WO2014059890A1

WO2014059890A1 - 在线迭代的声重放系统频响均衡方法和装置

Info

Publication number: WO2014059890A1
Application number: PCT/CN2013/084956
Authority: WO
Inventors: 马登永
Original assignee: 苏州上声电子有限公司
Priority date: 2012-10-15
Filing date: 2013-10-10
Publication date: 2014-04-24
Also published as: CN102883243A; CN102883243B

Abstract

一种在线迭代的声重放系统频响均衡方法和装置。该方法包括：（1）将系统旋置均衡模式，设定声源（1）为噪声信号，然后控制系统播放此噪声信号，同时传感器采集和记录反馈信号；（2）结合噪声信号和反馈信号，利用逐级迭代的最小均方误差准则依次估计出各级均衡器的参数；（3）级联各级均衡器，形成合成均衡器；（4）将合成均衡器置于信号处理通道，完成系统频响均衡操作，然后将系统旋置正常播放模式。该装置包括：声源（1）、数字信号处理器（2）、功率放大器（3）、扬声器（4）、反馈信号接收模块（5）。

Description

在线迭代的声重放系统频响均衡方法和装置技术领域

本发明涉及一种声重放系统的频响均衡方法和装置，特别涉及一种在线迭代的声重放系统频响均衡方法和装置。

背景技术

近年来，随着大规模集成电路和数字信号处理技术的迅速发展，基于数字信号处理技术的声重放系统响应均衡问题也逐渐受到国内外多家研究坑构及企业的关注，并有几家公司推出了几款带有响应均衡功能的声学产品。乌普萨拉大学（Uppsa!a University)旗下的 Dirac公司推出了 Dirac HD Sound技术，用干解决自由场环境下扬声器单元的频响曲线峰谷点均衡，同时还推出了 Dirac Live技术，于解决房间内声重放系统的频响曲线峰谷点均衡。香港正然传讯有限公司推出了 CONEQ技术，用于解决房间内扬声器系统的频响起伏均衡，该技术利用单个传声器在扬声器单元前方按照蛇形走线路径逐点采集扬声器系统的脉冲响应数据，然后通过特定的响应数据处理算法，实行对扬声器系统的频响均衡。丹麦林道夫 CLYNGDORF)公司推出了房间均衡技术—— Room Perfect, 该技术利用阜个传声器在房间内的多个位置点采集扬声器系统的响应数据，并利 ]¾这些多点响应信息完成听者位置的响应曲线均衡。美国 KRK公司也推出了房间内声重放系统响应均衡产品 Ergo (Enhanced Room Geometry Optimization), 该产品也是利用单个传声器在听者位置四周采集响应数据，并处理这些响应数据获得均衡器的参数，完成对听者位置点的响应均衡。

上述的多款声重放系统均衡产品，用于均衡自由场内的扬声器单元或者均衡房间内的扬声器系统，在自由场内扬声器单元的脉冲响应序列持续时间较短，脉冲拖尾较小，其均衡器的设计较为简单，但是在房间内扬声器单元的脉冲响应序列持续间较长，脉冲拖尾非常严重，其均衡器的设计较为复杂，需要联合多个空间位置点的响应数据进行综合处理。这些均衡产品所采 ^均衡算法，本质上都是通过对采集的时域响应序列迸行分析，将其分解为最小相位响应部分和全通响应部分，针对最小相位响应部分直接对其响应的零极点进行倒置就可以获得其逆滤波器响应的零极点，从而获得其逆滤波器响应的参数；对于全通响应部分，如果其相位响应在期望的频带区域内是恒定值，不随频率发生变化，那么这种相位恒定的全通响应部分对重放信号的音色没有明显的影响，可以忽略不计，但是如果全通响应部分的相位响应在期望频带内会隨频率发生变化，那么这种相位响应随频率变化的全通响应部分会引起重放信号的音色发生明显变化，需要考虑对其进行均衡处理。

对自由场及混响场内扬声器系统均衡方法的研究文献较多，其中一些代表性的研究成果如下- 文献 1 Stephen T, Neely and Jont B. Allen, "Invertibiiity of a room impulse response ," J.

Acoust. Soc. Am, Vol. 66, No. 1, pp. 165- 169, July 1979.——提出了房间响应中最小相位响应部分的计算方法，并对最小相位响应的零极点倒置，获得了最小相位响应的逆滤波响应，基于最小相位部分的逆滤波器参数对房间响应迸行均衡处理，并通过实验证实了算法的有效性。

文献 2 Yoichi Haneda , Shoji Makino, and Yutaka Kaneda, " Common acoustical pole axid zero modeling of room transfer functions, " IEEE Transaction on Speech and Audio Processing. Vol 2， No. 2, pp. 320-328, April 1994.——针对房间内多个位置点采集的多组传递函数，提出了基于共声学极点模型的房间传递函数融合算法，减少了房间模型的估计参数，提高了计算速度。

文献 3 Aki Hanna, Matti aqalainen, Lauri Savioja, Vesa Valimaki, Unto K, Lairie, and jyri Huopaniemi, "Frec!uency- warped signal processing for audio application, " j. Audio Eng. Soc, \¾1. 48, No. 11, pp. 1011-1029, November 2000,——提出基于弯折频率域的响应均衡方法，利用线性预测编码（Linear Predictive Coding—— LPC) 方法 i卜算弯折频率域内的均衡器参数，从而提高对低频区域的均衡能力。

