音频处理方法、音频处理电路及音频播放设备与流程

1.本发明涉及音频技术领域，特别涉及一种音频处理方法、音频处理电路及音频播放设备。


背景技术：

2.随着蓝牙耳机、智能音箱等音频播放设备的发展，在保持低功耗的要求下，对音质的要求却越来越高。动态范围是音频播放设备的重要指标之一。动态范围的定义是最大信号和可以分辨出的最小信号之比。
3.然而，在利用音频播放设备进行音频播放时，会伴有因电流流过电子元件而产生的噪声即底噪。如果信号在底噪之上，则可以被分辨。由此可见，降低噪声或者提高音量可以有效提高音频的动态范围。现有技术中，通常直接把音频播放设备中的功率放大器的输出幅度和底噪优化到极致。


技术实现要素：

4.发明所要解决的技术问题
5.然而，在增加功率放大器的输出幅度的情况下，便携式音频播放设备使用先进工艺，电压不会太高，可以增加的幅度有限。
6.另一方面，在降低功率放大器的底噪的情况下，有减小模拟增益和增加电流两种方式。在减小功率放大器的模拟增益时，功率放大器的等效输入噪声不变，由于增益降低，输出噪声降低。但降低噪声的同时也降低了输出幅度，对于增加动态范围无益。在增加电流时，减小功率放大器的等效输入噪声，不减小输出幅度。但增加电流会影响便携式音频播放设备的功耗。
7.本发明是为了解决上述问题而完成的，其目的在于提供一种能在改善音频播放底噪的同时保证音量输出幅度，从而增加动态范围、提升音频播放质量的音频处理方法、音频处理电路及音频播放设备。
8.解决技术问题的技术方案
9.本发明的第一方面提供一种用于音频处理电路的音频处理方法，该音频处理电路包括具有可变的数字增益的数字音频处理部、数模转换器以及具有可变的模拟增益的功率放大器，所述音频处理方法包括如下步骤：判断当前输入的音源信号的幅度所处的档位区间，并基于所判断出的档位区间选择对应的模拟增益的步骤；及将所选择的模拟增益输出到所述功率放大器以进行控制，并将与所选择的模拟增益成反比例关系的数字增益输出到所述数字音频处理部以进行控制的步骤，其中，音源信号的幅度的档位区间越低，对应的模拟增益设置为越小的值。
10.本发明的第二方面为，在上述音频处理方法中，还包括如下步骤：对于音源信号的幅度预先设置有多个档位区间及与各档位区间分别对应的多个模拟增益的步骤；及建立将档位区间与模拟增益对应起来的映射表格并进行存储的步骤
11.本发明的第三方面为，在上述音频处理方法中，通过设置至少一个阈值，来将音源信号的幅度划分为多个档位区间。
12.本发明的第四方面为，在上述音频处理方法中，所述功率放大器的模拟增益与所述数字音频处理部的数字增益相乘得到的值正比于用户设定的输出音量。
13.本发明的第五方面为，在上述音频处理方法中，所述音频处理电路还包括利用数字失调电压补偿信号进行失调电压补偿的数字失调电压补偿部、以及利用模拟失调电压补偿信号进行失调电压补偿的模拟失调电压补偿部中的至少一方，所述音频处理方法还包括如下步骤：在静音条件下预先测试出多个模拟增益下的失调电压及用于抵消失调电压的数字失调电压补偿信号和/或模拟失调电压补偿信号的步骤；根据所选择的模拟增益，选择对应的数字失调电压补偿信号和/或模拟失调电压补偿信号的步骤；及将所选择的数字失调电压补偿信号和/或模拟失调电压补偿信号分别输出到所述数字失调电压补偿部和/或所述模拟失调电压补偿部以进行控制的步骤。
14.本发明的第六方面为，在上述音频处理方法中，还包括如下步骤：对于音源信号的幅度预先设置有多个档位区间及与各档位区间分别对应的多个模拟增益的步骤；及建立将档位区间、模拟增益、数字失调电压补偿信号和/或模拟失调电压补偿信号对应起来的映射表格并进行存储的步骤。
