CN106504766B - 一种数字音频信号的动态范围压缩方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种数字音频信号的动态范围压缩方法，本方法将目标数据块中最大样本绝对值作为确定目标样本点的参考能量值的参考因素，可有效避免动态范围压缩过程中瞬间信号过冲的现象。本发明根据参考能量值与预设的压缩门限以及预设的释放门限的对应关系确定的目标样本点的压缩增益调整步长在一定区间范围内为一固定值(α或β或0)，而目标数据块中目标样本点的目标压缩增益为目标样本点上一样本点的压缩增益与压缩增益调整步长之和。因而，目标数据块中相邻的两样本点的变化速度相对稳定，进而使得整个数字音频输入信号中相邻两数据块的变化速度也相对稳定，不易出现音频信号畸变和失真的现象。

Description

一种数字音频信号的动态范围压缩方法

技术领域

本发明涉及动态范围压缩领域，尤其涉及一种数字音频信号的动态范围压缩方法。

背景技术

动态范围是指音响系统重放时最大不失真输出功率与静态时系统噪声输出功率之比的对数值。通过动态范围压缩器等电子元件实现动态范围压缩，可以减少音量的峰值、增加低电平声音的音量，将系统输出的最大功率限制在固定范围内，从而有效避免大动态信号造成的过载以及扬声器的损坏。

传统的动态范围压缩方法主要基于模拟电路，模拟电路本身的电路设计、响应时间以及动态范围都对动态范围压缩的压缩性能有较大影响，增加了动态范围压缩的不稳定性。基于DSP(英文全称：Digital Signal Processing，数字信号处理)的DRC(DynamicRange Compress，动态范围压缩)系统，可有效地避免控制电路的影响，优化信号电平的动态范围，使其保持在理想的门限电平内。基于数字信号处理的动态范围压缩方法主要包括基于频域的数字动态范围压缩方法和基于时域的数字动态范围压缩方法。其中，基于频域的数字动态范围压缩方法需先将模拟信号经过FFT(英文全称：Fast FourierTransformation，快速傅里叶变换)转换到频域，频域动态范围压缩后再经快速傅里叶反变换(IFFT，Inverse Fast Fourier Transformation)，获得最终的输出信号。该方法虽然可以实现不同频段音频信号的动态范围压缩，但FFT和IFFT需要大量复杂的运算，复杂度较高，通用性弱。

由此，目前常用的动态范围压缩方法为基于时域的数字动态范围压缩方法。现有的基于时域的数字动态范围压缩方法将音频输入信号划分为多个窗口，通过窗口的输入信号与相应压缩增益的乘积确定各窗口的输出信号，进而确定整个音频输入信号的输出信号。各窗口的压缩增益可根据各窗口输入信号的统计值(如平均能量、均方根能量等)作为参考能量值，进而根据参考能量值所在的数值区间确定。由于各窗口的压缩增益是根据本窗口内输入信号确定的，因而，各窗口的压缩增益相对独立，容易出现相邻窗口间音频信号的增益变化过快而导致的输出音频信号畸变和失真的现象。

发明内容

本发明提供一种数字音频信号的动态范围压缩方法，以解决现有技术中输出音频信号畸变和失真的技术问题。

本发明提供一种数字音频信号的动态范围压缩方法，包括：

将接收到的数字音频输入信号压缩AdB后划分为包含有相同数量样本点的多个数据块；

根据目标数据块中最大样本点以及目标样本点上一样本点的压缩增益确定目标样本点的参考能量值，所述目标数据块为数字音频输入信号中待压缩的数据块，所述目标样本点为目标数据块中待压缩的样本点；

根据所述参考能量值与预设的压缩门限以及预设的释放门限的对应关系确定目标数据块中目标样本点的压缩增益调整步长，所述压缩增益调整步长为α或β或0，其中，α＜0，β＞0；

