音频的低音增强的制作方法

专利名称：音频的低音增强的制作方法
技术领域：
本发明涉及高保真音频再现，更具体地^兌，涉及一种增强低频音 频信号以在小型扬声器上更好地进行再现的方法。
背景技术：
高保真声音再现典型地依赖于能够将电脉沖转换为或多或少精
确地代表原始声音的声波的扬声器。低音频率(例如低于100Hz的频 率)对于扬声器设计提出了特定的挑战。为了在这样的低音频率处产 生声音，扬声器设计人员传统地依赖于制造相对昂贵的大型和重型设 计("低音扩音器(woofer)")。低音扩音器对于制造商提出了电 气和机械两个方面的挑战；它们对于渴望更加i更携的音频收听体验的 很多消费者也是个问题。具体地说，头戴式受话器和便携式"耳塞式 (ear-bud)"扬声器具有的困难在于再现4氐音频率，而没有失真并 且不损失音量，这有时是严重的。
因为再现低音频率的困难，所以某些音频再现系统已经釆用了各 种手段来增强低音响应，或者至少改善低音音调的心理声学感知。在 某些方案中，已经使用心理声学现象来增强收听者对低音音调的主观 印象。例如，美国专利6134330描述了一种已知技术，该技术通过使 用被称为"虚拟音高(virtual pitch)"或"丟失基波(missing fundamental)"的现象来增强40Hz至100Hz内的音调主观体验。这 种现象指的是通过经验所验证的如下事实 一系列谐波的存在可以在 较低频率处创建对基波音调的幻觉，其中， 一个或多个谐波是(所暗 含的)基波频率的整数倍。这种现象被认为是由大提琴所使用，如若 不然，大提琴在尺寸上太小而不能在乐器的较低范围内谐振。通过将 可通过较小的变换器(transducer)更容易地再现的谐波相加，我们可以创建将在没有大型扬声器的情况下难以再现的低音基波的印象。
如美国专利6，134，330中所描述的那样，已知的是，对音频信号 进行滤波以选择低音子频带，从而生成低音子频带中出现的音调的谐 波，并且其后将所述生成的谐波加到所述音频信号上。生成的谐波的 出现改善了对音频的低频部分的感知。所生成的谐波比基波频率更高， 因此可以通过相对较小的扬声器来更有效地再现。

发明内容
关于上述问题，本发明包括一种调节音频信号以增强对低音响应 的感知的方法。该方法包括以下步骤对所述音频信号进行滤波，以 产生具有至少一个基波分量的选择的子频带信号，所述基波分量具有 处于第一频率范围内的基波频率；从所述选择的子频带信号生成至少 一个谐波富集信号，所述谐波富集信号包括所述基波频率的整数倍处 的至少一个谐波分量；在所述音频信号与所述谐波富集信号之间引入 相移，以产生相移的音频信号；将所述相移的音频信号加到所述谐波 富集信号，以产生经调节的音频信号。
本发明在装置方面包括一种信号调节电路，其用于调节音频输入 信号，以增强对低音频率的感知。所述电路包括滤波器，其被耦合 为接收所述音频输入信号，并且^f皮布置为选择和输出具有至少一个基 波音调的频率子频带信号；谐波生成器，其4皮布置为接收所述频率子 频带信号，并且生成具有至少一个谐波分量的谐波信号；相移器，其 被耦合为接收所述音频输入信号，并且被布置为引入相移，由此产生 相移的音频信号；以及求和电路，其被耦合为接收所述相移的音频信 号以及所述谐波信号，并且对所述信号求和，以产生经调节的音频信 号，所述经调节的音频信号具有所选择的频率的增强谐波。
通过结合附图，从以下优选实施例的详细描述中，本发明的这些 和其它特征和优点将对以本领域技术人员变得清楚，其中


图la是在低音增强的现有技术方法中用于音频波形的、作为时 间(在水平轴上)的函数的电压的曲线图lb是通过现有技术方法从图la的波形生成的谐波富集波形的 曲线图lc是示出通过现有技术方法将图la和图lb的波形相加的结 果的曲线图2是示出根据本发明的方法的步骤的流程图3a是用于输入到本发明的方法的音频波形的、作为时间(在 水平轴上)的函数的电压的曲线图3b是根据本发明从图3a的波形生成的并且进行相移的谐波富 集波形的曲线图3c示出根据本发明通过对图3a和图3b的波形求和所获得的
