低频扩展方法和装置与流程

本发明涉及音频处理技术领域，尤其涉及一种低频扩展方法和装置。

背景技术：
音频系统是电视机的标准组成部分，一台电视机的音频系统的好坏，直接影响到整机的性能。目前市面上绝大多数电视机都是平板电视，其特点是屏幕大图像失真小，清晰度高，但随着机身越做越薄，边框越来越窄，使得电视机的声音输出终端扬声器的体积大受限制，而不得不使用更小的扬声器，这样做就直接影响到声音输出的低频响应，使得电视机在画面质量不断提高的同时，伴音质量却在不断的下降。为解决这一问题，通常采用外接音响系统来解决，成本较高且操作不方便，还有一种方法是提升低音部分的幅度，但这种方法易使扬声器过载而失真。

技术实现要素：
本发明的主要目的是提供一种低频扩展方法和装置，旨在使得扬声器输出的音频不易失真。本发明提出一种低频扩展方法，其特征在于，包括：提取音频信号中的低音信号；根据所述低音信号产生所述低音信号的N次谐波信号和N+M次谐波信号，其中N及M为正整数，且N大于等于2；将所述N次谐波信号由第一声道输出，同时将所述N+M次谐波信号由第二声道输出，所述N次谐波信号和N+M次谐波信号通过差频原理生成M次谐波信号。优选地，在根据所述低音信号产生所述低音信号的N次谐波信号和N+M次谐波信号，其中N及M为正整数，且N大于等于2的步骤之后还包括为：提取音频信号中的高音信号；将所述N次谐波信号与所述高音信号相加以获得第一扩展谐波信号，并由第一声道输出；同时将所述N+M次谐波信号与所述高音信号相加以获得第二扩展谐波信号，并由第二声道输出，所述第一扩展谐波信号与第二扩展谐波信号通过差频原理生成M次谐波信号和高音信号组成的扩展谐波信号。优选地，所述根据所述低音信号产生所述低音信号的N次谐波信号和N+M次谐波信号的步骤包括：将N-K次谐波信号与K次谐波信号经乘法器相乘后生成N次谐波信号，K为正整数；将N+M-K谐波信号与K次谐波信号经乘法器相乘后生成N+M次谐波信号。优选地，在获得第一扩展谐波信号及获得第二扩展谐波信号的步骤之前，该方法还包括：将所述N次谐波信号通过第一高通滤波器去除分量，以获得去除分量后的N次谐波信号；将所述N+M次谐波信号通过第二高通滤波器去除分量，以获得去除分量后的N+M次谐波信号。优选地，在获得去除分量后的N次谐波信号和N+M次谐波信号的步骤之后还包括：对去除分量后的N次谐波信号进行增益调节，同时对去除分量后的N+M次谐波信号进行增益调节。本发明还提出一种低频扩展装置，其特征在于，包括依次电连接的第一滤波模块、谐波生成模块以及输出模块，其中：第一滤波模块，用于提取音频信号中的低音信号；谐波生成模块，用于根据所述低音信号产生所述低音信号的N次谐波信号，以及根据所述低音信号产生所述低音信号的N+M次谐波信号，其中N及M为正整数，且N大于等于2；输出模块，用于将所述N次谐波信号由第一声道输出，同时将所述N+M次谐波信号由第二声道输出，所述N次谐波信号和N+M次谐波信号通过差频原理生成M次谐波信号。优选地，还包括与所述输出模块的输入端连接的第二滤波模块，所述第二滤波模块用于提取音频信号中的高音信号；所述输出模块还用于将N次谐波信号与所述高音信号相加，并由第一声道输出相加后的第一扩展谐波信号，以及将N+M次谐波信号与所述高音信号相加，并由第二声道输出相加后的第二扩展谐波信号，所述第一扩展谐波信号和第二扩展谐波信号通过差频原理生成M次谐波信号和高音信号组成的扩展谐波信号。优选地，所述谐波生成模块包括第一乘法单元和第二乘法单元，所述第一乘法单元的一端与所述第一滤波模块连接，另一端与所述输出模块连接；所述第二乘法单元与所述第一乘法单元并联，其中：第一乘法单元，用于将N-K次谐波信号与K次谐波信号经乘法器相乘后生成N次谐波信号，K为正整数；第二乘法单元，用于将N+M-K谐波信号与K次谐波信号经乘法器相乘后生成N+M次谐波信号。