CN111163399A - 一种具有高灵敏度的音频系统及其调节方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有高灵敏度的音频系统及其调节方法，所述调节方法的主要流程为：A/D转换单元将输入的当前帧音频信号转化为数字信号；自动增益单元比较当前帧音频信号的能量值、增益启动阈值和增益目标阈值，根据比较结果，对当前帧音频信号进行衰减或放大；EQ单元对自动增益单元处理后的当前帧音频信号进行增益处理；D/A转换单元将EQ单元处理后的当前帧音频信号转化为模拟信号；功放单元接收D/A转化单元输出的模拟信号并进行放大，驱动扬声器播放声音；本发明提供的具有高灵敏度的音频系统及其调节方法，所述的音频系统中，EQ单元的前端设置有自动增益单元，有效地控制了输入至EQ单元的音频信号的能量值，提高了音频系统的灵敏度。

Description

一种具有高灵敏度的音频系统及其调节方法

技术领域

本发明涉及音频处理技术领域，特别涉及一种具有高灵敏度的音频系统及其调节方法。

背景技术

EQ(Equalizer,均衡器)是一种可以调节各频段信号放大量的电子设备，广泛应用于各行各业的音频系统中；典型的设备音响管理器、数字音频处理器通常采用两种EQ，分别为图示EQ和全参量EQ。

FIR(有限长单位冲激响应滤波器)，又称为非递归型滤波器，是数字信号处理系统中最基本的元件，它可以在保证任意幅频特性的同时具有严格的线性相频特性，同时其单位抽样响应是有限长的，因而滤波器是稳定的系统，常用于音频的各个系统中。

音频系统EQ调节的原理为：音频信号先由EQ单元进行处理，改变音频信号各频段的增益，然后经D/A转换单元转换为模拟信号，最后，经过功放单元将音频信号放大，驱动扬声器播放出声音。

现有的音频系统EQ调节的原理存在如下缺陷：

1、输入至EQ单元的音频信号的能量值或高或低，影响EQ单元的处理效率，降低音频系统的灵敏度；

2、无保护功能：若大幅度地调高EQ单元对应某频段的增益，会使某频段的能量超过功放单元的承载能力，导致扬声器所播放的声音失真；

3、无自动均衡校正功能：当采用麦克风进行人声信号输入时，若某频段的能量不足，会导致扬声器输出的声音在听觉上感觉不舒服；

4、无相位校准功能：每个功能模块都需要处理时间，即信号源头输入与最终的扬声器输出的信号存在相位的偏移；在一些高级别的音响系统中，输入信号与输出信号之间存在的相位偏移会严重影响听觉效果。

发明内容

鉴于上述现有技术的不足之处，本发明的目的在于提供一种具有高灵敏度的音频系统及其调节方法，在EQ单元前设置自动增益单元，有效地控制输入至EQ单元的音频信号的能量值，提高音频系统的灵敏度。

为了达到上述目的，本发明采取了以下技术方案：

一种具有高灵敏度的音频系统的调节方法，包括以下步骤：

S100、A/D转换单元将输入的当前帧音频信号转化为数字信号；

S200、自动增益单元将当前帧音频信号的能量值分别与预先设定的增益启动阈值和增益目标阈值比较，若当前帧音频信号的能量值大于增益目标阈值，自动增益单元根据预先设定的增益比率对当前帧音频信号进行衰减；若当前帧音频信号的能量值小于增益目标阈值且大于增益启动阈值，自动增益单元根据增益比率对当前帧音频信号进行放大；

