均衡音频信号的方法、计算机程序产品及其设备与流程

本发明的领域是音频信号处理领域。更具体地，本发明涉及一种用于在潜在嘈杂环境中、特别是当相关噪声可能随时间变化时均衡这种信号的方法。本发明具有许多应用，特别是但不排他地用于在任何类型的广播环境中广播音频信号，例如在体育场、剧院、汽车内部等。

背景技术：

0、现有技术

1、在本文的其余部分中，将特别集中于描述本专利申请的发明人所面临的在汽车内部广播音频信号的领域中的问题。当然，本发明不限于该特定应用领域，而是对在任何类型的广播环境（例如体育场、剧院等）中广播音频信号都有意义，特别是当环境嘈杂并且相关噪声可能随时间而变化时。

2、第二音频信号对第一音频信号的掩蔽效应是由于第二信号的存在而提高了第一信号的听阈的过程。换句话说，在给定频带中，当第二信号的存在阻止检测到在同一频带中幅度较低的第一信号时，发生频谱掩蔽。

3、在汽车中，这种效应通常是由与汽车移动相关联的空气动力学噪声以及发动机的声音产生的。如果存在噪声，由于某些频率将被掩蔽，则可能会改变汽车内部播放的音乐的频谱平衡感知。

4、感知到的音调平衡取决于广播声级与掩蔽阈值之间的差。由于音乐信号具有给定的动态范围（最高幅度与最低幅度之间的差），对于接近阈值的给定平均电平值（以db spl（声压级）为单位），信号的某些分量将被感知，而其他分量将被掩蔽。

5、为了避免掩蔽效应并保持感知到的音调平衡，有必要将广播音频信号的某些频率增加到掩蔽阈值以上。现有技术中，通常采用两种技术来处理这种遮蔽问题：

6、- 一种技术称为sdvc（速度相关音量控制），该技术包括添加根据速度表计算的增益，以将音频信号（即，整个音频信号）的音量增加到高于掩蔽阈值；以及

7、- 一种技术称为sdec（速度相关均衡控制），该技术涉及应用低搁架滤波器，低搁架滤波器的参数取决于系统的速度和整体衰减。

8、然而，汽车中的背景噪声有多种来源，举例来说包括：

9、- 汽车本身的构造：例如，隔音、空气动力学形状、轮胎类型、发动机等；

10、- 可能会改变背景噪声的某些车辆特征：例如，hvac（暖通空调）系统、启动/停用混合动力汽车中的内燃机等；

11、- 汽车的速度：例如，驾驶噪声和空气动力学噪声随速度增加而增大；

12、- 路面类型：例如，粗粒度的柏油路比光滑柏油路噪声更大；以及

13、- 环境：例如，开阔的乡村道路比隧道更安静。雨和风也会增加车辆内的背景噪声。

14、背景噪声通常可以描述为宽带噪声，其高频每倍频程衰减6 db。然而，根据上面列出的噪声源，这个定义可能不足以描述实践中遇到的掩蔽效应。例如，在下雨时，高频也可能被掩蔽。类似地，根据车辆的类型及其速度，实际被掩蔽的频带可能会随着时间而变化。

15、面对如此多变的掩蔽效应，可以注意到：

16、- sdvc功能随着速度的增加而增加整体信号电平。然而，广播音频信号的感知在掩蔽阈值附近并不是线性的（例如，高频可能比低频更好地被感知）。因此，随着速度的增加，sdvc功能会增加整体信号电平，尽管这并不一定对所有频率都有必要。

17、- sdec功能引入了一些频谱处理来避免上述影响。通过使用低搁架滤波器放大信号，sdec功能可确保对于传统的噪声分布（即，高频每倍频程衰减6 db），低频会增加到高于掩蔽阈值并且保留感知到的频谱平衡。然而，这里的假设是背景噪声分布仅取决于车辆的速度。然而，如上所述，这样的分布可能会例如随着路面或环境而发生巨大且不可预测的变化。

