虚拟低音生成方法、虚拟低音模组及音频处理芯片与流程

本发明涉及音频信号处理技术领域，特别是涉及一种虚拟低音生成方法、虚拟低音模组及音频处理芯片。

背景技术

扬声器是一种常见的音频播放设备，其在功率放大器的驱动下，可以实现电声转换，播放相应的音频信号。

扬声器可以通过多个指标来衡量其设备性能。而低频共振频率点是其中一个非常重要的衡量指标，其决定了扬声器的频率响应的低频下沿(亦即扬声器的低频共振频率点限制了低频音频信号的播放效果)。

由于过度使用低频增益加大低于扬声器的频率响应的低频下沿的低频区域不仅会对音质造成损害，也容易使得扬声器出现内部硬件损伤。因此，通常会采用相应的演算方法(例如虚拟低音)对音源信号进行补偿以提高低频播放效果。

在实现本发明过程中，申请人发现相关技术存在以下问题：现有的虚拟低音方法是将低频区域产生高次谐波，然后利用这些高于低频共振频率点的高次谐波内插出低音的效果。

在生成高次谐波的过程中，一种生成方法通常仅能够产生单一的奇次谐波或者偶次谐波。为了合成获得完整倍频的高次谐波，需要采用不同的方法产生奇次谐波和偶次谐波后进行结合。

由于不同生成方法产生的奇次谐波或者偶次谐波具有不同的特性(如谐波能量或者谐波衰减速度)。因此，奇次谐波和高次谐波的结合效果较差，不容易谐和。

技术实现要素：

本发明实施例主要解决的技术问题是不同生成方法获得的奇次谐波和偶次谐波的特性不同，难以谐和。

为解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种虚拟低音生成方法。所述虚拟低音生成方法包括：

生成低频基波的奇次谐波；以所述奇次谐波为基础，通过第一高频载波和第二高频载波的调制解调，产生所述低频基波的偶次谐波；所述第一高频载波与所述低频基波之差等于所述第二高频载波；合成所述奇次谐波和偶次谐波，获得具有完整奇偶倍频的高次谐波；按照预设的比例，结合所述高次谐波与原音。

可选地，以所述奇次谐波为基础，通过第一高频载波和第二高频载波的调制解调，产生所述低频基波的偶次谐波，包括：

根据调制原理，将所述奇次谐波与第一高频载波相乘，并且在解调时，与第二高频载波相乘，获得解调频波；

滤除所述解调频波的非目标频点，生成所述低频基波的偶次谐波。

为解决上述技术问题，本发明实施例还提供了另一种虚拟低音生成方法。所述虚拟低音生成方法包括：

生成低频基波的偶次谐波；以所述偶次谐波为基础，通过第一高频载波和第二高频载波的调制解调，产生所述低频基波的奇次谐波；所述第一高频载波与所述低频基波之和等于所述第二高频载波；合成所述奇次谐波和偶次谐波，获得具有完整奇偶倍频的高次谐波；按照预设的比例，结合所述高次谐波与原音。

可选地，以所述偶次谐波为基础，通过第一高频载波和第二高频载波的调制解调，产生所述低频基波的奇次谐波，包括：

根据调制原理，将所述偶次谐波与第一高频载波相乘，并且在解调时，与第二高频载波相乘，获得解调频波；

滤除所述解调频波的非目标频点，生成所述低频基波的奇次谐波。

可选地，所述第一高频载波和第二高频载波为相对于奇次谐波或偶次谐波的超高频载波信号。

为了解决上述技术问题，本发明实施例还提供了一种虚拟低音模组。该虚拟低音模组包括：谐波发生器，所述谐波发生器用于产生低频基波的奇次谐波，并且以所述奇次谐波为基础，通过第一高频载波和第二高频载波的调制解调，产生所述低频基波的偶次谐波；高次谐波合成器，所述高次谐波合成器用于修饰合成所述奇次谐波和偶次谐波，产生具有完整奇偶倍频的高次谐波；虚拟低音合成器，所述虚拟低音合成器将所述高次谐波与原音结合。

