TWI681384B - 音訊處理方法與音訊等化器 - Google Patents

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TWI681384B
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趙盈盈
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瑞昱半導體股份有限公司
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Abstract

本發明提供一種音訊處理方法與音訊等化器，其可以實現在嵌入式系統中，且不會造成過大的運算量。更進一步來說，音訊處理方法與音訊等化器利用一KBD視窗與一OLA方法來消除時域音訊在轉換期間的訊號失真，且使用者可以彈性設置濾波器的種類與數量，以符合使用者想要達到的音訊效果。據此，本發明實施例所提供的音訊處理方法與音訊等化器可以實現在運算量較小的嵌入式系統中，且可以根據使用者想要達到的音訊效果來產生所需的濾波器。

Description

音訊處理方法與音訊等化器
本發明提供一種音訊處理方法與音訊等化器，特別是關於一種對聲音訊號進行等化(equalization)的音訊處理方法與音訊等化器。
聲音訊號的等化器(equalizer)早期是用來補償數位類比轉換器(DAC)、功率放大器(AMP)或喇叭單體的不足。而近年來，多媒體產業經常用來美化聲音，讓聲音聽起來更豐富悅耳。一般等化器設計採用串級(cascade)無限脈衝響應(Infinite Impulse Response,IIR)濾波器。
然而，在嵌入式系統中，採用串級IIR濾波器的等化器的運算量很大，因此必須以其他方式來設計等化器。
本發明提供了一種音訊處理方法與音訊等化器，其可以實現在嵌入式系統中，且不會造成過大的運算量。此外，本發明同時採用了一凱撒貝索衍生(KBD)視窗與一重疊與相加(OLA)方法來消除聲音訊號在轉換期間的訊號失真。而音訊處理方法與音訊等化器也可以提供使用者彈性設置等化器中的濾波器的種類與數量，以符合使用者想要達到的音訊效果。
本發明實施例提供一種音訊處理方法，且適用於一音訊等化 器。音訊處理方法包括如下步驟：(A)讀取一時域音訊；(B)將時域音訊窗化(windowing)，以產生多個取樣區塊(block)，其中每一個取樣區塊具有多個取樣點(sample)，且每一個相鄰的取樣區塊具有一預定比例的重疊部分；(C)套用一凱撒貝索衍生(KBD)視窗到每一個取樣區塊，以在每一個取樣區塊中的每一個取樣點對應產生一結果值；(D)透過一修改型離散餘弦變換(MDCT)方式將這些取樣區塊轉換成一頻率域的多個頻段，其中每一個頻段具有一頻點且頻點對應到一頻率值；(E)等化這些頻段以產生多個調整後的頻段，其中每一個調整後的頻段的頻點對應到一調整頻率值；(F)透過一逆向MDCT(IMDCT)方式將這些調整後的頻段轉換成一時間域的多個新取樣區塊，其中每一個新取樣區塊中的每一個取樣點對應到一新結果值；(G)套用一KBD還原視窗到每一個新取樣區塊，以補償每一個新取樣區塊中的每一個取樣點對應到的新結果值；以及(H)根據重疊部分透過一重疊與相加(OLA)方法混疊每一個取樣區塊，以產生一新時域音訊。
