CN116366014A - 基于频域分段的动态范围控制电路、音频处理芯片及方法 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及一种基于频域分段的动态范围控制电路、音频处理芯片及方法，该电路包括：两个分频模块、能量检测模块、动态范围限制模块和输出模块；音频输入信号采用第二个分频模块进行分段处理；基于第二个分频模块的分频点，调整对音频输入信号采用第一个分频模块进行分段处理的分频点的设置；估算第一个分频模块输出信号的能量值，基于能量估算值和对应频段的动态范围限制器的启动时间、释放时间和阈值，计算该频段的动态增益；将动态增益乘以第二个分频模块输出的对应频段的信号；将经过动态增益处理的多段信号相加得到输出信号。该电路既能对音频输入信号在频域上进行分段压缩处理又能有效控制该处理在分频点处输出信号的电压。
Description
技术领域
本申请涉及音频处理技术领域，特别是涉及一种基于频域分段的动态范围控制电路、音频处理芯片及方法。
背景技术
目前扬声器产品，由于散热能力、物理冲程等限制，需要限制在一定的功率范围内工作，否则会损坏喇叭。在用数字链路进行重放的系统，通常采用动态范围限制器限制输入到扬声器两端的电压值。为了获得更好的重放效果，调音工程师们往往在频域上进行滤波分段限制。频域分段限制，不仅可以针对不同频段做不同的输出电压限制，还可以控制不同频段信号的瞬态响应。
动态范围控制(Dynamic Range Control，DRC)是常用于音频输出功率控制的算法，在不同能量大小范围区间里进行不同的处理。目前多频段DRC方案是：采用高低通滤波器对信号进行滤波分段处理，经过滤波器衰减的频段的信号，经过动态范围限制器的处理后直接叠加输出，分频点处附近的信号的电压经过叠加后可能会超出分段限制所设置的阈值甚至高达2倍。这不仅会破坏扬声器系统整体音色的平衡感，也可能会损坏喇叭。因此，需要一种改进的技术方案来克服频域分段限制的局限性。
发明内容
基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种既能对音频输入信号在频域上进行分段压缩处理又能有效控制该处理在分频点处输出信号的电压的基于频域分段的动态范围控制电路、音频处理芯片及方法。
一种基于频域分段的动态范围控制电路，所述电路包括：两个分频模块，能量检测模块、动态范围限制模块以及输出模块。
第一个所述分频模块，用于对音频输入信号在频域上进行滤波分段，输出至少两个频段的第一分频信号，并将所有所述第一分频信号输出至所述能量检测模块。
第二个所述分频模块，用于对所述音频输入信号在频域上进行滤波分段，输出至少两个频段的第二分频信号，并将所有所述第二分频信号输出至所述输出模块。
所述能量检测模块，用于对接收的所有所述第一分频信号进行能量估算，得到每个第一分频信号的能量估算值，并将所有所述能量估算值输出至所述动态范围限制模块。
所述动态范围限制模块，用于根据设置的启动时间、释放时间和阈值对所述能量检测模块输出的能量估算值进行增益计算，得到每个第一分频信号的信号增益，并将所述信号增益传输至所述输出模块。
所述输出模块，用于根据接收的每个所述信号增益与对应频段的第二分频信号相乘，并将得到的所有乘积相加，得到输出信号。
在其中一个实施例中，所述分频模块包括低通滤波器和高通滤波器。
所述低通滤波器和所述高通滤波器的输入端接收音频输入信号，所述低通滤波器和所述高通滤波器分别输出低频信号和高频信号至所述能量检测模块。
在其中一个实施例中，所述分频模块还包括至少一个带通滤波器。
所述带通滤波器的输入端接收音频输入信号，所述带通滤波器的输出端输出带通信号至所述能量检测模块。
在其中一个实施例中，所述能量检测模块包括若干个能量检测子模块，所述能量检测子模块的数量与所述分频模块中包括的滤波器数量相同。
每个所述能量检测子模块的输入端与所述分频模块中的每个滤波器输出端一对一连接，所有所述能量检测子模块的输出端与所述动态范围限制模块的输入端连接。
