CN111478675B - 一种音频信号处理系统、音频信号处理方法及电子设备 - Google Patents

Abstract

本申请实施例提供一种音频信号处理系统、音频信号处理方法及电子设备。对数字输入信号进行均方根值检测，得到数字输入信号的均方根值，根据数字输入信号的均方根值和预设的阈值生成增益量，在数字输入信号过零时输出该增益量，根据增益量对数字输入信号进行增益调整，得到数字输出信号。基于本申请实施例公开的技术方案，能够避免出现声音放不开、声音沉闷的问题，改善声音处理效果。

Description

一种音频信号处理系统、音频信号处理方法及电子设备

技术领域

本申请涉及音频信号处理技术领域，尤其涉及一种音频信号处理系统、音频信号处理方法及电子设备。

背景技术

随着社会的不断发展和进步，人们不管是在看电视还是听音乐时，对音质和音乐听感上的追求也越来越高。因此，在音频信号处理领域中，对于数字音频信号的自动增益调整的研究也越来越多。对数字音频信号进行自动增益调整是为了使数字音频信号在经过放大后，不损坏喇叭，且不会出现破音的现象。

现有技术中，有两种最常见的音频信号处理方法。第一种方法是直接使用输出信号的峰值来检查增益是否过大，并根据结果对输入信号进行增益调整。但是，采用这种方法容易导致声音过早的变声。为了解决这一缺点，第二种方法在第一种方法的基础上进行改进，如果根据输出信号的峰值确定需要对输入信号进行增益调整，那么在输入信号的过零时刻对输入信号进行增益调整。

但是，基于现有的两种音频信号处理方法，都会出现声音放不开，声音沉闷的问题，导致用户的听感较差。

发明内容

有鉴于此，本申请实施例提供的一种音频信号处理系统、音频信号处理方法及电子设备，以改善声音处理效果。

为实现上述目的，本申请实施例提供如下技术方案：

本申请实施例提供一种音频信号处理系统，包括：过零检测单元、均方根值检测单元、增益控制单元和增益调节单元；

所述过零检测单元用于检测数字输入信号是否过零；

所述均方根值检测单元用于对所述数字输入信号进行均方根值检测，得到所述数字输入信号的均方根值；

所述增益控制单元用于根据所述数字输入信号的均方根值和预设的阈值生成增益量，在所述数字输入信号过零时输出所述增益量；

所述增益调节单元用于根据所述增益量对所述数字输入信号进行增益调整，得到数字输出信号。

可选的，在上述音频信号处理系统中，所述均方根值检测单元包括：第一乘法器、延时单元、第一加法器、第二加法器、算术右移单元以及有符号的饱和运算单元；

所述第一乘法器，用于计算所述数字输入信号的平方值；

所述延时单元，用于对前一检测周期得到的第一输出检测值进行延时，得到第二输出检测值；

所述第一加法器，用于计算所述数字输入信号的平方值和所述第二输出检测值的差值；

所述算术右移单元，用于对所述差值进行算术右移；

所述第二加法器，用于计算对所述差值进行算术右移的结果和所述第二输出检测值的和，得到当前检测周期的第一输出检测值；

所述有符号的饱和运算单元，用于对所述当前检测周期的第一输出检测值进行有符号的饱和运算，得到所述数字输入信号的均方根值。

可选的，在上述音频信号处理系统中，所述增益控制单元根据所述数字输入信号的均方根值和预设的阈值生成增益量，包括下列至少一个情况：

所述增益控制单元在所述数字输入信号的均方根值大于或等于第一阈值的情况下，在当前的增益量的基础上减小预设的步长，生成新的增益量；

所述增益控制单元在所述数字输入信号的均方根值小于或等于第二阈值的情况下，在当前的增益量的基础上增大所述步长，生成新的增益量；

所述增益控制单元在所述数字输入信号的均方根值小于第一阈值，且大于第二阈值的情况下，保持当前的增益量；

其中，所述第一阈值大于所述第二阈值。

可选的，在上述音频信号处理系统中，所述增益调节单元包括：第二乘法器；所述第二乘法器，用于计算所述增益控制单元输出的增益量和所述数字输入信号的乘积，得到数字输出信号。

