CN110506425B - 低音增强 - Google Patents

Abstract

低音增强可以应用于改进电子设备的用户对低频声音的感知。失真函数可以施加到音频信号，导致产生与低频声音相关的较高频率内容。听者的耳朵可以以与低频声音类似的方式来解读该较高频率内容。失真函数可以是S型函数。低音增强还可以包括在失真之前对音频信号进行缩放、失真的调整、或者在失真之前的带隙滤波。

Description

低音增强

技术领域

本公开涉及音频处理。更特别地，本公开的各部分涉及用于改进听者对低频声音的感知的音频处理。

背景技术

低频声音挑战任何音频系统的输出能力。低频声音具有使用小型扬声器特别难以复制的长波长。用于音乐会音乐的专业音频系统、甚至家庭电影立体声系统包括至少一个特别适用于生成低频声音的大型扬声器。例如，家庭电影立体声系统具有用于生成低频声音的大型低音炮，例如伴随电影中场景的爆炸和隆隆声。然而，使用大型扬声器(如低音炮)并不总是生成低频声音的选择。

便携式设备在日常生活中变得越来越普遍。它们影响我们如何与彼此沟通，与我们的音乐互动，以及组织我们的生活。例如，许多消费者在便携式音频播放器(例如MP3播放器或蜂窝电话)上享受他们的音乐。便携式设备在尺寸缩小的同时变得更容易使用且更令人愉快地使用，同时仍然提供相同或更好的能力。对较小电子设备的需要在小尺寸的要求与保持大声且低音丰富的声音的要求之间造成了紧张。无论声音是由内部微型扬声器还是连接的外部扬声器生成的，移动设备通常没有用于在一个维度上几英寸甚至一英尺的换能器的空间。便携式设备中的扩音器的尺寸通常受到设备本身的形状因数和布局的限制。

微型扬声器具有的隔膜的尺寸反而只有几毫米或几厘米的最大直径。这些较小的换能器在低于扬声器的谐振频率(例如低于1000赫兹)的低频表现出输出压力水平随输入电压迅速下降。因为增大换能器的大小对于小型消费电子产品来说并非可行的选择，所以需要用于处理低频声音的其他技术。

常规音频处理可以用于改进低频声音的输出质量。例如，可以使用常规均衡(EQ)来提升音频信号中低于扬声器谐振(例如低于1000赫兹)的频率，以补偿低于扬声器谐振的扬声器系统频率响应的大的滚降。在施加EQ响应之后，信号可以通过约束该信号以保持在扬声器的偏移限制内的偏移限制器。具有50-150赫兹范围内的基频的低音或底鼓部分在最低可听频率为约200Hz的微型扬声器上可能完全听不见。这些声音可以有一些高于200赫兹的谐波能量。然而，该能量可能很弱。因此，原始低音部分可能非常轻柔或甚至听不见。因此，该设备的用户不能收听到按照艺术家的意图的音乐的准确表示。

这里提到的缺点仅是代表性的，并且被包括在本文中仅仅是为了强调存在对改进的电部件、特别是对消费级设备(例如移动电话)中采用的音频系统的需求。本文描述的实施例解决了某些缺点，但不一定是这里描述的或本领域已知的每个和每一个缺点。此外，本文描述的实施例可以呈现除上述缺点之外的其他益处，并且可以用于除上述缺点之外的其他应用中。

发明内容

低音增强可以被应用于改进电子设备的用户对低频声音的感知。低音增强可以对音频信号的一部分或全部进行操作，以修改低频声音的能量含量，从而补偿扬声器的不良响应。例如，施加到音频信号的低频的非线性失真将生成低频音频内容的谐波失真，使得失真分量达到更高的频率。这些高次谐波频率分量更容易利用小型扬声器(例如移动设备的微型扬声器)再现。当通过适当的非线性失真函数时，100Hz纯音基频将产生一系列谐波，其为基谐波的整数倍(即200Hz、300Hz、400Hz、500Hz等)。当呈现给人类听觉系统一组高次谐波(例如300Hz、400Hz、500Hz)时，即使在前几个谐波和基谐波(例如，100Hz、200Hz)完全听不见时，人类听觉系统也能推断出基频为100Hz。因此，即使在没有真正的低频的情况下，听者也可以更好地感知音频信号中的诸如低音吉他或底鼓的低频声音的音高。非线性失真可以施加于音频信号的低通滤波版本，使得仅低频内容通过该失真函数。在低频音频内容失真之后，可以通过高通滤波器对失真的信号进行滤波，以进一步对较高频率失真分量进行整形。然后，失真的信号可以与原始信号或与原始音频信号的高通滤波版本组合，以形成具有提升的低频谐波的输出信号。用于将失真施加于音频信号的非线性函数的一些示例是S型函数或改良的S型函数。

低音增强可以包括动态调整施加到音频信号的一部分的失真。施加到音频信号的失真(例如非线性失真)可以由一个或多个参数控制。例如，可以通过控制用于生成该失真的数值函数的一个或多个参数来控制由该失真生成的失真分量的相对强度。当失真基于S型函数时，可以控制一个或多个参数以调整S型函数的形状。一个这样的参数是锐度参数。如果音频信号具有低于截止频率(例如120赫兹)的多个谐波，则可以使用相对缓和的S型失真函数来生成高于另一个截止频率(例如200赫兹)的新分量。但是，如果音频信号具有非常低的频率内容(例如，60赫兹)，并且是相对正弦的，没有高次谐波，那么可以使用较锐利的S型函数来生成失真分量。控制块可以通过将-200赫兹以上的失真分量的功率除以原始音频内容的-120赫兹以下的分量的功率，来确定用于控制S型函数的一个或多个参数。可以调整一个或多个自适应失真控制参数以维持较高频率分量和原始低频分量之间的近似预定的功率比，例如-6dB。

