TWI740599B - 用於音訊處理之系統、方法及非暫時性電腦可讀媒體 - Google Patents

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TWI740599B
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喬瑟夫 安東尼 三世 馬里吉利歐
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美商博姆雲360公司
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Abstract

一種系統包含對一揚聲器提供心理聲學頻率範圍延伸之一電路。該電路自一音訊頻道產生正交分量，及藉由應用將該等正交分量之一頻譜自一標準基礎旋轉至一經旋轉基礎之一正向變換來產生經旋轉頻譜正交分量。在該經旋轉基礎上，該電路使處於目標頻率之該等經旋轉頻譜正交分量之分量隔離，及藉由對該等經隔離分量應用一與比例無關之非線性度來產生經加權相位同調諧波頻譜正交分量。該電路藉由應用將該等經加權相位同調諧波頻譜正交分量之一頻譜自該經旋轉基礎旋轉至該標準基礎之一逆變換來產生一諧波頻譜分量。該電路組合該諧波頻譜分量與該音訊頻道之在該等目標頻率之外之頻率以產生一輸出頻道，並將該輸出頻道提供至該揚聲器。

Description

用於音訊處理之系統、方法及非暫時性電腦可讀媒體
本發明大體上係關於音訊處理，且更特定言之係關於產生超出一實體驅動器之頻寬之頻率印象。
揚聲器、耳機及其他聲學致動器之頻寬通常限於人類聽覺系統之頻寬之一子域。在可聽頻譜之低頻區(大約18Hz至250Hz)中，此係一最常見問題。希望修改一音訊信號以產生超出一實體驅動器之頻寬之頻率印象。除了僅延伸該驅動器之頻率回應之外，取決於應用，會希望在不增加特定次頻帶中所存在之物理能量之量之情況下增加該等次頻帶之感知。例如，會希望使用心理聲學印象來減少一驅動器上之應力，或改良一裝置之功率消耗特性。
一些實施例包含一種系統，該系統包含對一揚聲器提供心理聲學頻率範圍延伸之一電路。該電路自一音訊頻道產生定義該音訊頻道之一正交表示之正交分量，及藉由應用將該等正交分量之一頻譜自一標準基礎旋轉至一經旋轉基礎之一正向變換來產生經旋轉頻譜正交分量。在該經旋轉基礎上，該電路使處於目標頻率之該等經旋轉頻譜正交分量之分量 隔離，及藉由對該等經隔離分量應用一與比例無關之非線性度來產生經加權相位同調諧波頻譜正交分量。該電路藉由應用將該等經加權相位同調諧波頻譜正交分量之一頻譜自該經旋轉基礎旋轉至該標準基礎之一逆變換來產生一諧波頻譜分量。該電路組合該諧波頻譜分量與該音訊頻道之在該等目標頻率之外之頻率以產生一輸出頻道，及將該輸出頻道提供至該揚聲器。
在一些實施例中，該諧波頻譜分量包含不同於該音訊頻道之該等目標頻率之頻率且在藉由該揚聲器演現時產生該等目標頻率之一心理聲學印象。
在一些實施例中，該正向變換使該等正交分量之該頻譜旋轉使得將一目標頻率映射至0Hz。該逆變換使該等經加權相位同調諧波頻譜正交分量之該頻譜旋轉使得將0Hz映射至該目標頻率。
在一些實施例中，該目標頻率係該等目標頻率之一中心頻率。在一些實施例中，該等目標頻率包含18Hz與250Hz之間的一頻率。在一些實施例中，該等目標頻率係低於該諧波頻譜分量之頻率。
在一些實施例中，該電路基於該揚聲器之一可重現範圍、該揚聲器之功率消耗降低或該揚聲器之壽命增加來判定該等目標頻率。
在一些實施例中，該揚聲器係一行動裝置之一組件。
在一些實施例中，該電路進一步經組態以使用一閘函數使處於目標量值之該等分量隔離。在一些實施例中，該電路進一步經組態以對該等經隔離分量應用一平滑函數。
在一些實施例中，該與比例無關之非線性度包含具有經析出因數之量值之第一種切比雪夫(Chebyshev)多項式之一經加權總和。
一些實施例包含一種方法。該方法包含，藉由一電路：自一音訊頻道產生定義該音訊頻道之一正交表示之正交分量；藉由應用將該等正交分量之一頻譜自一標準基礎旋轉至一經旋轉基礎之一正向變換來產生經旋轉頻譜正交分量；在該經旋轉基礎上：使處於目標頻率之該等經旋轉頻譜正交分量之分量隔離；及藉由對該等經隔離分量應用一與比例無關之非線性度來產生經加權相位同調諧波頻譜正交分量；藉由應用將該等經加權相位同調諧波頻譜正交分量之一頻譜自該經旋轉基礎旋轉至該標準基礎之一逆變換來產生一諧波頻譜分量；組合該諧波頻譜分量與該音訊頻道之在該等目標頻率之外之頻率以產生一輸出頻道；及將該輸出頻道提供至一揚聲器。
一些實施例包含一種包括經儲存指令之非暫時性電腦可讀媒體，該等經儲存指令在藉由至少一處理器執行時組態該至少一處理器以：自一音訊頻道產生定義該音訊頻道之一正交表示之正交分量；藉由應用將該等正交分量之一頻譜自一標準基礎旋轉至一經旋轉基礎之一正向變換來產生經旋轉頻譜正交分量；在該經旋轉基礎上：使處於目標頻率之該等經旋轉頻譜正交分量之分量隔離；及藉由對該等經隔離分量應用一與比例無關之非線性度來產生經加權相位同調諧波頻譜正交分量；藉由應用將該等經加權相位同調諧波頻譜正交分量之一頻譜自該經旋轉基礎旋轉至該標準基礎之一逆變換來產生一諧波頻譜分量；組合該諧波頻譜分量與該音訊頻道之在該等目標頻率之外之頻率以產生一輸出頻道；及將該輸出頻道提供至一揚聲器。
