CN1674451A - 动态均衡技术 - Google Patents

Abstract

动态均衡技术包括在一个手动操作的音量控制前的电平检测，和根据电平检测和手动设置的音量控制设置来校正频率特性。

Description

动态均衡技术

技术领域

本发明总体而言涉及的是动态均衡技术，更具体地说，是关于综合了电平检测和手动选择音量检测的动态均衡技术。

背景技术

作为背景技术，美国专利号RE37,223和5,361,381可作参考。本发明的一个重要目的是提供改良的动态均衡技术。

                       计算机程序列表附录

动态均衡光盘中的资料为6K字节，创建于2004年1月14日，包含在此用于参考。

发明内容

响应于一个输入信号的电平检测和手动设置音量控制的设置，对频率特性进行动态的校正。所述的电平检测在所述信号传送到手动设置音量控制之前进行。

根据本发明的一个方面，频率特性变化的时间常量需要被创建，以便减少压缩器人为因素效应。为减少压缩器手动效应的另一个特点包括限制检测到输入的最小值。

通过下面的详细描述，如再联系附图进行阅读，本发明的其他特点、目的和优点将变得显而易见：

附图说明

图1为本发明的系统的逻辑电路；

图2为实现本发明的收音机各部分的框图。

具体实施方式

现在请参考附图特别是请参考图1，其中示出了一个框图，用来说明根据本发明的系统的逻辑配置情况。本发明可在硬件中实施，也可在硬件和软件的组合中实施，并且可采用模拟电路、数字信号处理技术或者二者的组合来实现。一个具体的实施例包括一个保存用于一个数字信号处理芯片的程序指令的闪存。

所述系统对输入终端11上的一个输入的音频信号进行处理，以便根据本发明，在输出终端12上提供一个动态均衡过的输出信号。输入终端11上的所述输入信号被传送到手动控制音量控制13，其增益由线路14上的一个手动设置的音量设置信号设定，所述信号也被传送到加法器18。输入终端11上的所述输入信号也被传送到电平检测器15。典型的电平检测器15是一个峰值检波器，尽管也可以采用其他电平检测器。电平检测器15提供一个代表所述输入信号电平的线性信号，对其进行对数处理16，以便为Max 17提供一个以分贝(db)方式表示所述输入信号的信号。在一个实施例中，一个最大定标(full scale)输入信号的检出电平被规定为0db。常量19，其值为20dB，被用来设置Max 17允许输出值的范围，在本例中介于0dB和-20dB之间。不过，也可以为常量18选择其他值。包括了一个限幅器的Max 17将其输出馈送到电平检测器15，以便限制电平检测器15输出被允许衰减到的最小电平。例如，如果输入信号11的电平参照最大定标值低于-20dB，则来自Max17的反馈信号将不允许电平检测器15的输出低于-20dB。加法器18通过线路23将一个第一和信号传送给在一个在线路25上接收系统校准常数的第二加法器24。根据需要，加法器18和24也可以合并为一个单一的加法操作。被加到加法器18输出上的系统校准常量在输出线路26上提供一个校准过的和信号，将其输送到最低电平控制器27。

SysCal常量是采用本发明的具体系统的代表。SysCal是一个数字，在包括本发明的相关音响系统在一个典型的房间中运转期间(假定放大器在其线性范围内工作)，如将它与加法器18的输出上给出的值相加时，可给出一个代表所得的SPL(在线路26上)的估计值。它将均衡系统中在加法器18的输出和当前实际的SPL之间出现的任何增益，包括放大器增益、换能器增益(从电气输入到SPL输出)以及房间(room)增益。检测具体实施例中的SysCal的一种方法包括在一个演示(representative)房间中操作一个实施本发明的系统。加法器18的输出以及室内存在的声压(以dBSPL进行测量)被同时进行测量。这些数值之间的差就是SysCal。对于本发明的一个具体的收音机，SysCal常量为114db。

最低电平控制器27将输出声压级的最大估计值限制在一个由线路31上的Max SPL常量设定的水平，对于前述的具体收音机而言为90db。Max SPL常量被选择为大致可与电声系统在一个典型的室内可形成的最大SPL相匹配，可说明系统的大信号状态。当系统处在或接近其最大输出能力的工作状态时，最小电平控制器27可防止声压的估计值显著地超过实施本发明的系统所在环境中的实际SPL。对环境中的SPL的过高估计将导致施于系统的动态均衡不足。Max SPL常量和最小电平控制器27的组合被用来均衡在大信号情况下，系统的增益(主要是电气增益，但也可能包括音响系统的增益)减少的情况。在一些情况下，当输入信号电平增加时，输出声压级将不再增加。