波形；
图4是根据本发明的装置的示意图，其中功能模块被表示为块 ("框图")；以及
图5是信号处理系统的框图，所述信号处理系统可以通过使用通 用可编程微处理器或专用可编程微处理器而合适地用于在实施例中执 行本发明的方法。
具体实施例方式
本发明涉及对数字形式或模拟形式的音频信号的处理。在以下的 讨论中，通常示出模拟波形来解释构思；然而，应理解，本发明的典 型实施例将适用于数字字节或字的时间序列的情况下，所述字节或字 形成模拟信号的离散近似。离散数字信号与周期采样的音频波形的数 字表示对应。如本领域所知的那样，对于感兴趣的频率，必须以至少 足以满足奈奎斯特(Nyquist)采样定理的速率来对波形釆样。根据本 领域所知的原理，应该选取量化方案和比特分辨率，以满足特定应用 的需求。本发明的技术和装置可以并且典型地将被独立地应用于多个声道中(例如在双声道"立体声"系统或具有多于两个声道的"环绕" 音频系统中)。虽然本发明的数字实现方式是该公开的主要关注点， 但本发明不限于数字的实施例，并且可以通过模拟电路来实现。
图la、图lb和图lc示出可在通过谐波生成而进行低音增强的现 有技术方法中期望的示例性(连续)波形。图la示出基波正弦低音音 调10。图lb示出通过对图la的波形进行平方所获得的谐波富集的波 形12。从三角方法可知，平方波形12包括2f的频率分量，其中，f 是基波IO的频率。图lc在14处示出波形IO和波形12之和。可以通 过借助于谐波生成而进行低音增强的现有技术方法来产生该波形。
波形14包括相加的谐波内容(在此情况下是频率2f的偶谐波)。 然而，从峰值电平16 (正)和18 (负)还清楚的是，波形14具有所 引入的峰值偏移，并且不再关于零电平20对称。具体地说，在该示例 中，对于具有幅度A的正规化波形，波形14已经被移动了不想要的 直流(d.c.)偏置，从而正峰值16达到比在18处的负峰值高得多的绝 对值。
在波形14中引入偏置或偏移所具有的不期望的后果在于，必须 预留更多的动态范围或"裕量(headroom)"以防止饱和，即，波超 过可以在给定量化范围中表示的最大值的情形。对于给定的比特分配， 偏移实际上会减少在饱和之前值的可使用范围，从而实际上使得比特 分配缺少效率。缩小波形将避免饱和，但增加了量化噪声。该问题尤 其麻烦，这是因为偏移关于幅度不是恒定的，而是随波形的均方根 (rms)值而改变。在音乐音频内容的情况下，rms值在非常大的不 可预测的范围上快速地改变。这使得难以通过简单地减去偏移来使波 形回零。频繁计算rms值将需要大量计算，从而需要处理能力和时间。 在很多音频应用中，处理能力和时间受限于规格和成本考虑。
本发明提供一种简单方法，用于减少或者消除由谐波生成所引入 的偏移。本发明的方法消耗很少的处理器周期，涉及很少的计算和存 储器，引入很少的延迟，并且需要相对少量的存储器。
图2按照进程来示出根据本发明的通用方法。在步骤22,输入音频信号，其被合适地表示在时域中。例如，可以4吏用线性PCM表示。 输入的音频在节点23被分开，并且沿着平行的路径通过算法的两个分 支。在第一分支24中，通过低通滤波器或通过带通滤波器来对输入的 音频进行滤波(步骤26)，以选择将要增强的低音频率范围。合适的 是，滤波步骤可以提取一定范围的频率(例如从0至200Hz),以用 于通过谐波生成来进行增强。在另一实施例中，选择从0至120Hz的 频率范围。上截频将取决于所假设的将要釆用的扬声器系统中的低音 再现的预期的限制。可以使用多抽头数字滤波器(例如有限沖击响应 (FIR)滤波器)。或者，可以用频域表示来呈现输入的音频，可以 在频域中通过适当的窗口操作来对输入的音频进行滤波。其后可以通 过逆变换(例如逆FFT)将所得到的频率表示转换到时域。
