专利名称：：音频数据处理装置和方法
技术领域：
：本发明涉及一种音频数据处理装置。本发明此外还涉及一种处理音频数据的方法。而且，本发明涉及一种程序单元。此外，本发明涉及一种计算机可读介质。
背景技术：
：音频播放装置变得越来越重要。尤其是，越来越多的用户购买基于硬盘的音频/视频播放器和其它娱乐设备。US6134330B2公开了，为了改善所感觉到的音频信号，已经知道使用谐波发生器来造成这样的错觉所感觉到的音频包括比实际可获得的更低的频率信号部分。除了改善所感觉到的所谓的超低音信号(例如20-70Hz)之外，还改善了介于超低音信号和正常音频信号之间的频带内的信号。在由具有与房间的尺寸有特殊关系的波长的音频播放装置激发音频信号时，可能会出现房间模式。房间模式实际上是声驻波，并且是家庭影院系统的低音感受可能取决于声音再现装置(例如房间中的亚低音扬声器)的位置的原因。由亚低音扬声器再现的带宽越小，亚低音扬声器(subwoofer)对位置的依赖性就变得越发令人困扰。
发明内容本发明的目的是实现以充足音频播放质量进行音频播放。为了实现前面定义的目的，提供了按照独立权利要求的一种音频数据处理装置、一种对音频数据进行处理的方法、一种程序单元和一种计算机可读介质。按照本发明的一个示范性实施方式，给出了一种音频数据处理装置，其包括适合于生成频率在预定频率范围内随时间变化的频率变化信号的频率发生器，和适合于基于音频输入信号和频率变化信号的组合生成音频输出信号的处理器。按照本发明的另一个示范性实施方式，给出了一种对音频数据进行处理的方法，该方法包括生成频率在预定频率范围内随时间变化的频率变化信号，和基于音频输入信号和频率变化信号的组合生成音频输出信号。按照本发明的再一个示范性实施方式，给出了一种程序单元，当由处理器执行时，该程序单元适合于控制或实施具有前述特征的对音频数据进行处理的方法。按照本发明的还一个示范性实施方式，给出了一种计算机可读介质，该计算机可读介质中存储着计算机程序，该计算机程序在由处理器执行时，适合于控制或实施具有前述特征的对音频数据进行处理的方法。按照本发明的实施方式的音频处理可以由计算机程序来实现，就是说，可以由软件实现；或者通过使用一个或多个专用电子最佳化电路来实现，就是说，可以用硬件实现；或者可以以混合形式实现，就是说，借助软件部分和硬件部分来实现。按照本发明的一个示范性实施方式，给出了一种对音频数据进行处理的装置，在该装置中，借助频率变化信号操纵音频信号，该音频信号可以处于低音范围。这可以以这样一种方式改变低音信号使得频率随时间轻微变化，从而可以减小由房间模式造成的问题。即，通过改变频率，可以打破房间中形成的驻波或者使驻波脱离共振，从而可以减弱这些不希望有的房间波，而不会给音频信号带来听得出的恶化。这样，可以实现离散房间模式激发的减少。按照一个示范性实施方式，给出了一种用于增强音频系统中的音频信号的增强电路，其中该增强电路可以包括用于接收音频信号的输入端和用于检测音频信号包络的包络检测器。此外，可以提供振荡器或频率发生器来生成单一频率信号。可以将包络检测器设计成用来改变单一频率信号的幅度。可以将振荡器设计成用来改变单一频率信号在一段时间间隔内的频率。可以将该振荡器设计为生成幅度恒定但是频率随时间变化的单一频率信号的扫描发生器或扫描振荡器。在例如"0"秒的时刻开始，发生器单一频率可以是48Hz。在O.2秒之后，该频率可以是50Hz，并且在另一个0.2秒之后，频率可以是52Hz。然后，该频率可以再次降低，并且在另一个O.4秒之后，发生器的频率可以返回到48Hz。本发明的实施方式的示范性应用是消费电子产品和汽车领域中的任何类型的音频产品。例如，象BaryBass这样的亚低音扬声器应用是应用本发明的实施方式的其它示范性领域。"BaryBass"是由Phi1ips公司开发的技术并且涉及小型低频亚低音扬声器。BaryBass的开发使得从小音箱能够再现重低音。