用于改进的音频的集成心理声学低音增强(pbe)的制作方法

用于改进的音频的集成心理声学低音增强(pbe)的制作方法
【专利摘要】将心理声学低音增强PBE与例如有源噪声消除ANC和/或接收语音增强RVE等一种或一种以上其它音频处理技术集成，从而利用每一技术来实现改进的音频输出。此方法可有利地改进经常缺乏足够低频响应来有效支持ANC的头戴式耳机扬声器的性能。
【专利说明】用于改进的音频的集成心理声学低音增强(PBE)
[0001]依据35U.S.C.§ 119主张优先权
[0002]本专利申请案主张2011年4月8日申请的第61/473，531号临时申请案的优先权，且所述临时申请案转让给本受让人并在此以引用的方式明确地并入本文中。
【技术领域】
[0003]本发明大体涉及音频系统，且更特定来说涉及改进音频系统的低频性能。
【背景技术】
[0004]存在一类音频扬声器，其通常用于耳机和手持机中，且在低频率(例如，< 800Hz)下具有相对较差的性能。为改进此类扬声器的性能，已使用心理声学低音增强(PBE)。已知某些PBE技术，且一般来说这些方法是基于残留音调理论来产生中频谐波代替低频分量。这些谐波在被收听者听到时产生残留音调现象，这造成丢失的低频分量确实存在的错觉。因此，利用PBE，收听者感知到并非实际再现的低频分量，因为其低于扬声器可再现的频率水平。此听觉技巧由于人类听觉系统的性质的缘故是可行的。
[0005]已知在手持机中将PBE技术与有源噪声消除(ANC)组合以改进所感知的低音再现和低频噪声衰减。此组合的实例在Woon-Seng Gan、Kuo，S.Μ.的论文“有源噪声控制手持机中的虚拟低音再现的集成(Integration of Virtual Bass Reproduction in ActiveNoise Control Headsets) ”(信号处理，2004，会议记录，ICSP' 04)中描述。ANC是经由产生振幅相等但相对于正抑制的目标噪声180°异相的声波而执行噪声抑制的技术。ANC通常用于近端噪声消除应用。此产生的反噪声经由相消干涉抵消背景噪声。
[0006]—般来说，使用已知ANC技术以小扬声器(例如,手持机扬声器)执行ANC可能成问题，因为ANC通常依赖于具有良好低频响应的较大音频扬声器，其对于耳机手持机和移动手持机不可用。ANC性能很大程度上受声学组件影响(尤其是扬声器的低频响应特性)。一些已知手持机扬声器归因于扬声器的尺寸限制而缺乏适当低频响应。这导致在使用ANC时次最佳的近端噪声消除。此外，在手持机扬声器中组合PBE与ANC的已知技术(例如Woon-Seng Gan等人描述的技术)不能完全集成PBE与ANC方法的操作,这也可产生次最佳性能。举例来说，在Woon-Seng Gan揭示的系统中,来自ANC过程的反馈不提供到PBE过程来使总体系统性能最佳化。

【发明内容】

[0007]本文揭示的技术克服现有尝试的许多局限性以有效地将PBE集成到音频再现系统中。根据这些技术的一方面，一种改进的设备包含有源噪声消除(ANC)模块，和经配置以基于来自ANC模块的输出产生PBE信号(其可包含虚拟低音)的心理声学低音增强(PBE)模块。
[0008]根据另一方面，一种设备包含用于接收音频信号的装置，以及用于基于来自ANC模块的输出对音频信号执行PBE的装置。[0009]根据另一方面，一种体现可由一个或一个以上处理器执行的指令集的计算机可读媒体包含用于接收音频信号的编程代码，以及用于基于来自ANC模块的输出对音频信号执行PBE的编程代码。
[0010]根据又一方面，一种处理音频信号的方法包含接收音频信号，以及基于来自ANC模块的输出对音频信号执行PBE。
[0011]所属领域的技术人员在检查以下图式和详细描述后将了解其它方面、特征和优点。希望所有此类额外特征、方面和优点包含在此描述内且受所附权利要求书保护。
【专利附图】

【附图说明】
[0012]应理解，图式仅用于说明的目的。此外，各图中的组件不一定按比例绘制，而是着重于说明本文中所描述的技术和装置的原理。在各图中，相同的参考数字在所有不同视图中标示对应部分。
[0013]图1是说明集成有PBE与ANC处理的示范性音频系统的框图。
[0014]图2是说明集成有PBE与ANC处理的示范性多扬声器音频系统的框图。
[0015]图3是说明图1-2所示的PBE模块的某些细节的框图。
[0016]图4是说明集成有PBE、音频后处理与ANC处理的示范性音频系统的框图。
[0017]图5是展示操作图4的系统的实例方法的流程图。
[0018]图6是说明集成有ANC、音频后处理、PBE与RVE的示范性音频系统的框图。
[0019]图7是展示确定PBE参数的实例方法的流程图。
[0020]图8是说明具有集成PBE的示范性音频系统的某些硬件和软件组件的框图。
[0021]图9是说明具有集成PBE的第二示范性音频系统的某些硬件和软件组件的框图。
【具体实施方式】
[0022]参考且并入有图式的以下详细描述描述并说明了一个或一个以上特定实施例。展示并充分详细地描述了这些实施例(提供这些实施例并非用以限制而是仅用以示范和教示)以使得所属领域的技术人员能够实践所主张的内容。因此，为简洁起见，所述描述可省略所属领域的技术人员已知的某些信息。
[0023]贯穿本发明中使用词语“示范性”来表示“充当实例、例子或说明”。本文中被描述为“示范性”的任何对象没有必要解释为比其它方法或特征优选或有利。除非由其上下文明确限制，否则本文中使用术语“信号”来指示其普通意义中的任一者，包括在电线、总线或其它传输媒体上表达的存储器位置(或存储器位置集合)的状态。
[0024]本文描述的技术在有源噪声消除(ANC，也称为有源噪声减小)、心理声学低音增强(PBE)、音频处理和/或接收语音增强(RVE)的音频模块之间集成方法和控制设计，从而利用每一模块的参数和调谐灵活性，以实现改进的音频性能。
