CN101964190B - 扬声器截止频率以下信号还原原声的方法和装置 - Google Patents

Abstract

扬声器截止频率以下信号还原原声的音频信号处理方法及装置，旨在扩展小型扬声器的等效音域，增强其低音表现力。本发明运用前馈自乘运算方式并单独配以与各次谐波分别对应的增益产生虚拟低音谐波序列，能够自由控制谐波的配比，进而控制音色；运用虚拟低音信号的音型控制办法，按照冲击过程和释放过程调整施加在虚拟低音信号上的增益，来控制虚拟低音信号的音型，从而根据需要控制最终声音信号的听感，使有“敲击”感觉的声音表现更加丰富；结合低音动态范围压缩、功率守恒滤波器技术、低音频信号再分频等技术，增强了虚拟低音信号处理效果，即使在扬声器截止频率很高的情况下，仍然可以有效通过虚拟低音信号还原原低音的听感。

Description

扬声器截止频率以下信号还原原声的方法和装置

技术领域

本发明涉及音频信号处理，特别是涉及根据声学原理对音频信号处理，使扬声器实际还原声音的音频频段往低端扩展的方法和装置。

背景技术

电声系统是多媒体系统中的必要组成部分。随着电子设备和电子元器件的逐渐向小型化发展，电声系统的常用输出装置-扬声器也日趋小体积化，这使得多媒体设备更加便携、美观、省电。但是，从电声系统高保真的角度来说，小体积的扬声器是一项很大的不利因素，即当扬声器和音箱体积变小时，它的低音截止频率会升高，也就是说，体积较小的扬声器无法还原截止频率以下的低频率声音。

普通的小型多媒体音箱，例如液晶显示LCD平板电视音箱，通常截止频率在80～200Hz之间，如果输入极低频声音的信号，例如重低音鼓、低音Bass等，将无法忠实还原原声；更小型的扬声器系统，如笔记本电脑或手机，其外放扬声器的截止频率在400Hz以上，很多普通的低音频信号也会受到损失，例如男声、普通乐器的低频部分等。

针对这个问题，传统的扩展扬声器还原低频信号范围的解决办法有两种：一种是对音频信号分频，针对不同频段使用不同的扬声器。例如市场上流行的多媒体“低音炮”音箱，使用特殊的“低音炮”来还原特别低频声音。这种方案的缺陷是成本比较高，并且不符合电声系统小型化、便携性的要求，应用范围有限。另一种是采用低频电信号补偿的方式，即将扬声器的前置放大器频率响应做成与扬声器频率响应互补的性状，以补偿扬声器在截止频率以下的衰减。由于扬声器在截止频率以下衰减很快，而电信号的幅度有限，所以上述低频电信号补偿方式的效果非常有限，只能补偿截止频率点附近的信号；而且，由于电信号幅度增大，功耗成平方关系增大，较大的电信号还容易引起扬声器出现非线性失真等问题。由此可见，这两种使扬声器低频信号扩展的方法局限性很明显。

与上述两种使扬声器低频信号扩展的直接处理方法相对应的是“虚拟低音”技术，其解决问题的出发点是扬声器能否播放低音并不重要，关键是听者听起来有低音就可以，其理论基础是声音的属性和人耳的听觉特性。一般情况下，音调、响度、音色和音型是反映声音的主要属性。音调是人耳对声音音阶高低的一种感受。正是音调变化的声音带来了音乐旋律。音调的高低主要由声波在时间上的重复率，即周期所决定。对于单频率正弦信号，音调由它的频率决定；对于非正弦的周期，即复合频率信号，音调由它的基频决定；对于非周期信号，没有固定的音调，如果频率比较集中，例如鼓声，则会感觉到音高在集中的频率的单频率附近，如果频率很分散，例如噪声，则感觉不到特定的音调。平常听到的带有音调的声音大多是非正弦周期信号，其可以分解成傅立叶序列，即一个基频和它的谐波序列。复合频率的音调主要由其基频决定，或者有它的一组谐波的差频决定。响度是人耳对声音从微弱到响亮的一种感受。响度大小主要是声音信号的功率在人耳，即人脑中的反映，在瞬时情况下，它由信号的峰值或振幅决定。功率是声音的客观属性，而音量是人的主观感受。响度主要由功率决定，也与声音的频率成分有关。对于同样响度和音调的两种乐器，人耳能够很轻易地区分出来，凭借的就是声音的另一个重要属性，即音色。音色的定义为：对于两个等响度同音调的声音信号，听者能够区分出这两个声音的另一种属性。这样定义似乎有些抽象，简单地讲，音色就是声音周期信号稳态时的波形形状的在人脑中的主观反映。能够影响音色的因素有：短时间频率幅度谱、幅度包络以及频率相位谱。声音的谐波组成和波形的包络，包括声音起始和结束的瞬态，确定了声音的音型特征。音型和音色有类似的地方，区别是音型反应了声音的瞬态特征，而音色则相对更多反应了稳态特征。声音波形的包络是声音信号中的每个周期波峰之间的连线。声音包络对声音特征有明显影响，当它有较大变动时，声音信号可能完全不同。例如，把钢琴音乐从尾到头重放，其频率成分完全不变，但听起来感觉完全变了，不仅内容的时间顺序变化，音色也不同了，某些情况下比较像小型管乐器。在每个声音起始的建立过程和结束后的衰减过程中，波形包络的形状对声音内容起决定性影响。声音第一周期和开始几个周期的波形很可能与达到稳态的波形很不相同。例如敲击某打击乐器，该振动由静止位置到最大位移按其自由频率振动，这个1/4周期的部分出现即时瞬态。而且，往往开始几个周期的瞬时频率和波形与稳态情况相差甚多，有时会包含完全新的频率成分在内，这种叫做瞬态或瞬间效应，它并不会持久，但对声音的感受特征会带来明显的影响。通常情况下，复合频率的音调就是其基频的音调，但是也有特殊的现象，例如“差频”现象和“基频填充”现象，这些现象也就是虚拟低音技术的出发点和理论依据。“基频插入”现象是复合频率的一个有趣的现象。由上述叙述可知，复合频率的声音由其基频或谐波频差决定。当把基频从这样的声音中的频率成分中去掉时，人所感受到的音调基本保持不变。甚至在某些情况下，将基频和较低的高次谐波(如2、3次谐波)都去掉，音调仍然保持不变。这样的现象称作“基频插入”或“消失的基频Missing Fundamental”现象。近代研究者们发现，这种现象的关键就是各种频率成分的频率差。两个声音基频的频率差会被人耳感知，这样就会使人听见本不存在的低频声音的音调。对于有调声音，即非正弦周期信号，可以展开为傅立叶级数，即基频和高次谐波的序列组合。如果扬声器无法还原基频，尽管高次谐波还可以通过“基频插入”的声学原理还原低音的音调，但是低音的响度和音色会失真很多，效果大大变差。对于无调声音，在一个频率区间之内或几个频率区间之内，如果较低的频率区间不能被扬声器还原，尽管几个高次频率区间依然可以使人听见，但是响度、音调感觉、音色会大打折扣。例如，使用小扬声器播放低音大鼓的敲击声，原本应该浑厚响亮的鼓声变得干涩、细小。对于有调声音和无调声音，均可以使用增大其高次谐波序列的幅度或者高次频率区间的幅度来使扬声器的输出声音接近原有声音。但是，其负作用在于如果增大输入声音信号的低音的谐波或高次频率区间的信号所在频带，则会把频带内的其它信号也增大，从而无法避免的引入了另外一种失真，这是不可以接受的。

