專利名稱：離線迭代的聲重放系統(tǒng)頻響均衡方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種聲重放系統(tǒng)的頻響均衡方法和裝置，特別涉及一種離線迭代的聲重放系統(tǒng)頻響均衡方法和裝置。
背景技術(shù)：
近年來，隨著大規(guī)模集成電路和數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的迅速發(fā)展，基于數(shù)字信號(hào)處 理技術(shù)的聲重放系統(tǒng)響應(yīng)均衡問題也逐漸受到國內(nèi)外多家研究機(jī)構(gòu)及企業(yè)的關(guān)注，并有幾家公司推出了幾款帶有響應(yīng)均衡功能的聲學(xué)產(chǎn)品。烏普薩拉大學(xué)(Uppsala University)旗下的Dirac公司推出了 Dirac HD Sound技術(shù),用于解決自由場(chǎng)環(huán)境下?lián)P聲器單元的頻響曲線峰谷點(diǎn)均衡，同時(shí)還推出了 Dirac Live技術(shù),用于解決房間內(nèi)聲重放系統(tǒng)的頻響曲線峰谷點(diǎn)均衡。香港正然傳訊有限公司推出了 CONEQ技術(shù)，用于解決房間內(nèi)揚(yáng)聲器系統(tǒng)的頻響起伏均衡，該技術(shù)利用單個(gè)傳聲器在揚(yáng)聲器單元前方按照蛇形走線路徑逐點(diǎn)采集揚(yáng)聲器系統(tǒng)的脈沖響應(yīng)數(shù)據(jù)，然后通過特定的響應(yīng)數(shù)據(jù)處理算法，實(shí)行對(duì)揚(yáng)聲器系統(tǒng)的頻響均衡。丹麥林道夫(LYNGD0RF)公司推出了房間均衡技術(shù)——Room Perfect，該技術(shù)利用單個(gè)傳聲器在房間內(nèi)的多個(gè)位置點(diǎn)采集揚(yáng)聲器系統(tǒng)的響應(yīng)數(shù)據(jù)，并利用這些多點(diǎn)響應(yīng)信息完成聽者位置的響應(yīng)曲線均衡。美國KRK公司也推出了房間內(nèi)聲重放系統(tǒng)響應(yīng)均衡產(chǎn)品——Ergo(Enhanced Room Geometry Optimization),該產(chǎn)品也是利用單個(gè)傳聲器在聽者位置四周采集響應(yīng)數(shù)據(jù)，并處理這些響應(yīng)數(shù)據(jù)獲得均衡器的參數(shù)，完成對(duì)聽者位置點(diǎn)的響應(yīng)均衡。針對(duì)自由場(chǎng)及混響場(chǎng)內(nèi)揚(yáng)聲器系統(tǒng)均衡方法的研究文獻(xiàn)較多，其中一些代表性的研究成果如下
文獻(xiàn) I-Stephen T. Neely and Jont B. Allen, “Invertibility of a room
impulse response , ” J. Acoust. Soc. Am, Vol. 66, No. I, pp. 165- 169, July1979.——提出了房間響應(yīng)中最小相位響應(yīng)部分的計(jì)算方法，并對(duì)最小相位響應(yīng)的零極點(diǎn)倒置，獲得了最小相位響應(yīng)的逆濾波響應(yīng)，基于最小相位部分的逆濾波器參數(shù)對(duì)房間響應(yīng)進(jìn)行均衡處理，并通過實(shí)驗(yàn)證實(shí)了算法的有效性。文獻(xiàn)2-Yoichi Haneda , Shoji Makino, and Yutaka Kaneda, “Common
acoustical pole and zero modeling of room transfer functions, ” IEEE Transaction
on Speech and Audio Processing, Vol. 2, No. 2, pp. 320-328， April 1994.-針