接下来，在步骤28，通过用于生成谐波的方法来处理所选择的频 率范围。可以使用一些方法中的任意方法。可以将波形乘以其自身(对 每一采样进行平方运算)，以生成"偶，，谐波(在与基波频率乘以偶 数对应的频率处)。该方法在频率2f处生成强的谐波，其中，f是所 选择的基波音调的频率。可以通过对信号求立方或者将波形弄到更高 的(奇数)幂次以生成"奇"谐波(在基波频率的奇数倍处)来生成 更高阶的谐波。或者，可以将信号乘以强非线性函数(例如指数函数， 与半导体二极管结类似)。通过任何方法，生成谐波以产生谐波富集
的信号。
在步骤30，以高通滤波器或带通滤波器来对谐波富集的信号进行 滤波，以使得基波衰减，并且移除直流分量(如果有任何直流分量的 话，它是在谐波生成期间加入的)。在某些实施例中发现强低频基波 和直流分量干扰了扬声器系统的可靠操作，尤其干扰了不能用于处理 宽范围、低频率漂移的低成本小型扬声器。
在步骤30从偶数倍的谐波移除直流分量是可选的，但为减少偏 移很希望这样做。然而，在没有本发明的其它步骤的情况下，在步骤 30 (或28)移除直流偏移不足以完全移除不想要的偏移。这是因为在 稍后的混频步骤与求和步骤中(以传统方法)引入其它偏移。此外，
9这使得通过传统手段来进行移除是困难的。
在平行信号路径32，优选地在相位方面将原始输入音频移动(相 移，步骤34)大于零度并且小于180度(超前或者滞后)的角度。如 果我们假设有在基波频率fO处的强的音调，则关于基波波形来测量我 们的相位基准(见图3a)。已经发现，近似在低音区域中的矩心频率 (centroid frequency )处(例如对于从0至120Hz的所定义的低音范 围内，在60Hz处)选取所假设的基波频率是足够的。已经发现，最 优选的是，在所述步骤34将相移设置为近似90度的相位。如以下结 合图3a-图3c所解释的那样，这个相移在减少或者消除被引入到低音 增强的波形的偏移中最有用。
在相移之后，可选地期望的是，以高通滤波器来对相移的信号(在 步骤36)进行滤波，以将基波分量衰减到截止频率之下，所述截止频 率定义了对预期的低音变换器的限制。如前所述，强的低频信号或直 流偏置的出现可能干扰低成本小型扬声器或音频变换器的性能。将高 通滤波器包括在步骤30和步骤36中的至少一个步骤中防止了如若不 然可能出现的基波的不适当的放大。
最后，将相移的谐波信号加回到原始输入音频信号(步骤38)。 (可选地，可以在将相移的谐波信号加到输入的音频信号之前对其进 行缩放，以更大程度地控制低音增强)。具有相移的谐波的输入音频 的和被输出到扬声器或者用于最终再现之前的进一步处理。
图3a、图3b和图3c显示了本发明的方法对示例性正弦波形的效 果。我们可以将这些图与类似的图la-图lc进行比较，以观察在对输 入音频求和之前对谐波进行相移的效果。图3a在40示出输入音频波 形。图3b示出通过对输入音频40求平方(自身相乘)、进行滤波来 移除基波、其后进行相移而导出的波形42。注意，波形42在相位上 不同于图lb中的对应波形12。图3c在44处示出波形40和波形42 之和。波形44的峰值正漂移46显著低于图la中的对应波形14的峰 值正漂移。这有助于防止数字值超过数字表示方案(例如线性pcm)
10内所许可的最大值。47处的峰值负漂移与正漂移几乎是相同的绝对 值；与图la至图lc的现有技术方法相比较，已经减少或者消除了偏 置或偏移。
本发明还可以包括奇谐波的注入(在步骤28 )。奇谐波比偶谐波 的麻烦要少。例如，波形的立方产生通常关于零对称的波，并且因此 不倾向于引入偏移。然而，以上在步骤28所引入的相移还可以被应用 于奇谐波，而不会减少有效性。此外，可以在步骤28生成更高阶的偶 谐波。例如，可以通过将信号增加到四次幂来生成四阶谐波，以此类 推。