诸如S型失真函数的失真函数对信号的输入电平敏感。如果输入电平太低，则可能导致很少或没有失真。为了解决这个问题，低音增强可以包括对音频信号的一部分施加无限压扩。无限压扩包括在施加失真之前将增益施加到输入音频信号，以将该输入音频信号提升为全尺寸(full-scale)信号。然后在生成该失真之后施加逆增益，以将失真的音频信号返回到原始预失真输入音频信号的电平。

低音增强可以包括当获得要单独处理并且重新组合以输出到扬声器的第一音频信号和第二音频信号时，对音频信号施加带隙滤波器。带隙滤波器可以包括低通滤波器和高通滤波器。高通滤波器可以从音频信号中消除低频以生成第一音频信号。低通滤波器可以从音频信号中隔离低频以生成第二音频信号。分离低频允许单独处理音频信号中的低频内容，使得在低音增强期间不改变其他内容。在一些实施例中，低通滤波器可以具有与高通滤波器不同的截止频率，使得在所生成的第一和第二音频信号之间存在频率间隙。例如，低通滤波器可以具有120赫兹的截止频率，并且高通滤波器可以具有200赫兹的截止频率。因此，即使在将第二音频信号的经处理版本与第一音频信号重新组合之后，最终信号中也不存在120-200赫兹频率的原始音频内容。带隙的高频截止(在该示例中为200赫兹)仍然低于微型扬声器的最低可能可听频率。许多声音，包括由诸如贝斯、语音、键盘和吉他等乐器生成的声音，在频率间隙中具有冲突的分量。然而，频率低于120赫兹的能量可以主要是例如纯低音声音。使由不同乐器生成的声音的复杂组合在带隙中失真可以产生分量的高度失真的混合，从而导致低质量的音频信号。因此，消除间隙频率中的原始音频内容可以进一步改进对增强的低频声音的感知。另外，间隙频率中的原始内容可以具有高于间隙频率的较高的谐波能量，使得消除间隙频率中的原始内容不会显著影响对具有间隙频率中的能量的声音的感知。可以调整用于带隙滤波器的高通滤波器和/或低通滤波器的截止频率。例如，可以动态调整滤波器之一的截止频率以跟踪低音音符的音高。

本文描述的低音增强中的每者可以单独操作或与本文描述的任何其他低音增强或与其他已知的低音增强组合操作。例如，可以将非线性动态可调整失真施加到音频信号以进行低音增强。作为另一示例，可以将线性失真施加到带隙滤波的音频信号以进行低音增强。作为另一个示例，可以将非线性动态可调整失真与带隙滤波和无限压扩一起施加到音频信号以进行低音增强

结合本文描述的低音增强的电子设备可以受益于该电子设备中的集成电路的部件的改进的音频再现。集成电路可以包括数模转换器(DAC)。DAC可以用于将数字信号(例如音乐文件中的内容)转换为该数字信号的模拟表示。DAC输出的模拟信号可以是用于由音频电路处理的音频信号。该音频电路可以实施本文描述的低音增强中的一个或多个。可以集成在诸如音频控制器的集成电路中的DAC和音频处理电路可以用在具有音频输出的电子设备中，具有音频输出的电子设备例如是音乐播放器、CD播放器、DVD播放器、蓝光播放器、耳机、便携式扬声器、带有麦克风的耳机、移动电话、平板电脑、个人电脑、机顶盒、数字录像机(DVR)盒、家庭影院接收器、信息娱乐系统、汽车音响系统，等等。

根据一个实施例，一种方法可以包括增强要通过小型扩音器播放的输入音频信号的低音部分。该方法可以包括在低通截止频率对所述输入音频信号进行低通滤波，以产生基本上包括所述输入音频信号的低音部分的低通音频信号；对所述第一低通音频信号施加S形非线性以产生包括所述低通音频信号的高次谐波的失真的低通音频信号；以及将所述失真的低通音频信号添加到所述输入音频信号，以加强所述输入音频信号的所述低音部分的高次谐波。

根据另一实施例，一种方法可以包括增强要通过小型扩音器播放的输入音频信号的低音部分。该方法可以包括在低通截止频率对所述输入音频信号进行低通滤波，以产生基本上包括所述输入音频信号的低音部分的低通音频信号；将非线性函数施加到所述第一低通音频信号以产生包括所述低通音频信号的高次谐波的失真的低通音频信号；测量所述低通音频信号的时变功率以产生低通功率估算；利用覆盖对应于所述小型扩音器的低频范围的频率范围的带通滤波器对所述失真的低通音频信号进行带通滤波，以产生带通失真的音频信号；测量所述带通音频信号的时变功率以产生带通功率估算；响应于所述低通功率估算和所述带通功率估算而调整所述非线性函数，使得所述带通功率估算与所述低通功率估算的比保持近似恒定的值；以及将所述失真的低通音频信号添加到所述输入音频信号，以加强所述输入音频信号的所述低音部分的高次谐波。