本發明實施例提供一種音訊等化器，且包括一接收器與一處理器。接收器接收一聲音訊號，且將聲音訊號轉換成一時域音訊。處理器耦接接收器，且用以執行下列步驟：(A)讀取時域音訊；(B)將時域音訊窗化(windowing)，以產生多個取樣區塊(block)，其中每一個取樣區塊具有多個取樣點(sample)，且每一個相鄰的取樣區塊具有一預定比例的重疊部分；(C)套用一凱撒貝索衍生(KBD)視窗到每一個取樣區塊，以在每一個取樣區塊中的每一個取樣點對應產生一結果值；(D)透過一修改型離散餘弦變換(MDCT)方式將這些取樣區塊轉換成一頻率域的多個頻段，其中每一個頻段具有一頻點且頻點對應到一頻率值；(E)等化這些頻段以產生多個調整後的頻段，其中每一個調整後的頻段的頻點對應到一調整頻率值；(F)透過一逆向MDCT(IMDCT)方式將這些調整後的頻段轉換成一時間域的多個新取樣區塊，其中每一 個新取樣區塊中的每一個取樣點對應到一新結果值；(G)套用一KBD還原視窗到每一個新取樣區塊，以補償每一個新取樣區塊中的每一個取樣點對應到的新結果值；以及(H)根據重疊部分透過一重疊與相加(OLA)方法混疊每一個取樣區塊，以產生一新時域音訊。
為使能更進一步瞭解本發明之特徵及技術內容，請參閱以下有關本發明之詳細說明與附圖，但是此等說明與所附圖式僅係用來說明本發明，而非對本發明的權利範圍作任何的限制。
100‧‧‧音訊等化器
110‧‧‧接收器
120‧‧‧處理器
Sa‧‧‧聲音訊號
x(t)‧‧‧時域音訊
y(t)‧‧‧新時域音訊
S210、S220、S230、S240、S250、S260、S270、S280‧‧‧步驟
BLK1、BLK2、BLK3、BLKn‧‧‧取樣區塊
S0‧‧‧數值
P50‧‧‧取樣點
S0’‧‧‧結果值
FB1、FB2、FB3、FBn‧‧‧頻段
x(f1)、x(f2)、x(f3)、x(fn)‧‧‧頻率值
fc1、fc2、fc3、fcn‧‧‧頻點
S610、S620、S630、S640‧‧‧步驟
WAVEr‧‧‧參考波形
W1‧‧‧調整波形
W2‧‧‧調整波形
W3‧‧‧調整波形
Wad‧‧‧疊加波形
Wcom‧‧‧合成波形
FB1’、FB2’、FB3’、FBn’‧‧‧調整後的頻段
x’(f1)、x’(f2)、x’(f3)、x’(fn)‧‧‧調整頻率值
BLK1’、BLK2’、BLK3’、BLKn’‧‧‧新取樣區塊
S1‧‧‧數值
S1’‧‧‧新結果值
圖1是本發明一實施例之音訊等化器的示意圖。
圖2是本發明一實施例之音訊處理方法的流程圖。
圖3是本發明一實施例之多個取樣區塊的示意圖。
圖4是本發明一實施例之套用KBD視窗到每一個取樣區塊的示意圖。
圖5是本發明一實施例之將多個取樣區塊轉換成一頻率域的多個頻段的示意圖。
圖6A是本發明一實施例之等化這些頻段的細部流程圖。
圖6B是本發明一實施例之參考波形的示意圖。
圖6C是本發明一實施例之調整波形與合成波形的示意圖。
圖6D是本發明一實施例之調整後的頻段的示意圖。
圖7是本發明一實施例之將多個調整後的頻段轉換成一時間域的多個新取樣區塊的示意圖。
圖8是本發明一實施例之套用KBD視窗到每一個新取樣區塊的示意圖。
圖9是本發明一實施例之新時域音訊的示意圖。
在下文中，將藉由圖式說明本發明之各種例示實施例來詳細描述本發明。然而，本發明概念可能以許多不同形式來實現，且不應解釋為限於本文中所闡述之例示性實施例。此外，圖式中相同參考數字可用以表示類似的元件。
本發明實施例所提供的音訊處理方法與音訊等化器，其可以實現在嵌入式系統中，且不會造成過大的運算量。更進一步來說，音訊處理方法與音訊等化器利用一KBD視窗與一OLA方法來消除時域音訊在轉換期間的訊號失真，且使用者可以彈性設置濾波器的種類與數量，以符合使用者想要達到的音訊效果。據此，本發明實施例所提供的音訊處理方法與音訊等化器可以實現在運算量較小的嵌入式系統中，且可以根據使用者想要達到的音訊效果來產生所需的濾波器。以下將進一步介紹本發明揭露之音訊處理方法與音訊等化器。
