TWI711315B

TWI711315B - 音訊處理電路及音訊處理方法

Info

Publication number: TWI711315B
Application number: TW108141813A
Authority: TW
Inventors: 杜博仁; 張嘉仁; 曾凱盟
Original assignee: 宏碁股份有限公司
Priority date: 2019-11-18
Filing date: 2019-11-18
Publication date: 2020-11-21
Also published as: US11026022B1; TW202121909A; US20210152934A1

Abstract

本發明實施例提供一種音訊處理電路及音訊處理方法，其適用於處理輸入至揚聲器的訊號，且此揚聲器經組態有額定功率。音訊處理電路包括但不僅限於音訊產生器及功率調整器。音訊產生器提供聲音訊號，且此聲音訊號包括高頻訊號及中低頻訊號。功率調整器電性耦接音訊產生器，並依據增強功率調整高頻訊號的功率而不調整中低頻訊號的功率。此增強功率大於額定功率，且該功率調整器的輸出訊號用於輸入至揚聲器。藉此，可提升高頻訊號的傳輸距離。

Description

音訊處理電路及音訊處理方法

本發明是有關於一種訊號處理技術，且特別是有關於一種音訊處理電路及音訊處理方法。

現有技術已有透過聲音訊號中的高頻訊號(例如，頻率18千赫茲(kHz)以上的訊號)來傳遞額外資訊(例如，組態設定、認證碼、裝置資訊等)。人耳通常聽不到這些高頻訊號的聲音。值得注意的是，相較於中低頻訊號(例如，頻率18 kHz以下的訊號)，高頻訊號的能量隨傳播距離的增加而更快衰減。而大多數行動裝置(例如，手機、平板電腦、掌上型遊戲機等)或部分電子裝置(例如，顯示器、筆記型電腦等)所配備揚聲器(或稱喇叭)單體的額定功率通常不高(例如，2瓦(Walt，W)左右)。

圖1是習知行動裝置的架構圖。請參照圖1，習知行動裝置透過應用程式(Application)播放聲音訊號時，在聲音訊號到達揚聲器前，會經過聲音引擎(Audio Engine)調整音階增益，最後再透過硬體的功率放大器將此訊號放大，以供揚聲器播放。為了確保輸出訊號符合揚聲器單體的額定功率(例如為2W)限制，播放最大音源(例如，0分貝相對於滿刻度(dBFS))且為最大音階(例如，音階增益為1)時，設計人員會調整功率放大器的增益，使輸出功率不大於揚聲器單體的額定功率。

若欲使用聲音訊號來進行更多有益的應用，勢必需要增加裝置中功率放大器的輸出功率。然而，若只是增加功率放大器的輸出功率，使其超過揚聲器單體的額定功率限制，則經增大功率後的聲音訊號輸入至揚聲器，必然會引起揚聲器單體燒毀的風險。

有鑑於此，本發明實施例提供一種音訊處理電路及音訊處理方法，在功率安全範圍內，放大聲音訊號中的高頻訊號的輸出功率。

本發明實施例的音訊處理電路，其適用於處理輸入至揚聲器的訊號，且此揚聲器經組態有額定功率。音訊處理電路包括但不僅限於音訊產生器及功率調整器。音訊產生器提供聲音訊號，且此聲音訊號包括高頻訊號以及中低頻訊號。功率調整器電性耦接音訊產生器，並依據增強功率調整高頻訊號的功率而不調整中低頻訊號的功率。此增強功率大於額定功率，且該功率調整器的輸出訊號用於輸入至揚聲器。

另一方面，本發明實施例的音訊處理方法，其適用於處理輸入至揚聲器的訊號，且此揚聲器經組態有額定功率。音訊處理方法包括下列步驟：產生聲音訊號，且聲音訊號包括高頻訊號以及中低頻訊號。依據增強功率調整高頻訊號的功率而不調整中低頻訊號的功率。增強功率大於額定功率，且高頻訊號經增強功率調整的訊號用於輸入至揚聲器。依據放大功率對中低頻訊號提供靜態增益。此靜態增益相關於中低頻訊號經放大功率放大後的最大功率限制於額定功率。

