CN101926182B - 频带分割时间校正信号处理装置 - Google Patents

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Abstract

本发明的频带分割时间校正信号处理装置2包括：频带分割电路211，该频带分割电路211从输入信号中提取高频带分量或低频带分量的信号后，提取从输入信号中减去提取出的高频带分量或低频带分量的信号后的、低频带分量或高频带分量的信号；延迟电路212，该延迟电路212使得由频带分割电路211输出的高频带分量、及低频带分量的信号中的至少一个信号发生延迟，以用于调整声音的到达时间；及混频电路213，该混频电路213对由延迟电路212输出的高频带分量或低频带分量的信号、和由频带分割电路211输出的低频带分量或高频带分量的信号进行合成。

Description

频带分割时间校正信号处理装置
技术领域
本发明涉及一种适合用于音频系统的频带分割时间校正信号处理装置，该音频系统通过分频网络电路并利用1个放大器来驱动重放频带被分割后的多个扬声器单元。
背景技术
例如，如图6所示，在车载音频系统中，配置在车辆中的双路的各扬声器单元(右低频扬声器WR、右高频扬声器TR、左低频扬声器WL、左高频扬声器TL)、和到达收听者的距离DWR、DTR、DWL、DTL(图6中都用实线表示)全都不同，因此由于哈斯效应(优先效应)，使得声像(图6中用虚线表示)被拉至最近的扬声器单元位置，无法得到良好的声场。
在这种情况下，通过对各信号施加延迟处理，来进行时间对准处理(时间调整)，从而使4个扬声器单元发出的声音同时到达收听者位置。这样，已知有一种频带分割时间校正信号处理装置，该装置通过调整声音的到达时间，从而对因各扬声器单元和收听者的收听位置之间的距离差而产生的声场偏移进行校正。
以往，已知有如下频带分割时间校正信号处理装置：即，为了调整被分割成多个频带的扬声器单元的相对的时间关系，例如，如图7所示，对于每一声道准备的各个扬声器单元(这里为右声道的WR、TR)分别准备独立的放大器(功率放大器71、72)，且在其前级配置频带分割器70，而且配置用于调整时间轴的延迟电路73、74。这里，仅图示出R声道，而另外对于L声道也需要同样的电路结构。
在这种情况下，存在如下问题：即，由于需要扬声器单元数量那么多的放大器，因此成本较高，另外布线变得复杂，需要较大的空间等。
另一方面，也存在使用分频网络并利用1台放大器来驱动被分割成多个频带的扬声器单元的方式。在这种情况下，若在放大器的前级配置数字信号处理电路，由扬声器重放脉冲信号，通过观测该响应波形从而求出扬声器系统的逆传递函数并进行卷积运算，则可对被频带分割后的扬声器单元间的相对的时间偏移进行校正。
但是根据该方式，对于时间轴以外的频率特性和相位特性也会同时进行校正，不能仅对时间轴单独进行调整而使其它特性保持原样。另外也不能对时间轴的值独立地进行微调。
因此，在使用分频网络电路并利用1台放大器来驱动被分割成多个频带的扬声器单元的方式中，提出了如下收听位置自动校正装置：即，在与输出到放大器之前由分频网络进行频带分割的频率大致相同的频率处分割频带，将分别被分割后的各信号插入延迟电路后，再次进行混频。(例如参照专利文献1)
专利文献1：日本国专利特开平7-162985号公报
根据上述的专利文献1所披露的技术，在整个频带对因各扬声器单元和收听者的收听位置之间的距离差而产生的声场的偏移、和因相位干扰而引起的频率特性的紊乱进行校正。
