CN101577848B

CN101577848B - 一种重低音增强方法及***

Info

Publication number: CN101577848B
Application number: CN2009100798400A
Authority: CN
Inventors: 张晨
Original assignee: Wuxi Vimicro Corp
Current assignee: Wuxi Zhonggan Microelectronics Co Ltd
Priority date: 2009-03-12
Filing date: 2009-03-12
Publication date: 2013-12-11
Anticipated expiration: 2029-03-12
Also published as: CN101577848A

Abstract

本发明公开了一种重低音增强方法及***，用以提高音频信号的重低音增强效果，并且提高处理速度。本发明提供的一种重低音增强方法包括：按照预设的截止频率对音频信号进行低通滤波处理，得到该音频信号中的时域的低频信号，并将该低频信号转换为频域的低频信号；将所述频域的低频信号进行频带增益控制后还原为时域的低频信号，得到信号强度增强后的低频信号；将信号强度增强后的低频信号与所述音频信号合成，并将合成后的音频信号进行自动增益控制。

Description

一种重低音增强方法及***

技术领域

本发明涉及信息处理技术领域，尤其涉及一种重低音增强方法及***。

背景技术

重低音增强技术是用来增强音频信号的低频部分的一种技术，例如增强音乐中的鼓声和贝斯声等低频部分的声音。

一般的音响和耳机都存在一定程度的低频损失，因此重低音的效果已经成为评价音频质量的重要标准之一。

现有的重低音增强技术采用的是均衡（EQ）技术，其原理如图1所示，即音频信号经过分析窗处理后进行快速傅里叶变换（FFT），然后对低频部分的频带（band）乘以一个增益，再经过快速傅里叶逆变换（IFFT），最后进行综合窗处理后输出，得到重低音增强后的信号。

然而，现有的重低音增强技术很容易使得音频信号产生饱和噪声，因此无法产生很好的重低音效果。并且，现有的重低音增强技术是对整个音频信号进行FFT及IFFT处理，因此处理速度较慢。

发明内容

本发明实施例提供了一种重低音增强方法及***，用以提高音频信号的重低音增强效果，并且提高处理速度。

本发明实施例提供的一种重低音增强方法包括：

按照预设的截止频率对音频信号进行低通滤波处理，得到该音频信号中的时域的低频信号，并将该低频信号转换为频域的低频信号；

将所述频域的低频信号进行频带增益控制后还原为时域的低频信号，得到信号强度增强后的低频信号；

将信号强度增强后的低频信号与所述音频信号合成，并将合成后的音频信号进行自动增益控制，对于帧长为N的音频信号中的第i帧音频信号，用做了帧内平滑的增益gainW(i)去处理输入信号input(i)，得到调整了增益后的输出信号output(i)为：output(i)=input(i)*gainW(i),i=0～N-1；其中，gainW(i)为当前帧内做了帧内平滑后的样点i的增益，以保证幅度最大的音频信号处于饱和边界。

本发明实施例提供的一种重低音增强***包括：

第一低通滤波单元，用于按照预设的截止频率对音频信号进行低通滤波处理，得到该音频信号中的时域的低频信号；

频域转换单元，用于将时域的低频信号转换为频域的低频信号；

频带增益控制单元，用于通过将所述频域的低频信号进行频带增益控制，提高所述频域的低频信号的信号强度；

时域转换单元，用于将信号强度增强后的频域的低频信号转换为时域的低频信号；

合成单元，用于将经过所述时域转换单元处理后的低频信号与所述音频信号合成；

自动增益控制单元，用于将所述合成后的音频信号进行自动增益控制，对于帧长为N的音频信号中的第i帧音频信号，用做了帧内平滑的增益gainW(i)去处理输入信号input(i)，得到调整了增益后的输出信号output(i)为：output(i)=input(i)*gainW(i),i=0～N-1；其中，gainW(i)为当前帧内做了帧内平滑后的样点i的增益，以保证幅度最大的音频信号处于饱和边界。

