CN109245739A - 数字音频均衡器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种数字音频均衡器，其包括音频信号输入端和音频信号输出端，所述音频信号输入端接收待处理音频信号，所述数字音频均衡器还包括依次串联于音频信号输入端和音频信号输出端之间的m个滤波器，所述m个滤波器依次对所述待处理音频信号进行m个分频段滤波，以使得所述待处理音频信号被分为m个频段且每个频段被对应的所述滤波器进行滤波处理，其中，所述m为大于等于2的自然数。与现有技术相比，本发明中的数字音频均衡器包括依次串联于音频信号输入端和音频信号输出端之间的m个滤波器，所述m个滤波器依次对所述待处理音频信号进行m个分频段滤波，从而不但可以校正音频设备产生的频率失真，而且还可以提高音响艺术的表现效果。

Description

数字音频均衡器
【技术领域】
本发明涉及电路设计领域，特别涉及一种数字音频均衡器。
【背景技术】
随着数字音频技术的快速发展，对数字化音频电子产品的音质要求越来越高。在声音的传输和播放中，由于设备或器件的原因，导致幅度对频率的响应会不一致，而达不到原有的听觉效果。利用音频均衡器可以实现对某一频带内的信号进行增强或衰减，以改善音响设备输出频响特性，提高听觉效果。由于模拟音频均衡器容易受到周围电磁环境和由于电路设计造成的内部电磁场干扰降低声音品质，而数字音频均衡器可以很好的克服这一缺陷。
因此，有必要提供一种数字音频均衡器来改善音响设备输出的音质。
【发明内容】
本发明的目的在于提供一种数字音频均衡器，其不但可以校正音频设备产生的频率失真，而且还可以提高音响艺术的表现效果。
为了解决上述问题，本发明提供一种数字音频均衡器，其包括音频信号输入端和音频信号输出端，所述音频信号输入端接收待处理音频信号。所述数字音频均衡器还包括依次串联于音频信号输入端和音频信号输出端之间的m个滤波器，所述m个滤波器依次对所述待处理音频信号进行m个分频段滤波，以使得所述待处理音频信号被分为m个频段且每个频段被对应的所述滤波器进行滤波处理，其中，所述m为大于等于2的自然数。
进一步的，所述m个滤波器包括1个高通滤波器和(m-1)个峰值滤波器，
所述高通滤波器用于滤除所述待处理音频信号中的低频噪声和调节所述待处理音频信号中的低频信号；所述(m-1)个峰值滤波器分别用来对所述待处理音频信号中的对应频段信号进行增强或衰减处理。
进一步的，所述滤波器的参数包括中心频率、增益和/或品质因数根据需要配置各个滤波器的中心频率、增益和/或品质因数。
进一步的，所述滤波器为IIR双二阶滤波器，对其传递函数进行一系列的化简处理得到如下差分公式：
y[n]＝(b0/a0)*x[n]+(b1/a0)*x[n-1]+(b2/a0)*x[n-2]-(a1/a0)*y[n-1]-(a2/a0)*y[n-2]，
其中，(b0/a0)，(b1/a0)，(b2/a0)，(a1/a0)和(a2/a0)为对应的滤波器的5个滤波系数，y[n]为滤波器的输出，x[n]为滤波器的输入。
进一步的，所述高通滤波器中：
b0＝(1+cos(wi))/2
b1＝-(1+cos(wi))
b2＝(1+cos(wi))/2
a0＝1+alpha
a1＝-2*cos(wi)
a2＝1–alpha
其中，wi＝2fi/fs，wi为中心角频率，fi为所述高通滤波器对应频段的中心频率，fs为采样频率；
Alpha＝sin(wi)/(2*Q)，Q为品质因数。
进一步的，所述峰值滤波器中：
b0＝1+alpha*A
b1＝-2*cos(wi)
b2＝1-alpha*A
a0＝1+alpha/A
a1＝-2*cos(wi)
a2＝1-alpha/A
其中，wi＝2fi/fs，wi为中心角频率，fi为所述峰值滤波器对应频段的中心频率，fs为采样频率；
Alpha＝sin(wi)/(2*Q)，Q为品质因数，其中dBgain为增益值。
进一步的，基于需要的音效确定fi，Q和/或dBgain的值，计算出各个滤波器对应的滤波系数，并配置到对应的滤波器中。
进一步的，n＝6，
所述高通滤波器的fi＝500Hz，fs＝48KHz，Q＝0.707；
5个峰值滤波器的fi分别为2KHz、4KHz、8KHz、12KHz和16KHz，fs＝48KHz，Q＝5，dBgain分别取8，-8，8，-8，8。
