PROCEDIMIENTO Y SISTEMA DE RECONSTITUCIÓN DE BAJAS FRECUENCIAS EN UNA SEÑAL DE AUDIO.

Procedimiento y sistema de reconstitución de bajas frecuencias en una señal de audio La invención se refiere a un procedimiento y a un sistema de reconstitución de bajas frecuencias de una señal de audio, utilizable a la salida de un dispositivo de reproducción de sonido que presenta una frecuencia de corte para las bajas frecuencias. La invención encuentra una aplicación particularmente ventajosa en el campo de los equipos electroacústicos, especialmente los bafles estéreo para la reproducción de obras musicales o también los bafles de ordenadores personales (PC) para la reproducción de la banda de sonido de ficheros de vídeo. Se sabe que cualquier bafle acústico posee una frecuencia de corte para las bajas frecuencias por debajo de la cual ya no es capaz de radiar energía. Esta frecuencia de corte está directamente ligada a las dimensiones del altavoz, y más precisamente a la dimensión de la membrana. Cuanto más pequeño es el altavoz, más elevada es la frecuencia de corte en el espectro. Así, un bafle de pequeñas dimensiones impondrá una atenuación natural al contenido de baja frecuencia de un fragmento de música, y esto en detrimento del oyente que no podrá beneficiarse de esta información y experimentará por ello un efecto desagradable ligado a la pérdida de las sonoridades graves. Una primera solución a esta dificultad consiste en aplicar un filtro para amplificar las bajas frecuencias atenuadas por el bafle acústico, obligando mecánicamente a la membrana del altavoz a radiar estas frecuencias graves. Sin embargo, esta solución presenta riesgos reales para la integridad del altavoz. En efecto, la excursión de la membrana, es decir, la amplitud de su desplazamiento con respecto a su posición de equilibrio, se haría demasiado importante, hasta dañarla, incluso romperla. Otra solución reside en una propiedad psicoacústica del oído humano que permite percibir bajas frecuencias aunque no se transmian efectivamente por un dispositivo perteneciente a la cadena de reproducción de sonido, un altavoz de bafle acústico por ejemplo. Este efecto de percepción de tonalidad (pitch) residual, generalmente conocido bajo el término anglosajón Missing-Fundamental Effect, se debe al hecho que la percepción del pitch de una señal sonora no está solamente ligada a la presencia de la frecuencia fundamental en la señal, sino también a la de armónicos superiores de esta frecuencia. Dicho de otro modo, si la frecuencia fundamental, de 100 Hz por ejemplo, se elimina de una señal conservando al mismo tiempo sus armónicos superiores, a 200, 300, 400 Hz, ... el pitch percibido será el mismo, ya que en este caso es de hecho la desviación de frecuencia, aquí de 100 Hz, entre los armónicos superiores que fija el pitch y proporciona al oyente la impresión de oír una señal de pitch de 100 Hz. Evidentemente, este truncamiento de la señal, privada así de su frecuencia fundamental, se traduce en un timbre diferente, determinándose este último especialmente por las amplitudes relativas del conjunto de los armónicos. Es por lo tanto posible dar solución a la atenuación, total o parcial, de las frecuencias fundamentales de las señales de audio inferiores a la frecuencia de corte, generando en tiempo real una señal armónica sintetizada a partir de armónicos asociados a cada una de las frecuencias fundamentales atenuadas, y reinyectando esta señal armónica en la señal de audio original. Se entiende en efecto que, aunque la frecuencia fundamental de un sonido se atenue o se absorba completamente, los armónicos superiores, situados por encima de la frecuencia de corte del dispositivo de reproducción de sonido, podrán transmitirse y reconstituir el pitch del sonido por el efecto de tonalidad residual explicado más arriba. Este procedimiento que permite extender virtualmente hacia la parte baja del espectro la banda de paso de un sistema electroacústico se designa con el término de generación de bajos virtuales. En este contexto, el documento US 5 930 373 A1 describe un procedimiento de este tipo que consiste en generar armónicos relativos a las frecuencias bajas de la señal de audio mediante un sistema de modulación. La señal de referencia se multiplica por si misma para obtener una señal de frecuencia doble, a continuación se multiplica de nuevo por sí misma para obtener una señal de frecuencia triple, etc. Este sistema conocido tiene la ventaja de ser rápido, ya que no tiene retardo importante, y de no necesitar información de frecuencia. Sin embargo, presenta el inconveniente de ser no lineal. En efecto, si la señal de audio original