一种高保真扬声器重放系统设计方法技术方案

本发明专利技术公开了一种高保真扬声器重放系统设计方法，用于提高扬声器重放声音的音质，包括以下步骤：首先将扬声器频响分为低频响应和高频响应，对低频响应，利用虚拟低音增强技术获得逼真的低音听感，对高频响应，使用向量拟合算法建立频域IIR模型，并通过SVD‑Krylov降阶算法完成模型简化；然后将低阶模型分解为最小相位系统和全通系统，分别完成幅度均衡和残留相位均衡，实现扬声器高频均衡；最后对虚拟低音重放和高频均衡重放进行同步处理，实现扬声器全频带的高保真重放。本发明专利技术在实现扬声器高保真重放的同时，降低了算法时间成本，避免了预回声的发生。

【技术实现步骤摘要】
一种高保真扬声器重放系统设计方法
本专利技术涉及音频的数字处理
，具体涉及一种高保真扬声器重放系统设计方法。
技术介绍
尽管扬声器系统的设计方法和制造工艺在不断进步，它仍然是声重放链路中最为薄弱的环节。高保真扬声器重放系统，其传输函数的幅频响应表现为一条平坦的直线，相频响应是线性的，能够重放出无损音质的音频信号。但是实际扬声器系统由于制造工艺不足，其幅频响应曲线表现出或大或小的峰谷，相频响应曲线表现出非线性，使重放音质必不可免地存在失真，无法还原出真实的声音。数字均衡技术是消除扬声器失真的重要手段，设计准确而高效的均衡滤波器是实现高保真扬声器重放系统的关键。传统的扬声器均衡方法大多只关注了扬声器的幅度特性，而忽略了相位特性。在扬声器幅度均衡算法中，常常采用数字参数滤波器作为均衡滤波器，这种方法把扬声器幅频特性曲线的包络划分为一个个峰谷区域，对每一个区域寻找合适的参数来设计相应的参数滤波器，并通过随机优化的手段对参数的值进行调整，以期望获得具有比较好逆特性的滤波器，来抵消扬声器幅频曲线的峰和谷，然后由把所有滤波器级联起来形成整个均衡滤波器。这种方法的主要缺点在于无法寻找出准确的逆参数，而且对于衰减超过10dB以上的峰谷会出现过补偿的问题，导致扬声器毁坏，如果做出保护方案，那么均衡精度又会大打折扣。通过先建立扬声器系统的数学模型，再对数学模型进行逆变换得到准确的逆滤波器的方法，成为了扬声器均衡的新趋势。这种方法不仅幅度均衡精度高，而且可以实现扬声器相位均衡。扬声器建模可以在时域和频域进行，频域模型逼近原系统的精度通常更高。向量拟合算法，由于建模求解时不会出现变态矩阵的问题被用于扬声器频域建模，并且通过对模型极点进行迭代重置优化后，可以获得拟合精度很高的扬声器频域IIR模型。但是向量拟合求解以及大量的迭代计算使得算法复杂度很高，尤其当需要建立阶数比较高的扬声器模型时，会因为过大的计算量消耗过多的时间成本。再加上相位均衡中，为了实现所有频率上群延时的一致而人为添加的延时因子，使扬声器重放过程出现了较大的延时，当延时超过200ms时，就会导致预回声的发生，严重影响重放听感。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了降低现有方法的计算复杂度、提高扬声器均衡效率，提供一种高保真扬声器重放系统设计方法。该方法对扬声器系统缺失的低频响应利用虚拟低音增强技术还原出低音听感，对失真的高频响应先建模再对模型进行降阶处理后获得复杂度较低的均衡滤波器，在保证扬声器实现高保真重放的同时，大大降低了算法的时间成本，避免产生预回声。