CN1819720A - 一种串音消除装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种串音消除装置及其方法，用于消除含有3D信息的双声道音频用两个扬声器来播放时产生的串音，其中：用调节单元和滤波器对得到的左声道和右声道的采样信号序列分别进行延迟处理和滤波处理，得到左声道延迟后信号序列、右声道延迟后信号序列、左声道滤波后信号序列和右声道滤波后信号序列；将左声道延迟后信号序列和右声道滤波后信号序列通过加法器进行相加后，从左扬声器输出，同时将左声道滤波后信号序列和右声道延迟后信号序列通过加法器进行相加后，从右扬声器输出。采用本发明，能消除串音并且保证音质。

Description

一种串音消除装置及其方法

技术领域

本发明涉及语音处理领域，尤其涉及一种串音消除装置和方法。

背景技术

当含有3D信息的双声道音频用两个扬声器来播放时，因为左耳能听到右扬声器的发声，右耳能听到左扬声器的发声，会给立体声或者3D效果带来很大的损害。

如图1所示，用4个滤波器来表示从扬声器到人耳的信号传播效果。A_LL是表示从左扬声器到左耳的传播效应的传输函数，A_LR是表示从左扬声器到右耳的传播效应的传输函数，A_RR是表示从右扬声器到右耳的传播效应的传输函数，A_RL是表示右扬声器到左耳的传播效应的传输函数。用x₁和x₂表示输入的左声道和右声道的采样信号序列，y₁和y₂表示听者左右耳分别听到的声音。这样，从扬声器到人耳之间的传播可以用以下方程来表示：

$\left[\begin{array}{c}{y}_1\\ y_2\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}{A}_{\mathrm{LL}}& A_{\mathrm{RL}}\\ A_{\mathrm{LR}}& A_{\mathrm{RR}}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{x}_1\\ x_2\end{array}\right]---\left(1\right)$

串音消除的数学处理方法是希望找到适当的滤波器，对音频进行滤波之后再用扬声器进行播放，使得左耳只听到左扬声器的发声，右耳只能听到右扬声器的发声。

如图2所示，一种已知的串音消除装置包括4个滤波器h₁₁，h₁₂，h₂₁，h₂₂和两个加法器CX1和CX2。

这样，从扬声器到人耳之间的传播可以用以下方程表示：

$\left[\begin{array}{c}{y}_1\\ y_2\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}{A}_{\mathrm{LL}}& A_{\mathrm{RL}}\\ A_{\mathrm{LR}}& A_{\mathrm{RR}}\end{array}\right]\left[\begin{array}{cc}{h}_{11}& h_{12}\\ h_{21}& h_{22}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{x}_1\\ x_2\end{array}\right]---\left(2\right)$

要满足：

$\left[\begin{array}{c}{y}_1\\ y_2\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{x}_1\\ x_2\end{array}\right]---\left(3\right)$

则有：

$\left[\begin{array}{cc}{A}_{\mathrm{LL}}& A_{\mathrm{RL}}\\ A_{\mathrm{LR}}& A_{\mathrm{RR}}\end{array}\right]\left[\begin{array}{cc}{h}_{11}& h_{12}\\ h_{21}& h_{22}\end{array}\right]=I---\left(4\right)$

针对两个音箱和人头之间成等边三角形的情况，扬声器到人耳的传输矩阵可以表示为：

$C=\left[\begin{array}{cc}{c}_1& c_2\\ c_2& c_1\end{array}\right]---\left(5\right)$

其反矩阵为：

$C^{-1}=H=\frac{1}{c_1^2-c_2^2}\left[\begin{array}{cc}{c}_1& {-c}_2\\ {-c}_2& c_1\end{array}\right]---\left(6\right)$

在已知c₁和c₂的情况下，可以使用Adaptive Equalization(自适应滤波法)或者De-convolution(快速反卷积法)的方法，通过某些近似得到矩阵H中的滤波器的冲击响应。从而确定串音消除装置中各个滤波器的值。其解决方案可以通过图3来表示，其中，滤波器CS(即h₁₁和h₂₂)和CD(即h₁₂和h₂₁)的系统函数如下：

