CN101714861B

CN101714861B - 谐波产生装置及其产生方法

Info

Publication number: CN101714861B
Application number: CN2009102040267A
Authority: CN
Inventors: 洪佃玖
Original assignee: Realtek Semiconductor Corp
Current assignee: Realtek Semiconductor Corp
Priority date: 2008-10-03
Filing date: 2009-09-30
Publication date: 2012-05-23
Anticipated expiration: 2029-09-30
Also published as: US8416965B2; TW201016035A; TWI462602B; CN101714861A; US20100086147A1

Abstract

一种谐波产生装置及其产生方法，用于加强低频声音信号的听觉品质。该谐波产生装置包括一比较电路，用以比较一输入信号的一目前电平(Level)与该输入信号的一先前电平，并产生一比较结果。一运算电路依据该比较结果决定一第一系数与一第二系数，以运算出一输出信号电平来构成所要产生的谐波。

Description

谐波产生装置及其产生方法

技术领域

本发明涉及谐波产生方法与装置。尤指用于扬声器重制系统中的谐波产生方法与装置。

背景技术

现今消费性电子产品尽量以短、小、轻、薄的方向发展、或是电子产品设计为可携式，这样的设计理念使得消费性电子产品上的扬声器越来越小。这样的大小限制了声音再现的能力，尤其是对于低频音域(low frequencyregister)，因此输出的声音品质无法满足消费者。传统的解决方案是增强声音信号中的低频成份。然而这种增加能量电平方式不仅须要额外的功率消耗，也可能会损坏扬声器。

一种不用增强低频成份的解决方案是利用心理声学(psychoacoustic)技术。心理声学技术展示了谐波中存在着一种所谓的「虚拟音高(Virtual Pitch)」现象。这种现象是指当听到多个谐波(harmonics)时，人类的大脑所感觉到的是谐波频率中的最大公因数，使得人误以为听到了趋近该谐波基频(Fundamental Frequency)的声音，即使该基频实际上并不存在。因此可以利用「虚拟音高」现象让消费者在听觉上感受到扬声器无法再现的低频声音信号。

美国专利5668885与5771296使用了全波整流器来产生谐波。一篇名为「通过小型扬声器再现低音高信号(Reproducing Low-Pitched Signalsthrough Small Loudspeaker)」的论文使用全波整流器与全波积分器产生谐波。

美国专利第4150253号与第4700390号使用信号截割(Signal-Clipping)来产生谐波。美国专利第5930373号通过从输出端接回输入端的反馈回路来产生谐波。美国专利第6111960号使用一通过零点检测器以检测输入信号是否经过零点。美国专利公开第20060159283号用至少一种频率信号将输入信号作调制，以产生谐波。

然而，全波整流器虽然易于实现，但仅能藉以产生偶数阶的谐波，因此谐波的音高感觉上是基频的两倍，也就是原始声音信号的两倍频率，使得听起来的音高比原始声音信号高了八度音阶。信号截割仅能产生奇数阶的谐波。因此所述谐波产生器尚有无法控制输出频谱振幅的衰减速度，而衰减速度与最后产生会影响听觉品质的谐波数量有关。

另一已知技术，美国专利公开第20050265561号使用一改良式包络(envelope)检测，也就是比较输入信号与反馈信号以决定参数来控制输出频谱包络的衰减速度，但是该方法的问题在于该谐波衰减速度的幅度并不大，且输出谐波部分的相位无法轻易又任意地被调整。

上述谐波产生器尚有一无法决定输出频谱包络的缺点，如果是该系统有较高截止频率(Cut-off Frequency)，代表需要被增强的频率范围较宽。但实际上过高频率或过多的谐波成份常是不需要的，因为谐波本身亦会影响原本声音高频的成分。通常只需要三个主要谐波成份而其余为微弱的谐波成份。而这些方法皆无法决定输出频谱的包络，因此若要达到这个效果，则必须使用一边沿陡峭(sharp)的滤波器，以滤掉不必要的谐波成份以留下主要谐波成份，但边沿陡峭的滤波器具有运算复杂度较高的缺点。

由于上述的原因，申请人鉴于已知技术中所产生的缺失，经过悉心试验与研究，并一本锲而不舍的精神，终构思出本申请「谐波产生装置及其产生方法」，能够克服上述缺点，以下为本申请的简要说明。

发明内容

本发明的目的之一是提供一种谐波产生方法与装置，通过挑选适当的系数之后，可使所产生的前几个谐波成份(例如二次谐波至四次谐波)成为主要谐波成份，而之后的谐波成份相较于主要谐波成份有一明显衰减。

