相位控制信号生成设备、相位控制信号生成方法及相位控制信号生成程序

摘要

相位控制信号生成设备用于为变换成频域的音频信号的每个频带生成相位控制信号，所述相位控制信号生成设备设置有：设定改变装置，其能够改变每个预定频带的传播延迟时间的设定；差值获取装置，其获取设定改变的传播延迟时间在设定改变之前和设定改变之后之间的差值；更新装置，其根据获取的差值来更新传播延迟时间的设定改变的频带的相位控制量；以及相位控制信号生成装置，其通过利用更新的相位控制量对频域中的相位控制量进行平滑处理，来生成每个频带的相位控制信号。

说明书

技术领域

本发明涉及一种相位控制信号生成设备、相位控制信号生成方法和相位控制信号生成程序，其生成用于执行时间对准处理以调节多个频带的传播时间延迟的相位控制信号。

背景技术

一般地，在车辆内部，扬声器设置在多个位置处。例如，左前扬声器和右前扬声器设置在相对于车内空间的中央线互相对称的位置处。然而，如果收听者的收听位置(驾驶员座位、前排乘客座位、后排座位等)被认为是参考位置，则这些扬声器非对称放置。因此，因为收听者的收听位置与多个扬声器中的每个之间存在距离差(从各个扬声器发出的播放声音之间的传播时间的差值)，所以发生了由哈斯效应引起的音像定位偏差。

例如，日本专利临时文献No.H7-162985A(在下文中为“专利文件1”)公开了能够纠正音像定位偏差的装置。专利文件1中公开的装置通过调节时间使得从全部扬声器发出的播放声音同时到达收听者(即，时间对准处理)来抑制音像定位偏差。更具体地，专利文件1中公开的装置通过利用频带划分电路将音频信号划分为高范围和低范围，然后调节要从低频带扬声器和高频带扬声器中的每个发出的每个播放声音的时间，而在整个范围内校正由于相位干扰引起的音像定位偏差和频率特性扰乱。

然而，专利文件1中公开的装置具有的问题在于，在收听者的收听位置处的传输特性的线性度由于在频带划分电路中发生的信号损耗和二重相加而降低。此外，专利文件1中公开的装置还具有的问题在于，在混合由频带划分电路划分的信号时，在交叉频率附近的频率特性中会发生峰值和/或跌落。

鉴于以上问题，国际专利文献No.WO2009/095965A1(在下文中为“专利文件2”)的手册提出了一种用于进行时间对准处理的装置，其能够改善在收听者的收听位置处的传输特性的线性度，并且抑制在混合时频率特性中的峰值和/或跌落的发生。

专利文件2中公开的装置利用数字滤波器来改善在收听者的收听位置处的传输特性的线性度。更具体地，专利文件2中公开的装置利用FIR(有限脉冲响应)滤波器。专利文件2中公开的FIR滤波器是具有陡峭的截止频率以抑制跌落的发生的高阶滤波器，并且具有需要多个延迟电路和倍频器的配置。具体地，当构造具有在所有频带中相位恒定的线性相位特性的FIR滤波器时，需要多个延迟电路和倍频器，因此会出现处理负荷增加的问题。此外，专利文件2中描述的配置具有的问题在于，随着划分的频带数量的增加(随着时间被调节的频带变小)，所需的延迟电路和倍频器进一步增多，由此处理负荷进一步增加。

日本专利临时文献No.2015-12366A(在下文中称作为“专利文件3”)描述了执行用于调节多个频带的传播延迟时间的时间对准处理的装置。将该装置适当地配置，以降低处理负荷，同时也减少跌落的发生。具体地，专利文件3中描述的装置为音频信号的每个频带生成与相位控制(相位旋转和相位偏移)相关的相位控制信号，并且通过对生成的相位控制信号执行平滑处理来平滑地连接频带之间的相位变化，使得在不需要很多FIR滤波器的配置(即，处理负荷降低的配置)中减少了跌落的发生。

发明内容

然而，对于在上述类型的装置中降低处理负荷的要求是不变的。本发明的目标为提供一种相位控制信号生成设备、相位控制信号生成方法和相位控制信号生成程序，将其适当地配置，以进一步抑制用于生成执行时间对准处理的相位控制信号的处理负荷，同时适当地减少了跌落的发生。

