TWI594231B

TWI594231B - 分頻壓縮電路，音訊處理方法以及音訊處理系統

Info

Publication number: TWI594231B
Application number: TW105143026A
Authority: TW
Inventors: 李牧玹
Original assignee: 瑞軒科技股份有限公司
Priority date: 2016-12-23
Filing date: 2016-12-23
Publication date: 2017-08-01
Also published as: TW201824252A; US9960744B1

Description

分頻壓縮電路，音訊處理方法以及音訊處理系統

本案係關於一種分頻壓縮電路，且特別係關於一種音訊處理系統中的分頻壓縮電路。

在現有技術中，為保護喇叭及維持擴大器輸出的低失真率，在音訊處理過程中會加入全頻道動態範圍壓縮器或限制器對整個音頻的信號同時做動態範圍限制壓縮。

然而，針對整個音頻的信號進行動態範圍限制壓縮，容易造成部分未達限制壓縮水平的信號會隨著大信號被限制而同時受到限制，進而在最大音壓的表現上會有損失產生。在有低音強化、高音強化或立體環繞效果增強的喇叭音響系統中，其音壓的損失更為明顯。

因此，設計音訊處理系統中的分頻壓縮電路是目前本技術領域當中重要的研究課題。

本揭示內容的一態樣為一種分頻壓縮電路。分頻壓縮電路包含：複數個前級濾波器，用以接收一輸入信號，並分別對該輸入信號進行濾波，以輸出複數個第一分頻信號；複數個分頻限制器，該些分頻限制器分別電性耦接於該些前級濾波器，用以分別對該些第一分頻信號進行壓縮處理以輸出複數個第二分頻信號；複數個後級濾波器，該些後級濾波器分別電性耦接於該些分頻限制器，用以對相應的該些第二分頻信號進行濾波，以輸出複數個輸出信號；其中相應於該些分頻限制器其中一者的該前級濾波器與該後級濾波器分別包含相異的截止頻率。

本揭示內容的另一態樣為一種音訊處理方法。音訊處理方法包含：由複數個前級濾波器分別根據複數個前級截止頻率對一輸入信號進行濾波，以將該輸入信號分為對應於不同頻段的複數個第一分頻信號；由複數個分頻限制器分別對該些第一分頻信號進行壓縮處理，以輸出經壓縮處理後的複數個第二分頻信號；以及由複數個後級濾波器分別根據相異於該些前級截止頻率的複數個後級截止頻率對該些第二分頻信號進行濾波，以輸出複數個輸出信號。

本揭示內容的又一態樣為一種音訊處理系統。音訊處理系統包含：一信號輸入端子，用以接收一輸入信號；一處理器，電性耦接於該信號輸入端子，用以對該輸入信號執行一音訊處理方法，以輸出一混音信號；一功率放大器，電性耦接於該處理器，用以放大該混音信號並輸出一放大混音信號；以及一揚聲器，電性耦接於該功率放大器，用以接收該放大混音信號並輸出音訊；其中該處理器執行的該音訊處理方法包含：由複數個前級濾波器分別根據複數個前級截止頻率對該輸入信號進行濾波，以將該輸入信號分為對應於不同頻段的複數個第一分頻信號；由複數個分頻限制器分別對該些第一分頻信號進行壓縮處理，以輸出經壓縮處理後的複數個第二分頻信號；由複數個後級濾波器分別根據相異於該些前級截止頻率的複數個後級截止頻率對該些第二分頻信號進行濾波，以輸出複數個輸出信號；以及透過一混音單元接收該些輸出信號，並對該些輸出信號進行混音，以輸出該混音信號。

綜上所述，在本揭示內容的各個實施例中，透過於分頻限制器前後級分別進行濾波，並設置相異的前級截止頻率與後級截止頻率，可確保在不同輸入信號的情況下，分頻壓縮電路都能順利進行動態範圍限制壓縮，並使得輸出混音信號的波形不失真，並確保在混音後各分頻點附近得到平坦的頻率響應。