本发明的目的之一是提供一种谐波产生方法与装置，用以解决上述的问题。

本发明的目的之一是提供一种谐波产生方法与装置，其所需用来滤除不必要谐波成分的滤波器运算复杂度可以降低。

本发明的目的之一是提供一种谐波产生方法与装置，其输出谐波信号的频谱仅与输入信号的频率有关(固定衰减一分贝(dB)数)。

本发明的目的之一是提供一种谐波产生方法与装置，其输出谐波信号的频谱与输入信号的电平(level)无关。

根据本发明的第一构想，提供一种谐波产生方法，包含下列步骤：提供一输入频率信号；比较该输入频率信号的一目前电平与该输入频率信号的一先前电平，并产生一比较结果；依据该比较结果以决定出一系数；以及依据该系数以及该输入频率信号以产生相应于该输入频率信号的一谐波信号。

根据本发明的第二构想，提供一种谐波产生装置，包含一比较电路，用以接收一输入频率信号，并比较该输入频率信号的一目前电平与该输入频率信号的一先前电平，且产生一比较结果；以及一运算电路，用以依据该比较结果产生相对应该输入频率信号的一谐波信号。

即本发明通过比较一输入频率信号的一目前电平与该输入频率信号的一先前电平，产生该输入频率信号的谐波，也就是产生该输入频率信号的倍频。经由适当的挑选，可以达到控制所述谐波的频谱振幅衰减速度的效果，并控制谐波频谱中的主要谐波成份(能量或相较其他谐波成份比重大)的数量，使其余的谐波成份相较于主要谐波成份有一明显衰减，因此后续用来滤掉其余谐波成份的滤波器不需为复杂度较高的边沿陡峭滤波器，而解决了已知技术所产生的谐波需使用复杂度较高的边沿陡峭滤波器作后续处理的缺点。

附图说明

图1为本发明谐波产生装置的第一电路实施例的示意图。

图2(A)～图2(B)是一弦波依据图1的实施例，且采用比较结果为三种状态所得的谐波在时域与频域上的图形。

图3(A)～图3(B)为图1的实施例，且采用比较结果为四种状态所得的谐波，其分别在时域与频域上的示意图。

图4(A)～图4(B)为图1的实施例，且采用比较结果为两种状态所得的谐波，其分别在时域与频域上的示意图。

图5为本发明谐波产生装置的第二电路实施例的示意图。

图6(A)～图6(B)为图5的实施例，且采用比较结果为三种状态所得得的谐波，其分别在时域与频域上的示意图。

图7(A)～图7(B)为图5的实施例，且采用比较结果为四种状态所得的谐波，其分别在时域与频域上的示意图。

图8(A)～图8(B)为图5的实施例，且采用比较结果为两种状态所得的谐波，其分别在时域与频域上的示意图。

图9为本发明谐波产生方法的流程图。

图10为不同输入振幅大小信号和输出谐波在频域上的示意图。

【主要元件符号说明】

10：谐波产生装置 20：谐波产生装置

11：比较电路 21：比较电路

12：运算电路 22：运算电路

121：系数选择电路 221：系数选择电路

122：第一乘法电路 222：第一乘法电路

123：第二乘法电路 223：第二乘法电路

124：加法器 224：加法器

125：第二延迟电路 225：第二延迟电路

13：第一延迟电路 23：第一延迟电路

24：绝对值电路

S31A：将该输入频率信号的一目前电平、该输入频率信号的一先前电平以及一常数三者作比较(对应于谐波产生装置10)，并获得比较结果

S31B：将一输入频率信号的一目前电平、该目前电平的绝对值、该输入频率信号的一先前电平的绝对值以及一常数四者作比较(对应于谐波产生装置20)，并获得比较结果

S32：依据比较结果，选择一第一系数与一第二系数

S33：将该第一系数乘上该目前电平，将该第二系数乘上一输出反馈信号电平，并将前述两项结果相加获得一输出信号电平以构成所要产生的谐波

S34：在时域上连续输出的该输出信号电平即构成所要产生的谐波，并将该输出信号电平延迟一预定取样数而产生该输出反馈信号电平

具体实施方式

本发明将可由以下的实施例说明而得到充分了解，使得本领域技术人员可以据以完成，然本申请的实施并非可由下列实施案例而被限制其实施类型。其中相同的标号始终代表相同的组件。

