CN116346061A - 基于峰值和有效值双值检测的动态范围控制方法和电路 - Google Patents

基于峰值和有效值双值检测的动态范围控制方法和电路 Download PDF

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CN116346061A CN202310605845.2A CN202310605845A CN116346061A CN 116346061 A CN116346061 A CN 116346061A CN 202310605845 A CN202310605845 A CN 202310605845A CN 116346061 A CN116346061 A CN 116346061A
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Abstract

本申请涉及音频信号处理技术领域的一种基于峰值和有效值双值检测的动态范围控制方法和电路，所述方法包括：将输入的音频数字信号采用均衡器进行处理，得到均衡信号；对均衡信号进行信号峰值和信号有效值检测，得到信号峰值和信号有效值；根据信号峰值和信号有效值调整动态范围控制器的参数配置；根据参数配置对动态范围控制器进行动态增益调整，并采用调整的增益对均衡信号进行调整输出。本方法既能改善信号的削波程度又能对信号的动态范围进行控制。

Description

基于峰值和有效值双值检测的动态范围控制方法和电路
技术领域
本申请涉及音频信号处理技术领域，特别是涉及一种基于峰值和有效值双值检测的动态范围控制方法和电路。
背景技术
目前扬声器产品，由于结构尺寸、成本、便携度等限制，低频的重放能力有限。对于用数字链路重放的产品，通常会通过数字均衡器来增强弥补。对于大信号输入，这往往会引起数字溢出导致削波。削波信号，对于扬声器来说，是直流信号，不仅导致影响重放音质，还可能会损坏扬声器。
动态范围控制（Dynamic Range Control，DRC）将输入音频信号的动态范围映射到指定的动态范围，可以使声音听起来更柔和或更大声，即一种信号幅度调节方式。通常映射后的动态范围小于映射前的动态范围，因此称之为动态范围压缩。目前常用的动态范围控制器，有峰值检测处理和有效值检测处理两种。峰值动态范围控制器，输入信号幅值的绝对值超过设定的阈值，则会启动对输入信号进行压缩处理，容易出现信号忽大忽小的现象。有效值动态范围控制器，需要一个输入信号有效值的检测过程，当输入信号的有效值超过设定的阈值，才会启动对输入信号进行压缩处理。对于经过前面均衡器增强处理引起的削波信号，动态范围控制器来不及启动就输出给到后级。因此，需要一种改进的动态范围控制算法来克服现有算法的局限性。
发明内容
基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种基于峰值和有效值双值检测的动态范围控制方法和电路。
一种基于峰值和有效值双值检测的动态范围控制方法，所述方法包括：
将输入的音频数字信号采用均衡器进行处理，得到均衡信号。
对所述均衡信号进行信号峰值和信号有效值检测，得到信号峰值和信号有效值。
根据所述信号峰值和加权处理后的信号有效值调整动态范围控制器的参数配置。
根据所述参数配置对所述动态范围控制器进行动态增益调整，并采用调整的增益对所述均衡信号进行调整输出。
在其中一个实施例中，对所述均衡信号进行信号峰值和信号有效值检测，得到信号峰值和信号有效值，包括：
对每帧均衡信号进行峰值检测，得到信号峰值为：
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在其中一个实施例中，根据所述信号峰值和所述加权处理后的信号有效值调整动态范围控制器的参数配置，包括：
设置所述信号对数有效值的权重系数，并根据所述权重系数对所述信号对数有效值进行加权处理，得到权处理后的信号对数有效值为：
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设置两组参数配置；所述参数配置包括启动时间、释放时间和阈值。
将所述信号对数峰值和加权处理后的信号对数有效值进行比较，得到比较结果。
当比较结果为所述信号对数峰值大于加权处理后的信号对数有效值时，则将动态范围控制器的参数设置为第一组参数配置。
当比较结果为所述信号对数峰值不大于加权处理后的信号对数有效值时，则将动态范围控制器的参数设置为第二组参数配置。
在其中一个实施例中，根据所述参数配置对所述动态范围控制器进行动态增益调整，并采用调整的增益对所述均衡信号进行调整输出，包括：
当所述动态范围控制器的参数为第一组参数配置时，根据所述参数配置对所述动态范围控制器进行动态增益调整，得到动态范围控制器的动态增益为：
