CN114679658A - 一种音频装置的动态低音补偿系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种音频装置的动态低音补偿系统及方法，当音频数据流输入后，音量实时计算单元根据音频信号输入单元接收的音频数据流计算音频音量，再由EQ滤波器参数匹配单元根据计算得出的音频音量确定该音频数据流所属的音量等级组，再根据该音量等级组与EQ滤波器参数的对应关系，通过查表法匹配得到相应的EQ滤波器参数，最后利用均衡器根据EQ滤波器参数匹配单元的匹配结果更新EQ滤波器参数并对音频数据流进行调节。本发明根据音频数据流当前音量估计值动态更新EQ滤波器参数，最终实现低音量下对低频信号进行有效而稳定的补偿，进而在音量减小时，使音乐低频成分较好地得到补偿，令音频装置的音质圆润饱满，从而提升听感体验。

Description

一种音频装置的动态低音补偿系统及方法
技术领域
本发明涉及音频装置，尤其涉及一种音频装置的动态低音补偿系统及方法。
背景技术
低音成分是音乐表现力重要的成分，而音频装置需要丰富的低音来提升音乐品质。现有的音频装置在音量低于9格时，低频部分衰减严重。如果在音量低于9格时提升低音，那么在音量高于9格时低音过多。请参见图1，在目前的音频系统中，IIR EQ(均衡器)模块只使用一组EQ滤波器参数，而系统音量级有16个等级，这组EQ是声学基于第9级音量以上调试得到的最优频响曲线对应的EQ滤波器参数，所以对第9级以下音量，此组EQ滤波器并不能很好的还原音频最佳音质，由此可见，现有技术仅能保证音量大于9格时的低音效果，而音量低于9格的低音效果则比较差。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的不足，提供一种通过动态低音补偿方式实时调整均衡器，进而呈现丰富低频成分的音频装置动态低音补偿系统及方法。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案。
一种音频装置的动态低音补偿系统，其包括有：音频信号输入单元，用于接收音频数据流；音量实时计算单元，用于根据所述音频信号输入单元接收的音频数据流计算音频音量；EQ滤波器参数匹配单元，预设有多组EQ滤波器参数，多组EQ滤波器参数与多个音量等级组一一对应，所述EQ滤波器参数匹配单元用于根据所述音量实时计算单元计算得出的音频音量确定该音频数据流所属的音量等级组，再根据该音量等级组与所述EQ滤波器参数的对应关系匹配得到相应的EQ滤波器参数；均衡器，用于根据所述EQ滤波器参数匹配单元的匹配结果更新EQ滤波器参数并对音频数据流进行调节；音频信号输入单元，用于输出所述均衡器调节后的音频数据流。
优选地，每个音量等级组包括有多个音量等级。
优选地，所述音频信号输入单元包括有SBC解码器、AAC解码器、Apt-X解码器、LDAC解码器或LHDC解码器。
一种音频装置的动态低音补偿方法，该方法基于一系统实现，所述系统包括有音频信号输入单元、音量实时计算单元、EQ滤波器参数匹配单元、均衡器和所述音频信号输入单元，所述方法包括如下步骤：步骤S1，所述音频信号输入单元接收音频数据流；步骤S2，所述音量实时计算单元根据所述音频信号输入单元接收的音频数据流计算音频音量；步骤S3，所述EQ滤波器参数匹配单元预设有多组EQ滤波器参数，多组EQ滤波器参数与多个音量等级组一一对应，所述EQ滤波器参数匹配单元根据所述音量实时计算单元计算得出的音频音量确定该音频数据流所属的音量等级组，再根据该音量等级组与所述EQ滤波器参数的对应关系匹配得到相应的EQ滤波器参数；步骤S4，所述均衡器根据所述EQ滤波器参数匹配单元的匹配结果更新EQ滤波器参数并对音频数据流进行调节；步骤S5，所述音频信号输入单元输出所述均衡器调节后的音频数据流。
优选地，所述步骤S2中，基于A计权算法计算得出用于表征音频音量的dBA值。
优选地，所述步骤S3中，每个音量等级组包括有多个音量等级。
优选地，所述步骤S3中，采用迟滞算法计算音频数据流的音量等级：每间隔预设时长取一帧数据进行dbA值计算并换算为音量等级L，计算1s内的平均音量等级LA和最大音量等级LM，因音频信号非稳定信号，且LM比LA稳定，所以取αLM作为当前的音量等级，其中的α取1.3。
优选地，所述步骤S3中，每100ms取一帧数据进行dbA值计算。
