CN106358108B - 补偿滤波器拟合***、音响补偿***及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种补偿滤波器拟合***、音响补偿***及方法，补偿滤波器拟合***包括：目标***，包括第一传递函数模块，适于将输入的声音信号经过所述第一传递函数模块中的第一传递函数处理后输出目标声音信号；模拟***，与目标***相连接，包括第二传递函数模块，适于将输入的目标声音信号经过第二传递函数模块中的第二传递函数处理后输出模模拟声音信号；拟合模块，与目标***及模拟***相连接，适于将目标声音信号与模拟声音信号相拟合，以得到与模拟***输入端相连接的补偿滤波器的参数。通过获取并增设补偿滤波器，能够消除模拟***的畸变，可以实现高质量的还原目标声音信号；能够使一种模拟***模拟各种不同类型、不同音质偏重的其他音响。

Description

补偿滤波器拟合***、音响补偿***及方法
技术领域
本发明涉及音频领域，特别是涉及一种补偿滤波器拟合***、音响补偿***及方法。
背景技术
在所有的音响***中，包含各种耳机和音箱***，由于自身结构等因素，以及从播放的声音信号经过空气传播，空间反射，一直到耳朵听到的声音会相较于原声有各种各样的损失、延迟或者畸变。尤其是对于质量较差的音响***畸变大。
对于耳机而言，目前，无论是有源耳机还是无源耳机(有源、无源指的是耳机是否自带电源)都只能发出带有自身特点的声音。有些耳机能很好的还原原声，有些耳机低音浑厚，有些高音亮丽。但同一个耳机现在只体现一种特性，无法满足用户众口难调的各种需求。无法做到用A耳机去模拟B耳机发出的声音。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种补偿滤波器拟合***、音响补偿***及方法，用于解决现有技术中存在的音响存在的播放的声音传播至听者耳朵时相较于原声有各种各样的损失、延迟或者畸变的问题，以及一个耳机或音箱只能体现一种特性，无法满足用户众口难调的各种需求的问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种补偿滤波器拟合***，所述补偿滤波器拟合***至少包括：
目标***，包括第一传递函数模块，适于将输入的声音信号经过所述第一传递函数模块中的第一传递函数处理后输出目标声音信号；
模拟***，与所述目标***相连接，包括第二传递函数模块，适于将输入的所述目标声音信号经过所述第二传递函数模块中的第二传递函数处理后输出模拟目标声音信号的模拟声音信号；
拟合模块，与所述目标***及所述模拟***相连接，适于将所述目标声音信号与所述模拟声音信号相拟合，以得到与所述模拟***输入端相连接的补偿滤波器的参数。
优选地，所述第一传递函数及所述第二传递函数为FIR或IIR的补偿滤波器。
优选地，所述第一传递函数及所述第二传递函数采用冲击函数法、自适应滤波器逼近法、维纳滤波法或matlab计算法获取。
优选地，采用冲击函数法获取所述第一传递函数或所述第二传递函数的具体方法为：播放一个冲击函数并同时录音即得到所述第一传递函数或所述第二传递函数。
优选地，采用自适应滤波器逼近法获取所述第一传递函数或所述第二传递函数的具体方法为：播放一个白噪声并同时录音，依据播放的白噪声声音信号及录音信号用LMS、NLMS或RLS算法进行逼近得到逼近信号，使得逼近信号与录音信号的方差最小，得到的FIR的最后一组参数即为所述第一传递函数或所述第二传递函数。
优选地，采用matlab计算法获取所述第一传递函数或所述第二传递函数的具体方法为：使用ARX建模，然后用递归的线性二次型方式收敛，即可得到所述第一传递函数或所述第二传递函数。
优选地，所述拟合模块采用FXLMS算法、频域相乘法、最小相位法或LQG控制模拟法将所述目标声音信号与所述声音信号进行拟合，以得到与所述模拟***的输入端相连接的补偿滤波器的参数。
优选地，所述拟合模块采用频域相乘法将所述目标声音信号与所述模拟声音信号进行拟合，以得到与所述模拟***的输入端相连接的补偿滤波器的参数的具体方法为：根据时域卷积等于频域相乘的原理，给个冲击脉冲(即直接用冲击脉冲作为补偿算法)得到相应做FFT分解，分解得到频域，在频域的各个点除以传递函数(FIR)的FFT分解，即可得到所述补偿滤波器的频域分量，做FFT反变化，即可得到所述补偿滤波器的参数。
优选地，所述拟合模块采用最小相位法将所述目标声音信号与所述模拟声音信号进行拟合，以得到与所述模拟***的输入端相连接的补偿滤波器的参数的具体方法为：假设模拟***的传递函数为所述补偿滤波器的表达式为由于模拟***稳定，是零点在单位圆内的多项式，不能保证零点在单位圆内。为了保证所述补偿滤波器的稳定，目标***及模拟***的幅频响应不变，相频符合最小相位法，做目标***谱分解方程求的，使为零点在单位圆内的多项式，谱分解方程为：
β(z-1)β*(z)＝B(z-1)B*(z)
其中，
β(z-1)＝β0+β1z-1+β2z-2+......+βnβz-nβ；
β*(z)＝β0+β1z1+β2z2+......+βnβznβ；
B(z-1)＝B0+B1z-1+B2z-2+......+BnBz-nB；
B*(z)＝B0+B1z1+B2z2+......+BnBznB
由上式，即可得到所述补偿滤波器的参数。
