CN102208901B - 一种mp3解码过程中实现均衡器的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种MP3解码过程中实现均衡器的方法，包括以下步骤：(1)、MP3的音频码流，经过通用的MP3解码过程得到子带，每个子带含原始频域样本；(2)、根据均衡模式需求，对指定频带范围对应的原始频域样本进行增益控制，计算增益控制后的频域样本；(3)、对均衡增益控制后的子带频域样本继续解码，经过修正离散余弦逆变换和综合滤器组后，输出解码后的声音样本，并送数模转换器进行回放。本方法是一种在MP3解码过程中同时实现音效的方法，该方法比现有技术能达到更好的均衡效果，同时又能大大降低便携式音频播放器的功耗。

Description

一种MP3解码过程中实现均衡器的方法
技术领域
本发明涉及音频数据播放领域，具体来说涉及一种MP3解码过程中实现均衡器的方法。
背景技术
均衡器，又叫EQ，是Equalizer的缩写。它的作用就是调整各频段信号的增益值，通过对各种不同频率的电信号的调节来补偿扬声器和声场的缺陷，补偿和修饰各种声源，达到改变听感的作用。普通百姓最初接触均衡器是在80年代的高级录放机上，当年的高档录放机都带有N段均衡调节，那个调节器就是均衡器；这个均衡器是基于模拟信号的，后来在PC上逐渐发展出了数字均衡器。各种音响设备，都会有一个频响曲线来表征该设备的性能；理想情况下，各音响设备的频响曲线是平直的，但由于材料、工艺等原因，频响曲线在低频和高频处都会有不同程度的衰减。通过均衡处理，可以将衰减的地方进行能量提升，使频响曲线达到尽量平直，弥补设备本身的不足。另外，通过均衡器处理，可改变音乐频谱能量分布，改变听感，满足不同人的不同喜好需求；例如，流行乐(POP)要求兼顾人声和器乐的结合都很平均；摇滚乐(ROCK)的高低两端提升很大，低音让音乐强劲有力，节奏感很强，高音部分清晰；爵士乐(JAZZ)提升了3-5kHz部分，增强临场感；古典乐(CLASSIC)提升的也是高频低频两部分，主要突出乐器的表现。如今，MP3音频播放器已经走入了每个人的生活，其中MP3格式的音频又是最受人们认可的一种音乐格式。几乎每一款MP3音频播放器都会支持均衡器的功能，可让用户随意调整不同的均衡处理，感受不同的音乐效果。
均衡处理，可通过硬件处理，例如有专门的音效处理芯片；但这种方式除了特殊需求，一般不采纳，因为需要额外增加硬件，增加电路板尺寸，增加成本。软件实现是大多数MP3音频播放器普通采用的方法。软件实现的流程通常是，
1、对MP3音频文件的解码，将MP3音频码流解码，输出声音样本。
2、根据用户选择的均衡处理需求，调用均衡滤波器组对前面解码的声音样本进行滤波，输出经过均衡处理的声音样本。
3、将声音样本通过驱动输出到DA和耳机等设备进行回放。
其中，均衡滤波器组通常由若干滤波器组成，例如，1个高通滤波器、若干尖峰滤波器、1个低频增强/削弱滤波器和1个高频增强/削弱滤波器；这些2阶的无限冲激响应(IIR)滤波器串接而成，实现对声音样本的滤波，获得一定的音效。这种通过滤波器组滤波的方法有以下缺陷：
1、IIR滤波器的设计非常重要，如果设计不合理，滤波器参数不恰当，可能音效效果不明显或者效果令人无法接受。
2、对每个2阶的IIR滤波器，每次滤波输出1个声音样本，都有5个乘法和4个加(减)法的运算；5个滤波器就有25次乘法和20次加(减)运算。运算量不可小视，对于便携式音频播放器来说，直接影响就是机器的功耗。
3、MP3音乐有一个参数叫音频采样率，根据奈奎斯特定律，音频频谱范围是采样率的一半。对于采样率较低的MP3音乐，其频谱是非常有限的，例如，22KHz的采样率，其频谱只是0-11KHz以内，没有11KHz以上高频信息。当用滤波器组想对11K以上频率进行处理时，就会没有任何效果，同时浪费CPU(处理器)运算量。
发明内容
本发明的目的，在于提供一种MP3解码过程中实现均衡器的方法，该方法是一种在MP3解码过程中同时实现音效的方法，该方法比现有技术能达到更好的均衡效果，同时又能大大降低便携式音频播放器的功耗。
本发明目的可通过以下的技术措施来实现：
一种MP3解码过程中实现均衡器的方法，其特征在于包括以下步骤：
(1)、MP3的音频码流，经过通用的MP3解码过程得到三十二子带，每个子带含三十六原始频域样本；当长窗时，所述三十六个原始频域样本平分相应子带的频宽的；当短窗时，所述三十六个原始频域样本被分成代表同一频带的三组，每组十二个原始频域样本，平分相应子带的频宽。
(2)、根据均衡模式需求，对指定频带范围对应的原始频域样本进行增益控制，计算增益控制后的频域样本；
(3)、对均衡增益控制后的子带频域样本继续解码，经过修正离散余弦逆变换和综合滤器组后，输出解码后的声音样本，并送数模转换器进行回放。
