CN112584274B - 等化处理的调整系统及其调整方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种等化处理的调整系统及其调整方法。取得收音信号的频带能量，且那些频带能量对应于不同频带。依据那些频带能量决定对应于那些频带的目标增益。取得滤波处理对数个中心频率的频率响应。决定增益误差最小且对应于那些频带的等化增益，且此增益误差相关于那些等化增益反应于滤波处理对应的那些频率响应后的振幅与那些目标增益之间的差异。将那些等化增益依据对应频带带入滤波处理。藉此，可改善滤波处理的影响。

Description

等化处理的调整系统及其调整方法

技术领域

本发明涉及一种声音信号处理，尤其涉及一种等化处理的调整系统及其调整方法。

背景技术

声音信号的等化(equalization，EQ)技术主要是先利用滤波器来区分不同的频带，再根据各频带的需求来定义适合的目标增益。基于人对于声音频率的敏感度不同，越低频率的变化越容易被人感知。请参照图1是频带区分的示意图，在现有技术中，可采用1/3的八音带(Octave)技术来区分频带。随着中心频率

增加，其对应频带的宽度也增加(如图所示梯形频率响应的中间部分)。然而，由于信号处理的延迟时间固定，因此各滤波器总取样点固定，且造成过度频带的长度被固定(如图所示梯形频率响应的两边)。对于高频的中心频率(例如，中心频率

)而言，其过度频带影响不大。然而，对于低频的中心频率(例如，中心频率

)而言，其过度频带却影响很大。

图2是现有等化调整的流程图。请参照图2，喇叭先播放各中心频率的声音信号并由麦克风收音后计算能量(步骤S210)。将各频带能量与理想能量的差距决定为各频带的目标增益(步骤S230)。在现有技术中，滤波器被视为理想状态，在未考虑低频过度频带的影响，即将各频带目标增益直接带入相对应的滤波器(步骤S250)。可想而知，低频带的增益误差可能很大。然而，厂商通常是通过人工校正的方式来改善，不仅校正时间长，更容易有误判情形。

发明内容

有鉴于此，本发明实施例提供一种等化处理的调整系统及其调整方法，其自行得出合适的等化增益，从而改善滤波处理的影响。

本发明实施例的等化处理的调整系统包括处理装置。声音信号经滤波处理后决定此声音信号在数个频带的对应目标增益。处理装置加载并执行数个模块。这些模块包括目标增益决定模块、频率响应决定模块、等化增益决定模块及滤波处理模块。目标增益决定模块取得数个收音频号的数个频带能量，并依据那些频带能量决定对应于频带的数个目标增益。那些频带能量分别对应于不同的频带。频率响应决定模块取得滤波处理对数个中心频率的频率响应。等化增益决定模块决定增益误差最小且对应于那些频带的数个等化增益。滤波处理模块将那些等化增益依据对应频带带入滤波处理。增益误差相关于那些等化增益反应于滤波处理对应的那些频率响应后的振幅与那些目标增益之间的差异。

本发明实施例的等化处理的调整方法包括下列步骤：取得数个收音信号的数个频带能量，且那些频带能量分别对于不同的频带。依据那些频带能量决定对应于那些频带的数个目标增益。取得滤波处理对数个中心频率的频率响应。决定增益误差最小且对应于那些频带的数个等化增益，且此增益误差相关于那些等化增益反应于滤波处理对应的那些频率响应后的振幅与那些目标增益之间的差异。接着，将那些等化增益依据对应频带带入滤波处理。

基于上述，本发明实施例的等化处理的调整系统及其调整方法，找出各频带适当的等化增益，使这些等化增益经滤波处理后的振幅最接近目标增益(即，使增益误差最小化)。藉此，可改善滤波处理的过度频带所造成的影响。

为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合附图作详细说明如下。

附图说明

图1是频带区分的示意图。

图2是现有等化调整的流程图。

图3是依据本发明一实施例的等化处理的调整系统的装置方块图。

图4是依据本发明一实施例的等化处理的调整方法的流程图。

图5是依据本发明一实施例的预估增益计算的流程图。

图6是频率与增益误差的对应图。

附图标记说明：

1：调整系统；

10：扬声装置；

30：收音装置；

50：处理装置；

51：目标增益决定模块；

52：频率响应决定模块；

53：等化增益决定模块；

54：滤波处理模块；

S210～S250、S410～S450、S510～S550：步骤；

501～504：增益误差；

中心频率。

具体实施方式

图3是依据本发明一实施例的等化处理的调整系统1的装置方块图。请参照图3，调整系统1包括但不仅限于扬声装置10、收音装置30及处理装置50。

扬声装置10可以是喇叭(扬声器)、扩音器等用以播放声音的装置。

收音装置30可以是麦克风(例如，动圈式(dynamic)、电容式(Condenser)、驻极体电容(Electret Condenser)等类型)或其他可接收声波而转换为声音信号的电子装置。

