CN101359902B

CN101359902B - 一种音频信号的均衡方法及***

Info

Publication number: CN101359902B
Application number: CN2008101493937A
Authority: CN
Inventors: 谢湘勇
Original assignee: JUCAI MICRO DEVICES (SHENZHEN) CO Ltd
Current assignee: JUCAI MICRO DEVICES (SHENZHEN) CO Ltd
Priority date: 2008-09-25
Filing date: 2008-09-25
Publication date: 2012-03-21
Anticipated expiration: 2028-09-25
Also published as: CN101359902A

Abstract

本发明公开了一种音频信号的均衡方法及***，包括：根据音频信号频率范围依照心理声学模型划分音频类，针对每一个划分的音频类设计一个带通滤波器，各带通滤波器的通带覆盖对应的一种音频类的频率范围；再根据各带通滤波器的对应音频类，调整各带通滤波器的通带；将各带通滤波器组成滤波器组，选择带通滤波器对音频信号进行滤波，并将所选带通滤波器的输出信号根据其增益放大后，再进行信号叠加。采用本发明提供的方法及***，解决了现有技术中EQ曲线存在明显的能量波峰和波谷的问题，并且可以减少计算量。

Description

一种音频信号的均衡方法及***

技术领域

本发明涉及音频播放领域，尤其涉及一种在便携式音频播放器中的音频信号的均衡方法及***。

背景技术

在MP3等便携式播放器中，对音频信号进行均衡可以通过均衡器(EQ)调节实现，即分别调节各种频率成分电信号放大量，通过对各种不同频率的电信号的调节来补偿扬声器和声场的缺陷，补偿和修饰各种声源及其它特殊作用，EQ调节功能可以通过使用多段滤波器组合对音频信号滤波来实现。

滤波器的品质因数Q是这样定义的，已知一带通滤波器的通带和中心频点，则其带宽为其通带上下两个截止频率之间的频率范围，中心频点和带宽之比称为品质因数Q，现有技术所用滤波器的品质因数Q一般在1-2.5之间。

目前现有音频信号的均衡方法是首先根据频率范围简单地将人耳可闻的20-20khz的音频信号划分为相等的几个频带，针对划分的每个频带设计一个带通滤波器，该带通滤波器中心频点和带宽固定，增益可调，将各带通滤波器组成滤波器组，然后对解码后的音频输入信号进行滤波，通过计算滤波器系数和调节滤波器的增益，实现EQ调节功能。如果采用这种音频信号固定等分划分，至少需要将音频信号划分为10等份到31等份等比较多的等分，才能得到较好的调节效果，如计算机软件中使用的EQ调节就用这种实现方法，总共划分了31个频带，需要设计31个带通滤波器，计算量非常大，应用在便携式播放器中时，一般会划分为10等份或5等份，划分为10等份时计算量仍然比较大；并且所设计的各带通滤波器的品质因数Q是相等的，导致获得的EQ曲线会在两等分波峰的中点出现较低的波谷，使调节不均匀。因此，采用现有音频信号的均衡方法获得的EQ曲线抖动比较大，即存在明显的能量波峰和波谷，同时需要较大的计算量。

