CN101997500B - 音频均衡处理系统及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及信号处理技术，公开了一种音频均衡处理系统及其方法。本发明中，将分段频率响应用两种结构的滤波器来近似，由一个第一类滤波器对高频部分音频信号进行音频均衡处理，由至少一个第二类滤波器对低频部分音频信号进行音频均衡处理。第一类滤波器和第二类滤波器通过级联的方式，组成音频均衡处理系统。由于通过至少一个第二类滤波器单独对低频部分音频信号进行音频均衡处理，因此可以将第二类滤波器设计为具有低频增强特点的滤波器，只需极少的阶数即可对现有的无限冲击响应滤波器较难近似的部分进行了较好的近似。大大降低了音频均衡处理系统的复杂度。

Description

音频均衡处理系统及其方法

技术领域

本发明涉及信号处理技术，特别涉及音频信号的均衡处理。

背景技术

音频均衡处理是指通过对输入音频信号进行滤波来取得一定的音效。不同类型的音乐对应着不同的音频均衡算法。也就是说，音频均衡器的目的是对音频信号的某些频段上的成分进行增强或者削弱，使音频信号更加悦耳或者接近人们的听觉习惯。例如，如果听众想增加对吉它的感受效果，提升100赫兹到300赫兹这个频带的能量可以听到更加丰满的音色，提升2000赫兹到5000赫兹这个频带可以提高吉它音色的表现力。又例如，萨克斯管爱好者可能更加希望提高600赫兹到2000赫兹这个频段的能量，能得到更加舒适的音乐明亮度。如果希望听到更加清晰的人声，通常提升基音所在频段的能量即可，即从60赫兹到400赫兹。

音频均衡算法的基本思路是改变某些频率分量的能量，因此，通常的方法有两种：时域滤波和频域直接修正。时域滤波器包括两类方法，一是有限冲击响应滤波器，二是无限冲击响应滤波器，它们都是通过乘加运算对输入信号进行处理以得到滤波效果。两种滤波器在运算条件允许下能取得的滤波效果类似。它们的区别在于实现的复杂度不同以及相位失真度不同。有限冲击响应滤波器设计较简单，且相位是线性的，缺点在于实现的运算复杂度较高，无限冲击响应滤波器的实现运算复杂度相当低，但是其相位失真严重，且设计过程复杂，需要考虑稳定性、有限字长效应等等。频域直接修正方法也是被广泛采用的，它的基本思路是将信号映射到频域，并对频域信号进行处理，再映射回时域。时域频域映射方法有很多，傅里叶变换、小波变换、离散余弦变换等都是常用的方法。广义来说，任何正交变换方法都可以被采用在这个框架内。修正的方法通常是在不同频段乘以特定的系数。

由于音频均衡器的目的是将音频信号在不同频段上的成分进行不同的增益改变。因此假设输入信号是a(t)，在频域上可表示为A(f)，那么，音频均衡器将信号在频域分成N段：

[f₀，f₁]，[f₁，f₂]，...，[f_N-1，f_N]

一般来说，f₀＝0，f_N是采样率的一半。音频均衡器的目的则是：

$\hat{A}\left(f\right)={\mathrm{\β}}_{i}A\left(f\right),$ f∈[f_i-1，f_i]，i＝0，1，...，N-1                   (1)

可以看到，滤波器的频率响应可以表达为一个分段函数，即：

H(f)＝β_i，f∈[f_i-1，f_i]，i＝0，1，...，N-1    (2)

因此，需要设计一个无限冲击响应滤波器h(n)，它的频率响应接近式(2)的函数。常见的方法是根据频率响应函数，反推出无限冲击响应滤波器系数。关于音频均衡的处理技术，也可参见申请号为“6118880”的美国专利。

