How does audio processing algorithm improve the sound quality of small speakers
Time:2021-12-03
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現(xiàn)代智能手機(jī)機(jī)身靈巧且功能強(qiáng)大，雖然手機(jī)尺寸隨機(jī)型而有所不同，但總體而言，一款業(yè)界一流的器件可將諸多特性封裝到一個(gè)大約 110 x 60 x 15mm 的封裝中。
如果將顯示屏和電路板考慮在內(nèi)的話，那么留給揚(yáng)聲器的空間就不多了?，F(xiàn)在，讓我們想象一下家庭影院中一個(gè)低音炮揚(yáng)聲器所占的空間大小，也許你們中大多數(shù)人會覺得這完全是兩碼事甚至不具備任何可比性。從某種程度上來講，的確可以這么說。然而事實(shí)上，即便他們確實(shí)是兩種截然不同的應(yīng)用，但它們運(yùn)行的內(nèi)容卻日趨相似。移動通信的高速技術(shù)（3G、3.5G、4G）及其支撐網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)了手機(jī)音頻和視頻的下載功能和回放功能。手機(jī)用戶在希望更高帶寬的同時(shí)，也希望能有更好的音頻和視頻質(zhì)量享受。
問題是提升音頻質(zhì)量并非易事。手持設(shè)備生產(chǎn)廠商面臨著諸多限制，其中兩個(gè)主要因素就是手機(jī)外形尺寸的大小，以及音頻文件的壓縮程度。下面我們做些檢驗(yàn)。
A、外形尺寸
揚(yáng)聲器通過前后移動隔膜將電能轉(zhuǎn)化為聲波。隔膜推動空氣，產(chǎn)生聲波，經(jīng)由我們的耳朵轉(zhuǎn)化為聲音。考慮到上面提到的尺寸限制，手機(jī)能夠供以移動的空間并不大，所以只能使用帶有很小隔膜的小型揚(yáng)聲器，只能允許小范圍的移動。
在靜態(tài)集成電路里，由于揚(yáng)聲器需要移動而顯得有些麻煩。而小揚(yáng)聲器沒法產(chǎn)生很好的音頻效果，而當(dāng)中要數(shù)低音頻率所受影響最大了。從小型便攜式消費(fèi)類電子產(chǎn)品中獲得高質(zhì)的音頻效果確實(shí)是個(gè)挑戰(zhàn)，而要想應(yīng)對該挑戰(zhàn)，只能依靠由工業(yè)、機(jī)電、電子學(xué)領(lǐng)域的設(shè)計(jì)師們組成的交叉功能團(tuán)隊(duì)來實(shí)現(xiàn)了。電子工程師提出了這一個(gè)倡儀：使用音頻處理算法。
B、壓縮音頻
音頻通常被壓縮成較小文件以供用戶下載。文件壓縮是通過編碼算法實(shí)現(xiàn)的（如MP3）。文件的減小可能會造成信息的缺失，最終影響音頻效果。在這種情況下，音頻處理算法同樣也可以派上用場。
音頻處理算法
目前，音頻信號處理并提高收聽體驗(yàn)的算法多種多樣。
基本處理算法是通過均衡器過濾不同頻帶振幅變化，從而克服揚(yáng)聲器的缺陷。通過觀察揚(yáng)聲器的頻率響應(yīng)，我們可以判斷出哪些可以重現(xiàn)哪些不能，然后可以相應(yīng)地設(shè)計(jì)出均衡曲線。目標(biāo)就是獲取具恒定振幅的音頻，無論揚(yáng)聲器頻率的大小如何。
基本均衡的利用在當(dāng)前已經(jīng)十分普遍，市面上銷售的大多數(shù)音頻轉(zhuǎn)換器都使用了均衡技術(shù)。但遺憾的是，有時(shí)這還不足以改善音頻質(zhì)量。事實(shí)上，揚(yáng)聲器具有隨著音頻信號的強(qiáng)弱而發(fā)生改變的頻率響應(yīng)（請參見圖1）
圖 1 揚(yáng)聲器+音箱頻率響應(yīng)以及信號電平失真
