技术领域
[0001] 本
发明涉及
音频信号处理领域。特别地，本发明涉及允许增强音频信号以供扬声器再现的音频信号处理阶段、音频信号处理装置和音频信号处理方法。
背景技术
[0002] 许多扬声器，尤其是较小的扬声器，不能准确地再现输入音频信号的低频内容。原因是鼓膜的偏移(即位移)是有限的。通常，扬声器的声压级L根据以下关系取决于扬声器的几何结构和电
激励信号的
频率f：
[0003]
[0004] 其中xm表示扬声器鼓膜的偏移，Sm表示扬声器鼓膜的面积，ρ0表示空气
密度，p0表示参考声压，通常等于20μPa。从等式1可以看出，小尺寸，即Sm值小，的扬声器的声压级有限。特别是在低频下，声压级可能会降低，从而在再现带有低音的音乐时可能会有失真。此外，过驱动的扬声器往往功效较低，因为它们的输入功率与输出声功率比率较低。
[0005] 避免或减少扬声器饱和或失真尤其是低频下的饱和或失真的方法涉及频率衰减技术。例如，US 7,233,833公开了一种使用静态
滤波器(高通或低架)截断低于预定义频率的音频信号的方法。将低通信号馈送到虚拟低音单元以生成低通信号的谐波。将谐波添加到截断信号中，将所得到的信号传递到扬声器。
[0006] 另一种方法使用幅度自适应衰减方法，其中低频以扬声器不饱和的方式动态衰减。幅度自适应衰减在本领域中称为压缩。类似地，压缩器是用于
压缩信号的设备，即，用于动态地
控制信号的增益(或信号的
选定频谱分量的增益)。例如，US 5,832,444公开了一种应用于低频带的压缩器。
[0007] 用于防止扬声器饱和或过驱动效应的现有解决方案存在一些缺点。值得注意的是，静态截止滤波器往往会比必要时更强烈地衰减低频频谱。另一方面，现有的自适应均衡方法可能会造成可
感知的低频内容损失。
发明内容
[0008] 本发明的目的是提供改进的音频信号处理设备和方法，特别地，提供尤其在低频下防止扬声器的饱和或过驱动效应的设备和方法。
[0009] 上述和其它目的通过独立
权利要求的主题来实现。根据
从属权利要求、
说明书以及
附图，进一步的实现形式是显而易见的。
[0010] 根据第一方面，本发明涉及一种用于将输入音频信号处理为输出音频信号的音频信号处理阶段，以防止过驱动扬声器。所述音频信号处理阶段包括：
滤波器组，定义两个或多个频带，所述滤波器组用于将所述输入音频信号分离成两个或多个输入音频信号分量，每个所述输入音频信号分量分别处于所述两个或多个频带中的一个相应的频带；一组两个或多个频带分支，用于提供两个或多个输出音频信号分量，其中，每个所述频带分支提供相应一个所述输出音频信号分量，所述一组两个或多个频带分支包括一个或多个压缩器分支，所述一个或多个压缩器分支中的每一个压缩器分支包括压缩器，用于压缩相应压缩器分支的输入音频信号分量以提供相应压缩器分支的输出音频信号分量；逆滤波器组，用于通过将所述两个或多个输出音频信号分量相加来生成相加后的音频信号；残差音频信号生成单元(也称为相加单元)，用于生成残差音频信号，所述残差音频信号是所述输入音频信号与所述相加后的音频信号之间的差值；虚拟低音单元，用于生成包括所述残差音频信号的一个或多个谐波的虚拟低音信号，所述虚拟低音单元包括用于基于所述残差音频信号生成所述一个或多个谐波的谐波生成器(如
倍频器)；相加单元，用于通过将所述相加后的音频信号和所述虚拟低音信号相加来生成所述输出音频信号。当
输出信号馈送到扬声器时，一个或多个压缩器分支具有使得输出信号不太可能产生过驱动效应的作用。
[0011] 根据第二方面，本发明涉及一种用于将输入音频信号处理为输出音频信号的音频信号处理阶段，以防止过驱动扬声器。根据第二方面所述的音频信号处理阶段包括：滤波器组，定义两个或多个频带，所述滤波器组用于将所述输入音频信号分离成两个或多个输入音频信号分量，每个所述输入音频信号分量分别处于所述两个或多个频带中的一个相应的频带；一组两个或多个频带分支，用于提供两个或多个输出音频信号分量，其中，每个所述频带分支用于处理相应一个所述输入音频信号分量以提供相应一个所述输出音频信号分量；逆滤波器组，用于通过将所述两个或多个输出音频信号分量相加来生成所述输出音频信号。所述一组两个或多个频带分支包括一个或多个压缩器分支，每个所述压缩器分支包括：压缩器，用于通过压缩相应压缩器分支的输入音频信号分量来生成压缩后的音频信号分量；残差音频信号分量生成单元(也称为相加单元)，用于生成残差音频信号分量，所述残差音频信号分量是相应压缩器分支的输入音频信号分量和所述压缩后的音频信号分量之间的差值；虚拟低音单元，用于生成包括所述残差音频信号分量的一个或多个谐波的虚拟低音信号分量，所述虚拟低音单元包括用于基于所述残差音频信号分量生成所述一个或多个谐波的谐波生成器(如倍频器)；相加单元，用于通过将所述压缩后的音频信号分量和所述虚拟低音信号分量相加来生成相应压缩器分支的输出音频信号分量。当输出信号馈送到扬声器时，一个或多个压缩器分支具有使得输出信号不太可能产生过驱动效应的作用。