S300、EQ单元对自动增益单元处理后的当前帧音频信号进行增益处理；

S400、D/A转换单元将EQ单元处理后的当前帧音频信号转化为模拟信号；

S500、功放单元接收D/A转化单元输出的模拟信号并进行放大，驱动扬声器播放声音。

所述的具有高灵敏度的音频系统的调节方法中，还包括步骤：

S310、压缩单元接收EQ单元输出的当前帧音频信号，若当前帧音频信号的能量大于设定的压缩启动阈值，则执行步骤S311，反之，执行步骤S312；

S311、压缩单元根据设定的压缩比率对当前帧音频信号的能量进行压缩；S312、压缩单元停止工作。

所述的具有高灵敏度的音频系统的调节方法中，还包括步骤：

S320、自动调节单元接收经压缩单元处理后的当前帧音频信号；

S321、自动调节单元根据当前帧音频信号，计算得到当前帧音频信号的频谱及各个频段的能量值；

S322、自动调节单元根据所述当前帧音频信号各个频段的能量值以及与所述各个频段对应的增益参数，得到EQ调节参数；

S323、自动调节单元将所述EQ调节参数反馈至EQ单元，EQ单元根据所述EQ调节参数对下一帧音频信号进行增益处理。

所述的具有高灵敏度的音频系统的调节方法中，还包括步骤：

S600、拾音器拾取扬声器输出的音频信号；

S700、FIR计算单元获取A/D转换单元的第一音频信号和拾音器所获取的第二音频信号，根据第一音频信号和第二音频信号计算相位偏移参数，并反馈至相位单元；

S800、相位单元根据所接收的相位偏移参数对下一帧音频信号进行相位补偿校正。

所述的具有高灵敏度的音频系统的调节方法中，所述步骤S323中，所述EQ单元根据所接收的EQ调节参数，调整当前帧信号的频谱的增益G和品质因数Q，并重新计算全参数均衡PEQ的滤波器系数COEFF；当下一帧音频信号输入时，EQ单元采用计算后的滤波器系数COEFF对输入的下一帧音频信号进行调节。

所述的具有高灵敏度的音频系统的调节方法中，所述步骤S700中，所述FIR单元分别存储第一音频信号和第二音频信号的1024个样本，通过相关分析法计算两者之间的相位差，再分别对第一音频信号和第二音频信号的1024个样本进行快速傅里叶变换，寻找主频段，采用FIR滤波器对主频段进行处理，计算得到相位差偏移参数。

本发明还相应提供了一种具有高灵敏度的音频系统，包括：

A/D转换单元，所述A/D转换单元用于接收当前帧音频信号并转换为数字信号；

自动增益单元，所述自动增益单元用于接收转换成数字信号的当前帧音频信号，比较当前帧音频信号的能量值、增益启动阈值和增益目标阈值，根据比较结果对当前帧音频信号进行放大或衰减；

EQ单元，所述EQ单元用于接收自动增益单元处理后的当前帧音频信号，并对当前帧音频信号进行增益处理；

D/A转换单元，所述D/A转换单元用于接收EQ单元处理后的当前帧音频信号，并转换为模拟信号；

功放单元，所述功放单元用于接收D/A转换单元所输出的模拟信号，进行放大，并驱动扬声器播放声音。

所述具有高灵敏度的音频系统中，还包括压缩单元，所述压缩单元用于接收EQ单元处理后的当前帧音频信号，比较当前帧音频信号的能量值和设定的能量阈值，判断是否需要进行压缩处理；所述D/A转换单元接收压缩单元处理后的当前帧音频信号，并转换为模拟信号。

所述具有高灵敏度的音频系统中，还包括自动调节单元，所述自动调节单元用于接收压缩单元处理后的当前帧音频信号，根据当前帧音频信号计算其各个频段的能量值，并根据所述各个频段的能量值及各个频段对应的增益参数，得到EQ调节参数，并反馈至EQ单元。

所述具有高灵敏度的音频系统中，还包括：

拾音器，所述拾音器用于获取扬声器所输出的音频信号；

FIR计算单元，所述FIR计算单元用于获取拾音器所拾取的第一音频信号和A/D转换单元所获取的第二音频信号并计算相位偏移参数；

相位单元，所述相位单元用于接收FIR计算单元所输出的相位偏移参数并对下一帧音频信号进行相位补偿校正。

有益效果：

本发明提供了一种具有高灵敏度的音频系统及其调节方法，其具有以下优点：

(1)所述音频系统在EQ单元的前端设置有自动增益单元，可对输入的音频信号进行放大或衰减，有效地控制输入至EQ单元的音频信号的能量值，提高EQ单元的响应速度并提高音频系统的灵敏度；