为了达到上述目的，本专利技术采用了下述技术方案：一种高保真扬声器重放系统设计方法，该方法首先将扬声器频响以截止频率划分为低频响应和高频响应；然后保留低频响应不做均衡处理，而是利用虚拟低音增强技术还原出逼真的低音听感；只对高频响应利用向量拟合算法建立扬声器IIR频域模型，并通过高效的SVD-Krylov模型降阶技术对所建扬声器模型进行降阶处理，由降阶模型得到复杂度较低的均衡滤波器，均衡后实现高频无失真重放。其具体步骤如下：(1)由扬声器测试平台测得扬声器的截止频率fc和频率响应的样本数据。(2)由步骤(1)得到的截止频率fc设计低通和高通滤波器，将扬声器频率响应划分相应的低频响应和高频响应。(3)将步骤(2)得到的扬声器低频响应进行虚拟低音增强，使扬声器重放出的低频信号具有逼真的低音听感。(4)对步骤(2)得到的扬声器高频响应的样本数据，利用向量拟合算法，建立出相应的IIR频域数学模型。(5)将步骤(4)得到的扬声器高频响应的数学模型，利用SVD-Krylov模型降阶技术进行降阶处理，简化扬声器模型的复杂度。(6)对步骤(5)得到的低阶扬声器模型，分解为全通部分和最小相位部分，对全通部分进行逆变换得到幅度均衡滤波器，完成扬声器高频段的幅度均衡；对最小相位部分进行残留相位较正，实现扬声器高频段的相位均衡，使扬声器能够对高频信号进行无失真重放。本专利技术的一种高保真扬声器重放系统设计方法与现有技术相比较，具有如下优势：本专利技术不对扬声器进行全频均衡，而是只选择对高频均衡，低音听感通过复杂度相对较低的虚拟低音增强技术来实现，避免了传统全频均衡算法中计算量占比很大的低频均衡；利用向量拟合算法，只对扬声器高频段进行建模，降低了扬声器建模的计算量；选择高效的SVD-Krylov模型降阶技术对扬声器模型进行降阶处理，降低了模型的复杂度，进一步简化了均衡滤波器的设计；在实现扬声器全频高保真重放的同时，大大降低了数字信号处理的时间消耗，提高了设计效率，避免产生预回声。附图说明图1为本专利技术一种高保真扬声器重放系统设计方法的总流程框架示意图。图2为图1中的虚拟低音增强的原理示意图。图3为图1中的扬声器建模的具体流程示意图。图4为图1中的扬声器模型降阶的具体流程示意图。图5为图1中的扬声器均衡的具体流程示意图。具体实施方式下面结合实施例及附图对本专利技术作进一步的详细描述，但本专利技术的实施方式不限于此。本专利技术的一种高保真扬声器重放系统设计方法，如图1所示，具体实施步骤如下：(1)对实施例扬声器在专业测试平台上进行测试，测得其截止频率fc和长度为L点频率响应样本数据，根据截止频率fc设计相应的低通和高通滤波器，低通滤波器频率范围为20Hz～fc，高通滤波器频率范围为fc～20kHz，将扬声器频响分为对应的L1点低频响应和L2点高频响应，其中L1+L2＝L；(2)对20Hz～fc范围的扬声器低频响应，通过成熟的非线性器件生成相应的高次谐波，扬声器不直接重放原来的低频信号，而是通过重放生成的高次谐波信号，利用人耳听觉的虚拟低音现象，使扬声器重放出的高次谐波信号具有逼真的低音听感，如图2所示；(3)对fc～20kHz范围的扬声器高频响应，在设计精确的均衡滤波器的同时，尽量降低设计算法的计算量，具体实施步骤如下：(3-1)利用向量拟合(VectorFitting，VF)算法建立扬声器的IIR频域数学模型，流程如图3所示，具体建模算法如下：a.扬声器高频响应系统函数H(z)用N阶模型去逼近，逼近模型具有极点与留数的形式，其中，d为常数，cn(n＝1,2,…,N)为留数，an(n＝1,2,…,N)为极点，都是待求的未知参数，建模的问题就转化成了求解上述未知参数的问题；b.