CN106877820A - 一种动态改变均衡增益的均衡系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种动态改变均衡增益的均衡系统及方法，所述均衡系统包括有依次连接所述音频输入终端、模拟信号转数字信号转换器、RMS信号有效值检测器、电平转化模块以及电平比较器，依次连接的均衡参数输入模块、滤波器系数平滑更新器、滤波器系数缓冲器、频率响应补偿模块、数字信号转模拟信号转换器以及音频输出终端。利用本发明，可根据输入信号的大小实现动态调整均衡增益，既可以在输入信号较小时提升设定的频段的均衡增益，增强该频段的表现力，又可以在信号较大时，动态限制设定频段的均衡增益，从而避免因调节传统的固定增益均衡器提升过多而引起的信号失真。

Description

一种动态改变均衡增益的均衡系统和方法

技术领域

本发明涉及音频播放领域，具体涉及一种动态改变均衡增益的均衡系统及方法。

背景技术

现有的音箱在输入信号较小时，对某些音频频段表现不足。虽然可以通过调整该频段的均衡增益来提高的其表现能力，然而当该频段的信号增大时，预先提高的均衡增益又容易引起失真。目前，现有的音频音响均衡技术只能固定调节某个频段的增益，不能根据输入信号的大小改变均衡增益。因此，有必要提供一种新的技术方案，以使得其可以根据输入信号的大小改变均衡增益，从而有效避免在调整均衡增益时而引起某些频段的失真。

发明内容

为克服现有技术的不足及存在的问题，本发明提供一种动态改变均衡增益的均衡系统及方法，以解决现有技术中的音频音响均衡技术只能固定调节某个频段的增益，不能根据输入信号的大小改变均衡增益的问题。

本发明是通过以下技术方案实现的：一种动态改变均衡增益的均衡系统，包括音频输入终端和音频输出终端，模拟信号转数字信号转换器、数字信号转模拟信号转换器、RMS信号有效值检测器、电平转化模块、电平比较器、启动阈值输入模块、均衡参数输入模块、滤波器系数平滑更新器、滤波器系数缓冲器以及频率响应补偿模块，其中，所述频率响应补偿模块优选为双二阶滤波器；

所述音频输入终端、模拟信号转数字信号转换器、RMS信号有效值检测器、电平转化模块以及电平比较器依次连接，所述均衡参数输入模块、滤波器系数平滑更新器、滤波器系数缓冲器、频率响应补偿模块、数字信号转模拟信号转换器以及音频输出终端依次连接；

所述启动阈值输入模块的输出端与所述电平比较器的输入端连接，所述电平转化模块与电平比较器的输出端均与所述滤波器系数平滑更新器的输入端连接，所述模拟信号转数字信号转换器的输出端还与所述频率响应补偿模块的输入端连接；

所述均衡参数输入模块中的均衡参数包括均衡系统的带宽，均衡系统的目标电平，均衡系统的中心频率，均衡增益增大或衰减的比率，均衡增益的起控时间以及均衡增益释放的时间。

优选地，所述均衡参数输入模块包括微控制器，与微控制器连接的显示屏模块以及键盘模块。

进一步地，所述均衡参数输入模块还包括与微控制器连接的上位机。

进一步地，所述音频输入终端与模拟信号转数字信号转换器之间连接有模拟低通滤波器，所述音频输出终端与字信号转模拟信号转换器之间连接有模拟低通滤波器。

优选地，所述RMS信号有效值检测器、电平转化模块、电平比较器、滤波器系数平滑更新器、滤波器系数缓冲器以及频率响应补偿模块集成于一数字信号处理器模块中。

本发明提供的动态改变均衡增益的方法应用于上述均衡系统中，所述方法包括：

S1、利用所述启动阈值输入模块输入启动阈值作为均衡系统启动的门限；

S2、利用所述模拟信号转数字信号转换器将音频输入终端输出的模拟信号转换为数字信号，并将该数字信号输入到RMS信号有效值检测器中；

S3、所述RMS信号有效值检测器对所述数字信号进行有效值检测，并将检测的有效值输入到所述电平转化模块中，所述电平转化模块将所述有效值转化为与所述启动阈值单位相同的数值Q，以供所述电平比较器对所述有效值与所述启动阈值进行比较；