基於上述，本發明實施例的音訊處理電路及音訊處理方法，針對聲音訊號中的高頻訊號，增加其輸出功率以高於揚聲器的額定功率且在揚聲器的功率安全範圍內。此外，針對聲音訊號中的中低頻訊號，亦能將其輸出功率限制在額定功率內。藉此，可提升高頻訊號的傳遞距離並減少資料錯誤率，更能避免單體燒毀。

為讓本發明的上述特徵能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。

圖2是依據本發明一實施例的音訊處理電路100的元件方塊圖。請參照圖2，音訊處理電路100包括但不僅限於音訊產生器110及功率調整器130。音訊處理電路100可設於諸如行動電話、平板電腦、筆記型電腦、一體機(All-in-One，AIO)電腦、智慧型喇叭、智能家電等電子裝置。音訊處理電路100並可連接諸如喇叭、擴音器等用以播放聲音的揚聲器50。

音訊產生器110可能由中央處理單元(Central Processing Unit，CPU)，或是其他可程式化之一般用途或特殊用途的微處理器(Microprocessor)、數位信號處理器(Digital Signal Processor，DSP)、現場可程式化邏輯閘陣列(Field Programmable Gate Array，FPGA)、可程式化控制器、特殊應用積體電路(Application-Specific Integrated Circuit，ASIC)或其他類似元件或上述元件的組合實現。在一些實施例中，音訊產生器110可能是由一個或更多個數位電路所組成。

功率調整器130電性耦接音訊產生器110，功率調整器130並可能包括一個或更多個數位或類比電路。這些電路可能是功率放大器、增益調整電路等電路。在一實施例中，功率調整器130可電性耦接揚聲器50，並透過揚聲器50播放其輸出訊號OS。

為了方便理解本發明實施例的操作流程，以下將舉諸多實施例詳細說明本發明實施例中音訊處理電路100的運作流程。下文中，將搭配音訊處理電路100中的各裝置說明本發明實施例所述之方法。本方法的各個流程可依照實施情形而隨之調整，且並不僅限於此。

圖3是依據本發明一實施例的音訊處理方法的流程圖。請參照圖3，音訊產生器110產生聲音訊號AS(步驟S310)。具體而言，此聲音訊號AS可包括高頻訊號(例如，其頻率超過特定門檻值(例如，18、20或25等千赫茲(kHz)))、或高頻訊號與中低頻訊號(例如，其頻率低於特定門檻值(例如，18、20或25等kHz))的組合。例如，高頻訊號的頻段是18~24 kHz。高頻訊號可包括諸如設定組態、裝置資訊、指令及/或更新檔等資訊或資料，且中低頻訊號可以是音樂、演講、有聲書等各類型聲音訊號，本發明實施例不加以限制其內容。需說明的是，聲音訊號AS可假設在最大音源(0 dBFS)下。

功率調整器130接收聲音訊號AS，並依據增強功率調整聲音訊號AS中的高頻訊號的功率(步驟S330)。具體而言，假設揚聲器50經組態有特定額定功率(例如，2、4或8瓦(W)等)。而值得注意的是，揚聲器50單體的額定功率主要是針對所有頻率訊號對此揚聲器50的保護機制。經實驗可觀察到，因為高頻訊號變動較快，即使高頻訊號的能量超過額定功率一些(例如，1、2或4 W等)，也不會讓揚聲器50有燒毀的疑慮。基於此實驗結果，本發明實施例的發明概念之一是，針對高頻訊號，將其能量放大到超過揚聲器50單體的額定功率。高頻訊號最大的輸出功率(假設最大音源(例如，0 dBFS)且為最大音階(例如，音階增益為1且為最大值))在本發明實施例中定義為增強功率，且其與整體額定功率的比值為a(大於1)(即，增強功率大於額定功率)。

