CN101800051A - 处理信号的方法和处理音频信号的系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种处理信号的方法和处理音频信号的系统。包括使用动态扩展器扩展动态范围从而控制音频信号的动态范围，并将音频信号分解到多个频段。使用多频段压缩器单独对每一个频段进行压缩。使用全频段压缩器对单独压缩的每一频段的总和进行压缩。使用预加重滤波器(例如无限脉冲响应滤波器)对音频信号进行滤波。使用一个或多个有限脉冲响应滤波器和/或延迟模块将音频信号分解到多个频段。动态扩展器包括自适应门限和包络检测器。在多频段压缩器中使用音节压缩方式压缩所述多个频段中的每一频段。使用音频编解码器(CODEC)对压缩后的单独压缩的多个频段的总和进行处理。

Description

处理信号的方法和处理音频信号的系统
技术领域
本发明涉及音频信号处理，更具体地说，涉及一种音频处理系统中动态范围控制的方法和系统。
背景技术
音频应用中，提供音频接口和处理能力的系统需要支持双工操作，包括通过传感器、麦克风或其他类型的输入设备采集音频信息，同时能够使用处理后的音频信号驱动扬声器、耳机或其他类型的输出设备。为执行这些操作，这类系统采用音频编解码(CODEC)设备，在上行方向为执行音频处理的电路和/或软件提供适当的增益、滤波和/或模数转换，在下行方向为输出设备提供适当的增益、滤波和/或数模转换。
随着音频应用的发展，例如新的声音和/或音频压缩技术和格式的开发，以及将音频应用集成于无线系统(例如移动电话等)的趋势，需要开发能够具备适当处理能力的新型CODEC设备，以处理范围更为宽广的音频信号和音频信号源。有关这一点，需要增强功能和/或处理能力，以新的通信和媒体技术提高用户使用的灵活性。此外，在移动电话所支持的操作需求、通信技术和宽范围音频信号源的复杂情况下，这些增强的功能和/或处理能力需要以高效、灵活的方式来实现。
移动电话的音频输入来自各种源，具有不同的采样率和音频质量。移动电话中通常处理的音频源包括各种音调的铃声、声音和高质量音频(例如音乐)。不同质量的音频源对处理电路的需求也不同，因此需要音频处理系统具有很高的灵活性。
比较本发明后续将要结合附图介绍的系统，现有技术的其它局限性和弊端对于本领域的技术人员来说是显而易见的。
发明内容
本发明提供了一种音频处理系统中动态范围控制的方法和系统，结合至少一幅附图做了清楚的描述，并在权利要求中进行了完整的定义。
根据本发明的一个方面，提供一种处理信号的方法，包括：
分解音频信号到多个频段；
单独压缩所述多个频段中的每一频段；及
压缩所述单独压缩的每一频段的总和。
作为优选，所述方法包括预加重滤波所述音频信号。
作为优选，所述预加重滤波包括无限脉冲响应滤波所述音频信号。
作为优选，所述方法包括有限脉冲响应滤波所述音频信号，以实现所述分解音频信号到多个频段。
作为优选，所述方法包括延迟所述音频信号，以实现所述分解音频信号到多个频段。
作为优选，所述方法包括使用音节压缩方式压缩所述多个频段中的每一频段。
作为优选，所述方法包括使用硬件音频编解码器中的动态扩展器来扩展所述音频信号的动态范围。
作为优选，所述方法包括使用处理器中的动态扩展器来扩展所述音频信号的动态范围。
作为优选，所述动态扩展器包括自适应门限。
作为优选，所述动态扩展器包括包络检测器。
作为优选，所述方法包括使用硬件音频编解码器中的多频段压缩器单独压缩所述多个频段中的每一频段。
作为优选，所述多频段压缩器包括多个子频段压缩器。
作为优选，所述方法包括使用硬件音频编解码器中的全频段压缩器压缩所述单独压缩的每一频段的总和。
根据本发明的一个方面，提供一种处理音频信号的系统，包括在设备中用于处理音频的一个或多个电路，其中：
所述一个或多个电路用于分解音频信号到多个频段；
所述一个或多个电路用于单独压缩所述多个频段中的每一频段；及
所述一个或多个电路用于压缩所述单独压缩的每一频段的总和。
作为优选，所述一个或多个电路采用预加重滤波对所述音频信号进行滤波。
作为优选，所述一个或多个电路采用无限脉冲响应滤波来实现预加重滤波。
作为优选，所述一个或多个电路用于有限脉冲响应滤波所述音频信号，以实现所述分解音频信号到多个频段。
作为优选，所述一个或多个电路用于延迟所述音频信号，以实现所述分解音频信号到多个频段。
作为优选，所述一个或多个电路使用音节压缩方式来压缩所述多个频段中的每一频段。
作为优选，所述一个或多个电路包括硬件音频编解码器中的动态扩展器，其中，所述一个或多个电路用于实现所述音频信号的动态范围的动态扩展。
作为优选，所述一个或多个电路包括处理器，所述一个或多个电路用于实现所述音频信号的动态范围的动态扩展。
作为优选，所述动态扩展器包括自适应门限。
作为优选，所述动态扩展器包括包络检测器。
作为优选，所述一个或多个电路包括硬件音频编解码器中的多频段压缩器，所述一个或多个电路用于单独压缩所述多个频段中的每一频段。
作为优选，所述多频段压缩器包括多个子频段压缩器。
作为优选，所述一个或多个电路包括硬件音频编解码器中的全频段压缩器，所述一个或多个电路用于压缩所述单独压缩的每一频段的总和。
本发明的各种优点、各个方面和创新特征，以及其中所示例的实施例的细节，将在以下的说明书和附图中进行详细介绍。