然而，本发明的发明人发现，由于人耳对低频成分的分辨率较敏感，需要使用相当高的滤波器阶数增强某一部分或者几部分的频率成分，较少阶的无限冲击响应滤波器无法获得这种频率响应，尤其是在低频段的分段效果不好。如果要取得良好的分段频率响应，通常需要超过80阶的滤波器，有时甚至更高。也就是说，如式(2)所描述的均衡器所需要的频率响应，在低频段的分段数目通常较多，如果用一个无限冲击响应滤波器来近似，需要的滤波器阶数会是相当大的，即具有较大的复杂度。而这在一些应用场景，例如移动设备等受电池所限和处理器能力所限的情况下，是不可以被接受的。

发明内容

本发明的目的在于提供一种音频均衡处理系统及其方法，降低音频均衡处理系统的复杂度。

为解决上述技术问题，本发明的实施方式提供了一种音频均衡处理系统，包含：

一个用于对高频部分音频信号进行音频均衡处理的第一类滤波器；

至少一个用于对低频部分音频信号进行音频均衡处理的第二类滤波器；

第一类滤波器与第二类滤波器级联。

本发明的实施方式还提供了一种音频均衡处理方法，包含以下步骤：

由一个第一类滤波器和至少一个第二类滤波器通过级联的方式对音频信号进行音频均衡处理；

第一类滤波器对高频部分音频信号进行音频均衡处理；

第二类滤波器对低频部分音频信号进行音频均衡处理。

本发明实施方式与现有技术相比，主要区别及其效果在于：

将分段频率响应用两种结构的滤波器来近似，由一个第一类滤波器对高频部分音频信号进行音频均衡处理，由至少一个第二类滤波器对低频部分音频信号进行音频均衡处理。第一类滤波器和第二类滤波器通过级联的方式，组成音频均衡处理系统。由于通过至少一个第二类滤波器单独对低频部分音频信号进行音频均衡处理，因此可以将第二类滤波器设计为具有低频增强特点的滤波器，只需极少的阶数即可对现有的无限冲击响应滤波器较难近似的部分进行了较好的近似。相较于用一个无限冲击响应滤波器来实现音频均衡处理的现有技术，本发明的技术方案大大降低了音频均衡处理系统的复杂度。

进一步地，第二类滤波器满足以下特性：

在保持通带的增益的同时，在阻带也起通过功能；

每一个第二类滤波器改变了连续的至少一个均衡频带的增益；

所有第二类滤波器的个数等于具有不同的低频均衡增益的频带数目减一。

满足上述三个特性的第二类滤波器具备了低频增强特点，因此在低频的处理上很容易满足均衡器的需求。而且，以简单构造的低通或者带通滤波器为原型，即可设计出满足上述三个特性的第二类滤波器，设计简单，方便实现。

进一步地，第二类滤波器为无限冲击响应滤波器。由于有限冲击响应滤波器会因滤波器阶数过高引起的高计算复杂度。因此，通过无限冲击响应滤波器实现第二类滤波器，则可以取得更低的复杂度，故可适用于更多的应用场合，尤其是类似于移动设备的应用场合。

进一步地，第一类滤波器通常采用无限冲击响应滤波器来实现。由于对高频部分音频信号进行处理的频率响应不适合用有限冲击响应滤波器来实现(如果由有限冲击响应滤波器实现，需要对计算性能提出较高的要求)。因此，对高频部分音频信号进行处理的第一类滤波器采用传统的无限冲击响应滤波器实现，能以较低的计算复杂度实现频率响应。

附图说明

图1是根据本发明第一实施方式的音频均衡处理系统结构示意图；

图2是根据本发明第三实施方式的音频均衡处理方法流程图。

具体实施方式

在以下的叙述中，为了使读者更好地理解本申请而提出了许多技术细节。但是，本领域的普通技术人员可以理解，即使没有这些技术细节和基于以下各实施方式的种种变化和修改，也可以实现本申请各权利要求所要求保护的技术方案。