传统的声重放系统均衡方法，都是基于对系统脉冲响应函数进行分析，拟合这些詠冲响应函数的零极点模型，再通过零极点倒置找出系统的逆滤波器响应，从而获得了声重放系统的均衡器参数。这些方法的参数估计过程都是依赖于最小均方误差（Least Mean Squares—— LMS )算法或者线性预测编码 LPC )算法的阜次估计来计算均衡器的参数，这种基于单次估 i卜方法所获得的逆滤波器参数与理想的逆滤波器参数之间扔然存在着一定程度的偏差，这些偏差将造成均衡后的声重放系统频响曲线在一些频带内仍有较为明显的峰谷起伏性，仍未达到较为理想的频响平直特性。这些均衡后频响曲线的峰谷起伏特性是由均衡器的参数误差所造成的，为了削弱均衡后频响曲线的峰谷伏特征，需要进一步提高均衡器的参数估计精度，因此需要寻找更为精确有效的均衡器参数估计方法。对现有基于单次 LMS或者单次 LPC参数估计算法,在系统均衡器参数估计方面所存在的一定误差缺陷，需要考虑采用多次迭代估计的方法，通过多次迭代操作使所估计的级联均衡器响应逐歩逼近理想的系统逆滤波器响应，减少均衡器的参数估计误差，从而保证均衡后频响曲线具有更好的平直特性。

发明内容

本发明的目的在于克服基于单次 LMS或者单次 LPC参数估†算法在系统均衡器参数估† 方面所存在的一定误差缺陷，提供一种在线迭代的声重放系统频响均衡方法和装置。为了达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：一种在线迭代的声重放系统频响均衡方法，如图 1所示，包括如下步骤：

( 1 ) 将系统旋置均衡模式，设定声源为噪声信号，然后控制系统播放此噪声信号，同时传感器采集和记录反馈信号：

(2) 结合噪声信号和反馈信号，利 ]¾逐级迭代的 LMS准则依次估计出各级均衡器的参数；

( 3 ) 级联各级均衡器，形成合成均衡器；

( 4 )将合成均衡器置于信号处理通道，完成系统频响均衡操作，然后将系统旋置正常播放模式。

进一步地，步骤（1 ) 中所述噪声信号，可以为指定带宽的白噪声序列或者最大长度序列 ( Maximum Length Sequence—— MLS ) 所产生的噪声信号，这种信号呈现平坦的功率谱特性，以用于 yii练出自由场或混响场内扬声器到传声器位置点的传递函数。

进一步地，步骤（υ 中所述传感器采集和记录反馈信号，如图 2所示，这种传感器的类型是根据声重放系统的均衡目标来确定的；如果声重放系统仅需要均衡信号处理和功放驱动两个部分所构成电路系统的频响起伏特性，这种传感器可以为线缆或模数转换器以获得经噪声激励所产生的电路处理部分的脉冲响应序列信号；如果声重放系统需要均衡电路部分和扬声器部分耦合后的响应起伏特性，则这种传感器为置于空间某个期望位置点的传声器，于记录由嗓声激励所产生的从扬声器到传声器之间对应于声场传播的脉冲响应序列；如果声重放系统需要均衡电路部分、扬声器部分和外部环境部分三个部分一起稱合后的响应起伏特性，劑这种传感器为置于空间某一位置点的传声器，这种传声器需要改变所处空间位置，依次记录多个空间位置点上 ώ噪声激励所产生的从扬声器到传声器之间对应于声场传播的脉冲响应序列。

进一步地，歩骤（2) 中所述利 ¾逐级迭代的 LMS准则依次估 i卜出各级均衡器的参数，这种基于逐级迭代的 LMS准则的各级均衡器参数估计过程如下：

a. 假设输入噪声源信号的时域序列矢量为：

其中， Ν 是噪声源信号时域离散序列的采样点数；假设声重放系统的时域脉冲响应序列表达式：

其中， M为系统时域脉冲响应的序列长度；

假设传感器采集的反馈信号的时域序列为-

= s_w * h

其中 " 代表两个序列矢量之间迸行卷积操作；如图 ₃所示，在第 1次迭代时，假定待求的第 1个均衡器的时域脉冲响应序列的长度为 L(L〉M) , 那么该响应序列矢量可以表示为：反馈信号 Γ经由待求的第 1个均衡器_/ ^处理后，得到经第 1次均衡后的反馈信号表达式

结合声源信号 s_w和第 1 次均衡后的反馈信号 u，根

据最小均方误差准则，计算出使声源信号 s_w和均衡后反馈信号之间均方误差取最 Φ值

'

时的均衡器参数矢量，作为第〗次迭代时设计的第 1个最优均衡器参数矢量的估计值，其表达式为：

= arg min i?{||r ~^J| } 如图 4所示，根据 LMS算法可以计算出最优均衡器参数矢量的估计值，其最优均衡器参数的计算过程是通过基于 LMS的迭代算法来实现的，在第 n次迭代过程中，第 1个最优均衡器参数的计算表达式如下- r^'(n) ^ 2^ J (n) ' r("― ) （"）二（" A) )（"） i g.i 0? + 1) - heqjin) + 2μ ' e^(n) . ri ? - /), 0 < < L - 1 '

其中 Δ代表声源信号 _Sw (n) 的延迟量；根据上述表达式可知，第 : I个最优均衡器的参数迭代过程，其中 μ为歩长，其取值满足如下关系：

1

0 < μ <

t K)

