專利名稱：用于音頻信號增益控制的設(shè)備和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明通常涉及控制音頻信號的增益的方法和適合于控制音頻 信號的增益的音頻壓縮器設(shè)備。更具體地說，本發(fā)明涉及用于分析 音頻信號的內(nèi)容以估計音頻信號中噪聲的存在并根據(jù)分析來控制增 益的裝置。
背景技術(shù)：
移^ 電話行業(yè)在服務(wù)質(zhì)量、傳輸能力以及制造高級通信終端的 技術(shù)方面已取得了長足進展。僅在幾十年間，通信系統(tǒng)就從模擬步 入數(shù)字，與此同時，通信終端的尺寸已從公文包般大小過渡到了當 今可置于口袋中的電話。目前，移動電話變得越來越小，而且通常 認為其大小對終端用戶來說是一個重要因素。電子領(lǐng)域的發(fā)展已使 終端部件小型化成為可能，同時使終端能夠完成更高級的功能和服 務(wù)。新傳輸方案的開發(fā)也為將更高級數(shù)據(jù)傳送到無線通信終端提供 了可能性，例如實時視頻。
目前，幾乎不可能在可以認為是移動電話與可以稱為是便攜式 可置于口袋的計算機之間劃分出清楚的界限。然而，為無線通信準 備的便攜式電子設(shè)備必須至少被認為是滿足了作為移動電話的基本 要求的，即便是這種電子設(shè)備采用了例如掌上電腦的形狀也是如此。
通常與為例如語音的音頻數(shù)據(jù)的通信準備的通信設(shè)備有關(guān)的問 題、尤其是與移動電話有關(guān)的問題是聲音質(zhì)量可能并非總是最佳的。 對于無線通信連接來說，由于多種原因，例如語音信號的清晰度和 響度可能較差。首先，在通信會話遠端處的通話方可能僅是輕聲講 話者，這意味著語音水平將低于聲音響亮的人。低語音電平也可能 是由遠端方的移動電話與通信網(wǎng)絡(luò)之間的軟上行鏈路導(dǎo)致的，或者
是由網(wǎng)絡(luò)中的衰減導(dǎo)致的。無論如何，結(jié)果是音頻信號的音頻數(shù)據(jù) 的幅度比中間或強幅度的音頻信號更接逸于空閑或背景噪聲電平。
現(xiàn)有技術(shù)中解決該問題的 一種方案是采用所謂的音頻壓縮器。 音頻壓縮器是一種動態(tài)處理器，其用于降低或壓縮輸入信號的動態(tài) 范圍并將電平保持得更恒定，使得它在無論是噪聲還是例如伴隨的 音樂聲的背景聲音之上可以更清楚地被聽到。理想的壓縮器通常在 不起作用時會引入少量的失真和噪聲，并且以使收聽者的耳朵愉悅 的方式來控制音頻電平。通常，音頻壓縮器與噪聲門一起使用，該 噪聲門是特殊類型的擴展器。擴展器是一類動態(tài)處理器，該動態(tài)處 理器用于增加信號的動態(tài)范圍，以使低電平信號被衰減，而較響亮 的部分既未被衰減也未被放大。從這個意義上講，擴展器的表現(xiàn)與 壓縮器的表現(xiàn)相反。在擴展時,噪聲門被發(fā)揮到極致，在此情形中， 噪聲門會大大衰減輸入或?qū)⑤斎胪耆瑑H留下靜音。
圖1示意性地示出了依照現(xiàn)有技術(shù)的組合壓縮器和噪聲門的功 能以及這種功能如何控制施加到輸入音頻信號的增益以放大到輸出
音頻信號。虛線1表示單位增益，而粗線2表示壓縮器控制的增益 的設(shè)置。正如可從圖中看到的，在輸入信號的非常低的電平3處， 噪聲門功能起到消除輸出信號的作用。這通常發(fā)生在講話的人不出 聲且僅有背景噪聲存在時。在低電平4處，設(shè)定低增益以便于避免 將背景噪聲放大太多。在中間電平范圍5內(nèi)，施加高增益，并且在 高電平時設(shè)定增益以便于避免放大之后的數(shù)字削波。
