一种基于频谱细化分析的虚拟低音 ⅦＰｈａｓｅ Ｖｏｃｏｄｅｒ算法改进 ．算法研究． 郑荣辉，姚剑敏，叶芸，郭太良 （福州大学场致发射国家地方联合工程实验室，福建福州３５０００２） 【摘要】介绍了产生虚拟低音的ＶＢ Ｐｈ鹕ｅ Ｖｏｃｏｄｅｒ算法，阐述了其频谱确定方法在处理密集频谱时的不足。针对 此情况引入了基于复解析带通滤波器的复调制细化频谱分析，通过对低频段的细化处理，提高了频谱确定单元的处 理精度。实验证明该做法能有效改善虚拟低音的音色，其低音响度也与真实音频更为接近。 【关键词】虚拟低音；ＶＢ 【中图分类号】删 Ｐｈ硒ｅ Ｖｏｃｏｄｅｒ算法；密集频谱 【文献标志码】Ａ ｈｌｐｍｖ甜ｖＢ Ｐｈａ辩ｖＩ脚ｄｅｒ Ａｌ印ｒ妯ｍ Ｂａｓｅｄ蚰ｈｔｅｎ商ｖｅ Ｓｐｅｃｔ邝ｍ Ｃｏｒｒｅｃｔｉ蚰 ｚＨＥＮＧ （Ｎａｔｉｏｎａｌ＆Ｌ∞ａｌ 【Ａｂ；打ａｃｔ】Ｔｈｅ ｕｎｉｔｅｄ Ｅｎ百ｎｅｅｒｉｎｇ ＲｏｌｌｇＩｌｕｉ，ＹＡ０ Ｊｉａ肿ｉｎ，ＹＥ ｏｎ ３５０００２，Ｃｈｉｎａ） ｖｉｒｔＩｌａｌ ｂ酗ｓ ＶＢ Ｐｈａｓｅ Ｖｏｃｏｄｅｒ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ｉｓ ｄｅｓｃｒｉｂｅｄ ａｎｄ ｔｌｌｅ ｓｈｏｒｔａｇｅ ｏｆ ｔｈｅ ｓｐｅｃｔｍｍ—ｄｅｔｅＨＩｌｉｎａｔｉｏｎ ｍｅｔ｝ｌ－ ｏｄ ｉｎ ｐｍｃｅｓｓｉｎｇ ｔ｝Ｉｅ ｉｎｔｅｎｓｉｖｅ叩ｅｃｍｌｍ ｉｓ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ．Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｂａｓｅｄ Ｙｕｎ，Ｇｕ０ Ｔａｉｌｉａｎｇ Ｌａｂｏｍｔｏｒｙ ｏｆ ｎａｔ Ｐａｎｅｌ Ｄｉｓｐｌａｙ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｆｕｚｈｏｕ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｆｕｚｈｏｕ ｃｏｍｐｌｅｘ蚰ａｌｙｔｉｃ ｂａｎｄ ｐ鹊ｓ ｆｉｈｅｒ．Ｂｙ ｒｅｆｉｎｉｎｇ ｔ｝ｌｅ ｔｈｅ ａｂｏｖｅ ｓｉｔｕａｔｉｏｎ，ｔｌｌｅ ｚｏｏｍ ｓｐｅｃｔｍｍ ａｎａｌｙｓｉｓ ｉｓ ａｄｏｐｔｅｄ ｔｏ １０ｗ—ｆｂｑｕｅｎｃｙ ｓｔａｇｅ，ｔ｝ｌｅ ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｓｐｅｃｔｍｍ ｃｏ—ｉ丌Ｉｌｉｎｇ ｍｏｄｕｌｅ ｉｓ ｅｌｌｌＩ舳ｃｅｄ．，１１Ｉｅ ｆｉｎａｌ ｒｅｓＩｌｌｔｓ ｐｒｏｖｅ ｔｈａｔ ｔｌｌｅ ｔｉＩＩｌｂｒｅ ｏｆ ｔｌｌｅ ｖｉｒｔｕａｌ ｂａｓｓ ｈａＬｓ ｂｅｅｎ ｅ＆ｃｔｉｖｅｌｙ ｉｍｐｍｖｅｄ．