优选地，所述步骤S3中，由多组EQ滤波器参数和多个音量等级组形成EQ滤波器参数表。
优选地，所述步骤S3中，所述EQ滤波器参数匹配单元通过对所述EQ滤波器参数表进行查表，进而确定音频数据流所属的音量等级组。
本发明公开的音频装置的动态低音补偿系统及方法中，当音频数据流输入后，所述音量实时计算单元根据所述音频信号输入单元接收的音频数据流计算音频音量，再由所述EQ滤波器参数匹配单元根据计算得出的音频音量确定该音频数据流所属的音量等级组，再根据该音量等级组与所述EQ滤波器参数的对应关系，通过查表法匹配得到相应的EQ滤波器参数，最后利用所述均衡器根据所述EQ滤波器参数匹配单元的匹配结果更新EQ滤波器参数并对音频数据流进行调节。相比现有技术而言，本发明根据音频数据流当前音量估计值动态更新EQ滤波器参数，最终实现低音量下对低频信号进行有效而稳定的补偿，进而在音量减小时，使音乐低频成分较好地得到补偿，令音频装置的音质圆润饱满，从而提升听感体验。
附图说明
图1为现有技术中音频系统的音频流处理流程图；
图2为等响度曲线示意图；
图3为本发明动态低音补偿系统的组成框图；
图4为本发明动态低音补偿方法的流程图；
图5为本发明优选实施例中音频流处理流程图；
图6为A计权算法示意图；
图7为A计权网络的频域曲线图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作更加详细的描述。
本发明公开了一种音频装置的动态低音补偿系统，请参见图3，其包括有：
音频信号输入单元1，用于接收音频数据流；
音量实时计算单元2，用于根据所述音频信号输入单元1接收的音频数据流计算音频音量；
EQ滤波器参数匹配单元3，预设有多组EQ滤波器参数，多组EQ滤波器参数与多个音量等级组一一对应，所述EQ滤波器参数匹配单元3用于根据所述音量实时计算单元2计算得出的音频音量确定该音频数据流所属的音量等级组，再根据该音量等级组与所述EQ滤波器参数的对应关系匹配得到相应的EQ滤波器参数；
均衡器4，用于根据所述EQ滤波器参数匹配单元3的匹配结果更新EQ滤波器参数并对音频数据流进行调节；
音频信号输入单元5，用于输出所述均衡器4调节后的音频数据流。
上述系统中，当音频数据流输入后，所述音量实时计算单元2根据所述音频信号输入单元1接收的音频数据流计算音频音量，再由所述EQ滤波器参数匹配单元3根据计算得出的音频音量确定该音频数据流所属的音量等级组，再根据该音量等级组与所述EQ滤波器参数的对应关系，通过查表法匹配得到相应的EQ滤波器参数，最后利用所述均衡器4根据所述EQ滤波器参数匹配单元3的匹配结果更新EQ滤波器参数并对音频数据流进行调节。相比现有技术而言，本发明根据音频数据流当前音量估计值动态更新EQ滤波器参数，最终实现低音量下对低频信号进行有效而稳定的补偿，进而在音量减小时，使音乐低频成分较好地得到补偿，令音频装置的音质圆润饱满，从而提升听感体验。
关于本发明的实现原理，由于人耳对音频信号中的低频部分敏感度低，从图2中的等响度曲线可以看出，当频率在1KHz响度级为60Phon的时候，对应音频信号声压级为60dB，而要在100Hz的频率上保持60Phon的响度级，声压级要达到80dB左右，而随着响度级的下降，图中低频部分曲线变陡峭，同时也表明人耳对低频部分的感知随着响度级的降低而降低。在音频装置系统当中，当音频音量调小的时候，响度级降低，人耳对低频的感知能力下降严重，此时要对低频部分适当进行补偿，还原音频的低频部分，使得低音量播放的音频同样具有好的圆润饱满的音质。
具体地，每个音量等级组包括有多个音量等级，在此基础上，本发明通过对输入音频数据流的音量进行实时计算，得到当前音频流的音量，并设置与之对应的音频均衡器，音频流经过均衡器处理后输出到DAC，使音频均衡器与音量等级一一对应，即音量低于9格时低频成分得到增强。
作为一种优选方式，所述音频信号输入单元1包括有SBC解码器、AAC解码器、Apt-X解码器、LDAC解码器或LHDC解码器。
为了更好地描述本发明的技术方案，本发明还公开了一种音频装置的动态低音补偿方法，结合图3、图4和图5所示，该方法基于一系统实现，所述系统包括有音频信号输入单元1、音量实时计算单元2、EQ滤波器参数匹配单元3、均衡器4和所述音频信号输入单元5，所述方法包括如下步骤：
步骤S1，所述音频信号输入单元1接收音频数据流；
步骤S2，所述音量实时计算单元2根据所述音频信号输入单元1接收的音频数据流计算音频音量；