15.本发明的第七方面为，在上述音频处理方法中，在基于与数字增益调节同步的原因或量化噪声的原因，仅利用所述数字失调电压补偿部或所述模拟失调电压补偿部进行失调电压补偿时，将所述模拟失调电压补偿信号或所述数字失调电压补偿信号设置为0。
16.本发明的第八方面还提供一种音频处理电路，其包括：具有可变的数字增益的数字音频处理部；数模转换器；具有可变的模拟增益的功率放大器；及用于执行上述第一方面至第四方面中任一项所述的音频处理方法的控制器。
17.本发明的第九方面还提供一种音频处理电路，其包括：具有可变的数字增益的数字音频处理部；数模转换器；利用数字失调电压补偿信号进行失调电压补偿的数字失调电压补偿部、以及利用模拟失调电压补偿信号进行失调电压补偿的模拟失调电压补偿部中的至少一方；具有可变的模拟增益的功率放大器；及用于执行上述第五方面至第七方面中任一项所述的音频处理方法的控制器。
18.本发明的第十方面还提供一种音频播放设备，所述音频播放设备包括：处理器；及存储器，该存储器中存储有指令，所述指令由所述处理器运行时，执行上述第一方面至第七方面中任一项所述的音频处理方法。
19.技术效果
20.根据本发明，通过根据音源信号的幅度动态切换功率放大器的模拟增益，能在改善音频播放底噪的同时保证音量输出幅度，从而增加动态范围，提升音频播放质量。
21.此外，根据本发明，通过在根据音源信号的幅度动态切换功率放大器的模拟增益的同时，针对各个模拟增益进行用于抵消失调电压的失调电压补偿动作，能在不影响音频播放质量的情况下实现模拟增益的顺畅切换。
附图说明
22.图1是本发明实施方式1所涉及的音频处理电路的结构示意图。
23.图2是本发明实施方式1所涉及的音频处理方法的流程示意图。
24.图3是示出利用图2所示的音频处理方法来切换模拟增益时的底噪变化的一例的图。
25.图4是本发明实施方式2所涉及的音频处理电路的结构示意图。
26.图5是本发明实施方式2所涉及的音频处理方法的流程示意图。
具体实施方式
27.在下面参照附图更全面地描述本发明，在其中示出本发明的优选实施方式。然而，本发明可以以不同的方式实施，而不应限制于在此阐述的实施方式。除非另外限定，在此使用的术语具有与本发明所属领域的普通技术人员所通常理解相同的含义。术语应理解为具有与相关技术的上下文中的含义一致的含义，并不应以理想化或过度形式化来理解，除非在此明显地这样限定。
28.《实施方式1》
29.以下，结合图1和图2，对本发明实施方式1所涉及的音频处理电路和音频处理方法进行具体说明。
30.如图1所示，音频处理电路1包括数字音频处理部11、数模转换器12、功率放大器13及控制器14。
31.数字音频处理部(也可称为“数字处理系统(digital system)”)11是对作为音源信号data_in输入的数字音频信号进行处理，以使其适于由数模转换部12进行数模转换的电路。数字音频处理部11具有可变的数字增益。在不同的应用场景中，数字音频处理部11可以通过各种方式获取要进行处理的数字音频信号。例如，数字音频处理部11可以直接获取本地存储的音频文件，也可以通过网络或蓝牙下载传输音频信号等。
32.数字音频处理部11所进行的处理可以包括基于均衡器(eq)的信号处理、调节增益、编码转换等。例如，均衡器用于分别调整各种频率成分电信号放大量，达到调整音色的目的。常见的eq模式包括流行、摇滚、爵士、古典和人声等，它们各自调整不同的频段。例如古典乐eq提升高低频段两部分，主要突出乐器的表现，而人声eq的调整则主要集中在中频部分。
33.数模转换器(dac)12将经处理的数字音频信号进行数模转换，得到模拟音频信号。