100‧‧‧音訊處理系統

110‧‧‧信號輸入端子

120‧‧‧分頻壓縮電路

121‧‧‧後處理單元

122‧‧‧高通濾波單元

123‧‧‧前級濾波單元

124‧‧‧分頻限制單元

125‧‧‧後級濾波單元

126‧‧‧混音單元

130‧‧‧功率放大器

140‧‧‧揚聲器

600‧‧‧音訊處理方法

S610~S650‧‧‧步驟

LPF111、LPF121、HPF121、HPF131、LPF112、LPF122、HPF122、HPF132‧‧‧濾波器

LM1、LM2、LM3‧‧‧分頻限制器

CH1‧‧‧輸入信號

S1、S2、S3‧‧‧第一分頻信號

S1’、S2’、S3’‧‧‧第二分頻信號

OS1、OS2、OS3‧‧‧輸出信號

MS‧‧‧混音信號

AMS‧‧‧放大混音信號

FC111U、FC121U、FC121L、FC131L、FC111U、FC121U、FC121L、FC131L‧‧‧截止頻率

第1圖為根據本案部分實施例所繪示的音訊處理系統的示意圖。

第2圖~第4圖分別為根據本揭示內容部分實施例所繪示的動態範圍限制壓縮示意圖。

第5圖為根據本案其他部分實施例所繪示的音訊處理系統的示意圖。

第6圖為根據本揭示內容部分實施例所繪示的音訊處理方法的流程圖。

下文係舉實施例配合所附圖式作詳細說明，以更好地理解本案的態樣，但所提供之實施例並非用以限制本揭露所涵蓋的範圍，而結構操作之描述非用以限制其執行之順序，任何由元件重新組合之結構，所產生具有均等功效的裝置，皆為本揭露所涵蓋的範圍。此外，根據業界的標準及慣常做法，圖式僅以輔助說明為目的，並未依照原尺寸作圖，實際上各種特徵的尺寸可任意地增加或減少以便於說明。下述說明中相同元件將以相同之符號標示來進行說明以便於理解。

於本文中，當一元件被稱為『連接』或『耦接』時，可指『電性連接』或『電性耦接』。『連接』或『耦接』亦可用以表示二或多個元件間相互搭配操作或互動。此外，雖然本文中使用『第一』、『第二』、…等用語描述不同元件，該用語僅是用以區別以相同技術用語描述的元件或操作。除非上下文清楚指明，否則該用語並非特別指稱或暗示次序或順位，亦非用以限定本發明。

請參考第1圖。第1圖為根據本案部分實施例所繪示的音訊處理系統100的示意圖。如第1圖所示，在部分實施例中，音訊處理系統100包含信號輸入端子110、分頻壓縮電路120、功率放大器130以及揚聲器140。具體來說，信號輸入端子110用以接收輸入信號CH1，並將輸入信號CH1輸出至分頻壓縮電路120。

在部分實施例中，分頻壓縮電路120包含後處理單元121、高通濾波單元122、前級濾波單元123、分頻限制單元124、後級濾波單元125以及混音單元126，其詳細操作將於後續段落中配合圖示進行詳細說明。

在部分實施例中，功率放大器130電性耦接於分頻壓縮電路120，用以放大混音信號MS並輸出放大混音信號AMS。揚聲器140電性耦接於功率放大器130，用以接收放大混音信號AMS並輸出音訊。

如上所述之分頻壓縮電路120中的後處理單元121、高通濾波單元122、前級濾波單元123、分頻限制單元124、後級濾波單元125以及混音單元126，其具體實施方式可為軟體、硬體與/或韌體。舉例來說，若以執行速度及精確性為首要考量，則上述單元基本上可選用硬體與/或韌體為主；若以設計彈性為首要考量，則上述單元基本上可選用軟體為主；或者，上述模組可同時採用軟體、硬體及韌體協同作業。應瞭解到，以上所舉的這些例子並沒有所謂孰優孰劣之分，亦並非用以限制本揭示內容，熟習此項技藝者當視當時需要，彈性選擇上述單元的具體實施方式。

舉例來說，在部分實施例中，分頻壓縮電路120可由各種處理器，例如數位信號處理器(Digital Signal Processor，DSP)實現。換言之，後處理單元121、高通濾波單元122、前級濾波單元123、分頻限制單元124、後級濾波單元125以及混音單元126可整合至電性耦接於信號輸入端子 110以及功率放大器130的處理器中，並透過上述單元對輸入信號CH1執行一音訊處理方法，以輸出混音信號MS。

此外，在其他部分實施例中，處理器所執行的音訊處理方法亦可被實作為電腦程式且儲存於儲存裝置中。儲存裝置包含非暫態電腦可讀取記錄媒體或其他具有儲存功能的裝置。此電腦程式包括複數個程式指令。該些程式指令可由中央處理器來執行，以執行各單元的功能。

