技术领域

本发明涉及一种声重放系统， 特别涉及一种离线迭代的声重放系统频响均衡 方法和装置。 背景技术

近年来， 随着大规模集成电路和数字信号处理技术的迅 速发展， 基于数字信号处理技术 的声重放系统响应均衡问题也逐渐受到国内外 多家研究机构及企业的关注， 并有几家公 司推出了几款带有响应均衡功能的声学产品。 乌普萨拉大学 （Uppsala, University) 旗 下的 Dirac公司推出了 Dirac Hi) Sound技术， 用于解决自由场环境下扬声器单元的频响 曲线峰谷点均衡， 同时还推出了 Dirac Live技术， 用于解决房间内声重放系统的频响曲 线峰谷点均衡。 香港正然传 ¾有限公司椎出了 C0NEQ技术， ]¾于解决房间内扬声器系统 的频响起伏均衡， 该技术利用单个传声器在扬声器单元前方按照 蛇形走线路径逐点采集 扬声器系统的脉冲响应数据， 然后通过特定的响应数据处理算法， 实行对扬声器系统的 频响均衡。 丹麦林道夫 (LY GD0RF) 公司推出了房间均衡技术 Room Perfect, 该技 术利用单个传声器在房间内的多个位置点采集 扬声器系统的响应数据， 并利用这些多点 响应信息完成听者位置的响应曲线均衡。 美国 KRK公司也推出了房间内声重放系统响应 均衡产品 Ergo (Enhanced Room Geometry Optimization), 该产品也是禾 !j用单个传 声器在听者位置四周采集响应数据， 并处理这些响应数据获得均衡器的参数， 完成对听 者位置点的响应均衡。

铃对自 场及混响场內扬声器系统均衡方法的研究文献 较多， 其中一些代表性的研究成 果如下：

文献 1 Stephen T. Neely and jont fl A I Len, Invert ibili ty of a room impulse response ， " J, Acoust. Soc, Ani, Vol. 66. No. 1， pp. 165 169， July 1979. ― 一提出了房间响应中最小相位响应部分的 if算方法， 并对最小相位响应的零极点倒置， 获得了最小相位响应的逆滤波响应， 基于最小相位部分的逆滤波器参数对房间响应 进行 均衡处理， 并通过实验证实了算法的有效性。

文献 2 Yoichi Han e da, , Shoj tviakino, and Yutaka, Kaneda, "Common acoust cal pole and zero modeling of room transfer functions, " IEEE Transaction on Speech and Audio Processing, Vol. 2, No. 2, pp. 320-328, April 1994. 针对房间内 多个位置点采集的多组传递函数， 提出了基于共声学极点模型的房间传递函数融 合算法， 减少了房间模型的估计参数， 提高了计算速度。

文献 3 Aki— iiarma, Matt— ί Kar jalainen, Lauri Savioja, Vesa Valimaki, Unto K Laine, and jyr Huopanierni, ⁱ⁽ Fr e qu e n c ~ warp e d signal processing for audio application, " J, Aud o Eng. Soc, , Vol. 48 _; No. 11， p, 1011-1029, November 2000, ——提出基于弯折频率域的响应均衡方法 利用线性预测编码 （Linear Predictive Coding—— LPC)方法计算弯折频率域内的均衡器参数，从� �提高对低频区域的均衡能力。 传统的声重放系统均衡方法， 都是基于对系统脉冲响应函数进行分析， 拟合这些脉冲响 应函数的零极点模型， 再通过零极点倒置找出系统的逆滤波器响应， 从而获得了声重放 系统的均衡器参数。 这些方法的参数估计过程都是依赖于最小均方 误差 （Least Mean Squares一一 LMS) 算法或者线性预测编码 （LPC) 算法的单次估计来计算均衡器的参数， 这种基于单次估计方法所获得的逆滤波器参数 与理想的逆滤波器参数之间仍然存在着一 定程度的偏差， 这些偏差将造成均衡后的声重放系统频响曲线 在一些频带内仍有较为明 显的峰谷起伏性， 仍未达到较为理想的频响平直特性。 这些均衡后频响曲线的峰谷起伏 特性是 均衡器的参数误差所造成的， 为了削弱均衡后频响曲线的峰谷起伏特征， 需要 进一歩提高均衡器的参数估计精度， 因此需要寻找更为精确有效的均衡器参数估计 方法。 针对现有基于单次 LMS或者单次 LPC参数估计算法， 在系统均衡器参数估计方面所存在 的一定误差缺陷， 需要考虑采用多次迭代估计的方法， 通过多次迭代操作使所估计的级 联均衡器响应逐歩逼近理想的系统逆滤波器响 应， 减少均衡器的参数估计误差， 从而保 证均衡后频响曲线具有更好的平直特性。

