用于智能头戴式穿戴设备的音频系统及音频处理方法与流程

【技术领域】

本发明属于智能穿戴设备技术领域，尤其涉及一种用于智能头戴式穿戴设备的音频系统及音频处理方法。

背景技术：

智能头戴式穿戴设备的应用已经越来越普及，在工业、医疗、教育、文化等多个领域有着广泛的应用，听觉是人与外界交互的主要方式之一，因此声音重放功能是智能头戴式穿戴设备上必不可少的。

目前，为了提高智能头戴式穿戴设备的整体音质，例如智能头戴式眼镜，尤其是低频音质，声音重放系统会采用微型发声器件重放中高频声音，并搭配骨传导振动器件重放低频声音。

在目前技术中，微型发声器件搭配骨传导振动器件的设计方案在声音重放器件端是比较优化的选择之一，但是在重放音频系统端，则需要更复杂的音频信号处理链路设计方案以匹配重放器件。

一方面，音频信号处理链路设计需要更多的元器件，一般情况下，微型发声器件和骨传导振动器件的工作功率、工作频带都不相同，因此通常每一个微型发声器件和骨传导振动器件都配设单独的音频信号处理链路，例如：在有左右声道的智能穿戴式眼镜中，就需要两个微型发声器件和两个骨传导振动器件分别重放左声道音频和右声道音频，通常这就需要四个音频信号处理单元和四个音频信号放大器分别与不同的重放器件匹配以形成完整的音频信号处理链路。

在信号处理链路中，最前端的输入信号为数字信号，最终导入发声装置的信号为模拟信号，音频信号处理模块能接收的输入信号仅为数字信号，音频信号处理模块中芯片的输入/输出端均为数字信号，在对音频信号进行一系列相应处理之后并导入发声装置之前需将数字信号转换为模拟信号，数字信号和模拟信号的转换需要adc及dac器件。

另一方面，元器件的增加带来了布线数的增加，因而增大了pcb板的电路空间，这不仅增加了硬件成本，而且在智能头戴式穿戴设备对空间和重量要求很高的情况下也是非常不友好的。

另外，音频信号处理链路的增加则意味着每一链路都需要单独的音效处理算法进行运算，这不仅增加软件的成本，也增加了设备的运算量而导致耗电增加。这对智能头戴式穿戴设备的续航能力有较高的用户体验需求也是不友好的。

如图1所示，是包含微型发声器件和骨传导振动器件的智能头戴式穿戴设备的传统音频系统方案的原理图。此时智能头戴式穿戴设备的音频系统的重放终端包括两个微型发声器件(即：左声道第一发声器件1和右声道第一发声器件2)和两个骨传导振动器件(即：左声道第二发声器件3和右声道第二发声器件4)，且分别配设了4个音频链路以分别重放左声道的声音和右声道的声音。在该方案中，共需要四个音频信号处理模块(即：音频信号处理模块a5、音频信号处理模块b6、音频信号处理模块c7、音频信号处理模块d8)和四个音频信号放大电路(即：第一音频功率放大电路9、第二音频功率放大电路10＇、第三音频功率放大电路11、第四音频功率放大电路12)分别与不同的重放终端形成四个完整的音频信号处理链路。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种用于智能头戴式穿戴设备的音频系统及音频处理方法，旨在解决当前技术中针对音频信号的各个声道信号处理分别采用独立的信号处理链路进行处理，导致了音频系统采用的相应硬件元器件较多而使得穿戴设备体积较大、笨重的问题。

本发明的技术方案如下：

一种用于智能头戴式穿戴设备的音频处理方法，该音频处理方法包括以下处理步骤：

步骤s10：立体声音频信号聩给音频信号处理模块，以对立体声音频信号进行全频段音效算法处理，其中，立体声音频信号包括左声道音频信号和右声道音频信号；

步骤s20：音效算法处理完成的立体声音频信号同时聩给第一音频功率放大电路和第二音频功率放大电路进行功率放大；

步骤s30：经过第一音频功率放大电路功率放大后的立体声音频信号通过第一分频电路进行分频处理后获得第一预设频率范围的左声道音频信号和第一预设频率范围的右声道音频信号，经过第二音频功率放大电路功率放大后的立体声音频信号通过第二分频电路进行分频处理后获得第二预设频率范围的左声道音频信号和第二预设频率范围的右声道音频信号；