100:音訊系統/系統
104(1):諧波處理模組/串聯連接諧波處理模組
104(2):諧波處理模組/串聯連接諧波處理模組
104(3):諧波處理模組/串聯連接諧波處理模組
104(4):諧波處理模組/串聯連接諧波處理模組
106:組合器模組
110:揚聲器
120:非線性濾波器組模組/濾波器組模組
122:全通濾波器網路模組/全通濾波器網路
202:全通網路模組/全通網路
204:正向變換器模組
206:係數運算子模組
208:逆變換器模組
302:旋轉矩陣模組/矩陣模組
304:矩陣乘法器
402:濾波器模組
404:量值模組
406:閘模組
408:除法運算子
410:除法運算子
412:諧波產生器模組
414:乘法運算子
416:乘法運算子
418:擺幅限制器
502:旋轉矩陣模組
504:矩陣乘法器
506:投影運算子
508:矩陣轉置運算子
600:流程圖
605:步驟
610:步驟
615:步驟
620:步驟
625:步驟
630:步驟
635:步驟
700:電腦/電腦系統
702:處理器
704:晶片組
706:記憶體
708:儲存裝置
710:鍵盤
712:圖形適配器
714:指標裝置
716:網路適配器
718:顯示裝置
720:記憶體控制器集線器
722:輸入/輸出(I/O)控制器集線器
a(t):音訊頻道/經濾波音訊頻道/輸入信號
h(t)(1)至h(t)(4):諧波頻譜分量
o(t):輸出頻道
u(t):向量/經旋轉頻譜正交分量
Figure 109126951-A0305-02-0026-21
(t):經旋轉頻譜
u1(t):經旋轉頻譜正交分量
u2(t):經旋轉頻譜正交分量
Figure 109126951-A0305-02-0026-22
(t):經加權相位同調旋轉頻譜正交分量/經相位同調旋轉頻譜正交分量
Figure 109126951-A0305-02-0026-23
(t):經加權相位同調旋轉頻譜正交分量/經相位同調旋轉頻譜正交分量
x(t):音訊頻道/音訊分量/輸入信號/實值輸入信號
Figure 109126951-A0305-02-0026-24
(t):諧波頻譜分量
y(t):向量
y1(t):正交分量
y2(t):正交分量
圖1係根據一些實施例之一音訊系統之一方塊圖。
圖2係根據一些實施例之一諧波處理模組之一方塊圖。
圖3係根據一些實施例之用於心理聲學頻率範圍延伸之一程序之一流程圖。
圖4係根據一些實施例之一電腦之一方塊圖。
圖5係根據一些實施例之一正向變換模組之一方塊圖。
圖6係根據一些實施例之一係數運算子模組之一方塊圖。
圖7係根據一些實施例之一逆變換模組之一方塊圖。
圖僅出於圖解說明目的描繪各項實施例。熟習此項技術者將自以下論述易於認識到，可在不脫離本文中所描述之原理之情況下採用本文中所繪示之結構及方法之替代實施例。
圖及以下描述僅藉由圖解說明關於較佳實施例。應注意，自以下論述，本文中所揭示之結構及方法之替代實施例將易於被認為是可在不脫離所主張內容之原理之情況下採用之可行替代例。
現將詳細參考若干實施例，其等之實例係在附圖中繪示。應注意，在任何可實踐之情況下，類似或相同元件符號可用於圖中且可指示類似或相同功能性。僅出於圖解說明目的，該等圖描繪所揭示系統(或方法)之實施例。熟習此項技術者將自以下描述易於認知，可在不脫離本文中所描述之原理之情況下採用本文中所繪示之結構及方法之替代實施例。
實施例係關於提供心理聲學頻率範圍延伸。因為人類聽覺系統以一非線性方式對提示作出回應，所以可使用心理聲學現象以在實際刺激不可行之情況下產生一虛擬刺激。一音訊系統可包含提供一適應性非 線性濾波器組之一電路，該適應性非線性濾波器組使用一高度可調諧、與比例無關之非線性度以自一音訊信號產生相位同調諧波頻譜。可將該等相位同調諧波頻譜與原始音訊信號加總以產生超出一實體驅動器之頻寬之頻率印象。
適應性非線性濾波器組可包含多個諧波處理器。各諧波處理器包含分析音訊信號內之一目標次頻帶及用一可組態頻譜變換再合成該次頻帶之資料之一非線性濾波器。儘管輸出採用輸入頻譜包絡，且儘管可能會對次頻帶內之整體振幅動態或次頻帶回應(例如，壓縮、閘控等)之混合進行進一步變換，但頻譜變換自身可僅取決於頻率及相位含量。此跨廣泛多種音訊信號提供一高度一致性。
頻率範圍延伸之優點包含容許不能演現特定頻率(例如，低品質)揚聲器產生該等頻率之一心理聲學印象。低成本揚聲器(諸如在行動裝置上常見之揚聲器)可提供一高品質聆聽體驗。心理聲學頻率範圍延伸係藉由處理音訊信號(諸如藉由行動裝置中找到之處理電路)來實現，且無需對揚聲器進行硬體修改。頻率範圍延伸及頻率回應改善在不依靠增加一次優次頻帶中之物理能量之量之情況下實現時，可用於改善揚聲器驅動器之功率消耗特性及壽命。
音訊處理系統