[0025]利用这些技术，PBE将ANC和/或RVE需要的传入音频的真实低音内容的一部分转换为虚拟低音，使得较少理想扬声器上的物理负担被卸载，且扬声器饱和度/失真减小。并且，ANC、PBE、RVE和/或音频后处理模块之间的调谐参数可链接在一起，使得PBE可用于增强ANC与RVE过程的性能，且每一过程的调谐参数可根据不同音频信号内容实时更新。
[0026]一般来说，在其中适当再现低频音频可能是挑战的系统中，PBE可经集成以改进所感知的低频性能。PBE的集成可扩展到音频扬声器具有有限的在物理上再现足够到低频声音的能力的任何情形。此集成可产生其它音频处理算法的改进的性能和改进的总体系统性能。可应用PBE，其调谐参数链接到其它音频处理方法调谐参数，或根据其它音频处理输出信号和/或当其反馈到PBE模块/过程时的系统性能而再调谐。
[0027]图1是说明集成有心理声学低音增强(PBE)模块14与有源噪声消除(ANC)模块12的示范性音频系统10的框图。系统10还包含至少一个参考麦克风20、一个或一个以上用于接收近端音频能量(例如，语音输入)的麦克风、数字音频流源22、组合器16和至少一个扬声器18。系统10可包含在任何适宜的音频输出系统中，包含计算机、游戏控制台、立体声系统，或例如蜂窝式电话、个人数字助理(PDA)、智能电话、头戴式耳机、MP3播放器等手持式装置。本文描述的ANC模块12、PBE模块14和组合器16的主导功能可实施在数字处理域、模拟域或模拟与数字电子组件的任何适宜的组合中。
[0028]在系统10的操作期间，PBE模块14在重放期间选择性地将PBE施加到表示数字音频流22的输入音频信号以卸载归因于ANC模块12产生的所添加ANC反噪声低音内容所致的低音应力。当ANC模块12激活时，扬声器18通过再现180°异相反噪声而抵消环境噪声。反噪声通常在音频信号的低频范围中。此反噪声低音分量添加在数字音频流22中的任何音乐、语音或其它音频内容的顶部上，其最终经由扬声器18播放。当参考麦克风20检测到的环境噪声具有显著低频率(例如，飞机噪声)时，来自ANC模块12的反噪声信号与数字音频流22中的音频信号低频率(例如，击鼓声和双低音音调)组合在一起，所述组合可容易地使扬声器18饱和，从而产生失真。在此情形中，为减小失真，PBE模块14可通过再现谐波以为低频ANC信号工作留下更多低音余量而将数字音频流22的低音分量移位到较高频率区。
[0029]作为输入，ANC模块12接收来自麦克风20_21的信号，且作为响应，其输出ANC信号，所述ANC信号由组合器16接收。ANC信号表不ANC模块12产生的反噪声信号(波形)。ANC模块12还可接收来自PBE模块14的控制信号作为控制输入。
[0030]ANC输出信号还可提供到PBE模块14，以便在系统10的操作期间控制和调整PBE参数。参数调整可实时发生。除了 ANC输出信号外，来自ANC模块12的其它信号也可提供到PBE模块14用于控制目的。来自ANC模块12的这些信号可将ANC模块12的状态提供到PBE模块14以使得PBE模块14可调整PBE参数。ANC模块12的状态可包含ANC模块12的开/关状态、ANC输出信号的能量级、ANC输出信号的频谱内容等。另外/作为替代，例如滤波器系数(例如，HR滤波器系数)等ANC系数可提供到PBE模块14用于控制目的。
[0031]ANC模块12可依据环境噪声电平选择性地激活其本身，或可通过外部控制激活。ANC模块12经配置以通过产生呈噪声波的反相形式(例如，具有相同能量级和反相相位，即180°异相)的波形(也称为“反相位”或“反噪声”波形)而有效减小环境音响噪声。ANC模块12通常使用一个或一个以上麦克风(例如，麦克风20-21)来拾取表示环境噪声电平的外部噪声参考信号，从噪声参考信号产生反噪声波形，且系统10接着经由一个或一个以上扬声器(例如，扬声器18)再现反噪声波形。反噪声波形相消干涉原始环境噪声波以减小到达收听者耳朵的噪声电平。
[0032]所属领域的技术人员已知适宜的ANC方法。ANC模块12可实施这些ANC方法中的一者或一者以上以实现本文描述的其功能。[0033]ANC性能很大程度上受声学换能器(例如，扬声器)影响，尤其是扬声器的低频响应特性。通常使用的手持机扬声器通常归因于扬声器的尺寸局限性而缺乏足够的低频响应。这导致次最佳近端ANC。现有解决方案通常需要使用具有良好低频特性以实现所要噪声消除性能的体积大且昂贵的扬声器。
[0034]ANC模块12可以理想全范围扬声器校准且保持在系统10操作期间其调谐不变。
[0035]高通滤波器(未图示)可包含在ANC模块12与组合器16之间以对ANC模块12的ANC输出信号进行滤波。
[0036]PBE模块14选择性合成虚拟“丢失的基频”与其较高谐波，以对于收听者来说在心理声学上实现增强的低音感觉。本文下文结合图3论述PBE模块14的示范性实施方案的细节。PBE模块14接收来自数字音频流22的音频信号，且作为响应将PBE信号输出到组合器16。当PBE模块14在作用中时，PBE信号表示心理声学上增强的音频信号。当PBE模块14不在作用中时，PBE信号表示来自数字音频流22的传入的音频信号。
[0037]PBE模块14是音频后处理模块，但其功能不仅是传统低音提升的功能。一般来说，当ANC模块12在系统10中启用时，来自数字音频流22的音频信号中的真实低音频率内容被PBE产生的谐波替代以减小扬声器18的失真，包含非线性失真。扬声器18可具有非理想频率响应(即，较差低频响应)。PBE模块14可使用可编程参数。如上文论述，这些参数可依据ANC模块状态而变，ANC模块状态可依据ANC输出信号和/或来自ANC模块12的其它控制信号确定。举例来说，可基于ANC模块信号调整的PBE参数是PBE模块交叉截止频率。此参数可经改变以使得较少真实低音内容发送到扬声器18，且实际上，更多虚拟低音由PBE模块14产生并当ANC模块12接通时发送到扬声器18。
[0038]数字音频流22是任何适宜格式的数字化音频，包含(但不限于)PCM、WAV、MP3、MPEG等。数字化音频可包含任何类型的音频内容，例如音乐、语音、噪声、以上的组合等。数字化音频可存储在系统10中和/或从外部源(例如，远程服务器或用户麦克风)接收。
