一种扬声器系统的非线性测量与音质调谐系统的制作方法

本发明涉及音响系统的非线性失真测量与音质听感补偿创新
技术领域：
，尤其涉及一种扬声器系统非线性失真测量与音质调谐系统。
背景技术：
：如图1所示，扬声器系统的低频和高频非线性失真是一个非常普遍的现象，这也是导致其音质不好的本质原因。传统的扬声器音质改善手段是在扬声器的材料、结构和工艺上进行改善，但是这种方法达到一定程度后会受到其它
技术领域：
和经济成本的制约。而随着dsp技术的广泛应用，通过音频信号处理的方式进行扬声器音质补偿是一个必然趋势。目前关于扬声器非线性失真问题的讨论大都处于理论研究层面，实际的应用解决方案和相关产品非常少见，常见的扬声器非线性失真数字补偿技术可归纳为以下三种：(1)基于volterra建模的预失真补偿；该方法需要首先求得扬声器系统的n阶volterra模型的逆系统，用来构建一个n阶的预失真滤波器，把它串联到系统的输入回路中对输入信号进行预失真处理后再馈给放大器，使得扬声器系统的输出信号中不包含2—n阶非线性失真成分，从而实现扬声器系统的非线性预失真补偿。根据weierstrass准则，只有在系统的输入信号足够小时，才能保证volterra级数的收敛性，所以，volterra逆滤波器总是插在功率放大器的前面。另外，要取得对扬声器系统非线性的精确建模，需要估计足够多的volterra阶数才能实现，而高阶的volterra滤波器在实际应用中很难实现，所以，通常都会假定待测系统可由前两阶或三阶volterra核进行近似，如图1所示，即假定系统为弱非线性的情形，这样volterra级数模型的实际应用范围就被大大限制了。(2)klippel镜像滤波的补偿方法；从一个待测扬声器系统的非线性微分方程中得出描述其传输特性的滤波器结构，创建一个非线性特性与该扬声器系统非线性特性相反的滤波器系统，用来补偿该扬声器的非线性失真。这种滤波器的结构跟某个具体的扬声器系统非常密切，它有一个修正子系统，可根据扬声器系统等效电路的非线性元件的镜像对称结构进行设计，所以称之为“镜像滤波器”，如图2所示。这个滤波器由最少量的线性和非线性子系统构成，也可通过数字信号处理来实现。对扬声器特性的模拟精度是受测量精度限制的。镜像滤波器的优点是它对大信号、小信号以及高阶失真均有一定的补偿效果。与前面利用volterra级数的补偿方法相比，该方法实现所用的元件更少，成本更低。(3)自适应逆滤波补偿方法；前面所述的两种补偿方法都属于前馈式补偿，都无法解决实际扬声器系统和其模型之间的不一致性问题，以及扬声器在发热等因素作用下的参数变化，这些问题只能由自适应技术来解决。自适应系统从期待输出信号与实际输出信号之间的差值出发，按照某种算法来调整系统结构。klippel(1998)提出了一种扬声器非线性自适应控制方法，其处理流程如图3所示，它把输入信号分成两路：一路经过被控系统(扬声器、传声器以及外来噪声)及其逆模型到达比较器；另一路经延时后径送比较器得出误差。利用误差来修正逆模型和控制器的相关参数。当误差函数的期望值达到其最小均方值时，就认为系统已经实现最佳控制，这就是自适应滤波算法中的最小均方误差(leastmeansquare，lms)方法。在专业音响领域，除了录音监听之外，人耳听觉所追求的是声音悦耳好听，消费类音响领域更是如此，追求极端的真实感和对原声的还原度往往是不切实际的。从声音悦耳的角度来看，要使得声音好听，就要保持或增加声音的乐感，使其具有乐音的特点。而乐音特征最突出的表现形式就是音乐协和性，表现为谐波列的规则性。通过乐音谐波规则的调制可以调控其谐和性和乐感，从而改变声音的音质。在音响工程实践中，技术人员已经意识到这个问题。例如，通过改变扬声器的结构使其偶次谐波失真大于奇次谐波失真，由此在不降低总谐波失真的条件下可以改善音质，这其实就是偶次谐波的谐和性高于奇次谐波的原理。乐音谐和性是声音谐和性问题中最为经典的研究对象，并且人们常常把它与听感悦耳度关联起来。根据音乐声学中乐器声听感研究相关结论进行了归纳，如表1所示。乐音的谐波结构规则性是影响其听感的主要因素，但与听感悦耳度之间没有体现直接关联。