圖1係根據一些實施例之一音訊系統100之一方塊圖。音訊系統100使用一非線性濾波器組模組120對一揚聲器110提供頻率範圍延伸。系統100包含包括諧波處理模組104(1)、104(2)、104(3)及104(4)之濾波器組模組120、一全通濾波器網路模組122及一組合器模組106。濾波器組模組120使用一高度可調諧、與比例無關之非線性度以自一音訊頻道 a(t)產生相位同調諧波頻譜。在一些實施例中，諧波處理模組104可如所展示並聯連接。一些實施例可包含串聯連接諧波處理模組104，其中以級聯方式將一給定諧波處理模組之殘餘者傳遞至後續諧波處理模組。系統100產生提供至揚聲器110以用於演現之一輸出頻道o(t)。濾波器組模組120之諧波處理模組104(1)至104(4)對音訊頻道a(t)提供超出揚聲器110之物理頻寬之心理聲學頻率範圍延伸。
濾波器組模組120包含產生諧波頻譜分量h(t)(n)之多個諧波處理模組104(n)。在一些實施例中，各諧波處理模組104(1)至104(4)分析整個音訊頻道a(t)且合成一各自諧波頻譜分量h(t)(1)至h(t)(4)。在一些實施例中，各諧波處理模組可分析音訊頻道之一不同目標次頻帶。各諧波頻譜分量h(t)(n)係a(t)中之資料之一相位同調頻譜變換。各諧波頻譜分量h(t)(n)具有經加權相位同調諧波頻譜，該經加權相位同調諧波頻譜包含的頻率不同於a(t)之一各自目標次頻帶中之資料之頻率，且在藉由揚聲器110輸出時產生該各自目標次頻帶之該等頻率之心理聲學印象。可選擇諧波處理模組104(n)之一或多者以產生一諧波頻譜分量h(t)(n)，以提供揚聲器110的心理聲學頻率範圍延伸。在一些實施例中，目標次頻帶之選擇可基於揚聲器110之能力，諸如揚聲器110之頻率回應。例如，若揚聲器110不能有效地演現低頻率聲音，則一諧波處理模組104可經組態以將與低頻率對應之一頻率次頻帶分量定為目標，且可將此等頻率次頻帶分量轉換成一諧波頻譜分量h(t)(n)。音訊系統100可包含一或多個諧波處理模組104。關於一諧波處理模組104之額外細節係結合圖2至圖5進行論述。
全通濾波器網路模組122產生一經濾波音訊頻道a(t)，以確保音訊頻道a(t)保持與濾波器組模組120之輸出同調。全通濾波器網路122 藉由對輸入信號a(t)應用一匹配相變來補償由於應用諧波處理模組104(n)而引起之相變。此容許在感知上與a(t)不可區分但具有經操縱相位之一信號與藉由濾波器組模組120產生之諧波頻譜分量h(t)(n)之間發生同調加總。
組合器模組106藉由組合來自全通濾波器網路模組122之經濾波音訊頻道a(t)與來自濾波器組模組120之一或多個諧波頻譜分量h(t)而產生輸出頻道o(t)。組合器模組106將輸出頻道o(t)提供至揚聲器110。在一些實施例中，多個諧波頻譜分量h(t)(n)可經衰減(例如，藉由獨立調諧)及彼此加總以導致具有所要非線性特性之一彙總濾波器組輸出。在一些實施例中，經加總諧波頻譜分量h(t)(n)可用(例如)高通濾波、動態範圍處理等進一步處理且與(可能衰減之)經濾波音訊頻道a(t)加總。
圖2係根據一些實施例之一諧波處理模組104之一方塊圖。諧波處理模組104提供一非線性濾波器，該非線性濾波器分析一音訊頻道及用一可組態頻譜變換再合成一目標次頻帶之資料。諧波處理模組104包含一全通網路模組202、一正向變換器模組204、一係數運算子模組206及一逆變換器模組208。全通網路模組202對音訊頻道x(t)同相地應用一對變換以產生正交分量。正向變換器模組204對正交分量應用一正向變換，該正向變換使一整個頻譜旋轉，使得將一選定頻率映射至0Hz以產生經旋轉頻譜正交分量。該選定頻率偏移至0Hz被稱為自一標準基礎至一經旋轉基礎之一變化。選定頻率可為一目標次頻帶之一中心頻率或其他頻率。係數運算子模組206在經旋轉基礎上執行包含以下之操作：基於頻率、量值或相位對資料進行選擇性地濾波；使用一與比例無關之非線性度自該資料產生新經加權相位同調諧波頻譜；及修改分量之動態範圍以產生經加權相位 同調旋轉頻譜正交分量。逆變換器模組208應用一逆變換以使經加權相位同調旋轉頻譜正交分量旋轉使得將0Hz映射至選定頻率以產生一諧波頻譜分量
Figure 109126951-A0305-02-0010-1
(t)。0Hz偏移至選定頻率被稱為自經旋轉基礎至標準基礎之一變化。諧波頻率分量
Figure 109126951-A0305-02-0010-26
(t)可包含不同於音訊頻道x(t)之目標次頻帶之頻率，但在藉由一揚聲器演現時產生音訊頻道x(t)之目標次頻帶之頻率之一心理聲學印象。
在一些實施例中，輸入至諧波處理模組104之音訊分量x(t)可為一次頻帶分量a(t)(n)。在此實例中，可略過藉由係數運算子模組206用以選擇目標頻率之選擇性濾波。
全通網路202將一音訊頻道x(t)轉換成包含正交分量y1(t)及y2(t)之一向量y(t)。正交分量y1(t)及y2(t)包含一90°相位關係。正交分量y1(t)及y2(t)及輸入信號x(t)包含針對所有頻率之一統一量值關係。藉由一對匹配之全通濾波器H1及H2將實值輸入信號x(t)變為正交值。可經由如等式1中所展示之一連續時間原型定義此運算：
Figure 109126951-A0305-02-0010-2