S4、利用所述均衡参数输入模块输入以下均衡系统的参数值：

输入均衡系统的带宽值，以限制均衡系统的带宽；

输入均衡系统的中心频率值，以规定均衡系统的中心频率点；

输入均衡系统的目标电平值，以作为均衡系统提升或衰减的大小的目标；

输入均衡系统的比率值，以作为均衡系统提升或衰减的大小的比率；

输入均衡增益的起控时间值，以作为均衡系统提升或衰减到目标电平所需的时间；

输入均衡增益的释放时间值，以作为均衡系统恢复到单位增益所需的释放时间；

S5、所述滤波器系数平滑更新器根据步骤S3所述的比较结果与所述步骤S4中输入的各参数值对所述滤波器系数缓冲器中的滤波器系数进行更新，以克服滤波器启动时因参数突变而引起突变噪声；

S6、所述频率响应补偿模块对均衡系统的频率响应进行补偿处理，以改善均衡系统的频率响应；

S7、所述频率响应补偿模块完成补偿处理后输出相应的信号至所述数字信号转模拟信号转换器，所述数字信号转模拟信号转换器将接收到的数字信号转换成相应的模拟信号后输出至所述音频输出终端。

优选地，所述步骤S5中在对所述滤波器系数缓冲器中的滤波器系数进行更新过程中，所述均衡系统包括以下三种状态：

动态均衡未启动状态：若所述电平比较器输出为假，即所述数值Q小于所述启动阈值，且电平比较器之前的状态为假，此时动态均衡未启动；

动态均衡启动及均衡增益保持状态：若所述电平比较器输出为真，即所述数值Q大于所述启动阈值，且动态均衡处于未启动状态，则将滤波器系数平滑更新器的平滑标志置1，将电平比较器的状态标志置1，并将滤波器系数平滑更新器内的启动时间计数器赋值为所述起控时间的值；

若启动时间计数器的启动时间T不为零，则先计算出帧间增益变化梯度∆1，再计算出帧内采样值间增益变化梯度∆2 = ∆1/len，其中len为帧长，最后根据帧内采样值间增益变化梯度∆2更新所述滤波器系数缓冲器的滤波器系数,以达到动态均衡启动时增益的平滑过渡，此时动态均衡开始启动；

若启动时间计数器的启动时间T为零，则保持起控完成后最终增益的提升或衰减，并保持此时的增益值GainHold，此时为均衡增益保持状；

动态均衡释放状态，若所述电平比较器输出为假，即所述数值Q小于所述启动阈值，且先前的状态为均衡启动状态，则先将滤波器系数平滑更新器内的释放时间计数器赋值为所述释放时间值,然后计算出释放时间内帧间的增益变化梯度∆3，再根据帧间增益变化梯度∆3计算帧内采样值间增益变化梯度∆4 = ∆3/len，最后根据帧内采样值间增益变化梯度∆4更新所述滤波器系数缓冲器的滤波器系数，以达到动态均衡释放时增益的平滑过渡；若释放时间计数器的值等于零，则保持信号直通。

利用本发明提供的动态改变均衡增益的均衡系统及方法，可根据输入信号的大小实现动态调整均衡增益，从而有效避免在调整均衡增益时而引起某些频段的失真：既可以在输入信号较小时提升设定的频段的均衡增益，增强该频段的表现力，又可以在信号较大时，动态限制设定频段的均衡增益，从而避免因调节传统的固定增益均衡器提升过多而引起的信号失真。

附图说明

图1是本发明其中一实施例所述的均衡系统的结构示意框图。

图2是本发明实施例中所述均衡参数输入模块的结构示意框图。

图3是本发明另一实施例所述的均衡系统的结构示意框图。

图4是本发明实施例中使用所述均衡系统时，动态均衡启动后，输入信号与输出信号的关系示意图。

具体实施方式

为了便于本领域技术人员的理解，以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细描述。

如附图1所示，一种动态改变均衡增益的均衡系统，其包括音频输入终端11和音频输出终端12，模拟信号转数字信号转换器1（即A/D）、数字信号转模拟信号转换器10（即D/A）、RMS信号有效值检测器2、电平转化模块3、电平比较器4、启动阈值输入模块5、均衡参数输入模块6、滤波器系数平滑更新器7、滤波器系数缓冲器8以及频率响应补偿模块，本实施例中，所述频率响应补偿模块优选为双二阶滤波器9；所述均衡参数输入模块中的均衡参数包括均衡系统的带宽，均衡系统的目标电平，均衡系统的中心频率，均衡增益增大或衰减的比率，均衡增益的起控时间以及均衡增益释放的时间。