引入一个特定的有理辅助函数σ(z)，其数学表达式如下其中，极点和留数仍然全为未知的，且与的极点的相同；c.考虑σ(z)与的乘积，并假定系统逼近函数可以用乘积去逼近；d.将式(1)两端同乘上σ(z)，得到下式；e.将式(3)代入式(4)，整理得到下式；f.考虑到L2个已知的样本量H(zk),k＝1,2,…,L2，根据经验为模型的阶数N设定具体的数值，并为极点设定一组合理的初始值，便可以由式(5)推导出下面的线性方程组；Φx＝ξ(6)g.解式(7)的方程组求出所有的参数d，cn和得到模型的初步解；h.使用极点重置迭代来提高模型的精度，用已构建出的模型的极点作为新的起始极点，重新计算向量拟合过程中的线性方程组，解得一组新的极点(如果新极点出现在单位圆外，可以直接进行倒置变换到单位圆内以确保稳定)和留数，使模型精度得到提高，这一过程可以继续下去，成为一个迭代过程，经过若干次迭代计算，反复更新、重置极本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高保真扬声器重放系统设计方法，其特征在于，包括以下处理过程：1)由扬声器测试平台测得扬声器的截止频率fc和频率响应的样本数据；以截止频率fc为界设计相应的低通和高通滤波器，将扬声器频率响应划分为低频响应和高频响应；2)不直接重放截止频率fc以下的低频信号，而是采用非线性器件生成相应的高次谐波分量，利用虚拟低音现象，让扬声器重放出的高次谐波信号具有逼真的低音听感；3)对所述的扬声器高频响应，利用向量拟合算法，建立频域IIR数学模型

【技术特征摘要】
1.一种高保真扬声器重放系统设计方法，其特征在于，包括以下处理过程：1)由扬声器测试平台测得扬声器的截止频率fc和频率响应的样本数据；以截止频率fc为界设计相应的低通和高通滤波器，将扬声器频率响应划分为低频响应和高频响应；2)不直接重放截止频率fc以下的低频信号，而是采用非线性器件生成相应的高次谐波分量，利用虚拟低音现象，让扬声器重放出的高次谐波信号具有逼真的低音听感；3)对所述的扬声器高频响应，利用向量拟合算法，建立频域IIR数学模型并通过一个极点的迭代重置过程提高模型精度；4)对所建立的模型利用SVD-Krylov模型降阶方法进行降阶处理，得到低阶的扬声模型5)对所述的扬声器降阶模型分别进行幅度和相位均衡，实现扬声器高频的无失真重放；6)对所述的低音增强和高频均衡进行同步处理，使扬声器在全频带具备高保真重放性能。2.根据权利要求1所述的一种高保真扬声器重放系统设计方法，其特征在于，所述步骤3)中对所述扬声器数学模型的向量拟合建模过程包括以下步骤：a)扬声器高频响应系统函数H(z)用一个极点与留数的形式的N阶模型去逼近，极点和留数是待求参数；b)引入一个与有相同极点的辅助函数σ(z)，并假设函数用σ(z)与的乘积去逼近，由此整理得到一个线性方程组；c)设定阶数N具体的数值，并为极点设定一组单位圆内的初始值，由测试平台获取高频响应的L2个样本量H(zk),k＝1,2,…,L2，解求上述方程组，得到的初始解；d)用上述初始解的极点作为新的起始极点，重新解上述线性方程组，得到一组新的极点和留数，提高模型的精度；e)上述过程继续下去，成为一个迭代，经过若干次迭代，反复更新、重置极点，不断提高模型精度，直至获得满足精度要求的扬声器模型。3.根据权利要求1所述的一种...

【专利技术属性】
技术研发人员：邹禾灿，方勇，夏志立，史梦杰，
申请(专利权)人：上海大学，
类型：发明
国别省市：上海,31