CN103501165A - 利用eq进行基于压缩器的动态低音增强 - Google Patents

Abstract

一种系统和方法，其针对较低输入电平的音频信号增强扬声器的低频响应而针对较高输入电平的音频信号保护该扬声器。该系统包括：分频网络，被配置成将音频输入信号分离成包括低频带的至少两个频带；以及信号压缩器，响应于输入音频信号在该低频带中的低频部分的能量水平，并且被配置成当该输入信号的低频部分的能量水平较低时对该输入信号的低频部分提供放大增益，从而增强该扬声器的低频响应，并且当该输入信号的低频部分的能量水平较高时衰减该输入信号的低频部分，从而防止该扬声器过驱动。该系统可以被配置成用于增强诸如电视机和计算机的音频视频播放设备的扬声器。

Description

利用EQ进行基于压缩器的动态低音增强

本申请为分案申请，其原申请是于2012年8月24日向中国专利局提交的专利申请，申请号为201180011152.6，发明名称为“利用EQ进行基于压缩器的动态低音增强”。

相关申请交叉引用

本申请基于和要求Scott Skinner和Chris Hanna于2010年1月7日提交的名为“Compressor Based Dynamic Bass Enhancement”的美国临时专利申请61/293,005的优先权，该申请已经被转让给本受让人(代理案卷号056233-0438(THAT-33PR))。

本申请还是Christopher M.Hanna、Gregory Benulis和Scott Skinner于2009年11月16日提交的名为“Dynamic Volume Control and Multi-SpatialProcessing Protection”并且已被转让给本受让人(代理案卷号056233-0427(THAT-0026))的美国专利申请12/619,653以及Christopher M.Hanna和Gregory Benulis于2009年11月16日提交的名为“Dynamic Volume Controland Multi-Spatial Processing Protection”并且已被转让给本受让人(代理案卷号056233-0428(THAT-0027))的美国专利申请12/619,655(“共同未决申请”)的部分继续申请，这两个共同未决申请均要求Christopher M.Hanna、Gregory Benulis和Scott Skinner于2008年11月14日提交的美国临时申请61/114,684以及Christopher M.Hanna和Gregory Benulis于2008年11月14日提交的美国临时申请61/114,777的优先权。

在这里通过引用而结合这些申请中每个的全部内容。

技术领域

本发明涉及音频接收和回放，更具体而言，涉及用于增强廉价扬声器的感知低音响应的系统和技术，其典型地被并入诸如电视机和计算机的音频视频接收和回放设备。

背景技术

与声音质量相比，大多数消费者对视觉显示的质量更为敏感。因此，为了将成本保持在最低，诸如电视机和计算机的音频和视频系统消费电子产品制造商更愿意在该系统中安装廉价的小型扬声器。这些扬声器典型地具有较差的低频(低音)响应，并且当音频频率远低于该扬声器的低频共振点时更容易失真。对于那些更挑剔的消费者，音频视频接收和回放系统通常被配置成能够将额外的扬声器连接到该音频视频接收和回放系统，从而改善任何节目的音频部分的质量。

发明内容

本公开描述了一种系统和技术，用于改善接收和回放音频节目的系统的这种内置扬声器的感知低音响应。所公开的系统和技术还能够增强低音量以使得声音听起来是从质量更高、带宽更宽的扬声器发出的，而不需要连接额外的扬声器。

更具体而言，根据一个方面，提供一种针对较低输入电平的音频信号增强扬声器的低频响应而针对较高输入电平的音频信号保护该扬声器的系统。该系统包括：分频网络，被配置成将音频输入信号分离成包括低频带的至少两个频带；以及信号压缩器，响应于输入音频信号在该低频带中的低频部分的能量水平，并且被配置成当输入信号低频部分的能量水平较低时对该输入信号低频部分提供放大增益，从而增强该扬声器的低频响应，并且当该输入信号低频部分的能量水平较高时衰减该输入信号低频部分以保护该扬声器防止过驱动(overdriven)。

