CN1871874A

CN1871874A - 自适应声音再现

Info

Publication number: CN1871874A
Application number: CNA2004800310801A
Authority: CN
Inventors: D·W·E·肖布本
Original assignee: Koninklijke Philips Electronics NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 2003-10-24
Filing date: 2004-10-06
Publication date: 2006-11-29
Also published as: WO2005041618A1; KR20060093722A; US20070071255A1; JP2007509558A; EP1680942A1

Abstract

为了防止当利用扩音器或类似变换器来对声音进行再现时的失真，如果特定频率范围(I)中的声音信号的幅度超过了阈值(L_MAXI)，则使其减小。本发明提议将幅度减小的频率全部或部分地映射到其它频率范围(II)。其结果是，总声级不会受影响。

Description

自适应声音再现

技术领域

本发明涉及自适应声音再现。尤其是，本发明涉及一种用于对音频信号进行再现的设备和系统，其可使音频信号适应于音频变换器。

背景技术

已为大家所熟知的是诸如扩音器这样的音频变换器具有频率相关的特性。虽然特定变换器可如实地对一个频率或频率范围进行再现，但是对另一频率范围进行再现则会引入声音失真。例如，较小扩音器典型地更适合于生成(再现)较高频率，同时较大扩音器通常可生成低频声音。在每个频率，变换器典型地具有所生成的其不会引入失真的一最大声级。在扩音器的情况下，例如通过圆锥体的最大偏幅(excursion)来确定该最大声级，任何较大的声级将会引起对声音信号的″剪裁(clipping)″，这会导致清楚可听的声音失真。

国际专利申请WO 01/03466(飞利浦)公开了这样一种扩音器保护系统，该系统包括：滤波器装置，用于定义音频信号的一个或多个频率范围；与滤波器装置相耦合的可控放大器/衰减器装置；以及被耦合以对放大器/衰减器装置进行控制的处理装置。该系统可确定至少一个所述频率范围中的音频功率，该频率范围表示在所述至少一个频率范围中用于选择的音频功率控制的相关扩音器保护信息。此处将WO 01/03466的整个内容引入到该文档中。

虽然WO 01/03466的系统在降低或甚至基本上消除特定频率范围中的信号失真方面非常有效，但是具有使一些频率范围衰减了这样的缺点，这会导致音量整体下降。

发明内容

本发明的一个目的就是克服现有技术的这些及其它问题并且提供这样一种方法和设备，该方法和设备基本上可消除信号失真，同时基本上可保持输出信号电平。

因此，本发明提供了一种用于增强音频信号的方法，该方法包括步骤：

●选择音频信号的频率范围，每个频率范围可包含其具有一信号电平的相应信号；

●确定第一频率范围中的信号电平；以及

●如果第一频率范围中的信号电平超过了阈值，则：

○使第一频率范围中的信号电平降低；并且

○使其与第一频率范围不同的第二频率范围中的信号电平增加。

通过确定第一频率范围中的信号电平、对所检测的信号电平与阈值电平进行比较、并且如果第一频率范围中的信号电平超过了阈值则降低第一频率范围中的信号电平，可防止信号失真。此后还通过使第二频率范围中的信号电平增加，该第二频率范围与第一频率范围不同，通过使第二频率范围中的信号电平增加基本上可补偿第一频率范围中的信号电平的降低。

在优选实施例中，第二频率范围高于第一频率范围。也就是说，第二频率范围包括除第一频率范围外的较高频率。这对于低频率尤其有利，这是因为使这些频率处于可感知的声级通常需要并不总是可用的大变换器。然而，本发明并不局限于第二频率范围高于第一频率范围并且可预见到第二频率范围包括比第一频率范围要低的频率这样的实施例。

进一步优选的是第二频率范围与第一频率范围相邻。也就是说，频率范围的下降最好是会导致下一(最好是较高)频率范围的增加。因而最接近的频率范围用于声级补偿，这会导致第一与第二频率范围之间的最小频率差。或者，或另外，可使一个或多个其它的非相邻的第二频率范围中的信号电平增加以对第一频率范围的降低进行补偿。