发明内容

本发明的目的在于克服基于单次 LMS或者单次 LPC参数估计算法在系统均衡器参数估计 方面所存在的一定误差缺陷， 提供一种离线迭代的声重放系统频响均衡方法 和装置。 为了达到上述目的， 本发明一方面提供一种离线迭代的声重放系统 频响均衡方法， 如图 1 所示， 包括如下歩骤：

( 1 ) 利 测量仪器获取待均衡系统的脉冲响应序列；

( 2) 选取噪声信号， 利用选取的噪声信号与脉冲响应序列的卷积获 取反馈信号；

( 3) 结合噪声信号和反馈信号， 利用逐次迭代的最小二乘准则依次估计出各级 均衡器的 参数；

( 4) 级联各级均衡器， 生成合成均衡器；

( 5) 利 合成均衡器的参数更新有限脉冲响应 (Finite Impulse Response—— FIR) 滤 波器系数， 完成系统频响均衡。

进一步地， 步骤 （1 ) 中的利用测量仪器获取待均衡系统的脉冲响应 序列， 具体歩骤可以 是: 通过测量仪器发出噪声信号， 用传声器采集和记录 ώ噪声激励所产生的系统餘冲响 应序列。 按照声重放系统的均衡环 和目标的差异， 如图 2所示， 可以将脉冲响应的测 量分为以下:三种情况- 情况 如果声重放系统仅需要均衡信号处理和功放所 组成电路部分的系统响应， 则在脉 冲响应测试时， 仅测试和记录由噪声激励所产生的功放输出端 的脉冲响应序列。

情况 2 _: 如果声重放系统需要均衡电路部分和扬声器部 分所组成系统的响应， 则在脉冲响 应测量时， 将传声器置于空间期望位置点， 溯量和记录由噪声激励所产生的该点处的脉 冲响应序列。

情况 3: 如果声重放系统需要均衡电路部分、扬声器部 分和外部环境三者所组成系统的响 应， 则在脉冲响应測量时， 将传声器依次置于空间多个位置点， 记录多个位置点上的脉 冲响应序列， 并按照一定的融合方式对多位置点的脉冲响应 进行平均化处理， 获得平均 后的餘冲响应序列。

进一步地， 歩骤 （2 ) 中的选取噪声信号， 这种噪声信号可以为指定带宽的白噪声序列或 者最大长度序列 （Maximum Leng th Sequence—— MLS ) 所产生的噪声信号， 这种信号呈 现平坦的功率谱特性， 以用于训练出自由场或混响场内扬声器到传声 器位置点的传递函 数； 根据实际测量所获得脉冲响应序列的长度 L _s 来选取噪声信号的序列长度 10 X 进一步地， 步骤 （2 ) 中的利用噪声信号与脉冲响应序列的卷积获取 反馈信号， 其具体实 现如下- a. 假设噪声信号的时域序列矢量为：

其中， Ν是噪声信号时域离散序列的采样点数： 假设经测量仪器测量获得的声重放系统的 式：

其中， Μ为系统时域餘冲响应的序列长度； 联合噪声序列和声重放系统的时域脉冲响应序 列， 获得反馈信号的时域序列矢量表达式为- r：:: [r(0) r(l ) · · · r(;V - l) 其中 "*"代表两个序列矢量之间进行卷积操作。