$\mathrm{CS}=\frac{c_1}{c_1^2-c_2^2},$ $\mathrm{CD}=\frac{{-c}_2}{c_1^2-c_2^2}$

这种串音消除装置和方法的缺点是通过Adaptive Equalization或者De-convolution方法得到的滤波器组成的串音消除装置，由于滤波器CS会引起信号频谱特征的变化，经常会导致音质的下降，引起音频频谱上的扭曲。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种串音消除装置和方法，能消除串音并且保证音质。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种串音消除装置，包括连接到左扬声器的左加法器，连接到右扬声器的右加法器，用于接收左声道采样信号序列并输出到所述左加法器的调节单元H₁₁，用于接收右声道采样信号序列并输出到所述右加法器的调节单元H₂₂，用于接收左声道采样信号序列并输出到所述右加法器的滤波器H₁₂，用于接收右声道采样信号序列并输出到所述左加法器的滤波器H₂₁，其特征在于，所述调节单元H₁₁和H₂₂均为延迟器。

进一步地，上述装置还可具有以下特点：所述调节单元H₁₁为延迟器Z^-D1，所述调节单元H₁₁为延迟器Z^-D2，其中D1、D2均为采样周期的个数。

进一步地，上述装置还可具有以下特点：根据传递函数H₁(Z)选择所述滤波器H₁₂，根据传递函数H₂(Z)选择所述滤波器H₂₁，所述传递函数D₁(Z)和H₂(Z)由下式得到：

$H_1\left(Z\right)=\frac{{-Z}^{-D_1}{A}_{\mathrm{LR}}}{A_{\mathrm{RR}}},$ $H_2\left(Z\right)=\frac{{-Z}^{-D_2}{A}_{\mathrm{RL}}}{A_{\mathrm{LL}}}$

其中，A_LL是表示从左扬声器到左耳的传输函数，A_LR是表示从左扬声器到右耳的传输函数，A_RR是表示从右扬声器到右耳的传输函数，A_RL是表示右扬声器到左耳的传输函数。

进一步地，上述装置还可具有以下特点：所述滤波器H₁₂和滤波器H₂₁均为有限冲击响应滤波器。

本发明还提供了一种串音消除方法，用于消除含有3D信息的双声道音频用两个扬声器来播放时产生的串音，包括以下步骤：

(a)对得到的左声道和右声道的采样信号序列分别进行延迟处理和滤波处理，得到左声道延迟后信号序列、右声道延迟后信号序列、左声道滤波后信号序列和右声道滤波后信号序列；

(b)将左声道延迟后信号序列和右声道滤波后信号序列进行相加后，从左扬声器输出，同时将左声道滤波后信号序列和右声道延迟后信号序列进行相加后，从右扬声器输出。

进一步地，上述方法还可具有以下特点：所述步骤(a)是将左声道采样信号序列延迟D1个采样周期，将右声道采样信号序列延迟D2个采样周期。

进一步地，上述方法还可具有以下特点：所述步骤(a)对左声道采样信号序列进行滤波处理时，是将该采样信号序列乘以一个传递函数H₁(Z)，对右声道采样信号序列进行滤波处理时，是将该采样信号序列乘以一个传递函数H₂(Z)，且有：

$H_1\left(Z\right)=\frac{{-Z}^{-D_1}{A}_{\mathrm{LR}}}{A_{\mathrm{RR}}},$ $H_2\left(Z\right)=\frac{{-Z}^{{-D}_2}{A}_{\mathrm{RL}}}{A_{\mathrm{LL}}}$

其中，A_LL是表示从左扬声器到左耳的传输函数，A_LR是表示从左扬声器到右耳的传输函数，A_RR是表示从右扬声器到右耳的传输函数，A_RL是表示右扬声器到左耳的传输函数。

进一步地，上述方法还可具有以下特点：所述步骤(a)对左声道和右声道采样信号序列进行滤波处理时，是让各自信号分别经过一个有限冲击响应滤波器。

本发明还提供了一种串音消除装置的制造方法，包括以下步骤：

(a)根据听者与音箱之间的头部相关传输函数，确定从左扬声器到左耳的传输函数A_LL，从左扬声器到右耳的传输函数A_LR，从右扬声器到右耳的传输函数A_RR，从右扬声器到左耳的传输函数A_RL；并根据A_LL和A_RL之间的差异确定对左声道采样信号序列进行延迟所需的采样周期数目D1，根据A_RR和A_RL之间的差异确定对右声道采样信号序列进行延迟所需的采样周期数目D2；