根据其它方面，所述分频网络被配置成将音频信号分离成两个频带，其中所述系统的参数是可配置的，以针对给定的扬声器特性或收听者偏好进行优化。所述可配置参数包括以下参数中的一个或多个：分频频率，压缩率，最大容许增益，高通滤波器截止频率，以及目标水平。在一个实施例中，所述压缩器包括基于RMS的电平检测器，用于生成表示输入音频信号的低频部分的能量水平的信号。根据另一实施例，提供求和模块，以根据每个剩余频带中提供的信号压缩器信号的压缩输出来提供求和信号。可以配置高通滤波器，用于响应于所述求和信号并且限制施加到所述扬声器的最低频率能量。另外，可以配置峰值限制器，用于响应于所述求和信号并且限制施加到该扬声器的信号能量的最大峰值水平。应当清楚的是，所述峰值限制器也可以被设置在低频带中，位于所述求和器之前，并且响应于所述压缩器输出。该系统还可以包括被配置成响应所述求和信号的静态均衡器，所述静态均衡器包括大于或等于该分频网络分频频率的下限，从而使得所述静态均衡器与压缩器组合在一起作为部分动态均衡器工作。根据一个实施例，所述系统被配置成增强用于左右声道立体声播放的至少两个扬声器的低频响应，所述分频网络被配置成将左右声道音频输入信号中的每一个分离成包含低频带的至少两个频带；所述信号压缩器响应于左右声道音频输入信号中的每一个在该低频带中的低频部分的能量水平，并且被配置成当每个信号的低频部分的能量水平较低时对所述左右声道音频输入信号中的每一个的低频部分提供放大增益，从而增强每个扬声器的低频响应，并且当每个信号的低频部分的能量水平较高时衰减所述左右声道音频输入信号中的每一个的低频部分以保护该扬声器防止过驱动。最后，根据另一实施例，所述系统可以包括一对求和模块，用于根据左声道的信号压缩器的压缩输出信号和左声道剩余频带的对应信号以及右声道的信号压缩器的压缩输出信号和右声道剩余频带的对应信号来提供一对求和信号。所述系统还可以包括信号求和器，被配置成提供表示所述左右声道的信号压缩器的压缩输出信号的和的求和压缩信号；以及至少两个求和模块，用于根据所述求和压缩信号与每个剩余频带中提供的左右声道信号中的每一个的部分来提供左右声道求和信号。

根据另一方面，提供与扬声器一起使用的基于两频带压缩器的架构。所述架构可配置为音量调节器(volume leveler)、低音增强器和扬声器保护装置。

根据另一方面，提供一种针对较低输入电平音频信号增强扬声器的低频响应而针对较高输入电平音频信号保护扬声器的方法。该方法包括：将音频输入信号分离成包括低频带的至少两个频带；以及压缩输入音频信号在所述低频带中的低频部分，从而当所述输入信号低频部分的能量水平较低时对所述输入信号低频部分提供放大增益，从而增强所述扬声器的低频响应，并且当所述输入信号低频部分的能量水平较高时衰减所述输入信号低频部分以保护所述扬声器防止过驱动。

通过阅读以下对于示例性实施例的具体说明、附图和权利要求，将能够清楚本发明的这些以及其他部件、步骤、特征、目的、好处和优点。

附图说明

附图公开了示例性实施例。它们并没阐述所有实施例。还可以增加或替换其他实施例。为了节省空间或更有效的解释，省略了那些很明显或不必要的细节。相反，在不具备这里公开的全部细节的情况下也可以实施一些实施例。当相同的数字出现在不同附图中，表示相同或相似的部件或步骤。在附图中：

图1是被配置成用于改善感知低音响应和通常安装在系统内部类型的扬声器的音调均衡的低音增强系统的一个实施例的框图，所述系统包括接收和播放音频节目以及增强重现的低音量以使得声音听起来是从高质量、宽带宽扬声器发出的功能；

图2是根据图1和5所示和描述的低频带压缩器的框图；

图3是对于不同输入电平的低音增强输出(图1中的Lo或Ro)之一的典型频率响应图的示例；

图4是被集成到音频视频系统中的类型的小型扬声器的采样集的实际测量输出的示例；以及

图5是配置成将低频带信号叠加到单声道中的低音增强系统的实施例的框图。

具体实施方式

现在讨论示例性实施例。还可以增加或替换其他实施例。为了节省空间或更有效的解释，省略了那些很明显或不必要的细节。相反，在不具备这里公开的全部细节的情况下也可以实施一些实施例。