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采用所述动态范围控制器根据所述动态增益对所述均衡信号进行调整输出。
在其中一个实施例中，采用所述动态范围控制器根据所述动态增益对所述均衡信号进行调整输出，包括：
对所有帧的所述动态增益进行加权处理，所述动态范围控制器根据加权处理后的动态增益对所述均衡信号进行调整输出。
一种基于峰值和有效值双值检测的动态范围控制电路，所述电路包括：均衡器、峰值检测模块、有效值检测模块、动态范围控制器、参数配置模块。
所述均衡器，用于实时处理输入的音频数字信号，得到均衡信号，并输出所述均衡信号至所述峰值检测模块、所述有效值检测模块以及动态范围控制器。
所述峰值检测模块，用于接收所述均衡信号，并持续检测每帧所述均衡信号的峰值，得到信号峰值，并将所述信号峰值传输至所述参数配置模块中。
所述有效值检测模块，用于接收所述均衡信号，设置能量检测时间，并根据所述能量检测时间和输入信号的采样频率，计算所述均衡信号的信号有效值，得到信号有效值，并将所述信号有效值传输至所述参数配置模块中。
所述参数配置模块，用于根据接收的所述信号峰值和所述信号有效值，调整动态范围控制器的配置参数，并赋值给所述动态范围控制器。
所述动态范围控制器，包括动态范围控制模块，所述动态范围控制模块，用于根据赋予的配置参数对所述均衡信号进行处理并输出。
在其中一个实施例中，所述参数配置模块包括：增益模块、比较器以及设置模块。
所述增益模块，用于对接收的所述信号有效值进行加权处理，并将加权处理后的信号有效值输出至所述比较器。
所述比较器，用于对接收的所述信号峰值和加权处理后的信号有效值进行比较，得到比较结果，并将所述比较结果传输至所述设置模块。
所述设置模块，用于设置两组参数配置，当所述比较结果为所述信号峰值大于加权处理后的信号有效值时，则将动态范围控制器的参数设置为第一组参数配置；当比较结果为所述信号峰值不大于加权处理后的信号有效值时，则将动态范围控制器的参数设置为第二组参数配置；所述参数配置包括启动时间、释放时间和阈值。
在其中一个实施例中，所述设置模块，还用于当所述动态范围控制器的参数为第一组参数配置时，根据所述参数配置对所述动态范围控制器进行动态增益调整，得到动态范围控制器的动态增益为：
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采用所述动态范围控制器根据所述动态增益对所述均衡信号进行调整输出。
在其中一个实施例中，所述动态范围控制器还包括增益加权处理模块。
所述增益加权处理模块，用于对所述动态增益进行加权处理，并将加权处理后的动态增益传输至所述动态范围控制模块。
在其中一个实施例中，所述有效值检测模块检测得到的信号有效值为：
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上述基于峰值和有效值双值检测的动态范围控制方法和电路，所述方法包括：将输入的音频数字信号采用均衡器进行处理，得到均衡信号；对均衡信号进行信号峰值和信号有效值检测，得到信号峰值和信号有效值；根据信号峰值和信号有效值调整动态范围控制器的参数配置；根据参数配置对动态范围控制器进行动态增益调整，并采用调整的增益对均衡信号进行调整输出。本方法既能改善信号的削波程度又能对信号的动态范围进行控制。
附图说明
图1为一个实施例中基于峰值和有效值双值检测的动态范围控制方法的流程示意图；
图2为一个实施例中基于峰值和有效值双值检测的动态范围控制结构框图；
图3为一个实施例中基于峰值和有效值双值检测的动态范围控制结构框图。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
在一个实施例中，如图1所示，提供了一种基于峰值和有效值双值检测的动态范围控制方法，该方法包括以下步骤：
步骤100：将输入的音频数字信号采用均衡器进行处理，得到均衡信号。
步骤102：对均衡信号进行信号峰值和信号有效值检测，得到信号峰值和信号有效值。
步骤104：根据信号峰值和加权处理后的信号有效值调整动态范围控制器的参数配置。
步骤106：根据参数配置对动态范围控制器进行动态增益调整，并采用调整的增益对均衡信号进行调整输出。
上述基于峰值和有效值双值检测的动态范围控制方法中，所述方法包括：将输入的音频数字信号采用均衡器进行处理，得到均衡信号；对均衡信号进行信号峰值和信号有效值检测，得到信号峰值和信号有效值；根据信号峰值和信号有效值调整动态范围控制器的参数配置；根据参数配置对动态范围控制器进行动态增益调整，并采用调整的增益对均衡信号进行调整输出。本方法既能改善信号的削波程度又能对信号的动态范围进行控制。
在其中一个实施例中，步骤102包括：对每帧均衡信号进行峰值检测，得到信号峰值为：