应理解，步骤34中的相移是相对相移，其在分支32中的信号与 分支24中的信号之间引入超前或者滞后。在本发明的简单变形中，相 对支路中的信号可以经历相移，以产生基本相同的结果。因此，本发 明的方法包括在第 一分支中的信号与第二分支中的另 一信号之间引 入相对相位差。
图4示出根据本发明的装置的示意性形式的一个实施例。音频信 号被输入到第 一 滤波器50,第 一 滤波器50选择用于增强的低音区域。 合适的是，选择20 Hz至120Hz频率范围(通常假设不存在20Hz以 下的频率)。在数字实施例中，可以通过专用DSP集成电路或可编程 DSP集成电路，或通过可编程微处理器和关联的存储器来执行滤波。 第一滤波器50的输出被输入到谐波生成器52，谐波生成器52可以是 可编程通用数字信号处理电路或可编程专用数字信号处理电路。可以 通过上述方法或者通过其它已知方法来数字地生成谐波。然后，由第 二 (高通)滤波器54对谐波生成器52的输出进行滤波，以使基波衰 减，并且移除任意直流偏置或偏移。所得结果用作对求和电路61的第 —输入56。
原始输入信号还通过平行的分支或信号路径中的相移电路56。可 以通过通用可编程微处理器或用于实现FIR数字滤波器的类型的专用 dsp处理器来合适地实现相移电路56。例如，可以对从Analog Device 公司(ADI)可获得的DSP处理器芯片"ADSP-21367"进行编程，
ii以引入合适的相位延迟。在一个实施例中，通过对预定数量N个釆样 进行简单延迟来近似受控的相位。例如，对于基波低音频率f0，与 tau=90度的延迟对应的相移由下式给出 式l:
延迟=(采样速率)/ (4x (中心频率))
其中，延迟以秒为单位，并且频率以Hz为单位。计算对于任意 Tau的延迟通常是容易的。 式2:
Tau-2鲈延迟A釆样速率
(对于以弧度为单位的tau，延迟以秒为单位，釆样速率以Hz 为单位)。
就以采样速率(fs)所釆样的离散信号中的采样数量而言，期望 的延迟被近似为釆样的最接近的整数N，其中，N/fs=Tau。
可见，引入期望的相位延迟所需的采样的数量取决于低音基波音 调f0的所假设的基波频率。在简单实施例中，可以通过为增强而选择 的子频带内所选择的任意频率(例如处于子频带中的中间频带的频率) 来近似所述频率。在一个实施例中，假设中心频率是80Hz。
在一个特定实施例中，为增强而选择从20Hz至120Hz的频率。 可以通过引入由以上给出的式所给出的延迟来近似相位延迟，其中， 所假设的中心频率在80Hz处。
在这个实施例中，在80Hz处将延迟合适地i殳置为90度(pi/4 )。
引入延迟的一种异常方便的方法是在随机存取可寻址存储器中 依次存储釆样。然后，将存储器偏移数加到数据地址指针或者从其中 减去，并且由此将所检索到的数据延迟与存储器偏移数对应的采样的 数量。或者，可以将音频信号数据存储在FIFO緩冲器或具有与期望 的延迟对应的长度的移位寄存器中。
在相移之后，优选地以高通滤波器60来对相移的信号进行滤波， 以对基波进行衰减，并且消除直流偏置，然后，将其输入到求和电路 61的第二输入62中。求和电路61的第二输入62因此接收原始音频信号的经相移和滤波的版本。求和电路将谐波富集的信号与相移后的 输入音频信号求和，以产生富有所选择的低音子频带中的低音音调的 谐波的输出信号。富集的输出信号更加容易通过小型扬声器(例如头 戴式受话器)而被再现，以给出增强的低音响应的令人信服的心理声 学幻觉。
如前述滤波器、谐波生成器和相移电路那样，也可以通过被合适 地编程以将来自输入音频的音频采样与相移后的谐波信号求和的可编 程微处理器来实现求和电路。所述处理器可以是并行运行的不同处理 器或相同处理器。
本发明的方法需要很少的计算，并且在一定幅度范围上有效地减 少如若不然将被引入的偏移(伴随低音音调的偶谐波的不想要的伪像 信号)。因此其引入非常少的延迟，并且偏移的减少允许处理器利用 全部动态范围，而没有饱和或者不需要重新缩放信号。