根据本发明的实施方案的相位控制信号生成设备为变换成频域的音频信号的每个频带生成相位控制信号。所述相位控制信号生成设备包括：设定改变装置、差值获取装置、更新装置和相位控制信号生成装置；所述设定改变装置能够改变每个预定频带的传播延迟时间的设定；所述差值获取装置获取传播延迟时间在设定改变之前和设定改变之后之间的差值；所述更新装置基于获取的差值来更新传播延迟时间改变的频带的相位控制量；所述相位控制信号生成装置通过利用更新的相位控制量对频域中的相位控制量进行平滑处理，来生成每个频带的相位控制信号。

根据本发明的实施方案的相位控制信号生成设备可以进一步包括：加权系数存储装置和加权系数获取装置，所述加权系数存储装置存储每个频带的加权系数；所述加权系数获取装置从加权系数存储装置中获取与频带相对应的加权系数，该频带的传播延迟时间的设定通过设定改变装置来改变。在这种配置中，更新装置可以基于由加权系数获取装置获取的加权系数和由差值获取装置获取的差值，对频带的相位控制量进行更新，该频带的传播延迟时间通过设定改变装置来改变。

在本发明的实施方案中，例如，由加权系数获取装置获取的加权系数在传播延迟时间通过设定改变装置改变的频带的中心频率周围具有第一值，并且在相邻于传播延迟时间通过设定改变装置改变的频带的相邻频带具有小于第一值的第二值。

在本发明的实施方案中，例如，由加权系数获取装置获取的加权系数从传播延迟时间通过设定改变装置改变的频带至相邻频带衰减，使得利用矩形衰减曲线将加权系数从第一值改变至第二值。

在本发明的实施方案中，例如，用于相位控制的频带具有从低范围至高范围以对数形式变宽的带宽。

根据本发明的实施方案的相位控制信号生成设备可以进一步包括滤波器系数存储装置，其存储频带之间不同的包括滤波器阶数和截止频率的多个滤波器系数。在这种配置中，相位控制信号生成装置可以利用在频带之间不同的滤波器系数来进行平滑处理。

在本发明的实施方案中，可以基于频带中的频谱信号的数量来设定滤波器阶数和截止频率。

在本发明的实施方案中，滤波器系数可以设定为：随着频带变高，通过相位控制信号生成装置的平滑量变大。

根据本发明的实施方案的相位控制信号生成方法是用于为变换成频域的音频信号的每个频带生成相位控制信号的方法。所述相位控制信号生成方法包括：设定改变步骤、差值获取步骤、更新步骤和相位控制信号生成步骤；所述设定改变步骤改变每个预定频带的传播延迟时间的设定；所述差值获取步骤获取传播延迟时间在设定改变之前和设定改变之后之间的差值；所述更新步骤基于获取的差值来更新传播延迟时间改变的频带的相位控制量；所述相位控制信号生成步骤通过利用更新的相位控制量对频域的相位控制量进行平滑处理，来生成每个频带的相位控制信号。

根据本发明的实施方案的相位控制信号生成程序是使计算机执行相位控制信号生成方法的程序。

根据本发明的实施方案，将相位控制信号生成设备、相位控制信号生成方法和相位控制信号生成程序适当地配置，以进一步抑制用于生成执行时间对准处理的相位控制信号的处理负荷，同时适当地减少跌落的发生。

附图说明

图1是示出根据本发明的实施方案的声学系统的配置的框图。

图2是示出在根据本发明的实施方案的声学系统中设置的信息处理终端上执行的相位控制信号生成过程的流程图。

图3示出了在根据本发明的实施方案的信息处理终端的显示屏上显示的延迟时间调节界面。

图4A和图4B示出了根据本发明的实施方案的在执行相位控制信号生成过程期间参考的加权系数。

图5A和图5B示出了根据本发明的实施方案的在执行相位控制信号生成过程期间参考的滤波器系数。

图6A和图6B示出了在本发明的实施方案中，当设定预定的传播延迟时间时，在相位平滑处理之后的相位控制信号。

图7A和图7B关于输入音频信号经过频带限制的白噪声，示出了将传播延迟时间设定为预定的传播延迟时间的白噪声的输出音频信号。

图8A和图8B示出了在专利文件3中的相位平滑处理之前和相位平滑处理之后的相位控制信号(图8A)，在本实施方案中的相位平滑处理之前和相位平滑处理之后的相位控制信号(图8B)。

