CN110913305A - 一种车载音响的自适应均衡器补偿方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种车载音响的自适应均衡器补偿方法，属于信号处理系统技术领域。本车载音响的自适应均衡器补偿方法包括的步骤依次为：播放白噪声信号后由麦克风接收在车内经过传播后的测试信号、对测试信号进行平滑处理形成二级测试信号、计算二级测试信号相对于白噪声信号的补偿增益信号、将补偿增益信号进行平滑处理得到二级补偿增益信号、设置图形均衡器、向图形均衡器输入源音频信号以对源音频信号叠加二级补偿增益信号得到拟合响应信号。使用本发明的方法，在校对声音信号时有比较强的灵活性，对声音信号在空气中传播的损失能较好的进行弥补避免失真，可以适用频率均匀和非均匀的情况，也可以迁移到其他封闭空间的音响系统内使用。
Description
技术领域
本发明涉及车载电子设备的技术领域，具体的是一种改进车载音响性能的自适应均衡方法。
技术背景
目前，现有的车载音响分为模拟扬声器和数字扬声器两类。一方面传统的模拟扬声器，存在着系统功耗大、容易叠加其他干扰信号、抗干扰能力差的问题而使用较少。另一方面，全数字扬声器以数字信号驱动，无需经过数模转换、放大、滤波等信号变换的过程，因而具有体积和功耗更小，抗干扰能力更强的特点。对于全数字扬声器的产品，如何使其具备传统模拟扬声器的高还原度的特点是一个热点研究领域。目前，市场上只有少数专门针对全数字扬声器而开发的车载音响处理产品。
但是，这些数字扬声器车载音响性能处理产品，其功能集中在调整音响的播放功率问题上，还有另外一小部分的产品是用在提高扬声器的立体音响效果上。而对于数字扬声器来说，相比于传统的模拟扬声器，数字扬声器产品具有对音频信号原声的还原度低的缺陷，经过扬声器和空气传播后的信号与原信号相比，前后的音频信号的幅度-频率曲线差异较大，使用者也能明显感受到前后两者声音的音色不接近。现有的车载音响，对这方面问题进行改进的相应产品也属于缺失的状态，甚至存在需要使用传统人工视听调整的产品，造成使用者体验不够好的问题。
发明内容
为了解决背景技术中所存在的对音频信号的原声还原度低的问题，本发明提供了一种车载音响的自适应均衡器补偿方法，通过对人类耳朵接收到的音频信号进行补偿，不断叠加补偿信号使得人类耳朵接收到的信号曲线与原声音频的信号曲线相近似来提高保真度。具体的技术方案如下文。
一种车载音响的自适应均衡器补偿方法，包括以下步骤：
S1.车载数字音响播放白噪声音频信号，在车内传播过后，由麦克风接收已经出现损耗的测试信号；
S2.将麦克风接收的测试信号，利用最小二乘滤波进行处理，得到平滑的二级测试信号；
S3.将二级测试信号与白噪声音频信号比较计算增益，得到补偿增益信号；
S4.在一级补偿增益信号上设置频率调节点，并利用插值法进行处理，得到平滑的二级补偿增益信号；
S5.设置图形均衡器，使其叠加响应与二级补偿增益信号拟合；
S6.向设置后的图形均衡器输入S1中的白噪声音频信号，则图形均衡器的输出信号包括拟合的叠加响应，输出信号在车内经过传播过后，由图形均衡器的叠加响应抵消传播过程中的损耗，以使得到达人耳后的音频相比输入的白噪声音频信号不会失真。
进一步地，步骤S1中测试信号为白噪声音频信号在传播过后已经发生损耗的音频信号。
进一步地，白噪声音频信号、测试信号、二级测试信号、补偿增益信号、二级补偿增益信号、叠加响应、输出信号均分别以频率为自变量、幅值为因变量进行表示。
进一步地，在步骤S3中，在计算增益时，取二级测试信号的各频率分量上的最大值与白噪声音频信号的差值。
进一步地，步骤S4中，以均匀的间隔设置62个中心频率为频率调节点。
进一步地，在步骤S5中，图形均衡器包括62个并联的带通滤波器；62个带通滤波器各自的增益和中心频率与步骤S3中62个频率调节点的增益和频率，分别各自相互对应。
进一步地，带通滤波器为二阶固定极点的滤波器。
进一步地，图形均衡器对二级补偿增益信号进行拟合时，以最小均方差的标准进行设置，即62个带通滤波器的叠加响应与对应的二级补偿增益信号频率调节点增益的方差之和最小。
相比于现有技术，本发明的技术效果在于：