为了解决上述技术问题，本发明实施例还提供了一种虚拟低音模组。所述虚拟低音模组包括：谐波发生器，所述谐波发生器用于产生低频基波的偶次谐波，并且以所述偶次谐波为基础，通过第一高频载波和第二高频载波的调制解调，产生所述低频基波的奇次谐波；高次谐波合成器，所述高次谐波合成器用于修饰合成所述奇次谐波和偶次谐波，产生具有完整奇偶倍频的高次谐波；虚拟低音合成器，所述虚拟低音合成器将所述高次谐波与原音结合。

可选地，所述高次谐波合成器包括：调制解调单元和带通滤波器；

所述调制解调单元用于：将所述奇次谐波或者偶次谐波与第一高频载波和第二高频载波相乘，获得解调频波；

所述带通滤波器用于滤除所述解调频波中的非目标频点，获得对应的偶次谐波或者奇次谐波。

可选地，当以所述奇次谐波为基础时，所述第一高频载波与所述低频基波之差等于所述第二高频载波；

当以所述奇次谐波为基础时，所述第一高频载波与所述低频基波之和等于所述第二高频载波。

可选地，所述高次谐波合成器包括：均衡器和修饰滤波器；

所述均衡器用于调整所述奇次谐波和偶次谐波的增益值；所述修饰滤波器用于搭配调整所述奇次谐波和偶次谐波。

为解决上述技术问题，本发明实施例还提供了一种音频处理芯片。所述音频处理芯片包括：解码模组，所述解码模块用于解码接收到的音频信号；如上所述的虚拟低音模组，所述虚拟低音模组用于在所述音频信号中添加对应的虚拟低音；以及

功率放大器，所述功率放大器用于放大所述虚拟低音模组输出的音频信号，以提供符合扬声器要求的信号功率。

可选地，所述音频信号为数字音频信号，所述音频处理芯片还包括数模转换器；所述数模转换器分别与所述虚拟低音模组和所述功率放大器连接，用于将所述虚拟低音模组输出的数字音频信号转换为模拟音频信号。

本发明实施例中提供的虚拟低音生成方法以非线性等方法产生出的奇次谐波或者偶次谐波为基础，利用调制解调原理产生出对应的偶次谐波或者奇次谐波。这样获得的奇次谐波和偶次谐波特性统一，可以获得自身谐和的高次谐波以提供更好的虚拟低音效果。

附图说明

一个或多个实施例通过与之对应的附图中的图片进行示例性说明，这些示例性说明并不构成对实施例的限定，附图中具有相同参考数字标号的元件表示为类似的元件，除非有特别申明，附图中的图不构成比例限制。

图1为本发明实施例提供的应用环境示意图；

图2为本发明实施例提供的音频处理芯片的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的虚拟低音模组的连接时序图；

图4为本发明实施例提供的谐波发生器的结构示意图；

图5为本发明实施例提供的虚拟低音生成方法的方法流程图；

图6为本发明另一实施例提供的虚拟低音生成方法的方法流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

扬声器的低频共振频率点(又称共振频率或者谐振频率)是扬声器阻抗曲线上，低频段出现的一个阻抗最大值。其决定了扬声器的频率响应范围下沿。音频信号中低于低频共振频率点的区域是扬声器无法播放的低频区域。

为了使低频区域的低音播放效果进行补偿，惯常使用虚拟低音等演算补救方式，以高于低频共振频率点的高次谐波内插的形式来模拟低频的播放效果。

图1为本发明实施例提供的虚拟低音的应用环境。如图1所示，该应用环境包括音源设备10、音频处理芯片20以及扬声器30。

所述音源设备10是任何类型的，用于提供待播放音频信号的智能或者非智能硬件设备，包括手机、电脑、平板电脑、u盘、mp3播放器等等。其具有至少一个输出端口，用以输出可别识别的音频信号。