附图说明
图1是依据本发明实施例所使用的示范性无线系统的示意图；
图2是依据本发明一实施例的示范性音频CODEC互连接线的示意图。
图3是依据本发明一实施例的示范性音频系统的示意图；
图4是依据本发明一实施例的示范性动态范围控制结构的示意图；
图5A是依据本发明一实施例的示范性扩展器的示意图；
图5B是依据本发明一实施例的示范性扩展器特性的曲线图；
图6是依据本发明一实施例的示范性下行动态范围控制器的示意图；
图7是依据本发明一实施例的在音频处理系统中动态范围控制的示范性步骤的流程图。
具体实施方式
本发明涉及一种音频处理系统中动态范围控制的方法和系统。本发明的示范性特征包括使用动态扩展器扩展动态范围从而控制音频信号的动态范围，并将音频信号分解到多个频段。使用多频段压缩器单独对每一个频段进行压缩。使用全频段压缩器对单独压缩的每一频段的总和进行压缩。使用预加重滤波器(例如无限脉冲响应滤波器)对音频信号进行滤波。使用一个或多个有限脉冲响应滤波器和/或延迟模块将音频信号分解到多个频段。动态扩展器包括自适应门限和包络检测器。在多频段压缩器中使用音节压缩方式压缩所述多个频段中的每一频段。使用音频编解码器(CODEC)对压缩后的单独压缩的多个频段的总和进行处理。多频段压缩器包括多个子频段压缩器。
图1是依据本发明实施例所使用的示范性无线系统的示意图。如图1所示，无线系统150包括天线151、收发器152，基带处理器154、处理器156、系统存储器158、逻辑模块160、蓝牙无线收发器/处理器162、CODEC 164、外部耳机接口166、模拟麦克风168、立体声扬声器170、蓝牙耳机172、助听器兼容(HAC)线圈174、数字双麦克风176和振动传感器178。天线151用于接收和/或发射RF信号。
收发器152包括适当的逻辑、电路、接口和/或代码，用于调制基带信号并上变频为RF信号，以便通过一个或多个天线(由天线151表示)发射。收发器152还用于将接收到的RF信号下变频和解调为基带信号。射频信号可以通过一个或多个天线(由天线151表示)接收。不同的无线系统可以使用不同的天线进行发射和接收。收发器152还用于执行其他功能，例如，滤波基带信号和/或RF信号、和/或放大基带信号和/或RF信号。尽管示出的是单个收发器152，本发明并不限于此。因而，收发器152可通过单独的发射器和单独的接收器来实施。另外，可以设置有多个收发器、发射器和/或接收器。有关这一点，多个收发器、发射器和/或接收器使得无线系统150能够处理多个无线协议和/或标准，包括蜂窝、WLAN和PAN。
基带处理器154包括适当的逻辑、电路、接口和/或代码，用于处理将借助于收发器152发射的基带信号和/或接收来自收发器152的基带信号。处理器156可为任何适当的处理器或控制器，诸如CPU、DSP、ARM或任何类型的集成电路处理器。处理器156包括适当的逻辑、电路、接口和/或代码，用于控制收发器152和/或基带处理器154的操作。例如，处理器156用于更新和/或修改收发器152和/或基带处理器154中的多个组件、器件和/或处理部件的可编程参数和/或值。至少一部分可编程参数存储在系统存储器158中。
控制和/或数据信息(包括可编程参数)可以从无线系统150中的其它部分(图1中未示出)传送至处理器156。同样，处理器156能够将控制和/或数据信息(包括可编程参数)传送至无线系统150中的其它部分(图1中未示出)，该其它部分是无线系统150的组成部分。
处理器156使用接收的控制和/或数据信息确定收发器152的操作模式，该控制和/或数据信息包括可编程参数。例如，处理器156用于为本地振荡器选择特定频率、为可变增益放大器选择特定增益、配置本地振荡器和/或配置可变增益放大器使其依据本发明各个实施例进行操作。此外，选择的特定频率和/或计算该特定频率所需的参数，和/或特定的增益和/或计算该特定增益所需的参数可以例如通过处理器156存储到系统存储器158中。借助于处理器155，存储在系统存储器158中的信息可以从系统存储器158传送至收发器152。
系统存储器158包括适当的逻辑、电路、接口和/或代码，用于存储多个控制和/或数据信息，包括计算频率和/或增益所需的参数，和/或频率值和/或参数值。系统存储器158可存储至少一部分由处理器156所管理/控制的可编程参数。
逻辑模块160包括适当的逻辑、电路、接口和/或代码，用于控制无线系统150的各种功能。例如，逻辑模块160包括一个或多个状态机，该状态机可生成信号以便控制收发器152和/或基带处理器154。逻辑模块160还包括寄存器，可保存(hold)用于控制例如收发器152和/或基带处理器154的数据。逻辑模块160还生成和/或存储状态(status)信息，该状态信息可由例如处理器155读取。放大器增益和/或滤波特性可由例如逻辑模块160控制。
BT无线收发器/处理器162包括适当的逻辑、电路、接口和/或代码，用于发射和/接收蓝牙信号。BT无线收发器/处理器162可处理和/或操作BT基带信号。有关这一点，BT无线收发器/处理器162处理或操作借助于无线通信媒介接收和/或发射的BT信号。基于来自于已处理BT信号中的信息，BT无线收发器/处理器162还提供发往/接收自基带处理器154和/或处理器156的控制和/或反馈信息。BT无线收发器/处理器162将来自于已处理的BT信号的信息和/或数据传送至处理器156和/或系统存储器158。而且，BT无线收发器/处理器162可接收来自处理器156和/或系统存储器158的信息，对其进行处理，并经由无线通信媒介发射。