发明内容

本发明实施例提供一种音频信号的均衡方法及***，解决现有技术中EQ曲线存在明显的能量波峰和波谷的问题。

本发明实施例一种音频信号的均衡方法，所述方法包括：

采用带通滤波器组成滤波器组；

依照心理声学模型，将所述音频信号划分为频率范围大小不同的音频类，使所述滤波器组中的各带通滤波器的通带覆盖对应的所述音频类；

选择所述滤波器组中的带通滤波器对音频信号进行滤波；

将所选带通滤波器的输出信号根据所选带通滤波器的增益放大后，再进行信号叠加。

上述方法还包括：根据各所述带通滤波器的对应音频类，调整各所述带通滤波器的通带。

所述调整各所述带通滤波器的通带，进一步包括：

调整包含1khz的音频类对应的带通滤波器和与其相邻音频类对应的带通滤波器之间的通带重叠最多；

调整相邻音频类各自对应的带通滤波器之间的通带重叠，使得按照所述音频类的对应频率从所述包含1khz的音频类的对应频率到低或高的频率变化顺序，所述通带重叠越来越少。

选择所述滤波器组中的带通滤波器对音频信号进行滤波，进一步包括：

初始化各所述带通滤波器的增益；

根据音频信号的采样率，确定选择的带通滤波器及其系数；以及关闭其余的带通滤波器；

由所述选择的带通滤波器对音频信号进行滤波。

所述初始化各所述带通滤波器的增益，进一步包括：

根据当前要求的均衡器EQ曲线，从预设的EQ曲线与带通滤波器增益的对应关系中，选择各所述带通滤波器的增益。

所述预设的EQ曲线与各带通滤波器增益的对应关系，进一步包括：

根据各种EQ曲线特征，结合心理声学模型设置各所述带通滤波器的增益；或者

由用户设置与各种EQ曲线对应的各所述带通滤波器的增益。

所述关闭其余的带通滤波器，进一步包括：

将其余的带通滤波器的增益设为0。

所述带通滤波器采用串联的方式组成所述滤波器组；或者

所述带通滤波器采用并联的方式组成所述滤波器组。

本发明实施例还提供一种音频信号的均衡***，包括：

滤波器组，所述滤波器组由带通滤波器组成；各所述带通滤波器的通带覆盖对应的一种音频类的频率范围，所述音频类为根据音频信号频率范围依照心理声学模型划分种类，划分的各音频类的频率范围大小不同；所述滤波器组中的各带通滤波器用于对音频信号进行滤波；

滤波控制装置，用于选择所述滤波器组中的带通滤波器对音频信号进行滤波；

信号放大装置，用于将所选带通滤波器的输出信号根据所选带通滤波器的增益放大；

信号叠加装置，用于将所述信号放大装置放大后的信号进行信号叠加。

所述滤波控制装置包括：

增益初始化单元，用于根据要求的均衡器EQ曲线，初始化各所述带通滤波器的增益；

选择和系数确定单元，用于根据音频信号的采样率，确定选择的带通滤波器及其系数；以及关闭其余的带通滤波器；

滤波控制单元，用于控制所选的带通滤波器对音频信号进行滤波。

所述滤波器组由所述带通滤波器采用串联的方式组成；或者

所述滤波器组由所述带通滤波器采用并联的方式组成。

本发明有益效果如下：

本发明实施例提供的音频信号的均衡方法根据音频信号频率范围依照心理声学模型划分音频类，针对每一个划分的音频类设计一个带通滤波器，各带通滤波器的通带覆盖对应的一种音频类的频率范围；再根据各带通滤波器的对应音频类，调整各带通滤波器的通带；将各带通滤波器组成滤波器组，选择滤波器组中的带通滤波器对音频信号进行滤波，并将所选带通滤波器的输出信号根据所选带通滤波器的增益放大后，再进行信号叠加。根据心理声学模型从音乐的角度和人的感受将音频信号划分为不等的7个频带，且相邻频带之间有重叠，所以按上述方法设计的各带通滤波器的Q值是不全相等的，且相邻音频类各自对应的带通滤波器之间的通带有重叠，因此，采用本发明提供的音频信号的均衡方法及***，解决了现有技术中EQ曲线存在明显的能量波峰和波谷的问题；并且本发明基于心理声学模型分析EQ曲线特征，确定滤波器的对应增益，实现对某种或某几种音频类对应的频率做提升、衰减，同时在滤波过程中根据音频信号的采样率确定选择的带通滤波器，以及关闭其余的带通滤波器，可以减少计算量。

附图说明

图1为本发明实施例中非等Q值滤波器组的设计流程图；

图2为本发明实施例提供的音频信号的均衡方法流程图；

图3为本发明实施例提供的音频信号的均衡***结构示意图；

图4为本发明实施例提供的音频信号的均衡***的滤波控制装置结构示意图。

具体实施方式

本发明实施例提供一种音频信号的均衡方法及***，根据音频信号频率范围依照心理声学模型划分音频类，用于区分音频信号的频率范围，针对每一个划分的音频类设计一个带通滤波器，各带通滤波器的通带覆盖对应的一种音频类的频率范围；再根据各带通滤波器的对应音频类，调整各带通滤波器的通带；将各带通滤波器组成滤波器组，选择滤波器组中的带通滤波器对解码后的音频信号进行滤波，并将所选带通滤波器的输出信号根据所选带通滤波器的增益放大后，再进行信号叠加。采用该音频信号的均衡方法可以获得平滑的EQ曲线，避免出现明显的能量波峰和波谷，且计算量小。

