一种低音信号增强的方法及装置制造方法
【专利摘要】一种低音信号增强的方法及装置，将左、右输入声道信号经合成后输入低通滤波器进行低通滤波提取低频带信号输入谐波产生模块，产生各次谐波信号送入带通滤波器控制各次谐波信号，然后输入谐波控制模块对各次谐波信号进行谐波幅度控制及各次谐波信号比例的调整，并通过第一输出端输出低音信号，通过第二输出端输出各次谐波信号通过反馈模块输出到谐波产生模块进行自适应控制各次谐波的产生。本发明采用全时域处理、定点运算，所占硬件资源少，谐波等响度控制模块采用自适应Q值定标调节，使得输出的低音信号避免了溢出且保证了最大精度，优化了响度和音型的控制，平滑滤波模块对调整的谐波进行平滑滤波，使音效听起来更加自然连续。
【专利说明】一种低音信号增强的方法及装置
【技术领域】
[0001]本发明涉及音频信号处理技术，尤其涉及一种低音信号增强的方法及装置。
【背景技术】
[0002]音频是多媒体设备的重要组成部分，没有好的声音，再好的图像，再多应用的多媒 体设备也不完善。随着多媒体设备的发展，在消费类电子产品中，尤其是手持电子设备、平 板电视，由于体积和外形的限制，扬声器的尺寸受限造成了扬声器谐振频率较高，无法辐射 出低于其谐振频率的信号分量，导致音频部分中低音的缺失。
[0003]现有技术实现低音播放的方法包括:直接使用低音炮音箱、提高低音补偿和采用 功率补偿滤波器。低音炮音箱功率低，成本较高，无法集成到有日益轻薄需求的手持电子设 备、平板电视中；提高低音补偿和采用功率补偿滤波器的方法效率低，失真较大，效果有限。 因此，都无法实现在中小尺寸扬声器上准确还原低音，不能给消费者提供更高要求的享受。
[0004]因此，现有技术还有待于改进和发展。
【发明内容】
[0005]鉴于上述现有技术的不足之处，本发明为解决现有技术缺陷和不足，提出一种低 音信号增强技术来实现在中小尺寸扬声器上低音的播放，通过低音信号基频的谐波序列在 人耳中再现普通中小尺寸扬声器无法达到的低音音调。
[0006]本发明解决技术问题所采用的技术方案如下:
一种低音信号增强装置，用于对左、右输入声道信号进行滤波处理以产生低音信号输 出至扬声器，该装置包括低通滤波器、谐波产生模块、带通滤波器、谐波控制模块和反馈模 块；所述低通滤波器的输入端与左、右声道电连接，输出端与所述谐波产生模块的第一输入 端电连接；所述谐波产生模块的输出端与所述带通滤波器的输入端电连接；所述带通滤波 器的输出端与所述谐波控制模块的输入端、所述反馈模块的第一输入端电连接；所述反馈 模块的输出端与所述谐波产生模块的第二输入端电连接；所述谐波控制模块的第一输出端 与所述反馈模块的第二输入端连接；所述谐波控制模块的第二输出端输出滤波处理后的低 音信号至扬声器。
[0007]所述谐波控制模块包括计算谐波包络模块、谐波等响度控制模块和平滑滤波模 块，所述计算谐波包络模块的输入端与所述带通滤波器的输出端电连接，所述计算包络模 块的输出端与所述谐波等响度控制模块的输入端电连接，所述谐波等响度控制模块的输出 端与所述平滑滤波模块的输入端电连接，所述平滑滤波模块的输出端与所述谐波控制模块 的第一、二输出端电连接。
[0008]进一步的，该装置还包括左、右声道高通滤波器，输入端分别接收左、右输入声道 信号；左、右声道高通滤波器的输出端分别与所述谐波控制模块的第二输出端产生的低音 信号合成输出包含低音信号的声音信号。
[0009]所述谐波产生模块采用反馈乘法回路来产生各次谐波信号。[0010]所述低通滤波器、高通滤波器和带通滤波器采用无限脉冲响应滤波器。
[0011]本发明还提供一种低音信号增强的方法，基于上述低音信号增强系统来实现，包 括如下步骤:
将所述左、右输入声道信号经合成后输入低通滤波器进行低通滤波提取低频带信号输 入谐波产生模块；
所述谐波产生模块接收低通滤波器的低频带信号的各基频信号产生各次谐波信号送 入带通滤波器；
所述带通滤波器控制所述谐波产生模块的各次谐波信号，控制高次谐波信号和互调畸 变，再将各次谐波信号输入所述谐波控制模块和所述反馈模块；
所述谐波控制模块根据所述带通滤波器输入的各次谐波信号进行谐波幅度控制及各 次谐波信号比例的调整，并通过第一输出端输出低音信号，及通过第二输出端输出各次谐 波信号至所述反馈模块；