本申请实施例还提供一种电子设备，该电子设备包括上述任意一种音频信号处理系统。

本申请实施例还提供一种音频信号处理方法，包括：

对数字输入信号进行均方根值检测，得到所述数字输入信号的均方根值；

根据所述数字输入信号的均方根值和预设的阈值生成增益量；

检测数字输入信号是否过零；

在所述数字输入信号过零时输出所述增益量；

根据所述增益量对所述数字输入信号进行增益调整，得到数字输出信号。

可选的，在上述音频信号处理方法中，所述对数字输入信号进行均方根值检测，得到所述数字输入信号的均方根值，包括：

计算所述数字输入信号的平方值；

对前一检测周期得到的第一输出检测值进行延时，得到第二输出检测值；

计算所述数字输入信号的平方值和所述第二输出检测值的差值；

对所述差值进行算术右移；

计算对所述差值进行算术右移的结果和所述第二输出检测值的和，得到当前检测周期的第一输出检测值；

对所述当前检测周期的第一输出检测值进行有符号的饱和运算，得到所述数字输入信号的均方根值。

可选的，在上述音频信号处理方法中，所述根据所述数字输入信号的均方根值和预设的阈值生成增益量，包括下列至少一个情况：

在所述数字输入信号的均方根值大于或等于第一阈值的情况下，在当前的增益量的基础上减小预设的步长，生成新的增益量；

在所述数字输入信号的均方根值小于或等于第二阈值的情况下，在当前的增益量的基础上增大所述步长，生成新的增益量；

在所述数字输入信号的均方根值小于第一阈值，且大于第二阈值的情况下，保持当前的增益量；

其中，所述第一阈值大于所述第二阈值。

可选的，在上述音频信号处理方法中，所述根据所述增益量对所述数字输入信号进行增益调整，得到数字输出信号，包括：

计算所述增益量和所述数字输入信号的乘积，得到数字输出信号。

本申请提供的音频信号处理系统，过零检测单元检测数字输入信号是否过零，均方根值检测单元对数字输入信号进行均方根值检测，得到数字输入信号的均方根值，增益控制单元根据数字输入信号的均方根值和预设的阈值生成增益量，并在数字输入信号过零时输出增益量，增益调节单元根据该增益量对数字输入信号进行增益调整，得到数字输出信号。本申请公开的音频信号处理系统，根据数字输入信号的均方根值和预设的阈值生成增益量，再根据生成的增益量对数字输入信号进行增益调整，能够增大信号的动态范围，在数字输入信号中突然出现大信号时，不会过早地对数字输入信号进行压缩，避免出现声音放不开、声音沉闷的问题，改善声音处理效果。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例公开的一种音频信号处理系统的结构示意图；

图2为本申请实施例公开的一种均方根值检测单元的结构示意图；

图3为本申请实施例公开的有符号的饱和运算的示意图；

图4为本申请实施例公开的音频信号处理系统的功能仿真图；

图5为本申请实施例公开的一种音频信号处理方法的流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本申请中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

由上述背景技术可知，现有技术的两种音频信号处理技术都是基于数字输出信号的峰值对数字输入信号进行增益调整。当数字输入信号中突然出现大信号时，会触发增益压缩，从而压缩了信号的动态范围。而过早的压缩信号的动态范围，会导致声音放不开、声音沉闷的问题，使得用户的听感较差。

因此，本申请实施例公开一种音频信号处理系统，以解决现有的音频信号处理系统存在的声音放不开，且声音沉闷的问题，改善声音处理效果。

如图1所示，图1为本申请实施例公开的一种音频信号处理系统的结构示意图，该音频信号处理系统包括过零检测单元101、均方根值检测单元102、增益控制单元103和增益调节单元104。

其中：

过零检测单元101，用于检测数字输入信号是否过零。

均方根值检测单元102，用于对数字输入信号进行均方根值检测，得到数字输入信号的均方根值。

增益控制单元103，用于根据数字输入信号的均方根值和预设的阈值生成增益量，并在数字输入信号过零时输出增益量。

增益调节单元104，用于根据增益量对数字输入信号进行增益调整，得到数字输出信号。

请参见图4，图4为本申请公开的音频信号处理系统的功能仿真图。其中，L1为音频信号处理系统的数字输入信号，L2为数字输入信号的均方根值，L3为音频信号处理系统的数字输出信号。

从图4中可以看到，数字输入信号的均方根值随着时间会逐渐增加到一个平衡值，当数字输入信号增大时，数字输入信号的均方根值会逐渐的增大，当数字输入信号减小时，数字输入信号的均方根值会逐渐的减小。也就是说，当数字输入信号突然变大时，数字输入信号的均方根值也是逐渐变大的。

