CN102272833A - 一种音频设备及其信号处理方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种音频设备(1)及其信号处理方法，其中消除了可能在音频信号中的包边界处发生的失配，其中通过利用基频缺失现象而以包处理该音频信号并且通过将这些包连结而再次形成该音频信号。

Description

一种音频设备及其信号处理方法
技术领域
本发明涉及一种在处理音频信号时利用基频缺失(missing fundamental)现象的音频设备。
背景技术
音频设备将具有诸如音乐和语音的内容的电音频信号转换为可听声音。这些设备包括实现所述转换的电声换能器，诸如扬声器。电声换能器在特定的频率范围中操作并且不能将该频率范围之外的音频信号转换为声音。当需要产生特别具有低频的低音声音时，这种情况不利地影响声音质量。这是因为换能器具有特定的低截止频率并且不能将低于该频率的音频信号转换为声音。用于克服该问题的解决方案之一是利用引起心理声学效果的基频缺失现象。所述基频是由仪器产生的最低频率。除了基频之外，还产生了该基频的谐波。根据基频缺失现象，即使在产生的声音中不存在音频信号的基频，听众也听到基频的谐波并且因此看上去像(supposedly)听到相同的基频。在音频信号中存在一个以上的基频，在该音频信号的内容中存在一个以上同时演奏的仪器。基频缺失现象对音频信号也有效，在该音频信号的内容中存在一个以上的基频。换句话说，即使在产生的声音中不存在有关的基频，听众也听到这些基频的谐波并且感知相同的基频。
在产生基频缺失效果时，抑制存在于音频中的并且低于电声换能器的截止频率的一个或多个基频，并且增加该一个或多个基频的谐波的幅度，并且将处理的音频信号施加到电声换能器。因此，将不能产生低于截止频率的一个或多个基频的电声换能器产生该一个或多个基频的谐波，并且因此以心理声学的方式给听众产生收听相同的一个或多个基频的效果。在利用所述现象的解决方案中所广泛使用的方法是：通过各种方法将数字音频信号分离成包，并且分离地处理每个包。通过将这些包再次连结，以包处理的音频信号随后被带到最终状态。然而，在以电声的方式将处理的包再次连结时，在顺序的包之间可能发生一些失配。这种失配有时处于可听水平并且扰乱听众。
在现有技术水平的美国专利文件号US6370502中，描述了一种用于消除处理的音频信号包之间的中断的方法。在该发明中，描述了通过使用缓存器借助于小波变换技术来消除量化引起的块中断。
发明内容
本发明的目的是实现一种提高其低音性能的音频设备。
根据为了达到本发明的目的而实现的音频设备及信号处理方法，借助于模拟/数字转换器将模拟音频信号转换为数字信号并且借助于处理器对其进行处理，其中在第一权利要求及其相应的权利要求中说明了该音频设备及信号处理方法。作为这些过程的结果，提供了一种具有基频缺失效果并且消除了其包之间的失配的音频信号。
首先在处理器中将数字音频信号分离成n个包。随后，对这些包应用快速傅里叶变换(FFT)。按顺序确定每个包的一个或多个基频。为了产生基频缺失效果，在抑制一个或多个基频之后，确定这些一个或多个基频的谐波的新的幅度值。通过经过使用对有关谐波的频率特定的加权系数而将先前包中的有关谐波的幅度与正被处理的包中的该有关谐波的幅度关联，确定谐波的新的幅度值。因此，消除了包之间的失配，其中根据在产生基频缺失效果时一个或多个基频的谐波幅度的增加而可能在包边界处发生该失配。
附图说明
在附图中示出了为了达到本发明的目的而实现的音频设备，其中：
图1是本发明的音频设备的示意图。
图2是本发明的信号处理方法的数据流程图。
图3是示出了原始音频信号、其中根据现有技术产生基频缺失效果的音频信号、以及其中根据本发明产生基频缺失效果的音频信号的幅度-时间曲线图。
具体实施方式
在图中所示出的元件标号如下：
1.音频设备
2.模拟/数字转换器
3.处理器。
音频设备(1)包括模拟/数字转换器(2)和至少一个处理器(3)，该模拟/数字转换器(2)将模拟音频信号转换为数字音频信号(S)，该至少一个处理器(3)将数字音频信号(S)分离成包，对这些包应用快速傅里叶变换(FFT)，按顺序检测每个包的一个或多个基频；以及在抑制这些一个或多个基频以产生基频缺失效果之后，通过利用对有关谐波的频率特定的加权系数而将先前包中的有关谐波的幅度与正被处理的包中的该有关谐波的幅度关联，确定这些一个或多个基频的谐波的新的幅度值(图1)。
用于在音频设备(1)中产生基频缺失效果的音频处理方法包括以下步骤：
-将模拟音频信号转换为数字音频信号(S)(101)，
-将数字音频信号(S)分离成包(102)，
-对包应用FFT(103)，
-考虑到先前包，按顺序处理这些包以便产生基频缺失效果(104)；
-终止信号处理(105)
(图2)。
在音频设备(1)中，借助于模拟/数字转换器(2)将模拟音频信号转换为数字音频信号(S)(101)。在对数字音频信号(S)的处理中，这些过程此后借助于处理器(3)实现。数字音频信号(S)首先被分离成‘n’个包(102)。然后，对所有包应用FFT，并且将这些包从时域变换到频域(103)。
在对这些包应用FFT之后，按顺序处理频域中的包以产生基频缺失效果(104)。在该步骤中，在每个包中检测出不能转换为可听声音的一个或多个基频(例如，属于低音声音的低频)，并且从信号内容中移除这些一个或多个基频。然而，为了产生在提供给用户的声音中好像存在该内容的效果，借助于处理器(2)增加移除的一个或多个基频的谐波的幅度，并且产生基频缺失效果。在该步骤中(104)，为了消除根据改变谐波的幅度而可能在包边界发生的失配，不是像彼此独立的那样而是通过考虑到该包与先前包的关联来处理这些包。为了这个目的，使用以下公式来确定属于为产生基频缺失效果而抑制的一个或多个基频的谐波的幅度(104)：
F′n(i)＝(Fn-1(i)*(1-K(i)))+(Fn(i)*K(i))
公式中的“n”表示正被处理的包的序列号。“i”表示谐波，其中将在正被处理的包中确定该谐波的幅度。“Fn(i)”表示正被处理的包(n)的谐波(i)的FFT值，其中将确定该谐波(i)的幅度。“Fn-1(i)”表示在正被处理的包之前的包(n-1)中的谐波(i)的FFT值，其中将在正被处理的包(n)中确定该谐波(i)的幅度。“Fn′(i)”表示正被处理的包(n)的谐波(i)的新的FFT值，其中将确定该谐波(i)的幅度。FFT值对应于频域中的能量和对应于时域中的幅度。“K(i)”表示具有0和1之间的值并且根据谐波(i)的频率值确定的加权系数，其中将确定该谐波(i)的幅度。
厂商针对各种频率值或者范围预先确定加权系数K(i)。该系数是确定在包的处理期间将以什么程度考虑到先前包的系数。在值K(i)接近0时，正被处理的包的第i个谐波的新值接近先前包中的有关谐波的值。类似地，在值K(i)接近1时，正被处理的包的第i个谐波的新值接近正被处理的包中的有关谐波的值。在按顺序处理每个包并且产生基频缺失效果之后，信号处理操作终止(105)。
通过连结处理的包而提供的处理的音频信号(S”)已准备好被传送到将该信号(S”)转换为可听声音的单元或者装置。
在产生基频缺失效果(104)时，借助于通过一起评估来处理顺序包，防止可能在包边界处发生的失配。因此，在由正被再次连结的包形成的音频信号(S”)中，防止在包连结区域处的突然幅度改变(S’)和在提供给用户的声音中的相对不期望的噪声(图3)。根据本发明的音频设备(1)和信号处理方法；在处理器(2)中被处理之后，在处理器(2)输入端的未经处理的音频信号(S)变为具有基频缺失效果并且其中消除了可能在包的连结期间发生的失配的信号(S’)。