所述虚拟低音技术根据声学中的基频填充效应，用处在扬声器有效频带内的低频声音的谐波序列来还原基频音调和音色，从而使听者听起来感觉有低音存在。利用“基频插入”效应关键在于产生低频信号的高次谐波序列。频率相同的正弦波相乘可以倍频，以此类推，可以产生三倍频、四倍频等等。美国专利US 5930373“Method and System for Quality of SoundSignal”公开了一种应用虚拟低音技术的方法和系统，如图5所示，图示装置用反馈乘法产生高次谐波序列，即将低音频信号经过多次反馈后形成高次谐波序列；其中，压缩逻辑反馈模块用于生成增益控制所有主高次谐波，例如2次或3次谐波，的幅度，从而使得输出的谐波序列的响度与输入低频信号的响度匹配，这里的匹配指符合人耳的等响度曲线。输出高通滤波器滤掉了扬声器无法还原的低频信号，避免了功耗的无谓浪费。该方案的优点是实现简单，不需要外部实时控制，低频声音信号就可以经过运算自动产生音调和响度匹配的谐波序列；缺点是所述方案在扬声器的截止频率不是很高，一般在100Hz时效果比较明显；如果扬声器截至频率很高，例如达到400Hz以上，则截止频率以下的信号都经过反馈乘法生成的谐波会容易产生很复杂的频谱，例如低频率之间的混频以及混频的倍频，而且各个谐波分量的幅度不易控制，这样容易导致输出虚拟低音失真。

另外，人耳在低频信号的响应动态范围都远远小于中频信号的响应动态范围。体积较小的扬声器在低频信号的动态范围也很小。所述虚拟低音毕竟是一种非线性的方法，从信号上来看是失真，其音色效果在一定的动态范围内比较理想，超出之后会产生不自然的效果。现有虚拟低音技术都没有考虑这一点，在音色表现上有时不够好。所述虚拟低音还可能改变原有声音的音型，特别是对于类打击乐的声音，这样就有可能改变低音的音质。综合上述两点，考虑到扬声器的动态范围，某些情况下需要改变原有声音的音型，这就要求音型上用户可以根据实际需求做出调整。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于避免现有技术的不足之处而提出一种使低于扬声器截止频率的音频信号能够被该扬声器还原的音频信号处理方法及装置，根据心理声学中人脑对声音信号的处理特点，用虚拟低音技术扩展了扬声器在低音方面的频率响应，并配合低音动态范围压缩、低音分离加响度平移，辅以音色音型控制。

本发明解决所述技术问题可以通过采用以下技术方案来实现：

实施一种使扬声器截止频率以下音频信号还原原声的音频信号处理方法，所述方法包括如下步骤：

A.分频处理，将音频信号经过分频段滤波处理，使该音频信号被分成高于扬声器截止频率的高音频信号和不高于扬声器截止频率的低音频信号；

D.虚拟低音信号处理，将所述低音频信号处理成可以被扬声器还原的虚拟低音信号；

F.音频合成处理，将所述虚拟低音信号与高音频信号合成为低频扩展的音频信号，该低频扩展的音频信号经过功率放大处理能够驱动所述扬声器；

尤其是，所述步骤D包括如下分步骤：

D1.检测所述低音频信号，根据该低音频信号的包络幅度确定n个m倍频增益G_m，其中m＝2、3、4、...、n+1，即2倍频增益G₂、3倍频增益G₃、4倍频增益G₄、...、n+1倍频增益G_m；

D2.将所述低音频信号分别自乘1、2、3、...、n次后获得n个m倍频信号，即2倍频信号、3倍频信号、4倍频信号、...、n+1倍频信号；

D3.将各m倍频增益G_m与各自对应的m倍频信号相乘后形成n个虚拟低音谐波；

D4.将各虚拟低音谐波相加后经过带通滤波形成虚拟低音信号。

如果设定所述n＝3，那么步骤D1中的3个倍频增益根据所述低音频信号的包络幅度H分别确定为，G₂＝H^λ1，G₃＝H^λ2，G₄＝H^λ3，其中，-1＜λ1＜λ2＜λ3＜0。

在所述虚拟低音信号处理步骤D和音频合成处理步骤F之间还包括如下音型控制处理步骤E，

E1.对所述虚拟低音信号进行瞬时功率分析，设定该实时功率增大的过程为冲击过程，所述实时功率减小的过程为释放过程；

E2.根据所述冲击过程中实时功率的增大速率确定相应时刻的瞬时冲击增益，从而确定整个冲击过程的冲击增益G_A随时间变化波形，根据所述释放过程中实时功率的减小速率确定相应时刻的瞬时释放增益，从而确定整个释放过程的释放增益G_R随时间变化波形；

