CN108989950A - 自适应低音处理系统 - Google Patents

Abstract

本公开涉及自适应低音处理系统。一种高效且简单的心理声学低音生成系统生成具有能够被控制保持在阈值水平以下的相互调制的谐波信号并且包括高通滤波器和响度匹配块，其中，该高通滤波器被配置为对能够由扩音器或其它变换器高保真地再现的谐波进行滤波，该响度匹配块被配置为补偿期望谐波的响度以匹配原始信号的响度。

Description

自适应低音处理系统

分案申请说明

本申请是申请日为2013年5月29日、申请号为201380028532.X、题为“自适应低音处理系统”的中国发明专利申请的分案申请。

技术领域

本发明涉及用于在音频再现系统中提升低音的方法。更具体地，本发明涉及在音频再现系统中利用心理声学原理来增强用户的低音感受。本发明提出了一种具有良好音频性能的高效且简单的心理声学低音生成机制。

背景技术

现在，音频设备中的扬声器正日趋变小。由于与物理尺寸的限制相关联的较差的低频响应，尺寸较小的扬声器所固有的一个问题是无法很好地再现低频低音信号。解决低频响应差的问题的传统方式是仅提高信号中的低频内容。然而，这种方式会由于扬声器生热而增大能耗，从而导致失真以及可能的扬声器过载。

一种较为改进的方式是采用心理声学信号处理，来基于“遗失基频的原理”提升低音感受。

许多现有的心理声学低音系统使用了复杂的非线性处理器(Nonlinearprocessor，NLP)，或者使用了复杂的心理声学低音生成算法，这些方式因为过于复杂而难以实时实现。

尽管一些心理声学低音系统已使用了简单的NLP，但是这些系统中的较高次谐波可能会衰退过慢而不具有令人满意的性能。或者，这些系统的NLP会导致无限谐波。为了精确地呈现输出而无过多的干扰(artifact)，这些低音系统需要额外的低通滤波器(LPF)(或包括LPF的带通滤波器)或需要在NLP的输出处进行另外的后处理来降低干扰。否则，这些NLP将导致听得见的相互调制失真。此外，可能会难以精确控制它们的谐波衰减模式(即，谐波的相对幅度)。

一些可用的心理声学低音系统使用仅生成偶次谐波或奇次谐波，而非所有谐波的谐波发生器。此外，即使需要谐波，也并非所有NLP都生成相同的低音感受。

进一步地，当输入信号电平低或当扬声器的截止频率(fc)很低时，一些可用的低音提升系统中的谐波将会减弱。更进一步地，许多可用的心理声学低音系统应用线性增益来控制系统输出中的谐波强度，且并不考虑所生成的谐波和原来的低频之间的响度匹配。

这些问题妨碍了这些技术及其产品被用户广泛接受并被实际使用。本发明的一个目的在于，克服上述问题并提供实时实现的高效且简单的心理声学低音系统。因此，需要一种高效且简单的心理声学低音生成机制。

发明内容

为达到上述目的，本发明提供了一种具有良好音频特性的高效且简单的心理声学低音生成机制。根据一个实施例，低音生成系统包括六个处理单元：(1)自适应低频信号提取器；(2)谐波衰减模式的自适应调节器；(3)用于生成期望谐波信号的非线性处理器，该谐波信号具有受控的相互调制；(4)获取由扩音器良好再现的谐波的高通滤波器；(5)用于利用不能由扩音器再现的原始低频信号来补偿期望谐波的响度从而生成心理声学低音的响度匹配块；以及(6)对经过高通过滤的原始数据与心理声学低音求和的输出混合器。

根据一个实施例，用于生成心理声学低音的方法包括高效的非线性处理器，该处理器具有与谐波衰减模式的自适应自动调节器相耦合的可调节谐波衰减模式。

根据另一实施例，被配置为生成心理声学低音的系统包括谐波衰减模式的自适应调节器。

根据又一实施例，在利用受控的相互调制生成期望谐波信号后，该系统相对于不能由扩音器再现的原始低频信号，对期望谐波的响度进行补偿。

利用所提出的包括谐波衰减模式的自适应调节的低音生成系统和所提出的非线性处理器(NLP)，非线性的程度一贯地达到期望值，同时保持独立于扬声器的截止频率和输入音频信号的电平。因此，即使在使用限制低音的扩音器或其他很差的扩音器时，所提出的系统和方法也能向听众提供好的低频声音信号感觉。因此，本发明的实施例提供了用于各种低音提升和生成应用的有效解决方案。