然而，存在如下缺点：即，会产生因频带分割电路而丢失的信号、和相加两次的信号，由此不仅重放声音的线性变差，而且混频时在频带分割频率(分频频率)附近的频率特性中会产生尖峰和下陷。
发明内容
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不仅能对每一扬声器单元独立地调整时间轴、而且能改善收听位置处的传递特性的线性、并能抑制在混频时产生尖峰和下陷的频带分割时间校正信号处理装置。
为了解决上述问题，本发明的频带分割时间校正信号处理装置，在对每一声道通过分频网络电路并利用1个放大器来驱动重放频带被分割后的多个扬声器单元的音频系统中，包括：每一声道至少一个的频带分割电路，该频带分割电路从输入信号中提取高频带分量或低频带分量的信号后，提取从所述输入信号中减去所述提取出的高频带分量或低频带分量的信号后的、低频带分量或高频带分量的信号；延迟电路，该延迟电路使得由所述至少一组频带分割电路输出的包含高频带分量、及低频带分量在内的至少两种频带分量的信号中的至少一个信号发生延迟，以用于调整声音的到达时间；及混频电路，该混频电路对由所述延迟电路输出的至少包含高频带分量或低频带分量在内的频带分割信号、和由所述频带分割电路输出的至少包含低频带分量或高频带分量在内的频带分割信号进行合成，并输出到所述放大器。
根据本发明的频带分割时间校正信号处理装置，不仅能对每一扬声器单元独立地调整时间轴，而且能改善收听位置处的传递特性的线性，并能抑制在混频时产生尖峰和下陷。
附图说明
图1是表示包含本发明的实施方式1所涉及的频带分割时间校正信号处理装置在内的音频系统的内部结构的方框图。
图2是表示本发明的实施方式1所涉及的频带分割时间校正信号处理装置的频带分割电路的电路结构的图。
图3是表示本发明的实施方式2所涉及的频带分割时间校正信号处理装置的频带分割电路的电路结构的图。
图4是表示本发明的实施方式3所涉及的频带分割时间校正信号处理装置的频带分割电路的电路结构的图。
图5是表示本发明的实施方式4所涉及的频带分割时间校正信号处理装置的频带分割电路的电路结构的图。
图6是为了说明车载音频系统的声场而引用的图。
图7是为了说明包含现有的频带分割时间校正信号处理装置在内的音频系统而引用的图。
具体实施方式
下面，为了更详细说明本发明，参照附图说明用于实施本发明的最佳方式。
实施方式1.
图1是表示包含本发明的实施方式1所涉及的频带分割时间校正信号处理装置在内的音频系统的内部结构的方框图。
这里，举例示出R、L双声道的音频系统，该音频系统包括成为输入源的播放器1、频带分割时间校正信号处理装置2、双声道放大器3、分频网络电路4、及由低频扬声器和高频扬声器构成的双路的扬声器单元5。
频带分割时间校正信号处理装置2具有通过调整声音的到达时间、从而对因扬声器单元5和收听者的收听位置之间的距离差而产生的声场的偏移进行校正的功能，包括R声道频带分割时间校正信号处理电路21、L声道频带分割时间校正信号处理电路22、及数字信号处理电路(DSP)23。
R声道频带分割时间校正信号处理电路21包括频带分割电路211、延迟电路212、及混频电路213。
频带分割电路211从播放器1所输出的R声道的输入信号中，提取高频扬声器分量(高频带分量)和低频扬声器分量(低频带分量)的信号，并输出到后级的延迟电路212。频带分割电路211从输入信号中提取高频带分量或低频带分量的信号后，提取从R声道的输入信号中减去先提取出的高频带分量或低频带分量的信号后的、低频带分量或高频带分量的信号。