首先，請參考圖1，其顯示本發明一實施例之本發明一實施例之音訊等化器的示意圖。如圖1所示，音訊等化器100設置在嵌入式系統(未繪於圖式)中且接收聲音訊號Sa。使用者可以透過音訊等化器100來調整聲音訊號Sa，並輸出使用者想要的聲音效果。在本實施例中，音訊等化器100是嵌入式系統中的某個元件(例如微處理器)或多個元件的組合(例如微處理器加上聲音訊號接收器)，本發明對此不作限制。
音訊等化器100包括一接收器110與一處理器120。接收器110接收器接收一聲音訊號Sa，且將聲音訊號Sa轉換成一時域音訊x(t)。在本實施例中，時域音訊x(t)為聲音訊號Sa在時間軸上的呈現。而有關聲音訊號Sa轉換成時域音訊x(t)為所屬領域具有通常知識者所悉知，故在此不再贅述。
處理器120耦接接收器110，且用以執行下列步驟，以消除時域音訊在轉換期間的訊號失真，且可提供使用者彈性設置濾波器所要達到的效果，但卻不會造成過大的運算量。請同時參考圖 2，其顯示本發明一實施例之音訊處理方法的流程圖。首先，處理器120讀取時域音訊x(t)，以進一步對一時間域(time domain)的時域音訊x(t)進行處理(步驟S210)。在本實施例中，時域音訊x(t)的取樣頻率為48000Hz。
接著，處理器120將時域音訊x(t)窗化(windowing)，以產生多個取樣區塊(block)。每一個取樣區塊具有多個取樣點(sample)，且每一個相鄰的取樣區塊具有一預定比例的重疊(overlap)部分(步驟S220)。如圖3所示，處理器120窗化時域音訊x(t)，以產生多個取樣區塊BLK1、BLK2、BLK3…BLKn。在每一個取樣區塊BLK1-BLKn中具有多個取樣點(未繪於圖式中)，且每一個相鄰的取樣區塊BLK1-BLKn具有50%的重疊部分。在本實施例中，每一個取樣區塊BLK1-BLKn具有1024個取樣點，且每個取樣點對應到一個數值。舉例來說，取樣區塊BLK1的第50個取樣點P50對應到數值S0。
而在接下來的步驟中，處理器120會進一步對訊號由一時間域轉換為一頻率域，且訊號會在轉換過程中產生訊號失真。因此，處理器120在下一個步驟S230中，將用來補償訊號失真的KBD視窗套用到每一個取樣區塊，以供訊號在由頻率域轉換回時間域的時候，可以有個補償依據將失真的訊號補償回來。
因此，處理器120在取得多個取樣區塊(即步驟S220)後，處理器120將套用一KBD視窗到每一個取樣區塊，以在每一個取樣區塊中的每一個取樣點對應產生一結果值(步驟S230)。承接上述實施例，如圖4所示，處理器120將KBD視窗的範圍設定為0-1023，且將KBD視窗中的第0-1023個數值分別乘上每一個取樣區塊BLK1-BLKn中的1024個取樣點，以在每一個取樣區塊BLK1-BLKn中的每一個取樣點對應產生一結果值。舉例來說，取樣區塊BLK1的第50個取樣點P50對應到數值S0。而處理器120將KBD視窗中的第50個數值乘上取樣區塊BLK1的第50 個取樣點P50，以產生取樣點P50的結果值S0’。
接下來，處理器120透過一MDCT方式將這些取樣區塊轉換成一頻率域的多個頻段(步驟S240)。每一個頻段具有一頻點，且每一個頻點對應到一頻率值。承接上述實施例，如圖5所示，處理器120透過MDCT方式將多個取樣區塊BLK1-BLKn轉換成一頻率域的多個頻段FB1、FB2、FB3...FBn。頻段FB1、FB2、FB3...FBn分別具有頻點fc1、fc2、fc3...fcn，且頻點fc1、fc2、fc3...fcn分別對應到頻率值X(f1)、X(f2)、X(f3)...X(fn)。
