CN1887025A

CN1887025A - 选择性音频信号增强

Info

Publication number: CN1887025A
Application number: CNA2004800355728A
Authority: CN
Inventors: R·M·阿尔特斯; O·欧维尔特杰斯
Original assignee: Koninklijke Philips Electronics NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 2003-12-01
Filing date: 2004-11-30
Publication date: 2006-12-27
Also published as: EP1692912A1; JP2007514968A; KR20060121121A; US20070127731A1; WO2005055645A1

Abstract

通过添加增强信号，诸如信号的低音分量的谐波和/或分谐波，可以增强音频信号。为了避免在软推移或语音期间任何不需要的增强信号，建议监控音频信号，以监视频率范围中的音调信号分量，并且仅在检测到这样的音调信号时，才添加增强信号。音调检测器(3)可以包括其频率优选地等于频率范围的主频的正弦和余弦发生器。

Description

选择性音频信号增强

技术领域

本发明涉及选择性音频信号增强的方法。更具体地，本发明涉及用于通过添加增强(改进)信号来选择性地改进音频信号的感觉质量的方法和设备。

背景技术

例如，通过比一个频率范围更强地放大另一频率范围来增强音频信号是众所周知的。以这样的方式，有可能“提升(boost)”一般被感觉为比中间范围频率更低声的较高与较低频率。但是，已经发现许多转换器并不能以感觉得到的声音电平来再现(render)高频率和低频率而不引入失真。这对于低音频或“低音”频率而言尤其成问题。

例如，如在美国专利US 6134330和US 6111960(Philips)中公开的，已经建议通过增加低音信号的谐波来增强音频信号。增强信号由谐波发生器生成并随后被加到(放大的)原始音频信号。所加的谐波被感知为放大的低音信号。例如，如在国际专利申请WO 01/84880(Philips)公开的，还已经建议添加音频信号的分谐波来创建低音增强的印象。

虽然上述专利文献的音频信号增强方法提供了显著的改进，但是已经发现这些方法可能不是一直令人满意地起作用。也就是说，在具有低的声音电平的音乐推移期间或在语音期间，通常不希望低音增强。在这样的推移期间产生的任何增强信号时常被感觉为音频信号的干扰。

发明内容

因此，本发明的目的是克服现有技术的这些和其他问题，并提供用于增强其中选择性施加增强信号的音频信号的方法和设备。

因此，本发明提供增强音频信号的方法，该方法包括下列步骤：

检测音频信号的频率范围内的音调信号分量；

产生增强信号；和

根据在所述频率范围内任何检测到的音调信号分量，调节增强信号的电平。

通过检测音频信号中的音调信号和根据任何音调信号的存在来调节增强信号的电平，有可能显著减少增强信号的声音电平或者甚至在没有音调信号出现时消除增强信号。

注意，音调信号是正弦信号，即，能被描述为正弦信号和正弦信号的任何谐波的信号。与此相对照，非音调信号不能被描述为正弦信号的组合。语音信号例如通常包括与类似于噪声的信号交替的音调信号。在音调信号周期期间，通常需要增强信号。但是，在类似噪声的信号周期期间，一般不太需要增强信号并且应减小增强信号的音量或甚至完全抑制增强信号。

增强信号优选为音频信号一部分的谐波或分谐波。这允许音频信号以例如上述的US 6111960的方式进行改进。因此，有利地，所涉及的频率范围包括低音频率。本发明提供根据输入信号的类型(即，音调或非音调(噪声类))来选择性增强音频信号的方法。注意，上述的US 6111960公开了一种输入电平检测器，用于检测输入信号的电平，以标准化谐波信号。但是，US 6111960并不区分音调和非音调输入信号。

在本发明的优选实施方式中，检测音调频率分量的步骤包括下列子步骤：

生成正弦信号和余弦信号；

利用音频信号乘以正弦信号和余弦信号二者；

低通滤波相应的被乘信号；和

确定低通滤波的信号的几何平均值，以产生检测信号。

以这样的方式，可以实现非常有效的音调信号的检测。

优选地，正弦和余弦信号均具有大致等于频率范围的主频(dominant frequency)的频率。这允许甚至更有效的音调信号分量的检测。注意，特定频率范围的主频一般是其上存在最强信号分量的频率，即，特定频率范围内的音频信号的频谱在该频率上为最大值。但是，主频的其他度量也是有可能的，诸如对于本领域技术人员是公知的加权度量。

