CN101419245B - 数字音频信号标准测试源生成方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于数字信号处理技术领域，是将浮点信号量化为定点信号的过程中控制量化噪声的频谱以及定点信号能量的方法，更具体是涉及一种数字音频信号标准测试源生成方法。随着便携式音频播放设备的流行，对计量部门提出了新要求，即如何对便携式音频播放设备进行产品质量检验，确保音频播放设备性能参数有统一的计量标准。在原始浮点信号量化前加入随机抖动信号，保证量化后的定点信号具有特定的幅度均方根值，生成的数字音频信号源可作为标准源，用来测试不同类型音频设备，从而使待测播放设备利用统一的标准声源进行检测。
Description
技术领域
本发明属于数字信号处理技术领域，是将浮点信号量化为定点信号的过程中控制量化噪声的频谱以及定点信号能量的方法，更具体是涉及一种数字音频信号标准测试源生成方法。
背景技术
为了测试音频设备的性能，通常的做法是将标准音频信号源输入音频设备，通过比较音频设备的输入与输出来测算音频设备的性能参数。具体方法是将浮点数表示的原始浮点信号量化为定点数表示的定点信号，例如通过四舍五入将浮点数转换为定点数。这种量化噪声的频谱特性与原始浮点信号是密切相关的，从而使量化噪声很容易影响人的听觉。为了消除量化噪声对听觉的影响，通常的做法是尽可能地降低量化噪声频谱与原始浮点信号频谱之间的相关性，使量化噪声频谱尽可能地白化，其具体做法是在量化前将随机抖动信号加入原始浮点信号，来实现控制量化噪声频谱，但量化后定点信号的能量相对于原始浮点信号会发生微小的变化。
而针对便携式音频播放设备的常规测试方法，是利用标定好的计量设备测量便携式音频播放设备在播放标准音频信号源时的输出信号，并通过对比输出信号和标准音频信号源的各种特征参数来检验该产品的质量。但目前便携式音频播放设备通常都支持多种音频有损编码格式，就要求标准音频信号源也必须支持多种音频有损编码格式，并且具有与音频有损编码格式无关的特征参数，例如幅度均方根值、频率等才可满足检验要求。
再就是国内很多企业对出厂的便携式音频播放设备的测试信号采用自行设定或网络下载，其测试信号的频响范围、振幅等参数精度不高，测试过程中误差大，播放兼容性低，输出幅值不稳定，而且测试信号的采样率和码率都比较单一，不能全面反映音频解码性能，使目前便携式音频播放设备的音频信号无统一测试标准。
发明目的
随着便携式音频播放设备的流行，对计量部门提出了新要求，即如何对便携式音频播放设备进行产品质量检验，确保音频播放设备性能参数有统一的计量标准，本发明的目的就是要提出一种用来测试便携式音频播放设备的标准数字音频信号源的生成方法。生成的数字音频信号源可作为测试标准源，用来测试不同类型音频设备，特别涉及测试带音频编解码器的音频播放设备的数字音频信号标准测试源。
发明内容
本发明根据期望幅度均方根值生成确定或随机浮点信号，在量化前将随机抖动信号加入原始浮点信号，将浮点信号量化为定点信号，再将定点信号编码为音频有损编码格式，从而保证定点信号或解码后的定点信号具有期望幅度均方根值的数字音频信号标准测试源。
数字音频信号标准测试源生成方法1：
根据信号的数学表达式计算幅度均方根值为1的确定或随机原始浮点信号；
将原始浮点信号的增益因子g初始化为1；根据增益因子g调整原始浮点信号的幅度均方根值；将1比特随机抖动信号与增益调整后的原始浮点信号加在一起；
将浮点信号量化为定点信号；计算定点信号的幅度均方根值与期望的幅度均方根值之间的相对差值d；根据相对差值d的大小及符号按照一定的规则调整原始浮点信号的增益因子g，并跳转到步骤3或者结束。
数字音频信号标准测试源生成方法2：
根据信号的数学表达式计算幅度均方根值为1的确定或随机原始浮点信号；
将原始浮点信号的增益因子g初始化为1；根据增益因子g调整原始浮点信号的幅度均方根值；将1比特随机抖动信号与增益调整后的原始浮点信号加在一起；将浮点信号量化为定点信号；根据音频有损编码格式将定点信号编码为相应的格式；将音频有损编码信号解码为定点信号；计算解码后的定点信号的幅度均方根值与期望的幅度均方根值之间的相对差值d；根据相对差值d的大小及符号按照一定的规则调整原始浮点信号的增益因子g，并跳转到步骤3或者结束。
显著效果