(b)计算要达到串音消除，需对左声道和右声道采样信号序列进行滤波处理要采用的传递函数H₁(Z)和H₂(Z)；

(c)选择可将采样信号延迟采样周期数目D1的延迟器H₁₁，可延迟采样周期数目D2的延迟器H₂₂，以及用于实现传递函数H₁(Z)的滤波器H₁₂，用于实现传递函数H₂(Z)的滤波器H₂₁，并提供两个加法器CX1和CX2；

(d)将延迟器H₁₁和滤波器H₁₂的输出端连接到加法器CX1的输入，将延迟器H₂₂和滤波器H₂₁的输出端连接到加法器CX2的输入，且加法器CX1的输出端用于连接到左扬声器，加法器CX2的输出端用于连接到右扬声器，延迟器H₁₁和滤波器H₁₂的输出端用于接收左声道采样信号序列，延迟器H₂₂和滤波器H₂₁的输入端用于接收右声道采样信号序列，得到一个可消除串音的装置。

进一步地，上述制造方法还可具有以下特点：所述步骤(b)中按以下公式计算出传递函数H₁(Z)和H₂(Z)：

$H_1\left(Z\right)=\frac{{-Z}^{-D_1}{A}_{\mathrm{LR}}}{A_{\mathrm{RR}}},$ $H_2\left(Z\right)=\frac{{-z}^{-D_2}{A}_{\mathrm{RL}}}{A_{\mathrm{LL}}}$

其中，A_LL是表示从左扬声器到左耳的传输函数，A_LR是表示从左扬声器到右耳的传输函数，A_RR是表示从右扬声器到右耳的传输函数，A_RL是表示右扬声器到左耳的传输函数。

进一步地，上述方法还可具有以下特点：所述滤波器H₁₂和滤波器H₂₁均选择有限冲击响应滤波器。

综上所述，本发明提供的一种串音消除装置和方法，能够克服现有技术中消除串音时引起音频频谱上的扭曲，导致音质的下降的问题，在消除串音的同时保证音质。

附图说明

图1是从扬声器到人耳的信号传播示意图；

图2是现有技术中串音消除装置的示意图；

图3是现有技术中两个音箱和人头之间成等边三角形的情况下的串音消除装置的示意图；

图4是本发明实施例的串音消除装置的示意图。

具体实施方式

本实施例串音消除装置如图4所示，包括连接到左扬声器的左加法器；连接到右扬声器的右加法器；用于接收左声道采样信号序列并输出到左加法器的延迟器Z^-D1；用于接收右声道采样信号序列并输出到右加法器的延迟器Z^-D2；用于接收左声道采样信号序列并输出到右加法器的有限冲击响应(FIR)滤波器H₁(Z)；用于接收右声道采样信号序列并输出到所述左加法器的FIR滤波器H₂(Z)，其中：

延迟器Z^-D1表示令左声道产生D₁个采样周期的延迟，延迟器Z^-D2的Z^-D2令右声道产生D₂个采样周期的延迟，D₁和D₂为自然数，其值可以根据经验得到；

为了进行串音消除，H₁(Z)和H₂(Z)应该满足以下条件：

Z^-D1A_LR+H₁(Z)A_RR＝0

H₂(Z)A_LL+Z^-D2A_RL＝0

                                        (条件1)

$H_1\left(Z\right)=\frac{{-Z}^{-D_1}{A}_{\mathrm{LR}}}{A_{\mathrm{RR}}}$

即

$H_2\left(Z\right)=\frac{{-Z}^{-D_2}{A}_{\mathrm{RL}}}{A_{\mathrm{LL}}}$

在A_LL，A_RR，A_LR，A_RL已知的情况下，可以使用Adaptive Equalization或者De-convolution等方法来取得H₁(Z)和H₂(Z)的冲击响应。在得到上述传递函数后，再根据传递函数H₁(Z)和H₂(Z)选择尽可能接近的滤波器。

这样，将条件(1)代入公式(2)，可以算出听者最后听到的声音为：

y₁＝(Z^-D1A_LL+H₁(Z)A_RL)x₁

y₂＝(Z^-D2A_RR+H₂(Z)A_LR)x₂

上式中，x₁和x₂表示输入的左声道和右声道的采样信号序列，y₁和y₂表示听者左右耳分别听到的声音，可见，听者的耳朵听不到异侧声道，另外，由于串音消除装置中，声音从左、右声道传递到同侧人耳的路径上仅仅使用了两个延时器Z^-D1和Z^-D2，因而避免了使用现有技术滤波器时对音质的改变，尽可能地保留了串音消除处理之前的音质。