根据另一实施例，一种方法可以包括增强要通过小型扩音器播放的输入音频信号的低音部分。该方法可以包括在低通截止频率对所述音频信号进行低通滤波，以产生基本上包括所述输入音频信号的低音部分的低通音频信号；估算所述低通音频信号的时变幅度包络以产生第一幅度包络；响应于所述第一幅度包络调整所述低通音频信号的增益，以产生压缩低通音频信号，其中所述压缩低通音频信号的幅度基本上是全尺寸的；将非线性函数施加到所述压缩低通音频信号，以产生包括所述低通音频信号的高次谐波的失真的压缩低通音频信号；响应于所述第一幅度包络调整所述失真的压缩低通音频信号的增益，以产生具有与所述第一幅度包络基本上相似的时变幅度的失真的扩展低通音频信号；以及将所述失真的扩展低通音频信号添加到所述输入音频信号，以加强所述输入音频信号的所述低音部分的高次谐波。

根据另一实施例，一种方法可以包括增强要通过具有以最低可听输出频率为特征的有限低频响应的小型扩音器播放的输入音频信号的低音部分。该方法可以包括在基本上低于所述最低可听输出频率的低通截止频率对所述输入音频信号进行低通滤波，以产生基本上包括所述输入音频信号的低音部分的低通音频信号；将非线性函数施加到所述第一低通音频信号以产生包括所述低通音频信号的高次谐波的失真的低通音频信号，其中选定数量的所述高次谐波处于高于所述最低频率可听输出频率的频率；以及将所述失真的低通音频信号添加到所述输入音频信号，以加强所述输入音频信号的所述低音部分的高次谐波。

前面已经相当广泛地概述了本发明实施例的某些特征和技术优点，以便可以更好地理解随后的具体实施方式部分。在下文中将描述形成本发明的权利要求的主题的附加特征和优点。本领域普通技术人员应该理解，所公开的概念和具体实施例可以容易地用作修改或设计用于执行相同或类似目的的其他结构的基础。本领域普通技术人员还应该认识到，这种等效构造不脱离所附权利要求中阐述的本发明的精神和范围。当结合附图考虑时，从以下描述将更好地理解附加特征。然而，应该清楚地理解，提供每个附图仅用于说明和描述的目的，而不是要限制本发明。

附图说明

为了更完整地理解所公开的系统和方法，现在参考结合附图的以下描述。

图1是示出根据本公开的一些实施例的利用可调整非线性失真进行低音增强处理的框图。

图2是示出根据本公开的一些实施例的使用非线性失真函数进行低音增强的示例性方法的流程图。

图3是示出根据本公开的一些实施例的用于调整所施加的失真的控制电路的框图。

图4A是示出根据本公开的一些实施例的用于生成非线性失真的示例性数学函数的曲线图。

图4B是示出根据本公开的一些实施例的用于生成非线性失真的示例性可调整数学函数的曲线图。

图4C是示出根据本公开的一些实施例的用于生成非线性失真的另一示例性数学函数的曲线图。

图5是示出根据本公开的一些实施例的利用无限压扩进行低音增强处理的框图。

图6是示出根据本公开的一些实施例的使用无限压扩进行低音增强的示例性方法的流程图。

图7是示出根据本公开的一些实施例的利用带隙滤波器进行低音增强处理的框图。

图8是示出根据本公开的一些实施例的使用带隙滤波进行低音增强的示例性方法的流程图。

图9是示出根据本公开的一些实施例的用于失真的音频信号的附加音频处理的框图。

图10是示出根据本公开的一些实施例的低音增强处理的一种实施方式的框图。

图11A-图11F是示出根据本公开的一些实施例的对样本音频信号进行低音增强处理的操作的曲线图。

图12是根据本公开的一些实施例的对用于通过扬声器回放给用户的音乐文件执行低音增强处理的移动设备的图示。

具体实施方式

图1是示出根据本公开的一些实施例的利用可调整非线性失真进行低音增强处理的框图。音频系统100可以包括输入节点102，输入节点102用于接收原始音频信号，例如包含在压缩MP3音乐文件或未压缩WAV文件中的音频信号。原始音频信号可以用于生成第一音频信号106A和第二音频信号106B。第二音频信号106B可以从低音增强处理块110产生。低音增强处理块110可以处理第二音频信号106B以通过生成经处理的第二音频信号106C来改进对原始音频信号中的低频声音的感知。第一音频信号106A可以与低音增强块110分开处理或保持不变。第一音频信号106A和经处理的第二音频信号106C可以在组合器120中混合。组合器120的输出被提供到输出节点104，并且该输出节点104可以耦合到下游部件，例如均衡电路、其他音频处理电路、用于驱动换能器的放大器、和/或用于将音频传输到诸如蓝牙耳机的远程设备的无线电。

低音增强处理块110可以包括用于执行诸如计算数学运算的结果的步骤的处理部件，所述步骤改进对在输入节点102处接收的音频信号中的低频声音的感知。滤波器112可以通过从原始音频信号中消除高频来生成第二音频信号106B。滤波器112可以是具有被选择以优化低音增强处理的截止频率(例如120赫兹)的低通滤波器。用于低音增强的一种技术可以包括由非线性失真块114将失真施加到第二音频信号106B。非线性失真块114可以将非线性函数(诸如S型函数或修改的S型函数)施加到第二音频信号106B。可以产生具有处于较高频率(包括在高于滤波器112的截止频率的频率)的低频声音的分量的失真的第二音频信号。可以在其他处理块116中进一步处理该失真的第二音频信号，以产生经处理的第二音频信号106C。

