專利名稱：選擇性音頻信號增強的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及選擇性音頻信號增強的方法。更具體地，本發(fā)明涉及用于通過添加增強(改進(jìn))信號來選擇性地改進(jìn)音頻信號的感覺質(zhì)量的方法和設(shè)備。
背景技術(shù)：
例如，通過比一個頻率范圍更強地放大另一頻率范圍來增強音頻信號是眾所周知的。以這樣的方式，有可能“提升(boost)”一般被感覺為比中間范圍頻率更低聲的較高與較低頻率。但是，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)許多轉(zhuǎn)換器并不能以感覺得到的聲音電平來再現(xiàn)(render)高頻率和低頻率而不引入失真。這對于低音頻或“低音”頻率而言尤其成問題。
例如，如在美國專利US 6134330和US 6111960(Philips)中公開的，已經(jīng)建議通過增加低音信號的諧波來增強音頻信號。增強信號由諧波發(fā)生器生成并隨后被加到(放大的)原始音頻信號。所加的諧波被感知為放大的低音信號。例如，如在國際專利申請WO 01/84880(Philips)公開的，還已經(jīng)建議添加音頻信號的分諧波來創(chuàng)建低音增強的印象。
雖然上述專利文獻(xiàn)的音頻信號增強方法提供了顯著的改進(jìn)，但是已經(jīng)發(fā)現(xiàn)這些方法可能不是一直令人滿意地起作用。也就是說，在具有低的聲音電平的音樂推移期間或在語音期間，通常不希望低音增強。在這樣的推移期間產(chǎn)生的任何增強信號時常被感覺為音頻信號的干擾。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)的這些和其他問題，并提供用于增強其中選擇性施加增強信號的音頻信號的方法和設(shè)備。
因此，本發(fā)明提供增強音頻信號的方法，該方法包括下列步驟檢測音頻信號的頻率范圍內(nèi)的音調(diào)信號分量；產(chǎn)生增強信號；和根據(jù)在所述頻率范圍內(nèi)任何檢測到的音調(diào)信號分量，調(diào)節(jié)增強信號的電平。
通過檢測音頻信號中的音調(diào)信號和根據(jù)任何音調(diào)信號的存在來調(diào)節(jié)增強信號的電平，有可能顯著減少增強信號的聲音電平或者甚至在沒有音調(diào)信號出現(xiàn)時消除增強信號。
注意，音調(diào)信號是正弦信號，即，能被描述為正弦信號和正弦信號的任何諧波的信號。與此相對照，非音調(diào)信號不能被描述為正弦信號的組合。語音信號例如通常包括與類似于噪聲的信號交替的音調(diào)信號。在音調(diào)信號周期期間，通常需要增強信號。但是，在類似噪聲的信號周期期間，一般不太需要增強信號并且應(yīng)減小增強信號的音量或甚至完全抑制增強信號。
增強信號優(yōu)選為音頻信號一部分的諧波或分諧波。這允許音頻信號以例如上述的US 6111960的方式進(jìn)行改進(jìn)。因此，有利地，所涉及的頻率范圍包括低音頻率。本發(fā)明提供根據(jù)輸入信號的類型(即，音調(diào)或非音調(diào)(噪聲類))來選擇性增強音頻信號的方法。注意，上述的US 6111960公開了一種輸入電平檢測器，用于檢測輸入信號的電平，以標(biāo)準(zhǔn)化諧波信號。但是，US 6111960并不區(qū)分音調(diào)和非音調(diào)輸入信號。
在本發(fā)明的優(yōu)選實施方式中，檢測音調(diào)頻率分量的步驟包括下列子步驟生成正弦信號和余弦信號；利用音頻信號乘以正弦信號和余弦信號二者；低通濾波相應(yīng)的被乘信號；和確定低通濾波的信號的幾何平均值，以產(chǎn)生檢測信號。
以這樣的方式，可以實現(xiàn)非常有效的音調(diào)信號的檢測。
優(yōu)選地，正弦和余弦信號均具有大致等于頻率范圍的主頻(dominant frequency)的頻率。這允許甚至更有效的音調(diào)信號分量的檢測。注意，特定頻率范圍的主頻一般是其上存在最強信號分量的頻率，即，特定頻率范圍內(nèi)的音頻信號的頻譜在該頻率上為最大值。但是，主頻的其他度量也是有可能的，諸如對于本領(lǐng)域技術(shù)人員是公知的加權(quán)度量。