更进一步地， 在进行噪声序列和脉冲响应序列的卷积操作^, 已经将卷积后所获得反馈 信号序列的头部切除掉长度为 M的序列部分， 从而获得了长度为 N的反馈信号序列。 进一步地， 步骤 （3 ) 中的结合噪声信号和反馈信号， 利用逐次迭代的最小二乘准则依次 估计出各级均衡器的参数， 其具体实现流程如下- 如图 3所示， 在第 1次迭代时， 假定待求的第 1级均衡器的时域脉冲响应序列的长度为 L ( L>M), 则该响应序列矢量表示为：

^L/：：：： [¾,o :i … -: 结合声源信号 和第 1级均衡器处理后的反馈信号^ ， 根据最小二乘准则， 计算出使声 源信号 s»和均衡后反馈信号 之间的误差功率取最小值^的均衡器脉冲响应� �量，作为 第 1次迭代所设计的第 i级最优均衡器响应矢量的估计值， 其表达式为：

arg mm

(！)

其中， ^K NX L维的数据矩阵， 其表达式为:

此时第 1级均 衡器的参数估计值为: 对第 1级均衡器的参

其中， 是矢量 的转置矢量； 反馈信号 r经由第 1级均衡器 ^处理后， 得到经第 I次均衡后的反馈信号表达式为-

r * li (〗 '' 结合第 1次均衡后的反馈信号 和声源信号 ，计算出经第 1级均衡器处理后的反馈信

(1)

号与声源信号之间的均方根误差值 ^e 其表达式如下 _:

厂

N b. 按照步骤 a中均衡器参数的估计过程， 继续完成第 1、 2、 …、 k- 1个均衡器的参数估 计， 假设在完成第 k 1个均衡器参数估计的基础上， 如图 3所示， 第 k个均衡器参数的 估计过程如下- 经前 k 1级均衡器滤波处理后的反馈信号 表示为:

经前 k- 1级均衡器滤波处理后的反馈信号 再经 ώ待求的第 &级均衡器^处理后，得 到经前 k级均衡器^理后的反馈信号表达式为：

. 、， o

结合声源信号 ^S «和经前 k级均衡器处理后的反馈信号 ， 根据最小二乘准则， 计算出使 声源信号 和均衡后反馈信号 ^之间误差功率取最小值时的均衡器参数矢量� � 作为第 k :设计的第 级最优均衡器参数矢量的估计值， 其表达式为-

= ar min

R

其中， ^ ^Vx 是NXL维的数据矩阵， 其表达式为：

¾0<(ΐ--ΐ)--(/--/)<Λ' -1

,— h

此时第 k个均衡器的参数估计值为： ，对第 k个均衡器的参 数估计值 进行归一化处理， 得到 其中， ^i8<¾ 是矢量 ⁱ 的转置矢量； 经前 k- 1 级均衡器滤波处理后的反馈信号 再经 由第 k级均衡器"^处理后， 得到经前 k级均衡器处理后的反馈信号， 其表达式为: 结合经前 k级均衡器处理后的反馈信号 和声源信号 ， 计算出; f器处理后 的反馈信号与声源信号之间的均方根误差值 )， 其表达式如下：

N c. 按照步骤 b中均衡器参数的估计过程， 继续完成第 k -l、 k+2、 …、 K个均衡器的参数 估计， 在完成第 K个均衡器的参数估什后， 均衡根误差值 e 小于 ]¾户设定的期望均方根 误差 ⁶ 算法不再继续计算下一级均衡器的参数， 停止迭代。

更进一步地， 在估 if均衡器参数的迭代计算过程中， 算法一直监视均衡根误差值 ^eW 的大 小， 在每次迭代完成后都与用户设定的期望均方根 误差^进行比较， 并控制迭代循环的 运行。 例如， 在第 k+1次迭代开始之前， 如果 ^e ' > , 那么继续执行 k+l次迭代； 如果 ^e 、 ^≤ 则停止迭代。

进一歩地， 步骤 （4) 中的级联各级均衡器， 生成合成均衡器， 其实现过程如下：

£,(1) £(2) h (-K) 由 K次迭代估 '所获得的这 K个均衡器的参数估 '值分别为： W、 ^ QN ^ …、 ^ Q^ 由 这 κ个均衡器级联所形成的合成均衡器"^ 的表达式为:

； iu,.

