过相位调节得到的音频信号Sinx与从乘法器72输出的低音分量Slg相加。从而获得只增强了低音分量的输出音频信号Sout。

增益G由绝对值检测器76、包络检测器77和增益计算器78计算。

具体而言，绝对值检测器76检测输入音频信号Sin的绝对值并获得图10所示的绝对值ABS。接着，包络检测器77通过起音过程(attackprocess)和释放过程(release process)检测绝对值ABS的包络并获得由图10的虚线表示的包络值ENV。

然后，例如，若输入音频信号Sin是数字信号并且数字信号的全比特(full-bit)或最大电平为1.0(0dB)，则增益计算器78使用图9所示的式子来计算增益G。

于是，如图10所示，增益G在包络值ENV逐渐增大的起音时间期间逐渐减小，而增益G在包络值ENV逐渐减小的释放时间期间逐渐增大。

然后，如上所述，乘法器72用增益G乘以低音分量Slin，并且加法器74将通过乘法得到的低音分量Slg与通过相位调节得到的音频信号Sinx相加。于是，如图10的底部所示，输出音频信号Sout的低音分量被增强。

若输入音频信号Sin是数字信号，则低音增强电路被配置为这样的数字处理电路，其中例如低通滤波器71被实现为有限冲激响应(FIR)滤波器或者无限冲激响应(IIR)滤波器并且相位调节器73被实现为延迟电路或全通滤波器(APF)。

作为绝对值检测器76的输入，可以使用输出音频信号Sout或者通过相位调节获得的音频信号Sinx。

第2000-286750号日本未实审专利申请公布公开了一种控制诸如数字音频信号之类的数字信号的电平的方法。该方法涉及这样的过程，其中输入数字信号的绝对值根据电平控制被转换成增益值，起音时间和释放时间的值被添加到增益值，增益值的包络被检测，然后输入数字信号被乘以包络值。

发明内容

在图9和图10所示的低音增强方法中，包络值ENV经常波动，这导致增益G也经常波动，如图10所示。结果，如图10的底部所示，输出音频信号Sout的波形失真，这在低音分量中尤其严重。

若包络检测中的起音时间段和释放时间段增长，从而包络值ENV变得实际上就某一电平的正弦输入音频信号而言恒定，则可以获得失真较小的输出音频信号。

但是，当包络检测中的起音时间段增长时，若输入音频信号Sin的电平突然增大并且绝对值ABS也突然增大，则所引起的包络值ENV的增大将导致增益G减小的延迟，导致数据长时间溢出(overflow)，从而引起噪声。

另一方面，当包络检测中的释放时间段增长时，若输入音频信号Sin的电平突然减小并且绝对值ABS也突然减小，则所引起的包络值ENV的减小将导致增益G增大，并且在增强低音分量的效果恢复之前需要花费很长时间。

因此，希望在不引起信号波形失真的情况下取得低音增强，同时允许对音频信号电平的变化做出快速响应。

根据本发明实施例的低音增强方法包括以下步骤：检测音频信号的绝对值的包络，以及用根据所检测到的包络值计算出的增益放大音频信号的低音分量，以便增强音频信号的低音分量。在对以预定采样频率采样的音频信号的每个采样执行的包络检测中，

(a)若当前采样的绝对值大于或等于前一采样处的包络值，则将指示采样数目的计数值C设置为零，同时令当前采样处的包络值大于前一采样处的包络值；

(b)若当前采样的绝对值小于前一采样处的包络值并且计数值C未达到预定数目N，则钭计数值C增加1并且使当前采样处的包络值保持为前一采样处的包络值；并且

(c)若当前采样的绝对值小于前一采样处的包络值，并且计数值C达到预定数目N，则令当前采样处的包络值小于前一采样处的包络值。

在上述低音增强方法中，若当前采样的绝对值小于前一采样处的包络值并且计数值C未达到预定数目N，则当前采样处的包络值被保持为在前一采样处获得的包络值。这意味着当前采样处的增益也保持为在前一采样处获得的增益。因此，可以避免增益经常波动从而避免低音增强的音频信号的波形失真。

另外，若当前采样的绝对值大于或等于前一采样处的包络值，则作为起音过程，当前采样处的包络值被增大，以使其跟随绝对值的变化。因此，即使当音频信号的电平突然增大时，增益也能快速跟随音频信号电平的变化，抑制增强低音分量的效果，并且避免数据溢出导致的噪声的生成。

另外，当指示采样数目的计数值C达到预定数目N时，若当前采样的绝对值小于前一采样处的包络值，则作为释放过程，当前采样处的包络值被减小，以使其跟随绝对值的变化。因此，即使当音频信号的电平突然减小时，增益也能快速跟随音频信号电平的变化，从而恢复增强低音分量的效果。