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的实施方式作进一步地详细描述。

本发明第一实施方式涉及一种音频均衡处理系统。如图1所示，该音频均衡处理系统包含：

一个用于对高频部分音频信号进行音频均衡处理的第一类滤波器(即图中的高频成分均衡滤波器)，和至少一个用于对低频部分音频信号进行音频均衡处理的第二类滤波器(即图中的低频成分均衡滤波器)，第一类滤波器与第二类滤波器级联。需要说明的是，在实际应用中，根据需要可以由一个第二类滤波器级组成图中的低频成分均衡滤波器，也可以由几个第二类滤波器级联组成图中的低频成分均衡滤波器。

图1所示的音频均衡处理系统的传递函数可以表示为：

H(f)＝H_HEQ(f)H_LEQ(f)          (3.a)

H_LEQ(f)＝H_LEQ1(f)...H_LEQn(f)  (3.b)

其中，H_HEQ(f)和H_LEQ(f)表示对高频成分和低频成分的均衡处理滤波器，即H_HEQ(f)表示图1中的高频成分均衡滤波器的频率响应函数，H_LEQ(f)表示图1中的低频成分均衡滤波器的频率响应函数。H_LEQi(f)，i＝1，2，...n表示一个或者几个对低频部分音频信号进行音频均衡处理的第二类滤波器，它们的级联组成了低频成分的均衡处理滤波器。对高频部分音频信号进行音频均衡处理的第一类滤波器的频率响应函数如公式(4)所示，以达到对高频成分均衡处理的效果：

H_HEQ(f)＝β_i，f∈[f_i-1，f_i]，i＝m，m+1，...，N    (4.a)

H_HEQ(f)＝β_m-1，f∈[0，f_m-1]                      (4.b)

其中，β_i为频带[f_i-1，f_i]内的增益参数，m等于低频部分的频带数目加1，N为音频信号在频域上分成的频带数目。在本实施方式中，第一类滤波器通常采用无限冲击响应滤波器来实现，因为如公式(4)所示的频率响应不适合用有限冲击响应滤波器来实现(如果由有限冲击响应滤波器实现，需要对计算性能提出较高的要求)。因此，对高频部分音频信号进行处理的第一类滤波器采用传统的无限冲击响应滤波器实现，可以较低的计算复杂度实现频率响应。

此外，可以理解，如果计算能力允许，也可以采用有限冲击响应滤波器，只要满足公式(4)的频率响应即可。也就是说，高频均衡滤波器可以是任意结构的线性滤波器，只要有合理的频率响应即可。

在本实施方式中，组成低频成分均衡滤波器的第二类滤波器以简单构造的低通或者带通滤波器为原型，满足以下特性：

(1)在保持通带的增益的同时，在阻带不再是起着抑制功能(增益为零)而是通过功能(增益为不为零)。

(2)每一个第二类滤波器改变了连续的至少一个均衡频带的增益。

(3)所有第二类滤波器的个数等于具有不同的低频均衡增益的频段数目减一。

可以看到，如果满足上述三个条件，所设计的第二类滤波器具备了低频增强特点，因此在低频的处理上很容易满足均衡器的需求。而且，设计简单，方便实现。

此外，可以理解，也可以通过设计其他的特性，使得第二类滤波器具备低频增强的特点。事实上，只要设计的低频均衡滤波器满足或者近似条件1(即在保持通带的增益的同时，在阻带也起通过功能)的频率响应，即可认为具备了低频增强的特点。

第二类滤波器的频率响应函数H_LEO(f)如下：

H_LEQi(f)＝α_i，f∈[f₀，f_i]    (5.a)

H_LEQi(f)＝1，f∈[f_i，f_N]      (5.b)

其中，α_i为频带[f₀，f_i]内的增益参数，i＝1，2，......m-1，m为低频部分的频带数目加1，N为音频信号在频域上分成的频带数目。下面以一个具体的例子进行简单说明。

比如说，m取4，即有3个频带落在了低频均衡滤波器的处理范围内。根据条件3(即所有第二类滤波器的个数等于具有不同的低频均衡增益的频段数目减一)，低频成分均衡滤波器由2个第二类滤波器级联组成。又根据公式(5)，可以计算出3个落在低频均衡滤波器处理范围内的频带增益为：