相应的，本实施例用于消除含有3D信息的双声道音频用两个扬声器来播放时产生的串音方法，包括以下步骤：

步骤一，将左声道采样信号序列延迟D1个采样周期，得到左声道延迟后信号序列，并将该采样信号序列经过一个传递函数为H₁(Z)的有限冲击响应滤波器，得到左声道滤波后信号序列；

同时，将右声道采样信号序列延迟D2个采样周期，得到右声道延迟后信号序列，并将该采样信号序列乘以一个传递函数H₂(Z)的有限冲击响应滤波器，得到右声道滤波后信号序列；

步骤二，将左声道延迟后信号序列和右声道滤波后信号序列进行相加后，从左扬声器输出，同时将左声道滤波后信号序列和右声道延迟后信号序列进行相加后，从右扬声器输出。

传递函数H₁(Z)和H₂(Z)的计算方法上面已经描述，不再重复。

由上所述还可以得到本实施例一种串音消除装置的制造方法，包括以下步骤：

步骤A，根据听者与音箱之间的头部相关传输函数(Head RelativeTransfer Function，HRTF)，确定从左扬声器到左耳的传输函数A_LL，从左扬声器到右耳的传输函数A_LR，从右扬声器到右耳的传输函数A_RR，从右扬声器到左耳的传输函数A_RL；并根据A_LL和A_RL之间的差异确定对左声道采样信号序列进行延迟所需的采样周期数目D1，根据A_RR和A_RL之间的差异确定对右声道采样信号序列进行延迟所需的采样周期数目D2；

步骤B，计算要达到串音消除，需对左声道和右声道采样信号序列进行滤波处理要采用的传递函数H₁(Z)和H₂(Z)；

传递函数H₁(Z)和H₂(Z)的计算方法上面已经描述，不再重复。

步骤C，选择可将采样信号延迟采样周期数目D1的延迟器H₁₁，可延迟采样周期数目D2的延迟器H₂₂，以及用于实现传递函数H₁(Z)的滤波器H₁₂，用于实现传递函数H₂(Z)的滤波器H₂₁，并提供两个加法器CX1和CX2；

步骤D，将延迟器H₁₁和滤波器H₁₂的输出端连接到加法器CX1的输入，将延迟器H₂₂和滤波器H₂₁的输出端连接到加法器CX2的输入，且加法器CX1的输出端用于连接到左扬声器，加法器CX2的输出端用于连接到右扬声器，延迟器H₁₁和滤波器H₁₂的输出端用于接收左声道采样信号序列，延迟器H₂₂和滤波器H₂₁的输入端用于接收右声道采样信号序列，这样就得到了一个可消除串音的装置。

Claims (11)

1、一种串音消除装置，包括连接到左扬声器的左加法器，连接到右扬声器的右加法器，用于接收左声道采样信号序列并输出到所述左加法器的调节单元H₁₁，用于接收右声道采样信号序列并输出到所述右加法器的调节单元H₂₂，用于接收左声道采样信号序列并输出到所述右加法器的滤波器H₁₂，用于接收右声道采样信号序列并输出到所述左加法器的滤波器H₂₁，其特征在于，所述调节单元H₁₁和H₂₂均为延迟器。

2、如权利要求1所述的串音消除装置，其特征在于，所述调节单元H₁₁为延迟器Z^-D1，所述调节单元H₁₁为延迟器Z^-D2，其中D1、D2均为采样周期的个数。

3、如权利要求2所述的串音消除装置，其特征在于，根据传递函数H₁(Z)选择所述滤波器H₁₂，根据传递函数H₂(Z)选择所述滤波器H₂₁，所述传递函数H₁(Z)和H₂(Z)由下式得到：

$H_1\left(Z\right)=\frac{-Z^{D_1}{A}_{\mathrm{LR}}}{A_{\mathrm{RR}}},H_2\left(Z\right)=\frac{-Z^{D_2}{A}_{\mathrm{RL}}}{A_{\mathrm{LL}}}$

其中，A_LL是表示从左扬声器到左耳的传输函数，A_LR是表示从左扬声器到右耳的传输函数，A_RR是表示从右扬声器到右耳的传输函数，A_RL是表示右扬声器到左耳的传输函数。