本發(fā)明還提供用于增強音頻信號的設(shè)備，該設(shè)備包括
檢測器裝置，用于檢測音頻信號的頻率范圍中的音調(diào)信號分量；增強裝置，用于產(chǎn)生增強信號；和調(diào)節(jié)裝置，用于根據(jù)所述頻率范圍內(nèi)任何檢測到的音調(diào)信號分量來調(diào)節(jié)增強信號的電平。
如在本發(fā)明的方法中，有可能大大減小增強信號的聲音電平或在沒有音調(diào)信號存在時甚至消除這些增強信號。
增強裝置優(yōu)選地用于產(chǎn)生音頻信號一部分的諧波或分諧波。優(yōu)選地，所涉及的頻率范圍包括低音頻率。
在有利的實施例中，檢測器裝置包括發(fā)生器裝置，用于生成正弦信號和余弦信號；乘法裝置，用于分別將音頻信號與正弦信號和余弦信號相乘；濾波器裝置，用于分別濾波相乘的正弦和余弦信號；和平均裝置，用于確定濾波信號的幾何平均值，以產(chǎn)生檢測器信號。
有利地，本發(fā)明的設(shè)備可以進(jìn)一步包括用于定標(biāo)檢測器信號的定標(biāo)裝置。這允許檢測器信號與該設(shè)備中存在的其他信號諸如增強裝置的輸出信號相匹配。
在優(yōu)選實施例中，該設(shè)備進(jìn)一步包括頻率跟蹤裝置，用于跟蹤頻率范圍內(nèi)的頻率和控制生成器裝置。頻率跟蹤裝置允許確定任意時間間隔中的主頻，這個頻率隨后可以由生成器裝置用于生成用于檢測的正弦信號和余弦信號。
本發(fā)明還提供音調(diào)信號檢測器，適于用在上面定義的設(shè)備或其他設(shè)備中。
本發(fā)明附加提供音頻系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括如上所定義的設(shè)備。這樣的音頻系統(tǒng)能例如由家用或辦公室使用的音頻設(shè)置(“立體聲設(shè)置”)構(gòu)成，包括放大器、諸如DVD播放器和/或調(diào)諧器的音頻源以及諸如揚聲器的轉(zhuǎn)換器。該音頻系統(tǒng)還能夠由通知系統(tǒng)或用于戲院的音頻控制與放大系統(tǒng)構(gòu)成?？商鎿Q地，本發(fā)明的音頻系統(tǒng)可以為電視、計算機或多媒體系統(tǒng)的一部分。


下面將參照附圖中示出的示例性實施例進(jìn)一步解釋本發(fā)明，其中
圖1示意性地示出根據(jù)本發(fā)明的設(shè)備的第一實施例。
圖2示意性地示出根據(jù)本發(fā)明的音調(diào)檢測器的第一實施例。
圖3示意性地示出根據(jù)本發(fā)明的音調(diào)檢測器的第二實施例。
圖4示意性地示出根據(jù)本發(fā)明的設(shè)備的第二實施例。
圖5示意性地示出根據(jù)本發(fā)明的設(shè)備的第三實施例。
具體實施例方式
在圖1中僅利用非限制性示例示出的音頻信號增強設(shè)備1包括諧波發(fā)生器2、檢測器3和乘法器4。諧波發(fā)生器2用作增強裝置并生成增強信號，在所示出的示例中，生成輸入音頻信號的諧波。檢測器3(將參照圖2和3進(jìn)一步描述)用于檢測音調(diào)音頻信號。乘法器4用于控制或調(diào)節(jié)諧波發(fā)生器2的輸出，控制信號由檢測器3提供。
設(shè)備1在其輸入端上接收音頻信號。這個音頻信號(如后面參照圖5所述的，可以被限制于特定頻率帶)被饋送給諧波發(fā)生器2和檢測器3。該諧波發(fā)生器2產(chǎn)生音頻信號的諧波(或分諧波)并將這些諧波饋送給乘法器4。檢測器3檢測音頻信號中的任意音調(diào)信號分量并生成也被饋送給乘法器4的相應(yīng)控制信號。在優(yōu)選實施例中，由檢測器3產(chǎn)生的控制信號與任意音調(diào)信號分量的幅度近似成比例，導(dǎo)致諧波信號的幅度的逐漸調(diào)節(jié)，但是也有可能，控制信號為二進(jìn)制的，即僅具有兩個信號值(“通(on)”和“斷(off)”)。