进一步的，所述待处理音频信号为PCM音频信号，其频率为从20Hz～20KHz的正弦波音频数据。
进一步的，根据所述数字音频均衡器的调节补偿精细程度来确定m。
与现有技术相比，本发明中的数字音频均衡器包括依次串联于音频信号输入端和音频信号输出端之间的m个滤波器，所述m个滤波器依次对所述待处理音频信号进行m个分频段滤波，从而不但可以校正音频设备产生的频率失真，而且还可以提高音响艺术的表现效果。
【附图说明】
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中：
图1为本发明中的数字音频均衡器在一个实施例中的结构示意图；
图2为图1中的滤波器在一个实施例中的电路示意图；
图3为图1所示的数字音频均衡器在一个实施例中的频率响应图；
图4为图1所示的数字音频均衡器在一个实施例中对PCM音频数据(Pulse CodeModulation，脉冲编码调制)，进行均衡处理前后的数据频谱对照图。
【具体实施方式】
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。除非特别说明，本文中的连接、相连、相接的表示电性连接的词均表示直接或间接电性相连。
在音响器材中，由于音响的频率响应曲线本来不是水平直线，因此要根据音响的频率曲线用均衡器来校正成水平直线。本发明中的数字音频均衡器将待处理音频信号(例如，可听声音范围的音频信号(20Hz～20KHz))分为m(m大于等于2)段，分别对每一段进行滤波处理。
本发明中的数字音频均衡器包括音频信号输入端pcm_in、音频信号输出端pcm_out和依次串联于音频信号输入端pcm_in和音频信号输出端pcm_out之间的m个滤波器。所述音频信号输入端pcm_in接收待处理音频信号，所述m个滤波器依次对所述待处理音频信号进行m个分频段滤波，以使得所述待处理音频信号被分为m个频段且每个频段被对应的所述滤波器进行滤波处理，从而改善音响设备输出频响特性，其中，所述m为大于等于2的自然数。
请参考图1所示，其为本发明中的数字音频均衡器在一个实施例中的结构示意图。在图1所示的实施例中，待处理音频信号为PCM音频信号，为频率从20Hz～20KHz的正弦波音频数据。
在图1所示的实施例中，m＝6，即图1所示的数字音频均衡器包括6个依次串联滤波器(其也可称为6段数字音频均衡器)，分别为IIR FILTER1、IIR FILTER2、IIR FILTER3、IIRFILTER4、IIR FILTER5、IIR FILTER6。其中，IIR FILTER1为高通IIR滤波器，其余5(或(m-1))个滤波器(IIR FILTER2至IIR FILTER6)为峰值IIR滤波器(peak filter)。所述高通滤波器IIR FILTER1的输入端与所述音频信号输入端pcm_in相连，所述高通滤波器IIRFILTER1的输出端经依次串联的5(或(m-1))个峰值滤波器(IIR FILTER2至IIR FILTER6)与所述音频信号输出端pcm_out相连。
所述高通滤波器IIR FILTER1用于滤除所述待处理音频信号中的低频噪声和调节所述待处理音频信号中的低频信号；所述5(或(m-1))个峰值滤波器(IIR FILTER2至IIRFILTER6)分别用来对所述待处理音频信号中的对应频段信号进行增强或衰减处理。
在图1所示的实施例中，6个滤波器(IIR FILTER1至IIR FILTER6)均为IIR(Infinite Impulse Response，无限脉冲响应)双二阶滤波器(Direct Form I)，具体请参考图2所示，其为图1中的IIR双二阶滤波器在一个实施例中的电路示意图，由于图2所示的IIR双二阶滤波器为本领域技术人员熟知的电路结构，故在此不再赘述其电路结构。
对图2所示的IIR双二阶滤波器的传递函数进行一系列的化简处理得到如下差分公式：
y[n]＝(b0/a0)*x[n]+(b1/a0)*x[n-1]+(b2/a0)*x[n-2]-(a1/a0)*y[n-1]-(a2/a0)*y[n-2] (1)
其中，(b0/a0)，(b1/a0)，(b2/a0)，(a1/a0)和(a2/a0)为图1中对应滤波器的5个滤波系数，y[n]为滤波器的输出，x[n]为滤波器的输入。
