[发明专利]使用支持扬声器的可变集合的音频预补偿控制器设计

说明书

技术领域

本发明一般地涉及数字音频预补偿，更具体而言涉及数字音频预补偿控制器的设计，该数字音频预补偿控制器产生几个信号到声音生成系统，其目的是为了修改在听音环境中所关注空间区域内的几个测量位置中所测得的被补偿系统的动态响应。

发明背景

一种用于产生或再现声音的系统（包括放大器、电缆、扬声器以及房间声学）将总是影响，经常以不希望的方式，再现声音的频谱、瞬态和空间属性。特别是，放置设备的房间的声学混响对系统的感知音频质量具有相当大并且经常是不利的影响。根据所考虑的频率范围，混响的影响经常有不同的描述。在低频率，混响通常根据共振、驻波或所谓的房间模式进行描述，这些通过在频谱低端中的不同频率处引入强峰和深零点（null）来影响再现声音。在较高频率，混响一般被认为是在来自扬声器自身的直达声之后一段时间到达听者耳朵的反射。

具有很高质量的声音再现一般可以通过使用高质量的电缆、放大器和扬声器的套件，并通过使用例如声学扩散器、亥姆霍兹（Helmholtz）共振器以及声学吸收材料来修改房间的声学属性来获得。然而，这种用于改善声音质量的被动方式繁琐、昂贵，有时甚至不可行。

用于改善声音再现系统的质量的其它方式包括基于数字滤波的主动解决方案，通常被称为预补偿、均衡或反混响。预补偿滤波器（图1中的）随后被放置在原始音频信号源和音频设备之间。声音生成系统的动态属性可以通过记录系统在房间内一个或几个位置对已知测试信号的响应而被测量和建模。然后，计算和实现滤波器，以补偿系统的测量属性，在图1中用符号表示。特别是，在所有测量位置，期望受补偿系统的相位和振幅响应接近于预先指定的理想响应，在图1中用符号表示。换言之，需要被补偿的声音再现y(t)匹配理想y_ref(t)达到某个给定的准确度：由预补偿器所产生的预失真意在抵消因系统而产生的失真，以使所产生的声音再现具有的声音特性。为了获得可靠且在实践中有用的预补偿器，重要的是要认识到模型可能不是真实系统的完美描述，并且系统响应的记录可能包含因例如背景噪声而产生的干扰。例如，这样的测量和建模误差可以通过向系统添加噪声信号（图1中的e(t)）来表示，产生被测量的系统输出y_m(t)。如将在下文中进行描述的，关于系统的建模误差和不确定性也可以被包括在模型中，模型随后部分地由具有指定概率分布的随机变量进行参数化。

由于系统的物理限制，所以至少在理论上，在没有使用极度高端音频设备的高成本的情况下，可以实现改善的声音再现质量。例如，该设计的目的可能在于消除由不完美制造的扬声器箱所引起的声共振和衍射效应。另一种应用可能是最小化房间模式在听音房间不同位置的影响（即，低​​频共振峰值和零点）。再另一个目的可能是获得愉快的音调平衡和详细的感知立体图像。

到目前为止，在商业市场上和科学文献中存在的用于音频系统的数字预补偿的已建立的方法主要是单通道方法，参见例如[17]。单通道预补偿是指到扬声器的输入信号由单个滤波器进行处理的原理。当单通道预补偿被应用于包含多于一个扬声器通道的声音系统时（例如具有五个宽带通道和一个低音喇叭的5.1家庭影院系统），这意味着用于不同扬声器通道的滤波器被个别确定并且彼此独立。每个受补偿扬声器在所有测量位置实际达到其指定的理想目标响应的程度主要取决于以下两个因素：

1. 如果扬声器与房间的脉冲响应不是完全的最小相位特征，则补偿滤波器必须是所谓的混合相位类型，以便校正不是最小相位的失真分量。由于几乎所有扬声器-房间脉冲响应都包含非最小相位分量[23]，因此最小相位滤波器将不足以补偿系统以使其完全达到目标响应。由于与最小相位滤波器的设计相比，供音频使用的混合相位滤波器的设计相当复杂，所以用于数字预补偿的大多数现有产品使用局限于最小相位类型的滤波器。

2. 如果扬声器的脉冲响应在不同的测量位置之间变化，如通常在房间内的情况一样，则由于在不同位置相互冲突的要求，单个滤波器将不能够完全校正扬声器在所有测量位置的响应。在平均意义上，受补偿系统的响应可以更加接近于目标，但由于系统的空间变化性，在每个测量位置总会有剩余误差。此外，如果使用混合相位补偿器，则误差可能以所谓的“预振铃”的形式发生，除非非常谨慎地设计补偿器[5]。预振铃误差被认为在感知上比后振铃更加令人反感。在[5,6]中，示出了如何设计混合相位补偿器，混合相位补偿器通过仅对所有测量位置所共有的非最小相位失真进行校正，减轻预振铃误差的问题。