图1是示出了用于增强扬声器系统的低音响应的基于压缩器的低音增强系统的一个示例的框图。该低音增强系统10包括配置成分别接收音频立体声节目的左右声道信号的输入端12和14。左声道输入端12耦合到LPF(低通滤波器)16的输入端和HPF1(高通滤波器)18的输入端。右声道输入端14耦合到LPF20的输入端和HPF1 22的输入端。LPF16和20的输出端都连接到低频带压缩器24，其被配置成压缩每个信号并且在压缩器的相应输出端提供压缩信号，其中左声道信号耦合到求和模块26，而右声道耦合到求和模块28。压缩施加到压缩器的音频信号部分会放大通过该压缩器的小信号和衰减通过该压缩器的大信号，而对大致中等程度的信号提供单位增益。求和模块26和28也分别耦合到HPF1以及HPF2 30和32的输出端，从而使得模块26根据压缩器24的左声道信号输出与HPF1 18的左声道信号输出来提供求和信号。类似地，模块28根据压缩器24的右声道信号输出与HPF122的右声道信号输出来提供求和信号。然后模块26的左声道求和信号输出施加到第二HPF2 30的输入端，模块28的右声道求和信号输出施加到第二HPF2 32的输入端。每个滤波器HPF2 30和HPF2 32的输出分别施加到峰值限制器34和36。后者限制施加到限制器的各个信号的峰值水平。限制器34的输出施加到均衡器(EQ)38，其被配置成对施加到均衡器的信号至少提供两频带均衡函数。EQ38在输出端42提供左声道输出信号Lo。类似地，限制器36的输出施加到EQ40，其被配置成对施加到均衡器的信号至少提供两频带均衡函数。EQ40在输出端44提供左声道输出信号Ro。根据一个实施例，每个EQ38和40都是静态均衡器，其被配置成响应于在其输入端施加的信号并且形成频率下限，该频率下限高于由滤波器16、18、20和22形成的分频网络的分频频率，从而使得每个静态均衡器EQ38和40作为部分动态均衡器工作。

因此，LPF16和18、HPF1 20和22、低频带压缩器24以及求和模块26、28组合形成了一个基于两频带分频的架构。低频带压缩器24的架构可以与共同未决申请中所示和描述的动态音量控制装置相似。例如如图2所示，左声道HPF16和右声道HPF20的输出施加到Hi频带DVC200，而左声道LPF18和右声道LPF22的输出施加到Lo频带DVC202。Hi频带DVC200的输出控制接收HPF16的左声道输出的放大器204的增益，并且控制接收右声道HPF20的右声道输出的放大器206的增益。放大器204和206的输出分别施加到求和模块26和28。类似地，Lo频带DVC202的输出控制接收LPF18的左声道输出的放大器208的增益，以及接收LPF22的右声道输出的放大器210的增益。放大器208和210的输出分别施加到求和模块26和28。应当注意的是，通过将Hi频带DVC200的压缩率改变为1：1以使得应用到放大器204和206的增益为单位增益，从而左声道HPF16和右声道HPF18的输出能够不改变地通过该放大器而到达对应的求和模块26和28。另外，可以调节Lo频带DVC202的各种参数，包括改变目标水平、压缩率、上升时间常数和释放时间常数，从而对动态低音增强函数建模以适应于接收该Lo和Ro输出的特定扬声器系统。在一个实施例中，每个Lo频带DVC和Hi频带DVC都包括RMS电平检测器，用于控制各个放大器204、206和放大器208、210的增益。此外，放大器204、206、208和210均可以是电压控制放大器的形式。应当认识到，也可以使用其他架构和部件。例如，可以使用其他类型的信号压缩器以及包括峰值和平均值检测器的其他类型的电平检测器。

再次参照图1，压缩器24的压缩器输出与HPF118和22的输出端处提供的高频带能量求和从而完成分频网络。HPF230和32限制了到达每个扬声器的最低频率。这就防止了不能被适当重现的最低频率到达该扬声器驱动器。有时候，压缩器可以短暂地向输入低频带音频信号提供太大的增益(过冲)。提供峰值限制器以保护扬声器出现这种现象。峰值限制器被设置在分频网络后以限制组合后的低频带和高频带音频峰值，从而防止过驱动扬声器。均衡器(EQ)可以被用于使在高于低频带的那些频率处的扬声器频率响应变平。改善的音调均衡(EQ)和改善的低频响应(基于压缩器的动态增强)的组合可以为小型扬声器的保真度带来显著的改善。

与典型的输入信号低音频率水平相比，压缩器目标水平被设置得较高。这就使得压缩器典型地向左右低频带音频输入信号增加增益以便保持预期的低频带输出水平。通过压缩器目标水平和压缩率都可以控制增益量。可以通过增加目标压缩器目标水平来增加低音增强的量。可以通过减少目标压缩器目标水平来减少低音增强的量。由于应用到左右输入音频的增益(或衰减)是输入电平的函数，所以低音增强的量是动态的。在一个实施例中，压缩器具有最大增益限制。该限制有助于减小压缩器对于该音频的音调均衡的影响。除了低音增强之外，还可以保护扬声器避免较高水平的低频带能量。当该水平超过压缩器目标水平时，压缩器将会衰减输入的左右音频。压缩器目标水平典型地被调整到恰好低于低频带音频开始使扬声器失真的水平。应当清楚的是，可以调节例如分频频率、目标水平、HPF2截止频率、峰值限制、最大增益限制和EQ配置等参数以便优化用于给定的扬声器的性能。