(2)所述音频系统中，EQ单元和功放单元之间设置有压缩单元，压缩单元对能量值大于设定的压缩启动阈值的音频信号进行压缩，输出正常的音频信号以保护后端的功放单元，防止功放单元所接收的音频信号的能量值过大而烧毁；

(3)所述音频系统设置有自动调节单元，可自动实时检测不足的频谱和该频谱的能量值，并反馈至EQ单元，便于EQ单元对下一帧音频信号进行调节，提升听觉效果；

(4)所述音频系统包括拾音器、FIR计算单元和相位单元，实现了音频系统的相位校正功能，使输出的音频信号的相位尽可能地接近输入的音频信号的相位，进一步提升听觉效果。

附图说明

图1为本发明提供的调节方法的控制流程图；

图2为本发明提供的调节方法的另一实施例的控制流程图；

图3为本发明提供的自动调节单元的控制流程图；

图4为本发明提供的具有高灵敏度的音频系统的结构示意图；

图5为本发明提供的具有高灵敏度的音频系统的另一实施例的结构示意图。

具体实施方式

本发明提供了一种具有高灵敏度的音频系统及其调节方法，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明；应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明的保护范围。

请参阅图1，本发明提供了一种具有高灵敏度的音频系统的调节方法，包括以下步骤：

S100、A/D转换单元将输入的当前帧音频信号转化为数字信号；

S200、自动增益单元将当前帧音频信号的能量值分别与预先设定的增益启动阈值和增益目标阈值比较，若当前帧音频信号的能量值大于增益目标阈值，自动增益单元根据预先设定的增益比率对当前帧音频信号进行衰减；若当前帧音频信号的能量值小于增益目标阈值且大于增益启动阈值，自动增益单元根据增益比率对当前帧音频信号进行放大；

S300、EQ单元对自动增益单元处理后的当前帧音频信号进行增益处理；

S400、D/A转换单元将EQ单元处理后的当前帧音频信号转化为模拟信号；

S500、功放单元接收D/A转化单元输出的模拟信号并进行放大，驱动扬声器播放声音。

在本实施例中，所述增益启动阈值的设定范围为-48dB至-24dB，所述增益目标阈值的设定范围为-24dB至-12dB，所述增益比率的表达式为：

其中，Ratio表示自动增益控制斜率。

当输入的当前帧音频信号的能量值大于增益目标阈值时，静态增益按(1.2)进行更新；当输入的当前帧音频信号的能量值小于增益目标阈值且大于增益启动阈值时，静态增益按(1.3)进行更新；动态增益均按(1.4)进行更新，为防止增益过大，进行增益控制，当连续增益超过3.5则增益稳定不变。

f′＝1 (1.2)

g′＝(1-RT)×g+RT×t′ (1.4)

Pred＝Target_lever×Alfa (1.5)

其中，Target_lever表示增益目标阈值，Alfa表示增益控制启动最大值比例，在本实施例中，Alfa＝0.3；Pred表示增益控制启动最大值，g表示动态增益，f’表示静态增益，xd表示当前帧音频信号的能量值，RT表示增益控制释放时间。

在EQ单元前设置自动增益单元，可对输入的音频洗好的能量值进行放大或衰减，有效地控制输入至EQ单元的音频信号的能量值，提高EQ单元的响应速度，且可提高音频系统的灵敏度。