H(f)＝α₁α₂α₃θ，f∈[f₀，f₁]   (6.a)

H(f)＝α₂α₃θ，f∈[f₁，f₂]      (6.b)

H(f)＝α₃θ，f∈[f₂，f₃]         (6.c)

其中式里的θ是第一类滤波器在低频的增益，是已知的。对比公式(2)，可以很简便的计算出参数α_i，i＝1，2，3。

不难发现，只要合理的配置滤波器(5.a)里的增益参数α_i，结合公式(4)和公式(5)，本实施方式中的音频均衡处理系统即可满足如式(2)所描述的均衡器所需要的频率响应。需要说明的是，高频和低频的分界线，也就是式上述公式中所包含的参数m，是可以在合理范围内任意设定的。换句话说，可以使低频部分包含任意合理的均衡频带数目。

本实施方式中的第二类滤波器可以是通过直接计算法或滤波器叠加法构成的有限冲击响应滤波器。直接计算法是指根据有限冲击响应滤波器的频率响应直接计算有限冲击响应滤波器系数。滤波器叠加法是指将低通滤波器和等相位的全通滤波器叠加，以增加延迟的代价来换取更加低的计算复杂度，得到有限冲击响应滤波器。

由于在现有的音频均衡处理系统中，由一个滤波器(如有限冲击响应滤波器或无限冲击响应滤波器)实现音频均衡，如果采用有限冲击响应滤波器实现，则往往需要极高的阶数来满足公式(2)的滤波系统的性质。在绝大多数移动设备是不可能实现的；而对于无限冲击响应滤波器来说，直接计算满足公式(2)的滤波系统的性质的滤波器系数，往往在低频段无法准确的近似频率响应，也需要相对较多的滤波器阶数，因此复杂度同样较大。而本实施方式将分段频率响应用两个结构的滤波器来近似，根据均衡器的频段划分特性对高频均衡部分仍采取了原有的无限冲击响应滤波器逼近，但对低频均衡部分则充分利用了低频均衡滤波器对直接计算的无限冲击响应滤波器较难近似的部分进行了较好的近似，只需要极少的滤波器阶数，大大降低了音频均衡处理系统的复杂度。

本发明第二实施方式涉及一种音频均衡处理系统。第二实施方式与第一实施方式基本相同，区别主要在于：在第一实施方式中，第二类滤波器为有限冲击响应滤波器；而在本实施方式中，第二类滤波器为无限冲击响应滤波器，可以通过以下方式直接计算法和滤波器叠加法构成。直接计算法是指根据无限冲击响应滤波器的频率响应直接计算无限冲击响应滤波器系数。滤波器叠加法相对于有限冲击响应滤波器的对应方法较复杂，需要级联低通滤波器和一个相位均衡滤波器，再根据均衡后的相位叠加一个具有此相位延迟的全通滤波器。

由于在第一实施方式中，第二类滤波器为有限冲击响应滤波器，因此会产生有限冲击响应滤波器的缺陷，即因滤波器阶数过高引起的高计算复杂度。所以，在本实施方式中，通过无限冲击响应滤波器实现第二类滤波器，则可以取得更低的复杂度，故可适用于更多的应用场合，尤其是类似于移动设备的应用场合。

此外，可以理解，在实际应用中，如果由多个第二类滤波器组成图1中所示的低频成分均衡滤波器，则其中每一个第二类滤波器都既可以有限冲击响应滤波器，也可以是无限冲击响应滤波器。也就是说，可以采取两种滤波器的任意组合方式，形成低频成分均衡滤波器。

需要说明的是，本发明各设备实施方式中提到的各单元都是逻辑单元，在物理上，一个逻辑单元可以是一个物理单元，也可以是一个物理单元的一部分，还可以以多个物理单元的组合实现，这些逻辑单元本身的物理实现方式并不是最重要的，这些逻辑单元所实现的功能的组合是才解决本发明所提出的技术问题的关键。此外，为了突出本发明的创新部分，本发明上述各设备实施方式并没有将与解决本发明所提出的技术问题关系不太密切的单元引入，这并不表明上述设备实施方式并不存在其它的单元。