在其中一个实施例中，所述动态范围限制模块包括若干个动态范围限制器，所述动态范围限制器的数量与所述能量检测子模块数量相同。
每个所述动态范围限制器的输入端与每个所述能量检测子模块的输出端一对一连接，所有所述动态范围限制器的输出端与所述输出模块的输入端连接。
在其中一个实施例中，所述输出模块包括若干个乘法器和一个加法器；所述乘法器的数量和所述动态范围限制器的数量相同。
第二个分频模块的每个滤波器的输出与第一个分频模块中相应滤波器对应的动态范围限制器输出的增益输入到对应乘法器中，每个乘法器输出乘积至所述加法器中进行信号相加，得到输出信号。
一种音频处理芯片，所述音频处理芯片包括：上述任一所述基于频域分段的动态范围控制电路。
一种音频处理芯片的音频处理方法，所述方法包括：
采用第一分频模块将音频输入数据分为至少两个频段；对每个频段信号采用一个能量检测子模块进行能量值估算，得到每个频段信号的能量估算值，并将每个能量估算值采用一个动态范围限制器计算该频段信号的增益。
采用第二分频模块将所述音频输入数据分为至少两个频段。
将所述第二分频模块输出的每个频段信号分别与对应频段信号的增益相乘后进行求和，得到音频处理后的信号。
在其中一个实施例中，所述第一分频模块和第二分频模块至少两个滤波器。
如果滤波器数量为2，则第一分频模块和第二分频模块包括低通滤波器和高通滤波器。
如果滤波器数量大于2，则第一分频模块和第二分频模块包括：1个低通滤波器、1个高通滤波器，其余为带通滤波器。
在其中一个实施例中，所述动态范围限制器用于设置启动时间、释放时间和阈值，并根据所述启动时间、所述释放时间和阈值对一个频段信号采用所述能量检测子模块估算的能量估算值进行增益计算，得到该频段信号的增益。
上述基于频域分段的动态范围控制电路、音频处理芯片及方法，所述电路包括：两个分频模块，能量检测模块、动态范围限制模块以及输出模块；音频输入信号采用第二个分频模块在频域上的进行分段处理；基于第二个分频模块的分频点，调整对所述音频输入信号采用第一个分频模块在频域上的进行分段处理的分频点的设置；估算第一个分频模块输出信号的能量值；基于第一个分频模块输出信号的能量和该频段对应的动态范围限制器的启动时间、释放时间和阈值，执行该频段的动态增益计算；将计算出的动态增益乘以第二个分频模块输出的所对应频段的信号；将经过动态增益处理的多段信号进行相加，得到输出信号。该电路既能对音频输入信号在频域上进行分段压缩处理又能有效控制该处理在分频点处输出信号的电压。
附图说明
图1为一个实施例中基于频域分段的动态范围控制电路结构框图；
图2为另一个实施例中两个分频模块的低通滤波器和高通滤波器截止频率的设置示例，其中（a）为第二个分频模块的低通滤波器和高通滤波器的幅频特性曲线，（b）为第一个分频模块的低通滤波器的幅频特性曲线，（c）为第一个分频模块的高通滤波器的幅频特性曲线；
图3为另一个实施例中2分频情况下基于频域分段的动态范围控制电路结构框图；
图4为另一个实施例中3分频情况下基于频域分段的动态范围控制电路结构框图；
图5为另一个实施例中3分频情况下带通滤波器通带频率的设置示例，其中（a）为第二个分频模块的低通滤波器、高通滤波器和带通滤波器的幅频特性曲线，（b）为第一个分频模块的带通滤波器的幅频特性曲线。
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，提供了一种基于频域分段的动态范围控制电路，该电路包括：两个分频模块10，能量检测模块20、动态范围限制模块30以及输出模块40。
第一个分频模块10，用于对音频输入信号在频域上进行滤波分段，输出至少两个频段的第一分频信号，并将所有第一分频信号输出至能量检测模块20。
第二个分频模块10，用于对音频输入信号在频域上进行滤波分段，输出至少两个频段的第二分频信号，并将所有第二分频信号输出至输出模块40。第一个分频模块输出的第一分频信号和第二个分模块输出的第二分频信号的数量相同。
