CN1550121A - 在电声变换器中控制音频信号的低音放音的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

为了在电声变换器(EAW)中根据被称为“VirtualPitch”或者“Residual Hearing(Hearing of Missing Fundamentals)”的心理声学原理来控制音频信号(AS)的低音放音以使得音频信号(AS)的虚拟低音重放的感觉相对于现有技术水平而得到改善，在所述的电声变换器(EAW)中所输出的低频或低音的重放通过对包含在音频信号(AS)中的谐波的放大而在仿真的意义上进行控制，使得听者收到或感觉到改善的低音放音。所述控制或仿真在此不仅可以数字式地(权利要求1)通过用电声变换器来输出和/或重放音频信号的电声设备的数字信号处理器(DSP)中的一个程序模块来实现，而且可以模拟式地(权利要求9)通过在数/模变换器与所述用电声变换器来输出和/或重放音频信号的电声设备的末级放大器之间的一个硬件电路来实现。

Description

在电声变换器中控制音频信号的低音放音的方法和装置
本发明涉及根据权利要求1的前序部分所述的一种用于在电声变换器中控制音频信号的低音放音的方法，并且涉及根据权利要求9的前序部分所述的一种用于在电声变换器中控制音频信号的低音放音的装置。
在电声变换器中，尤其是在扬声器或耳机中音频信号的低音放音是由所述的电声变换器、扬声器以及耳机的大小来决定的。所述扬声器振动膜及其最大偏移越小，其下谐振频率越高。
在附图1中示出了一种小扬声器的典型频率曲线。采用了这种小电声变换器、并因此所述的低音放音不能令人满意的电声设备主要存在于通讯技术和信息技术以及娱乐电子和消费品电子的音频设备中(用于输出或重现音频信号的设备)，诸如无线移动手机和无绳电话手机、笔记本、个人数字助理、袖珍无线电、无线闹钟、便携式音乐播放设备等。
为了改善利用小扬声器的低音放音，可以采用一种已公开的心理声学原理。该原理被称为“Residual Hearing(Hearing of MissingFundamentals)(残余听觉—听丢失的基频)”或者“Virtual Pitch(虚拟音调)”。
根据该原理可以通过谐波组合来仿真基频的感觉。由此也可以借助其谐波的相应组合来仿真低频的感觉。
“Virtual Pitch”原理的详细说明参见E.Zwicker和H.Fastl的出版物“Psychoakustik(心理声学)”，Springer出版，1999年第二版。
在US 6,111,960和US 5,930,373中公开了基于所述心理声学原理的方法，这些方法借助所述的音频信号产生一系列相应的谐波以仿真界限频率之下的频率。
在WO 00/15003中公开了一种基于所述心理声学原理的方法，其中在所述音频信号中已有的谐振频率被放大。在此为了在电声变换器中改善音频信号的低频放音，音频信号的低频成分被隔离成低频的音频信号，被隔离的低频成分用多个带通滤波器滤波，带通滤波的频率成分在一个放大系数可控的放大器中被放大，其中所述的放大系数由带通滤波的频率成分的包络来获得，并且通过初始音频信号与放大的频率成分的组合来产生一个仿真的低频音信号。
本发明所基于的任务在于，基于所述的称为“Virtual Pitch”或者“Residual Hearing(Hearing of Missing Fundamentals)”的心理声学原理对电声变换器中的音频信号的低音放音进行控制，使得音频信号的虚拟低音重放的感觉相对于现有技术水平而得到改善。
不仅根据权利要求1的前序部分所定义的方法并通过权利要求1的特征中所给出的特征，而且根据权利要求9的前序部分所定义的装置并通过权利要求9的特征中所给出的特征来解决该任务。