[0012] 在根据第一方面所述的音频信号处理阶段或根据第二方面所述的音频信号处理阶段的第一种实现形式中，所述一组两个或多个频带分支还包括一个或多个非压缩分支。在本公开中，非压缩分支定义为不压缩该分支的输入音频信号分量的分支。非压缩分支也可以称为中性分支。非压缩(或中性)分支可以例如以直接导电连接(如电线连接)的形式实现。非压缩分支提供了一种比较经济的实现方式来处理不需要压缩的输入音频信号分量。
[0013] 在根据第一方面或其第一种实现形式所述的音频信号处理阶段或根据第二方面或其第一种实现形式所述的音频信号处理阶段的第二种实现形式中，所述一组两个或多个频带分支包括正好一个，即仅一个，不多于一个压缩器分支。这种设计特别的经济划算，特别是当所述音频信号处理阶段是
串联连接的几个(即两个或多个)阶段中的一个时。在操作中，串联连接的阶段按序处理音频信号，例如，只对每个阶段中的一个频带执行压缩和虚拟低音补偿。因此，与各个阶段相关联的频带(每个阶段中经受压缩的一个频带)可以按照阶段的顺序增加频率，以确保在第一阶段(或在稍后阶段)中生成的谐波不会过驱动扬声器。
[0014] 在根据第一方面或其第一或第二种实现形式所述的音频信号处理阶段或根据第二方面或其第一或第二种实现形式所述的音频信号处理阶段的第三种实现形式中，所述虚拟低音单元还包括用于对所述一个或多个谐波应用音色校正的音色校正滤波器。因此能够提高输出音频信号的感知音频
质量。
[0015] 在根据第一方面或其第一至第三种实现形式中任一种所述的音频信号处理阶段或根据第二方面或其第一至第三种实现形式中任一种所述的音频信号处理阶段的第四种实现形式中，所述压缩器包括压缩器增益单元、压缩器
阈值单元和扬声器建模单元。因此所述音频信号处理阶段能够通过例如在工厂中适当配置压缩器增益单元、压缩器阈值单元和扬声器建模单元来适应某些扬声器特征。优选地，这些单元是可编程的。在这种情况下，可以针对不同的扬声器特征对这些单元进行重新配置，例如，由用户主动进行重新配置。
[0016] 在根据第一方面或其第一至第四种实现形式中任一种所述的音频信号处理阶段或根据第二方面或其第一至第四种实现形式中任一种所述的音频信号处理阶段的第五种实现形式中，所述残差音频信号的谐波或所述残差音频信号分量的谐波包括一个或多个
偶次谐波。这能够通过谐波生成器的适当设计来实现。与生成偶次和
奇次谐波的设计相比，这种设计可能更简单。例如，谐波生成器可以包括二阶乘法器或由二阶乘法器组成。优选地，所述残差音频信号的谐波或所述残差音频信号分量的谐波分别至少包括所述残差音频信号或残差音频信号分量的二次谐波(即，最低可能谐波)。
[0017] 在根据第一方面的第五种实现形式所述的音频信号处理阶段或根据第二方面的第五种实现形式所述的音频信号处理阶段的第六种实现形式中，所述残差音频信号的谐波或所述残差音频信号分量的谐波包括一个或多个奇次谐波。例如，所述谐波生成器可以用于使用软
限幅算法基于偶次谐波生成所述残差音频信号或所述残差音频信号分量的一个或多个奇次谐波。因此能够提高感知音频质量。
[0018] 在根据第一方面或其第一至第六种实现形式中任一种所述的音频信号处理阶段的第七种实现形式中，所述虚拟低音单元还包括
低通滤波器和
高通滤波器中的一个或两个，所述低通滤波器连接在所述残差音频信号生成单元和所述谐波生成器之间，所述高通滤波器连接在所述谐波生成器和所述相加单元之间。因此能够提高感知音频质量。
[0019] 在根据第一方面的第七种实现形式所述的音频信号处理阶段的第八种实现形式中，所述压缩器用于调整所述低通滤波器的截止频率或所述高通滤波器的截止频率中的一个或两个。因此能够优化感知音频质量。
[0020] 根据第三方面，本发明涉及一种音频信号处理装置，包括根据第一方面或其任意一种实现形式或根据第二方面或其任意一种实现形式的第一和第二音频信号处理阶段，所述第一和第二音频信号处理阶段串联连接，所述第一音频信号处理阶段(第一阶段)的输出音频信号是所述第二音频信号处理阶段(第二阶段)的输入音频信号。更一般地说，可以串联连接几个(即，两个或多个)音频信号处理阶段，以按序处理音频信号。在一个示例中，为了达到经济节约并保持高性能，每个阶段将压缩和虚拟低音补偿仅应用于一个频带。该频带(即，执行压缩的那个频带)可以称为相应阶段的压缩频带。因此，与各个阶段相关联的压缩频带可按照一系列阶段的顺序增加频率。换句话说，给定阶段的压缩频带可能高于前一阶段的压缩频带。因此能够确保在随后阶段中的一个阶段中压缩给定阶段中生成的谐波。因此能够避免谐波过驱动扬声器。
