專利名稱：音頻調(diào)節(jié)裝置、方法和計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用來(lái)對(duì)要輸出的音頻信號(hào)進(jìn)行調(diào)節(jié)的音頻裝置，它包含-噪聲特征形成單元，用來(lái)估計(jì)環(huán)境噪聲的噪聲水平；以及-音量放大單元，用來(lái)根據(jù)噪聲水平，把音頻信號(hào)的音量放大一個(gè)音量增益。
本發(fā)明還涉及一種對(duì)音頻信號(hào)進(jìn)行調(diào)節(jié)的方法，它包含-估計(jì)環(huán)境噪聲的噪聲水平；以及-根據(jù)噪聲水平，把音頻信號(hào)的音量放大一個(gè)音量增益。
本發(fā)明還涉及使處理器能夠執(zhí)行上述方法的計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品。
人們可以從GB-A-2,074,408中得知上面開(kāi)頭段落中的音頻調(diào)節(jié)裝置的實(shí)施例。這種裝置用在車載收音機(jī)中，并根據(jù)車輛中環(huán)境噪聲(如馬達(dá)噪聲、風(fēng)聲、談話等等)的水平來(lái)提高輸出音頻信號(hào)的音量。通常，這種放大是環(huán)境噪聲的單調(diào)遞增函數(shù)。采用麥克風(fēng)來(lái)拾取環(huán)境噪聲，從產(chǎn)生的噪聲信號(hào)中，得到噪聲水平，用來(lái)控制音量放大單元，從而使所希望的音頻信號(hào)的音量大于噪聲。
這種現(xiàn)有技術(shù)裝置的缺點(diǎn)在于，對(duì)聲音的調(diào)節(jié)相當(dāng)粗糙。事實(shí)上，聽(tīng)眾對(duì)擾人聲音音量的增大并不在意，他們只是希望音樂(lè)或其它的聲音在聽(tīng)覺(jué)上蓋過(guò)環(huán)境噪聲就可以了。
本發(fā)明的第一個(gè)目的是提供一種如開(kāi)頭段落中所述的音頻調(diào)節(jié)裝置，它能夠以感官上可以享受的方式，根據(jù)噪聲來(lái)調(diào)節(jié)音頻。
第一個(gè)目的是這樣來(lái)實(shí)現(xiàn)的包含另一噪聲特征單元，用來(lái)估計(jì)低音頻率噪聲帶或高音頻率噪聲帶中環(huán)境噪聲的另一噪聲水平，以及包含另一放大單元，用來(lái)根據(jù)另一噪聲水平，把音頻信號(hào)的低音頻率音頻帶和/或高音頻率音頻帶中的頻率分量的幅度放大另一個(gè)增益。
本發(fā)明的基本原理是，對(duì)噪聲進(jìn)行測(cè)量，并對(duì)音頻信號(hào)進(jìn)行相應(yīng)調(diào)節(jié)，以屏蔽感覺(jué)上可允許的頻帶(即低音帶和/或高音帶)中的噪聲。最好在兩個(gè)或多個(gè)頻帶中對(duì)噪聲進(jìn)行分析，即分析第一噪聲帶，其頻率范圍相應(yīng)于要輸出的音頻信號(hào)中低頻--也即低音頻率的低音頻率音頻帶和包含音頻高音范圍中的頻率的高音頻率第一噪聲帶，和分析第二噪聲帶，其基本上與第一噪聲帶互補(bǔ)，即覆蓋不在第一噪聲帶范圍內(nèi)的頻率?！跋鄳?yīng)于”意味著對(duì)于在音頻中被調(diào)節(jié)的近似相同的頻率(也即，低音頻率噪聲帶和低音頻率音頻帶的頻率范圍基本上相同)，來(lái)測(cè)量噪聲。因此，如果例如音頻信號(hào)中出現(xiàn)的最低音頻頻率是50Hz，并且所述調(diào)節(jié)包含50Hz至100Hz之間的頻率的放大，則對(duì)于這些低音頻率進(jìn)行噪聲測(cè)量。但是，正如本領(lǐng)域中的普通技術(shù)人員可輕易實(shí)現(xiàn)的那樣，音頻調(diào)節(jié)裝置的可替換實(shí)施方式僅僅能夠?qū)?0至100Hz之間的低音頻率音頻帶中的低音頻率音頻分量進(jìn)行放大，但能夠測(cè)量50至100Hz之間的低音頻率噪聲帶中的噪聲。在該可替換實(shí)施方式中，通過(guò)調(diào)節(jié)音頻信號(hào)的較窄音頻低音頻率帶來(lái)屏蔽較寬低音頻帶中的噪聲。也可以在低音頻率噪聲測(cè)量中跳過(guò)某些低音頻率音頻帶的頻率?？梢詼y(cè)量低音噪聲和高音噪聲而不是測(cè)量?jī)蓚€(gè)帶的噪聲，這意味著是低音調(diào)節(jié)和高音調(diào)節(jié)，并且本發(fā)明及其優(yōu)點(diǎn)在本文中的描述借助于這樣一種實(shí)施例，即，既在低音帶中又在高音帶中對(duì)音頻進(jìn)行控制，并且因此在三個(gè)頻帶(即低頻也即低音帶、中頻帶、高頻也即高音帶)中對(duì)噪聲進(jìn)行測(cè)量。與如GB-A-2,074,408的現(xiàn)有技術(shù)中的情況相反，按照本發(fā)明，(第一)環(huán)境噪聲水平(音量放大的輸入)通常是在低音范圍和高音范圍(即100和8000Hz)之間的中間范圍噪聲頻率帶內(nèi)測(cè)量的。