其中 tr (R) 为矩阵 R的迹， _{R E}(_r._r , 是矢量「的共轭转置矢量， ίίί!「是由传感器接收的反馈信号所成的长度为 L的时域序列矢量，在第 i个釆样时刻反馈信号 r ω的矢量表达式为: r(i) - \r(i) r(i— 1)… r(i -L + 1)]

歩长 μ按照下面关系来选取:

1

0 < μ <

λ,. 其中 _A 为矩阵 R的最大特征值；

max

步长因子 μ的实际取值大小要结合 LMS算法的实际运行情况来选择，以保证在失调误差较小的前提下算法具有较好的收敛速度。

为了提高 LMS算法的收敛速度，最优均衡器参数的计算也可以采用归一化的 LMS算法, 即 NLMS(Normaiized Least Mean Squares)算法，则在第 n次迭代过程中 , 基干 NLM:S算法的第 1个最优均衡器参数的计算表达式如下： r_eq '(η) 2^ (^η) ' ^r(ⁿ .

keq (ft + 1) heqj ί ?) + ―

γ -f- r(i

其中 μ为步长因子， Υ为小正常数,

r(n) Γ(Π ~1) 'Γ(Π ~Γ}

ϋ

对于 NLMS算法，参数 μ和 Y的取值也要结合算法的实际运行情况来选择，以保证在失调误差较小的情况下，尽量提高算法的收敛速度。

假定由 LMS算法或者 NLMS算法经 N_Q次迭代计算后算法趋于收敛，此时第 1个均衡器的参数估计值为： f 进行归一

化处理，得到- k _gN ™ [h_gN ,0 h_gN J ' - k _gA> -1 ]

其中， )「是矢量 £^的转置矢量；反馈信号 Γ经 ώ第 ί个均衡器处理后，得到经第 1 次均衡后的反馈信号表达式为： '(。）… ¹)] 结合第 1次均衡后的反馈信号 )和声源信号 s_w，我们可以^算出经第〗级均衡器处理后 eq

的反馈信号与声源信号之间的均方根误差值其表 i max (1)、 max(,s'_¾[)

N

b. 按照步骤 a中均衡器参数的估 i卜过程，继续完成第 1、 2、 …、 k L个均衡器的参数估计，假设在完成第 k -】个均衡器参数估计的基础上，如图 6所示，第 k个均衡器参数的估计过程如下：

经前 k- 1个均衡器滤波处理后的反馈信号表示为： ― ^ [ ― i0) —"(i)… ― — 1)]

经前 k- 1个均衡器滤波处理后的反馈信号 n再经由待求的第 k个均衡器 _U 处理后，得到经前 k个均衡器处理后的反馈信号表达式为:

结合声源信号 s_w和经 k个均衡器处理后的反馈信号 ,根据最小均方误差准剣，计算出使声源信号 s_w和均衡后反馈信号之间均方误差取最小值时的均衡器参数矢量,作为第 k次迭代 ^设计的第 k个最优均衡器参数矢量的估计值，其表达式为-

如图 6所示，根据: LMS算法可以计算出最优均衡器参数矢量的估计值，其最优均衡器参数的计算过程是通过基于 LMS的迭代算法来实现的，在第 I次迭代过程中，第 k个最优均衡器参数的计算表达式如下：

、 ·) w

h_eqj (η -ί- 1) - h _qJ (") - 2/i - ("） - r^ ⁾ (n - ), ()</</. - 1 '

根据上述表达式可知，第 k个均衡器参数的迭代过程如图 7所示，其中步长 μ的取值满足如下关系:

是矢量的共轭转置矢量，而是经前

0 <·. μ < k— 1个均衡器滤波处理后的反馈信号所组成的长度为 L的时域序列矢量， ¾ 采样时刻经前 k- i个最优均衡器滤波处理后的反馈信号，其时域的矢量表达式为:

另外，步长 μ按照下面关系来选取:

1 '

0 < μ < 其中 A _raax为矩阵 R的最大特征值；步长因子 μ的实际取值大小要结合 LMS算法的实际运行情况来选择，以保证在失调误差较小的前提下算法具有较好的收敛速度。

为了提高 LMS算法的收敛速度，最优均衡器参数的计算也可以采用归一化的 LMS算法, 即 NLMS算法，在第 η次迭代过程中，基于 NLMS算法的第 k个最优均衡器参数的计算表达式 5Π下：

/½,,(« + 1) - ： n) + - μ

0 < i < L 其中 y为步长因子， γ为小正常数，

对于 NLMS算法，参数 μ和的取值也要结合算法的实际运行情况来选择，以保证在失调误差较小的情况下，尽量提高算法的收敛速度。

假定 ώ LMS算法或者 NLMS算法经 N«次迭代计算后算法趋于收敛，此时第 k个均衡器的参数估计值为： ^n 、 f^k、对第 k个均衡器的参数估计值进行归化处理，得至 i.