E3.对所述冲击增益G_A和释放增益G_R进行平滑处理；

E4.将所述冲击增益G_A和释放增益G_R与虚拟低音信号相乘后得到经过音型控制后的虚拟低音信号。

在上述方案基础上，在所述分频处理步骤A与虚拟低音信号处理步骤D之间还包括如下步骤B：

B.低音频信号再分频处理，对所述低音频信号进行分频段滤波处理，使所述低音频信号被分成频段连续的至少一个较低频段音频信号和一个最低频段音频信号；

在后续步骤中，所述最低频段音频信号作为虚拟低音信号处理步骤D的低音频信号被处理成最低频段虚拟低音信号，所述较低频段音频信号直接与该最低频段虚拟低音信号合成为音频合成步骤F所述的虚拟低音信号；

或者，所述最低频段音频信号作为虚拟低音信号处理步骤D的低音频信号被处理成最低频段虚拟低音信号，该最低频段虚拟低音信号作为音型控制处理步骤E的虚拟低音信号被处理成经过音型控制的最低频段虚拟低音信号，所述较低频段音频信号直接与该经过音型控制的最低频段虚拟低音信号合成为音频合成步骤F所述的虚拟低音信号。

另外，在所述分频处理步骤A和虚拟低音信号处理步骤D之间还包括如下步骤C：

C.动态范围压缩处理，根据需要建立低音频信号的动态范围压缩处理的映射关系，根据该映射关系将所述低音频信号进行动态范围压缩处理；

那么，在所述分频处理步骤A与动态范围压缩步骤C之间还包括如下步骤B：

B.低音频信号再分频处理，对所述低音频信号进行分频段滤波处理，使所述低音频信号被分成频段连续的至少一个较低频段音频信号和一个最低频段音频信号；

在后续步骤中，所述最低频段音频信号经过动态范围压缩处理步骤C之后作为虚拟低音信号处理步骤D的低音频信号被处理成最低频段虚拟低音信号，所述较低频段音频信号仅经过动态范围压缩处理步骤C就与该最低频段虚拟低音信号合成为音频合成步骤F所述的虚拟低音信号；

或者，所述最低频段音频信号经过动态范围压缩处理步骤C之后作为虚拟低音信号处理步骤D的低音频信号被处理成最低频段虚拟低音信号，该最低频段虚拟低音信号作为音型控制处理步骤E的虚拟低音信号被处理成经过音型控制的最低频段虚拟低音信号，所述较低频段音频信号仅经过动态范围压缩处理步骤C就与该经过音型控制的最低频段虚拟低音信号合成为音频合成步骤F所述的虚拟低音信号。

本发明解决所述技术问题可以通过采用以下技术方案来实现：

设计、制造一种使扬声器截止频率以下信号还原原声的音频信号处理装置，包括分频段滤波处理模块、虚拟低音信号模块和音频合成模块；尤其是，所述分频段滤波处理模块使音频信号被分成高于扬声器截止频率的高音频信号和不高于扬声器截止频率的低音频信号；所述高音频信号输入音频合成模块，所述低音频信号输入虚拟低音信号模块；所述虚拟低音信号模块包括倍频增益模块、n个m倍频乘法器、加法器和带通滤波器，其中m＝2、3、4、...、n+1；所述各m倍频乘法器的输入信号包括所述低音频信号、m-1倍频乘法器的输出信号和m倍频增益G_m，其中1倍频乘法器的输出信号是指低音频信号本身；所述各m倍频乘法器的输出信号还输入至加法器，所述加法器的输出信号经过带通滤波器处理输出虚拟低音信号；所述虚拟低音信号模块的输出信号输入至音频合成模块，所述音频合成模块将输入信号合成为低频扩展的音频信号，该低频扩展的音频信号经过功率放大处理后能够驱动所述扬声器。

所述虚拟低音信号模块还包括音型处理模块，该音型处理模块包括串行电连接的瞬时功率分析模块、增益产生模块、增益平滑模块和乘法器，所述瞬时功率分析模块和乘法器都与所述带通滤波器电连接；所述瞬时功率分析模块对输入的虚拟低音信号进行瞬时功率分析并输出虚拟低音信号的瞬时功率信号；所述增益产生模块根据输入的瞬时功率信号确定并输出音型增益随时间的变化信号；所述增益平滑模块对所述音型增益随时间的变化信号进行平滑处理；所述乘法器将所述虚拟低音信号和音型增益相乘后输出经过音型控制的虚拟低音信号。

同时，在上述装置方案基础上，所述虚拟低音信号模块还包括低音频信号再分频模块和虚拟低音合成模块；所述低音频信号再分频模块用于将所述低音频信号分成至少一个较低频段音频信号和最低频段音频信号，所述较低频段信号输入至虚拟低音合成模块，所述最低频段音频信号输入至各m倍频乘法器和倍频增益模块；所述虚拟低音合成模块用于将较低频段音频信号与虚拟低音信号或者音型控制的虚拟低音信号合成为虚拟低音信号。

另外，所述虚拟低音信号模块还包括动态范围压缩处理模块，用于根据映射关系对低音频信号进行动态范围压缩处理后再输入至各m倍频乘法器倍频增益模块。

那么，所述虚拟低音信号模块还包括低音频信号再分频模块和虚拟低音合成模块；所述低音频信号再分频模块用于将所述低音频信号分成至少一个较低频段音频信号和最低频段音频信号，所述较低频段信号经动态压缩处理模块输入至虚拟低音合成模块，所述最低频段音频信号经动态压缩处理模块输入至各m倍频乘法器和倍频增益模块；所述虚拟低音合成模块用于将较低频段音频信号与虚拟低音信号或者音型控制的虚拟低音信号合成为虚拟低音信号。

具体地，所述分频段滤波处理模块是具有高通滤波器输出和低通滤波器输出的功率互补滤波器；所述功率互补滤波器由并联的两个全通滤波器构成，所述两个全通滤波器的传输函数是，

$U_0\left(z\right)=\frac{{\mathrm{\α}}_1+z^{-1}}{1+{\mathrm{\α}}_1{z}^{-1}}\underset{i=\mathrm{3,5},\·\·\·}{\overset{(N+1)/2}{\mathrm{\Π}}}\frac{{\mathrm{\β}}_1+\mathrm{\α}(1+{\mathrm{\β}}_1)z^{-1}+z^{-2}}{1+\mathrm{\α}(1+{\mathrm{\β}}_1)z^{-1}+{\mathrm{\β}}_1{z}^{-2}},$