contiene una suma de frecuencias, se generarán no sólo los armónicos de cada una de estas frecuencias, sino también armónicos procedentes de términos de intermodulación que corren en riesgo de degradar en gran medida los rendimientos de audio del sistema. A partir del documento US 6 134 330 A1 se conoce también un procedimiento en el cual la señal que contiene las bajas frecuencias atraviesa una serie de filtros no lineales constituidos por un rectificador y por un integrador. Este tratamiento genera una serie de armónicos superiores asociados a cada frecuencia fundamental. Sin embargo, como el anterior, este procedimiento presenta los inconvenientes de un sistema no lineal, a saber la generación de artefactos de intermodulación que pueden afectar a la señal resultante. 2   En el documento WO 97/42789 A1 se describe otra técnica que prevé filtrar la señal de audio mediante un filtro de paso bajo de frecuencia de corte notablemente igual a la frecuencia de corte del dispositivo de reproducción de sonido, y a continuación determinar las frecuencias fundamentales a reconstituir mediante detección de pasos por cero de la señal de audio filtrada. Puesto que las frecuencias fundamentales que deben reconstituirse en la salida se determinan por detección de pasos por cero, se deducen muy fácilmente los valores de sus armónicos superiores para, de este modo, sintetizar las señales harmónicas asociadas a cada frecuencia fundamental que sirven de base a la aplicación del efecto de restitución de pitch expuesto anteriormente. Sin embargo, la presencia del filtro de paso bajo induce un desfase variable que interfiere negativamente en la señal obtenida en la salida ya que la señal armónica no se reinyectará en fase en la señal de audio de origen. Esto produce niveles de armónicos desiguales según las frecuencias, ya que son potencialmente menores para las frecuencias que no están en fase con las de la señal original. Otro problema se debe al hecho que la señal sintetizada presenta variaciones temporales que no siguen fielmente las de la señal original, lo cual tiene por efecto alterar los matices. El documento US 2003/223588 A1 propone a este respecto un dispositivo de refuerzo de los bajos donde la envolvente de la señal sintética se ajusta por un sistema de compresión/expansión en el cual la pendiente así como un desfase son ajustables. La pendiente y el desfase se ajustan simultáneamente de manera que la energía media de la envolvente esté compensada, pudiendo ajustarse este control simultáneo por un potenciómetro o cualquier otro medio de ajuste manual. Este sistema presenta el inconveniente de que no está adaptado a todos los tipos de señales de entrada, especialmente si el objetivo deseado es obtener una reproducción lo más natural posible de las tonalidades, y no producir efectos acústicos generando componentes frecuenciales no contenidas en la señal original, como en el caso del documento US 2003/223588 A1 que busca esencialmente ensanchar artificialmente el campo estéreo, aumentar el brillo del sonido o también introducir una distorsión que recuerda la sonoridad particular de los amplificadores de tubos. En efecto, si se aplicasen las enseñanzas de este documento a la reconstitución del pitch del sonido por el efecto de tonalidad residual explicado más arriba, una línea de bajo de nivel moderado se amplificaría con el mismo valor que una línea de bajo muy fuerte, y el efecto sería percibido negativamente por el usuario. Otro problema, común a todas las técnicas descritas por los documentos presentados más arriba, reside en el hecho de que estas técnicas no tienen en cuenta variaciones de la percepción auditiva humana con la frecuencia (efecto denominado percepción del loudness). En efecto, según el nivel sonoro y según la frecuencia, una misma variación de una señal acústica no producirá la misma variación de intensidad percibida. Por ejemplo, para pasar una variación de intensidad percibida de 40 a 50 fonos, hay que aumentar la señal acústica case de 10 dB a 100 Hz, mientras que sólo hacen falta 5 o 6 dB adicionales a 50 Hz. También, un objetivo de la invención es proponer un procedimiento de reconstitución de bajas frecuencias de una señal de audio a la salida... [Seguir leyendo]