BaryBass开辟了将真正低音加入到集成平板电视扬声器、小型便携式数字音频播放器和甚至汽车娱乐系统中的全新的可能性范围。BaryBass扬声器的表征特征在于，它可以在它的共振频率下工作，这意味着它的效率要比传统扬声器高得多。在例如W02005/027570A1中介绍了这样的技术，本文明确引用该文献。按照本发明的一个实施方式，给出了减小因为由单音调算法产生的房间模式造成的位置依赖性的方法。这一用来增加例如BaryBass覆盖范围和效果的方法可以通过使用以低音频率进行输出的扫描正弦波振荡器来获得，其中电平随着所检测到的音频信号包络发生变化，以生成低音扬声器/低音信号。此外，能够实现低音感受的位置依赖性(房间模式)的减小和声音感受的增强。诸如BaryBass这样的算法可以生成幅度与音乐频镨的一部分的能量含量有关的单一音调。所生成的频率可以是根据定义的低频(例如SOHz)。在这些低频下，房间模式开始在低音效果的感知方面起重要的作用。房间模式是由声波撞击在墙壁、地板和天花板上的来来回回的反射而产生的。处于最小的房间模式可能会严重降低所感觉到的效果。处于最大的房间模式时，该效果可能会听起来过于夸张。按照一个示范性实施方式，给出了使用扫描时间较短并且频带较小的扫描正弦波的方法。这种方法可以有效地减小或消除房间模式。这样的系统可以与同步包络检测器结合使用。按照本发明的一个示范性实施方式，可以明显减少房间模式的激发。由此，可以避免或减弱这些不希望有的在房间内播放音频信号时可能出现的声驻波，从而可以使得家庭影院系统等的低音感受更加独立于亚低音扬声器在房间内的位置，并且因此可以降低低音感受。抑制仅仅生成单一频率(例如50Hz)可以使亚低音扬声器的性能对位置的依赖性较低。这样，本发明的一个实施方式可以通过使用小的频带内的扫频(例如从48Hz到52Hz)减小位置依赖性。接下来，将介绍本发明的另外的示范性实施方式。在下文中，将介绍音频数据处理装置的示范性实施方式。不过，这些实施方式也可以应用于对音频数据进行处理的方法、程序单元和计算机可读介质。音频数据处理装置可以包括适合于为处理器供应(多个)音频数据输入信号的音频数据供应单元。这一音频数据供应单元可以与音频数据存储单元连接或者由音频数据存储单元形成。这一音频数据存储单元可以是常规的CD或DVD，或者也可以是其上存储了音频数据/音频内容的硬盘。按照另外一种可选方案，这一音频数据存储单元在从远程数据库中下载音乐或其它音频内容并且在本地进行播放的情形下，可以是网络(例如因特网)中的音频内容数据库。音频数据供应单元可以是独立的单元或者可以与音频数据存储单元组合在一起，并且可以以这样一种方式进行设计它向处理器供应音频输入信号。音频数据供应单元还可以由人类用户借助用户界面(例如包括遥控器、按钮、图形用户界面(GUI)等)来加以控制，从而用户可以控制系统的功能。音频输入信号可以包括频率低于阈值频率的音频信号成分或者可以由频率低于阈值频率的音频信号成分组成。换句话说，音频数据处理装置可以涉及低频域内音频数据的再现，尤其是低音频带内音频数据的再现。这一低音频带可以覆盖低于基本上70Hz、介于20Hz与400Hz之间、介于20Hz与120Hz之间或者介于20Hz与70Hz之间的频率。术语M氐音，，可以特指人类可听到的音频信号范围的最低部分，就是说，人耳能感知到的最低频率。因此术语低音可以描述低频的音调。频率发生器可以适合于生成在宽度等于或小于中心频率的大约10%、优选地等于或小于中心频率的大约5%的频率范围内频率随着时间变化的频率变化信号。例如，当中心频率为50Hz时，那么所覆盖的频率范围可以是介于47.5Hz到52.5Hz之间或者介于48Hz到52Hz之间。这一频率范围af相对于绝对频率值f而言相对狭窄，或者换句话说，af/f《l。这;，声音感受不会受到明显影响。、Z"':''、'中心频率可以基本上为50Hz，这对BaryBass的情况下的应用可能是有利的。