34.功率放大器(power amplifier，pa)13将上述模拟音频信号放大，得到输出信号out用以驱动发声单元(未图示)进行音频播放。功率放大器13具有可变的模拟增益。通常功率放大器13也可简称为“功放”。
35.控制器14可以执行下面阐述的音频处理方法，将得到的模拟增益a_gain和数字增益d_gain分别输出到功率放大器13和数字音频处理部11以进行控制。
36.本实施方式1的音频处理方法如图2所示，包括如下步骤s11至步骤s14。
37.在步骤s11，对于音源信号的幅度预先设置有多个档位区间及与各档位区间分别对应的多个模拟增益a_gain。具体而言，例如可以通过设置至少一个阈值，来将音源信号的幅度划分为多个档位区间。此外，音源信号的幅度的档位区间越低，对应的模拟增益a_gain设置为越小的值。
38.在步骤s12，建立将档位区间与模拟增益a_gain对应起来的映射表格并进行存储。
39.在步骤s13，判断当前输入的音源信号data_in的幅度所处的档位区间，并基于所判断出的档位区间例如从映射表格选择对应的模拟增益a_gain。
40.在步骤s14，将所选择的模拟增益a_gain输出到功率放大器13以进行控制，并将与所选择的模拟增益a_gain成反比例关系的数字增益d_gain输出到数字音频处理部11以进行控制。
41.其中，数字增益d_gain是为了补偿模拟增益a_gain的变化。因为从音源信号data_in到输出信号out，只要用户没有调节输出音量，就应该是一个固定的增益。模拟增益a_gain切换之后，数字增益d_gain应该相应进行补偿，以维持从音源信号data_in到输出信号out的增益为常量。因此，功率放大器13的模拟增益与数字音频处理部11的数字增益相乘得到的值为常数，且正比于用户设定的输出音量。
42.需要注意的是，上述步骤s11、s12仅是根据档位区间选择对应的模拟增益的一个示例。然而，本发明并不限于此，除了建立映射表格的方式以外，还可以采用任何其它方式来建立对应关系。
43.此外，上述音频处理方法可以通过设置在上述音频处理电路1内的控制器14来实现，但并不限于此，例如也可以通过设置于音频处理电路之外的控制电路来实现。
44.下面结合图3来说明本实施方式的音频处理方法的原理。图3是示出利用上述音频处理方法来切换模拟增益时的底噪变化的一例的图。图3的示例中，对于音源信号的幅度设置1个阈值vth，以设定2个档位区间和对应的2个模拟增益a_gain1、a_gain2。图3中，横坐标表示时间，纵坐标表示信号幅度。随着时间的变化，音源信号的幅度发生变化。
45.当音源信号(信号1)的幅度大于vth时，采用较大的模拟增益a_gain1，此时的底噪为底噪1。当音源信号(信号2)的幅度为vth以下时，由于不再需要很大的输出幅度，因此可采用较小的模拟增益a_gain2，此时的底噪为底噪2。由于模拟增益a_gain2低于模拟增益a_gain1，因此底噪2小于底噪1。由此，当音源信号的幅度逐渐减小，越过阈值vth时，底噪突然降低。
46.通过根据音源信号的幅度动态切换模拟增益，从而在声音减小时，底噪也减小，低于底噪1而高于底噪2的部分就能够被用户所分辨。在主观听感上，以听歌为例，在高潮部分，耳朵本身就受大音量影响而分辨不出很小的细节。当歌曲到达低潮部分，耳朵则能分辨出更多细节。
47.根据本实施方式的音频处理方法及音频处理电路，通过根据音源信号的幅度动态切换功率放大器的模拟增益，能在改善音频播放底噪的同时保证音量输出幅度，从而增加动态范围，提升音频播放质量。
48.《实施方式2》
49.本实施方式2中，在上述说明的实施方式1的基础上进一步考虑失调电压的问题。