與音頻壓縮有關(guān)的問題涉及低電平輸入音頻信號。如果增加放 大，那么也會增加噪聲，從而導(dǎo)致令人不快的聲音質(zhì)量和不必更清 晰的聲音數(shù)據(jù)。此外，如果音頻數(shù)據(jù)的聲級，即通常為語音，非常 低的話，則它有時可能會降到噪聲門電平以下并因此被截止，只留 下既令人討厭又難以理解的雜亂聲音。出于這個原因，在許多情況 下必須關(guān)閉噪聲門功能，這在輸出信號中導(dǎo)致更高的空閑p桑聲電平。

發(fā)明內(nèi)容
因此，需要在音頻壓縮領(lǐng)域和音頻信號的可變增益控制中進行 改進，這是本發(fā)明的總體目的。具體為y本發(fā)明的目的在于克服與 現(xiàn)有技術(shù)中弱的或低電平的音頻信號的增益控制方面有關(guān)的缺陷。
按照本發(fā)明的第一方面，該目的通過用于控制音頻信號的增益
的方法來實現(xiàn)，該方法包括以下步驟 -接收音頻信號；
-在時幀期間分析所述信號以便確定該信號代表的是噪聲還是 音頻數(shù)據(jù)；
-根據(jù)所述分析設(shè)定增益； -通過所述增益放大所述信號。
在一個實施例中，分析信號的步驟包括執(zhí)行信號的自相關(guān)的步驟。
在一個實施例中，分析信號的步驟^括以下步驟 -比較表示噪聲信號的標準和信號的自相關(guān)特征；以及 -根據(jù)所述比較確定所述信代表的是噪聲還是音頻數(shù)據(jù)。 在一個實施例中，該方法包括以下步驟
-如果確定所述信號代表噪聲，則設(shè)定第一增益級；如果確定 所述信號代表音頻數(shù)據(jù)，則設(shè)定第二增益級，其中笫二增益級高于 第一增益級。
在一個實施例中，該方法包括以下步驟
-如果確定所述信號代表音頻數(shù)據(jù)，則控制用于信號的噪聲門 功能以使其起作用。
在一個實施例中，該方法包括以下步驟 -建立所接收信號的幅度電平的測量；
-如果確定所述幅度電平相對于參考電平是低的，則執(zhí)行分析、 設(shè)定和放大步驟。
在一個實施例中，音頻數(shù)據(jù)代表語音。
在一個實施例中，接收并分析音頻信號的步驟由通信終端的音 頻壓縮器設(shè)備來扭.行。
在一個實施例中，在通信終端中于下行鏈路接收音頻信號。
在一個實施例中，該方法包括以下步驟 -通過揚聲器輸出聲音，根據(jù)放大的信號對其進行控制。 按照本發(fā)明的第二方面，所述目的通過用于處理音頻信號并控 制信號放大器的音頻壓縮器設(shè)備來實現(xiàn)，該音頻壓縮器設(shè)備包括信 號分析器功能，該信號分析器功能被設(shè)計成在時幀期間分析輸入信 號以便確定該信號代表的是噪聲還是音頻數(shù)據(jù)，其中該音頻壓縮器 設(shè)備適合于根據(jù)分析來設(shè)定用于信號放大器的增益。
在一個實施例中，分析器功能包括自相關(guān)功能，所述自相關(guān)功 能可用于在確定信號代表的是噪聲還是音頻數(shù)據(jù)的過程中執(zhí)行輸入 信號的自相關(guān)。
在一個實施例中，分析器功能包括比較器功能，所述比較器功 能可用于比較表示噪聲信號的標準和輸入信號的自相關(guān)特征，并根 據(jù)所述比較確定所述信號代表的是噪聲g是音頻數(shù)據(jù)。
在一個實施例中，增益控制功能被設(shè)計成在確定所述信號代表 噪聲時設(shè)定第一增益級，并在確定所述信號代表音頻數(shù)據(jù)時設(shè)定第 二增益級，其中第二增益級高于第一增益級。
一個實施例包括用于信號的噪聲門功能，如果確定所述信號代 表音頻數(shù)據(jù)，則控制該功能以使其起作用。
一個實施例包括信號電平檢測器功能，該信號電平檢測器功能 被設(shè)計成建立所接收信號的幅度電平的測量，其中，如果確定所述 幅度電平相對于參考電平是低的，則觸發(fā)所述分析器功能以便分析 輸入信號。
