CN102810325A - 速度相关均衡控制系统的自动调节 - Google Patents

Abstract

本发明公开了自动设计增益和均衡滤波器参数的系统。该滤波器参数可用于车辆中再现音频信号的音量和速率相关均衡。该系统包括：音频放大器，其具有可配置音量并且被配置成使用安排在所述车辆的乘客厢中的至少一个扬声器再现测试信号，从而产生相应的声学测试信号；至少一个麦克风，其被安排在聆听位置，并且被配置成顺序地接收在所述放大器的不同音量设置的声学测试信号以及与所述车辆的不同速度值相关联的不同速率值的噪音信号；和信号采集与处理系统，其接收所述测量出的测试和噪音信号以及相应的音量和速率值。该信号采集处理系统被配置成分别计算测量出的测试信号和噪音信号的音量相关的功率谱密度估计和速率相关的功率谱密度估计。

Description

速度相关均衡控制系统的自动调节

技术领域

本发明涉及音频信号处理领域，具体来说，涉及响应向听者呈现音频信号的车辆的速率改变来自动调节音量和均衡器设置。

背景技术

根据车速调整车辆的音频系统再现的音频信号的音量是常见的做法。在简单应用中，音量控制可能直接取决于转速计信号。因此，音量会随着车辆速率增大（从而导致环境噪音增大）而增大。这种自动速率相关音量控制一般被称为速度相关音量控制(SDVC)。通常，SDVC系统目标在于在由于改变车速而导致改变环境噪音的环境中将再现的音频信号的感知音量（即，响度）保持在恒定的水平。

从一个电气速率信号（例如，由车辆的转速计提供）产生想要的音量（即，放大器的增益值）的功能，通常由声学工程师在试车过程中凭经验确定。更详细的分析表明，这种方法无法产生令人满意的结果，因为确定的速率相关放大器增益功能（SDVC功能）不足以在整个全速率范围（约10km/h到200km/h）将感知音量保持在恒定的水平。而且，在可以使用放大器的音量旋钮来手动预设的不同音量设置，“理想”SDVC的功能是不一样的。一个更为复杂的方法使听者可以在表示不同的音量控制特性的不同SDVC功能之间进行选择。因此，听者可以选择最适合他的个人喜好和手动预设音量的音量控制特性。

环境噪音的功率谱密度通常在较低频率（即，在低音频率范围）比在较高频率要高。考虑到这一事实的控制算法还包括（除了SDVC以外）对均衡器设置的调整。这种在不同的频率范围（通常在低音频率范围内）进行的频率相关的增益值调整一般被称为“均衡控制”。因为这种调整也是与汽车速度相关的，所以它也可以被称为“速度相关均衡控制”(SDEC)。

在当前的SDEC系统中，使用所谓的倾斜型滤波器(shelving filter)来操纵主要在低音频率范围内的音频信号的频谱特性。这种倾斜型滤波器可以具有固定的截止频率和在例如10个不同的音量范围内的不同的滤波器增益值，其中(10个)音量相关增益值的每个向量都与当前速率（例如以10km/h的步长从10km/h到200km/h进行离散化）相关。而且，听者可以在两个或两个以上不同的控制特性（如低、中、积极）中进行选择。鉴于全部这些未知参数，声学工程师必须测试几百个参数来确定，这在一次试车过程中不可能完成，因此劳动强度大且昂贵。另外，通过使用较多的参数（也需要“手动”调节）是否实际上能够提升总体系统的性能是令人怀疑的。

鉴于上述情况，普遍需求使SDEC系统能够自动调谐，即自动生成适合于速度和音量相关增益以及均衡滤波器设置的调谐值的系统和方法。

发明内容

本发明公开一种用于自动确定增益和均衡滤波器参数的系统。所述滤波器参数可以用于车辆中再现的音频信号的音量和速率相关均衡。所述系统包括：音频放大器，其具有可配置音量并且被配置成使用安排在车辆乘客厢中的至少一个扬声器来再现测试信号，从而产生相应的声学测试信号；至少一个麦克风，其被安排在聆听位置，并且被配置成顺序地接收在放大器的不同音量设置的声学测试信号以及在与车辆的不同速度值相关联的不同速率值的噪音信号；和信号采集与处理系统，其用于接收测量出的测试信号和噪音信号以及相应的音量和速率值。所述信号采集处理系统被配置成分别计算测量出的测试信号和噪音信号的音量相关的功率谱密度估计和速度相关的功率谱密度估计。所述信号采集处理系统进一步被配置成分别计算来自功率谱密度估计的音量相关掩蔽阈值和速率相关掩蔽阈值。最后，所述信号采集处理系统被配置成针对每对音量和速率来计算目标均衡曲线，所述目标均衡曲线由根据测试信号的功率谱密度计算出的音量相关掩蔽阈值与根据速率相关噪音信号的功率谱密度计算出的掩蔽阈值之间的非负差值组成。针对每对音量和速率，计算参数化滤波器原型的滤波器参数，使得滤波器的幅度响应接近于相应的目标均衡曲线。可以不使用速率，而是使用表示车辆状态的替代的非声学值。