将目标样本点上一样本点的压缩增益与压缩增益调整步长之和确定为目标数据块中目标样本点的目标压缩增益；

根据目标样本点压缩后的输入信号与对应的目标压缩增益确定目标样本点压缩后的输出信号；

根据目标样本点的输出信号确定数字音频信号的输出信号值，所述目标样本点的输出信号为将目标样本点压缩后的输出信号扩大AdB后的信号值。

优选的，所述根据目标数据块中最大样本点以及目标样本点上一样本点的压缩增益确定目标样本点的参考能量值包括：

获取目标数据块中最大样本点的绝对值、预先配置的绝对增益以及目标样本点上一样本点的压缩增益；

将所述最大样本点的绝对值、所述预先配置的绝对增益以及所述目标样本点上一样本点的压缩增益的乘积确定为目标样本点的参考能量值。

优选的，根据所述参考能量值与预设的压缩门限以及预设的释放门限的对应关系确定目标数据块中目标样本点的压缩增益调整步长包括：

确定所述参考能量值是否大于预设的压缩门限；

如果所述参考能量值大于预设的压缩门限，则将目标数据块中目标样本点的压缩增益调整步长确定为α；

确定所述参考能量值是否小于预设的释放门限；

如果所述参考能量值小于预设的释放门限，则将目标数据块中目标样本点的压缩增益调整步长确定为β；

如果所述参考能量值小于或者等于预设的压缩门限，或者，大于或者等于预设的释放门限，则将目标数据块中目标样本点的压缩增益调整步长确定为0。

优选的，所述压缩增益调整步长α与动态范围压缩方法的启动时间存在映射关系；所述压缩增益调整步长β与动态范围压缩方法的释放时间存在映射关系。

优选的，所述压缩增益调整步长α与动态范围压缩方法的启动时间的映射关系为α＝e^{-1/(启动时间×采样率)}；所述压缩增益调整步长β与动态范围压缩方法的释放时间的映射关系为β＝e^{1/(释放时间×采样率)}。

优选的，所述根据目标样本点的输出信号确定数字音频信号的输出信号值包括：

确定目标样本点是否为数字音频输入信号中的最后一个样本点；

如果所述目标样本点不是数字音频输入信号中的最后一个样本点，则继续压缩目标样本点的下一个样本点；

如果所述目标样本点是数字音频输入信号中的最后一个样本点，则将所述目标样本点输出信号确定为数字音频信号的输出信号值。

优选的，在根据目标样本点的输出信号确定数字音频信号的输出信号值之后，所述方法还包括：将所述数字音频信号的输出信号值进行高低通滤波。

本发明的实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：

本发明提供一种数字音频信号的动态范围压缩方法，本方法将目标数据块中最大样本绝对值作为确定目标样本点的参考能量值的参考因素，可有效避免动态范围压缩过程中瞬间信号过冲的现象。本发明根据参考能量值与预设的压缩门限以及预设的释放门限的对应关系确定的目标样本点的压缩增益调整步长在一定区间范围内为一固定值(α或β或0)，而目标数据块中目标样本点的目标压缩增益为目标样本点上一样本点的压缩增益与压缩增益调整步长之和。因而，目标数据块中相邻的两样本点的变化速度相对稳定，进而使得整个数字音频输入信号中相邻两数据块的变化速度也相对稳定，不易出现音频信号畸变和失真的现象。

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本发明。

附图说明

图1是本发明实施例中提供的一种数字音频信号的动态范围压缩方法的方法流程图；

图2是本发明实施例中提供的步骤S200的方法流程图；

图3是本发明实施例中提供的步骤S300的方法流程图；

图4是本发明实施例中提供的步骤S600的方法流程图。

具体实施方式

这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本发明相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本发明的一些方面相一致的装置的例子。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处。

请参考图1，所示为本发明实施例中提供的一种数字音频信号的动态范围压缩方法的方法流程图，由图1可见，所述方法包括：

步骤S100：将接收到的数字音频输入信号压缩AdB后划分为包含有相同数量样本点的多个数据块。

先将接收到的数字音频输入信号压缩AdB，可以保证数字音频输入信号在动态范围压缩的过程中不溢出，从而保证相关音频输出设备的正常运行。

步骤S200：根据目标数据块中最大样本点以及目标样本点上一样本点的压缩增益确定目标样本点的参考能量值，所述目标数据块为数字音频输入信号中待压缩的数据块，所述目标样本点为目标数据块中待压缩的样本点。

本发明将目标数据块中最大样本绝对值作为确定目标样本点的参考能量值的参考因素，可有效避免动态范围压缩过程中瞬间信号过冲的现象。

请参考图2，所示为本发明实施例中提供的步骤S200的方法流程图。由图2可见，步骤S200可包括以下步骤：

步骤S201：获取目标数据块中最大样本点的绝对值、预先配置的绝对增益以及目标样本点上一样本点的压缩增益。

绝对增益可以是根据用户实际需求而预先配置的。此外，当目标样本点为目标数据块中的第一点时，目标样本点上一样本点为目标数据块上一数据块的最后一个样本点，当目标数据块为数字音频输入信号中第一个数据块，并且目标样本点为目标数据块中的第一点时，目标样本点上一样本点的压缩增益记为零。

