CN101188877A - 由计算音频信号基频增强音频信号低频分量的方法和装置 - Google Patents

Abstract

一种用于通过以下方式来增强音频信号的低频分量的方法和装置，所述方式即：使用输入音频信号以及通过将输入音频信号延迟预定量的时间而获得的延迟后的音频信号，来计算输入音频信号的基频；基于该基频而从输入音频信号产生谐波信号；以及将所述谐波信号与输入音频信号相组合。可以使用人类的感觉特性来增强音频信号的低频分量，而不需物理地提高所述低频分量的能量。

Description

由计算音频信号基频增强音频信号低频分量的方法和装置

相关申请交叉引用

本申请要求2006年11月22日在韩国知识产权局提交的韩国专利申请第10-2006-0116069号在35U.S.C.§119(a)下的优先权，其公开内容通过引用而被全部合并于此。

技术领域

本总的发明构思涉及一种用于增强音频信号的低频分量的方法和装置。

背景技术

对于诸如膝上型计算机和MP3播放器的便携式设备中的小尺寸扬声器而言，由于物理限制，即，小尺寸，而难以完全再现音频信号的低频分量。完全再现音频信号的低频分量的困难可能降低音频信号的声音质量。已经提出了各种方法来解决这一副作用。

图1是用于增强音频信号的低频分量的传统装置的框图。

参照图1，传统装置包括低通滤波器110、正弦函数产生模块122、余弦函数产生模块124、带通滤波器130、以及混频器140。

一旦将音频信号输入到图1的传统装置，低通滤波器110中的每一个就通过执行对于对应信道输入的音频信号的低通滤波来仅仅提取低频分量(例如，等于或小于120Hz)。

正弦函数产生模块122和余弦函数产生模块124二者通过调制低通滤波后的信号来产生谐波信号。

带通滤波器130通过分别执行使用正弦函数和余弦函数调制的信号的带通滤波来仅仅选择特定阶的谐波信号。

混频器140中的每一个通过将输入音频信号和对应的带通滤波器130所选择的谐波信号相组合，来产生其中低频分量被增强的对应信道的音频信号。

如上所述，使用谐波信号来增强低频分量的方法使用这样的声学效应，即：如果人耳听到具有基频的倍数的频率的音调，则这个人感觉到该音调，好像听到与基频相对应的音调一样。

图2是图示用于增强音频信号的低频分量的理想谐波信号的图。

参照图2，图示了220Hz的基频分量以及谐波信号。如图2所示，如果基频分量是220Hz，则具有220Hz的倍数(即440Hz、660Hz、880Hz等)的谐波信号是要用于增强音频信号的低频分量的理想谐波信号。因此，如图2所示，如果理想谐波信号的频率增大，则它们中的每一个的幅度减小。

如果一个人听到每个理想谐波信号的音调，那么这个人感觉到该音调，好像听到与220Hz相对应的音调一样。因此，使用理想谐波信号，看起来增强了具有与220Hz相对应的音调的声音的幅度。

然而，用于增强音频信号的低频分量的传统装置不能产生如图2所示的理想谐波信号。

图3是图示使用图1的传统装置产生的谐波信号的图。

图3示出了220Hz的基频分量以及450Hz、650Hz和900Hz的谐波信号，其中，调制频率为50Hz。

参照图3，由于用于产生谐波信号的调制频率被固定为预设频率(例如50Hz)，因此传统装置不能产生图2所示的440Hz、660Hz和880Hz的理想谐波信号，而是产生具有误差的谐波信号，例如450Hz、650Hz和900Hz的谐波信号。此外，与图2所示的、其幅度逐渐减小的理想谐波信号不同，图3所示的谐波信号在所有频率上保持相同的幅度。

如上所述，与理想谐波信号相比，增强音频信号的低频分量的传统方法在谐波信号的频率方面具有误差，并且导致音调的严重变化，这是因为随着谐波信号的频率增大而保持相同的谐波信号幅度，而不是减小谐波信号的幅度。

发明内容

本总的发明构思提供了一种方法和装置，用于通过计算和使用音频信号的基频而使用人类的感觉特性来增强音频信号的低频分量，而不需物理地提高低频分量的能量。

本总的发明构思的其它方面和效用将部分地在以下描述中阐述，并且部分地将根据该描述而显而易见，或者可以通过本总的发明构思的实践而得知。

可以通过提供一种增强音频信号的低频分量的方法来实现本总的发明构思的前述和/或其它方面和效用。该方法包括：使用输入音频信号以及通过将输入音频信号延迟预定量的时间而获得的延迟后的音频信号，来计算输入音频信号的基频；基于该基频而从输入音频信号产生谐波信号；以及将所述谐波信号与输入音频信号相组合。

