CN104186001A - 使用支持扬声器的可变集合的音频预补偿控制器设计 - Google Patents

Abstract

基本思路是为相关联的声音生成***确定音频预补偿控制器，该相关联的声音生成***包括总共N≥2个扬声器，每一个都具有扬声器输入。所述音频预补偿控制器具有针对L个输入信号的数量为L≥1的输入以及针对N个控制器输出信号的N个输出，每个扬声器对应一个输出。相关的是，针对N个扬声器输入的至少子集中的每一个，估计每个测量位置处的脉冲响应。同样重要的是，针对L个输入信号中的每一个，指定N个扬声器中所选择的一个作为主扬声器，以及指定包括N个扬声器中至少一个的所选择子集S作为（一个或多个）支持扬声器。一个关键点是，针对每个主扬声器，指定在每个测量位置处的目标脉冲响应，其中目标脉冲响应具有声学传播延迟，其中声学传播延迟基于从主扬声器到相应测量位置的距离确定。然后，思路是，针对L个输入信号中的每一个，基于所选择的主扬声器和所选择的（一个或多个）支持扬声器，确定音频预补偿控制器的滤波器参数，使得在音频预补偿控制器的动态稳定性的约束下优化准则函数。

Description

使用支持扬声器的可变集合的音频预补偿控制器设计

技术领域

本发明一般地涉及数字音频预补偿，更具体而言涉及数字音频预补偿控制器的设计，该数字音频预补偿控制器产生几个信号到声音生成***，其目的是为了修改在听音环境中所关注空间区域内的几个测量位置中所测得的被补偿***的动态响应。

发明背景

一种用于产生或再现声音的***（包括放大器、电缆、扬声器以及房间声学）将总是影响，经常以不希望的方式，再现声音的频谱、瞬态和空间属性。特别是，放置设备的房间的声学混响对***的感知音频质量具有相当大并且经常是不利的影响。根据所考虑的频率范围，混响的影响经常有不同的描述。在低频率，混响通常根据共振、驻波或所谓的房间模式进行描述，这些通过在频谱低端中的不同频率处引入强峰和深零点（null）来影响再现声音。在较高频率，混响一般被认为是在来自扬声器自身的直达声之后一段时间到达听者耳朵的反射。

具有很高质量的声音再现一般可以通过使用高质量的电缆、放大器和扬声器的套件，并通过使用例如声学扩散器、亥姆霍兹（Helmholtz）共振器以及声学吸收材料来修改房间的声学属性来获得。然而，这种用于改善声音质量的被动方式繁琐、昂贵，有时甚至不可行。

用于改善声音再现***的质量的其它方式包括基于数字滤波的主动解决方案，通常被称为预补偿、均衡或反混响。预补偿滤波器（图1中的 ）随后被放置在原始音频信号源和音频设备之间。声音生成***的动态属性可以通过记录***在房间内一个或几个位置对已知测试信号的响应而被测量和建模。然后，计算和实现滤波器，以补偿***的测量属性，在图1中用符号表示。特别是，在所有测量位置，期望受补偿***的相位和振幅响应接近于预先指定的理想响应，在图1中用符号表示。换言之，需要被补偿的声音再现y(t)匹配理想y_ref(t)达到某个给定的准确度：由预补偿器所产生的预失真意在抵消因***而产生的失真，以使所产生的声音再现具有的声音特性。为了获得可靠且在实践中有用的预补偿器，重要的是要认识到模型可能不是真实***的完美描述，并且***响应的记录可能包含因例如背景噪声而产生的干扰。例如，这样的测量和建模误差可以通过向***添加噪声信号（图1中的e(t)）来表示，产生被测量的***输出y_m(t)。如将在下文中进行描述的，关于***的建模误差和不确定性也可以被包括在模型中，模型随后部分地由具有指定概率分布的随机变量进行参数化。

由于***的物理限制，所以至少在理论上，在没有使用极度高端音频设备的高成本的情况下，可以实现改善的声音再现质量。例如，该设计的目的可能在于消除由不完美制造的扬声器箱所引起的声共振和衍射效应。另一种应用可能是最小化房间模式在听音房间不同位置的影响（即，低​​频共振峰值和零点）。再另一个目的可能是获得愉快的音调平衡和详细的感知立体图像。

到目前为止，在商业市场上和科学文献中存在的用于音频***的数字预补偿的已建立的方法主要是单通道方法，参见例如[17]。单通道预补偿是指到扬声器的输入信号由单个滤波器进行处理的原理。当单通道预补偿被应用于包含多于一个扬声器通道的声音***时（例如具有五个宽带通道和一个低音喇叭的5.1家庭影院***），这意味着用于不同扬声器通道的滤波器被个别确定并且彼此独立。每个受补偿扬声器在所有测量位置实际达到其指定的理想目标响应的程度主要取决于以下两个因素：

1. 如果扬声器与房间的脉冲响应不是完全的最小相位特征，则补偿滤波器必须是所谓的混合相位类型，以便校正不是最小相位的失真分量。由于几乎所有扬声器-房间脉冲响应都包含非最小相位分量[23]，因此最小相位滤波器将不足以补偿***以使其完全达到目标响应。由于与最小相位滤波器的设计相比，供音频使用的混合相位滤波器的设计相当复杂，所以用于数字预补偿的大多数现有产品使用局限于最小相位类型的滤波器。　

2. 如果扬声器的脉冲响应在不同的测量位置之间变化，如通常在房间内的情况一样，则由于在不同位置相互冲突的要求，单个滤波器将不能够完全校正扬声器在所有测量位置的响应。在平均意义上，受补偿***的响应可以更加接近于目标，但由于***的空间变化性，在每个测量位置总会有剩余误差。此外，如果使用混合相位补偿器，则误差可能以所谓的“预振铃”的形式发生，除非非常谨慎地设计补偿器[5]。预振铃误差被认为在感知上比后振铃更加令人反感。在[5,6]中，示出了如何设计混合相位补偿器，混合相位补偿器通过仅对所有测量位置所共有的非最小相位失真进行校正，减轻预振铃误差的问题。

因此，单通道补偿的方法的潜在限制在于：当考虑多个测量位置时，其只能在平均意义上校正脉冲和频率响应。在扬声器的原始响应在测量位置之间变化很大的声学环境中，这种变化性也将保留在受补偿扬声器的响应中，虽然就平均来说受补偿***的性能更接近于目标性能。此外，仅关于一个测量位置设计补偿器不是现实的选项，因为众所周知单点设计产生极端不可靠并且在房间内所有其它位置使***性能降级的滤波器[13, 14]。

由此可以总结单通道预补偿方法对于校正在所关注空间区域上***化的（即，失真分量对于所有测量位置是共有的，或至少是接近共有的）降级是最有效的。通常，这种***降级是由扬声器自身，或由非常接近于扬声器的反射表面，或由处于波长比所关注区域的波长大的低频率的房间声学所引起。如果一种声音再现***，包括其声学环境，是如下那样，即其空间上变化的失真超过其空间上的共有失真，则很遗憾由单通道方法所提供的声音质量改善会相当小。

考虑上述情况，人们可能会问是否可以获得更高性能的预补偿策略，例如通过按照比由已建立的单通道方法所提出的更灵活的方式使用扬声器和滤波器结构。在声学相关的研究文献中，已经标识了一些超越传统单通道滤波的不同策略[2，7，9，10，11，12，18，21，22，24，25，29，33， 34]。总之，已知的方法可以分组为以下几类。　

1. 第一类中的方法基于关于房间声学，并且特别是扬声器和房间的低频共振模式之间的声学​​耦合的物理认识。众所周知，谨慎选择扬声器的物理放置以及使用几个低音喇叭有助于降低房间模式的影响[34]。　

2. 另一个原理是源汇法[7，8，33]，其中通过在房间中对称放置多个低音喇叭来降低房间模式，随后延迟调整、增益调整和相位调整被应用于不同的低音喇叭通道。根据该方法，在房间前壁处的低音喇叭作为声源，而在后壁处受延迟调整、增益调整和相位调整的低音喇叭作为汇点，即声音的吸收器，其消除来自后壁的低频反射。但是，该方法局限于只能工作在频谱的最低部分（低于150 Hz），并且对低音喇叭信号做出调整的类型是非常初级的。　

3. 第三个重要方法是模态均衡[16，21]，其中模态共振及其衰减时间由数字预滤波器进行均衡。该方法涉及单室模式的中心频率和衰减时间的明确标识，并且其被局限于工作在非常低的频率（通常只在200 Hz以下），其中假定房间共振是明显的并且在频率轴上良好分离。参考文献[16]讨论了两种可能的方法，类型I和类型II，类型I是单通道均衡器，类型II使用两个或更多通道用于消除房间模式。在[16]中确认的是，当使用两个以上的通道时，用于类型II模态均衡的滤波器设计并不简单，并且没有提出对于多通道设计情况的明确解决方案。总之，该方法不令人满意，因为其依赖于在典型房间中一般无法实现的假定，例如，所有经过均衡的模式被良好分离并且可以以高精度进行估计。　

4. 第四类方法基于在各种目标下的多通道滤波器设计。一个目标是主动噪声控制，其中来自一个或几个扬声器的声音被用于消除不需要的声学干扰，参见例如[11]。第二个目标是获得特定声压在少量空间位置（通常是人类听者耳朵的位置）的精确再现。该方法通常被称为串音消除、虚拟声学成像或听觉传输立体声[2，22，24，25]。这种方法的缺点是其性能对于听者的小的移动极端敏感，并且其在正常的混响房间中特别不可靠。第三个常见目标涉及“全息声（holophonic）”音频渲染技术，例如波场合成（WFS）和高阶环境立体混合声（HOA）[10，28，30]，其使用50个或更多扬声器的大规模扬声器阵列，目的在于在二维或三维中的大型区域上重现任意声场。许多多通道滤波器的设计已被提出，以改进WFS、HOA和相关技术的性能，参见例如[9，12，18，29]。第四个目标涉及在采用所谓的低音管理的声音***[3]中的低音喇叭和卫星扬声器之间的交叉频率区域中破坏性相位交互作用的最小化。这些提及的多通道滤波器设计并不适于作为一般扬声器预补偿问题的解决方案。首先，与单通道预补偿方法相比，它们在其目标方面显著不同。第二，所提出计算方法产生具有无法令人满意属性的滤波器。例如，大多数方法在频域中设计滤波器，而不考虑宽带滤波器性能，例如因果关系、通过***的最大允许延迟以及预振铃误差的水平和持续时间。