因为悦耳感本身反映了人们对某一声音的听感满意程度，通常在听者对某一声源不熟悉的情况下，悦耳度是对其整体音质评价最有效的指标，而对乐音谐和性的听感评价需要建立在一定认知基础上。所以，乐音谐和性是听感悦耳感的基础，对于不同听音者来说谐和性并不能等同于听感悦耳度。表1声音物理要素与听感关联表技术实现要素：本发明设计了一种扬声器系统的非线性测量与音质调谐系统，其解决了传统扬声器系统的非线性失真补偿技术的难点和问题。为了解决上述存在的技术问题，本发明采用了以下方案：一种扬声器系统的非线性测量与音质调谐系统，包括非线性失真与音质评测模块和非线性音质调谐模块；所述非线性失真与音质评测模块用于对非线性失真测试信号的生成、测试信号的发送与接收、测试信号的频谱分析以及非线性失真评测结果分析显示与数据存储；所述非线性音质调谐模块依据所述非线性失真评测结果进行音质调谐模式配置、实际音频信号输入、非线性音质调谐实时处理、扬声器系统输出。优选的，所述扬声器系统非线性失真与音质评测模块包括测试信号生成单元和谐波频谱计算单元；所述测试信号生成单元给所述扬声器系统逐次发送谐波复合音信号，并对传声器采集的谐波复合音通过所述谐波频谱计算单元进行谐波频谱计算，生成相应的谐波调制数据表发送至所述非线性音质调谐模块。优选的，所述谐波复合音测试信号的基频、谐波个数、相位分布模式和时长均可以自定义；或者，所述谐波复合音测试信号总体频谱特性非常接近实际的音乐和语音类声，并且从精细的谐波结构上也与乐器声类似。优选的，所述谐波复合音信号的整体频率范围为22hz-20khz，其基频值根据常见乐器的音高范围设定了7组，每组包含12个不同基频取值，其频率值与音乐中的一个八度音程范围内的12个半音音高相对应，其音乐中的音高名称表示和对于基频频率值如表1所示：音高cc#dd#eff#gg#aa#b基频/hz6569737882879298104110117123音高cc#dd#eff#gg#aa#b基频/hz131139147156165175185196208220233247音高c1c1#d1d1#e1f1f1#g1g1#a1a1#b1基频/hz262227294313331349369391415440471494音高c2c2#d2d2#e2f2f2#g2g2#a2a2#b2基频/hz523554587622659698740783831880932988音高c3c3#d3d3#e3f3f3#g3g3#a3a3#b3基频/hz104711091175124513191397148015681661176018651976音高c4c4#d4d4#e4f4f4#g4g4#a4a4#b4基频/hz209322182349248926372794296031363322352037293951音高c5c5#d5d5#e5f5f5#g5g5#a5a5#b5基频/hz418644404499497854745588592062726645704074597902表1非线性失真测量的谐波复合音信号的基频取值各谐波成分之间的相对相位关系有零相位、随机相位和余弦相位三种形式；谐波复合音的谐波数目为6-13个范围内可调；谐波复合音时长在1s-10s范围内可调。优选的，所述非线性音质调谐模块包括短时傅里叶变换分析单元、谐波频谱修正单元和傅里叶逆变换单元；输入音频信号进入所述非线性音质调谐模块后，经过对应的实时处理计算后输出调制后的音频信号；其中实时处理计算过程包括输入音频信号依次经所述短时傅里叶变换分析单元、所述谐波频谱修正单元与所述傅里叶逆变换单元合成的音质调谐模式；所述非线性失真与音质评测模块输出的谐波调制数据表与所述输入音频信号在所述谐波频谱修正单元进行谐波调制。一种扬声器系统的非线性测量与音质调谐方法，包括以下步骤：根据待测扬声器系统对输入谐波复合音的谐波频谱响应模式，预先构建待测扬声器系统的谐波调制数据表，再在扬声器系统的输入端之前，对音频信号中的谐波成分进行检测，通过谐波调制数据表对谐波预调制之后再输入到扬声器系统中，从而消除或抑制扬声器输出信号中的非谐和性成分，从而提升扬声器系统重放声音的谐和性。