CN105325012B - 传播延迟校正设备以及传播延迟校正方法 - Google Patents

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Abstract

一种传播延迟校正设备包括：对音频信号执行短时傅里叶变换从而产生频谱信号的装置；对于多个预定频带中的每一个设定传播延迟时间的装置；基于对于预定频带中的每一个设定的传播延迟时间来计算对于这些频带中的每一个的相位控制量的装置；平滑对于预定频带中的每一个所计算的相位控制量，由此产生预定的相位控制信号的装置；基于所产生的相位控制信号来控制对于预定频带中的每一个的频谱信号的相位的装置；以及对频谱信号执行短时傅里叶逆变换，由此产生传播延迟校正的音频信号的装置，其中所述频谱信号的相位对于预定频带中的每一个受控。

Description

传播延迟校正设备以及传播延迟校正方法
技术领域
本发明涉及用于校正音频信号的传播延迟的传播延迟校正设备以及传播延迟校正方法。
背景技术
一般地，在比如客车的车辆中，扬声器设置在多个位置处。例如，左前扬声器和右前扬声器设置在相对于车内空间的中央线互相对称的位置处。然而，如果接听者的接听位置(驾驶员座位、前排乘客座位、后排座位等)被认为是参考位置，则这些扬声器不是对称放置的。因此，由于在接听者的接听位置与多个扬声器中的每一个之间的距离的差异，所以发生了由于哈斯效应而引起的音像定位偏差。
例如，日本专利临时公开第H7-162985A号(在下文中为“专利文件1”)公开了能够补救音像定位偏差的设备。在专利文件1中公开的设备通过调节时间使得从全部扬声器发出的播放声音同时到达接听者(即，时间对准处理)来抑制音像定位偏差。更具体地，在专利文件1中公开的设备通过利用频带划分电路将音频信号划分为高范围和低范围，然后调节从低频带扬声器和高频带扬声器中的每个发出的每个播放声音的时间，而在整个范围上校正由于相位干扰引起的音像定位偏差和频率特性扰乱。
然而，在专利文件1中公开的设备具有的问题在于，在接听者的接听位置处的传输特性的线性度由于在频带划分电路中发生的信号损耗和二重相加而降低。此外，在专利文件1中公开的设备还具有的问题在于：在混合由频带划分电路划分的信号时，在交叉频率附近的频率特性中发生峰值和/或跌落。
鉴于以上，国际专利公开第WO2009/095965A1号(在下文中为“专利文件2”)的手册提出了一种用于执行时间对准处理的设备，其能够提高在接听者的接听位置处的传输特性的线性度并且抑制混合时频率特性中的峰值和/或跌落的发生。
发明内容
在专利文件2中公开的设备使用数字滤波器来提高在接听者的接听位置处传输特性的线性度。更具体地，在专利文件2中公开的设备使用FIR(无限冲激响应)滤波器。在专利文件2中公开的FIR滤波器为具有陡峭截止频率来抑制峰值和/或跌落发生的高阶滤波器，并且由多个延迟电路和倍频器组成。因此，存在的问题在于处理负荷很大。此外，利用在专利文件2中公开的配置，所需的延迟电路和倍频器的数量随着被划分的频带数量的增加而增加。因而，存在的问题在于，处理负荷增加。
本发明是考虑到以上情况而做出的，并且本发明的目的为提供一种传播延迟校正设备和传播延迟校正方法，其提高了在接听者的接听位置处传输特性的线性度，并且抑制了在频带之间峰值和/或跌落的发生，同时抑制了处理负荷的增加。
根据本发明的实施方案的传播延迟校正设备包括：频谱信号产生装置，其配置为通过对音频信号执行短时傅里叶变换来产生频谱信号；传播延迟时间设定装置，其配置为对多个预定频带中的每一个设定传播延迟时间；相位控制量计算装置，其配置为基于对于多个预定频带中的每一个设定的传播延迟时间来计算多个预定频带中的每一个的相位控制量；相位控制信号产生装置，其配置为通过平滑对于多个预定频带中的每一个所计算的相位控制量来产生相位控制信号；相位控制装置，其配置为基于所产生的相位控制信号来控制多个预定频带中的每一个的频谱信号的相位；以及音频信号产生装置，其配置为通过对频谱信号执行短时傅里叶逆变换来产生执行了传播延迟校正的音频信号，所述频谱信号的相位对于多个预定频带中的每一个受控。