由諧波發(fā)生器2生成的諧波信號在示出的實施例中被乘以由檢測器3產(chǎn)生的控制信號。結(jié)果，當(dāng)音調(diào)信號分量存在于音頻信號中時，這些諧波信號將被傳送至設(shè)備1的輸出，而在不存在音調(diào)信號分量時，這些諧波信號將基本上被抑制。增強(諧波)信號因此根據(jù)音頻信號中的任意音調(diào)信號分量被選擇性地輸出。
注意，圖1的結(jié)構(gòu)安排僅為示例性的，并且可以設(shè)想各種替換的實施例。例如，乘法器4可以利用受控制的開關(guān)或包含查找表的數(shù)字邏輯設(shè)備來替換?？商鎿Q地，或附加地，乘法器4或其等價物可以被布置在諧波發(fā)生器2之前而不是其之后。代替所示出的諧波發(fā)生器2，可以使用分諧波發(fā)生器或任何其他的增強信號發(fā)生器。
在圖2中示出了用于檢測音調(diào)信號分量的檢測器3的實施例。在檢測器3的輸入上接收到的音頻信號被饋送給第一乘法器33和第二乘法器34，在這些乘法器中該信號分別乘以正弦和余弦信號。正弦和余弦信號分別在第一發(fā)生器31和第二發(fā)生器32中生成。正弦和余弦信號的頻率優(yōu)選地大致相等，并且可以被預(yù)定，例如，等于特定頻帶的中間頻率。但是，發(fā)生器31和32的頻率也可以是可變的，即，可以被控制。
正弦信號和音頻信號的乘積被饋送給第一低通濾波器35，而其對應(yīng)物(counterpart)被饋送給第二低通濾波器36。濾波器35和26的截止頻率在優(yōu)選實施例中近似等于涉及的頻率范圍中的最低頻率。例如，如果設(shè)備1用于20-200Hz的頻率范圍，則濾波器35和36的截止頻率將優(yōu)選地近似為20Hz。低通濾波乘積信號導(dǎo)致結(jié)果信號變得與頻率無關(guān)。這能夠在數(shù)學(xué)上表示為如下。
假定音調(diào)音頻信號V’in能被寫為V’in＝A.sin(ω.t+φ)，其中A是信號的幅度，ω是信號的(角)頻率，和φ是信號的相位。
將信號V’in乘以頻率ω的正弦和余弦，得到S＝A.sin(ω.t+φ).sin(ω.t)，和C＝A.sin(ω.t+φ).cos(ω.t)。
信號S和C還可以被寫為S＝1/2.A.(cos(φ)-cos(2.ω.t+φ))，和C＝1/2.A.(sin(φ)+sin(2.ω.t+φ))。
低通濾波(濾波器35和36)除去具有頻率2.ω的信號分量，導(dǎo)致S’＝1/2.A.cos(φ)，和C’＝1/2.A.sin(φ)。
平均單元37確定濾波信號S’和C’的(幾何)平均值x＝(S′2+C′2)＝(.A2.cos2(φ)+.A2.sin2(φ))＝.A，其顯然與ω和φ無關(guān)。如果使用將信號X乘以2的定標(biāo)單元38，則結(jié)果信號Y等于AY＝2.X＝2.1/2.A＝A換句話說，檢測器3的輸出Y等于音調(diào)(正弦)音頻輸入信號的幅度。但是，如果音頻輸入信號V’in不是正弦的而具有類似于噪聲的字符，則信號X并因此信號Y將具有近似為零的值，這是因為正弦信號(或余弦信號)和噪聲信號的乘積的平均值將近似為零。結(jié)果，本發(fā)明提供檢測音調(diào)信號的非常有效的方式。
注意，在上述示例中，定標(biāo)因子α被設(shè)置為2，因為這產(chǎn)生簡便的輸出信號。當(dāng)然，有可能使用更高(例如，3或4.5)和更低(例如，0.7或1.5)定標(biāo)因子，以及在希望近似為1的定標(biāo)因子時，一起省略定標(biāo)單元。
還注意，雖然平均單元37在示出的實施例中生成幾何平均值，但是其他的平均值也可能是適合的，諸如算術(shù)平均值。
在圖2的實施例中，假定發(fā)生器31和32操作的頻率ω是預(yù)定的。這個頻率例如可以等于頻帶的中間頻率。如果頻帶范圍為例如從60Hz至100Hz，則具有近似為g0Hz的預(yù)定頻率將是合適的。但是，優(yōu)選的是發(fā)生器31和32的頻率是可變的，并且更具體地，其取決于音頻信號。