在一實施例中，若考慮揚聲器50單體的功率安全範圍，增強功率可以是揚聲器50於聲音訊號AS的取樣頻率的一半所能承載的最大功率。在另一實施例中，增強功率可設定為前述功率安全範圍中的任一值。在其他實施例中，增強功率的值可能應單體材料或元件而不同。

由此可知，針對高頻訊號，本發明實施例的增加其輸出功率，並使輸出功率可超過揚聲器50單體的額定功率。功率調整器130的輸出訊號OS輸入至揚聲器50並透過揚聲器50播放，即可有效增加高頻訊號的傳遞距離並改善錯誤率。

為了幫助讀者理解本發明實施例的發明概念，以下將另舉數個實施例說明。

圖4是依據本發明一實施例的音訊處理電路100-1的元件方塊圖。請參照圖4，音訊處理電路100-1的音訊產生器110-1包括高頻訊號產生器111。高頻訊號產生器111用以產生高頻訊號HFS。

功率調整器130-1包括動態增益調整電路131、音階增益電路133及功率放大器135。動態增益調整電路131電性耦接於音訊產生器110-1及音階增益電路133之間，且接收音訊產生器110-1所輸出的高頻訊號HFS，並對高頻訊號HFS提供動態增益以輸出第一訊號FS，其中動態增益的決定待後續說明詳述。

音階增益電路133電性耦接動態增益調整電路131及功率放大器135之間，並反應於音階設定操作而對第一訊號FS提供對應音階設定操作的音階增益，以輸出第二訊號SS。假設音階增益可供使用者調整，功率調整器130-1基於輸入裝置(例如，按鍵、轉盤、滑鼠等)所接收到使用者對於音階增益的音階設定操作，即可據以設定音階增益。例如，轉盤順時針轉動一格的音階設定操作，可對應到升高音階一級。在一實施例中，音階增益是0至1之間的數值，即最大音階增益為1(最小音階增益可能是0或其他數值)。

此外，功率放大器135經組態有放大功率(假設為最大音源(例如，0 dBFS)且為最大音階增益的情況)，且對第二訊號SS提供此放大功率，以輸出一輸出訊號OS1。相較於習知功率放大器的輸出功率設定為揚聲器50的額定功率，功率放大器135的放大功率不小於增強功率。例如，額定功率為2W，放大功率為6W(即，可能超過揚聲器50單體的功率安全範圍(例如，3.5~4W))。功率放大器135並可將其輸出訊號OS1提供至揚聲器50。

值得注意的是，使用者可能調整音階，使得高頻訊號HFS的能量會降低。若欲使高頻訊號HFS能盡量維持在最大音量狀態，並使高頻訊號HFS的傳輸距離更遠，則動態增益可相關於音階增益的反比。在一實施例中，動態增益可由方程式(1)得出：

…(1) ，其中

為動態增益，

為增強功率與額定功率的比值，

為額定功率，

為放大功率，且

為音階增益。

圖5是依據本發明一實施例的音階增益-動態增益圖。請參照圖5，當音階增益g為1至

時，動態增益c反比於音階增益g，並使得輸出訊號OS1的輸出功率皆為aX(即，增強功率)。值得注意的是，若音階增益太小，會使得動態增益大於1，並造成訊號削波(clipping)的問題。因此，動態增益反比於音階增益的條件是限制於音階增益大於

的情況。若音階增益未大於

，則動態增益維持1(或其他常數)，使得輸出訊號OS1的輸出功率為gY。

圖6是依據本發明一實施例的音訊處理電路100-2的元件方塊圖。請參照圖6，與圖5實施例不同之處在於，音訊處理電路100-2的功率調整器130-2更包括濾波器132。不同於習知濾波器使用通帶為主，本發明實施例主要是使用其過渡頻帶，且濾波器132將高頻訊號HFS的過度頻帶對應的功率符合揚聲器50單體的功率安全範圍(假設介於額定功率及增強功率之間)。