比如，滤波器IIR FILTER1的滤波系数：iir1_1_coef＝b0/a0；iir1_2_coef＝b1/a0；iir1_3_coef＝b2/a0；iir1_4_coef＝a1/a0；iir1_5_coef＝a2/a0。用MATLAB工具，根据滤波器类型分别计算出滤波系数：(b0/a0)，(b1/a0)，(b2/a0)，(a1/a0)和(a2/a0)的值，然后代入上述公式(1)实现滤波。
需要注意的是，本发明中不同类型的滤波器的滤波系数的计算是不一样的。
●高通滤波器IIR FILTER1的滤波系数计算：
b0＝(1+cos(wi))/2
b1＝-(1+cos(wi))
b2＝(1+cos(wi))/2
a0＝1+alpha
a1＝-2*cos(wi)
a2＝1–alpha
其中，wi＝2fi/fs，wi为中心角频率，fi为所述高通滤波器对应频段的中心频率，fs为采样频率。Alpha＝sin(wi)/(2*Q)，Q为品质因数，在图1所示的实施例中，所述高通滤波器的fi＝500Hz，fs＝48KHz，Q＝0.707。
●峰值滤波器(IIR FILTER2至IIR FILTER6)的滤波系数计算：
b0＝1+alpha*A
b1＝-2*cos(wi)
b2＝1-alpha*A
a0＝1+alpha/A
a1＝-2*cos(wi)
a2＝1-alpha/A
其中wi＝2fi/fs，wi为中心角频率，fi为所述峰值滤波器对应频段的中心频率，不同的频段中心频率不一样，取决于客户所需要处理的频段；fs为采样频率。Alpha＝sin(wi)/(2*Q)，Q为品质因数。
其中dBgain为增益值。
在图1所示的实施例中，5个峰值滤波器(IIR FILTER2至IIR FILTER6)的fi分别为2KHz、4KHz、8KHz、12KHz和16KHz；fs＝48KHz，Q＝5；dBgain分别取8，-8，8，-8，8。
若想获得不同的音效(比如，古典、爵士等)可以调整fi，Q和/或dBgain的值，并基于调整后的fi，Q和/或dBgain重新计算出各个滤波器对应的滤波系数，再分别配置到图1的iir1_coef～iir6_coef六组滤波系数中。
请参考图3所示，其为图1所示的数字音频均衡器在一个实施例中的频率响应图。其中，模拟音频信号经过ADC数模转换器转换成数字信号PCM音频数据，图3所示的实施例中，用到的是16位音频数字信号(pcm_in)，经均衡处理后最终输出16位的音频数据(pcm_out)。从图3所示的频率响应图可以看出，图1所示的数字音频均衡器对不同频段的音频信号实现了增强或衰减，以下为图3中显示的各频段信号的中心频率以及实现的增强或衰减处理统计表。
请参考图4所示，其为图1所示的数字音频均衡器在一个实施例中对20Hz～20KHz的PCM音频数据，进行均衡处理前后的数据频谱对照图，可以看到在整个20Hz～20KHz的频段内，在低频处有衰减，中频和高频段有不同程度的衰减和增强。
以下基于图3和图4具体介绍图1所示的数字音频均衡器对PCM音频数据进行均衡处理的实现过程。
待处理音频信号pcm_in经IIR_FITER1进行高通滤波，对低频部分衰减(例如，500Hz以下)后，输出给峰值滤波器IIR_FITER2，对中心频率为2KHz的音频信号进行增强处理；接着输出给峰值滤波器IIR_FITER3，对中心频率为4KHz的音频信号进行衰减处理；再输出给峰值滤波器IIR_FITER4，对中心频率为8KHz的音频信号进行增强处理；然后输出给峰值滤波器IIR_FITER5，对中心频率为12KHz的音频信号进行衰减处理；最后输出给峰值滤波器IIR_FITER4，对中心频率为16KHz的音频信号进行增强处理。最终生成均衡后的音频信号pcm_out给播放器播放。通过调整滤波器的参数(例如，fi，Q和/或dBgain的值，来重新设定各个滤波器对应的滤波系数，从而达到校正音频设备产生的频率失真和提高音响艺术的表现效果。
需要说明的是，在可听声音范围(20Hz～20KHz)内的频段分的越细，调节的峰值越尖锐，即Q值(品质因数)越高，调节时补偿越细。故数字音频均衡器中依次串联的m个滤波器的个数可以基于数字音频均衡器的调节补偿精度确定。