一种扬声器系统的非线性测量与音质调谐方法，包括以下步骤：步骤1、扬声器系统非线性失真与音质评测；步骤2、扬声器系统的非线性音质调谐。优选的，步骤1中给某一待测扬声器系统逐次发送谐波复合音信号，待测扬声器系统重放的测试信号由测量传声器同步采集，并对传声器采集的谐波复合音进行谐波频谱计算，生成相应的谐波调制数据表。优选的，步骤11、根据用户自定义的参数设置，由软件系统生成一组谐波复合音数字信号，数字信号采样频率为48khz或者96khz，量化位数为24bit或32bit，生成的测试信号自动保存在本地。优选的，步骤12、测量开启后，谐波复合音信号会逐个发送给待测扬声器系统，并由一个测量传声器同步接收扬声器播放的谐波复合音，并将接收到的信号自动保存在本地。优选的，步骤13、接收到的多频声数字信号进入傅里叶频谱计算，通过离散傅里叶变换(dft)，得到接收信号的复数频谱，再通过谐波筛选滤波器，计算谐波频率和谐波幅度，最后与输入测试信号的谐波频谱成分进行比对，从而生成谐波调制数据表，并自动保存在本地。优选的，步骤2中包括以下分步骤：步骤21、一路数字音频信号流进入非线性音质调谐模块，先经过短时傅里叶变换(stft)，将每一帧时域音频信号变换到频域，从而得到每一帧复数频谱数据；步骤22、将所述步骤21得到各帧频谱数据，分别进行时间轴和频率轴两个方向的中值滤波处理，分别得到两组滤波器输出数据，中值滤波器的长度为5-15个采样点可选；步骤23、将步骤22得到两组滤波器输出数据的频谱幅度大小进行比较，比较方法有绝对值比较和相对值比较两种方式可选，根据稳态频谱和瞬态频谱的幅度判定规则，得到经过规则筛选后的两组更新的滤波器输出数据，其中一组数据代表谐波成分频谱，另一组数据代表瞬态成分频谱；步骤24、对步骤23得到的谐波成分频谱进行峰值点检测，得到所有峰值点对应的频率和频谱幅度，以及峰值点的有效频率范围；步骤25、在步骤24得到的峰值点中，根据乐音信号的谐波特征规律，判定属于谐波成分的峰值点，将其定义为谐波成分，并估算各个谐波对应的频率、幅度和相位值；步骤26、依据步骤1扬声器系统非线性失真与音质评测中生成的所述谐波调制数据表，对上述步骤25得到的谐波成分进行相应的参数调制，从而得到经过谐波调制之后的谐波成分频谱数据；步骤27、将步骤26得到的调制之后的谐波成分频谱数据与步骤23得到的所述瞬态成分频谱相加，得到调制后的总频谱数据；步骤28、对步骤27得到的调制后的总频谱数据进行短时傅里叶逆变换(istft)，从而得到调制后的时域信号，逆傅里叶变换的短时窗长度和帧移长度与步骤21中相同；步骤29、将上述步骤27得到的时域信号进行时域重叠相加合成，从而得到最终的调制后时域信号，再输入到扬声器系统。优选的，步骤21中，数字信号信号处理的采样频率为48khz或者96khz可选，量化位数为24bit或者32bit可选，短时窗长度为1024个、2048个和4096个采样点可选，帧移长度为128个、256个和512个采样点可选。优选的，步骤29中的合成窗长度为256个、512和1024个采样点可选，合成帧移长度为128个和256个采样点可选。一种扬声器系统的非线性失真测量与音质调谐方法，所述方法是消除或抑制扬声器系统输出信号中非谐和性成分，包括以下步骤：步骤1、生成非谐和性频率成分的反向调制信号，其幅度需要控制在扬声器系统的非线性激发阈值以下，从而保证调制信号经过系统时不会产生新的失真；步骤2、对于呈一定谐波关系的非谐和频率成分，根据扬声器系统的谐波失真特性，以单独的非谐和频率成分作为扬声器输出信号，估计其输入信号模式(例如某个单频纯音)，并用其反相形式作为调制信号；步骤3、对于难以通过反相调制信号消除的非谐和成分，利用人耳的听觉掩蔽效应，生成可以对非谐和成分产生听感掩蔽的掩蔽调制信号，同时保证该掩蔽信号与原本的输入信号具有谐和相关性。