请参阅图1，其是显示本发明的谐波产生装置的第一电路实施例的示意图。在第一电路实施例中的谐波产生装置10包含第一延迟电路13、比较电路11以及运算电路12，其电耦接关系请参考图1。其中

在此实施例中，运算电路12包含系数选择电路121、第一乘法电路122、第二乘法电路123、加法器124以及第二延迟电路125，其电耦接关系请参考图1。

在此实施例中，该输入频率信号分别输入至比较电路11与第一延迟电路13，第一延迟电路13将该输入频率信号延迟一预定时程(一实施方式，可使用「取样数」作为一个延迟单元)，再传输至比较电路11，本实施例中该预定取样数为1个取样点，但本发明不以1为限，比较电路11将该输入频率信号的一目前电平与该输入频率信号的一先前电平以及一常数作比较，并产生一比较结果输出至运算电路12，其中该比较结果包含：(1)该目前电平小于该常数；(2)该目前电平大于等于该常数，且该目前电平大于等于该先前电平；以及(3)该目前电平大于等于该常数，且该目前电平小于该先前电平。在本实施例中，该常数为0，但本发明不以0为限。由于，该输入频率信号为一音频信号，所以是一种低频信号。

系数选择电路121依据不同状态决定出不同的系数。例如：系数选择电路121依据状态(1)选择一第一数值作为一第一系数并通过一关系相应产生一第二数值作为一第二系数；依据状态(2)选择一第三数值作为该第一系数并通过该关系相应产生一第四数值作为该第二系数；依据状态(3)选择一第五数值作为该第一系数并通过该关系相应产生一第六数值作为该第二系数，在本实施例中，该关系指该第一系数与该第二系数相加为1，举例来说，当该比较结果为该状态(1)时，如果选择α作为该第一系数，则相应产生(1-α)作为该第二系数；当该比较结果为状态(2)时，如果选择β作为该第一系数，则相应产生(1-β)作为该第二系数；当该比较结果状态(3)时，如果选择γ作为该第一系数，则相应产生(1-γ)作为该第二系数，然而本发明中，该第一系数与该第二系数相加关系并不限为1。

其中，该第一系数与该第二系数是作为第一乘法电路122与第二乘法电路123的乘数，第一乘法电路122将该目前电平与该第一系数相乘获得一第一相乘结果输出至加法器124，而第二乘法电路123将输出延迟信号与该第二系数相乘获得一第二相乘结果输出至加法器124，加法器124将该第一相乘结果与该第二相乘结果相加后产生该输出信号，而在时域上连续输出的该输出信号即构成所要产生的谐波。该第二延迟电路125延迟该输出信号以产生该输出延迟信号。

图2(A)为输入频率信号为一弦波信号与其谐波在时域上的图形。其中，虚线为输入频率信号，实线为输出谐波信号。图2(A)依据图1的实施例，且采用上述比较结果的三种状态所选择的系数所运算而得。然而本发明可应用的输入频率信号并不以弦波为限。图2(B)为图2(A)在频域上的分布状况，顶点为菱形者为该输入频率信号的频谱，顶点为圆形者为所产生的谐波的频谱，可藉此发现五倍f₀处(五次谐波)开始有一明显衰减。

在第二实施例中，前述比较结果可具有四种状态：(1)该目前电平小于一常数，且该目前电平大于等于该先前电平；(2)该目前电平小于该常数，且该目前电平小于该先前电平；(3)该目前电平大于等于该常数，且该目前电平大于等于该先前电平；以及(4)该目前电平大于等于该常数，且该目前电平小于该先前电平。在第三谐波产生实施例中，仅比较该目前电平与该先前电平，而不与常数作比较，而得到两种状态：(1)该目前电平大于等于该先前电平；以及(2)该目前电平小于该先前电平。同样地，系数选择电路121分别依据比较结果的各状态选择(决定出)该第一系数与第二系数。

如图3(A)为输入频率信号为一弦波信号与其谐波在时域上的图形的波形图。图3(A)依据图1的实施例，且采用上述比较结果的四种状态所选择的系数所运算而得。然而本发明可应用的输入频率信号并不以弦波为限。图3(B)为图3(A)在频域上的分布状况，顶点为菱形者为该输入频率信号的频谱，顶点为圆形者为所产生的谐波的频谱，可藉此发现二次与三次谐波为主要谐波成份，而其余成份有较明显衰减。

