专利名称：低音音频增强方法及设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种音频数据处理，更具体地讲，涉及一种音频再现中的低音音频增强的方法及设备。
背景技术：
通过扩音器输出由比如CD或DVD播放器的多媒体重放装置再现的音频数据。再现数据的相对于原始声音的输出保真度取决于扩音器的性能和播放器的音频处理器的能力。虽然，音频处理技术的发展已经减小了扩音器的物理大小，但在忠实再现原始声音的低音分量中强加了物理限制。
通常，计算机与小尺寸扩音器连接，通过所述小尺寸扩音器，计算机的CD或DVD播放器可输出再现的音频信号。通常的电视机也配备扩音器，从所述扩音器输出从广播站传播的音频数据。即使声音数据的质量很好，与计算机连接的或配备在电视机中的小尺寸扩音器在忠实再现低音音频声音方面也存在问题。
第5,930,373号美国专利讲授了一种通过从输出到输入的反馈回路来产生谐波的方法。该方法与音量均衡处理一起使用，所述音量均衡处理增强低电平信号以补偿人耳的非线性特性。由于在非线性上下文中的低音音频增强技术已经取得专利，所以本发明对于低音音频增强将不使用非线性。
第5,668,885号和第5,771,296号美国专利讲授了通过使用用于调整绝对值的整流器调整来产生谐波。第4,150,253号和第4,700,390号美国专利讲授了通过限幅来产生谐波。另外，第6,792,115号美国专利讲授了通过使用带通滤波的输入信号的高功率来产生谐波。
产生谐波的主要要求是产生偶次谐波和奇次谐波二者。然而，使用简单的全波整流器，仅可产生偶次谐波。这导致这样的问题感知到低音信号具有原始声音两倍的频率。
另一个问题是使用传统方法无法调节谐波的谱包络。有必要调节谐波的幅度或控制更高谐波的衰减率。由于更高谐波的衰减率影响声音的感知到的低音分量的音质，所以更高谐波的衰减率是关键因素。
然而，另一个问题是上面的方法取决于信号电平。在不同电平上谱包络不同，因此在低电平上产生的谐波的反馈中可导致问题。在这些方法中，可按比例减小或放大信号，将被增强的低频区的位置不固定，谐波发生器有必要实现独立于信号电平。此外，这些方法的实现非常复杂并且在计算上复杂。
发明内容
本发明提供一种通过产生在低频范围的信号中的偶次谐波和奇次谐波二者的低音音频增强的方法及设备。
根据本发明的一方面，提供一种低音音频增强方法，包括对输入信号进行带通滤波；产生带通滤波的输入信号的至少一个偶次谐波和奇次谐波；和合成所述谐波和所述带通滤波的输入信号以输出。
根据本发明的一方面，所述产生至少一个偶次谐波和奇次谐波的步骤包括用至少一个频率信号对所述带通滤波的输入信号进行调制；和对每一个调制的信号进行带通滤波。
根据本发明的一方面，所述合成所述谐波和所述带通滤波的输入信号的步骤包括将带通滤波、调制的信号放大，并将放大的结果和用增益放大的带通滤波的输入信号组合。
根据本发明的一方面，所述对输入信号进行带通滤波的步骤仅让25-75Hz频率范围的输入信号通过。
根据本发明的一方面，所述用至少一个频率信号对所述带通滤波的输入信号进行调制的步骤用以50Hz、100Hz、150Hz、和200Hz为中心的正弦波来执行。
根据本发明的一方面，对所述每一个调制的信号进行带通滤波的步骤通过以下方式执行由75-125Hz的带通滤波器对调制成以50Hz为中心的信号进行滤波，由125-175Hz的带通滤波器对调制成以100Hz为中心的信号进行滤波，由175-225Hz的带通滤波器对调制成以150Hz为中心的信号进行滤波，由225-275Hz的带通滤波器对调制成以200Hz为中心的信号进行滤波。
根据本发明的另一方面，提供一种用于低音音频增强的设备，包括第一带通滤波器，其对输入信号进行带通滤波；谐波信号发生器，其产生带通滤波的输入信号的至少一个偶次谐波和奇次谐波；和信号合成器，其合成所述谐波和所述带通滤波的输入信号以输出。
根据本发明的一方面，所述谐波信号发生器包括至少一个调制器，其用至少一个频率信号对所述带通滤波的输入信号进行调制；和至少一个第二带通滤波器，其对至少一个调制的信号进行带通滤波。
根据本发明的一方面，所述信号合成器将由对所述至少一个调制的信号进行带通滤波所产生的至少一个信号放大，并将放大的该结果与对所述带通滤波的输入信号进行放大的结果组合。
根据本发明的一方面，所述第一带通滤波器将除了在25-75Hz范围的频率之外的所有频率滤除。