优选地，所述拟合模块采用LQG控制模拟法将所述目标声音信号与所述模拟声音信号进行拟合，以得到与所述模拟***的输入端相连接的补偿滤波器的参数的具体方法为：在最小相位法的基础上，假设所述目标声音信号先过延时模块d，这样可以假设所述补偿滤波器的表达式为通过如下求解丢番图方程可以求得从而得到所述补偿滤波器的参数：
z-dB*(z)＝Q(z-1)β*(z)-zL*(z)
优选地，所述拟合模块得到的所述目标声音信号与所述模拟声音信号之间的能量的方差最小时的参数即为所述补偿滤波器的参数。
优选地，还包括延时模块，所述延时模块与所述目标***的输出端及所述拟合模块相连接，适于将所述目标***发出的目标声音信号经一定延时后传递至所述拟合模块。
优选地，还包括旁路惩罚滤波器，所述旁路惩罚滤波器的输入端与所述补偿滤波器的输出端相连接，输出端与所述拟合模块连接，适于滤除目标声音信号中极限高频及极限低频的声音信号。
优选地，所述拟合模块采用最小相位法将所述目标声音信号与所述模拟声音信号进行拟合，以得到与所述模拟***的输入端相连接的补偿滤波器的参数的具体方法为：假设模拟***的传递函数为所述旁路惩罚滤波器的传递函数为：做谱分解方程求的，使为零点在单位圆内的多项式，谱分解方程为；
β(z-1)β*(z)＝V(z-1)V*(z)B(z-1)B*(z)+W(z-1)W*(z)A(z-1)A*(z)
由上式，即可得到所述补偿滤波器的参数。
优选地，所述拟合模块采用LQG控制模拟法将所述目标声音信号与所述模拟声音信号进行拟合，以得到与所述模拟***的输入端相连接的补偿滤波器的参数的具体方法为：在最小相位法的基础上，假设所述目标声音信号先过延时模块d，这样可以假设所述补偿滤波器的表达式为所述旁路惩罚滤波器的传递函数为：通过如下求解丢番图方程可以求得从而得到所述补偿滤波器的参数：
z-dV(z-1)V*(z)B*(z)＝Q(z-1)β*(z)-zL*(z)
本发明还提供一种补偿滤波器的拟合方法，所述补偿滤波器的拟合方法至少包括：
1)获取经过目标***中第一传递函数处理后的目标声音信号；
2)获取经过模拟***中第二传递函数处理后的模拟声音信号；
3)依据所述目标声音信号及所述模拟声音信号进行拟合以获取补偿滤波器的参数。
优选地，所述步骤1)中及所述步骤2)中，分别采用冲击函数法、自适应滤波器逼近法、维纳滤波法或matlab计算法获取所述第一传递函数或所述第二传递函数。
优选地，采用冲击函数法获取所述第一传递函数或所述第二传递函数的具体方法为：播放一个冲击函数并同时录音即得到所述第一传递函数或所述第二传递函数。
优选地，采用自适应滤波器逼近法获取所述第一传递函数或所述第二传递函数的具体方法为：播放一个白噪声并同时录音，依据播放的白噪声声音信号及录音信号用LMS、NLMS或RLS算法进行逼近得到逼近信号，使得逼近信号与录音信号的方差最小，得到的FIR的最后一组参数即为所述第一传递函数或所述第二传递函数。
优选地，采用matlab计算法获取所述第一传递函数或所述第二传递函数的具体方法为：使用ARX建模，然后用递归的线性二次型方式收敛，即可得到所述第一传递函数或所述第二传递函数。
优选地，所述步骤3)中，采用FXLMS算法、频域相乘法、最小相位法或LQG控制模拟法将所述目标声音信号与所述声音信号进行拟合，以得到与所述模拟***的输入端相连接的补偿滤波器的参数。
优选地，采用频域相乘法将所述目标声音信号与所述模拟声音信号进行拟合，以得到与所述模拟***的输入端相连接的补偿滤波器的参数的具体方法为：根据时域卷积等于频域相乘的原理，给个冲击脉冲(即直接用冲击脉冲作为补偿算法)得到相应做FFT分解，分解得到频域，在频域的各个点除以传递函数(FIR)的FFT分解，即可得到所述补偿滤波器的频域分量，做FFT反变化，即可得到所述补偿滤波器的参数。
优选地，采用最小相位法将所述目标声音信号与所述模拟声音信号进行拟合，以得到与所述模拟***的输入端相连接的补偿滤波器的参数的具体方法为：假设模拟***的传递函数为所述补偿滤波器的表达式为由于模拟***稳定，A(：是零点在单位圆内的多项式，不能保证零点在单位圆内。为了保证所述补偿滤波器的稳定，目标***及模拟***的幅频响应不变，相频符合最小相位法，做目标***谱分解方程求的，使为零点在单位圆内的多项式，谱分解方程为：
β(z-1)β*(z)＝B(z-1)B*(z)
其中，
由上式，即可得到所述补偿滤波器的参数。
优选地，采用LQG控制模拟法将所述目标声音信号与所述模拟声音信号进行拟合，以得到与所述模拟***的输入端相连接的补偿滤波器的参数的具体方法为：在最小相位法的基础上，假设所述目标声音信号先过延时模块d，这样可以假设所述补偿滤波器的表达式为通过如下求解丢番图方程可以求得从而得到所述补偿滤波器的参数：
z-dB*(z)＝Q(z-1)β*(z)-zL*(z)
优选地，采用最小相位法将所述目标声音信号与所述模拟声音信号进行拟合，以得到与所述模拟***的输入端相连接的补偿滤波器的参数的具体方法为：假设模拟***的传递函数为所述旁路惩罚滤波器的传递函数为：做谱分解方程求的，使为零点在单位圆内的多项式，谱分解方程为；
β(z-1)β*(z)＝V(z-1)V*(z)B(z-1)B*(z)+W(z-1)W*(z)A(z-1)A*(z)
由上式，即可得到所述补偿滤波器的参数。