如上所述，利用本实施方案，通过对每个频带执行相位控制，在多个频带之间的传播延迟时间得到调节(校正)，而不需要使用大量的FIR滤波器。因此，在接听者的接听位置处的传输特性的线性度得到了提高，同时抑制了处理负荷的增加。此外，由于在频带之间的相位干扰而引起的频率特性扰乱(峰值和/或跌落的发生)通过平滑处理来平滑在传播延迟时间彼此不同的频带之间的相位变化而得到抑制。
所述相位控制装置可以配置为基于所述相位控制信号来旋转和偏移对于所述多个预定频带中的每一个的频谱信号的相位。
所述传播延迟校正设备可以配置为包括频带指定装置，其能够指定要通过传播延迟时间设定装置设定传播延迟时间的频带的数量和宽度中的至少一个。
根据本发明的实施方案的传播延迟时间校正方法包括：频谱信号产生步骤，其通过对音频信号执行短时傅里叶变换来产生频谱信号；传播延迟时间设定步骤，其对于多个预定频带中的每一个设定传播延迟时间；相位控制量计算步骤，其基于对于多个预定频带中的每一个设定的传播延迟时间来计算对于所述多个预定频带中的每一个的相位控制量；相位控制信号产生步骤，其通过平滑对于所述多个预定频带中的每一个所计算的相位控制量来产生控制信号；相位控制步骤，其基于所产生的相位控制信号来控制对于所述多个预定频带中的每一个的频谱信号的相位；以及音频信号产生步骤，其通过对频谱信号执行短时傅里叶逆变换来产生执行了传播延迟校正的音频信号，所述频谱信号的相位对于所述多个预定频带中的每一个受控。
根据以上实施方案的传播延迟时间校正方法，通过对每个频带执行相位控制，在多个频带之间的传播延迟时间得到调节(校正)，而不需要使用大量的FIR滤波器。因此，在接听者的接听位置处的传输特性的线性度得到了提高，同时抑制了处理负荷的增加。此外，由于在频带之间的相位干扰而引起的频率特性扰乱(峰值和/或跌落的发生)通过平滑处理来平滑传播延迟时间彼此不同的频带之间的相位变化而得到抑制。
附图说明
图1为示出根据本发明的实施方案的声音处理设备的配置的框图。
图2为示出由根据本发明的实施方案的声音处理设备执行的时间对准处理的流程图的示图。
图3为示出从设置到根据本发明的实施方案的声音处理设备的传播延迟时间设定单元输出的、用于每个频带的传播延迟时间信号的示例的示图。
图4为示出从设置到根据本发明的实施方案的声音处理设备的相位控制量计算单元输出的、用于每个频带的相位控制量信号的示例的示图。
图5为示出从设置到根据本发明的实施方案的声音处理设备的相位平滑单元输出的、用于每个频带的相位控制信号的示例的示图。
图6为示出以连续相位显示的、根据本发明的实施方案的传播延迟时间设定单元设定的R通道的相位控制量的示图。
图7为示出在本发明的实施方案中，当输入具有平坦频率特性的冲激信号时输出的频率特性(没有相位平滑)的示图。
图8为示出在本发明的实施方案中，当输入具有平坦频率特性的冲激信号时输出的频率特性(进行了相位平滑)的示图。
图9为示出对应于在图8中示出的频率特性的冲激响应的示图。
图10为示出在本发明的实施方案中，当输入频带被限制为2.8kHz–3.5kHz的具有平坦频率特性的冲激信号时的冲激响应(进行了相位平滑)的示图。
具体实施方式
在下文中，将参考附图来描述本发明的实施方案。应当注意的是，在下面，声音处理设备以本发明的实施方案的示例给出并进行解释。
[声音处理设备1的配置和时间对准处理流程]
