CN101897118A

CN101897118A - 防止音频信号限幅

Info

Publication number: CN101897118A
Application number: CN2008801198811A
Authority: CN
Inventors: 安东·莱昂纳德·胡伊杰恩; 迪克·彼德·福格尔
Original assignee: Koninklijke Philips Electronics NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 2007-12-11
Filing date: 2008-12-08
Publication date: 2010-11-24
Also published as: EP2225827A1; EP2225827B1; US20100266142A1; WO2009074945A1

Abstract

本发明公开了一种防止音频信号限幅的方法和电路。该方法包括：确定频域中音频信号的最高幅度频率分量，然后减小这些最高幅度频率分量的幅度，直到音频信号的限幅电平下降到预定电平以下为止。

Description

防止音频信号限幅

技术领域

本发明涉及用于防止不期望的音频信号限幅的方法和设备。

背景技术

典型地，音频信号的幅度变化可以达到最大允许电平。例如，如果对音频信号进行数字编码，则所能表示的最大幅度电平会受到数字编码的数值极限的限制。如果音频信号是模拟电压信号，则最大幅度电平会受到最大电压的限制，该最大电压是对信号进行处理的具体模拟电路组件能够支持的最大电压。

如果将音频信号放大到超过该最大幅度电平，如在将大的放大因子与大的输入信号值相组合时发生的，则信号的幅度将被“限幅”至该最大放大电平。在音频系统的许多不同处理阶段会发生限幅，例如，在模拟和数字表示之间转换音频信号时，或者在时域和频域之间转换音频信号时，会发生限幅。

音频信号的限幅能够导致较大、不期望的失真。例如，如果音频信号包括具有高幅度的低频分量以及具有低幅度的高频分量，则将音频信号限幅至比低频分量的幅度低的幅度，可能导致音频信号波形的波峰和波谷处高频信号的损耗，并且可能引起谐波失真。

为了避免音频信号放大器中的限幅，可以使用检测器来检测限幅，并然后可以使用信号处理技术来减小音频信号幅度，以防止发生限幅。然而，音频信号幅度的减小会导致不期望的音频伪像，例如，平均音频信号幅度的“脉动”。这会在以下情况下发生：在几秒内减小音频信号幅度以避免限幅，一旦限幅的危险已经过去就随后恢复该音频信号幅度。

美国专利5,737,432公开了一种频带分割限幅器，用于在限幅期间降低“低至高”频率失真。频带分割限幅器将音频信号分成高频带信号和低频带信号，并且使用可变电平限幅器对低频带信号进行限幅。然后将限幅后的低频带信号与高频带信号相加，并且在输出处由固定电平限幅器对和信号进行限幅。

如果固定电平限幅器导致和信号的高频带部分的限幅，则可变电平限幅器变为以较低限幅电平对低频带信号进行限幅。因此，减小了低到高频率失真。然而，在较低频带内仍会发生失真，在高频带内出现高振幅信号的情况下失真尤为严重。这是由于，为了防止对固定电平限幅器处的和信号的高频带部分的限幅，在可变电平限幅器处对低频带限幅严重。

因此本发明的目的是改进现有技术。

发明内容

根据本发明的第一方面，提供了一种用于防止音频信号限幅的方法，包括：

-确定频域中的音频信号的最高幅度频率分量；以及

-减小最高幅度频率分量的幅度，直到音频信号的限幅电平下降到预定电平以下为止。

由于频域中的最高幅度频率分量对时域中的音频信号的总幅度贡献最多，因此这些频率分量也对可以发生的任何限幅贡献最多。可以在频域中识别这些频率分量，然后可以减小这些特定频率分量的幅度，直到音频信号的限幅电平下降到预定电平以下为止。典型地，根据系统中能够承受的最大限幅电平来设置预定电平。

对限幅贡献最多的特定频率分量的减小极大地降低了失真，而不必减小音频信号的所有频率的幅度。

有利地，可以接收时域中的音频信号，然后将其变换到频域中，以确定最高幅度频率分量。当音频信号在频域中，或者当音频信号在时域中时，确定的结果可以用于减小最高频率分量的幅度。

可以在系统内的不同位置根据一个或多个限幅预测器或限幅检测器来确定限幅电平。例如，限幅预测器可以检测音频信号的幅度。然后，在已知后续音频信号路径(例如，放大因子和信号余量)的情况下，限幅预测器可以预测可能获得的限幅电平。

限幅检测器可以通过测量音频信号达到或超过最大允许幅度的频繁程度，来检测音频信号的限幅电平。例如，如果音频信号经常达到或超过最大允许幅度，从而引起失真，则认为具有高限幅电平。限幅检测器可以在减小步骤之后立即检测限幅电平，或者限幅检测器可以在已经减小并放大了音频信号之后检测限幅电平。典型地，当音频信号在时域中时，进行限幅预测和/或检测。