步骤s40：第一预设频率范围的左声道音频信号通过左声道第一发声器件进行播放，第一预设频率范围的右声道音频信号通过右声道第一发声器件进行播放，第二预设频率范围的左声道音频信号通过左声道第二发声器件进行传递，第二预设频率范围的右声道音频信号通过右声道第二发声器件进行传递。

进一步地，在步骤s20中，将左声道音频信号同时聩给第一音频功率放大电路和第二音频功率放大电路，将右声道音频信号同时聩给第一音频功率放大电路和第二音频功率放大电路。

进一步地，第一分频电路和第二分频电路均为lc滤波电路。

进一步地，在步骤s10中的音频算法处理包括均衡调节处理、动态处理、失真补偿处理、相位处理以及环绕音效增强处理中的至少一种。

根据本发明的另一方面，提供了一种用于智能头戴式穿戴设备的音频系统，该音频系统包括：

音频信号处理模块，用于对立体声音频信号进行全频段音效算法处理，其中，立体声音频信号包括左声道音频信号和右声道音频信号；

第一音频功率放大电路和第二音频功率放大电路，位于音频信号处理模块的后端且分别与音频信号处理模块电连接；

第一分频电路，位于第一音频功率放大电路的后端且与第一音频功率放大电路电连接；

左声道第一发声器件和右声道第一发声器件，位于第一分频电路的后端且分别与第一分频电路电连接；

第二分频电路，位于第二音频功率放大电路的后端且与第二音频功率放大电路电连接；

左声道第二发声器件和右声道第二发声器件，位于第二分频电路的后端且分别与第二分频电路电连接。

进一步地，第一音频功率放大电路和第二音频功率放大电路均为双通道输入及双通道输出的功率放大电路，左声道音频信号同时聩给第一音频功率放大电路和第二音频功率放大电路，右声道音频信号同时聩给第一音频功率放大电路和第二音频功率放大电路，并且，第一音频功率放大电路的输出增益与左声道第一发声器件和右声道第一发声器件的输入功率相匹配，第二音频功率放大电路的输出增益与左声道第二发声器件和右声道第二发声器件的输入功率相匹配，第一音频功率放大电路的输出增益与第二音频功率放大电路的输出增益不相同。

进一步地，第一分频电路和第二分频电路均为lc滤波电路。

进一步地，左声道第一发声器件和右声道第一发声器件均为微型发声器，左声道第二发声器件和右声道第二发声器件均为骨传导振动器。

本发明的有益效果在于：

在本发明的设计方案中，应用本发明提供的音频处理方法的该音频系统通过仅采用一个音频信号处理模块、两个音频功率放大电路和两个分频电路形成了双通道输入和四通道输出的信号链路，且该方案中两个分频电路均为结构简单的lc滤波电路，相对于当前技术中的音频系统而言，本发明设计的音频系统简化了系统设计，一方面，减少了整个音频系统的元件数和布线数，减小了电路体积，从而缩小了智能头戴式穿戴设备的设计体积，使得硬件成本得到降低控制，并且重量更轻的智能头戴式穿戴设备能够给予用户更加友好的用户使用体验，另一方面，使得同一个音频信号处理模块可以运用到多个不同类型、不同工作频段的重放终端上，简化了音效算法处理流程，降低了软件的复杂度，节约了系统运算资源，也减少了系统耗电，增加了便携式穿戴智能眼镜的续航时间。