而由於時域音訊x(t)的取樣頻率為48000Hz，相鄰的取樣區塊BLK1-BLKn有50%的重疊部分，且每一個取樣區塊BLK1-BLKn具有1024個取樣點。因此，頻段FB1-FBn的頻點fc1、fc2、fc3...fcn將設定為0(Hz)、46.875(Hz)、93.75(Hz)...23953(Hz)。而有關處理器120透過MDCT方式將一時間域的多個取樣區塊BLK1-BLKn轉換成一頻率域的多個頻段FB1、FB2、FB3...FBn的過程為所屬領域具有通常知識者所悉知，故在此不再贅述。此外，處理器120透過MDCT方式來產生多個頻段FB1-FBn，其不需要複雜的運算，使得音訊等化器100可以在嵌入式系統中實現而不會造成過大的運算量。
接著，處理器120將等化這些頻段，以產生多個調整後的頻段(步驟S250)。而處理器120可根據使用者需求來等化這些頻段，使得調整後的頻段符合使用者想要的聲音效果。更進一步來說，如圖6A所示，在處理器120等化這些頻段的過程中，首先將產生一參考波形(步驟S610)。舉例來說，處理器120產生正弦波形(sine wave)來當作調整頻段的模型，以形成參考波形。如圖6B所示，處理器120將正弦波形的0-2 π對應到頻寬0-2000，且將正弦波形數值0-1對應到增益值0-1，以藉此形成參考波形WAVEr。而上述參考波形亦可以用鋸齒波形、或其他合適的波形，本發明對此不作限制。
再來，處理器120將套用至少一個參數組到參考波形，以產生具有參數組的數量的至少一調整波形(步驟S620)。每一個參數組具有一預設頻點、一預設頻帶與一預設增益值，以供處理器120根據這些參數組中的資料數據分別產生相對應的調整波形。承接上述例子，如圖6C所示，參數組共有三組，其分別代表一低通濾波的第一參數組PF1、代表一帶通濾波的第二參數組PF2、代表另一帶通濾波的第三參數組PF3。
第一參數組PF1的預設頻點Fc=50Hz且預設增益值Gain=6dB。第二參數組PF2的預設頻點Fc=1000Hz、預設頻帶BW=1000Hz且預設增益值Gain=6dB。第三參數組PF3的預設頻點Fc=3000Hz、預設頻帶BW=3000Hz且預設增益值Gain=6dB。因此，處理器120將根據上述第一參數組PF1、第二參數組PF2與第三參數組PF3分別產生調整波形W1、W2與W3。而有關參數組的數量可以依照使用者想要產生的調整波形的數量與效果來做設計，本發明對此不作限制。
再來，處理器120將疊加這些調整波形以產生一疊加波形，且根據一預設最大增益值限制疊加波形的增益值以產生一合成波形(步驟S630)。承接上述例子，同樣如圖6C所示，處理器120將疊加這三個調整波形W1、W2與W3以產生一疊加波形Wad，並根據一預設最大增益值限制疊加波形Wad的增益值，以產生合成波形Wcom(如圖6C中的實線部分)。承接上述例子，預設最大增益值例如為6dB，以避免處理器120輸出爆音。因此，處理器120將限制疊加波形Wad的最大增益值為6dB而產生合成波形Wcom。而若處理器120不會有輸出爆音的問題，則疊加波形Wad可以直接作為合成波形Wcom，本發明對此不作限制。
最後，處理器120將套用合成波形到步驟S240所產生的頻率域的多個頻段，以據此產生調整後的頻段(步驟S640)。承接上述例子，處理器120將套用合成波形Wcom到圖5所示的多個頻 段FB1-FBn，以據此產生調整後的頻段FB1’、FB2’、FB3’...FBn’。而調整後的頻段FB1’、FB2’、FB3’...FBn’分別具有頻點fc1-fcn，且頻點fc1-fcn分別對應到一調整頻率值X’(f1)、X’(f2)、X’(f3)...X’(fn)。