优选地，采用LQG控制模拟法将所述目标声音信号与所述模拟声音信号进行拟合，以得到与所述模拟***的输入端相连接的补偿滤波器的参数的具体方法为：在最小相位法的基础上，假设所述目标声音信号先过延时模块d，这样可以假设所述补偿滤波器的表达式为所述旁路惩罚滤波器的传递函数为：通过如下求解丢番图方程可以求得从而得到所述补偿滤波器的参数：
z-dV(z-1)V*(z)B*(z)＝Q(z-1)β*(z)-zL*(z)
本发明还提供一种音响补偿***，所述音响模拟***至少包括：
模拟***，包括第二传递函数模块，适于将目标***提供的目标声音信号经过所述第二传递函数模块中的第二传递函数处理后输出模拟目标声音信号的模拟声音信号；
补偿滤波器，包括输入端及输出端；所述补偿滤波器的输入与所述目标***相连接，所述补偿滤波器的输出端与所述模拟***的输入端相连接，适于对输入所述模拟***的声音信号进行处理，以使得所述模拟声音信号与所述目标声音信号的能量的方差最小；所述补偿滤波器的参数由如上述任一方案中所述的补偿滤波器拟合***获得。
优选地，所述模拟***及所述目标***均为耳机或音箱。
优选地，述模拟***为无源耳机或无源音箱，所述补偿滤波器的输入端与所述目标***相连接，输出端与所述模拟***的输入端相连接。
优选地，所述模拟***为有源耳机或有源音箱，所述补偿滤波器位于所述模拟***内部。
本发明还提供一种音响模拟方法，所述音响模拟方法至少包括：
1)提供补偿滤波器，所述补偿滤波器的参数由如上述任一方案中所述的补偿滤波器拟合***获得；
2)将目标声音信号输入所述补偿滤波器进行处理；
3)将所述补偿滤波器处理后的声音信号发送至模拟***中予以播放。
如上所述，本发明的补偿滤波器拟合***、音响补偿***及方法，具有以下有益效果：通过增设补偿滤波器，能够消除模拟***的畸变，可以实现高质量的还原目标声音信号；能够使一种模拟***模拟各种不同类型、不同音质偏重的其他音响；通过增设旁路惩罚滤波器，能够去除模拟***无法发出的声音频段，可以在相同的输出能量的情况下提高音量，以减少不必要的能力损失，并保护模拟***在极限情况下不被破坏。
附图说明
图1显示为本发明实施例一中提供的补偿滤波器拟合***的框图。
图2显示为本发明实施例一中提供的补偿滤波器拟合***的拟合模块采用FXLMS拟合算法拟合的框图。
图3显示为本发明实施例一中提供的补偿滤波器拟合***中的拟合模块采用最小相位法拟合的冲击响应图，其中，虚线为补偿滤波器的输出，实线为最终听到的声音信号。
图4显示为本发明实施例一中提供的补偿滤波器拟合***中的拟合模块采用LQG拟合的冲击响应图，其中，虚线为补偿滤波器的输出，实线为最终听到的声音。
图5显示为本发明实施例一中提供的另一种具有旁路惩罚滤波器的补偿滤波器拟合***的框图。
图6显示为本发明实施例一中提供的具有旁路惩罚滤波器的补偿滤波器拟合***中的冲击响应图。
图7显示为本发明实施例二提供的补偿滤波器的拟合方法的流程图。
图8显示为本发明实施例三中提供的音响模拟***的框图。
图9显示为本发明实施例四提供的音响模拟方法的流程图。
元件标号说明
1 模拟***
2 拟合模块
21 加法器
22 拟合单元
3 补偿滤波器
4 延时模块
5 旁路惩罚滤波器
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
请参阅图1至图9。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，虽图示中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
实施例一
请参阅图1，所述补偿滤波器拟合***至少包括：目标***(未示出)，所述目标包括第一传递函数模块(未示出)，所述目标***适于将输入的声音信号经过所述第一传递函数模块中的第一传递函数处理后输出目标声音信号w(k)；模拟***1，所述模拟***1与所述目标***相连接，所述模拟***1包括第二传递函数模块(未示出)，适于将输入的所述目标声音信号w(k))经过所述第二传递函数模块中的第二传递函数处理后输出模拟目标声音信号的模拟声音信号ym(k))；拟合模块2，所述拟合模块2与所述目标***及所述模拟***1相连接，适于将所述目标声音信号与所述模拟声音信号ym(k)相拟合，以得到与所述模拟***输入端相连接的补偿滤波器2的参数。
作为示例，所述第一传递函数及所述第二传递函数为FIR或IIR的补偿滤波器。
作为示例，所述拟合模块2得到的所述目标声音信号与所述模拟声音信号之间的能量的方差最小时的参数即为所述补偿滤波器3的参数。
作为示例，如图1所示，所述补偿滤波器拟合***还包括延时模块4，所述延时模块4与所述目标***的输出端及所述拟合模块2相连接，适于将所述目标***发出的目标声音信号w(k)经一定延时后的到延时后的目标声音信号yref(k)，然后将所述目标声音信号yref(k)传送至所述拟合模块2。
作为示例，所述第一传递函数及所述第二传递函数的具体方法为：首先假定输入到所述目标***的电信号为x(0)，x(1)…x(n)的序列，人耳听到(或mic(麦克风)录音得到)的是y(0)，y(1)…y(n)的序列，它们之间的关系式可以表示为：
a0y(n)+a1y(n-1)......+ajy(n-j)＝b0x(n)+b1x(n-1)......+bk(n或
其中，即为目标声音信号或所述模拟声音信号的传递函数。