如上所述，本发明实现了在不引起信号波形严重失真的情况下取得低音增强，同时允许对音频信号电平的变化做出快速响应。

附图说明

图1说明根据本发明实施例的示例性低音增强电路；

图2是示出在图1的低音增强电路中得到的示例性信号的图；

图3是示出在图1的低音增强电路中得到的示例性信号的图；

图4示出图1的低音增强电路执行的示例性包络检测过程；

图5是示出失真特性取决于N的值而变化的图；

图6是示出当提供低截滤波器时获得的低音增强的频率特性的图；

图7说明根据本发明实施例的示例性音频再现系统；

图8是示出扬声器的示例性频率特性的图；

图9说明根据现有技术的低音增强电路；

图10是示出在图9的低音增强电路中得到的示例性信号的图。

具体实施方式

1.低音增强电路的配置：图1

图1说明根据本发明实施例的示例性低音增强电路。

本例的低音增强电路10包括低通滤波器(LPF)11、乘法器12、相位调节器13、加法器14、低截滤波器(low-cut filter，LCF)15、绝对值检测器16、包络检测器17和增益计算器18。

输入音频信号Sin是具有预定采样频率fs的数字音频信号(音频数据)。低音增强电路10被配置为数字处理电路，其中例如低通滤波器11被实现为FIR滤波器或IIR滤波器并且相位调节器13被实现为延迟电路或APF。

低通滤波器11的截止频率被设置为略高于经历了由低音增强电路10进行的低音增强的音频信号所被提供到的扬声器的最低再现频率f0的值。例如，若最低再现频率f0为100Hz，则低通滤波器11的截止频率被设置为150Hz。低截滤波器15的截止频率被设置为小于或等于最低再现频率f0。

在本例的低音增强电路10中，低通滤波器11从输入音频信号Sin中提取低音分量Slin，且乘法器12用如下所述计算的增益G乘以低音分量Slin。换言之，低音分量Slin被用计算出的增益G放大。

另外，通过补偿低通滤波器11和乘法器12中的相位延迟的方式，相位调节器13调节输入音频信号Sin的相位。加法器14将通过相位调节得到的音频信号Sinx和从乘法器12输出的低音分量Slg相加。然后，低截滤波器15衰减从加法器14输出的音频信号Sog的低音分量。从而获得输出音频信号Sout。

对于输入音频信号Sin的电平检测，绝对值检测器16检测输入音频信号Sin的绝对值ABS，且包络检测器17检测绝对值ABS的包络。在本实施例中，包络检测器17通过下述过程来执行包络检测。

例如，根据从包络检测器17输出的包络值ENV，若输入音频信号Sin的全比特或最大电平为1.0(0dB)，则增益计算器18使用图1所示的式子来计算增益G。很明显，包络值ENV越小，增益G越大。

虽然低截滤波器15可被去除，但是通过提供低截滤波器15可以获得下述效果。

通过相位调节得到的音频信号Sinx、从加法器14输出的音频信号Sog或者从低截滤波器15输出的输出音频信号Sout可用作绝对值检测器16的输入。但是，与图1所示示例的情况中一样，下面的描述参考输入音频信号Sin被使用的情况。

2.包络检测和低音增强方法：图2至图6

图2示出在图1的低音增强电路10中得到的示例性信号的模拟波形，从而说明包络检测器17执行的包络检测。

最初，在紧挨着输入音频信号Sin被提供到低音增强电路10之前的时刻t0，包络检测器17中采样计数器21的计数值C被设置为零，且从包络检测器17输出的包络值ENV也被设置为零。

然后，在输入音频信号Sin的初始采样被提供到低音增强电路10并且绝对值检测器16检测初始采样的绝对值ABS的时刻t1，由于该采样的绝对值ABS超过在时刻t1的前一时刻t0处获得的包络值ENV(即，零)，因此包络检测器17在预定的一段起音时间期间增大包络值ENV同时保持计数值C为零。下文中，该过程被称为起音过程。

在从时刻t1到时刻t2的时段期间的每个采样时刻，由于当前采样的绝对值ABS大于或等于前一采样的包络值ENV，因此计数值C被设置为零且包络值ENV通过起音过程增大。

然后，在时刻t2的后一时刻t3，当当前采样的绝对值ABS下降到在前一采样处获得的包络值ENV以下时，计数值C被设置为1，同时，当前采样的包络值ENV被保持为在前一采样处获得的包络值ENV。下文中，该过程被称为保持过程。