步骤S202：将所述最大样本点的绝对值、所述预先配置的绝对增益以及所述目标样本点上一样本点的压缩增益的乘积确定为目标样本点的参考能量值。

步骤S300：根据所述参考能量值与预设的压缩门限以及预设的释放门限的对应关系确定目标数据块中目标样本点的压缩增益调整步长，所述压缩增益调整步长为α或β或0，其中，α＜0，β＞0。

动态范围压缩方法的启动时间和释放时间可影响音频系统对动态范围压缩方法的响应速度，即对输入信号压缩或扩大的响应速度，即增益的变化快慢。若启动时间设置过大，上升并超过压缩门限的信号则无法被快速压缩，因而无法实现信号压缩；若启动时间设置过小，各数据块间的信号增益变化较大，信号的畸变和失真增加，各数据块连接点的样本点信号容易突变。释放时间的设置可以避免信号的过度压缩，当压缩到一定水平时(参考能量值小于预设的释放门限)，需要对增益进行恢复(压缩增益调整步长小于0)。

由此，本发明中，所述压缩增益调整步长α与动态范围压缩方法的启动时间存在映射关系；所述压缩增益调整步长β与动态范围压缩方法的释放时间存在映射关系。具体的，所述压缩增益调整步长α与动态范围压缩方法的启动时间的映射关系为α＝e^{-1/(启动时间×采样率)}；所述压缩增益调整步长β与动态范围压缩方法的释放时间的映射关系为β＝e^{1/(释放时间×采样率)}，其中，采样率为输入信号的采样周期的倒数。通过将压缩增益调整步长与动态范围压缩方法的启动时间以及释放时间建立映射关系，可有效控制增益的变化速度，进而避免信号的畸变和失真。

请参考图3，所示为本发明实施例中提供的步骤S300的方法流程图。由图3可见，步骤S300可包括以下步骤：

步骤S301：确定所述参考能量值是否大于预设的压缩门限。

步骤S302：如果所述参考能量值大于预设的压缩门限，则将目标数据块中目标样本点的压缩增益调整步长确定为α。

步骤S303：确定所述参考能量值是否小于预设的释放门限。

步骤S304：如果所述参考能量值小于预设的释放门限，则将目标数据块中目标样本点的压缩增益调整步长确定为β。

步骤S305：如果所述参考能量值小于或者等于预设的压缩门限，或者，大于或者等于预设的释放门限，则将目标数据块中目标样本点的压缩增益调整步长确定为0。

压缩门限和释放门限均可根据实际需求预先设定。当参考能量值大于预设的压缩门限时，表明目标样本点可进行压缩，目标样本点的压缩增益小于目标样本点上一点的压缩增益；当参考能量值小于预设的释放门限时，表明目标样本点需要进行扩大，目标样本点的压缩增益大于目标样本点上一点的压缩增益，防止数字音频输入信号压缩超上限而导致音频失真。整个数字音频输入信号的动态范围压缩过程一般为先压缩再扩大的过程，但动态范围压缩过程最终的实际增益小于0dB。

步骤S400：将目标样本点上一样本点的压缩增益与压缩增益调整步长之和确定为目标数据块中目标样本点的目标压缩增益。

本发明确定的目标样本点的压缩增益调整步长在一定区间范围内为一固定值(α或β或0)，而目标数据块中目标样本点的目标压缩增益为目标样本点上一样本点的压缩增益与压缩增益调整步长之和。因而，目标数据块中相邻的两样本点的变化速度相对稳定，进而使得整个数字音频输入信号中相邻两数据块的变化速度也相对稳定，不易出现音频信号畸变和失真的现象。