一个典型系统可能包括一个系统限幅器，可用于防止系统放大器发生限幅(clip)。所述限幅器实现这一功能的方法，是在放大器的输入出现一个大到足以造成放大器发生限幅的信号时，动态地减少系统(电气的)增益。SPL估计值的限制没有采用如上述的一个Max SPL常量，而是用一个动态跟踪系统增益的修改过的值来进行限制。一个系统限幅器的输出可被反馈到最小电平控制器27以便防止SPL估计值超过环境中的实际SPL。

最低电平控制器27在线路32上提供一个输出信号，该信号是听众收听具有输出信号12驱动的电声设备(放大器和扬声器，未列出)的一个音频系统时遇到的一个声压级的估计值。SPL估计值信号被通过线路32传送给响度映射功能33。映射功能33测定出SPL估计值与线路34上提供给增益控制器35的增益信号之间的关系。映射功能33特别地被设置为一个查询表，但也可以通过一个为用于描述所需的映射情况而创建的函数计算得到。映射功能的形式取决于用于动态均衡所需信号的元素的拓扑结构。下面描述了一个实现了图1所示出拓扑结构的实施例的一个典型的映射功能的推导。所述映射函数描述了低频均衡和声压级之间的一种关系。除了拓扑结构之外，所述关系独立于采用它的系统。建立一个映射函数也是有可能的，所述映射函数完全独立于所述系统，包括拓扑结构方面。如果是这样的话，将需要一个独立的块来对映射函数进行转换，以便在一个具体的拓扑结构中使用它。

在不同的系统中使用本文描述的动态EQ技术通常将需要对SysCal和Max SPL常量进行修改，但不需对映射功能进行变动。应该说明的是，如实际需要，将SysCal和Max SPL功能结合为一个单独的映射功能也是可能的。这样的一个配置的运行与图1的系统相同，除了所述映射函数不再独立于采用它的系统，这将造成多种器件生产上的复杂化。图1的结构将系统相关和系统无关的功能分离，目的是为了提高本发明在不同产品间的灵活性。

增益控制器35对带通滤波器36提供的输出信号的电平进行控制，所述电平特别具备一个位于系统发出的最低频率处的中心频率，并被手动控制的音量控制13的输出所激励，该输出被提供给输出加法器37。输出加法器37将手动控制的输入信号与增益控制器35提供的信号组合，以便在输出12上提供根据本发明动态均衡过的输出信号。实际上，合成的信号具有介于约200Hz和带通滤波器36的中心频率之间的频谱分量，所述频谱分量被逐渐地(progressively)放大，其作为一个频率的函数，在频率减少到一个与检出输入信号和音量控制设置有关的数量时，其将增加，这由映射功能或查询表33确定。

一个实现了图1所示出拓扑结构的实施例的映射功能33可从前述的U.S.Pat.No.RE37,233的图6中图表列出的数据推导得来。图6的曲线顶段与94dBSPL关联。带通滤波器36的中心频率与所述曲线族的低频峰值关联，在这个实施例中大约为50Hz。下面将对图6中标记为65％的曲线的映射参数的推导进行描述。所述65％曲线相当于一个约为71dBSPL的SPL。所述曲线(注意没有低音增强的那些高频部分)比标记为t94dBSPL的最高的曲线大约低23dB。针对一个等于71dBSPL的SPL估计值，增益块36所需的增益通过比较65％曲线在低频峰值(50Hz)上的数值和高频的数值测得。对于65％曲线，高频电平大约为-10.5dB而峰值电平大约为-2dB。因此，增益应为约8.5dBdB。其他估计的SPL电平的数值也可以通过类似的方式测得，产生的数据输入到一个查询表中。在图6中介于曲线之间的SPL估计的数据可以进行插值(interpolated)。或者，一个多项式或其他函数也可适用于所得到的数值序列，当需要一个增益值时函数即进行运算。

本发明具有许多优点。通过在将信号传送到手动设置音量控制之前进行电平检测，可得到音量控制设置响应性方面的优点。音量控制变化和信号电平变化的动态补偿响应性可以各自独立地进行设置。优选的方法是将对音量控制设置变化进行均衡的动态均衡操作即刻进行(尽管时间常量在必要时可与这些变化相关联)，而对输入信号电平变化进行均衡的动态均衡操作可施加时间常量以便减少可听的人为因素(audible artifacts)(时间常量下面将进行详细的论述)。当手动降低系统音量时造成输入信号降低时，这种设置避免了可能在动态均衡系统中持续一定长的时间的瞬间低音损失。本发明的实施例允许在均衡校正中使用与手动音量电平校正和信号电平变化相关联的不同时间常量。