附图说明

参考以下附图和说明可以更好地理解本发明。图中，相同的参考数字指示相应的部分。附图中：

图1示出不同测试信号（例如从无线电台接收到的音频信号或粉红噪音）的功率谱密度(PSD)；

图2示出用于将粉红噪音转化为IEC268标准化噪音的滤波器网络；

图3示出图2的滤波器网络对于标准参数和对于修改后参数的幅度响应；

图4a和图4b为示意性地示出用于获得(a)测试信号的音量相关PSD和(b)环境噪音信号的速率相关PSD的测量设置的框图；

图5为示意性地示出在随后的均衡滤波器设计中使用的“目标”均衡曲线的计算的框图；

图6示出根据在不同音量（-46dB和-50dB）和在不同速率（10km/h到200km/h）下测量出的PSD来计算的掩蔽阈值的掩蔽阈值差；

图7示出针对定义音量（-46dB）的均衡滤波器，其滤波器特性接近图6的相应掩蔽阈值差。

具体实施方式

当如上述介绍中所提及的“手动”调谐均衡器时，已知的测试信号（如音乐作品）通常由完全调谐的（自动的）音频放大器重现，同时声学工程师坐在前排乘客座位上根据他/她对音乐的回忆主观地评估声音印象（对音频再现的主观心理声学评估）。同时，声学工程师调谐均衡滤波器的参数，以便优化（音量相关和速率相关的）均衡滤波器特性。应当注意，可以不考量车辆速率，而是考量任何其它非声学测量值。一个适当的额外非声学值可以是，例如，车辆发动机的旋转速率、齿轮、窗口位置、敞篷顶的位置（在是敞篷汽车的情况下）、风扇和/或除霜的设置等等。

为了自动进行均衡滤波器（其为SDEC系统的一部分）的这种调谐，首先必须找出适合的测试信号。因为描述均衡滤波器的最佳参数（被称为SDEC参数）与测试信号相关，所以不能任意选择测试信号。如果使用女性声音信号作为测试信号，那么仅响应与增大的速率有关的增大的噪音水平而增大音量水平也许是足够的，因为这种测试信号仅包括少数低音频率范围内的谱分量，其中由于噪音造成的掩蔽效应对测试信号的感知具有最显著的影响。然而，如果使用摇滚歌曲作为测试信号，那么情况就有所不同。强劲的低音频率范围内的谱分量在较高速率下将越来越多地被噪音信号所掩蔽，从而恶化感知到的声音的音质。这种恶化希望由SDEC系统进行补偿。由于不存在“完美的”测试信号，所以必须找出与通常由汽车音频系统产生的声音信号最佳匹配的测试信号。可以通过比较如图1所示的不同的“候选”测试信号的功率谱密度(PSD)来评估这种匹配。

图1比较粉红噪音、IEC 268标准化噪音、修改的IEC 268标准化噪音和从无线电广播电台“Antenne Bayern”接收到的一小时长度的任意音频信号的PSD。可以看出，对于100Hz以上的频率，IEC268标准化噪音的PSD与从无线电广播电台接收到的信号的PSD良好匹配。假设与“真实生活”中的无线电信号具有相同频谱内容的信号适合于确定最佳SDEC参数而导致的结论是，标准化IEC268噪音信号是合适作为测试信号的候选信号。然而，因为与从广播电台接收到的信号相比，IEC 268噪音频谱包括的低音频率范围内的功率太少，所以在实验过程中使用略加修改的IEC 268噪音作为替代，其中，与标准IEC 268噪音相比，这个修改的噪音在低音频率范围内具有略高的水平。以下参照图2和图3阐释这种修改的IEC 268噪音的产生。