圖7是依據本發明一實施例的濾波器132的頻率響應(H(f))圖。請參照圖7，高頻訊號HFS使用的頻段範圍R(例如，18 kHz~24 kHz (取樣頻率Fs的一半))。此高通濾波器132的過渡頻帶可經組態為包括18 kHz至24 kHz，此過渡頻帶可對應到揚聲器50單體的不同的功率安全範圍(例如，3.5W~4W)，使高通濾波器132所輸出的高頻訊號HFS2的衰減特性將可符合功率安全範圍需求，以確保高頻訊號HFS的每一個頻率的訊號都不會有讓單體燒毀的風險。

圖8是依據本發明一實施例的音訊處理電路100-3的元件方塊圖。請參照圖8，與圖6實施例不同之處在於，音訊處理電路100-3的音訊產生器110-3更包括一般訊號產生器1112，且功率調整器130-3更包括靜態增益調整電路134及加總電路137(例如，累加(summation)電路、或可编程增益放大器等電路)。

一般訊號產生器1112用以產生中低頻訊號NAS。靜態增益調整電路134電性耦接於音訊產生器110-3的一般訊號產生器1112及功率放大器135之間。靜態增益調整電路134接收一般訊號產生器1112所輸出的中低頻訊號NAS，並依據功率放大器135的放大功率提供固定的靜態增益。值得注意的是，為了讓中低頻訊號NAS的最終輸出功率不超過額定功率(若超過可能有單體燒毀風險)，靜態增益相關於中低頻訊號NAS經功率放大器135放大後的最大功率限制於額定功率(例如，最大值不大於額定功率)。例如，靜態增益可設為額定功率與放大功率的比值(即，X/Y)，使得中低頻訊號NAS在最大音源且為最大音階的情況下，維持其輸出功率為額定功率(即，X)。

另一方面，考慮到透過高頻訊號HFS傳遞資訊同時還能正常播放中低頻訊號NAS，加總電路137將中低頻訊號NAS2(經靜態增益調整電路134輸出的訊號)與動態增益調整電路131所輸出的第一訊號FS加總/疊合，以產生組合訊號CS。音階增益電路133再依據音階增益調整組合訊號CS。最終，功率放大器135所輸出的輸出訊號OS2可包括中低頻訊號NAS及高頻訊號HFS的內容。

綜上所述，本發明實施例的音訊處理電路及音訊處理方法，其讓傳遞資料的高頻訊號的輸出功率增加但又符合單體的安全範圍，即可提升高頻訊號的傳輸距離並避免單體燒毀的風險。此外，高頻訊號可隨音階的改變而維持在增強功率下，但又可避免訊號削波的問題。更值得注意的是，除了輸出高頻訊號，音訊處理電路還能同時輸出中低頻訊號。藉此，可讓揚聲器能在符合額定功率的情況下正常播放音樂。

雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。

50:揚聲器 100、100-1、100-2:音訊處理電路 110、110-1、110-3:音訊產生器 111:高頻訊號產生器 1112:一般訊號產生器 130、130-1、130-2、130-3:功率調整器 131:動態增益調整電路 132:濾波器 133:音階增益電路 134:靜態增益調整電路 135:功率放大器 S310~S330:步驟 AS:聲音訊號 OS、OS1、OS2:輸出訊號 HFS、HFS2:高頻訊號 NAS、NAS2:中低頻訊號 FS:第一訊號 SS:第二訊號 CS:組合訊號

:動態增益

:增強功率與額定功率的比值

:額定功率

:放大功率

:音階增益 Fs:取樣頻率 R:頻段範圍 H(f):頻率響應

圖1是習知行動裝置的架構圖。圖2是依據本發明一實施例的音訊處理電路的元件方塊圖。圖3是依據本發明一實施例的音訊處理方法的流程圖。圖4是依據本發明一實施例的音訊處理電路的元件方塊圖。圖5是依據本發明一實施例的音階增益-動態增益圖。圖6是依據本發明一實施例的音訊處理電路的元件方塊圖。圖7是依據本發明一實施例的濾波器的頻率響應圖。圖8是依據本發明一實施例的音訊處理電路的元件方塊圖。