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在其中一个实施例中，步骤104包括：设置信号对数有效值的权重系数，并根据权重系数对信号对数有效值进行加权处理，得到权处理后的信号对数有效值为：
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为权重系数；设置两组参数配置；参数配置包括启动时间、释放时间和阈值；将信号对数峰值和加权处理后的信号对数有效值进行比较，得到比较结果；比较结果为信号对数峰值大于加权处理后的信号对数有效值时，则将动态范围控制器的参数设置为第一组参数配置；当比较结果为信号对数峰值不大于加权处理后的信号对数有效值时，则将动态范围控制器的参数设置为第二组参数配置。
在其中一个实施例中，步骤106包括：当动态范围控制器的参数为第一组参数配置时，根据参数配置对动态范围控制器进行动态增益调整，得到动态范围控制器的动态增益为：
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采用动态范围控制器根据动态增益对均衡信号进行调整输出。
在其中一个实施例中，采用动态范围控制器根据动态增益对均衡信号进行调整，包括：对所有帧的动态增益进行加权处理，动态范围控制器根据加权处理后的动态增益对均衡信号进行调整输出。
应该理解的是，虽然图1的流程图中的各个步骤按照箭头的指示依次显示，但是这些步骤并不是必然按照箭头指示的顺序依次执行。除非本文中有明确的说明，这些步骤的执行并没有严格的顺序限制，这些步骤可以以其它的顺序执行。而且，图1中的至少一部分步骤可以包括多个子步骤或者多个阶段，这些子步骤或者阶段并不必然是在同一时刻执行完成，而是可以在不同的时刻执行，这些子步骤或者阶段的执行顺序也不必然是依次进行，而是可以与其它步骤或者其它步骤的子步骤或者阶段的至少一部分轮流或者交替地执行。
在一个实施例中，如图2所示，提供了一种基于峰值和有效值双值检测的动态范围控制电路，电路包括：均衡器10、峰值检测模块20、有效值检测模块30、动态范围控制器50、参数配置模块40。
均衡器10，用于实时处理输入的音频数字信号，得到均衡信号，并输出均衡信号至峰值检测模块20、有效值检测模块30以及动态范围控制器50。由于扬声器系统低频截止频率高，为了在小音量下获得比较好的低频听感，往往在均衡器模块会把低频段信号的增益放大。当信号在大音量下输入到均衡器模块进行增益放大处理后，往往会因为信号溢出而产生削波。输入的音频数字信号
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峰值检测模块20，用于接收均衡信号，并持续检测每帧均衡信号的峰值，得到信号峰值，并将信号峰值传输至参数配置模块40中。峰值检测模块20，持续对每帧均衡信号的值
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（单位V）求绝对值并将单位V转为dBV，当前帧的信号对数峰值/>
Figure SMS_138
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有效值检测模块30，用于接收均衡信号，设置能量检测时间，并根据能量检测时间和输入信号的采样频率，计算均衡信号的信号有效值，得到信号有效值，并将信号有效值传输至参数配置模块40中。
参数配置模块40，用于根据接收的信号峰值和信号有效值，调整动态范围控制器的配置参数，并赋值给动态范围控制器50。根据所述信号峰值和所述加权处理后的信号有效值调整动态范围控制器的参数配置，还可以包括只用一组参数配置或者使用多组参数配置。
动态范围控制器50包括动态范围控制模块，所述动态范围控制模块，用于根据赋予的配置参数对均衡信号进行处理并输出。所述动态范围控制器，包括三个输入参数：启动时间（attackTime）、释放时间（releaseTime）和阈值（threshold）。
在其中一个实施例中，如图3所示，参数配置模块包括：增益模块、比较器以及设置模块。
增益模块，用于对接收的信号有效值进行加权处理，并将加权处理后的信号有效值输出至比较器。具体的，增益模块用来对有效值检测模块所计算的信号有效值进行放大或者缩小，加权处理后的信号对数有效值为：
Figure SMS_139
，其中/>
Figure SMS_140
为一实数常数，用户可以根据实际需要进行设置。
比较器，用于对接收的信号峰值和加权处理后的信号有效值进行比较，得到比较结果，并将比较结果传输至设置模块。
