CN102474232B - 增加扬声器感知响度的系统 - Google Patents

Abstract

提出了一种用于增加音频信号响度的系统，以向收听者展现大于扬声器本来提供的响度的感知响度。所述系统可以包括以下的一个或多个：频率抑制器、响度调节器、均衡器和失真控制模块。所述频率抑制器可以通过滤出低频和/或高频来增加音频信号中的净空空间。所述响度调节器可以计算音频信号的响度，并且向所述音频信号施加增益以增加响度。所述均衡器还可以通过对扬声器的频率响应的通带部分进行衰减来进一步增加净空空间。失真控制模块可以在音频信号中感应部分谐波失真以进一步增加响度。

Description

增加扬声器感知响度的系统

背景技术

便携媒体设备的物理尺寸限制通常使得这些设备中的扬声器的尺寸相当小。小扬声器驱动器遭受到低输出级别，并且通常不能再现整个可听频率范围。当增加幅度时，引入失真并且消耗了更多的电池功率。其中典型地使用这些设备的噪声环境只对于这些问题有贡献。

与源自这些设备的低级别相抗争的现有解决方案倾向于包括添加诸如外部扬声器之类的硬件。这些解决方案或者通过增加已经仔细设计为较小的设备体积或者通过在消费者周围携带大量小器具而与便携性观念背道而驰。

发明内容

在特定的实施例中，提出了一种用于增加音频信号的响度的系统，以向收听者展现比扬声器本来提供的响度更大的感知响度。所述系统可以包括以下的一个或两个：频率抑制器、响度调节器、均衡器和失真控制模块。所述频率抑制器可以通过滤出低频和/或高频频率来增加音频信号中的净空空间。所述响度调节器可以计算音频信号的响度，并且向所述音频信号施加增益以增加响度。所述均衡器还可以通过对扬声器频率响应的通带部分进行衰减来增加净空空间。所述失真控制模块可以在音频信号中感应部分谐波失真来进一步增加响度。

在特定的实施例中，一种用于增加音频信号响度的系统包括：频率抑制器，具有一个或多个滤波器，所述滤波器可以通过对电子音频信号的低频和高频进行滤波以产生第一滤波的音频信号来增加电子音频信号中的净空空间，其中所述低频和高频是实质上通过扬声器不能再现的。所述系统还可以包括响度调节器，所述响度调节器具有响度分析器，所述响度分析器可以利用一个或多个处理器、至少部分地通过利用一个或多个响度滤波器对第一滤波的音频信号进行处理来计算第一滤波的音频信号的响度，所述响度滤波器可以对人类听觉系统进行近似。响度分析器还可以将计算的响度与响度基准级别进行比较。所述响度调节器还可以包括增益控制模块，所述增益控制模块可以计算将要施加至第一滤波的音频信号的一个或多个增益，并且将所述一个或多个增益施加至第一滤波的音频信号以产生放大的音频信号。所述一个或多个增益的这种计算可以是至少部分地基于计算的响度和响度基准级别之间的差。所述系统还可以包括失真控制模块，所述失真控制模块可以通过至少将第一滤波的音频信号的一个或多个采样映射到在正弦和表中存储的一个或多个值来在第一滤波的音频信号中感应出部分谐波失真。所述正弦和表可以根据低阶谐波之和来产生。

在特定的实施例中，一种增加音频信号的感知响度的方法可以包括：接收电子音频信号，并且使用一个或多个处理器利用频率抑制器对所述电子音频信号进行处理。所述频率抑制器可以对电子音频信号的低频和高频之一或两者进行滤波，以产生滤波的音频信号，使得所述滤波的音频信号具有增加的净空空间。所述方法还可以包括：至少部分地通过利用一个或多个响度滤波器对滤波的音频信号进行处理来估计滤波的音频信号的响度以产生音频信号的估计响度，所述响度滤波器可以对人类听觉系统进行近似。所述方法还可以包括至少部分地基于估计的响度来计算将要施加至滤波的音频信号的一个或多个增益。此外，所述方法可以通过向滤波的音频信号施加一个或多个增益来增加滤波的音频信号的响度。

在特定的实施例中，一种用于增加音频信号的响度的系统包括频率抑制器，所述频率抑制器具有一个或多个滤波器，所述滤波器可以通过对电子音频信号的低频和高频之一或两者进行滤波以产生第一滤波的音频信号来增加电子音频信号的净空空间，所述滤波的音频信号具有比所述电子音频信号更大的净空空间。所述系统也可以包括响度调节器，所述响度调节器具有响度分析器，所述响度分析器可以利用一个或多个处理器来估计滤波的音频信号的响度，并且将计算的响度与响度基准级别进行比较。所述响度调节器也可以具有增益控制模块，所述增益控制模块可以至少部分地基于计算的响度和响度基准级别之间的差来计算一个或多个增益，并且通过向滤波的音频信号施加所述一个或多个增益以产生放大的音频信号来增加滤波的音频信号的响度。

在特定的实施例中，可以提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读介质具有存储在其上的指令，所述指令引起一个或多个处理器执行增加音频信号的感知响度的方法。所述方法可以包括：接收电子音频信号，并且至少部分地通过利用一个或多个响度滤波器对电子音频信号进行处理来估计电子音频信号的响度以产生音频信号的估计响度，所述响度滤波器可以对人类听觉系统进行近似。所述方法还可以包括至少部分地基于估计的响度来计算将要施加至电子音频信号的一个或多个增益。所述方法还可以包括通过向电子音频信号施加一个或多个增益以产生放大的音频信号来增加电子音频信号的感知响度。此外，所述方法可以包括通过在放大的音频信号中感应部分饱和来增加信号能量，其中所述感应可以包括向放大的音频信号施加从谐波组合中得出的非线性变换。