[0021] 在根据第一方面所述的音频信号处理装置的第一种实现形式中，由所述第二音频信号处理阶段的滤波器组定义的一个或多个频带包括所述第一音频信号处理阶段中生成的所有或部分谐波。因此能够避免来自所述第一音频信号处理阶段的谐波过驱动扬声器。在一个示例中，第一阶段的一组频带分支包括用于在(具有频率下限f1和频率上限f2的)第一频带[f1，f2]中压缩第一阶段的输入音频信号的压缩器分支；第一阶段的虚拟低音单元的谐波生成器包括倍频器；第二阶段的一组频带分支包括用于在第二频带[2*f1，2*f2]中压缩第二阶段的输入音频信号的压缩器分支。
[0022] 根据第四方面，本发明涉及一种用于将输入音频信号处理为输出音频信号的音频信号处理方法，其中所述音频信号处理方法包括：通过滤波器组将所述输入音频信号分离成两个或多个输入音频信号分量，所述滤波器组定义两个或多个频带，每个输入音频信号分量分别处于一个所述频带；通过两个或多个频带分支基于所述两个或多个输入音频信号分量提供两个或多个输出音频信号分量，其中，所述两个或多个频带分支中的每一个基于相应一个所述输入音频信号分量提供相应一个所述输出音频信号分量，所述一组两个或多个频带分支包括一个或多个压缩器分支，所述一个或多个压缩器分支中的每一个压缩器分支包括压缩器，用于压缩相应压缩器分支的输入音频信号分量以提供相应压缩器分支的输出音频信号分量；通过将所述两个或多个输出音频信号分量相加来生成相加后的音频信号；生成残差音频信号，所述残差音频信号是所述输入音频信号和所述相加后的音频信号之间的差值；通过基于所述残差音频信号生成一个或多个谐波，来生成包括所述残差音频信号的一个或多个谐波的虚拟低音信号；通过将所述相加后的音频信号和所述虚拟低音信号相加来生成所述输出音频信号。当输出信号馈送到扬声器时，在此方式中使用两个或多个压缩器分支具有使得输出信号不太可能产生过驱动效应的作用。
[0023] 根据本发明第四方面所述的音频信号处理方法能够由根据本发明第一方面所述的音频信号处理阶段执行。根据本发明第四方面所述的音频信号处理方法的其它特征直接源自根据本发明第一方面及其各种实现形式所述的音频信号处理阶段的功能。
[0024] 根据第五方面，本发明涉及一种用于将输入音频信号处理为输出音频信号的音频信号处理方法，其中所述音频信号处理方法包括：通过滤波器组将所述输入音频信号分离成两个或多个输入音频信号分量，所述滤波器组定义两个或多个频带，所述两个或多个输入音频信号分量中的每一个输入音频信号分量分别处于所述两个或多个频带中的一个相应的频带；通过一组两个或多个频带分支基于所述两个或多个输入音频信号分量提供两个或多个输出音频信号分量，其中，每个所述频带分支基于相应一个所述输入音频信号分量提供相应一个所述输出音频信号分量，所述一组两个或多个频带分支包括一个或多个压缩器分支，所述一个或多个压缩器分支中的每一个压缩器分支包括：压缩器，其通过压缩相应压缩器分支的输入音频信号分量来生成压缩后的音频信号分量；残差音频信号分量生成单元，其生成残差音频信号分量，所述残差音频信号分量是相应压缩器分支的输入音频信号分量与相应压缩器分支的压缩后的音频信号分量之间的差值；虚拟低音单元，其通过基于所述残差音频信号分量生成一个或多个谐波来生成包括所述残差音频信号分量的一个或多个谐波的虚拟低音信号分量；以及相加单元，其通过将所述压缩后的音频信号分量和所述虚拟低音信号分量相加来生成相应压缩器分支的输出音频信号分量；通过将所述两个或多个输出音频信号分量相加来生成所述输出音频信号。当输出信号馈送到扬声器时，在此方式中使用多个或多个压缩器分支具有使得输出信号不太可能产生过驱动效应的作用。
[0025] 根据本发明第五方面所述的音频信号处理方法能够由根据本发明第二方面所述的音频信号处理阶段执行。根据本发明第五方面所述的音频信号处理方法的其它特征直接源自根据本发明第二方面及其各种实现形式所述的音频信号处理阶段的功能。
[0026] 根据第六方面，本发明涉及一种携带
计算机程序的计算机程序或数据载体。所述计算机程序包括程序代码，用于当程序代码在计算机上执行时执行根据本发明第四方面或第五方面的方法。
[0027] 本发明可以通过
硬件、
软件以及硬件和软件的组合来实现。
附图说明
[0028] 本发明的具体
实施例将结合以下附图进行描述，其中：
[0029] 图1示出了包括低频控制单元和虚拟低音单元的音频信号处理阶段的示意图；
[0030] 图2示出了包括低频控制单元的音频信号处理阶段的示意图，但是低频控制单元未涵盖在所附权利要求中；