[0039]组合器16将来自PBE模块14的PBE信号与ANC输出信号(其通常为低频音频信号)混合在一起。组合器16可包含数字求和电路，用于将数字ANC输出信号与数字PBE输出信号相加在一起。替代混频器(例如，模拟音频混频器)可在本文揭示的系统(包含图1的系统10)的其它配置中使用。
[0040]扬声器18是用于再现来自电信号的声音的任何适宜的音频换能器，包含例如比如蜂窝式电话、PDA等手持式装置中使用的相对小的扬声器。尽管图1为简化图式而未展示，但可包含数/模转换器(DAC)和例如放大器、滤波器等其它模拟音频处理电路，在组合器16与扬声器18之间的音频信号路径中。
[0041]在本文描述的系统(包含图1的系统10)的示范性操作情境中，当环境噪声的低频率中存在相当多的宽带隆隆声时，PBE模块14(或控制模块)可将PBE模块14的低音截止频率调整到较高频率，以为ANC输出信号留下在低音频率中可用的较多频谱。
[0042]在本文描述的系统(包含图1的系统10)的另一示范性操作情境中，当数字音频流音频信号中不存在很多低频能量时，PBE模块14可被关闭且PBE信号仅表示传入音频信号而无任何PBE修改，因为来自ANC模块12的反噪声波形将不被添加在传入音频信号中的较多低音能量的顶部上。
[0043]在本文描述的系统(包含图1的系统10)的另一示范性操作情境中，当来自数字音频流22的传入音频信号中存在显著低音频率能量但环境噪声中的低频率相对安静时，PBE模块14可经调整以产生较少虚拟低音(即，减小的PBE)，因为来自ANC模块12的反噪声信号所添加的低频率中不存在很多额外能量。
[0044]本文揭示的系统的操作不限于上文描述的以上示范性情境。其它操作情境和配置是可能的。
[0045]图2是说明集成有PBE模块14与ANC模块12的示范性多扬声器音频系统25的框图。系统25还包含交叉模块23和多个扬声器22a-c。如果在ANC和PBE输出的求和节点(组合器16)之后放置多个扬声器的交叉模块23(如图2中说明)，那么本文揭示的技术和系统也与多个扬声器一起工作(如图2中说明)。
[0046]交叉模块23可执行常规音频交叉功能，即将输出音频信号(在此情况下，来自组合器16的输出)分离为不同频带以使得每一频带可在相应扬声器22a_c上重放。交叉模块23可包含用于实现此功能的一个或一个以上音频滤波器，例如带通滤波器。每一扬声器22a_c可经特别选定以具有适于将再现的输出频带的性能特性，例如低音扬声器可接收来自交叉模块23的低频输出，中音扬声器可接收中频输出，且高音扬声器可接收高频输出。扬声器22a-c的其它布置和频率响应是可能的。
[0047]交叉模块23可实施在模拟或数字域任一者中。
[0048]扬声器22a_c是用于再现来自电信号的声音的任何适宜的音频换能器，包含(但不限于)例如比如蜂窝式电话、PDA等手持式装置中使用的相对小的扬声器。尽管图2未展示，但可包含DAC和/或例如放大器、滤波器等其它模拟音频处理电路，在从组合器16到扬声器22a-c的音频信号路径中。如果交叉模块23实施为数字组件，那么DAC和模拟音频电路可放置在音频路径中在交叉模块23与扬声器22a-c之间；否则，DAC可放置在音频路径中在组合器输出与交叉模块输入之间，且模拟音频电路可放置在音频路径中在交叉模块23之前或之后。
[0049]尽管其它图式中未展示，但交叉模块23和多个扬声器22a_c可包含在本文揭示的其它系统中，作为替代配置。
[0050]图3是说明图1-2所示的PBE模块14的某些细节的框图。PBE模块14包含交叉滤波器50，其包含高通滤波器(HPF) 52和低通滤波器(LPF) 54、延迟62、谐波产生模块56、带通滤波器(BPF) 58、增益和动态(G&D)模块60以及组合器64。
[0051]交叉滤波器50将传入音频信号分离为两个处理路径:高频路径51和低频路径
53。高频路径51源自HPF52，且低频路径53源自LPF54。
[0052]如图3中说明，音频输入的低音内容由LPF54提取。基于从LPF54输出的低音内容信号，其谐波可由谐波产生模块56产生，从而使低音为“虚拟”的。
[0053]谐波产生模块56使用LPF54的输出产生谐波。所产生的谐波当由收听者感知时产生“残留音调”或“丢失基频”效应。这些谐波以所感知音调与原始低频信号相同的方式产生。
[0054]模块56采用的谐波产生方法可包含非线性处理或频率跟踪方法。
[0055]非线性处理比频率跟踪算法设计和实施起来要简单，但可能包含失真作为副产物。适宜的非线性处理技术在此项技术中已知且包含全波整流、半波整流、积分、削波等。
[0056]可用的频率跟踪方法较复杂，但提供对由模块56产生的确切谐波的更多控制。频率跟踪方法可采取不同形式，如此项技术中已知。当施加到PBE时，频率跟踪方法跟踪数字化音频的每一帧中从LPF54输出的音频信号的低音分量中的主频(音调)分量，且根据低音分量的频谱，所述方法合成谐波以替代音调分量本身。
[0057]从谐波产生模块56输出的谐波由BPF58进行带通滤波，BPF58滤除源自谐波产生过程中的非线性操作的低频中间调制分量。BPF58还可使可引起失真的高阶谐波衰减。BPF58的输出接着提供到G&D模块60，其对经滤波谐波应用增益和音频动态范围控制处理。
[0058]G&D模块60可执行原始低频分量与所产生谐波之间的响度匹配以给出相同响度动态。谐波的水平可根据声压级(SPL)而压缩或扩展。总体上，虚拟低音的增益可与非虚拟低音和非低音分量比较而调整。平滑函数也可用于平滑掉增益中的任何突然改变，以便防止在PBE模块14的输出处发生“点击”声。