【附图说明】

图1为当前技术的音频系统的音频信号处理链路组成原理图；

图2为本发明的音频系统的音频信号处理链路组成原理图；

图3为本发明的音频系统中第一分频电路优选的二阶滤波分频电路原理图；

图4为本发明的音频系统中第二分频电路优选的二阶滤波分频电路原理图；

图5为本发明的音频系统中第一分频电路的输入/输出传递函数曲线图；

图6为本发明的音频系统中第二分频电路的输入/输出传递函数曲线图。

【具体实施方式】

下面结合附图和实施方式对本发明作进一步说明。

本发明提供了一种用于智能头戴式穿戴设备的音频处理方法。该音频处理方法包括以下处理步骤：

步骤s10：立体声音频信号100聩给音频信号处理模块10，以对立体声音频信号100进行全频段音效算法处理，该音频算法处理包括均衡调节处理、动态处理、失真补偿处理、相位处理以及环绕音效增强处理中的至少一种，其中，立体声音频信号100包括左声道音频信号101和右声道音频信号102；

步骤s20：音效算法处理完成的立体声音频信号100同时聩给第一音频功率放大电路20和第二音频功率放大电路30进行功率放大；

步骤s30：经过第一音频功率放大电路20功率放大后的立体声音频信号100通过第一分频电路40进行分频处理后获得第一预设频率范围的左声道音频信号101和第一预设频率范围的右声道音频信号102，经过第二音频功率放大电路30功率放大后的立体声音频信号100通过第二分频电路50进行分频处理后获得第二预设频率范围的左声道音频信号101和第二预设频率范围的右声道音频信号102；

步骤s40：第一预设频率范围的左声道音频信号101通过左声道第一发声器件60进行播放，第一预设频率范围的右声道音频信号102通过右声道第一发声器件70进行播放，第二预设频率范围的左声道音频信号101通过左声道第二发声器件80进行传递，第二预设频率范围的右声道音频信号102通过右声道第二发声器件90进行传递。

在该音频处理方法中，具体地，在步骤s20中，将左声道音频信号101同时聩给第一音频功率放大电路20和第二音频功率放大电路30，将右声道音频信号102同时聩给第一音频功率放大电路20和第二音频功率放大电路30。

优选地，本发明中采用的第一分频电路40和第二分频电路50均为lc滤波电路，lc滤波电路的输入输出端均为模拟信号。

将本发明的技术方案与当前技术方案进行对比，则可以发现：

1)在当前技术方案中，音频信号需要先通过分频电路分频，再进行对应发声器件工作频段的音频信号处理。这种情况下，分频电路多为数字分频形式，通过软件的方式在音效处理芯片中实现，其输入为数字信号，输出也为数字信号，分频后的数字信号再直接进行下一步数字信号音效处理，例如均衡处理、相位校正、虚拟低音处理等。这类方案的缺陷在于：需要多个并行的芯片和信号链路，同时处理每一路的终端发声器件对应的音效处理。

2)在本发明的技术方案中，信号链路先经过音频信号处理，再经过分频电路分频。这个情况下，由于分频处理是通过lc滤波电路实现，其后端可以直接输出模拟信号，馈给相应的发声器件。因此，本发明的技术方案中只是要求前端的信号进入分频电路之前转换为模拟信号，但本发明中这一数模转换步骤并不是额外增加的步骤，因为无论哪种方案中，总归要进行一次数模转换将数字信号转换为模拟信号以送入发声器件，并且，在本发明提出的音频信号处理、音频功率放大、分频这一特定顺序中，音频功率放大器本身就能起到数模转换的功能，不需要额外的dac器件。并且在这种情况下，不需要多路并行的音效处理链路和调试参数，多个不同类型、不同工作频段的发声器件的音效处理算法可以通用音频信号处理模块10中同一套参数，对音频信号全频段进行处理，通过后端的lc滤波电路选择合适频段的信号馈给对应的发声器件。

其中：

一、当前技术中分频电路通过芯片实现和本发明中通过lc滤波电路实现的效果差别是：lc物理滤波占用的电路体积更小(lc滤波电路占用的电路体积更小)；

二、当前技术中先分频后通过多个并行链路进行音频信号处理和本发明中先音频处理后分频的效果差别是：减少了音频信号处理模块10的芯片数量，并使得同一套音效处理可以运用到多个不同类型、不同工作频段的发声器件上，简化了音效算法处理流程，降低了软件的复杂度，节约了系统运算资源，也减少了系统耗电，增加了便携式穿戴智能眼镜的续航时间。