进一步地，请参阅图2，所述调节方法还包括步骤：

S310、压缩单元接收EQ单元输出的当前帧音频信号，若当前帧音频信号的能量大于设定的压缩启动阈值，则执行步骤S311，反之，执行步骤S312；

S311、压缩单元根据设定的压缩比率，在启动时间之后对当前帧音频信号的能量进行压缩；

S312、在释放时间之后，压缩单元停止工作。

在本实施例中，可以预先在控制器中设定压缩单元的相关参数，如压缩启动阈值、压缩比率、启动时间、释放时间，可根据不同的音响应用环境而设定不同的值；所述启动时间是指压缩单元开始工作的时间点，所述释放时间是指压缩单元不工作，对音频信号进行输出的时间点；所述压缩启动阈值的范围一般为-3dB至12dB，若当前帧音频信号能量大于设定的压缩启动阈值时，压缩单元启动压缩功能，输出正常的音频信号以保护后端的功放单元，防止功放单元所接收的音频信号的能量值过大而烧毁，起保护作用。

进一步地，请参阅图3，所述调节方法还包括步骤：

S320、自动调节单元接收经压缩单元处理后的当前帧音频信号；

S321、自动调节单元根据当前帧音频信号，计算得到当前帧音频信号的频谱及各个频段的能量值；所述自动调节单元对当前帧音频信号进行2048点的快速傅里叶变换计算得出频谱和各个频段的能量值；

S322、自动调节单元根据所述当前帧音频信号各个频段的能量值以及与所述各个频段对应的增益参数，得到EQ调节参数；所述EQ调节参数是指当前帧音频信号的频谱、各个频段的能量值以及各个频段对应的增益参数；

S323、自动调节单元将所述EQ调节参数反馈至EQ单元，EQ单元根据所述EQ调节参数对下一帧音频信号进行增益处理。

当音频信号输入时，或多或少存在某段频谱上的能量不足或缺陷，设置自动调节单元，可自动实时检测不足的频谱和该频谱的能量值，并反馈至EQ单元，便于EQ单元对下一帧音频信号进行调节，提升听觉效果。

进一步地，请参阅图2，所述调节方法还包括步骤：

S600、拾音器拾取扬声器输出的音频信号；

S700、FIR计算单元获取A/D转换单元的第一音频信号和拾音器所获取的第二音频信号，根据第一音频信号和第二音频信号计算相位偏移参数，并反馈至相位单元；

S800、相位单元根据所接收的相位偏移参数对下一帧音频信号进行相位补偿校正。

每个功能模块都需要处理时间，即信号源头输入与最终的扬声器输出的信号存在相位的偏移，影响听觉效果；拾音器、FIR计算单元和相位单元的设置，实现了音频系统的相位校正功能，使输出的音频信号的相位尽可能地接近输入的音频信号的相位，提升听觉效果。

进一步地，所述步骤S323中，所述EQ单元根据所接收的EQ调节参数，调整当前帧信号的频谱的增益G和品质因数Q，并重新计算全参数均衡PEQ的滤波器系数COEFF；当下一帧音频信号输入时，EQ单元采用计算后的滤波器系数COEFF对输入的下一帧音频信号进行调节。

所述全参数均衡PEQ的表达式为：

其中，S表示信号值，A表通带增益，Q为品质因数。

所述滤波器系数COEFF的计算公式为：

a0＝1+alpha/A (3.1)

alpha＝sin(ω0)/(2*Q) (3.2)

a1＝-2*cos(ω0) (3.3)

ω0＝2*pi*f0/Fs (3.4)

a2＝1-alpha/A (3.5)

b0＝(1+alpha*A)*gainLinear (3.6)

gainLinear＝10^(gain/20) (3.7)

b1＝-(2*cos(ω0))*gainLinear (3.8)

b2＝(1-alpha*A)*gainLinear (3.9)

其中，a0、a1、a1、b0、b1、b2均为滤波器系数，a为分子上的系数，b为分母上的系数，ω0为归一化频率，alpha为Q值正弦化，gainLinear表示阻带线性增益。

进一步地，所述步骤S700中，所述FIR单元分别存储第一音频信号和第二音频信号的1024个样本，通过相关分析法计算两者之间的相位差，再分别对第一音频信号和第二音频信号的1024个样本进行快速傅里叶变换，寻找主频段，其中，快速傅里叶变换的计算方式为：