下面结合附图对本发明上述方法及***进行详细描述。

本发明实施通过以下步骤实现：

一种音频信号的均衡方法，所述方法包括：

采用带通滤波器组成滤波器组；

依照心理声学模型，将所述音频信号划分为不同频率范围的音频类，使所述滤波器组中的各带通滤波器的通带覆盖对应的所述音频类；

选择所述滤波器组中的带通滤波器对音频信号进行滤波；

以下参照附图进一步说明。本发明实施例提供一种音频信号的均衡方法，该音频信号的均衡方法中使用的非等Q值滤波器组的设计流程如图1所示，包括：

步骤S101：根据音频信号频率范围依照心理声学模型划分音频类；

步骤S102：针对每一音频类设计一个带通滤波器；

步骤S103：调整各带通滤波器的通带，确定中心频点；

步骤S104：将各带通滤波器组成滤波器组。

下面对每一个步骤进行详细描述：

步骤S101：根据音频信号频率范围依照心理声学模型划分音频类。

本发明实施例依照心理声学模型，即从音乐的角度和人的感受划分音频信号，例如，根据声音的特点按频率范围将人耳可闻的20-20khz的音频信号从低到高划分为7个音频类：超低频音频类、低频音频类、中低频音频类、中频音频类、中高频音频类、高频音频类、超高频音频类，具体每一音频类对应的频率范围不是固定的，例如，可以是：超低频音频类[20--100]hz、低频音频类[60--500]hz、中低频音频类[200--1000]hz、中频音频类[500--2500]hz、中高频音频类[2000--8000]hz、高频音频类[4500--14000]hz、超高频音频类[14000--22000]hz，相邻音频类对应的频率范围有重叠的部分。

步骤S102：针对每一音频类设计一个带通滤波器。

在上述音频信号划分的基础上，针对每一个划分的音频类设计一个带通滤波器，各带通滤波器的通带覆盖其对应的音频类的频率范围，例如，根据上述音频信号的划分结果，各音频类对应的滤波器的通带可以是：超低频音频类[20--100]hz、低频音频类[60--500]hz、中低频音频类[200--1000]hz、中频音频类[500--2500]hz、中高频音频类[2000--8000]hz、高频音频类[4500--14000]hz、超高频音频类[14000--22000]hz。

步骤S103：调整各带通滤波器的通带，确定中心频点。

本发明人在实践过程中发现，为了达到EQ曲线中音频信号各分类之间圆滑过渡，避免出现不必要的抖动，可以让相邻音频类各自对应的带通滤波器通带有一定的重叠，重叠的成分越多，出现的波谷就越不明显。因此，本发明实施例在上述带通滤波器设计的基础上，从类间过渡和类间波谷角度调整各带通滤波器的通带，即调整相邻音频类各自对应的带通滤波器之间通带的重叠。具体根据人类听觉的响度敏感性来调整。人类听觉的响度敏感性表现为在1khz左右的某一频点声音敏感性最高，越往低频敏感性越低，越往高频敏感性也越低，并且由于越是在敏感的区域，EQ曲线出现波谷的影响就越明显，故设计在最敏感的区域，相邻音频类各自对应的带通滤波器之间通带的重叠部分最多，次敏感区域，重叠部分就少一些，因此，调整中频音频类对应的带通滤波器和与其相邻音频类对应的带通滤波器的通带重叠最多，按照各音频类的对应频率从中频到低频或高频的顺序，调整相邻音频类各自对应的带通滤波器之间通带重叠越少。

根据最后设计的各带通滤波器的通带，分别确定各带通滤波器中心频点和品质因数Q，本发明实施例依据上述方法给出一种非等Q值滤波器组的设计，如表1所示，可见采用本实施例的方法设计的各滤波器的品质因数Q是不全相等的，相邻滤波器之间的通带有重叠，并且在中频类对应的带通滤波器重叠最多，向低频或高频方向，重叠越少。

表1：各带通滤波器的通带、中心频点和品质因数Q

滤波器	通带(单位：Hz)	中心频点(单位：Hz)	品质因数
				1	[40.0，160.0]	80	0.67
2	[66.0，606.3]	200	0.37
				3	[92.5，2575.7]	488	0.196
4	[323.3，2970.8]	980	0.37
				5	[2000.0，8000.0]	4000	0.67
6	[4594.8，13928.8]	8000	0.857
				7	[11313.7，22627.4]	16000	1.41

在滤波器的具体设计上，本发明不强调具体的滤波器形式，只需要滤波器具有带通特性，符合设计的通带要求，例如，使用2阶无限响应滤波(IIR)滤波器，该滤波器具有带通特性，设计传递函数为：

