一种数字声场音频信号处理方法技术

一种数字声场音频信号处理方法，首先对冲激响应和信号的低频段进行抽取以降低采样率，抽取后的冲激响应构成ＦＩＲ滤波器，经同样倍数抽取后的信号通过这个滤波器后再进行零值内插，然后通过一个低通滤波器输出，这构成了系统的低频处理部分，冲激响应的高频部分在时间ｎ稍长时为零，直接将其截断后构成高频段的ＦＩＲ滤波器，由此获得信号高频部分的输出，中频段的处理结合了上述两种方法，首先对冲激响应的中频段进行抽取并适当截断从而构成ＦＩＲ滤波器，用同样倍数抽取后的信号通过这个滤波器后再进行零值内插，然后通过一个适当的低通滤波器输出，上述方法通过抽取和截断使要处理的数据量获得大幅度减少，并且计算结构简单易行。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及种数字声场音频信号处理方法。
技术介绍
数字声场处理器用于产生多重音响效果。由于它的冲激响应具有很长的长度(典型长度为1秒，44000个样点)，因而在实时性、存储量和延迟等方面给它的设计造成很大的困难。Schroeder的混响器(Sophocles J.Orfanidis.信号处理导论.北京清华大学出版社，1999.367-377.)是最早使用带有全通频响的IIR滤波器，后来的研究人员在几个方向扩展了他的思路，然而绝大部分工作都没有公开发表(David Griesinger.Practical processors and programs for digital reverberation.Proceedings of theAES 7thInternational conference Audio Engineering Society，1989.)。事实上，根据我们的实验，无论是用FIR滤波器还是IIR滤波器来实现数字声场处理器都存在严重的问题。鉴于数字声场处理器冲激响应的长度，FIR滤波器固然是不可行的(计算量和存储量都太大)，IIR滤波器也存在着严重的稳定性和误差太大的问题。另一方面计算快速卷积包括大点数的卷积已有成熟的方法，例如采用各种快速变换算法如快速付里叶变换(FFT)、快速哈特来变换(FHT)的重叠保留法和重叠相加法。但这通常用于冲激响应序列较短的情形。对于冲激响应比较长的系统，如数字混响效果器，其典型的冲激响应长达40000点左右，直接采用上述方法，将需要大量的存储空间。例如采用FHT的重叠相加法，至少需要5·40000＝200k的存储空间。如果是采用FFT的重叠相加法，则存储量还要加倍。而事实上，TMS320C5402 DSP芯片的片内存储器只有16k字。需要我们做进一步的改进设计。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是提供一种音频信号的数字声场处理方法，它使处理的数据量获得大幅度减少，并且计算结构简单易行，为采用数字信号处理器芯片在误差可以容忍的条件与没有额外的片外存储器情况下进行实时处理奠定技术基础。本专利技术解决上述技术问题所采用的技术方案为一种音频信号的数字声场处理方法，其特征在于采用数字信号处理器；低频输出部分，对冲激响应的低频段进行抽取以降低采样率，抽取后的冲激响应构成低频段的滤波器，经同样倍数D1抽取后的低频段的音频信号通过所述低频段的滤波器，再进行零值内插，然后通过一个相应的低通滤波器输出，构成了数字声场音频信号的低频输出部分；中频输出部分，对冲激响应的中频段进行抽取，然后对中频段抽取后的冲激响应进行适当截断从而构成中频段的滤波器，用同样倍数D2抽取后的中频段音频信号通过所述的中频段的滤波器后，再进行零值内插，然后通过一个相应的低通滤波器输出，构成了音频信号的中频输出部分；而在高频输出部分，直接将冲激响应的高频部分适当截断后构成高频段滤波器，相应高频段音频信号经过这个高频段滤波器处理，获得音频信号的高频输出部分；低频输出部分、中频输出部分与高频输出部分组合成为完整的数字声场处理后的音频信号。有益的是，对所述输入音频信号低频段、中频段和高频段的处理都采用FIR滤波器。计算结构简单，避免了IIR滤波器引起的系统不稳定问题。此外，所述的低频段的音频信号是待处理音频信号经过截止频率ω1的低通滤波器获得，中频段的音频信号是待处理音频信号经过下限频率ω1、上限频率ω2的带通滤波器获得，超过上限频率ω2的音频信号就为高频段音频信号，实现方法简单可靠，而且，所述的截止频率和下限频率ω1推荐采用2.2KHz，上限频率ω2推荐采用4.4KHz，高频为4.4KHz以上，与传统的音频信号分类一致。冲激响应的高、中、低频段采用上述相应滤波器事先获得并存在TMS320C5402 DSP芯片内。进一步改进，所述的冲激响应的高频部分截断，根据存储量、计算量、误差进行权衡后设定截断点N3，优选1400；冲激响应的中频部分截断根据存储量、计算量、误差进行权衡后来设定截断点N2，优先2000，从而使数字信号处理器在有限硬件资源情况下如没有外挂存储器也可以进行实时处理，而误差较小，能够容忍和满足用户的需要。而所述抽取倍数D1、D2的选择则根据采样定理和输入音频信号的低、中频分量的最高频率而定。依据前述推荐选用的ω1和ω2的值，选定抽取倍数D1为10，抽取倍数D2为5。最后，所述的数字声场处理器采用TMS320C5402 DSP芯片，在不带额外的片外存储器情况下进行实时处理。与现有技术相比，本专利技术的优点在于将冲激响应划分为高中低频三部分，然后分别进行处理，从而使处理的数据量获得大幅度减少，并且计算结构简单易行，理论分析和仿真表明，适当调整有关参数如抽取倍数，截断点，分频点，对于TMS320C5402 DSP芯片来说，能够在使误差可以容忍的条件下达到实时处理，不需额外的片外存储器。附图说明图1.某典型混响系统冲激响应h(n)图1a冲激响应h(n)低频段部分示意1b冲激响应h(n)中频段部分示意1c冲激响应h(n)高频段部分示意2为低频部分的计算框3中频部分的计算框4一段音乐信号x(n)具体实施方式以下结合附图实施例对本专利技术作进一步详细描述。在本实施例子中，我们提出一种不设片外存储器并能实时处理的设计方法。代价是设计出的声场处理器有一定的误差。我们的目的是用TMS320C5402 DSP芯片实现数字声场处理器，且不设片外存储器。该芯片的片内存储器容量为16k字，速度为101-103MIPS(Million Instruction PerSecond)。音频信号采样频率为44kHz，根据实时处理的要求，每个信号采样周期可以运行2300个指令。我们的基本想法是将冲激响应划分为高中低频三部分，然后分别进行处理。首先对冲激响应和信号的低频段进行抽取以降低采样率，抽取后的冲激响应构成FIR滤波器，经同样倍数抽取后的信号通过这个滤波器后再进行零值内插，然后通过一个低通滤波器输出，这构成了系统的低频处理部分。冲激响应的高频部分在时间n稍长时，即其“高时”部分的能量趋于零。因而直接将其截断后构成高频段的FIR滤波器，由此获得信号高频部分的输出。中频段的处理结合了上述两种方法，首先对冲激响应的中频段进行抽取并适当截断从而构成FIR滤波器，用同样倍数抽取后的信号通过这个滤波器后再进行零值内插，然后通过一个适当的低通滤波器输出。上述方法通过抽取和截断使要处理的数据量获得大幅度减少，并且计算结构简单易行。理论分析和仿真表明，适当调整有关参数如抽取倍数，截断点，分频点等，对于TMS320C544402 DSP芯片来说，能够在使误差可以容忍的条件下达到实时处理，不需额外的片外存储器。具体的设计过程如下数字声场处理器的设计设混响系统长度为N的冲激响应为h(n)(n＝0，1，2，...N-1)，则输入音频信号x(n)通过该数字混响器的输出为y(n)＝x(n)*h(n) (1)若将h(n)用低通滤波器(截止频率为ω1)和带通滤波器(截止频率为ω1和ω2)分隔为低频部分h1(n)，中频部分h2(n)和高频部分h3(n)之和，则y(n)＝y1(n)+y2(n)+y3(n)＝x(n)*h1(n)+x(n)*h2(n)+x(本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种数字声场音频信号处理方法，其特征在于：采用数字信号处理器；低频输出部分，对冲激响应的低频段进行抽取以降低采样率，抽取后的冲激响应构成低频段的滤波器，经同样倍数Ｄ１抽取后的低频段的音频信号通过所述低频段的滤波器，再进行零值内插，然后通过一个相应的低通滤波器输出，构成了数字声场音频信号的低频输出部分；中频输出部分，对冲激响应的中频段进行抽取，然后对中频段抽取后的冲激响应进行适当截断从而构成中频段的滤波器，用同样倍数Ｄ２抽取后的中频段音频信号通过所述的中频段的滤波器后，再进行零值内插，然后通过一个相应的低通滤波器输出，构成了音频信号的中频输出部分；而在高频输出部分，直接将冲激响应的高频部分适当截断后构成高频段滤波器，相应高频段音频信号经过这个高频段滤波器处理，获得音频信号的高频输出部分；低频输出部分、中频输出部分与高频输出部分组合成为完整的数字声场处理后的音频信号。

