CN102484759A - 音频信号的处理 - Google Patents

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Abstract

一种处理音频信号的方法，以当由音频输出设备播放时，增强被感觉到的所述音频信号的低频满足度，该方法包括的步骤为：接收音频输入信号；滤波所述音频输入信号以产生高频信号和低频信号；通过自所述低频信号产生较高频谐波以生成增强信号，包括自卷积处理；且结合所述高频信号和所增强信号以产生输出信号。

Description

音频信号的处理
技术领域
本发明关于音频信号的处理，以达到增强声音的输出。
背景技术
在扩音器设计中，用于产生声音频率的低音用扩音器的能力被标记为其尺寸和功率。随着不断追求小扬声器设计，该类扩音器系统的低音分离频率变得较高。该失落的基频效应被已知。大脑通过相对基频的较高的谐波的比率且不被基频本身所调解来感觉音调高度。因此，如果耳朵察觉一系列不包含基础频率自身的谐波频率，大脑将仍然感觉将要出现的基础频率。通常超过扩音器低音分离点频率的高的谐波是困难的，当复调多音被演奏时。因此需要一种技术通过八度音阶来音调变化音频，以此产生第一个谐波，然后产生额外的更高顺序的谐波。
发明内容
根据本发明的一个方面，提供一种处理音频信号的方法，以当由音频输出设备播放时，增强被感觉到的所述音频信号的低频满足度。该方法包括的步骤为：接收音频输入信号；滤波所述音频输入信号以产生高频信号和低频信号；通过自所述低频信号产生较高频谐波以生成增强信号，包括自卷积处理；且结合所述高频信号和所增强信号以产生输出信号。
附图说明
图1显示的是根据本发明实施例的音频处理系统内所包含的部件的实例；
图2显示的是根据本发明实施例的处理过程的总体图；
图3显示的是步骤205的扩展；
图4显示是F1和F2缓冲器；
图5显示的是权重值；
图6实例的是自卷积方法；
图7显示的是F1的自卷积工作实例；
图8显示的是F2的自卷积；
图9显示的是环形调制；
图10显示的是增强信号的产生。
具体实施方式
图1
根据本发明的实施例的包含在音频处理系统内部件如图1所示。提供有中央处理器101，和随机存取存储器102，后者被提供用于存储程序和操作由中央处理器101执行的数据。
存储程序和操作数据也由硬盘驱动器103提供，尽管其他形式的存储是可行的，例如固态闪存。输入/输出接口104提供用于接收自例如鼠标，键盘或者其他输入装置的输入命令，并用于提供输出到输出装置，其可以是音频输出装置，例如扩音器105，耳机或者其他类型的输出装置。网卡106提供连接到网络的便利且新的程序和数据可以通过次网络被载入，或者真正自便携存储设备，例如盘107，通过DVD驱动器108。各部件的通讯通过系统总线109。
图2
根据本发明的实施例的处理总体显示为图2。为了增强声音的输出，一系列的处理被执行在输入信号上。
音频输入信号被接收在201，且滤波被适用在202。本发明的一个实施例，所述音频输入信号被描述成数字样本，且因此所述滤波步骤在数字领域被执行。
在一个优选的实例中，信号滤波器可以被采用，例如高通滤波器。当被配置以用于提高扩音器的性能，高通滤波器的响应适宜的匹配了扩音器的该低频操作。被滤波的信号可自原始信号的拷贝中减去，以生成仅具有低频表现的第二信号。在可选择的实施例中，可采用两个独立的滤波器，一个是低通滤波器且第二个时高通滤波器。该可选择的实施例可以通过采用陷波滤波器(notch filters)和/或者带通滤波器来实现。处于202的该滤波工序将低频(如203所示)自高频(如204所示)处分离开。低频然后在205处被处理，如将在图3中详细描述。
上述处理的结果是206处所示的增强信号产生。该增强信号已经自低频所产生，但其自身处于较高频率。该增强信号206然后同高频204在207处结合。因此，在208处作为结果的输出信号被具有相对高频量而产生。然而，由于发生在205处的处理，该输出信号由于心理声学作用而听起来类似于输入信号。详细的，被包含在输入信号的低频对于耳朵而言仍然存在于输出信号中。
采取的处理是通过一引入声频样本的窗操作(借助类似于汉(Hann)功能)，并通过将该窗操作的样本同原始音频样本卷积来被执行的。这可以被看做是自卷积。该处理将通过图3进一步描述。因此，在时/频率域中，所述音频在一个方向上向前一个样本接一个样本，同时脉冲响应在相反方向上进入一个样本接一个样本。这形成完美八度音阶的复调线性音调转换。
数字技术通常相对容易产生单顺序谐波，这类谐波通常听起来被变形且不被需要的。被认为是所需的变形类型通常是双顺序谐波，其很难数字产生。本发明提供一种设备以产生完全双顺序谐波列，其通过采用经过上述处理而生成的第二谐波，并通过执行再处理以产生第四，等等。更进一步的双顺序谐波可以按此法产生。
为了获得失落的基频效应，该方法包括增加到已产生的双顺序谐波列于一定预定数量纯正弦波的全部谐波变形的约60％。其结果是无需实际演奏基频最低根音，耳朵将听到全部的谐波变形并设想该低根音。这造成音调的感觉低于通过输出装置实际产生的。真正的，耳朵将听到产生自扬声器的音调，而该扬声器实际上不能够产生。
图3
在步骤205的处理的扩展将在图3中显示。该较低频输入显示为203。提供一系列的缓冲器和被窗操作的信号样本。在步骤301，第一缓冲器，F1缓冲器(图4所示)被更新。
最近样本被加到缓冲器且先前存储在该缓冲器内的最老的样本被丢弃。
在步骤302，F1缓冲器自卷积。这进一步由图7所阐述。作为该卷积的结果，产生值F2。另一个缓冲器(如图4所示)存储F2值并该缓冲器在步骤303处更新为新的值。该F2缓冲器在步骤304自卷积，如图8所描述。该卷积的结果是值F4。
F1是第一谐波，F2是第二谐波且F4是第四谐波。自卷积处理强加了反应时间，其不同于F1，F2和F4值。F1和F2样本因此在步骤305处延时，这样F1，F2和F4值被及时的重新校正。
环形调制处理然后在步骤306处执行，如图9中进一步描述。这产生进一步的谐波。
已经产生的谐波然后在步骤307通过权重系数被求和。这如图10中所描述。该求和的结果是增强信号308。
图4
F1缓冲器和F2缓冲器如图4所示。F1缓冲器存储一系列的引入的较低频(F1)的样本。在本例中，该缓冲器是长度固定的。在该例子中，F1缓冲器内具有间隔以用于8个样本。值N被用于代表缓冲器内的间隔数，因此在本例中N＝8，且缓冲器中的8个间隔被分别表示为A，B，C，D，E，F，G和H。
F2缓冲器也在图4中所示。在该实例中，F2缓冲器存储了先前N/2个(N被2所除)F2信号的样本。因此在本实例中F1缓冲器存储了8个值，F2缓冲器存储了4个值。
图5
权重值得排列例子如图5所示。在501处，第一排列被显示，其关于F1谐波并提供一系列的8个权重值，其相对应存储在F1缓冲器中的8个样本。
在502处，第二权重排列被显示，其相对应F2谐波和并被使用，以用于自卷积F2谐波生成F4谐波。
图6
自卷积的方法如图6中的总体公式被显示。排列A[N]中含有的系列N，排列W[N]中含有的窗口权重值，和排列系数i，其值自零到N-1，自卷积的公式如图6所示。
图7
F1的自卷积的例子(用于生成F2值)如图7所示。自F1缓冲器的第一值A同F1缓冲器的最后值H被卷积，其同自F1权重排列的第一值W1被卷积。其被加到B和G和自F1权重排列的第二值W2的卷积，等等，根据图5所示的公式。因此，缓冲器同它自身的窗口形式卷积，以生成第二谐波信号F2的信号样本。该生成的F2值被用来更新如图8所示的另一个缓冲器。
图8
F2缓冲器同其自身的窗口形式卷积以生成第四谐波F4，如图8所示。
自卷积处理强加了反应时间，其不同于F1，F2和F4值。因此，F1和F2样本被延迟，这样F1，F2和F4值被及时重新校正。然后，环形调制处理产生进一步的谐波。这进一步在图9中显示。
图9
图9显示是为了生成谐波F13，F35，和F26的环形调制。它们每一个是通过先前生成的谐波的卷积来生成。包含频率A和B的两信号的环形调制，产生具有A加B和A减B频率的一信号。
图10
为了生成含有谐波系列的增强信号，单独的谐波被通过权重系数被求和(此处标示为W2，W4，W13，W35和W26)。该权重值被用于控制每一谐波对该系列的相对贡献。增强信号通过卷积每一个权重系数和它的谐波值来产生，如图10所示。
该处理的结果是具有现实声音和稳定的八度音阶来音调变化。自卷积技术是复调的，且音调变化可以完全的在所有频率阶段内获得。
前述的生成的增强信号同来自输入信号的较高频率相结合，以使得生成最终的输出信号。在本发明的一个实施例中，输出信号被转化成模拟信号，并且随后被放大并提供该音频输出装置，例如扩音器。
本处理的效果是该作为结果的输出信号被感觉包含不是该信号真实部分的谐波。这意味着被感知的声音可以不在音频输出装置的产出能力中。例如，不能再制造低频的小扬声器将表现出生成比其实际生产能力的较低频率，因为耳朵感觉到了不存在的基础频率。