在一個實施例中，音頻數(shù)據(jù)代表語音。
在一個實施例中，通過通信終端的信號處理器來實現(xiàn)所述功能。 在一個實施例中，通信終端具有用午在下行鏈路中接收音頻信 號的信號接收裝置。
在一個實施例中，連接音頻壓縮器設(shè)備以便控制通過揚聲器的 聲音輸出，根據(jù)信號放大器對聲音進行控制。


由下面結(jié)合附圖對優(yōu)選實施例進行的描述，本發(fā)明的其它特征
和優(yōu)點將變得更加顯而易見，其中
圖1示意性地示出了現(xiàn)有技術(shù)中的音頻壓縮器設(shè)置；以及
圖2示意性地示出了表示按照本發(fā)明實施例的音頻壓縮器設(shè)備
的功能元件的框圖。
具體實施例方式
本發(fā)明涉及音頻壓縮領(lǐng)域中的用于音頻信號的增益控制。本發(fā) 明通常適用于例如移動電話的便攜式無線電通信設(shè)備，但并不限于 此。實際上，本發(fā)明可用在音頻信號處理設(shè)備中，該音頻信號處理 設(shè)備具有用于音頻信號的輸入端、音頻信號放大器和音頻信號輸出 端。因此，應(yīng)當理解本發(fā)明還可用于例如固定電話。此外，應(yīng)當強 調(diào)的是，在說明書和所附權(quán)利要求書中,用的表明被包括的特征、 元件或步驟的術(shù)語"包括"無論如何也不能解釋為排除所表達的或 所述的那些之外的其它特征、元件或步驟。
下面提到的 一 個實施例涉及在通過揚聲器輸出由音頻信號表示 的聲音之前處理自遠端方在下行鏈路中接收的輸入音頻信號的移動 電話中的應(yīng)用。換言之，本發(fā)明屬于應(yīng)用在通信設(shè)備的接收器端的 情況。在備選實施例中，將音頻處理和增益控制應(yīng)用于通信連接的 發(fā)射端，即，在由麥克風拾取的聲音被編碼成通信信號并被傳輸?shù)?接收方之前依照本發(fā)明對其進行處理，對該備選實施例將不再進行 詳細討i侖，4旦是該備選實施例也可構(gòu)成本發(fā)明的一部分。不用i^， 這樣的實施例并不能夠克服發(fā)生在通信方之間的傳輸期間或之后的 聲音質(zhì)量問題。然而，這兩個實施例的結(jié)合也是一個備選。
圖2示出了依照本發(fā)明的音頻壓縮器設(shè)備20的實施例的功能元 件的框圖。應(yīng)注意到，該圖并不是用來舉例說明用于本發(fā)明的特定 電路解決方案的。相反，音頻壓縮器設(shè)備的元件通常通過裝置或在 信號處理器中執(zhí)行的計算機程序代碼來實現(xiàn)，例如數(shù)字信號處理器 DSP,該信號處理器具有相關(guān)的數(shù)據(jù)存儲裝置。將參考作為形成以移 動電話形式的通信終端的一部分的圖2對本發(fā)明進行描述。音頻壓 縮器設(shè)備20包括音頻信號輸入端21、信號電平檢測器功能22、增 益控制功能23、放大器24和音頻信號輸出端25。對于例如移動電 話的音頻接收設(shè)備中的實際應(yīng)用來說，音頻壓縮器設(shè)備20的信號輸 出端25隨后直接地或通過另外的放大器或信號處理裝置被連接到揚 聲器32或揚聲器輸出端。信號電平檢測器功能22通過測量或估計 信號幅度來確定通過輸入端21接收的音頻信號的幅度電平，然后由 增益控制功能23將增益設(shè)定到如圖1所示的包絡(luò)所確定的增益。而 后將增益應(yīng)用于放大器24,放大器24用設(shè)定的增益放大輸入音頻信 號并在信號輸出端25上提供放大的信號。