图2示出使用粉红噪音作为输入的适于产生IEC 268噪音的滤波器网络。在图2的表中包括了针对R1到R5和C1到C5的相应标准值。已经通过使C₃和C₅的值增加到原来的4倍来产生具有较强低音内容的“修改的”IEC268噪音（参见图1）。图3示出标准滤波器网络和修改的滤波器网络的幅度响应。对本文讨论的实施例来说，已经使用修改的IEC 268噪音信号作为测试信号。然而，可以使用其它（噪音）信号，只要它们的PSD与典型音频信号的PSD大致匹配即可。另外，可以使用表示不同的音频信号“流派”（古典，爵士，流行，新闻，摇滚等）的不同测试信号来确定不同的SDEC参数。听者然后可以从这些与他/她正在听的音频信号相关的不同SDEC参数集中进行选择。

图4a和图4b示出一个示例性测量设置，其可以用于自动确定描述最佳均衡曲线的最佳SDEC参数集。如介绍中所提及的，均衡的进行是与重现测试信号t[K]的放大器的音量设置VOL和（离散的）车辆速率SPEED相关的，所述车辆速率是对环境噪音信号n[K]具有最强影响的参数。参数k是表示各个（数字）信号的采样时刻的时间指数。图4中，为了便于说明，已经省略与进一步讨论无关的组件（数模转换器、麦克风放大器、模数转换器等）。

图4a涉及在通过使用被设置到音量水平VOL（通常以dB为单位测量，0dB为最大音量）的完全调谐hifi放大器20，由一个或多个扬声器30重现测试信号时，所述测试信号的音量相关PSD（f；VOL）的测量。麦克风40接收产生的声音信号，从而产生相应的传感器信号s[K]。为了达到这个目的，将麦克风40放置在听者的耳朵通常所处的位置，例如靠近前排乘客座椅头枕处。或者，可以进行双耳测量。在这种情况下，在对应于乘客左耳和右耳的位置（例如，靠近前排乘客的座椅头枕处）放置两个麦克风。例如，在前排乘客的座位上放置假人并且在假人耳朵的位置安装麦克风。为了简化设置，也可以使用无头假人。

数据采集和信号处理系统接收传感器信号和目前设置的音量水平VOL，并且被配置成计算各个音量水平VOL的测试信号的PSD，其中所述PSD被表示为PSD_t（f；VOL）。为了进行PSD计算，可以进行短期频谱分析。根据本发明的一个实施例，（已数字化）传感器信号s[K]受到使用矩形窗函数的一系列连续加窗傅里叶变换操作，其中，窗口被时移了两个连续傅里叶变换操作之间的窗口长度的50％。可以使用处理1024个样本的输入向量的快速傅立叶变换（FFT）算法来实施傅里叶变换。也就是说，针对每个音量水平VOL执行以下L计算（频率指数j）：

$\mathrm{PSD}(j;\mathrm{VOL})=\frac{1}{L}\underset{i=0}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}{\left|\mathrm{FFT}\right\{s[512.i:512\·i+1023]\left\}\right|}^2$

其中向量[0:1023]包括传感器信号s[K]的前1024个样本，向量s[512:1535]包括512到1535个样本，向量s[1024:2047]包括随后的1024个样本，等等。换句话说，针对每个音量值VOL，通过取传感器信号s[K]的周期图的平均数（例如，|FFT{s[512·i:512·i+1023]}|²），来估计音量相关功率谱密度PSD_t，也被称为“韦尔奇方法”。

当使用双耳测量时，获得了两个传感器信号s₁[K]和s₂[K]。在这种情况下，可以使用由上述方程定义的同样方式计算两个传感器信号s₁[K]和s₂[K]的多个音量相关的周期图。最后，可以再次取从左边传感器信号s₁[K]获得的平均周期图和从右边传感器信号s₂[K]获得的平均周期图的平均数，以计算测试信号的一个音量相关功率谱密度PSD_t（j;VOL）。