【技术特征摘要】
1.一种数字声场音频信号处理方法，其特征在于采用数字信号处理器；低频输出部分，对冲激响应的低频段进行抽取以降低采样率，抽取后的冲激响应构成低频段的滤波器，经同样倍数D1抽取后的低频段的音频信号通过所述低频段的滤波器，再进行零值内插，然后通过一个相应的低通滤波器输出，构成了数字声场音频信号的低频输出部分；中频输出部分，对冲激响应的中频段进行抽取，然后对中频段抽取后的冲激响应进行适当截断从而构成中频段的滤波器，用同样倍数D2抽取后的中频段音频信号通过所述的中频段的滤波器后，再进行零值内插，然后通过一个相应的低通滤波器输出，构成了音频信号的中频输出部分；而在高频输出部分，直接将冲激响应的高频部分适当截断后构成高频段滤波器，相应高频段音频信号经过这个高频段滤波器处理，获得音频信号的高频输出部分；低频输出部分、中频输出部分与高频输出部分组合成为完整的数字声场处理后的音频信号。2.根据权利要求1所述的数字声场音频信号处理方法，其特征在于对所述输入音频信号低频段、中频段和高频段的处理都采用FIR滤波器。3.根据权利要求1所述的数字声场音频信号处理方法，其特征在于所述的低频段的音频信号是待处理音频信号经过截止频率ω1的低通滤波器获得，中频段的音频信号是待处理音频信号经过下限频率ω1、上限频率ω2的带通滤波器获得，超过上限频率ω2的音频信...

【专利技术属性】
技术研发人员：李萍，张秀丽，
申请(专利权)人：浙江万里学院，
类型：发明
国别省市：97[中国|宁波]