下面参考附图描述本发明的这些及其他特征和优点。

附图说明

图1是示出根据本发明一个实施例的单声道心理声学低音系统的框图。

图2是示出根据本发明一个实施例的非线性处理器的输入和输出的频谱的图形表示。

图3是示出根据本发明一个实施例的图1所示的响度匹配块的进一步细节的示意图。

图4是示出根据本发明一个实施例的单声道心理声学低音系统的框图。

图5是示出根据本发明一个实施例的单声道心理声学低音系统的框图。

图6是示出根据本发明一个实施例的立体声心理声学低音系统的框图。

图7是示出根据本发明一个实施例的具有减少数目的高通滤波器的简化立体声心理声学低音系统的框图。

图8是示出根据本发明一个实施例的具有简化的低频提取器的简化立体声心理声学低音系统的框图。

具体实施例

现在将详细描述本发明的优选实施例。优选实施例的示例在附图中被示出。尽管将结合这些优选实施例对本发明进行描述，但是将理解的是，这并非为了将本发明限制于这些优选实施例。相反，这是为了覆盖所附权利要求所限定的本发明的精神和范围所包括的替换、修改和等同方式。在以下的说明中，为了提供对本发明的完全理解，给出了许多具体细节。本发明可以在没有部分或所有这些细节的情况下被实施。在其他实例中，为了避免不必要地模糊本发明，没有对公知机制进行详细描述。

这里需要说明的是，贯穿不同的附图，相同的数字指代相似的组件。这里示出和描述的不同附图用于说明本发明的不同特征。在特定特征被示出在一个附图中而未被示出在另一附图中时，除非特别表明或者该结构本质上禁止包含该特征，应当理解的是，那些特征可适应地被包含于其他附图所代表的实施例中，如同它们被那些附图完全示出一般。除非另被表明，附图不是按比例的。附图中提供的任何尺寸仅是示例性的，而非为了限定本发明的范围。

根据本发明实施例的低音生成系统包括谐波衰减模式的自适应调节和专门的非线性处理器(NLP)。优选地，可以控制非线性处理器，以减少相互调制；控制非线性保持独立于扬声器的截止频率和输入音频信号的电平。

图1示出了本发明的一个实施例。优选地，低音生成系统100包括用于修改音频输入信号101的六个处理单元：(1)低频信号提取器102；(2)谐波衰减模式的自适应调节器104；(3)用于生成期望谐波信号的非线性处理器(NLP)106；(4)用于获取可由扩音器良好再现的谐波的高通滤波器108；(5)用于将期望谐波的响度与不能由扩音器再现的原始低频信号进行匹配以生成心理声学低音的响度匹配块108；和(6)对经过高通过滤的原始数据114a与强度受控的心理声学低音118求和的输出混合器112。

优选地，低频信号提取器102包括两个串联的二阶IIR滤波器，这两个二阶IIR滤波器与扬声器的截止频率fc相关。

在优选实施例中，通过与输入电平或fc相关的自动增益来实现谐波衰减比率调节器104。例如，参考图1，能量检测器121被用于向谐波衰减比率调节器104提供调节控制信号125。一种实施方式的细节被如下示出。

output(n)＝input(n)*AdjustGain；这里阈值(Threshold)为可调节参数，可用于控制所提出的NLP的谐波衰减比率。

在一个实施例中，非线性处理器被设计为五次多项式。如下为NLP的一个非限制性示例。

y(n)＝h₀+h₁x(n)+h₂x²(n)+h₃x³(n)+h₄x⁴(n)+h₅x⁵(n) (3)

这里

h₀＝1.0

h₁＝0.693147180559945，

h₂＝0.240226506959101，

h₃＝0.0555041086648216，

h₄＝0.00961812910762848，

h₅＝0.00133335581464284

图2示出了所提出的五阶NLP的输入和输出的频谱。所提出的NLP在NLP的输出处不需要LPF；相反，常规的心理声学低音系统一般需要LPF来降低不期望的较高谐波的强度以避免失真。图2示出了130Hz的的输入202。另外，基准频率输出信号204，205和206的频率分别大约为260Hz，320Hz和420Hz。

应该注意，根据本发明的实施例，通过调节所提出的多项式NLP的个别系数，我们还可以控制谐波衰减比率。

在图1中，HPF 1(附图标记114)和HPF 2(附图标记108)优选地为相同的IIR滤波器，以提高扩音器的效率。HPF 2(108)同时起到对DC成分进行滤波的作用，以更好估计能量。应用于心理声学低音的谐波强度116优选地为用户可调节的参数。

参考响度匹配块110，能量检测器121已在等式(1)中描述。响度匹配可在线性域(而不是在分贝(dB)域)中通过如下方式实现：

output(n)＝c*[input(n)]^ρ (4)