图9A和图9B示出了当输入具有平坦频率特性的脉冲信号时输出音频信号的频率特性，并且示出了当不进行根据实施方案的相位平滑处理时输出音频信号的频率特性(图9A)和当进行根据实施方案的相位平滑处理时输出音频信号的频率特性(图9B)。

图10A和10B关于输入音频信号经过频带限制至低范围的白噪声，示出了在专利文件3中生成的输出音频信号(图10A)和根据实施方案生成的输出音频信号(图10B)。

具体实施方式

随后将参考附图来描述本发明的实施方案。在下文中，引用声学系统作为本发明的实施方案。

(声学系统1的配置)

图1是示出根据本发明的实施方案的声学系统1的配置的框图。根据实施方案的声学系统1包括音频装置10和信息处理终端20。

例如，音频装置10为安装在车辆上的车载音频装置。如图1所示，音频装置10包括：短时傅里叶变换单元(STFT)11、相位控制单元12和短时傅里叶逆变换单元(ISTFT)13。音频装置10与信息处理终端20协作来调节从设置在车辆内部的每个扬声器(未示出)输出的音频信号的传播延迟时间(即，音频装置10执行时间对准处理)。因此，通过功率放大器从每个扬声器输出传播延迟时间经调节(校正)的音频信号。因此，用户能够在由哈斯效应引起的音像定位偏差得到抑制的环境中收听音乐等。

从声源(未示出)向STFT单元11输入音频信号，所述音频信号通过对可逆的或不可逆的压缩格式的编码信号进行解码而获取，例如，诸如CD(光盘)或DVD(数字通用盘)的音频信号。STFT单元11通过对输入音频信号利用窗函数来进行重叠处理和加权，利用STFT将加权的信号从时域变换至频域，并且将实部和虚部频谱信号输出至相位控制单元12。

在本实施方案中，向STFT单元11输入取样频率为96kHz的音频信号。STFT单元11具有16384个取样的傅里叶变换长度，12288个取样的重叠长度，窗函数为汉宁窗。STFT单元11通过将时间移位4096个取样的同时执行STFT，来获取16384个点的频谱信号。在本实施方案中，在16384个取样中，将与高达奈奎斯特频率的频率范围相对应的8193个点的频谱信号输出至相位控制单元12。

相位控制单元12基于从信息处理终端20输入的每个频带的相位控制信号(稍后详细描述)，来控制(相位旋转和相位偏移)从STFT单元11输入的每个频带的频谱信号的相位。相位控制单元12将对于每个频带相位受控的频谱信号输出至ISTFT单元13。

ISTFT单元13将从相位控制单元12输入的频谱信号从频域信号变换为时域信号，并且通过窗函数和重叠相加对变换的信号执行加权。在重叠相加之后获取的音频信号是根据利用信息处理终端20进行的设定改变(稍后详细描述)而校正了传播延迟时间的信号，并且从ISTFT单元13输出至随后阶段的电路(功率放大器、扬声器等)。

例如，信息处理终端20为能够被带到车内的便携式终端，诸如智能电话、功能电话、PHS(个人手持电话系统)、平板电脑终端、笔记本电脑、PDA(个人数字助理)、PND(便携式导航装置)以及便携式游戏机。如图2所示，信息处理终端20包括：设定改变接收单元21、加权系数选择单元22、归一化延迟时间生成单元23、相位控制计算单元24和相位平滑单元25。

(相位控制信号生成过程)

图2为示出了根据本发明的实施方案的在信息处理终端20上执行的相位控制信号生成过程的流程图。当信息处理终端20接受用户的预定操作时，信息处理终端20在显示屏上显示用于调节传播延迟时间的延迟时间调节界面。

图3示出了在信息处理终端20的显示屏上显示的延迟时间调节界面的示例。如图3所示，延迟时间调节界面是具有表示延迟时间(Time(单位：毫秒))的纵轴和表示频率(单位：Hz)的横轴的操作界面，并且延迟时间调节界面表示为柱状图，其中音频信号的各个频带的传播延迟时间水平设置且以图形化方式显示。应该注意的是，人的听觉特性相对于频率成对数关系。因此，横轴的频率以对数形式表示，以符合人的听觉特性。此外，在表示频率的横轴上，30Hz至40kHz的范围以1/3倍频程划分为32个频段。因此，在本实施方案中，用于相位控制的目标频带从低范围向高范围以对数形式变宽。通过显示如图3中的示例所示的延迟时间调节界面，开始图2中所示的相位控制信号生成过程。