本发明实施例，通过按照预设的截止频率对音频信号进行低通滤波处理，得到该音频信号中的时域的低频信号，并将该低频信号转换为频域的低频信号；将所述频域的低频信号进行频带增益控制后还原为时域的低频信号，得到信号强度增强后的低频信号；将信号强度增强后的低频信号与所述音频信号合成，并将合成后的音频信号进行自动增益控制，使得输出的音频信号在避免产生饱和噪声的前提下，很大程度地增强了其中的低频信号，从而提高了音频信号的重低音增强效果。并且，由于只对音频信号中的低频信号进行时域和频域的转换处理，避免了对其他信号的转换过程，因此还可以大大提高处理速度。

附图说明

图1为现有技术中EQ原理示意图；

图2为本发明实施例提供的重低音增强***的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的斜坡函数示意图；

图4为本发明实施例提供的重低音增强方法的流程示意图。

具体实施方式

本发明实施例提供了一种重低音增强方法及***，用以在避免音频信号产生饱和噪声的前提下，大幅提升音频信号中的低频信号的增益，从而提高音频信号的重低音增强效果。并且，还可以大大提高处理速度。

本发明实施例采用滤波及变采样率技术，将音频信号中的低频部分单独抽出，然后在较低采样率下通过FFT将信号变换到频域，这样就可以更加细致的调解低频部分各个频段的增益，因此不仅可以大幅提升音频信号中的低频信号的增益，从而提高音频信号的重低音增强效果，而且还可以降低运算复杂度。最后，将增强后的低频部分与原始信号叠加，运用自动增益控制（AGC）技术将信号幅度控制在临界饱和位置，使得重低音在充分增强的同时，又不会饱和溢出产生噪声。

也就是说，本发明实施例与现有技术相比，主要包括如下两点改进：

1.只做重低音增强，没有必要对音频信号的全带做FFT及IFFT变换，因此，采用采样率转换技术，先将信号经过低通滤波器，再将采样率降低，然后对低采样率信号作FFT变换，可以大大降低FFT的点数，IFFT变换之后只要再做升采样处理和低通滤波，即可得到增强后的低频信号，最后将增强后的低频信号与原信号相加，即可得到重低音增强后的音频信号。

2.数字信号采用16比特（bit）进行量化，如果溢出，就需要采用溢出保护（比如限幅到-32768～32767），由于信号本身的低频能量很大，如果提高低频增益，很容易发生溢出，采用限幅的方法，容易产生谐波失真，产生噪声。因此，现有的EQ增强重低音时都非常的保守，不能给出较大的增益。而对于一些低频较弱的音乐，往往满足不了要求，这就使一般的EQ在做低音增强时陷入两难的境地。本发明实施例将AGC应用到重低音增强算法中，可以很好地解决这个问题，大大提高重低音增强的质量和效果。

下面结合附图对本发明实施例提供的技术方案进行说明。

参见图2，本发明实施例提供的一种重低音增强***包括：

第一低通滤波单元11，按照预设的截止频率对音频信号进行低通滤波处理，得到该音频信号中的时域的低频信号。

抽取单元12，按照预设的抽取倍数，对时域的低频信号进行抽取处理后发送给分析窗单元13。

频域转换单元14，通过对经过所述分析窗单元13处理后的时域的低频信号，进行快速傅里叶变换（FFT），得到频域的低频信号。

频带增益控制单元15，通过将频域的低频信号进行频带增益控制（BandGain Control），提高频域低频信号的信号强度。

时域转换单元16，通过快速傅里叶逆变换（IFFT）将经过频带增益控制单元15处理后的频域的低频信号还原为时域的低频信号，并将该时域的低频信号发送给综合窗单元17进行处理。

插值单元18，按照预设的插值倍数，对经过所述综合窗单元17处理之后得到的低频信号进行插值处理。

第二低通滤波单元19，按照预设的截止频率，将经过插值单元18插值处理后得到的信号进行低通滤波处理。

延时处理单元20，按照预设的时延值，对输入的音频信号进行延时处理。

合成单元21，将经过延时处理单元20处理后的音频信号，与信号强度增强后的低频信号，即第二低通滤波单元19处理后的信号进行合成。

自动增益控制单元22，将合成单元21合成后的音频信号进行自动增益控制。

下面对上述各个单元进行详细说明。

上述第一低通滤波单元11和第二低通滤波单元19的功能实际上是一样的，实际上就是一个简单的低通滤波器（LPF），LPF主要作用是把信号的低频部分滤出来。

LPF的截止频率的设定需要考虑两个方面：一方面不能太小，太小容易使低频成分被衰减；另一方面也不能太大，因为后续还要通过抽取单元12进行进一步处理，如果截止频率太大，会容易造成信号频谱混叠。

