自适应动态范围

.z.高水平增益高阈值低阈值低水平增益扩展阈值动态围控制〔DynamicRangeControl,DRC〕广泛应用于音频信号处理领域，例如助听器中最常见的宽动态围压缩方法〔WideDynamicRangepression,WDRC〕、音频信号处理中最常用的自动增益控制〔AutomaticGainControl,AGC〕方法等。动态围控制，顾名思义，是将输入音频信号的动态围映射到指定的动态围。通常映射后的动态围小于映射前的动态围，因此称之为动态围压缩。音频信号可以进展整体的动态围控制；也可以划分为假设干子带，并对各个子带分别进展动态围控制。一个典型的动态围控制方法的处理效果示意图如图1所示。高水平增益高阈值低阈值低水平增益扩展阈值自动增益控制输出压缩比扩展比图1中，横坐标表示输入信号的声压级〔SoundPressureLevel,SPL，单位为dB〕，纵坐标表示输出信号的声压级；黄色对角线表示输入信号与输出信号的声压级相等，即无动态围控制处理；红色折线表示动态围控制处理曲线。动态围压缩处理曲线按照输入信号SPL从低到高的顺序依次包括如下折线段：〔1〕扩展段：由扩展比〔E*pansionRatio,ER〕和扩展阈值〔E*pansionThreshold,ET〕参数确定；图1中，；表示扩展段输出SPL的动态围是输入SPL的动态围的3倍〔扩展了3倍〕；表示SPL小于20dBSPL的输入信号属于扩展段。〔2〕低水平段：由低水平增益〔LowLevelGain，LLG〕、低阈值〔LowerThreshold，LT〕和ET参数确定；图1中，；横坐标的输入SPL从ET到LT的区间属于低水平段；该段只对输入信号信号进展线性增益处理，即对于不同SPL的输入信号都采用一样的增益，图1中该增益为，其中Level表示系统的其他模块提供的增益。〔3〕压缩段：由压缩比〔pressionRatio,CR〕、高阈值〔UpperThreshold，UT〕和LT参数确定；图1中，；横坐标的输入SPL从LT到UT的区间属于压缩段；该段对输入信号进展动态围压缩处理，图1中输入SPL的动态围是输出SPL的动态围的2.5倍〔压缩了2.5倍〕。〔4〕高水平段：由高水平增益〔HighLevelGain，HLG〕、高阈值〔UpperThreshold，UT〕和自动增益控制输出〔AutomaticGainControlOutput,AGCO〕值确定；图1中，，；横坐标的输入SPL从UT到120dBSPL的区间属于高水平段；该段对输入信号进展线性增益处理，并且带有AGCO功能；AGCO判断输出信号的SPL是否超出预先指定的阈值〔图1中，对应120dBSPL〕，假设超出该阈值则置为该阈值；与低水平段的处理一样，对于不同SPL的输入信号都采用一样的增益，图1中该增益为，其中Level表示系统的其他模块提供的增益。图2给出了图1所示的输入/输出函数关系曲线图对应的输入/增益函数关系示意图。从图2可明显观察到扩展段、低水平段、压缩段和高水平段的增益特点。图1所示的输入/输出函数关系图可总结为如式〔1〕所示的数学表达式；相应的图2所示的输入/增益函数关系图可总结为如式〔2〕所示的数学表达式，其中表示dB单位的增益，表示表示线性的增益。自动增益控制输出压缩比扩展比图2〔1〕〔2〕DRC方法的原理框图如图3和4所示，图3图四其中图3表示前馈动态围控制，图4表示反应动态围控制。图中，表示输入信号，表示输出信号，n表示时间帧，k表示频域子带。不失一般性，我们以图3的前馈动态围控制为例对处理流程进展说明。信号幅度检测可为幅度的均方根〔RootMeanSquare，RMS〕检测或峰值检测。常用的均方根检测的数学表达式如式〔3〕所示；采用平滑滤波器替代平均计算，平滑系数为；为输入信号的幅度。常用的峰值检测方法有：标准峰值检测如式〔4〕所示，修正峰值检测I型如式〔5〕所示，修正峰值检测II型如式〔6〕所示，平滑峰值检测I型如式〔7〕所示，平滑峰值检测II型如式〔8〕所示；其中为跟踪时间〔AttackTime〕系数，为释放时间〔ReleaseTime〕系数，它们的取值区间为[0,1]。计算增益步骤中，首先将转化为dB值得到，然后根据式〔2〕的输入/增益函数关系计算得到。最后将与输入信号相乘得到输出信号。〔3〕〔4〕〔5〕〔6〕〔7〕〔8〕上述动态围控制方法中，信号幅度检测步骤中所采用的和参数通常为预先设定的固定数值；和参数小，表示幅度检测对输入声音信号的幅度变化跟踪速度快，其带来的问题是可能导致输出信号不平稳变化，从而影响音质；和参数大，表示幅度检测对输入声音信号的幅度变化跟踪速度慢，其带来的问题是可能导致无法跟踪上输入声音信号的幅度变化，从而达不到动态围控制的目的。如图2所示，上述的动态围控制方法产生的增益曲线是由假设干的折线段构成的，折线段之间的拐点使得听着明显感受到声音被压缩处理，从而影响听感质量。自适应动态围控制方法1.音频信号输入经过前期处理的数字音频信号直接输入，或该输入音频信号经过时频变换得到频域的数字音频信号，时频变换处理可为离散傅里叶变换〔DiscreteFourierTransform,DFT〕或加权重叠相加〔WeightedOverLapAdd,WOLA〕分解等时频变换操作。不失一般性，这里以采用WOLA分解方法为实施例得到。2.自适应信号幅度检测对输入信号进展如式〔3〕所示的均方根检测或如式〔4〕-〔8〕所示的任一种峰值检测。不是一般性，这里采用式〔7〕的平滑峰值检测I型为实施例进展信号幅度检测；其中跟踪时间系数，；释放时间系数，；其中；；其中和为表征输入信号波动性的参数；越大表示输入信号的波动性越大，则和越小，也即和越小，信号幅度检测的跟踪速度越快；反之，越小表示输入信号的波动性越小，则和越大，也即和越大，信号幅度检测的跟踪速度越慢。和的表达式可为式〔9〕或式〔10〕所示，但并不限于这两种形式。式〔9〕中远小于；式〔10〕中和为平滑系数，用于对进展平滑处理。提出依据、原理、符号说明〔9〕〔10〕自适应增益如图5所示，图5我们采用图中黑色的平滑曲线作为输入/输出函数关系曲线。采用该种平滑的输入/输出函数关系曲线使得处理后的声音信号在听感上更舒适。该平滑曲线的输入/输出曲线的数学表达式如〔11〕所示，相应平滑的输入/增益曲线的数学表达式如式〔12〕所示。其中，、和分别代表扩展段到低水平段、低水平段到压缩段、压缩段到高水平段的平滑窗