根据本发明的一方面，所述至少一个调制器用以50Hz、100Hz、150Hz和200Hz为中心的正弦波执行调制。
根据本发明的一方面，所述至少一个第二带通滤波器包括75-125Hz带通滤波器、125-175Hz带通滤波器、175-225Hz带通滤波器和225-275Hz带通滤波器，所述滤波器分别对被调制成以50Hz、100Hz、150Hz和200Hz为中心的信号进行滤波。
根据本发明的另一方面，提供一种存储用于计算机执行上述方法的程序的计算机可读记录介质。
通过参照附图对优选实施例进行详细描述，本发明上面和其它方面及优点将会变得更加清楚，其中图1显示小尺寸扩音器的声压级(SPL)响应曲线；图2显示遗漏基本效果的示例；图3显示相互调制效果的示例；图4是示出心理声学低音增强电路的示意性方框图；图5显示全波整流器和全波积分器的输入信号和输出信号；图6是图5信号的频谱；图7是根据本发明的使用单边带抑制载波调制的低音增强电路的方框图；图8显示50Hz正弦波的频谱；图9显示用50Hz正弦波输入的图7的低音增强电路的输出信号的频谱；和图10是示出根据本发明的低音音效增强的方法的流程图。
具体实施例方式
现在将参照附图详细描述本发明的示例性实施例。
图1显示小尺寸扩音器的声压级(SPL)响应曲线。
小尺寸扩音器在低频具有差的声音特性。再现的声音在低频的特性与变换器的大小和所述声音的波长有关。为了在低频获得好的特性，变换器的大小应该与波长对应。例如，对于20-300Hz的频率，波长在大约10-1m的范围内变化。然而，在实际中，变换器的大小比波长小许多，因此降低了低频输出特性。
参照图1，它表明在低频范围内存在25-30dB的降低。为了防止这种降低，应该提高低频的放大率(或增益)。然而，在不考虑扩音器的性能的情况下轻率地提高增益可损害变换器，或者不利地影响总增益。另外，便携式电池，比如笔记本电脑中的电池，不足以提高如期望的那么多的增益。
由于人耳不能很好地感知在低频范围中的谐波的失真，所以与低频范围中的谐波的失真相联的一些参数可随意设置。使用人耳特性的心理声学技术通过MPEG和杜比(Dolby)AC-3音频方案而被使用。然而，这些传统方案还没有引入任何低音音频增强的思想。
在本发明中，使用有关音调感知的心理声学技术，比如虚拟音调或虚拟低音技术，低频范围中的信号可被转换到变换器响应相对较好的中频范围，从而改善低频信号的特性。这里，所述音调表示用于指示人类对声波频率的感知的音乐术语。当频率减少时，音调变得平，当频率增加时，音调变得更尖。
图2显示遗漏基本效果(missing fundamental effact)的示例。
大多数乐器通过产生并组合基频(fundamental frequency)和基频的几个偕波的序列来产生那些乐器的声音特性。将几个谐波的序列组合来增强所述基频的频率特性。
例如，当一个人以200Hz发声“啊”时，耳蜗的听觉膜不但感知到200Hz的声音，而且感知到400Hz、600Hz、800Hz、1000Hz、1200Hz等的谐波。所有频率的信息被传达给大脑中的听觉器官并且通过颞叶皮层不断地影响谐波模板的形成。当由大脑中的谐波模板接收到谐波信息时，谐波模板在谐波关系的上下文提取200Hz的基声(fundamental sound)。在实际中，即使只听到谐波，听者也可清楚地感知基频。这被称为遗漏基本效果。因此，通过使用遗漏基本效果来产生低音范围中的频率的谐波，在低音范围中的信号可以以心理声学的方式被感知。
图3显示遗漏基本效果的另一个示例。
最近，公开了心理声学低音音频增强的多种不同的方法。在所有这些方法中，提取低于扩音器的截止频率的低频信号，并且产生每一个提取的低频的谐波并将其与实际声音组合。参照图3，为了去除不能够由变换器以声学的方式再现的实际声音的低频分量，实际声音经受高通滤波，所述高通滤波仅让扩音器的截止频率之上的高频分量通过。然而，由于通过遗漏基本效果可感知基频，所以高通滤波处理在简单系统中可被省去。
产生输入信号的谐波的最容易的方法是对所述信号执行非线性操作。所述非线性操作产生取决于非线性的类型的谐波。
图4是心理声学低音增强电路的示意性方框图。
参照图4，低音增强电路包括高通滤波器410、高通滤波器420、第一滤波器430、非线性谐波发生器440、第二滤波器450和放大器460。