一些實施例將不一定保證輸入(單聲道)信號與兩個(立體聲)正交分量y1(t)及2(t)之任一者之間的一相位關係，但導致包含90°相位關係之正交分量y1(t)及2(t)及包含針對所有頻率之統一量值關係之正交分量y1(t)及2(t)及輸入信號x(t)。
圖3係根據一些實施例之正向變換器模組204之一方塊圖。正向變換器模組204包含一旋轉矩陣模組302及一矩陣乘法器304。正向變換器模組204接收正交分量y1(t)及y2(t)且應用一正向變換以產生包含經旋轉頻譜正交分量u1(t)及u2(t)之一向量u(t)。藉由經由旋轉矩陣模組302產 生一時變旋轉矩陣且經由矩陣乘法器304將該時變旋轉矩陣應用於正交分量從而導致經旋轉頻譜正交分量u(t)，來應用此變換。向量u(t)係音訊訊號x(t)之頻譜之一頻率偏移形式且定義其中將一不同時間t之各u定義為一經旋轉頻譜正交分量之一係數空間。由向量u(t)定義之係數係使x(t)之頻譜旋轉使得所要中心頻率θc現處於0Hz之結果。
正向變換可作為一時變二維旋轉應用於一正交信號，如藉由等式2定義：u[t]=H 1(x[t])R 2(-θ c t) (2)其中H1係一全通濾波器，旋轉R 2(-θ c t)具有一角頻率θc且由等式3定義：
Figure 109126951-A0305-02-0011-3
等式2及等式3包含對三角函數之反覆呼叫。在其中θc恆定之一時間間隔內，可藉由遞迴2D旋轉而非對三角函數之反覆呼叫來計算正向變換。當使用此最佳化策略時，僅在初始化或改變θc時才進行對sin及cos之呼叫。此最佳化將各矩陣R 2(-θ c t)遞迴地定義為一無窮小旋轉矩陣之連續冪，即：R 2(-θ c (t+1))≡R 2(-θ c t)R 2(-θ c )。因為在大多數架構上將兩個2×2矩陣相乘係一高度最佳化計算，所以此定義可提供優於對等式3中呈現之三角函數之反覆呼叫(儘管其係等效的)之效能優點。
圖4係根據一些實施例之係數運算子模組206之一方塊圖。係數運算子模組206包含一濾波器模組402、一量值模組404、一閘模組406、除法運算子408及410、一諧波產生器模組412及乘法運算子414及416。係數運算子模組206使用包含經旋轉頻譜正交分量u1(t)及u2(t)之向量u(t)來產生包含經加權相位同調旋轉頻譜正交分量
Figure 109126951-A0305-02-0011-4
(t)及
Figure 109126951-A0305-02-0011-5
(t)之一經旋 轉頻譜
Figure 109126951-A0305-02-0012-6
(t)。在一些實施例中，濾波器模組402係一兩頻道低通濾波器。在此情況中，諧波處理模組104經組態以依兩倍於濾波器模組402之截止頻率之一頻寬對以θc為中心之一目標次頻帶執行頻譜變換。量值模組404判定2D向量之長度，該長度係用作瞬時量值之一量測值，係使用除法運算子408及410自經濾波信號向量析出因數。對此量值析出因數以便容許諧波產生器模組412基於其關係不取決於比例之信號提供諧波。諧波產生器模組412應用經加權非線性度之一總和以基於經旋轉頻譜正交分量之目標次頻帶產生一諧波頻譜。接著再次使用藉由量值模組404提供之量值，此次通過閘模組406。閘模組406產生一2D包絡，其瞬時斜率係由擺幅限制器418限制。接著經由乘法運算子414及416將所得擺幅限制包絡應用於諧波產生器模組412之輸出。將經加權諧波之總和與時變包絡相乘以產生經旋轉頻譜
Figure 109126951-A0305-02-0012-12
(t)。
可使用等式4以極座標表示u(t)之係數：
Figure 109126951-A0305-02-0012-7
 其中項∥u(t)∥係係數信號之瞬時量值，且∠u(t)係瞬時相位。現可在逆變換階段之前操縱此等項。
藉由u(t)定義之係數係基於其等之瞬時量值被選擇性地濾波。該濾波可包含藉由閘模組406應用之一閘函數及藉由擺幅限制器408應用之一擺幅限制濾波器。可藉由等式5定義基於一臨限值n之閘函數：
Figure 109126951-A0305-02-0013-8
 其中情況x
Figure 109126951-A0305-02-0013-27
n導致保持係數且情況x<n導致移除係數。在一些實施例中，情況x<n可替代性地導致一衰減而非完全移除係數。由於閘函數運算瞬時量值之一估計值，所以其通常比基於實值振幅之閘回應更快，同時具有更少假影。
可經由擺幅限制濾波器來實現時域平滑化，以進一步定製非線性濾波器之回應之包絡特性。一擺幅限制濾波器係使一函數之最大(正)斜率及最小(負)斜率飽和之一非線性濾波器。可使用各種類型之擺幅限制濾波器或元件，諸如具有對下文標記為S(x)之正及負飽和點之獨立控制之一非線性濾波器。對閘函數之輸出施加擺幅限制導致一時變包絡：S(G(∥u[t]∥))。此可用於使係數之包絡成形。
為產生
Figure 109126951-A0305-02-0013-13
(t)之相位同調諧波頻譜，諧波產生器模組412可使用如藉由等式6定義之第一種切比雪夫多項式：T n (x)=cos(ncos-1(x)) (6)
此等多項式藉由加總如藉由等式7或等式8定義之其等之輸出來提供諧波之受控產生：
Figure 109126951-A0305-02-0013-9
