[发明专利]一种高保真扬声器重放系统设计方法

说明书

本发明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。

技术领域

本发明涉及音频的数字处理技术领域，具体涉及一种高保真扬声器重放系统设计方法。

背景技术

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。

发明内容

本发明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，本发明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f_c和频率响应的样本数据。

(2)由步骤(1)得到的截止频率f_c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。