所述反馈模块根据所述带通滤波器和所述谐波控制模块输入的各次谐波信号合成后 反馈给所述谐波产生模块。
[0012]进一步的，所述谐波产生模块采用反馈乘法回路来产生各次谐波信号。
[0013]所述谐波控制模块根据所述带通滤波器输入的各次谐波信号进行谐波幅度控制 及各次谐波信号比例的调整是通过所述计算谐波包络模块和谐波等响度控制模块完成的。
[0014]在所述谐波控制模块根据所述带通滤波器输入的各次谐波信号进行谐波幅度控 制及各次谐波信号比例的调整后还包括通过所述平滑滤波模块对调整后的各次谐波信号 进行平滑滤波并进行增益控制输出低音信号。
[0015]进一步的，本发明方法进一步设置左、右声道高通滤波器分别接收左、右输入声道 信号进行高通滤波提取高频带信号分别与所述谐波控制输出的低音信号合成后输出声音 信号。
[0016]与现有技术相比较，本发明低音信号增强的方法及装置根据人耳的生理学特点， 提取左、右输入声道中的低音信号，通过谐波产生模块、带通滤波器、谐波控制模块和反馈 模块产生低音信号基频的谐波序列，并对该谐波序列进行控制高次谐波、反馈谐波信号给 谐波产生模块进行自适应调节，最后在人耳中再现中小型扬声器无法达到的低频音调。本 发明装置采用全时域处理、定点运算，所占硬件资源少，谐波等响度控制模块采用自适应Q 值定标调节，使得输出的低音信号避免了溢出且保证了最大精度，优化了响度和音型的控 制，平滑滤波模块对调整的谐波进行平滑滤波，使音效听起来更加自然连续。
【专利附图】
【附图说明】
[0017]图1是本发明低音信号增强装置的结构原理框图。
[0018]图2是本发明低音信号增强装置中谐波产生模块的结构原理图。
[0019]图3是本发明低音信号增强装置中谐波控制模块的结构原理图。
[0020]图4是本发明低音信号增强方法的主流程图。
【具体实施方式】
[0021]为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0022]如图1所示，本发明提供了一种低音信号增强系统，用于对左、右输入声道信号进行滤波处理以产生低音信号输出至扬声器，该系统包括低通滤波器10、谐波产生模块20、 带通滤波器30、谐波控制模块40和反馈模块50 ;所述低通滤波器10的输入端101与左、右输入声道电连接，左、右输入声道的输入信号经加法器相加合成信号后输入低通滤波器10 的输入端101，输出端102与所述谐波产生模块20的第一输入端201电连接；所述谐波产生模块20的输出端202与所述带通滤波器30的输入端301电连接；所述带通滤波器30的输出端302与所述谐波控制模块40的输入端401、所述反馈模块50的第一输入端501电连接；所述反馈模块50的输出端503与所述谐波产生模块20的第二输入端203电连接；所述谐波控制模块40的第一输出端402与所述反馈模块50的第二输入端502连接；所述谐波控制模块40的第二输出端403输出滤波处理后的低音信号至扬声器。
[0023]一并结合图3来看，所述谐波控制模块40包括计算谐波包络模块41、谐波等响度控制模块42和平滑滤波模块43，所述计算谐波包络模块41的输入端与所述谐波控制模块 40的输入端401电连接，所述计算谐波包络模块41的输出端与所述谐波等响度控制模块 42的输入端电连接，所述谐波等响度控制模块42的输出端与所述平滑滤波模块43的输入端电连接，所述平滑滤波模块43的输出端与所述谐波控制模块的第一输出端402电连接， 同时，平滑滤波模块43的输出端平滑滤波处理后的谐波信号与所述谐波控制模块输入端 401输入的所述带通滤波器处理后的谐波信号相乘后经所述谐波控制模块的第二输出端 403输出低音信号。
[0024]为了使本发明装置输出低音信号，该装置还包括左声道高通滤波器60与右声道高通滤波器70，左、右声道高通滤波器的输入端分别接收左、右输入声道信号；左、右声道高通滤波器的输出端分别与所述谐波控制模块的第二输出端403产生的低音信号合成输出包含低音信号的声音信号，具体为将第二输出端403产生的低音信号与左声道高通滤波器60输出的信号经加法器相加合成信号后输出到左输出声道,将第二输出端403产生的低音信号与右声道高通滤波器70输出的信号经加法器相加合成信号后输出到右输出声道。