可以控制非线性失真块114以通过失真调整块118改变所施加的失真的一个或多个参数。例如，失真调整块118可以调整所施加的S型函数的锐度。失真调整块118可以基于第二音频信号106B和经处理的第二音频信号106C来调整失真块114。例如，非线性失真块114可以通过将来自经处理的第二音频信号106C的-200赫兹以上的失真分量的功率除以第二音频内容106B的-120赫兹以下的分量的功率，来确定用于控制S型函数的一个或多个参数。可以调整一个或多个自适应失真控制参数以将近似功率比维持在预定比，例如-6dB。

参考图2描述用于执行框110中的低音增强处理的操作。图2是示出根据本公开的一些实施例的使用非线性失真函数进行低音增强的示例性方法的流程图。方法200可以开始于框202，其中对音频信号进行滤波以将低频低音内容分离成与第一音频信号分开的、不包含所有低频低音内容的第二音频信号。方法200可以继续到框204，其中将非线性失真施加到第二音频信号以获得失真的第二音频信号。可以在框206处对该失真的第二音频信号执行其他处理，以产生经处理的第二音频信号。在框208处，可以基于来自经处理的第二音频信号和/或第二音频信号的反馈来调整框204处的非线性失真。在框210处，将经处理的第二音频信号与第一音频信号组合。当处理器接收音频信号时(例如音乐文件的附加部分)，可以重复方法200。处理器可以使用在诸如数字信号处理器(DSP)的处理器上、或在印刷电路板(PCB)上的物理电路上执行的软件，其中处理器或物理电路被配置为执行图2的步骤。

可以动态地(例如实时地)调整施加到低频声音的失真。用于调整失真的一个示例性框图在图3中示出。图3是示出根据本公开的一些实施例的用于调整所施加的失真的控制电路的框图。失真调整块118可以包括用于接收音频信号的输入节点302和/或用于接收经处理的音频信号(例如失真的音频信号)的输入节点304。功率估算器312可以(例如通过估算)确定在输入节点302处接收的音频信号的功率水平；并且功率估算器314可以(例如通过估算)确定在输入节点304处接收的经处理的音频信号的功率水平。由功率估算器312和314确定的功率水平可以被传送到处理块316。处理块316可以生成用于控制音频信号的自适应失真的一个或多个失真参数。失真参数可以被输出到节点306，节点306可以耦合到生成失真的部件，例如非线性失真块114。处理块316可以执行涉及来自功率估算器312和314的功率水平的数学计算。例如，控制块可以通过将-200赫兹以上的失真分量的来自功率估算器314的功率水平除以原始音频内容的-120赫兹以下的分量的来自功率估算器312的功率水平，来确定用于控制S型函数的一个或多个参数。可以调整输出到输出节点306的一个或多个参数以将近似功率比保持在预定比，例如-6dB。

返回参考图1，非线性失真块114使用非线性数学函数生成失真。用于生成失真的一个示例性函数是S型函数。图4A是示出根据本公开的一些实施例的用于生成非线性失真的示例性数学函数的曲线图。线402示出了S型函数，其输出被缩放到+1和-1之间。线402的等式是：

线402的S型函数的形状的一个方面可以通过调整S型函数以包括用于指数函数内的项的缩放参数来进行控制。图4B是示出根据本公开的一些实施例的用于生成非线性失真的示例性可调整数学函数的曲线图。线404A-404E示出了具有缩放值2、3、4、5和6的S型函数。线404A-404E中所示的失真函数的等式是：

其中distctrl是用于通过设置S型函数的缩放值来调整S型函数的控制参数，并且因此S型函数的失真施加到音频信号。distctrl参数可以调整S型函数的锐度。

线402的S型函数的形状的另一个方面可以通过用另一个函数(例如线性函数)替换S型函数的一部分来进行控制。在一个示例中，S型函数可以被划分为正部分和负部分，并且负部分或正部分被线性函数替换。图4C是示出根据本公开的一些实施例的用于生成非线性失真的另一示例性数学函数的曲线图。线406示出了其中负输出在部分406A中被替换为线性函数的S型函数，而部分406B示出了S型形状。失真函数从一个函数切换到另一个函数的值是可以由失真调整块动态调整的控制参数。在切换值的任一侧上使用的等式是可以由失真调整块动态调整的另一个控制参数。在不同部分中对函数的修改可以提供不对称的全谐波函数。线406中所示的失真函数的等式为：

虽然S型函数和修改的S型函数被描述为用于非线性失真函数的示例，但是也可以在非线性失真块114中实施其他非线性失真函数。例如，多项式函数可以用于生成失真，其中多项式的系数是用于调整失真函数的控制参数。作为另一示例，可以使用切比雪夫多项式来生成失真，其中切比雪夫多项式的阶数和切比雪夫多项式的缩放是用于调整失真函数的控制参数。

低音增强还可以包括或替代地包括对音频信号的一部分施加无限压扩。无限压扩可以与参考图1描述的非线性失真组合或分开施加。无限压扩可以包括在施加失真之前修改音频信号以改进失真函数的操作。例如，可以在无限压扩期间通过第一压缩阶段来修改音频信号，以将音频信号提升为全尺寸信号。在生成失真之后可以施加无限压扩操作的逆扩展阶段，以将失真的音频信号返回到原始音频信号的原始水平。图5中示出了具有非线性失真的无限压扩的示例性实施方式。