其中，是矢量的转置矢量；经前 k-1个均衡器滤波处理后的反债信号 -^再经由

^处理后，得到经前 k个均衡器处理后的反债信号，其表达式为- /'½N-

(k)

gN ra>和声源信号 s_w,我们可以计算出经前 k级均衡器处 m 艮误差值 e^(k), 其表达式如下:

M

c. 按照步骤 b中均衡器参数的估计过程，继续完成第 k+i、 k+2, …、 K个均衡器的参数估计，在完成第 K个均衡器的参数估计后，均衡根误差值 e^(K)小于户设定的期望均方根误差 eo, 算法不再继续†算下一级均衡器的参数，停止迭代。

更进一步地，在估^均衡器参数的迭代计算过程中，算法会一直监视均衡根误差值 e^(K) 的大小，在每次迭代完成后都会与用户设定的期望均方根误差进行比较，并控制迭代循环的运行。如，在第 k+i次迭代开始之前，如果 e^<k)> Co , 那么继续执行 k+1次迭代；如果 e^(k) e₀, 则停止迭代。

进一步地，歩骤（3 ) 中的级联各级均衡器，形成合成均衡器，其实现过程如下：由 K次迭代估计所获得的这 K个均衡器的参数估计值分别为- f ( 、 …、 , 由这 K个均衡器级联所形成的合成均衡器 ·· 的表达式为： (1， ' ) .^(1,2,--· ) (1,2,·-Α') ^{i:i, --K ) _ν，

其中代表时域矢量序列之间的卷积操作。

进一步地，歩骤 4) 中的将合成均衡器置于信号处理通道，完成系统频响均衡操作，其具体；

在获得合成均衡器 ^Α ·^的基础利 ]¾有限脉冲响应滤波器来实现均衡操作，假设输入声源信号的时域序列矢量为： s - [.?(0) s(l)… Λ(Λ' ~-1)1^γ '

经合成均衡器 ^ ··· 处理后的声源信号可以表示为；二 [' (()) … ^^——¹)]

经合成均衡器处理后的声源信号，通过功率放大器放大后送至扬声器端，从而驱动扬声器辐射声波，通过这种均衡处理操作，从扬声器到听者位置点处的声场传递函数得到了均衡，其传递函数响应曲线的峰谷得到了抑制，从而提高了声重放信号的质量。

进一步地，歩骤（4) 中的信号处理通道，是指在数字信号处理器内完成信号的幅度调整以及滤波操作，以获得适合后级输出带宽要求的传输信号的通道。

本发明所提供的另一技术方案为：一种在线迭代的声重放系统频响均衡装置，如图 ί 所示' 它包括：

声源，是系统待重放的声信息：

数字信号处理器，与声源的输出端相连接，用于^算多次迭代的各级均衡器的参数估^ 值，并联合多级均衡器形成合成均衡器，然后将合成均衡器加入到信号处理通道中；功率放大器，与数字信号处理器的输出端相连接， ffl于对均衡处理后的信号迸行功率放大，以驱动扬声器发声；

扬声器，与功率放大器的输出端相连接，用于电声转换以便将声源信号重放到空气中：反馈信号接收模块，与扬声器的输出端相连接，用于采集和记录重放到空气中的声信号。进一歩地，声源为来自于各种模拟装置所产生的模拟声源信号，或者为各种数字装置所产生的数字编码信号，或者为无线网络传输信号，无线网络传输信号为无线发射装置传送来的广播信号并通过无线接收器迸行接收和解调获得用户指定的声源信号。当声源为模拟声源信号时，需要借助模数转换器，将模拟信号转换为系统指定的数字输入格式；当声源为数字编码信号时，需要在数字信号处理器内部将该数字编码信号转换为系统指定的数字输入格式；当声源为无线网络传输信号时，需要将无线接收器解调的信号转换为系统制定的数字输入格式。

进一歩地，声重放系统具有均衡工作模式和正常播放模式，声源需要根据声重放系统的两种不同的工作模式迸行设置选择。当声重放系统置于均衡工作模式^，声源为指定带宽的白嗓声序列或者最大长度序列（Maximum Length Sequence MLS ) 所产生的噪声信号，这种信号呈现平坦的功率谱特性，以用于 ^练出自由场或混响场内扬声器到传声器位置点的传递函数；当声重放系统旋置于正常播放工作模式时，声源为用户指定的需要重放的声源信号。

更进一步地，声重放系统具有均衡工作模式和正常播放模式，数字信号处理器需要根据声重放系统所置于的两种不同的工作模式进行相应的处理工作。当声重放系统置于均衡工作模式时，数字信号处理器首先将噪声信号迸行通道信号处理，以完成信号的幅度调整以及滤波操作，获得适合后级输出带宽要求的发射信号，然后再送至功率放大器端，在接收到反馈信号后会对噪声源信号和反馈信号进行分析处理，按照迭代 LMS准劑， † 算出各级均衡器的参数估计值，然后级联所有的均衡器，获得合成均衡器的参数估计值, 最后用合成均衡器的参数估计值更新 FIR滤波器的相应的系数值，丛而将合成均衡器加入到信号处理通道中；当声重放系统置于正常播放工作模式时，数字信号处理器将按照合成均衡器的参数估计值对用户指定的输入信号进行均衡处理，并将均衡后信号送至功放输入端。

进一歩地，功率放大器的输入接口可以分为两种类型，即数字输入接口和模拟输入接口。如果功率放大器具有数字输入接口，則可以直接对数字信号处理器送来的数字信号进行功率放大处理后再送至扬声器端，因此功率放大器直接与数字信号处理器相连接；如果功率放大器仅具有模拟输入接口，则需要依靠数模转换器，将数字信号处理器送来的数字信号转换为模拟信号后再进行功率放大处理，最后送至扬声器端，因此功率放大器与数字信号处理器之间连接有数模转换器。