１１ｌｅ ｌｏｕｄｎｅｓｓ ｏｆ ｍｅ ｖｉｒｔｕａｌ ｂ鹊ｓ ｉｓ ｃｌｏ鸵ｒ ｔｏ ｔｈｅ ｍａｌ ａｕｄｉｏ ｆｈｑｕｅｎｃｙ． 【Ｋｅｙ咖ｒｄｓ】ｖｉｒｔｕａｌ ｂ嘲；ＶＢ Ｐｈ黜Ｖ０ｃｏｄｅｒ ａｌｇｏｒｉｔｌｌＩｎ；抵ｎｓｉｖｅ １ 引言 现今，计算机、智能手机、ＭＰ３、平板计算机、平板 电视等多媒体设备都在朝小型化和轻薄化发展。受 体积所限，其所配置的扬声器尺寸较小，谐振频率较 高，因此对低于其谐振频率的低频信号分量重放能力 很弱。目前，一种比较有效的低音增强手段称为虚拟 ｓｐｅｃｔｎｌｍ 正方法对ＶＢ Ｐｈａｓｅ 本文分析了ＶＢ Ｖｏｃｏｄｅｒ算法的效果有较大影响。 Ｐｈａｓｅ Ｖｏｃｏｄｅｒ算法的基本原理，及其 基频频谱确定算法的不足，同时引入了密集频谱细 化，对于该算法产生的谐波频率准确性有一定提高。 ２ ＶＢ Ｐｈａｓｅ ＶＢ Ｐｈ鹊ｅ Ｖｏｃｏｄｅｒ算法 Ｖｏｃｏｄｅｒ算法将时域的低频信号转为 低音¨Ｊ，这种技术利用了心理声学的相关现象，即人 频域信号，并计算该音频信号中准确的基频信号。对 感知低音时，并不主要依靠该低音的基频，而更重要的 得到的基频信号进行处理，得到基频的各次谐波并将 是依靠该基频产生的高次谐波；当基频消失时，只要其 其叠加，将叠加后的信号转换为时域信号输出。算法 谐波成分依然存在，就仍然能感觉到其低音效果。 结构如图１所示。 现有算法中，谐波构造的产生方式主要有时域 处理与频域处理两大类。时域处理最为成功的是 ＤａＩｌｉｅｌ，Ｍｅｉｒ等人提出的基于非线性电路元件实现的 Ｍａ碰Ｂａｓｓ算法，此算法结构简单，却会产生交调失真 的固有缺陷旧Ｊ。ＭｉｎｇＳｉａＩｌ Ｒ．ＢＡＤＩ提出的基于相位 声码器的ＶＢ Ｐｈａ∞Ｖｏｃｏｄｅｒ算法利用音频信号的频 域信息，直接确定基频频率，在此基础上通过变调方 式产生谐波，从原理上避免了交调失真的产生∽ｊ。 但由于时域截断产生的能量泄露，离散频谱的幅值相 信号输入经过低通滤波单元，取出低频信号 位和频率都可能产生较大误差。所以基频频谱的校 戈（ｍ）。设窗函数为∞（ｍ），则信号的短时加窗傅里 园丝！堕蔓璺！鲞蔓！塑 ●一投●投稿网址：ｈ仕ｐ：／／ＡｕｄｉｏＥ．ｃｎ 叶变换为 上的频率间隔细，频带分布宽，为了鉴别频谱图的细 微结构，在使用相位差校正法确定基频前可先进行频 ｘ。（１ｊ｝）＝∑戈（ｍ）山（ｎ—ｍ）形：“‘＝ ｘ。（后）Ｉ 谱细化，改进后的ＶＢ ｅｊ９‘¨’ Ｊ｜｝＝０，ｌ，…，Ⅳ一１ Ｐｈ聃ｅ Ｖ＆０ｄｅｒ算法的结构图如 图２所示。 （１） 采用相位差法确定基频频率，对于相邻帧，其第 五通路的相位差丁为 ｒ＝妒（儿＋１，后）一妒（乃，后） （２） 将ｒ归一化到（一叮ｒ，＋霄）之间，得到ｒ。 ｒｒ＋２叮Ｔ，丁＜一１Ｔ ｒ＝｛一． 。一 【ｒ一２１『，丁＞１ｒ （３） 改进的ＶＢ 图２ Ｐｈａｓｅ Ｖｏｃｏｄｅｒ算法结构图 频率偏差肋为 肋＝｝·船 （４） 最后，将肋与标准频率相加，得到第ｉ个频带对 应的准确频率值耶（ｉ） 耶（ｉ）＝ｉ·船＋肋 （５） 式中，朋。