处理装置50可以是桌面计算机、笔记本电脑、智能手机、平板计算机、或服务器。处理装置50至少包括处理器(例如，中央处理单元(Central Processing Unit，CPU)，或是其他可程序化的一般用途或特殊用途的微处理器(Microprocessor)、数字信号处理器(Digital Signal Processor，DSP)、现场可程序化逻辑门阵列(Field Programmable GateArray，FPGA)、可程序化控制器、特殊应用集成电路(Application-Specific IntegratedCircuit，ASIC)或其他类似组件或上述组件的组合)，以执行处理装置50的所有运作。在本发明实施例中，处理装置50可加载并执行软件模块(储存在内存中)，这些软件模块包括目标增益决定模块51、频率响应决定模块52、等化增益决定模块53及滤波处理模块54，且其详细运作待后续实施例详述。

需说明的是，处理装置50可以电性连接扬声装置10及收音装置30。这些装置10,30,50中的一者或更多者也可能整合成单一电子装置。

为了方便理解本发明实施例的操作流程，以下将举诸多实施例详细说明本发明实施例中调整系统1的运作流程。下文中，将搭配调整系统1中的各装置说明本发明实施例所述的方法。本方法的各个流程可依照实施情形而随之调整，且并不仅限于此。

图4是依据本发明一实施例的等化处理的调整方法的流程图。请参照图4，处理装置50的滤波处理模块54将收音频号经滤波处理(例如，通过滤波器)后，可对收音信号区分出不同频带(基于诸如八音带、1/3的八音带等技术)。目标增益决定模块51接着分别取得收音装置30收音各训练声音信号所得的数个频带能量(步骤S410)。这些频带能量分别对于不同频带(也对应到不同中心频率)，频带能量即是依据经滤波处理所区分出的某一频带上的振幅计算得出的能量。

在一实施例中，收音信号的取得可通过扬声装置10分别播放数个训练声音信号，且收音装置30反应于各训练声音信号的播放而进行收音。各训练声音信号对应的中心频率与其他训练声音信号不同，且这些训练声音信号对应的中心频率分别对应于不同的频带。扬声装置10可依序播放不同中心频率的训练声音信号，同时收音装置30进行收音，以产生收音信号。在另一实施例中，目标增益决定模块51可经由下载或输入数据等方式取得那些收音信号。

目标增益决定模块51依据频带能量决定对应于那些频带的数个目标增益(步骤S420)。各频带能量与理想能量的差异即是各频带的目标增益，且其值可预先定义。在其他实施例中，目标增益也可能是与对应频带能量有比例或其他数学式代表的关系。

频率响应决定模块52可取得滤波处理对数个中心频率的频率响应(步骤S430)。滤波器对应于各中心频率的频率响应可自内存、通过查表、算法推算或参考信号训练等方式取得。于本实施例中，假设滤波器对各中心频率的多频率响应以矩阵

表示为：

C₀₀～c_NN是对应于第0中心频率至第N中心频率的频率响应，且N为正整数。

接着，等化增益决定模块53决定增益误差最小且对应于那些频带的数个等化增益(步骤S440)。具体而言，本发明实施例主要目的之一是依据前述频率响应中通带及过度频带的特性，找出各频带适当的等化增益(其向量为

并假设有第0频带至第N频带)，使决定的等化增益与频率响应相乘后的振幅最接近目标增益。

假设目标增益的向量

则等化增益与目标增益的数学关系如下：

等化增益是预计估测的数值，故其初始为未知数。而本发明实施例预计得出的等化增益是将增益误差最小化。即：

为

的第n列(n为0至N的正整数，即代表第n频带或第n中心频率)，

为第n个中心频率的目标增益。而增益误差是相关于对应于各频带的等化增益反应于滤波处理(或经滤波器处理)对应的那些频率响应(例如，数学式(1))后的振幅与步骤430所决定的目标增益之间的差异(例如，

)。

理想上，各频带的等化增益

乘以对应频带的滤波器频率响应矩阵

后，其振幅即为目标增益

看似可用逆矩阵求得等化增益

但因频率响应矩阵

是多而非实数，直接计算的复杂度相当高。计算误差最小化的方法有很多种。为了更有效率地找到误差值最小的EQ增益，本发明实施例中先假定各频带的目标增益为：

再依序计算各频带的等化增益，并逐渐地向目标增益逼近。更值得注意的是，自误差较大的低频开始计算对应等化增益将可提升准确度。

图5是依据本发明一实施例的预估增益计算的流程图。请参照图5，等化增益决定模块53决定各频带的预估增益的初始值(步骤S510)。预估增益的初始值可以是目标增益。假设预估增益的向量为