在處理器120等化這些頻段以取得調整後的頻段(即步驟S250)後，代表處理器120已將這些頻段調整為使用者想要的聲音效果。此時，處理器120接著將透過一逆向MDCT(IMDCT)方式將這些調整後的頻段轉換成一時間域的多個新取樣區塊(步驟S260)。而每一個新取樣區塊中的每一個取樣點會對應到一新結果值。承接上述例子，如圖7所示，處理器120透過IMDCT方式將調整後的頻段FB1’-FBn’轉換成一時間域的多個新取樣區塊BLK1’、BLK2’、BLK3’...BLKn’。每一個新取樣區塊BLK1’、BLK2’、BLK3’...BLKn’中具有多個取樣點(未繪於圖式中)，且每一個取樣點會對應到一個新結果值(未繪於圖式中)。舉例來說，每一個新取樣區塊BLK1’-BLKn’中具有1024個取樣點，新取樣區塊BLK1’的第50個取樣點P50對應到數值S1。
在此步驟S260中，處理器120將等化後的頻段轉換回時間域的訊號，並在接下來的步驟中還原成關聯於時域音訊x(t)的訊號。
因此，在步驟S270中，處理器120將套用一KBD還原視窗到每一個新取樣區塊，以補償每一個新取樣區塊中的每一個取樣點對應到的新結果值(步驟S280)。承接上述例子，如圖8所示，處理器120將KBD還原視窗的範圍設定為0-1023，且將KBD還原視窗中的第0-1023個數值分別乘上每一個新取樣區塊BLK1’-BLKn’中的1024個取樣點，以在每一個新取樣區塊BLK1’-BLKn’中的每一個取樣點對應產生一新結果值。舉例來說，請同時參考圖7-8，新取樣區塊BLK1’的第50個取樣點P50對應到數值S1。而處理器120將KBD還原視窗中的第50個數 值乘上新取樣區塊BLK1’的第50個取樣點P50，以對應產生取樣點P50的新結果值S1’。在本實施例中，KBD還原視窗係與步驟S230中的KBD視窗相同，使得處理器120可以在相同的條件下補償每一個新取樣區塊中的每一個取樣點對應到的新結果值。當然，KBD還原視窗與步驟S230中的KBD視窗亦可依照實際狀況設計為不相同，本發明對此不作限制。
此時，新取樣區塊BLK1’-BLKn’代表經過等化時域音訊x(t)後的區塊訊號，且每一個新取樣區塊BLK1’-BLKn’具有一預定比例(在本實施例為50%)的重疊部分。
因此，處理器120將根據重疊部分透過一重疊與相加(OLA)方法混疊每一個新取樣區塊，以產生一新時域音訊(步驟S280)。承接上述例子，如圖9所示，處理器120將根據步驟S220所述的重疊部分(在本例子為50%的重疊部分)透過OLA方法混疊每一個新取樣區塊BLK1’-BLKn’，以產生一新時域音訊y(t)。此時的新時域音訊y(t)代表處理器120等化時域音訊x(t)後所產生的時間地域的音訊。而處理器120將可傳送新時域音訊y(t)至下一級的放音元件(例如喇叭)輸出或者至其他電子元件作後續處理。
綜上所述，本發明實施例所提供的一種音訊處理方法與音訊等化器，其可以實現在嵌入式系統中，且不會造成過大的運算量。更進一步來說，音訊處理方法與音訊等化器利用一KBD視窗與一OLA方法來消除時域音訊在轉換期間的訊號失真，且使用者可以彈性設置濾波器的種類與數量，以符合使用者想要達到的音訊效果。據此，本發明實施例所提供的音訊處理方法與音訊等化器可以實現在運算量較小的嵌入式系統中，且可以根據使用者想要達到的音訊效果來產生所需的濾波器。
以上所述僅為本發明之實施例，其並非用以侷限本發明之專利範圍。
100‧‧‧音訊等化器
110‧‧‧接收器
120‧‧‧處理器
Sa‧‧‧聲音訊號
x(t)‧‧‧時域音訊
y(t)‧‧‧新時域音訊

Claims (7)