进一步地，扬声器并不局限于单一的扬声器单元，扬声器的实现形式可以为单个扬声器单元，也可以为多个扬声器单元组成的扬声器阵列，并且该阵列的形状可以根据扬声器阜元数量和实际应用需求进行排列，组成适合于实际应用需求的各种阵列形状。

进一歩地，反馈信号接收模块，其实现和工作方式需要根据声重放系统的均衡目标来确定。如果声重放系统仅需要均衡信号处理和功放驱动两个部分所构成电路系统的频响起伏特性，反馈信号接收模块则对功放输出端的信号迸行接收和采集，并将采集的数字序列送入数字信号处理器中：如果声重放系统需要均衡电路部分和扬声器部分耦合后的响应起伏特性，则反馈信号接收模块将对置于空间某个期望位置点的传声器接收信号进行釆集，并将采集的数字序列送入数字信号处理器中；如果声重放系统需要均衡电路部分、扬声器部分和外部环境部分三个部分一起耦合后的响应起伏特性，则反馈信号接收模块将对依次置于空间多个位置点处的传声器接收信号迸行采集，并将采集的对应于多个空间位置点的数字序列送至数字信号处理器中。

与现有技术相比，本发明的优点在于-

1. 与传统的基于单次 LMS或者单次 LPC参数估计算法相比，本发明所提出的在线迭代的声重放系统频响均衡方法，通过增加级联均衡器的数量和增加每级均衡器的阶数，可以明显提升合成均衡器的通道响应补偿能力，使均衡后的系统整体频响曲线更为平直，并使合成均衡器逼近于理想的逆滤波器响应；

2. 本发明所提出的在线迭代的声重放系统频响均衡方法，对声重放系统所处的环境变化和扬声器单元本身的性能变化，能够在线完成均衡器的参数估计和更新处理。用户在更改声重放系统的扬声器单元及安装箱体特性或者更改声重放系统所放置的空间环境时，仅需要将声重放系统旋置均衡模式，系统会自动的发出噪声信号，并通过传声器接收和记录反馈信号，基于噪声和反馈信号的分析，实时完成合成均衡器的参数估计和更新任务。这种基于在线自动均衡的响应补偿方式，更能满足实际应用需求，同时也简化了均衡操作流程，节省了均衡操作时间，其应用更为广泛和灵活；

3. 本发明所提出的多次迭代均衡方法，能够通过增加迭代均衡的次数，即增加级联均衡器的数量，来实现对用户期望的整个宽频带内频响进行更为平直的均衡处理，其对于低频带内频响的均衡能力要明显优于传统的均衡方法；

4. 传统的均衡器参数估计方法，需要通过时频域的变换以获取最小相位响应分量，实现复杂繁锁。与传统的均衡器参数估计方法相比，本发明所提出的多次迭代均衡方法，直接在时域内分析噪声信号和反馈信号，并直接在时域内完成均衡器的参数估计，其信号处理流程及硬件实现较为简单；

5. 本发明采用 LMS或者 NLMS的迭代算法来估 if均衡器的参数值，这种参数估 i卜算法完全可以在 DSP和 FPGA等数字信号处理器件中实现，硬件实现简单、成本较低；

6. 本发明通过对多个已估†的均衡器进行级联生成単一的合成均衡器，在实际应用中，使用单个合成均衡器来执行通道的均衡操作，实现简单可靠。

跗图说明

图 i表示本发明的一种在线迭代的声重放系统频响均衡方法和装置的信号处理流程图；图 2表示本发明的一种在线迭代的声重放系统频响均衡方法和装置的三种不同环节的均衡处理示意图；

图 3 表示本发明的一种在线迭代的声重放系统频响均衡方法和装置的多级均衡器的参数估计示意图，其中 s为声源， r为反馈信号， ^为经均衡处理后的声源信号；图 4表示本发明在第 1次迭代过程中第 1级最优均衡器的参数估计示意图，其中 r(ii)为反为误差信号，为白噪声 ^ -κ)为逆滤波:: 偿后的声源信号； flgN

图 5表示本发明在第 1次迭代过程中第 i级最优均衡器的参数迭代示意图，其中 Γ(η- 1) 为反馈' 为误差信号， 2 μ为步长, ？ ω _f , 为均衡器参数; 图 6表示本发明在第 k次迭代过程中第 k级最优均衡器的参数估计示意图，其中为反馈信号， .^ 、为误差信号，为白噪声， . ι 为逆滤波补偿后的声源信

图 Ί表示本发明在第 k次迭代过程中第 k级最优均衡器的参数迭代示意图，其中 _/( 为反馈信号，为误差信号， 2 μ ¾

ft ("十 i)为聰器参数;

图 8表示本发明的合成均衡器的实现过程示意图，其中为输入声源信号， . ^η为

s * h_gN 经合成均衡器处理后的输入信号；

图 9表示本发明的一种在线迭代的声重放系统频响均衡装置的各组成模块的示意图；图 10表示本发明实施例中系统工作于均衡模式时噪声源信号的时域波形图；

图 11表示本发明实施倒中系统工作于均衡模式时传声器接收的反馈信号波形图；图 12 表示本发明实施例中系统未施加均衡、经 1次迭代均衡和经 10次迭代均衡后系统频响曲线对比图。