因此，在圖3的實施例中，檢測器3還被設(shè)置有頻率跟蹤器(FT)39，其接收音頻輸入信號V’in并確定其(優(yōu)選地，主)頻率。這個頻率ω然后被饋送給發(fā)生器31和32。當(dāng)頻率跟蹤器連續(xù)地監(jiān)控輸入信號時，發(fā)生器的頻率ω被連續(xù)地調(diào)節(jié)，因此導(dǎo)致音調(diào)信號分量的改善檢測。
頻率跟蹤器可以使用公知的“鎖相環(huán)”或其他技術(shù)來跟蹤頻率。參考Cambridge University出版社2001年出版的由G.Quinn和E.J.Hannan撰寫的手冊“The estimation and tracking offrequencies”。
在圖4a示出的本發(fā)明設(shè)備的實施例中，頻率跟蹤器39不僅向發(fā)生器31和32而且還向諧波發(fā)生器(“HG”)2提供頻率w。在這個實施例中，因此，頻率ω而不是音頻輸入信號V’in被饋送給諧波發(fā)生器39。除此之外，圖4的實施例大致等于圖3的檢測器和圖1的設(shè)備的組合。
在圖5中示意地示出了本發(fā)明的設(shè)備1的優(yōu)選實施例。在這個實施例中，設(shè)備1除了諧波發(fā)生器2、檢測器3和乘法器4之外，還包括第一濾波器8、第二濾波器和加法電路7。第一濾波器8用于選擇設(shè)備1工作的頻帶，即，將被增強的頻帶。應(yīng)理解，第一濾波器8是帶通濾波器或低通濾波器，例如，具有范圍從20Hz至200Hz的通帶。第二濾波器9用于將未被增強的音頻輸入信號的那些部分通過加法器7饋送至輸出。顯然，加法器7用于將增強的音頻信號與未增強的音頻信號進(jìn)行組合，以生成組合的音頻輸出信號。
第二濾波器9的功能可以根據(jù)設(shè)備1的特定實施例而變化，并且尤其根據(jù)諧波發(fā)生器或等價的增強裝置2的特定實施例而變化。如果諧波發(fā)生器2用于產(chǎn)生分諧波，則第二濾波器9優(yōu)選地為全通濾波器或延遲(器)，用于補償?shù)谝粸V波器8和諧波發(fā)生器2中的任意延遲。如果諧波發(fā)生器2用于生成較高(次)的諧波，則第二濾波器9優(yōu)選地為高通濾波器，用于使沒有生成其任何諧波的那些頻率通過。
雖然在圖5中僅示出了一組濾波器和一個增強單元2，但是應(yīng)明白，許多這樣的電路都可以被平行布置，每個第一濾波器8優(yōu)選地被設(shè)計為通過另一頻率范圍。以這樣的方式，能獨立地增強若干頻率范圍。
本發(fā)明是基于這樣的見識，即，在生成音調(diào)音頻信號時，僅需要音頻信號部分的諸如諧波或分諧波的音頻信號增強。本發(fā)明受益于進(jìn)一步的見識，即，使用具有與待檢測的音調(diào)信號近似相同頻率的輔助信號，通過相乘、濾波和平均，能夠檢測音調(diào)信號。
注意，在本文獻(xiàn)中使用的任何術(shù)語不應(yīng)被認(rèn)為是限制本發(fā)明的范圍。特別地，詞“包括”和“包含”并不表示排除未具體描述的任何元素。單個(電路)元素也可以利用多個(電路)元素或其等價物來替換。
本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解，本發(fā)明并不限于上面示出的實施例，并且在不背離后附權(quán)利要求中所限定的本發(fā)明范圍的情況下，可以作出許多修改和增加。
權(quán)利要求
1.一種增強音頻信號的方法，該方法包括下列步驟檢測該音頻信號的頻率范圍中的音調(diào)信號分量；產(chǎn)生增強信號；和根據(jù)在所述頻率范圍中任何檢測到的音調(diào)信號分量，調(diào)節(jié)增強信號的電平。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中這些增強信號是該音頻信號一部分的諧波或分諧波。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，其中該頻率范圍包括低音頻率。