考慮本發(fā)明的一種優(yōu)選工作情況的簡(jiǎn)化說(shuō)明，輸入音頻信號(hào)含有低音范圍(例如，具有介于80至160Hz之間的分量)的定音鼓復(fù)音程和中間范圍(例如，具有介于300和3000Hz之間元音歌唱引入的頻率分量)的話音。如果環(huán)境噪聲僅出現(xiàn)在低音范圍內(nèi)(例如，來(lái)自鄰區(qū)的躍升裝置(zooming apparatus))，則已知的音量調(diào)節(jié)裝置將對(duì)鼓聲和話音進(jìn)行放大。因此，歌唱者就像是以更響的聲音開(kāi)始進(jìn)行歌唱那樣，而這樣是很擾人的。在按照本發(fā)明的裝置中，將僅強(qiáng)調(diào)低音，這在感覺(jué)上聽(tīng)起來(lái)不像是(低音)音量的提高，而相反則聽(tīng)起來(lái)像是躍升裝置低音頻率噪聲的降低?；蛘撸瑩Q句話說(shuō)，可以超越環(huán)境噪聲，更清楚地聽(tīng)清音樂(lè)。另外，通過(guò)放大中間范圍內(nèi)的話音分量，已知的裝置比起蓋過(guò)噪聲所需的，浪費(fèi)了更多的凈空空間(headroom)。凈空空間，例如，可以定義為當(dāng)前最大信號(hào)幅度和通過(guò)將裝置的放大設(shè)定成制造商可以制成的最大值而獲得的最大允許信號(hào)幅度之間的差。
有一種現(xiàn)有技術(shù)的裝置，它修改了臨界帶中的幅度。臨界帶是人耳中的濾波帶，對(duì)于該濾波帶來(lái)說(shuō)，落在該帶內(nèi)的噪聲分量可以屏蔽該帶中的音頻分量。隨著頻率的增大，頻帶變得更寬。因此，可以以臨界帶(稱為吠聲帶)為單位來(lái)變換頻率軸。無(wú)論是什么噪聲頻譜，例如是白噪聲譜，都可以在每一臨界帶中修改音頻分量的幅度，從而例如使得這些分量是在該臨界帶中噪聲以上在感覺(jué)上能注意到的距離數(shù)，該距離數(shù)與引入噪聲之前的絕對(duì)聽(tīng)覺(jué)閾值是相同的數(shù)值。音頻調(diào)節(jié)的感覺(jué)結(jié)果并不像音量增大那么大，而是對(duì)環(huán)境噪聲進(jìn)行了屏蔽。但是，具有所需數(shù)量的臨界帶濾波器(多于20個(gè))的裝置價(jià)格昂貴。將該數(shù)量減少到例如10個(gè)會(huì)使得感覺(jué)屏蔽(即感覺(jué)環(huán)境噪聲減小了)不再以最佳方式工作，并且感覺(jué)上音頻是帶了色彩的(就像是其發(fā)送是通過(guò)均衡器來(lái)進(jìn)行的)。帶數(shù)越少，該問(wèn)題就越糟。這就是為什么按照本發(fā)明，在寬的中間頻率范圍內(nèi)測(cè)得的環(huán)境噪聲不被用來(lái)對(duì)音頻信號(hào)中的中間范圍分量的幅度進(jìn)行放大，而是用來(lái)調(diào)節(jié)音頻信號(hào)的音量的(即，對(duì)所有的頻率都是如此)。另外，可以修改一個(gè)或多個(gè)低音頻帶和/或一個(gè)或多個(gè)高音頻帶中的信號(hào)的幅度，這是因?yàn)槁?tīng)眾習(xí)慣了收聽(tīng)經(jīng)修改了低音或高音的音頻已經(jīng)很長(zhǎng)時(shí)間了，所以這并不會(huì)讓人覺(jué)得厭煩。對(duì)于那些低音帶和高音帶而言，盡管并非是確切的臨界帶，仍然會(huì)近似產(chǎn)生噪聲的感覺(jué)屏蔽。在許多環(huán)境中，最好采用按照本發(fā)明的裝置，而不是現(xiàn)有技術(shù)的音量調(diào)節(jié)裝置。例如，如果把該裝置裝在便攜式音頻播放器中并在大街上使用，那么在交通燈前會(huì)發(fā)出車輛等待的低頻嗡嗡聲。在有軌電車中，會(huì)出現(xiàn)車輪摩擦軌道的刺耳高音。在酒館中，音樂(lè)設(shè)備會(huì)產(chǎn)生太多的低音分量。所述裝置所安放在的房間中的吸收特性也會(huì)影響環(huán)境噪聲譜等等。換一種說(shuō)法，按照本發(fā)明的裝置對(duì)音頻進(jìn)行調(diào)節(jié)，使得該音頻在噪聲環(huán)境中與非噪聲環(huán)境中的原始聲音聽(tīng)起來(lái)非常相似。
在音頻調(diào)節(jié)裝置的實(shí)施例中，低頻也即低音頻率的音頻帶的上限基本上落在60到150Hz的范圍內(nèi)，而高頻或高音頻率帶的下限基本上在8kHz到12kHz的范圍內(nèi)。
為了讓本發(fā)明很好地進(jìn)行工作，按照上述說(shuō)明，能夠最好地選擇出低音帶和高音帶。如果選擇的低音帶高于上限150Hz，那么像在由新聞欄目中斷音樂(lè)時(shí)在車載收音機(jī)中的話音聽(tīng)起來(lái)將是轟隆隆一陣，并因此就不怎么能夠分辨清楚。對(duì)于低音濾波器的低音頻帶上限來(lái)說(shuō)，100Hz或120Hz是良好的值。8kHz以下的高音帶限值會(huì)產(chǎn)生聽(tīng)起來(lái)是不可接受的尖銳的輔音，如“s”。因此，低音限值和高音限值要選擇成使得在它們之間存在寬的中間范圍頻率帶。低音帶和/或高音帶的可替換組合對(duì)于可替換實(shí)施例會(huì)是有利的。例如，在該裝置中可以采用兩個(gè)低音帶，而不是單一一個(gè)低音帶，具有例如70Hz上限的深低音，以及高達(dá)例如150Hz的超低音。如果資源允許，在高音帶中，也可以有多個(gè)頻帶，例如，第一個(gè)在8kHz至10kHz之間，而第二個(gè)在10kHz至15kHz之間?；蛘?，因?yàn)閷?duì)于高頻來(lái)說(shuō)，臨界帶相當(dāng)寬，所以在高音區(qū)域內(nèi)，可以采用臨界頻帶。
