基于二阶全通IIR滤波器的车内自动相位均衡方法和系统

摘要

本发明公开了基于二阶全通IIR滤波器的车内自动相位均衡方法和系统。该车内自动相位均衡方法包括：获取车内收听区域内的声场平均相位差异响应作为目标相位差异响应；频率区间[Fre_Low,Fre_High]内，根据过零点将目标相位差异响应分为多个子区域，选择其中一个子区域作为当前纠正相位区域；寻找当前纠正相位区域内的相位差异值P以及对应的频率Fc，获取品质因数Q；进入随机搜索，对P、Fc和Q加随机扰动变量，确定最终的P、Fc和Q值，根据参数P、Fc和Q计算第一组二阶全通IIR滤波器的左右二阶全通IIR滤波器的系数；将目标相位差异曲线根据已经算出的第一组二阶全通IIR滤波器的系数进行更新。本发明的方法运算复杂度低，同时能够自动化调整相位响应。

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于二阶全通IIR滤波器的车内自动相位均衡方法和系统。

背景技术

传统的立体声播放配置方式如图1所示，左右扬声器完全一样，且用户离左右扬声器的距离一致，在这种情况下，用户处在最佳听音区，因此可以得到精确的声像定位信息。但大部分环境无法满足图1的条件，而是如图2所示，在车厢内，驾驶位置的用户一般离左扬声器近，右扬声器远，在这种条件下，声像位置会发生坍塌现象，用户无法得到准确的声像位置，甚至由于哈斯效应的存在，用户会感觉声音完全来自左侧扬声器。

由于用户离左右扬声器距离不一致，导致左右扬声器到用户处的幅度和相位都产生了差异，因此产生了声像定位不准确现象。传统的parametric eq调音方式只调整幅度，通过人工调试参数，可以将幅度差异调至最小，但是无法对相位差异做调整。现有的研究表明，宽带信号声像定位中，低频信号声像定位占主要因素，而低频处的相位差异是影响声像定位的重要因素，因此要想得到精确的声像定位，必须得调整相位。

在没有反射的空间中，距离不一致引入的相位差异可通过纯延时进行补偿，但在狭小的车厢内，由于存在多次反射，纯延时无法完全补偿相位差异。相位差异可通过全通FIR滤波器来实现，虽然FIR滤波器实现简单，但是FIR滤波器计算量大，对硬件计算资源要求高。全通IIR滤波器计算复杂度低，适合低成本硬件实现，但调整参数困难。

发明内容

针对上述问题，本发明提供一种基于二阶全通IIR滤波器的车内自动相位均衡方法和系统，运算复杂度低，同时能够自动化调整相位响应。

为达到上述目的，本发明采用如下的技术方案：

一种基于二阶全通IIR滤波器的车内自动相位均衡方法，包括如下步骤：

S100、获取车内收听区域内的声场平均相位差异响应作为目标相位差异响应；

S200、指定N组二阶全通IIR滤波器以及均衡的频率区间[Fre_Low,Fre_High]，其中，每组所述二阶全通IIR滤波器包括用于控制车内的左扬声器的相位响应的左二阶全通IIR滤波器和用于控制车内的右扬声器的相位响应的右二阶全通IIR滤波器；

S201、频率区间[Fre_Low,Fre_High]内，根据过零点将所述目标相位差异响应分为多个子区域，选择其中一个子区域作为当前纠正相位区域；

S202、寻找当前纠正相位区域内的最大绝对值对应的相位差异值P以及对应的频率Fc，获取品质因数Q，根据相位差异值P、频率Fc及品质因数Q计算二阶全通IIR滤波器的左右二阶全通IIR滤波器的系数；

S203、进入随机搜索，对P、Fc和Q加随机扰动变量，根据新值重新计算滤波器系数，并同时判断新滤波器在当前纠正相位区域内的效果，如果效果改善，则保留新值，否则保留旧值，进行多次随机搜索，确定最终的P、Fc和Q值，根据参数P、Fc和Q计算第一组二阶全通IIR滤波器的左右二阶全通IIR滤波器的系数；