作为示例，所述第一传递函数及所述第二传递函数采用冲击函数法、自适应滤波器逼近法、维纳滤波法或matlab计算法获取。
作为示例，采用冲击函数法获取所述第一传递函数或所述第二传递函数的具体方法为：播放一个冲击函数并同时录音即得到所述第一传递函数或所述第二传递函数。
作为示例，采用自适应滤波器逼近法获取所述第一传递函数或所述第二传递函数的具体方法为：播放一个白噪声并同时录音，将播放声音信号记为x(n)，录音信号记为d(n)，依据x(n)及d(n)用LMS、NLMS或RLS算法进行逼近得到逼近信号y(n)，使得y(n)-d(n)的方差最小，得到的FIR的最后一组参数即为所述第一传递函数或所述第二传递函数。
作为示例，采用matlab计算法获取所述第一传递函数或所述第二传递函数的具体方法为：使用ARX建模，然后用递归的线性二次型方式收敛，即可得到所述第一传递函数或所述第二传递函数，即使用matlab的tfest进行建模和递归得到所述第一传递函数或所述第二传递函数。
作为示例，首先，将所述模拟声音信号ym(k)与所述目标声音信号yref(k)的差值的能力记为E(.)，E(.)越小，所述模拟***1输出的模拟声音信号与所述目标声音信号越相近。为了使E(.)最小，所述拟合模块2可以采用FXLMS算法、频域相乘法、最小相位法或LQG控制模拟法法将所述目标声音信号的传递函数与所述模拟声音信号的传递函数进行拟合，以得到与所述模拟***1的输入端相连接的补偿滤波器3的参数。
作为示例，采用FXLMS算法将所述目标声音信号的传递函数与所述模拟声音信号的传递函数进行拟合的具体方法为：如图2所示，图2中所述模拟***1的估计函数记为A’，目标***(未示出)输入白噪声x(n)，白噪声x(n)通过所述补偿滤波器3之后的声音信号y(n)经过所述模拟***1至所述拟合模块2，同时，将白噪声通过所述延时模块4获得所述延时模块4输出的目标声音信号d(n)，将模拟声音信号与目标声音信号先经由加法器21进行加减运算后由拟合单元22通过FXLMS算法进行最小方差运算，得到所述补偿滤波器3的参数。
作为示例，采用频域相乘法将所述目标声音信号的传递函数与所述模拟声音信号的传递函数进行拟合的具体方法为：在图1中，根据时域卷积等于频域相乘的原理，给个冲击脉冲(即直接用冲击脉冲作为补偿算法)得到相应做FFT分解，分解得到频域，在频域的各个点除以传递函数(FIR)的FFT分解，即可得到所述补偿滤波器3的频域分量，做FFT反变化，即可得到所述补偿滤波器3。
作为示例，采用最小相位法将所述目标声音信号的传递函数与所述模拟声音信号的传递函数进行拟合的具体方法为：假设所述模拟***1输出的模拟声音信号的传递函数为所述模拟***1模拟所述目标声音信号的传递函数，我们可以认为所述补偿滤波器3的表达式为由于所述模拟***1稳定，由于A(是零点在单位圆内的多项式，B(不能保证零点在单位圆内。为了保证所述补偿滤波器3的稳定，所述目标***及所述模拟***1的幅频响应不变，相频符合最小相位法，我们做目标***谱分解方程求得
使为零点在单位圆内的多项式。上面表达式中，
β(z-1)＝β0+β1z-1+β2z-2+......+βnβz-nβ；
β*(z)＝β0+β1z1+β2z2+......+βnβznβ；
B(z-1)＝B0+B1z-1+B2z-2+......+BnBz-nB；
B*(z)＝B0+B1z1+B2z2+......+BnBznB
即所述补偿滤波器3的表达式R可以替换成图3为采用该方法拟合的冲击响应图，由图3可知，该方法拟合的所述补偿滤波器3对输入到所述模拟***1的声音信号处理之后，具有较好的效果。
作为示例，所述拟合模块采用LQG控制模拟法将所述目标声音信号与所述模拟声音信号进行拟合，以得到与所述模拟***的输入端相连接的补偿滤波器的参数的具体方法为：在最小相位法的基础上假设目标声音信号先过个延时模块4，然后如图1所示，这样假设所述补偿滤波器3的表达式为为求最小E(.)，通过求解丢番图方程
z-dB*(z)＝Q(z-1)β*(z)-zL*(z)
其中，L*(z)为目标***丢番图方程的另一个解，可以求的Q(从而得到R。这个方法比上述方法好的地方在于Q(是个预振荡像，可以对所述模拟***1输出的模拟声音信号的传递函数为进行预起振，得到更好的相频响应。图4为采用该方法拟合的冲击响应图，由图4可知，该方法拟合的所述补偿滤波器3对输入到所述模拟***1的声音信号处理之后，具有较好的效果。
作为示例，请参阅图5，所述补偿滤波器拟合***还包括一旁路惩罚滤波器5，所述旁路惩罚滤波器5的输入端与所述补偿滤波器3的输出端相连接，输出端与所述拟合模块2连接，适于滤除目标声音信号中极限高频(17KHz以上)及极限低频(50Hz以下)的声音信号。图6为本实施中的冲击响应图，其中，黑色线条与灰色线条分别为加入2阶50Hz低通和4阶17000Hz高通的惩罚滤波器之后的冲击响应。通过增设所述旁路惩罚滤波器5，能够去除模拟***1无法发出的声音频段，可以在相同的输出能量的情况下提高音量，以减少不必要的能力损失，并保护模拟***1在极限情况下不被破坏。
作为示例，增设所述旁路惩罚滤波器5之后，所述拟合模块2采用最小相位法将经过所述延时模块4的所述目标声音信号yref(t)、经过所述旁路惩罚滤波器5的所述目标声音信号yp(t)与所述模拟声音信号ym(k)进行拟合，使能量E||yref(t)-ym(+E||yp(最小，以得到与所述模拟***1的输入端相连接的补偿滤波器3的参数的具体方法为：假设模拟***1的传递函数为所述旁路惩罚滤波器5的传递函数为：做谱分解方程求的，使为零点在单位圆内的多项式，谱分解方程为；