图1为示出本实施方案的声音处理设备1的配置的框图。如图1所示，本实施方案的声音处理设备1包括：声源11、短时傅里叶变换(STFT：短时傅里叶变换)单元12、传播延迟时间设定单元13、相位控制量计算单元14、相位平滑单元15、相位控制单元16以及短时傅里叶逆变换(ISTFT：短时傅里叶逆变换)单元17。声音处理设备1调节立体声音频信号的L通道和R通道的传播延迟时间(即，声音处理设备1执行时间对准处理)，以抑制由哈斯效应引起的声像定位偏差。通过经由未示出的功率放大器利用扬声器输出传播延迟时间经调节(校正)的音频信号，用户能够在音像定位偏差得到抑制的环境中接听音乐等。图2示出了由声音处理设备1执行的时间对准处理的流程图。应当注意，为了方便起见，在本实施方案中解释了存在两个通道的情况下的时间对准处理，但存在三个通道或更多的情况下的时间对准处理也在本发明的范围内。
[图2中的S11(短时傅里叶变换)]
从声源11输入通过对可逆的或不可逆的压缩格式的编码信号进行解码而获得的立体声音频信号L和R至STFT单元12。STFT单元12通过对每个输入音频信号L和R使用窗口函数来执行叠加处理和加权，利用STFT将加权的信号从时域变换到频域，并且输出实部和虚部频谱Lf和Rf。
[图2中的S12(传播延迟时间设定变化的检测)]
传播延迟时间设定单元13是接收来自用户的传播延迟时间设定操作的接口。用户通过操作传播延迟时间设定单元13能够对L通道和R通道中每一个的每个预定频带(例如，可听范围被划分成的多个频带中的每一个)来设定传播延迟时间。要设定传播延迟时间的频带的数量和宽度可以通过传播延迟时间设定单元13的操作来指定。传播延迟时间设定单元13根据设定操作来输出传播延迟时间信号Lt和Rt。在本流程图中，当从传播延迟时间设定单元13输出的信号Lt和Rt中检测出传播延迟时间设定的变化时(图2中的S12：是)，过程行进到图2中的处理步骤S13(相位控制量计算)。当从传播延迟时间设定单元13输出的信号Lt和Rt没有检测出传播延迟时间设定的变化时(图2中的S12：否)，过程行进到图2中的处理步骤S15(相位控制)。
应当注意的是，传播延迟时间设定的变化不限于手动操作。如本实施方案的另一个变型，例如，麦克风被设定在接听者的接听位置处(驾驶员座位、前排乘客座位、后排座位等)。在该变型中，利用设置在接听者的接听位置处的麦克风来测量车内空间的声学特性，并且基于测量结果来自动地设定对于每个通道的每个频带的传播延迟时间。
[图2中的S13(相位控制量计算)]
相位控制量计算单元14基于从传播延迟时间设定单元13输入的对于每个频带的传播延迟时间信号Lt和Rt，来计算对于每个频带的相位控制量，并且将经计算的相位控制量信号Lc和Rc输出至相位平滑单元15。以上提到的相位控制用于控制频谱信号Lf和Rf的相位旋转量。控制相位旋转量等效于在时域上控制传播延迟时间。应当注意的是，由于在将相位保持在频带内的同时仅仅传播延迟时间是受控的，因而取样频率的倒数是传播延迟时间的分辨率。此外，根据频率的相位偏移给到每个频带的相位旋转。
[图2中的S14(相位平滑)]
相位平滑单元15通过利用整合处理来平滑从相位控制量计算单元14输入的对于每个频带的相位控制量信号Lc和Rc，来对每个频带产生相位控制信号Lp和Rp。相位平滑单元15将对于每个频带产生的相位控制信号Lp和Rp输出到相位控制单元16。
[图2中的S15(相位控制)]
相位控制单元16基于从相位平滑单元15输入的对于每个频带的相位控制信号Lp和Rp，来控制对于每个频带的从STFT单元12输入的频谱信号Lf和Rf的相位(执行相位旋转和相位偏移)。相位控制单元16将对于每个频带相位受控的频谱信号Lfp和Rfp输出至ISTFT单元17。
[图2中的S16(短时傅里叶逆变换)]
ISTFT单元17通过ISTFT将从相位控制单元16输入的频谱信号Lfp和Rfp从频域信号变换为时域信号，并且通过对变换的信号使用窗口函数和重叠相加来执行加权。在重叠相加之后获得的音频信号Lo和Ro是根据传播延迟时间设定单元13的设定执行了传播延迟校正的信号，并且从ISTFT单元17输出至随后阶段的电路(比如功率放大器或扬声器)。