速率相关噪音信号n[K]以图4b所示的类似方式被处理。因此，在试车过程中记录了速率和相应的噪音信号。测量设置与用于记录测试信号的设置类似。传感器信号s[k]和相应的速率信号SPEED被提供给PSD计算单元70，所述单元被配置成针对每个速率值SPEED或不同的速率区间，计算传感器信号的PSD，其所使用的方法与用于测试信号的方法类似，即执行短期频谱分析并进行后续的取平均。例如，可以将传感器信号s[K]分割成与定义的速率区间，如[191，200]、[181，190]、[171，180]、……、[1，10]，相关联的段，每个区间由定义的值SPEED标识。使用与用于测试信号的方法（参见图4a）类似的方法计算每个段的平均PSD。然而，在本例中，使用SPEED而不是VOL作为参数。由此获得的中间结果为速率相关PSD函数PSD_n（f；SPEED）。换句话说，针对每个（如离散化的）速率值SPEED，通过取传感器信号s[K]的周期图的平均数（根据韦尔奇方法）来估计速率相关PSD。

图5示出对测量出的PSD函数PSD_t（f；VOL）和PSD_n（f；SPEED）的进一步处理。图5描绘了各自的流程图。因此，根据先前确定的PSD函数PSD_t（f；VOL）和PSD_n（f；SPEED），分别使用描述频谱掩蔽的心理声学效应（掩蔽模型）的数学模型（方框61和方框62）计算掩蔽阈值MASK_t（f；VOL）和MASK_n（f；SPEED）（dB）。例如，可以采用如J.D.Johnston:Transform Coding of Audio Signals Using Perceptual Noise Criteria,in:IEEE J.on Selected Areas in Communications,第6卷,第2期,1988年2月中描述的“经典”约翰斯顿模型。然而，其它掩蔽模型也可适用。

掩蔽阈值MASK_t（f；VOL）与MASK_n（f；SPEED）的正差值（以分贝为单位）最终可以用作参数化（参数SPEED和VOL）均衡滤波器设计的“目标”均衡曲线。作为一个说明性实施例，图6示出不同速率值SPEED和两个不同音量值VOL（-46dB和-50dB）的目标均衡曲线。

已发现，根据上述方法设计的均衡滤波器可能导致在低音频率范围内有过强频谱分量的音频再现。从广播电台接收到的典型音频信号被限带到约50Hz的下限截止频率。然而，测试信号（修改的IEC 268噪音）未被限带到高于所述截止频率的频率，从而引入了系统误差。然而，这个误差与音频系统的实际带宽相关。为了补偿这个误差，可以用截止频率约为50Hz的二阶高通对表示由麦克风接收的噪音信号n[K]的传感器信号s[K]进行高通滤波。

在计算出图6所示的目标均衡曲线之后，可以使用任何已知的滤波器设计方法来逼近通过使用适当的参数化数字原型滤波器得到的目标均衡曲线。可以使用任何有用的质量标准执行所述逼近。通常，将实际的数字滤波器与目标曲线之间的均方误差减到最小。

取决于所使用的原型滤波器，待确定的滤波器参数的数量（每速率和音量值）可能显著不同。图7示出（对于-46dB的音量值）当使用具有常数截止频率的简单二阶倾斜型滤波器作为原型滤波器时产生的均衡滤波器。实质上，应在参数的数量与逼近质量之间找出较好的折衷。

虽然本发明及其优点已被详细描述，但应了解，在不背离所附权利要求书限定的本发明的精神和范围的情况下，本文可以作出各种改变、替代和改动。

此外，本申请的范围不希望限于说明书中描述的过程、机器、产品、物质组成、手段、方法和步骤的具体实施方案。如本领域的一般技术人员根据本发明的公开内容将会很容易地了解，根据本发明，可以利用现有的或以后将要开发的、与本文描述的相应实施方案执行大致相同功能或实现大致相同结果的过程、机器、产品、物质组成、手段、方法或步骤。因此，所附权利要求书希望在其范围内包括这些过程、机器、产品、物质组成、手段、方法或步骤。

Claims (14)

1.一种用于自动确定均衡滤波器和/或增益参数的系统，所述系统用于均衡车辆中再现的音频信号；所述系统包括：

音频放大器，其具有可配置的音量并且被配置成使用安排在所述车辆的乘客厢中的至少一个扬声器来再现测试信号，从而产生相应的声学测试信号；

至少一个麦克风，其被安排在至少一个希望的聆听位置，并且被配置成顺序地接收在所述放大器的不同音量设置的所述声学测试信号以及在表示所述车辆当前状态的不同非声学测量值的噪音信号；