针对用于立体声或多通道音频再现的现有扬声器设置的可靠宽频带扬声器/房间补偿的目的，现有技术中没有多通道滤波器设计方法是有用的。

发明内容

总的目标是提供一种扩展的预补偿策略，用于改善两个或更多扬声器上立体声或多通道音频材料的再现。

特定的目标是提供一种方法，用于为相关联的声音生成***确定音频预补偿控制器。

另一个特定的目标是提供一种***，用于为相关联的声音生成***确定音频预补偿控制器。

又一个特定的目标是提供一种计算机程序产品，用于为相关联的声音生成***确定音频预补偿控制器。

同样一个特定的目的是提供一种改进的音频预补偿控制器，和包括这种音频预补偿控制器的音频***以及由这种音频预补偿控制器所产生的数字音频信号。这些和其它目的由所附专利权利要求所定义的本发明来满足。

基本思路是为相关联的声音生成***确定音频预补偿控制器，该相关联的声音生成***包括总共N≥2个扬声器，每一个都具有扬声器输入。所述音频预补偿控制器具有针对L个输入信号的数量为L≥1的输入以及针对N个控制器输出信号的N个输出，每个声音生成***的扬声器对应一个输出，并且所述音频预补偿控制器通常具有多个可调整滤波器参数。相关的是，针对N个扬声器输入的至少子集中的每一个，基于在M≥2个测量位置的声音测量，估计分布在听音环境中所关注区域内的所述M个测量位置中每一个处的脉冲响应。还重要的是，针对所述L个输入信号中的每一个，指定所述N个扬声器中选择的一个作为主扬声器，以及指定包括所述N个扬声器中至少一个的选择的子集S作为支持扬声器，其中所述主扬声器不是这个子集的部分。关键点是，针对每个主扬声器，指定在所述M个测量位置中每一个处的目标脉冲响应，其中所述目标脉冲响应具有声学传播延迟，其中所述声学传播延迟基于从主扬声器到相应测量位置的距离来确定。然后思路是，针对所述L个输入信号中的每一个，基于选择的主扬声器和选择的（一个或多个）支持扬声器，确定所述音频预补偿控制器的滤波器参数，以使得在所述音频预补偿控制器的动态稳定性的约束下优化准则函数，其中所述准则函数包括在所述M个测量位置上补偿估计脉冲响应与目标脉冲响应之间差值的幂（power）的加权求和。

本发明的不同方面包括用于确定音频预补偿控制器的方法、***和计算机程序，这样被确定的预补偿控制器，包含这种音频预补偿控制器的音频***，以及由这种音频预补偿控制器所产生的数字音频信号。

本发明提供下列优点：

• 用于音频预补偿控制器的改进设计方案。　

•对两个或更多扬声器上的立体声或多通道音频材料的改善的再现。　

• 在扬声器的脉冲响应随着空间位置变化的房间或听音环境中的更好的性能。　

• 更高的灵活性，其中性能改进不局限于低频率。　

• 对问题例如因果性和预振铃人为现象的控制。

通过阅读本发明实施例的后继描述时将理解本发明所提供的其它优点和特征。

附图说明

通过参考连同附图一起做出的后面的描述可以最好地理解本发明，连同其另外的目的和优点，其中：

图1描​​述了单通道补偿器，其具有信号w(t)作为输入信号。补偿器产生控制信号u(t)，控制信号u(t)作为对声学***的稳定线性动态单输入多输出（SIMO）模型的输入。模型具有一个输入和M个输出，其中M个输出表示M个测量位置。在M个测量位置处的声学信号由列向量y(t)来表示。所期望的动态***属性由稳定的SIMO模型指定，其具有一个输入和M个输出。当信号w(t)被用作对的输入时，所产生的输出是所期望的具有M个元素的信号向量y _ref (t)。M维信号向量y _m (t)表示y(t)的测量值，而信号向量e(t)，其也具有维度M，表示可能的测量干扰。

图2描​​述了多通道补偿器，其具有信号w(t)作为输入信号。补偿器产生具有N个元素的多通道控制信号u(t)，控制信号u(t)作为向声学***的稳定线性动态多输入多输出（MIMO）模型的输入。模型具有N个输入和M个输出，其中N个输入表示对N个扬声器的输入，而M个输出表示M个测量位置。在M个测量位置处的声学信号由列向量y(t)来表示。所期望的动态***属性由稳定的SIMO模型指定，SIMO模型具有一个输入和M个输出。当信号w(t)被用作对的输入时，所产生的输出是所期望的具有M个元素的信号向量y _ref (t)。M维信号向量y_m(t)表示y(t)的测量，而信号向量e(t)，其也具有维度M，表示可能的测量干扰。

图3是图示了包括声音生成***和音频预补偿控制器的音频***的示例的示意图。

图4是适于实现本发明的基于计算机的***的示例的示意框图。

图5是图示了根据示例性实施例用于确定音频预补偿控制器的方法的示意流程图。

图6是在64个位置测量的房间中扬声器的频率响应（灰线），以及其均方根（RMS）平均（黑线）。

图7是在单通道预补偿滤波器已被应用于其输入之后，与图6中相同的扬声器的频率响应。该图示出了在64个位置所测量的频率响应（灰线），以及其均方根（RMS）平均（黑线）。

图8示出了多通道预补偿的结果，其中图6的扬声器被用作主扬声器，并且附加的15个扬声器被用作支持扬声器。该图示出了在64个位置测量的频率响应（灰线），以及其均方根（RMS）平均（黑线）。

图9示出了当还未应用预补偿时，与图6中相同的扬声器的瀑布图（waterfall plot）或累积频谱衰减。图中所示的瀑布是在64个位置上扬声器的脉冲响应的平均累积频谱衰减。

图10示出了与图7中相同的扬声器的瀑布图或累积频谱衰减，其中已经应用了单通道预补偿滤波器。图中所示的瀑布是在64个位置上受补偿扬声器的脉冲响应的平均累积频谱衰减。

图11示出了与图8中相同的扬声器的瀑布图或累积频谱衰减，其中已经应用了多通道预补偿策略以使用15个附加的支持扬声器来补偿主扬声器。图中所示的瀑布是在64个位置上受补偿扬声器的脉冲响应的平均累积频谱衰减。

具体实施方式

贯穿整个附图，相同的标号被用于类似或相对应的元素。

所提技术基于这样的认识，即动态***的数学模型，以及对数字预补偿滤波器的基于模型的优化，为设计通过修改对设备的输入信号来改善各种类型音频设备的性能的滤波器提供了强大的工具。此外要指出的是，适当的模型可以通过在分布于听音环境中所关注区域内的多个测量位置处进行测量来获得。

如所提到的，基本思想是为相关联的声音生成***确定音频预补偿控制器。如图3的示例中所​​示，声音生成***包括总共个扬声器，每一个都具有扬声器输入。音频预补偿控制器具有数量个输入用于L个输入信号和N个输出用于N个控制器输出信号，声音生成***的每个扬声器一个。应当理解的是，控制器输出信号被导向到扬声器，即在扬声器的输入路径中。经由可选的电路（由虚线所指示）（诸如数模转换器、放大器和附加的滤波器），控制器输出信号可以被传送到扬声器输入。可选的电路还可以包括无线链路。

一般而言，音频预补偿控制器具有在滤波器设计方案中确定的多个可调整的滤波器参数。因此，当进行设计时，音频预补偿控制器应当产生N个控制器输出信号到声音生成***，其目的是修改在分布于听音环境中所关注区域内的多个（）测量位置所测得的受补偿***的动态响应。

图5是图示了根据示例性实施例用于确定音频预补偿控制器的方法的示意性流程图。步骤S1涉及：基于在M个测量位置的声音测量，针对N个扬声器输入的至少一子集中的每一个，估计分布在听音环境中所关注区域内的多个（）测量位置中每一个测量位置处的脉冲响应。步骤S2涉及：针对L个输入信号中的每一个，指定N个扬声器中所选择的一个作为主扬声器，以及包括N个扬声器中至少一个的所选择子集S作为支持扬声器，其中主扬声器不是该子集的部分。步骤S3涉及：针对每个主扬声器指定在M个测量位置中每一个测量位置处的目标脉冲响应，其中目标脉冲响应具有声学传播延迟，其中声传播延迟基于从主扬声器到相应测量位置的距离来确定。步骤S4涉及：针对L个输入信号中的每一个，基于所选择的主扬声器和所选择的（一个或多个）支持扬声器，确定音频预补偿控制器的滤波器参数，以便在音频预补偿控制器的动态稳定性的约束下优化准则函数。准则函数包括在M个测量位置上的补偿估计脉冲响应与目标脉冲响应之间差值的幂的加权求和。

换言之，音频预补偿控制器被配置用于：通过合并使用P个主扬声器以及针对每个主扬声器的N个扬声器的附加数量的支持扬声器，来控制P个主扬声器的声学响应，其中 和 。

如果有两个或更多输入信号，即，则方法还可以包括可选步骤S5：将针对L个输入信号所确定的所有滤波器参数合并到音频预补偿控制器的合并滤波器参数集中。具有合并滤波器参数集的音频预补偿控制器被配置用于对L个输入信号进行操作，以产生N个控制器输出信号到扬声器，从而实现目标脉冲响应。