H (z) = \frac{α (1 - z^{- 2})}{1 - {γz}^{- 1} + {βz}^{- 2}}

滤波器的系数α，β，γ决定了该滤波器的通带和中心频点。

步骤S104：将各带通滤波器组成滤波器组。

上述设计的各带通滤波器采用串联的方式组成滤波器组，也可以采用并联的方式组成滤波器组。

本实施例中采用串联的方式组成滤波器组，由上述滤波器组对解码后的音频信号进行滤波。

图2所示为本发明实施例提供的音频信号的均衡方法流程图，包括：

步骤S201：根据心理声学模型，设计非等Q值滤波器组；

步骤S202：根据要求的EQ曲线，初始化各带通滤波器的增益；

步骤S203：根据音频信号的采样率，确定选择的带通滤波器及其系数，以及关闭其余的带通滤波器；

步骤S204：由选择的带通滤波器对解码后的音频信号进行滤波，将所选带通滤波器的输出信号根据其增益放大后，再进行信号叠加。

下面对每一个步骤进行详细描述：

步骤S201：根据心理声学模型，设计非等Q值滤波器组。

采用上述方法设计非等Q值滤波器组。

步骤S202：根据要求的EQ曲线，初始化各带通滤波器的增益。

本发明实施例中首先预先设置各种EQ曲线与各带通滤波器增益的对应关系，对音频信号进行滤波时，根据当前要求的EQ曲线，从预设的EQ曲线与带通滤波器增益的对应关系中，选择各带通滤波器的增益。

对于一种EQ曲线，其特征表现为对某些频段音频信号做提升，某些频段音频信号做衰减，提升和衰减的幅度分别是多大。结合心理声学模型，可知其主要是对7个音频类中的某些音频类对应的频率范围的音频信号做提升，某些音频类对应的频率范围的音频信号做衰减，提升和衰减的幅度分别是多大，还可以判定哪些音频类对应的频率范围的音频信号不需要做滤波处理，则可以将该音频类对应的带通滤波器增益设为0。因此，本发明实施例在预先设置各种EQ曲线与各带通滤波器增益的对应关系时，首先依据这些判断设置对应滤波器的增益，然后根据实际得到的EQ曲线与要求的EQ曲线的差异，对相应滤波器的增益做细微的调整，从而获得与每一种EQ曲线对应的各带通滤波器的增益；或者由用户根据经验值预先设定与每一种EQ曲线对应的各带通滤波器的增益。

本实施例可以预先设置多组各带通滤波器的增益，对应于多种特定的EQ曲线。表2所示为本发明实施例中按上述方法设计的各带通滤波器对应于两种特定EQ曲线的增益值。

表2：各带通滤波器对应特定EQ曲线的增益设置

	滤波器1	滤波器2	滤波器3	滤波器4	滤波器5	滤波器6	滤波器7
								重低音曲线	5.0	3.0	1.0	0	0	0	0
摇滚曲线	5.0	2.0	0	0	3.0	5.0	0

步骤S203：根据音频信号的采样率，确定选择的带通滤波器及其系数，以及关闭其余的带通滤波器。

目前音频应用领域内，音频信号的采样率主要有9种，分别是：48kHz、44.1kHz、32kHz、24kHz、22.05kHz、16kHz、12kHz、11.025kHz和8kHz，本发明可以根据这9种采样率来确定选择的带通滤波器及其系数。

由于采样率至少应是音频信号最高频率的两倍，所以不论要求的EQ曲线有何特征，通带范围超出信号最高频率的带通滤波器对于该信号的滤波是不起作用的，考虑到减少信号滤波计算时的计算量，所以选择相应带通滤波器，并关闭其余的带通滤波器，具体对应不同的采样率选择的带通滤波器如表3所示。

表3：对应不同的采样率选择的滤波器

采样率(kHz)

滤波器1

滤波器2

滤波器3

滤波器4

滤波器5

滤波器6

滤波器7

48

启用

44.1

启用

32

启用

24

启用

22.5

启用

16

启用

12

启用

11.025

启用

8

启用

通过设置其余的带通滤波器的增益为0实现关闭其余的带通滤波器，达到减少计算量的目的。

已知带通滤波器的通带、中心频点和传递函数形式，根据音频信号的采样率确定该带通滤波器的系数为现有技术，在此不做详细描述。

本发明实施例在由选择的带通滤波器对解码后的音频信号进行滤波前，首先对解码后的音频信号进行预处理，即将输入的数字音频信号右移4位作为滤波器组的输入，目的是防止在滤波计算过程中数据产生溢出。

由于本发明实施例中采用串联方式组成滤波器组，并且各带通滤波器的传递函数形式相同，因此，在获得经过预处理的音频输入信号后，从中心频点由低到高逐一由各带通滤波器对音频输入信号进行滤波。