CODEC 164包括适当的逻辑、电路和/或代码，用于处理接收自和/或传送至输入/输出设备的音频信号。输入设备可位于无线系统150中或与无线系统150通信连接，输入/输出设备包括例如模拟麦克风168、立体声扬声器170、蓝牙耳机172、助听器兼容(HAC)线圈174、数字双麦克风176、振动传感器178。CODEC 164可上变频和/或下变频信号频率至期望频率，以便处理和/或借助于输出设备发射。CODEC 164可以使用多个数字音频输入，诸如16或18比特输入。CODEC 164还可使用各种数据采样率输入。例如，CODEC 164可以接收如下采样率的数字音频信号，诸如8kHZ、11.025kHZ、12kHZ、16kHZ、22.05kHZ、24kHZ、32kHZ、44.1kHZ和/或48kHZ。CODEC 164还可支持多种混合音频源。例如，CODEC 164可支持通用音频、多音调铃声、12S FM音频、振动驱动信号和声音。有关这一点，通用音频和多音调铃声源可支持音频CODEC 164可接受的多个采样率，声音源可支持部分采样率，例如8kHZ和16kHZ。
音频CODEC 164可以对至少部分音频源使用可编程无限脉冲响应(IIR)滤波器和/或可编程有限脉冲响应(FIR)滤波器，以便为不同的输出设备补偿通带振幅和相位波动。有关这一点，可以基于当前操作动态地配置或编程滤波系数。此外，滤波系数可以一次性转换(switch)或连续地转换。对于模拟处理，CODEC164还使用调制器，例如Δ-∑调制器，对数字输出信号进行编码。
外部耳机端口166包括外部耳机与无线系统150通信连接的物理连接。模拟麦克风168包括适当的电路、逻辑和/或代码，用于检测声波并借助于例如压电效应(piezoelectric effect)将其转换为电信号。由模拟麦克风168生成的电信号包括模拟信号，在处理之前需要进行模数转换。
立体声扬声器170包括一对扬声器，用于从接收自CODEC 164的电信号中生成音频信号。蓝牙耳机172包括通过蓝牙无线收发器/处理器162与无线系统150通信连接的无线耳机。以这种方式，无线系统150可以操作在免提模式下。
HAC线圈174包括适当的电路、逻辑和/或代码，用于例如无线系统150与助听器中T-线圈之间的通信。在此方式下，电音频信号传送至使用助听器的用户，随后在用户耳中转换回放大的声音信号，而无需例如借助于诸如立体声扬声器170的扬声器生成声音信号，并在助听器中将生成的声音信号转换回电信号。
数字双麦克风176包括适当的电路、逻辑和/或代码，用于检测声波并将其转换为电信号。由数字双麦克风176生成的电信号包括数字信号，在CODEC164进行数字处理之前无需进行模数转换。数字双麦克风176具有例如波束成形(beamforming)能力。
振动传感器178包括适当的电路、逻辑和/或代码，用于将传入的呼叫、警报和/或消息通知给无线系统150，无需使用声音。振动传感器产生振动，该振动与例如音频信号(诸如语音或音乐)同步。
在操作中，控制和/或数据信息(包括可编程参数)可以从无线系统150中的其它部分(图1中未示出)传送至处理器156。同样，处理器156能够将控制和/或数据信息(包括可编程参数)传送至无线系统150中的其它部分(图1中未示出)，该其它部分是无线系统150的组成部分。
处理器156使用接收的控制和/或数据信息确定收发器152的操作模式，该控制和/或数据信息包括可编程参数。例如，处理器156用于为本地振荡器选择特定频率、为可变增益放大器选择特定增益、配置本地振荡器和/或配置可变增益放大器使其依据本发明各个实施例进行操作。此外，选择的特定频率和/或计算该特定频率所需的参数，和/或特定的增益和/或计算该特定增益所需的参数可以例如通过处理器156存储到系统存储器158中。借助于处理器155，存储在系统存储器158中的信息可以从系统存储器158传送至收发器152。
无线系统150中的CODEC 164与处理器156通信以便传送音频数据和控制信号。CODEC 164的控制寄存器可以驻存在处理器156中。处理器156可以通过系统存储器158交换音频信号和控制信息。CODEC 164可以上变频和/或下变频多种音频源的频率，以便在期望的采样率下进行处理。
无线系统150包括动态范围控制，以优化音频质量和输出音频信号的有效响度。动态范围控制可以使用CODEC 164和BT无线收发器/处理器中的硬件、处理器156和/或基带处理器154的处理能力来实现。
图2是依据本发明一实施例的示范性音频CODEC互连接线示意图。如图2所示，其中包括CODEC 201、数字信号处理器(DSP)203、存储器205、处理器207和音频I/O模块209。其中还示出了数字音频处理模块211的输入和输入信号，包括I2S FM音频信号217、控制信号219、声音/音频信号221、多频段SSI信号223、混合音频信号225、振动驱动信号227和声音/音乐/铃声数据信号229。存储器205可与系统存储器158共用一个存储器。在本发明的另一实施例中，存储器205是与系统存储器158分开的存储器。