如第1圖所示，在部分實施例中，輸入信號CH1可經由後處理單元121進行所需的信號處理，再透過高通濾波單元122濾除不必要的低頻信號。如此一來，經過上述處理後的輸入信號CH1便可提供至前級濾波單元123、分頻限制單元124以及後級濾波單元125進行多頻道分頻動態壓縮。

具體來說，分頻壓縮電路120中的前級濾波單元123包含多個前級濾波器。舉例來說，在本實施例中前級濾波單元123包含前級低通濾波器LPF111、由低通濾波器LPF121與高通濾波器HPF121所實現的前級帶通濾波器以及前級高通濾波器HPF131。上述前級濾波器用以接收輸入信號CH1，並分別對輸入信號CH1進行濾波，以輸出複數個第一分頻信號S1、S2、S3。第一分頻信號S1、S2、S3分別對應於輸入信號CH1的不同頻段。舉例來說，輸入信號CH1經過前級低通濾波器LPF111濾波後輸出的第一分頻信號S1對應到輸入信號CH1的低頻成分。輸入信號CH1經過由低通濾波器LPF121與高通濾波器HPF121所實現的前級帶通濾波器濾波後輸出的第一分頻信號S2對應到輸入信號CH1的中頻成分。輸入信號CH1 經過前級高通濾波器HPF131濾波後輸出的第一分頻信號S3對應到輸入信號CH1的高頻成分。

如此一來，分頻限制單元124便可接收第一分頻信號S1、S2、S3，並分別對不同頻段的信號進行動態範圍限制壓縮。具體來說，分頻限制單元124包含分頻限制器LM1、LM2、LM3。分頻限制器LM1、LM2、LM3分別電性耦接於前級濾波單元123中的前級濾波器，用以分別對第一分頻信號S1、S2、S3進行壓縮處理以輸出相應的第二分頻信號S1’、S2’、S3’。

經壓縮處理後所得的第二分頻信號S1’、S2’、S3’可透過後級濾波單元125再次進行濾波，以得到輸出信號OS1、OS2、OS3。如此一來，混音單元126便可接收輸出信號OS1、OS2、OS3並對輸出信號OS1、OS2、OS3進行混音，以輸出混音信號MS。

具體來說，後級濾波單元125包含多個後級濾波器，每一後級濾波器分別對應於分頻限制器LM1、LM2、LM3中相應之一者以及前級濾波器中相應之一者，並分別電性耦接於分頻限制器LM1、LM2、LM3，用以對相應的第二分頻信號S1’、S2’、S3’進行濾波，以輸出相應的輸出信號OS1、OS2、OS3。在部分實施例中，分頻限制器LM1為低頻限制器，分頻限制器LM2為中頻限制器，分頻限制器LM3為高頻限制器。

請一併參考第2圖以及第3圖。第2圖與第3圖分別為根據本揭示內容部分實施例所繪示的動態範圍限制壓縮示意圖。在第2圖所示實施例中，第二分頻信號S1’、S2’、 S3’沒有經過再次濾波便直接透過混音單元126進行混音合成。如圖中所示，當輸入信號CH1大於系統輸入靈敏度的情況下，輸入信號CH1經過分頻以及動態範圍限制壓縮後所輸出的第二分頻信號S1’、S2’、S3’，在其分頻點附近的頻率響應值會高於-3dB。如此一來，當第二分頻信號S1’、S2’、S3’經過混音處理輸出混音信號MS後，分頻點附近信號輸出疊加後被額外增強，進而產生信號失真的問題。

相較於第2圖中混音信號MS的失真波形，在第3圖所示實施例中，第二分頻信號S1’、S2’、S3’經過後級濾波單元125再次進行濾波，以提供輸出信號OS1、OS2、OS3經過混音處理輸出混音信號MS。如此一來，不論輸入信號CH1是否超出系統輸入靈敏度，混音信號MS都不會有失真的現象發生。即便輸入信號CH1過大導致第二分頻信號S1’、S2’、S3’在其分頻點附近的頻率響應值會高於-3dB，後級濾波單元125仍可分別對第二分頻信號S1’、S2’、S3’設置適當的截止頻率，使得輸出信號OS1、OS2、OS3在分頻點附近的頻率響應值會約等於-3dB。藉此，當輸出信號OS1、OS2、OS3經過混音單元126混音處理輸出混音信號MS後，分頻點附近信號輸出疊加後便不會產生信號失真的問題。

