技术领域
[0001] 本
发明属于音频和电声技术应用领域，涉及一种多输出通道音响系统中各通道之间差异的同步补偿方法。采用该方法可消除多输出通道音响系统中各个通道之间的差异，使得通过不同通道到达特定听音区的
声波的特性是一致的，可广泛应用于高档视听设备及专用实验室。
背景技术
[0002] 多通道音响系统主要应用于剧场、影院、音乐厅、礼堂、体育馆、会议室及实验室等。该系统主要由声源、多通道输出设备和扬声器音箱组成，其示意图如图1所示。对于一些高档视听场所或实验室，要求通过不同通道输出到达
指定听音区域的
信号的特性是相同的。然而，由于不同音箱到听音区的距离并不一致，因而不同音箱发出的声波达到听音区的时延是不同的；另一方面，由于不同通道的扬声器及功率
放大器等的频响特性也存在差异，使得经由不同通道输出的信号的频响特性也不一致。
[0003] 随着
数字信号处理技术的飞速发展，通过模拟
电路对频响曲线的峰谷等特性进行补偿的技术正由于其
滤波器设计困难和补偿效果不理想的原因被逐渐淘汰，而采用数字
信号处理技术对频响特性及时延差进行补偿的方法正逐步成为主流。
发明内容
[0004] 本发明的目的在于提供一种多输出通道音响系统的时延和频响特性的补偿方法。它通过对多输出通道音响系统的各个输出通道进行同步输出设置、时延补偿和频响曲线补偿等技术处理，最大限度地消除该系统中各个通道之间的差异，使得通过该系统的不同通道到达特定听音区的声波的特性尽可能一致。
[0005] 为实现本发是有的目的，本发明的一种多输出通道音响系统的时延及频响补偿方法采用的技术方案是：在多通道输出设备上连接信号处理系统，该信号处理系统用于确保多通道输出设备本身处于同步
输出信号的状态、补偿经由多通道输出设备的不同输出通道、
功率放大器（可包含在输出通道设备或音箱中）、音箱及空间传播到达特定听音区的时延差；并补偿经由上述多通道输出设备、功率放大器、音箱及空间传播途径到达特定听音区的频响特性；具体补偿方法的步骤为：
[0006] （1）通过该信号处理系统中的模
块确保多通道输出设备本身处于同步输出信号的状态的过程为：选取任意两个输出通道输出相同的单频信号至已同步输入的两输入通道；读取两输入通道所采集到的单频信号并使用
相位差测量方法测量两路信号的
相位差；若相位差足够小，则可认为选取的两路输出通道已完成同步输出的配置；更换其中一个输出通道并重复上述步骤，直至所有输出通道间的相位差都足够小。若任意通道间相位差过大，则应调整多通道输出设备的配置后再次进行上述测试，直至确认多通道输出设备本身处于同步输出信号的状态。
[0007] （2）通过该信号处理系统中的模块补偿经由不同输出通道设备、功率放大器、音箱及空间传播途径到达特定听音区的时延差的过程为：使用时延估计方法估计各通道信号从多通道输出设备输出至
传声器采集所经历的时间。选取各通道中用时最长的通道作为基准通道，延迟输出其余通道的信号。其延迟的时间为各通道所用时间相对于基准通道所用时间的时间差。
[0008] （3）通过该信号处理系统中的模块补偿经由上述不同输出通道设备、功率放大器、音箱及空间传播途径到达特定听音区的频响特性的过程为：针对各路通道实际测得的频响特性设计FIR频响补偿滤波器，通过该补偿滤波器可将所有通道的频响曲线的中低频以上部分尽可能地修正为一条直线。该过程的具体子步骤为：
[0009] A、采用
激励信号激励需要补偿通道的扬声器，同时由传声器采集响应信号。
[0010] B、通过激励信号与响应信号计算出该通道的频响曲线。
[0011] C、根据具体需要设定频响补偿的起始
频率，而截至频率一般设为20kHz。
[0012] D、 选用某一常数除以频率响应函数中由步骤C所选取出的频段内的值并将该频段外的值保持不变，由此获得频响补偿滤波器的频率响应函数。
[0013] E、对由步骤D获得的频率响应函数做反
傅立叶变换得到频响补偿滤波器的冲激响应。
[0014] F、对由步骤E获得的频响补偿滤波器的冲激响应函数做