实现本发明的观念在于，在所述的电声变换器中所输出的低频或低音的重放通过对包含在音频信号中的谐波的放大而在仿真的意义上进行控制，使得听者收到或感觉到改善的低音放音。所述控制或仿真在此不仅可以数字式地(权利要求1)通过所述用电声变换器来输出和/或重放音频信号的电声设备的数字信号处理器DSP中的一个程序模块来实现，而且可以模拟式地(权利要求9)通过在数/模变换器与所述用电声变换器来输出和/或重放音频信号的电声设备的末级放大器之间的一个硬件电路来实现。
借助所述的程序模块和所述的硬件电路仅仅对位于电声变换器、尤其是扬声器的谐振频率上方的谐波进行放大，以仿真基频的感觉。所述谐波的提取或隔离在所述程序模块中通过带通滤波来实现，在所述硬件电路中借助一个带通滤波器来实现，而所述谐波的放大是基于软件通过在所述的程序模块中的放大系数来进行控制，而在所述的硬件电路中是在一个为之相应设计的、放大系数受控制的放大器(英文：Gain Controlled Amplifier增益控制放大器)中进行的。所述的放大系数优选由位于所述电声变换器的谐振频率或界限频率之下的音频信号的频率成分来控制。
根据权利要求1的方法的优点在于，音频信号中所具有的谐振的原始谐波的放大保证了在数字信号处理器中所产生的修正音频信号的明显改善的质量。由此尤其避免了音频信号的失真。另外本发明的方法对于数字信号处理器中计算功率和存储器容量具有较小的要求。
本发明的有利的扩展在从属权利要求中给出。
如果在采用一种“有限脉冲响应”滤波器的情况下—不同于采用根据权利要求3的“无限脉冲响应”滤波器—对与被放大的频率成分相组合的音频信号进行缓冲，以便为了组合而对由于采用FIR滤波器而产生的在被放大的频率成分和音频信号之间的相位偏移进行补偿，那么根据权利要求2以及权利要求4是有利的。
如果为了改善由电声变换器输出的修正音频信号的质量而对所述修正的音频信号进行滤波以放大被选择的频率，那么根据权利要求7和10是有利的。
借助附图2至7对本发明的两个实施例进行解释。其中：
附图2示出了用于输出和/或重放音频信号的、在电子无线设备的数字信号处理器中以程序模块形式实现的本发明方法的数字实施，
附图3示出了用于输出和/或重放音频信号的、在电子无线设备的硬件方案中的本发明装置的模拟式实施，
附图4示出了根据附图2的程序模块的第一实施方案，
附图5示出了根据附图2的程序模块的第二实施方案，
附图6示出了根据附图2的程序模块的第三实施方案，
附图7示出了根据附图3的控制装置的实施方案。
附图2作为第二实施例以电路功能图或电路框图形式示出了在无线设备FG中用于输出和/或重现音频信号、尤其是语音信号的语音处理线路，其中本发明是在数字信号处理器DSP的程序模块PGM中来实施的(数字实施)。所述的无线设备FG通过一个天线ANT来接收模拟的无线信号FS，其中被编码的语音信息已调制到该无线信号上。在接收器EMP中借助微处理器MP和模数变换器ADW从被调制编码的模拟无线信号FS中产生数字的解调信号DDS。之后所述的数字的解调信号DDS被传输给所述的数字信号处理器DSP的语音解码器SDK。在所述的语音解码器SDK中从所述的数字的解调信号DDS中产生语音信号或—完全一般地称为—音频信号AS。该音频信号AS接着被传输给所述的程序模块来用于在所述数字信号处理器DSP的电声变换器PGM中控制音频信号的低音放音。在数字信号处理器DSP的所述程序模块PGM中从所述的音频信号AS中产生一个修正的音频信号MAS，该信号则随后由所述数字信号处理器DSP的滤波器FIL来进行滤波。被滤波的修正音频信号MAS最后被传输给一个数模变换器DAW，并且之后在一个末级放大器EVS中被放大，之后在被修正的音频信号MAS中所包含的语音信息由一个电声变换器EAW来输出，其中该电声变换器优选地作为扬声器来构造。