步骤S500：根据目标样本点压缩后的输入信号与对应的目标压缩增益确定目标样本点压缩后的输出信号。

可将目标样本点压缩后的输入信号与对应的目标压缩增益的乘积确定目标样本点压缩后的输出信号。

步骤S600：根据目标样本点的输出信号确定数字音频信号的输出信号值，所述目标样本点的输出信号为将目标样本点压缩后的输出信号扩大AdB后的信号值。

请参考图4，所示为本发明实施例中提供的步骤S600的方法流程图。由图4可见，步骤S600可包括以下步骤：

步骤S601：确定目标样本点是否为数字音频输入信号中的最后一个样本点。

步骤S602：如果所述目标样本点不是数字音频输入信号中的最后一个样本点，则继续压缩目标样本点的下一个样本点。

步骤S603：如果所述目标样本点是数字音频输入信号中的最后一个样本点，则将所述目标样本点输出信号确定为数字音频信号的输出信号值。

此外，本发明在输出级增加了高低通滤波，从而进一步增加了输出音频信号的平滑度。

以上所述的本发明实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何在本发明的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

需要说明的是，在本文中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅是本发明的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (7)

1.一种数字音频信号的动态范围压缩方法，其特征在于，所述方法包括：

将接收到的数字音频输入信号压缩AdB后划分为包含有相同数量样本点的多个数据块；

根据目标数据块中最大样本点以及目标样本点上一样本点的压缩增益确定目标样本点的参考能量值，所述目标数据块为数字音频输入信号中待压缩的数据块，所述目标样本点为目标数据块中待压缩的样本点；

根据所述参考能量值与预设的压缩门限以及预设的释放门限的对应关系确定目标数据块中目标样本点的压缩增益调整步长，所述压缩增益调整步长为α或β或0，其中，α＜0，β＞0；

将目标样本点上一样本点的压缩增益与压缩增益调整步长之和确定为目标数据块中目标样本点的目标压缩增益；

根据目标样本点压缩后的输入信号与对应的目标压缩增益确定目标样本点压缩后的输出信号；

根据目标样本点的输出信号确定数字音频信号的输出信号值，所述目标样本点的输出信号为将目标样本点压缩后的输出信号扩大AdB后的信号值,其中，所述A为信号压缩或扩大的数值。

2.根据权利要求1所述的数字音频信号的动态范围压缩方法，其特征在于，所述根据目标数据块中最大样本点以及目标样本点上一样本点的压缩增益确定目标样本点的参考能量值包括：

获取目标数据块中最大样本点的绝对值、预先配置的绝对增益以及目标样本点上一样本点的压缩增益；

将所述最大样本点的绝对值、所述预先配置的绝对增益以及所述目标样本点上一样本点的压缩增益的乘积确定为目标样本点的参考能量值。

3.根据权利要求1所述的数字音频信号的动态范围压缩方法，其特征在于，根据所述参考能量值与预设的压缩门限以及预设的释放门限的对应关系确定目标数据块中目标样本点的压缩增益调整步长包括：

确定所述参考能量值是否大于预设的压缩门限；

如果所述参考能量值大于预设的压缩门限，则将目标数据块中目标样本点的压缩增益调整步长确定为α；

确定所述参考能量值是否小于预设的释放门限；

如果所述参考能量值小于预设的释放门限，则将目标数据块中目标样本点的压缩增益调整步长确定为β；

如果所述参考能量值小于或者等于预设的压缩门限，或者，大于或者等于预设的释放门限，则将目标数据块中目标样本点的压缩增益调整步长确定为0。

4.根据权利要求3所述的数字音频信号的动态范围压缩方法，其特征在于，所述压缩增益调整步长α与动态范围压缩方法的启动时间存在映射关系；所述压缩增益调整步长β与动态范围压缩方法的释放时间存在映射关系。

5.根据权利要求4所述的数字音频信号的动态范围压缩方法，其特征在于，所述压缩增益调整步长α与动态范围压缩方法的启动时间的映射关系为α＝e^{-1/(启动时间×采样率)}；所述压缩增益调整步长β与动态范围压缩方法的释放时间的映射关系为β＝e^{1/(释放时间×采样率)}。

6.根据权利要求3所述的数字音频信号的动态范围压缩方法，其特征在于，所述根据目标样本点的输出信号确定数字音频信号的输出信号值包括：

确定目标样本点是否为数字音频输入信号中的最后一个样本点；

如果所述目标样本点不是数字音频输入信号中的最后一个样本点，则继续压缩目标样本点的下一个样本点；

如果所述目标样本点是数字音频输入信号中的最后一个样本点，则将所述目标样本点输出信号确定为数字音频信号的输出信号值。

7.根据权利要求5所述的数字音频信号的动态范围压缩方法，其特征在于，在根据目标样本点的输出信号确定数字音频信号的输出信号值之后，所述方法还包括：

将所述数字音频信号的输出信号值进行高低通滤波。