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DSP 对小扬声器的补偿算法
Meir Shashoua CTO Waves Audio Ltd., 特拉维夫，以色列 Meir@https://www.360docs.net/doc/7f1826168.html,
概述 今天，大多数的消费电子产品可以传送、储存或者放大高品质的数字音频 流。然而，因为小扬声器的声学限制和糙杂的听音环境，这些技术的发展并不 都能够显著改善我们听到的声音的质量。最新的心理声学喇叭补偿算法通过对 频率响应和动态范围缺陷的补偿可以显著地改善主流消费类电子产品的声音质 量，例如：手提电话，液晶电视，手提电脑和便携式音响系统。 1. 当今数字产品的音频局限性 在过去的十年中，数字音频在录制、传送、放大过程中有了显著的改善， 它能够令几乎在所有设备都产生高品质的音频信号。然而， 因为声学或音频传送链中的限制这些发展并不是都能提高消费电子的音质。如 图1所示，声学和感知这个在整个音频传输链条中占据一半位置的部分几乎毫无 改善。如今，在很多较小的,较簿的，更有效率的数字产品中，小扬声器对音质 的限制比过去的十年更为严重. 如果要继续改善音频传送链条中第一部分的录制、压缩、放大部分，消费 者需要花费几千美元去投资于音频电子设备，音箱，房间的声学特性。但是结 果可能收获甚微。即使有改善，在喇叭尺寸和功耗方面极其有限的主流消费类 音频产品中几乎也不可能体现出来。相反，既然声学上的限制是小扬声器音质 的瓶颈，从这方便着手去改善音频传送链条能显著地改善主流消费电子产品的 音质。 音频传送链条上 链条上的局限性 图1 音频传送链条上的局限性 音频链条 音频链条 录制 传输&储存 转换&放大 发声系统 听音环境 音质限制 音质限制 麦克风,模数转换,混音 数字压缩算法 数模转换,放大器 扬声器尺寸,材料,功效 环境噪音,响度限制 过去十年 取得微乎 其微的改 进 过去十年 取得明显 的改进

人类听觉
非线性感知
心理声学音频信号处理技术可以用于补偿声学和音频传送链条中占一半地 位的感知的限制。作为世界领先的专业音频信号处理软件开发者，Waves Audio Ltd.提供一整套对扬声器的声学限制，高背景噪音和非线性人类感知做补偿的 ，完整的DSP算法. 这些技术运用在DSP算法中，补偿了音频信号在还原系统中因为频率响应 ，动态范围和声学环境所受到的限制。Waves解决方案存在于定制的,低成本的 DSP产品，可向第三方DSP半导体器件授权的算法以及针对微软Vista操作系统 的音频处理结构中（APOs）。

2. 听觉上的音频限制 2.1 人类听觉系统的能力 人类听觉系统的 音频传送链最后一个环节是人类的听觉。很多研究显示，决定听到的声音 质量的两个主要因素是频率响应和动态范围。人耳可听到很广的声音频率和动 态范围.如下图2声音感知窗口显示: 人类听觉的音频 听觉的音频感知窗口 图2. 人类听觉的音频感知窗口 频率响应20赫兹到20,000赫兹，动态范围(ATH)至120分贝
频率低于20赫兹或高于20000赫兹以上的为超出人类可听到的范围，用灰 色显示. FletcherMunson等响度曲线也有同样的解释。虚线是绝对听觉极限（ATH）。在这条线

以下灰色部分显示的是人耳不能听到的频率。人类听觉系统一个主要的限制是 由于在低频范围内有快速的滚降而不能听到更低、更轻微的声音。 人类本身对最大可感知的音量的是无限制的。但是，长时间的高音量环境 则会损坏人类的听觉。120分贝的声压级（SPL）被普遍认为短期内不会损坏听 力的最大的音量。 2.2 音频录制 混录和母版制作。 音频录制,混录和母 制作。 混录和 考虑了听觉系统频响和动态限制之后，自然要考虑音频传送链的第一个环 节。专业音响人士在电影，音乐，视频游戏的内容创作上是如何利用频响和动 态范围的呢?专业人士在音频内容创作和录制上针对预期的听音环境来优化频响 和动态范围。这个优化音频内容的过程称为母版制作（Mastering） 电影音乐是为大型的、高质量的电影院而做的优化。大部分的流行音乐是 针对汽车音响和舞厅而优化的。 Soundelux 的总监Scott Gershin说：“在电影声轨的母版制作中一个最重要的目的是给听众在音乐和效
果中提供更多的色彩。通过使用现今影院环境中的全部的频率和动态范围，我 们可以使听众最大限度的沉浸其中并得到共鸣。相同的电影声轨通常被编辑后 也被电视传输和DVD所使用。不幸的是，大多数的消费产品不能够匹配影院的 频率和动态范围，其结果就是造成了感知到的音频质量的巨大损失。”
Soundelux成立于1982年,是一家领先的声音后期制作公司。它已经和好莱 坞几乎所有的电影公司合作，给内容制作提供全面综合的专业音频制作和服务 。 2.3 电影院和高质量的还音环境 电影院和高质量的还 量的 除了在顶级音乐厅听交响乐，如今大部分的电影院为消费者提供了最佳的 声音系统。高级的电影院使用整套大型的扬声器，包括低音炮阵列和一个精心 设计的房间声学环境。这样可以提供宽阔的频响和很高的声压级（SPL）。这 些电影院还有很好的隔音，吸音设计，使得非常安静的片断也可以被清晰的听 到而不是被背景噪声所掩蔽。 音乐厅，大型电影院和高端的家庭影院系统的声音还原往往有令人满意的 效果。他们可以表现宽广的频响和动态范围，可以把音频内容的创作者想要的 音质和情感冲击带给听众。