β(z-1)β*(z)＝V(z-1)V*(z)B(z-1)B*(z)+W(z-1)W*(z)A(z-1)A*(z)
z-dV(z-1)V*(z)B*(z)＝Q(z-1)β*(z)-zL*(z)
本发明通过增设所述补偿滤波器4，能够消除模拟***1的畸变，可以实现高质量的还原目标声音信号。
实施例二
请参阅图7，本发明还提供一种补偿滤波器的拟合方法，所述补偿滤波器的拟合方法至少包括：
1)获取经过目标***中第一传递函数处理后的目标声音信号；
2)获取经过模拟***中第二传递函数处理后的模拟声音信号；
3)依据所述目标声音信号及所述模拟声音信号进行拟合以获取补偿滤波器的参数。
作为示例，所述步骤1)中，首先假定输入到所述目标***的电信号为x(0)，x(1)...x(n)的序列，人耳听到(或mic(麦克风)录音得到)的是y(0)，y(1)...y(n)的序列，它们之间的关系式可以表示为：
a0y(n)+a1y(n-1)......+ajy(n-j)＝b0x(n)+b1x(n-1)......+bk(n或
其中，即为目标声音信号或所述模拟声音信号的传递函数。
作为示例，所述步骤1)及所述步骤2)中，可以采用冲击函数法、自适应滤波器逼近法、维纳滤波法或matlab计算法获取所述第一传递函数或所述第二传递函数。
作为示例，采用冲击函数法获取所述第一传递函数或所述第二传递函数的具体方法为：播放一个冲击函数并同时录音即得到所述第一传递函数或所述第二传递函数。
作为示例，采用自适应滤波器逼近法获取所述第一传递函数或所述第二传递函数的具体方法为：播放一个白噪声并同时录音，将播放声音信号记为x(n)，录音信号记为d(n)，依据x(n)及d(n)用LMS、NLMS或RLS算法进行逼近得到逼近信号y(n)，使得y(n)-d(n)的方差最小，得到的FIR的最后一组参数即为所述第一传递函数或所述第二传递函数。
作为示例，采用matlab计算法获取所述第一传递函数或所述第二传递函数的具体方法为：使用ARX建模，然后用递归的线性二次型方式收敛，即可得到所述第一传递函数或所述第二传递函数，即使用matlab的tfest进行建模和递归得到所述第一传递函数或所述第二传递函数。
作为示例，所述步骤3)中，采用FXLMS算法、频域相乘法、最小相位法或LQG控制模拟法将所述目标声音信号与所述声音信号进行拟合，以得到与所述模拟***的输入端相连接的补偿滤波器的参数。
作为示例，采用FXLMS算法将所述目标声音信号的传递函数与所述模拟声音信号的传递函数进行拟合的具体方法为：如图2所示，图2中所述模拟***1的估计函数记为A’，目标***(未示出)输入白噪声x(n)，白噪声x(n)通过所述补偿滤波器3之后的声音信号y(n)经过所述模拟***1至所述拟合模块2，同时，将白噪声通过所述延时模块4获得所述延时模块4输出的目标声音信号d(n)，将模拟声音信号与目标声音信号先经由加法器21进行加减运算后由拟合单元22通过FXLMS算法进行最小方差运算，得到所述补偿滤波器3的参数。
作为示例，采用频域相乘法将所述目标声音信号的传递函数与所述模拟声音信号的传递函数进行拟合的具体方法为：在图1中，根据时域卷积等于频域相乘的原理，给个冲击脉冲(即直接用冲击脉冲作为补偿算法)得到相应做FFT分解，分解得到频域，在频域的各个点除以传递函数(FIR)的FFT分解，即可得到所述补偿滤波器3的频域分量，做FFT反变化，即可得到所述补偿滤波器3。
作为示例，采用最小相位法将所述目标声音信号的传递函数与所述模拟声音信号的传递函数进行拟合的具体方法为：假设所述模拟***1输出的模拟声音信号的传递函数为所述模拟***1模拟所述目标声音信号的传递函数，我们可以认为所述补偿滤波器3的表达式为由于所述模拟***1稳定，由于A(是零点在单位圆内的多项式，B(不能保证零点在单位圆内。为了保证所述补偿滤波器3的稳定，所述目标***及所述模拟***1的幅频响应不变，相频符合最小相位法，我们做目标***谱分解方程求得
使为零点在单位圆内的多项式。上面表达式中，
β(z-1)＝β0+β1z-1+β2z-2+......+βnβz-nβ；
β*(z)＝β0+β1z1+β2z2+......+βnβznβ；
B(z-1)＝B0+B1z-1+B2z-2+......+BnBz-nB；
B*(z)＝B0+B1z1+B2z2+......+BnBznB
即所述补偿滤波器3的表达式R可以替换成图3为采用该方法拟合的冲击响应图，由图3可知，该方法拟合的所述补偿滤波器3对输入到所述模拟***1的声音信号处理之后，具有较好的效果。
作为示例，所述拟合模块采用LQG控制模拟法将所述目标声音信号与所述模拟声音信号进行拟合，以得到与所述模拟***的输入端相连接的补偿滤波器的参数的具体方法为：在最小相位法的基础上假设目标声音信号先过个延时模块4，然后如图1所示，这样假设所述补偿滤波器3的表达式为为求最小E(.)，通过求解丢番图方程
可以求的Q(从而得到R。这个方法比上述方法好的地方在于Q(是个预振荡像，可以对所述模拟***1输出的模拟声音信号的传递函数为进行预起振，得到更好的相频响应。图4为采用该方法拟合的冲击响应图，由图4可知，该方法拟合的所述补偿滤波器3对输入到所述模拟***1的声音信号处理之后，具有较好的效果。