在特定的实施例中，一种减小音频信号中的限幅的方法可以包括：接收输入音频信号；提供正弦和数据结构，所述正弦和数据结构具有由低阶谐波之和产生的值；以及利用一个或多个处理器使用所述正弦和数据结构将输入音频信号映射到输出音频信号，使得将至少一些低阶谐波叠加到输入音频信号。结果在特定的实施例中，输出音频信号的至少一部分具有比输入音频信号更大的能量。

在特定的实施例中，一种增加音频信号的响度的方法可以包括：接收电子音频信号，以及使用一个或多个处理器利用频率抑制器处理所述电子音频信号。所述频率抑制器可以对电子音频信号的低频和高频之一或两者进行滤波，以产生滤波的音频信号，使得所述滤波的音频信号相对于电子音频信号具有增加的净空空间。在特定的实施例中，所述频率抑制器不是分频滤波器。所述方法也可以包括至少部分地基于增加的净空空间来得出一个或多个增益以施加至滤波的音频信号，并且向滤波的音频信号施加一个或多个增益以增加音频信号的响度。

在特定的实施例中，一种增加音频信号的响度的方法包括：接收电子音频信号，并且提供具有频率响应的均衡滤波器，所述均衡滤波器可以对电子音频信号的通带区域进行衰减。所述通带区域可以与通过扬声器不能再现的扬声器频率响应的区域相对应。所述方法也可以包括使用一个或多个处理器向所述电子音频信号施加均衡滤波器，以增加所述电子音频信号中的净空空间。此外，所述方法可以包括使用电子音频信号中增加的净空空间来增加电子音频信号的响度。

为了总结本公开的目的，这里已经描述了本发明的特定方面、优点和新颖特征。应该理解的是根据这里公开的本发明任意具体实施例不必实现所有的这些优点。因此，可以按照实现这里所教导的一个优点或一组优点、而不必实现由这里所教导或建议的其他优点的方式来实现或执行这里所公开的本发明。

附图说明

贯穿附图，将参考数字重复用于表示参考元件之间的对应性。提供附图以说明这里描述的本发明实施例，但是不会限制本发明的范围。

图1示出了用于增加音频信号的感知响度的系统的实施例；

图2示出了图1系统的频率抑制器的实施例；

图3示出了在通过频率抑制器的频率抑制之前和之后的音频信号的示例频谱；

图4示出了图3的音频信号的示例时域表示；

图5示出了图1的系统的响度调节器的实施例；

图6示出了示例等响度曲线的图表；

图7示出了具有基于响度调节器的响度调节而增加的增益的音频信号的示例频谱；

图8示出了图7的音频信号的示例时域表示；

图9示出了图1系统的示例均衡器；

图10示出了图1系统的示例失真控制模块；

图11示出了正弦波的示例时域表示；

图12示出了图11的正弦波的示例频谱；

图13示出了限幅正弦波的示例时域表示；

图14示出了图13的限幅正弦波的示例频谱；

图15示出了与图14的限幅正弦波谱相比具有减小的谐波个数的示例频谱；

图16示出了与图15的频谱相对应的部分饱和波的示例时域表示；

图17示出了正弦和映射函数的实施例；以及

图18示出了音频信号的示例时域表示和失真受控的音频信号。

具体实施方式

I.介绍

移动电话和其他类似尺寸的装置倾向于具有较小的扬声器，所述较小的扬声器在它们产生的声音音量方面受限。在存在背景噪声的情况下，因此难以听到移动电话的对话、音乐和其他音频。

该公开描述了一种用于增加扬声器的感知响度的系统和方法。这些系统和方法可以用于引起扬声器发出比只增加音量可实现的更响亮的声音。在特定的实施例中，增加音频信号的净空空间以准备针对响度而调节所述音频信号。可以通过滤出扬声器不能再现的频率来增加净空空间，使得可以针对所述信号实现附加的放大级别。然后，可以根据一个或多个直观响度曲线来分析音频信号，以确定可以感知到音频信号的多大响度。在感知的响度可能较低的情况下，可以增加音频信号的至少一部分的增益。

为了进一步增加音频信号的响度，在特定的实施例中可以使用失真控制处理。失真控制处理可以通过感应选定的失真来向音频信号叠加额外的能量。在特定的实施例中，可以通过将音频信号映射到具有附加谐波但是比完全饱和信号更少谐波的输出信号来执行失真控制。

II.系统概述

图1示出了用于调节音频信号的感知响度的响度调节系统100的实施例。所述响度调节系统100可以在任意音频系统或基于处理器的系统中实现，例如移动电话、个人数字助手(PDA)、音乐播放器(例如MP3播放器)、电视，或者在任意计算装置中，例如膝上型计算机、台式计算机、平板计算机等。有利地在特定的实施例中，响度调节系统100可以引起扬声器发出比只通过增加音量可以实现的更响亮的声音。

响度调节系统100的所述实施例包括频率抑制器110、响度调节器120、均衡器130和失真控制模块140。这些部件的每一个均可以在具有硬件和/或软件的机器中实现。例如，可以在一个或多个处理器中实现这些部件。

频率抑制器110接收音频输入信号，并且可以滤出或者抑制音频输入信号的特定频率。例如，低频和高频信号是通过许多小扬声器或低质量扬声器不能再现或几乎不能再现的。如果将低频或高频声音提供给这种扬声器，即使这种声音听不见扬声器可能仍然试图再现所述声音。在试图再现这些频率时扬声器的不必要移动可能产生失真。

因此，在特定实施例中，频率抑制器110去除或者衰减了这些不能再现频率中的特定部分。通过滤出不能再现的频率，频率抑制器110可以减小失真并且也增加了音频信号的净空空间。音频信号的净空空间可以包括音频信号的峰值和音频信号的饱和点之间的差。在数字音频系统中，所述饱和点可以是0dB。在一些实施例中，频率抑制器110不会增加净空空间，但是减小了不能再现频率中的能量，允许通过响度调节器120将能量施加至更多可再现的频率。