附图3作为第二实施例以电路功能图或电路框图形式示出了在无线设备FG中的语音处理线路，其中与附图2不同的是，在无线设备FG的模拟部分的语音信号处理器DSP之外，本发明在一个用于控制音频信号低音放音的装置中的电声变换器STV中被实施(模拟实施)。在所述的无线设备FG中开始进行语音处理，其开头再次是把所述的其上已被调制了编码语音信息的模拟无线信号FS通过所述天线ANT传输给所述接收器EMP。在所述接收器EMP中再次借助所述微处理器MP和所述模数变换器ADW从所述模拟无线信号FS中再次产生所述的数字解调信号DDS。该数字解调信号DDS接着再次被传输给所述数字信号处理器SDP中的语音解码器SDK。在所述语音解码器SDK中从所述数字解调信号DDS中再次获得被解码的语音信号或完全一般意义上的解码音频信号AS。所述音频信号AS随后在所述数字信号处理器DSP的滤波器FIL中被滤波，之后所述的被滤波的音频信号在所述数模变换器DAW中进行相应变换。所述被变换的音频信号AS随后被传输给电声变换器STV中的用于控制音频信号的低音放音的装置，在那里从所述音频信号AS产生一个修正的音频信号MAS。所述的修正的音频信号MAS随后在所述末级放大器EVS中被放大，之后所述的在被修正的音频信号MAS中所包含的语音信息由一个电声变换器EAW来输出，其中该电声变换器再次优选地作为扬声器来构造。
附图4示出了根据附图2的程序模块的第一实施方案。为了隔离第一频率成分FK，所述的音频信号AS借助一个通过软件实现的带通滤波器BPF进行带通滤波，并且为了隔离第二频率成分FK`而借助一个通过软件实现的低通滤波器TPF进行低通滤波。当所述第一频率成分FK被放大时，利用所述第二频率成分FK`生成一个决定所述第一频率成分FK的增益的放大系数VF。
也可以有选择地采用另一借助软件实现的带通滤波器或者甚至是生成第一频率成分FK的带通滤波器BPF来替代所述的低通滤波器TPF。在后一种情况下所述的两个频率成分FK、FK`相同(FK＝FK`)。
所述的带通滤波器BPF优选地作为“有限脉冲响应”滤波器(FIR滤波器)FIR-F或者作为“无限脉冲响应”滤波器(IIR滤波器)IIR-F来构造。如果所述的带通滤波器BPF作为“有限脉冲响应”滤波器FIR-F来构造，那么所述的程序模块PGM为了缓冲所述的音频信号AS而包含有一个中间存储器ZWS。如果所述的带通滤波器BPF作为“无限脉冲响应”滤波器IIR-F来构造，那么就不需要所述的中间存储器ZWS。为了在附图4中描述这种情况，所述的中间存储器ZWS被描述为虚线块。
所述的被带通滤波的音频信号FK以及所述的借助带通滤波器BPF而被隔离的频率成分FK为了放大而被输出到一个用放大系数VF控制的、借助软件来实现的放大器VS的输入端上。为了获得放大系数VF，在所述程序模块PGM中具有借助软件实现的工具MBSE来用于计算信号包络和/或信号能量，所述的工具从所述的被低通滤波的音频信号FK`中给同样借助软件实现的一个工具MBVF提供输入值，其中后一工具MBVF用于计算所述程序模块PGM的放大系数。所述的计算工具MBVF则提供放大系数VF，通过该放大系数可以控制所述放大器VS。在所述放大器VS的输出上则提供一个用放大系数VF放大了的、被带通滤波的音频信号VSFK。所述的被放大的、被带通滤波的音频信号VSFK和所述的必要时被中间存储的音频信号AS接着借助优选地作为加法工具来构造和借助软件来实现的、程序模块PGM的组合工具KM而被组合或相加。由于这些操作而产生了被修正的音频信号MAS，该音频信号为了改善信号质量而优选地通过一种借助软件实现的表示滤波器(Prsenzfilter)PRF来进行滤波。然而也可以把被修正的音频信号MAS如在附图2的描述中所解释的一样不用通过表示滤波器PRF进行其他滤波而传输给所述的滤波器FIL。
附图5根据附图4而示出了根据附图2的程序模块PGM的第二实施方案。所述的音频信号AS为了隔离所述第一频率成分FK而再次借助所述的带通滤波器BPF进行带通滤波，并且为了隔离所述第二频率成分FK`而借助所述的低通滤波器TPF进行低通滤波。当所述第一频率成分FK再次被放大时，利用所述第二频率成分FK`再次生成一个决定所述第一频率成分FK的增益的放大系数VF。