步骤S3，所述EQ滤波器参数匹配单元3预设有多组EQ滤波器参数，多组EQ滤波器参数与多个音量等级组一一对应，所述EQ滤波器参数匹配单元3根据所述音量实时计算单元2计算得出的音频音量确定该音频数据流所属的音量等级组，再根据该音量等级组与所述EQ滤波器参数的对应关系匹配得到相应的EQ滤波器参数；
步骤S4，所述均衡器4根据所述EQ滤波器参数匹配单元3的匹配结果更新EQ滤波器参数并对音频数据流进行调节；
步骤S5，所述音频信号输入单元5输出所述均衡器4调节后的音频数据流。
其中，本实施例中音频装置的音频流依次为：手机、蓝牙、DSP音频处理、DAC输出、功放放大、喇叭。对于DSP音频处理部分，处理步骤依次为：输入音频数据、计算当前音频流的音量、根据当前音量查找对应的均衡器参数、设置当前的均衡器参数、输出处理后的音频数据。
具体地，计算音频流音量过程基于声压级公式实现，音量等级匹配主要采用查表法，最后根据匹配结果更新系统均衡器的参数。
本实施例的所述步骤S3中，每个音量等级组包括有多个音量等级。进一步地，所述步骤S3中，由多组EQ滤波器参数和多个音量等级组形成EQ滤波器参数表。具体需要把16个等级的音量划分为若干组，而每一组音量对应一组最优的EQ滤波器参数，请参见下表：
Figure BDA0003561064020000061
Figure BDA0003561064020000071
基于上表，在所述步骤S3中，所述EQ滤波器参数匹配单元3通过对所述EQ滤波器参数表进行查表，进而确定音频数据流所属的音量等级组。
关于音量的计算，在目前的手机、电脑中，并不是所有这些设备都支持和耳机之间的音量等级同步，所以本实施例优选采用对音频波形进行A计权计算，并对应到系统的音量等级，从而选取合适的EQ滤波器组。
具体地，本实施例的所述步骤S2中，请参见图6，基于A计权算法计算得出用于表征音频音量的dBA值。
其中，A计权(A-Weighted)是一种用于音频测量的标准权重曲线，用于反映人耳的响应特性。声压电平源于A计权，用dbA表示。A计权被广泛应用于噪声和稳定音频信号的测量，其频域曲线如图7所示，从图中可以看出，使用A计权进行音频测量时，对低频的权重会低于中高频。由于A计权对描述人耳听力相对于真实声学的频率响应最有意义，所以应用最为广泛。
根据国家标准GB/T 3785.1-2010，获得A计权模拟系统的传递函数：
Figure BDA0003561064020000072
其中：
Ω1＝2πf1,Ω2＝2πf2,Ω3＝2πf3,Ω4＝2πf4,A1000＝1.9997；
f1＝20.60Hz,f2＝107.7Hz,f3＝737.9Hz,f4＝12194Hz。
使用MATLAB将上述A计权模拟系统的传递函数使用双线性变换法转换为数字滤波器，并获得滤波器系数h(n)。
如图6所示，假设输入音频数据为x(n)，则经过A计权网络后，输出为y(n)。对A计权网络处理后的y(n)数据进行声压级计算，则可以获得当前音频的dbA值。
进一步地，声压级计算公式为：
Figure BDA0003561064020000081
其中，
Figure BDA0003561064020000082
使用1kHz信号对耳机系统进行测试，并获得dBA值和音量等级的关系，如下表：
音量等级 A计权声压级dbA 音量等级 A计权声压级dbA
1 16 9 55
2 22 10 59
3 28 11 63
4 33 12 67
5 38 13 70
6 43 14 73
7 47 15 76
8 51 16 79
作为一种优选方式，由于音频信号并非稳定信号，为了减少判断系统音量等级的波动，引入迟滞算法。
Figure BDA0003561064020000083
Figure BDA0003561064020000091
对此，在本实施例的所述步骤S3中，采用迟滞算法计算音频数据流的音量等级：每间隔预设时长取一帧数据进行dbA值计算并换算为音量等级L，计算1s内的平均音量等级LA和最大音量等级LM，因音频信号非稳定信号，且LM比LA稳定，所以取αLM作为当前的音量等级，其中的α取1.3。具体地，所述步骤S3中，每100ms取一帧数据进行dbA值计算。