[0059]所产生的虚拟低音的动态范围也可由G&D模块60调整。G&D模块60可利用补偿增益很大程度压缩谐波产生模块56的虚拟低音输出以实现响亮的低音声。G&D模块60还可监视从LPF54输出的原始低音分量的电平包络，且试图将所产生的虚拟低音包络与之匹配或部分匹配。G&D模块60还可对虚拟低音信号进行滤波。来自谐波产生模块56的非线性处理的所产生谐波的平谱可在一些例子中听起来非常刺耳和不自然。在此类情况下，G&D模块60可滤除较高频率且仅保留相对较低频率。这可使虚拟低音的不自然声音最小化，同时维持虚拟化低频感觉。G&D模块60的所有以上滤波、增益和其它动态参数可针对本文揭示的系统和方法的某些应用而调谐和调整。
[0060]增益与动态模块60的输出接着与来自高频路径51的输入音频信号的经处理非低音分量组合以产生PBE模块输出。所述组合由组合器64执行。
[0061]HPF52提取输入音频信号的非低音分量。由于低音分量的额外处理需要更多时间，所以从HPF52输出的非低音分量在组合器64处与经处理低音分量重组之前通过延迟62延迟，且接着由模块14输出。适宜的时间延迟由延迟62提供以将高频和低频路径51、53时间对准。
[0062]一般来说，PBE模块14的以下参数可调谐:
[0063]1.低音截止频率:这是在其下传入音频信号内容被视作低音且因此由PBE模块14的低频路径53处理的频率，PBE模块14用较高谐波部分或完全代替低音分量。低音截止频率分别设定交叉滤波器50的LPF54和HPF52的LPF和HPF截止频率两者，且还设定BPF58的带通频率窗口。
[0064]2.交叉滤波器阶数:决定分离低音内容与较高频率分量的LPF54和HPF52的滚降(roll off)的尖锐度。原则上，滤波器滚降越尖锐越好。但较低阶数滤波器通常较易实施。PBE模块14中的受此参数影响的组件为HPF52、LPF54和BPF58。
[0065]3.谐波控制参数:这些参数控制谐波产生模块56与G&D模块60的设定。所述参数可包含所产生谐波的数目和/或所产生谐波的包络形状。所述参数还可设定虚拟低音的组成中偶数/奇数谐波的相对数目。
[0066]4.音频动态参数:这些参数主要影响G&D模块60的操作。所述参数控制动态行为。音频动态参数可在低频路径53或高频路径51任一者上。所述参数可包含任何音量和响度匹配设定，以及限制器/压缩器/扩展器设定(例如，阈值、比率、起音/释放时间、接通增益等)。这些动态范围控制(DRC)参数设定音频信号的响度和动态范围行为的形状。[0067]5.非低音内容延迟:此参数设定沿着高频路径51的非低音内容的恒定延迟，以便匹配沿着低频路径53的虚拟低音产生所引起的处理延迟。受此参数影响的PBE组件是延迟62。
[0068]PBE模块14及其组件可使用在例如数字信号处理器(DSP)等处理器上执行的软件而实施在数字域中。或者，PBE模块14可依据实施方案为部分或完全模拟的，因此对于这些参数的数字/模拟选择取决于PBE模块14的实施方案。除上文揭示的参数之外的其它PBE系统参数也可动态调谐。
[0069]以上PBE参数可在操作期间基于包含在音频系统中的其它音频处理组件(例如，ANC模块、RVE模块、音频后处理模块等)的配置、状态和/或操作条件而实时调整或调谐。这些参数可为由包含在音频系统中的控制器存储和设定的数字值。
[0070]组合器64混合来自低频路径53的信号与来自高频路径51的信号。组合器64可包含用于将从延迟62输出的数字音频与从G&D模块60输出的数字音频相加在一起的数字求和电路。例如模拟音频混频器等替代混频器可在PBE模块14的其它配置中使用。
[0071]额外任选G&D模块可在延迟62之后且在组合器64之前包含在高频路径51中。
[0072]图4是说明集成有PBE模块104、音频后处理模块110与ANC模块102的示范性音频系统100的框图。系统100还包含参考麦克风20、近端麦克风21、数字音频流22、PBE参数控制模块106、任选高通滤波器(HPF) 112、组合器16和至少一个扬声器18。扬声器参数108也可存储在系统100中或提供到系统100，作为预先界定的数字数据字段。使扬声器参数108可由PBE参数控制模块106使用。扬声器参数108可包含扬声器18的扬声器规格和简档，例如频率响应简档、敏感度、最大SPL、额定功率、驱动特性等。
[0073]ANC模块102可包含结合图1_2描述的ANC模块12的那些功能，且PBE模块104可包含结合图1-3描述的PBE模块14的功能和组件。
[0074]ANC模块102和音频后处理模块110将其信号输出实时提供到PBE参数控制模块106，PBE参数控制模块106恒定地监视所述信号且确定来自数字音频流22的音频信号的反噪声与音频内容之间的相对能量。此信息用于随时间(且在一些配置中，实时)调谐PBE模块104的参数(例如，上文结合图3论述的参数)。从PBE参数控制模块106输出到PBE模块104的控制参数信号可处于缓慢控制速率而非音频信号速率。另外，扬声器参数108连同来自ANC和音频后处理模块102、110的信号一起可用于调谐PBE模块参数。
[0075]音频后处理模块110对数字音频流信号执行音频处理方法，所述方法向来自音频流22的传入音频信号应用比如低通滤波(LPF)、均衡(EQ)、多频带动态范围控制(MBDRC)等效应。音频后处理模块110的均衡滤波器和多频带动态控制器还可提升低频信号电平并限制音频放大器功率。因此，这些效应可增加音频信号的低音内容，这可使扬声器18饱和且对扬声器音频输出引起失真。
[0076]当与ANC和音频后处理模块102、110共存时，PBE控制模块106可观察其正将多少真实低音内容添加到来自数字音频流22的音频信号，且接着调整PBE模块的内部动态范围控制，使得以PBE模块104实现音频信号的非虚拟低音区的动态控制，从而进一步避免扬声器18的信号低频饱和。举例来说，PBE参数控制模块106可基于来自ANC和音频后处理模块102、110的信号输入实时调整PBE模块104的动态压缩(G&D模块压缩器参数)，使得来自PBE模块104的PBE输出信号的低音能量保持更恒定，以避免由其它模块102和110添加的低音内容的动态改变引起的偶尔扬声器失真。