Claims (3)

1.一种音频设备(1)，包括将模拟音频信号转换为数字音频信号(S)的模拟/数字转换器(2)，其特征在于至少一个处理器(3)，
-该至少一个处理器(3)将该数字音频信号(S)分离成包；
-该至少一个处理器(3)对这些包应用快速傅里叶变换(FFT)；
-该至少一个处理器(3)按顺序检测每个包的一个或多个基频；以及，在抑制这些一个或多个基频以产生基频缺失效果之后，该至少一个处理器(3)通过利用对该有关谐波的频率特定的加权系数来将先前包中的有关谐波的幅度与正被处理的包中的该有关谐波的幅度关联而确定这些一个或多个基频的谐波的新的幅度值。
2.如权利要求1所述的音频设备(1)，其特征在于处理器(3)根据以下公式F′n(i)＝(Fn-1(i)*(1-K(i)))+(Fn(i)*K(i))通过使用以下参数来确定属于正被处理的包(n)中的频率之一或者基频的谐波(i)的新的FFT值(Fn′(i))，并且将确定该谐波(i)的新的幅度：
-该谐波(i)的当前FFT值(Fn(i))，其中将在该正被处理的包(n)中确定该谐波(i)的新的幅度；
-在该正被处理的包之前的包(n-1)中的谐波(i)的FFT值(Fn-1(i))，其中将在该正被处理的包(n)中确定该谐波(i)的幅度；
-加权系数(K(i))，该加权系数(K(i))由厂商针对各种频率值或者频率范围预先确定并且在0和1之间变化。
3.一种用于如权利要求2所述的音频设备(1)的信号处理方法，其特征在于以下步骤：
-将模拟音频信号转换为数字音频信号(S)(101)，
-将该音频信号(S)分离成包(102)，
-对包应用FFT(103)，
-考虑到先前包，按顺序处理这些包以便产生基频缺失效果(104)；
-终止信号处理(105)。
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