$U_1\left(z\right)=\underset{j=\mathrm{2,4},\·\·\·}{\overset{(N+1)/2}{\mathrm{\Π}}}\frac{{\mathrm{\β}}_1+\mathrm{\α}(1+{\mathrm{\β}}_1)z^{-1}+z^{-2}}{1+\mathrm{\α}(1+{\mathrm{\β}}_1)z^{-1}+{\mathrm{\β}}_1{z}^{-2}},$

其中，U₀(z)是奇数阶全通滤波器，i表示U₀(z)的阶数，U₁(z)是偶数阶全通滤波器，j表示U₁(z)的阶数，U₀(z)的阶数比U₁(z)的阶数大1，α、β是全通滤波器的每一级子滤波器的系数，N是自然数；

那么，所述功率互补滤波器的输出传输函数是，

$X\left(z\right)=\frac{1}{2}[U_0\left(z\right)+U_1\left(z\right)],$

$Y\left(z\right)=\frac{1}{2}[U_0\left(z\right)-U_1\left(z\right)],$

其中X(z)是低通滤波器的传输函数，Y(z)是高通滤波器的传输函数。

同现有技术相比较，本发明“扬声器截止频率以下信号还原原声的方法和装置”的技术效果在于：

1.对每一m倍频谐波都进行倍频增益处理，不容易产生复杂频谱，使虚拟低音信号的音调和音色控制更加方便，扩展了扬声器还原低音频信号的频率响应范围，同时，避免了出现虚拟低音信号失真的情况；

2.采用低音动态范围压缩技术，在最大限度发挥虚拟低音技术优势的同时降低虚拟低音算法本身失真的可能性，避免了某些情况下，特别是当扬声器的截止频率非常高时，例如大于400Hz，所述虚拟低音声音不自然，虚拟低音和低音动态范围压缩的双重结合能够有效的扩大扬声器的听感音域，避免不自然的失真；

3.提出对虚拟低音信号的音型进行控制的办法，通过按照冲击过程和释放过程调整施加在虚拟低音信号上的增益，来控制虚拟低音信号的音型，从而根据需要控制最终声音信号的听感，使得有“敲击”感觉的声音的表现更加丰富；

4.采用功率守恒的分频滤波器组根据扬声器的不同做不同配置，增强了装置使用的灵活性，对低音信号的再分频方法使虚拟低音处理效果更好，成本更低。

附图说明

图1是本发明扬声器截止频率以下信号还原原声的音频信号处理装置第一实施例的电原理示意框图；

图2是所述本发明音频信号处理装置第二实施例的电原理示意框图；

图3是所述本发明音频信号处理装置第三实施例的电原理示意框图；

图4是所述本发明音频信号处理装置第四实施例的电原理示意框图；

图5是美国专利US 5930373实现虚拟低音的装置的电原理示意框图。

具体实施方式

以下结合附图所示各实施例作进一步详述。

本发明涉及一种使扬声器截止频率以下信号还原原声的音频信号处理方法及装置。所述方法包括如下步骤：

A.分频处理，将音频信号经过分频段滤波处理，使该音频信号被分成高于扬声器截止频率的高音频信号和不高于扬声器截止频率的低音频信号；

D.虚拟低音信号处理，将所述低音频信号处理成可以被扬声器还原的虚拟低音信号；

F.音频合成处理，将所述虚拟低音信号与高音频信号合成为低频扩展的音频信号，该低频扩展的音频信号经过功率放大处理能够驱动所述扬声器；

尤其是，所述步骤D包括如下分步骤：

D1.检测所述低音频信号，根据该低音频信号的包络幅度确定n个m倍频增益G_m，其中m＝2、3、4、...、n+1，即2倍频增益G₂、3倍频增益G₃、4倍频增益G₄、...、n+1倍频增益G_n+1；

D2.将所述低音频信号分别自乘1、2、3、...、n次后获得n个m倍频信号，即2倍频信号、3倍频信号、4倍频信号、...、n+1倍频信号；

D3.将各m倍频增益G_m与各自对应的m倍频信号相乘后形成n个虚拟低音谐波；

D4.将各虚拟低音谐波相加后经过带通滤波形成虚拟低音信号。

本发明第一实施例，如图1所示，是采用上述方法的使低于扬声器截止频率的音频信号能够被该扬声器还原的音频信号处理装置，包括分频段滤波处理模块100、虚拟低音信号模块200和音频合成模块300。

本发明第一实施例，以电声系统常用的立体声音频为所述装置的信号源，其它类型信号源或者声道信号源可以参考本实施例实施。在多数情况下，低频声音信号没有明显的方向性，因此两个声道的低音信号可以合并做处理以简化运算。对于低音频信号的获取，既可以将两路信号分别经低通滤波之后再取平均，也可以先将两路信号求平均再滤波，本发明各实施例采用先将两路信号求平均再滤波。左、右声道的信号分别输入分频段滤波处理模块100并由两个高通滤波器输出高于扬声器截止频率f_c的左右声道高音频信号；左、右声道信号相加并被运算放大器平均后输入分频段滤波处理模块100，由其低通滤波器输出不高于扬声器截止频率f_c的低音频信号。因此，所述分频段滤波处理模块100使音频信号被分成高于扬声器截止频率的高音频信号和不高于扬声器截止频率的低音频信号；又如图1所示，所述高音频信号输入至音频合成模块300，所述低音频信号输入至虚拟低音信号模块200。

所述虚拟低音信号模块200包括倍频增益模块230、加法器250和带通滤波器260，以及n个m倍频乘法器，即所述m倍频乘法器包括2倍频乘法器242、3倍频乘法器233、4倍频乘法器234、...、m倍频乘法器23m，其中m＝2、3、4、...、n+1。所述各m倍频乘法器的输入信号包括所述分频段滤波处理模块100输出的低音频信号、m-1倍频乘法器的输出信号和m倍频增益G_m，其中，当m＝2时，2倍频乘法器232的输入信号包括1倍频乘法器的输出信号，如图1所示，此时该1倍频乘法器的输出信号就是指低音频信号本身。所述各m倍频乘法器的输出信号还输入至加法器250，所述加法器250的输出信号经过带通滤波器260处理输出虚拟低音信号。所述带通滤波器260起两个作用：低通部分滤掉扬声器无法还原的低频信号，高通部分可以进一步调整谐波序列的包络，使之幅频关系更加自然平滑，从而使得与原低音自身的高次谐波混合后音色接近自然低音。