在一些实施例中，该音源设备10可以具有操作或者控制系统，接收用户指令并调用相应的数字音频信号，从一个或者多个输出端口中输出。

所述音频处理芯片20是与所述音源设备10连接，用于对音频信号进行调节或者修饰的电子电路部件。该音频处理芯片20可以由一个或者多个相互连接的功能模组组成，以实现相应的修饰效果。

例如，如图2所示，该音频处理芯片20可以包含用于解码的解码模组21、用于在音频信号中添加对应的虚拟低音音效的虚拟低音模组22以及用于放大音频信号以符合扬声器要求的信号功率的功率放大器23。

其中，该解码模组21可以接收来自音源设备10的原始音频信号并对其进行解码。该虚拟低音模组22可以将位于低频区域的音频信号生成对应的高次谐波从而补偿扬声器的低音效果。功率放大器23放置于最后的位置，将调整修饰完毕后的音频信号放大以提供足够的信号功率驱动扬声器播放声音。

当然，所述音频处理芯片20还可以根据实际需要选择增设其它不同的音效模组(如主动降噪模组)而不限于虚拟低音模组。

在一些实施例中，当音源设备10提供的是数字音频信号时。如图2所示，所述音频处理芯片20还可以相应的设置有模数转换器24，通过模数转换器24实现数字音频信号和模拟音频信号之间的转换。

音频处理芯片20可以以任何合适的电子计算平台实现，例如可以以音频处理芯片的形式实现。该音频处理芯片20可以根据实际需要，整合到音源设备10或者扬声器30中，作为其中的一个硬件功能单元。在另一些实施例中，该音频处理芯片20还可以是一个单独的部件，独立于音源设备10或者扬声器30设置。

扬声器30可以是任何类型的电声转换设备(如动圈式喇叭、动铁式喇叭、耳机或者立体声音响等)，是最终产生声音的终端设备。其通过音频处理芯片20与音源设备10连接，播放经过音频处理芯片20处理后的音频数据。

音源设备10、音频处理芯片20以及扬声器30之间具有传输数据和指令的物理传输信道。该物理传输信道既可以是基于无线射频网络(如蓝牙、wifi或者红外)建立的数据传输信道，也可以是通过有线设备连接形成的数据传输信道(如usb连接或者i2c总线)。基于该物理传输信道，处理或者未处理的音频信号可以以任何合适的格式或者通信协议进行传输。

惯常的高次谐波产生方式需要使用两种不同的方法分别来产生奇次谐波和偶次谐波，容易因两者之间的特性不同而导致配合效果不佳，不容易谐和。应用本发明实施例提供的虚拟低音模组，可以在同一方法下产生奇次谐波和偶次谐波，有利于获得自身谐和的高次谐波，提升虚拟低音的效果。

图3为本发明实施例提供的虚拟低音模组22的结构示意图。如图3所示，该虚拟低音模组可以包括：滤波器31，谐波发生器32、高次谐波合成器33以及虚拟低音合成器34。

其中，所述滤波器31位于虚拟低音模组的输入端，用于检出输入音频信号处于低频区域的低频基波。该滤波器的滤波器参数可以设置有多组，分别与具有不同共振频率的扬声器相适应。使用时，可以根据实际选择使用的扬声器30来选择合适的滤波器参数，从而获得处于低频区域的低频基波。

该低频基波作为音频信号处理的基础数据，可以提供至后续的功能模块进行虚拟低音的音效增强操作。

所述谐波发生器32用于产生所述低频基波的奇次谐波，并且以所述奇次谐波为基础，通过第一高频载波和第二高频载波的调制解调，产生所述低频基波的偶次谐波。

该谐波发生器32可以采用现有任何类型的算法或者演算方式，产生低频基波的奇次谐波(例如非线性的做法)。该奇次谐波是指频率为低频基波的频率奇数倍的谐波。在本实施例中，以fm，3fm，……，nfm表示，n为奇数，fm为低频基波。