因此，电影声轨和高品质电影院就是为传送覆盖几乎整个人类可感知的频 响和动态范围的内容而设计的。如图3所示。 电影院的音频感知窗口 图3.电影院的音频感知窗口 电影院的音频 频响30Hz到20000Hz，动态范围15到110dB
但是，要表现到这样的效果需要在扬声器，电器设备和房间声学上花费数 千美元。这些在广泛的主流音频应用领域，例如手提电话，液晶电视机，手提 电脑或者便携音响中是不切实际的。

3. 在音频感知窗口中的扬声器设计影响 在音频感知窗口中的扬声器设计 扬声器设计影响 3.1 设计限制 在消费类电子产品中有几个影响传送频响和动态范围的因素。这些限制密 切影响音频感知的每一个层面。如图4.这些问题严重制约了频响和动态范围,影 响了可感知的音频质量。 图4. 扬声器设计效果
低频响应 受扬声器尺寸，箱体容积，设计，喇叭效率，功放功率等因素限制 高频响应 高频响应 受传感器的重量和灵敏度的限制，通常在没有高音头的单一单元的系统 中有这样的问题。 最大信号强度 最大信号强度 受功放的最大功率，扬声器效率，扬声器漂移和用户音量控制等因素的 限制 最小可感知信号强度 最小可感知信号强度 受听音环境的环境和背景噪音的限制 可感知

3.2 液晶电视机的音频还原局限性 液晶电视机的音频还原局限性 电视机的音频还原 电视机往往会播放那些频响和动态范围都很广的电影或者其他音频内容。 但是，除非使用者外接一个高品质家庭影院,不然是不可能达到近似电影院的音 效。令人惋惜的是，现在市场的趋势是趋向于昂贵的高清电视机（HDTV）， 但是其音频还原能力并没有很大的改善。 实际上，如今广受欢迎的平板液晶电视机对频率响应和动态范围的限制比 传统的模拟制式的CRT 电视机更厉害。例如：CRT电视机通常能播放至少比同样大小的液晶电视机低 一个倍频程的音频。这些电视机接收和解码数字音频信号能力并不能解决其音 频还原的最基本问题。 液晶电视机的可闻音频 电视机的可闻音频窗口 图5. 液晶电视机的可闻音频窗口 频响：200Hz到14KHZ 动态范围：90dB到30dB(室内的背景噪音)
图5显示的是典型的液晶电视的频率响应和动态范围。其主要的局限性表现 在:

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当声音是经由内置的电视扬声器发出，最低频而且是包含最多情感因素 的内容将无法听到。 较窄的动态范围意味着无法在嘈杂的背景声中听到安静的对话，而同时 ，最大的对话会太响，尤其是在晚上。 无线手持电话喇叭的音频还原的限制 无线手持电话喇叭的音频还原的限制 手持电话喇叭 还原的
3.3
另一种有趣的产品就是当今使用的无线手持电话或手机中的扬声器。虽然 这些扬声器是为免提通话而使用的，但是这些微小的扬声器越来越被要求能再 现不同的音源，包括个性化的音乐铃声，视频会议，网上冲浪甚至是电影内容 。 通过这种系统来听这些动态范围宽广内容，可以在声音削波和几乎听不见 任何东西之间考验用户的耐性。产生这些问题的原因可以在图6中显示，而其中 的音频窗口已经被极大的缩小了。 无线手持电话喇叭 图6.无线手持电话喇叭的音频感知窗口 无线手持电话喇叭的音频感知窗口 频率响应：600Hz至3.2K Hz 动态范围：60dB至40dB （办公室的环境噪音）