S204、将目标相位差异曲线根据已经算出的第一组二阶全通IIR滤波器的系数进行更新；

S205、将更新后的目标相位差异曲线作为下一组二阶全通IIR滤波器的目标相位差异曲线；

重复步骤S201至S205，直至N组二阶全通IIR滤波器的系数全部计算完成。

在一些优选的实施例中，二阶全通IIR滤波器的传递函数为

在一些优选的实施例中，步骤S202或S203中，具体通过下述步骤计算左右二阶全通IIR滤波器的系数：

根据品质因数Q和频率Fc计算出频率

根据左右二阶全通IIR滤波器的各自中心频率及频率Fc处的相位换算出左右二阶全通IIR滤波器系数。

在一些优选的实施例中，步骤S100具体包括：

S101、确定收听区域内的离散控制点；

S102、在控制点处分别测试左扬声器和右扬声器到控制点处的相位响应，并进行相减获取相位差异响应；

S103、对所有控制点处的相位差异响应进行平均获取最终的目标相位差异响应。

在一些优选的实施例中，步骤S201中，选择面积最大的区域作为当前纠正相位区域。

在一些优选的实施例中，步骤S202中，分别从当前纠正相位区域内的两侧开始查找最接近

在一些优选的实施例中，步骤S203中，所述随机扰动变量为P、Fc或Q的设定百分比的随机噪声。更优选地，P、Fc或Q的加随机扰动变量后的新值为原值的85～115％，进一步为90～110％。

在一些优选的实施例中，步骤S203中，所述多次随机搜索的次数为50～100次。

本发明还采用如下的技术方案：

一种基于二阶全通IIR滤波器的车内自动相位均衡系统，其特征在于，包括处理模块、及设置在车辆内的左扬声器和右扬声器，所述处理模块用于执行如上所述的车内自动相位均衡方法。

在一些优选的实施例中，所述处理模块包括依次连接的N组二阶全通IIR滤波器，每组所述二阶全通IIR滤波器包括用于控制车内的左扬声器的相位响应的左二阶全通IIR滤波器和用于控制车内的右扬声器的相位响应的右二阶全通IIR滤波器。

在一些优选的实施例中，所述处理模块包括DSP芯片，所述N组二阶全通IIR滤波器设置在所述DSP芯片上。

本发明采用以上方案，相比现有技术具有如下优点：

本发明的基于二阶全通IIR滤波器的车内自动相位均衡方法和系统，采用IIR滤波器结构，实时运算复杂度低，可以有效节省资源，降低硬件成本，增强产品竞争力；自动化调整相位响应，降低调音工程师工作量，能节省大量的时间和人力。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为传统立体声的播放配置示意图；

图2为车内立体声的实际播放配置示意图；

图3为一组二阶全通IIR滤波器的结构图；

图4a示出了Q＝1且Fc＝100时不同P值的相位差异响应；

图4b示出了P＝60且Fc＝100时不同Q值的相位差异响应；

图4c示出了Q＝1且P＝60时不同Fc值的相位差异响应；

图5为本发明实施例的自动相位均衡示意图；

图6为本发明实施例的车内自动相位均衡系统的结构框图；

图7示出了原始和本实施例均衡后的相位差异响应；

图8示出了二阶全通IIR滤波器的不同组数条件下的误差。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域的技术人员理解。在此需要说明的是，对于这些实施方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以互相结合。

本实施例的车内自动相位均衡方法，基于二阶全通IIR滤波器，对车内的左右扬声器播放的声音到收听区域(例如驾驶座附近)的用户处的相位差异进行补偿调整，以进行自动相位均衡，避免产生声像定位不准确的现象。该自动相位均衡方法的优势在于：(1)采用IIR滤波器结构，实时运算复杂度低，可以有效节省资源，降低硬件成本，增强产品竞争力；(2)自动化调整相位响应，降低调音工程师工作量，能节省大量的时间和人力。下面对本实施例的车内自动相位均衡方法进行详细描述。