本发明的车载音响的自适应均衡器补偿方法，相比现有的车载数字音响产品没有对所播放的音频信号进行保真的缺陷，利用白噪声为测试信号，采用了麦克风模拟人类耳朵来采集扬声器发出且在车内空间中经过传播后的音频信号，将该经过传播后的音频信号与原本的音频信号进行比对，得到需要进行校准的一级补偿增益信号。接着将一级补偿增益信号输入带通滤波器进行平滑处理，得到精度更高的二级补偿增益信号。最后，在得到高精度的二级补偿增益信号后，根据二级补偿增益信号来拟合数字扬声器中滤波器的叠加响应，从而后续扬声器播放原音频信号时滤波器能够叠加所需的补偿增益，使得扬声器重新播放的信号在车内经过传播后，能够由图形均衡器的叠加响应来弥补原音频信号在传播中的损耗和失真的问题，从而提高车载音响产品的保真度，使用者也能够感受到与原声几乎没有差异的音频。
附图说明
图1为一种车载音响的自适应均衡器补偿方法的流程示意图；
图2为图1中实施方式的图形均衡器的组成原理图；
图3为图1中实施方式相应的滤波器响应曲线图；
图4为图1中实施方式相应的图形均衡器输出特性曲线图。
具体实施方式
下面结合说明书附图的内容，对本技术方案的优选实施方式进一步阐述。
结合图1和图2所示，本实施方式的车载音响的自适应均衡器补偿方法，采用的步骤如下文。
第一步，在车载数字音响上，播放白噪声音频信号，白噪声在车内传播过后出现损耗变成测试信号，由麦克风模拟听觉系统来接收该测试信号。
第二步，麦克风接收到第一步中的测试信号后，将信号输入计算机设备，对该信号利用最小二乘滤波的方法进行平滑处理，得到二级测试信号。
第三步，取二级测试信号在各个频率分量上的最大值，与原白噪声音频信号比较，计算增益差值从而得到一级补偿增益信号。
第四步，在一级补偿增益信号上，根据下面表的三分之一倍频表的中心频率来设置频率调节点，接着根据离散的增益调节点用插值法得出对应的比原补偿增益曲线更光滑的二级补偿增益曲线，
表1三分之一倍频表
第五步，在第四步的基础上，由于中心频率相邻的两个带通滤波器之间的频率会出现补偿量不足问题，因此在相邻的滤波器之间插入一个滤波器进行补偿，插入的滤波器对相邻的三分之一倍频滤波器相交的频率进行补偿，以保证滤波器组的总响应曲线尽可能接近目标补偿增益曲线，其原理如图3所示的滤波器响应曲线图所示；
因此，设置包括有62个带通滤波器的图形均衡器，62个带通滤波器的中心频率各自与第四步中频率调节点的频率相对应，每个频率调节点的增益可以设置相对应的62个带通滤波器的增益；
在第四步平滑的二级补偿增益信号的基础上，用图形均衡器的叠加响应去无限接近该二级补偿增益信号，这样当源音频的输入信号经过图形均衡器后，输出的信号得到叠加响应的精确补偿，传到人耳的信号才不会失真；
所以问题就转化为求图形均衡器的最优参数，图形均衡器设计采用了最小均方差(LMS)，即优化问题为：
其中K为带通滤波器的总数，W(ωk)为频率ωk的非负权重，
为滤波器实际响应， Ht(ωk)为滤波器的目标响应即二级补偿增益信号，当滤波器组总响应与目标响应的误差最小时，滤波器响应参数bm和an就为最优的滤波参数；
由于音响系统对实时性有着严格的要求，通常情况下，均衡器的滤波器都采用IIR滤波器，而在IIR滤波器中，滤波器响应的表达式是分式结构，在这种结构下，式(1)通常是非凸的，即问题是一个非凸优化问题，所以难以直接获得最优解；
为使式(1)转化为线性凸问题，我们使用二阶固定极点的滤波器原型，其滤波器的响应函数为：
其中，fk和θk为第k个滤波器的中心频率和其对应的角频率，fs为采样频率，因为该滤波器的极点是固定的，所以我们不需要担心滤波器的稳定性问题，同时也可以使式(1)转化为线性凸问题；
根据二阶固定极点的滤波器原型，我们采用的图形均衡器结构如图2所示，带通滤波器是并联结构，所有带通滤波器接收相同的输入信号，输出是各个滤波器输出的和；
根据图2的结构，滤波器组的系统函数可以表示为：
滤波器组的系统函数写成矩阵的形式，表达式如下：
h＝MB (6)
B＝[b1,0,b1,1,...,bK,0,bK,1,d0]T (7)
则
所以，式(1)中的优化问题就变成求优化参数Bopt，优化问题改写为：
min|W(MB-ht)|2 (10)
其中ht＝[Ht(jw1),Ht(jw2),...,Ht(jwk)]T为目标响应即补偿增益曲线， W为权重矩阵，式(10)是一个典型的LMS问题，所以可以得到最优解：
Bopt＝(MHWM)-1MHWht (11)
其中，MH为矩阵M的共轭转置矩阵；
根据以上的推导，在滤波器的并联结构中，优化问题变得更加简单，可以直接通过式(11) 来求得滤波器的参数；
根据三分之一倍频的中心频率来设置滤波器的中心频率，三分之一倍频表如前述的表1 所示；在相邻的三分之一倍频的中心频率fk和fk+1之间插入的滤波器的极点和角频率的计算式如下：