 或等效地：
Figure 109126951-A0305-02-0014-10
 其中a=[a0,a1,a2...aN]係應用於相位同調諧波頻譜之各諧波之諧波權重且N係最高所產生諧波。在兩種表示中，非線性度係獨立於輸入比例。此防止輸出頻譜隨輸入響度而變化，且代替性地僅容許藉由頻譜權重a判定之變動。權重通常配置為一衰變系列，以模擬人類聽覺系統所習慣的自然發生聲音之諧波系列。權重系列係獨立於傳入音訊信號之比例。
雖然等效，但等式7具有容許直接操縱輸出相位之益處，而等式8省略可能昂貴之三角函數，從而僅運算量值。圖4中所展示之係數運算子模組206描繪根據等式8之運算。
圖5係根據一些實施例之逆變換器模組208之一方塊圖。逆變換器模組208包含一旋轉矩陣模組502、一矩陣乘法器504、一投影運算子506及一矩陣轉置運算子508。逆變換器模組208自包含經相位同調旋轉頻譜正交分量
Figure 109126951-A0305-02-0014-28
(t)及
Figure 109126951-A0305-02-0014-30
(t)之經旋轉頻譜
Figure 109126951-A0305-02-0014-31
(t)而產生一諧波頻譜分量
Figure 109126951-A0305-02-0014-32
(t)。旋轉矩陣模組502產生之一旋轉矩陣相同於藉由矩陣模組302產生之旋轉矩陣。藉由旋轉矩陣模組502產生之該矩陣係藉由矩陣轉置運算子508轉置且藉由矩陣乘法器504應用至經相位同調旋轉頻譜正交分量
Figure 109126951-A0305-02-0014-14
(t)及
Figure 109126951-A0305-02-0014-15
(t)之傳入2D向量。藉由投影運算子506將所得2D向量投影至一維。
為執行自經旋轉基礎返回至標準基礎中之逆變換，偏移輸出頻譜使得0Hz返回至其原始位置θc，如藉由等式9定義：
Figure 109126951-A0305-02-0014-11
 其中P係如藉由等式10定義之自二維實係數空間至一維之一投影：
Figure 109126951-A0305-02-0015-16
因為正向變換R 2(-θ c t)包含正交旋轉，所以逆變換係轉置。此代數結構允許快取正向變換矩陣且簡單地藉由改變係數相乘之順序來對其進行逆運算。在此意義上而言，圖3中之旋轉矩陣模組302及圖5中之旋轉矩陣模組502係相同的。諧波頻譜分量
Figure 109126951-A0305-02-0015-20
(t)係一諧波頻譜分量h(t)(n)之一實例，且因此可為一較大濾波器組中之一非線性濾波器之回應。
實例性程序
圖6係根據一些實施例之用於心理聲學頻譜範圍延伸之一程序之一流程圖600。可藉由一音訊系統(例如，音訊系統100)之組件來執行圖6中所展示之程序。在其他實施例中，其他實體可執行圖6中之步驟之一些或所有步驟。實施例可包含不同及/或額外步驟，或按不同順序執行步驟。
音訊系統產生605定義一音訊頻道之一正交表示之正交分量。該音訊頻道可為一多頻道音訊信號之一頻道，諸如一立體聲音訊信號之一左頻道或一右頻道。該等正交分量包含一90°相位關係。正交分量及音訊頻道包含針對所有頻率之一統一量值關係。在一些實施例中，藉由一對匹配之全通濾波器將實值輸入信號變為正交值。
音訊系統藉由應用將正交分量之一頻譜(例如，一整個頻譜)自一標準基礎旋轉至一經旋轉基礎之一正向變換來產生610經旋轉頻譜正交分量。該標準基礎係指在旋轉之前之輸入音訊頻道之頻率。該旋轉可導致將一目標頻率映射至0Hz。此目標頻率可為諧波處理模組之分析區之中心，諸如用於心理聲學範圍延伸之一目標次頻帶之中心頻率。可使用如 藉由等式3定義之對三角函數之反覆呼叫或使用一等效遞迴2D旋轉來計算正向變換。
音訊系統使處於目標頻率及目標量值之經旋轉頻譜正交分量之分量隔離615。使該等分量隔離可在經旋轉基礎上執行。例如，可使用一濾波器使目標頻率隔離。在一些實施例中，濾波器移除高於一臨限值之頻率，且此具有使跨越該臨限值的兩倍之一目標次頻帶圍繞中心頻率θc(正向變換經調諧至其)對稱地隔離之效應。在一些實施例中，音訊系統基於諸如揚聲器之一可重現範圍、揚聲器之功率消耗降低或揚聲器之壽命增加之因素來判定目標頻率。
音訊系統亦可諸如藉由使用一閘函數使處於目標量值之分量與經旋轉頻譜正交分量隔離。該閘函數可經組態以摒棄次頻帶中之非所要資訊，抑或保存振幅包絡。閘函數可進一步包含一擺幅限制濾波器或類似平滑函數。
音訊系統藉由對經隔離分量應用一與比例無關之非線性度來產生620經加權相位同調旋轉頻譜正交分量。可在經旋轉基礎上產生經加權相位同調旋轉頻譜正交分量。此經旋轉基礎非常適於產生設計器頻譜(designer spectra)，此係因為其將一標準基礎信號表示為一二維向量，且因為其使目標頻率居中於零。接著可將該向量進一步分解成如等式4中所見之極座標，該等極座標係類似於運算在一短時間傅立葉變換(STFT)中之一單頻格(關於一特定頻率之資訊之一自然描述符)之量值及引數。此特定實施方案具有優於STFT表示之若干相異優點。第一優點在於，僅視需要而非針對一整個頻譜計算頻格資訊。另一優點在於，結果係在暫態資料之正確表示所需之一時間解析度下計算。此外，類似於STFT技術中之窗 函數運算之濾波器，為了使目標頻譜含量與其殘餘者分離而經簡單調諧，且在多個諧波處理模組之情況下可具有非均勻調諧。非線性度(其之功能主要係在給定經旋轉頻譜正交分量中之相位資訊之情況下產生相位同調頻譜)係藉由對模組所操作經隔離分量之瞬時振幅進行析出因數而與比例無關。根據一些實施例，非線性度自身可包含第一種切比雪夫多項式之一經加權總和。此類型之非線性度可針對與經旋轉頻譜正交分量隔離之每個分量產生一可調諧諧波頻譜。各諧波可藉由一預定義諧波權重an加權。