50.模拟电路中普遍存在失调电压的问题。其形成原因是由于半导体工艺的不匹配，造成数模转换器、功率放大器在输入为0的情况下并不会准确地输出0，而是大多输出一个接近0的较小值。将该值称为失调电压。失调电压主要和所使用的器件相关，生产完成后就被固化。
51.由于切换模拟增益时需要切换部分器件，因此不同模拟增益下的失调电压也不同。失调电压在频率上是个直流量，人耳本身并听不到直流部分的音频。但是直流量突然变
化的时候，用户会听到一声
‘
噗’的响声。这种响声被称为爆破音。由此，可以预见到，在切换模拟增益时，由于失调电压突然变化，也会听到爆破音。
52.针对上述问题，在本实施方式2中，在不同模拟增益下，设置反向小信号来抵消失调电压，使得功率放大器输出的直流量始终为0。由此，无论开机还是切换模拟增益，用户都不会听到爆破音。反向小信号可以叠加在数字信号上(称为数字失调电压补偿信号d_offset)，也可以叠加在模拟信号上(称为模拟失调电压补偿信号a_offset)，也可以将两者混合使用。
53.在仅利用数字失调电压补偿信号进行校准时，会产生一定的量化噪声，使得底噪略大，但其优点在于和数字增益调节很容易做到同时刻生效。
54.在仅利用模拟失调电压补偿信号进行校准时，不会产生量化噪声，但是数字到模拟的通路有延迟，要做到实际的模拟校准和数字增益调节同时刻生效，需要在数字增益和模拟校准的输出时刻之间插入延迟。
55.以下，结合图4和图5，对本发明实施方式2所涉及的音频处理电路和音频处理方法进行具体说明。
56.如图4所示，本实施方式2的音频处理电路1a在实施方式1的音频处理电路1的基础上，还设置数字失调电压补偿部15和模拟失调电压补偿部16。
57.数字失调电压补偿部15设置在数字音频处理部11之前，将数字失调电压补偿信号d_offset与作为音源信号输入的数字音频信号进行叠加，以进行失调电压补偿。数字音频处理部11对经补偿的数字音频信号进行处理。
58.模拟失调电压补偿部16设置在数模转换器12与功率放大器13之间，将模拟失调电压补偿信号a_offset与数模转换器12输出的模拟音频信号进行叠加，以进行失调电压补偿。功率放大器13将经补偿的模拟音频信号放大以驱动发声单元进行音频播放。
59.本实施方式2的音频处理方法如图5所示，包括如下步骤s21至步骤s25。
60.步骤s21与步骤s11完全相同，因此，此处省略重复的说明。
61.在步骤s22，在静音条件下预先测试出多个模拟增益a_gain下的失调电压及用于抵消失调电压的数字失调电压补偿信号d_offset和模拟失调电压补偿信号a_offset。具体而言，由于生产完成后失调电压就被固化，因此一系列d_offset和a_offset只要预先测量出并进行存储即可。测量方式可以是使用测试设备，也可以使用芯片内建测试(如果芯片内有足够资源)。
62.在步骤s23，建立将档位区间、模拟增益a_gain、数字失调电压补偿信号d_offset及模拟失调电压补偿信号a_offset对应起来的映射表格并进行存储。
63.在步骤s24，判断当前输入的音源信号的幅度所处的档位区间，并基于所判断出的档位区间例如从映射表格选择对应的模拟增益a_gain、数字失调电压补偿d_offset信号及模拟失调电压补偿信号a_offset。具体而言，可以先选择对应的模拟增益，然后，根据所选择的模拟增益，选择对应的数字失调电压补偿信号和模拟失调电压补偿信号。
64.在步骤s25，将所选择的模拟增益a_gain、数字失调电压补偿信号d_offset及模拟失调电压补偿信号a_offset分别输出到功率放大器13、数字失调电压补偿部15及模拟失调电压补偿部16以进行控制，并将与所选择的模拟增益a_gain成反比例关系的数字增益d_gain输出到数字音频处理部11以进行控制。