18、因此需要一种用于均衡在具有背景噪声的环境中广播的音频信号的技术，背景噪声的特性（强度和/或频谱形状）会随时间变化，例如在汽车中就可能是这种情况。

技术实现思路

1、在本发明的一个实施方式中，提出了一种用于均衡由包括至少一个扬声器的广播系统在广播环境中广播的音频信号的方法。这样的方法包括：

2、- 一方面基于由在广播环境中实施的至少一个麦克风捕获的称为捕获信号的信号以及另一方面基于上述音频信号来估计表示在广播环境中存在的背景噪声的噪声信号的频率分布；

3、- 确定广播音频信号的期望频率分布；

4、- 确定声频掩模，所述声频掩模表示对于每个频率分量，噪声信号的频率分布与期望频率分布之间的差；以及

5、- 通过应用作为声频掩模的函数的频率加权掩模，对音频信号的频谱进行加权，从而均衡音频信号，得到均衡的音频信号。

6、因此，本发明提出了一种用于均衡在广播环境中广播的音频信号的新颖且创新的解决方案。

7、更具体地，经由一个或多个麦克风考虑广播环境（例如车辆、体育场、建筑物中的房间、剧院等）中存在的实际噪声的事实使得均衡能够适应于这样的广播环境中可能存在的所有类型的噪声（例如，对于车辆：空气动力学驾驶噪声、发动机噪声、汽车在道路上的轮胎接触噪声等）及其随时间的变化。

8、此外，通过对音频信号的频谱进行加权的均衡提供了比使用传统的搁架式滤波器更精确的均衡。

9、在一些实施方式中，声频掩模表示对于每个频率分量当上述差大于预定阈值时的差。

10、换句话说，如果背景噪声的能量超过音频信号的目标值至少等于预定阈值的量，则认为给定频率分量的音频信号会被掩蔽。因此，阈值可以被视为应用于声学掩模的偏移。这样的阈值允许考虑并保留音频信号的动态。

11、在一些实施方式中，频率加权掩模是通过应用预定权重值对声频掩模的不同频率分量进行加权来获得的。

12、以这种方式，可以控制高频的刺耳声或嘶嘶声。这种加权控制还允许在给定类型的广播环境的操作条件下，根据听觉进行调整，从而在感知上考虑到噪声提取缺乏精确性的问题。

13、在一些实施方式中，频率加权掩模的值被限制到最大值和最小值。

14、以这种方式，最大值定义了音频信号的频谱的最大权重，避免了在确定校正时的任何不一致并限制总体增益。过多的增益可能会过度修改音频信号的目标音频感知（经由“响度”效应）。

15、类似地，最小值（例如对应于0 db的权重）意味着音频信号的动态范围不被减小（或仅被减小到有限的程度）。

16、在一些实施方式中，对期望频率分布的确定涉及根据属于包括以下各项的组的至少一个参数来计算音频信号的能量的期望分频：

17、- 用于广播音频信号的音量。例如，如果广播环境是车辆内部，则这种用于广播音频信号的音量可以随或不随车辆行驶速度而变化；

18、- 强度，随频率变化，取决于音量；

19、- 预定义的频率均衡；

20、- 用于配置所述广播系统的一个或多个参数；以及

21、- 当所述广播系统包括多个扬声器时，用于在所述扬声器之间分配所述音频信号的一个或多个参数。

22、以这种方式，例如在给定收听点处，获得了广播环境中的音频信号的期望频率分布。

23、在一些实施方式中，所述对噪声信号的频率分布的估计涉及校正所述至少一个麦克风的传递函数。

24、以这种方式，由（多个）麦克风引起的噪声信号捕获误差得到补偿。

25、在一些实施方式中，所述方法包括：

26、- 估计噪声信号；以及

27、- 检测噪声信号中存在的至少一个语音信号，从而提供检测信息。

28、对捕获信号和音频信号的各个样本周期性地执行估计、确定和均衡的步骤。对于给定实施，频率均衡实施以下操作：

29、- 当所述检测信息表示在噪声信号中未检测到至少一个语音信号时：频率加权掩模对应于在所述步骤的给定实施期间确定的声频掩模；或者

30、- 当所述检测信息表示在噪声信号中检测到至少一个语音信号时：频率加权掩模对应于在所述步骤的先前实施期间确定的声频掩模。

31、以这种方式，当在由一个或多个麦克风捕获的信号中检测到最初不存在于音频信号中的语音信号时（例如对于车辆：车辆中乘客的语音），校正参数就会被冻结。这避免了均衡中的不一致或伪影。