其中 "*"代表时域矢量序列之间的卷积操作。

进一步地， 步骤 （5) 中的利用合成均衡器的参数更新 FIR滤波器系数， 完成系统频响均 衡， 其具体实现如下： 在获得合成均衡器^ ^J ；的基础上， 将合成均衡器的参数估计值 )¾于更新有限脉冲响应 滤波器的系数， .从而实现系统频响的均衡操作， 如图 4所示。 假设声重放系统输入的声 源信号时域序列矢量为： s - [v(0) … Λ·(Λ'' 1 经合成均衡器 ¹ ^^'"" 处理后的声源信号可以表示为： ; _q (- Of

经合成均衡器处理后的声源信号， 通过功率放大器放大后送至扬声器端， 从而驱动扬声 器辐射声波， 通过这种均衡处理操作， 从扬声器到听者位置点处的声场传递函数得到 了 均衡， 其传递函数响应曲线的峰谷得到了抑制， 从而提高了声重放信号的质量。

本发明提供的另一技术方案为： 一种离线迭代的声重放系统频响均衡装置， 如图 5所示， 它包括：

声源， 是系统待重放的声信息：

数字信号处理器， 与声源的输出端相连接， 按照合成均衡器的参数估计值对 户选定的 输入信号进行均衡处理， 并将均衡后信号送至功放输入端；

功率放大器， 与数字信号处理器的输出端相连接， . 于对均衡处理后的信号进行功率放 大， 以驱动扬声器发声；

扬声器， 与功率放大器的输出端相连接， 用于电声转换以便将声源信号重放到空气中。 进一步地， 声源为来自于各种模拟装置所产生的模拟声源 信号， 或者为各种数字装置所 产生的数字编码信号， 或者为无线网络传输信号。 无线网络传输信号为无线发射装置传 送来的广播信号并通过无线接收器进行接收和 解调获得用户指定的声源信号。 当声源为 模拟声源信号 ， 需要借助模数转换器， 将模拟信号转换为系统指定的数字输入格式； 当声源为数字编码信号时， 需要在数字信号处理器内部将该数字编码信号 转换为系统指 定的数字输入格式； 当声源为无线网络传输信号时， 需要将无线接收器解调的信号转换 为系统制定的数字输入格式。

进一步地， 功率放大器的输入接 T可以分为两种类型： 郎数字输入接口和模拟输入接口。 当功率放大器具有数字输入接口时， 则可以直接对数字信号处理器送来的数字信号 进行 功率放大处理后再送至扬声器端， 因此功率放大器直接与数字信号处理器相连接 ； 如果 功率放大器仅具有模拟输入接口， 则需要依靠数模转换器， 将数字信号处理器送来的数 字信号转换为模拟信号后再进行功率放大处理 ， 最后送至扬声器端， 因此功率放大器与 数字信号处理器之间连接有数模转换器。 进一步地， 扬声器并不局限于单一的扬声器单元， 扬声器的实现形式可以为单个扬声器 单元； 也可以为多个扬声器单元组成的扬声器阵列， 并且该阵列的形状可以根据扬声器 单元数量和实际应用需求进行排列， 组成适合于实际应用需求的各种阵列形状。

通过采用上述技术方案， 本发明与现有技术相比， 其优点在于-

1. 与传统的基于单次 LMS或者单次 LPC参数估汁算法相比， 本发明所提出的基于多次迭 代的声重放系统频响均衡方法， 通过增加级联均衡器的数量和增加每级均衡器 的阶数， 可以明显提升合成均衡器的通道响应均衡能力 ， 使均衡后的系统整体频响曲线更为平直。