4
频率响应补偿算法 频率响应补偿算法
4.1 消费类电子产品的低音提升功能 消费类电子产品的低音提升功能 电子产品的低音提升 小扬声器的频率响应在低频响应处大大的衰减了。在它的通频带时，扬声 器的频率响应是相对平坦的，然后在低于它滚降点（f3）的频率下急速地下降 。低于滚降频率的音频部分的声学效率在全频带中只占很小的部分，而这些对 扬声器能造成损坏的剩余的能量被转换成了热量。 对于封闭箱体的设计来说，扬声器滚降率是-12dB/倍频程, 而倒相箱体的设计是-24dB/倍频程。 所以，在密闭箱体的扬声器中，低于滚降点一个倍频程的音频信号的声学能量 输出相当于1/4的通频带的声音能量输出，而在倒相箱则相当它的1/8。 数十年来，行业中已使用了许多不同的低音提升或者特制均衡的方法来满 足这种需求。这些方法只是想通过提升信号和能量级来补偿在效率上的损失。 这些传统的低音提升或均衡技术全部都存在固有的问题： ? ? ? 低音提升需要较高系统增益或裕量，提高了要求和功放峰值功率以及扬 声器的漂移上的成本。 低音提升减少了整个扬声器的效率而且增加了系统的功耗 低音提升破坏了音乐或音频的频率平衡，并且产生了一种不自然的声音 。 Waves的MaxxBass心理声学低音扩展 的 心理声学低音扩展 心理声学低音
4.2
适应市场需求，Waves开发了专利的MaxxBass心理声学低音扩展技术。M axxBass与传统的低音提升技术的显著不同之处在于在低效率的部分，它并不 寻求更强力去推动扬声器。MaxxBass不是提升远低于滚降频率的部分的增益 ，而是去掉这些潜在的破坏性和无效的音频信号，从而产生比这些信号更高频 率的谐波，而这些信号叠加在一起，从听觉上就感觉到是原始低音的信号。因 为MaxxBass使用了对心理声学及人们如何感知频率的深度理解，所以产生完 全自然的效果，并且这项技术已经被许多顶级的混音与母带处理工程师使用了 很多年。 因为并没有强制要求扬声器在低于它的有效工作范围内工作，所以整个系 统的效率都被提高了。所以，MaxxBass被广泛接受并认为是那些用电池供电 的音频系统的唯一有效的低频响应扩展技术。

MaxxBass使用了专利的心理声学技术使得感觉到的低频响应扩展了1.5个 倍频程。这使得音频感应窗口能极大扩张并支持低音频率。这就增强了通过声 音的低频部分所带来的情感冲击。 4.3 MaxxBass对于液晶电视改善 对于液晶电视改善 对于液晶电视
图7显示了使用了MaxxBass的液晶电视音频感知窗口的一些改进。可感知 的低频滚降可以由大约200Hz降到大约65Hz。它通过提供了一个更宽广的低频 响应范围来给听众一个巨大改进的听觉体验，而那些频率其实是不能被重放的 。 图7 MaxxBass对于液晶电视改善 对于液晶电视改善
MaxxBass 也补偿听觉上的低频滚降。低频和高频的平衡在所有音量水平上保持着一致， 这淘汰了传统的等响度功能。这使得使用者即使在很小音量的情况下也可以听 到低频的内容，而这些在通常情况下是不可能实现的。

5. 5.1
动态范围的补偿算法 消费类电子产品的自动增益控制功能 消费类电子产品的自动增益控制功能 的自动增益
消费类电子产品的有限的动态范围是众所周知的问题。行业中对此问题的 传统应对方法是使用自动增益控制功能（AGC）。例如：手提电话使用AGC来 为使用者提供更一致的信号电平和输出音量。在高级的电视机中，AGC被认为 是一种巧妙的、智能的音量控制从而减少音量的跳变。 AGC通过一个相关的100毫秒或更长的采样来侦测信号平均强度。它将信 号平均强度与信号目标平均强度作比较，然后缓慢的增加或衰减系统增益直到 他们相匹配。 这些传统的AGC使用起来相对比较简单，而且能够改进一些清晰度。但是 ，他们都有一个相同的本质问题在于－他们都不能对信号电平的快速变化做出 响应。 ? ? ? 强烈的音频峰值削波和因此引起的失真 信号电平的快速下降导致信号的丢失或暂时性的异常。 如果过度使用AGC，太多的动态会消失而使得音频信号听起来毫无生气 而言 作为专业音频工具的压缩器和限幅器 作为专业音频工具的压缩器和限幅器
5.2
录音，混音和母版制作的专业人士在处理动态范围上也存在许多相同的本质问 题。然而，他们并不使用简易的自动增益控制功能，而是倾向于更灵活和强大 的专业信号处理器，例如：压缩器和限幅器。 AGC的工作是基于假设音频信号是处于一个相对稳定的状态，而仅仅是增 益或音量是需要调节的。然而，对于音频信号，正如第二节所说，通常是拥有 很宽的动态范围。压缩器和限幅器使得专业的音频工程师可以仔细地优化音频 信号的动态响应，而不存在AGC的固有问题。 专业的音频工程师完成这些工作的关键是使用清晰的信号处理工具。清晰 是指处理过的音频信号听起来不像是经过处理的。通常这就意味着这些工具造 成这些音频变化，而并不改变对于听觉来说非常敏感和苛刻的那些关键特性， 例如：上升时间(attack time)。