频率抑制器110可以包括一个或多个滤波器(参见例如图2)以促进低频和/或高频的去除。这些滤波器的截止频率和其他滤波器特性可以是依赖于扬声器的，因为不同的扬声器能够再现不同的频率。可以通过实验为各种扬声器选择截止频率。例如，可以向扬声器提供测试信号，并且可以在频率响应中检测听得见的频率。因此，频率抑制器110可以为具体的扬声器而定制。频率抑制器110也可以基于响度调节系统100使用什么类型的扬声器来动态地调节滤波器。

在特定的实施例中，频率抑制器110可以用于滤出可再现的频率以提供附加净空空间。频率抑制器110甚至可以利用能够再现大多数频率的扬声器来可以执行这种滤波。增加的净空空间可以在潜在地无保真折衷的情况下允许更大的响度调节。在诸如移动电话应用之类的特定音频应用中这种折衷是可接受的。

一旦频率抑制器110已经从音频输入信号中滤出了特定的频率，响度调节器120可以使用新增加的净空空间来增加信号的响度。响度可以是人类听觉系统的属性，所述属性允许按照从安静到响亮的尺度对声音分类。感知的响度可以随频率而变化，与以分贝(dB)为单位测量的声压级别不同(参见图6)。在特定的实施例中，响度调节器120使用人类听觉系统的音质模型来确定滤波的音频信号的响度并且增加这种响度。

响度调节器120可以使用感知的响度信息来施加一个或多个增益，所述增益可以增加滤波的信号中的可再现频率区域的级别(例如平均级别)。在特定的实施例中，响度调节器120使用在2008年12月19日递交的题为“调节音频信号的感知响度的系统(System for Adjusting PerceivedLoudness of Audio Signals)”的美国专利申请No.12/340,364(下文中称作“364申请”)中描述的响度调节技术，将其公开全部结合在此作为参考。将与在“364申请”中描述的这些技术有关的更多细节具体地结合在下面作为参考。

在替代实施例中，响度调节器120可以无需确定感知的响度就向滤波的信号施加增益。这种增益可以是与通过频率抑制器110获得的净空空间的量大致相等。所述增益也可以大于或小于所述净空空间的值。

响度调节器120向均衡器130提供放大的信号。均衡器130可以是参量均衡器等，其包括一个或多个滤波器，用于补偿或试图补偿扬声器的频率响应中的不完整性。因为大多数扬声器不会对于所有听得见的频率表现出理想的平坦频率响应，均衡器130可以将扬声器的频率响应中的峰值和谷值变平，以便使得所述扬声器表现得如同其具有更加理想的响应。

在一些实施例中，均衡器130的一个或多个滤波器的参数可以通过实验来选择，例如中心频率、滚降、增益等。例如，可以向扬声器提供测试信号，并且可以在频率响应中检测峰值和谷值。可以选择滤波器参数以便补偿峰值和谷值。均衡滤波器130可以包括多个频带，每一个频带均具有可能不同的增益，例如所述增益可以是峰值和/或谷值的倒数，以便产生更平坦的响应。均衡器130能够至少部分地基于响度调节系统100使用的扬声器的类型来动态地选择滤波器参数。那么，当响度调节器120向均衡器130提供放大的音频信号时，均衡器130可以施加在扬声器测试阶段产生的一个或多个滤波器。

在特定的实施例中，所述失真控制模块140还增加了音频信号中的能量以引起信号发声更大。所述失真控制模块140可以通过增加音频信号的特定部分的幅度并且通过向音频信号的特定部分施加选定的失真来增加信号能量。所述失真控制模块140可以通过在音频信号中感应谐波来提供选定的失真。然而在特定的实施例中，所述失真控制模块140在音频信号中感应比完全饱和或限幅信号中存在的更少的谐波。因此在特定的实施例中，失真控制模块140使用软限幅的形式来增加信号能量。

在一个实施例中，失真控制模块140使用映射表等将输入采样映射为输出映射。失真控制模块140可以针对幅度相对较低的采样线性地或近似线性地映射所述信号，例如不接近峰值(例如0dB)的采样。线性映射可以增加这些采样的幅度。对于接近峰值的采样，失真控制模块140可以非线性地映射所述采样以感应出一些而非全部谐波失真。

结果在特定的实施例中，失真控制模块140可以将音频信号变换为具有一些而不是过多失真的更响亮的音频信号。在一些失真相对于更大响度中的折衷对于一些收听者来说是可以理解的。例如，当收听者使用具有小扬声器的电话时，失真控制模块140可以引起声音更大的语音对话，而几乎不会或不会减小音频质量。

失真控制模块140也可以用于减小或软化已经饱和的信号中的限幅。例如，饱和或限幅可能是由均衡器130和/或响度调节器120引起的。失真控制模块140可以对限幅进行软化以减小至少一些失真，同时也保留了由响度调节器120和/或均衡器130提供的至少一些增加的信号能量。

在一些实施例中可以改变相对于图1如上所述的特征。例如，均衡器130可以用于进一步减小扬声器的频率响应中的谷值，来代替补偿所述谷值。扬声器响应中的谷值可以表示扬声器不能再现的频率区域。为了节省附加的能量和/或净空空间，均衡器130可以进一步衰减谷值。结果，所述扬声器几乎不能或不能产生用于那些频率的能量。另外，均衡器130可以放置在频率抑制器110和响度调节器120之间，来代替放置在响度调节器120之后。因此，由均衡器节省的能量可以被响度调节器120使用来增加音频信号的其他更多可再现频率的响度。所得到的输出信号可以不具有音频保真度，但是可以发声更响亮，其中这对于电话应用是有用的。

在替代实施例中，可以从响度调节系统100中完全地去除均衡器130。类似地，在特定的实现中可以不包括所示部件的任一个。例如，可以将所述响度调节器120用总增益来代替，所述总增益可以至少部分地基于由频率抑制器110和/或均衡器130节省的能量的量。此外在一些示例中，可以将响度调节器120和/或失真控制模块140用限幅器或动态范围压缩器来代替。也可以使用许多其他结构。