其中图中标号为：

声源； 2、数字信号处理器； 3、功率放大器； 4、扬声器； 5、反馈信号接收模块。具体实施方式

下面结合附图对本发明的较佳实施 ^进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。

目前，传统的声重放系统均衡方法，都是基于对系统脉冲响应函数进行分析，拟合这些脉冲响应函数的零极点模型，再通过零极点倒置找出系统的逆滤波器响应，从而获得了声重放系统的均衡器参数。这些方法的参数估†过程都是依赖于最小均方误差（LMS ) 算法或者线性预测编码（LPC)算法的单次估†来计算均衡器的参数，这种基于单次估计方法所获得的逆滤波器参数与理想的逆滤波器参数之间仍然存在着一定程度的偏差，这些偏差将造成均衡后的声重放系统频响曲线在一些频带内仍有较为明显的峰谷起伏性，扔未达到较为理想的频响平直特性。为了克服基于单次 LMS或者单次 LPC参数估计算法，在系统均衡器参数估计方面所存在的一定误差缺陷，本发明提出了一种在线迭代的声重放系统频响均衡方法和装置，通过采用多次迭代估计方法逐级计算出多个级联均衡器的参数值，这些各级均衡器级联所形成的合成均衡器能够更好的逼近于理想的系统逆滤波器响应，从而减少了均衡器的参数估计误差，保证了均衡后系统频响曲线具有更好的平直特性。本发明通过增加级联均衡器数量,可以明显提升均衡器的响应均衡能力,同时通过在线自动均衡，简化了均衡操作流程，其应用场景更为广泛和灵活。

如图 9所示，制作一个依据本发明的在线迭代的声重放系统频响均衡装置，其主体声源 1、数字信号处理器 2、功率放大器 3、扬声器 4、反馈信号接收模块 5等组成。

声源 1 , 当系统旋置均衡模式时声源 1为白噪声信号，其采样率为 23.8ΚΉΖ, 比特位数为 16, 其时域信号波形如图 10所示。当系统旋置正常播放模式时，声源 : I为 ]¾户指定的待重放信号。

数字信号处理器 2,与所述声源 1的输出端相连接，在硬件实现上可以由 DSP或者 FPGA 作为核心处理器来实现。在均衡模式下，数字信号处理器 2将联合噪声信号和反馈信号，通过多次迭代估^算法^算出各级均衡器的参数，在完成多级均衡器估计的基础上，级联所有均衡器形成合成均衡器，并利用 FiR滤波器来实现合成均衡器。在正常播放模式下，数字信号处理器 2将利用基于 FIR结构的合成均衡器对待重放信号进行均衡处理。功率放大器 3, 与所述数字信号处理器 2的输出端相连接，对数字信号处理器 2送入的数字信号进行数模变换和功率放大处理。

扬声器 4, 与所述功率放大器 3的输出端相连接，实现电声变换，在空气中重放声信号。扬声器 4为口径为 3,5寸、额定功率为 0 瓦、直流电阻为 4 欧姆、置于封闭箱体内的扬声器。

反馈信号接收模块 5, 与所述扬声器 4的输出端相连接，在均衡模式下，反馈信号接收模块将采集噪声源所激励产生的响应序列，并送至数字信号处理器 2中。

实施例：

在本实施例中，假设声重放系统工作于均衡模式下，扬声器为声源为图 10所示的白噪声信号，传声器置于扬声器单元轴线上 1 米处，传声器所记录的反馈信号^域波形如图 11所示。假设待估计的各级均衡器的阶数均为 600，设置迭代均衡的次数为】 0。

图 12给出了在未均衡、经 1次迭代均衡和经 10次迭代均衡:三种情况下，系统频响曲线的对比图。对比这三组曲线可以看出，在未施加均衡器的情况下系统频响曲线在 1,5ΚΗζ〜 4.5 KHz 的频带范围内存在着非常明显的峰值；在第 1 次迭代均衡处理后，系统在在 1.5KHz〜4.5KHz的频带范围内的峰值已经得到了消除，但是在 L5KHz频点近的区域内系统频响曲线仍有小量的起伏，同时在 100Hz〜200Hz的频带系统频响曲线仍有较大程度的起伏；在经 10次迭代均衡处理后，系统在 1.5ΚΉζ频点附近区域内的少量起伏已经得到了消除，同时在 100Η_Ζ〜200Ηζ频带内的幅度峰值也得到了较大程度的抑制。对比第 : 次迭代均衡和第 10次迭代均衡处理后的频响曲线，可以看出：通过增加迭代次数，本发明所提出的迭代均衡方法，能够明显改善系统均衡后频响曲线的平直程度，这说明本发明所提出的多次迭代均衡方法，较传统均衡方法相比，具有更好的均衡效果，经其均衡后的频响曲线将会更为平直。

上述实施^只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims

权利要求：

1. 一种在线迭代的声重放系统频响均衡方法，包括如下步骤：

( 1 ) 将系统旋置均衡模式，设定声源为噪声信号，控制系统播放此噪声信号，同时通过传感器采集和记录反馈信号：

( 2 ) 结合噪声信号和反馈信号，利用逐级迭代的最小均方误差准则依次计算出各级均衡器的参数；

( 3 ) 级联各级均衡器，形成合成均衡器；

2. 根据权利要求 1所述的在线迭代的声重放系统频响均衡方法，其特征在于：步骤（）中的噪声信号，为指定带宽的白噪声序列或者最大长度序列所产生的噪声信号。

3. 根据权利要求 i所述的在线迭代的声重放系统频响均衡方法，其特征在于：步骤（2 ) 中的利用逐级迭代的最小均方误差准则依次估计出各级均衡器的参数，这种基于逐级迭代的最小均方误差准则的各级均衡器参数估计过程如下- a. 假设输入噪声源信号的时域序列矢量为-