这里，如图2所示的该电路结构的一个例子那样，作为构成R声道频带分割时间校正信号处理电路21的频带分割电路211，使用减法型高通滤波器300(减法型的数字滤波器)，这里，从播放器1所输出的R声道的输入信号中提取高频扬声器分量的信号，此后，提取从R声道输入信号中减去先提取出的高频扬声器分量的信号后的低频扬声器分量的信号，并输出到用于调整时间轴的延迟电路212及混频电路213。
此外，这里，虽然使用了减法型高通滤波器300以作为频带分割电路211，但也可用减法型低通滤波器来代替，在这种情况下，从播放器1所输出的R声道的输入信号中提取低频扬声器分量的信号，此后，提取从R声道输入信号中减去先提取出的低频扬声器分量的信号后的高频扬声器分量的信号。
延迟电路212使得由频带分割电路211输出的高频扬声器分量或低频扬声器分量的信号中的至少一个信号发生延迟，以用于调整声音的到达时间，并输出到混频电路213。这里，使低频扬声器分量的信号延迟以用于调整时间轴。
混频电路213对由延迟电路212输出的低频扬声器分量的信号、和由频带分割电路211输出的高频扬声器分量的信号进行合成，并输出到双声道放大器3。
此外，L声道的频带分割时间校正信号处理电路22除了获取从播放器1输出的L声道的输入信号以外，由于具有与上述的R声道的频带分割时间校正信号处理电路21相同的电路结构，因此在此省略以避免重复说明。
DSP23在决定延迟电路212的延迟量时，观测由重放频带被分割后的低频扬声器和高频扬声器构成的扬声器单元5的脉冲响应，求出扬声器单元5的逆传递函数，并进行卷积运算，调整因扬声器单元5和收听者的收听位置之间的距离差而产生的声音的传达时间。
双声道放大器3包括R声道功率放大器31、和L声道功率放大器32，对从R声道的频带分割时间校正信号处理电路21的混频电路213输出的R声道信号、和从L声道的频带分割时间校正信号处理电路22的混频电路(未图示)输出的L声道信号分别进行放大，并输出到分频网络电路4。
分频网络电路4是扬声器单元5一侧的频带分割器，包括R声道用网络41、和L声道用网络42，利用具有与扬声器单元5的分频频率相等的截止频率的低通滤波器(LPF)和高通滤波器(HPF)，对通过双声道放大器3由频带分割时间校正信号处理电路21、22输出的R声道信号、L声道信号分别进行频带分割，并输出到由低频扬声器WR和高频扬声器TR构成的、以及由低频扬声器WL和高频扬声器TL构成的各个扬声器单元5。
根据上述的实施方式1，通过使构成频带分割时间校正信号处理电路21的频带分割电路211、和分频网络电路4的分割频率一致，从而即使利用1台双声道放大器3，也如同和对每一扬声器单元5配置放大电路的情况等效那样，可对每一扬声器单元5进行独立的特性校正，另外，通过在频带分割电路211和混频电路213之间插入延迟电路212，从而能独立地调整并设定各扬声器单元5的时间轴。
另外，通过对于频带分割电路211使用减法型的高通滤波器300(数字滤波器)，从而能改善收听位置处的传递特性的线性，该频带分割电路211在与由分频网络电路4进行频带分割的频率大致相同的频率处进行频带分割。顺便说一下，在如以往那样用HPF和LPF来构成频带分割电路211的情况下，在传递函数方面并非输入(A)＝输出(B)，与此不同的是，通过使用减法型的数字滤波器300，从而可确保输入(A)＝输出(B)的传递特性的线性。
实施方式2.