2. 本发明所提出的离线迭代均衡方法， 仅需要通过测量仪器获取待均衡系统的脉冲响 应 曲线， 其基于多次迭代的多级均衡器的参数估计过程 和合成均衡器的生成过程都是在个 人计算机 （PC机） 上通过软件进行离线什算来获得的。 在实际使甩均衡器的时候， 仅需 要在系统硬件中利用合成均衡器的参数估计值 去更新 F iK滤波器的系数就可以完成系统 整体的频响均衡操作， 而且这种 FIR滤波器可以在低成本的 DSP和 FPGA等数字信号处理 器件中实现， 这种离线均衡方式的均衡器硬件制作成本较低 ， 实现较为简单。 这种离线 计算在线均衡的方法， 节省了硬件资源的消耗， 从而减少了均衡器的实现成本。

3. 本发明所提出的迭代均衡方法， 能够通过增加迭代均衡的次数， 即增加级联均衡器的 数量， 来实现对用户期望的整个宽频带内频响进行更 为平直的均衡处理， 其对于低频带 內频响的均衡能力要明显优于传统的均衡方法 。

4. 传统的均衡器参数估汁方法， 需要通过时频域的变换以获取最小相位响应分 量， 实现 复杂繁锁。 与传统的均衡器参数估计方法相比， 本发明所提出的迭代均衡方法， 直接在 时域内分析噪声信号和反馈信号， 并直接在时域内完成均衡器的参数估计， 其信号处理 流程及硬件实现较为简单。

5. 本发明通过对多个已估计的均衡器进行级联生 成单一的合成均衡器， 在实际应 ]¾中， 使用单个合成均衡器来执行通道的均衡操作， 实现简单可靠。

6. 本发明所采用的离线什算方式， 依赖计算机强大的信息处理能力， 在解决混响环境下 的声重放均衡任务时， 能够快速的完成空间多位置点的脉冲响应融合 处理， 便于处理复 杂的计算任务， 从而可以解决更为复杂环境下的声场均衡任务 。

图说明

图 1表示本发明的一种离线迭代的声重放系统频� �均衡方法和装置的信号处理流程图； 图 2表示本发明的一种离线迭代的声重放系统频� �均衡方法和装置的三种不同环节的均 衡处理示意图；

图 3表示本发明的一种离线迭代的声重放系统频� �均衡方法和装置的多级均衡器的参数 估计示意图， 其中 ,为白噪声声源， ^为经均衡处理后的声源信号- 图 4表示本发明的一种离线迭代的声重放系统频� �均衡方法和装置的合成均衡器的实现 过程示意图， 其中 ^τι)为输入声源信号， ^; ² ^为经合成均衡器处理后的输入信号； 图 5表示本发明的一种离线迭代的声重放系统频� �均衡装置的各组成模块的示意图； 图 6表示本发明实施例中待均衡声重放系统的脉� �响应曲线图；

图 7表示本发明实施例中选定噪声源信号的时域� �形图；

图 8表示本发明实施例中利 . 噪声序列和脉中响应序列卷积所生成反馈信号 的 域波形 图；

图 9表示本发明实施例中系统未施加均衡、 经 1次迭代均衡和经 10次迭代均衡后系统频 响曲线对比图。

图中标号为： 1、 声源； 2、 数字信号处理器： 3、 功率放大器； 4、 扬声器。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详 细阐述， 以使本发明的优点和特征能更易于 被本领域技术人员理解， 从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的 界定。