4、如权利要求1所述的串音消除装置，其特征在于，所述滤波器H₁₂和滤波器H₂₁均为有限冲击响应滤波器。

5、一种串音消除方法，用于消除含有3D信息的双声道音频用两个扬声器来播放时产生的串音，包括以下步骤：

(a)对得到的左声道和右声道的采样信号序列分别进行延迟处理和滤波处理，得到左声道延迟后信号序列、右声道延迟后信号序列、左声道滤波后信号序列和右声道滤波后信号序列；

(b)将左声道延迟后信号序列和右声道滤波后信号序列进行相加后，从左扬声器输出，同时将左声道滤波后信号序列和右声道延迟后信号序列进行相加后，从右扬声器输出。

6、如权利要求5所述的串音消除方法，其特征在于，所述步骤(a)是将左声道采样信号序列延迟D1个采样周期，将右声道采样信号序列延迟D2个采样周期。

7、如权利要求6所述的串音消除方法，其特征在于，所述步骤(a)对左声道采样信号序列进行滤波处理时，是将该采样信号序列乘以一个传递函数H₁(Z)，对右声道采样信号序列进行滤波处理时，是将该采样信号序列乘以一个传递函数H₂(Z)，且有：

$H_1\left(Z\right)=\frac{-Z^{D_1}{A}_{\mathrm{LR}}}{A_{\mathrm{RR}}},H_2\left(Z\right)=\frac{-Z^{D_2}{A}_{\mathrm{RL}}}{A_{\mathrm{LL}}}$

其中，A_LL是表示从左扬声器到左耳的传输函数，A_LR是表示从左扬声器到右耳的传输函数，A_RR是表示从右扬声器到右耳的传输函数，A_RL是表示右扬声器到左耳的传输函数。

8、如权利要求5所述的串音消除方法，其特征在于，所述步骤(a)对左声道和右声道采样信号序列进行滤波处理时，是让各自信号分别经过一个有限冲击响应滤波器。

9、一种串音消除装置的制造方法，包括以下步骤：

(a)根据听者与音箱之间的头部相关传输函数，确定从左扬声器到左耳的传输函数A_LL，从左扬声器到右耳的传输函数A_LR，从右扬声器到右耳的传输函数A_RR，从右扬声器到左耳的传输函数A_RL；并根据A_LL和A_RL之间的差异确定对左声道采样信号序列进行延迟所需的采样周期数目D1，根据A_RR和A_RL之间的差异确定对右声道采样信号序列进行延迟所需的采样周期数目D2；

(b)计算要达到串音消除，需对左声道和右声道采样信号序列进行滤波处理要采用的传递函数H₁(Z)和H₂(Z)；

(c)选择可将采样信号延迟采样周期数目D1的延迟器H₁₁，可延迟采样周期数目D2的延迟器H₂₂，以及用于实现传递函数H₁(Z)的滤波器H₁₂，用于实现传递函数H₂(Z)的滤波器H₂₁，并提供两个加法器CX1和CX2；

(d)将延迟器H₁₁和滤波器H₁₂的输出端连接到加法器CX1的输入，将延迟器H₂₂和滤波器H₂₁的输出端连接到加法器CX2的输入，且加法器CX1的输出端用于连接到左扬声器，加法器CX2的输出端用于连接到右扬声器，延迟器H₁₁和滤波器H₁₂的输出端用于接收左声道采样信号序列，延迟器H₂₂和滤波器H₂₁的输入端用于接收右声道采样信号序列，得到一个可消除串音的装置。

10、如权利要求9所述的制造方法，其特征在于，所述步骤(b)中按以下公式计算出传递函数H₁(Z)和H₂(Z)：

$H_1\left(Z\right)=\frac{-Z^{D_1}{A}_{\mathrm{LR}}}{A_{\mathrm{RR}}},H_2\left(Z\right)=\frac{-Z^{D_2}{A}_{\mathrm{RL}}}{A_{\mathrm{LL}}}$

其中，A_LL是表示从左扬声器到左耳的传输函数，A_LR是表示从左扬声器到右耳的传输函数，A_RR是表示从右扬声器到右耳的传输函数，A_RL是表示右扬声器到左耳的传输函数。

11、如权利要求9所述的制造方法，其特征在于，所述滤波器H₁₂和滤波器H₂₁均选择有限冲击响应滤波器。

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