则其初始值可设定如下：

接着，等化增益决定模块53计算第n频带的参考增益，并依据参考增益与预估增益决定衍伸增益(步骤S530)。在一实施例中，等化增益决定模块53是自那些频带中的最低频带(例如，前述第0频带)开始决定对应的新预估增益(接着第1频带、第2频带，并依此类推至第N频带)。假设参考增益的向量为

则其与目标增益的关系如下(以n＝0为例)：

等化增益决定模块53可依据公式(7)求得第0频带的参考增益

接着依据此频带的参考增益

与对应预估增益

决定至少一个衍伸增益(首次计算系n＝0)。衍伸增益例如是参考增益

与对应预估增益

之间的至少一个数值、

或参考增益

与对应预估增益

经其他数学关系所得的数值，且应用者可依据需求自行变化。

接着，等化增益决定模块53依据此频带的参考增益与对应预估增益决定此频带的新预估增益(步骤S550)。当前评估频带的新预估增益系经带入滤波处理后(即，与频率响应矩阵

相乘所得的振幅)与对应目标增益之间的增益误差最小。在一实施例中，处理装置50是将前述得出的各衍伸增益带入滤波处理后判断其与对应目标增益之间的增益误差，并将增益误差最小的一者作为新预估增益

(首次计算n＝0)。

第0频带的新预估增益得出后，处理装置50可计算其他频带预估增益。等化增益决定模块53可将前一个频带(例如，第0频带)所算出的新预估增益为下一个频带(例如，第1频带)的预估增益初始值

并回到步骤S530及S550，以计算其他频带的新预估增益

直到满足预设条件后结束。需说明的是，针对第1频带的参考增益与目标增益的关系如下(以n＝1为例)：

由公式(7)、(8)可依此类推至第N频带。

在一实施例中，预设条件相关于等化增益决定模块53仅决定那些频带中小于低频门坎值(例如，1千、3千或5千赫兹)的部分频带的对应新预估增益。换句而言，前述步骤S510～S550仅需要针对小于低频门坎值的频带，并仅得出这些频带的新预估增益。

在另一实施例中，预设条件相关于等化增益决定模块53决定所有频带的对应新预估增益一次后即停止(即，仅执行一个循环)。又一实施例中，反应于所有那些频带的新预估增益在第一个循环中皆得出，等化增益决定模块53将依据那些频带的新预估增益决定第二新预估增益(即，进行第二个循环)，且各频带的第二新预估增益经带入滤波处理后(即，与频率响应矩阵

相乘)与对应目标增益之间的增益误差最小。需说明的是，本发明实施例不限制循环的次数，应用者可自行调整次数。

接着，等化增益决定模块53将那些频带的新预估增益(若进行一个循环)或第二新预估增益(若进行两个循环)作为等化增益。即：

请返回图4，相较于现有技术带入目标增益，本发明实施例得出等化增益之后，滤波处理模块54将那些等化增益依据对应频带带入滤波处理(或带入对应滤波器)(步骤S450)，以趋近目标增益。此处带入是指，经滤波处理所区分的各频带上的频率信号将进一步与对应等化增益相乘，以得出趋近目标增益的振幅。

图6是频率与增益误差的对应图。请参照图6，增益误差是以

为例。整体而言，高频部分(例如，超过3千或5千赫兹)的增益误差较小，但低频部分(例如是低于1千或500赫兹)的增益误差较大。现有技术的增益误差501在低频部分高达0.26。若仅针对1千赫兹以下(即，低频门坎值为1千赫兹)信号进行本发明实施例的等化增益导入，低频部分的增益误差504可能下降至0.1以下，但高频部分与现有技术的增益误差501差不多。若仅处理一个循环，其增益误差502在高频部分能再下降。若处理两个循环，则其增益误差503可能再更低。由此可知，无论是高频或低频部分，本发明实施例的调整方法都能改善增益误差，并使信号更接近目标值。

综上所述，本发明实施例等化处理的调整系统及其方法，量测各频带的中心频率的能量状态，依据音场的特性定义各频带适合的目标增益，并分别调整对应等化增益，使等化增益经滤波器的频率响应相乘后的振幅能趋近于目标增益(即，增益误差最小化)。藉此，可改善滤波处理对于低频部分的影响。

虽然本发明已以实施例揭示如上，然其并非用以限定本发明，任何所属技术领域中技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更改与润饰，故本发明的保护范围当视所附的权利要求所界定者为准。

Claims (11)