[0031] 图3示出了压缩阈值对频率的依赖性的示例，其可以在一实施例提供的的音频信号处理阶段的低频控制单元中实现；
[0032] 图4示出了包括虚拟低音单元的音频信号处理阶段的示意图，但是虚拟低音单元未涵盖在所附权利要求中；
[0033] 图5示出了一实施例提供的能够在音频信号处理阶段的虚拟低音单元中实现的压缩方案的示例性特征的示意图；
[0034] 图6示出了一实施例提供的音频信号处理阶段的示意图；
[0035] 图7示出了一实施例提供的音频信号处理阶段的示意图；
[0036] 图8示出了一实施例提供的音频信号处理阶段的示意图；
[0037] 图9示出了一实施例提供的包括多个音频信号处理阶段并实现
迭代处理方案的音频信号处理装置的示意图。
[0038] 在附图中，相同或功能对等的特征采用相同的图例编号。
具体实施方式
[0039] 以下结合附图进行描述，所述附图是本发明的一部分，并通过图解说明的方式示出可以实施本发明的具体方面。可以理解的是，在不脱离本发明范围的情况下，可以将本发明置于其他方面中，并且可以做出结构或逻辑上的改变。因此，以下详细的描述并不当作限定，本发明的范围由所附权利要求书界定。
[0040] 例如，可以理解的是，与所描述方法有关的公开通常对于用于执行所述方法的相应设备或系统也同样适用，反之亦然。例如，如果描述了特定方法步骤，则对应设备可以包括用于执行所描述的方法步骤的单元，即使此类单元没有在图中明确描述或图示。
[0041] 另外，在以下具体描述以及权利要求中，描述了包含相互连接或进行信号交互的功能方框或处理单元的实施例。可以理解的是，本发明也
覆盖了包含附加功能方框或处理单元的实施例，诸如前置/后置滤波单元和/或前置/后置放大单元，这些附加功能方框或处理单元设置在以下所述的实施例中的功能方框或处理单元之间。
[0042] 最后，可以理解的是，除非另有说明，此处所述的各种示例性方面的特征可以互相结合。
[0043] 图1示出了用于处理输入音频信号的音频信号处理阶段100的示意图。更具体地，音频信号处理阶段100用于将输入音频信号x(t)101处理为输出音频信号z(t)103。音频信号处理阶段100包括低频控制单元105，其用于至少在低频范围内压缩输入音频信号x(t)101，从而生成压缩后的音频信号y(t)102a。将压缩后的音频信号y(t)102a而不是输入音频信号x(t)101馈送到扬声器111可以减少或消除扬声器111的失真。低频范围可以例如是低于300Hz、低于200Hz或低于100Hz的
频率范围。
[0044] 音频信号处理阶段100还包括虚拟低音单元107，其用于至少部分地补偿由压缩输入音频信号x(t)101导致的低频下的幅度损失。更具体地，虚拟低音单元107用于接收残差信号v(t)102b作为输入，该残差信号是压缩信号y(t)102a和输入音频信号x(t)101之间的差值，即，v(t)＝x(t)-y(t)；并用于产生新的信号分量，例如使用谐波生成器，以创建“虚拟低音”的感知。例如，如图1中的虚线所示，虚拟低音单元107可以用于基于例如由低频控制单元105提供的截止频率和多个加权系数中的一个或多个来创建对“虚拟低音”的感知。在相加单元109中将来自虚拟低音单元107的输出信号w(t)与来自低频控制单元105的输出信号y(t)相加。所产生的输出音频信号z(t)103可以由扬声器111再现。
[0045] 图2示出了包括低频控制单元105的音频信号处理阶段200的示意图。图2所示的音频信号处理阶段200的低频控制单元105或至少其部分可以在本发明实施例提供的音频信号处理阶段中实现。在图2的示例中，低频控制单元105包括用于将输入音频信号101分离成多个频谱音频信号分量X(k，b)(在本
申请中称为输入音频信号分量)的滤波器组105a，其中k是时间，b是频带索引。基于该实现方式的细节，可以以
模拟信号的形式(例如，从滤波器组105a的相应
带通滤波器输出的带限信号)或者数字的形式(例如，以数字样本或频谱音频信号分量的傅立叶系数的形式)提供每个频谱音频信号分量。低频控制单元105还包括多个频带分支105e，用于提供对应的多个输出音频信号分量Y(k，b)。图中仅示出了一个频带分支
105e。为了图形简单起见，其他分支(均与所示分支平行连接)未示出。每个所述频带分支
105e用于基于相应一个所述输入音频信号分量X(k，b)提供相应一个所述输出音频信号分量Y(k，b)。换句话说，每个频带分支105e将输入音频信号分量X(k，b)处理为相应的输出音频信号分量Y(k，b)。每个输入音频信号分量X(k，b)处于一个相应的频带。换句话说，滤波器组105a对输入音频信号x(t)进行频谱分解，即，将x(t)(时域信号)分解为一组输入音频信号分量(也是时域信号)。