目前， 传统的声重放系统均衡方法， 都是基于对系统脉冲响应函数进行分析， 拟合这些 餘冲响应函数的零极点模型， 再通过零极点倒置找出系统的逆滤波器响应， 从而获得了 声重放系统的均衡器参数。 这些方法的参数估计过程都是依赖于最小均方 误差 （LMS ) 算 法或者线性预测编码 （LPC) 算法的单次估什来汁算均衡器的参数， 这种基于单次估计方 法所获得的逆滤波器参数与理想的逆滤波器参 数之间仍然存在着一定程度的偏差， 这些 偏差将造成均衡后的声重放系统频响曲线在一 些频带内仍有较为明显的峰谷起伏性， 扔 未达到较为理想的频响平直特性。 为了克服基于单次 LMS或者单次 LPC参数估计算法， 在系统均衡器参数估计方面所存在的一定误差 缺陷， 本发明提出了一种离线迭代的声重 放系统频响均衡方法和装置， 通过采用多次迭代的最小二乘估计方法逐级什 算出多个级 联均衡器的参数值， 这些各级均衡器级联所形成的合成均衡器能够 更好的逼近于系统理 想的逆滤波器响应， 丛而减少了均衡器的参数估 if误差， 保证了均衡后系统频响曲线具 有更好的平直特性。本发明通过增加级联均衡 器数量和增加各级均衡器的阶数,可以明显 提升均衡器的响应均衡能力，同时通过离线计 算在线均衡的方式，依赖计算机强大的信息 处理能力， 能够解决复杂环境下的声场均衡任务。

如图 5所示， 制作一个依据本发明的离线迭代的声重放系统 频响均衡装置， 其主体由声 源 1、 数字信号处理器 2、 功率放大器 3、 扬声器 4等组成。

声源 i， 为用户指定的待重放信号。

数字信号处理器 2， 与所述声源 1的输出端相连接， 在硬件实现上可以由 DSP或者 FPGA 作为核心处理器来实现， 基于合成均衡器的参数估计值对有限脉冲响应 滤波器的系数进 行更新， 从而实现对声重放系统的均衡处理。

功率放大器 3, 与所述数字信号处理器 2的输出端相连接， 对数字信号处理器 2送入的数 字信号进行数模变换和功率放大^理。 扬声器 4, 与所述功率放大器 3的输出端相连接， 实现电声变换， 在空气中重放声信号。 扬声器 4为口径为 3. 5寸、 额定功率为 10瓦、 直流电阻为 4欧姆、 置于封闭箱体内的扬 声器。

在本实施例中， 我 利用测量仪器测试和记录扬声器前方轴线上 1 米远处的脉冲响应曲 线， 如图 6所示， 测量仪器记录的脉^响应序列的长度为 200点、 采样频率为 23. 8KHz。 选定噪声序列为白噪声序列，其采样频率也为 23. 8KHz， 比特位数为 16，序列长度为 2048 点， 其时域信号波形如图 7所示。 利 . 噪声序列和脉中响应序列的卷积获取反馈信号 ， 其时域信号波形如图 8所示。假设待估 '的各级均衡器的阶数均为 600, 设置迭代均衡的 次数为 10。

图 9给出了在未均衡、 经 ί次迭代均衡和经 ίθ次迭代均衡三种情况下， 系统频响曲线的 对比图。 对比这 Ξ:组曲线可以看出， 在未施加均衡器的情况下系统频响曲线在 1. 5ΚΗζ〜 4. 5ΚΗζ 的频带范围内存在着非常明显的峰值； 在第 1_ 次迭代均衡处理后， 系统在在 I. 5ΚΗζ〜4. 5ΚΗζ的频带范围内的峰值已经得到了消除，� �是在 i. 5ΚΗζ频点附近的区域内 系统频响曲线 ί¾有小量的起伏， 同时在 iOO Hz〜200 Hz的频带内， 系统频响曲线扔有较 大程度的起伏； 在经 10次迭代均衡处理后， 系统在 L 5KHZ频点陪近区域内的少量起伏 已经得到了消除， 同时在 100 Hz〜200 Hz频带内的幅度峰值也得到了较大程度的抑制� �� 对比第 1次迭代均衡和第 10次迭代均衡处理后的频响曲线， 可以看出： 通过增加迭代次 数， 本发明所提出的迭代均衡方法， 能够明显改善系统均衡后频响曲线的平直程度 ， 这 说明本发明所提出的多次迭代均衡方法， 较传统均衡方法相比， 具有更好的均衡效果， 经其均衡后的频响曲线将会更为平直。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特 点， 其目的在于让熟悉此项技术的人士能够 了解本发明的内容并据以实施， 并不能以此限制本发明的保护范围。 凡根据本发明精神 实质所作的等效变化或修饰， 都应涵盖在本发明的保护范围之内。