本发明还提供用于增强音频信号的设备，该设备包括：

检测器装置，用于检测音频信号的频率范围中的音调信号分量；

增强装置，用于产生增强信号；和

调节装置，用于根据所述频率范围内任何检测到的音调信号分量来调节增强信号的电平。

如在本发明的方法中，有可能大大减小增强信号的声音电平或在没有音调信号存在时甚至消除这些增强信号。

增强装置优选地用于产生音频信号一部分的谐波或分谐波。优选地，所涉及的频率范围包括低音频率。

在有利的实施例中，检测器装置包括：

发生器装置，用于生成正弦信号和余弦信号；

乘法装置，用于分别将音频信号与正弦信号和余弦信号相乘；

滤波器装置，用于分别滤波相乘的正弦和余弦信号；和

平均装置，用于确定滤波信号的几何平均值，以产生检测器信号。

有利地，本发明的设备可以进一步包括用于定标检测器信号的定标装置。这允许检测器信号与该设备中存在的其他信号诸如增强装置的输出信号相匹配。

在优选实施例中，该设备进一步包括频率跟踪装置，用于跟踪频率范围内的频率和控制生成器装置。频率跟踪装置允许确定任意时间间隔中的主频，这个频率随后可以由生成器装置用于生成用于检测的正弦信号和余弦信号。

本发明还提供音调信号检测器，适于用在上面定义的设备或其他设备中。

本发明附加提供音频***，该***包括如上所定义的设备。这样的音频***能例如由家用或办公室使用的音频设置(“立体声设置”)构成，包括放大器、诸如DVD播放器和/或调谐器的音频源以及诸如扬声器的转换器。该音频***还能够由通知***或用于戏院的音频控制与放大***构成。可替换地，本发明的音频***可以为电视、计算机或多媒体***的一部分。

附图说明

下面将参照附图中示出的示例性实施例进一步解释本发明，其中：

图1示意性地示出根据本发明的设备的第一实施例。

图2示意性地示出根据本发明的音调检测器的第一实施例。

图3示意性地示出根据本发明的音调检测器的第二实施例。

图4示意性地示出根据本发明的设备的第二实施例。

图5示意性地示出根据本发明的设备的第三实施例。

具体实施方式

在图1中仅利用非限制性示例示出的音频信号增强设备1包括谐波发生器2、检测器3和乘法器4。谐波发生器2用作增强装置并生成增强信号，在所示出的示例中，生成输入音频信号的谐波。检测器3(将参照图2和3进一步描述)用于检测音调音频信号。乘法器4用于控制或调节谐波发生器2的输出，控制信号由检测器3提供。

设备1在其输入端上接收音频信号。这个音频信号(如后面参照图5所述的，可以被限制于特定频率带)被馈送给谐波发生器2和检测器3。该谐波发生器2产生音频信号的谐波(或分谐波)并将这些谐波馈送给乘法器4。检测器3检测音频信号中的任意音调信号分量并生成也被馈送给乘法器4的相应控制信号。在优选实施例中，由检测器3产生的控制信号与任意音调信号分量的幅度近似成比例，导致谐波信号的幅度的逐渐调节，但是也有可能，控制信号为二进制的，即仅具有两个信号值(“通(on)”和“断(off)”)。

由谐波发生器2生成的谐波信号在示出的实施例中被乘以由检测器3产生的控制信号。结果，当音调信号分量存在于音频信号中时，这些谐波信号将被传送至设备1的输出，而在不存在音调信号分量时，这些谐波信号将基本上被抑制。增强(谐波)信号因此根据音频信号中的任意音调信号分量被选择性地输出。

注意，图1的结构安排仅为示例性的，并且可以设想各种替换的实施例。例如，乘法器4可以利用受控制的开关或包含查找表的数字逻辑设备来替换。可替换地，或附加地，乘法器4或其等价物可以被布置在谐波发生器2之前而不是其之后。代替所示出的谐波发生器2，可以使用分谐波发生器或任何其他的增强信号发生器。

在图2中示出了用于检测音调信号分量的检测器3的实施例。在检测器3的输入上接收到的音频信号被馈送给第一乘法器33和第二乘法器34，在这些乘法器中该信号分别乘以正弦和余弦信号。正弦和余弦信号分别在第一发生器31和第二发生器32中生成。正弦和余弦信号的频率优选地大致相等，并且可以被预定，例如，等于特定频带的中间频率。但是，发生器31和32的频率也可以是可变的，即，可以被控制。