设置模块，用于设置两组参数配置，当比较结果为信号峰值大于加权处理后的信号有效值时，则将动态范围控制器的参数设置为第一组参数配置；当比较结果为信号峰值不大于加权处理后的信号有效值时，则将动态范围控制器的参数设置为第二组参数配置；参数配置包括启动时间、释放时间和阈值。
具体的，第一组参数配置为参数配置C，包括启动时间attackTime1、释放时间releaseTime1和阈threshold1。第二组参数配置为所述参数配置D，包括启动时间attackTime2、释放时间releaseTime2和阈值threshold2。用户可自行设置所述参数的值。
在其中一个实施例中，设置模块，还用于当动态范围控制器的参数为第一组参数配置时，根据参数配置对动态范围控制器进行动态增益调整，得到动态范围控制器的动态增益为：
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；
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；
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为DRC启动时间系数。
当动态范围控制器的参数为第二组参数配置时，根据参数配置对动态范围控制器进行动态增益调整，得到动态范围控制器的动态增益为：
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；
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为DRC启动时间系数。
采用动态范围控制器根据动态增益对均衡信号进行调整输出。
在其中一个实施例中，动态范围控制器还包括增益加权处理模块；增益加权处理模块，用于对动态增益进行加权处理，并将加权处理后的动态增益传输至动态范围控制模块。
具体的，动态范围控制器，还可以通过增益加权处理模块对动态增益
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在其中一个实施例中，有效值检测模块检测得到的信号有效值为：
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；
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；
其中，
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Figure SMS_192
为能量检测时间系数。
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种基于峰值和有效值双值检测的动态范围控制方法，其特征在于，所述方法包括：
将输入的音频数字信号采用均衡器进行处理，得到均衡信号；
对所述均衡信号进行信号峰值和信号有效值检测，得到信号峰值和信号有效值；
根据所述信号峰值和加权处理后的信号有效值调整动态范围控制器的参数配置；
根据所述参数配置对所述动态范围控制器进行动态增益调整，并采用调整的增益对所述均衡信号进行调整输出。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，对所述均衡信号进行信号峰值和信号有效值检测，得到信号峰值和信号有效值，包括：
对每帧均衡信号进行峰值检测，得到信号峰值为：
Figure QLYQS_1
；
其中，
Figure QLYQS_2
为当前帧的信号对数峰值，单位dBV，/>
Figure QLYQS_3
为均衡信号；
设置能量检测时间，并根据所述能量检测时间和输入信号的采样频率，计算所述均衡信号的信号有效值；所述信号有效值为：
Figure QLYQS_4
；
Figure QLYQS_5
；
Figure QLYQS_6
；
其中，
Figure QLYQS_7
为当前帧的信号有效值，n为信号帧的序号，/>
Figure QLYQS_8
为前一帧的信号有效值，/>
Figure QLYQS_9
为能量检测时间，/>
Figure QLYQS_10
为输入信号的采样频率，/>
Figure QLYQS_11
为当前帧的信号对数有效值，单位dBV，/>
Figure QLYQS_12
为能量检测时间系数。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，根据所述信号峰值和所述加权处理后的信号有效值调整动态范围控制器的参数配置，包括：
设置所述信号对数有效值的权重系数，并根据所述权重系数对所述信号对数有效值进行加权处理，得到权处理后的信号对数有效值为；
Figure QLYQS_13
；
其中，
Figure QLYQS_14
为当前帧加权处理后的信号对数有效值，单位dBV，/>
Figure QLYQS_15
为当前帧的信号对数有效值，单位dBV，/>