Waves在1994年推出了L1 Ultramaximizer，这是行业内第一个清晰的峰值限幅器。这一具有开创性的信 号处理工具使得处理过的音频具有更高的输出电平，而且听起来与具有更宽动 态范围的未处理的音频是一样的。自此，Waves的动态工具，包括限幅器与压 缩器，已经成为世界认可的录音标准，而且被用于世界上推出的几乎所有主要 的电影声轨，音乐和视频游戏中。
5.3
Waves MaxxVolume的动态范围补偿 的动态范围补偿
在音频系统中，音量是一个最主要用户控制。直到现在，这一基本的控制 方法并没有得益于音频信号处理来优化系统的动态范围。Waves的MaxxVolum e对于那些只有有限的动态范围的消费类音频产品来说是一个全新的信号处理技 术。 MaxxVolume使用了与Waves获过奖的专业音频工具相同的动态技术。 MaxxVolume包括了如下的音频功能： ? 基于Waves著名的L1 Ultramaximizer处理器，清晰地限幅器功能使得在没有削波和失真的情 况下将音量能够做很大的提升，很大程度的超过正常的音量。这一功能 使得最大输出（音量）电平提升了12dB，而且不会产生失真。它将输出 增加了4倍却不会提升产品的功放或扬声器的成本。 基于Waves得奖的Renaissance压缩器 压缩器，压缩功能可用于改善声音在嘈 压缩器 杂环境中的清晰度和可闻度。这极大地提高了音频在嘈杂背景环境中或 者是声音音量大大降低时的清晰度。 嗓音门功能用来减少在原始的录音中来自声卡，CD播放器和背景的噪声 。 MaxxVolume也支持一个可选择的、使用传统的AGC方法的自动电平调 节功能。即使在音频输入上有明显的音量变化，这一功能也可以使得收 听到的音量保持一致。这对于看电视或者收听广播的使用者来说，是十 分有利的，因为听不同内容时，音量是不断的变化的，使用它就减少了 对此音量变化所带来的不适感。
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5.4
MaxxVolume对液晶电视的改善 对液晶电视的改善 电视的改
MaxxVolume清晰的峰值限制器开启了新的音频感应窗口，它可以使得峰 值信号电平提高+12dB，而不会失真或者不需要更昂贵的功放和喇叭。 低电平压缩器使得很弱的信号可以被感知，而以往这些信号通常会消失在 听音环境的噪音中。特别是在小音量时听那些具有宽广动态范围的内容时问题 更为明显。比如：电影。在这种情况下，可以在感知到的低电平信号上获得+2 0dB的改善。
图8反应了在音频感知窗口中所有的改进
图表8 图表
MaxxVolume对液晶电视的改善 对液晶电视的改善 电视的改

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总结
频率响应和动态范围补偿技术可以增加小扬声器系统的有效工作范围。总 而言之，这些技术极大地改进了音频感应窗口，而使得听到的音频质量得到改 善。 图10是液晶电视应用中音频感应窗口得到改进的例子。在很多消费类音频 产品，例如手机，手提电脑和便携式音频系统等，都能得到类似的性能改进。 图表10 图表 MaxxVolume和MaxxBass对液晶电视的改善 和 电视的改善 对液晶电视的改
除了能在很大程度上改善音频质量，OEM厂商可以使用这些性能来在其他 方面改进产品的设计。其中包括降低功放和扬声器的成本，减少系统的功耗， 或者能通过使用更小的扬声器系统来得到更人性化的产品设计等。 ###
MaxxBass是Waves Audio Ltd公司在美国及其他国家已注册的商标。Audio Perception Window 和MaxxVolume是Waves Audio Ltd的商标