现在将更加详细地描述响度调节系统100的所示部件的示例实现。

III.频率抑制

参考图2，示出了频率抑制器210的示例实施例。频率抑制器210可以包括相对于频率抑制器110所述的所有特征。频率抑制器210可以实现为硬件和/或软件。

有利地，在特定的实施例中，频率抑制器210去除或者减小输入信号220的特定不可再现频率，从而在输入信号中增加了净空空间并且减小了失真。因此，在特定的实施例中，频率抑制器210将表示物理音频信号的数据变换为表示具有增加净空空间的另一物理音频信号的数据。此外，在特定的实施例中，频率抑制的另一种潜在优势是不能猛烈地驱动提供给扬声器放大信号的模拟放大器。

频率抑制器210包括滤波器212、214，用于抑制或减小输入信号202的频率内容。在所示实施例中，这些滤波器212、214包括高通滤波器212和低通滤波器214。高通滤波器212对输入信号202的低频进行衰减而低通滤波器214对输入信号202的高频进行衰减以产生输出信号226。可以颠倒这两个滤波器212、214的顺序。此外，可以使用带通滤波器来代替所示的两个滤波器212、214。

滤波器控制器222可以至少部分地基于从数据存储库224获得的扬声器数据来动态地调节滤波器212、214的截止频率、阶数和其他参数。数据存储库224可以包括与不同扬声器相对应的一个或多个滤波器参数表。可以通过测试各种扬声器来获得这一数据。可以通过向扬声器施加典型噪声信号等、然后使用麦克风测量扬声器的输出来测试所述扬声器。然后可以对所得到的频率响应进行分析以确定哪一个截止频率、滤波器阶数和/或其他滤波器参数在减小不可再现频率时有效。

因此，所述滤波器控制器222可以至少部分地基于频率抑制器210使用的扬声器的类型来从扬声器数据中选择合适的截止频率、滤波器阶数和其他参数。可以通过合并了所述频率抑制器210的装置的制造商将与所使用的扬声器类型有关的信息提供给滤波器控制器222。可以向用户接口提供响度调节系统100，例如，所述用户接口允许制造商或用户调节响度调节系统100中的频率抑制器210和其他部件的各种参数。在替代实施例中，可以利用特定介质频率和/或滤波器阶数对滤波器212、214进行硬编码，并且在频率抑制器210中不包括滤波器控制器222。

在特定的实施例中，频率抑制器210不是分频滤波器。而分频滤波器通常用于将音频信号分为可以由不同扬声器处理的分离频带，在特定的实施例中使用频率抑制器210来对将提供给单独扬声器的音频信号进行滤波。当驱动单独的扬声器时，当前可用的装置可能不会从音频信号中去除不可再现的频率。然而，在特定的实施例中，频率抑制器210有利地去除了这些频率和/或其他频率，从而增加了当前可用的单独扬声器实现上的净空空间。此外，将分频滤波器典型地用作音频系统中的最后(近似最后)音频级，通常直接向扬声器提供滤波的信号。相反，在特定的实施例中，频率抑制器210是音频系统中更早的级，例如如图1所示。

图3和图4示出了频率抑制器的输入和输出信号的示例曲线300、400，例如频率抑制器110或210。参考图3，示出了输入信号频谱302和输出信号频谱304的示例曲线300。输入信号频谱302包括通过给定扬声器不能再现的低频302a和高频302b中的能量。已经通过频率抑制器110或210在输出频谱304中衰减了不能再现的低频和高频302a、302b。去除或衰减这一能量可以增加输出信号的净空空间。

在图4中示出了这些信号的时域表示。在图4的曲线400中，输入信号402与输入信号谱302相对应，输出信号404与输出信号谱304相对应。可以看出，已经将输入信号402的峰值级别406和平均级别减小为输出信号404中的峰值级别408和平均级别。这种附加的净空空间留下了更大的空间来增加输出信号404的可再现谱的音量。

IV.响度调节

使用频率抑制器110或210提供的附加净空空间可以增加音频信号的响度。图5示出了响度调节器520的更详细示例，其可以具有上述响度调节器120的所有特征。响度调节器520可以实现为硬件和/或软件。有利地，在特定实施例中，响度调节器520可以向音频信号施加一个或多个增益，所述增益增加了收听者感知的信号响度。因此在特定实施例中，响度调节器520将表示物理音频信号的数据变换为表示具有增加响度的另一物理音频信号的数据。

人类听觉系统通常对于中音频率(例如250Hz-5000Hz)敏感。当诸如低音声音和中音声音之类的两个声音在按照分贝测量的相同级别或声压级别(SPL)(dB SPL)播放时，收听者可以感知到中音声音更响亮。图6的图表600说明了示例等响度曲线602，其说明了低频(20Hz)如何需要附加的50dB SPL以便人们将其感知为相对于300Hz的中音频率相等的响度。非常低频率的音调不能向某人发出如同中音或者甚高频音调的事实意味着诸如300Hz的中音信号可以在感知大于20Hz信号的响度时具有更大的效果。因此在一些实现中，响度调节器520强调了中音频率来增加响度的感知。

再次参考图5，可以将频率抑制器的输出信号226作为输入信号502提供给响度调节器520。响度调节器520的所示实施例包括响度分析器514和增益控制模块516。响度分析器514可以估计输入信号502的响度。在特定的实施例中，响度分析器514使用人类听觉系统的非线性多频带模块来分析音频输入信号502的响度特性。这一模型可以至少部分地通过向输入信号202施加一个或多个响度滤波器来对人类外围听觉系统的滤波器组行为进行仿真。在实施例中，响度分析器514可以使用在“364申请”的段落0069-0083中描述的响度计算技术的一些或全部，因此这些段落具体地合并在此作为参考。例如，响度分析器514可以对一个或多个伽马音调滤波器进行近似，并且使用指数定律函数来估计响度。