本发明是国内首个采用标准数字音频信号源生成的音频有损编码格式测试信号源，该信号源通过了国内的计量检定。是目前频率误差最小，输出幅值精度最高的音频有损编码格式测试信号源。该生成音频有损编码测试信号的码率比较全面，可分为64kbps、96kbps、128kbps、196kbps等多种，可更全面测试音频有损编码数码播放器的音频解码性能。确保便携式音频播放设备的数字音频信号源实行标准化。
本数字音频信号标准测试源生成方法，是在原始浮点信号量化前加入随机抖动信号，其目的不是控制量化噪声的频谱，而是控制量化后定点信号的幅度均方根(RMS)值，从而保证量化后的定点信号具有特定的幅度均方根值，尤其是在原始浮点信号的幅度均方根值很低，或需要对量化后的定点信号进行音频有损编码的情况下更为适用。
附图说明
图1为本发明优选实施方案生成具有期望的幅度均方根值的确定或随机定点信号生成的流程图
图2为本发明优选实施方案生成经过有损音频编解码后具有期望的幅度均方根值的确定或随机定点信号生成的流程图。
实施方案一
图1为本发明优选实施方案生成具有期望的幅度均方根值的确定或随机定点信号生成的流程图。
根据期望幅度均方根值生成确定或随机浮点信号，在量化前将随机抖动信号加入原始浮点信号，将浮点信号量化为定点信号，再将定点信号编码为音频有损编码格式，从而保证定点信号或解码后的定点信号具有期望幅度均方根值。
本数字音频信号标准测试源生成方法包括生成具有期望幅度均方根值的确定或随机浮点信号的方法，该方法包括利用期望幅度均方根值计算信号数学定义式中的待定参数，并根据计算出的参数值计算所需要的确定或随机浮点信号；
包括将确定或随机浮点信号量化为具有期望幅度均方根值的定点信号的方法，该方法包括将1比特随机扰动信号加入浮点信号，将浮点信号量化为相应的定点信号，计算该定点信号的幅度或均方差值与期望幅度或均方根之间的相对差值，如果相对差值大于阈值，那么需要根据差值的大小及符号相应地调整待量化的浮点信号的幅度均方根值，并重新进行量化。重复上述过程直到相对差值小于阈值为止；
第一步201是根据信号的数学表达式计算幅度均方根值为1的确定或随机原始浮点信号，信号的存储类型为浮点数；
第二步202是将原始浮点信号的增益因子g初始化为1；
第三步203是根据增益因子g调整原始浮点信号的幅度均方根值；
第四步204将1比特随机抖动信号与增益调整后的待量化浮点信号加在一起。
1比特随机抖动信号是两个幅度在-delta/2和delta/2之间均匀分布的随机信号的和，其中delta＝range/(2^Q)，range表示浮点信号的取值范围，即最大可能值与最小可能值之差，Q表示量化浮点信号所需的最多比特数，即delta表示利用Q个比特量化浮点信号的量化步长；
第五步205将浮点信号量化为定点信号，其中量化方法可以是截断或四舍五入；
第六步206是计算定点信号的幅度均方根值与期望的幅度均方根值之间的相对差值d，
d＞0表示定点信号的幅度均方根值大于期望值，d＜0表示定点信号的幅度均方根值小于期望值，d＝0表示定点信号的幅度均方根值等于期望值。相对差值d表示(计算值-期望值)/计算值；
第七步207是判断该相对差值d的绝对值abs(d)是否小于阈值T。
如果abs(d)＜＝T，那么说明该定点信号已经满足期望的幅度均方根值的要求，则保存该定点信号。如果abs(d)＞T，那么将进入步骤208，即根据相对差值d的大小及符号按照一定的规则调整浮点信号的增益因子g，并跳转到步骤203。增益因子g的调整算法可以参考自适应算法中使用的步长调整算法，例如g＝g*(1-d/100)。
实施方案二
图2为本发明优选实施方案生成经过有损音频编解码后具有期望的幅度均方根值的确定或随机定点信号生成的流程图。
根据期望幅度均方根值生成确定或随机浮点信号，在量化前将随机抖动信号加入原始浮点信号，将浮点信号量化为定点信号，再将定点信号编码为音频有损编码格式，从而保证定点信号或解码后的定点信号具有期望幅度均方根值。
本数字音频信号标准测试源生成方法包括生成具有期望幅度均方根值的确定或随机浮点信号的方法，该方法包括利用期望幅度均方根值计算信号数学定义式中的待定参数，并根据计算出的参数值计算所需要的确定或随机浮点信号；