图2中的S11(传播延迟时间的设定改变)

用户能够指定用户想要改变传播延迟时间的设定的频带，并且例如通过对信息处理终端20的显示屏上所显示的延迟时间调节界面进行触摸操作来输入延迟量。例如，传播延迟时间的可设定变化为±5ms的范围。在延迟时间调节界面上，可以显示用于辅助传播延迟时间的设定改变操作的用户辅助信息。作为在延迟时间调节界面上显示的用户辅助信息的示例，可以引用当前设定改变的扬声器的扬声器名称及其可再现频率、乐器和声乐的频率信息(例如，表示播放低音调声的乐器的图标叠加在柱状图的低范围部分，或者表示播放高音调声的乐器的图标叠加在柱状图的高范围部分)。

当设定改变接收单元21接受设定改变操作时，设定改变接收单元21将关于通过设定改变操作指定的频带的信息输出至加权系数选择单元22，并且将关于通过设定改变操作指定的传播延迟时间的信息输出至归一化延迟时间生成单元23。

传播延迟时间的设定改变操作不限于对延迟时间设定界面的手动操作，而是可以自动进行。例如，将麦克风放置在收听者的收听位置(例如，驾驶员座位、前排乘客座位、后排座位等)。在这种情况下，利用放置在收听者的收听位置的麦克风来测量车内空间的声学特性，并且基于测量结果，对每个频带自动地计算传播延迟时间的设定改变值。设定改变接收单元21将关于计算的频带的信息输出至加权系数选择单元22，并且将关于计算的传播延迟时间的信息输出至归一化延迟时间生成单元23。

(图2中的S12(加权系数的选择))

加权系数选择单元22将对各个频率预先计算的加权系数存储在预定的存储区域中。当从设定改变接收单元21输入关于通过步骤S11(传播延迟时间的设定改变)中的设定改变操作指定的频率的信息时，加权系数选择单元22从预定的存储区域读出与由该信息所指示的频带相对应的加权系数，并将读出的信息与关于频带的信息一起输出至归一化延迟时间生成单元23。

图4A和4B示出存储在预定的存储区域中的加权系数作为示例。在图4A和图4B的每个中，纵轴表示加权系数，而横轴表示由音频装置10的相位控制单元12更新的每个频带的相位控制信号的数量。相位控制信号的数量在图4A的情况下为“31”，而在图4B的情况下为“2560”。如图4A和图4B的每个所示，加权系数在频带的中心频率周围取值为1，并且利用矩形衰减曲线减小至零，以不影响相邻频带(从而大体上不改变相邻频带的相位控制量)。图4A中示为示例的加权系数的中心频带为400Hz，相邻频带为315Hz频带和500Hz频带。图4B中示为示例的加权系数的中心频带为31.5kHz，相邻频带为25kHz频带和40kHz频带。

(图2中的S13(归一化延迟时间的更新))

对于由步骤S11(传播延迟时间的设定改变)中的设定改变操作指定的频带，归一化延迟时间生成单元23计算出通过操作指定的传播延迟时间与当前延迟时间之间的差值，作为差值延迟时间。归一化延迟时间生成单元23将计算的差值延迟时间和从加权系数选择单元22输入的加权系数相乘，将相乘的值与当前延迟时间相加，并且在保持频带中的相位时仅控制传播延迟时间，进一步进行变换使得传播延迟时间的分辨率成为取样频率的倒数。由此，更新了每个频带的归一化延迟时间(更具体地，相对于当前值，仅改变了通过步骤S11(传播延迟时间的设定改变)中的设定改变操作指定的频带的归一化延迟时间)。

(图2中的S14(相位控制信号的更新))