可以根据每个频率分量的幅度和频率来权衡(设置)最大幅度频率分量的减小程度。极高幅度频率分量比次高幅度频率分量减小程度更大。对于语音应用，落在语音频带(例如，200-3600Hz)内的频率分量可以比其他频率分量减小程度更小。备选地，与低频分量相比可以将高频分量减小更多，这是由于对于音乐而言低频分量的限幅不如高频分量的限幅那么恼人。

根据本发明的第二方面，提供了一种用于防止音频信号限幅的电路，该电路包括：

-确定装置，适于中确定频域中音频信号的最高幅度频率分量；以及

-减小装置，适于减小最高幅度频率分量的幅度，直到音频信号的限幅电平下降到预定电平以下为止。

电路的确定装置和减小装置可以完全由硬件构成，或者由硬件和软件的组合构成。例如，可以通过软件来配置数字信号处理器或音频设备(例如，计算机声卡或Hi-Fi系统)，以实现确定装置和减小装置。典型地，在诸如光盘或RAM或ROM存储器等载体上存储软件。

附图说明

现在将参照附图，描述本发明的实施例，在附图中：

图1示出了根据本发明第一实施例的防止音频信号限幅的方法的流程图；

图2示出了根据本发明第一实施例的用于防止音频信号限幅的电路的框图；

图3示出了根据本发明第二实施例的用于防止音频信号限幅的电路的框图；以及

图4示出了根据本发明第三实施例的用于防止音频信号限幅的电路的框图。

具体实施方式

现在参照图1和2描述本发明的第一实施例。图1的流程图在步骤4开始，在步骤4中，测量频域中音频信号的最高幅度频率分量。接着，在步骤6和8，减小最高幅度频率分量的幅度，直到音频信号的限幅电平下降到预定电平以下为止。

图2示出了用于实现图1的流程图的电路的框图。该电路包括：用于确定最高幅度频率分量的模块14；用于减小最高幅度频率分量的幅度的模块16；以及用于确定音频信号的限幅电平的模块18。

在使用中，向模块14、16和18发送输入音频信号17。模块14将输入音频信号17变换到频域中，然后确定最高幅度频率分量。模块14还向模块16发送信号13，信号13指示哪个频率分量被确定为具有最高幅度。

模块18根据以下项目来确定输出音频信号19的限幅电平：在给定输入音频信号17的情况下预测发生的限幅电平，以及在输出音频信号19中检测到的限幅电平。通过以下操作来预测预测限幅电平：测量输入音频信号17的幅度，并在给定与系统中的后续处理(例如，放大、模拟或数字转换)阶段有关的信息的情况下确定是否会发生限幅。通过测量输出音频信号19的幅度满足或超过最大允许幅度的频繁程度，来检测检测限幅电平。例如，最大允许幅度是：在输出信号19是数字信号的情况下能够由数字编码表示的最大幅度，或者在输出信号19是模拟信号的情况下电路能够支持的最大电压。模块18经由信号15向模块16发送所确定的限幅电压。

模块16根据由信号15所指示的限幅电平与预定限幅电平之间的比较，来减小输入音频信号17的最高幅度频率分量的幅度。预定限幅电平是系统中能够承受的最大限幅电平，即，对允许音频信号达到或超过最大允许幅度的频繁程度的限制。如果信号15所指示的音频信号的限幅电平在预定限幅电平以上，则模块16减小信号13所指示的频率分量的幅度，直到信号15指示音频信号的限幅电平已经下降到预定电平以下为止。电路模块14、16和16由数字信号处理器构成，即，由软件编程的硬件构成。

在第一实施例中，根据所预测的限幅电平以及根据所检测的限幅电平两者来确定音频信号的限幅电平。备选地，可以仅根据所预测的限幅电平，或者仅根据所检测的限幅电平来确定音频信号的限幅电平。当与音频信号路径有关的信息不足以精确预测音频信号的限幅电平时，使用所预测的限幅电平和所检测的限幅电平两者是有用的。

在第一实施例中，输入音频信号17在时域中，模块14将音频信号转换到频域中，以便于确定最高幅度频率分量。如对本领域技术人员而言显而易见的，使用诸如公知的快速傅立叶变换(FFT)等技术来执行到频域的转换。模块16接收时域中的音频信号，并且减小时域中的由信号13指示的频率分量的幅度，以便给出输出音频信号19。

现在参照图3描述本发明的第二实施例。图3示出了包括声卡316在内的计算机317的框图，声卡316接收时域中的数字输入音频信号37，并输出放大的模拟音频信号39。计算机程序已经对声卡316进行了编程，以形成模块32、34、36、38、310和312，其中模块32、34、36和38实现在数字信号处理器315内。可以将计算机程序软件存储在载体上，例如，光盘或计算机的硬盘。