其中，Len表示样本数，Len＝1024，x_i表示第一音频信号，y_i表示第二音频信号。

采用FIR滤波器对主频段进行处理，计算得到相位差偏移参数，所述FIR滤波器采用firwin函数获得相位偏移参数，其计算方式为：

signal.firwin(Order+1,Fs,width＝None,window＝WinNameGet,pass_zero＝False

其中，Order表示FIR滤波器的阶数；Fs表示截止频率；Window为窗函数，由外部传递；pass_zero＝False，表示高通或带通。

请参阅图4，本发明还相应提供了一种具有高灵敏度的音频系统，包括：

A/D转换单元，所述A/D转换单元用于接收当前帧音频信号并转换为数字信号；

自动增益单元，所述自动增益单元用于接收转换成数字信号的当前帧音频信号，比较当前帧音频信号的能量值、增益启动阈值和增益目标阈值，根据比较结果对当前帧音频信号进行放大或衰减；

EQ单元，所述EQ单元用于接收自动增益单元处理后的当前帧音频信号，并对当前帧音频信号进行增益处理；

D/A转换单元，所述D/A转换单元用于接收EQ单元处理后的当前帧音频信号，并转换为模拟信号；

功放单元，所述功放单元用于接收D/A转换单元所输出的模拟信号，进行放大，并驱动扬声器播放声音。

进一步地，请参阅图4，所述音频系统还包括压缩单元，所述压缩单元用于接收EQ单元处理后的当前帧音频信号，比较当前帧音频信号的能量值和设定的能量阈值，判断是否需要进行压缩处理；所述D/A转换单元接收压缩单元处理后的当前帧音频信号，并转换为模拟信号。

进一步地，请参阅图4，所述音频系统还包括自动调节单元，所述自动调节单元用于接收压缩单元处理后的当前帧音频信号，根据当前帧音频信号计算其各个频段的能量值，并根据所述各个频段的能量值及各个频段对应的增益参数，得到EQ调节参数，并反馈至EQ单元。

进一步地，请参阅图5，所述音频系统还包括：

拾音器，所述拾音器用于获取扬声器所输出的音频信号；

FIR计算单元，所述FIR计算单元用于获取拾音器所拾取的第一音频信号和A/D转换单元所获取的第二音频信号并计算相位偏移参数；所述第二音频信号是指当前帧音频信号的信号帧，相位偏移参数用于对下一帧音频信号进行相位补偿校正；

相位单元，所述相位单元用于接收FIR计算单元所输出的相位偏移参数并对下一帧音频信号进行相位补偿校正。

可以理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，而所有这些改变或替换都应属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种具有高灵敏度的音频系统的调节方法，其特征在于，包括以下步骤：

S100、A/D转换单元将输入的当前帧音频信号转化为数字信号；

S200、自动增益单元将当前帧音频信号的能量值分别与预先设定的增益启动阈值和增益目标阈值比较，若当前帧音频信号的能量值大于增益目标阈值，自动增益单元根据预先设定的增益比率对当前帧音频信号进行衰减；若当前帧音频信号的能量值小于增益目标阈值且大于增益启动阈值，自动增益单元根据增益比率对当前帧音频信号进行放大；