表示每个频带的带宽。此频率校正算法在 单频率成分信号或者相隔较远（５个频率分辨率的间 隔）的多频率成分信号的情况下效果较好。当信号 中含有密集频率成分时，由于频谱干涉，上述校正方 法就会产生一定误差Ｍ Ｊ。 谐波产生只需将船（ｉ）乘以一变调系数ａ，当 ａ＝２时，产生基频频率耶（ｉ）的二次谐波，ａ＝３时产 生三次谐波，ａ＝４时产生四次谐波。 本算法采用基于复解析带通滤波器的复调制细 化算法，此算法速度快，精度高且不需要复杂的频率 调整。具体处理方法和步骤如下： ■为可听声的最低频率加比，五为扬声器截止频 率。频带Ｍ＿艿］为细化分析范围，待观测的频带中心为 ｛。＋凡 ，。２—ｉ一 ？ （７） 设细化倍数为Ｄ，抽选后的采样频率为工／Ｄ，分 析频带为［一六／２Ｄ Ｚ／２Ｄ］，由于分析频带对应分析 区间为队～五］，故细化倍数 ｒ、 ｆ （８） 肚万才 对于采用以上方法产生的谐波，若不进行幅度 构造一个通带为［■一五］的复解析带通滤波器 控制，各次谐波与基频的幅度相同。而人耳对于同一 ＾（凡），使用＾（凡）对输入信号信号戈（凡）进行选抽滤 声压（它反映了声音物理能量强度）不同频率的声音 波，选抽比为Ｄ，选抽点数为Ⅳ点。复解析带通滤波 所感受到的响度是不同的。在２０～７００ Ｈｚ的频率范 器将滤波与选抽结合，提高了计算效率。设选抽滤波 围内，声音响度２０—８０方（已超过生活中常见音频 后的复信号为ｚ’（ｎ）。对ｚ’（ｎ）进行移频，将细化的 尺∽＝丽Ｆ击‰ 响度）。声压级和响度的比例关系如下 起始频率点移到零频点，移频量∞：为 （６） 在谐波产生时，可以根据式（６）控制各个谐波的 增益，使得产生的各次谐波的响度与基频信号相同。 ∞２＝如ｌ 原始音频的采样频率为正，归一化周期为２叮ｒ，归 ，，一， 一化起始角频率为∞。＝半，故∞：可化为 要将产生的虚拟低音与原音进行合成，首先必须对原 始信号进行“低频切除”，滤除扬声系统无法重放的 低频段，再对滤波后的信号延时后与生成的谐波进行 合成。延时值的确定必须考虑对音频信号基频进行 处理的过程中所有的延时，包括ＦＦｒ和ＦＩＲ滤波所 （９） ２丁 ２柑斩 ∞２ Ｊ （１０） ８ 茗’（凡）经过移频得到 ｙ（ｎ）＝戈’（ｎ）ｅ一’叱“ｎ＝０，１，…，Ⅳ一１ （１１） 对ｙ（凡）做Ⅳ点ＦＦｒ和频谱分析，由ＦＦｒ得到的 占用的时间。 Ⅳ条谱线的。点对应与分析频段的下限频率Ｚ。所 ３ ＶＢ Ｐｈａｓｅ Ｖｏｃｏｄｅｒ算法的改进 音频信号属于典型的密集频谱信号，其频谱图 ●■投●投稿网址：ｈｔｔｐ：，，Ａ．ｕｄｉｏＥ．ｃｎ 以频率谱线号０，１，２，…，Ⅳ一１对应于实际频率正， “七鹭＾七２鹭。…，ｋ。 ２０１３年第３７卷第８期１７ｌＩ ４仿真计算与结果评价 ～ 首先进行频谱细化及频率确定单元的功能仿真， 利用ＭＡｒｌｌ．