优选地，还包括第三滤波模块和第四滤波模块，所述第三滤波模块一端与所述第一乘法单元连接，另一端与所述输出模块连接；所述第四滤波模块一端与所述第二乘法单元连接，另一端与所述输出模块连接，其中：第一滤波模块，用于将所述N次谐波信号通过第一高通滤波器去除分量，以获得去除分量后的N次谐波信号；第二滤波模块，用于将所述N+M次谐波信号通过第二高通滤波器去除分量，以获得去除分量后的N+M次谐波信号。优选地，还包括第一增益模块和第二增益模块，所述第一增益模块一端与所述第三滤波模块连接，另一端与所述输出模块连接；所述第二增益模块一端与所述第四滤波模块连接，另一端与所述输出模块连接，其中：第一增益模块，用于对去除分量后的N次谐波信号进行增益调节；第二增益模块，用于对去除分量后的N+M次谐波信号进行增益调节。本发明提出的低频扩展方法和装置，将低音信号经过处理后得到低音信号的N次谐波信号和N+M次谐波信号，并将得到的N次谐波信号和N+M次谐波信号经不同声道输出，通过心理声学的差频原理将N次谐波信号和N+M次谐波信号合成低音信号的M次谐波信号，使听者主观上感觉到更低频率的M次谐波存在，使得扬声器输出的音频更加真实。附图说明图1为本发明低频扩展方法的第一实施例的流程示意图；图2为本发明低频扩展方法的第二实施例的流程示意图；图3为本发明低频扩展方法的第三实施例的流程示意图；图4为本发明低频扩展方法的第四实施例的流程示意图；图5为本发明低频扩展装置的第一实施例的结构示意图；图6为本发明低频扩展装置的第二实施例的结构示意图；图7为本发明低频扩展装置的第三实施例的结构示意图；图8为本发明低频扩展装置的第四实施例的结构示意图；图9为本发明低频扩展装置的第五实施例的结构示意图；图10为本发明低频扩展装置的优选实施例的结构示意图。本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。具体实施方式下面结合附图及具体实施例就本发明的技术方案做进一步的说明。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。参照图1，图1为本发明低频扩展方法的第一实施例的流程示意图。本实施例提出一种低频扩展方法，包括：步骤S10，提取音频信号中的低音信号；声音的音调主要来自于频率，可通过低通滤波器过滤输入的音频信号中频率较高的信号得到低音信号。步骤S20，根据所述低音信号产生该低音信号的N次谐波信号和N+M次谐波信号，其中N及M为正整数，且N大于等于2；N次谐波信号的基波为低音信号，N次谐波信号的频率为低音信号的N倍，可将低通滤波器过滤得到的低音信号，通过乘法器相乘得到该低音信号的N次谐波信号和N+M次谐波信号，例如将低音信号乘以低音信号本身得到该低音信号的2次谐波信号，该2次谐波信号中包括一个直流分量和一个2次谐波分量。步骤S30，将所述N次谐波信号由第一声道输出，同时将所述N+M次谐波信号由第二声道输出，所述N次谐波信号和N+M次谐波信号通过差频原理生成M次谐波信号。将N次谐波信由第一声道输出，同时将N+M次谐波信号由第二声道输出，该N次谐波信号与N+M次谐波信号只差M次谐波信号，第一声道和第二声道输出的两种不同的信号发生干涉，所得到的干涉信号是原先两个声波的频率之差，则可得到低音信号M次谐波信号，M整数优选为1，由于1次谐波的频率很低扬声器不易输出该1次谐波信号，则通过该差频原理可输出1次谐波信号，且节省能耗。其中第一声道为左声道或右声道，当第一声道为左声道时，第二声道为右声道。N优选为2，M优选为1，当第一声道和第二声道分别输出2次谐波信号和3次谐波信号时，在谐波的频率段对原始音频信号的叠加影响最小，即对整个音频通道的频响影响最小；由于2次谐波信号和3次谐波信号单独输出，方便对谐波的幅度等参数做独立的精确调节而互不影响，能精确地调节音乐的音色和音型，使谐波虚拟的声音尽量逼近原始声音；由于每种谐波仅通过一个通道输出，因此不会产生交调失真，且由于低频的波长较长，且传送方向一致，在相位上影响也最小。