谐波发生器32在生成奇次谐波以后，还进一步的利用调制解调原理，通过满足特定频率条件要求的第一高频载波和第二高频载波产生对应的偶次谐波。

高次谐波合成器33与谐波发生器32连接，可以修饰合成谐波发生器32输出的奇次谐波和偶次谐波(例如简单的增益和滤波调整搭配)，从而整体合成出自身谐和，具有完整奇偶倍频的高次谐波。修饰合成具体可以根据实际情况，采用相应的方式进行，例如滤波或者eq增益处理等。

具体的，所述高次谐波合成器33可以包括均衡器和修饰滤波器。其中，所述均衡器用于调整所述奇次谐波和偶次谐波的增益值。所述修饰滤波器则用于搭配调整所述奇次谐波和偶次谐波。

当然，还可以根据实际情况的需求，增加或者调整所述高次谐波合成器33具体包含的功能模块，对奇次谐波和偶次谐波进行相应的调整。

通过高次谐波合成器33获得具有完整倍频的高次谐波以后，最后由所述虚拟低音合成器34将所述高次谐波与原音结合，实现虚拟低音的低音补偿效果。

其中，该虚拟低音合成器34可以按照预设的比例，将具有完整倍频的高次谐波与原音进行结合，并输出到至后继的功能模块中。该预设的比例为经验数值，可以根据实际情况的需要设置。

所述原音是指音源设备输出的初始音频数据。在经过上述虚拟低音模组的处理以后，便可以在原音的低频区域增加低音音效。

虽然在本发明实施例中仅记载了谐波发生器32生成奇次谐波时的虚拟低音实现方法。但是，本领域技术人员可以理解的是，该谐波发生器32还可以生成偶次谐波，并以偶次谐波为基础，采用相对应的方法(利用第一高频载波和第二高频载波)获得奇次谐波。

以下结合具体实例，详细描述上述谐波发生器产生奇次谐波和偶次谐波的具体过程。如图4所示，所述谐波发生器32包括：谐波发生单元321、调制解调单元322和带通滤波器323。

在一些实施例中，所述谐波发生单元321采用非线性等的方式，产生低频基波的奇次谐波fm，3fm，……，nfm(n为奇数)。然后，由调制解调单元将该奇次谐波乘以第一高频载波，并且在解调时与所述第二高频载波相乘，获得解调频波。

其中，第一高频载波f1与第二高频载波f2之间满足第一高频载波f1与低频基波fm之差等于第二高频载波f2的条件，亦即f1-fm＝f2。

以基频fm为例，将其分别与第一高频载波f1和第二高频载波f2相乘得到的结果如算式(1)所示：

cos(f1*t)*cos(fm*t)*cos(f2*t)(1)

对算式(1)进行变换后可得：

1/4{cos((f1+f2+fm)t)+cos((f1-f2+fm)t)+cos((f1+f2-fm)t)+cos((f1-f2-fm)t)}

由于f1-fm＝f2。因此，经过第二高频载波解调后的四个频点分别为：1/4(2f1)、1/4(2fm)、1/4(2f1-2fm)以及1/4(0)。

在第一高频载波和第二高频载波的频率远高于低频基波的情况下(亦即f1>>fm)，上述的四个频点中不需要的非目标频点与所需要的目标频点之间的频率差别是非常大的。因此，可以很简单的通过带通滤波器滤除不需要的非目标频点，从而获得所需要2fm。

相类似地，若以三倍频3fm分别与第一高频载波f1和第二高频载波f2相乘以后，可以得到如算式(3)所示的的结果：

cos(f1*t)*cos(fm*t)*cos(f2*t)(2)

对算式(2)进行变换后可得：

1/4{cos((f1+f2+3fm)t)+cos((f1-f2+3fm)t)+cos((f1+f2-3fm)t)+cos((f1-f2-3fm)t)}

同样地，根据f1-fm＝f2，最终可以获得如下四个频点：1/4(2f1+2fm)、1/4(4fm)、1/4(2f1-4fm)以及1/4(-2fm)。

在f1>>3fm的前提下，忽略负频并通过带通滤波器也同样可以容易的将非目标频点滤除，获得所需要的4fm。

在另一些实施例中，所述谐波发生单元321则采用非线性等的方式，首先产生低频基波的偶次谐波2fm，4fm，……，nfm(n为偶数)。然后，由调制解调单元将该偶次谐波乘以第一高频载波，并且在解调时与所述第二高频载波相乘，获得解调频波。