图3示出了对于不同输入电平的低音增强输出(图1中的Lo或Ro)之一的频率响应图的一个示例。该输入电平以6dB的步长增加。该激励是快速正弦波扫频(在少于1秒内20-20KHz)。当生成此图时EQ38和40被绕过(bypassed)。

图3的高频带响应由于未被修改地通过，从而保持较平。其中显示了每个扫频的6dB电平变化。低频带被与输入电平成比例地增强。参考图3中300所示的在150Hz左右发生的每次扫频的电平变化。在低频带中，前两个最低输入电平显示出显著的增强。两条最低的电平曲线在低频带中仍然间隔大约6dB的现象表示压缩器24已经到达最大增益。在这些输入电平处，压缩器24的工作类似于修正的增强。随着输入电平继续增加，当输入电平达到压缩器目标水平时只会加上很少的增强。最后，频率响应是平的。随着输入电平的增加，压缩器24引入低频带衰减以便保护扬声器防止其在将会导致高失真的电平时过驱动。当目标水平被选择为略低于最大低频驱动水平时，基于压缩器的低音增强系统在不使扬声器驱动失真的情况下提供尽可能多的增强。当该特征与高频带EQ组合时(以使得扬声器高频带响应变平)，小型廉价扬声器将显示出显著改善的保真度。

图4示出了小型扬声器的一个采样集的实际测量输出。400所示的最低电平输入响应表示未进行EQ或低频带压缩器处理的扬声器。扬声器具有限制的带宽并且没有较平的响应。下一个响应402表示在经过低频带低音增强和高频带EQ之后的同一输入电平。现在该响应在150Hz到10KHz之间较平。

在一些实施例中，希望同时对两个扬声器提供低音增强。图5示出了低音增强系统500的版本，其包括被配置成对每个声道的低频带信号求和进行以提供单声道信号的求和模块502，所述单声道信号相应地被提供到每个求和模块26和28。在压缩器之后，L和R信号被衰减6dB并且加在一起以形成单声道低频带信号。这就将低音能量平均分配在两个扬声器中，并且能够产生更为全面的感知低音。

前面描述的部件、步骤、特征、目的、好处和优点都仅仅是示例性的。其中任一个或与其相关的描述都不是以任何方式限制其保护范围。还可以预见到很多其他的实施例。这些实施例包括具有更少、更多和/或不同部件、步骤、特征、目的、好处和优点的实施例。这些实施例还包括部件和/或步骤被不同设置和/或排序的实施例。

例如，虽然系统被描述为使用两个频带，但是当希望对各个频带进行其他信号处理时，系统也可以使用任意数量的频带。

除非特别声明，包括所附权利要求书的本说明书中的所有测量、数值、额定值、位置、幅度、尺寸以及其他限定都是近似的而不是精确的。它们旨在具有与其所涉及功能相一致的、所属技术领域通常使用的合理范围。

本公开中引用的所有论文、专利、专利申请和其他公开出版物都通过引用而并入在这里。

短语“用于……的装置”在用于权利要求中时，意思是并且应当被解释为包含了所描述的相应结构和材料及其等效形式。类似地，短语“用于……的步骤”在用于权利要求中时，意思是并且应当被解释为包含了所描述的相应操作及其等效形式。权利要求中没有这些短语意味着该权利要求不是并且不应被解释为限制到相应结构、材料或操作及其等效形式中的任一个。

所描述和图示的任何内容都是并且应当被解释为产生了将任何部件、步骤、特征、目的、好处、优点或等效形式捐献给公众，而不论其是否被引用到权利要求中。

保护范围只能由下面所附的权利要求来限定。当根据本说明书以及后续的诉讼历史来解释时，该范围旨在并且应当被解释为与权利要求中所使用的语言的通常含义一致的宽泛内容，并且涵盖了所有结构上和性能上的等效形式。

Claims (17)

1.一种针对较低输入电平的音频信号增强扬声器的低频响应而针对较高输入电平的音频信号保护所述扬声器的系统，所述系统包括：

分频网络，被配置成将音频输入信号分离成包括低频带的至少两个频带；以及

信号压缩器，响应于输入音频信号在所述低频带中的低频部分的能量水平，并且被配置成当所述输入信号的所述低频部分的所述能量水平较低时对所述输入信号的所述低频部分提供放大增益，从而增强所述扬声器的所述低频响应，并且当所述输入信号的所述低频部分的所述能量水平较高时衰减所述输入信号的所述低频部分，从而防止所述扬声器过驱动。