也可以再次有选择地采用另一带通滤波器或者甚至是生成第一频率成分FK的带通滤波器BPF来替代所述的低通滤波器TPF。在后一种情况下所述的两个频率成分FK、FK`再次相同(FK＝FK`)。
所述的带通滤波器BPF再次优选地作为“有限脉冲响应”滤波器(FIR滤波器)FIR-F或者作为“无限脉冲响应”滤波器(IIR滤波器)IIR-F来构造。如果所述的带通滤波器BPF作为“有限脉冲响应”滤波器(FIR滤波器)FIR-F来构造，那么所述的程序模块PGM再次为了缓冲所述的音频信号AS而包含有所述的中间存储器ZWS。如果所述的带通滤波器BPF作为“无限脉冲响应”滤波器(IIR滤波器)IIR-F来构造，那么就再次不需要所述的中间存储器ZWS。为了在附图5中描述这种情况，所述的中间存储器ZWS被描述为虚线块。
所述的被带通滤波的音频信号FK以及所述的借助带通滤波器BPF而被隔离的频率成分FK为了放大而象附图4中一样被输出到一个用放大系数VF可控制的放大器VS的输入端上。为了获得放大系数VF，在所述程序模块PGM中再次设有用于计算信号包络和/或信号能量的工具MBSE，所述的工具从所述的被低通滤波的音频信号FK`中再次给所述的用于计算所述程序模块PGM的放大系数的工具MBVF提供一个输入值。
在根据附图5的程序模块的实施方案中，与根据附图4的实施方案不同的是，有另一输入值被输入给所述的计算工具MBVF，其中该输入值由另外的用于计算信号包络和/或信号能量的工具MBSE来决定。所述的另一输入值由所述的计算工具MBSE从所述未被滤波的音频信号AS中计算出来。
所述的计算工具MBVF则由这两个输入值来提供所述的放大系数VF，其中通过该放大系数再次可以控制所述放大器VS。在所述放大器VS的输出上从而再次提供一个用放大系数VF放大了的、被带通滤波的音频信号VSFK。所述的被放大的、被带通滤波的音频信号VSFK和所述的必要时被中间存储的音频信号AS接着再次借助再次优选地作为加法工具来构造的、程序模块PGM的组合工具KM被组合或相加。由于这些操作而产生了所述的被修正的音频信号MAS，该音频信号为了改善信号质量而优选地再次通过所述的表示滤波器PRF来进行滤波。然而也可以再次把所述的被修正的音频信号MAS如在附图2的描述中所解释的一样不用通过表示滤波器PRF进行其他滤波而传输给所述的滤波器FIL。
附图6根据附图4而示出了根据附图2的程序模块PGM的第三实施方案。所述的音频信号AS为了隔离所述第一频率成分FK而再次借助所述的带通滤波器BPF进行带通滤波，并且为了隔离所述第二频率成分FK`而再次借助所述的低通滤波器TPF进行低通滤波。当所述第一频率成分FK再次被放大时，利用所述第二频率成分FK`再次生成一个决定所述第一频率成分FK的增益的放大系数VF。
也可以再次有选择地采用另一带通滤波器或者甚至是生成第一频率成分FK的带通滤波器BPF来替代所述的低通滤波器TPF。在后一种情况下所述的两个频率成分FK、FK`相同(FK＝FK`)。
所述的带通滤波器BPF再次优选地作为“有限脉冲响应”滤波器(FIR滤波器)FIR-F或者作为“无限脉冲响应”滤波器(IIR滤波器)IIR-F来构造。如果所述的带通滤波器BPF作为“有限脉冲响应”滤波器(FIR滤波器)FIR-F来构造，那么所述的程序模块PGM再次为了缓冲所述的音频信号AS而包含有所述的中间存储器ZWS。如果所述的带通滤波器BPF作为“无限脉冲响应”滤波器(IIR滤波器)IIR-F来构造，那么就再次不需要所述的中间存储器ZWS。为了在附图6中描述这种情况，所述的中间存储器ZWS被描述为虚线块。