如上所述，利用根据本发明的声音处理设备1，可以通过对于每个频带执行相位控制(相位旋转和相位偏移)来调节(校正)多个频带之间的传播延迟时间，而不需要使用大量的FIR滤波器。因此，在接听者的接听位置处的传输特性的线性度得到提高，同时抑制了处理负荷的增加。此外，由于频带之间的相位干扰所产生的频率特性扰乱(峰值和/或跌落的发生)通过利用平滑处理来平滑传播延迟时间彼此不同的频带之间的相位变化而得到抑制。
[用于时间对准处理的示例性特定值]
接下来，将描述用于通过声音处理设备1执行的时间对准处理的示例性特定值。以下为示例性特定值的参数及其值。
音频信号取样频率：44.1kHz
傅里叶变换长度：16,384个取样
重叠长度：12,288个取样
窗口函数：汉明
频带划分数量：20
(在该示例中，可听范围被划分为20个频带。)
从传播延迟时间设定单元13输出的对于每个频带的传播延迟时间信号Lt和Rt的示例在图3(a)和图3(b)中分别示出。在图3(a)和图3(b)的每一个中，纵轴为延迟时间(单位：毫秒)，而横轴为频率(单位：Hz)。如图3中所示，对于所有频带，L通道侧信号Lt的传播延迟时间是0毫秒(见图3(a))，而R通道侧信号Rt的传播延迟时间在0毫秒-2.2毫秒的范围中对于20个频带中的每一个独立地设定(见图3(b))。
从相位控制量计算单元14输出的对于每个频带的相位控制量信号Lc和Rc的示例在图4(a)和图4(b)中分别示出。在图4(a)和图4(b)的每一个中，纵轴为相位(单位：度)，而横轴为频率(单位：Hz)。如上所示，对于所有频带，L通道侧的传播延迟时间为0毫秒。因此，如图4(a)中所示，信号Lc是不包括相位旋转和相位偏移的平坦信号。另一方面，如图4(b)中所示，信号Rc是包括根据传播延迟时间的相位旋转和相位偏移的信号(见图3(b))。
从相位平滑单元15输出的对于每个频带的相位控制信号Lp和Rp的示例分别在图5(a)和图5(b)中示出。在图5(a)和图5(b)的每一个中，纵轴为相位(单位：度)，而横轴为频率(单位：Hz)。在利用现有的示例性特定值的用于相位平滑的整合处理中，使用阶数为128的FIR低通滤波器。FIR低通滤波器的归一化截止频率为0.05。应当注意，FIR低通滤波器仅用于为了相位平滑的整合处理。因此，由于FIR低通滤波器而引起的处理负荷的增加是很小的。此外，FIR低通滤波器可以用IIR(无限冲激响应)低通滤波器来代替。
图6为示出以连续相位显示的、根据传播延迟时间设定单元13设定的R通道的相位控制量的示图。在图6中，纵轴为角度(单位：弧度)，而横轴为频率(单位：Hz)。此外，在图6中，虚线表示在通过相位平滑单元15进行相位平滑之前的相位控制量(图4(b)中所示的相位控制量信号Rc)，而实线表示在通过相位平滑单元15进行相位平滑之后的相位控制量(图5(b)中所示的相位控制信号Rp)。
从图4(b)和图5(b)的比较或在图6中的虚线和实线的比较中清楚的是，频带之间的陡峭相位变化通过相位平滑单元15的相位平滑进行平滑。由于传播延迟时间彼此不同的频带之间的相位干扰而引起的频率特性扰乱(峰值和/或跌落的发生)因此得到抑制。
图7和图8为示出在图3中示出的传播延迟时间被设定的情况下，当输入具有平坦频率特性的冲激信号(音频信号L和R)时输出(音频信号Lo和Ro)的频率特性的示图。在图7和图8中，纵轴为水平(单位：dB)，而横轴为频率(单位：Hz)。图7(a)和图7(b)分别示出在相位平滑单元15的相位平滑没有执行的情况下音频信号Lo和Ro的频率特性。图8(a)和图8(b)分别示出在执行了相位平滑单元15的相位平滑的情况下音频信号Lo和Ro的频率特性。从图7和图8(b)的比较中清楚的是，频率特性通过相位平滑单元15的相位平滑而平坦了，并且由于在传播延迟时间彼此不同的频带之间的相位干扰而产生的频率特性扰乱(峰值和/或跌落的发生)得到抑制。