一、测量车内收听区域内的声场平均相位差异响应

1.确定收听区域内的离散控制点；

2.在控制点处分别测试左扬声器和右扬声器到控制点处的相位响应，并进行相减获取相位差异响应；

3.对所有控制点处的相位差异响应进行平均获取最终的目标相位差异响应

二、一组二阶全通IIR滤波器

1.如图3所示，一组二阶全通IIR滤波器101包含左二阶全通IIR滤波器101a和右二阶全通IIR滤波器101b，分别用于控制左扬声器200和右扬声器300的相位响应。二阶全通IIR滤波器101a或101b的传递函数如下：

其中，z

2.一组二阶全通IIR滤波器的输入参数是品质因数Q，相位差异P，以及频率Fc；

3.将一组二阶全通IIR滤波器的输入参数分别转化为左右二阶全通IIR滤波器系数。

具体地，先根据品质因数Q和频率Fc计算出频率

然后根据左右通道的二阶全通IIR滤波器的中心频率Fc

4.一组二阶全通IIR滤波器在不同参数Q、P、Fc情况下的相位差异响应曲线存在差异，如图4a至图4c所示。

三、自动相位均衡

1.如图5所示，指定二阶全通IIR滤波器的组数为N，同时指定均衡的频率区间，下限频率为Fre_Low,上限频频率为Fre_High，在频率区间[Fre_Low,Fre_High]内对相位差异响应进行纠正。

2.在频率区间[Fre_Low,Fre_High]内，根据过零点将目标相位差异曲线分为多个子区域，计算各个子区域的面积，选择面积最大的区域作为当前纠正相位区域。

3.寻找当前纠正相位区域内的最大绝对值对应的相位差异值P以及对应的频率Fc，并分别从当前纠正相位区域内的两侧开始查找最接近

4.进入随机搜索，对P、Fc和Q加随机扰动变量，根据新值重新计算滤波器系数，并同时判断新滤波器在当前纠正相位区域内的效果，如果效果改善，则保留新值，否则保留旧值，进行多次随机搜索，一般建议50～100次，确定最终的P、Fc和Q值。对P、Fc和Q加随机扰动变量举例如下：例如，(1)对P加10％或-10％的随机噪声，将P值更新为原值的110％或90％，根据该值重新计算滤波器系数；或，(2)对Fc加10％或-10％的随机噪声，将Fc值更新为原值的110％或90％，根据该值重新计算滤波器系数；或，(3)对Q加10％或-10％的随机噪声，将Q值更新为原值的110％或90％，根据该值重新计算滤波器系数；还可以将其中的两个或三个值均加随机噪声，然后重新计算滤波器系数。

5.将目标相位差异曲线根据已经算出的一组二阶全通IIR滤波器系数进行更新，作为下一级一组二阶全通IIR滤波器的目标相位差异曲线。

重复步骤2-5直至所有组的二阶全通IIR滤波器系数全部计算完。

参照图6所示，本实施例的基于二阶全通IIR滤波器的车内自动相位均衡系统，包括处理模块100、及设置在车辆内的左扬声器200和右扬声器300。所述处理模块100用于执行如上所述的车内自动相位均衡方法。所述处理模块100包括依次连接的N组二阶全通IIR滤波器101，每组所述二阶全通IIR滤波器101包括用于控制车内的左扬声器200的相位响应的左二阶全通IIR滤波器101a和用于控制车内的右扬声器300的相位响应的右二阶全通IIR滤波器101b。进一步地，所述处理模块100包括DSP芯片，所述N组二阶全通IIR滤波器101设置在所述DSP芯片上。

设定二阶全通IIR滤波器的组数N为20，只均衡[100,2000]Hz区间内的相位差异响应。图7给出了原始和采用上述车内自动相位均衡方法均衡后的相位差异响应。图8给出了在不同N数值条件下的误差。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，是一种优选的实施例，其目的在于熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限定本发明的保护范围。凡根据本发明的精神实质所作的等效变换或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。