50:揚聲器

100:音訊處理電路

110:音訊產生器

130:功率調整器

AS:聲音訊號

OS:輸出訊號

Claims

一種音訊處理電路，適用於處理輸入至一揚聲器的訊號，其中該揚聲器經組態有一額定功率，該音訊處理電路包括：一音訊產生器，提供一聲音訊號，其中該聲音訊號包括一高頻訊號以及一中低頻訊號；以及一功率調整器，電性耦接該音訊產生器，並依據一增強功率調整該高頻訊號的功率而不調整該中低頻訊號的功率，其中該增強功率大於該額定功率，且該功率調整器的輸出訊號用於輸入至該揚聲器。
如申請專利範圍第1項所述的音訊處理電路，其中該功率調整器包括：一功率放大器，經組態有一放大功率，其中該放大功率不小於該增強功率，且該功率放大器用於將其輸出訊號提供至該揚聲器；一音階增益電路，電性耦接該功率放大器，並反應於一音階設定操作而提供對應該音階設定操作的一音階增益；一動態增益調整電路，電性耦接於該音訊產生器及該音階增益電路之間，接收該音訊產生器所輸出的該高頻訊號，並依據該音階增益對該高頻訊號提供一動態增益，其中該動態增益相關於該音階增益的反比；以及一靜態增益調整電路，電性耦接於該音訊產生器及該功率放大器之間，接收該音訊產生器所輸出的該中低頻訊號，並依據該放大功率提供一靜態增益，其中該靜態增益相關於該中低頻訊號經該功率放大器放大後的最大功率限制於該額定功率。
如申請專利範圍第2項所述的音訊處理電路，其中該動態增益是
，其中
為該動態增益，
為該增強功率與該額定功率的比值，
為該額定功率，
為該放大功率，且
為該音階增益，其中該音階增益的最大值為1。
如申請專利範圍第1項所述的音訊處理電路，其中該功率調整器包括：一濾波器，電性耦接該音訊產生器，並將該高頻訊號的過度頻帶對應的功率符合該揚聲器的功率安全範圍，其中該功率安全範圍介於該額定功率及該增強功率之間。
如申請專利範圍第1項所述的音訊處理電路，其中該增強功率是該揚聲器於該聲音訊號的取樣頻率的一半所能承載的最大功率。
一種音訊處理方法，適用於處理輸入至一揚聲器的訊號，其中該揚聲器經組態有一額定功率，該音訊處理方法：產生一聲音訊號，其中該聲音訊號包括一高頻訊號以及一中低頻訊號；依據一增強功率調整該高頻訊號的功率而不調整該中低頻訊號的功率，其中該增強功率大於該額定功率，且該高頻訊號經該增強功率調整的訊號用於輸入至該揚聲器；以及依據一放大功率對該中低頻訊號提供一靜態增益，其中該靜態增益相關於該中低頻訊號經該放大功率放大後的最大功率限制於該額定功率。
如申請專利範圍第6項所述的音訊處理方法，其依據該增強功率調整該高頻訊號的功率的步驟包括：對該高頻訊號提供一動態增益，以輸出一第一訊號；反應於一音階設定操作而對該第一訊號提供對應該音階設定操作的一音階增益，以輸出一第二訊號，其中該動態增益相關於該音階增益的反比；以及對該第二訊號提供該放大功率，以輸出一輸出訊號，其中該輸出訊號用於提供至該揚聲器。
申請專利範圍第7項所述的音訊處理方法，其中該動態增益是
，其中
為該動態增益，
為該增強功率與該額定功率的比值，
為該額定功率，
為該放大功率，且
為該音階增益，其中該音階增益的最大值為1。
如申請專利範圍第6項所述的音訊處理方法，更包括：將該高頻訊號的過度頻帶對應的功率符合該揚聲器的功率安全範圍，其中該功率安全範圍介於該額定功率及該增強功率之間。
如申請專利範圍第6項所述的音訊處理方法，其中該增強功率是該揚聲器於該聲音訊號的取樣頻率的一半所能承載的最大功率。