[0077]图5是展示操作图4的系统100的实例方法的流程图400。在步骤402中，系统100接收音频信号。所述音频信号可为数字音频流22的音频信号。音频信号可经历音频后处理模块110进行的后处理。后处理模块110确定音频内容的特性，例如音频信号的频谱、其相对和/或绝对低音能量等。在执行音频后处理之后，将音频内容的特性(如果有的话)提供到PBE参数控制模块106。另外，PBE参数控制模块106还接收来自ANC模块102的输出(步骤404)。ANC输出可包含ANC信号本身、ANC模块状态和/或其它控制信号。
[0078]在步骤406中，PBE参数控制模块106基于ANC输出和音频信号内容产生PBE参数。模块106产生的PBE参数可包含经更新参数,或者初始默认参数,这取决于系统100的操作状态。控制模块106实时设定PBE模块104的PBE参数，且可以预先界定的间隔进行此动作。PBE参数控制模块106确定的PBE参数可包含本文论述的所有参数,包含上文结合图3描述的参数。
[0079]在步骤408中，如果控制模块106确定需要传入音频的PBE，那么由PBE模块104对从后处理模块Iio输出的音频信号执行PBE。是否执行PBE是基于ANC模块状态和/或输出信号以及从音频后处理模块110输出的音频信号的低音内容。一般来说，PBE模块104经控制以实现扬声器18的最佳性能。
[0080]在步骤410中，从ANC模块102输出的ANC信号和从PBE模块104输出的PBE信号由组合器16组合以产生音频输出信号。音频输出信号可接着例如通过D/A转换和模拟处理(例如，放大、滤波等)进一步处理，随后其由扬声器18转换为声音。
[0081]在图1-2和4的系统10、25和100的一些配置中，ANC模块在PDM高时钟速率域中在编解码器芯片中运行，且PBE模块在具有不同时钟速率的单独DSP或应用处理器中运行。ANC状态和输出信号可周期性提供到DSP以向PBE控制模块提供必要的反噪声信息。并且，扬声器简档和规格(例如，扬声器参数108)也可提供到PBE控制模块，使得PBE模块中的较准确滤波器滚降和截止频率可用作PBE调谐的参考。
[0082]图6是说明集成有ANC模块452、音频后处理模块110、PBE模块454与接收语音增强(RVE)模块458的示范性音频系统450的框图。音频系统450还包含参考麦克风20和近端麦克风21、数字音频流22、任选HPF112、组合器16、至少一个扬声器18，和用于调谐PBE模块454的PBE参数控制模块456。扬声器参数108也可存储在系统100中或提供到系统100。使扬声器参数108可由PBE参数控制模块456使用。
[0083]ANC模块452可包含结合图1_2描述的ANC模块12的那些功能，且PBE模块454可包含结合图1-3描述的PBE模块14的功能和组件。
[0084]系统450在首先由RVE模块458处理的音频上应用PBE。这导致低频环境噪声的较好掩蔽。RVE通过基于近端噪声电平和频率组成(例如，如近端麦克风21所测量)选择性地将增益施加到所接收的音频信号(来自数字音频流22)而工作，以实现改进的信噪比(SNR)或所感知的响度。举例来说，用户在有很多人在讲话的嘈杂地方在并入有系统450的电话上讲话，为了所述用户能够更好地听到来自远端发言者的所接收音频，RVE模块458可提升(施加额外增益)经由数字音频流22到来的所接收远端音频信号的语音频率。换句话说，RVE模块458智能地放大环境噪声通常在来自音频流22的传入音频信号中发生时所处的频率，使得那些频率可在影响系统450的环境噪声之上较好地被听到。作为另一实例，如果用户正在地铁站使用系统450，那么周围的环境噪声可具有更多低频率。因此，RVE模块458可提升传入音频信号的低频区以使得其更容易在来自地铁的环境低频噪声之上从扬声器18听到。
[0085]如果扬声器18归因于缺乏低频响应而不能充分地再现低音，那么所感知的近端噪声可比通常要响。当RVE模块458开始且将额外增益施加到这些低频率时，这可归因于所施加的较具侵入性增益而导致失真。这还可归因于音频流22的传入音频信号的每一频段中施加的较具侵入性增益而导致失真。另外，使用具有拥有有限低频响应的小扬声器的RVE还可归因于以音频频率上的过分侵入性增益太重地推动扬声器而引起失真。
[0086]当扬声器18不适于再现低频声音时，PBE模块454可改进音频重放路径的所感知低音，从而增强环境噪声的掩蔽效应。这可产生RVE模块458的较小侵入性增益设定，以及因此减小RVE引起的音频失真。RVE的调谐参数、输出连同ANC模块输出、音频后处理模块输出和扬声器参数108可经组合以实时调谐PBE模块454。给定此集成，可使用理想的全范围扬声器在操作之前最佳调谐RVE模块458，且接着系统450可适应于操作期间不同的音频信号内容和扬声器类型。动态使用PBE来视需要将低频再现负担移位到较高频率区中。
[0087]RVE模块458添加的低频低音提升可由PBE参数控制模块456根据RVE调谐参数和所检测到的环境噪声信号条件(如麦克风20-21的任一者或两者所测量)来确定。通过知晓多少额外低音产生负担被RVE模块458添加到扬声器18，PBE参数控制模块456可通过调整PBE参数而决定添加更多或更少虚拟低音。举例来说，可调整的PBE参数包含低音截止频率和PBE内部动态范围参数。RVE模块458检测到的环境噪声特性的性质也可确定滤波器滚降在PBE模块454内的尖锐度。滤波器滚降可通过改变滤波器阶数来调整。
[0088]在系统450的实例操作情境中，RVE模块458使用来自参考麦克风20或近端麦克风21的信号估计近端环境噪声。如果ANC反噪声信号和音频信号低音内容使扬声器18过载，那么扬声器输出变得失真，且因此RVE输出信号将变得不准确，其当由系统450进一步处理且经由扬声器18输出时，反馈到参考麦克风20、21中且导致非最佳RVE模块性能。可至少部分通过动态调谐PBE模块454来解决所述问题。