[0046] 在一种
变形(未示出)中，滤波器组105a相反用于提供一组频谱系数(输入傅立叶系数)而不是一组时域信号。在该变形中，输入傅立叶系数乘以相应的压缩器因子(或压缩器增益)以产生一组
修改后的傅立叶系数(输出傅立叶系数)。然后逆滤波器组105d基于输出傅立叶系数合成时域信号。例如，使用硬编码快速
傅立叶变换(fast Fourier transform，简称FFT)，可以在数字
电路中有效地实现这样的变形。
[0047] 现在继续描述图2所示的音频信号处理阶段200的低频控制单元105，将来自滤波器组105a的每个频谱分量X(k，b)作为控制输入提供给压缩器105b。在所示实施例中，压缩器105b包括扬声器建模单元105b-1(在图2中称为“SPK建模”)、压缩器阈值单元105b-2和压缩器增益单元105b-3。将由压缩器增益单元105b-3自适应地针对每个频带分支105e确定的增益G(k，b)提供给乘法单元105c。乘法单元105c将增益应用于输入音频信号分量X(k，b)，从而产生输出音频信号分量Y(k，b)，即，增强或衰减的频谱音频信号分量。将来自多个频带分支的输出音频信号分量在逆滤波器组105d中相加，从而产生输出音频信号y(t)。可以将输出音频信号y(t)馈送到扬声器111。
[0048] 图2所示的音频信号处理阶段200的低频控制单元105或至少其部分可以在本发明实施例提供的音频信号处理阶段中实现。在一实施例中，输入音频信号分量X(k，b)对应于具有相应带宽的频谱分区b，例如模仿人类听觉系统的频率
分辨率。分区可能不重叠。在一实施例中，为了调整每个分区b内的输入音频信号的电平，可以在图2所示的压缩器105b的压缩器阈值单元105b-2中应用压缩方案，例如，利用输入音频信号x101的每个分区b的均方根(rootmean square，简称RMS)值Px(k,b)(其中Px(k,b)表示输入音频信号分量X(k，b)在对应频率范围上的积分)的估计值和压缩阈值CT的估计值。压缩阈值CT的大小可以取决于例如扬声器111的最大声压级(soundpressure level，简称SPL)，例如根据以下等式计算：
[0049]
[0050] 其中，ψSPK表示代表扬声器111的物理组件的属性的常数，γ表示应用于分区b的中心频率fb的指数(在一实施例中，可以使用可调参数γ而不是将其设置为固定值，例如固定值2，以便在压
力对频率模型中保持更好的灵活性)，CT0表示用于进一步调整压缩阈值的常数。利用RMS值Px(k,b)和等式2，可以在压缩器增益单元105b-3中基于以下等式确定压缩增益(以分贝为单位)：
[0051] G(k,b)＝CS·min{CT-10log10Px(k,b),0}, (3)
[0052] 其中CS表示压缩斜率。如上所述，每个输出音频信号分量Y(k，b)，即每个压缩后的音频
输入信号分量，是通过将相应增益因子G(k，b)与相应输入音频信号分量X(k，b)相乘而获得的，例如由乘法单元105c计算，即Y(k，b)＝G(k，b)·X(k，b)。
[0053] 图3通过以下示例性数值示出了压缩阈值对分区的中心频率的依赖性的示例：ψSPK＝0.5，γ＝2，并且CT0＝-30dB，其可以在本发明实施例提供的音频信号处理阶段的压缩器105b的压缩器阈值单元105b-2中实现。该曲线示出了使用具有给定示例性数值的等式2的示例紧凑型扬声器模型的所需压缩阈值的
频率依赖性。
[0054] 图4示出了包括虚拟低音单元107的音频信号处理阶段400的示意图。图4所示音频信号处理阶段400的虚拟低音单元107或者至少其部分可以在本发明实施例提供的音频信号处理阶段中实现。
[0055] 音频信号处理阶段400包括具有高通滤波器107a的高通滤波器分支和具有低通滤波器107b的低通滤波器分支。低通滤波器分支还包括按此顺序串联连接的谐波生成器107c、音色校正滤波器107d、另一个高通滤波器107e和乘法单元107f。虚拟低音单元107的这些组件可以用于通过以下方式操作。
[0056] 图4所示的输入音频信号x(t)101例如分别通过低通滤波器107b和高通滤波器107a分成两个子带信号v(t)和y(t)。低通滤波器107b和高通滤波器107a可以具有相同的截止频率fvb。在这种情况下，残差信号由v(t)＝x(t)-y(t)给出。
[0057] 在谐波生成器107c中以非线性方式进一步处理残差信号v(t)，以便生成残差信号v(t)的谐波。谐波生成器107c可以用于生成残差信号v(t)的偶次谐波、奇次谐波或偶次和奇次谐波。