Figure QLYQS_16
为权重系数；
设置两组参数配置；所述参数配置包括启动时间、释放时间和阈值；
将所述信号对数峰值和加权处理后的信号对数有效值进行比较，得到比较结果；
当比较结果为所述信号对数峰值大于加权处理后的信号对数有效值时，则将动态范围控制器的参数设置为第一组参数配置；
当比较结果为所述信号对数峰值不大于加权处理后的信号对数有效值时，则将动态范围控制器的参数设置为第二组参数配置。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，根据所述参数配置对所述动态范围控制器进行动态增益调整，并采用调整的增益对所述均衡信号进行调整输出，包括：
当所述动态范围控制器的参数为第一组参数配置时，根据所述参数配置对所述动态范围控制器进行动态增益调整，得到动态范围控制器的动态增益为：
Figure QLYQS_17
；
Figure QLYQS_18
；
Figure QLYQS_19
；
其中，
Figure QLYQS_21
为当前帧的动态增益，/>
Figure QLYQS_25
为前一帧的动态增益，/>
Figure QLYQS_29
、
Figure QLYQS_22
和/>
Figure QLYQS_26
分别为第一组参数配置的启动时间、释放时间以及阈值，/>
Figure QLYQS_30
为当前帧的信号对数峰值，/>
Figure QLYQS_32
为中间变量，/>
Figure QLYQS_23
等于当前帧的信号对数峰值/>
Figure QLYQS_28
与DRC阈值threshold1中的较小值减去当前帧的信号对数峰值/>
Figure QLYQS_31
，单位dBV，
Figure QLYQS_33
时，/>
Figure QLYQS_20
为DRC释放时间系数；/>
Figure QLYQS_24
时，/>
Figure QLYQS_27
为DRC启动时间系数；
当所述动态范围控制器的参数为第二组参数配置时，根据所述参数配置对所述动态范围控制器进行动态增益调整，得到动态范围控制器的动态增益为：
Figure QLYQS_34
；
Figure QLYQS_35
；
Figure QLYQS_36
；
其中，
Figure QLYQS_38
、/>
Figure QLYQS_41
和/>
Figure QLYQS_45
分别为第二组参数配置的启动时间、释放时间以及阈值；/>
Figure QLYQS_39
为当前帧加权处理后的信号对数有效值，/>
Figure QLYQS_42
为一中间变量，/>
Figure QLYQS_46
等于当前帧加权处理后的信号对数有效值/>
Figure QLYQS_48
与DRC阈值/>
Figure QLYQS_37
中的较小值减去当前帧加权处理后的信号对数有效值/>
Figure QLYQS_43
；当/>
Figure QLYQS_47
时，/>
Figure QLYQS_49
为DRC释放时间系数；/>
Figure QLYQS_40
时，/>
Figure QLYQS_44
为DRC启动时间系数；
采用所述动态范围控制器根据所述动态增益对所述均衡信号进行调整输出。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，采用所述动态范围控制器根据所述动态增益对所述均衡信号进行调整输出，包括：
对所有帧的所述动态增益进行加权处理，所述动态范围控制器根据加权处理后的动态增益对所述均衡信号进行调整输出。
6.一种基于峰值和有效值双值检测的动态范围控制电路，其特征在于，所述电路包括：均衡器、峰值检测模块、有效值检测模块、动态范围控制器、参数配置模块；
所述均衡器，用于实时处理输入的音频数字信号，得到均衡信号，并输出所述均衡信号至所述峰值检测模块、所述有效值检测模块以及动态范围控制器；
所述峰值检测模块，用于接收所述均衡信号，并持续检测每帧所述均衡信号的峰值，得到信号峰值，并将所述信号峰值传输至所述参数配置模块中；
所述有效值检测模块，用于接收所述均衡信号，设置能量检测时间，并根据所述能量检测时间和输入信号的采样频率，计算所述均衡信号的信号有效值，得到信号有效值，并将所述信号有效值传输至所述参数配置模块中；
所述参数配置模块，用于根据接收的所述信号峰值和所述信号有效值，调整动态范围控制器的配置参数，并赋值给所述动态范围控制器；
所述动态范围控制器，包括动态范围控制模块，所述动态范围控制模块，用于根据赋予的配置参数对所述均衡信号进行处理并输出。
7.根据权利要求6所述的电路，其特征在于，所述参数配置模块包括：增益模块、比较器以及设置模块；
所述增益模块，用于对接收的所述信号有效值进行加权处理，并将加权处理后的信号有效值输出至所述比较器；