如图2所示，本发明提供了一种用于头戴式穿戴设备的音频系统，具体地，该音频系统包括：音频信号处理模块10，该音频信号处理模块10用于对立体声音频信号100进行全频段音效算法处理；第一音频功率放大电路20和第二音频功率放大电路30，两者均位于音频信号处理模块10的后端，并且两者分别与音频信号处理模块10电连接的；第一分频电路40，其位于第一音频功率放大电路20的后端，并且第一分频电路40与第一音频放大电路20电连接；左声道第一发声器件60和右声道第一发声器件70，两者均位于第一分频电路40的后端，并且两者分别与第一分频电路40电连接；第二分频电路50，其位于第二音频功率放大电路30的后端，并且第二分频电路50与第二音频功率放大电路30电连接；左声道第二发声器件80和右声道第二发声器件90，两者均位于第二分频电路50的后端，并且左声道第二发声器件80和右声道第二发声器件90分别与第二分频电路50电连接。其中，第一音频功率放大电路20和第二音频功率放大电路30均为双通道输入及双通道输出的功率放大电路。

在本发明的音频系统中，音频信号处理模块10采用当前技术中应用技术成熟且应用广泛的dsp芯片(dsp：digitalsignalprocessing，数字信号处理技术)，并且所采用的第一音频功率放大电路20、第二音频功率放大电路30均为当前技术中设计、应用成熟的电路设计，因而在此不再赘述。

立体声音频信号100包含了复合在一起的左声道音频信号101和右声道音频信号102，立体声音频信号100即为输入的原始音频信号，复合在一起的左声道音频信号101和右声道音频信号102同时聩给同一个音频信号处理模块10进行全频段音效算法处理，在本发明的音频系统中，音效算法处理包括均衡调节处理、动态处理、失真补偿处理、相位处理以及环绕音效增强处理中的至少一种，在本发明的音频系统中音效算法处理的项目包括但不限于以上音效处理项目，其余的对音效处理项目同样可以应用于该音频系统中对原始音频信号进行音效算法处理，并且，本发明对原始音频信号的全频段音效算法处理是针对原始音频的全频段。

在本发明的音频系统中，第一音频功率放大电路20和第二音频功率放大电路30均为双通道输入及双通道输出的功率放大电路，全频段音效算法处理完成后的立体声音频信号100的左声道音频信号101同时聩给第一音频功率放大电路20的左声道输入端口和第二音频功率放大电路30的左声道输入端口，同时地，全频段音效算法处理完成后的立体声音频信号100的右声道音频信号102同时聩给第一音频功率放大电路20的右声道输入端口和第二音频功率放大电路30的右声道输入端口。

在本发明的音频系统中，第一音频功率放大电路20的输出增益与左声道第一发声器件60和右声道第一发声器件70的输入功率相匹配，第二音频功率放大电路30的输出增益与左声道第二发声器件80和右声道第二发声器件90的输入功率相匹配。另外，由于左声道第一发声器件60、右声道第一发声器件70的额定工作功率与左声道第二发声器件80、右声道第二发声器件90的额定工作功率不相同，因此第一音频功率放大电路20的输出增益与第二音频功率放大电路30的输出增益不相同，实际上，左声道第一发声器件和右声道第一发声器件均为微型发声器件以及左声道第二发声器件和右声道第二发声器件均为骨传导振动器，因而第一音频功率放大电路20和第二音频功率放大电路30能够分别相应地匹配微型发声器件与骨传导振动器的输入功率。

经过第一音频功率放大电路20放大功率后的左声道音频信号101和右声道音频信号102同时聩给第一分频电路40而进行分频处理，从而分频获得第一预设频率范围的左声道音频信号101和第一预设频率范围的右声道音频信号102。经过第二音频功率放大电路30放大功率后的左声道音频信号101和右声道音频信号102同时聩给第二分频电路50而进行分频处理，从而分频获得第二预设频率范围的左声道音频信号101和第二预设频率范围的右声道音频信号102。