输入音频信号的基频的计算还可以包括：执行输入音频信号的低通滤波；以及使用低通滤波后的音频信号和延迟后的音频信号之间的最大互相关值，计算输入音频信号的基频。

输入音频信号的基频的计算还可以包括：当获得低通滤波后的音频信号和延迟后的音频信号之间的最大互相关值时，计算所述延迟后的音频信号的延迟时间；以及将该延迟时间转换为频率。

所述谐波信号的产生还可以包括：在将所述基频设置为中心频率之后执行输入音频信号的带通滤波；以及调制带通滤波后的音频信号。

带通滤波后的音频信号的调制还可以包括使用单边带(SSB)调制来调制带通滤波后的音频信号。

所述输入音频信号也可以是高通滤波后的音频信号。

所述方法还可以包括调节所述谐波信号的幅度。

也可以通过提供一种用于增强音频信号的低频分量的装置来实现本总的发明构思的前述和/或其它方面和效用。该装置包括：基频计算器，用于使用输入音频信号以及通过将输入音频信号延迟预定量的时间而获得的延迟后的音频信号来计算输入音频信号的基频；谐波信号产生器，用于基于所述基频而从输入音频信号产生谐波信号；以及信号组合器，用于将所述谐波信号与输入音频信号相组合。

所述基频计算器还可以包括：低通滤波器，用于执行输入音频信号的低通滤波；以及频率计算器，用于使用低通滤波后的音频信号和延迟后的音频信号之间的最大互相关值来计算输入音频信号的基频。

所述频率计算器还可以包括：延迟时间计算器，当获得低通滤波后的音频信号和延迟后的音频信号之间的最大互相关值时，其计算所述延迟后的音频信号的延迟时间；以及时间-频率转换器，将该延迟时间转换为频率。

所述谐波信号产生器还可以包括：带通滤波器，用于通过将所述基频设置为中心频率来执行输入音频信号的带通滤波；以及调制器，用于调制带通滤波后的音频信号。

所述调制器可以使用单边带(SSB)调制来调制带通滤波后的音频信号。

所述装置还可以包括：高通滤波器，用于在将音频信号输入到基频计算器之前执行该音频信号的高通滤波。

所述装置还可以包括：谐波信号调节器，用于调节所述谐波信号的幅度。

也可以通过提供一种计算机可读记录介质来实现本总的发明构思的前述和/或其它方面和效用，所述计算机可读记录介质包含用于执行增强音频信号的低频分量的方法的计算机可读代码，该方法包括：使用输入音频信号以及通过将输入音频信号延迟预定量的时间而获得的延迟后的音频信号，来计算输入音频信号的基频；基于该基频而从输入音频信号产生谐波信号；以及将所述谐波信号与输入音频信号相组合。

也可以通过提供一种计算音频信号的基频的方法来实现本总的发明构思的前述和/或其它方面和效用。该方法包括：执行音频信号的低通滤波；计算与低通滤波后的音频信号和延迟后的音频信号之间的最大互相关值相对应的、所述延迟后的音频信号的延迟时间；以及将所述延迟时间转换为所述基频。

也可以通过提供一种用于计算音频信号的基频的装置来实现本总的发明构思的前述和/或其它方面和效用。该装置包括：低通滤波器，用于执行音频信号的低通滤波；延迟时间计算器，用于计算延迟后的音频信号的延迟时间，所述延迟时间与低通滤波后的音频信号和通过将所述音频信号延迟预定量的时间而获得的延迟后的音频信号之间的最大互相关值相对应；以及时间-频率转换器，用于将所述延迟时间转换为所述基频。

附图说明

根据结合附图阅读的、对实施例的以下描述，本总的发明构思的这些和/或其它方面和效用将变得清楚和更容易理解，在附图中：

图1是用于增强音频信号的低频分量的传统装置的框图；

图2是图示用于增强音频信号的低频分量的理想谐波信号的图；

图3是图示使用图1的传统装置产生的谐波信号的图；

图4是图示根据本总的发明构思的实施例的、用于增强音频信号的低频分量的装置的框图；

图5是图示根据本总的发明构思的实施例的、图4的基频计算器的框图；

图6是描述根据本总的发明构思的实施例的、图5的时间延迟计算器的操作的曲线图；

图7是图示根据本总的发明构思的实施例的、计算基频的方法的流程图；

图8是图示根据本总的发明构思的实施例的、图4的谐波信号产生器的框图；

图9是图示根据本总的发明构思的实施例产生的谐波信号的图；

图10图示通过使用根据本总的发明构思的实施例的增强音频信号的低频分量的方法产生的低频分量增强的音频信号；

图11是图示根据本总的发明构思的实施例的、增强音频信号的低频分量的方法的流程图；以及

图12是进一步图示根据图11的方法的本总的发明构思的实施例中的方法的流程图。

具体实施方式

下面，将对本总的发明构思的实施例进行详细介绍，其示例在附图中示出，其中，相同的参考标号自始至终指示相同的元件。下面描述这些实施例，以便通过参照附图来解释本总的发明构思。