音訊系統藉由應用將經加權相位同調旋轉頻譜正交分量之一頻譜自經旋轉基礎旋轉至標準基礎之一逆變換來產生625一諧波頻譜分量。該逆變換可使該頻譜旋轉使得將0Hz映射至目標頻率。諧波頻譜分量包含不同於目標頻率之頻率，但在藉由揚聲器演現時產生目標頻率之一心理聲學印象。諧波頻譜分量之頻率可在揚聲器之頻寬內，而次頻帶頻率可在揚聲器之頻寬外。在一些實施例中，次頻帶頻率係低於諧波頻譜分量之頻率。在一些實施例中，次頻帶頻率包含18Hz與250Hz之間的一頻率。在一些實施例中，目標次頻帶或頻率可在揚聲器之可重現範圍內，但可出於特定應用原因而選擇，例如，降低音訊系統之功率消耗或改善揚聲器之壽命。
音訊系統組合630諧波頻譜分量與音訊頻道之在目標頻率外之頻率以產生一輸出頻道且將該輸出頻道提供635至揚聲器。在一些實施例中，音訊系統藉由組合諧波頻譜分量與原始音訊頻道來產生輸出頻道，且將輸出頻道提供至揚聲器。在一些實施例中，音訊系統對音訊頻道或音訊頻道之其他次頻帶分量(例如，排除用於頻率範圍延伸之(若干)次頻帶分量)進行濾波以確保音訊頻道或其他次頻帶分量保持與諧波頻譜分 量同調，且組合經濾波音訊頻道或其他次頻帶分量與諧波頻譜分量以產生用於揚聲器之輸出頻道。在一些實施例中，可用(例如)等化、壓縮等來進一步處理經濾波或原始音訊頻道與諧波頻譜分量之組合以產生用於揚聲器之輸出頻道。
儘管圖6中之程序係針對一單個音訊頻道之一單個次頻帶分量進行論述，但可執行該程序以對一音訊頻道之多個次頻帶分量及/或對一多頻道音訊信號之多個音訊頻道提供頻率範圍延伸。在一些實施例中，不同揚聲器可具有不同可用頻寬或頻率回應。例如，一行動裝置(例如，行動電話)可包含不平衡揚聲器。不同次頻帶分量可用於不同揚聲器之頻率範圍延伸。
實例性電腦
圖7係根據一些實施例之一電腦700之一方塊圖。電腦700係實施一音訊系統(諸如音訊系統100)之電路之一實例。繪示耦合至一晶片組704之至少一處理器702。晶片組704包含一記憶體控制器集線器720及一輸入/輸出(I/O)控制器集線器722。一記憶體706及一圖形適配器712耦合至記憶體控制器集線器720，且一顯示裝置718耦合至圖形適配器712。一儲存裝置708、鍵盤710、指標裝置714及網路適配器716耦合至I/O控制器集線器722。電腦700可包含各種類型之輸入或輸出裝置。電腦700之其他實施例具有不同架構。例如，在一些實施例中，記憶體706直接耦合至處理器702。
儲存裝置708包含一或多個非暫時性電腦可讀儲存媒體，諸如一硬碟機、光碟唯讀記憶體(CD-ROM)、DVD或一固態記憶體裝置。記憶體706保持由處理器702使用之程式碼(包括一或多個指令)及資料。程 式碼可對應於參考圖1至圖6所描述之處理態樣。
指標裝置714係結合鍵盤710用於將資料輸入至電腦系統700中。圖形適配器712在顯示裝置718上顯示影像及其他資訊。在一些實施例中，顯示裝置718包含用於接收使用者輸入及選擇之一觸控螢幕能力。網路適配器716將電腦系統700耦合至一網路。電腦700之一些實施例具有不同於圖7中所展示之組件及/或除圖7中所展示之組件以外之組件。
電路可包含執行儲存於一非暫時性電腦可讀媒體中之程式碼之一或多個處理器，該程式碼在由該一或多個處理器執行時組態該一或多個處理器以實施一音訊處理系統或該音訊處理系統之模組。實施一音訊處理系統或該音訊處理系統之模組之電路之其他實例可包含一積體電路(諸如一特定應用積體電路(ASIC))、場可程式化閘陣列(FPGA)或其他類型之電腦電路。
額外考量
所揭示組態之實例性益處及優點包含歸因於經增強音訊系統適配於一裝置及相關聯音訊演現系統以及藉由裝置OS可用之其他相關資訊(諸如使用案例資訊(例如，指示音訊信號係用於音樂播放而非遊戲))引起之動態音訊增強。經增強音訊系統可整合至一裝置中(例如，使用一軟體開發套件)抑或儲存於一遠端伺服器上以隨選存取。以此方式，一裝置無需將儲存或處理資源專用於維護特定於其音訊演現系統或音訊演現組態之一音訊增強系統。在一些實施例中，經增強音訊系統實現對演現系統資訊進行不同等級之查詢使得可跨不同等級之可用裝置特定演現資訊應用有效音訊增強。
貫穿本說明書，複數個例項可實施被描述為一單個例項之 組件、操作或結構。儘管一或多個方法之個別操作被繪示及描述為分離操作，然該等個別操作之一或多者可同時執行，且沒有要求按所繪示之順序執行該等操作。在實例性組態中作為分離組件呈現之結構及功能性可實施為一組合結構或組件。類似地，作為一單個組件呈現之結構及功能性可實施為分離組件。此等及其他變動、修改、添加及改良落在本文中標的物之範疇內。