借助于示例，可以期望音频预补偿控制器具有如下能力：针对其可调整滤波器参数中的某个设定产生到N个扬声器中的某些的零输出。

优选地，目标脉冲响应非零，并且包括可以在规定限制内进行修改的可调整参数。例如，以优化准则函数为目的，目标脉冲响应的可调整参数以及音频预补偿控制器的可调整参数可以共同进行调整。

在特定的示例实施例中，确定音频预补偿控制器的滤波器参数的步骤基于稳定、线性和因果关系的多变量前馈控制器的参数的线性二次型高斯（LQG）优化，线性二次型高斯（LQG）优化基于给定的目标动态***以及声音生成***的动态模型。如所提到的，控制器输出信号可以经由可选的电路被传送到扬声器输入。例如，音频预补偿控制器的N个控制器输出信号中的每一个都可以经由包括相位补偿组件和延迟组件的全通滤波器被馈送到相应的扬声器，产生N个滤波控制器输出信号。

可选地，准则函数包括惩罚（penalty）项，其中该惩罚项使得通过优化准则函数所得到的音频预补偿控制器产生预补偿控制器输出的所选择子集上的约束量值（magnitude）的信号水平，从而产生所选择扬声器输入上的约束信号水平到用于指定的频带的N个扬声器。

可以多次不同地选择该惩罚项，并且针对该惩罚项的每个选择重复确定音频预补偿控制器的滤波器参数的步骤，以导致音频预补偿控制器的多个实例，其中每一个都产生具有个别约束量值的信号水平到S个用于指定的频带的支持扬声器。

在另外的可选实施例中，准则函数包含估计脉冲响应中可能误差的表示。该误差表示被设计为描述误差假定范围的模型的集合。在该特定的实施例中，准则函数还包含聚合运算，其可以是在模型的所述集合上的求和、加权求和或统计期望。

在特定的示例中，确定音频预补偿控制器的滤波器参数的步骤还基于调整音频预补偿控制器的滤波器参数，以至少在M个测量位置的子集中达到包括该音频预补偿控制器的声音生成***的目标量值频率响应。

借助于示例，调整音频预补偿控制器的滤波器参数的步骤基于至少在M个测量位置的子集中评估量值频率响应，以及随后确定包括音频预补偿控制器的声音生成***的最小相位模型。

优选地，针对N个扬声器输入的至少子集中的每一个估计多个测量位置（M）中每一个测量位置处的脉冲响应的步骤基于描述在M个测量位置处声音生成***的动态响应的模型。

如技术人员所理解的，音频预补偿控制器可以通过在音频滤波器结构中实现滤波器参数来创建。然后，该音频滤波器结构通常连同声音生成***体现为实现目标脉冲响应在听音环境中的M个测量位置处的生成。

所提出的技术可以被用在许多音频应用中。例如，声音生成***可以是汽车音频***或移动演播室音频***，而听音环境可以是汽车或移动演播室的部分。声音生成***的其它示例包括电影院音频***、音乐厅音频***、家庭音频***或者专业音频***，其中对应的听音环境是电影院、音乐厅、家、演播室、礼堂或任何其它处所的部分。

现在将参考各种非限制性的示例性实施例，对所提出的技术进行更详细描述。

通过线性动态预补偿的声场控制

可以具有多个输入和/或多个输出的线性滤波器、动态***或模型在下文中由传递函数矩阵来表示，并且由粗体书法体字母来表示，例如(q ^-1)或仅仅。传递函数矩阵的特殊情况是仅包括FIR滤波器作为元素的矩阵。这样的矩阵将被称为多项式矩阵，并由粗斜体大写字母表示，例如 B (q ^-1)或仅仅 B 。此处q ^-1是向后移位算子，当对信号s(t)进行运算时，其产生s(t - 1)，即，q ^-1s(t)= s(t - 1)。类似地，qs(t) = s(t + 1)。当在频域中计算多项式或有理矩阵时，复变量z或e ^jw 被交换为q。FIR滤波器的因果矩阵（多项式矩阵） B (q ^-1)仅对相对于目前时间指标t是当前或过去的输入信号进行运算。因此，其将仅具有在向后移位算子q ^-1中是多项式的矩阵元素。类似地，多项式矩阵 B (q ,q ^-1)将对未来和过去的信号二者进行运算，而 B (q)将仅对未来信号进行运算。上标(.)^T例如 B ^T(q ^-1)或 B ^T，表示转置，并且当被用于向量、有理或多项式矩阵时，其表示转置的行向量变为列向量，而有理或多项式矩阵的第j行变为相同矩阵的第j列。类似地，下标(.)_*表示复共轭转置。如上面所解释的，其表示向量、有理或多项式矩阵将被转置，并且将对其元素进行复共轭。例如，有理矩阵(q ^-1)的复共轭转置表示为 _*(q)。单位矩阵是在对角线上为1的常数矩阵。其表示为I或如果维度是N×N，则表示为I _N ，。另一个常数矩阵，例如，0 _N 表示维度为N×N的零矩阵。此外，diag()表示 在对角线上的对角矩阵，而tr P 表示矩阵 P 的迹，其是 P 的对角元素的和。

，要被修改的声音生成或再现***将如图2中那样由线性时不变和稳定的动态模型来表示，其描述了在离散时间中N个输入信号的集合u(t)与M个模型输出信号的集合y(t)之间的关系：

其中t是整数，表示离散时间指标（假定一个单位采样时间，其中，例如，t+1表示时间t前面的一个采样时间），而信号y(t)是M维列向量，表示在M个测量位置处的建模声压时间序列。算子表示传递函数矩阵形式的声学动态响应的模型。其是维度为M×N的矩阵，其元素是稳定的线性动态算子或变换，例如，被表示为FIR滤波器或IIR滤波器。这些滤波器确定对N维与时间有关的输入向量u(t)的响应y(t)。如果M×N模型包含IIR滤波器作为元素，则其可以被写成所谓的右矩阵分式描述（右MFD）形式。　

其中， B (q ^-1)和 A (q ^-1)分别为维度M×N和N×N的多项式矩阵[15]。作为一种特殊情况，通过将分母矩阵设定为单位矩阵，即 A = I，将在后继描述中被高度利用的右MFD形式包括FIR滤波器矩阵。

传递函数矩阵表示整个或部分声音生成或声音再现***的效果，该生成或声音再现***包括任何预先存在的数字补偿器、数模转换器、模拟放大器、扬声器、电缆以及房间声学响应。换句话说，传递函数矩阵表示声音生成***的相关部分的动态响应。对***的N维列向量输入信号u(t)可以表示到声音生成***的N个个体放大器-扬声器通路的输入信号。信号y_m(t)（具有表示“测量”的下标m）是M维列向量，表示在M个测量位置的真实（测量）声音时间序列，而e(t)表示背景噪声、未建模的房间反射、不正确模型结构的影响、非线性失真以及其它未建模部分。中的每个M维的列则表示在N个扬声器输入中的一个与M个测量位置之间的M个传递函数。

模型还可以包括加法或乘法模型的不确定性，此处由有理矩阵Δ来表示。例如，如果模型不确定性Δ由具有随机系数的多项式矩阵进行参数化，则合适的模型将会是

其中 ₀(q ^-1)是标称模型，而Δ(q ^-1)构成不确定性模型，其部分地由随机变量参数化。为(q ^-1)和Δ(q ^-1)写出矩阵分式，(q ^-1)的分解(3)扩展成

其中，并且。矩阵 B ₀、Δ B 和 B 的维度为M×N，而 B ₁、 A ₀、 A ₁和 A 的维度为N×N。矩阵 B ₀和 A ₀表示标称模型 ₀，而Δ B 的元素是具有随机变量作为系数的多项式。为简单起见，我们将假定这些系数具有零均值和单位方差。滤波器被用于形成随机不确定性模型的频谱分布。其也可以被用于调节不同于一（unity）的随机系数的方差。随后，为简单起见，分母 A ₀、 A ₁和 A 将被假定为是对角的。如果如（3）中那样表示***，则(q ^-1)可以被视为模型的集合，描述***的测量响应中可能误差的范围。对于对上述概率建模框架的一般介绍，读者可以参考[27]和其中的参考文献。不确定性Δ的建模可以以许多方式执行，并且上述表达只是其可以如何以***化的方式实现并使用的一个示例。

声场控制的一般目标是关于参考动态，修改由（1）所表示的声音生成***的动态。为了这个目的，引入动态***的参考矩阵（或在此情况下，列向量）：

其中w(t)是信号，表示直播或录制的声源，或者甚至人工生成的数字音频信号，包括被用于设计滤波器的测试信号。例如，信号w(t)可以表示数字记录的声音，或已被采样和数字化的模拟源。在（5）中，矩阵是假定为已知的M x l维的稳定传递函数列向量。该线性离散时间动态***将由设计者指定。其表示（1）中的向量y(t)的参考动态（所期望的目标动态）。在受补偿***中，信号w(t)将表示全部L个输入源信号中的一个。在M个测量位置的其期望的效果由（5）中的元素 ₁，...， _M来表示。***可以包括可调整参数的集合。可替代地，通过其规范，其可以间接地被这样的集合所影响。

假定音频预补偿控制器被实现为多变量动态离散时间预补偿滤波器，一般由表示，基于信号w(t)的线性动态处理，该音频预补偿控制器产生输入信号向量u(t)到音频再现***（1）：

该音频预补偿控制器包括可调整参数的集合。这些参数应当允许足够的灵活性，以修改控制器的输入输出动态属性，例如，针对适当的参数设定，允许的某些元素或整个为零。但是，的优化应当被约束至使成为输入输出稳定动态***的参数设定。

我们的设计目标将是构建N×1维的稳定传递函数矩阵，该矩阵被设计为产生输入信号向量u(t)到音频再现***（1），以使得根据规定的准则，音频再现***的受补偿模型输出y(t)良好地近似于参考向量y_ref(t)。在下面情况下， 该目标将会实现