如图1所示，所述虚拟低音信号模块200输出的虚拟低音信号输入音频合成模块300，所述音频合成模块将输入信号合成为低频扩展的音频信号，该低频扩展的音频信号经过功率放大处理后能够驱动所述扬声器。对于本发明第一实施例，所述音频合成模块300将输入的虚拟低音信号分别与输入的左声道高音频信号和右声道高音频信号合成输出为低音扩展的左声道音频信号和低音扩展的右声道音频信号。

如上所述，本发明对每个m倍频谐波都进行倍频增益处理，不容易像现有技术的虚拟低音处理装置产生复杂频谱，使虚拟低音信号的音调和音色控制更加方便，扩展了扬声器还原低音频信号的频率响应范围，同时，避免出现虚拟低音信号失真的情况。

本发明所述虚拟低音信号的产生采用自乘法的结构，在第二实施例至第四实施例，上述n＝3，那么，低音频信号与自身相乘，产生2倍频信号；而2倍频信号与原低音频信号相乘，产生3倍频信号；3倍频信号与原信号相乘，产生4倍频信号。在产生二倍频信号、三倍频信号、四倍频信号时，再分别乘以相应的倍频增益G₂、G₃和G₄。所述倍频增益的作用主要有两点：第一，信号相乘时，幅度会平方，为了保证幅度一致，需要乘以一个信号幅度的倒数因子；第二，要使虚拟低音信号能够有与原信号匹配的音调和音色，其包络要成指数级的衰减形状。所述倍频增益可以依据输入虚拟低音信号模块200的低音频信号的幅度通过查表法或者直接计算确定，本发明各实施例的倍频增益按以下公式直接计算，

G₂＝H^λ1，G₃＝H^λ2，G₄＝H^λ3，

其中，H为低音频信号的包络幅度，-1＜λ1＜λ2＜λ3＜0。本发明各实施例可参考取值为λ1＝-0.95，λ2＝-0.65，λ3＝-0.46。本发明各实施例中，检测低音频信号包络使用一阶的冲击Attack滤波器和释放Release滤波器来实现。通过倍频增益G₂、G₃和G₄、...、G_m，可以随意控制谐波序列中2次、3次和4次谐波以及更高次谐波的幅度，进而控制和微调虚拟低音的音色。

分频段滤波处理模块100在滤波器的实现上，既可以是独立的电路或运算模块，也可以分时共享运算资源。为了保证信号的保真度，本发明各实施例所述分频段滤波处理模块100是具有高通滤波器输出和低通滤波器输出的功率互补滤波器；所述功率互补滤波器由并联的两个全通滤波器构成，所述两个全通滤波器的传输函数是，

$U_0\left(z\right)=\frac{{\mathrm{\α}}_1+z^{-1}}{1+{\mathrm{\α}}_1{z}^{-1}}\underset{i=\mathrm{3,5},\·\·\·}{\overset{(N+1)/2}{\mathrm{\Π}}}\frac{{\mathrm{\β}}_1+\mathrm{\α}(1+{\mathrm{\β}}_1)z^{-1}+z^{-2}}{1+\mathrm{\α}(1+{\mathrm{\β}}_1)z^{-1}+{\mathrm{\β}}_1{z}^{-2}},$

$U_1\left(z\right)=\underset{j=\mathrm{2,4},\·\·\·}{\overset{(N+1)/2}{\mathrm{\Π}}}\frac{{\mathrm{\β}}_1+\mathrm{\α}(1+{\mathrm{\β}}_1)z^{-1}+z^{-2}}{1+\mathrm{\α}(1+{\mathrm{\β}}_1)z^{-1}+{\mathrm{\β}}_1{z}^{-2}},$

其中，U₀(z)是奇数阶全通滤波器，i表示U₀(z)的阶数，U₁(z)是偶数阶全通滤波器，j表示U₁(z)的阶数，U₀(z)的阶数比U₁(z)的阶数大1，α、β是全通滤波器的每一级子滤波器的系数，N是自然数；上述结构具有通带内低量化噪声灵敏度的特性，U₀(z)和U₁(z)是用级连结构表示为仅含有一阶和二阶传输函数的形式。

那么，所述功率互补滤波器的传输函数是，

$X\left(z\right)=\frac{1}{2}[U_0\left(z\right)+U_1\left(z\right)],$

$Y\left(z\right)=\frac{1}{2}[U_0\left(z\right)-U_1\left(z\right)],$

其中X(z)是低通滤波器输出的传输函数，Y(z)是高通滤波器输出的传输函数，它们可以是最小Q值椭圆滤波器EMQF、巴特沃兹滤波器型Butterworth或者半带滤波器Half-band的传输函数，这类传输函数的主要特点是其在z平面上的极点满足两个特性：第一，在与单位圆正交的圆上；第二，两两关于实轴对称；半带滤波器Half-band是一种特殊情况，其极点分布在虚轴上，且关于实轴对称。确定系数α、β，可以由截止频率为

的半带滤波器出发，进而从该半带滤波器的系数推算到截止频率为任意的滤波器的系数。

为了使所述虚拟低音信号不仅在音调和音色上可以接近原信号，还要在音型方面得到有效控制，使得类似于敲击的低音声响有更加丰富的表现。本发明所述方法在所述虚拟低音信号处理步骤D和音频合成处理步骤F之间还包括如下音型控制处理步骤E，

E1.对所述虚拟低音信号进行瞬时功率分析，得到虚拟低音信号的实时功率信号P，设定该实时功率P增大的过程为冲击过程Attacking，所述实时功率P减小的过程为释放过程Releasing，例如鼓声，从敲击的瞬间到鼓声最大为冲击过程，从鼓声最大到鼓声消失为释放过程。；

E2.根据所述冲击过程中实时功率P的增大速率确定相应时刻的瞬时冲击增益，从而确定整个冲击过程的冲击增益G_A随时间变化波形，根据所述释放过程中实时功率P的减小速率确定相应时刻的瞬时释放增益，从而确定整个释放过程的释放增益G_R随时间变化波形；