所述的被带通滤波的音频信号FK以及所述的借助带通滤波器BPF而被隔离的频率成分FK为了放大而象附图4和5中一样被输出到一个用放大系数VF可控制的放大器VS的输入端上。为了获得放大系数VF，在所述程序模块PGM中再次设有用于计算信号包络和/或信号能量的工具MBSE，所述的工具从所述的被低通滤波的音频信号FK`中给用于计算所述程序模块PGM的放大系数的工具MBVF提供一个输入值。
在根据附图6的程序模块的实施方案中，与根据附图4的实施方案不同的是，有另一输入值被输入给所述的计算工具MBVF，其中该输入值由另外的用于计算信号包络和/或信号能量的工具MBSE来决定。所述的另一输入值与根据附图5的输入值不同，由所述的计算工具MBSE从所述的被带通滤波的音频信号AS中来计算。
所述的计算工具MBVF则由这两个输入值来提供所述的放大系数VF，其中通过该放大系数可以控制所述放大器VS。在所述放大器VS的输出上从而再次提供一个用放大系数VF放大了的、被带通滤波的音频信号VSFK。所述的被放大的、被带通滤波的音频信号VSFK和所述的必要时被中间存储的音频信号AS接着再次借助优选地作为加法工具来构造的、程序模块PGM的组合工具KM被组合或相加。由于这些操作而再次产生了所述的被修正的音频信号MAS，该音频信号为了改善信号质量而优选地再次通过所述的表示滤波器PRF来进行滤波。然而也可以再次把所述的被修正的音频信号MAS如在附图2的描述中所解释的一样不用通过表示滤波器PRF进行其他滤波而传输给所述的滤波器FIL。
附图7示出了根据附图3的控制装置STV的一种实施方案。所述的音频信号AS为了隔离第一频率成分FK而借助一个作为硬件模块来构造的带通滤波器BPF1进行带通滤波，并且为了隔离第二频率成分FK`而借助一个作为硬件模块来构造的低通滤波器TPF1进行低通滤波。当所述第一频率成分FK被放大时，利用所述第二频率成分FK`生成一个决定所述第一频率成分FK的增益的放大系数VF。
也可以有选择地采用另一作为硬件模块来构造的带通滤波器或者甚至是生成第一频率成分FK的带通滤波器BPF1来替代所述的低通滤波器TPF1。在后一种情况下所述的两个频率成分FK、FK`相同(FK＝FK`)。
所述的被带通滤波的音频信号FK以及所述的借助带通滤波器BPF1而被隔离的频率成分FK为了放大而被输出到一个用放大系数VF可控制的、作为硬件模块来构造的放大器VS1的输入端上。为了获得放大系数VF，在所述控制装置STV中具有作为硬件模块来构造的工具MBSE1来用于计算信号包络和/或信号能量，其中所述的工具优选地由一个整流器GLR和另一低通滤波器TPF2串联地构成，并且该工具从所述的被低通滤波的音频信号FK`中给同样作为硬件模块来构造的一个工具MBVF1提供一个输入值，其中后一工具MBVF1用于计算所述控制装置STV的放大系数。所述的计算工具MBVF1则提供放大系数VF，通过该放大系数可以控制所述放大器VS1。在所述放大器VS1的输出上则提供一个用放大系数VF放大了的、被带通滤波的音频信号VSFK。所述的被放大的、被带通滤波的音频信号VSFK和所述的音频信号AS接着借助优选地作为加法工具来构造的、并且作为硬件模块来构造的、控制装置STV的组合工具KM1被组合或相加。由于这些操作而产生了所述的被修正的音频信号MAS，该音频信号为了改善信号质量而优选地通过一种作为硬件模块来构造的表示滤波器PRF1来进行滤波。然而也可以把所述的被修正的音频信号MAS如在附图3的描述中所解释的一样不用通过表示滤波器PRF进行其他滤波而传输给所述的末级放大器EVS。

Claims (11)

1.在电声变换器中用于控制音频信号低音放音的方法，其中
a)所述音频信号(AS)的频率成分(FK、FK｀)被隔离，并且用一个根据所述音频信号(AS)而计算出的放大系数(VF)被放大(VS、VS1)，
b)所述被放大的音频信号(AS)的频率成分(VSFK)和所述音频信号(AS)如此被组合(KM、KM｀)，使得产生一个被修正的音频信号(MAS)，
c)所述被修正的音频信号(MAS)被传输至所述的电声变换器(EAW)，
其特征在于，