本发明公开的音频装置的动态低音补偿系统及方法，在已有音频播放流程中，加入系统音量估计模块和EQ参数更新功能，在系统音量估计过程中，对音频信号进行A计权计算并获得dBA，并将dbA映射成系统音量等级。在EQ参数更新过程中，根据系统音量估计模块获得的新系统音量等级，结合当前的系统音量等级，根据查表获得对应的EQ滤波器组参数，并设置到底层，让系统在IIREQ模块中使用新的IIR EQ滤波器参数对音频数据进行处理，从而实现根据音频当前音量估计动态的更新EQ滤波器参数，最终实现低音量下对低频信号的有效而稳定的补偿。经过实际测试，经过本发明处理后的音频流数据能呈现如下声音效果：当音量减小时，音乐的低频能够较好的得到补偿，音质圆润饱满，听感较原来有较大进步，用户能明显地感觉到音频品质的提升，较好地满足了用户需要和市场需求。
以上所述只是本发明较佳的实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的技术范围内所做的修改、等同替换或者改进等，均应包含在本发明所保护的范围内。

Claims (10)

1.一种音频装置的动态低音补偿系统，其特征在于，包括有：
音频信号输入单元(1)，用于接收音频数据流；
音量实时计算单元(2)，用于根据所述音频信号输入单元(1)接收的音频数据流计算音频音量；
EQ滤波器参数匹配单元(3)，预设有多组EQ滤波器参数，多组EQ滤波器参数与多个音量等级组一一对应，所述EQ滤波器参数匹配单元(3)用于根据所述音量实时计算单元(2)计算得出的音频音量确定该音频数据流所属的音量等级组，再根据该音量等级组与所述EQ滤波器参数的对应关系匹配得到相应的EQ滤波器参数；
均衡器(4)，用于根据所述EQ滤波器参数匹配单元(3)的匹配结果更新EQ滤波器参数并对音频数据流进行调节；
音频信号输入单元(5)，用于输出所述均衡器(4)调节后的音频数据流。
2.如权利要求1所述的音频装置的动态低音补偿系统，其特征在于，每个音量等级组包括有多个音量等级。
3.如权利要求1所述的音频装置的动态低音补偿系统，其特征在于，所述音频信号输入单元(1)包括有SBC解码器、AAC解码器、Apt-X解码器、LDAC解码器或LHDC解码器。
4.一种音频装置的动态低音补偿方法，其特征在于，该方法基于一系统实现，所述系统包括有音频信号输入单元(1)、音量实时计算单元(2)、EQ滤波器参数匹配单元(3)、均衡器(4)和所述音频信号输入单元(5)，所述方法包括如下步骤：
步骤S1，所述音频信号输入单元(1)接收音频数据流；
步骤S2，所述音量实时计算单元(2)根据所述音频信号输入单元(1)接收的音频数据流计算音频音量；
步骤S3，所述EQ滤波器参数匹配单元(3)预设有多组EQ滤波器参数，多组EQ滤波器参数与多个音量等级组一一对应，所述EQ滤波器参数匹配单元(3)根据所述音量实时计算单元(2)计算得出的音频音量确定该音频数据流所属的音量等级组，再根据该音量等级组与所述EQ滤波器参数的对应关系匹配得到相应的EQ滤波器参数；
步骤S4，所述均衡器(4)根据所述EQ滤波器参数匹配单元(3)的匹配结果更新EQ滤波器参数并对音频数据流进行调节；
步骤S5，所述音频信号输入单元(5)输出所述均衡器(4)调节后的音频数据流。
5.如权利要求4所述的音频装置的动态低音补偿方法，其特征在于，所述步骤S2中，基于A计权算法计算得出用于表征音频音量的dBA值。
6.如权利要求4所述的音频装置的动态低音补偿方法，其特征在于，所述步骤S3中，每个音量等级组包括有多个音量等级。
7.如权利要求6所述的音频装置的动态低音补偿方法，其特征在于，所述步骤S3中，采用迟滞算法计算音频数据流的音量等级：每间隔预设时长取一帧数据进行dbA值计算并换算为音量等级L，计算1s内的平均音量等级LA和最大音量等级LM，因音频信号非稳定信号，且LM比LA稳定，所以取αLM作为当前的音量等级，其中的α取1.3。
8.如权利要求7所述的音频装置的动态低音补偿方法，其特征在于，所述步骤S3中，每100ms取一帧数据进行dbA值计算。
9.如权利要求4所述的音频装置的动态低音补偿方法，其特征在于，所述步骤S3中，由多组EQ滤波器参数和多个音量等级组形成EQ滤波器参数表。
10.如权利要求9所述的音频装置的动态低音补偿方法，其特征在于，所述步骤S3中，所述EQ滤波器参数匹配单元(3)通过对所述EQ滤波器参数表进行查表，进而确定音频数据流所属的音量等级组。
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