根据上述的实施方式1的频带分割时间校正信号处理装置2，虽然能改善收听者的收听位置处的传递特性的线性，但利用构成频带分割时间校正信号处理电路21的频带分割电路211所使用的减法型的数字滤波器(减法型高通滤波器300)的特性，无法得到利用差分被分割后的低频扬声器分量、或高频扬声器分量的信号中的频率特性的平坦性。
因此，在下面所说明的实施方式2中，例如，如图3所示的电路结构的一个例子那样，对于构成频带分割时间校正信号处理电路21的频带分割电路211，使用由FIR数字滤波器构成的FIR线性相位高通滤波器301。此外，实施方式2中采用的音频系统具有与上述的实施方式1相同的结构。
关于FIR(有限脉冲响应)滤波器，众所周知，是脉冲响应的持续时间有限(脉冲响应在有限时间内变成0)的滤波器，所谓线性相位，是指相位对于所有的频率都具有一定的线性相位特性。
在这种情况下，对于R声道输入信号，利用FIR线性相位高通滤波器301仅提取高频扬声器分量的信号，此后，从R声道输入信号中减去该高频扬声器分量的信号而提取低频扬声器分量的信号，从而分割成高频扬声器分量和低频扬声器分量的信号。然后，对每一该分割后的频带、或是其中的某一个频带，实施由延迟电路212进行的用于调整时间轴的延迟处理。这里，若将对于高频扬声器分量的信号的延迟时间设为TT，将对于低频扬声器分量的信号的延迟时间设为TW，则TT-TW表示高频扬声器分量的信号相对于低频扬声器分量的信号的相对延迟后的时间。
根据上述的实施方式2，通过对于频带分割时间校正信号处理电路21的频带分割电路211使用由FIR数字滤波器构成的FIR线性相位高通滤波器301，从而在利用延迟电路212消除扬声器单元5的时间轴的偏移之后，利用混频电路213对高频带分量和低频带分量的信号进行合成，能确保接近输入信号的较高的线性特性，并且能利用低频扬声器分量和高频扬声器分量的线性相位之间的合成来避免产生尖峰。即，不仅能改善收听位置处的传递特性的线性(A1＝A2)，而且能确保利用差分被分割后的高频扬声器分量或低频扬声器分量的信号中的频率特性的平坦性。
此外，这里，虽然仅对R声道的输入信号进行了说明，但对于L声道的输入信号而言也相同，通过对于频带分割时间校正信号处理电路22(频带分割电路)使用具有线性相位特性的FIR数字滤波器，从而可得到相同的效果。另外，这里，虽然使用了由FIR数字滤波器构成的FIR线性相位高通滤波器301，但也可用FIR线性相位低通滤波器来代替，在这种情况下，利用差分被分割的信号成为高频扬声器分量。
实施方式3.
根据上述的实施方式2，虽然在由FIR线性相位高通滤波器301提取的高频扬声器分量的信号中反映了具有线性相位特性的FIR滤波器的特征，但未在减去高频扬声器分量的信号而分割的低频扬声器分量的信号中反映上述的FIR滤波器的特性。
因此，在下面所说明的实施方式3中，如图4所示的该电路结构的一个例子那样，频带分割时间校正信号处理电路21中，在提取从R声道的输入信号中减去高频扬声器分量的信号而分割的低频扬声器分量的信号的路径β中，插入具有与FIR线性相位高通滤波器301的群延迟时间相当的延迟量D2的延迟电路302(第2延迟电路)。
对于L声道的输入信号而言也相同。其中，这里，所谓群延迟，是指猝发音(tone burst)稍延迟而输出的现象，所谓群延迟时间，是指相移的频率微分值。此外，实施方式3所采用的音频系统具有与上述的实施方式1相同的结构。
根据上述的实施方式3，不仅能确保传递函数的线性(A1＝A2)，而且通过如上所述向路径β插入延迟电路302，从而除了由FIR线性相位高通滤波器301提取的高频扬声器分量的信号以外，对于从输入信号中减去该高频扬声器分量的信号而分割后的低频扬声器分量的信号，也能得到可确保通频带的平坦性的良好的频率特性。
实施方式4.