因此，将数字输入信号的均方根值作为增益控制单元103确定增益量的依据，能够增大信号的动态范围，在数字输入信号中突然出现大信号(即幅值较大的数字输入信号)时，不会过早地对数字输入信号进行压缩，避免出现声音放不开、声音沉闷的问题，改善声音处理效果。

本申请实施例提供的音频信号处理系统，过零检测单元检测数字输入信号是否过零，均方根值检测单元对数字输入信号进行均方根值检测，得到数字输入信号的均方根值，增益控制单元根据数字输入信号的均方根值和预设的阈值生成增益量，并在数字输入信号过零时输出增益量，增益调节单元根据该增益量对数字输入信号进行增益调整，得到数字输出信号。本申请公开的音频信号处理系统，根据数字输入信号的均方根值和预设的阈值生成增益量，再根据生成的增益量对数字输入信号进行增益调整，能够增大信号的动态范围，在数字输入信号中突然出现大信号时，不会过早地对数字输入信号进行压缩，避免出现声音放不开、声音沉闷的问题，改善声音处理效果。

下面对本申请实施例上述公开的音频信号处理系统进行更加详细的说明。

均方根值检测单元102的输入和输出的关系，如公式(1)：

其中，X(n)为数字输入信号的平方值，Y(n)为数字输入信号的均方根值，α为权重因子，Z^-1为上一个状态的保持。

其中，α＝1-2^-N，且0<α<1。

进一步的，将公式(1)做进一步的推导，可得到：

Y(n)＝α*Y(n-1)+(1-α)*X(n) 公式(2)

其中，Y(n-1)等于Y(n_i-1)*Z^-1，Y(n_i-1)为前一检测周期得到的数字输入信号的均方根值。

进一步的，将公式(2)做进一步的推导，得到公共的因子(1-α)，如公式(3)所示：

Y(n)＝-(1-α)*Y(n-1)+(1-α)*X(n)+Y(n-1) 公式(3)

进一步的，将公式(3)做进一步的推导，可得到：

Y(n)＝Y(n-1)+(1-α)*[X(n)-Y(n-1)] 公式(4)

在一个实施例中，均方根值检测单元102采用如图2所示的结构，包括：

第一乘法器C，用于计算数字输入信号的平方值din_mul。

需要说明的是，数字输入信号的平方值的计算公式如下所示：

X(n)＝din² 公式(5)

其中，X(n)为数字输入信号的平方值din_mul，din为数字输入信号。

延时单元1021，用于对前一检测周期得到的第一输出检测值data_comb进行延时，得到第二输出检测值data_reg。

需要说明的是，第二输出检测值data_reg为上述公式(2)至公式(4)中的Y(n-1)。

还需要说明的是，如果均方根值检测单元102第一次计算输入信号的均方根值，那么前一检测周期得到的第一输出检测值可以采用预先配置的初值。

第一加法器J1，用于计算数字输入信号的平方值din_mul和第二输出检测值data_reg的差值data_comb1。

需要说明的是，该差值data_comb1为上述公式(4)中的[X(n)-Y(n-1)]。

算术右移单元1022，用于对差值data_comb1进行算术右移。

需要说明的是，对差值data_comb1进行算术右移得到的结果data_shift为上述公式(4)中的(1-α)*[X(n)-Y(n-1)]。

第二加法器J2，用于计算对差值进行算术右移的结果data_shift和第二输出检测值data_reg的和，得到当前检测周期的第一输出检测值data_comb。

可以看到，由于α等于1-2^-N，所以只需将差值date_comb1(也就是[X(n)-Y(n-1)])算术右移N位便可得到(1-α)*[X(n)-Y(n-1)]。乘法器占用的芯片面积资源远大于算术右移单元占用的芯片面积，将(1-α)*[X(n)-Y(n-1)]中的乘法器用算术右移单元代替，能够减少乘法器的使用，从而减小均方根值检测单元占用的芯片面积。

有符号的饱和运算单元1023，用于对当前检测周期的第一输出检测值进行有符号的饱和运算，得到数字输入信号的均方根值。

为了更好的对有符号的饱和运算单元1026的内容进行理解，请参见图3。从图3中可以看到，在数字输入信号的均方根值输出之前，对数字输入信号的均方根值进行有符号数的饱和运算，能够保证输出的数字输入信号的均方根值不会算术溢出。