在M个测量位置的对应的基于模型的近似误差被表示为

然后，通过图2和（1），真实、测量的误差向量将是y_ref(t)-y_m(t) = ε(t)-e(t)。实践中，在有限数量的N个扬声器，大量的M个测量位置以及中复杂的宽带声学动态模型的情况下，绝对无法使近似​​（7）精确。可实现的近似质量取决于问题设置（problem setup）的性质。对于固定的给定声学环境，如果扬声器通道的数量N增加，则一般可以改进近似的质量。其还可以通过增加预期听音区域内测量点的数量M来改进，因为这给出了作为空间的函数的声场的更密集和更准确的采样。一般而言，对于固定的N，听音区域的扩大或区域的添加将导致更大的近似误差。

对于目前的问题，用于计算适当近似的方案将在下文中概述。

当设计预补偿器时，要考虑的一个重要方面是要补偿的***的初始传播延迟和所期望的目标动态的初始传播延迟之间的关系。动态***的初始传播延迟是信号从***的输入传播到输出所用的时间。换句话说，初始传播延迟由***的脉冲响应的第一非零系数的时间点给出。因此，具有d个采样的初始传播延迟的***，可以被写为，其中的元素中的至少一个具有从非零系数开始的脉冲响应。

例如，考虑图2中的***，并假设具有初始传播延迟d₁，而具有初始传播延迟d₀。如果d₁>d0，则不能期望仅使用w(t)的现在和过去值的因果补偿器执行良好，因为在时间t，，参考信号y_ref(t)将取决于针对k≥ 0的信号值w(t–d₀–k)，而对于k≥ 0，受补偿***的输出y(t)将只取决于w(t–d₁–k)，即，相比可以产生于***输出的数据，参考信号取决于更新的数据。补偿器的目的是将y(t)向参考y_ref(t)控制，但由于和之间的时间滞后差异，控制信号u(t)在的输出处的动作到达将永远比必须的晚到达至少d₁-d₀个采样。为了使补偿器在这样的情况下良好执行，其将必须是非因果的，即，其将必须能够预测信号w(t)的至少d₁-d₀个未来值。如果初始延迟之间的关系是相反的，即，如果d₁ < d₀，则补偿器将显著更好地执行，因为通过和w(t)的知识，补偿器具有预测参考信号的未来值的可能性。因此，补偿器可以提前d₀- d₁个采样开始作用于的动态，以这样的方式使输出y(t)更有效地被控制到参考y_ref(t)。

因此，一般可以通过确保目标动态的初始延迟与***的初始延迟相比足够大来改善预补偿器的性能。例如，这可以通过向目标添加总体体延迟（bulk delay）来获得，使得，其中是原始预期目标动态，且d₀大于或等于的初始传播延迟。

但是，出于音频再现的目的, 在目标中允许大的体延迟可能是有问题的。一方面，通常真实的是，目标动态中的大的体延迟有助于降低平均再现误差，例如，。另一方面，如上所述，目标中的大的体延迟允许补偿器以预测的方式作用于***，即，输出y(t)可以取决于数据w(t)，相比于构成信号y_ref(t)的数据，该数据w(t) 是“在未来”的。由于再现误差y_ref(t)-y(t)不一定为零，此预测行为可能会引起被认为是受补偿***中的预振铃或预回声的误差。技​​术上，这意味着受补偿***的脉冲响应包含在预期的体延迟d₀之前到达的声能量。尤其是对于脉冲和瞬时的声音，这种预振铃误差被人类视为非常不自然和令人不快的，因此如果可能它们应当被避免。在上面的示例中，可能发生预振铃误差的时间间隔的长度通过和的初始传播延迟之间的差来确定。因此，令人关注的是，使用大到足以允许补偿器适当工作但又不大到使该补偿器可以产生可听见的预振铃误差的体延迟。换句话说，要最小化预振铃影响，在以上示例中其应当使用d₁≤d₀，其中d₁尽可能接近d₀。

然而，众所周知，当要补偿的***包含非最小相位失真时，大的目标体延迟（也称为建模延迟或平滑滞后）可以显著改善性能。此外，对于单通道的情况，存在用于补偿非最小相位失真的方法，并且其不会产生预振铃[4，5，6]。讨论中的方法使用大的目标体延迟连同非因果全通滤波器，非因果全通滤波器补偿所有空间位置所共有的非最小相位失真。如果延迟d₀足够大，则产生的非因果滤波器可以利用作为补偿器的固定部分被包括的因果FIR滤波器来近似。在已经设计了之后，最优的因果和稳定补偿器1被设计用于增强***，该增强***的初始传播延迟为d₀。当设计因果滤波器1时，d₀的体延迟仍然被用在目标中，这意味着增强***和目标的初始传播延迟是相同的。因此，因果滤波器1可以不向***添加任何预振铃。

用于无预振铃情况下单通道补偿的上述方法也可以被用在多通道补偿器的设计中，作为“预调节”步骤，其中，在设计多通道补偿器之前，***的个体通道关于相位失真进行校正。通过扩展该方法，单通道相位补偿器被设计用于***的N个扬声器中的每一个，并且然后滤波器的对角N通道模块被放置在N通道***和要设计的最优因果N通道补偿器之间。也就是说，要补偿的***变为

其中，和均为N x N对角矩阵，由下式给出

上面额外的延迟值d₁, ..., d_N可以被用于微调目标***的初始传播延迟和N个扬声器通道的初始传播延迟（即，的列的初始传播延迟）之间的关系。

声学建模

根据分布在预期听者位置的空间区域上的M个位置处的测量，对N个扬声器中每一个的房间声学脉冲响应进行估计。建议测量位置的数量M大于扬声器的数量N。然后，动态声学响应可以通过以下方式来估计：从扬声器发送出测试信号，一次一个扬声器，并且在所有M个测量位置记录所产生的声学信号。测试信号例如白噪声或有色噪声或扫频正弦曲线可以被用于这一目的。然后，从一个扬声器到M个输出的线性动态响应的模型可以以具有一个输入和M个输出的FIR或IIR滤波器的形式进行估计。各种***标识技术诸如最小二乘法或基于傅里叶变换的技术可以被用于这一目的。针对所有扬声器重复该测量过程，最终产生由动态模型的M×N矩阵表示的模型。可替代地，多输入多输出（MIMO）模型可以通过状态空间描述来表示。

用于表示声音再现***的虽然很一般但在数学上方便的MIMO模型的示例借助于具有对角分母的右MFD，

其是将在下文中利用的MFD的类型。如果允许矩阵 A (q^-1)为完全多项式矩阵，则可以获得更一般的模型，并且原则上并没有禁止使用这样的结构。然而，我们应当在下文中坚持结构（11），因为其允许对最优控制器的更加显而易见的的数学推导。注意，（11）中所定义的可以包括描述模型误差和不确定性的参数化，如例如由（4）所给出的。

主扬声器和支持扬声器的选择

对于给定的声音再现***，将设计预补偿控制器，目的是通过至少一个物理扬声器改善L个源信号的声学再现。此处改善声学再现是指：物理扬声器的脉冲响应（如在多个点所测量的）由补偿器以如下的方式改变：即使得其与指定的理想目标响应的偏差最小化。

为了获得比现有单通道补偿器更一般的补偿器，本设计在关于滤波器结构和如何使用扬声器的限制尽可能少的情况下来执行。对补偿器施加的仅有限制是线性、因果性和稳定性。此处放松了单通道补偿器的限制，即如下限制：L个源信号中的每一个都只能由一个单个滤波器进行处理，并且只能被分配到一个扬声器输入。因此，允许与L个源信号中的每一个相关联的补偿器由多于一个滤波器构成，以产生至少一个（但可能是几个）源信号的处理版本，从而被分配到至少一个（但可能是几个）扬声器。

这里，我们假定L个源信号已在考虑了某种特定的预期物理扬声器布局的情况下产生。假定该布局至多由L个扬声器构成，并且意在将L个源信号中的每一个都馈送到至多一个扬声器输入中。例如，已建立的音频源格式（诸如双通道立体声（L = 2））意在通过对称地定位在听者前面的一对扬声器进行回放，其中第一源通道被馈送到左扬声器，而第二源通道被馈送到右扬声器。另一种源格式是5.1环绕，其总共由六个音频通道（L=6）构成，该六个音频通道意在通过五个扬声器和一个低音喇叭，以一对一的方式进行回放（即，在没有任何通道的交叉混合的情况下）。在源信号是某些上混（upmixing）算法（例如，从双通道立体声记录产生六通道5.1环绕材料的算法）的结果的情况下，我们应当把L与上混材料中通道的数量相关联（即，在立体声到5.1环绕上混的示例中，我们应当使用L = 6而非L = 2）。在缩混（downmix）的情况下，即，当L个源信号中的两个或更多被馈送到相同的扬声器输入中时，我们具有如下情况：预期的扬声器布局具有少于L个扬声器。

如上文所提到的，这里我们想要构建允许更自由地使用***的扬声器的补偿器。然而，补偿器设计的目标是使原始预期扬声器布局的再现性能尽可能好。要做到这一点，我们应当针对L个源输入信号中的每一个区分哪个扬声器属于该原始预期布局中的特定源信号（该扬声器此后被称为相关源信号的主扬声器），以及哪些附加的扬声器（此后被称为支持扬声器）被补偿器使用于改善主扬声器的性能。

假设我们有L个源输入信号和总共Ñ个扬声器的***。然后，对于L个源输入信号中的每一个，一定有一个相关联的主扬声器。随后，在剩余的N-1个扬声器之间，我们选择一组S个支持扬声器（其中1≤S≤ N-1）来被补偿器用于改善主扬声器的性能。