图4是根据本总的发明构思的实施例的、用于增强音频信号的低频分量的装置的框图。

参照图4，所述装置包括基频计算器410、谐波信号产生器420、谐波信号调节器430、和信号组合器440。

基频计算器410使用输入音频信号以及通过将输入音频信号延迟预定量的时间而获得的延迟后的音频信号来计算输入音频信号的基频。

谐波信号产生器420基于基频计算器410计算的基频而从输入音频信号产生谐波信号。谐波信号调节器430调节谐波信号产生器420产生的谐波信号的幅度。

信号组合器440通过将谐波信号和输入音频信号相组合来增强输入音频信号的低频分量。

图5是根据本总的发明构思的实施例的图4的基频计算器410的框图。

参照图5，基频计算器410包括低通滤波器412和频率计算器414。

低通滤波器412执行输入音频信号的低通滤波。例如，低通滤波器412可以通过将截止频率设置为120Hz来执行输入音频信号的低通滤波。然而，低通滤波器412的截止频率可以根据实现而改变。

频率计算器414包括延迟时间计算器414a和时间-频率转换器414b。

延迟时间计算器414a计算当获得低通滤波后的音频信号和延迟后的音频信号之间的最大互相关值时所述延迟后的音频信号的延迟时间。该互相关值指示不同信号之间的相似度。也就是说，如果不同信号之间的相似性增大，则互相关值增大。

图6是描述根据本总的发明构思的实施例的图5的时间延迟计算器414a的曲线图。

在图6中，例如，第一信号610可以是输入音频信号，并且第二信号620可以是延迟后的音频信号。参照图6，第一信号610具有周期T，并且将第二信号620从第一信号610起延迟一个量Δt。

在本总的发明构思的实施例中，如图5所示，时间延迟计算器414a确定当Δt改变时第一信号610和第二信号620之间的互相关值最大的情况下的Δt的值。

当第一信号610和第二信号620之间的互相关值最大时，信号610和信号620在时域中具有相同的周期，并且第一信号610和第二信号620之间的互相关值的能量在频域中最大，并且，信号610和信号620具有第一信号610和第二信号620的互相关值最大时的频率，并且为基频。

时间-频率转换器414b将时间延迟计算器414a计算的延迟时间转换为频率。

因此，时间-频率转换器414b可以基于输入音频信号的采样率来将延迟时间转换为频率，如下面的方程1所示。

$f=\frac{f_s}{(\frac{f_s}{100}+\mathrm{tx}-1)}---\left(1\right)$

这里，f表示频率，fs表示采样率，tx表示延迟值，其中在该延迟值处，在如下面的方程2所示与延迟时间具有转换关系的一组延迟值中，互相关值最大。

$t=\frac{\mathrm{tx}}{f_s}---\left(2\right)$

例如，可以如下面的方程3所示的那样来确定这组延迟值。

$[\frac{f_s}{100},\frac{f_s}{100}+1,\frac{f_s}{100}+2,\·\·\·,\frac{f_s}{20}]---\left(3\right)$

如果采样率是44100Hz，则这组延迟值包含441Hz到2205Hz的延迟值，并且当使用方程2将这些延迟值转换为时域中的延迟时间时，这些延迟时间是0.01秒到0.05秒。

这样，通过计算例如当将t从0.01秒改变到0.05秒时互相关值最大的情况下的延迟时间，使用方程2将该延迟时间转换为延迟值，并且将该延迟值代入方程1，可以获得与互相关值最大的情况的延迟时间相对应的频率，即基频。

图7是图示根据本总的发明构思的实施例的计算基频的方法的流程图。

参照图7，在操作710中执行输入音频信号的低通滤波。

在操作720中，当获得低通滤波后的音频信号和通过将输入音频信号延迟预定时间获得的延迟后的音频信号之间的最大互相关值时，计算该延迟后的音频信号的延迟时间。

在操作730中，将所述延迟时间转换为频率。

如上所述，当基频计算器410计算出基频时，谐波信号产生器420基于该基频而从输入音频信号产生谐波信号。

图8是图示根据本总的发明构思的实施例的图4的谐波信号产生器420的框图。

参照图8，谐波信号产生器420包括带通滤波器422和调制器424。然而，为了更完整地描述，额外地示出了基频计算器410。

带通滤波器422在将基频计算器410计算的基频设置为中心频率之后执行输入音频信号的带通滤波。例如，如果基频计算器410计算的输入音频信号的基频为220Hz，则带通滤波器422以将中心频率设置为220Hz的预定带宽执行输入音频信号的带通滤波。