對(duì)房間內(nèi)多個(gè)位置點(diǎn)采集的多組傳遞函數(shù)，提出了基于共聲學(xué)極點(diǎn)模型的房間傳遞函數(shù)融合算法，減少了房間模型的估計(jì)參數(shù)，提高了計(jì)算速度。文獻(xiàn) 3-Aki Harma, Matti Karjalainen, Lauri Savioja, Vesa Valimaki,
Unto K. Laine, and Jyri Huopaniemi, “Frequency-warped signal processing foraudio application, ” J. Audio Eng. Soc. , Vol. 48, No. 11, pp. 1011-1029,
November 2000.-提出基于彎折頻率域的響應(yīng)均衡方法，利用線性預(yù)測(cè)編碼(Linear
Predictive Coding-LPC)方法計(jì)算彎折頻率域內(nèi)的均衡器參數(shù),從而提高對(duì)低頻區(qū)域
的均衡能力。
傳統(tǒng)的聲重放系統(tǒng)均衡方法，都是基于對(duì)系統(tǒng)脈沖響應(yīng)函數(shù)進(jìn)行分析,擬合這些脈沖響應(yīng)函數(shù)的零極點(diǎn)模型，再通過零極點(diǎn)倒置找出系統(tǒng)的逆濾波器響應(yīng)，從而獲得了聲重放系統(tǒng)的均衡器參數(shù)。這些方法的參數(shù)估計(jì)過程都是依賴于最小均方誤差(Least MeanSquares——LMS)算法或者線性預(yù)測(cè)編碼(LPC)算法的單次估計(jì)來計(jì)算均衡器的參數(shù)，這種基于單次估計(jì)方法所獲得的逆濾波器參數(shù)與理想的逆濾波器參數(shù)之間仍然存在著一定程度的偏差，這些偏差將造成均衡后的聲重放系統(tǒng)頻響曲線在一些頻帶內(nèi)仍有較為明顯的峰谷起伏性，仍未達(dá)到較為理想的頻響平直特性。這些均衡后頻響曲線的峰谷起伏特性是由均衡器的參數(shù)誤差所造成的，為了削弱均衡后頻響曲線的峰谷起伏特征，需要進(jìn)一步提高均衡器的參數(shù)估計(jì)精度，因此需要尋找更為精確有效的均衡器參數(shù)估計(jì)方法。針對(duì)現(xiàn)有基于單次LMS或者單次LPC參數(shù)估計(jì)算法，在系統(tǒng)均衡器參數(shù)估計(jì)方面所存在的一定誤差缺陷，需要考慮采用多次迭代估計(jì)的方法，通過多次迭代操作使所估計(jì)的級(jí)聯(lián)均衡器響應(yīng)逐步逼近理 想的系統(tǒng)逆濾波器響應(yīng)，減少均衡器的參數(shù)估計(jì)誤差，從而保證均衡后頻響曲線具有更好的平直特性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服基于單次LMS或者單次LPC參數(shù)估計(jì)算法，在系統(tǒng)均衡器參數(shù)估計(jì)方面所存在的一定誤差缺陷，提供一種離線迭代的聲重放系統(tǒng)頻響均衡方法和裝置。為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下一種離線迭代的聲重放系統(tǒng)頻響均衡方法，如圖I所示，包括如下步驟
(1)利用測(cè)量儀器獲取待均衡系統(tǒng)的脈沖響應(yīng)序列；
(2)選取噪聲信號(hào)，利用噪聲信號(hào)與脈沖響應(yīng)序列的卷積獲取反饋信號(hào)；
(3)結(jié)合噪聲信號(hào)和反饋信號(hào)，利用逐次迭代的最小二乘準(zhǔn)則依次估計(jì)出各級(jí)(均衡器的參數(shù)；
(4)級(jí)聯(lián)各級(jí)均衡器，生成合成均衡器；
(5)利用合成均衡器的參數(shù)更新有限脈沖響應(yīng)(FiniteImpulse Response-FIR)濾
波器系數(shù)，完成系統(tǒng)頻響均衡。進(jìn)一步地，步驟(I)中的利用測(cè)量儀器獲取待均衡系統(tǒng)的脈沖響應(yīng)序列，具體步驟是通過測(cè)量儀器發(fā)出噪聲信號(hào)，用傳聲器采集和記錄由噪聲激勵(lì)所產(chǎn)生的系統(tǒng)脈沖響應(yīng)序列。按照聲重放系統(tǒng)的均衡環(huán)節(jié)和目標(biāo)的差異，如圖2所示，可以將脈沖響應(yīng)的測(cè)量分為以下三種情況