在一个实施例中，旁路(side chain)处理(旁路包括元件15-19，21，23-27，31，32，33)是以块形式完成的。256个采样(或大约5.8毫秒的音频数据)被获取并被处理。电平检测器15计算一个块中采样的RMS值，dB 16将这个计算得到的值转换为一个对数值，Max 17将这些块值的变化范围限制为20dB，并为电平检测器15提供反馈，如前所述。所选的块大小基本上确定当输入电平变化时电平检测器可以变化多快。上升时间常量因此与块的大小相关，在本例中大约为5.8毫秒。衰减时间常量被选出以便减少与动态改变所施加的均衡更相关联的可听的人为因素效应。在一个实施例中，被选出的衰减时间常量为10秒级，尽管更长如20秒左右的时间常量也可能是可取的。

下面列出了一个典型的输入电平检测代码：k＝p-＞dynqe.timeConstant；//当前值＝0.99942漂移点＝exp(-1/1723)，大约7帧＝256*7)

p-＞dyneq.slower_smoothed_rms＝

MAX(m，scalarMult(k，p-＞dyneq.slower_smoothed_rms))；

换而言之，这种方法是一种快速上升和慢衰减的方法。每个帧需要256个采样(或大约5.8毫秒)的数据。测量得出256个数据采样的帧(或块)的均方信号(m)。如果它(m)大于慢速衰减的最后一个估计值(命名为p.slower_smoothed_rms)，则它(m)立刻变为新的估计值，否则旧的估计值将以10秒的时间常量衰减。

因为旁路处理是在一个块的基础上完成的，映射功能33的输出平均每5.8毫秒变化一次，这种变化导致增益35每5.8毫秒变化一次。一个有40Hz截止频率的单极点过滤器被置于映射函数的输出和增益单元35之间，以平滑增益的变化而实现减少可听的人为因素效应(如步进(stairstep)或zipper噪声)，否则如果增益35以一种步进方式变化，所述人为因素效应将可能明显。此外，与信号电平变量关联的时间常量可被选择以便减少随时间变化的增益连带的人为因素效应。进一步还有一个优点在于，通过限制检测到输入的最小值，减少人为因素效应。由于电平检测器不需要对音量控制的整个动态范围进行调节，它的值的范围可以被限制在源信号电平中期望的变化内，典型值为20dB左右，但与后-音量检测的60db或更多相比也可能更小。此外，限制电平检测器的动态范围还有一个优点，即在一个暂态过程(transient event)期间减少最大可能的误差，如紧跟一个稳态过程(quiet passage)之后的突然上升(sudden attack)期间中过度的低音(excess bass)。本发明对室内的声压级(SPL)形成估计值典型的方法，首先是通过检测输入信号，将它从一个线性范围变换到一个以分贝(db)为单位的对数范围。这个检测到的电平被限制在一个大小足够适应预期的输入源值的范围之内。然后，音量设置被加到检出电平，以便确定给动态均衡器的有效电气输入电平。接着，再加上一个比例因子(SysCal)以便形成室内的SPL的一个估计值。这一估计值受一个代表重放系统限制的上限所约束。最终的SPL估计值被所需的响度映射功能作为一个输入，以便产生必需的带通滤波器增益。

参考图2，其中所示出的框图对一个实现本发明的收音机部分的逻辑电路进行了说明。由开关41所选中并被传输到输入模-数转换器42的输入端的一个音频输入信号，被根据本发明动态均衡过的扬声器43所再现。所述音频输入信号可为终端41A上的一个FM信号、终端41B上的一个CD信号或者终端41C上的一个辅助信号，例如来自一台电视。所述音频输入信号被传输到模-数转换器42的输入端以便提供一个相应的数字信号，该数字信号被传输到数字信号处理器44，后者从音量控制45接收一个音量控制设置信号，并与存储了前面提及并在附带的CD-ROM中的程序指令的闪存单元46交换数字信息。数字信号处理器44提供一个按照上述方法处理过的动态均衡后的数字信号给数-模转换器47，所述数-模转换器将一个相应的动态均衡后的信号提供给激励扬声器42的功率放大器51的输入端。