图5是示出根据本公开的一些实施例的具有无限压扩的低音增强处理的框图。音频系统500可以包括耦合在滤波器112和非线性失真块114之间的动态范围压缩块512。音频系统500还可以包括耦合在非线性失真块114和其他处理块116之间的动态范围扩展块514。动态范围压缩块512和动态范围扩展块514一起构成无限压扩系统。动态范围压缩块512可以将第二音频信号缩放为缩放的第二音频信号。例如，由动态范围压缩512施加的缩放可以足以将第二音频信号增加到全尺寸。动态范围扩展块514可以缩放由非线性失真块114生成的失真的第二音频信号，以反转动态范围压缩512的缩放。例如，动态范围扩展块514可以施加逆缩放以将失真的第二音频信号的幅度返回到基于在动态范围压缩512之前的第二音频信号的幅度。由块512和/或514施加的缩放可以由测量原始音频信号和/或第二音频信号的幅度的包络检测器516确定。

由动态范围压缩/扩展块512和514以及包络检测器516执行的操作可以包括估算第二音频信号的时变幅度包络以产生第一幅度包络；在施加非线性失真之前将预失真增益施加到第二音频信号，其中所施加的预失真增益至少部分地基于第一幅度包络，其中预失真增益产生基本上全尺寸的压缩的第二音频信号，并且其中非线性失真被施加到压缩的第二音频信号；在施加非线性失真之后对失真的第二音频信号施加逆增益，其中所施加的逆增益与预失真增益有关；并且响应于第一幅度包络调整预失真增益，使得失真的第二音频信号具有近似等于第一幅度包络的时变幅度。

图6是示出根据本公开的一些实施例的使用无限压扩进行低音增强的示例性方法的流程图。方法600可以包括在框202处从原始音频信号分离第一音频信号和第二音频信号。在失真生成之前，在框602处可以将第二音频信号提升到全尺寸输入，以生成提升的第二音频信号。然后，在框604处，可以将失真施加到提升的第二音频信号以生成提升的、失真的第二音频信号。接下来，在框606，可以将提升的、失真的第二音频信号衰减到第二音频信号的原始信号水平，以获得失真的第二音频信号。然后在框206处可以执行其他处理。在框608处，可以基于来自经处理的第二音频信号的反馈来调整在框604处生成的失真。在框210处，将经处理的第二音频信号与第一音频信号组合。

低音增强还可以包括或替代地包括将带隙滤波器施加到音频信号。由原始音频信号生成的第一音频信号106A和第二音频信号106B可以包括与原始音频信号不同的内容。例如，第二音频信号106B可以包括低频声音，而第一音频信号106A可以包括来自原始音频信号的所有其他内容。在一些实施例中，原始音频信号的一些频率内容可以既不出现在第一音频信号106A中也不出现在第二音频信号106B中。可以通过使用具有不同截止频率的滤波器来产生“间隙”，以生成第一音频信号106A和第二音频信号106B。图7中示出了具有非线性失真的带隙滤波器的一个示例。然而，带隙滤波器可以在有或没有非线性失真或其他低音增强的情况下使用。

图7是示出根据本公开的一些实施例的具有带隙滤波器的低音增强处理的框图。音频系统700可以包括用于生成第二音频信号106B的滤波器112。音频系统700还可以包括用于生成第一音频信号106A的滤波器712。滤波器112可以是低通滤波器，以允许低频声音被低音增强处理110处理，其生成不包括低频声音的高通信号。滤波器712可以是具有第一截止频率的高通滤波器，第一音频信号106A中不允许低于该第一截止频率的频率内容。滤波器112可以是具有第二截止频率的低通滤波器，在第二音频信号106B中不允许高于该第二截止频率的频率内容。第一和第二截止频率可以是不同的频率，使得第一和第二截止频率之间的“间隙”包含被消除的频率内容。带隙滤波器可以防止或减少存在于120赫兹至200赫兹范围内的多个声音(例如语音、键盘、吉他和贝斯)被呈现给失真系统并且可以导致较少的互调失真。结果是更清晰的失真低音信号。

图8是示出根据本公开的一些实施例的使用带隙滤波进行低音增强的示例性方法的流程图。方法800可以从框802开始，其中对原始音频信号进行滤波以生成没有低频低音内容的第一音频信号，然后到框202，其中对原始音频信号进行滤波以生成仅具有低频低音内容的第二音频信号。当用于块802和202的滤波的截止频率不相等时，框802和202的组合可以对原始音频信号执行带隙滤波。在带隙滤波之后，在框804处，将诸如非线性或S型失真函数的失真施加到第二音频信号以生成失真的第二音频信号。然后，在框206处，可以执行进一步处理以获得经处理的第二音频信号。接下来，在框208处，调整失真以用于继续进行低音增强处理。然后，在块210处，将经处理的第二音频信号与第一音频信号组合。

可以将其他处理施加到音频系统的第一或第二音频信号。并入到第二音频信号路径中的其他处理的一个示例在图9中示出。图9是示出根据本公开的一些实施例的用于失真的音频信号的附加音频处理的框图。其他处理块116可以包括低通滤波器912、增益块914和高通滤波器916。低通滤波器912可以在输入节点902处从非线性失真块114接收失真的第二音频信号。其他处理可以在输出节点904处生成经处理的第二音频信号。低通滤波器912可以用于为由非线性失真块114生成的新频率分量提供缓和的滚降频谱整形。在一个实施例中，低通滤波器912可以是三极滤波器，其截止频率略高于生成第一音频信号的截止频率(例如300赫兹)。增益块914可以提升失真的新频率分量的幅度。在一个实施例中，增益块914施加预定的增益，例如21dB，以将这些新分量提升到比原始音频信号的低频内容低大约或近似6dB的水平。高通滤波器916可以产生经滤波的失真的第二音频信号，其是经处理的第二音频信号。可以通过高通滤波器916去除200Hz分量以下的失真分量，因为它们可能低于微型扬声器的可听阈值。除了低音增强处理之外还可以施加的其他处理的另一示例是扬声器保护，其将扬声器偏移限制到预定值。