首先，模块32将输入音频信号37变换到频域中，以给出音频信号313，然后模块34确定音频信号313的最高幅度频率分量，并以信号33的形式将该信息输出至模块36。模块36也接收音频信号313，并减小频域中的由信号33指示的频率分量的幅度，以便给出音频信号31。

模块38使用诸如公知的快速傅立叶逆变换(IFFT)等技术将音频信号31从频域变换到时域中，以给出音频信号311。然后模块310对音频信号311进行放大以给出输出音频信号39。限幅检测器(模块312)检测输出音频信号39的幅度达到或超过最大允许幅度的频繁程度，以便检测音频信号39的限幅电平。限幅检测器312向模块36发送信号35，以指示检测到的限幅电平。如果检测到的限幅电平在预定最大允许限幅电平以上，则模块36减小音频信号的最高幅度频率分量，直到限幅检测器312检测到的限幅电平下降到预定电平以下为止。

现在参照图4描述本发明的第三实施例，图4示出了接收模拟输入音频信号47的电路的框图。模块42将输入音频信号47转换成数字音频信号，并将该数字音频信号变换到频域中，以给出音频信号414。将音频信号414传递至模块44，模块44通过测量每个频率分量的幅度并相应地对这些幅度进行排序，来确定频域中的最高幅度频率分量。模块44向模块46发送信号43，信号43指示按照幅度顺序的音频信号47的频率分量。

模块46接收信号43和模拟音频信号47。模块46使用信号43的幅度排序信息首先减小音频信号47的最高幅度频率分量，然后减小第一和第二最高幅度频率分量，然后减小第一、第二和第三最高幅度频率分量，依此类推，直到音频信号(如以下讨论的信号415、416和417所示)的限幅电平下降到预定电平以下为止。例如，如果信号43指示：

-最高幅度频率分量为，100Hz处的-5dB；

-第二最高幅度频率分量为，150Hz处的-7dB；

-第三最高幅度频率分量为，50Hz处的-10dB；则模块46首先将100Hz频率分量减小至-7dB(与第二最高幅度频率分量的幅度相同)，然后将100Hz和150Hz频率分量减小至-10dB(与第三最高幅度频率分量的幅度相同)，然后将50Hz、100Hz、和150Hz频率分量的幅度减至与第四最高幅度频率分量的幅度相同，依此类推，直到音频信号的限幅电平下降到预定电平以下为止。

本领域技术人员将认识的到，根据模块44在频域中执行的确定的分辨率，100Hz的频率分量典型地包括例如从75Hz到125Hz的频率范围。

对于本领域技术人员而言用于减小频率分量的许多其他方法是显而易见的。例如，可以减小最高幅度频率分量，直到该最高幅度频率分量在第二最高幅度频率分量的1dB内为止(而不是将最高幅度频率分量减小到与第二最大幅度频率分量的幅度相同为止)，然后可以减小最高和第二最高幅度频率分量，直到第二最高幅度频率分量在第三最高幅度频率分量的1dB内为止(而不是将最高和第二最高幅度频率分量都减小到与第三最高幅度频率分量的幅度相同为止)，依此类推。

模块46根据频率分量的幅度来减小频率分量，但是备选地模块46可以根据频率分量的幅度和频率来减小频率分量。例如，在语音应用中，与200-3600Hz的语音频带之外的频率分量相比，可以较少量地减小在该语音频带内的频率分量。实现上述操作的一种方式应当是：如果被减小的频率分量在200-3600Hz之间，则减小该频率分量直到其在下一个最高频率分量的2dB内为止，如果被减小的频率分量在200-3600Hz之外，则减小该频率分量直到其在下一个最高频率分量的1dB内为止。

通过从音频信号47中将频率分量滤除来减小频率分量，当限幅电平在预定电平以上时，增加滤波程度，当限幅电平已保持在预定电平以下特定时间段(例如，30秒)时，减小滤波程度。

模块414对音频信号41进行放大以给出输出音频信号49。

限幅预测器412接收输入音频信号47，并基于输入音频信号47的幅度与预定幅度的比较，来预测可能发生在音频信号41内的限幅电平。预定幅度是在模块46引起音频信号41的限幅之前模块46能够处理的最大音频信号幅度。如果限幅预测器模块412确定输入音频信号47的幅度有规律地升至预定幅度以上，则限幅预测器模块412预测模块46将引起音频信号41的限幅，并经由信号415将这一信息通信至模块46。如果限幅预测器模块412确定输入音频信号47的幅度很少或从来没有升至预定幅度以上，则限幅预测器模块412预测不太可能在模块46中发生限幅，并且经由信号415将这一信息通信至模块46。