所述均衡模式需求为用户自定义或产品预定义的均衡模式需求。
所述步骤(2)中增益控制为提升或衰减或不变；所述增益控制的过程为：
A)、设置增益控制值与能量提升倍数的关系式：增益控制值＝20*lgX；X表示能量提升倍数；
B)、使用增益控制值与原始频域样本相乘运算计算增益控制后的频域样本。
所述能量提升倍数的取值范围为1/4至4之间；所述增益控制值的范围为-12dB至12dB之间。
所述计算增益控制后的频域样本的过程为：先将增益控制值转化为Q16定点数，增益控制后的频域样本＝(原始频域样本*Q16定点数)＞＞16，其中＞＞16表示取值右移16位。
本发明相对于现有技术具有以下有益效果：
1、均衡音效明显。采用滤波器组的均衡器方法，理想的IIR滤波器是不存在的，其理论上的滤波效果就会大打折扣。而本方法中的均衡器，直接在频域进行增益控制，能量的提升或衰减效果显著；
2、运算量低，降低功耗需求。传统的滤波器组的均衡器方法，有大量的乘加运算，以1个滤波器计算，每次输出一个时域声音样本，即5次乘法和4次加法，1帧MP3以2304个样本计算，就有2304×5次乘法和2304×4次加法，而通常一种EQ方式，至少需要2-3个滤波器进行不同频段的滤波，运算量就是前面的几倍。而本方法是直接在频域对每个需要进行增益控制的频域样本进行1次乘法和1次移位操作，就算对每个频域样本都进行增益控制，也就2304次乘法和2304次移位；而实际上通常要进行增益控制的频域样本数远远不到2304个。
3、对有效频带进行均衡处理，对低采样率的用例效果明显。传统的滤波器组的均衡处理方法，不考虑音源的实际采样率及其有效频谱范围，对0-20KHz范围内进行处理。而对于低采样率例如22050Hz的音乐，当用户想提升其高频，例如11KHz以上时，会发现操作无任何效果，因为音乐本身并无11KHz以上的信息。本方法根据音乐实际频谱，当客户想提升高频时，会相应地处理音乐有效频谱范围内的相对高频部分，给客户明显的听感差异。
附图说明
图1是本发明的MP3解码过程中实现均衡器的方法的流程图；
图2是一段原始音乐频谱图；
图3是图2所示的原始音乐经过本发明方法的音效处理后的频谱图。
具体实施方式
图1示出了本发明的MP3解码过程中实现均衡器的方法的流程图，本发明包括以下步骤：
(1)、MP3的音频码流，经过同步处理、头解析、侧信息解析、比例因子解码和哈夫曼解码后，得到量化后的频谱信息。再经反量化、频谱重新排序、立体声处理、混叠消除等通用的MP3解码处理后，得到32个子带，每个子带含36个原始频域样本；当长窗时，这36个原始频域样本平分相应子带的频宽的；当短窗时，这36个原始频域样本被分成代表同一频带的3组，每组12个原始频域样本，平分相应子带的频宽
例如，一个采样率48KHZ的MP3文件，经上述处理后，得到32个子带频谱，每个子带的带宽为24000/32＝750Hz；每个子带视不同加窗长度，进一步被等分为36或12个频域样本，每个频域样本的带宽(即频域分辨率)为750Hz/36＝20.83Hz或750Hz/12＝68.5Hz。
(2)、根据均衡模式需求，对指定频带范围对应的原始频域样本进行增益控制，计算增益控制后的频域样本；均衡模式需求为用户自定义或产品预定义的均衡模式需求。
本发明中的均衡器根据用户自定义或产品预定义的均衡模式(EQ模式，如流行、爵士等)，对特定的频带范围频域样本进行增益控制。MP3解码器解出的频域样本是按其频率从低到高顺序排列，根据每个频域样本带宽，即可定位指定频带范围对应的频域样本，例如对于48KHz采样率的歌曲，前面提到其每个频域样本的带宽为20.83Hz(长窗)，则其前10个频域样本的频带范围为0-208Hz，如果要对0-208Hz的频带范围内进行相同幅度能量提升或衰减，就可直接对前面10个频域样本进行如下具体的定点运算处理。增益控制为提升或衰减或不变；增益控制的过程为：
A)、设置增益控制值与能量提升倍数的关系式：增益控制值＝20*lgX；X表示能量提升倍数；能量提升倍数的取值范围为1/4至4之间；增益控制值的范围为-12dB至12dB之间。
增益(Gain)一般用分贝(dB)表示，Gain＝20*lgX，X代表能量提升倍数。例如，X＝2时，Gain＝20×lg2＝6dB；X＝1/2时，Gain＝-6dB；X＝1时，Gain＝0dB。业内普遍认为均衡器控制的增益为-12dB至12dB之间，即1/4至4倍即可满足各种均衡处理需要。我们也将增益控制在-12dB至12dB以内。下面是能量增益与能量提升倍数关系：
B)、使用增益控制值与原始频域样本相乘运算计算增益控制后的频域样本，计算过程为：先将增益控制值转化为Q16定点数，增益控制后的频域样本＝(原始频域样本*Q16定点数)＞＞16，其中＞＞16表示取值右移16位。