其中，所述音频输入终端、模拟信号转数字信号转换器、RMS信号有效值检测器、电平转化模块以及电平比较器依次连接，所述均衡参数输入模块、滤波器系数平滑更新器、滤波器系数缓冲器、双二阶滤波器、数字信号转模拟信号转换器以及音频输出终端依次连接；所述启动阈值输入模块的输出端与所述电平比较器的输入端连接，所述电平转化模块与电平比较器的输出端均与所述滤波器系数平滑更新器的输入端连接，所述模拟信号转数字信号转换器的输出端还与所述双二阶滤波器的输入端连接，如附图1所示。

在其中一个优选的实施例中，所述均衡参数输入模块包括微控制器，与微控制器连接的显示屏模块以及键盘模块；优选地，所述均衡参数输入模块还可以包括与微控制器连接的上位机，如附图2所示。各均衡参数可以通过所述显示屏模块以及键盘模块进行输入，而所述微控制器则用于进行相应的保存与数据传输处理。当然，还可以在所述上位机上装载相应的软件，利用该软件在上位机上方便地输入各均衡参数。其中，显示屏模块可以为LCD显示屏或LED显示屏，所述上位机可以为电脑。此外，用于输入启动阈值的启动阈值输入模块的相关数值也可以通过所述键盘模块或上位机输入，即所述启动阈值输入模块与所述均衡参数输入模块可以集成于同一功能模块中。

在其中一个优选的实施例中，可通过硬件与软件结合的方式，将述RMS信号有效值检测器、电平转化模块、电平比较器、滤波器系数平滑更新器、滤波器系数缓冲器以及双二阶滤波器集成于一数字信号处理器（DSP）模块中；作为优选的实施例，所述音频输入终端与模拟信号转数字信号转换器之间连接有模拟低通滤波器，所述音频输出终端与字信号转模拟信号转换器之间连接有模拟低通滤波器，如附图3所示。通过增加所述模拟低通滤波器，可有效过滤高频信号、防止频率混淆，从而提高音频质量。

本发明实施例还提供了一种动态改变均衡增益的方法，该方法应用于上述均衡系统中，所述方法包括：

S1、利用所述启动阈值输入模块输入启动阈值作为均衡系统启动的门限；

S2、利用所述模拟信号转数字信号转换器将音频输入终端输出的模拟信号转换为数字信号，并将该数字信号输入到RMS信号有效值检测器中；

S3、所述RMS信号有效值检测器对所述数字信号进行有效值检测，并将检测的有效值输入到所述电平转化模块中，所述电平转化模块将所述有效值转化为与所述启动阈值单位相同的数值Q，以供所述电平比较器对所述有效值与所述启动阈值进行比较；

S4、利用所述均衡参数输入模块输入以下均衡系统的参数值：

输入均衡系统的带宽值，以限制均衡系统的带宽；

输入均衡系统的中心频率值，以规定均衡系统的中心频率点；

输入均衡系统的目标电平值，以作为均衡系统提升或衰减的大小的目标；

输入均衡系统的比率值，以作为均衡系统提升或衰减的大小的比率；

输入均衡增益的起控时间值，以作为均衡系统提升或衰减到目标电平所需的时间；

输入均衡增益的释放时间值，以作为均衡系统恢复到单位增益所需的释放时间；

S5、所述滤波器系数平滑更新器根据步骤S3所述的比较结果与所述步骤S4中输入的各参数值对所述滤波器系数缓冲器中的滤波器系数进行更新，以克服滤波器启动时因参数突变而引起突变噪声；

S6、所述频率响应补偿模块对均衡系统的频率响应进行补偿处理，以改善均衡系统的频率响应；

S7、所述频率响应补偿模块完成补偿处理后输出相应的信号至所述数字信号转模拟信号转换器，所述数字信号转模拟信号转换器将接收到的数字信号转换成相应的模拟信号后输出至所述音频输出终端。

本实施例中，所述步骤S5中在对所述滤波器系数缓冲器中的滤波器系数进行更新过程中，所述均衡系统包括以下三种状态：动态均衡未启动状态，动态均衡启动及均衡增益保持状态，以及动态均衡释放状态。

以下对上述三种状态作进一步的详细说明：

动态均衡未启动状态：若所述电平比较器输出为假，即所述数值Q小于所述启动阈值，且电平比较器之前的状态为假，则所述滤波器系数平滑更新器输出到所述滤波器系数缓冲器的数值使得所述频率响应补偿模块为直通状态，此时动态均衡未启动；此处所述的直通状态是指：对电平比较器而言就是上次的比较结果为假，即状态标志为0； 对于频率响应补偿模块来说是指此时无补偿，频率响应是平的。