Claims (10)

1.一种处理音频信号的方法，以当由音频输出设备播放时，增强被感觉到的所述音频信号的低频满足度，该方法包括的步骤为：
接收音频输入信号；
滤波所述音频输入信号以产生高频信号和低频信号；
通过自所述低频信号产生较高频谐波以生成增强信号，包括自卷积处理；且结合所述高频信号和所增强信号以产生输出信号。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述音频输入信号被表现为数字样本，且所述滤波步骤在数字领域中被执行。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述第一滤波步骤被执行到所述输入信号以生成所述高频信号，且第二滤波步骤被执行以生成所述低频信号。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述生成步骤还包括环形调制处理。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述生成步骤还包括采用权重系数结合多个谐波的处理。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述输出信号被转化成模拟信号，被放大且提供到不能再产生所述低频信号的成分的扩音器。
7.一种处理音频信号的装置，包括：
被构造成接收音频输入信号的输入部分，
处理器装置，被构造成：
滤波所述音频输入信号以产生高频信号和低频信号，
通过自所述低频信号产生较高频谐波以生成增强信号，包括自卷积处理，且
结合所述高频信号和所增强信号以产生输出信号，和
被构造成接收所述输出信号且产生音频输出的输出部分。
8.如权利要求7所述的装置，其特征在于：所述输出部分是扩音器。
9.如权利要求8所述的装置，其特征在于：所述扩音器不能再生产所述低频信号的成分。
10.一种具有可被电脑执行的电脑可读指令的电脑可读媒介，使得当执行所述指令，电脑将执行以下步骤：
接收音频输入信号；
滤波所述音频输入信号以产生高频信号和低频信号；
通过自所述低频信号产生较高频谐波以生成增强信号，包括自卷积处理；且
结合所述高频信号和所增强信号以产生输出信号。
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