MP3定点解码过程中，频域样本是以32位的整型数表示的，进行增益控制时也得进行定点运算，不能直接乘以浮点数，所以要将浮点数转定点数。由于浮点范围为0.25-4，将增益定义成S15.16即Q16的整形数即可满足精度需求。如表中Q16定点数即为相应dB增益需求时，用于与频域样本进行相乘运算。相乘运算后的结果需要再右移16位，就获得了增益控制后的频域样本。即增益控制后的频域样本＝(原始频域样本*Q16定点数)＞＞16。
(3)、对均衡增益控制后的子带频域样本继续解码，经过修正离散余弦逆变换和综合滤器组后，输出解码后的声音样本，并送数模转换器(DAC)进行回放。
下面以常见的摇滚音效模式为例来说明本发明方法的具体使用过程，图2为一段原始音乐频谱图，本具体实施例中的MP3为48K采样率，结合图1的流程图，均衡处理效果如图3所示：
摇滚模式要求频谱的高低两端提升很大，低音让音乐强劲有力，节奏感很强，高音部分清晰。可对整个频带分3个子频带进行如下增益控制：子频带0：0-700Hz，提升6分贝；子频带1：700-3KHz，衰减3分贝；子频带2：3KHz以上，提升4分贝。步骤如下：
1、MP3以帧为单位进行解码，包括头解析、哈夫曼解码、反量化、立体声处理等，每帧经上述处理后得到1152个频域样本，表示为xr[0...1151]。
2、根据每个频域样本的频带宽度确定3个子频带对应的频域样本。以长窗为例，子频带0基本对应第0-33个频域样本(xr[0...33]，实际频谱范围为0-708.22Hz)；子频带1基本对应第34-143个频域样本(xr[34...143]，实际频谱范围为708.22-2999.52Hz)；子频带2基本对应第144-1151个频域样本(xr[144...1151]，实际频谱范围为2999.52-24000Hz)。
3、对子频带0提升6分贝，查表1，得6分贝对应的Q16定点数为130761，故xr[i]＝(xr[i]×130761)＞＞16，i＝0，……，33
对子频带1衰减3分贝，查表1，得-3分贝对应的Q16定点数为46395，故xr[i]＝(xr[i]×46395)＞＞16，i＝34，……，143
对子频带2提升4分贝，查表1，得4分贝对应的Q16定点数为103867，故xr[i]＝(xr[i]×103867)＞＞16，i＝144，……，1151
Figure GSA00000076279600071
表1能量增益与能量提升倍数关系表
4、对处理后的频域样本进行MP3解码的后续处理，经过IMDCT(修正离散余弦逆变换)和综合滤器组后，输出解码后的声音样本，并送DAC回放。
综上所述，本发明方法在MP3解码过程中实现中，插入了均衡器的处理过程。其中，增益控制值的计算过程当然也可以采用其他类似方法实现，亦都属于本发明方法的保护范围。

Claims (6)

1.一种MP3解码过程中实现均衡器的方法，其特征在于包括以下步骤：
（1）、MP3的音频码流，经过通用的MP3解码过程得到子带，每个子带含原始频域样本；
（2）、根据均衡模式需求，对指定频带范围对应的原始频域样本进行增益控制，计算增益控制后的频域样本；
（3）、对均衡增益控制后的子带频域样本继续解码，经过修正离散余弦逆变换和综合滤器组后，输出解码后的声音样本，并送数模转换器进行回放；
所述计算增益控制后的频域样本的过程为：先将增益控制值转化为Q16定点数，增益控制后的频域样本＝（原始频域样本*Q16定点数）>>16，其中>>16表示取值右移16位。
2.根据权利要求1所述的MP3解码过程中实现均衡器的方法，其特征在于：所述MP3解码过程得到的子带数量为三十二个，所述每个子带含原始频域样本的数量为三十六个。
3.根据权利要求2所述的MP3解码过程中实现均衡器的方法，其特征在于：当长窗时，所述三十六个原始频域样本平分相应子带的频宽的；当短窗时，所述三十六个原始频域样本被分成代表同一频带的三组，每组十二个原始频域样本，平分相应子带的频宽。
4.根据权利要求1所述的MP3解码过程中实现均衡器的方法，其特征在于：所述均衡模式需求为用户自定义或产品预定义的均衡模式需求。
5.根据权利要求1所述的MP3解码过程中实现均衡器的方法，其特征在于：所述增益控制为提升或衰减或不变；所述增益控制的过程为：
A）、设置增益控制值与能量提升倍数的关系式：增益控制值=20*lgX；X表示能量提升倍数；
B）、使用增益控制值与原始频域样本相乘运算计算增益控制后的频域样本。
6.根据权利要求5所述的MP3解码过程中实现均衡器的方法，其特征在于：所述能量提升倍数的取值范围为1/4至4之间；所述增益控制值的范围为-12dB至12dB之间。
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