另一限幅预测器模块418接收音频信号41，并且基于音频信号41的幅度和在模块414中应用的放大电平，来预测可能在输出音频信号49内发生的限幅电平。经由信号416将所预测的限幅电平发送至模块46。

在第三实施例中，信号415和416可以指示预测到高限幅电平或者预测到低限幅电平。备选地，信号415和416可以给出与限幅电平有关的更精确信息，例如，根据限幅预测器预测音频信号将达到或超过最大允许幅度的频繁程度，信号415和416可以指示从1到10等级范围内的预测限幅电平。

限幅检测器模块420检测输出音频信号49的幅度达到或超过最大允许幅度的频繁程度，以便检测音频信号49的限幅电平。限幅检测器模块420向模块6发送信号417，以指示检测到的限幅电平。

模块46减小最高幅度音频分量的幅度，直到信号415、416和417所指示的限幅电平全部下降到预定限幅电平以下为止。备选地，模块46可以将信号415、416和417所指示的限幅电平加在一起，以给出总限幅电平，并减小最高幅度音频分量的幅度直到该总限幅电平下降到预定限幅电平以下为止。三个限幅预测器/检测器模块412、418和420帮助分别经由信号415、416和417提供在系统内发生的任何限幅的精确表示。备选地，可以仅实现限幅预测器/检测器模块中的一个或两个，以降低电路的复杂度，但是仍为模块46提供至少一个信号以供在减小最高幅度音频分量的幅度时使用。

对于本领域技术人员而言显而易见的是，可选地，可以在这里描述地模块之中或周围布置许多其他信号处理模块，以实现其他信号处理功能。例如，可以将与确定并减小最高幅度频率分量的模块耦合的限幅预测器/检测器模块引入到多种已知的音频系统中，以防止频率信号的限幅。

根据阅读本公开，其他变型和修改对于本领域技术人员而言是显而易见的。这样的变型和修改可以包括本领域中公知的等同物和其他特征，并且可以代替这里已经描述的特征或与这里已描述的特征相结合使用。

尽管所附权利要求涉及特征的具体组合，但是应理解，本发明的公开范围还包括任何新特征或这里显式或隐式公开的特征的任何新组合或者其任何推广，无论是否涉及任何权利要求中当前要求保护的相同发明，以及是否解决了本发明所解决的任何或所有相同技术问题。

还可以以组合的方式在单个实施例中提供以分离实施例的形式描述的特征。相反，也可以分开提供或以任何适合子组合的方式来提供为了简要起见以单个实施例的形式而描述的各个特征。没有重复相同的描述，其中清楚的是，关于一个实施例的描述还同样适用于其他实施例。例如，模块14、34和44均执行确定频率分量的功能，从而关于这些模块之一而描述的特定特征可以容易地应用于这些模块中的其他模块。同样适用于均执行减小频率分量的功能的模块16、36和46。

因此申请人声明，在本申请或源自本申请的任何其他申请的执行期间，可以利用这样的特征和/或这样特征的组合来构成新的权利要求。

为了完整起见，还声明：术语“包括”不排除其他元件或步骤，单个处理器或其他单元可以完成权利要求中引述的若干装置的功能，权利要求中的附图标记不应视为限制权利要求的范围。

Claims

1.一种用于防止音频信号限幅的方法，包括：

-确定频域中音频信号的最高幅度频率分量；以及

2.根据权利要求1所述的方法，还包括：接收时域中的音频信号，并且在确定步骤之前将所述音频信号变换到频域中。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，当音频信号在时域中时，进行减小步骤。

4.根据权利要求1或2所述的方法，其中，当音频信号在频域中时，进行减小步骤。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其中，根据从音频信号的幅度预测的限幅电平，来确定限幅电平。

6.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其中，根据在减小步骤之后在音频信号中检测到的限幅电平，来确定限幅电平。

7.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其中，根据以下至少一个来确定限幅电平：

-从时域中音频信号的幅度预测的限幅电平；

-在减小步骤之后在时域中的音频信号内预测的限幅电平；以及

-在减小步骤后将音频信号放大之后，在时域中的音频信号内检测到的限幅电平。

8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，减小步骤包括：根据每个确定的频率分量的幅度和频率中的至少一个，来设置该确定的频率分量的减小量。

9.一种用于防止音频信号限幅的电路，该电路包括：

-确定装置，适于确定频域中音频信号的最高幅度频率分量；以及

10.一种包括根据权利要求9所述的电路在内的数字信号处理器。

11.一种包括根据权利要求9所述的电路在内的音频设备。

12.一种用于配置硬件以形成根据权利要求9所述的电路的软件。