CN104754465B - 一种自适应信号增强方法和系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种自适应信号增强方法和系统，其中，所述方法包括：利用增强滤波器将源信号转换成第一数字信号；将第一数字信号转换成声信号；收集所述声信号，并将所述收集的声信号转换成第三数字信号；利用所述第一数字信号和第三数字信号更新所述增强滤波器的参数。通过所述方法和系统可以获得较好的声音信号增强效果。

Description

一种自适应信号增强方法和系统
技术领域
本发明涉及信号处理技术领域，特别是涉及一种自适应信号增强方法和系统。
背景技术
扬声器作为常用的音频回放终端，其受物理原理的限制，还原信号的性能十分有限，主要体现在，频率响应非常不平坦，输出增益的线性程度很差。基于这些状况，扬声器较难高保真地复现需要播放的音频，这个现象在使用小型或廉价扬声器系统时尤其突出。以手机为例，几乎每台手机都装备了两个扬声器，一个是用于受话器播放手持通话时的下行电话音，另一个是用于扩声器播放免提时的下行电话音，或者用于播放多媒体内容。手机受体积所限，这两个扬声器的体积都非常小，成本远低于高保真扬声器，且音频还原度均很不理想。
通过测量扬声器的频率响应的传递函数，利用该传递函数计算其逆函数（反函数）来构建均衡滤波器，加在扬声器前面，将输出信号进行预滤波后，交由扬声器输出，是一个经典的改善扬声器频率响应的方法。使用均衡器对馈给扬声器的信号进行分频段的增益补偿，相对前一种方法则是一种近似或粗略的方法。
然而上述几类方法依然面临无法解决的问题。因为扬声器的传递函数频率响应波动较大，其频率响应的谷点往往有较大的增益衰减，并且扬声器还是一个线性度很差的系统，其频率响应会随输入信号发生时变。基于这种状况，其传递函数的逆函数计算需要进行较多的数值近似，避免频率响应的谷点过载，且其无法跟随扬声器的状态。
发明内容
本发明解决的技术问题是提供一种新的自适应信号增强方法和系统，以获得较好的扬声器信号增强效果。
本发明的实施例提供了一种自适应信号增强方法，所述方法包括：利用增强滤波器将源信号转换成第一数字信号；将第一数字信号转换成声信号；收集所述声信号，并将所述收集的声信号转换成第三数字信号；利用所述第一数字信号和第三数字信号更新所述增强滤波器的参数。
可选地，所述利用所述第一数字信号和第三数字信号更新所述增强滤波器的参数包括：对所述第一数字信号进行延迟处理，获得目标信号；利用自适应滤波器将所述第三数字信号转换成逆信号；将所述目标信号和所述逆信号相减，获得误差信号；根据所述误差信号和所述第三数字信号对所述自适应滤波器的参数进行更新；根据所述更新后的自适应滤波器的参数更新所述增强滤波器的参数。
可选地，所述根据所述更新后的自适应滤波器的参数更新所述增强滤波器的参数包括：将所述增强滤波器的参数替换为所述更新后的自适应滤波器的参数。
可选地，所述将第一数字信号转换成声信号包括：将所述第一数字信号转换成第一模拟电信号；将所述第一模拟电信号转换成所述声信号。
可选地，所述将所述收集的声信号转换成第三数字信号包括：将所述声信号转换成第二模拟电信号；将第二所述模拟电信号转换成所述第三数字信号。
本发明的实施例还提供了一种自适应信号增强系统，所述系统包括：增强滤波器，用于将源信号转换成第一数字信号；扬声器，用于将第一数字信号转换成声信号；传声器，用于收集所述声信号，并将所述收集的声信号转换成第三数字信号；参数更新单元，用于利用所述第一数字信号和第三数字信号更新所述增强滤波器的参数。
可选地，所述参数更新单元包括：延迟子单元，用于对所述第一数字信号进行延迟处理，获得目标信号；自适应滤波器，用于将所述第三数字信号转换成逆信号；计算子单元，用于将所述目标信号减去所述逆信号，获得误差信号，所述自适应滤波器包括：第一参数更新子单元，用于根据所述误差信号和所述第三数字信号对自适应滤波器的参数进行更新计算；第二参数更新子单元，用于将所述更新计算后的自适应滤波器的参数发送至所述增强滤波器。