响度分析器514可以对输入信号502的采样块进行操作。响度分析器514可以针对每一个采样块估计响度。响度分析器514可以将所述采样块的估计响度与基准响度级别进行比较。所述基准响度级别可以是峰值允许响度级别，其在一些数字系统中可以是0dB。如果估计的响度不同于基准响度级别，所述响度分析器514可以输出估计的响度和基准级别之间的级别差。增益控制模块516可以使用这一级别差来向音频输入信号502施加一个或多个增益，例如经由乘法块524。在一些实施例中，增益控制模块516可以使用在“364申请”中的0084-0091段中描述的增益控制技术的一些或全部，将其具体地全部结合在此作为参考。例如，增益控制模块516可以基于改变响度级别来动态地产生增益系数，并且可以平滑所述增益系数以避免增益突变。

因此在特定的实施例中，所述响度调节器520估计响度，并且根据频率计算一个或多个增益。响度调节器520然后可以向采样块中的每一个采样施加所述一个或多个增益。因此，可以在时域中施加所述增益。在替代的实施例中，响度调节器520可以将输入信号502分为频带，并且向各种频带施加不同的增益。在另一实施例中，响度调节器520可以向输入信号502施加增益，其是大约与由频率抑制器110或210提供的净空空间增加相同的值。

可以在响度调节器520中包括附加的特征来减小计算资源的使用。例如，在一些实施例中可以提供在“364申请”中描述的预处理模块。这里将描述预处理模块实施例的0030和0040至0044段具体地全部结合在此作为参考。类似地，可以提供其他修改和特征。

当通过增益控制模块516施加增益时，可以将可再现频率区域的总平均级别增加特定的dB。替代地，可以按照与其他部分不同的级别来增加可再现频率区域的部分。在图7中，曲线700示出了与图3的原始频率谱302相比频率谱704的示例升高可再现区域706。图8示出了曲线800，其中曲线800示出了图7的音频信号的示例时域表示。在图8中，原始信号402示出为在响度调节的信号810以上。可以看出，响度调节信号812的峰值级别812已经恢复以匹配原始信号的峰值级别406，但是信号的平均级别已经增加。因此，收听者感知的响度可以增加。

V.均衡

图9示出了示例均衡器930，其可以具有上述均衡器130的所有特征。均衡器930可以实现为硬件和/或软件。有利地在特定实施例中，均衡器930可以向音频信号施加一个或多个增益，所述增益可以补偿或试图补偿扬声器频率响应中的不完整性。替代地，均衡器930可以施加一个或多个增益，所述增益可以进一步地衰减扬声器的频率响应中的谷值。

均衡器930可以是参量均衡器等，其包括一个或多个均衡滤波器912。在一种实现中，均衡器滤波器912可以向从响度调节器120或520接收的输入信号902施加一个或多个滤波器，所述响度调节器可以将扬声器频率响应中的峰值或谷值变平。结果，滤波器912可以施加增益，所述增益增加和/或衰减输入信号902的频率谱的一部分。例如，滤波器912可以向谷值施加增益，所述增益将谷值增加到峰值水平。

一个或多个均衡滤波器912可以包括一个或多个带通滤波器，例如使用四次幂无限冲击响应(IIR)滤波器等来实现所述带通滤波器。一个或多个均衡滤波器912可以代替地包括在2008年3月7日递交的题为“频率翘曲音频均衡器(Frequency-Warped Audio Equalizer)”的美国专利公开No.2008/0240467中描述的一个或多个均衡滤波器，将其公开全部结合在此作为参考。也可以使用其他类型的均衡滤波器。

参数选择器914可以至少部分地基于在数据存储库916中存储的扬声器数据，针对一个或多个均衡滤波器912提供滤波器参数，例如增益系数、中心频率等。在一些实施例中，可以通过实验选择这些扬声器参数。例如，可以向扬声器提供测试信号，并且可以在频率响应中检测峰值和谷值的频率和幅度。可以选择滤波器参数以便补偿所述峰值和谷值。参数选择器914可以再次在选定的中心频率处选择增益，所述增益是峰值和/或谷值的倒数以便产生平坦的响应。

参数选择器914能够至少部分地基于所使用扬声器的类型来动态地选择滤波器参数。可以通过合并了混衡器930的装置的制造商将与所使用的扬声器的类型有关的信息提供给参数选择器914。在替代的实施例中，利用特定的滤波器参数来对均衡滤波器912进行硬编码，并且在均衡器930内不包括参数选择器914。

在替代的实施例中，均衡器930可以代替地用于进一步衰减扬声器的频率响应中的谷值，来代替增加谷值的增益。例如，均衡器930可以对扬声器的频率响应的通带范围中的频率进行衰减。对谷值进行衰减允许获得附加的能量和/或净空空间。结果，扬声器几乎不能或不能产生用于那些频率的能量。例如，参数选择器914可以在选定的中心频率处选择增益对谷值进行衰减。可以对一个或多个均衡滤波器912代替地利用合适的增益进行硬编码。由均衡器930节省的能量可以由响度调节器120来使用，以增加音频信号的其他更容易再现频率的响度。所得到的输出信号可以不具有音频保真度，但是可以发声更大，这是对于诸如响音声调、语音等之类的一些音频信号的所需结果。

此外在一些实现中，代替对谷值进行衰减或除了对谷值进行衰减之外，均衡器930对扬声器的频率响应中的一个或多个峰值进行衰减。衰减一个或多个峰值也可以增加净空空间。

VI.失真控制

图10示出了失真控制模块1040的更详细的实施例，其具有上述失真控制模块140的所有特征。失真控制模块1040可以实现为硬件和/或软件。在特定的实施例中，失真控制模块1040可以在音频信号中感应选定的失真以增加信号能量，并且因此增加响度。这种选定的失真可以是受控的失真，所述受控的失真增加了比完全饱和的信号中存在的更少的谐波。

如上所述，失真控制模块1040可以至少部分地通过将输入采样映射到输出采样中来感应选定的失真。失真控制模块1040可以通过使用输入信号1002的采样作为正弦和表1014的索引来执行这种映射。正弦和表1014可以包括通过对谐波相关正弦波求和而产生的值。