換言之，透過在分頻限制器LM1、LM2、LM3之輸出側設置後級濾波單元125再次對壓縮後的第二分頻信號S1’、S2’、S3’進行濾波，可避免輸入信號CH1過大所導致的信號波形失真情形。

請參考第4圖。第4圖為根據本揭示內容部分實施例所繪示的動態範圍限制壓縮示意圖。在第4圖所示實施例中，第二分頻信號S1’、S2’、S3’雖經過後級濾波單元125濾波以輸出相應的輸出信號OS1、OS2、OS3，但由於前級濾波單元123與後級濾波單元125中相應的濾波器設置了相同的截止頻率，因此在其分頻點附近的信號經過了同一截止頻率上重複的信號衰減，導致分頻點附近的輸出信號OS1、OS2、OS3頻率響應值會低於-3dB。如此一來，當輸出信號OS1、OS2、OS3經過混音單元126混音處理輸出混音信號MS後，分頻點附近信號輸出反而因疊加不足導致信號過小而頻率響應不平坦的問題。

請再次參考第1圖和第3圖。如第1圖和第3圖所示，在本案部分實施例中，前級濾波單元123中的前級濾波器與後級濾波單元125中相應的後級濾波器分別包含相異的截止頻率。舉例來說，在本實施例中，前級低通濾波器LPF111與後級低通濾波器LPF111對應於低頻限制器LM1。前級低通濾波器LPF111的上限截止頻率FC111U大於其相應的後級低通濾波器LPF112的上限截止頻率FC112U。在部分實施例中，上限截止頻率FC111U與上限截止頻率FC112U之間至少相差一倍頻率。

相似地，前級高通濾波器HPF131與後級高通濾波器HPF132對應於高頻限制器LM3。前級高通濾波器HPF131的下限截止頻率FC131L小於其相應的與後級高通濾波器HPF132的下限截止頻率FC132L。在部分實施例中，下限截止頻率FC131L與下限截止頻率FC132L之間至少相差一倍頻率。

相似地，前級帶通濾波器與後級帶通濾波器對應於中頻限制器LM2。前級帶通濾波器的下限截止頻率FC121L小於後級帶通濾波器的下限截止頻率FC122L，前級帶通濾波器的上限截止頻率FC121U大於後級帶通濾波器的上限截止頻率FC122U。在部分實施例中，下限截止頻率FC121L與下限截止頻率FC122L之間，以及上限截止頻率FC121U與上限截止頻率FC122U之間至少相差一倍頻率。

此外，如第3圖所示，在部分實施例中，後級帶通濾波器的下限截止頻率FC122L可設置為與後級低通濾波器LPF112的上限截止頻率FC112U相同。舉例來說，在部分實施例中，下限截止頻率FC122L與上限截止頻率FC112U可設置為250Hz。

相似地，後級帶通濾波器的上限截止頻率FC122U可設置為與後級高通濾波器HPF132的下限截止頻率FC132L相同。舉例來說，在部分實施例中，上限截止頻率FC122U與下限截止頻率FC132L可設置為3KHz。

如此一來，由於前級濾波單元123的頻帶較寬，因此可確保後級濾波單元125對第二分頻信號S1’、S2’、S3’進行濾波時，不會重複衰減信號導致輸出信號OS1、OS2、OS3頻率響應值低於-3dB。藉此，透過設置相異的前級截止頻率以及後級截止頻率以分別供前級濾波器以及後級濾波器進行濾波，分頻壓縮電路120便可確保在輸入信號CH1未大於系統輸入靈敏度的情況下，輸出信號OS1、OS2、OS3在分頻點附近的頻率響應值會約等於-3dB。當輸出信號OS1、OS2、OS3經過混音單元126混音處理輸出混音信號MS後，分頻點附近信號輸出疊加後不會產生信號失真及頻率響應不平坦的問題。

最後，混音信號MS便可傳輸至功率放大器130以及揚聲器140實現音訊輸出，其詳細操作已於先前段落中說明，於此不再贅述。

值得注意的是，第1圖所示的音訊處理系統100以及分頻壓縮電路120僅為示例之用，並非用以限制本案。舉例來說，請參考第5圖。第5圖為根據本案其他部分實施例所繪示的音訊處理系統100的示意圖。於第5圖中，與第1圖之實施例有關的相似元件係以相同的參考標號表示以便於理解，且相似元件之具體原理已於先前段落中詳細說明，於此不再贅述。如第5圖所示，在部分實施例中，分頻壓縮電路120可以僅設置兩個分頻限制器將輸入信號分為低頻帶與高頻帶分別進行動態範圍限制壓縮。此外，在其他部分實施例中，分頻壓縮電路120亦可以設置四個或更多的分頻限制器，將輸入信號分為更多個頻帶分別進行動態範圍限制壓縮。根據分頻限制單元124中分頻限制器的數量，本領域具通常知識者當明白如何相應調整前級濾波單元123以及後級濾波單元125中濾波器的數量及設置以實現相應操作，故不再於此贅述。