CODEC 201与结合图1所描述的CODEC 164相同，包括数字音频处理模块211、模拟音频处理模块213和时钟215。数字音频处理模块211包括适当的电路、逻辑和/或代码，用于处理接收到的数字音频信号，以便之后的存储和/或传送至输出设备。数字音频处理模块211包括数字滤波器，例如抽取滤波器和无限脉冲响应(IIR)滤波器。模拟音频处理模块213包括适当的电路、逻辑和/或代码，用于处理接收到的模拟音频信号，以传送给音频I/O设备模块209和/或数字音频处理模块211。模拟音频处理模块213能够将模拟信号转换成数字信号，并在处理所接收到的信号之前先对其进行滤波。另外，模拟音频处理模块213可以对接收到的音频信号进行放大。
时钟215包括适当的电路、逻辑和/或代码，用于生成共用时钟信号，供DSP 203、处理器207、数字音频处理模块211和模拟音频处理模块213使用。以这种方式，可以在处理、发射和/或回放过程中实现多个音频信号的同步。
DSP 203包括适当的电路、逻辑和/或代码，用于处理从数字音频处理模块211接收到的信号和/或从存储器205中恢复的信号。DSP 203还可将处理过的数据存储到存储器205中或将处理过的数据传送至数字音频处理模块211。在本发明的实施例中，DSP 203可与CODEC 201一起集成在芯片上。
处理器207包括适当的电路、逻辑和/或代码，用于执行常规处理器功能，例如以最小功耗。在本发明的一个实施例中，处理器包括高级精简指令集(RISC)机器处理器。然而本发明不限于此，也可以使用其它类型的处理器。处理器207与存储器205通信连接，可将数据存储到存储器205中和/或从存储器205中恢复数据。处理器207可以在DSP 203和/或存储器205之间传送数据和/或控制信息，以完成由DSP 203执行的多个信号处理任务。例如，处理器207可与DSP通信以实现对音频信号的信号处理。
在操作中，为了传送音频数据和控制信号，CODCE 201与DSP 203通信，但FM无线广播收听和录音除外，这种情况下，数字FM采样可以从直接来自蓝牙FM接收机(诸如结合图1所描述的蓝牙无线收发器/处理器)的I2S中读取。CODCE 201的控制寄存器可以驻存在DSP 203中。对于声音数据，音频采样可以不在DSP 203和CODCE 201之间缓存。对于音乐和铃声，来自DSP 203的音频数据可以写入例如COCEC 201内部的FIFO，之后取出该数据采样。同样的方法可以用于高质量音频221，例如其采样率为48kHz。DSP 203和CODEC201之间传送的音频数据可以通过中断完成。这些中断可以包括用于声音/音乐/铃声数据229、蓝牙/USB 44.18kHz/48kHz的混合音频信号225、48kHz的高质量音频221和振动驱动信号227的中断。中断可以在不同的输入和输出之间共享。
音频接收路径中的声音/音乐/铃声数据229的音频采样数据和音频发射路径中的高质量音频221可以包括每一采样18比特宽，例如。当存在16比特音频数据时，可以使用相同的18比特格式，例如使两个最低有效位(LSB)为零。
在本发明的实施例中，DSP 203和处理器207可以通过共享的存储器例如存储器205交换音频数据和控制信息。处理器207可以将脉码调制(PCM)音频直接写入存储器205中，也可将编码音频数据传送至DSP 203进行计算密集处理。在这种情况下，DSP 203对数据进行解码并将PCM音频写回存储器205，以供处理器207读取或传送至CODCE 201。处理器207通过DSP 203与CODCE201通信。
在本发明的一示范性实施例中，可使用CODCE 201实现动态范围控制以优化音频质量和音频输出信号的有效响度。例如，动态范围控制可以使用CODCE 201和音频I/O设备209中的硬件、和DSP 203和/或处理器207中的处理能力来实现。
图3是依据本发明一实施例的示范性音频系统结构的示意图。如图3所示，音频系统结构300包括语音解码器301、DC消除器模块303、下行动态范围控制器(DL DRC)305、语音编码器307、弱音(mute)控制模块309、上行动态范围控制器(UL DRC)311和合成/滤波模块313。图3还示出了子频段非线性处理器(NLP)315、噪声抑制/舒适噪声发生器(NS/CNG)317、DL子频段分析模块319、UL子频段分析模块321、双回声消音器(EC)323、加法器325、侧音扩展器327、侧音滤波/增益模块329、DC消除器331和开关333A和333B。另外，图3还示出了蓝牙(BT)滤波器335A和335B、Rx CODEC 337、Tx滤波器339、Tx PGA/处理模块341、Tx CODEC 343、Rx滤波器345、Tx PGA/处理模块347、BT Tx 349、BT Rx 351、扬声器353和麦克风355。还示出了噪声电平信号357。
语音解码器301包括适当的电路、逻辑和/或代码，用于对接收到的语音信号进行解码并生成输出信号，输出信号将得到进一步处理或由输出设备(例如扬声器353)回放。