在从时刻t3到时刻t4的时段期间的每个采样时刻，由于当前采样的绝对值ABS小于在前一采样处获得的包络值ENV，因此计数值C增大1，同时当前采样处的包络值ENV继续保持为在前一采样处获得的包络值ENV。

然后，在时刻t4的后一时刻t5，当当前采样的绝对值ABS达到在前一采样处获得的包络值ENV时，计数值C被设置为零，并且作为起音过程，包络违法活动ENV在预定的一段起音时间期间增大。

然后，直到时刻t6的前一采样时刻为止，包络值ENV通过起音过程增大同时计数值C保持为零。但是，在从时刻t6到时刻t7的时段期间，上述保持过程在除了绝对值ABS达到最大值的某些点(包括时刻t6和时刻t7)之外的每个采样点处执行。从而，包络值ENV保持恒定，且增益G也保持恒定。

因此，如图2的底部所示，除了初始波时段以外，输出音频信号Sout的波形在任何时段都不失真。

另外，在图2的时刻t7之后的时刻t8，输入音频信号Sin的电平突然增大。

在从时刻t8开始的时段，绝对值ABS和输入音频信号Sin的电平改变，如图2所示。然后，在于时刻t7开始增大的计数值C尚未达到预定数目N的时刻t9，若当前采样的绝对值ABS达到在前一采样处获得的包络值ENV，则计数值C在时刻t9被重置为零，同时，包络值ENV通过起音过程增大。

于是，短时间内，增益G响应于输入音频信号Sin的电平变化而改变，抑制了增强低音分量的效果，且避免了由数据溢出引起的噪声的生成。

同图2一样，图3示出在低音增强电路10中得到的信号。直到时刻t8，图3所示信号电平的变化与图2所示的一模一样。但是，与图2相反，图3示出输入音频信号Sin的电平在时刻t8的突然减小。

这种情况下，在于时刻t7开始增大的计数值C达到预定数目N的时刻t11，由于当前采样的绝对值ABS小于在前一采样处获得的包络值ENV，因此包络值ENV在预定的一段释放时间期间减小，并且计数值C保持为N。下文中，该过程被称为释放过程。然后，当当前采样的绝对值ABS达到在前一采样处获得的包络值ENV时，计数值C被重置为零且包络值ENV通过起音过程增大。

于是，短时间内，增益G响应于输入音频信号Sin的电平变化而改变，恢复了增强低音分量的效果。

图4示出包络检测器17为输入音频信号Sin的每个采样执行的上述包络检测过程的示例。

在包络检测过程30中，在步骤S31中确定当前采样的绝对值ABS是否大于或等于前一采样处的包络值ENV。很明显，包络值ENV在紧接着电源被开启之后或直到输入音频信号Sin被输入之前为零。

若在步骤S31中确定当前采样的绝对值ABS大于或等于前一采样处的包络值ENV，则过程前进到步骤S32，其中计数值C被设置为零。然后，过程进一步前进到步骤S33，其中，作为起音过程，当前采样处的包络值ENV按图4的式1所示增大。

在式1中，“ta”代表确定起音时间的任何常数(例如，0＜ta＜1)。下文中，每个式子中的星号(*)代表乘法。

另一方面，若在步骤S31中确定当前采样的绝对值ABS不大于或等于前一采样处的包络值ENV，换言之，若在步骤S31中确定当前采样的绝对值ABS小于前一采样处的包络值ENV，则过程继续到步骤S34，其中确定计数值C是否达到预定数目N。

然后，若在步骤S34中确定计数值C未达到预定数目N，则过程前进到步骤S35，其中计数值C被增加1。然后，过程进一步前进到步骤S36，其中，作为保持过程，当前采样处的包络值ENV被保持为在前一采样处获得的包络值ENV，如图4的式2所示。

另一方面，若在步骤S34中确定计数值C达到预定数目N，则过程前进到步骤S37，其中执行释放过程。即，在步骤S37中，如图4的式3所示，当前采样处的包络值ENV减小，并且计数值C被保持为N。在式3中，“tr”代表确定释放时间的任何常数(例如，0＜tr＜1)。

图5示出总谐波失真加噪声(THDN)关于频率的特性，其中N＝0，N＝100，N＝200，N＝300，N＝500，N＝1000以及N＝2000。

图5说明输入音频信号Sin的采样频率fs为44.1kHz，低截滤波器15不包括在图1的低音增强电路10中，且从加法器14输出的音频信号Sog直接被提取为低音增强的输出音频信号的情况。