[0089]ANC和RVE模块454、458以及其它模块参数可基于系统450中使用的实际非理想扬声器来调谐。这可通过首先使用理想扬声器参数调谐ANC和RVE模块和/或其它模块的参数来实现。接着，使用真实扬声器的简档(频率响应、极性模式等)来控制PBE模块参数、音频后处理模块110的EQ组件以在不使真实扬声器过载和失真的情况下实现所要低音性能。实际非理想扬声器(有时，移动装置上的小扬声器)将通常具有与理想全范围扬声器相比来说较高的截止响应曲线。通过存储实际扬声器简档(作为扬声器参数108)，系统450可调整PBE、音频后处理和/或RVE模块454、110、458参数，所述参数已根据理想扬声器默认调谐。此校准方法是有益的，因为通过预先存储理想扬声器简档，系统450具有针对利用理想扬声器调谐的调谐方法的起点，且可接着在使用期间以实际扬声器简档移位所述参数。
[0090]图7是展示确定PBE参数的实例方法的流程图500。所述方法可分别由图4的PBE参数控制模块106、图6的PBE参数控制模块456或图1和2的系统10和25执行。
[0091]在步骤502中，检查ANC模块的状态。作出ANC模块是否在作用中的确定(步骤504)。如果ANC模块关闭，那么所述方法终止，而不在音频流信号上执行任何PBE。如果ANC模块在作用中(开启)，那么作出ANC信号的反噪声能量级Es的确定(步骤506)。ANC模块产生反噪声以抵消背景噪声。反噪声能量级与背景噪声电平成比例。较高反噪声电平指示较高的使扬声器过载的风险。频率范围可在150Hz与1500Hz之间。Es可为此频带内ANC产生的反噪声信号的rms能量。
[0092]在步骤508中，接收来自音频流的音频信号，且分析音频流的内容。在步骤510中，确定音频信号的低音能量Eb。150Hz与1500Hz之间的频率范围可用于音频信号的低音能量确定，且低音能量Eb可计算为此频率范围中的音频信号的rms能量级。
[0093]在步骤512中，确定反噪声能量与低音能量的比率(Es/Eb)。接着将Es/Eb比率与预先界定的阈值进行比较(决策步骤514)。如果Es/Eb比率大于阈值，那么将更多PBE施加到音频信号(步骤516)。这可通过调整PBE参数以增加PBE LPF截止频率以使得音频信号的较大带宽由PBE模块合成为虚拟低音来实现。接下来，确定音频信号的EQ/MBDRC电平(决策步骤518)。EQ和MBDRC方法可由音频后处理模块110施加到音频流22的音频信号，随后音频信号进入PBE模块。这些方法依赖于EQ和MBDRC参数，所述参数可由PBE参数控制模块读取。EQ和MBDRC控制参数用于确定音频信号的包络和频率响应的形状。EQ和MBDRC参数还可指示音频信号的每一预先界定的频带的增益水平。举例来说，MBDRC过程的低频段中的较高增益衰减设定指示:输入音频信号具有较高低音水平。当那些低音频率被PBE虚拟低音替代时，PBE模块的内部G&D模块必须提升虚拟低音水平以维持相对恒定的所感知输出水平。
[0094]将EQ/MBDRC水平与预先界定的阈值进行比较(步骤518)。如果所述水平低于阈值，那么方法终止，而不对PBE参数进行任何进一步调整。然而，如果所述水平处于或高于阈值，那么调整PBE参数以使得PBE中发生更多动态处理以产生更恒定的音频输出水平(步骤520)。可通过调整PBE模块的G&D参数实现这些调整，如上文结合图3论述。
[0095]返回到步骤514，如果Es/Eb比率不高于阈值，那么将低音能量Eb与预先界定的低音能量阈值进行比较(步骤522)。如果低音能量Eb小于阈值，那么不对音频信号执行PBE，且PBE模块可至少临时关闭(步骤526)。如果Eb大于或等于阈值，那么PBE参数可调整以对音频信号执行较少PBE (步骤524)。这可通过调整调整PBE参数以减小PBELPF截止频率以使得音频信号的较小带宽由PBE模块合成为虚拟低音来实现。
[0096]图7中描绘的方法可实时迭代重复以基于ANC模块和音频后处理模块的输出持续实时调整PBE参数。参看图7描述的阈值可为基于实际扬声器(与系统一起使用)的经调谐参数，即扬声器参数。
[0097]图8是说明具有集成PBE的示范性音频系统600的某些硬件和软件组件的框图。系统600可用于实施结合图1-7描述的系统和方法的任一者。系统600包含麦克风20、21、麦克风预处理电路602、模/数(A/D)转换器604、处理器(uP) 606、存储器608、数/模(D/A)转换器610、模拟音频后处理电路612，和至少一个扬声器18。uP606、A/D和D/A转换器604,610以及存储器608使用任何适宜的通信手段(例如，总线607)耦合在一起。尽管图中未图示，但系统600的其它组件(例如，预处理电路602和后处理电路612)也可耦合到总线607以与其它系统组件通信。
[0098]麦克风预处理电路602可包含用于模拟处理麦克风信号的任何适宜的电路，使得其可由A/D转换器604 (例如，一个或一个以上放大器、滤波器、电平移位器、回声抵消器等)适当数字化。
[0099]A/D转换器604可为用于将经预处理麦克风信号转换为数字麦克风信号的任何适宜的A/D转换器。A/D转换器604可为多信道A/D转换器，使得其可同时转换来自麦克风
20、21的两个信号。
[0100]存储器608存储由UP606使用的编程代码和数据。存储器608可为用于存储数据和编程代码(编程指令)的任何适宜的存储器装置，包含(但不限于)RAM、R0M、EEPR0M、光学存储装置、磁性存储装置，或可用于存储程序代码和/或数据结构且可由UP606存取的任何其它媒体。编程代码可包含ANC模块软件614、PBE模块软件616、PBE参数控制模块软件618、RVE模块软件620和数字音频后处理软件622。
[0101]ANC模块软件614可包含可由uP606执行以致使系统600执行本文结合图1_7描述的ANC模块中的任一者的功能的指令。PBE模块软件616可包含可由uP606执行以致使系统600执行本文结合图1-7描述的PBE模块中的任一者的功能的指令。PBE参数控制模块软件618可包含可由UP606执行以致使系统600执行本文结合图4_7描述的PBE参数控制模块中的任一者的功能的指令。RVE模块软件620可包含可由UP606执行以致使系统600执行本文结合图6-7描述的RVE模块中的任一者的功能的指令。数字音频后处理软件622可包含可由UP606执行以致使系统600执行本文结合图4-7描述的数字音频后处理模块中的任一者的功能的指令。