DC消除器模块303包括适当的电路、逻辑和/或代码，用于去除来自语音解码器301的信号中的直流部分。DL DRC 305包括适当的电路、逻辑和/或代码，用于控制接收到的音频信号的动态范围。以这种方式，在大音量情形下，例如当电话用户使用扬声器电话模式(免提模式)及高音量设置时，可以降低失真度。
语音编码器307包括适当的电路、逻辑和/或代码，用于对接收到的语音信号进行编码，以随后进行处理和发射。接收到的信号可以由输入设备(例如麦克风355)产生。
弱音控制模块309包括适当的电路、逻辑和/或代码，用于减弱接收到的音频信号。以这种方式，无线设备诸如移动电话可以通过扬声器来回放接收到的音频信号，而不发射其它接收信号，例如来自麦克风的信号。
上行DRC 311包括适当的电路、逻辑和/或代码，用于控制接收到的音频信号的动态范围。以这种方式，在大音量情形下，例如当蜂窝电话用户使用扬声器电话模式(免提模式)及高音量设置时，可以降低失真度；或者在大噪声环境中，可以降低失真度。
合成/滤波模块313包括适当的电路、逻辑和/或代码，用于产生噪声消除和滤除不想要的信号。合成/滤波模块313例如包括高通滤波器。
子频段NLP 315包括适当的电路、逻辑和/或代码，用于抑制残留回声。子频段NLP接收噪声电平信号357及由DL子频段分析模块319和UL子频段分析模块321产生的信号作为其输入信号。子频段NLP的输出通信连接至NS/CNG模块317。
NS/CNG模块317包括适当的电路、逻辑和/或代码，用于抑制噪声和/或产生舒适噪声信号，而不是完全静音，用于指示移动设备用户：呼叫另一端的人仍然在线。
DL子频段分析模块319包括适当的电路、逻辑和/或代码，用于抑制残留回声。DL子频段分析模块319的输入通信连接至DL DRC模块305的输出，可以分析接收到的信号(由结合图1所描述的无线系统150所接收)的非线性特性，
UL子频段分析模块321包括适当的电路、逻辑和/或代码，用于抑制上行信号(例如由麦克风355产生)中残留回声。UL子频段分析模块321的输入通信连接至双EC 323的输出。UL子频段分析模块321的输出通信连接至NS/CNG模块317和子频段NLP 315。
双EC 323包括适当的电路、逻辑和/或代码，用于消除音频信号中的回声。双EC 323的输入通信连接至DC消除器331和DL DRC 305的输出。双EC 323的输出通信连接至UL子频段分析模块321。
加法器325包括适当的电路、逻辑和/或代码，用于接收多个输入信号，并产生包括输入信号总和的输出信号。加法器325的输入通信连接至DL DRC模块305和侧音扩展器327。加法器325的输出通信连接至开关333A。
侧音扩展器327包括适当的电路、逻辑和/或代码，用于放大期望频段范围内的音频信号并衰减其它频段范围内的音频信号。以这种方式，期望信号的振幅可以选择性地放大同时可以减小其它信号的振幅。
侧音滤波/增益模块329包括适当的电路、逻辑和/或代码，用于对DC消除器331输出端由UL信号产生的侧音频率进行整形。侧音滤波/增益模块329的输出通信连接至侧音扩展器327。
DC消除器331包括适当的电路、逻辑和/或代码，用于从例如麦克风355和/或BT Rx 351产生的Tx信号中移除DC信号。
开关333A包括适当的电路、逻辑和/或代码，用于在加法器325产生的将传送至Rx CODEC 337的DL信号和BT滤波器335A之间切换。类似地，开关333B包括适当的电路、逻辑和/或代码，用于在Tx CODEC 343和BT滤波器335B之间切换，并将期望信号传送至DC消除器331。
BT滤波器335A和335B包括适当的电路、逻辑和/或代码，用于滤除不期望的信号和允许的期望BT信号以进行传送。当开关333A切换至BT滤波器335A时，BT滤波器335A通信连接至加法器325。BT滤波器335A的输出通信连接至BT Tx 349。BT滤波器335B的输入通信连接至BT Rx 351，输出通信连接至开关333B。
Rx CODEC 337包括适当的电路、逻辑和/或代码，用于处理接收到的音频信号以传送至输出设备例如扬声器353。Rx CODEC 337包括Rx滤波器339和PGA/处理模块341。Rx滤波器339包括适当的电路、逻辑和/或代码，用于滤除不期望信号同时允许期望音频信号传送至PGA/处理模块341。Rx滤波器339包括数字无限脉冲响应(IIR)滤波器，例如双二次滤波器(biquads)。PGA/处理模块341包括适当的电路、逻辑和/或代码，用于放大接收到的音频信号同时执行用以提高期望音频信号质量的其它音频处理任务。
Tx CODEC 343包括适当的电路、逻辑和/或代码，用于处理从输入设备接收到的音频信号，例如麦克风355。Tx CODEC 343包括Tx滤波器345，后者包括适当的电路、逻辑和/或代码，用于滤除从PGA/处理模块347接收的信号中不期望信号同时允许期望音频信号传送。Tx滤波器345包括数字无限脉冲响应(IIR)滤波器，例如双二次滤波器。在本发明的一实施例中，Rx CODEC 337和Tx CODEC 343可集成在硬件模块中，例如结合图2所描述的数字音频处理模块211。