具有低音增强处理的音频系统的一个实施例可以包括上述特征(例如非线性失真、无限压缩、可调整失真和带隙滤波)的组合。图10是示出根据本公开的一些实施例的低音增强处理的一种实施方式的框图。音频系统1000可以包括由高通滤波器1012和低通滤波器1014形成的带隙滤波器。由高通滤波器1012生成的第一音频信号可以被传递到组合器1050。组合器1050可以将经处理的第二音频信号与第一音频信号组合。经处理的音频信号可以通过若干处理步骤生成，所述处理步骤包括无限压扩块1022和1024中的处理以及非线性失真块1030的施加。无限压扩块1022和/或1024可以由峰值包络检测器1026控制。非线性失真块1030可以由自适应控制块1032控制。音频信号的其他处理可以包括在块1044处的低通滤波。音频信号的其他处理可以包括在块1044处施加增益以及在框1046处施加高通滤波器。因此，音频系统可以在输入节点1002处接收原始音频信号，并在输出节点1004处产生具有增强的低音的输出音频信号。

现在参考图11A-图11F描述音频系统对音频信号的示例性操作。图11A-图11F是示出根据本公开的一些实施例的对样本音频信号进行低音增强处理的操作的曲线图。图11A示出了具有50赫兹低音音色及其谐波的原始音频信号，例如可以在输入节点102处接收该原始音频信号。图11B示出了在将高通滤波器施加到原始音频信号之后的第一音频信号106A的示例。图11C示出了在将低通滤波器施加到原始音频内容之后的第二音频信号106B的示例。对图11C所示的音频信号进行失真，以形成图11D所示的失真的第二音频信号。然后例如通过其他处理块116中的带通滤波进一步处理失真的第二音频信号，以获得图11E中所示的示例性经处理的第二音频信号106C。然后，图11E的经处理的第二音频信号与图11B的第一音频信号重新组合，以获得图11F的组合音频信号，其可以在输出节点104处产生。

并入了本文所述的一种或多种低音增强技术和系统的电子设备的一个示例在图12中示出。图12是根据本公开的一些实施例的对用于通过扬声器回放给用户的音乐文件执行低音增强处理的移动设备的图示。个人媒体设备1200可以包括用于允许用户从音乐文件中进行选择以进行回放的显示器1202。当用户选择音乐文件时，可以由应用处理器(未示出)从存储器1204检索音频文件并将其提供给音频控制器1206。可以根据诸如标准保真PCM编码或高清DoP编码(基于PCM的DSD)将音频数据流提供给音频控制器1206。音频控制器1206可以包括本文描述的低音增强处理。从存储器1204检索到的数字数据可以由音频控制器1206转换为模拟信号，并且那些模拟信号由放大器1208进行放大。放大器1208可以耦合到与个人媒体设备1200集成的微型扬声器1214，和/或通过诸如2.5mm、3.5mm或USB-C连接器的音频连接器1210耦合到耳机1212。尽管在音频控制器1206处接收的数据被描述为从存储器1204处接收，但是音频数据也可以从其他源接收，所述其他源例如是USB连接、通过Wi-Fi连接到个人媒体设备1200的设备、蜂窝无线电、基于互联网的服务器、另一无线电和/或另一有线连接。

图2、图6和图8的示意性流程图通常作为逻辑流程图阐述。同样地，在本文中没有流程图的情况下按照有序步骤的序列描述电路的其他操作。所描绘的顺序、所标记的步骤和所描述的操作指示了本发明的方法的各方面。可以设想在功能、逻辑或效果上等同于所示方法的一个或多个步骤或其部分的其他步骤和方法。另外，提供所采用的格式和符号以解释该方法的逻辑步骤，并且所采用的格式和符号不应被理解为限制该方法的范围。尽管在流程图中可以采用各种箭头类型和线类型，但是应理解它们不限制相应方法的范围。实际上，可以使用一些箭头或其他连接符来仅指示该方法的逻辑流程。例如，箭头可以指示所描绘方法的枚举步骤之间的未指定持续时间的等待或监视时段。另外，特定方法发生的顺序可以严格遵守或不严格遵守所示相应步骤的顺序。

由控制器执行的上述操作可以由被配置为执行所描述的操作的任何电路来执行。这种电路可以是在半导体衬底上构造的集成电路(IC)，并且包括逻辑电路(例如配置为逻辑门的晶体管)、以及存储器电路(例如配置为动态随机存取存储器(DRAM)、电可编程只读存储器(EPROM)或其他存储器设备的晶体管和电容器)。逻辑电路可以通过硬布线连接或通过经由包含在固件中的指令进行编程来配置。此外，逻辑电路可以被配置为能够执行软件中包含的指令的通用处理器。在一些实施例中，作为控制器的集成电路(IC)可以包括其他功能。例如，控制器IC可以包括音频编码器/解码器(CODEC)以及用于执行本文描述的功能的电路。这种IC是音频控制器的一个示例。其他音频功能可以另外或替代地与本文描述的IC电路集成以形成音频控制器。