2.根据权利要求1所述的系统，其中所述分频网络被配置成将所述音频信号分离成两个频带。

3.根据权利要求1所述的系统，其中所述系统的参数是可配置的，以针对给定的扬声器特性或收听者偏好进行优化。

4.根据权利要求3所述的系统，其中可配置的所述参数包括以下参数中的一个或多个：分频频率、压缩率、最大容许增益、高通滤波器截止频率、以及目标水平。

5.根据权利要求1所述的系统，其中所述压缩器包括基于RMS的电平检测器，用于生成表示所述输入音频信号的所述低频部分的RMS能量水平的信号。

6.根据权利要求1所述的系统，还包括求和模块，用于根据在任意剩余频带中的每一个中提供的所述信号压缩器信号的压缩输出来提供求和信号。

7.根据权利要求6所述的系统，还包括高频滤波器，其被配置成响应于所述求和信号并且限制施加到所述扬声器的最低频率能量。

8.根据权利要求6所述的系统，还包括峰值限制器，其被配置成响应于所述求和信号并且限制施加到所述扬声器的信号能量的最大峰值水平。

9.根据权利要求6所述的系统，还包括峰值限制器，所述峰值限制器被配置成在所述求和模块之前响应于所述信号压缩器的压缩输出并且仅限制所述低频带中的信号能量的最大峰值水平。

10.根据权利要求6所述的系统，还包括静态均衡器，其被配置成响应于所述求和信号并且包括大于或等于所述分频网络的所述分频频率的下限，使得在与低频带压缩器组合时所述静态均衡器作为部分动态的均衡器工作。

11.根据权利要求1所述的系统，其中

所述系统被配置成增强用于左右声道立体声播放的至少两个扬声器的低频响应；

所述分频网络被配置成将左右声道音频输入信号中的每一个分离成包含低频带的至少两个频带；以及

所述信号压缩器响应于所述左右声道音频输入信号中的每一个在所述低频带中的低频部分的所述能量水平，并且被配置成当所述左右声道音频输入信号中的每一个的所述低频部分的所述能量水平较低时对所述左右声道音频输入信号中的每一个的所述低频部分提供放大增益，从而增强每个所述扬声器的所述低频响应，并且当所述左右声道音频输入信号中的每一个的所述低频部分的所述能量水平较高时衰减所述左右声道音频输入信号中的每一个的所述低频部分，从而防止所述扬声器过驱动。

12.根据权利要求11所述的系统，其中还包括一对求和模块，用于根据左声道的所述信号压缩器的压缩输出信号和所述左声道的剩余频带的对应信号以及右声道的所述信号压缩器的压缩输出信号和所述右声道的剩余频带的对应信号来提供一对求和信号。

13.根据权利要求11所述的系统，其中还包括：信号求和器，被配置成提供表示所述左右声道的所述信号压缩器的所述压缩输出信号的和的求和压缩信号；以及至少两个求和模块，用于根据所述求和压缩信号与在每个剩余频带中提供的左右声道信号中的每一个的部分来提供左右声道求和信号。

14.一种与扬声器一起使用的基于两频带压缩器的架构，所述架构可配置为音量调节器、低音增强器和扬声器保护装置。

15.一种针对较低输入电平的音频信号增强扬声器的低频响应而针对较高输入电平的音频信号保护所述扬声器的方法，所述方法包括：

将音频输入信号分离成包括低频带的至少两个频带；以及

压缩输入音频信号在所述低频带中的低频部分，使得当所述输入信号的所述低频部分的能量水平较低时对所述输入信号的所述低频部分提供放大增益，从而增强所述扬声器的所述低频响应，并且当所述输入信号的所述低频部分的所述能量水平较高时衰减所述输入信号的所述低频部分，从而防止所述扬声器过驱动。

16.根据权利要求15所述的方法，还包括根据左声道的信号压缩器的压缩输出信号和所述左声道的剩余频带的对应信号以及右声道的信号压缩器的压缩输出信号和所述右声道的剩余频带的对应信号来提供一对求和信号。

17.根据权利要求15所述的方法，其中还提供表示左右声道的压缩信号的和的求和压缩信号；并且根据所述求和压缩信号与在每个剩余频带中提供的左右声道信号中的每一个的部分来提供左右声道求和信号。

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