本申请实施例上述公开的均方根值检测单元，通过算术右移单元对差值date_comb1进行算术右移，以替代乘法器的使用，从而减少了乘法器资源的使用，进而减小了均方根值检测单元占用的芯片面积，能够降低硬件架构的成本。

在一个实施例中，增益控制单元103根据数字输入信号的均方根值和预设的阈值生成增益量，包括下列至少一个情况：

增益控制单元103在数字输入信号的均方根值大于或等于第一阈值的情况下，在当前的增益量的基础上减小预设的步长，生成新的增益量；

增益控制单元103在数字输入信号的均方根值小于或等于第二阈值的情况下，在当前的增益量的基础上增大预设的步长，生成新的增益量；

增益控制单元103在数字输入信号的均方根值小于第一阈值，且大于第二阈值的情况下，保持当前的增益量。

其中，第一阈值和第二阈值为预设的阈值，且第一阈值大于第二阈值。

作为一种实施方式，增益控制单元103判断数字输入信号的均方根值是否大于或等于第一阈值；如果数字输入信号的均方根值大于或等于第一阈值，则在当前的增益量的基础上减小预设的步长，生成新的增益量；如果数字输入信号的均方根值小于第一阈值，则判断数字输入信号的均方根值是否小于或等于第二阈值；如果数字输入信号的均方根值小于或等于第二阈值，则在当前的增益量的基础上增大预设的步长，生成新的增益量；如果数字输入信号的均方根值大于第二阈值，则增益量保持不变。

本申请实施例上述公开的增益控制单元，根据数字输入信号的均方根值、第一阈值和第二阈值生成增益量。具体的，如果数字输入信号的均方根值大于或等于第一阈值，那么在当前的增益量的基础上减小预设的步长，生成新的增益量，如果数字输入信号的均方根值小于或等于第二阈值，那么在当前的增益量的基础上增大预设的步长，生成新的增益量，如果数字输入信号的均方根值小于第一阈值，且大于第二阈值，那么保持当前的增益量，从而快速地生成增益量。

在一个实施例中，增益调节单元104包括：

第二乘法器，用于计算增益控制单元103输出的增益量和数字输入信号的乘积，得到数字输出信号。

本申请实施例还公开一种电子设备，该电子设备包括上述公开的任意一种音频信号处理系统。本申请实施例公开的电子设备具有较佳的声音处理效果。

本申请实施例还公开一种音频信号处理方法，请参见图5所示，该方法包括：

S10：对数字输入信号进行均方根值检测，得到数字输入信号的均方根值。

S20：根据数字输入信号的均方根值和预设的阈值生成增益量。

S30：检测数字输入信号是否过零。

S40：在数字输入信号过零时输出增益量。

S50：根据增益量对数字输入信号进行增益调整，得到数字输出信号。

本申请实施例提供的音频信号处理方法，根据数字输入信号的均方根值和预设的阈值生成增益量，在数字输入信号过零时输出该增益量，根据该增益量对数字输入信号进行增益调整，能够增大信号的动态范围，在数字输入信号中突然出现大信号时，不会过早地对数字输入信号进行压缩，避免出现声音放不开、声音沉闷的问题，改善声音处理效果。

在一个实施例中，对数字输入信号进行均方根值检测，得到数字输入信号的均方根值，包括：

计算数字输入信号的平方值；

对前一检测周期得到的第一输出检测值进行延时，得到第二输出检测值；

计算数字输入信号的平方值和第二输出检测值的差值；

对差值进行算术右移；

计算对差值进行算术右移的结果和第二输出检测值的和，得到当前检测周期的第一输出检测值；

对当前检测周期的第一输出检测值进行有符号的饱和运算，得到数字输入信号的均方根值。

在上述实施例中，对数字输入信号进行均方根值检测的过程中，通过对数字输信号的平方值和第二输出检测值的差值进行算术右移，以替代乘法运算，能够减少乘法器资源的使用，进而减小进行均方根值检测的硬件占用的芯片面积。