ＡＢ生成式（１２）的密集频率音频信号 ＾ 菇（￡）＝３．５ｃｏｓ（２叮ｒ·２５ｔ）＋３．５ｃｏｓ（２１Ｔ·２８￡）＋ ３．５ｃｏｓ（２叮Ｔ·３ｍ）＋３．５ｃｏｓ（２１Ｔ·３办）（１２） 鼢∞∞∞０卸柏 采样和细化分析参数：采样频率为４４ ｋＨｚ，加 鲥加 捌刖酽孵黪。铷』 ＨａｒＩｎｉｎｇ窗截短，进行点数Ⅳ＝４０９６的ＦＦｒ变换，并 ８００ 进行频率校正。图３为未进行细化处理时的频谱，由 ５０ １００ １５０ ２００ ２５０ ３００ ３５０枷 皿赴 图可以看出，由于频谱干涉，几个谱峰叠加在一起，形 原始音频部分频率范围频谱图 成一个谱峰。图４为采用了基于复解析带通滤波器 的频谱细化算法的计算结果，细化倍数Ｄ＝５０。显然 图４显示的频率成分与式（１２）一致。 。６０ － １５ ∞２０ 鼍 ｊ ／ ｉ耋ｏ＼。／ 罄～、，’ ∞ 蚤 孽 １一 ．．．．．，．．．．、．．．．．．√ ｏ ２０柏６０ ８０摊１２０ １４０ １６０ ｊ’一８＿Ｄｏ 图６ ５０ １００ ｖＢ№ １８０ ２００ 图３未细化处理的频谱图 日￥＊自《ｇ自镕８自§镕４目目目■■■■■日■■■■自■日目目目目嘲 ｉ ｔ ∞≈／哥馨 ｔ土王互Ｚ Ｌ Ｌ ｎ ｎ 一一 一笳 一 一：２ ●ｏｉ ¨㈠儿笱 ●，０ｉ ¨ ㈡㈠ ● ｉ ｊ ｉ¨ ¨川一．如 图４细化处理后的频谱图 Ｖｏｃｏｄ凹虚拟低獭，Ｃ为改进后ⅦＰＩｌａｓｅ Ｖ０ｃｏｄｅｒ算 其次，进行完整算法的计算机仿真。图５给出了 法所产生的虚拟低音音频。试音设备为一只全频响耳 原始音频某一帧的部分频率范围频谱图，图６和图７ 机，测试指标分为低音响度与音色两个方面，评分范围 分别是经过ＶＢ Ｖｏｃｏｄｅｒ与基于频谱细化分析 ０—１０分，分数越高表示效果越好。受试者为１０名在 的改进ⅦＰｈａｓｅ Ｖｏｃｏｄｅｒ算法处理后输出音频的同一 校研究生，在接受测试前并未被告知Ａ，Ｂ，Ｃ分别为哪 帧频谱图，扬声器截止频率为６０比。对比两图可以看 一种音频。表１为测试结果所得数据平均值。 Ｐｈａｓｅ 到，在图６与图７中低于截止频率的成分被明显衰减， 表ｌ 虚拟低音效果主观评测结果平均值 而６０～３００ Ｈｚ频段的音频其幅度则获得有效提升。 在ＭＡⅡＡＢ平台实现本算法之后，对其效果进 行了主观评价”ｊ。选取低频成分丰富的一段音频文 件为低音试音材料，音频Ａ为原始音频，Ｂ为ⅦＰｈａｓｅ 图垫！堕蔓！！鲞蔓！塑 （下转第７６页） ●声＆●投稿网址：ｈｎｐ：，，Ａ．ｕｄｉｏＥ．ｃｎ 彳固窝藏蘑 两数字信号处理 ／ 凹６翊６也囿０ Ｓ６回响囿０眵旷⑥＠＠岛＠６响ｇ Ｉ”以。匹ｎＪｆｎ—Ｉ ｒｆｎ口 几种算法的分离信号与目标Ａ原始信号的谱相关系 数都远低于０．５，可以认为对于目标Ａ的净化失效。 Ａｕｄｉｏ，Ｓｐｅｅｃｈ，锄ｄ ［２］ Ｉａｎ目Ｉａｇｅ№艄ｉｎｇ，２００６，１４（２）：６６６—６７８． ＵＫＡＩ Ｓ，ＴＡＫＡＴＡＮＩ Ｔ，ＮＩＳＨＩＫＡｗＡ Ｔ，ｅｔ ａ１．