信号采集与处理系统，其接收所述测量出的测试信号和噪音信号以及相应的音量测量值和非声学测量值，所述信号采集处理系统被配置成

计算功率谱密度估计，所述估计分别与所述测量出的测试信号和噪音信号的所述音量和所述非声学值分别相关；

计算相应掩蔽阈值，所述掩蔽阈值分别与来自所述功率谱密度估计的所述音量和所述非声学值相关；

针对每对音量和非声学测量值，计算目标均衡曲线，所述目标均衡曲线由根据所述测试信号功率谱密度计算出的所述音量相关掩蔽阈值与根据与所述非声学值相关的所述噪音信号功率谱密度计算出的所述掩蔽阈值之间的非负差值组成；以及

针对每对音量和非声学值，计算参数化滤波器原型的滤波器参数，使得滤波器的幅度响应接近于所述相应的目标均衡曲线。

2.根据权利要求1所述的系统，其中所述测试信号为噪音信号，所述噪音信号的功率谱密度与从无线广播电台接收到的真实音频信号的功率谱密度近似匹配。

3.根据权利要求2所述的系统，其中所述测试信号为针对低于约100Hz的频率被选择性放大的IEC 268噪音。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的系统，其进一步包括高通滤波器，所述高通滤波器被配置成过滤由所述麦克风接收到的、与所述非声学测量值相关的所述噪音信号。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的系统，其中使用Johnston模型计算所述掩蔽阈值。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的系统，其中所述非声学测量值为以下之一或以下之一的加权组合：

表示所述车辆的所述速度的速率值；

表示所述车辆的发动机的转速的旋转速率值；

齿轮设置；

窗口位置；

顶篷的位置；

布置在所述车辆中的风扇的状态。

7.一种用于自动设计均衡滤波器和/或增益参数的方法，所述方法用于均衡车辆中再现的音频信号；所述方法包括：

使用安排在所述车辆的乘客厢中的至少一个扬声器再现声学测试信号，从而产生相应的声学测试信号，因此使用具有可配置的音量设置的音频放大器；

顺序地接收在所述放大器的不同音量设置的所述声学测试信号；

顺序地接收在表示所述车辆当前状态的不同非声学测量值的噪音信号，因此使用至少一个麦克风，所述麦克风被安排在所述车辆内部至少一个希望的聆听位置；

计算功率谱密度估计，所述估计分别与所述测量出的测试信号和所述测量出的噪音信号的所述音量和所述非声学值分别相关；

计算相应的掩蔽阈值，所述掩蔽阈值分别与来自所述功率谱密度估计的所述音量和所述非声学值相关；

针对每对音量和非声学测量值，计算目标均衡曲线，所述目标均衡曲线由根据所述测试信号功率谱密度计算出的所述音量相关掩蔽阈值与根据与所述非声学值相关的所述噪音信号功率谱密度计算出的所述掩蔽阈值之间的非负差值组成；以及

针对每对音量和非声学值，计算参数化滤波器原型的滤波器参数，使得滤波器的幅度响应接近于所述相应的目标均衡曲线。

8.根据权利要求7所述的方法，其中所述测试信号为噪音信号，所述噪音信号的功率谱密度与从无线广播电台接收到的真实音频信号的功率谱密度近似匹配。

9.根据权利要求8所述的方法，其中所述测试信号为针对低于约100Hz的频率被选择性放大的IEC 268噪音。

10.根据权利要求7至9中任一项所述的方法，其进一步包括：

高通过滤由所述麦克风接收到的、与所述非声学测量值相关的所述噪音信号。

11.根据权利要求7至10中任一项所述的方法，其中使用Johnston模型计算所述掩蔽阈值。

12.根据权利要求7至11中任一项所述的方法，其中所述非声学测量值为以下之一：

表示所述车辆的所述速度的速率值；

表示所述车辆的发动机的转速的旋转速率值；以及

所述速率值和所述旋转速率值的加权叠加。

13.根据权利要求7至12中任一项所述的方法，

其中计算功率谱密度估计包括：

计算来自传感器信号的多个周期图，以及

取所述周期图的平均以获得作为估计的所述周期图的平均值。

14.根据权利要求7至12中任一项所述的方法，

其中顺序地接收所述声学测试信号和顺序地接收所述噪音信号包括：

使用放置在所述乘客厢中对应坐在所述车辆中的听者耳朵位置的位置的左麦克风和右麦克风进行双耳测量，从而提供了左传感器信号和右传感器信号；

以及其中计算功率谱密度包括：

根据所述左传感器信号和根据所述右传感器信号分别计算多个周期图，并且取所述周期图的平均以获得作为估计的所述周期图的平均值。

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