此外，雖然圖式中僅繪示一組輸入聲道的輸入信號CH1，但對於包含多組輸入聲道的輸入信號CH1~CHn，分頻壓縮電路120亦可以分別對各個輸入信號CH1~CHn分別進行分頻以及動態範圍限制壓縮。圖式中所繪示的實施例僅為方便說明起見進行簡化，並非用以限制本案。

請參考第6圖。第6圖為根據本揭示內容部分實施例所繪示的音訊處理方法600的流程圖。為方便及清楚說明起見，下述音訊處理方法600是配合第1圖或第5圖中所示的音訊處理系統100進行說明，但不以此為限，任何熟習此技藝者，在不脫離本案之精神和範圍內，當可對作各種更動與潤飾。如第6圖所示，音訊處理方法600包含步驟S610、S620、S630、S640以及S650。

首先，在步驟S610中，由複數個前級濾波器LPF111、LPF121、HPF121、HPF131分別根據複數個前級截止頻率FC111U、FC121U、FC121L、FC131L對輸入信號CH1進行濾波，以將輸入信號CH1分為對應於不同頻段的複數個第一分頻信號S1、S2、S3。

接著，在步驟S620中，由複數個分頻限制器LM1、LM2、LM3分別對第一分頻信號S1、S2、S3進行壓縮處理，以輸出經壓縮處理後的第二分頻信號S1’、S2’、S3’。

接著，在步驟S630中，由複數個後級濾波器LPF112、LPF122、HPF122、HPF132分別根據相異於前級截止頻率FC111U、FC121U、FC121L、FC131L的複數個後級截止頻率FC112U、FC122U、FC122L、FC132L對第二分頻信號S1’、S2’、S3’進行濾波，以輸出相應的輸出信號OS1、OS2、OS3。

接著，在步驟S640中，透過混音單元126接收輸出信號OS1、OS2、OS3，並對輸出信號OS1、OS2、OS3進行混音，以輸出混音信號MS。

最後，在步驟S650中，透過功率放大器130接收並放大混音信號MS，以輸出放大混音信號AMS至揚聲器140。

如先前段落所述，在部分實施例中，前級截止頻率中任一者的上限截止頻率(如：截止頻率FC111U、FC121U)大於其相應的後級截止頻率的上限截止頻率(如：截止頻率FC112U、FC122U)。相似地，前級截止頻率中任一者的下限截止頻率(如：截止頻率FC121L、FC131L)小於其相應的後級截止頻率的下限截止頻率(如：截止頻率FC122L、FC132L)。

雖然本文將所公開的方法示出和描述為一系列的步驟或事件，但是應當理解，所示出的這些步驟或事件的順序不應解釋為限制意義。例如，部分步驟可以以不同順序發生和/或與除了本文所示和/或所描述之步驟或事件以外的其他步驟或事件同時發生。另外，實施本文所描述的一個或多個態樣或實施例時，並非所有於此示出的步驟皆為必需。此外，本文中的一個或多個步驟亦可能在一個或多個分離的步驟和/或階段中執行。

所屬技術領域具有通常知識者可直接瞭解此音訊處理方法600如何基於上述多個不同實施例中的音訊處理系統100以及其中的分頻壓縮電路120以執行該等操作及功能，故不再此贅述。

綜上所述，在本揭示內容的各個實施例中，透過於分頻限制器LM1、LM2、LM3前後級分別進行濾波，並設置相異的前級截止頻率與後級截止頻率，可確保在不同輸入信號CH1的情況下，分頻壓縮電路120都能順利進行動態範圍限制壓縮，並使得輸出混音信號MS的波形不失真及保持頻率響應的平坦性。

雖然本揭示內容已以實施方式揭露如上，然其並非用以限定本揭示內容，任何熟習此技藝者，在不脫離本揭示內容之精神和範圍內，當可作各種更動與潤飾，因此本揭示內容之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。