这里，ρ为在1.1至2.0之间且与fc相关的扩展比率。参数c为大约1.0的因子。为了降低计算复杂度，可采用查表法或多项式近似来实现幂函数。

响度映射122(从图1中)的一种复杂实现方式如图3中所示。初始时在步骤302中，确定低频提取信号的低频能量。然后，在步骤304中，将能量值从线性值转换为分贝值。在步骤306中，针对低频能量进行响度计算。在步骤308中，针对与期望谐波相对应的相同响度值进行分贝计算。在步骤310中，将分贝值转换为线性值，以用于在步骤312中确定谐波的期望能量水平。当针对谐波124检测到的能量水平与期望的谐波能量相比较时(步骤312)，利用该值来提供增益估计(参见增益估计器123)。

响度(以phon为单位)和能量(以dB为单位)之间的关系(即，等响曲线)如下所述：

这里，取决于频率的参数a(f)、b(f)、和T(f)被定义如下：

a(f)＝-3.3378*10^-19f⁵+1.0889*10^-14f⁴-1.2776*10^-10f³+

6.5607*10^-7f²-0.0014f+1.8113

T(f)＝9.3706*10^-21f⁶-3.0490*10^-16f⁵+4.1801*10^-12f⁴

-2.6922*10^-8f³+8.3228*10^-5f²-0.1115f+46.48

图4中示出了简化的心理声学低音系统400，其中图1的HPF 1(附图标记114)是通过从原始音频数据101中减去所提取的低频402实现的。

图5中示出了另一简化的心理声学低音系统500。利用响度压缩器504替换响度匹配模块(图1中的110)将在具有可接受的低频感觉性能的情况下进一步省去MIPS。

响度压缩器由能量检测器、增益计算器和平滑器实现。由于NLP可能会导致过多的扩展效果，响度压缩器将根据感兴趣的低频范围内的等响曲线对过多的扩展进行补偿。

所提出的单声道方案可以很容易地被推广到立体声输入或两个以上信道输入的情形。图6中示出了本发明的用于立体声输入情形的一个实施例，该实施例是以图1中的单声道系统为基础的。在所示出的立体声心理声学低音系统600中，HPF 1(附图标记114)、HPF2(附图标记116)、和HPF 3(附图标记614)使用相同的滤波器系数。第一和第二输入音频信道(101a，101b)被组合在一起，然后组合后的信号被低频提取器102处理。进一步地，心理声学低音信号611分别在加法器/混合器612、613中被添加到经过高通过滤的左信道信号114a和经过高通过滤的右信道信号614a，以分别生成左输出信号612a和右输出信号613a。

图7示出了省去(即，降低了需求)两个HPF的简化立体声心理声学低音系统700。该系统是基于图4的单声道系统的。换句话说，图6中的高通滤波器114和614所示的高通滤波器功能被从左信道输入信号101a和右信道输入信号101b中减去低频提取信号702a的处理替代。

图8是示出根据本发明一个实施例的具有简化低频提取器的简化立体声心理声学低音系统的框图。在该实施例中，左输入信号101a和右输入信号101b在加法器802中被组合在一起。分别由这些输入信道信号得到的经过高通滤波的信号114a和614a在加法器804中被组合在一起。然后，组合得到的经过高通滤波的信号804a被从加法器806中的组合得到的输入信号中减去，以生成所提取低频信号806a。

在上述实施例中，利用单独频带执行心理声学低音处理，但是上述处理可以很容易地被推广到多个频带的情形。在fc低于1000Hz时，利用多达三个频带的处理可为扬声器提供令人满意的性能。

期望所提出的自适应心理声学低音系统提供多个优势。与现有技术相比，所提出方案的创新及优势可被总结如下：

(1)利用高效NLP来避免在NLP的输出端使用低通滤波器(LPF)并减少干扰。

(2)在所有传统系统中存在的相互调制在本发明中被大大减少，并且可被控制到听不见。

(3)在本发明中使用所提出的“谐波衰减模式的自适应调节器”的结果是，当输入电平低时或者当扬声器的截止频率非常低时，本发明的系统的谐波将不会消失。

(4)可通过上述模块或通过调节NLP的系数来控制谐波衰减比率。

(5)通过附加使用响度匹配块，本发明大大提升了所感受到的低频感觉。

尽管为了清楚理解，描述了本发明的一些细节，但是显然可以在所附权利要求的范围内进行一些改变或修改。因此，所提供的实施例应当被理解为是示例性的而非限制性的，并且本发明不限于这里给出的细节，而应当在权利要求的范围和等同之内可被修改。