在本发明的音频系统中，第一分频电路40和第二分频电路50均为由电容元件、电感元件以及电阻元件组成的物理分频电路，其中第一分频电路40和第二分频电路50包括但是不限于一阶滤波分频电路、二阶滤波分频电路、或多阶滤波分频电路。优选地，如图3所示，其示出了第一分频电路40的二阶滤波电路原理图，即第一分频电路40为lc滤波电路，第一电感元件43和第一电容元件44组成的振荡电路对输入音频信号具有频率上的选择性，第一分频电路40的输入/输出传递函数如图5所示，该第一分频电路40在通带范围以外具有-12db/oct的衰减斜率，其中，分频点fl的选择需根据左声道第一发声器件60和右声道第一发声器件70的正常工作频带而进行选定，可以是但不限于100hz～200hz，分频点fl的实现由第一电感元件43和第一电容元件44组成的振荡回路实现。如图4所示，其示出了第二分频电路50的二阶滤波电路原理图，即第二分频电路50为lc滤波电路，第二电感元件53和第二电容元件54组成的振荡电路对输入音频信号具有频率上的选择性，第二分频电路50的输入/输出传递函数如图6所示，该第二分频电路50在通带范围以外具有-12db/oct的衰减斜率，其中，分频点fh的选择需根据左声道第二发声器件80和右声道第二发声器件90的正常工作频带而进行选定，可以是但不限于100hz～200hz，分频点fh的实现由第二电感元件53和第二电容元件54组成的振荡回路实现。

由于第一分频电路40可以过滤掉左声道第一发声器件60、右声道第一发声器件70的非工作频段的音频信号，以及第二分频电路50可以过滤掉左声道第二发声器件80、右声道第二发声器件90的非正常工作频段的音频信号，且分别确保微型发声器件和骨传导振动器均工作在不同的工作频段，因此音频信号处理模块10中的音效算法处理可以是一套参数并且对全频段有效，对微型发声器件工作频段的左声道音频信号101、右声道音频信号102的全频段音效处理不会影响到骨传导振动器工作频段的左声道音频信号101、右声道音频信号102的全频段音效处理，同样的，对骨传导振动器工作频段的左声道音频信号101、右声道音频信号102的全频段音效处理不会影响到微型发声器件工作频段的左声道音频信号101、右声道音频信号102的全频段音效处理。

在本发明的设计方案中，该音频系统通过仅采用一个音频信号处理模块10、两个音频功率放大电路(即：第一音频功率放大电路20和第二音频功率放大电路30)和两个分频电路(即：第一分频电路40和第二分频电路50)形成了双通道输入和四通道输出的信号链路，且本发明的技术方案中两个分频电路，第一分频电路40和第二分频电路50，均为结构简单的lc滤波电路，相对于当前技术中的音频系统而言，本发明设计的音频系统简化了系统设计，一方面，减少了整个音频系统的元件数和布线数，减小了电路体积，从而缩小了智能头戴式穿戴设备的设计体积，使得硬件成本得到降低控制，并且重量更轻的智能头戴式穿戴设备能够给予用户更加友好的用户使用体验，另一方面，由于节省了整体方案的音频信号处理模块10的组成数量，使得同一个音频信号处理模块10可以应用到多个不同类型、不同工作频段的重放终端上，简化了音频算法处理流程，降低了软件的复杂度，因而节省了整体方案在软件方面的成本(即音效算法处理所应用的算法软件的程序编写成本)。并且由于本发明的音频系统仅采用了两条音频信号处理链路(即：第一音频链路201和第二音频链路202)，采用的硬件元器件数量更少，使得音频系统整体运算运行耗电量相应减少，从而进一步提高了智能头戴式穿戴设备的续航能力，更好地满足用户对于穿戴设备超长续航要求。

以上所述的仅是本发明的实施方式，在此应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出改进，但这些均属于本发明的保护范围。