作者 赵新科 深圳创维-RGB电子有限公司(广东 深圳 518108)
摘要：介绍了依据心思声学的低声增强算法的原理，算法以及在平板电视上完成办法。经过试验证明，本算法在原有声响体系的根底上很大的进步了小尺度扬声器的低声作用。
1 低声进步技能布景介绍
低频增强技能一直是电声器材规划的热点问题;低频重放才能也是衡量扬声器功用的重要目标之一。近年来小型扬声器以其体积小、功耗低、本钱低价的长处得到广泛运用，但其低频重放才能差也成了困扰用户以及产品规划者的典型问题。因为遭到单元尺度等物理条件的约束，小型扬声器对低频声响信号复原才能很弱乃至没有。选用均衡电路直接增强信号的低频能量通常会导致扬声器功率下降、重放信号发生畸变，严峻时乃至或许损坏扬声器体系。本方案的虚拟低声技能则针对这一问题供给了一种处理办法。
2 低声进步技能原理
在心思声学试验中，存在着一种被称为“虚拟腔调”的试验现象：关于1段调和复音信号，其基频成分决议了信号腔调的凹凸;但是，经过某些手法将复音信号的基频部分除掉后，余下的各次谐波的叠加仍然能使人感遭到相同的腔调凹凸，即人耳能在基频缺失情况下运用谐波组合重建信号腔调凹凸。本方案的低声补偿技能逆向运用了该现象。关于低于扬声器截止频率规模下限fL的某个频率f0，人为结构谐波kf0，(k+1)f0，……，(k+N)f0，其间kf0>f0。叠加谐波信号可获得与f0相同的腔调感知来增强低声。试验证明，当k满意(k-1)f0且kf0>fL，一起，N取3可获得很好的组成作用，即选频率大于fL的接连的3个阶次谐波。例如假定150 Hz的点为扬声器低频截止频率，而播映的音频内容为100 Hz，这时低声补偿技能会将之进步到200 Hz、300 Hz、400 Hz……，使其得以播映。考虑到音频内容是8度音，依据心思声学的原理，人的耳朵和大脑会被诱导以为听到了低频内容。
3 低声进步技能算法
谐波的结构主算法：运用1个乘法回路发生谐波信号并以等响度曲线为根底引进声压级-响度扩展比率以确保组成信号与原信号在响度音色等方面的共同性;另一方面，针对非线性办法固有的非线性畸变问题，将数字信号处理中的时频剖析算法引进虚拟低声体系，提出了依据相位声码器的虚拟低声增强算法，该算法经过短时FFT剖析信号低频成分，在此根底上核算各频率通道的瞬时频率并结构谐波相位。一起算法运用参数化的等响度曲线，精密核算了组成谐波每个频率通道能量与对应的基频通道能量比用来确保响度及音色复原。
3.1 谐波发生
图1给出了1个简略的乘法器谐波发生电路，设输入信号x(t)为频率为f0的纯音信号：
由式(3)可知，y(t)包含了输入信号的2、3、4次谐波，滤去直流信号和基频信号即可得到虚拟低声信号。上述结果是在输入为纯音信号的前提下推得的，关于复音信号输入，不同频率间的互调搅扰会给输入带来必定程度的非线性畸变。
3.2 谐波起伏操控
虚拟腔调理论只确保了谐波叠加所碍的虚拟低声信号与原低频信号的腔调坚持共同，要得到抱负的低声作用复原还需要考虑组成信号响度与音色同原信号的共同性。图2为等响度曲线。
由图2能够看出，在不同的频率点，相同的声压级改动引起的响度改动是不同的。响度改动量与声压级改动量的比值 随频率的改动改动。例如在40 Hz频率点上，声压级下降18 dB，响度大约下降60方;而在80 Hz处，下降相同的声压级，响度约下降38方。R被界说为声压级-响度扩展比率(SPL-to-Phon Expansio Ratio)。在响度20-80方，频率20-700 Hz规模内，R近似表明为
(4)
坚持谐波信号响度对声压级的动态特性与基频处共同对有用复原虚拟低声信号的响度与音色特征十分重要。设
(5)
式中，n为谐波阶次。谐波信号能量与基频信号能量应满意联系：
(6)
式中，Erf，Ef分别为倍频点和基频点的信号能量，以分贝为单位;K为增益常量。将式(6)转化为线性坐标的能量联系得
(7)
式中，Xrf，Xf分别为倍频点和基频点的信号起伏。
3.3 算法的物理模型
本方案的谐波信号运用图3所示的乘法回路生成无限阶次的谐波信号，并运用衰减增益g消除高次谐波的影响。高通滤波器OUT-HPF和FB-HPF用来减小直流搅扰和下降体系的互调畸变。这儿OUT-HPF选用4阶椭圆高通滤波器，截止频率为正=150 Hz，HPF选用2阶巴特沃思高通滤波器，截止频率为f1=40 Hz。Upwards Composer Logic模块经过生成操控信号C(n)完成谐波起伏操控，以确保响度对声压级在各次谐波处的动态平衡。关于输入In(n)，该模块发生的相应的操控信号为c(n)：