然而，信號電平檢測器功能22還包括用于比較所確定的輸入信 號的幅度電平和參考電平的裝置。參考電平可以是從存儲器26獲得 的固定的存儲電平值，例如表示空閑噪聲電平或僅僅是表示低電平 信號的電平。另一方面，可在音頻信號中測量背景噪聲，例如在該 信號中無音頻數(shù)據(jù)時。對于代表語音的音頻信號來說，例如在電話 會話中，當通話方無聲時，通常通過估計在某一時間段于信號中維 持的最低幅度電平代表噪聲電平來測量背景噪聲電平?？蛇B續(xù)估計 噪聲電平或測量某個時間段的噪聲電平并將其存儲在存儲器26中。 信號電平檢測器功能比較所確定的音頻信號的幅度電平和參考信 號，以便確定音頻信號相對于參考信號是否是低的。如果參考信號 是噪聲或背景信號，那么相對較低仍然可能意味著音頻信號高于參 考電平，但是，例如意味著它并未充分超過參考電平。如果參考電 平是表示低電平信號的閾值電平，那么通常可將未超過閾值電平的音頻信號確定為^f氐電平信號。
如果信號電平檢測器功能未確定音頻信號相對較低，則用于該
信號的增益隨后由增益控制功能23設(shè)定到取決于已確定的信號電平 的電平。另一方面，如果確定信號電平相對較低，則運行信號分析 器功能來分析輸入信號，以便確定所選棒的音頻信號的部分代表的 是噪聲還是音頻數(shù)據(jù)，即通常代表語音的數(shù)據(jù)。不用說，來自噪聲 的低電平信號與高電平信號相比是不明顯的。因此，為了確定信號 代表的是噪聲還是音頻數(shù)據(jù)，進行音頻信號的特征的時域調(diào)查。對 于在至通信終端的通信鏈中生成的噪聲而言，時域表現(xiàn)通常是隨機 的，而代表語音的音頻數(shù)據(jù)更受限定。在一個實施例中，這用于通 過采用自相關(guān)功能27來識別音頻信號的特征。自相關(guān)是一種時域函 數(shù)，這種時域函數(shù)是信號形狀或波形在多大程度上與其本身的延遲 版本類似的量度。自相關(guān)的最大值是1。例如正弦波的周期信號具有 自相關(guān)，這種自相關(guān)在零時間延遲時等于1,在波周期的一半的時間 延遲時等于零，并且在一個周期的時間延遲時等于1;換言之，其本 身是正弦波形。然而，隨機噪聲具有在零遲時的自相關(guān)，但在所有 其它延遲時它基本上為零。在優(yōu)選實施例中，自相關(guān)功能27被設(shè)計 成在預(yù)定的時幀內(nèi)執(zhí)行所接收音頻信號的自相關(guān)，預(yù)定的時幀可在 例如1和100ms之間，或通常介于5和50ms之間，例如約為10ms。 新的自相關(guān)可在緊挨著前面的時幀的時幀中進行，或者可以在其間 具有某 一 時間延遲的后 一 時幀中進行?？刂茣r幀的開始和持續(xù)時間 并且還可能控制隨后的自相關(guān)之間的周期的時鐘信號可由時鐘功能 28來提供。
信號分析器功能還包括比較器功能29，比較器功能29可用于比
較由自相關(guān)功能27獲得的輸入信號的自相關(guān)特征和表示噪聲信號的
某個形式的標準。這種分析可包含查看自相關(guān)中的零交叉數(shù)量以及 將其與表示確定為是噪聲的信號的零交叉的預(yù)定數(shù)量進行比較?？?br> 將標準作為通過比較器功能29訪問的閾值存儲在標準存儲器30中，
所述標準例如是表示代表噪聲的信號的零交叉數(shù)量的數(shù)據(jù)。如果信
號分析器功能27、 29根據(jù)其設(shè)置揭示出音頻信號代表所分析的時幀 中的噪聲，則觸發(fā)增益控制功能23以便設(shè)定低的笫一級增益。另一 方面，如果信號分析器功能27、 29根據(jù)其設(shè)置揭示出音頻信號包括 所分析的時幀中的例如語音的音頻數(shù)據(jù)，則觸發(fā)增益控制功能23以 便設(shè)定更高的第二級增益，其中第二級增益高于第一級增益。因此， 不僅根據(jù)音頻信號的幅度而且根據(jù)音頻信號的特征來設(shè)定增益。這 使得特別是在接近噪聲平臺的低電平信號處微調(diào)增益成為可能。參 看圖1，取決于是否已經(jīng)確定在某一時幀內(nèi)所分析的音頻信號代表的 是噪聲還是音頻數(shù)據(jù)的增益調(diào)節(jié)可以通過對為增益控制功能23設(shè)定 的音頻壓縮器的低電平部分4的斜率進行調(diào)節(jié)來實現(xiàn)。向左移動部 分4的低端將會例如增加增益，尤其是在部分4的低電平端處。另 一種方式是將部分4的設(shè)置布置成非線性，例如開始更接近于最低 電平的單位放大，接著以較小的斜率增加到某一斷點，隨后在信號 電平達到部分4的更高端時采取如圖1所示的斜率。但是可選擇備 選設(shè)置。