為了彌補(bǔ)這個(gè)影響，必須得使用動態(tài)濾波器。揚(yáng)聲器的頻率響應(yīng)會隨著信號振幅發(fā)生變化，而這些濾波器的極點(diǎn)與零點(diǎn)也會相應(yīng)隨其變化而變化。實(shí)施動態(tài)濾波器時(shí)，類似 DSP 的處理功能必不可少。絕大多數(shù)低功率音頻轉(zhuǎn)換器的功率都不能實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。
另一個(gè)有趣的算法是低音增強(qiáng)。該算法通過利用基頻缺失的音質(zhì)原理改善了低音頻率的重現(xiàn)。
觀察小型揚(yáng)聲器的頻率響應(yīng)，我們可以發(fā)現(xiàn)它們的低音響應(yīng)是 3 分貝，其可以是數(shù)百赫茲范圍。這就是說這樣的揚(yáng)聲器并不能很好地重現(xiàn)更低的頻率了。用這些低頻率驅(qū)動揚(yáng)聲器是沒意義的（因?yàn)樗鼈兪遣豢赡鼙恢噩F(xiàn)的），甚至是有害的。低頻率將迫使揚(yáng)聲器作超出其能力范圍的移動，最終會給更高頻率造成更多的失真。
低音增強(qiáng)（請參見圖2）汲取揚(yáng)聲器無法重現(xiàn)的低音內(nèi)容，再將其抬高一個(gè)倍頻至揚(yáng)聲器能夠很好工作的位置。比如：假設(shè)揚(yáng)聲器為 300 赫茲點(diǎn)上 3 分貝，而播放內(nèi)容僅為 200 赫茲，這時(shí)低音增強(qiáng)便會將之提升到 400 赫茲，使其得以播放。考慮到音頻內(nèi)容的音相距 8 度，人的耳朵和大腦會被誘導(dǎo)認(rèn)為聽到了低頻內(nèi)容（基頻缺失原理）?，F(xiàn)在，我們可以采用濾波器去除所有這些不能被重現(xiàn)的低音頻內(nèi)容使其無法到達(dá)揚(yáng)聲器。低音增強(qiáng)及高通濾波器的同步使用將可以極大地改善小型揚(yáng)聲器的低音重現(xiàn)功能。
圖 2 低音增強(qiáng)原理
音頻處理算法 (cont.)
音頻也可以通過虛擬化法（也稱為 3D）加以改善。其通過創(chuàng)造沉浸式聽覺體驗(yàn)，增強(qiáng)了經(jīng)由揚(yáng)聲器或耳機(jī)播放出來的音頻。虛擬化算法使音響得以擴(kuò)大，甚至能讓小型便攜設(shè)備有效產(chǎn)生出虛擬環(huán)繞立體聲。他們對經(jīng)由立體聲系統(tǒng)雙通道播放出來的音頻進(jìn)行了異同點(diǎn)分析，并對其進(jìn)行強(qiáng)化，從而使用戶相信聲音來自于四面八方。這種算法利用了所謂的人腦相關(guān)轉(zhuǎn)換功能 (HRTF)，其解釋了聲音是如何與人類大腦，耳朵，大腦系統(tǒng)相互作用并如何被人腦所詮釋的。
另一些算法則主要是集中在改善壓縮音頻。在這種情況下，他們試圖恢復(fù)在壓縮過程中丟失了的信息。其往往能對高音頻內(nèi)容起特別作用（大約千赫茲），提高了清晰度。這種算法實(shí)現(xiàn)了高音頻，如電影里的雨聲或歌里邊的吉他獨(dú)奏，可以栩栩如生得到重現(xiàn)。
很多的音頻轉(zhuǎn)換器（ADC、CODEC 以及 DAC）都支持音頻高級處理功能。在TI，音頻數(shù)字信號處理器 (DSP)（或 miniDSP）中都運(yùn)行了這些算法，這些算法集成到了音頻轉(zhuǎn)換器中。這款迷你數(shù)字信號處理器是在 PurePath™ Studio 圖像開發(fā)環(huán)境中進(jìn)行編程的。TLV320AIC36 憑借其模擬輸入與輸出的特性成為了眾多手機(jī)產(chǎn)品可以使用的一款器件之一。
總之，實(shí)現(xiàn)手持設(shè)備的高質(zhì)量音頻重現(xiàn)是一項(xiàng)艱巨而復(fù)雜的任務(wù)，它要求要有交叉功能設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)的投入。幸運(yùn)的是，電子工程師現(xiàn)在已經(jīng)找到了正確的工具：音頻處理算法，諸如現(xiàn)在描述的這些。
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