作为示例，增设所述旁路惩罚滤波器5之后，所述拟合模块2采用最小相位法将经过所述延时模块4的所述目标声音信号yref(t)、经过所述旁路惩罚滤波器5的所述目标声音信号yp(t)与所述模拟声音信号ym(k)进行拟合，使能量E||yref(t)-ym(+E||yp(最小，以得到与所述模拟***1的输入端相连接的补偿滤波器3的参数的具体方法为：假设模拟***1的传递函数为所述旁路惩罚滤波器5的传递函数为：做谱分解方程求的，使为零点在单位圆内的多项式，谱分解方程为；
z-dV(z-1)V*(z)B*(z)＝Q(z-1)β*(z)-zL*(z)
实施例三
请参阅图8，本发明还提供一种音响补偿***，所述音响模拟***至少包括：模拟***1，所述模拟***1适于依据目标***提供的目标声音信号生成模拟声音信号，所述模拟声音信号为用来模拟所述目标声音信号的声音信号；补偿滤波器3，所述补偿滤波器3包括输入端及输出端；所述补偿滤波器3的输入与所述目标***相连接，所述补偿滤波器3的输出端与所述模拟***1的输入端相连接，适于对输入所述模拟***1的声音信号进行处理，以使得所述模拟声音信号与所述目标声音信号的能量的方差最小；所述补偿滤波器3的参数由实施例一中所述的补偿滤波器拟合***获得。
作为示例，所述模拟***1及所述目标***可以均为耳机或音箱。
作为示例，所述模拟***1可以为无源耳机或音箱，所述补偿滤波器3位于所述模拟***1的外部，所述补偿滤波器3的输入端与所述目标***相连接，输出端与所述模拟***1的输入端相连接。
作为示例，所述模拟***1可以为有源音响，所述补偿滤波器3位于所述模拟***1内部。
实施例四
请参阅图9，本发明还提供一种音响模拟方法，所述音响模拟方法至少包括：
1)提供补偿滤波器，所述补偿滤波器的参数由实施例一中所述的补偿滤波器拟合***获得；
2)将目标声音信号输入所述补偿滤波器进行处理；
3)将所述补偿滤波器处理后的声音信号发送至模拟***中予以播放
作为示例，所述模拟***可以为无源音响，即可以为无源耳机或音箱，所述补偿滤波器位于所述模拟***的外部，所述补偿滤波器的输入端与所述目标***相连接，输出端与所述模拟***的输入端相连接。
作为示例，所述模拟***可以为有源音响，即可以为有源耳机或音箱，所述补偿滤波器位于所述模拟***内部。
综上所述，本发明的补偿滤波器拟合***、音响补偿***及方法，所述补偿滤波器拟合***至少包括：目标***，包括第一传递函数模块，适于将输入的声音信号经过所述第一传递函数模块中的第一传递函数处理后输出目标声音信号；模拟***，与所述目标***相连接，包括第二传递函数模块，适于将输入的所述目标声音信号经过所述第二传递函数模块中的第二传递函数处理后输出模拟目标声音信号的模拟声音信号；拟合模块，与所述目标***及所述模拟***相连接，适于将所述目标声音信号与所述模拟声音信号相拟合，以得到与所述模拟***输入端相连接的补偿滤波器的参数。通过增设补偿滤波器，能够消除模拟***的畸变，可以实现高质量的还原目标声音信号；能够使一种模拟***模拟各种不同类型、不同音质偏重的其他音响。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (29)

1.一种补偿滤波器拟合***，其特征在于，至少包括：
目标***，包括第一传递函数模块，适于将输入的声音信号经过所述第一传递函数模块中的第一传递函数处理后输出目标声音信号；
模拟***，与所述目标***相连接，包括第二传递函数模块，适于将输入的所述目标声音信号经过所述第二传递函数模块中的第二传递函数处理后输出模拟目标声音信号的模拟声音信号；
拟合模块，与所述目标***及所述模拟***相连接，适于将所述目标声音信号与所述模拟声音信号相拟合，以得到与所述模拟***输入端相连接的补偿滤波器的参数。
2.根据权利要求1所述的补偿滤波器拟合***，其特征在于：所述第一传递函数及所述第二传递函数为FIR或IIR的补偿滤波器。
3.根据权利要求1所述的补偿滤波器拟合***，其特征在于：所述第一传递函数及所述第二传递函数采用冲击函数法、自适应滤波器逼近法、维纳滤波法或matlab计算法获取。
4.根据权利要求3所述的补偿滤波器拟合***，其特征在于：采用冲击函数法获取所述第一传递函数或所述第二传递函数的具体方法为：播放一个冲击函数并同时录音即得到所述第一传递函数或所述第二传递函数。
5.根据权利要求3所述的补偿滤波器拟合***，其特征在于：采用自适应滤波器逼近法获取所述第一传递函数或所述第二传递函数的具体方法为：播放一个白噪声并同时录音，依据播放的白噪声声音信号及录音信号用LMS、NLMS或RLS算法进行逼近得到逼近信号，使得逼近信号与录音信号的方差最小，得到的FIR的最后一组参数即为所述第一传递函数或所述第二传递函数。
6.根据权利要求3所述的补偿滤波器拟合***，其特征在于：采用matlab计算法获取所述第一传递函数或所述第二传递函数的具体方法为：使用ARX建模，然后用递归的线性二次型方式收敛，即可得到所述第一传递函数或所述第二传递函数。
7.根据权利要求1所述的补偿滤波器拟合***，其特征在于：所述拟合模块采用FXLMS算法、频域相乘法、最小相位法或LQG控制模拟法将所述目标声音信号与所述声音信号进行拟合，以得到与所述模拟***的输入端相连接的补偿滤波器的参数。