其中，第一高频载波f1与第二高频载波f2之间满足第一高频载波f1与低频基波fm之和等于第二高频载波f2的条件，亦即f1+fm＝f2。

以二倍频2fm为例，将其分别与第一高频载波f1和第二高频载波f2相乘得到的结果如算式(3)所示：

cos(f1*t)*cos(2fm*t)*cos(f2*t)(3)

对算式(3)进行变换后可得：

1/4{cos((f1+f2+2fm)t)+cos((f1-f2+2fm)t)+cos((f1+f2-2fm)t)+cos((f1-f2-2fm)t)}

由于f1+fm＝f2。因此，最终得到的四个频点具体为：1/4(2f1+3fm)、1/4(fm)、1/4(2f1-fm)以及1/4(-3fm)。

在第一高频载波和第二高频载波的频率远高于低频基波的情况下(亦即f1>>2fm)，上述的四个频点中不需要的非目标频点与期望获得的目标频点之间的频率差别是非常大的。因此，可以忽略负频并简单的通过带通滤波器滤除不需要的非目标频点，获得所需要fm。

相类似地，若以四倍频4fm分别与第一高频载波f1和第二高频载波f2相乘以后，可以得到如算式(4)所示的的结果：

cos(f1*t)*cos(4fm*t)*cos(f2*t)(4)

对算式(4)进行变换后可得：

1/4{cos((f1+f2+4fm)t)+cos((f1-f2+4fm)t)+cos((f1+f2-4fm)t)+cos((f1-f2-4fm)t)}

同样地，根据f1+fm＝f2，最终可以获得如下四个频点：1/4(2f1+5fm)、1/4(3fm)、1/4(2f1-3fm)以及1/4(-5fm)。

在f1>>4fm的前提下，忽略负频并通过带通滤波器也同样可以容易的将非目标频点滤除，获得所需要的奇数倍频3fm。

基于本发明实施例提供的关于fm、2fm、3fm和4fm的具体处理实例，本领域技术人员容易想到可以基于相同的原理或者发明思路推广到其它nfm中，以奇数倍频或者偶数倍频为基础，获得所需要的偶数倍频或者奇数倍频，例如以5fm为基础，通过第一高频载波和第二高频载波，获得6fm。

应当说明的是，虽然在本发明实施例中仅以功能性命名的方式对上述音频处理芯片内的硬件电路模块进行描述。但是，本领域技术人员可以根据本发明实施例揭露的硬件电路模块所需要执行的功能，选择现有任何合适的电子元件或者器件来实现。

每个功能模块具体采用软件实现、硬件实现还是软硬件配合实现的方式可以由实际应用场合的要求所决定。例如在芯片成本要求较为严格的情况下，可以采用软硬件配合实现的方式，以降低所需要的芯片电路面积和增加灵活性。

在一些实施例中，上述一个或者多个功能模块可以作为分立的元件分别设置。在另一些实施例中，两个或者以上的功能模块还可以整合到同一个硬件电路或者电路芯片上实现。

基于上述实施例揭露的音频处理芯片的硬件功能模块。本发明实施例还提供了一种相对应的虚拟低音生成方法。基于该虚拟低音生成方法，可以获得自身谐和的高次谐波，提供更好的低音效果。

图5为本发明实施例提供的虚拟低音的生成方法。如图5所示，该虚拟低音生成方法可以包括如下步骤：

510、生成低频基波的奇次谐波。

该奇次谐波是指频率为所述低频基波奇数倍的谐波。在本实施例中，以fm、3fm、5fm……表示。fm为该基础频率。具体可以采用任何合适的方式来产生所需要的奇次谐波，例如是简单的以非线性的做法来产生。