正弦信号和音频信号的乘积被馈送给第一低通滤波器35，而其对应物(counterpart)被馈送给第二低通滤波器36。滤波器35和26的截止频率在优选实施例中近似等于涉及的频率范围中的最低频率。例如，如果设备1用于20-200Hz的频率范围，则滤波器35和36的截止频率将优选地近似为20Hz。低通滤波乘积信号导致结果信号变得与频率无关。这能够在数学上表示为如下。

假定音调音频信号V’_in能被写为：

V’_in＝A.sin(ω.t+φ)，

其中A是信号的幅度，ω是信号的(角)频率，和φ是信号的相位。

将信号V’_in乘以频率ω的正弦和余弦，得到：

S＝A.sin(ω.t+φ).sin(ω.t)，和

C＝A.sin(ω.t+φ).cos(ω.t)。

信号S和C还可以被写为：

S＝_1/2.A.(cos(φ)-cos(2.ω.t+φ))，和

C＝_1/2.A.(sin(φ)+sin(2.ω.t+φ))。

低通滤波(滤波器35和36)除去具有频率2.ω的信号分量，导致：

S’＝1/2.A.cos(φ)，和

C’＝1/2.A.sin(φ)。

平均单元37确定滤波信号S’和C’的(几何)平均值：

x＝(S′²+C′²)＝(.A².cos²(φ)+.A².sin²(φ))＝.A，

其显然与ω和φ无关。如果使用将信号X乘以2的定标单元38，则结果信号Y等于A：

Y＝2.X＝2.1/2.A＝A

换句话说，检测器3的输出Y等于音调(正弦)音频输入信号的幅度。但是，如果音频输入信号V’_in不是正弦的而具有类似于噪声的字符，则信号X并因此信号Y将具有近似为零的值，这是因为正弦信号(或余弦信号)和噪声信号的乘积的平均值将近似为零。结果，本发明提供检测音调信号的非常有效的方式。

注意，在上述示例中，定标因子α被设置为2，因为这产生简便的输出信号。当然，有可能使用更高(例如，3或4.5)和更低(例如，0.7或1.5)定标因子，以及在希望近似为1的定标因子时，一起省略定标单元。

还注意，虽然平均单元37在示出的实施例中生成几何平均值，但是其他的平均值也可能是适合的，诸如算术平均值。

在图2的实施例中，假定发生器31和32操作的频率ω是预定的。这个频率例如可以等于频带的中间频率。如果频带范围为例如从60Hz至100Hz，则具有近似为g0Hz的预定频率将是合适的。但是，优选的是发生器31和32的频率是可变的，并且更具体地，其取决于音频信号。

因此，在图3的实施例中，检测器3还被设置有频率***(FT)39，其接收音频输入信号V’_in并确定其(优选地，主)频率。这个频率ω然后被馈送给发生器31和32。当频率***连续地监控输入信号时，发生器的频率ω被连续地调节，因此导致音调信号分量的改善检测。

频率***可以使用公知的“锁相环”或其他技术来跟踪频率。参考Cambridge University出版社2001年出版的由G.Quinn和E.J.Hannan撰写的手册“The estimation and tracking offrequencies”。

在图4a示出的本发明设备的实施例中，频率***39不仅向发生器31和32而且还向谐波发生器(“HG”)2提供频率w。在这个实施例中，因此，频率ω而不是音频输入信号V’_in被馈送给谐波发生器39。除此之外，图4的实施例大致等于图3的检测器和图1的设备的组合。

在图5中示意地示出了本发明的设备1的优选实施例。在这个实施例中，设备1除了谐波发生器2、检测器3和乘法器4之外，还包括第一滤波器8、第二滤波器和加法电路7。第一滤波器8用于选择设备1工作的频带，即，将被增强的频带。应理解，第一滤波器8是带通滤波器或低通滤波器，例如，具有范围从20Hz至200Hz的通带。第二滤波器9用于将未被增强的音频输入信号的那些部分通过加法器7馈送至输出。显然，加法器7用于将增强的音频信号与未增强的音频信号进行组合，以生成组合的音频输出信号。