相位控制计算单元24通过将更新的归一化延迟时间与相应的频率(包含在通过步骤S11(传播延迟时间的设定改变)中的设定改变操作指定的频带中的频率)相乘在一起，来对每个频带更新相位控制量(更具体地，相对于当前值，仅改变了通过设定改变操作指定的频带的相位控制量)，并且将更新的相位控制量作为更新的相位控制信号输出至相位平滑单元25。本文中所使用的术语相位控制是指控制频谱信号的相位的旋转量。控制相位的旋转量等同于在时域上控制传播延迟时间。此外，将与该频率相对应的相位偏移施加至每个频带的相位旋转量上。

在专利文件3中，当对频带的一部分改变传播延迟时间的设定时，对所有的频带再次生成相位控制信号。相比之下，在本实施方案中，仅再次生成(更新)设定改变的频带的相位控制信号。因此，根据实施方案，进一步降低了用于生成相位控制信号的处理负荷。

(图2中的S15(相位平滑))

相位平滑单元25通过利用FIR低通滤波器的积分处理，平滑了从相位控制计算单元24输入的对由步骤S11(传播延迟时间的设定改变)中的设定改变操作指定的频带的相位控制信号。因此，平滑了具有不同延迟时间的频带之间的相位的改变，并且抑制了由于频带之间的频率干扰而导致的频率特性失真(发生跌落)。相位平滑单元25将抑制了频率特性失真的相位控制信号输出至相位控制单元12。

在专利文件3中，当频带的一部分的传播延迟时间的设定改变时，对所有的频带进行相位平滑处理。相比之下，在本实施方案中，仅对设定改变的频带进行相位平滑处理。在这点上，也能够抑制用于生成相位控制信号的处理负荷。

例如，考虑到从低范围到高范围的所有频带以1/3倍频程划分为多个频段的情况。在这种情况下，在每个频带的频谱信号的数量(点数)相对较小的低于或等于几百Hz的低范围内，积分处理的平滑量相对于高范围变大。因此，在低范围，相位平滑处理之前的相位控制信号与相位平滑处理之后的相位控制信号之间的差值变大。

出于这个原因，在本实施方案中，对每个频带提前计算FIR低通滤波器的滤波器系数，并将该滤波器系数存储在预定的存储区域中。滤波器系数设定为使得各个频带的滤波器阶数和截止频率彼此不同。相位平滑单元25从预定的存储区域读出滤波器系数，并且通过积分处理执行相位控制信号的平滑处理。

以下是对于点数P(频带中的频谱信号的数量)的滤波器阶数和归一化截止频率。

·点数P＜20

滤波器阶数：无

归一化截止频率： 无

·20≤点数P＜40

滤波器阶数：4

归一化截止频率： 1/4

·40≤点数P＜80

滤波器阶数：8

归一化截止频率： 1/8

·80≤点数P＜160

滤波器阶数：16

归一化截止频率： 1/16

·160≤点数P

滤波器阶数：32

归一化截止频率： 1/32

在上述示例中，在点数P小于20的频带中，不进行平滑化处理。在点数P大于或等于20的频带中，滤波器阶数设定为更长，并且归一化截止频率设定为更小，使得随着点数P变大，平滑量变大。在点数P大于或等于160的频带中，滤波器阶数和截止频率设定为固定值，使得保持了平滑量。例如，点数P小于20的频带对应于小于250Hz的频率。点数P大于或等于160的频带对应于大于或等于2.5kHz的频带。

作为示例，图5A示出了与点数P大于或等于40且小于80的频带相对应的滤波器系数，并且图5B示出了与点数P大于或等于160的频带相对应的滤波器系数。在图5A和图5B的每个中，纵轴表示幅度，而横轴表示取样数(滤波器阶数)。

如上所述，在本实施方案中，为每个频带提供了最佳滤波器系数。因此，通过与频带中的频谱信号的数量相对应的最佳量来平滑相位控制信号。结果，提高了在低范围内延迟时间的设定精度，并且能够减少由频带之间的干扰引起的跌落，同时在中间范围和高范围内保持延迟时间的设定精度。

(更具体的示例)