回想一下，如果声音***由传递函数矩阵模型表示，如例如在（1）中那样，则的每一列表示一个扬声器在M个测量位置的声学响应。这样，中的一列包含主扬声器的响应，而其余的列包含S个支持扬声器的响应。因此，在针对L个源输入之一的补偿器的特定设计中，声学模型包含1+S列，而产生的补偿器具有一个输入和1+S个输出，其中1+ S可以小于N，这取决于针对该特定源输入选择了多少支持扬声器。还要注意，当针对剩余的L-1个源输入设计补偿器时，没有必要重复使用相同的扬声器组。因此，对于所有的L个源输入，补偿器所使用的支持扬声器的数量S可以不相同。

目标声场定义

扬声器预补偿的目标不是在房间中产生任意的声场，而是改善现有物理扬声器的声学响应。因此，要针对（L个输入源信号中的）一个特定输入源信号定义的目标声场高度由与该输入源信号相关联的主扬声器的特性来确定。下面的示例是如何可以针对特定的主扬声器指定目标声场的说明。

假设对讨论中的声音***在M个位置进行测量，并且用如（1）中的传递函数矩阵来表示。此外，假设的第j列表示所考虑的主扬声器的脉冲响应。然后，目标声场可以被指定为传递函数的M x 1列向量的形式，如（5）中的。通常，目标声场应当被指定为主扬声器的测量脉冲响应的理想化版本。如何能够设计脉冲响应的这样的理想化集合的示例是使用延迟单元脉冲作为中的元素，即，让的第i个元素i被定义为，其中是的第j列第i个元素的初始传播延迟，即，

（12）中的目标响应在如下意义上是主扬声器的脉冲响应的理想化版本，即该目标响应表示通过空间（即，在M个测量位置上）的传播类似于主扬声器的传播的声波，但在时域中，目标声波的形状为脉冲状，并且不包含房间回声。延迟Δ₁,…, Δ_M可以通过检测与的第j列中每一个脉冲响应中量值不可忽略的第一系数对应的时滞来确定。额外的共有体延迟d₀是可选的，但如果使用具有滞后d₀的对角相位补偿器，其优选地应当被包括在内，如（9）、（10）中所建议的。

如果有不止一个输入源信号，即，如果L > 1，则针对要被声音***再现的L个信号源中的每一个定义一个目标声场。

如果由于某种原因，传播延迟Δ₁,…, Δ_M不能被适当地检测，是模糊的或以任何方式难以定义，则某些受控的变化性可以被引入到目标中。例如，延迟Δ₁,…, Δ_M可以在规定的限制内可调整。目标的这种灵活性可以帮助实现对所选目标的更好的近似、更好的准则值以及更好的感知音频质量。通过迭代地调整目标的参数和预补偿滤波器的参数，可以利用这种类型的灵活性。

优化准则的定义

为获得用于设计音频预补偿滤波器的分析技术，方便引入将会相对于可调整参数进行优化的标量准则。合适的准则的示例由以下构成：在所有M个测量点的目标信号y_ref(t)和受补偿信号y(t)之间差值的幂的求和或加权求和。此后，该差值将分别被称为近似误差，或只是误差，以及加权误差，其表示为

参见上面的公式（1）、（5）和（8）。加权误差z₁(t)受维度M×M的多项式矩阵 V 支配，多项式矩阵 V 可以是完全矩阵、对角矩阵或者只是常数矩阵，这取决于应当在哪个频率范围内强调误差。如果 V = I，即单位矩阵，其是对角线上都是1的对角矩阵，则不对误差应用加权。可选地，N个音频预补偿输出信号u(t)的加权的幂，参见（6），可以被添加到该准则。此后，加权预补偿器输出信号将被称为惩罚项，并且表示为

其中， W 是维度N×N的多项式矩阵。多项式矩阵 W 可以是完全矩阵，其可以是FIR滤波器在对角线上的对角矩阵，或者其可以就是单位矩阵，这取决于预补偿器信号将要如何以及在哪个频率范围中受到惩罚。如果不需要惩罚的加权，则 W 将只是单位矩阵。

例如，如果 V (q^-1)和 W (q^-1)是对角的，其中对角线元素分别由和表示，则在如上定义的加权项z₁(t)和z₂(t)的情况下，适当准则的示例将会是

此处，统计期望E相对于信号w(t)来选取，而统计期望E相对于中的不确定模型参数来选取，例如，（4）中的Δ B （如果已经选择了这样的统计模型描述的话）。相对于中的模型不确定性参数，（15）的最后等式表示随机过程的平方2范数（（15）中，平方2范数被表示为）的期望值。只要 V (q^-1)和 W （q^-1)是对角矩阵，所有表达都是等效的。（15）中的第三等式可以被推广到所有元素中都具有FIR滤波器的矩阵。

作为示例，考虑（15），其中 V (q^-1)和 W (q^-1)为FIR滤波器在对角线上的对角矩阵。如果 V (q^-1)的所有对角线元素都是低通滤波器，则其意味着我们将在低频率优先考虑高精度（小误差）。以类似的方式，如果 W (q^-1)的元素是高通滤波器，则与低频率内容相比，音频预补偿滤波器输出的高频率内容将被惩罚（即，对准则值贡献更大）。因此，致力于最小化准则的音频预补偿滤波器将在低频率作出努力。通过为不同的误差和预补偿信号选择不同的滤波器，设计者可以使不同的扬声器输出彼此平衡。在所有FIR滤波器为1的特殊情况下，不执行加权。因此，加权多项式矩阵 V (q^-1)和 W (q^-1)在设计中提供了相当大的灵活性，以在所关注的频率范围中实现尽可能小的误差，而同时明智地使用预补偿信号幂。

显而易见的是，如果 V (q^-1)为对角矩阵，则准则（15）的第一右侧求和表示：对在M个测量位置上由的元素所表示的补偿估计脉冲响应与由的元素所表示的目标脉冲响应之间的差值的幂的加权求和，其中加权通过多项式矩阵 V (q^-1)以及通过信号w(t)的频谱属性来执行。如果使用单位矩阵 V (q^-1) = I，并且如果信号w(t)是白噪声，则将获得误差向量ε(t)的所有分量的相等加权。

最优控制器设计

构成平方2范数的规则（15），或者例如基于其它范数的其它形式的规则，可以相对于预补偿器的可调整参数，以多种方式进行优化。还可以对预补偿器施加结构约束，诸如例如，要求其元素为特定的固定阶的FIR滤波器，并且然后，在这些约束下，执行可调整参数的优化。该优化可以用自适应技术，或通过使用FIR Wiener滤波器设计方法来执行。然而，由于所有的结构约束都会导致受约束的解空间，与没有这样的约束的问题表达相比，可实现的性能将会较为低下。因此，除预补偿器的因果性和受补偿***的稳定性之外，优选地，应当在对预补偿器没有结构约束的情况下执行优化。在优化问题如上表述的情况下，该问题变为针对多变量前馈补偿器的线性二次型高斯（LQG）设计问题。

对于线性***和二次型规则，线性二次型理论提供了最优的线性控制器，或预补偿器，例如参见[1，19，20，31]。如果所涉及的信号被假定为高斯型，则通过优化准则（15）所获得LQG预补偿器可以被示出为不仅在所有的线性控制器中，而且在所有的非线性控制器中都是最优的，例如参见[1]。因此，在的因果性和受补偿***的稳定性的约束下，相对于的可调整参数优化规则（15）是非常通用的。因此在假定和稳定的情况下，受补偿***或误差传递算子的稳定性相当于控制器的稳定性。

对于由等式(1)-(14)和规则（15）所定义的问题，我们现在将提出LQG最优预补偿器。该解决方案使用多项式矩阵以传递算子或传递函数的形式给出。用于得到这样的解决方案的技术已经在例如[31]中被提出。可替代地，该解决方案可以借助于状态空间技术和黎卡提（Riccati）方程的解来得到，例如参见[1，20]。

用于优化预补偿器的多项式矩阵设计方程

让***由模型（1）描述，其中如（3）和（4）中那样被参数化。如果没有使用不确定性建模，则我们设定Δ B = 0，并且我们得到。此外，令M个测量位置处的目标声场由= D /E来表示，即，

其中，E(q^-1)等于1或者是标量最小相位多项式。

如果最大可实现的补偿器性能是所期望的，在要避免预振铃人为现象的约束下，则个体相位补偿和所涉及扬声器的时间延迟对准将优选地先于预补偿器优化被执行。这样的相位补偿可以根据[5]、[6]中所述的原理来设计。为了获得最大的性能同时约束解决方案不包括任何预振铃人为现象，全通相位补偿滤波器（N个扬声器中的每个扬声器一个）应当被包括在***和控制器之间的N个信号路径中的每一个（路径）中，并且然后目标应当包含d₀个采样的初始延迟，即，

其中，多项式中的至少一个具有非零的首项系数。这里，我们应当选择让全通滤波器被认为是***的一个固定部分。

分别引入延迟多项式矩阵，以及全通有理矩阵，如下

此处，diag(.)表示向量的元素在对角线上的对角矩阵，(.)^T表示相同向量的转置，而是的互反多项式，即，相对于单位圆，中的零点在对于F_j(z^-1)的零点的镜像位置。这里，有理矩阵是由N个扬声器中每一个针对所有的M个测量位置的传递函数之间所共有的超相位零点（excess phase zero）来构建。即，（4）中 B 的第j列中的元素被假定为共享公共的超相位因子。

如上文所解释的，（18）中的d₀是相位补偿***的预期初始延迟，而d_j， j = 1, ..., N是可以被用于在不同扬声器之间距离中的个体偏差的个体延迟。由于和，或等价地，其复共轭转置（此处表示为）是固定和已知的，它们可以被视为增强***的因子，表示为，