加窗处理，获得最终的频响补偿滤波器。
[0015] G、重复步骤A至步骤F的方法对所有通道设计频响补偿滤波器。
[0016] H、加入步骤G设计的频响补偿滤波器后再次测试所有通道的频响曲线，通过调整各通道的增益系数使得所有通道的频响曲线的中低频以上部分为同一条直线。
[0017] 上述方法的关键技术在于：采用相位差测量方法(用过零法、相关分析法和互
功率谱法中的一种)测量输出通道间的相位差，以确保多通道输出设备本身处于同步输出信号的状态；使用时延估计方法(用广义互相关法、最小均方自适应滤波法、互功率谱相位法中的一种) 估计各通道信号从多通道输出设备输出至传声器采集所经历的时间；实际测量各个通道的频响曲线并设计FIR频响补偿滤波器，通过该滤波器将各个通道的频响曲线的中低频以上部分尽可能补偿为同一条直线。
[0018] 多通道输出设备包括声卡、音频处理器、
调音台、均衡器、
分频器、混音器、实验室专用信号输出卡。
[0019] 本发明与
现有技术相比，具有以下明显的优势和有益效果：
[0020] 通过确保多通道输出设备的同步输出、估计信号时延后并对其补偿、设计各个通道的频响补偿滤波器三个方面的技术使得输出多通道音响系统的各通道间的相位和频响特性基本一致。该方法相较于现有的技术具有更好的相位和频响补偿效果，且与实际测试的声学环境相结合。不仅如此，该方法易于实现，可广泛应用于高档视听场所或专业实验室。
附图说明
[0021] 图1是一个多通道音响系统的示意图。
[0023] 图3是一个典型的不同通道之间相位差的测量结果的示例，左右图分别为同步前后的测量结果；
[0024] 图4是多通道音响系统时延补偿示意图。
[0026] 图6是某通道在补偿前后的频响曲线对比图。
具体实施方式
[0027] 下面结合附图及具体
实施例对本发明做进一步的说明。
[0028] 如图所示，本发明包括：音源(1)，多通道输出设备(2)，信号处理系统(3)，音箱(4)和传声器(5) 和功率放大器。功率放大器包含在多通道输出设备(2)或者音箱(4)中。传声器(5)置于特定的听音区内，作用是测量测试信号经由音箱(4)、信号处理系统(3)、音箱(4)及空间传播途径到达特定听音区的时延和频响特性，并提供给信号处理系统(3)。
[0029] 本发明的补偿方法具体实现过程为：
[0030] 本发明在多通道输出设备上连接信号处理系统（3），该信号处理系统（3）用于确保多通道输出设备（2）本身处于同步输出信号的状态、补偿经由多通道输出设备（2）的不同输出通道、功率放大器（包含在输出通道设备或音箱中）、音箱（4）及空间传播途径（空气传播）到达特定听音区的时延差；并补偿经由上述多通道输出设备（2）、功率放大器、音箱（4）及空间传播途径到达特定听音区的频响特性；具体补偿方法的步骤为：
[0031] （1）通过信号处理系统（3）的模块确保多通道输出设备（2）本身处于同步输出信号的状态：
[0032] 选取任意两个输出通道输出相同的单频信号至已同步输入的两输入通道；读取两输入通道所采集到的单频信号并使用相位差测量方法测量两路信号的相位差；若相位差足够小，则可认为选取的两路输出通道已完成同步输出的配置；更换其中一个输出通道并重复上述步骤，直至所有输出通道间的相位差都足够小。若任意通道间相位差过大，则应调整多通道输出设备（2）的配置后再次进行上述测试，直至确认多通道输出设备（2）本身处于同步输出信号的状态。
[0033] 图3 是由互功率谱法测量一个典型的不同通道之间相位差的测量结果示例，左右图分别为同步前后的测量结果；
[0034] （2）通过信号处理系统（3）的模块补偿经由多通道输出设备（2）、功率放大器、音箱（4）及空间传播途径到达特定听音区的时延差的过程主要包括以下步骤：
[0035] 参考图2所示的测量系统并选用互相关法测量估计出各通道信号从多通道输出设备（2）输出至传声器（5）采集所经历的时间d1，d2…dn并选取d1至dn中的最大值作为参考值。假设如图4所示，则将第i通道的di作为参考值。由di计算出其余通道的时延补偿值。