从图5可见，随着N的值增大，再现信号在低频处的失真水平减小。

但是，当就像图3的时刻t8处输入音频信号Sin的情况一样，N的值不必要地增大并且若输入音频信号Sin的电平突然减小时，在转变到释放过程之前需要花费很长时间，从而在看到低音增强的效果之前需要很长时间。

因此，最好根据扬声器的最低再现频率f0来设置N的值。例如，若最低再现频率f0为100Hz，则将N的值设置为220(N＝220)。即，最好这样设置N的值：最低再现频率f0越高，N的值越小，反之，最低再现频率f0越低，N的值越大。这使得能够更有效地执行低音分量的增强。

如上所述，例如，若fs＝44.1kHz且f0＝100Hz时将N的值设置为220，则低于100Hz的低音分量失真，而100Hz及以上的低音分量可以不失真地得到增强。

但是，同图1所示示例的情况一样，若提供低截滤波器15且将其截止频率设置为小于或等于扬声器的最低再现频率f0(例如，若f0＝100Hz，则截止频率被设置为100Hz及以下)，则如上所述的失真低音分量可被衰减。

图6示出当频率小于或等于扬声器最低再现频率f0的低音分量被低截滤波器15衰减时所获得的输出音频信号Sout的频率特性。

在图6所示的曲线1至8中，曲线1代表与最低电平的输入音频信号Sin相对应的输出音频信号Sout，而曲线8代表与最高电平的输入音频信号Sin相对应的输出音频信号Sout。

从中可见，输入电平越低，低音分量增强效果(或增益)越大，并且频率小于或等于扬声器的最低再现频率f0的低音分量被低截滤波器15衰减的程度越大。

虽然已描述了低音增强的音频信号被提供到扬声器并再现为声音的情况，但是本发明也适用于低音增强的音频信号被提供到头戴听筒或耳机并再现为声音的情况。

3.音频再现系统：图7

图7说明根据本发明实施例的示例性音频再现系统。

本例的音频再现系统40包括音频处理单元50、连接到音频处理单元的输出侧的扬声器61、控制器63和设置单元65。

扬声器61是包括在有源扬声器等之中的紧凑式扬声器。如图8所示，扬声器61具有输出电平在最低再现频率f0及以下的频率范围内减小的频率特性。最低再现频率f0(例如，约100Hz)在可听频率范围之内。

音频处理单元50包括：模数(A/D)转换器51，用于将输入到音频处理单元50的模拟音频信号Ain转换成数字音频信号Din；数字信号处理器(DSP)53，用于处理数字音频信号Din；数模(D/A)转换器55，用于将作为DSP 53中的处理结果输出的数字音频信号Dout转换成模拟音频信号Aout；以及音频放大器电路57，用于放大模拟音频信号Aout并将放大的模拟音频信号Aout提供到扬声器61。从而，音频处理单元50被配置为配备有DSP的均衡器放大器。

在控制器63的控制下，DSP 53充当图1所示的低音增强电路10并如上所述增强低音分量。这种情况下，数字音频信号Din对应于上述输入音频信号，而数字音频信号Dout对应于上述输出音频信号Sout。

此外，在本例的音频再现系统40中，设置单元65允许在用于执行低音增强的低音增强ON模式和用于不执行低音增强的低音增强OFF模式之间做出选择。

例如，若音频再现系统40包括重低音音箱(subwoofer)以及扬声器61以再现低音频率，则不需要增强将提供给扬声器61的音频信号的低音分量。在这类情况下，在设置单元65中选择低音增强OFF模式。

另外，若低音增强ON模式被选择且DSP 53充当图1所示的低音增强电路10，则设置单元65允许“选择”或“设置”用于为采样数目计数的预定数目N和低截滤波器15的截止频率。

这里，术语“选择”指对预先准备的多个数值或频率之一的选择，而术语“设置”指的是对特定数值或频率的输入。

从而，若具有特定级别的最低再现频率f0的扬声器61被替换为具有另一级别的最低再现频率f0的扬声器，则预定数目N和低截滤波器15的截止频率可以根据最低再现频率f0来改变。

虽然图7说明扬声器连接到音频处理单元50的示例，但是本发明也适用于头戴听筒或耳机连接到构成低音增强电路的音频处理单元50的情况。

本领域技术人员应该理解，取决于设计要求和其他因素可以想到各种修改、组合、子组合及变更，只要它们落入所附权利要求或其等同物的范围之内。

本发明包含与2007年3月16日向日本专利局递交的日本专利申请JP2007-068093相关的主题，其全部公开内容通过引用方式结合于此。

Claims (11)