频率发生器可以适合于生成频率在预定频率范围内随时间周期性变化的频率变化信号。利用这种周期性变化，可以确保频率波固定的上限和下限。频率发生器可以适合于生成具有在预定频率范围内随时间周期性变化的一次基本上单独一个频率的频率变化信号。在特定的时刻，频率发生器可以生成单一频率信号。不过，在不同的时间点上，单一频率信号的频率可以是不同的。频率变化信号随时间变化所依照的周期可以是基本上200ms。不过，这一周期也可以更小或更大。带宽(例如4Hz)与扫过频率的各时间段的周期(例如200ms)之间的比值应当是合理相关的。根据经验，扫描时间应当相对较短，并且频率跨度应当相对较小。应当以这样一种方式选择周期人耳不应将这一振荡信号识别为是对音频质量的干扰。此外，频率扫过范围应当小得足以使人类收听者基本上觉察不到。频率发生器可以适合于生成频率在预定频率范围内按照锯齿函数或按照三角函数随时间变化的频率变化信号。可能有益的是，定义信号变化的数学函数相对较为平滑，没有跳越，并且人类收听者不会感觉到受到干扰。例如，也可以按照正弦或余弦函数或按照(多)阶梯函数变化。处理器可以适合于基于音频数据输入信号和频率变化信号的乘积生成音频输出信号。通过这一可由电子乘法器单元执行的乘积，可以实现破坏房间内不希望有的驻波的期望效果。音频数据处理装置可以包括适合于再现音频输出信号的音频再现单元。这一音频再现单元可以是扬声器，或者也可以是耳机或头戴听筒。处理器可以适合于生成幅度基本上不随时间变化的音频输出信号。可以在按照本发明的一个示范性实施方式的音频数据处理装置中实现象BaryBass这样的技术。音频数据处理装置此外还可以包括低通滤波器，该低通滤波器适合于在将经过滤波的音频输入信号供应给处理器之前从音频输入信号中滤除高频成分。换句话说，频率低于阈值的音频成分可以基本上无衰减地通过低通滤波器，而高于该阈值的高频成分可以由低通滤波器消除。音频数据处理装置此外还可以包括高通滤波器，该高通滤波器适合于在将经过滤波的音频输入信号供应给处理器之前从音频输入信号中滤除低频成分。换句话说，频率高于阈值的音频成分可以基本上无衰减地通过高通滤波器，而低于该阈值的低频成分可以由高通滤波器消除。高通滤波器的阈值可以不同于低通滤波器的阈值。借助这一高通滤波器，可以实现响度补偿，响度补偿还可以具有减小失真的效果，从而可以提高声音质量。高通滤波器可以模拟耳朵针对低频的灵敏度曲线。不使用这一滤波器，会有与4OHz频率的输入信号音量相同的2OHz的输入信号投射到中心频率(例如，50Hz)上。但是耳朵对于20Hz不那么敏感，因此听起来会很夸张。为了调和这一影响，可以引入高通滤波器。音频数据处理装置此外还可以包括包络检测器，该包络检测器适合于检测音频输入信号的包络和基于所检测到的音频输入信号的包络修改频率变化信号的幅度。通过采取这一手段，可以提供同步包络检测器，借助这一同步包络检测器，可以检测音频输入信号的包络。这一包络可以包含与音频输入信号的幅度相关的信息或者可以指示音频输入信号的幅度。可以使用这一信息来控制频率发生器，从而所生成的频率变化信号(辅助信号)可以反映包络的帧状态。特别地，可以以按照音频输入信号的包络属性的方式调节(单一频率)辅助信号的力度或强度。音频数据处理装置可以是亚低音扬声器、DVD播放器、CD播放器、基于硬盘的媒体播放器、因特网收音机装置、公众娱乐装置、MP3播放器、车辆娱乐装置、汽车娱乐装置、便携式音频播放器、便携式视频播放器、移动电话、医疗通信系统、身体佩戴装置或助听装置。"亚低音扬声器，，可以表示为用于有选择地再现低频尤其是低音频率的扬声器。"汽车娱乐装置"可以是用于汽车的高保真系统。不过，虽然按照本发明的实施方式的系统主要打算用来改善声音或音频数据的质量，但是也可以针对音频数据和视频数据的组合应用该系统。例如，本发明的一个实施方式可以在使用了扬声器和/或亚低音扬声器的视频播放器或家庭影院系统之类的影音应用中实现。