图5示出信号处理系统的框图，所述信号处理系统可以通过使用 通用可编程微处理器或专用可编程微处理器而合适地用于执行本发明 的方法。微处理器100与存储在程序存储器102中的程序指令通信， 所述程序指令可以被永久写入(固件)，或者可以从大容量存储设备 104来加载。在输入106处接收被适当地緩冲的输入音频釆样。微处 理器在程序控制下工作，以执行以上结合图2所描述的功能。中间结 果和緩冲的数据被写到数据存储器108，以及从数据存储器108读取 中间结果和緩冲的数据，数据存储器108可以是随机存取存储器。需 要充足的存储器来至少存储足够的釆样，以容纳所需的延迟，并且需 要用于任意多抽头数字滤波器的充足的存储器。本领域技术人员基于 前述需求连同将要容纳的声道的数量以及为特定实施例所选取的特定 频率参数将容易确定存储器需求。在输出端口 IIO处以一系列离散数
字化釆样的形式来对输出信号进行输出。可以釆用任意合适的输入接 口和输出接口的形式，包括SPDIF、HDMI、USB、"火线(firewire )"、 IIS总线以及其它电数据接口或光数据接口。
将清楚的是，可以采用该架构的变形。例如可以以并行配置或串行配置来使用一些处理器某些处理器执行滤波器功能，而其它处 理器执行相移和谐波生成。可以采用专用DSP或数字滤波器芯片作为 滤波器。可以通过对信号进行复用或者通过运行并行处理器来一起处 理多个音频声道。
在本发明其它实施例中，例如并且并非进行限制，相移的其它方 法(例如"希尔伯特(Hilbert)变换")可以作为对于纯延迟的替换 方案。还应理解，信号相位是相对概念。为此，有可能创建引入相移 的大量相似或功能上等同的变形方法例如，在以上描述了在信号路 径的第一 "信号"分支32中引入相移的情况下，可以通过在"谐波富 集的"路径24中引入相反的相移来获得等同结果。相似地，可以用组 合方式在两条路径中引入相移，以产生相移的代数和。
如果简单时延用于提供本发明的相移，则大量方法是已知的并且 可以被采用的。在处理器驱动的实施例中，可以通过各种手段(包括 间接寻址和通过使用地址偏移矢量)来引入存储器偏移或移位。在其 它实施例中，可以采用各种延迟线，包括先入先出(FIFO)緩冲器、 移位寄存器、或甚至模拟延迟线(例如电荷耦合装置(CCD)或其它 模拟存储器设备)。
在所述装置和方法的另 一子系统中，可以使用其它手段来生成谐 波。例如，可以(合适地通过离散余弦变换)将信号变换为频域表示。 然后，可以将低音区域中的频率峰值向上进行音高移动到谐波频率， 并且所得到的信号被逆变换回到时域表示，以用于进一步处理。该方 法在某些应用中可能是有利的，但通常将需要更多的处理器能力和存 储器分配。
虽然已经示出和描述了本发明一些示例性实施例，但本领域技术 人员将会想到大量的其它变形以及替换实施例。这样的变形和替换实 施例是可预期的，并且可以在不脱所附权利要求中所定义的本发明的 精神和范围的情况下实现这样的变形和替换实施例。
权利要求
1、一种调节音频信号以增强对低音响应的感知的方法，该方法包括以下步骤对所述音频信号进行滤波，以产生具有至少一个基波分量的选择的子频带信号，所述至少一个基波分量具有处于第一频率范围内的基波频率；从所述选择的子频带信号生成至少一个谐波富集信号，所述谐波富集信号包括所述基波频率的整数倍处的至少一个谐波分量；在所述音频信号与所述谐波富集信号之间引入相移，以产生相移的音频信号；将所述相移的音频信号与所述谐波富集信号相加，以产生经调节的音频信号。
2、 如权利要求l所述的方法，其中，所述引入相移的步骤包括 向a)所述音频信号和b)所述谐波富集信号中的至少一个信号中引入相对于所述信号中的另 一信号的相位超前或滞后；所述超前或 滞后处于大于0度但小于180度的范围内。