由于在通常情況下，濾波器并非是一種帶有無(wú)窮的尖銳斜率的理想濾波器，所以與濾波器的最大值相比，限值可以定義成例如-3dB點(diǎn)。本領(lǐng)域中的普通技術(shù)人員知道，對(duì)于某些濾波器的技術(shù)參數(shù)來(lái)說(shuō)，采用限值的其它定義(即，具有大于相應(yīng)于其最大值的某一預(yù)定量的、遞減的濾波函數(shù)特征水平之上或之下的頻率，或者說(shuō)，在所述濾波高于其最低值之上的某個(gè)預(yù)定量之上或之下的頻率)以及其它濾波形狀參數(shù)更為有益，但為了清楚起見(jiàn)，本發(fā)明采用規(guī)定限值的-3dB點(diǎn)加以解釋。
注意，這似乎是，當(dāng)采用這樣的小低音帶時(shí)，低頻放大的重要性與音量放大相比將是相當(dāng)小的。但是，在音樂(lè)中，例如在流行音樂(lè)或在techno中，低音帶的能量通常可以與中間范圍的能量相比，并且噪聲也通常是低頻的。
在音頻調(diào)節(jié)裝置的更詳細(xì)實(shí)施例描述中，包含增益連貫單元(gainconsistency unit)，它按照預(yù)定的數(shù)學(xué)標(biāo)準(zhǔn)，產(chǎn)生隨時(shí)間連貫變化的增益。
例如，如果摩托車加速通過(guò)，對(duì)音頻進(jìn)行快速調(diào)節(jié)是沒(méi)用的，在摩托車的聲音很響的時(shí)候特別如此。這樣快速的大調(diào)節(jié)在大多數(shù)時(shí)間聽(tīng)起來(lái)都是令人頭痛的，因此由于騎車人速度足夠快，所以不對(duì)摩托車進(jìn)行補(bǔ)償就比較好。增益連貫單元對(duì)蓋過(guò)噪聲需要多大的音量調(diào)節(jié)進(jìn)行分析，然后緩慢地對(duì)音量進(jìn)行修改，從而使得僅對(duì)短暫持續(xù)的噪聲進(jìn)行補(bǔ)償就足夠了。
在音頻調(diào)節(jié)裝置的另一種實(shí)施例中，包含增益分配單元，用來(lái)根據(jù)放大可用的凈空空間，來(lái)分配最大的可允許增益。
如果可用的凈空空間不太大，必須在音量、低音和高音放大之間進(jìn)行分配。否則，可以計(jì)算并使用音量放大，這將消耗所有可用的凈空空間，從而使得低音放大和高音放大就不再有可能了。因此，增益分配器單元對(duì)于每一次放大都計(jì)算最大增益。該分配器可以用比信號(hào)和噪聲特征化速率(如每個(gè)2秒)更低的更新速率估算能量。
在一種實(shí)施例中，另一放大單元包含坡型(shelving)濾波器。坡型濾波器具有可調(diào)諧最大值(即在特定頻率范圍內(nèi)的可調(diào)諧放大)的s形曲線特征。一種方便的途徑是，將濾波器和放大器功能合并。
在一種噪聲消除實(shí)施例中，音頻調(diào)節(jié)裝置可連接到可用于重現(xiàn)音頻信號(hào)的耳機(jī)揚(yáng)聲器，并且包含有源噪聲消除單元，被安排成消除頻率消除帶中的噪聲，而噪聲是可以用麥克風(fēng)來(lái)測(cè)量的。
比屏蔽噪聲更好的方法是噪聲消除，只要噪聲不會(huì)太壓迫收聽(tīng)者的耳朵即可。耳機(jī)揚(yáng)聲器被人們理解成是一種單耳(與移動(dòng)電話的相似)或一種立體聲耳機(jī)。耳機(jī)的有源噪聲消除在現(xiàn)有技術(shù)中是已知的。但是，本發(fā)明基本上能夠解決這樣的問(wèn)題，即，當(dāng)沒(méi)有麥克風(fēng)的標(biāo)準(zhǔn)耳機(jī)揚(yáng)聲器(有線或無(wú)線地)與具有麥克風(fēng)的音頻重現(xiàn)裝置(例如，它放于繞在收聽(tīng)者腰間的腰帶上)相連時(shí)，實(shí)施噪聲消除。接著，重現(xiàn)裝置就可以測(cè)量環(huán)境噪聲和調(diào)節(jié)音頻信號(hào)。但是，由于噪聲不是在重現(xiàn)點(diǎn)由在收聽(tīng)者的耳朵內(nèi)的或其附近的耳機(jī)揚(yáng)聲器所測(cè)量的，所以噪聲僅能在低頻消除帶(例如可高達(dá)100Hz)中補(bǔ)償。更高的噪聲頻率是未被消除的，但由所述裝置利用上述音量放大以及低音和/或高音帶放大來(lái)屏蔽。注意，對(duì)于屏蔽而言，不必像對(duì)有源噪聲消除那樣準(zhǔn)確地測(cè)量噪聲。
在噪聲消除的另一種實(shí)施例中，包含一種測(cè)距裝置，用以測(cè)量麥克風(fēng)和耳機(jī)揚(yáng)聲器之間的距離。
麥克風(fēng)和耳機(jī)揚(yáng)聲器之間的距離決定了消除帶的范圍。如果將音頻重現(xiàn)裝置戴在腰帶上或繞在手腕上，則接近一米的距離會(huì)產(chǎn)生約100Hz的噪聲消除帶的上限頻率。當(dāng)把這種裝置裝在胸前的口袋內(nèi)時(shí)，0.5米的距離就對(duì)應(yīng)于約140Hz的上限。對(duì)于并入到諸如像項(xiàng)鏈或者耳飾一樣戴著的小型MP3播放機(jī)中的裝置來(lái)說(shuō)，麥克風(fēng)到耳朵之間的短距離意味著噪聲消除可以在200Hz的頻率以上起作用。
所述音頻調(diào)節(jié)裝置有利地嵌入在音頻重現(xiàn)裝置之內(nèi)，包含重現(xiàn)音頻信號(hào)的揚(yáng)聲器；以及輸入音頻信號(hào)的接入端。
所述輸入信號(hào)可以在內(nèi)部生成，諸如像移動(dòng)電話的鈴音，或者可以從例如固態(tài)存儲(chǔ)器或光盤播放器中獲得，其可以并入到音頻重現(xiàn)裝置內(nèi)或外部。