在一個實施例中，信號分析功能27、 29還凈皮設(shè)計成控制噪聲門
、
功能31，使得如果信號確定為代表音頻數(shù)據(jù)則控制噪聲門功能以使 其起作用。這樣，可以降低電話通話期間感覺到的空閑噪聲電平， 即使對于低電平信號來說也是如此，目前，對于低電平信號，通常 會關(guān)閉噪聲門功能。
所提出的解決方案通過自動處理其中音頻信號電平接近于噪聲 平臺的棘手情況為音頻壓縮器提供了更好的靈活性，并且它也不需 要對噪聲平臺的精確電平知道太多，因為通過其特征而非其幅度來 確定噪聲的存在。本說明書中描述的信號分析器功能27、 29用于低 電平音頻信號，信號分析器功能對低電平音頻信號尤為有利。然而， 當然可將自相關(guān)設(shè)置成適用于所有音頻信號而不僅僅是低電平信 號，在這種情形中，信號分析器功能不必依賴于信號電平檢測器功
能22。
前面已經(jīng)描述了本發(fā)明的原理、優(yōu)選實施例和操作^^莫式。然而， 上述實施例應(yīng)當被認為是說明性的而非限制性的，并且本領(lǐng)域的技 術(shù)人員應(yīng)當意識到，在未背離所附權(quán)利要求書限定的本發(fā)明范圍的 情況下，可對這些實施例進行變更。
權(quán)利要求
1.一種用于控制音頻信號的增益的方法，所述方法包括如下步驟接收(21)音頻信號；在時幀期間分析(27、29)所述信號以便確定所述信號代表的是噪聲還是音頻數(shù)據(jù)；根據(jù)所述分析設(shè)定增益(23)；通過所述增益放大(24)所述信號。
2. 如權(quán)利要求1所述的方法，其中分析所述信號的步驟包括以 下步驟執(zhí)行所述信號的自相關(guān)(27)。
3. 如權(quán)利要求2所述的方法，其中分析所述信號的步驟包括以 下步驟比較(29 )所述信號的自相關(guān)特征和表示噪聲信號的標準(30 );以及根據(jù)所述比較確定所述信號代表的是噪聲還是音頻數(shù)據(jù)。
4. 如前面的權(quán)利要求中的任何一項所述的方法，所述方法包括 如下步驟如果確定所述信號代表噪聲，則設(shè)定第一增益級，如果確定所 述信號代表音頻數(shù)據(jù)，則設(shè)定第二增益級，所述第二增益級高于所 述第一增益級。
5. 如前面的權(quán)利要求中的任何一項所述的方法，所述方法包括 如下步驟如果確定所述信號代表音頻數(shù)據(jù)，則控制用于所迷信號的噪聲 門功能(31)以使其起作用。
6. 如前面的權(quán)利要求中的任何一項所述的方法，所述方法包括 如下步驟建立所接收信號的幅度電平(22)的測量； 如果確定所述幅度電平相對于參考電平(26)是低的，則執(zhí)行 分析、設(shè)定和放大步驟。
7. 如前面的權(quán)利要求中的任何一項所述的方法，其中所述音頻 數(shù)據(jù)代表語音。
8. 如前面的權(quán)利要求中的任何一項所述的方法，其中接收和分 析所述音頻信號的步驟由通信終端的音頻壓縮器設(shè)備(20)來執(zhí)行。
9. 如權(quán)利要求8所述的方法，其中聲所述通信終端中于下行鏈 路接收所述音頻信號。