3、 如权利要求2所述的方法，其中，所述预定时延被控制，以 便在所选择的低音子频带中在标称的最佳频率处产生基本上90度的 相移。
4、 如权利要求2所述的方法，其中，所述引入相移的步骤包括 引入受控的时延。
5、 如权利要求5所述的方法，其中，所述受控的时延被控制， 以便在所选择的低音子频带中在标称的最佳频率处产生基本上90度 相移。
6、 如权利要求4所述的方法，其中，所述音频信号包括 一系 列离散的数字化表示的采样；所述音频釆样被存储在可寻址的存储器中；并且其中，通过使用存储器偏移矢量来引入所述受控的时延。
7、 如权利要求3所述的方法，其中，通过先入先出(FIFO)緩 冲器来引入所述受控的时延。
8、 如权利要求2所述的方法，其中，通过以相移滤波器调节所 述滤波的谐波信号来引入所述相移。
9、 如权利要求1所述的方法，其中，所述生成谐波信号的步骤 包括对所述滤波的信号进行平方，以产生谐波信号，所述谐波信号 至少包括作为基波频率的偶数倍的频率处的谐波分量。
10、 如权利要求9所述的方法，其中，所述生成至少一个谐波信 号的步骤进一步包括在基波频率的奇数倍的频率上生成至少一个谐 波信号。
11、 一种信号调节电路，用于调节音频输入信号，以增强对低音 频率的感知，所述电路包括滤波器，其被耦合为接收所述音频输入信号，并且被布置为选择 和输出具有至少一个基波音调的子频带信号；谐波生成器，其被布置为接收所述子频带信号，并且生成具有至 少 一 个谐波分量的谐波信号；相移器，其被耦合为接收所述音频输入信号，并且被布置为引入 相移，由此产生相移的音频信号；以及求和电路，其被耦合为接收所述相移的音频信号以及所述谐波信 号，并且对所述信号求和，以产生经调节的音频信号，所述经调节的 音频信号具有所选择的频率的增强谐波。
12、 如权利要求11所述的电路，其中，所述滤波器包括数字滤 波器，并且其中，所述谐波生成器、所述相移器和所述求和电路包括 数字信号处理电路。
13、 如权利要求12所述的电路，其中，数字滤波器和所述数字 信号处理电路包括可编程微处理器；可寻址存储器，其被耦合为存储所述音频信号，所述存储器被耦 合为与所述可编程微处理器通信并且与输入和输出电路通信，以对所述输入音频信号和经调节的音频信号进行输入和输出；程序模块，其被存储在所述可寻址存储器中，并且能在所述可编 程微处理器上执行，以执行所述数字滤波器、所述相移器、所述谐波 生成器和所述求和电路的功能。
14、 如权利要求13所述的电路，其中，所述相移器引入大于0 度但小于或等于180度的相位超前或滞后。
15、 如权利要求14所述的电路，其中，所述相移器包括数字 延迟程序模块，其被预先确定为在所选择的频率范围内引入期望的相 移。
16、 如权利要求15所述的电路，其中，所述相移器通过以与期 望的延迟对应的存储器偏移矢量来修改存储器地址而引入所述数字延 迟。
17、 如权利要求15所述的电路，其中，所述相移器包括相移 数字滤波器。
18、 如权利要求11所述的电路，其中，谐波生成器包括将所 述滤波的信号与其自身相乘的电路，用于产生平方信号，所述平方信 号包括所述基波音调的偶谐波。
19、 如权利要求18所述的电路，其中，所述谐波生成器进一步 包括用于生成比两倍基波频率处的谐波更高阶的至少一个谐波的电 路。
全文摘要
本发明公开了音频的低音增强。一种用于调节音频输入信号以增强低对音频率的感知和再现的方法和装置。生成谐波并且将其与音频输入信号的相移的版本进行组合。对受控的相移的使用减少或者消除了对波形不对称或直流偏移的不想要的引入。
文档编号H04R3/04GK101459865SQ20081013060
公开日2009年6月17日 申请日期2008年6月25日 优先权日2007年12月10日
发明者W·P·史密斯 申请人:Dts(英属维尔京群岛)有限公司