E3.对所述冲击增益G_A和释放增益G_R进行平滑处理；

E4.将所述冲击增益G_A和释放增益G_R与虚拟低音信号相乘后得到经过音型控制后的虚拟低音信号。

本发明第二实施例，如图2所示，在第一实施例基础上增加了在所述虚拟低音信号模块200内增设音型处理模块270，用于实现上述音型控制处理步骤E。所述音型处理模块270包括串行电连接的瞬时功率分析模块271、增益产生模块272、增益平滑模块273和乘法器274。所述瞬时功率分析模块271和乘法器274都与所述带通滤波器260电连接；所述瞬时功率分析模块271对输入的虚拟低音信号进行瞬时功率分析输出虚拟低音信号的瞬时功率信号，即虚拟低音信号的实时功率信号P；所述增益产生模块272根据输入的瞬时功率信号确定并输出音型增益随时间的变化信号，即完成上述步骤E2；所述增益平滑模块273对所述音型增益随时间的变化信号进行平滑处理，即完成上述步骤E3；所述乘法器274将所述虚拟低音信号和音型增益相乘后输出经过音型控制的虚拟低音信号，即完成上述步骤E4。

所述冲击增益G_A和释放增益G_R随着实时功率P的变化规则可以控制输出虚拟低音的冲击过程和释放过程，从而起到调整音型作用。例如，所述冲击增益G_A随着P的增大而衰减，其衰减速度较慢时，冲击过程被加强，声音的“敲击”声感觉变硬；其衰减速度较快时，冲击过程被减弱，声音的“敲击”感觉变软。所述释放增益G_R随着P的减小而增大，其增大速度较快时，释放过程被加强，“敲击”声回响明显有“余音缭绕”的效果；其增大速度较慢或停止甚至转为减小时，释放过程被减弱，“敲击”声回响减弱或者消失。针对不同类型的扬声器、听音环境、音频内容、听者喜好，所述冲击增益G_A和释放增益G_R可以做不同的调整。

为了适应扬声器的截止频率f_c很高的情况，同时提高虚拟低音信号生成效率，本发明在所述分频处理步骤A与虚拟低音信号处理步骤D之间还包括如下步骤B：

B.低音频信号再分频处理，对所述低音频信号进行分频段滤波处理，使所述低音频信号被分成频段连续的至少一个较低频段音频信号和一个最低频段音频信号；

那么对所述较低频段音频信号和最低频段音频信号采用不同的处理方法：第一，本发明上述方法后续步骤如果采用虚拟低音信号处理步骤D和音频合成处理步骤F，所述最低频段音频信号就作为虚拟低音信号处理步骤D的低音频信号被处理成最低频段虚拟低音信号，所述较低频段音频信号直接与该最低频段虚拟低音信号合成为音频合成步骤F所述的虚拟低音信号。第二，本发明上述方法后续步骤如果采用虚拟低音信号处理步骤D、音型控制处理步骤E和音频合成处理步骤F，所述最低频段音频信号作为虚拟低音信号处理步骤D的低音频信号被处理成最低频段虚拟低音信号，该最低频段虚拟低音信号作为音型控制处理步骤E的虚拟低音信号被处理成经过音型控制的最低频段虚拟低音信号，所述较低频段音频信号直接与该经过音型控制的最低频段虚拟低音信号合成为音频合成步骤F所述的虚拟低音信号。总之，就是仅对所述最低频段音频信号进行本发明的虚拟低音处理。

本发明第三实施例就是实现上述第二种处理方法的装置，如图3所示，在本发明第二实施例的基础上，所述虚拟低音信号模块200还包括低音频信号再分频模块210和虚拟低音合成模块280；所述低音频信号再分频模块210用于将所述低音频信号分成至少一个较低频段音频信号和最低频段音频信号，本发明第三实施例将所述低音频信号分成一个较低频段音频信号和一个最低频段音频信号，所述较低频段信号输入至虚拟低音合成模块280，所述最低频段音频信号输入至各m倍频乘法器和倍频增益模块230进行虚拟低音信号处理；所述虚拟低音合成模块280用于将较低频段音频信号与音型处理模块270输出的音型控制虚拟低音信号合成为虚拟低音信号。本领域普通技术人员很容易想到，针对上述第一种处理方法的装置，即装置中没有音型处理模块270，所述虚拟低音合成模块280就是用于较低频段音频信号与带通滤波器260输出的信号合成为最终的虚拟低音信号。

本发明第三实施例所述低音频信号再分频模块210设置两个低通滤波器分别输出较低频段的音频信号和最低频段音频信号。输入低音频信号再分频模块210的低音频信号在频率f_u处被分割开来。在扬声器截止频率f_c很高时，例如f_c在500Hz以上手机扬声器，将f_c以下的声音信号全部做虚拟低音处理，会产生很多失真信号，因此选取f_u小于f_c，本发明实施例f_u＝0.7×f_c，不高于f_u的最低频段音频信号做完整的虚拟低音处理，高于f_u的较低频段音频信号不做处理。

为了满足算法和扬声器的最佳动态范围区间，避免降低虚拟低音信号处理效率，造成不必要的信号失真，在所述分频处理步骤A和虚拟低音信号处理步骤D之间还包括如下步骤C：

C.动态范围压缩处理，根据需要建立低音频信号的动态范围压缩处理的映射关系，根据该映射关系将所述低音频信号进行动态范围压缩处理，使所述低频信号被限制在满足算法和扬声器的最佳动态范围区间内。所述步骤C根据预设的输入和输出动态范围，将输入信号的幅度做处理，使得输入信号的动态范围在预设输出动态范围之内。输入到输出动态范围的映射可以有多种情况，例如，小于70dB的信号清0，大于-10dB的信号限制在-10dB，-50～-30dB之间的信号保持不变，其余区间的输入信号按直线对应规则映射到输出区间之内，当然，这些区间的设定应当根据实际需要进行调整。所谓直线规则，即在整个映射区间之内，只规定几个关键的点，两点之间的未定义区域，按照直线来拟合。