Ｂｌｉｎｄ ｓｏｕｒｃｅ ∞ｐａｒａｔｉｏｎ ｃｏｍｂｉｎｉｎｇ ＳＩＭ０一Ⅱ均ｄｅｌ—ｂａ∞ｄ ＩＣＡ锄ｄ ａｄ印一 ４ 结语 ｔｉ、，ｅ ｂｅ龇ｎｆ０嘞ｉｎｇ［ｃ］．ＩＥＥＥ ＩｃＡＳＳＰ，２００５．［ｓ．１．］：ＩＥＥＥ Ｐｒｅｓｓ，２０Ｑ５（３）：８５—８８． 本文对几种常用的盲分离算法进行了介绍与分 ［３］马建仓，牛奕龙，陈海洋．盲信号处理［Ｍ］．北京：国防工 析，并将其应用于波束域信号的净化。从仿真效果来 看，几种盲分离算法都可以净化比信号弱或强度相差 业出版社，２００６． ［４］张安清．盲分离技术及其在水声信号中的应用研究［Ｄ］． 不大的干扰。但当干扰强度较大时，强目标信号会覆 盖弱目标，几种算法都不能很好地完成净化任务，即 大连：大连理工大学，２００６． ［５］王英志，章新华，范文涛．一种波束域子带盲源分离新方 法［Ｊ］．计算机应用，２００８，２８（１１）：２６９—２７２． 对于弱目标的检测能力都较弱。从实验结果来看，联 合矩阵对角化盲分离算法相比其他几种算法，更适合 ［６］徐尚志．盲信号分离算法的研究［Ｄ］．合肥：中国科学技 术大学，２０Ｑ５． 处理水声波束信号。 ［７］张明健．盲分离算法的研究［Ｄ］．广州：华南理工大 参考文献 ［１］ 学，２００４． ｓＡＲｕｗＡ７Ｉ’ＡＲＩ Ｈ，ＫＡｗＡＭｕＲＡ Ｔ，ＮＩｓＨＩＫＡｗＡ Ｂｌｉｎｄ ｓｏｕｆｃｅ∞ｐ删ｏｎ ｂａｓｅｄ ｒｉｔｌｌｒｎ ｃｏｌＩｌｂｉＩｌｉＩＩｇ ＩＣＡ蛐ｄ ｏｎ ａ Ｔ，ｅｔ ａ１． ［８］史习智．盲信号处理——理论与实践［Ｍ］．上海：上海交 通大学出版社，２００８． ｆａｓｔ—ｃｏｎｖｅｒｇｅｎｃｅ ａｌｇｏ－ ｂｅａ舶ｎＩＩｉＩｌｇ［Ｊ］．ＩＥＥＥ Ｔｒ哪．Ｏｎ 【责任编辑】彭燕 【收稿日期］加１２一眇一１０ （上接第７２页） 参考文献 ｂ酗ｓ ｓｙｓｔｅｍ ｗｉｔｈ ［１］周荣冠．心理声学低音增强技术的研究［Ｊ］．电声技术， ２０１０，３４（７）：４４—４７． ［２］郭杰，莫福源，蔡志博，等．ＥＶＢ Ｐｈ鹊ｅ Ｃ．ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ明ｄ ａｐｐｍａｃｈ［Ｊ］．Ａｕｄｉｏ Ｅｎｇ．Ｓｏｃ．，２００６，５４（１１）：１０７７一１０９１． Ｖｏｃｏｄｅｒ算法与 ［Ｍ］．北京：科学技术出版社，２００８． ［５］孟子厚．音质主观评价的实验心理学方法［Ｍ］．北京：国 ‘ 技术，２００９，３３（３）：５９—６７． ＢＡＩ Ｍ Ｒ，ＵＮ ｗ Ｐｈａｓｅ—Ｖｏｃｏｄｅｒ ［４］丁康，谢明，杨志坚．离散频谱分析校正理论与技术 ＭａｘｘＢ踮ｓ算法在虚拟低音增强应用中的比较［Ｊ］．电声 ［３］ ａ ｉｍｐｌｅｍｅｎ忸ｔｉｏｎ ｏｆ ｖｉｎｕａｌ 防工业出版社，２００８． 【责任编辑】彭燕 ［收稿日期】加１２—１２—１８ ●■投●投稿网址：ｈｔｔｐ：／／ＡｕｄｉｏＥ．ｃｎ