一种扬声器系统的非线性失真测量与音质调谐方法，所述方法是基于输入音频流短时傅里叶变换、频谱修正与傅里叶逆变换的方法，信号处理流程是：1)在音频信号馈给扬声器系统之前，先通过一个短时的分析窗对输入音频流进行分帧截短；2)对每一个短时帧内的音频数据进行离散傅里叶变换，并检测其频谱峰值点；3)估计每个峰值点的频率、幅度和相位参数值，并根据待测扬声器系统的非线性失真测量结果，对这些峰值点参数值进行调制；4)通过傅里叶逆变换和时域波形重叠相加重新合成一帧音频信号，然后再馈给扬声器系统。该扬声器系统的非线性测量与音质调谐系统及方法与现有的非线性音质补偿技术相比，具有以下有益效果：(1)本发明完全不同于现有的基于待测系统的非线性建模与逆滤波设计的补偿原理，本发明的理论基础来自于声音谐和性感知规律与扬声器系统非线性失真的内在关联性研究，具有创新性的理论支撑。(2)现有的非线性失真测量大都是利用单个纯音信号或者多频声信号，而这些测试信号与扬声器实际应用中的音频信号(大多数为人声和乐器声等)的频谱成分差异很大，由此得到的测试结果也无法较好地反映出扬声器非线性对输入音频信号的影响。本发明中提供了一组谐波复合音信号的非线性测量系统，其测试信号的频谱特征是依据常见音乐或语言声的谐波结构来设计的，并提供了扬声器系统输入和输出测试信号之间的谐波频谱比对方法，从而获取到非线性失真补偿的参考数据。(3)现有的非线性失真补偿方法都是通过时域滤波器实现，主要关注于滤波器的结构与性能优化，其本质还是一种变相的线性处理模式，不能真正解决扬声器系统的非线性失真问题。本发明提供了一种针对扬声器输入音频流信号的时变频谱分析、修正与合成的非线性调制方法，可以更加灵活地控制输入音频信号的谐波频谱与扬声器系统的非线性之间的调谐，从而改善扬声器系统的重放音质，提升其悦耳感。附图说明图1是现有技术中扬声器系统的非线性失真示意图。图2是现有技术中二阶的volterra逆滤波器结构示意图。图3是现有技术中补偿电压驱动式扬声器位移参量的镜像滤波器结构示意图。图4是现有技术中扬声器系统的非线性自适应控制系统示意图。图5是本发明中扬声器系统非线性失真与音质评测模块的信号处理流程示意图。图6是本发明中扬声器系统的非线性音质调谐模块的信号处理流程示意图。具体实施方式为了使本
技术领域：
的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于己列出的步骤或单元，而是可选地还包括没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其他步骤或单元。在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本发明的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。下面结合图5和图6，对本发明做进一步说明：本发明涉及一种扬声器系统的非线性失真测量与音质调谐系统及方法，探究扬声器系统的谐波失真特性与器乐声/语音声的谐波特征在物理层面和听觉心理层面之间的共通性，依据声音谐和性理论基础，通过创新性的音频信号处理算法，对扬声器系统的输入音频流信号进行实时的非线性预调控，使输入音频信号的谐波特征与扬声器系统的非线性特性之间进行调谐，实现扬声器系统输出声信号的谐和性改变，从而提升扬声器系统重放声音的悦耳感。本发明在不改变扬声器系统物理结构和工艺的前提下，实现对扬声器系统的非线性音质调谐，既控制了扬声器制作的成本，又有效地改善扬声器系统的失真听感，同时还能充分发挥数字音频信号处理平台的灵活性与多功能性。实施例1：如图5所示，本发明中扬声器系统非线性失真与音质评测模块包括非线性失真测试信号的生成、测试信号的发送与接收、测试信号的频谱分析以及非线性失真评测结果分析显示与数据存储。扬声器系统非线性失真与音质评测模块的硬件电路实现包括以下几个部分：1.1、输入信号：1路mic输入信号进入非线性失真评测模块；1.2、主要功能：该模块提供针对谐波复合音测试信号的测量模式：给某一待测扬声器系统逐次发送谐波复合音信号，并对传声器采集的谐波复合音进行谐波频谱计算，生成相应的谐波调制数据表；1.3、输出信号：1路输出测试信号；1.4、测量流程：该模块对任意一个待测扬声器系统进行非线性测量的信号处理流程如图5所示。