本发明的前面定义的方面和其它更多方面可以从下文中将要介绍的实施方式的例子中明显看出，并且将参照这些实施方式的例子对前面定义的方面和其它方面进行解释说明。下文中将会参照实施方式的例子更加详细地介绍本发明，但是本发明并不局限于这些实例。附图l表示按照本发明的一个示范性实施方式的音频数据处理装置。附图2表示图解说明按照本发明的一个示范性实施方式的扫描发生器的频率信号与时间的关系的曲线图。附图3表示按照本发明的一个示范性实施方式的音频数据处理装置。附图4表示按照本发明的一个示范性实施方式的音频数据处理装置可以在其中工作的房间。具体实施例方式附图中所示是示意性的。在不同的附图中，为类似的或相同的单元配有相同的附图标记。在下文中，参照附图l，将介绍按照本发明的一个示范性实施方式的音频数据处理装置100。音频数据处理装置100在本情况下适合作为高保真装置并且包括作为音频数据存储单元的硬盘101(备选地为CD、DVD等)。在硬盘101上，存储着音频数据，例如音乐、电影、音频书之类的不同项目。当启动了音频数据处理装置100时，例如当用户操作装置100上的开关或按下播放按钮时，将音频信号102从硬盘101供应到低通滤波器103。低通滤波器103滤除音频信号的高频分量，例如高于70Hz的可调节值的分量。在低通滤波器103的输出端，给出所谓的音频输入信号104，并且将其供应到包络检测器105和乘法器单元106二者。低通滤波器103可以用带通滤波器代替。音频输入信号104可以包括低音范围内的音频信号，例如介于2OHz与7OHz之间的音频信号。包络检测器105检测音频输入信号104的包络并且控制频率发生器108将由该频率发生器108生成的频率变化信号107的幅度调节为由所检测到的音频输入信号104的包络定义的值。更详细地讲，频率发生器108生成频率在预定频率范围内随时间变化的频率变化信号107。例如，由频率发生器108生成的频率在48Hz和52Hz之间变化。这些最小和最大频率值是借助具有每O.4秒重复一次的齿的锯齿函数连接起来的(见附图2)。此外，也可以将其表示为处理器单元(例如微处理器，CPU)的乘法生成音频输出信号109。从附图l中可以看出，音频数据处理装置100包括扬声器110,该扬声器再现音频输出信号109并且产生可由人类收听者(图中未示出)听到的声波lll。当音频数据处理装置1oo作为房间中的亚低音扬声器时，可以避免、消除或减少基于房间的尺寸与音频低音分量的频率之间的关系激发的声驻波，因为扫描振荡器108会随时间略微改变播放频率，从而有选择地使共振条件发生失真。在下文中，将参照附图2解释说明曲线图200。沿着曲线图200的横坐标201，标绘的是时间t。沿着纵坐标202,标绘的是随时间t变化的频率变化信号203的频率f(t)。这些由曲线203采样的频率介于频率下限f^48Hz和频率上限f^52Hz之间，就是说，处于中心频率50Hz周围土2Hz的范围之内。因此附图2表示频率变化信号203与时间的关系，就是由发生器108产生的频率变化信号107的频率与时间的关系。T^p是从fL线性地到达fH或者从fH线性地到达fL的扫描时间。这一扫描时间在本情况下是200ms。其它的扫描时间也是可以的，例如100ms或彻ms。从附图2中可以看出，函数f(t)203是锯齿信号。参照附图2,扫描信号发生器108生成具有4Hz的小带宽的频率变化信号107,该频率变化信号107扫过200ms的时间段。由于扫描发生器108生成相继的频率，因此将会激发其中使用亚低音扬声器100的房间内的略有不同的位置，并且会产生一种"涂抹(smearing)"效果。换句话说，涂抹了驻波，从而减小了源于这样的声驻波的扰人效果，并且音频质量得到了提高。扫描发生器108按照随时间变化的频率生成恒定幅度，在这一过程期间，在例如"0"秒开始，所生成的频率是"Hz。