考虑所述低音频信号再分频处理步骤B，所述动态范围压缩处理步骤C应当在该步骤B之后进行，即在所述分频处理步骤A与动态范围压缩步骤C之间还包括如下步骤B：

B.低音频信号再分频处理，对所述低音频信号进行分频段滤波处理，使所述低音频信号被分成频段连续的至少一个较低频段音频信号和一个最低频段音频信号；

同样，加入所述步骤C后，对所述较低频段音频信号和最低频段音频信号采用不同的处理方法：①.所述步骤B的后续步骤如果采用动态范围压缩处理步骤C、虚拟低音信号处理步骤D和音频合成处理步骤F，所述最低频段音频信号经过动态范围压缩处理步骤C之后作为虚拟低音信号处理步骤D的低音频信号被处理成最低频段虚拟低音信号，所述较低频段音频信号仅经过动态范围压缩处理步骤C就与该最低频段虚拟低音信号合成为音频合成步骤F所述的虚拟低音信号；②.所述步骤B的后续步骤如果采用动态范围压缩处理步骤C、虚拟低音信号处理步骤D、音型控制处理步骤E和音频合成处理步骤F，所述最低频段音频信号经过动态范围压缩处理步骤C之后作为虚拟低音信号处理步骤D的低音频信号被处理成最低频段虚拟低音信号，该最低频段虚拟低音信号作为音型控制处理步骤E的虚拟低音信号被处理成经过音型控制的最低频段虚拟低音信号，所述较低频段音频信号仅经过动态范围压缩处理步骤C就与该经过音型控制的最低频段虚拟低音信号合成为音频合成步骤F所述的虚拟低音信号。总之，所述较低频段音频信号和最低频段音频信号都经过动态范围压缩处理后才分别进行后续相应步骤。

本发明第四实施例就是实现上述处理方法②的装置，如图4所示，在本发明第三实施例的基础上，所述虚拟低音信号模块200还包括动态范围压缩处理模块220，用于根据映射关系对低音频信号进行动态范围压缩处理后再输入各m倍频乘法器和倍频增益模块230。所述低音频信号再分频模块210用于将所述低音频信号分成至少一个较低频段音频信号和最低频段音频信号，本发明第四实施例将所述低音频信号分成一个较低频段音频信号和一个最低频段音频信号。所述较低频段信号经动态压缩处理模块220输入至虚拟低音合成模块280，所述最低频段音频信号经动态压缩处理模块220输入至各m倍频乘法器和倍频增益模块230。

所述虚拟低音合成模块280用于将较低频段音频信号与音型处理模块270输出的音型控制虚拟低音信号合成为虚拟低音信号。同样容易想到，针对上述处理方法①的装置，即装置中没有音型处理模块270，所述虚拟低音合成模块280就是用于较低频段音频信号与带通滤波器260输出的信号合成为最终的虚拟低音信号。

本发明结合了虚拟低音技术和低音动态范围压缩技术，并且功率守恒的分频滤波器组可以根据扬声器的不同做不同配置，从而在最大限度发挥了虚拟低音技术的优势的同时降低了虚拟低音算法本身的失真，避免了某些情况下虚拟低音声音不自然。特别是当扬声器的截止频率非常高时，例如大于400Hz，虚拟低音和低音动态范围压缩的双重结合能够有效的扩大扬声器的听感音域，避免不自然的失真。本发明还可以独立控制二、三、四次谐波的分量增益，从而可以配置谐波包络的形状，根据需要控制虚拟低音的音色。本发明所述虚拟低音的音型控制方法及音型处理模块220可以改变低音中很常见的类“敲击”声的虚拟低音音型，从而能够更加丰富的控制其听感以适应不同的应用情况。

Claims (10)

1.一种使扬声器截止频率以下信号还原原声的音频信号处理方法，包括如下步骤： 

A.分频处理，将音频信号经过分频段滤波处理，使该音频信号被分成高于扬声器截止频率的高音频信号和不高于扬声器截止频率的低音频信号； 

D.虚拟低音信号处理，将低音频信号处理成可以被扬声器还原的虚拟低音信号； 

F.音频合成处理，将所述虚拟低音信号与高音频信号合成为低频扩展的音频信号，该低频扩展的音频信号经过功率放大处理能够驱动所述扬声器； 

其特征在于所述步骤D包括如下分步骤： 

D1.检测所述低音频信号，根据该低音频信号的包络幅度确定n个m倍频增益G_m，其中m=2、3、4、...、n+1，即2倍频增益G₂、3倍频增益G₃、4倍频增益G₄、...、n+1倍频增益G_n+1； 

D2.将所述低音频信号分别自乘1、2、3、...、n次后获得n个m倍频信号，即2倍频信号、3倍频信号、4倍频信号、...、n+1倍频信号； 

D3.将各m倍频增益G_m与各自对应的m倍频信号相乘后形成n个虚拟低音谐波； 

D4.将各虚拟低音谐波相加后经过带通滤波形成虚拟低音信号； 

并且，在所述虚拟低音信号处理步骤D和音频合成处理步骤F之间还包括如下音型控制处理步骤E， 

E1.对所述虚拟低音信号进行瞬时功率分析，设定该瞬时功率增大的过程为冲击过程，所述瞬时功率减小的过程为释放过程； 

E2.根据所述冲击过程中实时功率的增大速率确定相应时刻的瞬时冲击增益，从而确定整个冲击过程的冲击增益G_A随时间变化波形，根据所述释放过程中实时功率的减小速率确定相应时刻的瞬时释放增益，从而确定整个释放过程的释放增益G_R随时间变化波形； 