32、在一些实施方式中，所述方法包括：

33、- 估计噪声信号；以及

34、- 检测噪声信号中存在的至少一个语音信号，从而提供检测信息。

35、对捕获信号和音频信号的各个样本周期性地执行估计、确定和均衡的步骤。至少一个语音信号的检测涉及估计噪声信号中至少一个语音信号的存在的可能性。对于给定实施，频率均衡实施与以下两项的加权线性组合相对应的频率加权掩模：一方面是在上述步骤的先前实施期间确定的声频掩模以及另一方面是在上述步骤的所述给定实施期间确定的声频掩模。所述权重是存在可能性的函数，使得线性组合被约简为：

36、- 当噪声信号中存在至少一个语音信号的可能性等于1时，在上述步骤的先前实施期间确定的声频掩模；以及

37、- 当噪声信号中存在至少一个语音信号的可能性为零时，在上述步骤的给定实施期间确定的声频掩模。

38、在一些实施方式中，加权线性组合表示为pvp(f)=p0(f)+ α(p).(pm(f)-p0(f))，其中：

39、- p0(f)是在估计、确定和均衡步骤的先前实施期间确定的声频掩模；

40、- pm(f)是在上述步骤的给定实施期间确定的声频掩模；并且

41、- α(p)=1-p是作为存在可能性的函数的权重，其中，p是存在可能性。

42、在一些实施方式中，频率均衡根据pvp_m(n,f)=β(n).(pvp(f)-pvp_m(n-1,f))定律对频率加权掩模实施时间平滑，其中：

43、- pvp_m(n,f)是在第n次实施估计、确定和均衡步骤期间对于要均衡的信号频带的频率f随时间平滑的频率加权掩模；

44、- pvp(f)是在第n次实施上述步骤期间计算的频率加权掩模；

45、- pvp_m(n-1,f)是在第（n-1）次实施上述步骤期间要均衡的信号频带的频率f的平滑频率加权掩模；并且

46、- β(n)是介于0与1之间的加权因子。

47、在一些实施方式中，噪声信号的估计涉及一方面基于捕获信号以及另一方面基于音频信号来执行背景噪声的频谱估计方法。对噪声信号的频率分布的估计包括：

48、- 将滤波器组应用于噪声信号，从而提供多个经滤波的噪声信号，

49、- 对经滤波的噪声信号中的每一个进行包络检测，从而提供对应的多个经滤波的噪声信号包络，

50、- 对经滤波的噪声信号包络中的每一个进行低通滤波，从而提供噪声信号的频率分布的对应的多个分量。

51、在一些实施方式中，对噪声信号的频率分布的估计包括：

52、- 将滤波器组应用于捕获信号，从而提供多个经滤波的捕获信号，

53、- 对于多个经滤波的捕获信号中的每一个：一方面基于经滤波的捕获信号以及另一方面基于音频信号来实施背景噪声的频谱估计方法，从而提供对应的多个经滤波的噪声信号，

54、- 对经滤波的噪声信号中的每一个进行包络检测，从而提供对应的多个经滤波的噪声信号包络，

55、- 对经滤波的噪声信号包络中的每一个进行低通滤波，从而提供噪声信号的频率分布的对应的多个分量。

56、对噪声信号的估计涉及对经滤波的噪声信号中的每一个进行求和。

57、例如，相关背景噪声的频谱估计方法是在通过回声消除来降低噪声的方法（称为ecnr）中实施的背景噪声的频谱估计方法，比如在移动电话领域中遇到的情况。

58、在一些实施方式中，该方法包括对各自由在广播环境中实施的不同麦克风捕获的多个信号进行平均。所述平均提供捕获信号。

59、本发明还涉及一种计算机程序，该计算机程序包括程序代码指令，这些指令用于当在计算机上运行时根据其各个实施方式之一来实施如上所述的方法。

60、本发明还涉及一种用于均衡由包括至少一个扬声器的广播系统在广播环境中广播的音频信号的设备。这样的均衡设备包括被配置为执行根据本发明（根据各种上述实施方式之一）的均衡方法的步骤的可重编程计算机器或专用计算机器。因此，该设备的特征和优点与上述均衡方法的对应步骤的特征和优点相同。因此，不再赘述。