[发明专利]频域中的虚拟低音的相加

说明书

公开了频域中的虚拟低音的相加。提供了用于对音频信号进行处理以添加虚拟低音的系统、方法和技术。在一个代表性实施例中，一种设备包括：(a)输入线，输入原始音频信号；(b)变换模块，将原始音频信号变换成频率分量的集合；(c)低音提取滤波器，提取这样的频率分量的低音部分；(d)估计器，估计这样的低音部分内的低音声音的基频；(e)频移器，将低音部分偏移作为估计器估计的基频的整数倍的频率，从而提供虚拟低音信号；(f)加法器，具有(i)耦合到原始音频信号和虚拟低音信号的输入以及(ii)输出；以及(g)音频输出装置，耦合到加法器的输出。

技术领域

本发明涉及系统、方法和技术，其用于对音频信号进行处理以为收听者提供更强的低音印象，或者换言之，以便将“虚拟低音”与音频信号相加，例如以使得可以通过没有良好低音产生特性的扬声器或其它音频输出装置进行播放。

背景技术

平板电视机和移动装置的出现加速了小型扬声器的广泛使用，公知小型扬声器具有差的低音(即，低频)性能。由于收听者对声音质量的总体印象较强地受到低音性能的影响，因此该特性通常使得小型扬声器处于不利位置。因此，非常期望改进所感知的低音性能，尤其是对于包括小型扬声器的装置。

提升低音性能的传统方法是简单地放大音频谱的低频部分，从而使得低音听起来更大声。然而，由于当在低频将电能转换为声能时小型扬声器通常具有差的效率，从而引起诸如电池消耗和过热的问题，因此这样的方法的有效性大大受到限制。潜在的更严重的问题在于，低频的放大可以引起扬声器线圈的过度偏移，从而导致失真，并且在一些情况下，导致对扬声器的损坏。

替选方法是利用“虚拟音调(virtual pitch)”的音质效果。对于用于示出该效果的简单示例，考虑基频F0为100赫兹(Hz)的音调。尽管可以通过播放100Hz的纯音在人耳中产生100Hz音调的感觉，但是乐器和人类声带通常使用具有合成谐波结构(诸如100Hz、200Hz、300Hz等)的声调集合产生该感觉，这也可以提供更完整的(和区分的)声音质量。更有意思的在于，100Hz的基频处的声调对于人类具有听到100Hz音调的感觉是不必要的。即使100Hz的声调丢失，200Hz、300Hz、400Hz等的谐音的集合也可以产生100Hz音调的感觉。人耳显然可以仅根据谐音而推出音调。该现象称为虚拟音调。

虚拟音调的概念的一个分支在于，不需要物理地产生基频F0处的声调以便产生F0处的音调的感觉。当应用于小型扬声器的低音增强时，这意味着不需要在小型扬声器低效的低频浪费能量。替代地，可以通过使用扬声器在产生方面更高效的较高频率声调而产生类似的低音印象。只要提供了适当的谐波结构，虚拟音调效果就可以足够强以产生强的低音感觉。该一般方法在这里称为虚拟低音(virtual bass)。

早期的虚拟低音技术在时域中工作并且一般包括以下步骤：

1.使用带通滤波器从输入音频信号提取低频分量以形成低音信号；

2.通过经由非线性装置馈送低音信号而生成较高阶的谐波；

3.使用带通滤波器选择高阶谐波的一部分(虚拟音调)；以及

4.将所选择的高阶谐波与原始信号相加。

然而，本发明人意识到对于该方法存在问题，包括非线性装置引入了互调失真，这会显著降低音频质量。

更近期的技术使用相位声码器(phase vocoder)而在频域中工作，例如，如下：

1.使用短时傅立叶变换(STFT)将输入音频信号变换到离散傅立叶变换(DFT)域；

2.将低频谐音的频率线性地按比例提高至扬声器可以有效地产生声音的频率；

3.使用按比例提高后的谐波频率来驱动正弦波叠加合成器(sum-of-sinusoidssynthesizer)对时域虚拟低音信号进行合成；以及