其中， Ν 是嗓声源信号时域离散序列的采样点数；假设声重放系统的时域脉冲响应序列表达式为：

h = \ K "' U

其中， M为系统时域脉冲响应的序列长度；假设传感器采集的反馈信号的时域序列为： r - [r(0) rfl) · · · r( V 1)]】，其中代表两个序列矢量之间进行卷积操作；在第 1次迭代，假定待求的第 1个均衡器的时域脉冲响应序列的长度为 L(L>M), 该响应序列矢量则表示为：

反馈信号「'经由待求的第 1个均衡器 _(1¾处理后，得到经第 i次均衡后的反馈信号表达式为：

(0) … ！ D' (N— i)]^r '

™ r * h'、 ^}

结合声源信号 s_w和第 1次均衡后的反馈信号 (n , 根据最小均方误差准则，计算出使声源信号 s_w和均衡后反馈信号 _ω之间均方误差取最小值^的均衡器参数矢量，作为第 1次迭代时设计的第 1个最优均衡器参数矢量的估计值，其表达式为-

根据最小均方误差算法计算出最优均衡器参数矢量的估†值，其最优均衡器参数的计算过程是通过基于最小均方误差的迭代算法来实现的，在第 11次迭代过程中，第 1个最优均衡器参数的计算表达式如下：

h_eqj (n + 1)- h_eqJ (") + 2μ - e^! (n) · r(n -/), 0</<I~-l

其中 Δ代表声源信号 _Sw (_n) 的延迟量；根据上述表达式—可知，第 1个最优均衡器的参数迭代过程，其中 μ为步长，其取值满足如下关系-

0 < μ <

tr(K)

其中 tr (R) 为矩阵 R的迹， _{R E r},_rHy 是矢量 Γ的共轭转置矢量，而 Γ是由传感器接收的反馈信号所成的长度为 L的时域序列矢量，在第 i个采样 ^刻反馈信号 r (i)的矢量表达式为; r(i) - [r( r(i - 1) · .. r(i - L + 1)]¹

歩长 μ按照下面关系来选取; 为矩阵 R的最大特征值; 假定由最小均方误差算法经次迭代计算后算法趋于收敛，此时第 1个均衡器的参数 1ό 计值为： fW ..._f£(" ？ « _f.，对第 1个均衡器的参数估计值进行归一化处理，

其中， '「是矢量的转置矢量; 反馈信号 Γ经由第 1个均衡器^ υ处理后，得到经第 1次均衡后的反馈信号表达式为; ; =[ (ο) Κ ν ι)Γ

结合第〗次均衡后的反馈信号和声源信号 s_w, 计算出经第〗级均衡器处理后的反馈信 eq

号值 e⁽ⁱ⁾, 其表达式如下：

b. 按照歩骤 a中均衡器参数的估计过程，继续完成第 1、 2、 …、 i个均衡器的参数估计，假设在完成第 k-1个均衡器参数估计的基础上，第 k个均衡器参数的估计过程如下：经前 k- i个均衡器滤波处理后的反馈信号表示为-

(k -\ )

- … - ι)]^Γ

经前 k- ί个均衡器滤波处理后的反馈信号再经由待求的第 k个均衡器^处理后，得到经前 k个均衡器处理后的反馈信号表达式为：

结合声源信号 s_w和经 k个均衡器处理后的反馈信号 _rW ,根据最小均方误差准则，计算出使声源信号 S_W和均衡后反馈信号 _W之间均方误差取最小值时的均衡器参数矢量,作为第 k次迭代时设计的第 k个最优均衡器参数矢量的估计值，其表达式为：、 )

a

根据最小均方误差算法t算出最优均衡器参数矢量的估计值，其最优均衡器参数的计算过程是通过基于最小均方误差的迭代算法来实现的，在第 n 第 k个最优均衡器参数的计算表达式如下-

ί i)

heg hegj («) + 2μ - (jl) - ("― /)， 0 < / < L ~ 1 '

根据上述表达式可知，第 k个均衡器参数的迭代过程，其中步长 μ的取值满足如下关系:

1

0< μ<

tr(R)

- .^ -r>H, , 是矢量的共轭转置矢量，而 (m是经前 k -〗个均衡器滤

^Λ - "eg ) 'eq 'eg ^f eq

波处理后的反馈信号所组成的长度为 L的时域序列矢量，在第 ^个采样时刻经前 k- 1个最优均衡器滤波处理后的反馈信号，其时域的矢量表达式为-

C( - °( … -〖)(卜 i)]^{r ;}

歩长 μ按照下面关系来选取； 1

0 < μ < 其中 λ _max为矩阵 R的最大特征值：

假定由最小均方误差算法经次迭代计算后算法趋于收敛，此时第 k个均衡器的参数估计值为： Γ _? 对第 k个均衡器的参数估值 ^^进行归一化处理，

>leq

得到； gN - [ gNJ) hgN "· hg_N,L-i ]

hi 其中，是矢量 £W的转置矢量；经前 k- 1个均衡器滤波处理后的反馈信号^^再经由第 k个均衡器处理后，得到经前 k个均衡器处理后的反馈信号，其表达式为:

n -i (O) 1)]