对应于本发明的另一实施例，如果图1的比较电路11仅比较该目前电平与该先前电平，而不与常数作比较，而得到两种状态：(1)该目前电平大于等于该先前电平；以及(2)该目前电平小于该先前电平。如图4(A)为输入频率信号为一弦波信号与其谐波在时域上的图形，其依据图1的实施例，且依据上述比较结果的两种状态所选择的系数所运算而得。然而本发明可应用的输入频率信号并不以弦波为限。图4(B)为图4(A)在频域上的分布状况，顶点为菱形者为该输入频率信号的频谱，顶点为圆形者为所产生的谐波的频谱，可藉此发现五倍f0处(五次谐波)开始有一相较于四倍f0处(四次谐波)的衰减。

然而本发明中，比较结果所具有的状态不以上述实施例中所提及的状态为限，只要能造成输入信号在时域的转折点即可。

请参阅图5，是显示本发明的谐波产生装置第二电路实施例的示意图。在第二电路实施例中的谐波产生装置20中，新增一绝对值电路24。绝对值电路24接收输入频率信号(inputted frequency signal)，其经绝对值电路24处理后分别传输至第一延迟电路23与比较电路21。其余电路的功能与图1相对应的电路类似，故省略其说明，以避免说明书内容过于冗长。。如图6(A)为输入频率信号为一弦波信号与其谐波在时域上的图形的波形图。图6(A)依据图5的实施例，且上述比较结果的三种状态(相同于图1中的上述比较结果的三种状态的相关说明)所选择的系数所运算而得，然而本发明可应用的输入频率信号并不以弦波为限。图6(B)为图6(A)在频域上的分布状况，顶点为菱形者为该输入频率信号的频谱，顶点为圆形者为所产生的谐波的频谱，可藉此发现五倍f₀处(五次谐波)开始有一明显衰减。

如图7(A)为输入频率信号为一弦波信号与其谐波在时域上的图形的波形图。图7(A)依据图5的实施例，且上述比较结果的四种状态(相同于图1中的上述比较结果的四种状态的相关说明)所选择的系数所运算而得。然而本发明可应用的输入频率信号并不以弦波为限。图7(B)为图7(A)在频域上的分布状况，顶点为菱形者为该输入频率信号的频谱，端点为圆形者为所产生的谐波的频谱，可藉此发现四倍f0处(四次谐波)开始有一明显衰减。

对应于本发明的另一谐波产生实施例，如果图4的比较电路21仅比较该目前电平的绝对值与该先前电平的绝对值，而不与常数以及该目前电平作比较，而得到两种状态：(1)该目前电平的绝对值大于等于该先前电平的绝对值；以及(2)该目前电平的绝对值小于该先前电平的绝对值。如图8(A)为输入频率信号为一弦波信号与其谐波在时域上的图形。如图8(A)依据图5的实施例，且依据上述比较结果的两种状态所选择的系数所运算而得。然而本发明可应用的输入频率信号并不以弦波为限。图8(B)为图8(A)在频域上的分布状况，顶点为菱形者为该输入频率信号的频谱，顶点为圆形者为所产生的谐波的频谱。其输出可以只产生奇数阶的谐波，如同信号截割(signal clipping)的效果，但是此方法的优点在于不用担心截割临界(threshold)的设定。如果没有设定好临界时，会造成输入信号振幅皆小于临界，而造成截割无法产生效果，使用此方法则无此问题。

为进一步说明本发明请参考图9，其提供谐波产生方法的流程图，该产生方法对应于图1谐波产生装置10的产生方法的步骤包括：步骤S31A、步骤S32、步骤S33、以及步骤S34；而与图5谐波产生装置20的产生方法的步骤包括：步骤S31B、步骤S32、步骤S33、以及步骤S34。关在步骤S31A、步骤S31B、步骤S32、步骤S33、以及步骤S34可由上述图1与图5的相关说明得到相对应的说明以及图9的内容，故省略其说明，以避免说明书内容过于冗长。

然而，本发明中，上述各实施例的比较方式，可经由已知该领域技术者赋予变化，故比较结果所具有的状态不以上述实施例中所提及的状态为限，只要能造成输入信号在时域的转折点即可。

由图2(A)～图2(B)、图3(A)～图3(B)、图6(A)～图6(B)与图7(A)～图6(B)可看出经过选择系数后，在这个例子中所产生的谐波信号，较接近基频处的谐波成份形成能量相对较高的主要谐波成份(例如二次谐波至四次谐波)，而距离基频较远，其余谐波成份的能量相较于主要谐波成份有一明显的衰减。因此滤除其余谐波成份时，不必使用边沿陡峭滤波器，而避免了滤波器复杂度较高的缺点。