可选地，所述增强滤波器还用于将所述增强滤波器的参数替换为所述更新计算后的自适应滤波器的参数。
可选地，所述扬声器包括：数模转换子单元，用于将所述第一数字信号转换成第一模拟电信号；电声信号转换子单元，用于将所述第一模拟电信号转换成所述声信号。
可选地，所述传声器包括：声电转换子单元，用于将所述声信号转换成第二模拟电信号；模数转换子单元，用于将所述第二模拟电信号转换成所述第三数字信号。
与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下优点：在上述技术方案中，采用一个自适应滤波器去更新增强滤波器的参数，利用增强滤波器给输入扬声器的第一数字信号进行滤波处理，提高扬声器输出的声信号的幅频响应性能，使得扬声器的输出信号尽可能地接近源信号，从而获得更高的音频还原度。自适应滤波器的自适应机制可以在线跟踪，能适应扬声器的时变响应，获得更好的增强效果。
附图说明
图1是本发明实施例中自适应信号增强系统的结构示意图；
图2是本发明实施例中自适应信号增强方法的流程图；
图3是本发明实施例中对增强滤波器的参数更新的方法的流程图。
具体实施方式
为使本领域技术人员更好地理解和实现本发明，以下参照附图，通过具体实施例进行详细说明。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
图1是本发明实施例中自适应信号增强系统的结构示意图。所述自适应信号增强系统包括：增强滤波器110、扬声器120、传声器130和参数更新单元140。
请参考图1，所述增强滤波器110用于将源信号x（t）转换成第一数字信号y（t）。
具体地，源信号x(t)通过所述增强滤波器110进行滤波得到第一数字信号y(t)。所述增强滤波器110可以是一个长度为N的有限冲击响应（FIR）滤波器，其滤波表达式为：
其中，h1是增强滤波器110的滤波器参数。所述增强滤波器110的长度N可以为所述扬声器120的冲击响应拖尾时间Tr的两倍，Tr和N的关系为：
N=2fsTr （2）
所述扬声器120的冲击响应拖尾时间Tr视环境反射的不同可以从较短的0.01秒到较长的5秒，在一个典型的移动设备应用中，环境反射较小且衰减很快，Tr的典型时间0.2秒，那么拖尾时间Tr可设为0.2秒。N越大，所述增强滤波器110的效果会越好，但随之会带来滤波计算和更新计算的高负担。
请继续参考图1，所述扬声器120用于将第一数字信号y（t）转换成声信号。
在本发明的实施例中，所述扬声器120可以包括：数模转换子单元（图未显示），用于将所述第一数字信号y（t）转换成第一模拟电信号；电声信号转换子单元（图未显示），用于将所述第一模拟电信号转换成所述声信号。
在本发明的实施例中，所述电声信号转换子单元可以为扩音系统，所述扩音系统可以将所述第一模拟电信号增强到足够驱动所述扬声器120，然后馈给扬声器120让其转化为声信号。
请继续参考图1，所述传声器130用于收集所述声信号，并将所述收集的声信号转换成第三数字信号s（t）。
具体地，所述传声器13可以0包括：声电转换子单元（图未显示），用于将所述声信号转换成第二模拟电信号；模数转换子单元（图未显示），用于将所述第二模拟电信号转换成所述第三数字信号s（t）。
请继续参考图1，所述参数更新单元140用于利用所述第一数字信号和第三数字信号更新所述增强滤波器的参数。
具体地，所述参数更新单元140可以包括：延迟子单元141和自适应滤波器142。
其中，所述延迟子单元141用于对所述第一数字信号y（t）进行延迟处理，获得目标信号d（t）。
所述第一数字信号y(t)经过所述延迟子单元141进行一定时间的延迟后得到目标信号d（t）。
在本发明的实施例中，其延迟计算表达式可以为：
d(t)=y（t-td） （3）