Claims (16)

1.一种音频低音提升系统，包括：

自适应低频信号提取器，被配置为从输入音频信号中提取低频信号；

谐波信号的自适应调节器，被配置为对从提取的低频信号的测量生成的控制信号自适应地进行响应；

基于多项式的非线性处理器，被配置为从所述低频信号生成具有相关联的谐波信号衰减并且具有能够被控制保持在阈值水平之下的相互调制的谐波信号；

高通滤波器，所述高通滤波器位于源自所述非线性处理器的输出路径中并且被配置为使能够由输出变换器再现的谐波通过；和

输出混合器，所述输出混合器对经过高通滤波的输入音频与心理声学低音进行求和，所述心理声学低音与由所述非线性处理器生成的所述谐波信号相对应；

其中所述自适应调节器设置施加到所述非线性处理器的输入的增益，以用于调节由与所述提取的低频信号的至少能量水平相关的自动增益实现的谐波信号衰减。

2.如权利要求1所述的系统，其中，所述谐波信号可通过设置所述基于多项式的非线性处理器的系数和通过调节所述谐波信号的自适应调节器来调节。

3.如权利要求2所述的系统，其中，所述低频信号被分割成至少两个频带，并且针对所述至少两个频带中的每个频带分别生成谐波。

4.如权利要求2所述的系统，其中，所述自适应调节器生成由与所述输出变换器的截止频率进一步相关的自动增益实现的谐波衰减比率。

5.如权利要求2所述的系统，还包括响度匹配块，被配置为补偿期望谐波的响度以匹配来自所述能量水平的测量的所述低频信号的响度。

6.如权利要求1所述的系统，其中，所述非线性处理器生成偶次谐波和奇次谐波。

7.如权利要求1所述的系统，其中，所述非线性处理器被设计为五次多项式。

8.如权利要求2所述的系统，其中，从所述非线性处理器到所述输出混合器的输出路径不包括低通滤波器。

9.如权利要求1所述的系统，其中，所述系统通过从音频输入信号中减去低频提取器的输出，来从所述音频输入信号滤除低频信号。

10.如权利要求5所述的系统，其中，响度匹配是由响度压缩器执行的。

11.如权利要求10所述的系统，其中，所述响度压缩器对来自所述非线性处理器的经过高通滤波的输出进行操作。

12.如权利要求2所述的系统，其中，所述音频信号包括至少第一信道和第二信道，并且所述输出混合器包括第一信道输出混合器和第二信道输出混合器，并且其中所述低频提取被应用于所述第一信道和第二信道的组合，由所述高通滤波器传送的谐波被添加到第一输出混合器和第二输出混合器。

13.一种用于提升来自音频信号的低音感受的方法，所述方法包括：

从所述音频信号中提取低频分量；

使用基于多项式的非线性处理器来生成谐波信号，所述基于多项式的非线性处理器控制相互调制以保持在阈值以下；

基于从提取的低频分量的能量的测量生成的控制信号来自适应地调节谐波信号，并且使用所述控制信号来设置施加到所述基于多项式的非线性处理器的输入的增益，以用于调节所述谐波信号的衰减；以及

将生成的谐波信号添加到所述音频信号的经过高通滤波的表示中，并且将具有提升的低音特性的经求和信号提供给输出变换器；

其中所述谐波信号可通过设置所述基于多项式的非线性处理器的系数和通过调节所述谐波信号的自适应调节器来调节。

14.如权利要求13所述的方法，还包括补偿所述谐波信号的响度以匹配提取的低频信号的响度。

15.如权利要求14所述的方法，其中，所述非线性处理器生成偶次谐波和奇次谐波，并且包括五次多项式。

16.一种用于提升在收听空间中在扬声器上可重现的音频信号的低音感受的计算机程序产品，所述计算机程序产品体现在非暂态计算机可读介质中并且包括用于以下操作的计算机可执行指令：

接收所述音频信号；

从所述音频信号中提取低频分量；

使用基于多项式的非线性处理方法来生成谐波信号，所述基于多项式的非线性处理方法控制相互调制以保持在阈值以下；

基于从提取的低频分量的能量的测量生成的控制信号来自适应地调节谐波信号，并且使用所述控制信号来设置施加到所述基于多项式的非线性处理方法的输入的增益，以用于调节所述谐波信号的衰减；以及

将生成的谐波信号添加到所述音频信号的经过高通滤波的表示中，并且将具有提升的低音特性的经求和信号提供给输出；

其中所述谐波信号可通过设置所述基于多项式的非线性处理方法的系数和通过调节所述谐波信号的自适应调节器来调节。