能量检测模块20，用于对接收的所有第一分频信号进行能量估算，得到每个第一分频信号的能量估算值，并将所有能量估算值输出至动态范围限制模块30。
动态范围限制模块30，用于根据设置的启动时间、释放时间和阈值对能量检测模块输出的能量估算值进行增益计算，得到每个第一分频信号的信号增益，并将信号增益传输至输出模块40。
输出模块40，用于根据接收的每个信号增益与对应频段的第二分频信号相乘，并将得到的所有乘积相加，得到输出信号。
音频输入信号采用第二个分频模块在频域上的进行分段处理；基于第二个分频模块的分频点，调整对所述音频输入信号采用第一个分频模块在频域上的进行分段处理的分频点的设置；估算第一个分频模块输出信号的能量值；基于第一个分频模块输出信号的能量和该频段对应的动态范围限制器的启动时间、释放时间和阈值，执行该频段的动态增益计算；将计算出的动态增益乘以第二个分频模块输出的所对应频段的信号；将经过动态增益处理的多段信号进行相加，得到输出信号。
具体的，以分频模块为两个频段分频为例，图2所示给出了两个分频模块的低通滤波器和高通滤波器截止频率的设置方法，其中（a）为第二个分频模块的低通滤波器和高通滤波器的幅频特性曲线，（b）为第一个分频模块的低通滤波器的幅频特性曲线，（c）为第一个分频模块的高通滤波器的幅频特性曲线。第二个分频模块的低通滤波器和高通滤波器的截止频率为频率1，第一个分频模块的低通滤波器的截止频率为频率2，第一个分频模块的高通滤波器的截止频率为频率3。第一个分频模块的低通滤波器的截止频率高于第二个分频模块的低通滤波器的截止频率。第一个分频模块的高通滤波器的截止频率低于第二个分频模块的高通滤波器的截止频率。
上述基于频域分段的动态范围控制电路，所述电路包括：两个分频模块，能量检测模块、动态范围限制模块以及输出模块；音频输入信号采用第二个分频模块在频域上的进行分段处理；基于第二个分频模块的分频点，调整对所述音频输入信号采用第一个分频模块在频域上的进行分段处理的分频点的设置；估算第一个分频模块输出信号的能量值；基于第一个分频模块输出信号的能量和该频段对应的动态范围限制器的启动时间、释放时间和阈值，执行该频段的动态增益计算；将计算出的动态增益乘以第二个分频模块输出的所对应频段的信号；将经过动态增益处理的多段信号进行相加，得到输出信号。该电路既能对音频输入信号在频域上进行分段压缩处理又能有效控制该处理在分频点处输出信号的电压。
在其中一个实施例中，分频模块包括低通滤波器和高通滤波器。低通滤波器和高通滤波器的输入端接收音频输入信号，低通滤波器和高通滤波器分别输出低频信号和高频信号至能量检测模块。
在一个具体的实施例中，如图3所示，分频模块包括低通滤波器和高通滤波器，能量检测模块包括两个能量检测子模块，动态范围限制模块包括两个动态范围限制器，输出模块包括两个乘法器和1个加法器；第一个分频模块的低通滤波器的输出端与第一个能量检测子模块的输入端连接，第一个能量检测子模块的输出端与第一个动态范围限制器的输入端连接，第一个分频模块的高通滤波器的输出端与第二个能量检测子模块的输入端连接，第二个能量检测子模块的输出端与第二个动态范围限制器的输入端连接；第二个分频模块的低通滤波器的输出端和第一个动态范围限制器的输出端与第一个乘法器的输入端连接，第二个分频模块的高通滤波器的输出端和第二个动态范围限制器的输出端与第二个乘法器的输入端连接，两个乘法器的输出端与加法器的输入端连接。
第一个分频模块的低通滤波器对音频输入信号采用低通滤波器处理并输出给到第一个能量检测子模块，能量检测子模块对第一个分频模块的低通滤波器所输出的信号进行能量估算并将估算的能量值给到第一个动态范围限制器，第一个动态范围限制器根据所设置的启动时间、释放时间和阈值对第一个能量检测子模块所提供的能量估算值进行计算并输出增益值。