[0036] （3）通过信号处理系统（3）的模块补偿经由多通道输出设备（2）、音箱（4）及空间传播途径到达特定听音区的频响特性的过程主要包括以下步骤：
[0037] A、采用激励信号激励需要补偿通道的扬声器（6），同时由传声器（5）采集响应信号。
[0038] B、通过激励信号与响应信号计算出该通道的频响曲线。
[0039] C、在本实施例中设定频响补偿的起始频率为100Hz，截止频率设为20kHz。
[0040] D、选用某一常数除以由步骤C所选取出频段内的频响曲线并将频段外的曲线保持不变，由此获得频响补偿滤波器的幅频曲线。
[0041] E、 对获得频响补偿滤波器的幅频曲线做反傅立叶变换得到频响补偿滤波器的传递函数。
[0042] F、 频响补偿滤波器的传递函数的做加窗处理，获得最终的频响补偿滤波器。
[0043] 具体步骤为（请参阅图5所示）：
[0044] 置扫频信号（5），激励被测扬声器（6），采集声响应信号（7），计算频响曲线（8），设定需补偿的频段（9），获取补偿滤波器的传递函数（10），加窗处理（11），获得频响补偿滤波器（12），最后结束（13）。
[0045] 图6为某通道在补偿前后的频响曲线对比图。
[0046] 各补偿方法的具体原理如下：
[0047] （1）互功率谱法测量相位差
[0048] 该方法首先对两路正弦信号进行
采样得到两组离散数据，然后利用互相关原理求出两组数据互相关函数的幅度谱和相位谱。因为两信号为同频信号，它们具有最大的相关性。故在幅度谱中存在最大幅度值，在相位谱中与幅度谱最大值对应的相位信息即为两信号的相位差。互功率谱的计算是通过先求两待测信号的互相关函数再进行离散傅里叶变换来实现的。
[0049] 设 、 分别为两待测同频正弦信号， 为采样时间，为互相关函数的变量，则互相关函数计算公式为
[0050]
[0051] 采样获得的离散时间序列信号的互相关函数表达式为
[0052]
[0053] 其中， 为信号 和 的互相关函数； 和 是信号 和 的离散形式， 是 的离散形式。
[0054] 当两路信号为时不变信号时，它们的互功率谱
密度同互相关函数是Z变换关系，即[0055]
[0056] 其中， 为信号 和 的互功率谱密度。
[0057] 对求得的互功率谱密度函数进行极坐标变换，即可得到两正弦信号的幅度谱与相位谱，进而求出相位差。
[0058] （2）互相关法估计时延
[0059] 互相关法是一种常用的时延估计方法，这种方法采用互相关函数来对时延进行估计。设通过多通道输出设备输出的信号为 ，由传声器接收到的信号为 。则有：
[0060]
[0061] 其中，为信号之间的时延， 表示信号产生的畸变， 为噪声。测量时延 的经典方法是求两路信号的互相关函数，由相关峰的时延量得到的估计。
[0062] 由互相关函数的定义得：
[0063]
[0064]
[0065] 其中， 为信号 、 的互相关函数，T为观测时间。
[0066] 在本文讨论的范围内，有源音箱的频响特性较为理想，因此认为对时延估计的结果影响可忽略不计；同时假设噪声 与信号 、 不相关。
[0067] 综上所述，只需求得两路信号的互相关函数，然后由相关峰的时延量即估计出时延。
[0068] （3）各通道频响补偿说明
[0069] 假设某通道的频响特性为 ，那么其频响补偿滤波器的频响特性为 ，c为常数。然而，为了保证扬声器（6））工作在低频状态时其功率在额定功率范围内，因此需选取低频补偿的起始频率，而对于起始频率以下部分不作处理。
[0070] 最后，应该说明的是：以上实施例仅用以说明本发明而非限制本发明所描述的技术方案；因此，尽管本
说明书参照上述的实施例对本发明做了详细的说明，但是，本领域的技术人员应当理解，仍然可以对本发明进行
修改或等同替换；而一切不脱离发明的精神和范围的技术方案及其改进，其均应涵盖在本发明的
权利要求范围当中。