第一滤波器430从左声道信号和右声道信号的组合提取低频信号。非线性谐波发生器440产生随后将更详细地解释的非线性谐波。第二滤波器450对产生的非线性谐波进行滤波以去除低频范围中的DC分量、谐波或失真分量。第二滤波器450还被用于形成由非线性谐波发生器440产生的谐波的形状。放大器460用增益将滤波的信号放大。由放大器460输出的放大的信号然后与由高通滤波器410滤波的左声道信号以及由高通滤波器420输出的右声道信号组合。
图5显示全波整流器和全波积分器的输入信号和输出信号。
可使用非线性方法来产生谐波。例如，最简单的方法之一是对输入信号进行全波整流。输入信号的全波整流产生输入信号的频率f的谐波，比如2f、4f、6f等。该方法可容易地被实现。然而，该方法仅产生如图5所示的偶次谐波，所以音调对应2f，而非fa参照图5，也可通过全波积分方法来产生谐波。根据全波积分方法，输入信号被积分，然后在循环终点被丢弃。由全波积分方法产生的谐波的频谱可参看图6。
图6是图5信号的频谱。
参照图6，频率越高，幅度越低，信号在基频f0处具有最大的幅度。
图7是根据本发明的使用单边带抑制载波调制的低音增强电路的方框图。
该低音增强电路包括第一带通滤波器710、正弦调制器720、多个第二带通滤波器730-1至730-4和多个放大器740-1至740-5。第一带通滤波器710从输入信号选择在25-75Hz范围中的频率。正弦调制器720将由第一带通滤波器滤波的输入信号调制成以某一频率，比如50Hz、100Hz、150Hz和200Hz为中心的多种频带信号。多个第二带通滤波器730-1至730-4每一个分别从由正弦调制器720输出的信号选择频率。多个放大器740-1至740-5用设置的增益将由第二带通滤波器730-1至730-4滤波的结果信号放大。所述增益被用来调节谐波分量的幅度。
由第一带通滤波器710选择的25-75Hz的频率范围被称为低音频带。为了产生低音频带中的频率的谐波，应该将低音频带中的频率调制成以多个中心频率为中心。乘以实的正弦，比如sin(ωt)，来产生与幅度调制的边带对应的两个图像。所述图像之一由以谐波频带的中心频率为中心的带通滤波器滤除。换句话说，被调制成以50Hz为中心的信号由75-125Hz的带通滤波器滤波，被调制成以100Hz为中心的信号由125-175Hz的带通滤波器滤波，被调制成以150Hz为中心的信号由175-225Hz的带通滤波器滤波，被调制成以200Hz为中心的信号由225-275Hz的带通滤波器滤波。然后，将来自每个滤波器的所有结果用增益放大。
根据上面的处理，四个经不同调制、带通滤波和放大的信号被组合以产生低音频带中的谐波。调制器720和多个第二带通滤波器730-1至730-4一起被称为谐波信号发生器。放大器740-1至740-5和加法器一起被称为信号组合器。由第二带通滤波器730-1至730-4输出的带通滤波的信号并不确切是低音频带中的谐波，然而它们的中心频率与低音频带具有谐波关系。现在将这些谐波称为“伪谐波”。有必要精确地确定用于每一个伪谐波的增益。增益通过听力实验来确定。例如，实验者可使用基于GUI的应用来实时地改变增益，同时监控低音增强的效果。对应于最好的低音增强效果的滑动器的位置可参看图8。滑动器的最大位置对应单位增益，滑动器的最小位置对应零增益。
图8显示50Hz正弦波的频谱，图9显示用50Hz正弦波输入的图7的低音增强电路的输出信号的频谱。
参照图8和图9，可以看出输入的50Hz正弦波信号的头四个谐波被产生。这些谐波每一个的幅度可通过调节对应的增益而被确定。对于除了50Hz之外的频率，由于这些谐波不是基频的整倍数，所以谐波产生可能不完美，但这不会引起严重的问题。
图10是示出根据本发明的低音增强的方法的流程图。
首先，在操作S1010中，输入信号被带通滤波。仅输入信号的25-75Hz频带被通过。在操作S1020中，带通滤波的信号被调制。以50Hz、100Hz、150Hz和200Hz为中心的正弦波被用于调制。在操作S1030中，四个调制的信号被再次带通滤波。被调制成以50Hz为中心的信号由75-125Hz带通滤波器进行滤波，被调制成以100Hz为中心的信号由125-175Hz带通滤波器进行滤波，被调制成以150Hz为中心的信号由175-225Hz带通滤波器进行滤波，被调制成以200Hz为中心的信号由225-275Hz带通滤波器进行滤波。在操作S1040中，用增益将每一个带通滤波的信号放大，在操作S1050中，将所有放大的信号组合并输出。