[0058] 例如，可以基于例如以下等式使用二阶乘法器生成偶次谐波：
[0059] veven[n]＝v[n]+gevenv2[n], (4)
[0060] 其中geven表示与偶次谐波的量或功率有关的可调增益，n表示离散频率索引。然后，基于基本原理和偶次谐波，可以使用奇次谐波生成器基于例如软限幅算法来生成奇次谐波，将在下文中对此进行描述。
[0061] 在第一步中，可以同时计算残差信号v(t)的两个时间估计值，即，例如RMS(均方根)估计值vrms和峰值估计值vpeak。
[0062] 可以使用以下等式计算RMS估计值：
[0063] vrms[n]＝αrmsvrms[n-1]+(1-αrms)|veven[n]|, (5)
[0064] 和
[0065]
[0066] 可以使用以下等式计算峰值估计值：
[0067] vpeak[n]＝αpeakvpeak[n-1]+(1-αpeak)|veven[n]|, (7)
[0068] 和
[0069]
[0070] 信号估计值vrms和vpeak都可以用于推导出压缩曲线，其中压缩阈值可以自适应地定义为：
[0071] μCT[n]＝20log10(vrms[n])-μCT0, (9)
[0072] 其中μCT0表示调整压缩效果的附加阈值。
[0073] 例如，可以使用以下公式计算压缩增益(以分贝为单位)：
[0074] hdB[n]＝-ηCS0min{20log10(vpeak[n])-μCT[n],0}, (10)
[0075] 其中ηCS0表示如图5所示的压缩斜率，图5示出了可以在本发明实施例提供的音频信号处理阶段中实现的上述压缩方案的特征。图5的面板(a)示出了以分贝为单位的输入电平VdB与以分贝为单位的输出电平WdB之间的关系，而图5的面板(b)示出了以分贝为单位的输入电平VdB与输出增益HdB之间的关系。
[0076] 可以根据以下等式计算图4所示的谐波生成器107c的输出信号：
[0077]
[0078] 其中因子 用于相对于残差信号v归一化输出信号，h[n]是hdB[n]的线性值。等式11中给出的输出信号wc包含残差信号v的所有谐波。因此，可以在本发明实施例提供的音频信号处理阶段中实现的上述压缩方案不用于减小信号的动态范围，而是用于生成谐波。等式10中定义的增益h可以随时间而平滑以防止由于值随时间
波动而引起的伪像。
[0079] 如图4所示，来自谐波生成器107c的输出信号可作为输入提供给音色校正滤波器107d。音色校正滤波器107d可以用于基于以下等式进一步处理信号：
[0080] wT[n]＝htimbre*wC[n], (12)
[0081] 其中htimbre表示均衡滤波器。因此可以实现输出音频信号z(t)更悦
耳的音色。
[0082] 为了抑制具有频率f＜fvb的信号分量，可以利用具有截止频率fvb的低阻滤波器hhigh通过高通滤波器107e对来自音色校正滤波器107d的输出信号进行滤波，即：
[0083] wH[n]＝hhigh*wT[n]. (13)
[0084] 例如，可以在乘法单元107f中将适当的增益gvb应用于滤波后的信号wH，以便获得残差信号v的响度，即：
[0085] w[n]＝gvb[n]wH[n]. (14)
[0086] 增益gvb可以随着时间进一步平滑，并且是有限的，从而防止出现任何极端值。
[0087] 图6示出了本发明实施例提供的音频信号处理阶段600，其包括低频控制单元105和虚拟低音单元107。音频信号处理阶段600的低频控制单元105包括与图2中所示音频信号处理阶段200的低频控制单元105基本相同的组件布置，即，滤波器组105a、压缩器105b、相加单元105c和逆滤波器组105d。压缩器105b包括扬声器建模单元105b-1、压缩器阈值单元105b-2和压缩器增益单元105b-1。音频信号处理阶段600的虚拟低音单元107包括与图4中所示音频信号处理阶段400的虚拟低音单元107相似的组件。更具体地，音频信号处理阶段
600的虚拟低音单元107包括低通滤波器107b'、谐波生成器107c、音色校正滤波器107d、高通滤波器107e和乘法单元107f。然而，应该注意，初始低通滤波器107b'、音色校正滤波器
107d和另外的高通滤波器107e都不是实现本发明所必需的，并且在所示示例的变形中，一个或多个这些组件不存在。
[0088] 因此，图6中所示音频信号处理阶段600的低频控制单元105对输入音频信号x(t)101的处理与图2中所示音频信号处理阶段200的低频控制单元105对输入音频信号x(t)101的处理类似或相同。因此，为了避免重复，可以参考以上图2的上下文中对低频控制单元105的详细描述。