情況I :如果聲重放系統(tǒng)僅需要均衡信號(hào)處理和功放所組成電路部分的系統(tǒng)響應(yīng)，則在脈沖響應(yīng)測(cè)試時(shí)，僅測(cè)試和記錄由噪聲激勵(lì)所產(chǎn)生的功放輸出端的脈沖響應(yīng)序列。情況2 :如果聲重放系統(tǒng)需要均衡電路部分和揚(yáng)聲器部分所組成系統(tǒng)的響應(yīng)，則在脈沖響應(yīng)測(cè)量時(shí)，將傳聲器置于空間期望位置點(diǎn)，測(cè)量和記錄由噪聲激勵(lì)所產(chǎn)生的該點(diǎn)處的脈沖響應(yīng)序列。情況3 :如果聲重放系統(tǒng)需要均衡電路部分、揚(yáng)聲器部分和外部環(huán)境三者所組成系統(tǒng)的響應(yīng)，則在脈沖響應(yīng)測(cè)量時(shí)，將傳聲器依次置于空間多個(gè)位置點(diǎn)，記錄多個(gè)位置點(diǎn)上的脈沖響應(yīng)序列，并按照一定的融合方式對(duì)多位置點(diǎn)的脈沖響應(yīng)進(jìn)行平均化處理，獲得平均后的脈沖響應(yīng)序列。進(jìn)一步地，步驟(2)中的選取噪聲信號(hào)，這種噪聲信號(hào)可以為指定帶寬
的白噪聲序列或者最大長度序列(Maximum Length Sequence-MLS)所產(chǎn)生
的噪聲信號(hào)，這種信號(hào)呈現(xiàn)平坦的功率譜特性，以用于訓(xùn)練出自由場(chǎng)或混響場(chǎng)內(nèi)揚(yáng)聲器到傳聲器位置點(diǎn)的傳遞函數(shù)；根據(jù)實(shí)際測(cè)量所獲得脈沖響應(yīng)序列的長度L:.來選取噪聲信號(hào)的序列長度
權(quán)利要求
1.一種離線迭代的聲重放系統(tǒng)頻響均衡方法，包括如下步驟 (1)利用測(cè)量儀器獲取待均衡系統(tǒng)的脈沖響應(yīng)序列； (2)選取噪聲信號(hào)，利用噪聲信號(hào)與脈沖響應(yīng)序列的卷積獲取反饋信號(hào)； (3)結(jié)合噪聲信號(hào)和反饋信號(hào)，利用逐次迭代的最小二乘準(zhǔn)則依次估計(jì)出各級(jí)均衡器的參數(shù)； (4)級(jí)聯(lián)各級(jí)均衡器，生成合成均衡器； (5)利用合成均衡器的參數(shù)更新有限脈沖響應(yīng)濾波器系數(shù)，完成系統(tǒng)頻響均衡。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的離線迭代的聲重放系統(tǒng)頻響均衡方法，其特征在于所述的步驟(I)中的利用測(cè)量儀器獲取待均衡系統(tǒng)的脈沖響應(yīng)序列，具體步驟為通過測(cè)量儀器發(fā)出噪聲信號(hào)，用傳聲器采集和記錄由噪聲激勵(lì)所產(chǎn)生的系統(tǒng)脈沖響應(yīng)序列；如果所述聲重放系統(tǒng)僅需要均衡信號(hào)處理和功放所組成電路部分的系統(tǒng)響應(yīng)，則在脈沖響應(yīng)測(cè)試時(shí)，僅測(cè)試和記錄由噪聲激勵(lì)所產(chǎn)生的功放輸出端的脈沖響應(yīng)序列；如果聲重放系統(tǒng)需要均衡電路部分和揚(yáng)聲器部分所組成系統(tǒng)的響應(yīng)，則在脈沖響應(yīng)測(cè)量時(shí)，將傳聲器置于空間期望位置點(diǎn)，測(cè)量和記錄由噪聲激勵(lì)所產(chǎn)生的該點(diǎn)處的脈沖響應(yīng)序列；如果聲重放系統(tǒng)需要均衡電路部分、揚(yáng)聲器部分和外部環(huán)境三者所組成系統(tǒng)的響應(yīng)，則在脈沖響應(yīng)測(cè)量時(shí)，將傳聲器依次置于空間多個(gè)位置點(diǎn)，記錄多個(gè)位置點(diǎn)上的脈沖響應(yīng)序列，并按照一定的融合方式對(duì)多位置點(diǎn)的脈沖響應(yīng)進(jìn)行平均化處理，獲得平均后的脈沖響應(yīng)序列。