在尤其有利的实施例中，使第二频率范围中的信号电平增加的步骤包括将第一频率范围的一部分信号馈送到第二频率范围。与仅对第二频率范围信号进行放大相比，这可确保信号存在于第二频率范围之中并且提供了第一范围的降低与第二范围的增加之间的直接关联。

将第一频率范围的一部分信号馈送到第二频率范围最好是包括产生第一频率范围的信号的谐波。按照这种方式，从第一频率范围所馈送出的信号是其被调节到第二频率范围的频率。应该注意的是如果第二频率范围低于第一频率范围，那么有利地是可生成次谐波。

进一步有利的实施例包括步骤：如果第一频率范围中的信号电平超过了阈值，那么使与第一和第二频率范围不同的第三频率范围中的信号电平增加。如果第一和第二频率范围中的信号电平均超过了阈值，那么省略使第二频率范围中的信号电平增加的步骤。

最好是本发明的方法包括附加步骤：在选择频率范围的步骤之前调节音频信号。例如通过增大诸如低音频率这样的特定频率范围，这可使音频信号适合于特定变换器的特性和/或用于增强音频信号的设备的特性。

本发明进一步提供了一种用于增强音频信号的设备，该设备包括：

●滤波器装置，用于选择音频信号的频率范围，每个所选的频率范围可包含其具有一信号电平的相应信号；

●检测装置，用于确定至少第一频率范围中的信号电平；

●控制装置，用于产生控制信号以响应检测装置所确定的信号电平；以及

●信号放大/衰减装置，用于对相应频率范围的信号进行放大或使其衰减，

其中将控制装置设置成用于：

○确定第一频率范围中的信号电平是否超过了一相应阈值并且，如果这是真的则

○降低第一频率范围中的信号电平，并且

通过降低第一频率范围中的信号电平，可避免信号失真。

通过增加第二频率范围中的信号电平，基本上可使总声音输出保持未受影响。

虽然通过将适当的控制信号发送到相应信号放大/衰减装置可简单的增加第二频率范围中的信号电平，但是最好是本发明的设备进一步包括用于使第一频率范围的一部分信号转移到第二频率范围的转移装置。这可输出第二频率范围中的信号，即使没有输入信号存在于所述范围之中。

转移装置最好是包括一频移电路。这可使信号从第一频率范围转移到第二频率范围以使其适合适当的频率。为了使受控信号从第一频率范围转移到第二频率范围，最好是转移装置包括第一信号倍增器，该第一信号倍增器用于在将来自第一频率范围的信号馈送到相应的频移电路之前使该信号与第一系数相乘。类似的，最好是转移装置包括第二信号倍增器，该第二信号倍增器用于在将来自第一频率范围的频移信号馈送到其它频率范围之前使该信号与第二系数相乘。有利的是将控制装置设置成用于从控制信号中得到第一系数和/或第二系数。

本发明另外提供了这样一种音频系统，该音频系统包括如上述所定义的设备。

附图说明

下面参考在附图中所说明的示例性实施例对本发明进行说明，在附图中：

图1示意地给出了根据本发明的方法的优选实施例的流程图。

图2给出了根据本发明的声音调节电路的优选实施例的示意图。

图3示意地给出了本发明的方法和设备对音频信号起怎样的作用。

具体实施方式

仅仅通过图1流程图中的非限制性示例所说明的方法包括所执行的下述多个步骤，所述步骤用于对根据本发明的声音系统中的声级进行监测并且必要时对其进行调节。该声音系统可以是诸如所谓的立体声设备这样的消费声音系统、通告系统、语音合成器系统、或者用于生成声音的其它任何适合系统。

最好是对多个频率范围执行本发明的方法，并且最好是基本上并行的执行。图1的框图涉及一个这种频率范围并且应该明白的是对于其它频率范围可画出类似的或相同的框图。

在初始化步骤100之后，该方法继续步骤101，在该步骤中例如通过利用本身已为大家所熟知的峰值检测器来确定所关心的频率范围中的声级L。此后，在步骤102，对声级L与预定阈值声级L_MAX进行比较。可对该阈值声级L_MAX进行选择以便避免例如由于达到其最大偏幅的扬声器圆锥体(loudspeaker cone)所造成的任何声音失真。