[0089] 从图6中可以看出，由低频控制单元105的逆滤波器组105d提供的输出信号y(t)馈送到残差音频信号生成单元613的第一输入端口。残差音频信号生成单元613可以实现为相加单元或者减法单元。输入音频信号x(t)101馈送到残差音频信号生成单元613的另一个输入端口。残差音频信号生成单元613生成这些信号的差值，即残差信号v(t)＝y(t)-x(t)作为输出。残差信号v(t)馈送到虚拟低音单元107。虚拟低音单元107通过类似于图4所示音频信号处理阶段400的虚拟低音单元107处理图4的输入音频信号x(t)101的方式来处理残差信号v(t)。区别在于，在图6所示的示例中，低频控制单元105确定频率fvb并将fvb设置为虚拟低音单元107的低通滤波器107b'和高通滤波器107e中的一个或两个的截止频率。在一实施例中，低频控制单元105基于压缩增益G(k，b)来确定截止频率fvb，如图6中的虚线箭头所示。在特定实施例中，低频控制单元105将频率fvb确定为：
[0090]
[0091] 因此，可以通过阈值ξvb来控制高阻滤波器107b'的截止频率，并类似地，控制低阻滤波器107e的截止频率。在一实施例中，阈值选择为ξvb＝-6dB。在另一实施例中，截止频率fvb限制有最大值(例如fvb＜＝500Hz)。因此，可以针对高于该最大值的频率有效地禁用虚拟低音单元107。
[0092] 在一实施例中，乘法单元107f将增益gvb应用于来自谐波生成器107c的音频信号，例如，来自低阻滤波器107e的音频信号w(t)。可以调整增益gvb以保持输入信号v(t)的响度。
[0093] 相加单元109生成最终输出信号z(t)103，其是来自低频控制单元105和虚拟低音单元107的信号的总和。输出信号z(t)103可以馈送到扬声器111以驱动扬声器111。
[0094] 图7示出了另一实施例提供的音频信号处理阶段700，其包括低频控制单元105和虚拟低音单元107。在本实施例中，将输入信号x(t)101提供给低频控制单元105的滤波器组105a以生成多个输入音频信号分量X(k，b)。在本实施例中，每个频带分支105e(即，从滤波器组105a到逆滤波器组105d的每个分支105e)包括其自己的虚拟低音单元107的组件。在本实施例中，低频控制单元105未提供截止频率fvb给虚拟低音单元107。
[0095] 更具体地，音频信号处理阶段700的残差音频信号生成单元613用于基于滤波器组105a提供的多个输入音频信号分量X(k，b)和低频控制单元105的乘法单元105c提供的多个输出音频信号分量Y(k，b)来生成多个残差音频信号分量V(k，b)。如在其他实施例中那样，基于该实现方式的细节，可以以各种形式如模拟以及数字形式提供这些音频信号分量中的任何一个，如以上参考图2所述。请注意，每个残差音频信号分量V(k，b)分别处于相应输入音频信号分量X(k，b)的频带。音频信号处理阶段700的虚拟低音单元107包括谐波生成器
107c、音色校正滤波器107d和乘法单元107f。这些组件实质上通过与图4和图6中所示的虚拟低音单元107的组件相同的方式操作，除了图7中所示的虚拟低音单元107的组件针对残差音频信号分量V(k，b)而不是针对整个残差音频信号v(t)进行操作。
[0096] 图8示出了另一实施例提供的音频信号处理阶段800，其包括低频控制单元105和虚拟低音单元107。在本实施例中，只有两个频带分支。在所示示例中，低频控制单元105的滤波器组105a以带通滤波器105a和与带通滤波器105a互补的
带阻滤波器105a'的形式实现。带通滤波器105a用于从输入信号xb(t)101中提取第一频谱音频信号分量X(k，b)。第一频谱音频信号分量处于第一频带。带阻滤波器105a'用于从输入信号xb(t)中提取第二频谱音频信号分量。第二频谱音频信号分量包括在第一频带之外的频率。
[0097] 图8中所示的低频控制单元105的压缩器105b和乘法单元105c的操作与图7中所示实施例的压缩器105b和乘法单元105c的操作类似或相同。类似地，图8中所示的残差信号生成单元613和虚拟低音单元107的操作与图7中所示的残差信号生成单元613和虚拟低音单元107的操作类似或相同，除了图8中所示的虚拟低音单元107包括(除谐波生成器107c和音色校正滤波器107d之外的)高通滤波器107e但不包括乘法单元107f。