而Δθ的计算如下：
根据以上计算，我们可以得到三分之一倍频的32个滤波器和插入的30个滤波器的中心频率，角频率和其对应的增益；相位的获取是通过希尔伯特变换来计算，希尔伯特变换可以提取信号的相位信息，信号的相位取值为目标响应ht的希尔伯特变换的虚部，即：
最后，通过式(11)计算得到图形均衡器的参数，图形均衡器的输出就是二级补偿增益信号的近似，图形均衡器的特性如图4所示的曲线图。
第六步，将白噪声音频信号输入设置好的图形均衡器；则图形均衡器的输出信号包括拟合了的叠加响应，输出信号在车内经过传播过后，由图形均衡器的叠加响应抵消传播过程中的损耗，以使得到达人耳后的音频相比输入的白噪声音频信号不会失真。
以上提及的白噪声音频信号、测试信号、二级测试信号、补偿增益信号、二级补偿增益信号、叠加响应、输出信号，在进行处理时均分别以频率为自变量、幅值为因变量进行表示。
相比现有的车载音响设备只有解决功率损耗或者立体效果的现状，本实施方式的车载音响的自适应均衡器补偿方法，以白噪声为测试音频，采用了麦克风模拟人类耳朵，麦克风来采集扬声器发出且在车内空间中经过传播后的音频信号，将该经过传播后的音频信号与原本的音频信号进行比对，得到需要进行补偿的一级补偿增益信号。接着将一级补偿增益信号输入带通滤波器进行平滑处理，得到精度更高的二级补偿增益信号。最后，在得到高精度的二级补偿增益信号后，根据二级补偿增益信号来拟合数字扬声器中滤波器的叠加响应，从而在后续扬声器播放原音频信号时滤波器能够叠加所需的补偿增益，使得扬声器重新播放的信号在车内经过传播后，能够由叠加的补偿增益信号的响应来弥补原音频信号在传播中的损耗和失真的问题，从而提高车载影响产品的保真度，使用者也能够感受到与原声几乎没有差异的音频。
以上实施例是用来说明本技术方案的基本原理，并非就是本技术方案的全部实施方式。对于本领域技术人员来说，任何基于权利要求书所限定内容的、依据本技术方案原来所作出的常规置换或者改进，均落入本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种车载音响的自适应均衡器补偿方法；其特征在于，包括以下步骤：
S1.车载数字音响播放白噪声音频信号，在车内传播过后，由麦克风接收已经出现损耗的测试信号；
S2.将麦克风接收的测试信号，利用最小二乘滤波进行处理，得到平滑的二级测试信号；
S3.将二级测试信号与白噪声音频信号比较计算增益，得到一级补偿增益信号；
S4.在一级补偿增益信号上设置频率调节点，并利用插值法进行处理，得到平滑的二级补偿增益信号；
S5.设置图形均衡器，使其叠加响应与二级补偿增益信号拟合；
S6.向设置后的图形均衡器输入S1中的白噪声音频信号，则图形均衡器的输出信号包括拟合的叠加响应，输出信号在车内经过传播过后，由图形均衡器的叠加响应抵消传播过程中的损耗，以使得到达人耳后的音频相比输入的白噪声音频信号不会失真。
2.根据权利要求1中所述车载音响的自适应均衡器补偿方法，其特征在于：步骤S1中所述测试信号为白噪声音频信号在传播过后已经发生损耗的音频信号。
3.根据权利要求2中所述车载音响的自适应均衡器补偿方法，其特征在于：所述白噪声音频信号、测试信号、二级测试信号、补偿增益信号、二级补偿增益信号、叠加响应、输出信号均分别以频率为自变量、幅值为因变量进行表示。
4.根据权利要求3中所述车载音响的自适应均衡器补偿方法，其特征在于：在步骤S3中，在计算增益时，取二级测试信号的各频率分量上的最大值与白噪声音频信号的差值。
5.根据权利要求4中所述车载音响的自适应均衡器补偿方法，其特征在于：在步骤S4中，以均匀的间隔设置62个中心频率为频率调节点。
6.根据权利要求5中所述车载音响的自适应均衡器补偿方法，其特征在于：在步骤S5中，所述图形均衡器包括62个并联的带通滤波器；62个所述带通滤波器各自的增益和中心频率，与步骤S3中62个频率调节点的增益和频率，分别相互对应。
7.根据权利要求6中所述车载音响的自适应均衡器补偿方法，其特征在于：所述带通滤波器为二阶固定极点的滤波器。
8.根据权利要求7中所述车载音响的自适应均衡器补偿方法，其特征在于：所述图形均衡器对二级补偿增益信号进行拟合时，以最小均方差的标准进行设置，即62个带通滤波器的叠加响应与对应的二级补偿增益信号频率调节点增益的方差之和最小。
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