如果所检测的声级L小于或等于阈值声级L_MAX或者其被数学的表示为如果L≤L_MAX，那么该程序回到步骤101。然而，如果所检测的声级L超过阈值声级L_MAX或者其被数学的表示为如果L＞L_MAX为真，那么此后该程序继续步骤103，在该步骤中使所关心的(第一)频率范围中的声级L减少量ΔL。该量ΔL可以等于声级L与阈值声级L_MAX之间的差值，其被数学的写成：ΔL＝L-L_MAX。或者，量ΔL可以等于预定量。

步骤103的作用是使所关心的特定频率范围中的声级L降低。虽然可避免失真，但是也使总声级降低了。根据本发明，因此执行步骤104，在该步骤中使另一(第二)频率范围中的声级增加量ΔL或类似量。其结果是，总声音输出基本上保持相同。更加重要地是，本发明提供了这样一种可能性，即通过使相邻频率范围中的声级增加来补偿一个频率范围中的声级的降低，由此可使声音调节的可感知效果最小化。因此步骤104的可替代频率范围最好是相邻频率范围。

在完成步骤104之后，程序回到步骤101，在该步骤中再次确定声级L。对声级进行监测和调节最好是连续的处理。

在步骤104中最好是使可替代频率范围中的声级增加声级在步骤103所降低的相同量ΔL，如上所述。然而，这不是必需的并且可预见到这样的实施例，即在该实施例中对将要应用增加处理的特定频率范围调节声级增加的量，例如基于变换器(典型地扩音器)的特性和/或用户所感知的主观声级。对过量声级的再分配或“映射”因此可考虑特定频率范围的特性。

如上所述，在步骤103所降低的声级的量ΔL可以是预定量。按照这种方式，可避免过量调节。当程序在步骤104之后回到步骤101时，可以其即就是多个步骤的迭代方式而使声级降低。当声级L将连续改变时，通常需要连续监测。值得注意的是所监测的声级L可以：

●上升，在这种情况下(另一)声级的降低是必需的；

●在某个时期期间基本上是恒定的，在这种情况下如果第一次降低后所剩下的声级超过了阈值，那么仅需要进一步的降低；或者

●下降，在这种情况下典型地不需要进一步降低，虽然这当然取决于在给定时刻的实际声级。

进一步值得注意的是阈值L_MAX取决于特定频率范围并且不同频率范围典型地具有不同阈值。

图1的方法尤其对例如其范围从20至100Hz的频率范围这样的低音频范围有效。通常变换器不能在在此频率范围内生成处于高声级的没有失真的声音。根据本发明，当使20至100Hz频率范围中的声级降低以避免失真时，可使例如其范围从100至300Hz的下一较高的频率范围中的声级增加。按照这种方式，可使用户所感知的总低音声级基本上保持相同，同时可消除信号失真。

当使一个频率范围中的声级降低时，最好是使相邻频率范围中的声级增加，最好是但不必是下一较高的频率范围。这当然会导致该相邻频率范围也达到其声音阈值。在这种情况下，也可使下一频率范围中的音量增加。由此将声音增加分配给下一可用频率范围，也就是说分配给可能增加的下一频率范围。如果所有频率范围均已达到其阈值，那么声音增加是不可能的。

在一些实施例中，由于对声级的再分配所造成的声级的增加局限于下一个或两个频率范围以避免由于低频范围所造成的较高音频范围以及达到了其阈值的所有随后频率范围的任何增加。

图1中的步骤104的可替换频率范围还可以是特定变换器或变换器组尤其有效的一特定频率或频率范围。因此可以将一个或多个频率范围″映射″到单个频率或频率范围上。例如，特定变换器可以在120Hz非常有效。此后由于达到阈值L_MAX所造成的一个或多个频率范围的声级的任何降低将导致变换器在120Hz所生成的声级的增加。参考欧洲专利申请03 103 398.8[ID613750]和03 103 396.2[ID614271]，因此将其整个内容而引入到该文档中。