在对应各带通滤波器进行滤波计算时，包括：

首先判断该带通滤波器的增益是否为0，如果增益为0，则表示关闭了该带通滤波器，不做滤波计算，执行下一个带通滤波器的滤波计算，如果增益不为0，则表示启用了该带通滤波器；

然后根据上述确定的该带通滤波器的系数进行滤波计算，例如，采用上述滤波器的传递函数形式计算，设输入为x[n]，输出为y[n]，则根据其传递函数可计算y[n]＝α(x[n]-x[n-2])+γy[n-1]-βy[n-2]，再将y[n]乘以其对应的增益，得到乘积，作为该带通滤波器的输出；

接下来判断已经经过滤波处理的次数(判断关闭的带通滤波器的增益为0也计为一次)，如果小于7次，则执行下一个带通滤波器的滤波计算，如果等于7次，则表示已经经过全部滤波处理；

最后将上述计算获得的各带通滤波器的输出叠加，作为该滤波器组的输出。

由于之前对音频输入信号进行了预处理，因此在得到滤波器组的输出后，将该数字输出左移4位，获得经过EQ处理的音频信号。

另一实施例中，各滤波器可以是并联关系，即各滤波器可以同时进行滤波处理。

基于同一发明构思，根据本发明上述实施例提供的音频信号的均衡方法，相应地，本发明实施例还提供了一种音频信号的均衡***，***结构示意图如图3所示，具体如下，

滤波器组S301，滤波器组S301由带通滤波器组成；各带通滤波器的通带覆盖对应的一种音频类的频率范围，该音频类为根据音频信号频率范围依照心理声学模型划分种类；滤波器组S301中的各带通滤波器用于对解码后的音频信号进行滤波。

滤波控制装置S302，用于选择滤波器组S301中的带通滤波器对解码后的音频信号进行滤波；

信号放大装置S303，用于将所选带通滤波器的输出信号根据所选带通滤波器的增益放大；

信号叠加装置S304，用于将所述信号放大装置S303放大后的信号进行信号叠加。

上述滤波器组S301可以由带通滤波器采用串联的方式组成；或者由带通滤波器采用并联的方式组成。

上述滤波控制装置S302结构如图4所示，包括：

增益初始化单元S401，用于根据要求的EQ曲线，初始化各带通滤波器的增益；

选择和系数确定单元S402，用于根据音频信号的采样率，确定选择的带通滤波器及其系数；以及关闭其余的带通滤波器；

滤波控制单元S403，用于控制所选的带通滤波器对解码后的音频信号进行滤波。

综上所述，本发明实施例提供的方案，根据心理声学模型划分音频类，针对划分的音频类设计滤波器组，选择滤波器组中的带通滤波器对解码后的音频信号进行滤波，并将所选带通滤波器的输出信号根据所选带通滤波器的增益放大后，再进行信号叠加。解决了现有技术中EQ曲线存在明显的能量波峰和波谷的问题，并且可以减少计算量。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims

1.一种音频信号的均衡方法，其特征在于，所述方法包括：

采用带通滤波器组成滤波器组；

选择所述滤波器组中的带通滤波器对音频信号进行滤波；

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：根据各所述带通滤波器的对应音频类，调整各所述带通滤波器的通带。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述调整各所述带通滤波器的通带，进一步包括：

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，选择所述滤波器组中的带通滤波器对音频信号进行滤波，进一步包括：

初始化各所述带通滤波器的增益；

由所述选择的带通滤波器对音频信号进行滤波。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述初始化各所述带通滤波器的增益，具体包括：

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述预设的EQ曲线与各带通滤波器增益的对应关系，进一步包括：

由用户设置与各种EQ曲线对应的各所述带通滤波器的增益。

7.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述关闭其余的带通滤波器，进一步包括：

将其余的带通滤波器的增益设为0。

8.如权利要求1-7任一所述的方法，其特征在于，所述带通滤波器采用串联的方式组成所述滤波器组；或者

所述带通滤波器采用并联的方式组成所述滤波器组。

9.一种音频信号的均衡***，其特征在于，包括：

信号放大装置，用于将所选带通滤波器的输出信号根据所选带通滤波器的增益进行放大；

10.如权利要求9所述的***，其特征在于，所述滤波控制装置包括：

11.如权利要求9或10所述的***，其特征在于，所述滤波器组由所述带通滤波器采用串联的方式组成；或者

所述滤波器组由所述带通滤波器采用并联的方式组成。