第一个分频模块的高通滤波器对音频输入信号采用高通滤波器处理并输出给到第二个能量检测子模块，第二个能量检测子模块对第一个分频模块的高通滤波器所输出的信号进行能量估算并将估算的能量值给到第二个动态范围限制器，第二个动态范围限制器根据所设置的启动时间、释放时间和阈值对第二个能量检测子模块所提供的能量估算值进行增益计算。
第二个分频模块的低通滤波器对音频输入信号进行低通滤波器处理后与第一个动态范围限制器输出的增益通过第一个乘法器相乘得到第一个乘积。
第二个分频模块的高通滤波器对音频输入信号进行高通滤波器处理后与第二个动态范围限制器输出的增益通过第二个乘法器相乘得到第二个乘积。
第一个乘积和第二个乘积通过加法器后并输出。
在其中一个实施例中，如图4所示，分频模块还包括至少一个带通滤波器。
带通滤波器的输入端接收音频输入信号，带通滤波器的输出端输出带通信号至能量检测模块。
具体的，带通滤波器是允许具有上限值和下限值的频段的波通过的滤波器。
作为优选，在3分频情况下，中间频段由带通滤波器来滤波分频输出。带通滤波器通带设计如图5所示，其中（a）为第二个分频模块的低通滤波器、高通滤波器和带通滤波器的幅频特性曲线，（b）为第一个分频模块的带通滤波器的幅频特性曲线，图5中的A对应图4的第二个分频模块，B对应图4的第一个分频模块。对于一般的3分频，比如低通截止频率是200Hz，高通截止频率是2000Hz，那带通滤波器的就是200Hz-2000Hz。
在其中一个实施例中，能量检测模块包括若干个能量检测子模块，能量检测子模块的数量与分频模块中包括的滤波器数量相同。
每个能量检测子模块的输入端与分频模块中的每个滤波器输出端一对一连接，所有能量检测子模块的输出端与动态范围限制模块的输入端连接。
在其中一个实施例中，动态范围限制模块包括若干个动态范围限制器，动态范围限制器的数量与能量检测子模块数量相同。
每个动态范围限制器的输入端与每个能量检测子模块的输出端一对一连接，所有动态范围限制器的输出端与输出模块的输入端连接。
在其中一个实施例中，输出模块包括若干个乘法器和一个加法器；乘法器的数量和动态范围限制器的数量相同。
第二个分频模块的每个滤波器的输出与第一个分频模块中相应滤波器对应的动态范围限制器输出的增益输入到对应乘法器中，每个乘法器输出乘积至加法器中进行信号相加，得到输出信号。
在一个实施例中，提供了一种音频处理芯片，音频处理芯片包括：上述任一基于频域分段的动态范围控制电路。
在一个实施例中，提供了一种音频处理芯片的音频处理方法，方法包括：
采用第一分频模块将音频输入数据分为至少两个频段；对每个频段信号采用一个能量检测子模块进行能量值估算，得到每个频段信号的能量估算值，并将每个能量估算值采用一个动态范围限制器计算该频段信号的增益。
采用第二分频模块将音频输入数据分为至少两个频段。
将第二分频模块输出的每个频段信号分别与对应频段信号的增益相乘后进行求和，得到音频处理后的信号。
在其中一个实施例中，第一分频模块和第二分频模块至少两个滤波器。
如果滤波器数量为2，则第一分频模块和第二分频模块包括低通滤波器和高通滤波器。
如果滤波器数量大于2，则第一分频模块和第二分频模块包括：1个低通滤波器、1个高通滤波器，其余为带通滤波器。
在其中一个实施例中，动态范围限制器用于设置启动时间、释放时间和阈值，并根据启动时间、释放时间和阈值对一个频段信号采用能量检测子模块估算的能量估算值进行增益计算，得到该频段信号的增益。
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，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (10)
1.一种基于频域分段的动态范围控制电路，其特征在于，所述电路包括：两个分频模块，能量检测模块、动态范围限制模块以及输出模块；
第一个所述分频模块，用于对音频输入信号在频域上进行滤波分段，输出至少两个频段的第一分频信号，并将所有所述第一分频信号输出至所述能量检测模块；