其中，由于 B 和之间因子的消除，仍然是多项式矩阵（即，不是有理矩阵）。允许（19）的第二等式是因为A、以及是对角矩阵，参见（4）、（11）和（18）。

给定上面的***，具有固定和已知的延迟多项式矩阵、全通有理矩阵，并且假定信号w(t)是零均值单位方差的白噪声序列，则获得没有预振铃现象，在因果性和稳定性的约束下最小化规则（15）的最优的LQG预补偿器(q^-1)，为：

其中，N|N多项式矩阵是唯一稳定右频谱因子（见注1），定义为

并且多项式矩阵连同多项式矩阵（二者都是N|l维）构成了如下双边丢番图（Diophantine）方程的唯一解：

其中一般（见注2）阶次：

上面所得到的补偿器的最优性和唯一性可以通过使用[27，31]中所提出的技术来证明。上文提出的解决方案，可以很容易地扩展为同样计及由如下动态模型所描述的w(t)，即，

其中，v(t)是零均值单位方差的白噪声序列。作为一个示例，如果，，其中P和S是稳定的多项式，则，在（22）的最右边的项中，用替换E。当w(t)为白噪声的假定不恰当时，通过动态模型来描述w(t)在特定的应用中有时可能是有用的。因此，这里所获得的解决方案是非常通用的，其在预补偿器的设计中提供了相当大的灵活性。

上面所提的滤波器设计也可以被用于针对所选的加权矩阵的适当集合，设计p个滤波器的集合。然后，这样获得的滤波器的集合可以被用于逐渐改变从所选的S个支持扬声器的集合所获得的支持的程度。以这种方式，用户可以在非常小的支持到完全支持之间进行切换，以获得最好的可能的感知音频性能。

为了获得预补偿器信号，注意我们必须在不同的步骤中执行滤波。因此，我们首先执行递归滤波，其次，

注1：这样的右频谱因子存在于针对当前问题的温和条件下。参见[31]中的3.3节。在不考虑正交矩阵的情况下该频谱因子是唯一的。

注2：在特殊情况下可以发生更低阶次。

FIR滤波，第三，递归滤波，以及最后，FIR滤波。此处，粗体信号和是N× 1维，因为u是N×1维。但是，这样的滤波过程并不是的唯一可能的实现方式。例如，人们还可以使用中元素的高阶FIR近似。这样的FIR近似可以通过使用单位脉冲作为输入信号来获得，并且记录在滤波器的N个输出处的一系列采样。然后，所记录的N个输出信号构成中元素的脉冲响应，并且​​FIR滤波器系数通过在适当的长度截断输出信号来获得。

应当注意的是，如果没有对N个扬声器中的每一个执行个体相位补偿，则并且。另一方面，如果设计中没有使用模型不确定性，则（21）中的第三右侧项将消失，并且。最后，如​​果既没有使用模型不确定性，也没有对N个扬声器使用任何个体相位补偿，则。

在实际的控制器设计中，在（21）的右侧的第三项可以通过评估容易地获得，参见[26，27，32]，

现在回想一下，Δ B 的个体多项式元素的随机系数被指定为零均值、单位方差的白噪声序列，暗示。另外，假定这些随机系数在Δ B 的不同列之间不相关，即，对于，，这是由于一般情况下，属于单独源的混响场在空间上不相关。因此，我们知道，首先，M|M维多项式矩阵包含沿其对角线的1，并且其次如果，则。此外，如果多项式矩阵 V _* V 是对角阵，则我们得到

并且因此，（21）中的表达式变为

这里重要的认识是，由于误差权重 V _* V 的对角线结构以及出现在（25）中的迹算子，的非对角线元素将不会有助于滤波器设计。由于这些非对角线元素构成“空间协方差”，其中，所以我们得出结论，不确定性模型中的空间协方差对于这里所研究的滤波器设计的类型将会是多余的。但是，通过选择 V _* V 中不同于零的非对角线元素，的非对角线元素可以被用在设计中。例如，这些非对角线元素可以被用于降低与中心（测量点）相比的设计中的***测量点的重要性。

用于平衡量值谱的后处理

当声音***正在再现音乐时，通常优选的是，***的传递函数的量值谱为平滑和良好均衡的，至少在听音区域上平均如此。如果受补偿***在所有位置完美地实现了所期望的目标，那么受补偿***的平均量值响应将与目的标量值响应相等。然而，因为不能期望所设计的控制器在所有的频率完全达到目标响应，例如，由于不能被完全补偿的非常复杂的房间混响，所以受补偿***中总是将有一些剩余的近似误差。这些近似误差在不同的频率可以具有不同的量值，并且它们可以影响被再现声音的质量。量值响应的缺陷一般是不合需要的，并且应当优选地调整控制器矩阵，使得在所有的听音区域中按平均达到总目标量值响应。

因此，在准则最小化之后，优选地添加最终设计步骤，目的是为了调整控制器响应以使得平均来说在测量位置上按平均良好地近似于目标量值响应。为此，基于设计模型或基于新的测量，可以在各个听音位置对整个***（即，包括控制器的***）的量值响应进行评估。然后，最小相位滤波器可以被设计为使得在所有听音区域中按平均（在RMS的意义上）达到目标量值响应。作为示例，为了不在任何特定的频率区域中过度补偿，可以采用基于空间响应变化的可变分数倍频程平滑。其结果是一个标量均衡器滤波器，其等量地调整的所有元素。

说明性示例

所提出的预补偿器设计的性能的示例，以及其与传统单通道设计的差​​异在图6-11中示出：

• 图6和图9分别示出了在房间中64个位置所测得的、ATC SCM16演播室监视扬声器的频率响应和平均累积频谱衰减（“瀑布图”）。　

• 图7和图10分别示出了在单通道预补偿器已经被应用于扬声器的输入之后，相同扬声器的频率响应和平均瀑布图。　

• 图8和图11示出了当已经应用了新的多通道设计方法时的频率响应和平均瀑布图。这里，补偿器设计的目标与针对图7和图10的单通道设计相同，即，先前图中的单个扬声器被用作主扬声器，并且目的是使该主扬声器的响应尽可能理想。为了更好地达到目标，附加的15个扬声器被用作支持扬声器。支持扬声器环绕采取测量的听音区域，并且它们被定位在各种高度以及距听音区域的各种距离。

滤波器实现

（20）中所产生的滤波器可以以任意数量的方式、以状态空间形式或以传递函数形式来实现。所需的滤波器一般是非常高阶的，特别是在使用了全音频范围采样率的情况下，并且在该设计所基于的模型中也已经考虑了房间声学动态的情况下。要获得计算上可行的设计，用于限制预补偿器的计算复杂度的方法是令人关注的。这里，我们概述用于此目的的一种方法，其基于控制器矩阵，特别是具有带非常长但平滑尾部的脉冲响应的任何传递函数，的元素的控制器阶数减小。该方法工作如下。

如上文所提到的，预补偿器的相关标量脉冲响应元素 ₁, ..., _N首先被表示为非常长的FIR滤波器。然后，对于每个预补偿器脉冲响应 _j，执行以下步骤：

1. 确定滞后t₁ > 1，在该滞后之后的脉冲响应将会近似指数地衰减并且具有平滑形状，以及确定第二滞后t₂ > t₁，在该滞后之后的脉冲响应系数可以忽略。　

2. 使用模型降阶或***识别技术来调整低阶递归IIR滤波器，以针对延迟区间[t₁, t₂]近似FIR滤波器尾部。　

3. 实现近似标量预补偿器滤波器，作为并联连接 其中，是从滞后零到滞后t₁-1等于原始FIR滤波器 _j(q^-l)的第一t₁脉冲响应系数的FIR滤波器，而是近似​​其尾部的IIR滤波器。

该过程的目的是为了获得实现，其中FIR滤波器和IIR滤波器中的参数数量的和远低于脉冲响应系数的原始数量。可以使用用于近似脉冲响应的尾部的各种不同方法，例如基于Yule-Walker方程对自回归模型到协方差序列的调整。当利用有限精度运算来实现所产生的IIR滤波器时，要获得对于系数舍入误差的低数值灵敏度，优选将其实现为较低阶滤波器的串联连接或并联连接。作为示例，可以使用一阶滤波器或二阶IIR滤波器元素（所谓的双二次滤波器）。

实现方面

通常，设计方法在计算机***上执行以产生预补偿滤波器的滤波器参数。然后，计算出的滤波器参数被正常地下载到例如由数字信号处理***或类似的计算机***所实现的数字滤波器，数字滤波器执行实际的滤波。

虽然本发明可以以软件、硬件、固件或其任意组合来实现，但本发明所提出的滤波器设计方案优选地被实现为程序模块、函数或等价物形式的软件。该软件可以用任何类型的计算机语言，诸如C、C++甚至用于数字信号处理器（DSP）的专用语言来编写。在实践中，本发明的相关步骤、功能和动作被映射到计算机程序中，当由计算机***执行计算机程序时，实现与预补偿滤波器的设计相关联的计算。在基于PC***的情况下，被用于音频预补偿滤波器的设计或确定的计算机程序通常被编码在计算机可读介质（诸如DVD、CD或类似的结构）上用于分配给用户/滤波器设计者，用户/滤波器设计者随后可以把程序加载到他/她的计算机***中用于后续执行。软件甚至可以通过互联网从远程服务器进行下载。

这样，提供了一种***，和对应的计算机程序产品，用于针对相关联的声音生成***确定音频预补偿控制器，该声音生成***包括总共个扬声器，每一个都具有扬声器输入，其中音频预补偿控制器具有针对L个输入信号的数量个输入以及针对N个控制器输出信号的N个输出，声音生成***的每一个扬声器对应一个输出。记住音频预补偿控制器具有许多待确定的可调整滤波器参数。基本上，该***包括如下装置，该装置用于基于分布在听音环境中所关注区域内的M个测量位置处的声音测量，针对至少N个扬声器输入的子集中的每一个，估计个测量位置的每一个测量位置处的脉冲响应。***还包括如下装置，该装置用于针对L个输入信号中的每一个指定N个扬声器中所选择的一个作为主扬声器，以及指定包括N个扬声器中至少一个的所选择子集S作为（一个或多个）支持扬声器，其中主扬声器不是该子集的部分。***进一步包括用于针对每个主扬声器指定在M个测量位置中每一个处的目标脉冲响应的装置，其中目标脉冲响应具有声学传播延迟，其中声学传播延迟基于从主扬声器到相应测量位置的距离来确定。***还包括：用于针对L个输入信号中的每一个、基于所选择的主扬声器和所选择的支持扬声器、确定音频预补偿控制器的滤波器参数以使得在音频预补偿控制器的动态稳定性的约束下优化准则函数的装置。准则函数被定义为包括在M个测量位置上的受补偿估计脉冲响应与目标脉冲响应之间差值的幂的加权求和。