(8)
式中，b0，b1，b2，a0，a1，a2为Upwards Composer Logic模块决议的多项式系数。这一办法只能满意对式(6)的近似完成，体系中RR(f,n)被近似为以阶次n为变量与频率无关的函数RRif,17,)，将相应的参数代入式(8)，核算得：
(9)
体系输入为[f0f1]规模内的基频信号，输出为虚拟低声信号。将输出信号与原信号频率在f1以上的高频成分叠加即可得到虚拟低声增强信号
4 低声增强技能在平板电视中的运用
依据小型扬声器的频率响应，咱们发现电视上所用扬声器低频截止频率100～200 Hz之间，也就阐明这样的扬声器不能很好地重现更低的频率。用这些低频驱动扬声器是没含义的，乃至是有害的。低频率将迫使扬声器做出超出其才能的规模的移动，终究会给更高频率形成更多的失真。本方案能够很好地处理上述问题。本方案低声增强技能包含两部分内容：低声进步和虚拟低声。
4.1 低声进步
在扬声器截止频率邻近的频带能够单纯运用扩大信号强度来补偿信号的衰减，在此频带邻近经过提凹凸声的起伏来增强低声在整个信号中的声强，然后进步人对低声的感知。这个频带规模由菜单中设定的TruBass Stopband Frequency和System Enhance Frequency决议。
4.2 虚拟低声技能原理
虚拟低声的发生是将声响信号中频率低于扬声器截止频率的部分来发生谐波，依据心思声学的原理，这些谐波能够发生感知上的虚拟低声。虚拟低声发生原理框图如图4所示，选用高通滤波器，让音频信号中频率大于扬声器截止频率以上的音频信号经过高通滤波器，然后经过采样和编码后存储在内存傍边。再选用低通滤波器，将无法经过扬声器表现出来的低频内容取样出来，将其作为低频补偿基频样本。基频样本经过扩大器扩大，再送入谐波发生器发生同基频谐波信号。发生的谐波再经过第2次滤波，保存高于扬声器截止频率的接连3阶谐波，将保存的谐波信号与已经过高通滤波器的原始声响信号叠加后送给功放输出。因为片面对低声增强的音质要求不一样，所以在电视工厂菜单中添加相应的参数调整选项。依据声响输入频率的不同，高通滤波器能够经过工厂菜单中的开关封闭与翻开，使之与发生的谐波相匹配。经过滤波器的声响经过扩大器扩大，相应的扩大倍数也能够经过工厂菜单来调整，使之发生的谐波与原始信号相匹配，防止形成声响信号的不调和。图5为某音频信号别离前后频谱图。
4.3 低声进步调试参数规划
因为每种扬声器的频率响应特性不同，需在电视的工厂菜单中设置低声进步的操控参数来匹配不同的扬声器。工厂菜单中调试界面如图6所示。各操控参数描绘如下：
Enable_Sys: 低声进步开关，on即翻开低声进步，off则关掉该功用
StopBandFreq_Sys:扬声器低频截止频点
Harmonic Gain：主谐波增益
SubHarmonic Gain：二阶谐波增益
TreHarmonica Gain：三阶谐波增益
Sys_EnhanceFreq:低声进步频带停止点
Tru_StopbandFreq:低声进步起始点
Set_BassGain:低声进步的增益
Enable_HPF:高通滤波器开关，On翻开、Off封闭
StopBandFreq_HPF:高通滤波器截止频点
Enable_PF:带通滤波器开关，On翻开、Off封闭
Gain_PF:带通滤波器增益
CenterFreq_PF: 带通滤波器中心频点
BandWidth_PF: 带通滤波器带宽
依据上述参数，设置成图6中所示数据，测得100 Hz声响信号发生的虚拟谐波信号如图7所示。
5 总结
依据心思声学的低声增强技能要害点在于运用人听觉体系的特性，运用谐波算法调和波起伏操控的办法，将低于扬声器截止频率的声响信号发生保存其原有响度和音色的多阶谐波，再叠加到原始声响信号中，很大程度上进步了小尺度扬声器的低声作用。本方案的施行只需修正声响部分的软件代码和调理菜单中操控参数，不需要添加体系的硬件本钱，对扬声器没有特殊要求，该技能能够广泛运用于具有电声特性的产品中。
参考文献：
[1]赵力.《语音信号处理》
[2]David M.Howard &Jamie Angus 《ACOUSTICS AND PSYCHOACOUSTICS》
[3]Thomas F.Quatieri 《Discrete-Time Speech Signal Processing:Principles and Practice》
本文来源于《电子产品世界》2018年第11期第77页，欢迎您写论文时引证，并注明出处。
