CN117641199A - 处理数字音频信号以改善低频渲染的方法及系统 - Google Patents

处理数字音频信号以改善低频渲染的方法及系统 Download PDF

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Abstract

本方法在音频系统中实施，该音频系统包括换能器(8)，该换能器具有适于根据音频信号频率产生振动的磁性元件。该方法是通过一个或多个处理链(101至103)实施的，包括数字音频信号的高通滤波，该数字音频信号的频率大于或等于10Hz并且小于换能器固有截止频率的三分之二；采用第一预定放大增益的第一低架滤波；对于应用第一低架滤波器后获得的信号，估计换能器的偏移值；如果换能器的估计偏移值超过最大偏移值，则计算低于第一放大增益的第二放大增益，以及等于第二计算增益的第二低架滤波。

Description

处理数字音频信号以改善低频渲染的方法及系统
技术领域
本发明涉及一种处理数字音频信号以改善低频渲染的方法，以及相关数字音频信号处理系统。
背景技术
本发明属于音频系统领域，具体是车辆音频系统，尤其是乘用车。
在此类音频系统中，已知使用各种类型的换能器来促进音频信号的渲染以例如收听音乐。此类驱动器具有扬声器，所述扬声器响应作为输入施加的电信号而产生声波，被集成到例如机动车辆等车辆的驾驶室中，或集成到座椅头枕中以改善对于每名用户的渲染音质。此外，还提出将振动器(也是换能器)集成到座椅中，例如机动车辆座椅中，以通过使相应振动伴随声音渲染来改善用户体验。
此类换能器具有磁性元件，适合根据作为输入提供的音频信号的频率来产生振动。例如，对于扬声器，磁性元件由电流在其中通过的线圈组成，所述线圈浸入到由极性部件和磁体产生的磁场中，扬声器还包括与线圈相连的膜，其振动产生再现的声波。膜的移动具有相对于其平衡位置的位移幅度，也称为偏移。预设了正常条件下运行的最大偏移。这种换能器对音频信号的低频再现受到每个换能器的固有截止频率的限制。
为了改善对于用户的音频再现质量，已经提出通过对模拟或数字音频信号的适当滤波来人为地提高低频范围的音频信号水平。
然而，已经发现，在低频范围内放大信号水平具有显着增大换能器偏移的效应，这会引起达到换能器最大偏移值的风险，并因此在用户提高音量时导致膜的损坏或破裂。例如扬声器等换能器越小，这种风险就越大，集成在座椅头枕或手机中的换能器就是这种情况。
因此，开发改善声音再现的方法，同时防止换能器膜的过度偏移是有用的。
特别是专利EP 2 571 286 B1提出了一种声音再现装置中的低频动态增强技术，其通过应用低架或“lowshelf”型滤波器进行放大滤波，对根据扬声器的估计偏移值计算的放大增益进行滤波，从而避免扬声器膜的过度偏移。因此，该专利中提出的方法允许计算合适的放大增益，并且该放大增益应用于音频信号的整个低频范围。然而，这种方法提高了包括极低频率在内的水平，这会增加换能器膜的偏移，同时用户几乎听不到。
发明内容
本发明的目的在于进一步改善音频信号的低频再现，同时防止可能出现的换能器损坏。
为此，本发明根据第一方面提出了一种处理数字音频信号以改善低频渲染的方法，所述方法在音频系统中实施，所述音频系统包括换能器，所述换能器具有适于根据音频信号频率产生振动的磁性元件并且具有相关的最大偏移值，所述换能器还具有固有截止频率。该方法包括：
-A)对具有相关滤波频率的数字音频信号进行高通滤波，所述滤波频率大于或等于10Hz并且小于换能器的固有截止频率的三分之二，
高通滤波产生经滤波的数字音频信号，
-B)对所述经滤波的数字音频信号应用第一低架滤波器，所述第一低架滤波器在低于预定极限频率的频率范围内实现频率放大，所述第一低架滤波器具有第一预定放大增益，
-C)对于应用第一低架滤波器后获得的信号，估计换能器的偏移值，
-D)如果换能器的估计偏移值超过最大偏移值，则计算低于第一放大增益的第二放大增益，
-E)对所述经滤波的数字音频信号应用第二低架滤波器，所述第二低架滤波器在频率低于预定极限频率并且增益等于计算的第二增益的范围内实现频率放大，应用第二低架滤波器允许获得经滤波并放大的数字音频信号，以使换能器的偏移值低于最大偏移值。
有利地，所提出的处理数字音频信号的方法允许通过避免达到最大偏移值来保护换能器，并改善用户要收听的频率的声音渲染。
根据本发明的处理数字音频信号以改善低频渲染的方法还可以具有以下一项或多项特征，所述特征可单独采用或根据所有可行技术组合来采用。
滤波频率小于换能器固有截止频率的一半。
该方法包括确定待应用的高通滤波器的所述滤波频率的阶段，包括应用P次步骤A)至E)，P大于或等于2，每次应用是采用具有不同测试滤波频率的高通滤波来完成的，所述频率被选定在10Hz到小于换能器固有截止频率的三分之二之间，每次应用都允许获得与测试滤波频率相关联的第二放大增益，然后选择一个高通滤波以应用于从测试滤波频率中选择的滤波频率的数字音频信号。