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的離線迭代的聲重放系統(tǒng)頻響均衡方法，其特征在于所述步驟(2)中的噪聲信號(hào)為指定帶寬的白噪聲序列或者最大長度序列所產(chǎn)生的噪聲信號(hào)，根據(jù)實(shí)際測(cè)量所獲得脈沖響應(yīng)序列的長度4來選取上述噪聲信號(hào)的序列長度44 > 10x4。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的離線迭代的聲重放系統(tǒng)頻響均衡方法，其特征在于所述步驟(2)中的利用噪聲信號(hào)與脈沖響應(yīng)序列的卷積獲取反饋信號(hào)，其具體實(shí)現(xiàn)如下 假設(shè)噪聲信號(hào)的時(shí)域序列矢量為 sW =[ (。)Sw(I) —, 其中，父是噪聲信號(hào)時(shí)域離散序列的采樣點(diǎn)數(shù)；假設(shè)經(jīng)測(cè)量儀器測(cè)量獲得的聲重放系統(tǒng)的時(shí)域脈沖響應(yīng)序列表達(dá)式 h = [A。A1 …h(huán)M_J, 其中，M為系統(tǒng)時(shí)域脈沖響應(yīng)的序列長度；聯(lián)合噪聲序列和聲重放系統(tǒng)的時(shí)域脈沖響應(yīng)序列，獲得反饋信號(hào)的時(shí)域序列矢量表達(dá)式為r = [r(0) r(l) ■■■ r(iV-l)f =3IT *h, 其中代表兩個(gè)序列矢量之間進(jìn)行卷積操作。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的離線迭代的聲重放系統(tǒng)頻響均衡方法，其特征在于在進(jìn)行噪聲序列和脈沖響應(yīng)序列的卷積操作時(shí)，已經(jīng)將卷積后所獲得反饋信號(hào)序列的頭部切除掉長度為Af的序列部分，獲得了長度為N的反饋信號(hào)序列。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的離線迭代的聲重放系統(tǒng)頻響均衡方法，其特征在于所述步驟(3)中的結(jié)合噪聲信號(hào)和反饋信號(hào)，利用逐次迭代的最小二乘準(zhǔn)則依次估計(jì)出各級(jí)均衡器的參數(shù)，其具體實(shí)現(xiàn)流程如下 a.在第I次迭代時(shí)，假定待求的第I級(jí)均衡器的時(shí)域脈沖響應(yīng)序列的長度為L{L > M)，該響應(yīng)序列矢量則表示為
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的離線迭代的聲重放系統(tǒng)頻響均衡方法，其特征在于在估計(jì)均衡器參數(shù)的迭代計(jì)算過程中，算法一直監(jiān)視均衡根誤差值/^的大小，在每次迭代完成后都與用戶設(shè)定的期望均方根誤差％進(jìn)行比較，并控制迭代循環(huán)的運(yùn)行，在下一次迭代開始之前，如果^,那么繼續(xù)執(zhí)行下一次迭代；如果^,則停止迭代。
8.根據(jù)權(quán)利要求I所述的離線迭代的聲重放系統(tǒng)頻響均衡方法，其特征在于所述步驟(4)中的級(jí)聯(lián)各級(jí)均衡器，生成合成均衡器，其實(shí)現(xiàn)過程如下 由i:次迭代估計(jì)所獲得的這￡個(gè)均衡器的參數(shù)估計(jì)值分別為hgr>h^> ...jg,由這f個(gè)均衡器級(jí)聯(lián)所形成的合成均衡器的表達(dá)式為
9.根據(jù)權(quán)利要求I所述的離線迭代的聲重放系統(tǒng)頻響均衡裝置，其特征在于所述步驟(5)中的利用合成均衡器的參數(shù)更新有限脈沖響應(yīng)濾波器系數(shù)，完成系統(tǒng)頻響均衡，其具體實(shí)現(xiàn)如下 在獲得合成均衡器￡|^'力的基礎(chǔ)上，將合成均衡器的參數(shù)估計(jì)值用于更新有限脈沖響應(yīng)濾波器的系數(shù)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)頻響的均衡操作；假設(shè)聲重放系統(tǒng)輸入的聲源信號(hào)時(shí)域序列矢量為:
10.一種離線迭代的聲重放系統(tǒng)頻響均衡裝置，其特征在于它包括聲源(I)、與所述聲源(I)的輸出端相連接并按照合成均衡器的參數(shù)估計(jì)值對(duì)用戶選定的輸入信號(hào)進(jìn)行均衡處理并將均衡后信號(hào)送至功放輸入端的數(shù)字信號(hào)處理器(2)、與所述數(shù)字信號(hào)處理器(2)的輸出端相連接并用于對(duì)均衡處理后的信號(hào)進(jìn)行功率放大以驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器(4)發(fā)聲的功率放大器(3)、與所述功率放大器(3)的輸出端相連接并用于電聲轉(zhuǎn)換以便將聲源信號(hào)重放到空氣中的揚(yáng)聲器(4)所述的聲源(I)是系統(tǒng)待重放的聲信息。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的離線迭代的聲重放系統(tǒng)頻響均衡裝置，其特征在于所述的聲源(I)為來自于各種模擬裝置所產(chǎn)生的模擬聲源信號(hào)，或者為各種數(shù)字裝置所產(chǎn)生的數(shù)字編碼信號(hào)，或者為無線網(wǎng)絡(luò)傳輸信號(hào)，所述的無線網(wǎng)絡(luò)傳輸信號(hào)為無線發(fā)射裝置傳送來的廣播信號(hào)并通過無線接收器進(jìn)行接收和解調(diào)獲得用戶指定的聲源信號(hào)。
12.根據(jù)權(quán)利要求10所述的離線迭代的聲重放系統(tǒng)頻響均衡裝置，其特征在于當(dāng)所述功率放大器(3)具有數(shù)字輸入接口時(shí)，則所述的功率放大器(3)直接與數(shù)字信號(hào)處理器(2 )連接；當(dāng)所述功率放大器(3 )僅具有模擬輸入接口時(shí)，則所述的功率放大器(3 )與數(shù)字信號(hào)處理器(2)之間連接有將數(shù)字信號(hào)處理器(2)送來的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)的數(shù)模轉(zhuǎn)換器。
13.根據(jù)權(quán)利要求10所述的離線迭代的聲重放系統(tǒng)頻響均衡裝置，其特征在于所述的揚(yáng)聲器(4)為單個(gè)揚(yáng)聲器單元、或者為多個(gè)揚(yáng)聲器單元組成的根據(jù)揚(yáng)聲器單元數(shù)量和實(shí)際應(yīng)用需求進(jìn)行排列的揚(yáng)聲器陣列。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種離線迭代的聲重放系統(tǒng)頻響均衡方法和裝置。該方法包括(1)利用測(cè)量儀器獲取待均衡系統(tǒng)的脈沖響應(yīng)序列；(2)選取噪聲信號(hào)，利用噪聲信號(hào)與脈沖響應(yīng)序列的卷積獲取反饋信號(hào)；(3)結(jié)合噪聲信號(hào)和反饋信號(hào)，利用逐次迭代的最小二乘準(zhǔn)則依次估計(jì)出各級(jí)均衡器的參數(shù)；(4)級(jí)聯(lián)各級(jí)均衡器，形成合成均衡器；(5)利用合成均衡器的參數(shù)更新FIR濾波器系數(shù)，完成系統(tǒng)頻響均衡。該裝置包括聲源、數(shù)字信號(hào)處理器、功率放大器、揚(yáng)聲器；各單元依次順序連接。本發(fā)明通過增加級(jí)聯(lián)均衡器數(shù)量,可以明顯提升均衡器的響應(yīng)均衡能力,同時(shí)通過離線估計(jì)方式,便于處理復(fù)雜計(jì)算的均衡任務(wù)，同時(shí)也節(jié)省了均衡器的硬件制作成本。
文檔編號(hào)G10L21/0232GK102903367SQ201210388259
公開日2013年1月30日 申請(qǐng)日期2012年10月15日 優(yōu)先權(quán)日2012年10月15日
發(fā)明者馬登永 申請(qǐng)人:蘇州上聲電子有限公司