为了进行说明，如果输入信号702包括具有值m的采样，失真控制模块1040可以在正弦和表1014中的索引m将输入采样映射到输出采样中。如果输入信号1002的采样落在表1014的索引值之间，失真控制模块1040可以篡改索引值。使用篡改可以允许减小正弦表1014的尺寸以便节省存储器。然而在特定实施例中，可以将正弦和表1014设计为足够大以避免篡改的使用。失真控制模块1040可以使用正弦和表1014的映射输出值作为用于输出信号1022的输出采样。

可以将正弦和表1014实现为任意数据结构，例如阵列、矩阵等。可以将表1014产生为包括任意个数的谐波正弦波，包括奇次谐波、偶次谐波或两者的组合。在特定的实施例中，奇次谐波为语音音频信号提供良好的失真控制。可以在其他实现中使用偶次谐波，并且其对于减小音乐信号中的限幅是良好的。奇次谐波或偶次谐波均可以用于混合的语音和音乐信号。然而，这些只是说明性示例，奇次谐波、偶次谐波或这两者均可以用于任意应用。

当将更多正弦波用于产生表1014时，信号能量和失真中的潜在增加更大，反之亦然。因为使用大量正弦波可能导致显著的谐波失真，在特定的实施例中，将相对较小数量的低频正弦波有益地用于构建正弦和表1014。

例如，可以根据两个或三个谐波相关正弦波、四个正弦波、五个正弦波或多个正弦波来构建表1014。可以将多个正弦和表1014存储在存储器中，并且可以由失真控制模块1040用于不同的目的。例如，具有更多谐波的正弦和表1014可以用于语音信号，而具有更少谐波的表1014可以用于音乐以几乎不产生失真。

失真控制模块1040也可以提供用户接口，所述用户接口向用户提供失真控制以调节信号能量增加和/或失真的量。例如，可以提供图形滑动窗口、旋钮等，或者用户能够按压物理或软按钮来调节所施加的能量增加或衰减的量。增加失真控制可以引起使用具有更多谐波的表，反之亦然。

现在将描述使用三个奇次谐波相关正弦波来产生正弦和表1014的示例过程。在该示例中，可以通过用正弦波一个周期的值(例如从0幅度到2π)累积选定大小的第一表来产生所述正弦和表1014。累积大小N的表(N是整数)可以包括将正弦波的一个周期分为N个值，并且将所述N个值分配给表中的N个位置。这种第一正弦波表可以表示基波或一次谐波。

可以按照类似的方式用正弦波的三个周期来累积与第一表相同大小的第二表，通过将三个正弦周期分为N个值。第二表中的值可以表示第一正弦波的三次谐波。类似地，可以用正弦波的五个周期累积与前两个表相同大小的第三表，表示五次谐波。可以按照需要缩放所述第一、第二和第三表中的值。例如，可以将第二表中的值缩小为比第一表中的值更小的幅度，并且可以将第三表中的值缩小为包括比第二表更小的值。

因为在特定的实施例中三个表是相同的大小(例如具有相同个数的N个条目)，可以将三个表中的相应索引中的值求和以产生新的正弦和表1014，所述正弦和表包括一次、三次和五次谐波之和。因此，如果人们想要绘制正弦和表1014中的值，在特定的实施例中，将示出求和的波的一个周期的近似。在特定的实施例中，使用的正弦波越多，这样绘制的波将看起来越像方波。在各种实施例中，可以按照与针对三个奇次谐波所述的类似方式来构建具有不同谐波的其他正弦和表。替代地，除了完整周期之外可以使用正弦波周期的一部分来构建正弦和表1014。

当失真控制模块1040将来自输入信号1002的采样映射到正弦和表1014中时，表1014中的谐波的频率可以依赖于表的查找速率，所述查找速率进而可以依赖于输入信号的频率。在特定的实施例中，这种频率依赖性由失真控制模块1040按照与输入信号1002的频率相同速率或其附近的速率执行的查找表操作产生。

为了说明，对于具有给定频率的简单正弦波输入信号1002，失真控制模块1040可以按照相同的频率执行映射操作。所得到的谐波将具有依赖于正弦波频率的特定频率。因此，将正弦波的频率加倍将会使谐波的频率加倍。对于包括叠加的多个频率的输入信号1002，失真控制模块1040的映射导致谐波的叠加。

图11至17示出了失真和正弦波之和的示例。作为参考，图11示出了正弦波1102的示例时域曲线1100。示出了没有限幅的正弦波1102的峰值级别1104。正弦波1102的峰值级别1104在0db处，在一些实施例中这可以是可能的峰值数字级别。图12示出了示例曲线1200，所述曲线示出了图11的正弦波1102的频谱1202。当其是正弦曲线时，其代表一个频率。

在特定的实施例中，增加正弦波1102的幅度超过峰值级别可能导致硬限幅。在图13的曲线1300示出了正弦曲线1302的硬限幅。限幅的正弦曲线1302包括限幅部分1304，其在峰值级别处饱和。可以在图14所示的频域表现1402中看见限幅的正弦波1302的谐波1404的示例。如所示的，谐波1404可以尽可能高地扩展采样频率(在图中所示示例中是约22kHz)。也混淆了特定的谐波1406，引起进一步失真。

为了避免硬限幅的完全失真，同时仍然允许音量增加，失真控制模块1040可以使用如上所述的低频谐波的复合波。在图15中示出了这种波的谐波的示例集合，其包括可以响应于400Hz输入正弦波产生的复合波的示例频率响应曲线1500。曲线1500中的频谱包括比图14的全限幅场景更少的谐波1502。在所示实施例中，已经产生了5个谐波1502。最高谐波1502位于比图14的高频谐波1404更低的频率。在该实施例中也不存在混淆的谐波1406。