仅通过图2中的非限制性示例所示出的声音调节设备1的实施例包括：用于接收音频输入信号的输入终端2。调节滤波器3与输入终端2相耦合并且例如通过使较高频率衰减以便增大较低频率而调节使所接收到的音频输入信号。调节滤波器可具有内置放大器，但是最好是使用用于在将音频信号馈送到调节滤波器3之前对其进行放大的分离的放大器(未示出)。

此后将有调节的音频输入信号馈送到N个带通过滤器4₁，4₂，...4_N阵列，其中N是其范围介于二与十之间的整数，虽然较大值的N也是可能的。每个带通过滤器4_i(i＝1...N)定义了一频率范围。将带通滤波器滤波的每个音频信号馈送到相应的受控放大器/衰减器5₁(i＝1...N)，该放大器/衰减器根据需要而对信号进行放大或使其衰减以避免信号失真。每个放大器/衰减器5_i的信号放大或衰减是由相应控制信号V_i来控制的。随后将所放大的或衰减的信号传到信号相加电路6，该信号相加电路用于使信号相加以形成其此后将被馈送到变换器7的一输出信号。虽然在图2中仅示出了单个变换器，但是应该明白的是可使用两个或多个变换器或变换器组。

放大器/衰减器5₁...5_N的每个输出与用于对信号的峰值(最大值)进行检测的相应峰值检测器8₁...8_N相连。将这些所检测的峰值传到微处理器9并对其进行处理以形成其分别被馈送到放大器/衰减器5₁...5_N的一组控制(放大/衰减)信号V₁...V_N。如在上面所参考的国际专利申请WO 01/03466中所更详细描述的，微处理器9对峰值检测器8_i(i＝1...N)所生成的峰值或最大信号电平值L与存储在其与微处理器9相关联的存储设备10中的预定阈值L_MAX进行比较。存储设备10最好是包括其包含有该阈值L_MAX的一查表表。如果所检测的峰值小于其阈值，那么衰减是零。然而，如果所检测的峰值超过了相应所存储的阈值，那么微处理器确定适当的控制(衰减)信号值V_i并且将其馈送到相应放大器/衰减器5_i以便减小相应信号的峰值电平。按照这种方式，可避免扩音器7所输出的音频信号的失真。

然而，很显然的是以损害了扩音器7的音量输出为代价避免了失真。根据本发明，因此，将设备1设置成企图保持总音量。为此，使带通过滤器4₁...4_N-1的每个输出与下述信号倍增器12₁...12_N-1相耦合，该信号倍增器用于使带通滤波器所滤波的音频信号与相应的第一系数A₁...A_N-1相乘。将得到的信号馈送到随后将对其进行更详细描述的相应信号校正单元13₁...13_N-1。此外信号倍增器14₁...14_N-1使每个信号校正单元13₁...13_N-1的输出信号乘以第二系数B₁...B_N-1以形成音量校正信号，该音量校正信号此后在信号加法电路15₂...15_N中与下一带通滤波器4₂...4_N的输出信号相加。

由此，每个频率范围(除第一即最低一个之外)可从在前的较低频率范围中接收信号分布以使其相应音量增加以便补偿前级音量的降低。

应该注意的是在所示的实施例中，第一带通滤波器4₁具有用于定义最低频率范围的最低通带并且第一带通过滤器4₁与第一衰减器5₁之间不存在信号加法电路，因为不存在从其接收信号分布的较低频率范围。

下述系数A_i和B_i(i＝1...N-1)是由用于接收衰减系数V₁...V_N以作为其输入的逻辑电路11所生成的，所述系数A_i和B_i一起用于确定频率范围的信号用作下一频率范围中的音量校正信号的程度。或者，系数A_i和B_i可以是由微处理器9直接生成的。