[0025]具体而言，所述谐波产生模块20采用如图2所示的反馈乘法回路来产生各次谐波信号，如图2所示，由谐波产生模块20的输入端201输入的由低通滤波器产生的低频带的基频信号f0，经过谐波产生模块产生基频信号f0的各次谐波信号序列f0，f2, f3、f4……。 根据反馈乘法回路产生谐波信号属于现有技术，在此不赘述
为了减小滤波器的运算量，上述装置中的低通滤波器、高通滤波器和带通滤波器均采用无限脉冲响应滤波器(IIR)结构，结构阶数小，可行性高。
[0026]本发明低音信号增强的方法，是基于上述低音信号增强系统来实现的，其具体实现步骤如下:
步骤S100，将所述左、右输入声道信号经合成后输入低通滤波器进行低通滤波提取低频带信号输入谐波产生模块；
步骤S200，所述谐波产生模块接收低通滤波器的低频带信号的各基频信号产生各次谐波信号送入带通滤波器；谐波产生模块产生各次谐波信号序列可以参考图2，该谐波产生模块采用反馈回路来实现，由谐波产生模块20的输入端201输入的由低通滤波器产生的低频带的基频信号fo，经过谐波产生模块产生基频信号f0的各次谐波信号序列f0，f2, f3、f4……。例如，输入的基频f0=50Hz，则通过所述谐波产生装置产生的各次谐波信号 f0=50Hz, f2=100Hz, f3=150Hz, f4=200Hz 等的各次谐波信号；
步骤S300，所述带通滤波器控制所述谐波产生模块的各次谐波信号，控制高次谐波信号和互调畸变，再将各次谐波信号输入所述谐波控制模块和所述反馈模块；采用带通滤波器的目的在于控制各次谐波信号中不需要的高次谐波信号，带通滤波器能够很好的控制谐波的次数，有效减少低频的能量消耗和高次谐波信号的干扰。例如，对于低频截止频率 fc=200Hz的扬声器，低于f0=50Hz的低频信号是无法回放的，则需要提升f0的第4、5、6次谐波；而对于f0=80Hz的低频信号，则需要提升其3、4次谐波；对于f0=100Hz的低频信号， 则需要提升第2、3次谐波；相比现有技术固定采用提升基频的2、3、4次谐波，会导致重低音无法得到提升，而中低频部分过度提升，对原始低音的音色影响很大。以上谐波次数的提升需要根据扬声器的低频截止频率来确定，当谐波产生模块产生低频的各次谐波信号输入带通滤波器后，由带通滤波器来控制高次谐波，实现对谐波次数的控制；
步骤S400，所述谐波控制模块根据所述带通滤波器输入的各次谐波信号进行谐波幅度控制及各次谐波信号比例的调整，并通过第一输出端输出低音信号，及通过第二输出端输出各次谐波信号至所述反馈模块；
步骤S500，所述反馈模块根据所述带通滤波器和所述谐波控制模块输入的各次谐波信号合成后反馈给所述谐波产生模块。反馈模块与谐波产生模块共同构成反馈回路，以对谐波信号进行控制。
[0027]具体而言，上述谐波控制装置根据所述带通滤波器输入的各次谐波信号进行谐波幅度控制及各次谐波信号比例的调整是通过所述计算谐波包络模块和谐波等响度控制模块完成的。由于采用定点运算，采用定点运算的一个突出的问题是精度的降低，一般低频信号值较小，处理不好低音音效很难出来，且容易出现自激。为更好解决这一问题，谐波等响度控制模块采用自适应Q值定标，根据谐波包络信号及等响度拟合值的变换，自适应调节Q 值。根据分析，音频信号在谐波等响度控制的变量的动态范围比较大，大致在[0.001,160] 之间，对于16bit定点数，则对应的Q值动态范围在[Q15，Q7]，通常为避免溢出取Q=Q7，但根据信号特点，使得很大一部分值很小甚至为零了，这样超低音部分就抑制了。但分析内部数据运算特点，根据信号自适应调整Q值，使得输出不仅完全避免了溢出而且最大限度保持精度，也即响度及音型控制得到最优化。而且由于内部存在除法运算使得输出结果Q值统一。
[0028]通过对各次谐波信号进行谐波幅度控制及各次谐波信号比例调整后，还通过所述平滑滤波模块对调整后的各次谐波信号进行平滑滤波并进行增益控制输出低音信号，这样能够使输出的低音信号产生的音效听起来更加自然连续。
[0029]为了通过扬声器输出低音信号，还需要设置左、右声道高通滤波器分别接收左、右输入声道信号进行高通滤波提取高频带信号分别与所述谐波控制模块输出的低音信号合成后输出声音信号。