在O.2秒的时间间隔之后，频率为50Hz，并且在另一个O.2秒的时间间隔之后，频率为5SHz。频率再次降低并且在另一个O.4秒之后，发生器108的频率返回到"Hz。然后该过程再次开始。在下文中，参照附图3，将介绍按照本发明的一个示范性实施方式的音频数据处理装置300。附图3表示扫描发生器108在减少离散房间模式激发的算法的情境中的应用。为了这个目的，将存储在音频数据存储装置101中并且由音频数据存储装置101整理的音乐信号102供应给包括低通滤波器和包络检测器的组合单元103、105。将在组合的低通滤波器和包络检测器单元103、105的输出端处给出的音频输入信号104提供到乘法器单元106的输入端，该乘法器单元在另一个输入端处接收频率变化信号107。基于频率变化信号107和音频输入信号104,生成用于再现的音频输出信号109。回到附图2，可以用数学方式将函数f(t)表示为下面给出的形式如果<formula>formulaseeoriginaldocumentpage13</formula>则<formula>formulaseeoriginaldocumentpage13</formula>否则7:(<formula>formulaseeoriginaldocumentpage13</formula>其中项"mod"表示W^运算。表l给出了乙w、L和fH的值的例子:表l<table>tableseeoriginaldocumentpage13</column></row><table>按照公式(1)到(3)和表1的值，得出表2的时间和频率值:表2<table>tableseeoriginaldocumentpage14</column></row><table>在下文中，将参照附图4解释如何在房间400内针对第一到第四个就座位置401到404操作亚低音扬声器100。在称为A到D的数个就座位置(附图标记401到404)上进行针对这一家庭起居室400的测量。在再现48Hz、50Hz、52Hz和具有0.2秒扫描时间的48到52Hz的扫频时，记录SPL(声压级)，SPL是声音力度或强度的度量值。在施加扫频时，这些数个位置上的SPL比在施加离散音调时更加稳定。表3中示出的是测量的结果。表3<table>tableseeoriginaldocumentpage15</column></row><table>应当注意，术语"包括，，并不排除其它的元件或步骤，并且"一个"或"一"并不排除多个。而且结合不同实施方式介绍的要素是可以组合起来的。还应当注意，权利要求中的附图标记不应看作是对权利要求范围的限制。权利要求1.一种音频数据处理装置(100)，包括频率发生器(108)，适合于生成频率在预定频率范围内随时间变化的频率变化信号(107)；处理器(106)，适合于基于音频输入信号(104)和频率变化信号(107)的组合生成音频输出信号(109)。2.按照权利要求l所迷的音频数据处理装置(100)，包括音频数据供应单元(101)，该音频数据供应单元(101)适合于为处理器(106)供应音频输入信号(104)。3.按照权利要求l所述的音频数据处理装置(100)，其中音频输入信号(104)包含频率低于阈值频率的音频信号成分。4.按照权利要求l所述的音频数据处理装置(100)，其中音频输入信号(104)包含频率处于低音频带内的音频信号成分。5.按照权利要求l所述的音频数据处理装置(100),其中音频输入信号(104)包含频率处于以下频带中的音频信号成分，所述频带来自于一个包括低于基本上70Hz的频带、介于基本上20Hz与基本上120Hz之间的频带和介于基本上20Hz与基本上70Hz之间的频带的組。6.按照权利要求l所述的音频数据处理装置(100),其中频率发生器(108)适合于生成频率在宽度小于或等于中心频率的10%、优选地小于或等于中心频率的5%的频率范围内随着时间变化的频率变化信号(107)。