对于 的情况，该***还可以包括：用于把针对L个控制器输入信号所确定的所有滤波器参数合并到用于音频预补偿控制器的滤波器参数的合并集合中的装置。然后，具有滤波器参数的合并集合的音频预补偿控制器被配置用于对L个输入信号进行操作，来产生N个控制器输出信号到扬声器，以实现所期望的目标脉冲响应。

在特定的示例中，用于确定音频预补偿控制器的滤波器参数的装置被配置成基于稳定、线性和因果关系多变量前馈控制器的参数的线性二次型高斯（LQG）优化，线性二次型高斯（LQG）优化基于给定的目标动态***以及声音生成***的动态模型来操作。

计算机程序产品包括相对应的程序装置，并且被配置用于当在计算机***上运行时，确定音频预补偿控制器。

图4是图示了根据本发明的适于实现滤波器设计算法的计算机***的示例的示意性框图。滤波器设计***100可以以任何常规计算机***的形式来实现，包括个人计算机（PC）、大型计算机、多处理器***、网络PC、数字信号处理器（DSP）等。无论如何，***100基本上包括中央处理单元（CPU）或数字信号处理器（DSP）核心10、***存储器20以及互连各种***组件的***总线30。***存储器20通常包括只读存储器（ROM）22和随机存取存储器（RAM）24。另外，***100通常包括一个或多个驱动器控制的***存储器设备40，例如硬盘、磁盘、光盘，软盘、数字视频盘或存储卡，提供数据和程序信息的非易失性存储。每个***存储器设备40通常与用于控制存储器设备的存储器驱动器以及用于将存储器设备40连接到***总线30的驱动器接口（未示出）相关联。根据本发明实现设计算法的滤波器设计程序，可能连同其它相关的程序模块一起，可以被存储在***存储器40中，并被加载到***存储器20的RAM 24中，用于由CPU 10执行。给定相关的输入数据，例如测量、输入规范，以及可能给定模型表示以及其它可选的配置，滤波器设计程序计算音频预补偿控制器/滤波器的滤波器参数。

然后，所确定的滤波器参数通常从***存储器20中的RAM 24经由***100的I/O接口70被传送到音频预补偿控制器200。优选地，音频预补偿控制器200基于数字信号处理器（DSP）或类似的中央处理单元（CPU）202，以及用于保存滤波器参数和所需的延迟信号采样的一个或多个存储器模块204。存储器204通常还包括滤波程序，当其被处理器202执行时，基于滤波器参数执行实际滤波。

代替将所计算的滤波器参数经由I/O***70直接传送到音频预补偿控制器200，滤波器参数可以被存储在***存储器卡或存储器盘40上，用于后面分配给音频预补偿控制器，音频预补偿控制器可以位于远离或非远离滤波器设计***100的位置。所计算的滤波器参数也可以例如通过互联网并且然后优选地以加密的形式从远程位置下载。

为了实现测量由考虑中的音频设备所产生的声音，任何（一个或多个）常规麦克风单元或类似的记录设备可以被连接到计算机***100，通常通过模数（A/D）转换器。基于由麦克风单元所进行的（常规）音频测试信号的测量，使用被加载到***存储器20中的应用程序，***100可以开发音频***的模型。测量也可以被用于评估预补偿滤波器和音频设备的组合***的性能。如果设计者不满意所产生的设计，他可以基于修改的设计参数集合启动预补偿滤波器的新优化。

另外，***100通常具有用户界面50，用于允许用户与滤波器设计者进行交互。可能有几个不同的用户交互场景。

例如，滤波器设计者可以决定，在音频预补偿控制器200的滤波器参数计算中，他/她想要使用特定的、定制的设计参数集合。然后，滤波器设计者通过用户界面50定义相关的设计参数。

对于滤波器设计者来说，也可以在不同的预先配置的参数集合中进行选择，这些参数可能已经被设计用于不同的音频***、听音环境和/或用于将特殊的特性引入到所产生声音中的目的。在这种情况下，预先配置的选项通常被存储在***存储器40中，并在滤波器设计程序的运行期间被加载到***存储器中。

滤波器设计者还可以通过使用用户界面50来定义参考***。代替基于麦克风测量来确定***模型，对于滤波器设计者来说，也可以从不同的预先配置的***模型的集合中来选择音频***的模型。优选地，这样的选择基于特定的音频设备，所产生的预补偿滤波器将与其一起使用。另一选项是针对所选择的加权矩阵的适当集合来设计滤波器的集合，以能够改变由所选择的支持扬声器的接合所提供的支持程度。

优选地，音频滤波器连同声音生成***一起被体现，以实现受该滤波器影响的声音再现。

在替代的实现中，在没有或仅有最低限度用户参与的情况下滤波器设计或多或少自主地执行。现在将描述这种构建的示例。示例性***包括监控程序、***识别软件以及滤波器设计软件。优选地，监控程序首先产生测试信号，并测量所产生的音频***的声学响应。基于测试信号和所获得的测量，***识别软件确定音频***的模型。然后，监控程序收集和/或产生所需的设计参数，并将这些设计参数转发到滤波器设计程序，滤波器设计程序计算音频预补偿滤波器参数。作为选项，监控程序随后可以基于测量信号评估所产生设计的性能，并且如果必要，可以命令滤波器设计程序基于修改的设计参数集合来确定新的滤波器参数集合。该过程可以重复进行，直到获得满意的结果。然后，最终的滤波器参数集合被下载/实现到音频预补偿控制器中。

也可以自适应地调整预补偿滤波器的滤波器参数,而不使用滤波器参数的固定集合。在音频***中滤波器的使用期间，音频条件可能改变。例如，在听音环境中扬声器和/或物体（诸如家具）的位置可能会改变，这继而可以影响房间声学效果，并且/或者音频***中的某个设备可能被某个其它设备交换，导致整个音频***的不同特性。在这种情况下，对来自听音环境中一个或几个位置的音频***的声音的连续或间歇的测量可以由可能是无线连接的一个或多个麦克风单元或类似的声音记录设备来执行。然后，所记录的声音数据可以被，可能是无线地，馈送到滤波器设计***中，滤波器设计***计算新的音频***模型并且调整滤波器参数以使它们更好地适用于新的音频条件。

自然，本发明并不限于图4中的布置。作为替代，预补偿滤波器的设计和滤波器的实际实现二者都可以在同一个计算机***100或200中执行。这一般意味着滤波器设计程序和滤波程序在相同的DSP或微处理器***上实现和执行。

如上文所提到的，音频预补偿控制器可以被实现为数字信号处理器或计算机中的独立设备，其具有到后继放大器的模拟或数字接口。可替代地，其可以被集成到以下各项的构造中：数字前置放大器、汽车音频***、电影院音频***、音乐厅音频***、计算机声卡、紧凑立体声***、家庭音频***、计算机游戏控制台、电视、MP3播放器的插接站、长条状音箱或旨在产生声音的任何其它装置或***。还可以利用定制的计算硬件结构（诸如FPGA或ASIC），以更加面向硬件的方式来实现预补偿滤波器。

在特定的示例中，音频预补偿控制器被实现为线性稳定因果前馈控制器。

应当理解的是，预补偿可以与声音信号到实际再现位置的分配分开执行。由预补偿滤波器所产生的预补偿信号不一定必须立即被分配到声音生成***并与其直接连接，而是可以被记录在分离的介质上，用于以后分配到声音生成***。然后，补偿信号可以表示例如CD或DVD盘上所记录的音乐，其已经被调整以适应特定的音频设备和听音环境。补偿信号还可以是被存储在互联网服务器上的预补偿音频文件，用于允许后续通过互联网将该文件下载到远程位置。

上文所述的实施例应被理解为对本发明的几个说明性示例。本领域的技术人员将会理解，在不脱离本发明的范围的情况下，可以对实施例进行各种修改、组合和改变。特别是，当在技术上可能时，不同实施例中不同部分的解决方案可以被合并在其它配置中。但是，本发明的范围由所附权利要求书定义。

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Claims (28)

1.一种用于为相关联的声音生成***确定音频预补偿控制器的方法，所述声音生成***包括总共N≥2个扬声器，每一个都具有扬声器输入，所述音频预补偿控制器具有针对L个输入信号的数量为L≥1的输入以及针对N个控制器输出信号的N个输出，所述声音生成***的每个扬声器对应一个输出，所述音频预补偿控制器具有多个可调整滤波器参数，其中所述方法包括以下步骤：

•针对所述N个扬声器输入的至少子集中的每一个，基于在M≥2个测量位置的声音测量，估计分布在听音环境中所关注区域内的所述M个测量位置中每一个处的脉冲响应；

• 针对所述L个输入信号中的每一个，指定所述N个扬声器中选择的一个作为主扬声器，以及指定包括所述N个扬声器中至少一个的选择的子集S作为支持扬声器，其中所述主扬声器不是所述子集的部分；

• 针对每个主扬声器，指定在所述M个测量位置中每一个处的目标脉冲响应，其中所述目标脉冲响应具有声学传播延迟，其中所述声学传播延迟基于从主扬声器到相应测量位置的距离来确定；