PGA/处理模块347包括适当的电路、逻辑和/或代码，用于放大从麦克风355接收到的信号以及为得到期望的音频信号质量执行其他音频处理任务。
BT Tx 349包括适当的电路、逻辑和/或代码，用于无线发射BT信号到BT设备例如耳机。BT Tx 349的输入通信连接至BT滤波器335A的输出。BT Rx351包括适当的电路、逻辑和/或代码，用于从BT设备例如BT耳机接收BT信号。
扬声器353包括适当的电路、逻辑和/或代码，用于从接收自Rx CODEC337的电信号中生成和输出音频信号。麦克风355包括适当的电路、逻辑和/或代码，用于从接收的音频信号产生电信号，并将生成的电信号传送给TxCODEC 343进行处理。
在操作中，在DL路径，来自语音解码器301的语音信号将通过DC消除器303，随后通过DL DRC 305。DL DRC 305执行预加重、增益控制、扩展和压缩，用以增加主观响度、降低背景噪声并防止扬声器过载。DL DRC 305的输出经由开关333A通信连接至Rx CODEC 337。Rx CODEC 337可包括数字IIR滤波器用于补偿扬声器353响应。Rx CODEC 337还可包括例如数字和模拟增益级、Δ-∑DAC、功率放大器和模拟滤波器。
对于UL路径，Tx CODEC 343也可包括数字IIR滤波器例如双二次滤波器，用以补偿麦克风355响应。Tx CODEC 343还可包括例如增益级、∑-ΔADC和功率放大器。来自Tx CODEC 343的语音信号传送至高通滤波器(DC消除器331)以移除DC部分。DC消除器331的输出由侧音滤波/增益模块329使用，以生成侧音。以这种方式，使用侧音滤波和增益，可对侧音频率进行整形和其他处理。Tx CODEC 343生成的信号包括回声、本地UL语音信号和噪声。随后使用双EC来降低回声。由于非线性特性，在双EC 323之后仍然存在残留回声。之后的模块，诸如UL子频段分析模块321、DL子频段分析模块319、子频段NLP 315、NS/CNG模块317以及合成/滤波模块313可以使用子频段非线性处理来抑制残留回声。被抑制的回声将进一步由NS/CNG模块317产生的舒适噪声所遮掩。背景噪声也可以使用NS/CNG模块317中的子频段噪声抑制器来抑制。然后，信号将传送至合成/滤波模块313随后再传送至UL DRC 311，以进行动态范围控制。之后，信号由弱音控制模块309进行处理，例如当用户作出选择时弱音控制模块309对信号进行弱音处理；随后在后续处理和发射之前再由例如语音编码器307对语音信号进行编码处理。
图4是依据本发明一实施例的示范性动态范围控制结构的示意图。如图4所示，DRC结构400包括语音编码器401、高通滤波器(HPF)403、预加重滤波器405、扩展器407、音量控制模块409、增益模块411、有限脉冲响应(FIR)滤波器413A和413B、延迟模块415、加法器417A和417B、压缩器419A-419C、全频段(FB)压缩器421、音频CODEC 423和扬声器425。
语音编码器401、高通滤波器(HPF)403、加法器417A和417B、音频CODEC 423和扬声器425与语音编码器301、DC消除器303、加法器325、Rx CODEC 337和扬声器353基本相同。
预加重滤波器405包括适当的电路、逻辑和代码，用于对DL路径中的频率响应进行整形。使用预加重滤波器405将导致频率依赖性压缩，使得高频部分提升的越多，则被压缩得越多。预加重滤波器405包括多个双二次IIR滤波器，其转换函数由如下公式定义：
H ( z ) = b 0 + b 1 z - 1 + b 2 z - 2 1 + a 1 z - 1 + a 2 z - 2
扩展器407包括适当的电路、逻辑和代码，用于基于接收信号的振幅来调整增益值。
音量控制模块409包括适当的电路、逻辑和代码，用于调整增益模块411的增益。增益模块411包括适当的电路、逻辑和代码，用于接收输入信号，并产生输出信号，该输出信号的振幅通过增益模块411的增益因子来增大或减小。增益模块411的输出通信连接至滤波器FIR1 413A和FIR2 413B及延迟模块415的输入。
滤波器FIR1 413A和FIR2 413B包括适当的电路、逻辑和代码，用于衰减期望频带之外的信号，并允许期望频带内的信号通过。延迟模块415包括适当的电路、逻辑和代码，用于延迟接收到的输入信号。
滤波器FIR1 413A的输出通信连接至压缩器419A和加法器417A的输入。类似地，FIR2 413B的输出通信连接至压缩器419C和加法器417A的输入。延迟模块415的输出通信连接至加法器417A，后者的输出通信连接至压缩器419B。以这种方式，滤波器FIR1 413A和FIR2 413B以及延迟模块415可以实现对接收信号的三频段处理和/或压缩。
压缩器419A-419C包括适当的电路、逻辑和代码，用于衰减高信号电平频段内的信号，同时维持较低信号电平频段内的信号。以这种方式，音频信号的硬和软限幅(clipping)得以减少和/或去除。虽然图4中示出了三频段压缩器(使用压缩器419A-419C)，但本发明不限于此。相应地，可以使用任何数量频段，例如根据期望的动态范围控制的复杂程度来决定。压缩器419A-419C包括子频段压缩器。在本发明的示范性实施例中，DRC 400中的压缩器包括无限斜率压缩器。