如果以固件和/或软件来实施，则上述功能可以作为一个或多个指令或代码而存储在计算机可读介质上。示例包括用数据结构编码的非暂时性计算机可读介质和用计算机程序编码的计算机可读介质。计算机可读介质包括物理计算机存储介质。存储介质可以是可以由计算机存取的任何可用介质。作为示例而非限制，这种计算机可读介质可以包括随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)、光盘只读存储器(CD-ROM)或其他光盘存储器、磁盘存储器或其他磁存储设备、或可以用于以指令或数据结构的形式存储所需程序代码并且可以由计算机访问的任何其他介质。磁盘和光盘包括光盘(CD)、激光光盘、光盘、数字多功能光盘(DVD)、软盘和蓝光光盘。通常，磁盘以磁性方式再现数据，并且光盘以光学方式再现数据。上述的组合也应包括在计算机可读介质的范围内。

除了存储在计算机可读介质上，还可以在包括在通信装置中的传输介质上提供指令和/或数据作为信号。例如，通信装置可以包括具有指示指令和数据的信号的收发器。指令和数据被配置为使一个或多个处理器实施权利要求中概述的功能。

用于描述两个值的术语“近似相等”可以指两个值之间的大约5％或小于5％的差。

尽管已经详细描述了本公开和某些代表性优点，但是应当理解，可以在本文中进行各种改变、替换和更改，而不脱离由所附权利要求限定的本公开的精神和范围。此外，本申请的范围不旨在限于说明书中描述的过程、机器、制造、物质组成、装置、方法和步骤的特定实施例。作为另一示例，尽管描述了用于执行某些数学功能的数字信号处理器(DSP)，但是本发明的各方面可以由诸如图形处理单元(GPU)和中央处理单元(CPU)的其他处理器执行。作为另一示例，尽管描述了音频数据的处理，但是还可以通过上述滤波器和其他电路来处理其他数据。本领域普通技术人员将从本公开容易地理解，可以利用目前存在或稍后开发的过程、机器、制造、物质组成、装置、方法或步骤，其执行与本文描述的相应实施例基本上相同的功能，或实现与本文描述的相应实施例基本上相同的结果。因此，所附权利要求旨在在其范围内包括这样的过程、机器、制造、物质组成、装置、方法或步骤。

Claims (20)

1.一种用于音频处理的方法，包括：

接收输入音频信号；

从所述输入音频信号生成第一音频信号；

将低通滤波器施加到所述输入音频信号以生成第二音频信号；

处理所述第二音频信号以形成具有所述输入音频信号的改进的低频再现的经处理的第二音频信号，其中，所述处理包括以下步骤：

将非线性失真施加到所述第二音频信号的频谱的至少一部分以获得失真的第二音频信号，其中，所述经处理的第二音频信号至少部分地基于所述失真的第二音频信号，以及

至少部分地基于所述经处理的第二音频信号来调整施加到第二音频信号的所述非线性失真的参数，以维持高频分量的测量的强度与原始低频分量的测量的强度之间的关系；以及

将所述经处理的第二音频信号与所述第一音频信号组合以产生输出音频信号。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，生成所述第一音频信号的步骤包括将高通滤波器施加到所述输入音频信号以生成所述第一音频信号，其中，将所述高通滤波器施加到所述输入音频信号的步骤生成具有低于第一频率的近似为零的内容的第一音频信号，其中，将所述低通滤波器施加到所述输入音频信号的步骤生成具有高于第二频率的近似为零的内容的所述第二音频信号，并且其中，所述第一频率高于所述第二频率。

3.根据权利要求1所述的方法，其中，处理所述第二音频信号的步骤包括：

估算所述第二音频信号的时变幅度包络，以产生第一幅度包络；

在施加所述非线性失真之前，将预失真增益施加到所述第二音频信号，其中，所施加的预失真增益至少部分地基于所述第一幅度包络，其中，所述预失真增益产生全尺寸的压缩的第二音频信号，并且其中，所述非线性失真被施加到所述压缩的第二音频信号；

在施加所述非线性失真之后，将逆增益施加到所述失真的第二音频信号，其中，所施加的逆增益与所述预失真增益有关；以及

响应于所述第一幅度包络来调整所述预失真增益，使得所述失真的第二音频信号具有等于所述第一幅度包络的时变幅度。

4.根据权利要求1所述的方法，其中，施加所述非线性失真的步骤包括施加基于S型的函数。

5.根据权利要求1所述的方法，其中，处理所述第二音频信号以形成经处理的第二音频信号的步骤包括将高通滤波器施加到所述失真的第二音频以产生经滤波的、失真的第二音频信号，并且