1. Procedimiento de reconstitución de bajas frecuencias de una señal de audio a la salida de un dispositivo de reproducción de sonido (11, 12) que presenta una frecuencia de corte baja (F0), que comprende las etapas de: - filtrar la señal de audio mediante un filtro de paso bajo (101) con una frecuencia de corte notablemente igual a dicha frecuencia de corte (F0) del dispositivo de reproducción de sonido; - determinar una frecuencia fundamental que se va a reconstituir a partir de la señal de audio filtrada por baso bajo; - generar una señal armónica (Sharm) asociada a dicha frecuencia fundamental que se va a reconstituir; - detectar una envolvente temporal (env(t)) de la señal de audio filtrada por paso bajo; y - reinyectar dicha señal armónica en dicha señal de audio por adición después de multiplicación de esta señal harmónica (Sharm) con la envolvente temporal adaptada (envadapt(t)), caracterizado por una etapa de adaptación dinámica de dicha envolvente temporal (env(t)) en función de la banda de frecuencias considerada, realizada por compresión/expansión (122a) de la envolvente temporal (env(t)) con un control por bucle de realimentación (122b) de dicha etapa de compresión/expansión aplicado de manera condicional después de la comparación del nivel de la señal comprimida/expandida con respecto a un umbral (S) predeterminado, y en que la señal armónica se reinyecta en fase en dicha señal de audio. 2. Procedimiento según la reivindicación 1, en el que dicho control por bucle de realimentación de la etapa de compresión/expansión comprende la modificación dinámica de al menos un parámetro de la característica (D) de compresión/expansión en función del nivel de la señal comprimida/expandida. 3. Procedimiento según la reivindicación 2, en el que dicha modificación dinámica de dicho parámetro es una modificación aplicada de manera iterativa, mediante etapas sucesivas. 4. Procedimiento según la reivindicación 3, en el que el paso de modificación de dicho parámetro en caso de niveles altos, superiores a un umbral dado, del nivel de la señal comprimida/expandida es superior al paso de modificación de este mismo parámetro en caso de niveles bajos, superiores a un umbral dado, de la señal comprimida/expandida. 5. Procedimiento según la reivindicación 2, en el que dicho al menos un parámetro es la posición del punto invariable (I) de la característica de compresión/expansión. 6. Procedimiento según la reivindicación 5, en el que dicha característica de compresión/expansión es una característica lineal (D), para entradas/salidas expresadas en escala logarítmica. 7. Procedimiento según la reivindicación 6, en el que la pendiente () de dicha característica de compresión/expansión se mantiene constante durante la modificación de dicho parámetro. 8. Procedimiento según las reivindicaciones 5 y 6 tomadas en combinación, en el que la modificación de la posición de dicho punto invariable (I) se lleva a cabo modificando la ordenada en el origen (ß) de dicha característica lineal. 9. Procedimiento según la reivindicación 8, en el que dicha modificación de la ordenada en el origen de la característica lineal es una modificación limitada por valores mínimo y máximo. 10. Módulo de reconstitución de bajas frecuencias de una señal de audio (S in) en la salida de un dispositivo (11, 12) de reproducción de sonido que presenta una frecuencia (F0) de corte para dichas bajas frecuencias, para aplicar el procedimiento según una de las reivindicaciones precedentes, este módulo comprendiendo: - un filtro de paso bajo (101) apto para filtrar dicha señal de audio (S in) a una frecuencia de corte notablemente igual a la frecuencia de corte (F 0) de dicho dispositivo (11, 12) de reproducción de sonido; - una primera rama (110) para procesar la señal de audio filtrada por paso bajo destinada a generar una señal armónica (S harm) asociada con al menos una frecuencia fundamental que se va a reconstituir en la señal de audio, dicha primera rama (110) comprendiendo un bloque (112) apto para determinar dicha frecuencia fundamental; - una segunda rama (120) para procesar la señal de audio filtrada por paso bajo que comprende un detector (121) de la envolvente temporal de dicha señal; y - un circuito apto para reinyectar en fase dicha señal armónica en dicha señal de audio por adición después de multiplicación de esta señal armónica (Sharm) con la envolvente temporal adaptada (envadapt(t)), 9   módulo caracterizado porque: - la segunda rama (120) comprende además un circuito (122) para adaptar dicha envolvente temporal en función de su nivel instantáneo, comprendiendo un compresor/expansor (122a) de la envolvente temporal y un bucle de control (122b) de dicho compresor/expansor (122a) por realimentación en función del nivel de la señal comprimida/expandida; - el control por el bucle de realimentación se aplica de manera condicional después de comparación del nivel de la señal comprimida/expandida con respecto a un umbral (S) predeterminado; y - la señal armónica se reinyecta en fase en dicha señal de audio.   11   12   13   14