结合经前 k个均衡器处理后馈信号^ ^和声源 '号 s_w，计算出经前 k级均衡器处理后的反方 .误差值 e ^ 其表达式如下;

c. 按照歩骤 b中均衡器参数的估计过程，继续完成第 k+i、 k-i-2, …、 K个均衡器的参数估计，在完成第 K个均衡器的参数估计后，均衡根误差值 e^(K)小于用户设定的期望均方根误差 e_e, 算法不再继续计算下一级均衡器的参数，停止迭代。

4. 根据权利要求 3所述的在线迭代的声重放系统频响均衡方法，其特征在于：在估计均衡器参数的迭代计算过程中，算法一直监视均衡根误差值 e 的大小，在每次迭代完成后都会与用户设定的期望均方根误差 e_fi进行比较，并控制迭代循环的运行，在下一次迭代开始之前，如果 e^(k)〉_ee, 那么继续执行下一次迭代，如果剣停止迭代。

5. 根据权利要求 3所述的在线迭代的声重放系统频响均衡方法，其特征在于：在步骤 a 中，最优均衡器参数的计算采用归一化的最小均方误差算法，在第 11次迭代过程中，基于归一化的最小均方误差算法的第 1个最优均衡器参数的计算表达式如下-

- )

(n)-r(n -

— /), 0< < "1

其中 μ为歩长因子， Υ为小正常数，

： ^ r(«~ )-r(«" )

6. 根据权利要求 1所述的在线迭代的声重放系统频响均衡方法，其特征在于：在所述的步骤 a 中，所述的最优均衡器参数的计算还可以采用归一化的最小均方误差算法，則在第 ίΐ次迭代过程中，基于归一化的最小均方误差算法的第 k个最优均衡器参数的计算表达式如下-

h q,l {n H- I) · heq (n) + ·

γ -\- ) 其中 μ为步长因子， Υ为小正常数,

7. 根据权利要求 ί所述的在线迭代的声重放系统频响均衡方法，其特证在于：歩骤（3 ) 中的级联各级均衡器，形成合成均衡器，萁实现过程如下：

由 Κ次迭代估计所获得的这 Κ个均衡器的参数估计值分别为： ( 、 _?(2) , …、 , 由这 Κ个均衡器级联所形成的合成均衡器的表达式为:

其中 " * "代表时域矢量序列之间的卷积操作。

8. 根据权利要求 1所述的在线迭代的声重放系统频响均衡方法，其特征在于：步骤（4) 中的将合成均衡器置于信号处理通道，完成系统频响均衡操作，其具体实现如下：在获得合成均衡器的基础上，利用有限脉冲响应滤波器来实现均衡操作，假设输入声源信号的时域序列矢量为：

经合成均衡器 i处理后的声源信号可以表示为：

/ 」'、■'

经合成均衡器处理后的声源信号，通过功率放大器放大后送至扬声器端，驱动扬声器辐射声波。

9. 根据权利要求 1所述的在线迭代的声重放系统频响均衡装置，其特征在于：歩骤（4) 中的信号处理通道，是指在数字信号处理器内完成信号的幅度调整以及滤波操作，获得适合后级输出带宽要求的传输信号的通道。

10. 一种在线迭代的声重放系统频响均衡装置，其特征在于：它包括声源（1 )、与所述声源（1 ) 的输出端相连接并用于计算多次迭代的各级均衡器的参数估计值并联合多级均衡器形成合成均衡器然后将合成均衡器加入到信号处理通道中的数字信号处理器（2)、与所述数字信号处理器（2 ) 的输出端相连接并用于对均衡处理后的信号进行功率放大以驱动扬声器发声的功率放大器（3 )、与所述功率放大器（3 ) 的输出端相连接并用于电声转换以便将声源信号重放到空气中的扬声器（4)、与所述扬声器（4) 的输出端相连接并用于采集和记录重放到空气中的声信号的反馈信号接收模块（5 ), 所述的声源是系统待重放的声信息。

11. 根据权利要求 10所述的在线迭代的声重放系统频响均衡装置，其特征在于：声源（1 ) 为来自于各种模拟装置所产生的模拟声源信号，或者为各种数字装置所产生的数字编码信号，或者为无线网络传输信号，无线网络传输信号为无线发射装置传送来的广播信号并通过无线接收器进行接收和解调获得用户指定的声源信号。

12. 根据权利要求 10所述的在线迭代的声重放系统频响均衡装置，其特征在于：声重放系统具有均衡工作模式和正常播放工作模式，当声重放系统在均衡工作模式时，声源（1 ) 为指定带宽的白噪声序列或者最大长度序列所产生的噪声信号，当声重放系统旋在正常播放工作模式时，声源（1 ) 为 ffl户指定的需要重放的声源信号。

13. 根据权利要求 10所述的在线迭代的声重放系统频响均衡装置，其特征在于；功率放大器（3 ) 具有数字输入接口，功率放大器（3 ) 直接与数字信号处理器（2) 连接。

14. 根据权利要求 10所述的在线迭代的声重放系统频响均衡装置，其特征在于：功率放大器（3 ) 具有模拟输入接口，功率放大器（3 ) 与数字信号处理器（2) 之间连接有将数字信号处理器（2) 送来的数字信号转换为模拟信号的数模转换器。

】5, 根据权利要求 10所述的在线迭代的声重放系统频响均衡装置，其特征在于；扬声器 (4) 为单个扬声器单元、或者为多个扬声器单元组成的扬声器阵列。