本發(fā)明的第二個(gè)目的是提供一種如開(kāi)頭段落中所描述的音頻調(diào)節(jié)方法，它能夠以感覺(jué)上可享受的方式，根據(jù)噪聲來(lái)調(diào)節(jié)音頻。這第二個(gè)目的是這樣來(lái)實(shí)現(xiàn)的-估算低音頻率噪聲帶或高音頻率噪聲帶中環(huán)境噪聲的另一噪聲水平，并且-根據(jù)所述另一噪聲水平，把音頻信號(hào)的低音頻率音頻帶和/或高音頻率音頻帶中的頻率分量的幅度放大另一個(gè)增益。
在參照附圖并且參照以下所描述的實(shí)現(xiàn)方式和實(shí)施例，本發(fā)明的音頻調(diào)節(jié)裝置和音頻重現(xiàn)裝置的這些和其他方面將變得非常清楚，并且也便于理解，上述附圖僅僅非限制性地圖示了這些方面或者實(shí)施例的一些。圖中的虛線根據(jù)實(shí)施例是任選的。
在這些圖中，

圖1示意性示出按照本發(fā)明的音頻調(diào)節(jié)裝置的實(shí)施例；圖2示意性示出音頻信號(hào)或環(huán)境噪聲信號(hào)的低頻帶、中頻帶和某些高頻帶；圖3示意性示出了低音坡型濾波器；圖4示意性示出高音坡型濾波器；以及圖5示意性示出按照本發(fā)明的音頻調(diào)節(jié)裝置的另一個(gè)實(shí)施例。
圖1中，來(lái)自環(huán)境噪聲源101(如在交通信號(hào)燈前面等待著的摩托車或卡車)的噪聲或空調(diào)嗡嗡聲等)，由可以包括在該裝置中或例如經(jīng)由無(wú)線通信系統(tǒng)在外部連接到另一消費(fèi)電器(如移動(dòng)電話中)的麥克風(fēng)的麥克風(fēng)104來(lái)拾取。該麥克風(fēng)產(chǎn)生電噪聲N，該噪聲可選地用從噪聲信號(hào)中去除耳朵的抗諧振頻率的濾波器濾出。耳朵的抗諧振頻率是指那些頻率，在人耳中對(duì)于這種頻率存在損傷性的諧振，并且由于這些頻率收聽(tīng)者幾乎聽(tīng)不到，所以不必對(duì)這樣的音頻信號(hào)進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而也不必對(duì)噪聲中的這些頻率分量進(jìn)行測(cè)量。所述濾波器優(yōu)選地是一種階梯式濾波器，階梯步長(zhǎng)約為3.5kHz——對(duì)應(yīng)于2.5cm的耳道長(zhǎng)度。中間范圍噪聲特征化單元包含中間范圍噪聲濾波器106和水平確定單元112。中間范圍噪聲濾波器106通常是帶通濾波器，它使基本與低通噪聲濾波器110和高通噪聲濾波器108允許通過(guò)的頻率互補(bǔ)的頻率帶通過(guò)。但是，也可以采用其它的中間范圍濾波器，例如，測(cè)量中間范圍內(nèi)幾個(gè)特征帶中的噪聲。本發(fā)明采用確定輸出音頻音量和高音和低音校正帶的中間范圍帶的原理，使得可以很自由地規(guī)定實(shí)際的濾波器，并且可以有可觀的重疊量，不過(guò)當(dāng)把全部噪聲譜帶用作中間范圍頻帶時(shí)，這種裝置工作起來(lái)并不是最理想的。水平確定單元112確定中間范圍頻帶中噪聲N的能量。它可以例如計(jì)算出在預(yù)定的時(shí)間段(如1秒)上所有頻率分量的平方和的平方根。其它函數(shù)可以由水平確定單元112用來(lái)得出中間范圍噪聲水平NM，例如信號(hào)的絕對(duì)值的時(shí)間積分。與此類似，低頻率噪聲水平NL和高頻率噪聲水平NH可以用相應(yīng)的低通噪聲濾波器110和第二水平確定單元116和/或高通噪聲濾波器108和第三水平確定單元114來(lái)確定。對(duì)于音頻調(diào)節(jié)裝置的某些實(shí)施例來(lái)說(shuō)，音頻重現(xiàn)裝置可以包含動(dòng)態(tài)低音增強(qiáng)，所述動(dòng)態(tài)低音增強(qiáng)自動(dòng)使低音最佳化。動(dòng)態(tài)低頻增強(qiáng)避免了不可接受的失真。它包含基于輸入信號(hào)中的低音內(nèi)容的低音放大(例如通過(guò)坡型濾波器來(lái)進(jìn)行)。如果通過(guò)動(dòng)態(tài)低音增強(qiáng)而輸出的信號(hào)較小，那么可以將低音放大設(shè)置得很高，但是，如果由于輸出音樂(lè)變得很響而使得輸出信號(hào)突然變得很大，則控制信號(hào)將會(huì)減弱低音提升。在帶有低音增強(qiáng)的這些實(shí)施例中，是不需要低頻或低音處理的，而只需要高頻通道或高音通道和中間范圍通道，這是因?yàn)榈鸵粢呀?jīng)得到了最佳放大。同樣，對(duì)來(lái)自接入端102的輸入音頻信號(hào)i進(jìn)行處理。中間范圍音頻濾波器136最好與中間范圍噪聲濾波器106具有相同的頻率特性，并且類似的設(shè)計(jì)思想可以應(yīng)用于低通音頻濾波器146和高通音頻濾波器142。輸入音頻信號(hào)i可以在內(nèi)部產(chǎn)生(例如電子音樂(lè))，或從存儲(chǔ)器(如CD或MP3源)獲得。使用者可以按照其意愿對(duì)于輸入音頻信號(hào)i而把音量控制器130(如旋鈕、按鈕或圖形用戶接口)設(shè)置到所希望的輸出音量。將輸入的音頻信號(hào)放大到這個(gè)音量。注意，無(wú)論在何處使用“放大”之時(shí)，這都應(yīng)該顯然地涵蓋與一個(gè)小于1值的乘積。為了使該裝置能夠判斷需要多大的增益，可以包含中間范圍比較器118，低通比較器122和高通比較器120。這些比較器產(chǎn)生建議的增益作為輸出。這些比較器將頻帶(如低通帶)中的噪聲能量和相應(yīng)信號(hào)帶中的音頻信號(hào)水平或能量相比較(例如通過(guò)計(jì)算它們的比例來(lái)進(jìn)行)。