动态均衡启动及均衡增益保持状态：若所述电平比较器输出为真，即所述数值Q大于所述启动阈值，且动态均衡处于未启动状态，则将滤波器系数平滑更新器的平滑标志置1，将电平比较器的状态标志置1，并将滤波器系数平滑更新器内的启动时间计数器赋值为所述起控时间的值；当平滑标志为1时，开始计算目标增益值，计算完成后将平滑标志置0。电平比较器的状态标志，即当所述数值Q大于所述启动阈值大于所述启动阈值，将信号标记置1。

若所述比率值乘以当前帧电平值大于目标电平值，或当前帧的电平值减去前一帧的电平值大于预设增益变化值或平滑标志等于1,则将平滑标志置0，其中，所述预设增益变化值为固定数值2；

若所述启动时间计数器的启动时间T不为零，则先根据所述数值Q、所述目标电平值以及所述比率值计算出目标增益TargetdB；其中，所述目标增益TargetdB = ((InputLevel-TargetLevel)*Ratio + TargetLevel) – InputLevel，InputLevel为输入电平值，即所述数值Q，TargetLevel为所述目标电平值，Ratio为所述比率值；

然后根据启动时间T和所述目标增益TargetdB计算出帧间增益变化梯度∆1，再根据所述帧间增益变化梯度∆1计算帧内采样值间增益变化梯度∆2 = ∆1/len，len为帧长；

最后根据帧内采样值间增益变化梯度∆2更新所述滤波器系数缓冲器的滤波器系数,以达到动态均衡启动时增益的平滑过渡，此时动态均衡开始启动；

若启动时间计数器的启动时间T为零，则保持起控完成后最终增益的提升或衰减，并保持此时的增益值GainHold，此时为均衡增益保持状；当所述状态标志为1时，平滑过渡完成的这段时间称为起控过程；

动态均衡释放状态，若所述电平比较器输出为假，即所述数值Q小于所述启动阈值，且先前的状态为动态均衡启动状态，则需释放均衡增益以达到信号直通的状态：先将滤波器系数平滑更新器内的释放时间计数器赋值为所述释放时间值,然后根据所述增益值GainHold和释放时间值计算出释放时间内帧间的增益变化梯度∆3，再根据帧间增益变化梯度∆3计算帧内采样值间增益变化梯度∆4 = ∆3/len，最后根据帧内采样值间增益变化梯度∆4更新所述滤波器系数缓冲器的滤波器系数，以达到动态均衡释放时增益的平滑过渡；若释放时间计数器的值等于零，则保持信号直通。

利用本发明实施例提供的动态改变均衡增益的均衡系统及方法，可根据输入信号的大小实现动态调整均衡增益，从而有效避免在调整均衡增益时而引起某些频段的失真：既可以在输入信号较小时提升设定的频段的均衡增益，增强该频段的表现力，又可以在信号较大时，动态限制设定频段的均衡增益，从而避免因调节传统的固定增益均衡器提升过多而引起的信号失真；如附图4所示，当输入信号小于电平阈值时，输入信号等于输出输出信号，信号直通；当输入信号大于电平阈值且小于目标电平时，均衡提升，增强设定频段的表现力；当输入信号大于目标电平时，均衡提升衰减，限制输出电平，防止信号失真。

上述实施例为本发明的较佳的实现方式，并非是对本发明的限定，在不脱离本发明的发明构思的前提下，任何显而易见的替换均在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种动态改变均衡增益的均衡系统，包括音频输入终端和音频输出终端，其特征在于，所述均衡系统还包括有：模拟信号转数字信号转换器、数字信号转模拟信号转换器、RMS信号有效值检测器、电平转化模块、电平比较器、启动阈值输入模块、均衡参数输入模块、滤波器系数平滑更新器、滤波器系数缓冲器以及频率响应补偿模块，

所述音频输入终端、模拟信号转数字信号转换器、RMS信号有效值检测器、电平转化模块以及电平比较器依次连接，所述均衡参数输入模块、滤波器系数平滑更新器、滤波器系数缓冲器、频率响应补偿模块、数字信号转模拟信号转换器以及音频输出终端依次连接；

所述启动阈值输入模块的输出端与所述电平比较器的输入端连接，所述电平转化模块与电平比较器的输出端均与所述滤波器系数平滑更新器的输入端连接，所述模拟信号转数字信号转换器的输出端还与所述频率响应补偿模块的输入端连接；