信号校正单元13₁...13_N-1的每一个均包括如美国专利US6,134,330(飞利浦)所公开的频移电路，此处将其整个内容引入到该文档中。这种“超低音”电路可以用其谐波来代替音频信号，由此可使其频率有效的增加两倍、三倍、或四倍。按照这种方式，可使一个频率范围的(一部分)音频信号变换到另一较高频率范围中。US6,134,330的“超低音”电路包括串联连接的用于选择频率范围、产生该频率范围的谐波、并且选择将要输出的谐波的第一滤波器、谐波发生器、以及第二滤波器。将放大器设置成与上述串联电路并联。该放大器用于对原始信号进行放大。

如图2所示，参考变换器(扩音器)17通过开关18而与输入2相连以便提供参考声学音频信号。最好是，变换器17是可对高声级的宽音频范围进行再现而没有任何可感知失真的高质量的变换器或变换器组。对变换器7和17的输出进行比较以确定设备1的影响。此外，提供了与适当放大器(未示出)相连的校准麦克风19以用于对设备1进行校准并且确定系数V_i的值。将调节滤波器3设计和/或调谐成使变换器17的输出(原始音频信号)与变换器7的输出(受到设备1影响的音频信号)之间的差值最小。调节滤波器3的“调节”因此包括使原始音频信号适应于变换器7。

图3示意地给出了一组示例性的频率范围。音频范围具有从大约20Hz至大约20kHz的频率。在所示的示例中，将该频率范围分成五个频率范围：

I.20Hz-200Hz，

II.200Hz-1kHz，

III.1kHz-5kHz，

IV.5kHz-10kHz，

V.10kHz-20kHz。

应该明白的是这仅仅是一示例并且可选择不同的频率范围数目和其边界值。

示出了输入信号的频率分布H_in的范围从大约20Hz至大约20kHz。该频率分布反映出处于各种频率的音频信号的平均声级L。

假定第一频率范围I中的最大声级是如图3所示的L_MAXI。该最大声级是通过下述变换器的特性来决定的，该特性即就是如果企图生成更高的声级，则会引入信号失真。我们可以得知实际输入声级可超过该最大电平L_MAXI。如上所讨论的，根据本发明的第一方面，将所产生的声级限制为L_MAXI。然而，这可有效地降低频率范围I中的声级并且因此可降低总的声级。根据本发明的第二方面，因此，可将音量的差值ΔL“映射“到另一频率范围，在该示例中示出了到下一较高频率范围II，以便使总的声级基本上保持不变。添加到频率范围II上的音量因此最好是等于频率范围II的音量的减小幅度ΔL。

当另一频率范围中的音量增加时，在示出了相邻频率范围II的示例中，当然检查所增加的音量是否超过了频率范围II的阈值L_MAXII。在所示的示例中，情况并不是这样并且使频率范围II中的整个音量增加了ΔL。然而，如果该增加使频率范围II中的声级上升而大于该最大值L_MAXII，那么对频率范围II的增加进行限制以便不超过该阈值。在这种情况下，可将增加ΔL的一部分映射到另一频率范围，例如映射到图3中的频率范围III。

还可最初的使音量增加转移到非相邻频率范围，例如从频率范围I转移到频率范围III以跳过频率范围II。可使音量增加从较高频率范围转移到较低频率范围，例如从V至IV或者从V至III。

如上所述，频率范围之一可以是专用于下述特定变换器的特定频率范围，所述特定变换器就该特定范围而言非常有效。这种特定频率范围可以非常窄，例如其范围仅从大约115Hz至大约125Hz，以特定变换器在其处具有最大效率的频率(在该示例中是120Hz)为中心。

有利地是本发明可用于迷你型和微型音频设备、便携式音频设备、电视机、家庭电影音响系统、计算装置、及其它设备。

本发明基于这样的洞察，即大多数音频变换器可产生几乎所有的音频而在低声音强度上基本上没有任何失真，但是变换器输出限制在某个频率范围中以通过降低变换器输出的总声音强度来防止失真。本发明受益于更进一步的洞察，即通过使另一频率范围或其它频率范围中的输出增加基本上可保持变换器或变换器组输出的总声音强度，即使一个或多个频率范围中的输出降低了。

应该注意的是不应将该文档中所使用的任何术语翻译成限制本发明的范围。尤其是，词“包括”和″包含″并不意味着将未具体说明的任何元件排除在外。单个(电路)元件可以被多个电路(电路)元件或其等价物替代。