每次应用步骤A)至E)都允许获得经滤波和放大的测试数字音频信号，并选择实施每个经滤波和放大的测试数字音频信号的计算，选择允许获得最大功率的经滤波和放大的测试数字音频信号。
测试滤波频率包括P个频率值，包括等于10Hz的第一测试滤波频率，等于换能器固有截止频率除以2的末个测试滤波频率。
在一种实施例中，P严格大于2，并且测试滤波频率包括P个均匀分布在10Hz到换能器固有截止频率除以2之间的频率。
测试滤波频率包括P个从所选最低频率值开始以10Hz的增量递增的频率值。
根据另一方面，本发明涉及一种音频系统，包括换能器，所述换能器具有适于根据音频信号频率产生振动的磁性元件并且具有相关的最大偏移值，所述换能器还具有固有截止频率，该音频系统还包括计算单元，所述计算单元被配置为实施如上简要描述的处理数字音频信号以改善低频渲染的方法。
该音频系统的优点类似于上面提到的音频处理方法的优点。
根据有利的实施例：换能器是扬声器和/或音频系统集成到座椅头枕中，和/或换能器是振动器，所述音频系统被集成到座椅中。
附图说明
通过下面作为指示给出且非限制性的描述，并参照附图，可以理解本发明的其他特征及优点，其中所述附图为：
[图1]图1示意性地示出了根据一种实施例的一种处理数字音频信号以改善低频渲染的系统；
[图2]图2是根据第一实施例的一种处理数字音频信号以改善低频渲染的方法的方框图；
[图3]图3是根据第二实施例的一种处理数字音频信号以改善低频渲染的方法的方框图。
具体实施方式
图1示意性地示出了根据一种实施例的一种处理数字音频信号以改善低频渲染的系统2。
音频信号S_in是作为方块4的输入提供的，其应用依赖于放大器6的增益，将在处理链结束时，在将音频信号提供给换能器8之前使用。作为方块4的输出获得的音频信号是数字音频信号，对其应用声音渲染改善增强处理。
在一种实施例中，换能器8是扬声器，其例如被集成到座椅头枕的音频系统中，更具体地被集成到运输车辆座椅中。
在另一实施例中，换能器8是扬声器，其例如被集成到移动电话的音频系统中。
在另一实施例中，换能器8是振动器，其被集成到座椅中，例如被集成到座椅中，更具体地被集成到运输车辆座椅中。
处理系统2包括一个或多个处理链101至10P，图1的示例包括P＝3个处理链。
在P是严格大于1的整数的实施例中，系统基本上并行或连续地实施处理链101至10P，这些处理链中的任一个被标记为10i。
每个处理链10i都实施测试阶段，以动态确定数字音频信号的优化处理参数。
每个处理链包括数字音频信号的高通滤波应用模块12i，其具有相关的滤波频率Fi。
这种高通滤波器以已知方式在频率Fi处实现截止，从而仅保留频率大于或等于滤波频率Fi的频率。由此获得经滤波的数字音频信号Shi。
处理链10i还包括“lowshelf”型第一滤波器的应用模块14i，所述“lowshelf”型第一滤波器用缩略词LS来代指，也称为低架滤波器。
“Lowshelf”滤波器或低架滤波器以已知方式通过极限频率或截止频率Fl和放大增益Gl来定义。“Lowshelf”滤波器对一定范围内的频率实施增益放大Gl，所述增益放大是由极限频率Fl限定的，超过该频率时不应用任何放大。例如，这样的滤波器在例如明显小于100Hz的选定的频率范围内提供Gl＝+2dB的放大，并且在远高于100Hz时不提供放大。极限频率处于过渡期的中间，其刚度(或斜率)是可配置的。
例如，每个滤波器LS14i具有130Hz的极限频率和5dB的第一放大增益。
处理链10i还具有估计模块16i，对于应用第一低架滤波器14i后获得的信号，估计换能器的偏移值。
此外，模块16i还实施校正或衰减xi的计算，以应用于第一放大增益来获得第二放大增益G2＝Gl-xi，这允许获得不超过最大偏移值的动态偏移值。
任何估计换能器动态偏移值的方法都是适用的，例如专利EP 2 571286B1中描述的方法。
然后将低架滤波器LS18i应用于经滤波的数字音频信号，并采用计算的第二放大增益，这允许获得经高通滤波并经滤波器LS18i放大的数字信号。
在处理链的数量P大于或等于2的情况下，系统2包括选择模块20，其根据分别通过每个处理链10i获得的经滤波和放大的数字信号，选择滤波频率Fj的高通滤波，以应用于数字音频信号。
在一种实施例中，选定的高通滤波器12j是提供最大功率的经滤波和放大的数字信号的滤波器。相应的经滤波和放大的数字信号是作为放大器6的输入提供的，然后提供给换能器8以用于声音再现。
每个处理链的模块12i至18i和模块20优选数字处理模块，在计算单元中使用，所述计算单元例如是处理器、微控制器或DSP型数字信号处理芯片。