第二滤波器9的功能可以根据设备1的特定实施例而变化，并且尤其根据谐波发生器或等价的增强装置2的特定实施例而变化。如果谐波发生器2用于产生分谐波，则第二滤波器9优选地为全通滤波器或延迟(器)，用于补偿第一滤波器8和谐波发生器2中的任意延迟。如果谐波发生器2用于生成较高(次)的谐波，则第二滤波器9优选地为高通滤波器，用于使没有生成其任何谐波的那些频率通过。

虽然在图5中仅示出了一组滤波器和一个增强单元2，但是应明白，许多这样的电路都可以被平行布置，每个第一滤波器8优选地被设计为通过另一频率范围。以这样的方式，能独立地增强若干频率范围。

本发明是基于这样的见识，即，在生成音调音频信号时，仅需要音频信号部分的诸如谐波或分谐波的音频信号增强。本发明受益于进一步的见识，即，使用具有与待检测的音调信号近似相同频率的辅助信号，通过相乘、滤波和平均，能够检测音调信号。

注意，在本文献中使用的任何术语不应被认为是限制本发明的范围。特别地，词“包括”和“包含”并不表示排除未具体描述的任何元素。单个(电路)元素也可以利用多个(电路)元素或其等价物来替换。

本领域技术人员将理解，本发明并不限于上面示出的实施例，并且在不背离后附权利要求中所限定的本发明范围的情况下，可以作出许多修改和增加。

Claims

1、一种增强音频信号的方法，该方法包括下列步骤：

检测该音频信号的频率范围中的音调信号分量；

产生增强信号；和

根据在所述频率范围中任何检测到的音调信号分量，调节增强信号的电平。

2、根据权利要求1所述的方法，其中这些增强信号是该音频信号一部分的谐波或分谐波。

3、根据权利要求1或2所述的方法，其中该频率范围包括低音频率。

4、根据任何一项前面权利要求所述的方法，其中检测音调频率分量的步骤包括下列子步骤：

生成正弦信号和余弦信号；

将正弦信号和余弦信号乘以该音频信号；

滤波相应被乘的信号；和

确定低通滤波的信号的平均值，以产生检测信号。

5、根据权利要求4所述的方法，其中正弦信号和余弦信号都具有基本上等于该频率范围的主频的频率。

6、一种用于增强音频信号的设备(1)，该设备包括：

检测器装置(3)，用于检测该音频信号的频率范围中的音调信号分量；

增强装置(2)，用于产生增强信号；和

调节装置(4)，用于根据在所述频率范围中任何检测到的音调信号分量来调节增强信号的电平。

7、根据权利要求6所述的设备，其中增强信号是该音频信号一部分的谐波或分谐波。

8、根据权利要求6或7所述的设备，其中该频率范围包括低音频率。

9、根据权利要求6、7或8所述的设备，其中检测器装置(3)包括：

发生器装置(31，32)，用于生成正弦信号和余弦信号；

乘法装置(33，34)，用于分别利用正弦信号与余弦信号乘以该音频信号；

滤波装置(35，36)，用于分别滤波被乘的正弦信号和余弦信号；和

平均装置(37)，用于确定滤波信号的平均值，以产生检测器信号。

10、根据权利要求9所述的设备，进一步包括定标装置(38)，用于定标检测器信号。

11、根据权利要求9或10所述的设备，进一步包括频率跟踪装置(39)，用于跟踪该频率范围内的频率和控制发生器装置(31，32)。

12、根据权利要求6-11之中任一项权利要求所述的设备，进一步包括：

第一滤波器(8)，用于在增强之前滤波音频输入信号；

第二滤波器(9)，用于使未被第一滤波器通过的信号通过；和

加法装置(7)，用于相加增强信号和被第二滤波器(9)通过的信号。

13、一种音调信号检测器(3)，包括：

发生器装置(31，32)，用于生成正弦信号余弦信号；

乘法装置(33，34)，用于分别利用正弦信号和余弦信号乘以音频信号；

14、根据权利要求13所述的检测器，进一步包括定标装置(38)，用于定标检测器信号。

15、根据权利要求13或14所述的检测器，进一步包括频率跟踪装置(39)，用于跟踪该频率范围内的频率和控制发生器装置(31，32)。

16、一种音频***，包括根据权利要求6-12之中任一项权利要求所述的设备(1)或根据权利要求13-15之中任一项权利要求所述的检测器(3)。