上述测量流程的具体过程包括：(1)根据用户自定义的参数设置，由软件系统生成一组谐波复合音数字信号，数字信号采样频率为48khz或者96khz，量化位数为24bit或32bit，生成的测试信号自动保存在本地；(2)测量开启后，谐波复合音信号会逐个发送给待测扬声器系统，并由一个测量传声器同步接收扬声器播放的谐波复合音，并将接收到的信号自动保存在本地；(3)接收到的多频声数字信号进入傅里叶频谱计算，通过离散傅里叶变换(dft)，得到接收信号的复数频谱，再通过谐波筛选滤波器，计算谐波频率和谐波幅度，最后与输入测试信号的谐波频谱成分进行比对，从而生成谐波调制数据表，并自动保存在本地。实施例2：如图6所示，本发明中扬声器系统的非线性音质调谐模块的硬件电路实现包括以下几个部分：2.1、输入信号：根据该模块的两种功能模式选择，1路实际音频信号送入短时傅里叶变换的调谐子模块，或者动态谐波均衡的调谐子模块，二者只能选其一。2.2、主要功能：1路实际音频信号进入非线性音质调谐模块后，经过对应的实时处理计算，输出1路音频信号。其中实时处理计算过程包括基于输入音频流信号短时傅里叶变换分析、谐波频谱修正与傅里叶逆变换合成的音质调谐模式。2.3、输出信号：1路输出对应1路输入经过音质调谐处理后的音频信号。2.4、处理流程：每一路音频信号处理流程如图6所示。上述处理流程的具体过程包括：步骤21、一路数字音频信号流进入非线性音质调谐模块，先经过短时傅里叶变换(stft)，将每一帧时域音频信号变换到频域，从而得到每一帧复数频谱数据；数字信号信号处理的采样频率为48khz或者96khz可选，量化位数为24bit或者32bit可选，短时窗长度为1024个、2048个和4096个采样点可选，帧移长度为128个、256个和512个采样点可选。步骤22、将所述步骤21得到各帧频谱数据，分别进行时间轴和频率轴两个方向的中值滤波处理，分别得到两组滤波器输出数据，中值滤波器的长度为5-15个采样点可选。步骤23、将步骤22得到两组滤波器输出数据的频谱幅度大小进行比较，比较方法有绝对值比较和相对值比较两种方式可选，根据稳态频谱和瞬态频谱的幅度判定规则，得到经过规则筛选后的两组更新的滤波器输出数据，其中一组数据代表谐波成分频谱，另一组数据代表瞬态成分频谱。步骤24、对步骤23得到的谐波成分频谱进行峰值点检测，得到所有峰值点对应的频率和频谱幅度，以及峰值点的有效频率范围。步骤25、在步骤24得到的峰值点中，根据乐音信号的谐波特征规律，判定属于谐波成分的峰值点，将其定义为谐波成分，并估算各个谐波对应的频率、幅度和相位值。步骤26、依据扬声器系统非线性失真与音质评测中生成的所述谐波调制数据表，对上述步骤25得到的谐波成分进行相应的参数调制，从而得到经过谐波调制之后的谐波成分频谱数据。步骤27、将步骤26得到的调制之后的谐波成分频谱数据与步骤23得到的所述瞬态成分频谱相加，得到调制后的总频谱数据。步骤28、对步骤27得到的调制后的总频谱数据进行短时傅里叶逆变换(istft)，从而得到调制后的时域信号，逆傅里叶变换的短时窗长度和帧移长度与步骤21中相同。步骤29、将上述步骤27得到的时域信号进行时域重叠相加合成，从而得到最终的调制后时域信号，再输入到扬声器系统。合成窗长度为256个、512和1024个采样点可选，合成帧移长度为128个和256个采样点可选。该方法通过短时傅里叶变换(stft)的正/逆变换，在短时窗内对音频信号进行更加精细的谐波频率、幅度和相位信息的检测，并且可以根据实际应用需求，对这些谐波信息参数进行任意的修改与再合成，因此具有很大的灵活性。但是该方法是基于音频信号流的分帧运算与处理，每一帧音频信号均要经过离散傅里叶变换(dft)、谐波检测、频谱参量修改与逆傅里叶变换合成等过程。以上对本发明实施例所提供的一种扬声器系统的非线性测量与音质调谐系统及方法进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。当前第1页12