通常音频信号中的1千赫兹（KHz）以下的频率部分就包含了几乎所有的低音成分，因此本发明实施例中的截止频率应不小于1KHz。

例如：抽取单元12采用M倍抽取比例，音频信号的采样率为44.1KHz，则抽取单元12抽取得到的信号的采样率降低为约44.1KHz/M，而信号的频率应在44.1KHz/2M以下才不会发生混叠，因此本发明实施例的第一低通滤波单元11和第二低通滤波单元19中预设的截止频率应不大于44.1KHz/2M。

抽取单元12和插值单元18：

抽取单元12和插值单元18主要采用采样率转换技术，抽取单元12的抽取即从输入的信号序列中，每隔M个点抽取一个点，M即是抽取倍数。相应地，插值单元18的插值是在输入的信号序列中，在每个点后***M-1个零，M即是插值倍数，其值与抽取倍数的值相同。

设置抽取单元12和插值单元18进行采样率转换的操作的目的，是通过降低采样率，使得频域转换单元14和时域转换单元16在较低的采样率下工作，因此可以大大降低运算复杂度。

进一步，本发明实施例考虑到虽然降采样可以减小FFT和IFFT的处理点数，但是增加的低通滤波操作会增加额外的运算量，并且降采样的倍数越高，低通滤波器的通带越窄，满足要求的滤波器的阶数越高。因此，需要折衷（tradeoff）。经过试验，本发明实施例可以选择8倍降采样处理，即M=8，例如，输入的音频信号的采样率为44.1KHz，则低通滤波器的截止频率f_s必须满足：f_s≤44100/2/8，即f_s≤2756Hz。

本发明实施例采用的低通滤波器可以为截止频率为1.5KHz，64阶的FIR低通滤波器。阻带衰减大于50分贝（dB），低通滤波器由matlab设计。本发明实施例之所以没有选择在同样性能下阶数可以更低的IIR低通滤波器，原因包括：

FIR滤波器虽然有64阶，但是可以和抽取单元12和插值单元18一起构成快速算法***，真正的复杂度相当于64/8=8阶的FIR滤波器，因此算法的复杂度并不高；

而IIR滤波器由于有反馈操作，因此必须逐点运算，不能和变采样单元（即抽取单元12和插值单元18）组成快速算法***，另外，由于IIR滤波对数据精度要求较高，量化误差较大，因此也给设计带来一定困难，用较高精度的数据参与运算，往往增加运算量；

FIR滤波器具有线性相位，即所有频率具有相同的群延时，这点非常关键，不会带来相位失真。更为关键的是，在将增强后的低频信号与原信号叠加的时候，有一个相位对准的问题。如果采用IIR滤波器处理不当，就可能出现因反相而信号对消（phase cancel）的情况，因此会降低音频质量。

对于分析窗单元13、综合窗单元17、频域处理单元14和时域处理单元16这些基本的数字信号处理单元，由于主要采用的是现有技术，因此本发明实施例不再赘述。

频带增益控制单元15：

对于低频部分的增益控制，可以参考等响度曲线，在1KHz以内的线性区，增加相同的响度，高频需要的能量（dB）大，而低频需要的能量小。即从理论上来说，对于较低频率的低音基频，给与的增益要低，而对于较高频率的低音谐波，给与的增益要高。但是在实际中，由于扬声器或者耳机的频率特性并不是平坦的，低频部分有较大的衰减，因此，这个等响度曲线的理论值并没有太大的意义。实际中，为了补偿扬声器或者耳机的低频损失，依然要给与低频部分较大的增益。因此，根据试验的主观听觉测试，本发明实施例中的频带增益控制单元15采用的参数如下：

对于0～80Hz的信号，给予12dB的增益；对于80～160Hz给与6dB的增益；对于160～500Hz给与3dB的增益。

对于双声道信号，由于低频部分乐器往往都处在声场中间，左右声道非常相似，因此没有必要分别作重低音增强，一般用（L+R）/2的混合声处理即可，也就是说采用左右声道的低频部分的平均值进行增强处理即可，然后将增强处理后得到的低音部分分别叠加到两个声道中去。