其中，td是延迟采样数，用于控制延迟时间Td，它们存在这样的关系：
td=Tdfs （4）
在本发明的实施例中，可以要求延迟时间Td大于所述增强滤波器110产生的延迟、扬声器120产生的延迟、声音在空气中传播的路径延迟和传声器系统产生的延迟的总和，该延迟一般在0.001秒到5秒之间不等，需视整个系统配置的情况而定。在一个典型的移动设备应用中，这些延迟总和的典型值接近0.2秒，那么延迟时间Td可设为0.2秒。
在本发明的其他实施例中，其延迟计算表达式也可以为：
d(t)=Ay（t-td） （5）
其中，A是增益控制因子，A=1，则增益为0dB，A>1，则增益为正，A<1，则增益为负；td是延迟采样数用于控制延迟时间Td，它们存在这样的关系:
td=Tdfs （6）
在上述实施例中，同样可以要求延迟时间Td大于所述增强滤波器110产生的延迟、扬声器120产生的延迟、声音在空气中传播的路径延迟和传声器系统产生的延迟的总和，该延迟一般在0.001秒到5秒之间不等，需视整个系统配置的情况而定。在一个典型的移动设备应用中，这些延迟总和的典型值接近0.2秒，那么延迟时间Td可设为0.2秒。
在本发明的其他实施例中，其延迟计算表达式也可以为：
其中，A是音效控制滤波器，它是具有M个系数的FIR滤波器，其频率响应为所需音效的频率响应；td是延迟采样数用于控制延迟时间Td，它们存在这样的关系:
td=Tdfs （8）
在上述实施例中，同样可以要求延迟时间Td大于所述增强滤波器110产生的延迟、扬声器120产生的延迟、声音在空气中传播的路径延迟和传声器系统产生的延迟的总和，该延迟一般在0.001秒到5秒之间不等，需视整个系统配置的情况而定。在一个典型的移动设备应用中，这些延迟总和的典型值接近0.2秒，那么延迟时间Td可设为0.2秒。
请继续参考图1，所述自适应滤波器142用于将所述第三数字信号s（t）转换成逆信号z（t），其滤波过程为：
其中，所述自适应滤波器142是一个长度为N的有限冲击响应（FIR）滤波器，h2t是自适应滤波器142的滤波器参数，下标t表示其为t时刻的参数。
请继续参考图1，在本发明的实施例中，所述参数更新单元140还包括：计算子单元143，用于将所述目标信号d（t）减去所述逆信号z（t），获得误差信号e（t）。其计算方法为：
e(t)=d(t)-z（t） （10）
在具体实施中，所述自适应滤波器142可以包括：第一参数更新子单元（图未显示），用于根据所述误差信号e（t）和所述第三数字信号s（t）对自适应滤波器142的参数h2进行更新计算。在本发明的实施例中，自适应滤波器142的参数h2更新计算方法可以用最小均方算法（LMS）、归一化最小均方算法（NLMS）、最小二乘算法（RLS）、仿射投影算法（AP）、快速仿射投影算法（FAP）、块最小均方算法（BLMS）、频域最小均方算法（FDAF）、加窗频域最小均方算法（WDAF）等中的任意一种。
所述自适应滤波器142还可以包括：第二参数更新子单元（图未显示），用于将所述更新计算后的自适应滤波器142的参数h2发送至所述增强滤波器110，以更新所述增强滤波器110的参数h1。在本发明的实施例中，所述增强滤波器110还用于根据所述更新计算后的自适应滤波器142的参数h2对其自身的参数h1进行更新，具体地，可以将所述增强滤波器110的参数h1替换为所述更新计算后的自适应滤波器的参数h2。
请参考图2，本发明的额实施例还提供了一种自适应信号增强方法，所述方法包括：
步骤S101，利用增强滤波器将源信号转换成第一数字信号；
步骤S102，将第一数字信号转换成声信号；
步骤S103，收集所述声信号，并将所述收集的声信号转换成第三数字信号；
步骤S104，利用所述第一数字信号和第三数字信号更新所述增强滤波器的参数。
请参考图3，在本发明的实施例中，步骤S104包括：
步骤S104a，对所述第一数字信号进行延迟处理，获得目标信号；
步骤S104b，利用自适应滤波器将所述第三数字信号转换成逆信号；