根据上述的实施方式3，由频带分割电路211输出的低频扬声器分量的信号、和高频扬声器分量的信号中的某一个信号进一步通过进行时间轴调整的延迟电路212，并利用混频电路213进行合成。此时，根据用于调整时间轴的延迟电路212的延迟量，分频频率的合成特性的值具有最大1.4倍的尖峰。
因此，可能会在构成频带分割电路211的数字滤波器内引起动态范围的减小。此时，通过采用具有线性相位特性的FIR数字滤波器(FIR线性相位高通滤波器301)从而可得到线性相位特性，因此两信号的相位完全一致，分频频率的合成特性的值不会超过1倍，因而，在频带分割电路211内动态范围不会减小。但是，两信号间在分频频率处发生相移的情况下，可能会产生下陷。
因此，在下面所说明的实施方式4中，如图5所示的电路结构的一个例子那样，在由构成频带分割时间校正信号处理电路21的频带分割电路211输出的高频扬声器分量的信号路径γ、和利用与输入信号的差分而生成的低频扬声器分量的信号路径δ中的至少一个路径中，插入对分频频率的相位进行校正的相位校正电路(PAC303)。此外，实施方式4所采用的音频系统具有与上述的实施方式1相同的结构。
上述结构中，由频带分割电路211输出的高频扬声器分量、及低频扬声器分量的信号通过用于调整时间轴的延迟电路212(延迟量D1)之后，高频扬声器分量或低频扬声器分量的信号中的某一个信号、或者这两个信号通过在平坦的频率特性下仅使相位旋转的相位校正电路(PAC303)。然后，通过相位校正电路(PAC303)后的高频扬声器分量和低频扬声器分量的信号由混频电路213进行合成，利用双声道放大器3对R、L双声道的输入信号进行放大后，输出到分频网络电路4。利用分频网络电路4进行分配给各扬声器5的频带分割，这里根据频带分割后的每一声道的输入信号来驱动各扬声器5。
根据上述的实施方式4，通过相位校正电路(PAC303)后的高频扬声器分量和低频扬声器分量的信号由混频电路213进行合成，而此时，通过优化相位校正电路303的校正量，从而能抑制在分频频率处产生的下陷。由此，既能确保较高的线性，又能对各扬声器单元5之间的时间轴进行校正。
如以上所说明的那样，本发明的实施方式1～实施方式4所涉及的频带分割时间校正信号处理装置2中，对每一声道配置1台放大电路(双声道放大器3)，在使用分频网络电路4来驱动被分割成多个频带的扬声器单元5的情况下，能任意设定扬声器单元5之间的时间轴，而且可提供较高的线性和平坦的频率特性。由此，可提供廉价、且性能较好的音频系统。
此外，DSP23例如通过从多个扬声器单元5的脉冲响应中搜索超过阈值的峰值，从而测定每一扬声器单元5的启动时间，并以启动最快的扬声器单元5为基准，进行与其它扬声器单元的启动时间之间的差分运算，按照该差分运算的结果，设定各扬声器单元5重放时的延迟量。作为时间对准手段，众所周知有以下的技术：即，通过对提供给各扬声器单元5的信号实施延迟处理，从而将从各扬声器单元发出的声音调整成同时到达收听者的收听位置。有时也会与未图示的CPU协同动作来实现上述的功能。
此外，根据上述的本发明的实施方式1～实施方式4，虽然举例示出了车载音频系统，但并不局限于车载音频系统，不仅可用于剧场，而且还可用于家庭等、与应用领域无关的所有的音频系统。
另外，对于图1所示的频带分割时间校正信号处理装置2所具有的各构成块的功能，既可全部用软件来实现，或者其至少一部分也可以用硬件来实现。例如，对于DSP23中的数据处理，既可利用1个或多个程序在计算机上来实现，或者其至少一部分也可以用硬件来实现，该DSP23观测重放频带被分割后的多个扬声器单元5的脉冲响应，求出各扬声器单元5的逆传递函数并进行卷积运算，决定延迟电路212的延迟量，来调整因各扬声器单元5和收听者的收听位置之间的距离差而产生的声音的到达时间。