[0102]UP606可执行存储在存储器608中的软件且使用存储在存储器608中的数据来致使系统600执行本文结合图1-7描述的系统中的任一者的功能和方法。uP606可为微处理器，例如ARM7、数字信号处理器(DSP)、一个或一个以上专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)、复杂可编程逻辑装置(CPLD)、离散逻辑，或其任何适宜的组合。
[0103]D/A转换器610可为用于将数字音频输出信号转换为模拟音频输出信号的任何适宜的D/A转换器。参看图1-7，数字音频输出信号通常为组合器16的输出，或在一些配置中，为图2的交叉模块23。D/A转换器610可为多信道D/A转换器，使得其可同时转换系统650再现的多个音频输出信道(例如，立体声输出)。
[0104]模拟后处理电路612可包含用于模拟处理输出音频信号的任何适宜的电路，使得其可由扬声器18 (例如，一个或一个以上放大器、滤波器、电平移位器、回声抵消器等)适当输出。
[0105]图9是说明具有集成PBE的第二示范性音频系统650的某些硬件和软件组件的框图。系统650可用于实施结合图1-7描述的系统和方法的任一者。与图8的系统600相t匕，图9的系统650包含包括ANC模块654的单独编解码器652，而非具有由在uP606上执行的软件实施的ANC模块。
[0106]编解码器652可为包含经配置以接收和编码音频信号的帧(可能在一个或一个以上预处理操作(例如，感知加权和/或其它滤波操作)之后)的至少一个编码器以及经配置以产生所述帧的经解码表示的对应解码器的组件。此编码器和解码器通常部署在通信链路的相对终端处。为了支持全双工通信，编码器和解码器两者的实例通常部署在此链路的每一端处。
[0107]编解码器652输出ANC信号以供由uP606处理，且还可输出音频(例如，语音)，所述音频可与数字音频流22组合以供根据本文描述的方法和系统进行处理。[0108]尽管未图示，但编解码器652可包含麦克风预处理电路，如上文结合图8描述。编解码器652还可将经数字化麦克风信号提供到UP606以供由RVE模块和其它软件处理。
[0109]系统650包含麦克风20、21、麦克风预处理电路602、模/数(A/D)转换器604、微处理器(uP) 606、存储器608、数/模(D/A)转换器610、模拟音频后处理电路612，和至少一个扬声器18。uP606、A/D和D/A转换器604、610以及存储器608使用任何适宜的通信手段(例如，总线607)耦合在一起。尽管图中未图示，但系统600的其它组件(例如，预处理电路602和后处理电路612)也可耦合到总线607以与其它系统组件通信。
[0110]存储器608存储由UP606使用的编程代码和数据。编程代码可包含ANC模块软件614、PBE模块软件616、PBE参数控制软件618、RVE模块软件620和数字音频后处理软件622。
[0111]本文揭示的系统可包含在任何适宜的音频输出系统中，包含计算机、游戏控制台、立体声系统，或例如蜂窝式电话、个人数字助理(PDA)、智能电话、头戴式耳机、MP3播放器等手持式装置。本文描述的ANC模块、RVE模块、音频后处理模块、PBE模块和组合器的主导功能通常实施在数字处理域中。然而，这些组件替代地可使用适宜的模拟组件或模拟与数字电子组件的任何适宜的组合而实施在模拟域中。
[0112]本文描述的系统、装置及其相应组件以及方法步骤和模块的功能性可实施在硬件、由硬件执行的软件/固件，或其任何适宜的组合中。软件/固件可为具有可由一个或一个以上数字电路(例如，微处理器、DSP、嵌入式控制器或知识产权(IP)核心)执行的指令集(例如，编程代码段)的程序。如果以软件/固件实施，那么所述功能可作为指令或代码在一个或一个以上计算机可读媒体上存储或经由其传输。计算机可读媒体可包含计算机存储媒体。存储媒体可为可由计算机存取的任何可用媒体。以实例而非限制的方式，所述计算机可读媒体可包含RAM、ROM、EEPROM、CD-ROM或其它光盘存储装置、磁盘存储装置或其它磁性存储装置，或可用以载运或存储呈指令或数据结构形式的所要程序代码且可由计算机存取的任何其它媒体。同样，恰当地将任何连接称作计算机可读媒体。举例来说，如果使用同轴电缆、光纤电缆、双绞线、数字订户线(DSL)或例如红外线、无线电及微波的无线技术从网站、服务器或其它远程源传输软件，则同轴电缆、光纤电缆、双绞线、DSL或例如红外线、无线电及微波的无线技术包括于媒体的定义中。如本文中所使用，磁盘及光盘包括压缩光盘(CD)、激光光盘、光学光盘、数字多功能光盘(DVD)、软磁盘及蓝光光盘，其中磁盘通常磁性地复制数据，而光盘使用激光光学地复制数据。上述各者的组合也应包括在计算机可读媒体的范围内。
[0113]已揭示集成式ANC/PBE/RVE/音频后处理系统的某些实例。这些系统是实例，且可能的集成不限于本文所描述的集成。此外，对这些实例的各种修改是可能的，且本文呈现的原理也可适用于其它系统。举例来说，本文揭示的原理可适用于例如个人计算机、立体声系统、娱乐咨询、视频游戏等装置。此外，可在不脱离所附权利要求书的范围的情况下，以与具体揭示的布置不同的布置来实施各种组件及/或方法步骤/框。
[0114]因此，所属领域的一般技术人员鉴于这些教示将了解其它实施例和修改。因此，当结合上文的说明书和附图查看时，所附权利要求书既定涵盖所有此些实施例和修改。
【权利要求】
1.一种设备，其包括: 有源噪声消除ANC模块；以及 心理声学低音增强PBE模块，其经配置以基于来自所述ANC模块的输出产生PBE信号。