其中，调整所述非线性失真的步骤包括：

估算所述第二音频信号的第一时变功率；以及

估算所述经处理的第二音频信号的第二时变功率，

其中，至少部分地基于所述第一时变功率和所述第二时变功率来调整所述非线性失真，并且施加经调整的非线性失真以保持所述第一时变功率与所述第二时变功率的恒定的比。

6.根据权利要求1所述的方法，其中，处理所述第二音频信号的步骤包括以下步骤：

将失真后增益施加到所述失真的第二音频信号，以产生增益的、失真的第二音频信号。

7.根据权利要求1所述的方法，还包括将所述输出音频信号输出到换能器，其中，所述换能器是微型扬声器。

8.根据权利要求7所述的方法，其中，所述输入音频信号由音频控制器从移动计算设备的应用处理器接收。

9.一种用于音频处理的装置，包括：

音频控制器，被配置为执行包括以下步骤的步骤：

处理第二音频信号以形成经处理的第二音频信号，其中，所述第二音频信号包括原始音频信号的低频内容，并且其中，所述处理包括包含以下步骤的步骤：

将非线性失真施加到所述第二音频信号的频谱的至少一部分以获得失真的第二音频信号，其中，所述第二音频信号包括所述原始音频信号的低频内容，以及

至少部分地基于所述经处理的第二音频信号来调整施加到第二音频信号的所述非线性失真的参数，以维持高频分量的测量的强度与低频分量的测量的强度之间的关系；

将所述经处理的第二音频信号与第一音频信号组合以产生输出音频信号，其中，所述第一音频信号包括没有所述低频内容的所述原始音频信号的原始音频内容。

10.根据权利要求9所述的装置，其中，处理所述第二音频信号的步骤包括：

估算所述第二音频信号的时变幅度包络，以产生第一幅度包络；

在施加所述非线性失真之前，将预失真增益施加到所述第二音频信号，其中，所施加的预失真增益至少部分地基于所述第一幅度包络，其中，所述预失真增益产生全尺寸的压缩的第二音频信号，并且其中，所述非线性失真被施加到所述压缩的第二音频信号；

在施加所述非线性失真之后，将逆增益施加到所述失真的第二音频信号，其中，所施加的逆增益与所述预失真增益有关；以及

响应于所述第一幅度包络来调整所述预失真增益，使得所述失真的第二音频信号具有等于所述第一幅度包络的时变幅度。

11.根据权利要求9所述的装置，其中，施加所述非线性失真的步骤包括施加基于S型的函数。

12.根据权利要求9所述的装置，其中，处理所述第二音频信号以形成经处理的第二音频信号的步骤包括：将高通滤波器施加到所述失真的第二音频以产生经滤波的、失真的第二音频信号，并且

其中，调整所述非线性失真的步骤包括：

估算所述第二音频信号的第一时变功率；以及

估算所述经处理的第二音频信号的第二时变功率，

其中，至少部分地基于所述第一时变功率和所述第二时变功率来调整所述非线性失真，并且施加经调整的非线性失真以保持所述第一时变功率与所述第二时变功率的恒定的比。

13.根据权利要求9所述的装置，其中，处理所述第二音频信号的步骤包括以下步骤：

将失真后增益施加到所述失真的第二音频信号，以产生增益的、失真的第二音频信号。

14.根据权利要求9所述的装置，其中，所述音频控制器被配置为耦合到放大器，所述放大器被配置为将输出信号输出到换能器，其中，所述换能器是微型扬声器。

15.根据权利要求9所述的装置，其中，所述音频控制器被配置为耦合到用于检索包括所述原始音频信号的音乐文件的存储器。

16.一种用于音频处理的装置，包括：

输入节点，被配置为接收输入音频信号；

带隙滤波器，耦合到所述输入节点，并且被配置为生成没有低频内容的第一音频信号，并生成具有低频内容的第二音频信号；

低音处理块，被配置为接收所述第二音频信号并从所述第二音频信号生成经处理的第二音频信号，所述低音处理块包括：

动态范围压缩块，被配置为缩放所述第二音频信号以获得缩放的第二音频信号；

非线性失真块，被配置为将非线性失真施加到所述缩放的第二音频信号以获得失真的第二音频信号；

动态范围扩展块，被配置为缩放所述失真的第二音频信号以获得缩放的失真的第二音频信号，其中，所述经处理的第二音频信号至少部分地基于所述缩放的失真的第二音频信号；以及

失真调整块，被配置为至少部分地基于所述经处理的第二音频信号来调整施加到第二音频信号的所述非线性失真的参数，以维持高频分量的测量的强度与原始低频分量的测量的强度之间的关系；以及

组合器，耦合到所述低音处理块以接收所述经处理的第二音频信号，并且耦合到所述带隙滤波器以接收所述第一音频信号。

17.根据权利要求16所述的装置，其中，所述非线性失真块被配置为将基于S型的函数施加到所述缩放的第二音频信号。

18.根据权利要求16所述的装置，其中，所述失真调整块被配置为执行包括以下步骤的步骤：

估算所述第二音频信号的第一时变功率；

估算所述经处理的第二音频信号的第二时变功率，并且

其中，至少部分地基于所述第一时变功率和所述第二时变功率来调整所述非线性失真，并且施加经调整的非线性失真以保持所述第一时变功率与所述第二时变功率的恒定的比。

19.根据权利要求16所述的装置，其中，所述动态范围压缩块被配置为执行包括以下步骤的步骤：

估算所述第二音频信号的时变幅度包络以产生第一幅度包络；

将预失真增益施加到所述第二音频信号，以获得所述缩放的第二音频信号，其中，所施加的预失真增益至少部分地基于所述第一幅度包络；以及

响应于所述第一幅度包络调整所述预失真增益，使得所述缩放的失真的第二音频信号具有等于所述第一幅度包络的时变幅度，并且

其中，所述动态范围扩展块被配置为执行包括以下步骤的步骤：

将逆增益施加到所述失真的第二音频信号以获得所述缩放的失真的第二音频信号，其中，所施加的逆增益与所述预失真增益有关。

20.权利要求16所述的装置，还包括将输出音频信号输出到换能器，其中，所述换能器是微型扬声器。

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