520、以所述奇次谐波为基础，通过第一高频载波和第二高频载波的调制解调，产生所述低频基波的偶次谐波。

其中，第一高频载波与第二高频载波应当满足这样的要求：所述第一高频载波与所述低频基波之差等于所述第二高频载波。

利用调制解调的原理，可以产生包含有偶次谐波成分的结果。通过简单的带通滤波等的方式，对解调的结果进行简单快速的分离即可获得想要的偶次谐波。

530、合成所述奇次谐波和偶次谐波，获得具有完整奇偶倍频的高次谐波。

由于偶次谐波与奇次谐波都是基于相同的方法获得的(偶次谐波由奇次谐波变换而得到)。因此，两者之间具有相同的特性，可以很容易获得自身谐和的高次谐波。

540、按照预设的比例，结合所述高次谐波与原音。

在获得了具有完整奇偶倍频的高次谐波以后，便可以与初始的音频数据结合，提供给扬声器播放，使得扬声器的低音效果得到提升。

该原音是指由音源设备提供的，未经过音效处理的初始音频数据。所述预设的比例是一个经验数值，可以由本领域技术人员根据实际情况的需要设置。

具体的，所述步骤520可以通过如下步骤实现：首先，根据调制原理，将所述奇次谐波与第一高频载波相乘。然后，在解调时，与第二高频载波相乘，获得解调频波。

最后，滤除所述解调频波的非目标频点，生成所述低频基波的偶次谐波。

非目标频点是在使用第一高频载波和第二高频载波进行调制解调以后，解调频波中包含的一些不需要的频点。

较佳的是，当第一高频载波和第二高频载波使用超高频载波信号时，解调结果中非目标频点与所需要的目标频点之间的频率差别将非常显著。由此，可以方便的使用带通滤波的方式，将目标频点从解调结果中拣出。

所述超高频载波信号是一个相对性概念，用于表示第一高频载波和第二高频载波与低频基波之间的频率差别非常大，例如是低频基波频率的100倍或者1000倍等。第一高频载波和第二高频载波与低频基波之间频率差别越大，非目标频点将越容易拣出。本领域技术人员可以根据实际情况的需要，选择使用合适频率的第一高频载波和第二高频载波。

在另一些实施例中，以低频基波的偶次谐波为基础也可以完成上述相同的虚拟低音实现过程，获得自身谐和的高次谐波。图6为本发明另一实施例提供的虚拟低音的生成方法。如图6所示，该虚拟低音生成方法可以包括如下步骤：

610、生成低频基波的偶次谐波。

该偶次谐波是指频率为所述低频基波偶数倍的谐波。在本实施例中，以2fm、4fm、6fm……表示。fm为该基础频率。具体可以采用任何合适的方式来产生所需要的偶次谐波，例如是简单的以非线性负载的做法来产生。

620、根据调制原理，将所述偶次谐波与第一高频载波相乘，并且在解调时，与第二高频载波相乘，获得解调频波。

其中，第一高频载波和第二高频载波需要满足如下的条件：所述第一高频载波与所述低频基波之和等于所述第二高频载波。

630、滤除所述解调频波的非目标频点，生成所述低频基波的奇次谐波。在调制解调完成后，可以选择使用带通滤波的方式，将不需要的成分滤除以获得想要的奇次谐波。

640、合成所述奇次谐波和偶次谐波，获得具有完整奇偶倍频的高次谐波。

与图5所示的实施例相同的是，上述方法获得奇次谐波和偶次谐波都是通过同一种方法产生的，具有相同的特性，因此容易产生自身谐和的高次谐波。

650、按照预设的比例，结合所述高次谐波与原音。

与高次谐波结合后的原音即实现了虚拟低音的效果。原处于低频区域的部分可以以高次谐波内插的方式模拟，被扬声器播放时，能够具有较好的低音感觉。

专业人员应该还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的示例性的虚拟低音的实现步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。

专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。所述的计算机软件可存储于计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，所述的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体或随机存储记忆体等。

以上所述仅为本发明的实施方式，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或等效流程变换，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。