如果所述音頻信號(hào)水平低于預(yù)定值K乘以環(huán)境噪聲水平(K等于如1或1.5)，那么低音音頻帶或高音音頻帶中的音頻音量放大和/或分量的放大應(yīng)當(dāng)被放大一個(gè)增益值，從而使得在放大后，該信號(hào)就大于K乘以特定頻帶中的噪聲水平。所述音頻調(diào)節(jié)裝置190的改進(jìn)實(shí)施例包含增益連貫單元124、126、128，用于采用時(shí)間上更連貫的方式來(lái)改變?cè)鲆?。否則，這些增益將根據(jù)每次發(fā)生的背景噪聲抖動(dòng)太多。所述增益連貫單元124、126、128可以被安排成實(shí)施下面的計(jì)算If Gink＞TuGink-1Then Goutk＝Min(FacuGoutk-1，GM)Else{[等式1]If Gink＜TdGink-1Then Goutk＝Max(FacdGoutk-1，GMin)}Else Goutk＝Goutk-1G表示音量增益GV、低音增益GL或高音增益GH的其中一個(gè)，這取決于增益連貫單元128、124、126預(yù)定的是哪個(gè)(低音、音量或者高音)。與此類似，GM表示音量、低音或高音最大可允許增益(GMV、GMB或GMT)。等式1引入一種滯后行為。來(lái)自相應(yīng)比較器在k時(shí)刻的新建議的增益Gink被輸入到增益連貫單元。如果該新增益與前一增益Gink-1差異不太大——如果該新增益不在預(yù)設(shè)定的閾值常數(shù)Tu乘以前一增益Gink-1之上--，則該新的輸出增益Goutk與前一輸出增益Goutk-1保持相同，以避免增益振蕩。如果該新增益Gink遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于前一增益Gink-1，那么該新的輸出增益相對(duì)于老的輸出增益就被增加了。但是，該新的輸出增益沒(méi)有被設(shè)置成與所建議的新輸入增益相等。而相反，該輸出增益是按照小的步長(zhǎng)來(lái)修改的。采用這種方式，該增益在出現(xiàn)較高環(huán)境噪聲的時(shí)間連貫區(qū)域時(shí)能夠平滑地適應(yīng)。有利的是，修改步驟Fack的不同是察覺(jué)不到的，即，1.1或1dB(這種不同只有當(dāng)受過(guò)訓(xùn)練的收聽(tīng)者在最佳條件下才能區(qū)別出來(lái))。闡值Tu可被有利地選擇成等于正好可察覺(jué)的差異，即，3dB或1.414，因?yàn)槿绻撌章?tīng)者幾乎覺(jué)察不到有什么不同，則該裝置無(wú)需做出響應(yīng)。與此類似，可以將Td選擇成與1/1.414相等，而Fack等于1/1.1。隨著步驟的逐步向下，增益會(huì)在長(zhǎng)的游程中變得很低。因此，最大化算子把增益箝位在Gmin。優(yōu)先地，把Gmin選擇成1。這意味著，對(duì)于音量控制來(lái)說(shuō)，如果該信號(hào)已經(jīng)在噪聲水平以上，則將信號(hào)保持不做處理(被1相乘等于沒(méi)有放大)。與此類似，如果信號(hào)中有足夠的低音成分(可能是因?yàn)樵谝袅靠刂埔院?，先前低于低音噪聲水平的低音成分已被放大到高于低音噪聲水?，那么低音帶分量也保持不變。但是，在其它的實(shí)施例中，Gmin可以低于1，這與幅度降低相對(duì)應(yīng)。如果聽(tīng)眾已經(jīng)手動(dòng)把低音成分設(shè)置得很高，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于在環(huán)境低音噪聲時(shí)可聽(tīng)見(jiàn)程度所需的值，則這可能就是十分有趣的。但是，這種低音成分會(huì)占據(jù)凈空空間，而為了把高音音頻分量放大到超過(guò)高音范圍噪聲，所述凈空空間可能是需要的。但是，采用當(dāng)前的低頻設(shè)置以及增加的高頻增益，該系統(tǒng)(如揚(yáng)聲器之前的功放)就將進(jìn)入飽和。因此，低頻增益連貫單元128會(huì)把低頻成分降低一個(gè)增益GB，例如是0.8，從而為高音放大分配空間。
類似的基本原理在于引入了增益分配器單元134。給定凈空空間量，它被安排成計(jì)算最大可允許音量增益GMV，和/或最大可允許低音增益GMB，和/或最大可允許高音增益GMT，在等式1中把它們綜述為GM。例如，如果在所有凈空空間都已經(jīng)被消耗完之前，該信號(hào)仍然可以被放大4倍，并且音量增益GV引入2倍的放大(除了由收聽(tīng)者在音量控制器130上設(shè)置的當(dāng)前放大)，那么在低音和高音增益之間仍然要除2。除等式1以外的其它函數(shù)可以用來(lái)按比例而不是通過(guò)鉗位來(lái)分布這些成分。還可以將最大增益倍數(shù)GM固定，而不是從增益分配器單元134輸入。增益分配器單元134可以采用下面的等式GMV＝Lim(KE/Ein，GMin V，GMV)GMT＝Lim(MaX(KE/Ein，GMin V)/GV，GMin T，GMT[等式2]GMB＝Lim{Max(KE/Ein，GMin V)/GV，GMin T，GMT}其中，Min代表最小可允許增益，而M代表最大可允許增益，V、B和T代表音量、低音和高音。Ein是由水平確定單元132確定的輸入信號(hào)的能量(在由收聽(tīng)者進(jìn)行手動(dòng)音量調(diào)節(jié)以后)，而KE則是通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定的常數(shù)。Lim函數(shù)定義如下