7.按照权利要求6所迷的音频数据处理装置(100)，其中中心频率处于介于基本上20Hz与基本上70Hz之间的范围内，优选地为基本上50Hz。8.按照权利要求l所述的音频数据处理装置(100)，其中频率发生器(108)适合于生成频率在预定频率范围内随时间周期性变化的频率变化信号(107)。9.按照权利要求l所述的音频数据处理装置(100)，其中频率发生器(108)适合于生成具有在预定频率范围内随时间周期性变化的一次基本上单独一个频率的频率变化信号(107)。10.按照权利要求l所迷的音频数据处理装置(100)，其中频率变化信号(107)随时间变化所依照的周期为基本上200ms。11.按照权利要求l所述的音频数据处理装置(100)，其中频率发生器(108)适合于生成频率按照由锯齿函数、三角函数和阶梯函数组成的组中的至少一种随时间变化的频率变化信号(107)。12.按照权利要求l所述的音频数据处理装置(100)，其中处理器(106)适合于基于音频输入信号(l(M)和频率变化信号(107)的乘积生成音频输出信号(109)。13.按照权利要求l所述的音频数据处理装置(100)，包括适合于再现音频输出信号(109)的音频再现单元(110)。14.按照权利要求l所述的音频数据处理装置(100)，其中处理器(106)适合于生成幅度或强度基本上不随时间变化的音频输出信号(109)。15.按照权利要求l所述的音频数据处理装置(100),包括低通滤波器(103)，该低通滤波器适合于在将经过滤波的音频输入信号(104)供应给处理器(106)之前对音频输入信号(102)进行低通滤波。16.按照权利要求l所述的音频数据处理装置(100)，包括高通滤波器，该高通滤波器适合于在将经过滤波的音频输入信号(104)供应给处理器(106)之前对音频输入信号(102)进行高通滤波。17.按照权利要求l所述的音频数据处理装置(100)，包括包络检测器(105)，该包络检测器适合于检测音频输入信号(104)的包络和基于所检测到的音频输入信号(104)的包络修改频率变化信号(107)的幅度。18.按照权利要求l所述的音频数据处理装置(100),实现为由亚低音扬声器、DVD播放器、CD播放器、基于硬盘的媒体播放器、因特网收音机装置、公众娱乐装置、MP3播放器、车辆娱乐装置、汽车娱乐装置、便携式音频播放器、便携式视频播放器、移动电话、医疗通信系统、身体佩戴装置和助听装置组成的组中的至少一种。19.一种对音频数据进行处理的方法，该方法包括步骤生成频率在预定频率范围内随时间变化的频率变化信号(107);基于音频输入信号(104)和频率变化信号(109)的组合生成音频输出信号(109)。20.—种程序单元，当由处理器执行时，该程序单元适合于控制或实施对音频数据进行处理的方法，该方法包括步骤生成频率在预定频率范围内随时间变化的频率变化信号(107);基于音频输入信号(104)和频率变化信号(107)的组合生成音频输出信号(109)。21.—种计算机可读介质，在该计算机可读介质中存储着计算机程序，该计算机程序在由处理器执行时，适合于控制或实施对音频数据进行处理的方法，该方法包括步骤生成频率在预定频率范围内随时间变化的频率变化信号(1017);基于音频输入信号(104)和频率变化信号(107)的组合生成音频输出信号(109)。全文摘要一种音频数据处理装置(100)，包括频率发生器(108)，适合于生成频率在预定频率范围内随时间变化的频率变化信号(107)；和处理器(106)，适合于基于音频输入信号(104)和频率变化信号(107)的组合生成音频输出信号(109)。文档编号H04R3/04GK101297588SQ200680039698公开日2008年10月29日申请日期2006年10月19日优先权日2005年10月24日发明者G·德普尔特尔申请人:皇家飞利浦电子股份有限公司