所示的示例实施例包括约400Hz、1200Hz、2000Hz、2800Hz和3600Hz的谐波1502。这些谐波1502是奇次谐波1502，包括一次谐波1504、三次谐波1506、无次谐波1508、七次谐波1510和九次谐波1512。一次谐波1504具有约0dB的幅度，在特定的实施例中，其是最高可能的数字幅度。当频率增加时，连续的谐波1502具有更低的幅度。在实施例中，谐波1502的幅度单调递减。在其他实施例中这些幅度可以变化。

由低频谐波提供的受控失真的结果可以是完整的，并且是具有更高信号能量或更高平均信号能量的更自然探测波形。在图16中示出了说明了映射到图15的谐波1504的正弦波的波1602的示例时域曲线1600。所示的示例波1602具有部分限幅的部分1606和完整部分1608。在波1602和硬限幅波1302之间的比较示出了波1602比硬限幅波1302更加完整。此外，波1602的部分1604是线性或近似线性的。弯曲部分1608从限幅部分1606开始弯曲约-3dB。

图17示出了示例曲线1700，所述曲线示出了正弦和映射函数1710的实施例。所示的正弦和映射函数1710可以通过在正弦和表中绘制值来绘制，例如如上所述的表1014。正弦和映射函数1710包括正弦和波周期的四分之一。正弦和波的四分之一可以用于代替完整的波来进行优化，将在下面描述。

在x-轴上示出了输入信号值，其包括范围从0到1的正幅度值。类似地，在y轴上示出了输出信号值，并且也包括范围从0到1的幅度值。下面将讨论负幅度值。当失真控制模块140或1040将输入采样映射到输出采样时，在特定的实施例中，将输入采样映射到映射函数1710上的点。依赖于输入采样映射的地方，映射的输出采样可以具有比输入采样更大或更小的值。

为了清楚起见，将正弦和映射函数1710示出为连续函数。然而当在数字系统中实现时，映射函数1710可以是离散的。此外如上所述，可以不是针对所有的输入信号值来定义映射函数1710。因此，失真控制模块140或1040可以将输出信号值例如篡改在映射函数1710上最接近的两个点之间。

示出了假想线用于参考，其与线y＝x相对应。如果根据假想线1720映射输入采样，输出采样将与输入采样相同。映射函数1710包括线性或近似线性的映射区域1712以及非线性或近似非线性的映射区域1714。当落在线性映射区域1712中的输入采样值增加时，线性映射区1712中的相应输出采样线性地或实质上线性地增加。落在非线性区域1714中的特定输入采样值非线性地或实质上非线性地增加，具有增加1714的变化级别。

映射函数1710的大多数值大于假想线1720，使得可以将大多数输入采样映射为更大的值。然而在非线性映射区域1714的区域1716中，映射函数1710的值小于或等于假想线1720。在该区域1716中，将输入采样映射到更低的值。因此例如，可以减小硬限幅采样(例如具有1.0的值或接近1.0的值)的值。

如上所述，映射函数1710包括正弦和波的四分之一来代替完整波。使用四分之一波(或者半波)可以能够实现正弦和表1014大小的减小，从而节省了存储器。对于负输入信号值(例如在[1-，0)的尺度等)，失真控制模块140、1040可以在x轴两端反转映射函数1710，并且在y轴两端反转映射函数1710。随后，失真控制模块140、1040可以向输入采样施加映射函数1710。替代地，可以将负值反转，并且归一化到[0，1]的范围。然而，可以施加映射函数1710，并且可以将所得到的输出采样求反以恢复所述负值。

在替代实施例中，所示的映射函数1710可以例如依赖于用于产生正弦和表1014的谐波的个数而表现不同。例如，线性映射区域1712可以具有更大或更小的斜率。非线性映射区域1714可以形状不同；例如其可以具有更少的峰值。类似地，区域1716可以在幅度上更低或更高。

在特定的实施例中，x和/或y轴的范围可以与上述[0，1]的范围不同。将x轴范围减小到[0，a]可以增加输入信号的至少一部分的放大率，其中a小于1。相反，将x轴范围增加到[0，b]可以减小输入信号的至少一部分的放大率，其中b大于1。在一些实施例中，使用大于1的值b可以有益地减小限幅。类似地，可以将y轴改变到[0，c]，其中c小于或大于1。

图18示出了在施加失真控制之前音频信号1812的示例时域表现的曲线1800。此外，图18示出了在施加失真控制之后的相同音频信号1814的示例时域表现。已经通过使用失真控制的示例实现将近似6dB的附加增益引入到这一波形中。

失真控制可以用于其他应用。例如，失真控制可以用于增加低音音量，具有减小的失真。失真控制也可以用于频率扩展应用中。此外，失真控制也可以用于将乐器声音或其他声音进行同步，例如通过选择各种谐波以创建乐器的所需音色。

VII.结论

根据实施例，这里描述的任何算法的特定动作、事件或功能可以以不同顺序来执行，可以添加、合并或一起省去(例如，不是所有所描述的动作或事件对于算法的实行是必需的)。此外，在特定实施例中，例如可以通过多线程处理、中断处理或多处理器或处理器核来同时执行动作或事件，而非顺序执行。

结合这里所公开的实施例描述的各个示意逻辑块、模块和算法步骤可以实现为电子硬件、计算机软件或二者的组合。为了清楚示意硬件和软件的可互换性，上述通常在它们的功能方面描述了各个示意组件、块、模块和步骤。将这种功能实现为硬件或软件取决于特定应用并设计施加于总体系统的约束。针对每个特定应用，可以以变化的方式来实现所描述的功能，但是这种实现方式的决定不应当解释为导致对本公开范围的背离。

可以利用通用处理器、数字信号处理器(DSP)、专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)或其他可编程逻辑器件、离散门或晶体管逻辑、离散硬件组件、或其任何组合(被设计为执行这里描述功能)，来实现或执行结合这里公开的实施例而描述的各个示意逻辑块和模块。通用处理器可以是微处理器，但可选地，该处理器可以是处理器、控制器、微控制器或状态机及其组合等。处理器还可以实现为计算设备的组合(例如，DSP和微处理器的组合)、多个微处理器、与DSP内核结合的一个或多个微处理器、或任何其他的这种配置。