Lim(x，min，max)＝min如果x＜min＝max如果x＞max＝x 其它情況有利的是，由可調(diào)濾波器來(lái)完成低音和高音音頻信號(hào)分量放大，該可調(diào)濾波器的信號(hào)輸出可以調(diào)諧。這樣一種濾波器通?？梢跃哂幸环Ns曲線特征，即，它在一部分0dB(或者換言之阻塞這些音頻分量)和等于20logAdB(A是可調(diào)諧地產(chǎn)生的，例如12dB、10dB等等)的一部分最大增益之間有一個(gè)瞬時(shí)部分。一例這樣的濾波器就是所謂的坡型濾波器。低音坡型濾波器如圖3中所示，而高音坡型濾波器如圖4中所示。
高音濾波器的傳遞函數(shù)如下式所示H=[(ω02+2Aω0fs)(ω02+2ω0fs)z2+2ω021(ω02+2ω0fs)z+(-2Aω0fs+ω02)(ω02+2ω0fs)][z2+2ω021(ω02+2ω0fs)z+(-2ωw0fs+ω02)(ω02+2ω0fs)]]]>[等式3]ω0＝2πf0，式中，f0是濾波器函數(shù)落在相應(yīng)于等于8500Hz的最大增益(圖4中為12dB)的-3dB的頻率。Fs是取樣頻率，通常等于例如44.1kHz。A決定濾波器的可調(diào)最大增益。在本例的圖形中，A＝4，對(duì)應(yīng)于20log4＝12dB。如果該裝置需要較少的高音成分，則可以將A設(shè)置成例如3。系數(shù)A是由相應(yīng)的增益連貫單元或比較器輸出的低音增益GB或高音增益GT來(lái)決定的。它們的關(guān)系最好為線性，例如等于1的比例常數(shù)。
低通或低音頻率濾波器110和高通或高音噪聲濾波器108可以是二階濾波器，其函數(shù)特征大致對(duì)應(yīng)于坡型濾波器的函數(shù)特征Hn=Maz2+bz+cdz2+ez+f]]>[等式4]其中，M、a、b、c、d、e和f是預(yù)定常數(shù)。
中間范圍噪聲濾波器可以具有如下特性
Hmn=M2(a2z2+b2z+c2d2z2+e2z+f2)(g2z2+h2z+i2j2z2+k2z+l2)]]>(等式5)可選擇地，低音噪聲濾波器和高音噪聲濾波器可以恰好地等于對(duì)音頻信號(hào)進(jìn)行調(diào)節(jié)的坡型濾波器，正如圖5中實(shí)施例所示的高音坡型濾波器那樣。
音量增益控制標(biāo)準(zhǔn)可控音量放大單元140，由它在低音和高音調(diào)節(jié)之前對(duì)音頻信號(hào)進(jìn)行調(diào)節(jié)。換言之，如果在音量放大后，低音和/或高音分量已經(jīng)在低音和/或高頻噪聲以上，那么，就不再需要或由該裝置進(jìn)行低音和/或高音放大了?？梢詫⒔?jīng)調(diào)節(jié)的音頻信號(hào)0發(fā)送到揚(yáng)聲器160。這可以是一個(gè)單獨(dú)的揚(yáng)聲器，或者是與例如車載收音機(jī)系統(tǒng)或用于車站或超級(jí)市場(chǎng)進(jìn)行廣播通告的專業(yè)系統(tǒng)等等中的音頻裝置相連的揚(yáng)聲器。但是，有利的是，揚(yáng)聲器160為一種耳機(jī)揚(yáng)聲器。它可以是一種單聲或立體聲的單個(gè)的或者是兩個(gè)的塞在耳朵內(nèi)或靠近耳朵的揚(yáng)聲器。這可以用于便攜式裝置(諸如是列車中的便攜式DVD播放機(jī)或移動(dòng)電話)。當(dāng)把音頻信號(hào)發(fā)送到耳機(jī)揚(yáng)聲器而不像如上所述的噪聲屏蔽時(shí)，音頻調(diào)節(jié)裝置也可以如圖5所解釋的那樣施加局部噪聲消除。對(duì)無(wú)法采用有源噪聲消除來(lái)消除那一部分噪聲信號(hào)就如上文中所述的那樣進(jìn)行屏蔽。
圖2示意性示出音頻信號(hào)(或相應(yīng)的噪聲信號(hào))的不同頻譜域，屏蔽的例子可以采用箱式濾波器和放大器來(lái)實(shí)現(xiàn)。有一個(gè)高達(dá)100Hz的低音帶，并且有三個(gè)高音帶208、210、212，使得噪聲和信號(hào)的5條處理通道很復(fù)雜。不太理想的解決方式可以僅僅根據(jù)兩個(gè)高音噪聲測(cè)量和內(nèi)插或外插來(lái)設(shè)置三個(gè)高音增益。
圖5示出帶有有源噪聲消除單元540的音頻調(diào)節(jié)裝置的實(shí)施例。它的屏蔽功能也以反饋拓樸方式而不是直接計(jì)算拓樸方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。這種情況下的控制值有點(diǎn)不同。與根據(jù)噪聲/信號(hào)比N/S來(lái)直接計(jì)算增益不同的是，在反饋式拓樸方式中，檢查信號(hào)/噪聲比是否大于系數(shù)K乘以1。
有源噪聲消除單元產(chǎn)生由麥克風(fēng)104測(cè)量的帶相反符號(hào)的信號(hào)/噪聲比，從而事實(shí)上噪聲已基本上消除而不再聽(tīng)得見(jiàn)。但是，如果測(cè)得的噪聲信號(hào)也是進(jìn)入人耳的信號(hào)，那么噪聲消除僅能以合理方式工作。按照本發(fā)明的裝置是這樣構(gòu)造的，即，它能夠和未與耳機(jī)揚(yáng)聲器(如音頻重現(xiàn)裝置，如移動(dòng)電話兼MP3播放機(jī))相連的麥克風(fēng)一起工作。這時(shí)，只可以消除消音帶內(nèi)最低點(diǎn)頻率，這是因?yàn)辂溈孙L(fēng)離耳機(jī)揚(yáng)聲器越遠(yuǎn)，則仍然能夠可靠消除噪聲的最高頻率分量的頻率就越低。