第二个所述分频模块，用于对所述音频输入信号在频域上进行滤波分段，输出至少两个频段的第二分频信号，并将所有所述第二分频信号输出至所述输出模块；
所述能量检测模块，用于对接收的所有所述第一分频信号进行能量估算，得到每个第一分频信号的能量估算值，并将所有所述能量估算值输出至所述动态范围限制模块；
所述动态范围限制模块，用于根据设置的启动时间、释放时间和阈值对所述能量检测模块输出的能量估算值进行增益计算，得到每个第一分频信号的信号增益，并将所述信号增益传输至所述输出模块；
所述输出模块，用于根据接收的每个所述信号增益与对应频段的第二分频信号相乘，并将得到的所有乘积相加，得到输出信号。
2.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述分频模块包括低通滤波器和高通滤波器；
所述低通滤波器和所述高通滤波器的输入端接收音频输入信号，所述低通滤波器和所述高通滤波器分别输出低频信号和高频信号至所述能量检测模块。
3.根据权利要求2所述的电路，其特征在于，所述分频模块还包括至少一个带通滤波器；
所述带通滤波器的输入端接收音频输入信号，所述带通滤波器的输出端输出带通信号至所述能量检测模块。
4.根据权利要求2或3所述的电路，其特征在于，所述能量检测模块包括若干个能量检测子模块，所述能量检测子模块的数量与所述分频模块中包括的滤波器数量相同；
每个所述能量检测子模块的输入端与所述分频模块中的每个滤波器输出端一对一连接，所有所述能量检测子模块的输出端与所述动态范围限制模块的输入端连接。
5.根据权利要求4所述的电路，其特征在于，所述动态范围限制模块包括若干个动态范围限制器，所述动态范围限制器的数量与所述能量检测子模块数量相同；
每个所述动态范围限制器的输入端与每个所述能量检测子模块的输出端一对一连接，所有所述动态范围限制器的输出端与所述输出模块的输入端连接。
6.根据权利要求5所述的电路，其特征在于，所述输出模块包括若干个乘法器和一个加法器；所述乘法器的数量和所述动态范围限制器的数量相同；
第二个分频模块的每个滤波器的输出与第一个分频模块中相应滤波器对应的动态范围限制器输出的增益输入到对应乘法器中，每个乘法器输出乘积至所述加法器中进行信号相加，得到输出信号。
7.一种音频处理芯片，其特征在于，所述音频处理芯片包括：权利要求1-6任一项所述的基于频域分段的动态范围控制电路。
8.一种音频处理芯片的音频处理方法，其特征在于，包括：
采用第一分频模块将音频输入数据分为至少两个频段；对每个频段信号采用一个能量检测子模块进行能量值估算，得到每个频段信号的能量估算值，并将每个能量估算值采用一个动态范围限制器计算该频段信号的增益；
采用第二分频模块将所述音频输入数据分为至少两个频段；
将所述第二分频模块输出的每个频段信号分别与对应频段信号的增益相乘后进行求和，得到音频处理后的信号。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述第一分频模块和第二分频模块至少两个滤波器；
如果滤波器数量为2，则第一分频模块和第二分频模块包括低通滤波器和高通滤波器；
如果滤波器数量大于2，则第一分频模块和第二分频模块包括：1个低通滤波器、1个高通滤波器，其余为带通滤波器。
10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述动态范围限制器用于设置启动时间、释放时间和阈值，并根据所述启动时间、所述释放时间和阈值对一个频段信号采用所述能量检测子模块估算的能量估算值进行增益计算，得到该频段信号的增益。
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- 2023-05-26 CN CN202310606500.9A patent/CN116366014B/zh active Active
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