[0098] 相加单元109用于将来自乘法单元105c的衰减的频谱音频信号分量或系数Y(k，b)和来自高通滤波器107e的频谱音频信号分量W(k，b)相加。另一相加单元815用于将相加单元109的输出和带阻滤波器105a'的输出相加。相加单元109和815一起组成组合单元109,815，其将第一频带分支(连接到带通滤波器105a)的输出音频信号分量与第二频带分支(连接到带阻滤波器105a')的输出音频信号分量相加。
[0099] 在一实施例中，另一音频信号处理阶段(图8中未示出)连接到音频信号处理阶段800的输出，音频信号处理阶段800(第一阶段)的输出信号xb+1(t)成为另一音频信号处理阶段(第二阶段)的输入信号。第二阶段可以类似于图8中所示的第一阶段800，不同之处在于，第二阶段压缩音频信号并在比第一阶段更高的频带中添加虚拟低音信号。
[0100] 图9中示出了音频信号处理装置900的一个实施例，该音频信号处理装置900包括串联连接的若干音频信号处理阶段800-1，……，800-n，并在频率渐增的频带中操作。音频信号处理阶段800-1，……，800-n中的每一个处理阶段可与图8中所示的音频信号处理阶段800类似或相同。在一实施例中，第一阶段800-1在频率范围[f0，β·f0]内处理音频输入信号
101，第二阶段800-2在频率范围[β·f0，β2·f0]内处理来自第一阶段800-1的音频信号，等等。其中f0表示预定义下限频率，例如20、50或100Hz，β表示大于1的宽度参数，一般情况下1<β≤2。因此，可以将每个频带选择得足够窄，使得所有二次(和高次)谐波都位于较高频带中，从而可以由装置900随后的音频信号处理阶段来处理。选择接近于2的β值，例如1.8≤β≤2，可能会特别划算，因为随后可能需要较少的音频信号处理阶段来覆盖输入音频信号
101的整个频谱。在一实施例中，音频信号处理装置900的音频信号处理阶段800-1，……，
800-n的总数适合或适用于奈奎斯特频率。
[0101] 本发明实施例允许根据扬声器的几何形状或尺寸来控制输出音频信号的电平。这将直接影响在特定频率下信号的再现。此外，调节输出音频信号的增益，使其不超过扬声器的最大声压级。
[0102] 此外，本发明实施例允许通过压缩低频分量以及生成由压缩处理抑制的那部分输入音频信号的谐波来增强对低频音频信号的感知。特别地，虚拟低音单元可以确保尚未设计用于低频的扬声器中的感知低音的可接受电平。
[0103] 此外，本发明实施例允许根据信号内容和扬声器能力自适应地设置截止频率。
[0104] 此外，与许多较早的方法相比，由于使用了虚拟低音带宽扩展，其用对应的高次谐波替代低频，因此将不存在或有较少低频内容的感知损失。借助低频控制单元驱动它来提高虚拟低音带宽扩展性能。
[0105] 此外，本发明实施例允许低频控制单元和虚拟低音单元的串行实现，其涉及一系列两个或多个音频信号处理阶段。串行实施的优点是可以避免由谐波引起的扬声器限制的过冲。请注意，一些较早的虚拟低音带宽扩展方法会产生问题，因为添加到原始信号中的所生成的谐波可能会过驱动扬声器。相反，在串行方案中，所生成的谐波按照随后阶段的要求进行衰减。此外，迭代实现的优点是截止频率不需要由低频控制单元明确设置。
[0106] 尽管本发明的特定特征或方面可能已经仅结合几种实施方式或实施例中的一种进行公开，但此类特征或方面可以和其它实施方式或实施例中的一个或多个特征或方面相结合，只要对任何给定或特定的应用有需要或有利即可。而且，在一定程度上，术语“包括”、“有”、“具有”或这些词的其它变形在详细的说明书或权利要求书中使用，这类术语和所述术语“包括”是类似的，都是表示包括的含义。同样，术语“示例性地”、“例如”和“如”仅表示为示例，而不是最好或最佳的。可以使用术语“耦合”和“连接”及其派生词。应当理解，这些术语可以用于指示两个元件彼此协作或交互，而不管它们是直接物理
接触还是电接触，或者它们彼此不直接接触。
[0107] 尽管本文中已说明和描述特定方面，但本领域普通技术人员应了解，多种替代和/或等效实现形式可在不脱离本发明的范围的情况下替代所示和描述的特定方面。本申请旨在覆盖本文论述的特定方面的任何修改或变更。
[0108] 尽管以上权利要求书中的元件是利用对应的标签按照特定顺序列举的，但是除非对权利要求的阐述另有暗示用于实施部分或所有这些元件的特定顺序，否则这些元件不必限于以所述特定顺序来实施。
[0109] 通过以上启示，对于本领域技术人员来说，许多替代、修改和变化是显而易见的。当然，本领域技术人员容易认识到除本文所述的应用之外，还存在本发明的众多其它应用。
虽然已参考一个或多个特定实施例描述了本发明，但本领域技术人员将认识到在不偏离本发明的范围的前提下，仍可对本发明作出许多改变。因此，应理解，只要是在所附权利要求书及其等效物的范围内，可以用不同于本文具体描述的方式来实施本发明。