音頻調(diào)節(jié)裝置的一種實(shí)施例可以帶有一種用于噪聲消除的固定的預(yù)定上限，例如，如果該裝置是戴在腰帶上的，與耳機(jī)揚(yáng)聲器的距離對(duì)于平均高度的人來(lái)說(shuō)約為1m。在這種情況下，消除帶的上限約為100Hz。這就是說(shuō)，在某些實(shí)施例中，低音屏蔽不是必須的，這是因?yàn)樵肼曄旧贤耆珳p小了環(huán)境噪聲的可覺(jué)察性。在圖5所示的例子中，只有一部分的低音噪聲是通過(guò)噪聲消除來(lái)去除的，而其余的則被屏蔽了。在這種情況下，低音坡型濾波器152就變成是一種低音帶濾波器512，其功能特征560具有基本上等于噪聲消除帶的上限的下限，即例如100Hz和例如上限150Hz。由于被消除的最低頻率的低音噪聲是不需要被屏蔽的，因此對(duì)于屏蔽而言，不需要測(cè)量上述噪聲，因此對(duì)低音噪聲濾波器進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)計(jì)。當(dāng)麥克風(fēng)靠近耳機(jī)放大器時(shí)，比如是這樣的情況，當(dāng)把它裝在戴在頭上的珠寶內(nèi)時(shí)，甚至可以減小中間范圍噪聲帶的寬度。
一種更先進(jìn)的實(shí)施例被裝備成用以測(cè)量麥克風(fēng)和耳機(jī)揚(yáng)聲器之間的距離，并相應(yīng)地修改噪聲消除和低音濾波器?？梢圆捎孟旅娴牡仁剑瑏?lái)計(jì)算低音帶濾波器的下限，以便測(cè)量噪聲并對(duì)音頻進(jìn)行調(diào)節(jié)flow＝c/(6*dML)(等式6)所包含的距離測(cè)量裝置599可以例如是一種對(duì)麥克風(fēng)和耳機(jī)揚(yáng)聲器之間的波形(如電磁波或聲波波形)的移動(dòng)時(shí)間進(jìn)行測(cè)量的裝置。這種裝置在現(xiàn)有技術(shù)中是已知的。接收電磁波形的天線可以是例如移動(dòng)電話的天線，而發(fā)送天線可以是無(wú)線耳機(jī)的天線。所需的時(shí)鐘通常已經(jīng)存在，所以通常僅需要加入某種附加硬件。有源噪聲消除單元也可以在屏蔽之后沿信號(hào)處理方向來(lái)放置，在這種情況下，仍然需要考慮進(jìn)行屏蔽，其頻率可以是經(jīng)噪聲消除的，并且無(wú)需被屏蔽。
所有所描述的功能可以采用硬件或在處理器550上運(yùn)行的軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)。
音頻重現(xiàn)裝置可以是收音機(jī)、電視機(jī)、膝上型電腦或游戲控制器、酒館內(nèi)的自動(dòng)唱片點(diǎn)唱機(jī)、移動(dòng)電話、廣播系統(tǒng)等。揚(yáng)聲器可以是與音頻調(diào)節(jié)裝置無(wú)線或有線相連的。音頻信號(hào)可以是單通道的，也可以是立體聲的，在后者的情況下，兩種立體聲分量通常是采用同一單通道噪聲測(cè)量方式來(lái)進(jìn)行測(cè)量的。
使用計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品的情況下，應(yīng)當(dāng)被理解為命令集合的任何物理實(shí)現(xiàn)都能夠使得處理器--通用或?qū)Ｓ锰幚砥?-在把所述命令輸入所述處理器的一系列加載步驟之后，執(zhí)行本發(fā)明任何特有的功能。特別地是，計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品可以被實(shí)現(xiàn)為在載體(諸如磁盤或磁帶)上的數(shù)據(jù)、存在于存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)、穿過(guò)網(wǎng)絡(luò)連接(硬接線或無(wú)線)的數(shù)據(jù)或紙上的程序代碼。除程序代碼之外，所述程序所要求的特性數(shù)據(jù)還可以被具體化為計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品。
應(yīng)當(dāng)注意，上述實(shí)施例并非是對(duì)本發(fā)明的限制，在不偏離權(quán)利要求所限定的范圍的情況下，本領(lǐng)域中的普通技術(shù)人員能夠設(shè)計(jì)出各種可替換方案。與權(quán)利要求中所組合的本發(fā)明的元件之組合不同的是，本發(fā)明范圍內(nèi)元件之其它組合可以由本領(lǐng)域中的普通技術(shù)人員看做是由本發(fā)明所覆蓋。元件之任一組合可以采用單個(gè)的專用元件來(lái)實(shí)現(xiàn)。權(quán)利要求中的括弧之間的附圖標(biāo)記并非是對(duì)權(quán)利要求的限制。術(shù)語(yǔ)“包含”并不排斥權(quán)利要求中沒(méi)有出現(xiàn)的元件。元件之前的術(shù)語(yǔ)“一個(gè)”并不排斥存在多個(gè)這樣的元件。
本發(fā)明可以采用硬件，也可以采用在計(jì)算機(jī)上運(yùn)行的軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)。