8.根据权利要求7所述的补偿滤波器拟合***，其特征在于：所述拟合模块采用频域相乘法将所述目标声音信号与所述模拟声音信号进行拟合，以得到与所述模拟***的输入端相连接的补偿滤波器的参数的具体方法为：根据时域卷积等于频域相乘的原理，提供一冲击脉冲得到响应做FFT分解，分解得到频域，在频域的各个点除以传递函数的FFT分解，即可得到所述补偿滤波器的频域分量，做FFT反变化，即可得到所述补偿滤波器的参数。
9.根据权利要求7所述的补偿滤波器拟合***，其特征在于：所述拟合模块采用最小相位法将所述目标声音信号与所述模拟声音信号进行拟合，以得到与所述模拟***的输入端相连接的补偿滤波器的参数的具体方法为：假设模拟***的传递函数为所述补偿滤波器的表达式为由于模拟***稳定，A(z-1)是零点在单位圆内的多项式，B(z-1)不能保证零点在单位圆内；为了保证所述补偿滤波器的稳定，目标***及模拟***的幅频响应不变，相频符合最小相位法，做目标***谱分解方程求的β，使β为零点在单位圆内的多项式，谱分解方程为：
β(z-1)β*(z)＝B(z-1)β*(z)β(z-1)β*(z)＝B(z-1)B*(z)
其中，
β(z-1)＝β0+β1z-1+β2z-2+......+βnβz-nβ；
β*(z)＝β0+β1z1+β2z2+......+βnβznβ；B(z-1)＝B0+B1z-1+B2z-2+......+BnBz-nB；
B*(z)＝B0+B1z1+B2z2+......+BnBznB
由上式，即可得到所述补偿滤波器的参数。
10.根据权利要求9所述的补偿滤波器拟合***，其特征在于：所述拟合模块采用LQG控制模拟法将所述目标声音信号与所述模拟声音信号进行拟合，以得到与所述模拟***的输入端相连接的补偿滤波器的参数的具体方法为：在最小相位法的基础上，假设所述目标声音信号先过延时模块d，这样可以假设所述补偿滤波器的表达式为通过如下求解丢番图方程可以求得Q(q-1)，从而得到所述补偿滤波器的参数：
z-dB*(z)＝Q(z-1)β*(z)-zL*(z)z-dB*(z)＝Q(z-1)β*(z)-zL*(z)。
11.根据权利要求1所述的补偿滤波器拟合***，其特征在于：所述拟合模块得到的所述目标声音信号与所述模拟声音信号之间的能量的方差最小时的参数即为所述补偿滤波器的参数。
12.根据权利要求1所述的补偿滤波器拟合***，其特征在于：还包括延时模块，所述延时模块与所述目标***的输出端及所述拟合模块相连接，适于将所述目标***发出的目标声音信号经一定延时后传递至所述拟合模块。
13.根据权利要求1所述的补偿滤波器拟合***，其特征在于：还包括旁路惩罚滤波器，所述旁路惩罚滤波器的输入端与所述补偿滤波器的输出端相连接，输出端与所述拟合模块连接，适于滤除目标声音信号中极限高频及极限低频的声音信号。
14.根据权利要求13所述的补偿滤波器拟合***，其特征在于：所述拟合模块采用最小相位法将所述目标声音信号与所述模拟声音信号进行拟合，以得到与所述模拟***的输入端相连接的补偿滤波器的参数的具体方法为：假设模拟***的传递函数为所述旁路惩罚滤波器的传递函数为：做谱分解方程求的β，使β为零点在单位圆内的多项式，谱分解方程为；
β(z-1)β*(z)＝V(z-1)V*(z)B(z-1)B*(z)+W(z-1)W*(z)A(z-1)A*(z)
β(z-1)β*(z)＝V(z-1)V*(z)B(z-1)B*(z)+W(z-1)W*(z)A(z-1)A*(z)
由上式，即可得到所述补偿滤波器的参数。
15.根据权利要求13所述的补偿滤波器拟合***，其特征在于：所述拟合模块采用LQG控制模拟法将所述目标声音信号与所述模拟声音信号进行拟合，以得到与所述模拟***的输入端相连接的补偿滤波器的参数的具体方法为：在最小相位法的基础上，假设所述目标声音信号先过延时模块d，这样可以假设所述补偿滤波器的表达式为所述旁路惩罚滤波器的传递函数为：通过如下求解丢番图方程可以求得Q(q-1)，从而得到所述补偿滤波器的参数：
z-dV(z-1)V*(z)B*(z)＝Q(z-1)β*(z)-zL*(z)
z-dV(z-1)V*(z)B*(z)＝Q(z-1)β*(z)-zL*(z)。
16.一种基于权利要求1至15中任一项所述的补偿滤波器拟合***的补偿滤波器的拟合方法，其特征在于，所述补偿滤波器的拟合方法至少包括：
1)采用冲击函数法、自适应滤波器逼近法、维纳滤波法或matlab计算法获取经过目标***中第一传递函数处理后的目标声音信号；
2)采用冲击函数法、自适应滤波器逼近法、维纳滤波法或matlab计算法获取经过模拟***中第二传递函数处理后的模拟声音信号；
3)采用FXLMS算法、频域相乘法、最小相位法或LQG控制模拟法将所述目标声音信号与所述声音信号进行拟合以获取补偿滤波器的参数。
17.根据权利要求16所述的补偿滤波器的拟合方法，其特征在于：采用冲击函数法获取所述第一传递函数或所述第二传递函数的具体方法为：播放一个冲击函数并同时录音即得到所述第一传递函数或所述第二传递函数。
18.根据权利要求16所述的补偿滤波器的拟合方法，其特征在于：采用自适应滤波器逼近法获取所述第一传递函数或所述第二传递函数的具体方法为：播放一个白噪声并同时录音，依据播放的白噪声声音信号及录音信号用LMS、NLMS或RLS算法进行逼近得到逼近信号，使得逼近信号与录音信号的方差最小，得到的FIR的最后一组参数即为所述第一传递函数或所述第二传递函数。