在P＝1的实施例中，实施单个处理链10，并且滤波频率被选定在10Hz和换能器固有截止频率的三分之二之间，优选在10Hz和换能器截止频率的一半之间。在这种情况下，不使用选择模块20。
图2是根据第一实施例的一种处理数字音频信号以改善低频渲染的方法的主要步骤的方框图。
该方法包括对数字音频信号实施的以下步骤。
该方法包括步骤30，即例如从电子存储器或通过允许用户提供参数的人机界面，获取参数。
特别是，这些参数包括换能器的固有截止频率F0和换能器的最大偏移值。
这些参数还包括以下参数：截止频率Fl和每个第一滤波器LS(“lowshelf”滤波器)的放大增益Gl。
该方法包括步骤32，即通过连续执行的数模转换并通过增益方块4应用增益，从模拟音频信号获取数字音频信号。
步骤32之后是数字音频信号的高通滤波步骤34，高通滤波器具有选定的滤波频率Fhp。
例如，滤波频率Fhp在10Hz到2/3F0之间，优选10Hz到F0/2之间。
滤波步骤34提供经滤波的音频信号Sh。
该方法包括随后的步骤36，即应用第一低架滤波器(“lowshelf”滤波器)。该滤波器的特征参数是极限频率Fl和第一放大增益Gl。
例如，Fl＝130Hz且Gl＝5dB。
该方法还包括步骤38，即对经滤波的数字信号Sh应用第一低架滤波器后，对于所得信号，估计换能器的偏移值。
在比较步骤40中，将换能器的估计偏移值与换能器的最大偏移值进行比较，并且如果超过该值，则步骤40之后是步骤42，即计算第二放大增益，其取决于第一放大增益并超过换能器的最大偏移值。
如果估计的换能器偏移值小于换能器的最大偏移值，则继续该方法的步骤32。
在一种实施例中，步骤42实施待应用的放大增益衰减XdB，以避免超过换能器的最大偏移值：G2＝Gl-X，单位：dB。
例如，如果是第一放大增益Gl，则估计的偏移x(Gl)超过偏差极限x_lim，衰减值是通过X＝20*log(x(Gl)/x_lim)计算的。
步骤42之后是步骤44，即应用第二低架放大滤波器，其增益等于第二放大增益，并且极限频率与步骤36中应用的第一低架滤波器相同。
在步骤44之后通过滤波LS获得的经滤波和放大的数字音频信号，随后被提供给换能器以进行再现。
步骤44之后是步骤32，其中低频渲染改善处理被循环应用于作为输入而接收的音频信号。
图3是第二实施例中的一种处理数字音频信号以改善低频渲染的方法的主要步骤。
该第二实施例包括获得参数并获取待处理数字音频信号的步骤，类似于步骤30和32。
该方法还包括步骤50，即确定待测试高通滤波器的P个滤波频率值，所述频率被称为测试滤波频率，并用F1至FP表示。
例如，给定换能器的固有截止频率F0和选定的整数P，例如P＝3或P＝4，在步骤50计算间距
d＝(F0/2-10)/P
而测试滤波频率Fi计算如下：F1＝10Hz，然后Fi+1＝(Fi+d)Hz。
换言之，在一种实施例中，测试滤波频率在等于10Hz的最低频率值和换能器固有截止频率除以2之间规则分布。
根据一种变型，选择不同于10Hz的最低频率值，例如15Hz，并以最低频率fp应用上述计算，以获得在最低频率和F0/2之间规则分布的测试滤波频率。
根据另一变型，选定从例如等于10Hz的最低频率值起，以10hz的增量递增的滤波频率，例如F1＝10Hz、F2＝20Hz、F3＝30Hz、F4＝40Hz，而F0＝120Hz。
根据另一变型，P＝4时，选择滤波频率F1＝10Hz、F2＝30Hz、F3＝50Hz、F4＝70Hz，而F0＝120Hz。
当然，可以实施算术或几何级数形式或其他形式的其他级数变型，以确定P个测试滤波频率，每个测试滤波频率大于或等于最低频率值，优选等于10Hz，并且小于换能器固有截止频率的三分之二。
步骤50之后是应用多次测试处理52_1至52_P。
这些处理中的每一个实施参照图2描述的步骤34至44，即对于每次处理52_i，实施频率50中确定的相应频率Fi的高通滤波。
换言之，每次测试处理52_i采用一个测试滤波频率Fi并允许计算第二低架滤波增益，其对应于计算值xi的第一衰减放大增益，以将换能器的偏移值限制为小于最大偏移值。
该方法包括随后的步骤54，即选择高通滤波，以应用于从测试滤波频率F1至FP中选择的滤波频率的数字音频信号。
在一种实施例中，选择54包括计算56通过处理52_i获得的每个经滤波和放大的数字音频信号的功率Pi，并确定58功率Pj为最大值时的处理52_j。
在选择步骤54结束时，得到待应用的滤波频率Fj和增益衰减xj的组合，以获得待应用的低架滤波器LS的第二增益。
处理52_j，实施滤波频率Fj的高通滤波，并对第二增益Gl-xj的滤波器LSj进行应用。
有利地，该方法允许以自适应方式放大低频或中频，同时由于偏移值的限制而避免换能器的任何损坏，以免超过最大偏移值。
有利地，所提出的方法允许改善音频信号在低频和中频范围内的再现，而不会导致非线性失真。