所述均衡参数输入模块中的均衡参数包括均衡系统的带宽，均衡系统的目标电平，均衡系统的中心频率，均衡增益增大或衰减的比率，均衡增益的起控时间以及均衡增益释放的时间。

2.根据权利要求1所述的均衡系统，其特征在于：所述均衡参数输入模块包括微控制器，与微控制器连接的显示屏模块以及键盘模块。

3.根据权利要求2所述的均衡系统，其特征在于：所述均衡参数输入模块还包括与微控制器连接的上位机。

4.根据权利要求3所述的均衡系统，其特征在于：所述音频输入终端与模拟信号转数字信号转换器之间连接有模拟低通滤波器，所述音频输出终端与字信号转模拟信号转换器之间连接有模拟低通滤波器。

5.根据权利要求1～4中任意一项所述的均衡系统，其特征在于：所述RMS信号有效值检测器、电平转化模块、电平比较器、滤波器系数平滑更新器、滤波器系数缓冲器以及频率响应补偿模块集成于一数字信号处理器模块中。

6.根据权利要求5所述的均衡系统，其特征在于：所述频率响应补偿模块为双二阶滤波器。

7.一种动态改变均衡增益的方法，所述方法应用于权利要求1～6中任意一项所述的均衡系统中，所述方法包括：

S1、利用所述启动阈值输入模块输入启动阈值作为均衡系统启动的门限；

S2、利用所述模拟信号转数字信号转换器将音频输入终端输出的模拟信号转换为数字信号，并将该数字信号输入到RMS信号有效值检测器中；

S3、所述RMS信号有效值检测器对所述数字信号进行有效值检测，并将检测的有效值输入到所述电平转化模块中，所述电平转化模块将所述有效值转化为与所述启动阈值单位相同的数值Q，以供所述电平比较器对所述有效值与所述启动阈值进行比较；

S4、利用所述均衡参数输入模块输入以下均衡系统的参数值：

输入均衡系统的带宽值，以限制均衡系统的带宽；

输入均衡系统的中心频率值，以规定均衡系统的中心频率点；

输入均衡系统的目标电平值，以作为均衡系统提升或衰减的大小的目标；

输入均衡系统的比率值，以作为均衡系统提升或衰减的大小的比率；

输入均衡增益的起控时间值，以作为均衡系统提升或衰减到目标电平所需的时间；

输入均衡增益的释放时间值，以作为均衡系统恢复到单位增益所需的释放时间；

S5、所述滤波器系数平滑更新器根据步骤S3所述的比较结果与所述步骤S4中输入的各参数值对所述滤波器系数缓冲器中的滤波器系数进行更新，以克服滤波器启动时因参数突变而引起突变噪声；

S6、所述频率响应补偿模块对均衡系统的频率响应进行补偿处理，以改善均衡系统的频率响应；

S7、所述频率响应补偿模块完成补偿处理后输出相应的信号至所述数字信号转模拟信号转换器，所述数字信号转模拟信号转换器将接收到的数字信号转换成相应的模拟信号后输出至所述音频输出终端。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述步骤S5中在对所述滤波器系数缓冲器中的滤波器系数进行更新过程中，所述均衡系统包括以下三种状态：

动态均衡未启动状态：若所述电平比较器输出为假，即所述数值Q小于所述启动阈值，且电平比较器之前的状态为假，此时动态均衡未启动；

动态均衡启动及均衡增益保持状态：若所述电平比较器输出为真，即所述数值Q大于所述启动阈值，且动态均衡处于未启动状态，则将滤波器系数平滑更新器的平滑标志置1，将电平比较器的状态标志置1，并将滤波器系数平滑更新器内的启动时间计数器赋值为所述起控时间的值；

若启动时间计数器的启动时间T不为零，则先计算出帧间增益变化梯度∆1，再计算出帧内采样值间增益变化梯度∆2 = ∆1/len，其中len为帧长，最后根据帧内采样值间增益变化梯度∆2更新所述滤波器系数缓冲器的滤波器系数,以达到动态均衡启动时增益的平滑过渡，此时动态均衡开始启动；

若启动时间计数器的启动时间T为零，则保持起控完成后最终增益的提升或衰减，并保持此时的增益值GainHold，此时为均衡增益保持状态；

动态均衡释放状态，若所述电平比较器输出为假，即所述数值Q小于所述启动阈值，且先前的状态为均衡启动状态，则先将滤波器系数平滑更新器内的释放时间计数器赋值为所述释放时间值,然后计算出释放时间内帧间的增益变化梯度∆3，再根据帧间增益变化梯度∆3计算帧内采样值间增益变化梯度∆4 = ∆3/len，最后根据帧内采样值间增益变化梯度∆4更新所述滤波器系数缓冲器的滤波器系数，以达到动态均衡释放时增益的平滑过渡；若释放时间计数器的值等于零，则保持信号直通。