本发明第三实施方式涉及一种音频均衡处理方法，具体流程如图2所示。

在步骤210中，音频均衡处理系统接收输入的音频信号。

接着，在步骤220中，由一个第一类滤波器和至少一个第二类滤波器通过级联的方式对输入的音频信号进行音频均衡处理。

具体地说，需要将输入的音频信号在频域上分成N个频带数目。低频带的音频信号由一个第一类滤波器进行音频均衡处理，高频带的音频信号由至少一个第二类滤波器进行音频均衡处理。其中，第二类滤波器需满足以下特性：

在保持通带的增益的同时，在阻带也起通过功能。

每一个第二类滤波器改变了连续的至少一个均衡频带的增益。

所有第二类滤波器的个数等于具有不同的低频均衡增益的频段数目减一。

对高频部分音频信号进行音频均衡处理的第一类滤波器的频率响应函数H_HEQ如公式(4)所示，以达到对高频成分均衡处理的效果：

H_HEQ(f)＝β_i，f∈[f_i-1，f_i]，i＝m，m+1，...，N    (4.a)

H_HEQ(f)＝β_m-1，f∈[0，f_m-1](4.b)

其中，β_i为频带[f_i-1，f_i]内的增益参数，m等于低频部分的频带数目加1，N为音频信号在频域上分成的频带数目。

对低频部分音频信号进行音频均衡处理的第二类滤波器的频率响应函数H_LEO(f)如下：

H_LEQi(f)＝α_i，f∈[f₀，f_i]   (5.a)

H_LEQi(f)＝1，f∈[f_i，f_N]     (5.b)

其中，α_i为频带[f₀，f_i]内的增益参数，i＝1，2，......m-1，m为低频部分的频带数目加1，N为音频信号在频域上分成的频带数目。

不难发现，只要合理的配置滤波器(5.a)里的增益参数α_i，结合公式(4)和公式(5)，本实施方式中的音频均衡处理系统即可满足如式(2)所描述的均衡器所需要的频率响应。需要说明的是，高频和低频的分界线，也就是式上述公式中所包含的参数m，是可以在合理范围内任意设定的。换句话说，可以使低频部分包含任意合理的均衡频带数目。

接着，在步骤230中，音频均衡处理系统输出经音频均衡处理后的音频信号。

不难发现，本实施方式是与第一或第二实施方式相对应的方法实施方式，本实施方式可与第一或第二实施方式互相配合实施。第一或第二实施方式中提到的相关技术细节在本实施方式中依然有效，为了减少重复，这里不再赘述。相应地，本实施方式中提到的相关技术细节也可应用在第一或第二实施方式中。

本发明的方法实施方式均可以以软件、硬件、固件等方式实现。不管本发明是以软件、硬件、还是固件方式实现，指令代码都可以存储在任何类型的计算机可访问的存储器中(例如永久的或者可修改的，易失性的或者非易失性的，固态的或者非固态的，固定的或者可更换的介质等等)。同样，存储器可以例如是可编程阵列逻辑(Programmable Array Logic，简称“PAL”)、随机存取存储器(Random Access Memory，简称“RAM”)、可编程只读存储器(Programmable Read Only Memory，简称“PROM”)、只读存储器(Read-Only Memory，简称“ROM”)、电可擦除可编程只读存储器(Electrically Erasable Programmable ROM，简称“EEPROM”)、磁盘、光盘、数字通用光盘(Digital Versatile Disc，简称“DVD”)等等。

虽然通过参照本发明的某些优选实施方式，已经对本发明进行了图示和描述，但本领域的普通技术人员应该明白，可以在形式上和细节上对其作各种改变，而不偏离本发明的精神和范围。

Claims (10)