Claims (11)

1.一种处理数字音频信号以改善低频渲染的方法，所述方法在音频系统中实施，所述音频系统包括换能器(8)，所述换能器具有适于根据音频信号频率产生振动的磁性元件并且具有相关的最大偏移值，
所述换能器还具有固有截止频率，所述方法的特征在于其包括：
-A)对具有相关滤波频率的数字音频信号进行高通滤波(34)，所述滤波频率大于或等于10Hz并且小于所述换能器的固有截止频率的三分之二，所述高通滤波产生经滤波的数字音频信号，
-B)对所述经滤波的数字音频信号应用(36)第一低架滤波器，所述第一低架滤波器在低于预定极限频率的频率范围内实现频率放大，所述第一低架滤波器具有第一预定放大增益，
-C)对于应用第一低架滤波器后获得的信号，估计(38)所述换能器的偏移值，
-D)如果所述换能器的估计偏移值超过最大偏移值，则计算(42)低于所述第一放大增益的第二放大增益，
-E)对所述经滤波的数字音频信号应用(44)第二低架滤波器，所述第二低架滤波器在频率低于所述预定极限频率并且增益等于计算的所述第二增益的范围内实现频率放大，应用所述第二低架滤波器允许获得经滤波并放大的数字音频信号，以使所述换能器的偏移值低于最大偏移值。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述滤波频率小于所述换能器固有截止频率的一半。
3.根据权利要求1或2所述的方法，包括确定待应用的高通滤波器的所述滤波频率的阶段，包括应用P次步骤A)至E)，P大于或等于2，每次应用是采用(52_1、…、52_P)具有不同测试滤波频率的高通滤波来完成的，所述频率被选定在10Hz到小于换能器固有截止频率的三分之二之间，每次所述应用都允许获得与测试滤波频率相关联的第二放大增益，然后选择(54)一个高通滤波，以应用于从所述测试滤波频率中选择的滤波频率的数字音频信号。
4.根据权利要求3所述的方法，其中每次应用步骤A)至E)都允许获得经滤波和放大的测试数字音频信号，并且选择(54)实施每个经滤波和放大的测试数字音频信号的计算(56)，确定(58)允许获得最大功率的经滤波和放大的测试数字音频信号。
5.根据权利要求3或4所述的方法，其中所述测试滤波频率包括P个频率值，包括等于10Hz的第一测试滤波频率，等于所述能器固有截止频率除以2的末个测试滤波频率。
6.根据权利要求5所述的方法，其中所述P严格大于2，并且所述测试滤波频率包括P个均匀分布在10Hz到所述换能器固有截止频率除以2之间的频率。
7.根据权利要求3或4所述的方法，其中所述测试滤波频率包括P个从所选最低频率值开始以10Hz的增量递增的频率值。
8.一种音频系统，包括换能器(8)，所述换能器具有适于根据音频信号频率产生振动的磁性元件并且具有相关的最大偏移值，所述换能器(8)还具有固有截止频率，所述音频系统还包括计算单元，所述计算单元被配置为实施根据权利要求1至7所述的处理数字音频信号以改善低频渲染的方法。
9.根据权利要求8所述的音频系统，其中所述换能器是扬声器。
10.根据权利要求9所述的音频系统，被集成到座椅头枕中。
11.根据权利要求8所述的音频系统，其中所述换能器是振动器，所述音频系统被集成到座椅中。
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