图10为应用本发明所得到的一频谱分布，其中包含输入频率信号与其对应产生的谐波的频谱，顶点为实心圆形与实心方形者分别为两相异的输入频率信号，顶点为空心圆形与空心方形者为分别对应于该两相异的输入频率信号的输出频谱。可以由此看出，输出谐波信号的频谱与输入信号固定相差一分贝(dB)数，且仅与输入信号的频率有关而与输入信号的电平(level)无关。

本发明的实施例中，这些电路可有多种实施方式，此为本技术领域所熟知的，例如：第一延迟电路13或第二延迟电路125可以是延迟器(delayelement)、先进先出缓冲器(FIFO buffer)、寄存器(register)、或其他存储器来实现的；又例如：系数选择电路121可以是选择器(selector)、多工器(multiplexer)、查表电路(lookup table)、或是存储器(利用地址作为指标(index)输出存储器所存储的系数)；又例如：利用硬件描述语言(Verilog或是VHDL)来完成整个电路、或是利用中央处理器(CPU)配合软件、或是微处理器(controller)配合固件(firmware)皆可直接完成上述运算(例如：延迟、乘法、加法、判断系数)等操作。

然而，以上所述仅为本发明的最佳实施例而已，当不能以的限定本发明所实施的范围。即大凡依本发明申请的权利要求书所作的均等变化与修饰，皆应仍属于本发明专利涵盖的范围内。

Claims

1.一种谐波产生方法，包含下列步骤：

提供一输入频率信号；

比较该输入频率信号的一目前电平与该输入频率信号的一先前电平，并产生一比较结果；

依据该比较结果以决定出一系数；以及

依据该系数以及该输入频率信号以产生相应于该输入频率信号的一谐波信号，

其中产生该谐波信号的步骤包含以下步骤：

产生对应该系数的一相应系数；

将该系数与该目前电平相乘，产生一第一相乘结果；

将该谐波的信号延迟一预定时程，作为该输出延迟信号；

将该相应系数与一输出延迟信号相乘，产生一第二相乘结果；以及

将该第一相乘结果与该第二相乘结果相加，作为该谐波信号。

2.如权利要求1所述的谐波产生方法，其中该先前电平与该目前电平间隔一预定时间的前一个电平。

3.如权利要求2所述的谐波产生方法，其中该预定时程是一预定取样数量。

4.如权利要求1所述的谐波产生方法，其中比较该目前电平与该先前电平还包含先将两者分别取绝对值后再作比较。

5.如权利要求1所述的谐波产生方法，其中比较该目前电平与该先前电平还包含将该目前电平与一常数作比较。

6.如权利要求1或5中任一所述的谐波产生方法，该依据该比较结果以决定出一系数还包含以下步骤：

依据该比较结果的状态，自多组系数中选择出一第一数系数以及一第二系数；

其中该第一系数与该第二相加为一定值。

7.一种谐波产生装置，包含：

一比较电路，用以接收一输入频率信号，并比较该输入频率信号的一目前电平与该输入频率信号的一先前电平，并产生一比较结果；以及

一运算电路，用以依据该比较结果产生相对应该输入频率信号的一谐波信号，

其中该运算电路包含：

一第一乘法电路，接收该输入频率信号，并将该输入频率信号的该目前电平与一第一系数相乘，产生一第一相乘结果；

一第二乘法电路，用以将一输出反馈信号电平与一第二系数相乘，产生一第二相乘结果；

一加法器，用以将该第一相乘结果与该第二相乘结果相加，以产生该输出信号电平；以及

一第二延迟电路，将该输出信号电平延迟该预定的取样数，作为该输出反馈信号电平。

8.如权利要求7所述的谐波产生装置，还包含一第一延迟电路，将该输入频率信号延迟一预定时程，再传输至该比较电路。

9.如权利要求7所述的谐波产生装置，其中该预定时程是一预定取样数量的时程。

10.如权利要求7所述的谐波产生装置，还包含一绝对值电路，分别电藕接该比较电路与该第一延迟电路，并接收该输入频率信号，用以将该输入频率信号取绝对值。

11.如权利要求10所述的谐波产生装置，其中该比较电路是比较该目前电平的绝对值与该先前电平的绝对值。

12.如权利要求7所述的谐波产生装置，其中该运算电路包含一系数选择电路，用来依据该比较结果的状态以选择出一第一系数以及一第二系数；

其中该第一系数与该第二系数相加为一定值。

13.如权利要求7所述的谐波产生装置，其中该比较电路还将该输入频率信号的该目前电平与一常数比较。