所述比较器，用于对接收的所述信号峰值和加权处理后的信号有效值进行比较，得到比较结果，并将所述比较结果传输至所述设置模块；
所述设置模块，用于设置两组参数配置，当所述比较结果为所述信号峰值大于加权处理后的信号有效值时，则将动态范围控制器的参数设置为第一组参数配置；当比较结果为所述信号峰值不大于加权处理后的信号有效值时，则将动态范围控制器的参数设置为第二组参数配置；所述参数配置包括启动时间、释放时间和阈值。
8.根据权利要求7所述的电路，其特征在于，所述设置模块，还用于当所述动态范围控制器的参数为第一组参数配置时，根据所述参数配置对所述动态范围控制器进行动态增益调整，得到动态范围控制器的动态增益为：
Figure QLYQS_50
；
Figure QLYQS_51
；
Figure QLYQS_52
；
其中，
Figure QLYQS_53
为当前帧的动态增益，/>
Figure QLYQS_56
为前一帧的动态增益，/>
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、
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和/>
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分别为第一组参数配置的启动时间、释放时间以及阈值，
Figure QLYQS_60
为中间变量，/>
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为当前帧的信号对数峰值，/>
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时，/>
Figure QLYQS_58
为DRC释放时间系数；/>
Figure QLYQS_61
时，/>
Figure QLYQS_63
为DRC启动时间系数；
当所述动态范围控制器的参数为第二组参数配置时，根据所述参数配置对所述动态范围控制器进行动态增益调整，得到动态范围控制器的动态增益为：
Figure QLYQS_64
；
Figure QLYQS_65
；
Figure QLYQS_66
；
其中，
Figure QLYQS_68
、/>
Figure QLYQS_71
和/>
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分别为第二组参数配置的启动时间、释放时间以及阈值，/>
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为当前帧加权处理后的信号对数有效值，/>
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为一中间变量，当/>
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时，/>
Figure QLYQS_75
为DRC释放时间系数；/>
Figure QLYQS_67
时，/>
Figure QLYQS_70
为DRC启动时间系数；
采用所述动态范围控制器根据所述动态增益对所述均衡信号进行调整输出。
9.根据权利要求8所述的电路，其特征在于，所述动态范围控制器还包括增益加权处理模块；
所述增益加权处理模块，用于对所述动态增益进行加权处理，并将加权处理后的动态增益传输至所述动态范围控制模块。
10.根据权利要求6所述的电路，其特征在于，所述有效值检测模块检测得到的信号有效值为：
Figure QLYQS_76
；
Figure QLYQS_77
；
Figure QLYQS_78
；
其中，
Figure QLYQS_79
为当前帧的信号有效值，n为信号帧的序号，/>
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为前一帧的信号有效值，/>
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为均衡信号，/>
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为能量检测时间，/>
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为输入信号的采样频率，/>
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为当前帧的信号对数有效值，/>
Figure QLYQS_85
为能量检测时间系数。
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