4.根據(jù)任何一項前面權(quán)利要求所述的方法，其中檢測音調(diào)頻率分量的步驟包括下列子步驟生成正弦信號和余弦信號；將正弦信號和余弦信號乘以該音頻信號；濾波相應(yīng)被乘的信號；和確定低通濾波的信號的平均值，以產(chǎn)生檢測信號。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其中正弦信號和余弦信號都具有基本上等于該頻率范圍的主頻的頻率。
6.一種用于增強音頻信號的設(shè)備(1)，該設(shè)備包括檢測器裝置(3)，用于檢測該音頻信號的頻率范圍中的音調(diào)信號分量；增強裝置(2)，用于產(chǎn)生增強信號；和調(diào)節(jié)裝置(4)，用于根據(jù)在所述頻率范圍中任何檢測到的音調(diào)信號分量來調(diào)節(jié)增強信號的電平。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的設(shè)備，其中增強信號是該音頻信號一部分的諧波或分諧波。
8.根據(jù)權(quán)利要求6或7所述的設(shè)備，其中該頻率范圍包括低音頻率。
9.根據(jù)權(quán)利要求6、7或8所述的設(shè)備，其中檢測器裝置(3)包括發(fā)生器裝置(31，32)，用于生成正弦信號和余弦信號；乘法裝置(33，34)，用于分別利用正弦信號與余弦信號乘以該音頻信號；濾波裝置(35，36)，用于分別濾波被乘的正弦信號和余弦信號；和平均裝置(37)，用于確定濾波信號的平均值，以產(chǎn)生檢測器信號。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的設(shè)備，進(jìn)一步包括定標(biāo)裝置(38)，用于定標(biāo)檢測器信號。
11.根據(jù)權(quán)利要求9或10所述的設(shè)備，進(jìn)一步包括頻率跟蹤裝置(39)，用于跟蹤該頻率范圍內(nèi)的頻率和控制發(fā)生器裝置(31，32)。
12.根據(jù)權(quán)利要求6-11之中任一項權(quán)利要求所述的設(shè)備，進(jìn)一步包括第一濾波器(8)，用于在增強之前濾波音頻輸入信號；第二濾波器(9)，用于使未被第一濾波器通過的信號通過；和加法裝置(7)，用于相加增強信號和被第二濾波器(9)通過的信號。
13.一種音調(diào)信號檢測器(3)，包括發(fā)生器裝置(31，32)，用于生成正弦信號余弦信號；乘法裝置(33，34)，用于分別利用正弦信號和余弦信號乘以音頻信號；濾波裝置(35，36)，用于分別濾波被乘的正弦信號和余弦信號；和平均裝置(37)，用于確定濾波信號的平均值，以產(chǎn)生檢測器信號。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的檢測器，進(jìn)一步包括定標(biāo)裝置(38)，用于定標(biāo)檢測器信號。
15.根據(jù)權(quán)利要求13或14所述的檢測器，進(jìn)一步包括頻率跟蹤裝置(39)，用于跟蹤該頻率范圍內(nèi)的頻率和控制發(fā)生器裝置(31，32)。
16.一種音頻系統(tǒng)，包括根據(jù)權(quán)利要求6-12之中任一項權(quán)利要求所述的設(shè)備(1)或根據(jù)權(quán)利要求13-15之中任一項權(quán)利要求所述的檢測器(3)。
全文摘要
通過添加增強信號，諸如信號的低音分量的諧波和/或分諧波，可以增強音頻信號。為了避免在軟推移或語音期間任何不需要的增強信號，建議監(jiān)控音頻信號，以監(jiān)視頻率范圍中的音調(diào)信號分量，并且僅在檢測到這樣的音調(diào)信號時，才添加增強信號。音調(diào)檢測器(3)可以包括其頻率優(yōu)選地等于頻率范圍的主頻的正弦和余弦發(fā)生器。
文檔編號H04R3/04GK1887025SQ200480035572
公開日2006年12月27日 申請日期2004年11月30日 優(yōu)先權(quán)日2003年12月1日
發(fā)明者R·M·阿爾特斯, O·歐維爾特杰斯 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司