S300、EQ单元对自动增益单元处理后的当前帧音频信号进行增益处理；

S400、D/A转换单元将EQ单元处理后的当前帧音频信号转化为模拟信号；

S500、功放单元接收D/A转化单元输出的模拟信号并进行放大，驱动扬声器播放声音。

2.根据权利要求1所述的一种具有高灵敏度的音频系统的调节方法，其特征在于，还包括步骤：

S310、压缩单元接收EQ单元输出的当前帧音频信号，若当前帧音频信号的能量大于设定的压缩启动阈值，则执行步骤S311，反之，执行步骤S312；

S311、压缩单元根据设定的压缩比率对当前帧音频信号的能量进行压缩；

S312、压缩单元停止工作。

3.根据权利要求2所述的一种具有高灵敏度的音频系统的调节方法，其特征在于，还包括步骤：

S320、自动调节单元接收经压缩单元处理后的当前帧音频信号；

S321、自动调节单元根据当前帧音频信号，计算得到当前帧音频信号的频谱及各个频段的能量值；

S322、自动调节单元根据所述当前帧音频信号各个频段的能量值以及与所述各个频段对应的增益参数，得到EQ调节参数；

S323、自动调节单元将所述EQ调节参数反馈至EQ单元，EQ单元根据所述EQ调节参数对下一帧音频信号进行增益处理。

4.根据权利要求1所述的一种具有高灵敏度的音频系统的调节方法，其特征在于，还包括步骤：

S600、拾音器拾取扬声器输出的音频信号；

S700、FIR计算单元获取A/D转换单元的第一音频信号和拾音器所获取的第二音频信号，根据第一音频信号和第二音频信号计算相位偏移参数，并反馈至相位单元；

S800、相位单元根据所接收的相位偏移参数对下一帧音频信号进行相位补偿校正。

5.根据权利要求3所述的一种具有高灵敏度的音频系统的调节方法，其特征在于，所述步骤S323中，所述EQ单元根据所接收的EQ调节参数，调整当前帧信号的频谱的增益G和品质因数Q，并重新计算全参数均衡PEQ的滤波器系数COEFF；当下一帧音频信号输入时，EQ单元采用计算后的滤波器系数COEFF对输入的下一帧音频信号进行调节。

6.根据权利要求4所述的一种具有高灵敏度的音频系统的调节方法，其特征在于，所述步骤S700中，所述FIR单元分别存储第一音频信号和第二音频信号的1024个样本，通过相关分析法计算两者之间的相位差，再分别对第一音频信号和第二音频信号的1024个样本进行快速傅里叶变换，寻找主频段，采用FIR滤波器对主频段进行处理，计算得到相位差偏移参数。

7.一种具有高灵敏度的音频系统，其特征在于，包括：

A/D转换单元，所述A/D转换单元用于接收当前帧音频信号并转换为数字信号；

自动增益单元，所述自动增益单元用于接收转换成数字信号的当前帧音频信号，比较当前帧音频信号的能量值、增益启动阈值和增益目标阈值，根据比较结果对当前帧音频信号进行放大或衰减；

EQ单元，所述EQ单元用于接收自动增益单元处理后的当前帧音频信号，并对当前帧音频信号进行增益处理；

D/A转换单元，所述D/A转换单元用于接收EQ单元处理后的当前帧音频信号，并转换为模拟信号；

功放单元，所述功放单元用于接收D/A转换单元所输出的模拟信号，进行放大，并驱动扬声器播放声音。

8.根据权利要求7所述的一种具有高灵敏度的音频系统，其特征在于，还包括压缩单元，所述压缩单元用于接收EQ单元处理后的当前帧音频信号，比较当前帧音频信号的能量值和设定的能量阈值，判断是否需要进行压缩处理；所述D/A转换单元接收压缩单元处理后的当前帧音频信号，并转换为模拟信号。

9.根据权利要求8所述的一种具有高灵敏度的音频系统，其特征在于，还包括自动调节单元，所述自动调节单元用于接收压缩单元处理后的当前帧音频信号，根据当前帧音频信号计算其各个频段的能量值，并根据所述各个频段的能量值及各个频段对应的增益参数，得到EQ调节参数，并反馈至EQ单元。

10.根据权利要求7所述一种具有高灵敏度的音频系统，其特征在于，还包括：

拾音器，所述拾音器用于获取扬声器所输出的音频信号；

FIR计算单元，所述FIR计算单元用于获取拾音器所拾取的第一音频信号和A/D转换单元所获取的第二音频信号并计算相位偏移参数；

相位单元，所述相位单元用于接收FIR计算单元所输出的相位偏移参数并对下一帧音频信号进行相位补偿校正。

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