某些實施例在本文中被描述為包含邏輯或許多組件、模組或機構。模組可構成軟體模組(例如，體現於一機器可讀媒體上或一傳輸信號中之程式碼)抑或硬體模組。一硬體模組係能夠執行特定操作之一有形單元且可以一特定實施方式組態或配置。在實例性實施例中，一或多個電腦系統(例如，一獨立電腦系統、一用戶端電腦系統或一伺服器電腦系統)或一電腦系統之一或多個硬體模組(例如，一處理器或一處理器群組)可藉由軟體(例如，一應用程式或應用程式部分)組態為操作以執行如本文中所描述之特定操作之一硬體模組。
可至少部分藉由經暫時組態(例如，藉由軟體)或永久組態以執行相關操作之一或多個處理器來執行本文中所描述之實例性方法之各種操作。無論暫時組態或永久組態，此等處理器可構成操作以執行一或多個操作或功能之處理器實施模組。在一些實例性實施例中，本文中所提及之模組包括處理器實施之模組。
類似地，本文中所描述之方法可至少部分經處理器實施。例如，一方法之至少一些操作可藉由一或多個處理器或處理器實施硬體模組來執行。特定操作之執行可分佈在一或多個處理器間，不僅駐留於一單個機器內，而且跨許多機器部署。在一些實例性實施例中，該(或該等)處 理器可定位於一單個位置中(例如，在一住所環境、一辦公室環境內或作為一伺服器場)，而在其他實施例中，處理器可跨許多位置分佈。
除非另有明確說明，否則本文中使用諸如「處理」、「運算」、「計算」、「判定」、「呈現」、「顯示」或類似者之字詞之論述可係指操縱或變換表示為一或多個記憶體(例如，揮發性記憶體、非揮發性記憶體或其等之一組合)、暫存器或接收、儲存、傳輸或顯示資訊之其他機器組件內之物理(例如，電子、磁性或光學)量之資料的一機器(例如，一電腦)之動作或程序。
如本文中所使用，對「一項實施例」或「一實施例」之任何參考意謂結合該實施例所描述之一特定元件、特徵、結構或特性係包含於至少一實施例中。在本說明書之各處出現之片語「在一項實施例中」並不一定全部係指相同實施例。
可使用表述「耦合」及「連接」連同其等衍生詞來描述一些實施例。應理解，此等術語並不旨在為彼此之同義詞。例如，可使用術語「連接」來描述一些實施例以指示兩個或兩個以上元件彼此直接實體或電接觸。在另一實例中，可使用術語「耦合」來描述一些實施例以指示兩個或兩個以上元件直接實體或電接觸。然而，術語「耦合」亦可意謂兩個或兩個以上元件並不彼此直接接觸，但仍彼此協作或互動。實施例並不限於此上下文。
如本文中所使用，術語「包括(comprises/comprising)」、「包含(includes/including)」、「具有(has/having)」或其等之任何其他變動旨在涵蓋非排他性包含。例如，包含一元件清單之一程序、方法、物件或設備並不一定僅限於該等元件，而是可包含未明確列出或此程序、方 法、物件或設備固有之其他元件。此外，除非有相反之明確說明，否則「或」係指一包含或而非一排除或。例如，一條件A或B係由以下任一者滿足：A係真(或存在)且B係假(或不存在)；A係假(或不存在)且B係真(或存在)；且A及B皆為真(或存在)。
另外，使用「一」或「一個」係用於描述本文中之實施例之元件及組件。此僅為方便起見且給出本發明之一般意義。此描述應被理解為包含一個或至少一個，且單數亦包含複數，除非很明顯另有說明。
此描述之一些部分在對資訊之操作之演算法及符號表示方面描述實施例。此等演算法描述及表示通常由熟習資料處理技術者用於更有效地向其他熟習此項技術者傳達其等工作之實質。此等操作雖然在功能上、運算方面或邏輯上進行描述，但應理解為藉由電腦程式或等效電路、微碼或類似者實施。此外，在不失一般性之情況下，將此等操作配置稱為模組有時亦證明為方便的。所描述操作及其等相關聯模組可體現於軟體、韌體、硬體或其等之任何組合中。
可藉由一或多個硬體或軟體模組單獨地或結合其他裝置來執行或實施本文中所描述之步驟、操作或程序之任一者。在一項實施例中，藉由包括含有電腦程式碼之一電腦可讀媒體之一電腦程式產品來實施一軟體模組，該電腦程式碼可藉由一電腦處理器執行以用於執行所描述之任何或所有步驟、操作或程序。
實施例亦可係關於用於執行本文中之操作之一設備。此設備可專門為所需目的而建構，及/或其可包括藉由儲存於電腦中之一電腦程式選擇性地啟動或重新組態之一通用運算裝置。此一電腦程式可儲存於一非暫時性、有形電腦可讀儲存媒體，或可耦合至一電腦系統匯流排之適 於儲存電子指令之任何類型之媒體中。此外，本說明書中引用之任何運算系統可包含一單個處理器或可為採用多個處理器設計用於增加運算能力之架構。
實施例亦可係關於藉由本文中所描述之一運算程序產生之一產品。此一產品可包括由一運算程序所引起之資訊，其中該資訊係儲存於一非暫時性、有形電腦可讀儲存媒體中且可包含一電腦程式產品或本文中所描述之其他資料組合之任何實施例。
在閱讀本發明之後，熟習此項技術者將瞭解，透過本文中之所揭示原理使用裝置特定後設資料進行音訊增強之一系統及一程序之又額外替代結構及功能設計。因此，雖然已繪示及描述特定實施例及應用，但應理解，所揭示實施例並不限於本文中所揭示之精確構造及組件。可在不脫離隨附發明申請專利範圍中所定義之精神及範疇之情況下，對本文中所揭示之方法及設備之配置、操作及細節進行熟習此項技術者將明白之各種修改、改變及變動。