1.一种低音增强方法，包括以下步骤：

检测音频信号的绝对值的包络；以及

用根据检测到的包络值计算出的增益放大所述音频信号的低音分量，以便增强所述音频信号的低音分量，

其中，在对以预定采样频率采样的所述音频信号的每个采样执行的包络检测中，

(a)若当前采样的绝对值大于或等于前一采样处的包络值，则将指示采样数目的计数值C设置为零，同时令所述当前采样处的包络值大于所述前一采样处的包络值；

(b)若所述当前采样的绝对值小于所述前一采样处的包络值并且所述计数值C未达到预定数目N，则将所述计数值C增加1并且使所述当前采样处的包络值保持为所述前一采样处的包络值；并且

(c)若所述当前采样的绝对值小于所述前一采样处的包络值，并且所述计数值C达到所述预定数目N，则令所述当前采样处的包络值小于所述前一采样处的包络值。

2.根据权利要求1所述的低音增强方法，其中经历低音增强的音频信号是通过低截滤波器提取的。

3.根据权利要求2所述的低音增强方法，其中所述低截滤波器的截止频率是根据来自所述低截滤波器的输出音频信号所被提供到的电动音频换能器的最低再现频率f0来设置的。

4.根据权利要求1所述的低音增强方法，其中所述预定数目N是根据经历低音增强的音频信号所被提供到的电动音频换能器的最低再现频率f0来设置的。

5.一种低音增强电路，包括： 

绝对值检测器，该绝对值检测器被配置为检测音频信号的绝对值； 

包络检测器，该包络检测器被配置为检测所检测到的绝对值的包络； 

增益计算器，该增益计算器被配置为根据所检测到的包络值计算增 益；以及 

低音增强单元，该低音增强单元被配置为通过用计算出的增益放大所述音频信号的低音分量来增强所述音频信号的低音分量， 

其中，在所述包络检测器对以预定采样频率采样的所述音频信号的每个采样执行的包络检测中， 

(a)若当前采样的绝对值大于或等于前一采样处的包络值，则将指示采样数目的计数值C设置为零，同时令所述当前采样处的包络值大于所述前一采样处的包络值； 

(b)若所述当前采样的绝对值小于所述前一采样处的包络值并且所述计数值C未达到预定数目N，则将所述计数值C增加1并且使所述当前采样处的包络值保持为所述前一采样处的包络值；并且 

(c)若所述当前采样的绝对值小于所述前一采样处的包络值，并且所述计数值C达到所述预定数目N，则令所述当前采样处的包络值小于所述前一采样处的包络值。 

6.根据权利要求5所述的低音增强电路，还包括低截滤波器，所述低截滤波器被配置为衰减来自所述低音增强单元的输出音频信号的低音分量。 

7.根据权利要求6所述的低音增强电路，其中所述低截滤波器的截止频率是根据来自所述低截滤波器的输出音频信号所被提供到的电动音频换能器的最低再现频率f0来设置的。 

8.根据权利要求6所述的低音增强电路，还包括允许选择或设置所述低截滤波器的截止频率的单元。 

9.根据权利要求5所述的低音增强电路，其中所述预定数目N是根据来自所述低音增强单元的输出音频信号所被提供到的电动音频换能器的最低再现频率f0来设置的。 

10.根据权利要求5所述的低音增强电路，还包括允许选择或设置所述预定数目N的单元。 

11.一种音频再现系统，包括： 

低音增强电路；以及 

电动音频换能器，来自所述低音增强电路的输出音频信号被提供给所述电动音频换能器， 

其中所述低音增强电路包括： 

绝对值检测器，该绝对值检测器被配置为检测音频信号的绝对值； 

包络检测器，该包络检测器被配置为检测所检测到的绝对值的包络； 

增益计算器，该增益计算器被配置为根据所检测到的包络值计算增益；以及 

低音增强单元，该低音增强单元被配置为通过用计算出的增益放大所述音频信号的低音分量来增强所述音频信号的低音分量， 

其中，在所述包络检测器对以预定采样频率采样的所述音频信号的每个采样执行的包络检测中， 

(a)若当前采样的绝对值大于或等于前一采样处的包络值，则将指示采样数目的计数值C设置为零，同时令所述当前采样处的包络值大于所述前一采样处的包络值； 

(b)若所述当前采样的绝对值小于所述前一采样处的包络值并且所述计数值C未达到预定数目N，则将所述计数值C增加1并且使所述当前采样处的包络值保持为所述前一采样处的包络值；并且 

(c)若所述当前采样的绝对值小于所述前一采样处的包络值，并且所述计数值C达到所述预定数目N，则令所述当前采样处的包络值小于所述前一采样处的包络值。 

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