65.需要说明的是，在进行失调电压补偿时，除了同时利用数字失调电压补偿部和模拟失调电压补偿部之外，还可以基于与数字增益调节同步的原因或量化噪声的原因，仅利用数字失调电压补偿部或模拟失调电压补偿部。也即，在图4的结构中，可以仅设置数字失调电压补偿部15或模拟失调电压补偿部16。在仅利用数字失调电压补偿部进行失调电压补偿时，将模拟失调电压补偿信号设置为0即可。在仅利用模拟失调电压补偿部进行失调电压补偿时，将数字失调电压补偿信号设置为0即可。
66.与实施方式1同样，上述步骤s21、s23仅是根据档位区间选择对应的模拟增益、数字失调电压补偿信号及模拟失调电压补偿信号的一个示例。然而，本发明并不限于此，除了建立映射表格的方式以外，还可以采用任何其它方式来建立对应关系。
67.此外，上述音频处理方法可以通过设置在上述音频处理电路1a内的控制器14来实现，但并不限于此，例如也可以通过设置于音频处理电路之外的控制电路来实现。
68.根据本实施方式的音频处理方法及音频处理电路，通过在根据音源信号的幅度动态切换功率放大器的模拟增益的同时，针对各个模拟增益进行用于抵消失调电压的失调电压补偿动作，能在不影响音频播放质量的情况下实现模拟增益的顺畅切换。
69.本发明另一实施方式还提供一种音频播放设备，该音频播放设备包括处理器及存储器。音频播放设备可以为蓝牙耳机、智能音箱、智能手表、智能手机、平板电脑、笔记本电脑、台式计算机等，但并不局限于此，只要是能播放音频的音频播放装置即可。
70.处理器可以采用数字信号处理(digital signal processing，dsp)、现场可编程门阵列(field－programmable gate array，fpga)、可编程逻辑阵列(programmable logic array，pla)中的至少一种硬件形式来实现。
71.存储器可以为只读存储器(read-only memory：rom)、随机存取器(random access memory：ram)等。存储器中存储有指令，所述指令由处理器运行时，执行如本发明实施方式所述的音频处理方法。
72.本发明另一实施方式还提供一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质中存储有指令，当其在计算机上运行时，使得计算机执行如本发明实施方式所述的音频处理方法。
73.本发明另一实施方式还提供一种包含指令的计算机程序产品，当其在计算机上运行时，使得计算机执行如本发明实施方式所述的音频处理方法。
74.需要说明的是，对于上述音频处理方法的实施方式，为了简单描述，故将其都表述为一系列的动作组合，但是本领域技术人员应该知悉，本发明并不受所描述的动作顺序的限制。根据据本发明，某一些步骤可以采用其他顺序或者同时进行。其次，本领域技术人员也应该知悉，说明书中所描述的实施方式均属于优选实施方式，所涉及的动作和模块并不一定是本发明所必须的。
75.本领域普通技术人员可以理解上述音频处理方法的实施方式中的全部或部分步骤是可以通过程序指令相关的硬件来完成，该程序可以存储于一计算机可读存储介质中，存储介质可以包括：闪存盘、只读存储器(read-only memory：rom)、随机存取器(random access memory：ram)、eprom、eeprom、磁盘或光盘等。
76.本发明进行了详细的说明，但上述实施方式仅是所有实施方式中的示例，本发明并不局限于此。本发明可以在该发明的范围内对各实施方式进行自由组合，或对各实施方
式的任意构成要素进行变形，或省略各实施方式的任意的构成要素。