步骤S104c，将所述目标信号和所述逆信号相减，获得误差信号；
步骤S104d，根据所述误差信号和第三数字信号对所述自适应滤波器的参数进行更新；
步骤S104e，根据所述更新后的自适应滤波器的参数更新所述增强滤波器的参数。
在本发明的实施例中，所述步骤S104e可以包括：将所述增强滤波器的参数替换为所述更新后的自适应滤波器的参数。
在本发明的实施例中，所述步骤S102可以包括：将所述第一数字信号转换成第一模拟电信号；将所述第一模拟电信号转换成所述声信号。
在本发明的实施例中，所述步骤S103可以包括：将所述声信号转换成第二模拟电信号；将第二所述模拟电信号转换成所述第三数字信号。
本领域普通技术人员可以理解上述实施例的各种方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，该程序可以存储于一计算机可读存储介质中，存储介质可以包括：ROM、RAM、磁盘或光盘等。
虽然本发明披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。

Claims (8)

1.一种自适应信号增强方法，其特征在于，包括：
利用增强滤波器将源信号转换成第一数字信号；
将第一数字信号转换成声信号；
收集所述声信号，并将所述收集的声信号转换成第三数字信号；
利用所述第一数字信号和第三数字信号更新所述增强滤波器的参数，包括：对所述第一数字信号进行延迟处理，获得目标信号；利用自适应滤波器将所述第三数字信号转换成逆信号；将所述目标信号和所述逆信号相减，获得误差信号；根据所述误差信号和所述第三数字信号对所述自适应滤波器的参数进行更新；根据所述更新后的自适应滤波器的参数更新所述增强滤波器的参数。
2.如权利要求1所述的自适应信号增强方法，其特征在于，所述根据所述更新后的自适应滤波器的参数更新所述增强滤波器的参数包括：将所述增强滤波器的参数替换为所述更新后的自适应滤波器的参数。
3.如权利要求1所述的自适应信号增强方法，其特征在于，所述将第一数字信号转换成声信号包括：将所述第一数字信号转换成第一模拟电信号；将所述第一模拟电信号转换成所述声信号。
4.如权利要求1所述的自适应信号增强方法，其特征在于，所述将所述收集的声信号转换成第三数字信号包括：将所述声信号转换成第二模拟电信号；将第二所述模拟电信号转换成所述第三数字信号。
5.一种自适应信号增强系统，其特征在于，包括：
增强滤波器，用于将源信号转换成第一数字信号；
扬声器，用于将第一数字信号转换成声信号；
传声器，用于收集所述声信号，并将所述收集的声信号转换成第三数字信号；
参数更新单元，用于利用所述第一数字信号和第三数字信号更新所述增强滤波器的参数，包括：延迟子单元，用于对所述第一数字信号进行延迟处理，获得目标信号；自适应滤波器，用于将所述第三数字信号转换成逆信号；计算子单元，用于将所述目标信号减去所述逆信号，获得误差信号，所述自适应滤波器包括：第一参数更新子单元，用于根据所述误差信号和所述第三数字信号对自适应滤波器的参数进行更新计算；第二参数更新子单元，用于将所述更新计算后的自适应滤波器的参数发送至所述增强滤波器。
6.如权利要求5所述的自适应信号增强系统，其特征在于，所述增强滤波器还用于将所述增强滤波器的参数替换为所述更新计算后的自适应滤波器的参数。
7.如权利要求5所述的自适应信号增强系统，其特征在于，所述扬声器包括：数模转换子单元，用于将所述第一数字信号转换成第一模拟电信号；电声信号转换子单元，用于将所述第一模拟电信号转换成所述声信号。
8.如权利要求5所述的自适应信号增强系统，其特征在于，所述传声器包括：声电转换子单元，用于将所述声信号转换成第二模拟电信号；
模数转换子单元，用于将所述第二模拟电信号转换成所述第三数字信号。
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