在一个实施例中，根据数字输入信号的均方根值和预设的阈值生成增益量，包括下列至少一个情况：

在数字输入信号的均方根值大于或等于第一阈值的情况下，在当前的增益量的基础上减小预设的步长，生成新的增益量；

在数字输入信号的均方根值小于或等于第二阈值的情况下，在当前的增益量的基础上增大预设的步长，生成新的增益量；

在数字输入信号的均方根值小于第一阈值，且大于第二阈值的情况下，保持当前的增益量；

其中，第一阈值和第二阈值为预设的阈值，且第一阈值大于第二阈值。

在一个实施例中，根据增益量对数字输入信号进行增益调整，得到数字输出信号，包括：计算增益量和数字输入信号的乘积，得到数字输出信号。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于系统或系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所描述的系统及系统实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。

专业人员还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本申请的范围。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (7)

1.一种音频信号处理系统，其特征在于，包括：过零检测单元、均方根值检测单元、增益控制单元和增益调节单元；

所述过零检测单元用于检测数字输入信号是否过零；

所述均方根值检测单元用于对所述数字输入信号进行均方根值检测，得到所述数字输入信号的均方根值；

所述增益控制单元用于根据所述数字输入信号的均方根值和预设的阈值生成增益量，在所述数字输入信号过零时输出所述增益量；

所述增益调节单元用于根据所述增益量对所述数字输入信号进行增益调整，得到数字输出信号；

所述均方根值检测单元包括：第一乘法器、延时单元、第一加法器、第二加法器、算术右移单元以及有符号的饱和运算单元；

所述第一乘法器，用于计算所述数字输入信号的平方值；

所述延时单元，用于对前一检测周期得到的第一输出检测值进行延时，得到第二输出检测值；

所述第一加法器，用于计算所述数字输入信号的平方值和所述第二输出检测值的差值；

所述算术右移单元，用于对所述差值进行算术右移；

所述第二加法器，用于计算对所述差值进行算术右移的结果和所述第二输出检测值的和，得到当前检测周期的第一输出检测值；

所述有符号的饱和运算单元，用于对所述当前检测周期的第一输出检测值进行有符号的饱和运算，得到所述数字输入信号的均方根值。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述增益控制单元根据所述数字输入信号的均方根值和预设的阈值生成增益量，包括下列至少一个情况：

所述增益控制单元在所述数字输入信号的均方根值大于或等于第一阈值的情况下，在当前的增益量的基础上减小预设的步长，生成新的增益量；

所述增益控制单元在所述数字输入信号的均方根值小于或等于第二阈值的情况下，在当前的增益量的基础上增大所述步长，生成新的增益量；

所述增益控制单元在所述数字输入信号的均方根值小于第一阈值，且大于第二阈值的情况下，保持当前的增益量；

其中，所述第一阈值大于所述第二阈值。

3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述增益调节单元包括：第二乘法器；

所述第二乘法器，用于计算所述增益控制单元输出的增益量和所述数字输入信号的乘积，得到数字输出信号。

4.一种电子设备，其特征在于，包括如权利要求1至3中任一项所述的音频信号处理系统。

5.一种音频信号处理方法，其特征在于，包括：

对数字输入信号进行均方根值检测，得到所述数字输入信号的均方根值；

根据所述数字输入信号的均方根值和预设的阈值生成增益量；

检测所述数字输入信号是否过零；

在所述数字输入信号过零时输出所述增益量；

根据所述增益量对所述数字输入信号进行增益调整，得到数字输出信号；

所述对数字输入信号进行均方根值检测，得到所述数字输入信号的均方根值，包括：

计算所述数字输入信号的平方值；

对前一检测周期得到的第一输出检测值进行延时，得到第二输出检测值；

计算所述数字输入信号的平方值和所述第二输出检测值的差值；

对所述差值进行算术右移；

计算对所述差值进行算术右移的结果和所述第二输出检测值的和，得到当前检测周期的第一输出检测值；

对所述当前检测周期的第一输出检测值进行有符号的饱和运算，得到所述数字输入信号的均方根值。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述根据所述数字输入信号的均方根值和预设的阈值生成增益量，包括下列至少一个情况：

在所述数字输入信号的均方根值大于或等于第一阈值的情况下，在当前的增益量的基础上减小预设的步长，生成新的增益量；

在所述数字输入信号的均方根值小于或等于第二阈值的情况下，在当前的增益量的基础上增大所述步长，生成新的增益量；

在所述数字输入信号的均方根值小于第一阈值，且大于第二阈值的情况下，保持当前的增益量；

其中，所述第一阈值大于所述第二阈值。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述根据所述增益量对所述数字输入信号进行增益调整，得到数字输出信号，包括：

计算所述增益量和所述数字输入信号的乘积，得到数字输出信号。