1.一种等化处理的调整系统，其中声音信号经滤波处理后决定所述声音信号在多个频带的对应目标增益，所述调整系统包括：

处理装置，加载并执行多个模块，所述多个模块包括：

目标增益决定模块，取得多个收音信号的多个频带能量，依据所述多个频带能量决定对应于多个频带的多个目标增益，其中所述多个频带能量分别对应于不同的所述多个频带；

频率响应决定模块，取得所述滤波处理对多个中心频率的频率响应；

等化增益决定模块，决定增益误差最小且对应于所述多个频带的多个等化增益，其中所述增益误差相关于所述多个等化增益反应于所述滤波处理对应的所述多个中心频率的频率响应后的振幅与所述多个目标增益之间的差异；以及

滤波处理模块，将所述多个等化增益依据对应的频带带入所述滤波处理

扬声装置，分别播放多个训练声音信号，其中每一所述训练声音信号对应的中心频率与其他所述多个训练声音信号不同，且所述多个训练声音信号对应的中心频率分别对应于不同的所述多个频带；以及

收音装置，反应于每一所述训练声音信号的播放而收音，以取得所述多个收音信号，其中

所述等化增益决定模块决定对应于每一所述频带的预估增益的初始值，计算每一所述频带的参考增益，依据每一所述频带的所述参考增益与对应所述预估增益决定每一所述频带的新预估增益，其中每一所述频带的所述新预估增益经带入所述滤波处理后与对应所述目标增益之间的所述增益误差最小。

2.根据权利要求1所述的等化处理的调整系统，其中所述等化增益决定模块依据所述频带的所述参考增益与对应所述预估增益决定至少一衍伸增益，并将每一所述衍伸增益带入所述滤波处理后判断其与对应所述目标增益之间的所述增益误差。

3.根据权利要求1所述的等化处理的调整系统，其中所述等化增益决定模块是自所述多个频带中的最低频带开始决定对应所述新预估增益。

4.根据权利要求1所述的等化处理的调整系统，其中反应于所有所述多个频带的所述新预估增益皆得出，所述等化增益决定模块依据所述多个频带的所述新预估增益决定第二新预估增益，并将所述多个频带的所述第二新预估增益作为所述多个等化增益，其中每一所述频带的所述第二新预估增益经带入所述滤波处理后与对应所述目标增益之间的所述增益误差最小。

5.根据权利要求1所述的等化处理的调整系统，其中所述等化增益决定模块仅决定所述多个频带中小于低频门坎值的部分频带的对应所述新预估增益。

6.一种等化处理的调整方法，其中声音信号经滤波处理后决定所述声音信号在多个频带的对应目标增益，所述调整方法包括：

取得多个收音信号的多个频带能量，其中所述多个频带能量分别对应于不同的多个频带；

依据所述多个频带能量决定对应于所述多个频带的多个目标增益；

取得所述滤波处理对多个中心频率的频率响应；

决定增益误差最小且对应于所述多个频带的多个等化增益，其中所述增益误差相关于所述多个等化增益反应于所述滤波处理对应的所述多个中心频率的频率响应后的振幅与所述多个目标增益之间的差异；以及

将所述多个等化增益依据对应的频带带入所述滤波处理，

其中决定所述增益误差最小且对应于所述多个频带的所述多个等化增益的步骤包括：

决定对应于每一所述频带的预估增益的初始值；

计算每一所述频带的参考增益；以及

依据每一所述频带的所述参考增益与对应所述预估增益决定所述频带的新预估增益，其中每一所述频带的新预估增益经带入所述滤波处理后与对应所述目标增益之间的所述增益误差最小。

7.根据权利要求6所述的等化处理的调整方法，另包括：

分别播放多个训练声音信号并进行收音以产生所述多个收音信号，其中所述多个训练声音信号对应的中心频率分别对应于不同的所述多个频带。

8.根据权利要求6所述的等化处理的调整方法，其中依据所述频带的所述参考增益与对应所述预估增益决定所述频带的新预估增益的步骤包括：

依据所述频带的所述参考增益与对应所述预估增益决定至少一衍伸增益；以及

将每一所述衍伸增益带入所述滤波处理后判断其与对应所述目标增益之间的所述增益误差。

9.根据权利要求6所述的等化处理的调整方法，还包括：

自所述多个频带中的最低频带开始决定对应所述新预估增益。

10.根据权利要求6所述的等化处理的调整方法，其中依据所述频带的所述参考增益与对应所述预估增益决定所述频带的新预估增益的步骤之后，还包括：

反应于所有所述多个频带的所述新预估增益皆得出，依据所述多个频带的所述新预估增益决定第二新预估增益；以及

将所述多个频带的所述第二新预估增益作为所述多个等化增益，其中每一所述频带的所述第二新预估增益经带入所述滤波处理后与对应所述目标增益之间的所述增益误差最小。

11.根据权利要求6所述的等化处理的调整方法，还包括：

仅决定所述多个频带中小于低频门坎值的部分频带的对应所述新预估增益。

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