本发明提出的低频扩展方法，将低音信号经过处理后得到低音信号的N次谐波信号和N+M次谐波信号，并将得到的N次谐波信号和N+M次谐波信号经不同声道输出，通过心理声学的差频原理合成低音信号的M次谐波，使听者主观上感觉到更低频率的M次谐波存在，使得扬声器输出的音频更加真实。参照图2，图2为本发明低频扩展方法的第二实施例的流程示意图。基于第一实施例提出本发明低频扩展方法的第二实施例，在本实施例中步骤S20之后还包括：步骤S40，提取音频信号中的高音信号；通过高通滤波器过滤输入的音频信号中频率较低的信号得到高音信号，该高音信号与低音信号相加则可得到输入的音频信号。步骤S50，将N次谐波信号与高音信号相加以获得第一扩展谐波信号，并由第一声道输出；同时将N+M次谐波信号与高音信号相加以获得第二扩展谐波信号，并由第二声道输出，第一扩展谐波信号与第二扩展谐波信号通过差频原理生成M次谐波信号和高音信号组成的扩展谐波信号。通过第一声道输出和第二声道分别输第一扩展谐波信号和第二扩展谐波信号，第一扩展谐波信号和第二扩展谐波信号中的N次谐波信号与N+M次谐波信号发生干涉，生成高音信号与M次谐波信号组成的低音更加突出的信号。在第一实施例中，将N-K次谐波信号与K次谐波信号经乘法器相乘后生成N次谐波信号；将N+M-K谐波信号与K次谐波信号经乘法器相乘后生成N+M次谐波信号。例如，当N等于为8时，可通过1次谐波信号与7次谐波信号相乘得到8次谐波信号，或者将2次谐波信号与6次谐波信号相乘、或者3次谐波信号与5次谐波信号相乘、或者4次谐波信号与4次谐波信号相乘得到8次谐波信号。当N等于2时，可通过低音信号与低音信号本身相乘得到低音信号的2次谐波，然后将低音信号与得到的2次谐波相乘得到低音信号的3次谐波。参照图3，图3为本发明低频扩展方法的第三实施例的流程示意图。基于第二实施例提出本发明低频扩展方法的第三实施例，在本实施例中，步骤S50之前还包括：步骤S60，将所述N次谐波信号通过第一高通滤波器去除分量，以获得去除分量后的N次谐波信号，将所述N+M次谐波信号通过第二高通滤波器去除分量，以获得去除分量后的N+M次谐波信号。当N和N+M为偶数时，N次谐波信号和N+M次谐波信号中均包含有直流分量，通过高通滤波器可滤除N次谐波信号和N+M次谐波信号中的直流分量；当N和N+M为偶数时为奇数时，N次谐波信号和N+M次谐波信号中均包含有1次谐波分量，通过高通滤波器可滤除N次谐波信号和N+M次谐波信号中的1次谐波分量，减少直流分量以及1次谐波分量干扰和影响。在第一实施例中步骤S30之前也可包括步骤S60将N次谐波信号通过第一高通滤波器去除分量，以获得去除分量后的N次谐波信号，将N+M次谐波信号通过第二高通滤波器去除分量，以获得去除分量后的N+M次谐波信号。参照图4，图4为本发明低频扩展方法的第四实施例基于第三实施例提出本发明低频扩展方法的第四实施例，在本实施例中，步骤S60之后还包括：步骤S70，对去除分量后的N次谐波信号进行增益调节，同时对去除分量后的N+M次谐波信号进行增益调节。例如，低音信号的2次谐波信号由低音信号和低音信号本身相乘得到，设低音信号为COS(A)，则根据三角函数乘法公式低音信号2次谐波信号如公式(1)所示：如公式(1)所示，获得的2次谐波的幅度与原始信号的幅度有较大差别，则需要通过增益调节调整2次谐波的幅度使其幅度满足要求，以便于该2次谐波信号与原始的高音信号进行相加。则N次谐波信号和N+M次谐波信号在与原始信号的高音信号进行相加前，需要对N次谐波信号和N+M次谐波信号进行增益调节，使N次谐波信号和N+M次谐波信号的幅度满足要求。在第一实施例中，步骤S30之前也可包括步骤S60和步骤S70，将N次谐波信号通过第一高通滤波器去除分量，以获得去除分量后的N次谐波信号，将N+M次谐波信号通过第二高通滤波器去除分量，以获得去除分量后的N+M次谐波信号；并对去除分量后的N次谐波信号进行增益调节，同时对去除分量后的N+M次谐波信号进行增益调节。参照图5，图5为本发明低频扩展装置的第一实施例的结构示意图。