[0030]本发明能够在不增加硬件成本条件下，使无法播放低音成分的中小型扬声器件的低音音效得到有效提升，使听众能够到浑厚宽广的超低音。本装置硬件开销比较小，能够定点实现实时音效处理。[0031]应当理解的是，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不足以限制本发明的技术方案，对本领域普通技术人员来说，在本发明的精神和原则之内，可以根据上述说明加以增减、替换、变换或改进，而所有这些增减、替换、变换或改进后的技术方案，都应属于本发明所附权利要求的保护范围。
【权利要求】
1.一种低音信号增强装置，用于对左、右输入声道信号进行滤波处理以产生低音信号输出至扬声器，其特征在于，该装置包括低通滤波器、谐波产生模块、带通滤波器、谐波控制模块和反馈模块；所述低通滤波器的输入端与左、右输入声道电连接，输出端与所述谐波产生模块的第一输入端电连接；所述谐波产生模块的输出端与所述带通滤波器的输入端电连接；所述带通滤波器的输出端与所述谐波控制模块的输入端、所述反馈模块的第一输入端电连接；所述反馈模块的输出端与所述谐波产生模块的第二输入端电连接；所述谐波控制模块的第一输出端与所述反馈模块的第二输入端连接；所述谐波控制模块的第二输出端输出滤波处理后的低音信号至扬声器。
2.根据权利要求1所述的低音信号增强装置，其特征在于，所述谐波控制模块包括计算谐波包络模块、谐波等响度控制模块和平滑滤波模块，所述计算谐波包络模块的输入端与所述带通滤波器的输出端电连接，所述计算包络模块的输出端与所述谐波等响度控制模块的输入端电连接，所述谐波等响度控制模块的输出端与所述平滑滤波模块的输入端电连接，所述平滑滤波模块的输出端与所述谐波控制模块的第一、二输出端电连接。
3.根据权利要求1所述的低音信号增强装置，其特征在于，还包括左、右声道高通滤波器，输入端分别接收左、右输入声道信号；左、右声道高通滤波器的输出端分别与所述谐波控制模块的第二输出端产生的低音信号合成输出包含低音信号的声音信号。
4.根据权利要求1至3任一项所述的低音信号增强装置，其特征在于，所述谐波产生模块采用反馈乘法回路来产生各次谐波信号。
5.根据权利要4所述的低音信号增强装置，其特征在于，所述低通滤波器、高通滤波器和带通滤波器采用无限脉冲响应滤波器。
6.一种低音信号增强的方法，其特征在于，包括如下步骤:将所述左、右输入声道信号经合成后输入低通滤波器进行低通滤波提取低频带信号输入谐波产生模块；所述谐波产生模块接收低通滤波器的低频带信号的各基频信号产生各次谐波信号送入带通滤波器；所述带通滤波器控制所述谐波产生模块的各次谐波信号，控制高次谐波信号和互调畸变，再将各次谐波信号输入所述谐波控制模块和所述反馈模块； 所述谐波控制模块根据所述带通滤波器输入的各次谐波信号进行谐波幅度控制及各次谐波信号比例的调整，并通过第一输出端输出低音信号，及通过第二输出端输出各次谐波信号至所述反馈模块；所述反馈模块根据所述带通滤波器和所述谐波控制模块输入的各次谐波信号合成后反馈给所述谐波产生模块。
7.根据权利要求6所述的低音信号增强的方法，其特征在于，所述谐波产生模块采用反馈乘法回路来产生各次谐波信号。
8.根据权利要求6所述的低音信号增强的方法，其特征在于，所述谐波控制模块根据所述带通滤波器输入的各次谐波信号进行谐波幅度控制及各次谐波信号比例的调整是通过所述计算谐波包络模块和谐波等响度控制模块完成的。
9.根据权利要求8所述的低音信号增强的方法，其特征在于，在所述谐波控制模块根据所述带通滤波器输入的各次谐波信号进行谐波幅度控制及各次谐 波信号比例的调整后还包括通过所述平滑滤波模块对调整后的各次谐波信号进行平滑滤波并进行增益控制输出低音信号。
10.根据权利要求6至9任一项权利要求所述的低音信号增强的方法，其特征在于，还包括如下步骤:设置左、右声道高通滤波器分别接收左、右输入声道信号进行高通滤波提取高频带信号分别与所述谐波控制模块输出的低音信号合成后输出声音信号。`
【文档编号】H04R3/00GK103517183SQ201210378978
【公开日】2014年1月15日 申请日期:2012年10月9日 优先权日:2012年10月9日
【发明者】邓益群, 施建华 申请人:Tcl集团股份有限公司