综上所述，本发明中的数字音频均衡器包括依次串联于音频信号输入端pcm_in和音频信号输出端pcm_out之间的m个滤波器，所述m个滤波器依次对所述待处理音频信号进行m个分频段滤波，以使得所述待处理音频信号被分为m个频段且每个频段被对应的所述滤波器进行滤波处理，从而不仅可以校正音频设备产生的频率失真，而且可以实现各种符合需求的音效，提高了音响器材(音响，耳机等)艺术的表现效果，达到最佳的声音效果。
在本发明中，“连接”、“相连”、“连”、“接”等表示电性连接的词语，如无特别说明，则表示直接或间接的电性连接。
需要指出的是，熟悉该领域的技术人员对本发明的具体实施方式所做的任何改动均不脱离本发明的权利要求书的范围。相应地，本发明的权利要求的范围也并不仅仅局限于前述具体实施方式。

Claims (10)

1.一种数字音频均衡器，其包括音频信号输入端和音频信号输出端，所述音频信号输入端接收待处理音频信号，其特征在于，
所述数字音频均衡器还包括依次串联于音频信号输入端和音频信号输出端之间的m个滤波器，所述m个滤波器依次对所述待处理音频信号进行m个分频段滤波，以使得所述待处理音频信号被分为m个频段且每个频段被对应的所述滤波器进行滤波处理，其中，所述m为大于等于2的自然数。
2.根据权利要求1所述的数字音频均衡器，其特征在于，
所述m个滤波器包括1个高通滤波器和(m-1)个峰值滤波器，
所述高通滤波器用于滤除所述待处理音频信号中的低频噪声和调节所述待处理音频信号中的低频信号；
所述(m-1)个峰值滤波器分别用来对所述待处理音频信号中的对应频段信号进行增强或衰减处理。
3.根据权利要求2所述的数字音频均衡器，其特征在于，
所述滤波器的参数包括中心频率、增益和/或品质因数，
根据需要配置各个滤波器的中心频率、增益和/或品质因数。
4.根据权利要求3所述的数字音频均衡器，其特征在于，
所述滤波器为IIR双二阶滤波器，对其传递函数进行一系列的化简处理得到如下差分公式：
y[n]＝(b0/a0)*x[n]+(b1/a0)*x[n-1]+(b2/a0)*x[n-2]-(a1/a0)*y[n-1]-(a2/a0)*y[n-2]，
其中，(b0/a0)，(b1/a0)，(b2/a0)，(a1/a0)和(a2/a0)为对应的滤波器的5个滤波系数，y[n]为滤波器的输出，x[n]为滤波器的输入。
5.根据权利要求4所述的数字音频均衡器，其特征在于，
所述高通滤波器中：
b0＝(1+cos(wi))/2
b1＝-(1+cos(wi))
b2＝(1+cos(wi))/2
a0＝1+alpha
a1＝-2*cos(wi)
a2＝1–alpha
其中，wi＝2fi/fs，wi为中心角频率，fi为所述高通滤波器对应频段的中心频率，fs为采样频率；
Alpha＝sin(wi)/(2*Q)，Q为品质因数。
6.根据权利要求5所述的数字音频均衡器，其特征在于，
所述峰值滤波器中：
b0＝1+alpha*A
b1＝-2*cos(wi)
b2＝1-alpha*A
a0＝1+alpha/A
a1＝-2*cos(wi)
a2＝1-alpha/A
其中，wi＝2fi/fs，wi为中心角频率，fi为所述峰值滤波器对应频段的中心频率，fs为采样频率；
Alpha＝sin(wi)/(2*Q)，Q为品质因数，其中dBgain为增益值。
7.根据权利要求6所述的数字音频均衡器，其特征在于，
基于需要的音效确定fi，Q和/或dBgain的值，计算出各个滤波器对应的滤波系数，并配置到对应的滤波器中。
8.根据权利要求6所述的数字音频均衡器，其特征在于，
n＝6，
所述高通滤波器的fi＝500Hz，fs＝48KHz，Q＝0.707；
5个峰值滤波器的fi分别为2KHz、4KHz、8KHz、12KHz和16KHz，fs＝48KHz，Q＝5，dBgain分别取8，-8，8，-8，8。
9.根据权利要求1所述的数字音频均衡器，其特征在于，
所述待处理音频信号为PCM音频信号，其频率为从20Hz～20KHz的正弦波音频数据。
10.根据权利要求1所述的数字音频均衡器，其特征在于，
根据所述数字音频均衡器的调节补偿精细程度来确定m。
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