19.根据权利要求16所述的补偿滤波器的拟合方法，其特征在于：采用matlab计算法获取所述第一传递函数或所述第二传递函数的具体方法为：使用ARX建模，然后用递归的线性二次型方式收敛，即可得到所述第一传递函数或所述第二传递函数。
20.根据权利要求16所述的补偿滤波器的拟合方法，其特征在于：采用频域相乘法将所述目标声音信号与所述模拟声音信号进行拟合，以得到与所述模拟***的输入端相连接的补偿滤波器的参数的具体方法为：根据时域卷积等于频域相乘的原理，提供一冲击脉冲得到响应做FFT分解，分解得到频域，在频域的各个点除以传递函数(FIR)的FFT分解，即可得到所述补偿滤波器的频域分量，做FFT反变化，即可得到所述补偿滤波器的参数。
21.根据权利要求16所述的补偿滤波器的拟合方法，其特征在于：采用最小相位法将所述目标声音信号与所述模拟声音信号进行拟合，以得到与所述模拟***的输入端相连接的补偿滤波器的参数的具体方法为：假设模拟***的传递函数为所述补偿滤波器的表达式为由于模拟***稳定，A(z-1)是零点在单位圆内的多项式，B(z-1)不能保证零点在单位圆内；为了保证所述补偿滤波器的稳定，目标***及模拟***的幅频响应不变，相频符合最小相位法，做目标***谱分解方程求的，使为零点在单位圆内的多项式，谱分解方程为：
β(z-1)β*(z)＝B(z-1)β*(z)β(z-1)β*(z)＝B(z-1)B*(z)
其中，
β(z-1)＝β0+β1z-1+β2z-2+......+βnβz-nβ；
β*(z)＝β0+β1z1+β2z2+......+βnβznβ；B(z-1)＝B0+B1z-1+B2z-2+......+BnBz-nB；
B*(z)＝B0+B1z1+B2z2+......+BnBznB
由上式，即可得到所述补偿滤波器的参数。
22.根据权利要求16所述的补偿滤波器的拟合方法，其特征在于：采用LQG控制模拟法将所述目标声音信号与所述模拟声音信号进行拟合，以得到与所述模拟***的输入端相连接的补偿滤波器的参数的具体方法为：在最小相位法的基础上，假设所述目标声音信号先过延时模块d，这样可以假设所述补偿滤波器的表达式为通过如下求解丢番图方程可以求得Q(q-1)，从而得到所述补偿滤波器的参数：
z-dB*(z)＝Q(z-1)β*(z)-zL*(z)z-dB*(z)＝Q(z-1)β*(z)-zL*(z)。
23.根据权利要求16所述的补偿滤波器的拟合方法，其特征在于：采用最小相位法将所述目标声音信号与所述模拟声音信号进行拟合，以得到与所述模拟***的输入端相连接的补偿滤波器的参数的具体方法为：假设模拟***的传递函数为旁路惩罚滤波器的传递函数为：做谱分解方程求的β，使β为零点在单位圆内的多项式，谱分解方程为；
β(z-1)β*(z)＝V(z-1)V*(z)B(z-1)B*(z)+W(z-1)W*(z)A(z-1)A*(z)
β(z-1)β*(z)＝V(z-1)V*(z)B(z-1)B*(z)+W(z-1)W*(z)A(z-1)A*(z)
由上式，即可得到所述补偿滤波器的参数。
24.根据权利要求16所述的补偿滤波器的拟合方法，其特征在于：采用LQG控制模拟法将所述目标声音信号与所述模拟声音信号进行拟合，以得到与所述模拟***的输入端相连接的补偿滤波器的参数的具体方法为：在最小相位法的基础上，假设所述目标声音信号先过延时模块d，这样可以假设所述补偿滤波器的表达式为旁路惩罚滤波器的传递函数为：通过如下求解丢番图方程可以求得Q(q-1)从而得到所述补偿滤波器的参数：
z-dV(z-1)V*(z)B*(z)＝Q(z-1)β*(z)-zL*(z)
z-dV(z-1)V*(z)B*(z)＝Q(z-1)β*(z)-zL*(z)。
25.一种音响模拟***，其特征在于，所述音响模拟***至少包括：
模拟***，包括第二传递函数模块，适于将目标***提供的目标声音信号经过所述第二传递函数模块中的第二传递函数处理后输出模拟目标声音信号的模拟声音信号；
补偿滤波器，包括输入端及输出端；所述补偿滤波器的输入与所述目标***相连接，所述补偿滤波器的输出端与所述模拟***的输入端相连接，适于对输入所述模拟***的声音信号进行处理，以使得所述模拟声音信号与所述目标声音信号的能量的方差最小；所述补偿滤波器的参数由如权利要求1至15中任一项所述的补偿滤波器拟合***获得。
26.根据权利要求25所述的音响模拟***，其特征在于：所述模拟***及所述目标***均为耳机或音箱。
27.根据权利要求26所述的音响模拟***，其特征在于：所述模拟***为无源耳机或无源音箱，所述补偿滤波器的输入端与所述目标***相连接，输出端与所述模拟***的输入端相连接。
28.根据权利要求26所述的音响模拟***，其特征在于：所述模拟***为有源耳机或有源音箱，所述补偿滤波器位于所述模拟***内部。
29.一种音响模拟方法，其特征在于，所述音响模拟方法至少包括：
1)提供补偿滤波器，所述补偿滤波器的参数由如权利要求1至15中任一项所述的补偿滤波器拟合***获得；
2)将目标声音信号输入所述补偿滤波器进行处理；
3)将所述补偿滤波器处理后的声音信号发送至模拟***中予以播放。
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