權(quán)利要求
1.一種音頻調(diào)節(jié)裝置(190)，用來(lái)對(duì)要輸出的音頻信號(hào)(0)進(jìn)行調(diào)節(jié)，它包含-噪聲特征化單元(106，112)，用來(lái)對(duì)環(huán)境噪聲的噪聲水平(NM)進(jìn)行估計(jì)；以及-音量放大單元(140)，用來(lái)根據(jù)所述噪聲水平(NM)，把音頻信號(hào)(0)的音量放大一個(gè)音量增益(GV)，其特征在于，-它還包含另一噪聲特征化單元(110，116)、(108，114))，用來(lái)對(duì)低音頻率噪聲帶(111)或高音頻率噪聲帶(109)中的環(huán)境噪聲的另一的噪聲水平(NL或NH)進(jìn)行估計(jì)，以及-它還包含另一放大單元(150或152)，用來(lái)根據(jù)所述另一噪聲水平(NL和/或者NH)把所述音頻信號(hào)(O)的低音頻率音頻帶(202)和/或高音頻率音頻帶(206)中的頻率分量的幅度放大另一增益(GB或GT)。
2.如權(quán)利要求1所述的音頻調(diào)節(jié)裝置(190)，其特征在于，所述低音頻率音頻帶(202)的上限基本上在60至150Hz的范圍內(nèi)，并且其中，所述高音頻率音頻帶的下限基本上在8kHz到12kHz的范圍內(nèi)。
3.如權(quán)利要求1所述的音頻調(diào)節(jié)裝置(190)，其特征在于，它還包含增益連貫單元(124，126，128)，用來(lái)產(chǎn)生按照預(yù)定的數(shù)學(xué)標(biāo)準(zhǔn)隨時(shí)間而連貫變化的增益(GV，GB，GT)。
4.如權(quán)利要求1所述的音頻調(diào)節(jié)裝置(190)，其特征在于，它還包含增益分配器單元(134)，用來(lái)根據(jù)用于放大的可用凈空空間，來(lái)分配最大可允許增益(GMV，GMB，GMT)。
5.如權(quán)利要求1所述的音頻調(diào)節(jié)裝置(190)，其特征在于，所述另一放大單元(150或152)包含坡型濾波器。
6.如權(quán)利要求1所述的音頻調(diào)節(jié)裝置(190)，其特征在于，它與可以用作音頻信號(hào)(O)重現(xiàn)的頭戴式揚(yáng)聲器相連，其中，它包含有源噪聲消除單元(540)，用來(lái)基本上消除在頻率的消除帶中的環(huán)境噪聲，所述噪聲可以用麥克風(fēng)(104)來(lái)測(cè)量。
7.如權(quán)利要求6所述的音頻調(diào)節(jié)裝置(190)，其特征在于，它包含距離測(cè)量裝置(599)，用來(lái)測(cè)量所述麥克風(fēng)(104)和頭戴式揚(yáng)聲器之間的距離。
8.一種音頻重現(xiàn)裝置，它包含-用于重現(xiàn)音頻信號(hào)(O)的揚(yáng)聲器(160)；-輸入音頻信號(hào)(i)的接入端(102)，所述音頻信號(hào)(O)是基于所述音頻信號(hào)(i)的；以及如權(quán)利要求1所述的音頻調(diào)節(jié)裝置(190)。
9.一種對(duì)音頻信號(hào)(O)進(jìn)行調(diào)節(jié)的方法，它包含-對(duì)環(huán)境噪聲的噪聲水平(NM)進(jìn)行估計(jì)；以及-根據(jù)所述噪聲水平(NM)，把所述音頻信號(hào)(O)的音量放大一個(gè)音量增益(GV)，其特征在于，對(duì)低音頻率噪聲帶或高音頻率噪聲帶中的環(huán)境噪聲的另一噪聲水平(NL或NH)進(jìn)行估計(jì)，以及-根據(jù)所述另一噪聲水平(NL，NH)，把音頻信號(hào)(O)的低音頻率音頻帶和/或高音頻率音頻帶中的頻率分量的幅度放大另一增益(GB，GT)。
10.一種計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品，它能夠使處理器執(zhí)行如權(quán)利要求9所述的方法。
全文摘要
一種音頻調(diào)節(jié)裝置(190)，用來(lái)對(duì)要輸出的音頻信號(hào)(O)進(jìn)行調(diào)節(jié)，它包含噪聲特征化單元(106，112)，用來(lái)估計(jì)產(chǎn)生噪聲水平的環(huán)境噪聲的噪聲水平(NM)，隨之以后，一音量放大單元(140)根據(jù)噪聲水平(NM)，把音頻信號(hào)(O)的音量放大一個(gè)音量增益(GV)。音頻調(diào)節(jié)裝置(190)含有另一噪聲特征化單元(108，114)、(110，116)，用來(lái)對(duì)低的低音頻或高的高音噪聲頻率中的環(huán)境噪聲的另一噪聲水平(NL，NH)進(jìn)行估計(jì)，并根據(jù)該另一噪聲水平，另一放大單元(150，152)把低、高頻音頻信號(hào)(O)的相應(yīng)于音頻帶的噪聲帶中頻率分量的幅度放大另一增益倍數(shù)(GB，GT)。其結(jié)果是，實(shí)現(xiàn)了這樣一種簡(jiǎn)便裝置，它使噪聲環(huán)境中的音頻聽(tīng)上去基本上好像沒(méi)有噪聲或者噪聲很小。
文檔編號(hào)H03G5/16GK1830141SQ200480022013
公開(kāi)日2006年9月6日 申請(qǐng)日期2004年7月19日 優(yōu)先權(quán)日2003年7月28日
發(fā)明者G·F·M·德普特雷 申請(qǐng)人:皇家飛利浦電子股份有限公司