• 针对所述L个输入信号中的每一个，基于选择的主扬声器和选择的（一个或多个）支持扬声器，确定所述音频预补偿控制器的滤波器参数，以使得在所述音频预补偿控制器的动态稳定性的约束下优化准则函数，其中所述准则函数包括在所述M个测量位置上补偿估计脉冲响应与目标脉冲响应之间差值的幂的加权求和。

2.如权利要求1所述的方法，其中，L≥2，并且所述方法包括以下步骤：将针对所述L个输入信号所确定的所有所述滤波器参数合并到用于所述音频预补偿控制器的滤波器参数的合并集合中，其中具有滤波器参数的所述合并集合的所述音频预补偿控制器被配置用于对所述L个输入信号进行操作，以产生所述N个控制器输出信号到所述扬声器，从而实现所述目标脉冲响应。

3.如权利要求1或2所述的方法，其中，所述音频预补偿控制器被配置用于：通过合并使用所述P个主扬声器以及针对每个主扬声器的所述N个扬声器中附加数量S的支持扬声器，l≤S≤N-l，来控制P个主扬声器的声学响应，其中P<L且P≤N。

4.如前述任一权利要求所述的方法，其中，所述音频预补偿控制器具有如下能力：针对其可调整滤波器参数的某些设定，产生输出零到所述N个扬声器中的一些。

5.如前述任一权利要求所述的方法，其中，确定所述音频预补偿控制器的滤波器参数的所述步骤基于稳定、线性和因果关系的多变量前馈控制器的参数的线性二次型高斯（LQG）优化，线性二次型高斯优化基于给定的目标动态***以及声音生成***的动态模型。

6.如前述任一权利要求所述的方法，其中，所述音频预补偿控制器的所述N个控制器输出信号中的每一个，通过包括相位补偿组件和延迟组件的全通滤波器，被馈送到相应的扬声器，产生N个滤波的控制器输出信号。

7.如前述任一权利要求所述的方法，其中，所述准则函数包括惩罚项，其中所述惩罚项使得通过优化所述准则函数所获得的所述音频预补偿控制器产生在所述预补偿控制器输出的选择的子集上的约束量值的信号水平，以产生选择的扬声器输入上的约束信号水平给指定频带的所述N个扬声器。

8.如权利要求7所述的方法，其中，可以多次不同地选择所述惩罚项，并且针对所述惩罚项的每个选择，确定所述音频预补偿控制器的滤波器参数的所述步骤被重复，从而导致所述音频预补偿控制器的多个实例，其中每一个都产生具有个体约束量值的信号水平给指定频带的所述S个支持扬声器。

9.如前述任一权利要求所述的方法，其中，所述准则函数首先包括模型的集合，其描述估计脉冲响应中可能误差的范围，并且其次，包括聚合运算，其中所述聚合运算是在所述模型的集合上的求和、加权求和或统计期望。

10.如前述任一权利要求所述的方法，其中，确定所述音频预补偿控制器的滤波器参数的所述步骤还基于调整所述音频预补偿控制器的滤波器参数，以至少在所述M个测量位置的子集中，达到包括所述音频预补偿控制器的所述声音生成***的目标量值频率响应。

11.如权利要求10所述的方法，其中，调整所述音频预补偿控制器的滤波器参数的所述步骤基于至少在所述M个测量位置的子集中评估量值频率响应，以及随后确定包括所述音频预补偿控制器的所述声音生成***的最小相位模型。

12.如前述任一权利要求所述的方法，其中，目标脉冲响应非零，并且包括能够在规定限制内进行修改的可调整参数。

13.如权利要求12所述的方法，其中，对目标脉冲响应的可调整参数以及音频预补偿控制器的可调整参数进行共同调整，目的是为了优化所述准则函数。

14.如前述任一权利要求所述的方法，其中，针对所述N个扬声器输入的至少子集中的每一个，估计M个测量位置中每一个处的脉冲响应的所述步骤基于描述所述M个测量位置处的所述声音生成***的动态响应的模型。

15.如权利要求1所述的方法，其中，所述音频预补偿控制器通过在音频滤波器结构中实现所述滤波器参数来创建。

16.如权利要求15所述的方法，其中，所述音频滤波器结构连同所述声音生成***一起被体现以实现所述目标脉冲响应在所述听音环境中的所述M个测量位置处的生成。

17.如前述任一权利要求所述的方法，其中，所述声音生成***是汽车音频***或移动演播室音频***，并且所述听音环境是汽车或移动演播室的部分。

18.如前述任一权利要求所述的方法，其中，所述声音生成***是电影院音频***、音乐厅音频***、家庭音频***或专业音频***，并且所述听音环境是电影院、音乐厅、家、演播室、礼堂或任何其它处所的部分。

19.一种用于为相关联的声音生成***确定音频预补偿控制器的***，所述声音生成***包括总共N≥2个扬声器，每一个都具有扬声器输入，所述音频预补偿控制器具有针对L个输入信号的数量为L≥1的输入以及针对N个控制器输出信号的N个输出，所述声音生成***的每个扬声器对应一个输出，所述音频预补偿控制器具有多个可调整滤波器参数，其中所述***包括：

•用于针对所述N个扬声器输入的至少子集中的每一个，基于在M≥2个测量位置的声音测量，估计分布在听音环境中所关注区域内的所述M个测量位置中每一个处的脉冲响应的装置；

• 用于针对所述L个输入信号中的每一个，指定所述N个扬声器中选择的一个作为主扬声器，以及指定包括所述N个扬声器中至少一个的选择的子集S作为支持扬声器的装置，其中所述主扬声器不是所述子集的部分；

• 用于针对每个主扬声器，指定在所述M个测量位置中每一个处的目标脉冲响应的装置，其中所述目标脉冲响应具有声学传播延迟，其中所述声学传播延迟基于从主扬声器到相应测量位置的距离来确定；

• 用于针对所述L个输入信号中的每一个，基于选择的主扬声器和选择的（一个或多个）支持扬声器，确定所述音频预补偿控制器的滤波器参数，以使得在所述音频预补偿控制器的动态稳定性的约束下优化准则函数的装置，其中所述准则函数包括在所述M个测量位置上补偿估计脉冲响应与目标脉冲响应之间差值的幂的加权求和。

20.如权利要求19所述的***，其中，L≥2，并且所述***包括：用于将针对所述L个输入信号所确定的所有所述滤波器参数合并到用于所述音频预补偿控制器的滤波器参数的合并集合中的装置，其中具有滤波器参数的所述合并集合的所述音频预补偿控制器被配置用于对所述L个输入信号进行操作，以产生所述N个控制器输出信号到所述扬声器，从而实现所述目标脉冲响应。

21.如权利要求19或20所述的***，其中，用于确定所述音频预补偿控制器的滤波器参数的所述装置被配置为基于稳定、线性和因果关系的多变量前馈控制器的参数的线性二次型高斯（LQG）优化进行操作，线性二次型高斯优化基于给定的目标动态***以及声音生成***的动态模型。

22.一种用于当在计算机***上运行时为相关联的声音生成***确定音频预补偿控制器的计算机程序产品，所述声音生成***包括总共N≥2个扬声器，每一个都具有扬声器输入，所述音频预补偿控制器具有针对L个输入信号的数量为L≥1的输入以及针对N个控制器输出信号的N个输出，所述声音生成***的每个扬声器对应一个输出，所述音频预补偿控制器具有多个可调整滤波器参数，其中所述计算机程序产品包括：

•用于针对所述N个扬声器输入的至少子集中的每一个，基于在M≥2个测量位置的声音测量，估计分布在听音环境中所关注区域内的所述M个测量位置中每一个处的脉冲响应的程序装置；

• 用于针对所述L个输入信号中的每一个，指定所述N个扬声器中选择的一个作为主扬声器，以及指定包括所述N个扬声器中至少一个的选择的子集S作为支持扬声器的程序装置，其中所述主扬声器不是所述子集的部分；

• 用于针对每个主扬声器，指定在所述M个测量位置中每一个处的目标脉冲响应的程序装置，其中所述目标脉冲响应具有声学传播延迟，其中所述声学传播延迟基于从主扬声器到相应测量位置的距离来确定；

• 用于针对所述L个输入信号中的每一个，基于选择的主扬声器和选择的（一个或多个）支持扬声器，确定所述音频预补偿控制器的滤波器参数，以使得在所述音频预补偿控制器的动态稳定性的约束下优化准则函数的程序装置，其中所述准则函数包括在所述M个测量位置上补偿估计脉冲响应与目标脉冲响应之间差值的幂的加权求和。

23.如权利要求22所述的计算机程序产品，其中，L≥2，并且所述计算机程序产品包括：用于将针对所述L个输入信号所确定的所有所述滤波器参数合并到用于所述音频预补偿控制器的滤波器参数的合并集合中的程序装置，其中具有滤波器参数的所述合并集合的所述音频预补偿控制器被配置用于对所述L个输入信号进行操作，以产生所述N个控制器输出信号到所述扬声器，从而实现所述目标脉冲响应。

24.如权利要求22或23所述的计算机程序产品，其中，用于确定所述音频预补偿控制器的滤波器参数的所述装置被配置为基于稳定、线性和因果关系的多变量前馈控制器的参数的线性二次型高斯（LQG）优化进行操作，线性二次型高斯优化基于给定的目标动态***以及声音生成***的动态模型。

25.通过使用权利要求1至18中的任一项的方法所确定的音频预补偿控制器。

26.如权利要求24所述的音频预补偿控制器，其中，所述音频预补偿控制器为线性稳定因果关系前馈控制器。

27.一种包括声音生成***和通向所述声音生成***的输入路径中的音频预补偿控制器的音频***，其中，所述音频预补偿控制器通过使用权利要求1至18中任一项的方法来确定。

28.由音频预补偿控制器产生的数字音频信号，所述音频预补偿控制器通过使用权利要求1至18中任一项的方法来确定。