延时处理单元20：

延时处理单元20，将原始信号延时D个样本，D值即所谓的时延值。延时的目的是为了使得原始的音频信号与增强后的低频信号的相位对齐，以避免相位不对齐时造成信号对消。D值的设置方式如下：

D值的确定需要考虑音频信号的低频部分处理过程中的所有可能的延时包括：第一低通滤波单元11和第二低通滤波单元16中的滤波器的长度，分析窗单元13和综合窗单元17的长度，以及FFT和IFFT转换所需要占用的时间等等。

假设第一低通滤波单元11和第二低通滤波单元19中的滤波器的长度为L，分析窗单元13和综合窗单元17的长度为W，则D值可以为：

D=L/2*2+W/2*M

其中，L/2为一个LPF的延时，共有两个LPF，所以低通滤波处理造成的延时为L；W/2为分析窗单元13和综合窗单元17造成的延时，因为这部分延时是在抽取后产生的，因此对于抽取前来说相当于还要增大M倍，因此为W/2*M

将延时了D个样本的原始音频信号与增强后的低频信号相加，可能发生饱和溢出，因此相加后的信号需要进入自动增益控制单元22进行处理。

自动增益控制单元22：

一般的AGC模块用来自动改变信号的增益，将小信号放大，将大信号缩小，音量保持适中。而本发明实施例中的自动增益控制单元22并不是这样，因为对于音乐来说，旋律的起承转合，抑扬顿挫是自身的特点，并不能破坏，本发明实施例中使用AGC的目的是在保证声音不发生饱和失真的前提下，提高重低音的音量。也就是说，自动增益控制单元22为了使得一定时间范围内的幅度最大的信号处于饱和边界上，而该范围内的信号大小关系仍然保留，需要采用快降慢升的方法。

自动增益控制单元22的处理流程包括：

在一帧信号中，找到绝对值最大的信号幅度值Vmax，然后将Vmax和目标阈值Ti比较，目标阈值是希望信号幅度能够达到的理想值。将Vmax和Ti相比得到理想增益值gain_t为：

gain_t=Ti/Vmax

由于增益变化过快会带来信号突变噪声，因此，采用快降慢升的方法，包括：

假设上一次计算得到的最终增益值为gain_old，则：

如果gain_t<gain_old，则gain=gain_t，此操作表示快降，gain最小可降低到一个低阈值LowLimit。

如果gain_t>gain_old，则gain=gain_old+step，此操作表示慢升，其中step为增益gain增大时的过渡步长，gain最大可增大到一个高阈值HighLimit。

也就是说，gainLowLimit≤gain≤HighLimit。

然后，用新计算出的增益gain和上一帧的gain_old做帧内平滑，可用如图3所示的斜坡函数来进行加权，斜坡函数定义为b(i)＝1-i/N，则：

gainW(i)＝b(i)gain_old+(1-b(i))gain,i＝0～N-1

其中，gainW(i)为当前帧内做了帧内平滑后的样点i的增益，帧长为N。

可以看出，由于斜坡函数在开始时对于上一帧的gain_old给与较大权值，对于当前帧的gain给与较小权值；而在末尾时正好相反。因此可以有效地平滑增益突变的影响。

最后，用做了帧内平滑的增益gainW(i)去处理自动增益控制单元22的输入信号input(i)，得到调整了增益后的输出信号output(i)为：

output(i)=input(i)*gainW(i),i=0～N-1

通过这种AGC的方法，就可以避免饱和溢出噪声，不影响音乐的旋律，同时，最大程度地增强重低音效果。

参见图4，本发明实施例提供的一种重低音增强方法包括步骤：

S101、按照预设的截止频率对音频信号进行低通滤波处理，得到该音频信号中的时域的低频信号，并将该低频信号转换为频域的低频信号。

S102、将所述频域的低频信号进行频带增益控制后还原为时域的低频信号，得到信号强度增强后的低频信号。

S103、将信号强度增强后的低频信号与所述音频信号合成，并将合成后的音频信号进行自动增益控制。

较佳地，步骤S101中将时域的低频信号转换为频域的低频信号的步骤包括：将所述时域的低频信号经过分析窗的处理后，通过快速傅里叶变换将所述时域的低频信号转换为频域的低频信号。