另外，上述中对于发明的实施方式，是对于分割成低频带分量和高频带分量的两个频带的情况进行了说明，但也可通过在频带分割电路211和混频电路213之间插入多级不同分割频率的同样结构的频带分割电路，从而进行三个以上的频带分割。
工业上的实用性
如上所述，本发明所涉及的频带分割时间校正信号处理装置，由于采用如下结构：即，包括：每一声道至少一个的频带分割电路，该频带分割电路从输入信号中提取高频带分量或低频带分量的信号后，提取从所述输入信号中减去所述提取出的高频带分量或低频带分量的信号后的、低频带分量或高频带分量的信号；延迟电路，该延迟电路使得由所述至少一组频带分割电路输出的包含高频带分量、及低频带分量在内的至少两种频带分量的信号中的至少一个信号发生延迟，以用于调整声音的到达时间；及混频电路，该混频电路对由所述延迟电路输出的至少包含高频带分量或低频带分量在内的频带分割信号、和由所述频带分割电路输出的至少包含低频带分量或高频带分量在内的频带分割信号进行合成，并输出到所述放大器，因此不仅能对每一扬声器单元独立地调整时间轴，而且能改善收听位置处的传递特性的线性，并能抑制在混频时产生尖峰和下陷，所以适合用于包含频带分割时间校正信号处理装置的车载音频系统等。

Claims (8)

1.一种频带分割时间校正信号处理装置，其特征在于，在对每一声道通过分频网络电路并利用1个放大器来驱动重放频带被分割后的多个扬声器单元的音频系统中，包括：
每一声道至少一个的频带分割电路，该频带分割电路从输入信号中提取高频带分量或低频带分量的信号后，提取从所述输入信号中减去所述提取出的高频带分量或低频带分量的信号后的、低频带分量或高频带分量的信号；
延迟电路，该延迟电路使得由至少一个所述频带分割电路输出的包含高频带分量、及低频带分量在内的至少两种频带分量的信号中的至少一个信号发生延迟，以用于调整声音的到达时间；及
混频电路，该混频电路对由所述延迟电路输出的至少包含高频带分量或低频带分量在内的频带分割信号、和由所述频带分割电路输出的至少包含低频带分量或高频带分量在内的频带分割信号进行合成，并输出到所述放大器。
2.如权利要求1所述的频带分割时间校正信号处理装置，其特征在于，
所述频带分割电路由具有线性相位特性的FIR滤波器构成。
3.如权利要求2所述的频带分割时间校正信号处理装置，其特征在于，
由所述FIR滤波器构成的频带分割电路，是在从所述输入信号中减去所述提取出的高频带分量或低频带分量的信号而提取低频带分量或高频带分量的信号的路径中，插入具有与自身的群延迟时间相当的延迟量的第2延迟电路而构成的。
4.如权利要求1所述的频带分割时间校正信号处理装置，其特征在于，
是在由所述延迟电路输出的高频带分量或低频带分量的信号传送的路径、或由所述频带分割电路输出的低频带分量或高频带分量的信号传送的路径中的至少一个路径中，插入对所述高频带分量和低频带分量在分频频率处的相位进行校正的相位校正电路而构成的。
5.如权利要求1所述的频带分割时间校正信号处理装置，其特征在于，包括：
数字信号处理电路，该数字信号处理电路观测所述重放频带被分割后的多个扬声器单元的脉冲响应，求出所述各扬声器单元的逆传递函数并进行卷积运算，决定所述延迟电路的延迟量，来调整因所述各扬声器单元和收听位置之间的距离差而产生的声音的到达时间。
6.如权利要求1所述的频带分割时间校正信号处理装置，其特征在于，
通过使频带分割电路和分频网络电路的分割频率一致，从而对每一扬声器单元进行独立的特性校正，通过在所述频带分割电路和混频电路之间插入延迟电路，从而独立地调整并设定所述扬声器单元间的时间轴。
7.如权利要求1所述的频带分割时间校正信号处理装置，其特征在于，
在传递函数方面使输入信号和输出信号相等，从而改善收听位置处的传递特性的线性。
8.如权利要求7所述的频带分割时间校正信号处理装置，其特征在于，
对于频带分割电路使用减法型的数字滤波器。
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