参照图8，调制器424通过调制带通滤波后的音频信号而产生谐波信号。调制器424可以使用例如单边带(SSB)调制方法来调制带通滤波后的音频信号。SSB调制方法是指仅仅使用通过幅度调制(AM)产生的上边带信号和下边带信号之一，并且与其它调制方法相比具有这样的优点，即：所占用的频率带宽减少一半，并且由于发送功率不必很高而减小了功耗。

然而，在本总的发明构思的实施例中使用的调制方法不限于SSB调制方法，并且可以使用能够产生谐波信号的各种调制方法。

如上所述，当谐波信号产生器420产生谐波信号时，如图4所示，谐波信号调节器430调节谐波信号产生器420产生的谐波信号的幅度。如果在谐波信号具有过多能量时组合输入音频信号和谐波信号，则可能改变音频信号的音调。因此，为了使音调的改变最小，调节谐波信号的幅度。

图9是描述根据本总的发明构思的实施例产生的谐波信号的图。

参照图9，第一信号的曲线图910示出了输入音频信号的基频，第二信号的曲线图920示出了用来增强第一信号的低频分量的谐波信号，所述谐波信号是根据本总的发明构思的实施例产生的。在第二信号的曲线图920中，基频具有非常小的幅度，即与谐波信号相比微不足道的幅度。这表示当从诸如小型扬声器的小尺寸设备输出音频信号时，低频分量的声音的电平，即能量较低。此外，在第二信号的曲线图920中示出了4个谐波信号，其中，这4个谐波信号的频率是基频的倍数，并且这4个谐波信号的幅度在其频率增大时减小。

如上所述，当图4所示的谐波信号调节器430产生幅度调节后的谐波信号时，信号组合器440通过将幅度调节后的谐波信号与输入音频信号相组合来增强输入音频信号的低频分量。

图10图示了通过使用根据本总的发明构思的实施例的增强音频信号的低频分量的方法产生的低频分量增强的音频信号。

参照图10，第一信号1010表示输入音频信号，并且第二信号1020表示低频分量增强的音频信号。

如图10所示，在第二信号1020的曲线图的左端存在平坦区域，该平坦区域表示在输入音频信号之前对该音频信号执行高通滤波，以便通过消除当再现音频信号时不被再现的波段的信号，来防止在音频信号的低频波段中不必要地集中过多的能量。

因此，为了获得第二信号1020的曲线图，执行下面描述的过程。

通过执行音频信号的高通滤波来消除当再现音频信号时不被再现的波段，将高通滤波后的音频信号输入到例如基频计算器410中，计算高通滤波后的音频信号的基频，并且基于该基频来产生谐波信号。

随后，通过将谐波信号和高通滤波后的音频信号相组合，可以获得诸如第二信号1020的低频分量增强的音频信号。

在图10中，尽管与第一信号1010相比第二信号1020仍然具有较小的低频分量，但是由于已经使用根据本总的发明构思的实施例的增强音频信号的低频分量的方法而增强了第二信号1020，因此听众可以根据上述声学效应而听到具有与输入音频信号的声音质量近似的声音质量的音频信号。