图6A示出在图3所示的延迟时间调节界面中，当4khz频带的传播延迟时间设定为0毫秒(即，未设定传播延迟时间)时，在相位平滑处理之后的相位控制信号作为示例。图6B示出在图3所示的延迟时间调节界面中，当4khz频带的传播延迟时间设定为1毫秒时，在相位平滑处理之后的相位控制信号作为示例。在图6A和图6B的每个中，纵轴表示相位(单位：度)，而横轴表示频率(单位：Hz)。关于输入音频信号在4kHz频带经过频带限制的白噪声，图7A和图7B分别示出了传播延迟时间设定为0毫秒和1毫秒的白噪声的输出音频信号。在图7A和图7B的每个中，纵轴表示幅度(Amplitude)，而横轴表示时间(Time(单位：毫秒))。相位控制信号限制为使得相位角在±180度内。

通过参照图6A至图6B和图7A至图7B，应当理解的是，输出音频信号根据通过延迟时间设定界面所设定的传播延迟时间来延迟。

图8A示出了专利文件3的相位平滑处理之前和相位平滑处理之后的相位控制信号，而图8B示出了本实施方案的相位平滑处理之前和相位平滑处理之后的相位控制信号。在图8A和图8B的每个中，纵轴表示相位(Phase(单位：度))，而横轴表示频率(Frequency(单位：Hz))。在图8A和图8B的每个中，细实线表示在相位平滑处理之前的相位控制信号，而粗实线表示在相位平滑处理之后的相位控制信号。

由于在专利文件3中，相位平滑处理在所有频带上执行相同的滤波器系数，所以通过积分处理的平滑量在点数P较小的较低范围处变得相对较大。因此，如图8A所示，在相位平滑处理之前和相位平滑处理之后的相位控制信号(具体地，在小于或等于几百Hz的低范围内)之间引起差值。通过对比，根据本实施方案，由于最佳滤波器系数应用于每个频带，所以通过与频带中的频谱信号的数量相对应的最佳量来平滑相位控制信号。因此，如图8B所示，即使在点数P较小的小于或等于几百Hz的低范围内，相位平滑处理之前和相位平滑处理之后的相位控制信号之间也几乎没有差值。因此，应当理解的是，相对于专利文件3，相位控制信号得到了改善。

图9A和图9B示出了当输入具有平坦频率特性的脉冲信号时，输出音频信号的频率特性。图9A示出了当不进行根据本实施方案的相位平滑处理时的输出音频信号的频率特性。图9B示出了当进行根据本实施方案的相位平滑处理时输出音频信号的频率特性。在图9A和图9B的每个中，纵轴表示信号水平(Level(单位：dB))，而横轴表示频率(Frequency(单位：Hz))。

通过对比图9A和图9B，应当理解的是，通过相位平滑处理，在所有的频带上跌落都显著地减少，并且在保持传播延迟时间的设定精度的同时降低了频带之间的干扰。

关于输入音频信号经过频带限制在0Hz至63Hz的范围内的低范围白噪声，图10A示出专利文件3中生成的输出音频信号作为示例，而图10B示出根据本实施方案生成的输出音频信号作为示例。在图10A和图10B的每个中，细实线表示当传播延迟时间设定为0毫秒时的输出音频信号，而粗实线表示当传播延迟时间设定为5毫秒时的输出音频信号。在图10A和图10B的每个中，纵轴表示幅度(Amplitude)，而横轴表示时间(Time(单位：毫秒))。

应当理解的是，根据本实施方案，输出音频信号根据设定改变的传播延迟时间来延迟，同时保持幅度(参见图10B)，并且相对于专利文件3改善了输出音频信号(参见图10A)。

前述内容是关于本发明的实施方案的说明。本发明不限于上述实施方案，而是可以在本发明的范围内以各种方式进行变化。例如，本发明的实施方案包括在本说明书中明确描述的实施方案和根据上述实施方案容易实现的实施方案的组合。

例如，在上述实施方案中，构成声学系统1的各种部件对于音频装置10和信息处理终端20分开设置；然而，本发明不限于这样的示例。在另一个实施方案中，构成声学系统1的所有各种部件可以设置在音频装置10中，或者构成声学系统1的所有各种部件可以设置在信息处理终端20中。

在上述实施方案中，仅对通过步骤S11(传播延迟时间的设定改变)中的设定改变操作指定的频带，进行利用相应的滤波器阶数和归一化的截止频率的相位平滑处理；然而，本发明不限于这样的示例。在另一个示例中，可以不仅对通过设定改变操作指定的频带，而且还对所有的频带，进行利用相应的滤波器阶数和归一化的截止频率的相位平滑处理。