FB压缩器421包括适当的电路、逻辑和代码，用于衰减高信号电平频段内的信号，同时维持较低信号电平频段内的信号。以这种方式，音频信号的硬件和软件限幅(clipping)得以减少和/或去除。在本发明的示范性实施例中，相比压缩器419A-419C，FB压缩器421可在更宽的频段范围上对信号进行压缩。
在操作中，来自语音解码器401的语音信号将传送至HPF 403以消除信号中的DC部分，之后送入预加重滤波器405。然后信号由扩展器407进行扩展、由增益模块411和音量控制模块409进行增益调整，之后由压缩器419A-419C进行三频段压缩以增加主观响度(subjective loudness)。这可以例如降低背景噪声和减轻或排除扬声器过载。
为增加有效响度，而不是增加增益，后者会带来硬和/或软限幅、扬声器过载和非线性失真，可使用音节压缩方式来维持正常和低电平信号，压缩高电平信号。此外，由于扬声器对低频过载更加敏感，可将信号分离为低、中、高频段。这样能够实现对不同的频段应用不同等级的压缩。例如，对于低频频段多压缩以防止扬声器过载，和/或对于高频频段少压缩。在本发明的示范性实施例中，使用等响曲线(其对于用户是唯一的)来配置压缩特性。
FB压缩器421的输出通信连接至音频CODCE 423。CODCE 423包括数字IIR滤波器以补偿扬声器425响应。CODCE 423还可包括例如数字和模拟增益级、Δ-∑DAC、功率放大器和模拟滤波器。CODCE 423将音频信号传送至扬声器425，后者生成可听到的信号。在本发明的一实施例中，CODCE 423可以集成在硬件模块(例如结合图2所描述的数字音频处理模块211)中。
图5A是依据本发明一实施例的示范性扩展器的示意图。如图5A所示，扩展器500包括包络检测器501、增益映射模块503和乘法器505。图中还示出了扩展器输入信号507和扩展器输出509。
检测器501包括适当的电路、逻辑和代码，用于感测扩展器输入信号507的大小。在本发明的示范性实施例中，包络检测器501包括二级管，以期望的例如以数十毫秒级的粹发(attack)和衰减(decay)时间常数来估计语音信号电平。以这种方式，包络检测器501可追踪语音音节振幅而不是瞬时振幅，其可以防止扩展器500增益过于快速地改变。
增益映射模块503包括适当的电路、逻辑和代码，用于确定期望的、将由乘法器505施加到扩展器输入信号507上的增益等级。增益映射模块503的输出通信连接至乘法器505。
乘法器505包括适当的电路、逻辑和代码，用于使用由增益映射模块503确定的增益因子来乘以扩展器输入信号507。相乘结果信号即为扩展器输出信号509。
在操作中，使用包络检测器501确定接收到的扩展器输入信号507的大小。增益映射模块503确定将施加到扩展器输入信号507上的期望的增益因子，并将期望的增益等级传送至乘法器505。乘法器505将扩展器输入信号507乘以增益因子从而生成扩展器输出信号509。
对于背景噪声，其信号电平低，扩展器500工作在低增益或衰减模式，以降低噪声。在扩展器输入信号507较高的情况下，指示声音信号，衰减可以减少或去除。
图5B是依据本发明一实施例的示范性扩展器的特性曲线图。如图5B所示，扩展器输出曲线520表示扩展器输出增益与输入信号的关系曲线。扩展器门限T1和T2是固定的，但也可以是可配置或自适应的。可以依据背景噪声等级来配置T1和T2以调整扩展范围。在背景噪声很强的情况下，远端对讲者倾向于提高讲话声音。这样，可提高扩展器500门限T1和T2来降低背景噪声。类似地，当远端对讲者在一个安静的环境中，可减小扩展器500门限T1和T2来降低脉动(pumping)噪声，而如果保持门限不变，当声音或音频信号接近门限T1和T2时会出现脉动噪声。
图6是依据本发明一实施例的示范性上行动态范围控制器的示意图。如图6所示，UL DRC 600包括压缩器601、扩展器603、可调增益控制(AGC)605和软限幅器607。图中还示出了DRC输入信号609和DRC输出信号611。
压缩器601包括适当的电路、逻辑和代码，用于衰减高信号电平频段内的信号，同时维持较低信号电平频段内的信号。以这种方式，音频信号的硬件和软件限幅(clipping)得以减少和/或去除。用于压缩器601的增益映射包括用于不同DRC输入信号609电平的多个增益等级。例如，对于高和低输入电平增益低，对于中间范围的输入电平增益较高。
扩展器603包括适当的电路、逻辑和代码，用于基于接收信号的大小来调整增益值，如结合图5A所描述。
AGC 605包括适当的电路、逻辑和代码，用于接收输入信号并产生期望信号电平的输出信号。软限幅器607包括适当的电路、逻辑和代码，用于接收输入信号并当输入信号的大小接近最大期望信号时生成幅值减小的输出信号。
在操作中，压缩器601接收UL DRC输入信号609，以减弱大振幅信号和保持较小振幅信号不变的方式输出信号。压缩器601的输出传送至扩展器603，其对小振幅信号的减弱程度比对较大信号的减弱程度更大，输出之后传送至AGC 605，AGC 605对接收信号施加可配置增益。放大后的信号传送到软限幅器607，其限制最大振幅信号以避免限幅，从而产生UL DRC输出信号611。