图11是图示根据本总的发明构思的实施例的、增强音频信号的低频分量的方法的流程图。

参照图11，在操作1110中，使用输入音频信号和通过将输入音频信号延迟预定量的时间而获得的延迟后的音频信号来计算输入音频信号的基频。

在操作1120中，基于所计算的基频而从输入音频信号产生谐波信号。

在操作1130中，将谐波信号与输入音频信号相组合。

图12是进一步图示根据本总的发明构思的实施例的、依照图11所示的方法的方法的流程图。

参照图12，在操作1210中执行输入音频信号的低通滤波。如上所述，当输入音频信号时，可以通过执行该音频信号的高通滤波来去除低频分量。

在操作1220中，当获得低通滤波后的音频信号和延迟后的音频信号之间的最大互相关值时，计算延迟后的音频信号的延迟时间。

在操作1230中，通过将所述延迟时间转换为频率来计算输入音频信号的基频。

在操作1240中，通过将所述基频设置为中心频率来执行输入音频信号的带通滤波。

在操作1250中，通过调制带通滤波后的音频信号来产生谐波信号。

在操作1260中，调节谐波信号的幅度。

在操作1270中，将幅度调节后的谐波信号与输入音频信号相组合。

可以作为计算机可读记录介质上的计算机可读代码来实施本总的发明构思。该计算机可读记录介质是能够存储随后可由计算机***读取的数据的任何数据存储设备。计算机可读记录介质的示例包括只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)、CD-ROM、磁带、软盘、光数据存储设备、以及载波(例如通过因特网进行的数据传送)。也可以在网络耦合的计算机***上分布该计算机可读记录介质，使得以分布式的方式存储和执行所述计算机可读代码。此外，本总的发明构思所属领域的程序员能够容易地理解用于实现本总的发明构思的功能程序、代码和代码段。

如上所述，根据本总的发明构思，可以使用人类的感觉特性来增强音频信号的低频分量，而不需物理地提高该低频分量的能量。

尽管图示和描述了本总的发明构思的几个实施例，但是本领域技术人员将认识到：在不背离本总的发明构思的原理和精神的情况下，可以在这些实施例中做出改变，本总的发明构思的范围是在所附权利要求及其等同物中限定的。

Claims (15)

1.一种增强音频信号的低频分量的方法，所述方法包括：

使用输入音频信号以及通过将所述输入音频信号延迟预定量的时间而获得的延迟后的音频信号，来计算所述输入音频信号的基频；

基于所述基频而从所述输入音频信号产生谐波信号；以及

将所述谐波信号与所述输入音频信号相组合。

2.如权利要求1所述的方法，其中，所述输入音频信号的基频的计算包括：

执行所述输入音频信号的低通滤波；以及

使用低通滤波后的音频信号和延迟后的音频信号之间的最大互相关值来计算所述输入音频信号的基频。

3.如权利要求2所述的方法，其中，所述输入音频信号的基频的计算包括：

当获得所述低通滤波后的音频信号和所述延迟后的音频信号之间的最大互相关值时，计算所述延迟后的音频信号的延迟时间；以及

将所述延迟时间转换为频率。

4.如权利要求1所述的方法，其中，所述谐波信号的产生包括：

在将所述基频设置为中心频率之后执行所述输入音频信号的带通滤波；以及

调制带通滤波后的音频信号。

5.如权利要求4所述的方法，其中，所述带通滤波后的音频信号的调制包括：使用单边带SSB调制来调制所述带通滤波后的音频信号。

6.如权利要求1所述的方法，其中，所述输入音频信号是高通滤波后的音频信号。

7.如权利要求1所述的方法，还包括：调节所述谐波信号的幅度。

8.一种增强音频信号的低频分量的装置，所述装置包括：

基频计算器，用于使用输入音频信号以及通过将所述输入音频信号延迟预定量的时间而获得的延迟后的音频信号来计算所述输入音频信号的基频；

谐波信号产生器，用于基于所述基频而从所述输入音频信号产生谐波信号；以及

信号组合器，用于将所述谐波信号与所述输入音频信号相组合。

9.如权利要求8所述的装置，其中，所述基频计算器包括：

低通滤波器，用于执行所述输入音频信号的低通滤波；以及

频率计算器，用于使用低通滤波后的音频信号和延迟后的音频信号之间的最大互相关值来计算所述输入音频信号的基频。

10.如权利要求9所述的装置，其中，所述频率计算器包括：

延迟时间计算器，其在获得所述低通滤波后的音频信号和所述延迟后的音频信号之间的最大互相关值时计算所述延迟后的音频信号的延迟时间；以及

时间-频率转换器，其将所述延迟时间转换为频率。

11.如权利要求8所述的装置，其中，所述谐波信号产生器包括：

带通滤波器，用于在将所述基频设置为中心频率之后执行所述输入音频信号的带通滤波；以及

调制器，用于调制带通滤波后的音频信号。

12.如权利要求11所述的装置，其中，所述调制器使用单边带SSB调制来调制所述带通滤波后的音频信号。

13.如权利要求8所述的装置，还包括高通滤波器，用于在将音频信号输入到所述基频计算器之前执行所述音频信号的高通滤波。

14.如权利要求8所述的装置，还包括：谐波信号调节器，用于调节所述谐波信号的幅度。

15.一种计算机可读记录介质，其包含用于执行增强音频信号的低频分量的方法的计算机可读代码，所述方法包括：

使用输入音频信号以及通过将所述输入音频信号延迟预定量的时间而获得的延迟后的音频信号，来计算所述输入音频信号的基频；

基于所述基频而从所述输入音频信号产生谐波信号；以及

将所述谐波信号与所述输入音频信号相组合。

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