  1. 一種音訊處理方法，適用於一音訊等化器，且包括：讀取一時域音訊；將該時域音訊窗化(windowing)，以產生多個取樣區塊(block)，其中每一該取樣區塊具有多個取樣點(sample)，且每一相鄰的該取樣區塊具有一預定比例的重疊部分；套用一凱撒貝索衍生(KBD)視窗到每一該取樣區塊，其中將該KBD視窗乘上每一該取樣區塊中的該些取樣點，以在每一該取樣區塊中的每一該取樣點對應產生一結果值；透過一修改型離散餘弦變換(MDCT)方式將該些取樣區塊轉換成一頻率域的複數個頻段，其中每一該頻段具有一頻點且該頻點對應到一頻率值；等化該些頻段以產生複數個調整後的頻段，其中每一該調整後的頻段的該頻點對應到一調整頻率值；透過一逆向MDCT(IMDCT)方式將該些調整後的頻段轉換成一時間域的複數個新取樣區塊，其中每一該新取樣區塊中的每一該取樣點對應到一新結果值；套用一KBD還原視窗到每一該新取樣區塊，其中將該KBD還原視窗乘上每一該新取樣區塊中的該些取樣點，以在每一該取樣點對應產生該新結果值，以補償每一該新取樣區塊中的每一該取樣點對應到的該新結果值；以及根據該重疊部分透過一重疊與相加(OLA)方法混疊每一該新取樣區塊，以產生一新時域音訊。
  2. 如請求項1之音訊處理方法，其中，於將該時域音訊窗化的步驟中，該預定比例為50%。
  3. 如請求項1之音訊處理方法，其中，於等化該些頻段的步驟中，更包括：產生一參考波形；套用至少一參數組到該參考波形，以產生具有該參數組的數量的至少一調整波形，其中每一該參數組具有一預設頻點、一預設頻帶與一預設增益值其中之一或其組合；疊加該至少一調整波形以產生一疊加波形，且根據一預設最大增益值限制該疊加波形的增益值以產生一合成波形；以及套用該合成波形到該些頻段，以產生該些調整後的頻段。
  4. 如請求項1之音訊處理方法，其中，該KBD視窗與該KBD還原視窗相同。
  5. 一種音訊等化器，包括：一接收器，接收一聲音訊號，且將該聲音訊號轉換成一時域音訊；以及一處理器，耦接該接收器，且用以執行下列步驟：讀取該時域音訊；將該時域音訊窗化(windowing)，以產生多個取樣區塊(block)，其中每一該取樣區塊具有多個取樣點(sample)，且每一相鄰的該取樣區塊具有一預定比例的重疊部分；套用一凱撒貝索衍生(KBD)視窗到每一該取樣區塊，其中將該KBD視窗乘上每一該取樣區塊中的該些取樣點，以在每一該取樣區塊中的每一該取樣點對應產生一結果值；透過一修改型離散餘弦變換(MDCT)方式將該些取樣區塊轉換成一頻率域的複數個頻段，其中每一該頻段具有一頻點且該頻點對應到一頻率值；等化該些頻段以產生複數個調整後的頻段，其中每一該調 整後的頻段的該頻點對應到一調整頻率值；透過一逆向MDCT(IMDCT)方式將該些調整後的頻段轉換成一時間域的複數個新取樣區塊，其中每一該新取樣區塊中的每一該取樣點對應到一新結果值；套用一KBD還原視窗到每一該新取樣區塊，其中將該KBD還原視窗乘上每一該新取樣區塊中的該些取樣點，以在每一該取樣點對應產生該新結果值，以補償每一該新取樣區塊中的每一該取樣點對應到的該新結果值；以及根據該重疊部分透過一重疊與相加(OLA)方法混疊每一該新取樣區塊，以產生一新時域音訊。
  6. 如請求項5之音訊等化器，其中，該預定比例為50%。
  7. 如請求項5之音訊等化器，其中，該處理器於等化該些頻段時，該處理器產生一參考波形，套用至少一參數組到該參考波形，以產生具有該參數組的數量的至少一調整波形，疊加該至少一調整波形以產生一疊加波形，根據一預設最大增益值限制該疊加波形的增益值以產生一合成波形，且套用該合成波形到該些頻段以產生該些調整後的頻段，其中每一該參數組具有一預設頻點、一預設頻帶與一預設增益值其中之一或其組合。
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