本实施例提出的低频扩展装置，包括依次连接的第一滤波模块10、谐波生成模块20以及输出模块30，其中：第一滤波模块10，用于提取音频信号中的低音信号；声音的音调主要来自于频率，可通过低通滤波器过滤输入的音频信号中频率较高的信号得到低音信号，以及通过高通滤波器过滤输入的音频信号中频率较低的信号得到高音信号，该高音信号与低音信号相加则可得到输入的音频信号。谐波生成模块20，用于根据所述低音信号产生所述低音信号的N次谐波信号，以及根据所述低音信号产生所述低音信号的N+M次谐波信号，其中N及M为正整数，且N大于等于2；N次谐波信号的基波为低音信号，N次谐波信号的频率为低音信号的N倍，可将低通滤波器过滤得到的低音信号，通过乘法器相乘得到该低音信号的N次谐波信号和N+M次谐波信号，例如将低音信号乘以低音信号本身得到该低音信号的2次谐波信号，该2次谐波信号中包括一个直流分量和一个2次谐波分量。输出模块30，用于将所述N次谐波信号由第一声道输出，同时将所述N+M次谐波信号由第二声道输出，所述N次谐波信号和N+M次谐波信号通过差频原理生成M次谐波信号。将N次谐波信号由第一声道输出，同时将N+M次谐波信号由第二声道输出，该N次谐波信号与N+M次谐波信号只差N次谐波信号，第一声道和第二声道输出的两种不同的信号发生干涉，所得到的干涉信号是原先两个声波的频率之差，则可得到低音信号M次谐波信号，M整数优选为1，由于1次谐波的频率很低扬声器不易输出该1次谐波信号，则通过该差频原理可输出1次谐波信号。N优选为2，M优选为1，当第一声道和第二声道分别输出2次谐波信号和3次谐波信号时，在谐波的频率段对原始音频信号的叠加影响最小，即对整个音频通道的频响影响最小；由于2次谐波信号和3次谐波信号单独输出，方便对谐波的幅度等参数做独立的精确调节而互不影响，能精确地调节音乐的音色和音型，使谐波虚拟的声音尽量逼近原始声音；由于每种谐波仅通过一个通道输出，因此不会产生交调失真，且由于低频的波长较长，且传送方向一致，在相位上影响也最小。本发明提出的低频扩展装置，将低音信号经过处理后得到低音信号的N次谐波信号和N+M次谐波信号，并将得到的N次谐波信号和N+M次谐波信号经不同声道输出，通过心理声学的差频原理合成低音信号的M次谐波，使听者主观上感觉到更低频率的M次谐波存在，使得扬声器输出的音频更加真实。参照图6，图6为本发明低频扩展装置的第二实施例的结构示意图。基于第一实施例提出本发明低频扩展装置的第二实施例，在本实施例中还包括与输出模块30的输入端连接的第二滤波模块40，第二滤波模块40用于提取音频信号中的高音信号；输出模块30还用于将N次谐波信号与所述高音信号相加，并由第一声道输出相加后的谐波信号，以及将N+M次谐波信号与所述高音信号相加，并由第二声道输出相加后的谐波信号，所述第一扩展谐波信号和第二扩展谐波信号通过差频原理生成M次谐波信号和高音信号组成的扩展谐波信号。通过第一声道输出和第二声道分别输第一扩展谐波信号和第二扩展谐波信号，第一扩展谐波信号和第二扩展谐波信号中的N次谐波信号与N+M次谐波信号发生干涉，生成高音信号与M次谐波信号组成的低音更加突出的信号。参照图7，图7为本发明低频扩展装置的第三实施例的结构示意图。在第三实施例中，谐波生成模块20包括第一乘法单元21和第二乘法单元22，第一乘法单元21的一端与第一滤波模块连接10，另一端与输出模块30连接；第二乘法单元22与第一乘法单元21并联，其中：第一乘法单元21，用于将N-K次谐波信号与K次谐波信号经乘法器相乘后生成N次谐波信号；第二乘法单元22，用于将N+M-K谐波信号与K次谐波信号经乘法器相乘后生成N+M次谐波信号。例如，当N等于为8时，可通过1次谐波信号与7次谐波信号相乘得到8次谐波信号，或者将2次谐波信号与6次谐波信号相乘、或者3次谐波信号与5次谐波信号相乘、或者4次谐波信号与4次谐波信号相乘得到8次谐波信号。当N等于2时，第一乘法单元21可通过低音信号与低音信号本身相乘得到低音信号的2次谐波，第二乘法单元22将低音信号与第一乘法单元21得到的2次谐波相乘得到低音信号的3次谐波。