最後，在本說明書中使用之語言已主要出於可讀性及指導目的而選擇，且其可並非經選擇以描繪或限制本發明。因此，本發明之範疇意欲不受此[實施方式]限制，而是受探討基於此之一應用之任何發明申請專利範圍限制。因此，實施例之揭示內容意欲闡釋而非限制在以下發明申請專利範圍中闡述之本發明之範疇。
600:流程圖
605:步驟
610:步驟
615:步驟
620:步驟
625:步驟
630:步驟
635:步驟

Claims (18)

  1. 一種用於音訊處理之系統，其包括：一電路，其經組態以：自一音訊頻道產生定義該音訊頻道之一正交表示之正交分量；藉由應用將該等正交分量之一頻譜自一標準基礎旋轉至一經旋轉基礎之一正向變換來產生經旋轉頻譜正交分量；在該經旋轉基礎上：使處於目標頻率之該等經旋轉頻譜正交分量之分量隔離；及藉由對該等經隔離分量應用一與比例無關之非線性度來產生經加權相位同調諧波頻譜正交分量；藉由應用將該等經加權相位同調諧波頻譜正交分量之一頻譜自該經旋轉基礎旋轉至該標準基礎之一逆變換來產生一諧波頻譜分量；組合該諧波頻譜分量與該音訊頻道之在該等目標頻率之外之頻率以產生一輸出頻道；及將該輸出頻道提供至一揚聲器。
  2. 如請求項1之系統，其中該諧波頻譜分量包含不同於該音訊頻道之該等目標頻率之頻率且在藉由該揚聲器演現時產生該等目標頻率之一心理聲學印象。
  3. 如請求項1之系統，其中該電路進一步經組態以基於以下至少一者判定該等目標頻率： 該揚聲器之一可重現範圍；該揚聲器之功率消耗降低；或該揚聲器之壽命增加。
  4. 如請求項1之系統，其中該電路進一步經組態以使用一閘函數使處於目標量值之該等分量隔離。
  5. 如請求項1之系統，其中電路進一步經組態以對該等經隔離分量應用一平滑函數。
  6. 如請求項1之系統，其中該與比例無關之非線性度包含具有經析出因數之量值之第一種切比雪夫多項式之一經加權總和。
  7. 一種用於音訊處理之方法，該方法包括藉由一電路：自一音訊頻道產生定義該音訊頻道之一正交表示之正交分量；藉由應用將該等正交分量之一頻譜自一標準基礎旋轉至一經旋轉基礎之一正向變換來產生經旋轉頻譜正交分量；在該經旋轉基礎上：使處於目標頻率之該等經旋轉頻譜正交分量之分量隔離；及藉由對該等經隔離分量應用一與比例無關之非線性度來產生經加權相位同調諧波頻譜正交分量；藉由應用將該等經加權相位同調諧波頻譜正交分量之一頻譜自該經旋轉基礎旋轉至該標準基礎之一逆變換來產生一諧波頻譜分量； 組合該諧波頻譜分量與該音訊頻道之在該等目標頻率之外之頻率以產生一輸出頻道；及將該輸出頻道提供至一揚聲器。
  8. 如請求項7之方法，其中該諧波頻譜分量包含不同於該音訊頻道之該等目標頻率之頻率且在藉由該揚聲器演現時產生該等目標頻率之一心理聲學印象。
  9. 如請求項7之方法，其進一步包括，藉由該電路，基於以下至少一者判定該等目標頻率：該揚聲器之一可重現範圍；該揚聲器之功率消耗降低；或該揚聲器之壽命增加。
  10. 如請求項7之方法，其進一步包括，藉由該電路，使用一閘函數使處於目標量值之該等分量隔離。
  11. 如請求項7之方法，其進一步包括，藉由該電路，對該等經隔離分量應用一平滑函數。
  12. 如請求項7之方法，其中該與比例無關之非線性度包含具有經析出因數之量值之第一種切比雪夫多項式之一經加權總和。
  13. 一種包括經儲存指令之非暫時性電腦可讀媒體，該等經儲存指令在藉由至少一處理器執行時組態該至少一處理器以：自一音訊頻道產生定義該音訊頻道之一正交表示之正交分量；藉由應用將該等正交分量之一頻譜自一標準基礎旋轉至一經旋轉基礎之一正向變換來產生經旋轉頻譜正交分量；在該經旋轉基礎上：使處於目標頻率之該等經旋轉頻譜正交分量之分量隔離；及藉由對該等經隔離分量應用一與比例無關之非線性度來產生經加權相位同調諧波頻譜正交分量；藉由應用將該等經加權相位同調諧波頻譜正交分量之一頻譜自該經旋轉基礎旋轉至該標準基礎之一逆變換來產生一諧波頻譜分量；組合該諧波頻譜分量與該音訊頻道之在該等目標頻率之外之頻率以產生一輸出頻道；及將該輸出頻道提供至一揚聲器。
  14. 如請求項13之非暫時性電腦可讀媒體，其中該諧波頻譜分量包含不同於該音訊頻道之該等目標頻率之頻率且在藉由該揚聲器演現時產生該等目標頻率之一心理聲學印象。
  15. 如請求項13之非暫時性電腦可讀媒體，其中該等指令進一步組態該至少一處理器以基於以下至少一者判定該等目標頻率：該揚聲器之一可重現範圍；該揚聲器之功率消耗降低；或 該揚聲器之壽命增加。
  16. 如請求項13之非暫時性電腦可讀媒體，其中該等指令進一步組態該至少一處理器使用一閘函數使處於目標量值之該等分量隔離。
  17. 如請求項13之非暫時性電腦可讀媒體，其中該等指令進一步組態該至少一處理器對該等經隔離分量應用一平滑函數。
  18. 如請求項13之非暫時性電腦可讀媒體，其中該與比例無關之非線性度包含具有經析出因數之量值之第一種切比雪夫多項式之一經加權總和。
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