本领域普通技术人员应该明白的是本发明并不局限于上面所说明的实施例并且在不脱离随后权利要求所定义的本发明的范围的情况下可对其进行多种修改和添加。

Claims

1.一种用于增强音频信号的方法，该方法包括步骤：

●选择音频信号的频率范围(I，II，...)，每个频率范围可包含具有一信号电平(L)的相应信号；

●确定第一频率范围(I)中的信号电平(L)；以及

●如果第一频率范围(1)中的信号电平(L)超过了阈值(L_MAXI)，则：

○使第一频率范围中的信号电平降低；并且

○使与第一频率范围(I)不同的第二频率范围(II)中的信号电平增加。

2.根据权利要求1的方法，其中第二频率范围(II)高于第一频率范围(I)。

3.根据权利要求1或2的方法，其中第二频率范围(II)与第一频率范围(I)相邻。

4.根据权利要求1，2或3的方法，其中使第二频率范围(II)中的信号电平(L)增加的步骤包括将第一频率范围(I)的部分信号馈送到第二频率范围(II)。

5.根据权利要求4的方法，其中将第一频率范围(I)的部分信号馈送到第二频率范围(II)包括产生第一频率范围的信号的谐波。

6.根据任何一个先前权利要求的方法，进一步包括：如果第一频率范围(I)中的信号电平(L)超过了阈值(L_MAXI)，那么使与第一和第二频率范围不同的第三频率范围(III)中的信号电平增加。

7.根据任何一个先前权利要求的方法，其中如果第一(I)和第二频率范围(II)中的信号电平均超过了相应阈值(L_MAXI，L_MAXII)，那么省略使第二频率范围中的信号电平增加的步骤。

8.根据任何一个先前权利要求的方法，进一步包括步骤：在选择频率范围的步骤之前调节音频信号。

9.一种用于增强音频信号的设备(1)，该设备包括：

●滤波器装置(4₁-4_N)，用于选择音频信号的频率范围(I，II，...)，每个所选频率范围可包含具有一信号电平(L)的相应信号；

●检测装置(8₁-8_N)，用于确定至少第一频率范围(I)中的信号电平(L)；

●控制装置(9，10)，用于产生控制信号(V₁-V_N)以响应检测装置所确定的信号电平；以及

●信号放大/衰减装置(5₁...5_N)，用于使相应频率范围的信号衰减以响应所述控制信号(V₁-V_N)，

其中将控制装置(9，10)设置成用于：

○确定第一频率范围(I)中的信号电平是否超过了相应阈值(L_MAXI)并且，如果这是真的则

○使第一频率范围(I)中的信号电平(L)降低，并且

○使与第一频率范围不同的第二频率范围(II)中的信号电平增加。

10.根据权利要求9的设备，进一步包括用于使第一频率范围(例如I)的部分信号转移到第二频率范围(例如II)的转移装置(12₁...12_N-1，13₁...13_N-1，14₁...14_N-1，15₂...15_N)。

11.根据权利要求10的设备，其中转移装置包括一频移电路(13₁...13_N-1)。

12.根据权利要求11的设备，其中转移装置包括第一信号倍增器，该第一信号倍增器用于在将来自第一频率范围的信号馈送到相应频移电路(13₁...13_N-I)之前使该信号与第一系数(A₁...A_N-1)相乘。

13.根据权利要求11或12的设备，其中转移装置包括第二信号倍增器，该第二信号倍增器用于在将来自第一频率范围的频移信号馈送到第二频率范围之前使该信号与第二系数(B₁...B_N-I)相乘。

14.根据权利要求12或13的设备，其中将控制装置(9，10)设置成用于从控制信号(V₁-V_N)中得到第一系数(A₁...A_N-1)和/或第二系数(B₁...B_N-1)。

15.根据权利要求9-14任何一个的设备，进一步包括一调节滤波器(3)，该调节滤波器用于在选择频率范围之前调节音频信号。

16.一种音频系统，该音频系统包括根据权利要求9至15任何一个的设备(1)。