结合这里公开的实施例描述的方法或算法的步骤可以直接以硬件、由处理器执行的软件模块或二者的组合的形式来实现。软件模块可以驻留在RAM存储器、闪存存储器、ROM存储器、EPROM存储器、EEPROM存储器、寄存器、硬盘、可拆卸盘、CD-ROM或本领域已知的任何其他形式的存储介质中。示例性存储介质可以耦合至处理器，使得处理器可以从存储介质读取信息，并向存储介质写入信息。可选地，存储介质可以与处理器集成。处理器和存储介质可以驻留在ASIC中。ASIC可以驻留在用户终端中。可选地，处理器和存储介质可以作为分立组件驻留在用户终端中。

除非另有声明否则将在所使用的上下文理解，这里使用的诸如“可以”、“例如”等之类的条件性语言通常倾向于覆盖特定的实施例包括而其他实施例不包括的特定特征、元素和/或状态。因此，这种条件性语言通常不倾向于暗示对于一个或多个实施例按照任意方式要求所述特征、元素和/或状态，或者一个或多个实施例需要包括利用作者的输入或提示包括来决定是否在任意具体的实施例中要包括或执行这些特征、元素和/或状态的逻辑。

尽管上述详细描述已示出、描述并指出了应用于各个实施例的新颖特征，但将理解，在不背离本公开的精神的前提下，可以对所示设备或算法的形式和细节进行各种省略、替换和改变。将认识到，由于一些特征可以与其他特征分离地使用或实现，因此这里描述的本发明的特定实施例可以以不能提供这里所述的所有特征和优点的形式来实现。这里公开的本发明的范围由所附权利要求而不是由上述描述来指示。在权利要求的等同意义和范围内的所有改变应包括在其范围内。

Claims (12)

1.一种用于增加由扬声器产生的音频信号的响度的系统，以向收听者展现比扬声器本来产生的响度更大的感知响度，所述系统包括：

频率抑制器，包括一个或多个滤波器，所述滤波器配置用于通过对电子音频信号的低频和高频进行滤波以产生第一滤波的音频信号来增加电子音频信号中的净空空间，所述低频和高频实质上是扬声器不能再现的；以及

响度调节器，包括：

响度分析器，配置用于利用一个或多个处理器至少部分地通过利用一个或多个响度滤波器对第一滤波的音频信号进行处理来计算第一滤波的音频信号的响度，所述响度滤波器配置用于对人类听觉系统进行近似，所述响度分析器还配置用于将计算的响度与响度基准级别进行比较；以及

增益控制模块，操作用于计算要施加至第一滤波的音频信号的一个或多个增益，并且向第一滤波的音频信号施加所述一个或多个增益以产生放大的音频信号，所述计算一个或多个增益至少部分地基于计算的响度和响度基准级别之间的差；

失真控制模块，配置用于通过至少将第一滤波的音频信号的一个或多个样本映射到在正弦和表中存储的一个或多个值来在放大的音频信号中感应部分谐波失真，以增加信号能量并且因此增加放大的音频信号中的响度，所述正弦和表是由低阶谐波之和产生的以便在放大的音频信号中增加比完全饱和的信号中存在的更少的谐波。

2.根据权利要求1所述的系统，还包括均衡滤波器，配置用于进一步增加电子音频信号中的净空空间，其中所述均衡滤波器配置用于对所述扬声器不能再现的电子音频信号的通带区域进行衰减。

3.根据权利要求1所述的系统，其中所述频率抑制器包括高通滤波器和低通滤波器，每一个滤波器均具有至少部分地依赖于扬声器特性的截止频率。

4.根据权利要求1所述的系统，其中所述低阶谐波包括奇次谐波。

5.根据权利要求1所述的系统，其中所述低阶谐波包括一次谐波、三次谐波、五次谐波、七次谐波和九次谐波。

6.根据权利要求1所述的系统，其中所述一个或多个响度滤波器对一个或多个伽马音调滤波器进行近似。

7.一种用于增加由扬声器产生的音频信号的响度的方法，以向收听者展现比扬声器本来产生的响度更大的感知响度，所述方法包括：

通过对电子音频信号的低频和高频进行滤波以产生第一滤波的音频信号来增加电子音频信号中的净空空间，所述低频和高频实质上是扬声器不能再现的；

利用一个或多个处理器至少部分地通过利用一个或多个响度滤波器对第一滤波的音频信号进行处理来计算第一滤波的音频信号的响度，所述响度滤波器配置用于对人类听觉系统进行近似；

将计算的响度与响度基准级别进行比较；

至少部分地基于计算的响度和响度基准级别之间的差来计算将要施加至第一滤波的音频信号的一个或多个增益；

向第一滤波的音频信号施加所述一个或多个增益以产生放大的音频信号；以及

通过至少将第一滤波的音频信号的一个或多个采样映射到在正弦和表中存储的一个或多个值来在放大的音频信号中感应部分谐波失真，以增加信号能量并且因此增加放大的音频信号中的响度，所述正弦和表是由低阶谐波之和产生的以便在放大的音频信号中增加比完全饱和的信号中存在的更少的谐波。

8.根据权利要求7所述的方法，还包括根据比完全饱和信号中存在的更少的谐波来产生正弦和数据结构。

9.根据权利要求8所述的方法，还包括至少部分地通过在正弦波的一个周期内累积第一数据结构、在正弦波的多个周期内累积第二数据结构、并且对第一和第二数据结构中的值进行组合来产生所述正弦和数据结构。

10.根据权利要求9所述的方法，其中所述正弦和数据结构包括复合正弦和波的四分之一。

11.根据权利要求7所述的方法，其中所述谐波包括奇次谐波。

12.根据权利要求7所述的方法，其中所述一个或多个响度滤波器对一个或多个伽马音调滤波器进行近似。