包括将确定或随机浮点信号量化为具有期望幅度均方根值的定点音频有损编码信号的方法，该方法包括将1比特随机扰动信号加入浮点信号，将浮点信号量化为相应的定点信号，将定点信号编码为音频有损编码格式，计算解码后的定点信号的幅度均方差值与期望幅度均方根之间的相对差值。如果相对差值大于阈值，那么需要根据差值的大小及符号相应地调整待量化的浮点信号的幅度均方根值，并重新进行量化和音频有损编码。重复上述过程直到相对差值小于阈值为止。
第一步301是根据信号的数学表达式计算幅度均方根值为1的确定或随机浮点信号，信号的存储类型为浮点数；
第二步302是将浮点信号的增益因子g初始化为1；
第三步303是根据增益因子g调整浮点信号的幅度均方根值；
第四步304将1比特随机抖动信号与增益调整后的待量化浮点信号加在一起。
1比特随机扰动信号是两个幅度在-delta/2和delta/2之间均匀分布的随机信号的和，其中delta＝range/(2^Q)，range表示浮点信号的取值范围，即最大可能值与最小可能值之差，Q表示量化浮点信号所需的最多比特数，即delta表示利用Q个比特量化浮点信号的量化步长；
第五步305将浮点信号量化为定点信号，其中量化方法可以是截断或四舍五入；
第六步306利用音频有损编码算法将定点信号编码为编码信号。
根据要求的音频有损编码格式，例如MP3、WMA或OGG等，将定点信号编码为相应的编码信号。因为音频有损编码算法会改变信号的幅度均方根值，所以需要检查的是经过编码-解码过程之后的定点信号。
第七步307是将音频有损编码信号解码为定点信号；
第八步308是计算解码后的定点信号的幅度均方根值与期望的幅度均方根值之间的相对差值d，
d＞0表示解码后的定点信号的幅度均方根值大于期望值，d＜0表示解码后的定点信号的幅度均方根值小于期望值，d＝0表示解码后的定点信号的幅度均方根值等于期望值。相对差值d表示(计算值-期望值)/计算值；
第九步309是判断该相对差值d的绝对值abs(d)是否小于阈值T。
如果abs(d)＜＝T，那么说明该解码后的定点信号已经满足期望的幅度均方根值的要求，则保存该定点信号。如果abs(d)＞T，那么将进入步骤310，即根据相对差值d的大小及符号按照一定的规则调整浮点信号的增益因子g，并跳转到步骤303。增益因子g的调整算法可以参考自适应算法中使用的步长调整算法，例如g＝g*(1-d/100)。对于不同的音频有损编码算法，增益因子的调整算法可以是不同的。
综上所述，通过以下步骤：1)根据期望幅度均方根值生成确定或随机浮点信号，根据本发明方法将其量化为定点信号，并编码为相应的音频有损编码格式；2)利用标准解码程序和标准检测设备对定点信号的期望幅度均方根值进行标定；3)利用标准检测设备测量待测设备播放的标定定点信号的期望幅度均方根值；4)比较定点信号的标定值和测量值，从而判定待测播放设备是否符合标准。我们可以得到待测播放设备统一检测的标准声源。
Claims (3)
1.一种数字音频信号标准测试源生成方法，其特征在于标准测试源根据期望幅度均方根值生成确定或随机浮点信号，在量化前将随机抖动信号加入原始浮点信号，将浮点信号量化为定点信号，再将定点信号编码为音频有损编码格式，从而保证定点信号或解码后的定点信号具有期望幅度均方根值。
2.如权利要求1所述的数字音频信号标准测试源生成方法，其特征在于根据信号的数学表达式计算幅度均方根值为1的确定或随机原始浮点信号；将原始浮点信号的增益因子g初始化为1；根据增益因子g调整原始浮点信号的幅度均方根值；将1比特随机抖动信号与增益调整后的原始浮点信号加在一起；将浮点信号量化为定点信号；计算定点信号的幅度均方根值与期望的幅度均方根值之间的相对差值d；根据相对差值d的大小及符号按照一定的规则调整原始浮点信号的增益因子g，并跳转到步骤3或者结束。
3.如权利要求1所述的数字音频信号标准测试源生成方法，其特征在于根据信号的数学表达式计算幅度均方根值为1的确定或随机原始浮点信号；将原始浮点信号的增益因子g初始化为1；根据增益因子g调整原始浮点信号的幅度均方根值；将1比特随机抖动信号与增益调整后的原始浮点信号加在一起；将浮点信号量化为定点信号；根据音频有损编码格式将定点信号编码为相应的格式；将音频有损编码信号解码为定点信号；计算解码后的定点信号的幅度均方根值与期望的幅度均方根值之间的相对差值d；根据相对差值d的大小及符号按照一定的规则调整原始浮点信号的增益因子g，并跳转到步骤3或者结束。
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