前面对用于动态均衡技术的新颖的装置和技术进行了描述。很明显，对于本领域的技术人员而言，可以在不脱离本发明的概念的情况下，对于这里描述过的具体装置和技术进行众多的应用、修改以及变更。因此，可以认为本发明包括了文中已经展示过、或者为文中公开的装置和技术所拥有的全部新特征以及新的特征的组合，仅受限于所附的权利要求书中的精神和范围。

Claims (11)

1、动态均衡装置包括：

一个输入终端和一个输出终端；

一个有第一和第二输入的输出加法器；

一个手动控制的音量控制器，将所述输入终端和所述第一输入互相耦合；

电平检测器，该电平检测器的输入与所述输入终端耦合，提供一个代表所述输入终端上电平的电平信号；

一个电平加法器，包括一个用于接收所述电平信号的第一输入以及一个与所述手动控制音量控制器相耦合的第二输入，所述手动控制音量控制器接收一个代表手动控制音量设置的信号以便提供一个复合的电平音量设置信号；

一个带通滤波器，其输入与所述手动控制的音量控制器的输出相耦合，其特性为以预定的低音频率为中心频率；

一个查询表，其输入与所述电平设置加法器的输出相耦合，提供一个代表所需增益的增益信号，所述增益取决于输入信号电平和手动设置音量控制器的设置；

以及一个增益控制器，它将带通滤波器与所述输出加法器的第二输入耦合，并与查询表的输出耦合，响应后者的输出以便建立所述所需的增益。

2、如权利要求1所述的动态均衡装置，其中有将检测出的输入电平限制到最小值的装置。

3、如权利要求1所述的动态均衡装置，其中所述装置包括将传送到查询电路的信号限制为一个代表预设最大值的信号的装置。

4、如权利要求1所述的动态均衡装置，另外包括一个输出限幅器和一个为解决限幅过程中的系统增益损失而建立和布置的从限幅器到电平检测器的反馈电路。

5、如权利要求1所述的动态均衡装置，其建立和布置的目的是获得一个不同于与所述电平检测器有关的第二衰减时间常量而与所述电平检测器有关的第一上升时间常量。

6、如权利要求5所述的动态均衡装置，其中所述第一时间常量为一个快速上升时间常量，所述第二时间产为一个慢速衰减时间常量。

7、一种动态均衡的方法包括：

检测一个输入音频信号的电平，以便提供一个检出的输入电平信号；

检测一个手动操作音频控制的设置；

对所述输入音频信号电平的检测发生在输入信号被传送到所述手动操作音量控制之前；

使用响应检测出的输入电平控制信号和手动操作的音量控制设置所调整的可调整频率响应，在通过所述手动设置音量控制对音频信号进行音量调整之后，对该音频信号进行处理；以及

限制检出的输入电平信号的动态范围。

8、如权利要求7所述的一种动态均衡方法，另外包括：

增加所述输入电平信号和所述手动控制的音量控制设置信号，以便提供一个复合的电平音量设置信号；

将手动控制的音量控制器的输出施加到一个低音频谱分量的滤波器；

对复合的电平音量设置信号进行处理，以便提供代表所需的增益的信号，所述增益取决于输入信号电平和手动设置的音量控制设置；

将所述滤波器的输出施加到一个增益已设置为所述所需增益的增益控制器；

以及将所述增益控制器的输出加到手动控制的音量控制器输出信号，以便提供一个动态均衡过的输出信号。

9、如权利要求8所述的一种动态均衡方法，其中对复合的电平音量设置信号进行的处理包括将后者的信号施加到一个查询表，以便提供代表所需增益的所述信号。

10、如权利要求7所述的方法，该方法允许检出的输入电平信号依照第一上升时间常量而增加，依照与所述第一时间常量不同的第二衰减时间常量而减少。

11、动态均衡装置包括：

一个输入终端和一个输出终端；

一个在所述输入终端和所述输出终端之间的手动控制的音量控制器；

一个输入与所述输入终端耦合，且提供一个代表所述输入终端上电平的电平信号的电平检测器；

一个与所述电平检测器相耦合的限幅器，将其构造和布置以便限制所述电平信号的动态范围；

一个在所述手动控制的音量控制器与所述输出终端之间耦合的低音频谱分量滤波器；

一个信号处理器，在所述电平检测器与所述滤波器之间耦合，将其构造和布置以便在所述滤波器和所述输出终端之间提供一个代表所需的增益的增益信号，其中所述的所需增益信号取决于所述输入信号电平和所述手动设置的音量控制设置；

以及一个增益控制器，它在滤波器与所述输出之间，将其构造和布置以便响应所述增益信号建立所述的所需增益。

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