图9(a)和图9(b)分别示出对应于图8(a)和图8(b)中所示的频率特性的冲激响应。在图9(a)和图9(b)的每一个中，纵轴是幅度(归一化的值)，而横轴是时间(单位：秒)。从图9(a)和图9(b)的比较中清楚的是，R通道冲激响应(音频信号Ro)相对于L通道冲激响应(音频信号Lo)是延迟的。更具体而言，由于在0毫秒-2.2毫秒的范围中的传播延迟时间给到R通道冲激响应(音频信号Ro)的每个频带，因此清楚的是，包括各个延迟。
图10(a)和图10(b)分别示出在图3中示出的传播延迟时间被设定的情况下，当频带被限制为2.8kHz-3.5kHz并且输入了具有平坦频率特性的冲激信号(音频信号L和R)时的冲激响应(音频信号Lo和Ro)。在图10(a)和图10(b)的每一个中，纵轴是幅度(归一化的值)，而横轴是时间(单位：秒)。如图3(b)所示，在2.8kHz-3.5kHz的频带中由传播延迟时间设定单元13设定的传播延迟时间为2.2毫秒。从图10(a)和图10(b)的比较中清楚的是，在将相位保持在频带内时仅传播延迟时间(2.2毫秒)受控。
以上为本发明的说明性实施方案的描述。本发明的实施方案不限于以上所解释的实施方案，并且在本发明的技术概念范围内的各种变化都是可以的。例如，在说明书中详细说明的示例性实施方案的适当组合和/或从说明书中显而易见的示例性实施方案也包括在本发明的实施方案中。

Claims (6)

1.一种传播延迟时间校正设备，其用于调节多个通道的每个的音频信号的传播延迟时间以抑制由哈斯效应引起的声像定位偏差，所述传播延迟时间校正设备包括：
频谱信号产生装置，其配置为通过对所述音频信号执行短时傅里叶变换来产生频谱信号；
传播延迟时间设定装置，其配置为对于多个预定频带中的各个频带设定传播延迟时间；
相位控制量计算装置，其配置为基于对于多个预定频带分别设定的传播延迟时间，来计算对于多个预定频带中的各个频带的相位控制量，计算的相位控制量表示第一相位控制信号；
相位控制信号产生装置，其配置为通过在频域中平滑所述第一相位控制信号来产生第二相位控制信号；
相位控制装置，其配置为基于所述第二相位控制信号来控制多个预定频带中的每一个的频谱信号的相位；以及
音频信号产生装置，其配置为通过对频谱信号执行短时傅里叶逆变换来产生施加了传播延迟校正的音频信号，所述频谱信号的相位对于多个预定频带中的每一个受控。
2.根据权利要求1所述的传播延迟时间校正设备，
其中，相位控制装置配置为基于第二相位控制信号来旋转和偏移多个预定频带中的每一个的频谱信号的相位。
3.根据权利要求1或2所述的传播延迟时间校正设备，
进一步包括频带指定装置，其能够指定要通过传播延迟时间设定装置设定传播延迟时间的频带的数量和宽度中的至少一个。
4.一种传播延迟时间校正方法，其用于调节多个通道的每个的音频信号的传播延迟时间以抑制由哈斯效应引起的声像定位偏差，所述传播延迟时间校正方法包括：
频谱信号产生步骤，其通过对所述音频信号执行短时傅里叶变换来产生频谱信号；
传播延迟时间接收步骤，其对多个预定频带中的各个频带设定传播延迟时间；
相位控制量计算步骤，其基于对于多个预定频带分别设定的传播延迟时间来计算对于多个预定频带中的各个频带的相位控制量，计算的相位控制量表示第一相位控制信号；
相位控制信号产生步骤，其通过在频域中平滑所述第一相位控制信号来产生第二相位控制信号；
相位控制步骤，其基于所述第二相位控制信号来控制对于多个预定频带中的每一个的频谱信号的相位；以及
音频信号产生步骤，其通过对频谱信号执行短时傅里叶逆变换来产生施加了传播延迟校正的音频信号，所述频谱信号的相位对于多个预定频带中的每一个受控。
5.根据权利要求4所述的传播延迟时间校正方法，
其中，在相位控制步骤中，基于第二相位控制信号来旋转和偏移多个预定频带中的每一个的频谱信号的相位。
6.根据权利要求4或5所述的传播延迟时间校正方法，
进一步包括频带指定步骤，其能够指定要设定传播延迟时间的频带的数量和宽度中的至少一个。
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