d)所述的音频信号(AS)为了隔离和放大第一频率成分(FK)而被带通滤波(BPF、BPF1)，
e)为了计算所述的放大系数(VF)(MBVF、MBVF｀)，
e1)所述音频信号(AS)被低通滤波和/或带通滤波(BPF、BPF1、TPF、TPF1)以隔离第二频率成分(FK｀)，
e2)未被滤波的、被低通滤波的和/或被带通滤波的音频信号(AS、FK｀)的包络和/或能量被计算(MBSE、MBSE1)。
2.根据权利要求1的方法，其特征在于，
所述的带通滤波借助一种“有限脉冲响应”滤波器(FIR-F)来实施。
3.根据权利要求1的方法，其特征在于，
所述的带通滤波借助一种“无限脉冲响应”滤波器(IIR-F)来实施。
4.根据权利要求2的方法，其特征在于，
所述的与被放大的频率成分(VFK)相组合的音频信号(AS)被缓冲(ZWS)。
5.根据权利要求1至4之一的方法，其特征在于，
为了隔离和放大所述的频率成分以及为了计算所述的放大系数而借助一个单独的带通滤波器(BPF、BPF1)来进行带通滤波。
6.根据权利要求1至4之一的方法，其特征在于，
为了隔离和放大所述的频率成分而借助一个带通滤波器(BPF、BPF1)来进行带通滤波，并且为了计算所述的放大系数而借助另一个带通滤波器来进行带通滤波。
7.根据权利要求1至6之一的方法，其特征在于，
所述的被修正的音频信号(AS)为了放大被选择的频率而被滤波(PRF、PRF1)。
8.根据权利要求1至7之一的方法，其特征在于，
所述方法在一个用于输出和/或重现音频信号的电子设备中被实施。
9.用于在电声变换器中控制低音放音的装置，其中
(a)具有隔离工具(BPF、BPF1、TPF、TPF1)，所述的音频信号(AS)被施加到该隔离工具的输入端上，并且该隔离工具用于隔离所述音频信号(AS)的频率成分(FK、FK｀)，
(b)具有根据所述的音频信号(AS)来计算放大系数(VF)的计算工具(MBVF、MBVF1)，
(c)具有一个放大器(VS、VS1)，该放大器与所述的隔离工具和计算工具如此来连接，使得所述音频信号(AS)的频率成分(FK、FK｀)利用所计算出的放大系数(VF)被放大，
(d)具有组合工具(KM、KM1)，其中所述的音频信号(AS)和所述被放大的音频信号(AS)的频率成分(VSFK)被施加到该组合工具的输入端上，并且该组合工具如此组合所述的频率成分(AS)和所述音频信号(AS)的被放大频率成分(VSFK)，使得在该组合工具(KM、KM1)的输出端上具有一个适合所述电声变换器(EAW)的被修正的音频信号(MAS)，
其特征在于，
(e)具有至少一个带通滤波器(BPF、BPF1)，或者分别具有至少一个带通滤波器(BPF、BPF1)和低通滤波器(TPF、TPF1)来用于隔离所述音频信号(AS)的第一频率成分(FK)和第二频率成分(FK｀)，
(f)在所述的带通滤波器(BPF、BPF1)中有一个带通滤波器在输出侧与所述放大器(VS、VS1)相连以用于隔离所述第一频率成分(FK)，
(g)具有用于计算信号包络和/或信号能量(MBSE、MBSE1)的工具，其中未被滤波的、被低通滤波的和/或被带通滤波的音频信号(AS、FK｀)施加到其输入侧，
(h)所述的用于计算放大系数(VF)的计算工具(MBVF、MBVF1)在输入侧与所述的用于计算信号包络和/或信号能量(MBSE、MBSE1)的工具相连，并且在输出侧为了调节所述的放大系数(VF)而与所述的放大器(VS、VS1)相连。
10.根据权利要求9的装置，其特征在于，
具有一个表示滤波器(PRF、PRF1)来用于放大被修正的音频信号(MAS)的被选择的频率。
11.根据权利要求9或10的装置，其特征在于，
所述的装置被集成或包含在一个用于输出和/或重现音频信号的电子设备中。
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