图7是依据本发明一实施例的在音频处理系统中动态范围控制的示范性步骤的流程图。开始步骤701之后，在步骤703，接收和解码音频信号。在步骤705执行动态范围控制，包括扩展、多频段滤波和压缩。在步骤707，音频CODEC对信号进行处理，之后在步骤709处理后的信号例如由扬声器输出或发射。然后进入结束步骤711。
在本发明的示范性实施例中，公开了一种控制音频信号动态范围的方法和系统，通过使用动态扩展器407/500扩展动态范围并将音频信号分解到多个频段。使用多频段压缩器419A-419C单独对每一个频段进行压缩。使用全频段压缩器421对单独压缩的每一频段的总和进行压缩。使用预加重滤波器405(例如无限脉冲响应滤波器)对音频信号进行滤波。使用一个或多个有限脉冲响应滤波器413A和413B和/或延迟模块415将音频信号分解到多个频段。动态扩展器407/500包括自适应门限和包络检测器501。在多频段压缩器419A-419C中使用音节压缩方式压缩所述多个频段中的每一频段。使用音频编解码器(CODEC)423对压缩后的单独压缩的多个频段的总和进行处理。多频段压缩器419A-419C包括多个子频段压缩器。
本发明的另一实施例提供了一种机器和/或计算机可读存储器和/或介质，其中存储有机器码和/或计算机程序，其中包含可由机器和/或计算机执行的至少一个代码段，用于控制机器和/或计算机执行本文描述的音频处理系统中的动态范围控制。
因此，本发明可以通过硬件、软件，或者软、硬件结合来实现。本发明可以在至少一个计算机系统中以集中方式实现，或者由分布在几个互连的计算机系统中的不同部分以分散方式实现。任何可以实现所述方法的计算机系统或其它设备都是可适用的。常用软硬件的结合可以是安装有计算机程序的通用计算机系统，通过安装和执行所述程序控制计算机系统，使其按所述方法运行。在计算机系统中，利用处理器和存储单元来实现所述方法。
本发明的实施例可作为板级产品(board level product)来实施，如单个芯片、专用集成电路(ASIC)、或者作为单独的部件以不同的集成度与系统的其它部分一起集成在单个芯片上。系统的集成度主要取决于速度和成本考虑。现代处理器品种繁多，使得能够采用目前市场上可找到的处理器。选择性的，如果处理器可用作ASIC核心或逻辑模块，则目前市场上可找到的处理器可以作为ASIC器件的一部分，带有各种功能的固件。
本发明还可以通过计算机程序产品进行实施，所述程序包含能够实现本发明方法的全部特征，当其安装到计算机系统中时，通过运行，可以实现本发明的方法。本申请文件中的计算机程序所指的是：可以采用任何程序语言、代码或符号编写的一组指令的任何表达式，该指令组使系统具有信息处理能力，以直接实现特定功能，或在进行下述一个或两个步骤之后，a)转换成其它语言、编码或符号；b)以不同的格式再现，实现特定功能。
本发明是通过几个具体实施例进行说明的，本领域技术人员应当明白，在不脱离本发明范围的情况下，还可以对本发明进行各种变换及等同替代。另外，针对特定情形或具体情况，可以对本发明做各种修改，而不脱离本发明的范围。因此，本发明不局限于所公开的具体实施例，而应当包括落入本发明权利要求范围内的全部实施方式。

Claims (10)

1.一种处理信号的方法，其特征在于，包括：
分解音频信号到多个频段；
单独压缩所述多个频段中的每一频段；及
压缩所述单独压缩的每一频段的总和。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法包括预加重滤波所述音频信号。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述预加重滤波包括无限脉冲响应滤波所述音频信号。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法包括有限脉冲响应滤波所述音频信号，以实现所述分解音频信号到多个频段。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法包括延迟所述音频信号，以实现所述分解音频信号到多个频段。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法包括使用音节压缩方式压缩所述多个频段中的每一频段。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法包括使用硬件音频编解码器中的动态扩展器来扩展所述音频信号的动态范围。
8.一种处理音频信号的系统，其特征在于，包括
包括在设备中用于处理音频的一个或多个电路，其中：
所述一个或多个电路用于分解音频信号到多个频段；
所述一个或多个电路用于单独压缩所述多个频段中的每一频段；及
所述一个或多个电路用于压缩所述单独压缩的每一频段的总和。
9.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述一个或多个电路采用预加重滤波对所述音频信号进行滤波。
10.根据权利要求9所述的系统，其特征在于，所述一个或多个电路采用无限脉冲响应滤波来实现预加重滤波。
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