1.一种音频均衡处理系统，其特征在于，包含：

一个用于对高频部分音频信号进行音频均衡处理的第一类滤波器；

至少一个用于对低频部分音频信号进行音频均衡处理的第二类滤波器；该第二类滤波器的频率响应函数H_LEO(f)如下：

H_LEQi(f)＝α_i，f∈[f₀，f_i]

H_LEQi(f)＝1，f∈[f_i，f_N]

其中，α_i为频带[f₀，f_i]内的增益参数，i＝1，2，......m-1，所述m为所述低频部分的频带数目加1，N为音频信号在频域上分成的频带数目；

所述第一类滤波器与所述第二类滤波器级联。

2.根据权利要求1所述的音频均衡处理系统，其特征在于，所述第二类滤波器满足以下特性：

在保持通带的增益的同时，在阻带也起通过功能；

每一个第二类滤波器改变了连续的至少一个均衡频带的增益；

所有第二类滤波器的个数等于具有不同的低频均衡增益的频带数目减一。

3.根据权利要求1至2中任一项所述的音频均衡处理系统，其特征在于，所述第二类滤波器为有限冲击响应滤波器或无限冲击响应滤波器。

4.根据权利要求3所述的音频均衡处理系统，其特征在于，所述有限冲击响应滤波器通过以下方式构成：

根据所述有限冲击响应滤波器的频率响应直接计算所述有限冲击响应滤波器系数；

或者，将低通滤波器和等相位的全通滤波器叠加，得到所述有限冲击响应滤波器。

5.根据权利要求3所述的音频均衡处理系统，其特征在于，所述无限冲击响应滤波器通过以下方式构成：

根据所述无限冲击响应滤波器的频率响应直接计算所述无限冲击响应滤波器系数；

或者，级联低通滤波器和一个相位均衡滤波器，再根据均衡后的相位叠加一个具有此相位延迟的全通滤波器。

6.根据权利要求1至2中任一项所述的音频均衡处理系统，其特征在于，所述第一类滤波器的频率响应函数H_HEQ(f)如下：

H_HEQ(f)＝β_i，f∈[f_i-1，f_i]，i＝m，m+1，...，N

H_HEQ(f)＝β_m-1，f∈[0，f_m-1]

其中，β_i为频带[f_i-1，f_i]内的增益参数，m等于所述低频部分的频带数目加1，N为音频信号在频域上分成的频带数目。

7.根据权利要求6所述的音频均衡处理系统，其特征在于，所述第一类滤波器为无限冲击响应滤波器。

8.一种音频均衡处理方法，其特征在于，包含以下步骤：

由一个第一类滤波器和至少一个第二类滤波器通过级联的方式对音频信号进行音频均衡处理；

所述第一类滤波器对高频部分音频信号进行音频均衡处理；

所述第二类滤波器对低频部分音频信号进行音频均衡处理；该第二类滤波器的频率响应函数H_LEO(f)如下：

H_LEQi(f)＝α_i，f∈[f₀，f_i]

H_LEQi(f)＝1，f∈[f_i，f_N]

其中，α_i为频带[f₀，f_i]内的增益参数，i＝1，2，......m-1，所述m为所述低频部分的频带数目加1，N为音频信号在频域上分成的频带数目。

9.根据权利要求8所述的音频均衡处理方法，其特征在于，所述第二类滤波器满足以下特性：

在保持通带的增益的同时，在阻带也起通过功能；

每一个第二类滤波器改变了连续的至少一个均衡频带的增益；

所有第二类滤波器的个数等于具有不同的低频均衡增益的频带数目减一。

10.根据权利要求8所述的音频均衡处理方法，其特征在于，所述第一类滤波器的频率响应函数H_HEQ(f)如下：

H_HEQ(f)＝β_i，f∈[f_i-1，f_i]，i＝m，m+1，...，N

H_HEQ(f)＝β_m-1，f∈[0，f_m-1]

其中，β_i为频带[f_i-1，f_i]内的增益参数，m等于所述低频部分的频带数目加1，N为音频信号在频域上分成的频带数目。

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