10. 如前面的權(quán)利要求中的任何一項所述的方法，所述方法包括 如下步驟通過揚聲器(32)輸出聲音，根據(jù)放大的信號(25)控制所述 聲音。
11. 一種用于處理音頻信號并控制信號放大器(24)的音頻壓 縮器設(shè)備(20)，其特征在于，信號分析器功能(27、 29)被設(shè)計 成在時幀(28)期間分析輸入信號以便確定所述信號代表的是噪聲 還是音頻數(shù)據(jù)，其中所述音頻壓縮器設(shè)備適合于根據(jù)所述分析設(shè)定 用于所述信號放大器的增益。
12. 如權(quán)利要求11所述的音頻壓縮器設(shè)備，其特征在于，所述 分析器功能包括自相關(guān)功能(27),所迷自相關(guān)功能用于在確定所 述信號代表的是噪聲還是音頻數(shù)據(jù)的過程中執(zhí)行所述輸入信號的自 相關(guān)。
13. 如權(quán)利要求12所述的音頻壓縮器設(shè)備，其特征在于，所述 分析器功能包括比較器功能(29)，所述比較器功能用于比較表示 噪聲信號的標準(30)和所述輸入信號的自相關(guān)特征，并根據(jù)所述 比較確定所述信號代表的是噪聲還是音頻數(shù)據(jù)。
14. 如權(quán)利要求11至13中的任何一項所述的音頻壓縮器設(shè)備， 其特征在于，增益控制功能(23)被設(shè)計成在確定所述信號代表噪聲時設(shè)定第一增益級，并在確定所述信號代表音頻數(shù)據(jù)時設(shè)定第二 增益級，所述第二增益級高于所述第一增益級。
15. 如權(quán)利要求11至14中的任何一項所述的音頻壓縮器設(shè)備， 其特征在于，用于所述信號的噪聲門功能(31 )，如果確定所述信 號代表音頻數(shù)據(jù)，則控制所述噪聲門功能以使其起所用。
16. 如權(quán)利要求10至13中的任何一項所述的音頻壓縮器設(shè)備， 其特征在于，信號電平檢測器功能(22)被設(shè)計成建立所接收信號 的幅度電平的測量，其中，如果確定所述幅度電平相對于參考電平(26)是低的，則觸發(fā)所述分析器功能以便分析所述輸入信號。
17. 如權(quán)利要求10至14中的任何一項所述的音頻壓縮器設(shè)備， 其特征在于，所述音頻數(shù)據(jù)代表語音。
18. 如權(quán)利要求10至15中的任何一項所述的音頻壓縮器設(shè)備， 其特征在于，通過通信終端的信號處理器來實現(xiàn)所述功能。
19. 如權(quán)利要求17所述的音頻壓縮器設(shè)備，其特征在于，所述 通信終端具有用于在下行鏈路中接收所述音頻信號的信號接收裝 置。
20. 如權(quán)利要求10至15中的任何一項所述的音頻壓縮器設(shè)備， 其特征在于，連接所述音頻壓縮器設(shè)備以便控制通過揚聲器(32) 的聲音輸出，根據(jù)所述信號放大器對所述聲音進行控制。
全文摘要
一種用于處理音頻信號并控制信號放大器(24)的音頻壓縮器設(shè)備(20)，包括信號分析器功能(27、29)，該信號分析器功能(27、29)被設(shè)計成在時幀(28)期間分析輸入信號，以便確定該信號代表的是噪聲還是音頻數(shù)據(jù)，其中所述音頻壓縮器設(shè)備適合于根據(jù)分析設(shè)定用于信號放大器的增益。分析器功能可包括自相關(guān)功能(27)，該自相關(guān)功能(27)可用于在確定信號代表的是噪聲還是音頻數(shù)據(jù)的過程中執(zhí)行輸入信號的自相關(guān)。
文檔編號H03G7/00GK101185240SQ200680018984
公開日2008年5月21日 申請日期2006年5月30日 優(yōu)先權(quán)日2005年6月2日
發(fā)明者S·古斯塔夫森 申請人:索尼愛立信移動通訊股份有限公司