E3.对所述冲击增益G_A和释放增益G_R进行平滑处理； 

E4.将所述冲击增益G_A和释放增益G_R与虚拟低音信号相乘后得到经过音型控制后的虚拟低音信号； 

那么步骤F所述将所述虚拟低音信号与高音频信号合成为低频扩展的音频信号就具体为将所述经过音型控制后的虚拟低音信号与高音频信号合成为低频扩展的音频信号。 

2.根据权利要求1所述的使扬声器截止频率以下信号还原原声的音频信号处理方法，其特征在于： 

所述n=3，那么步骤D1中的3个倍频增益根据所述低音频信号的包络幅度H分别确定为， 

G₂=H^λ1，G₃=H^λu，G₄=H^λ2， 

其中，-1＜λ1＜λ2＜λ3＜0。 

3.根据权利要求1所述的使扬声器截止频率以下信号还原原声的音频信号处理方法，其特征在于： 

在所述分频处理步骤A和虚拟低音信号处理步骤D之间还包括如下步骤C： 

C.动态范围压缩处理，根据需要建立低音频信号的动态范围压缩处理的映射关系，根据该映射关系将所述低音频信号进行动态范围压缩处理； 

那么步骤D所述将低音频信号处理成可以被扬声器还原的虚拟低音信号就具体为将经过动态范围压缩处理的低音频信号处理成可以被扬声器还原的虚拟低音信号。 

4.根据权利要求1所述的使扬声器截止频率以下信号还原原声的音频信号处理方法，其特征在于： 

在所述分频处理步骤A与虚拟低音信号处理步骤D之间还包括如下步骤B： 

B.低音频信号再分频处理，对所述低音频信号进行分频段滤波处理，使所述低音频信号被分成频段连续的至少一个较低频段音频信号和一个最低频段音频信号； 

在后续步骤中，所述最低频段音频信号作为虚拟低音信号处理步骤D的低音频信号被处理成最低频段虚拟低音信号，该最低频段虚拟低音信号作为音型控制处理步骤E的虚拟低音信号被处理成经过音型控制的最低频段虚拟低音信号，所述较低频段音频信号直接与该经过音型控制的最低频段虚拟低音信号合成为音频合成步骤F所述的虚拟低音信号。 

5.根据权利要求3所述的使扬声器截止频率以下信号还原原声的音频信号处理方法，其特征在于： 

在所述分频处理步骤A与动态范围压缩步骤C之间还包括如下步骤B： 

B.低音频信号再分频处理，对所述低音频信号进行分频段滤波处理，使所述低音频信号被分成频段连续的至少一个较低频段音频信号和一个最低频段音频信号； 

在后续步骤中，所述最低频段音频信号经过动态范围压缩处理步骤C之后作为虚拟低音信号处理步骤D的低音频信号被处理成最低频段虚拟低音信号，该最低频段虚拟低音信号作为音型控制处理步骤E的虚拟低音信号被处理成经过音型控制的最低频段虚拟低音信号，所述较低频段音频信号仅经过动态范围压缩处理步骤C就与该经过音型控制的最低频段虚拟低音信号合成为音频合成步骤F所述的虚拟低音信号。 

6.一种使扬声器截止频率以下信号还原原声的音频信号处理装置，包括分频段滤波处理模块、虚拟低音信号模块和音频合成模块；其特征在于： 

所述分频段滤波处理模块使音频信号被分成高于扬声器截止频率的高音频信号和不高于扬声器截止频率的低音频信号；所述高音频信号输入音频合成模块，所述低音频信号输入虚拟低音信号模块； 

所述虚拟低音信号模块包括倍频增益模块、n个m倍频乘法器、加法器和带通滤波器，其中m=2、3、4、...、n+1；所述各m倍频乘法器的输入信号包括所述低音频信号、m-1倍频乘法器的输出信号和m倍频增益G_m，其中1倍频乘法器的输出信号是指低音频信号本身；所述各m倍频乘法器的输出信号还输入至加法器，所述加法器的输出信号经过带通滤波器处理输出虚拟低音信号； 

所述虚拟低音信号模块的输出信号输入至音频合成模块，所述音频合成模块将输入信号合成为低频扩展的音频信号，该低频扩展的音频信号经过功率放大处理后能够驱动所述扬声器； 

所述虚拟低音信号模块还包括音型处理模块，该音型处理模块包括串行电连接的瞬时功率分析模块、增益产生模块、增益平滑模块和乘法器，所述瞬时功率分析模块和乘法器都与所述带通滤波器电连接； 

所述瞬时功率分析模块对输入的虚拟低音信号进行瞬时功率分析并输出虚拟低音信号的瞬时功率信号；所述增益产生模块根据输入的瞬时功率信号确定并输出音型增益随时间的变化信号；所述增益平滑模块对所述音型增益随时间的变化信号进行平滑处理；所述乘法器将所述虚拟低音信号和音型增益相乘后输出经过音型控制的虚拟低音信号。 

7.根据权利要求6所述的使扬声器截止频率以下信号还原原声的音频信号处理装置，其特征在于： 

所述虚拟低音信号模块还包括动态范围压缩处理模块，用于根据映射关系对低音频信号进行动态范围压缩处理后再输入至各m倍频乘法器和倍频增益模块。 

8.根据权利要求6所述的使扬声器截止频率以下信号还原原声的音频信号处理装置，其特征在于： 

所述虚拟低音信号模块还包括低音频信号再分频模块和虚拟低音合成模块； 

所述低音频信号再分频模块用于将所述低音频信号分成至少一个较低频段音频信号和最低频段音频信号，所述较低频段信号输入至虚拟低音合成模块，所述最低频段音频信号输入至各m倍频乘法器和倍频增益模块； 

所述虚拟低音合成模块用于将较低频段音频信号与音型控制的虚拟低音信号合成为虚拟低音信号。 

9.根据权利要求7所述的使扬声器截止频率以下信号还原原声的音频信号处理装置，其特征在于： 

所述虚拟低音信号模块还包括低音频信号再分频模块和虚拟低音合成模块； 

所述低音频信号再分频模块用于将所述低音频信号分成至少一个较低频段音频信号和最低频段音频信号，所述较低频段信号经动态范围压缩处理模块输入至虚拟低音合成模块，所述最低频段音频信号经动态范围压缩处理模块输入至各m倍频乘法器和倍频增益模块； 

所述虚拟低音合成模块用于将较低频段音频信号与音型控制的虚拟低音信号合成为虚拟低音信号。 

10.根据权利要求7所述的使扬声器截止频率以下信号还原原声的音频信号处理装置，其特征在于： 

所述分频段滤波处理模块是具有高通滤波器输出和低通滤波器输出的功率互补滤波器；所述功率互补滤波器由并联的两个全通滤波器构成，所述两个全通滤波器的传输函数是， 

其中，U₀(z)是奇数阶全通滤波器，i表示U₀(z)的阶数，U₁(z)是偶数阶 全通滤波器，j表示U₁(z)的阶数，U₀(z)的阶数比U₁(z)的阶数大1，α、β是全通滤波器的每一级子滤 波器的系数，N是自然数； 

那么，所述功率互补滤波器的输出传输函数是， 

其中X(z)是低通滤波器的传输函数，Y(z)是高通滤波器的传输函数。 

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