步骤S102中将频域的低频信号还原为时域的低频信号的步骤包括：通过快速傅里叶逆变换将经过频带增益控制后的频域的低频信号还原为时域的低频信号，并将该时域的低频信号进行综合窗的处理。

较佳地，将时域的低频信号经过分析窗的处理之前还包括步骤：按照预设的抽取倍数，对时域的低频信号进行抽取处理。

将时域的低频信号进行综合窗的处理之后还包括步骤：按照插值倍数，对经过综合窗的处理之后得到的低频信号进行插值处理；按照截止频率，将经过插值处理后得到的信号进行低通滤波处理。

较佳地，截止频率小于或等于所述音频信号的采样率除以2倍的所述抽取倍数所得到的值。

较佳地，将信号强度增强后的低频信号与音频信号合成的步骤包括：按照预设时延值对音频信号进行延时处理；将经过延时处理后的音频信号，与信号强度增强后的低频信号进行合成。

综上所述，本发明实施例提出了一种超级重低音增强的数字信号处理方案，采用滤波、变采样率技术，将低频部分单独抽出，然后在较低采样率下用FFT将信号变换到频域，这样就可以更加细致的调解低频部分各个频段的增益，同时降低了运算复杂度，然后将低频部分与原始信号叠加，运用AGC技术将最大信号幅度控制在临界饱和位置，使得重低音在充分增强的同时，又不会饱和溢出产生噪声。

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

1.一种重低音增强方法，其特征在于，该方法包括：

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，将所述时域的低频信号转换为频域的低频信号的步骤包括：

将所述时域的低频信号经过分析窗的处理后，通过快速傅里叶变换将所述时域的低频信号转换为频域的低频信号；

将所述频域的低频信号还原为时域的低频信号的步骤包括：

通过快速傅里叶逆变换将经过所述频带增益控制后的频域的低频信号还原为时域的低频信号，并将该时域的低频信号进行综合窗的处理。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，将所述时域的低频信号经过分析窗的处理之前还包括步骤：

按照预设的抽取倍数，对所述时域的低频信号进行抽取处理；

将所述时域的低频信号进行综合窗的处理之后还包括步骤：

按照预设的插值倍数，对经过所述综合窗的处理之后得到的低频信号进行插值处理；

按照所述截止频率，将经过所述插值处理后得到的信号进行低通滤波处理。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述截止频率小于或等于所述音频信号的采样率除以2倍的所述抽取倍数所得到的值。

5.根据权利要求1至4任一权利要求所述的方法，其特征在于，将信号强度增强后的低频信号与所述音频信号合成的步骤包括：

按照预设时延值对所述音频信号进行延时处理；

将经过所述延时处理后的音频信号，与信号强度增强后的低频信号进行合成。

6.一种重低音增强***，其特征在于，该***包括：

7.根据权利要求6所述的***，其特征在于，该***还包括分析窗单元和综合窗单元；

所述频域转换单元，通过对经过所述分析窗单元处理后的时域的低频信号，进行快速傅里叶变换，得到频域的低频信号；

所述时域转换单元，通过快速傅里叶逆变换将经过所述频带增益控制后的频域的低频信号还原为时域的低频信号，并将该时域的低频信号发送给所述综合窗单元进行处理。

8.根据权利要求7所述的***，其特征在于，在所述第一低通滤波单元和所述分析窗单元之间，该***还包括：

抽取单元，用于按照预设的抽取倍数，对所述时域的低频信号进行抽取处理；

在所述综合窗单元和所述合成单元之间，该***还包括：

插值单元，用于按照预设的插值倍数，对经过所述综合窗的处理之后得到的低频信号进行插值处理；

第二低通滤波单元，用于按照所述截止频率，将经过所述插值处理后得到的信号进行低通滤波处理。

9.根据权利要求8所述的***，其特征在于，所述第一低通滤波单元和所述第二低通滤波单元采用的截止频率，小于或等于所述音频信号的采样率除以2倍的所述抽取倍数所得到的值。

10.根据权利要求6至9任一权利要求所述的***，其特征在于，该***还包括：

延时处理单元，用于按照预设时延值，对所述音频信号进行延时处理；

所述合成单元，将经过所述延时处理后的音频信号，与信号强度增强后的低频信号进行合成。