参照图8，图8为本发明低频扩展装置的第四实施例的结构示意图基于上述实施例，提出本发明低频扩展装置的第四实施例，在本实施例中，还包括第三滤波模块50和第四滤波模块60，第三滤波模块50一端与第一乘法单元连接21，另一端与输出模块30连接；第四滤波模块60一端与第二乘法单元22连接，另一端与输出模块30连接，其中：第三滤波模块50，用于将所述N次谐波信号通过第一高通滤波器去除分量，以获得去除分量后的N次谐波信号；第四滤波模块60，用于将所述N+M次谐波信号通过第二高通滤波器去除分量，以获得去除分量后的N+M次谐波信号。将N次谐波信号和N+M谐波信号分别与高音信号相加之前，将N次谐波信号和N+M谐波信号通过高通滤波器去除分量。当N和N+M为偶数时，N次谐波信号和N+M次谐波信号中均包含有直流分量，通过高通滤波器可滤除N次谐波信号和N+M次谐波信号中的直流分量；当N和N+M为偶数时为奇数时，N次谐波信号和N+M次谐波信号中均包含有1次谐波分量，通过高通滤波器可滤除N次谐波信号和N+M次谐波信号中的1次谐波分量，减少直流分量以及1次谐波分量干扰和影响。参照图9，图9为本发明低频扩展装置的第五实施例的结构示意图。基于上述实施例，提出本发明低频扩展装置的第五实施例，在本实施例中，还包括：第一增益模块70，用于对去除分量后的N次谐波信号进行增益调节；第二增益模块80，用于对去除分量后的N+M次谐波信号进行增益调节。例如，低音信号的2次谐波信号由低音信号和低音信号本身相乘得到，设低音信号为COS(A)，则根据三角函数乘法公式低音信号2次谐波信号如公式(1)所示：如公式(1)所示，获得的2次谐波的幅度与原始信号的幅度有较大差别，则需要通过增益调节调整2次谐波的幅度使其幅度满足要求，以便于该2次谐波信号与原始的高音信号进行相加。则N次谐波信号和N+M次谐波信号在与原始信号的高音信号进行相加前，需要对N次谐波信号和N+M次谐波信号进行增益调节，使N次谐波信号和N+M次谐波信号的幅度满足要求。参照图10，图10为本发明低频扩展装置的优选实施例的结构示意图。基于图9所示的实施例，在本实施例中，N为2，M为1，在本实施例中，包括第一滤波模块10、谐波生成模块20、第三滤波模块50、第四滤波模块60、第一增益模块70、第二增益模块80、输出模块30，连接关系如以上所述，还包括第一加法器1，其中：参照图9和图10所示，第一滤波模块10包括低通滤波器2，第一加法器1的输入端与音频信号输入端连接，输出端与低通滤波器2的输入端连接，第二滤波模块包括第一高通滤波器3和第二高通滤波器4，谐波生成模块20包括第一乘法器5和第二乘法器6，低通滤波器2的输出端分三路，两路与第一乘法器5的输入端连接，一路与第二乘法器6的输入端连接；第三滤波模块50包括第三高通滤波器7，第四滤波模块60包括第四高通滤波器8，第一增益模块包括第一放大器9，第二增益模块包括第二放大器11，第三高通滤波器7一端与第一乘法器5连接，另一端第一放大器9连接，第四高通滤波器8一端与第二乘法器6连接，另一端与第二放大器11连接；输出模块包括第一加法器1和第二加法器12，第二加法器12的输入端与第一放大器9输出端以及第一高通滤波器3的输出端连接，输出端与第一声道连接；第二加法器12的输入端与第二放大器11输出端以及第二高通滤波器4的输出端连接，输出端与第二声道连接。输入信号经低通滤波器2生成原始音频信号的低音信号；第一乘法器5将低通滤波器2生成的低音信号自乘得到低音信号的二次谐波信号，第二乘法器6将低通滤波器2生成的低音信号与第一乘法器5生成的二次谐波信号相乘得到低音信号的三次谐波信号，2次谐波信号经第三高通滤波器7去除2次谐波信号中的直流分量，并通过第一放大器9调节后，经第二加法器12与高音信号相加并经第一声道输出，三次谐波信号经第四高通滤波器8去除3次谐波信号中的1次谐波分量，并通过第二放大器11调节后，经第三加法器13与高音信号相加并经第二声道输出。以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。