2.根据权利要求1所述的设备，其中所述PBE模块经配置以基于音频信号和来自所述ANC模块的所述输出产生所述PBE信号。
3.根据权利要求1所述的设备，其进一步包括: 控制模块，其经配置以基于音频信号和来自所述ANC模块的所述输出的至少一个特性调整所述PBE模块的一个或一个以上PBE参数。
4.根据权利要求3所述的设备，其中所述控制模块经配置以基于扬声器简档调整所述PBE参数。
5.根据权利要求3所述的设备，其中所述PBE参数选自由低音截止频率、交叉滤波器阶数、谐波控制参数、音 频动态参数、非低音内容延迟和以上的任何适宜的组合组成的群组。
6.根据权利要求1所述的设备，其进一步包括: 组合器，其经配置以组合所述PBE信号和来自所述ANC模块的ANC信号。
7.根据权利要求1所述的设备，其进一步包括: 麦克风，其经配置以产生环境噪声信号； 其中所述ANC模块经配置以基于所述环境噪声信号产生ANC信号。
8.根据权利要求1所述的设备，其进一步包括: 接收语音增强模块RVE，其经配置以提供用于调整所述PBE模块所执行的所述PBE的参数。
9.根据权利要求8所述的设备，其进一步包括: 麦克风，其经配置以产生环境噪声信号； 其中所述RVE模块经配置以基于所述环境噪声信号选择性将增益施加到音频信号的一个或一个以上频率。
10.一种处理音频信号的方法,其包括: 接收所述音频信号；以及 基于来自有源噪声消除ANC模块的输出对所述音频信号执行心理声学低音增强PBE。
11.根据权利要求10所述的方法，其中执行PBE包含基于所述音频信号的内容和来自有源噪声消除ANC模块的所述输出对所述音频信号执行PBE。
12.根据权利要求10所述的方法，其进一步包括: 基于所述音频信号的内容和来自所述ANC模块的所述输出调整一个或一个以上PBE参数。
13.根据权利要求12所述的方法，其进一步包括基于扬声器简档调整所述PBE参数。
14.根据权利要求13所述的方法，其中所述PBE参数选自由低音截止频率、交叉滤波器阶数、谐波控制参数、音频动态参数、非低音内容延迟和以上的任何适宜的组合组成的群组。
15.根据权利要求10所述的方法，其进一步包括: 组合PBE信号和来自所述ANC模块的ANC信号以产生输出音频信号。
16.根据权利要求10所述的方法，其进一步包括:从麦克风接收环境噪声信号；以及 基于所述环境噪声信号输出来自所述ANC模块的ANC信号。
17.根据权利要求10所述的方法，其进一步包括: 基于来自接收语音增强模块RVE的参数调整所述PBE。
18.根据权利要求17所述的方法，其进一步包括: 所述RVE模块从麦克风接收环境噪声信号；以及 所述RVE模块基于所述环境噪声信号选择性将增益施加到所述音频信号的一个或一个以上频率。
19.一种设备,其包括: 用于接收音频信号的装置；以及 用于基于来自有源噪声消除ANC模块的输出对所述音频信号执行心理声学低音增强PBE的装置。
20.根据权利要求19所述的设备，其中所述执行装置包含用于基于音频信号和来自所述ANC模块的所述输出产生PBE信号的装置。
21.根据权利要求19所述的设备，其进一步包括: 用于基于音频信号和来自所述ANC模块的所述输出的至少一个特性调整一个或一个以上PBE参数的装置。
22.根据权利要求20所述的设备，其中所述调整装置包含用于基于扬声器简档调整所述PBE参数的装置。
23.根据权利要求20所述的设备，其中所述PBE参数选自由低音截止频率、交叉滤波器阶数、谐波控制参数、音频动态参数、非低音内容延迟和以上的任何适宜的组合组成的群组。
24.根据权利要求19所述的设备，其进一步包括: 用于组合PBE信号和来自所述ANC模块的ANC信号的装置。
25.根据权利要求19所述的设备，其进一步包括: 用于产生环境噪声信号的装置； 其中所述ANC模块经配置以基于所述环境噪声信号产生ANC信号。
26.根据权利要求19所述的设备，其进一步包括: 用于提供用于调整所述PBE的接收语音增强RVE参数的装置。
27.根据权利要求19所述的设备，其进一步包括: 用于产生环境噪声信号的装置；以及 用于基于所述环境噪声信号选择性将增益施加到音频信号的一个或一个以上频率的>j-U ρ?α装直。
28.—种体现可由一个或一个以上处理器执行的指令集的非暂时性计算机可读媒体，其包括: 用于接收音频信号的编程代码；以及 用于基于来自有源噪声消除ANC模块的输出对所述音频信号执行心理声学低音增强PBE的编程代码。
29.根据权利要求28所述的计算机可读媒体，其进一步包括用于基于音频信号和来自所述ANC模块的所述输出产生PBE信号的编程代码。
30.根据权利要求28所述的计算机可读媒体，其进一步包括: 用于基于音频信号和来自所述ANC模块的所述输出的至少一个特性调整一个或一个以上PBE参数的编程代码。
31.根据权利要求30所述的计算机可读媒体，其进一步包括用于基于扬声器简档调整所述PBE参数的编程代码。
32.根据权利要求30所述的计算机可读媒体，其中所述PBE参数选自由低音截止频率、交叉滤波器阶数、谐波控制参数、音频动态参数、非低音内容延迟和以上的任何适宜的组合组成的群组。
33.根据权利要求28所述的计算机可读媒体，其进一步包括: 用于组合PBE信号和来自所述ANC模块的ANC信号的编程代码。
34.根据权利要求28所述的计算机可读媒体，其进一步包括: 用于产生环境噪声信号的编程代码；以及 用于基于所述环境噪声信号产生ANC信号的编程代码。
35.根据权利要求28所述的计算机可读媒体，其进一步包括: 用于提供用于调整所述PBE的接收`语音增强RVE参数的编程代码。
36.根据权利要求28所述的计算机可读媒体，其进一步包括: 用于产生环境噪声信号的编程代码；以及 用于基于所述环境噪声信号选择性将增益施加到音频信号的一个或一个以上频率的编程代码。
【文档编号】G10L21/02GK103460716SQ201280016710
【公开日】2013年12月18日 申请日期:2012年2月28日 优先权日:2011年4月8日
【发明者】李仁 , 向佩 申请人:高通股份有限公司