根据如上所述的本发明，通过产生在低音范围中的频率的偶次谐波和奇次谐波二者，低音增强被容易地实现，并且节省费用。
根据本发明的低音音频增强的上述方法可被实现为计算机程序。构成该计算机程序的代码和代码段可由本领域的技术人员容易地推导出。这些计算机程序可被记录在计算机可读介质上，并可由计算机读取并执行。这样的计算机可读介质包括所有种类的存储装置，比如ROM、RAM、CD-ROM、磁带、软盘、光学数据存储装置等。计算机可读介质还包括以载波形式，例如经互联网的传输，实现的一切。计算机可读介质可被分布到与互联网连接的计算机系统，在分布式计算机可读介质上的代码可以以分散的方式被存储并被执行。
虽然本发明已参照其优选实施例被具体显示和描述，但是本领域的技术人员应该理解，在不脱离由所附权利要求限定的本发明的精神和范围的情况下，可以对其进行形式和细节的各种改变。
权利要求
1.一种低音音频增强方法，包括对输入信号进行带通滤波；产生带通滤波的输入信号的至少一个偶次谐波和奇次谐波；和合成所述谐波和所述带通滤波的输入信号以输出。
2.如权利要求1所述的方法，其中，所述产生至少一个偶次谐波和奇次谐波的步骤包括用至少一个频率信号对所述带通滤波的输入信号进行调制；和对每一个调制的信号进行带通滤波。
3.如权利要求2所述的方法，其中，所述合成所述谐波和所述带通滤波的输入信号的步骤包括将带通滤波、调制的信号放大，并将放大的结果和用增益放大的带通滤波的输入信号组合。
4.如权利要求2所述的方法，其中，所述对输入信号进行带通滤波的步骤仅让25-75Hz频率范围的输入信号通过。
5.如权利要求2所述的方法，其中，所述用至少一个频率信号对所述带通滤波的输入信号进行调制的步骤用以50Hz、100Hz、150Hz、和200Hz为中心的正弦波来执行。
6.如权利要求2所述的方法，其中，所述调制的信号包括被调制成以50Hz为中心的信号、被调制成以100Hz为中心的信号、被调制成以150Hz为中心的信号和被调制成以200Hz为中心的信号，其中，所述对每一个调制的信号进行带通滤波的步骤通过以下方式执行由75-125Hz的带通滤波器对调制成以50Hz为中心的信号进行滤波，由125-175Hz的带通滤波器对调制成以100Hz为中心的信号进行滤波，由175-225Hz的带通滤波器对调制成以150Hz为中心的信号进行滤波，由225-275Hz的带通滤波器对调制成以200Hz为中心的信号进行滤波。
7.一种用于低音音频增强的设备，包括第一带通滤波器，其对输入信号进行带通滤波；谐波信号发生器，其产生带通滤波的输入信号的至少一个偶次谐波和奇次谐波；和信号合成器，其合成所述谐波和所述带通滤波的输入信号以输出。
8.如权利要求7所述的设备，其中，所述谐波信号发生器包括至少一个调制器，其用至少一个频率信号对所述带通滤波的输入信号进行调制；和至少一个第二带通滤波器，其对至少一个调制的信号进行带通滤波。
9.如权利要求8所述的设备，其中，所述信号合成器将由对所述至少一个调制的信号进行带通滤波所产生的至少一个信号放大，并将放大的该结果与对所述带通滤波的输入信号进行放大的结果组合。
10.如权利要求8所述的设备，其中，所述第一带通滤波器将除了在25-75Hz范围中的频率之外的所有频率滤除。
11.如权利要求8所述的设备，其中，所述至少一个调制器用以50Hz、100Hz、150Hz和200Hz为中心的正弦波执行调制。
12.如权利要求8所述的设备，其中，所述至少一个调制的信号包括被调制成以50Hz为中心的信号、被调制成以100Hz为中心的信号、被调制成以150Hz为中心的信号和被调制成以200Hz为中心的信号，其中，所述至少一个第二带通滤波器包括75-125Hz带通滤波器、125-175Hz带通滤波器、175-225Hz带通滤波器和225-275Hz带通滤波器，所述滤波器分别对被调制成以50Hz、100Hz、150Hz和200Hz为中心的信号进行滤波。
13.一种存储用于计算机执行权利要求1的方法的程序的计算机可读记录介质。
全文摘要
提供一种低音音频增强方法及设备。所述方法包括对输入信号进行带通滤波；产生带通滤波的输入信号的至少一个偶次谐波和奇次谐波；和合成所述谐波和所述带通滤波的输入信号以输出。
文档编号H04R3/04GK1805612SQ20051010829
公开日2006年7月19日 申请日期2005年10月10日 优先权日2005年1月14日
发明者马修·曼努, 阿洛拉·曼尼斯 申请人:三星电子株式会社