CN102598137A - 用于完整音频信号的相分层设备和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于恢复音频信号中包含的本来封闭和隐藏的信息的设备和方法。该信号包括初级基准信号和多个冗余副本信号，该副本信号除了在振幅和相位之外在所有方面都与所述初级基准信号大致相同，以便将音频信号内容展开或开放成层，这导致表示如在自然中的行为那样的声音的全向音频信号。所述音频再现系统使用同相电路和分离的相分层技术电路来驱动独立的多个混合信道，以从离散的音频信号产生开放的大致完整的声音，以便使得大致完整的音频信号能够形成，或者能够将现有不完整音频信号转化为大致完整的音频信号。

Description

用于完整音频信号的相分层设备和方法

技术领域

本发明涉及一种用于建立大致完整的音频信号的方法和设备，具体涉及一种用于从离散音频信号恢复信息以重构或产生大致完整的、近乎全向的声音事件的方法和设备。

背景技术

声音作为压力和速度存在于诸如空气的介质中。声音始于诸如语音、摔门、琴弓划过小提琴弦等的机械扰动。声源的振动导致波的形成或图案。波在各个方向上辐射，例如三维、全方向、球状地辐射。正是这些移动的波被作为声音听到。

当具有可用基准时，存在三种通常测量的任何声压的分量：频率、振幅和相位。

自电子音频信号出现以来，一直在努力以听者无法说出复制品和原声的区别的方式来捕获、存储和再现原始声音事件的精确复制品。

电子音频信号是一种波动的电量，其变化将所有声音信息表示为代码。我们已经知道如何以高保真度从信号代码中破解大部分频率和振幅信息部分，使得如今可以享受到宽的带宽和宽阔的动态范围。相位是声音的一个主要分量，其包括以高保真度表现常规装置还未能再现的声音的时空信息元素的几乎所有耦合。作为结果，常规地再现的音频信号在这一点上是不完整的。

理想的完整音频信号将是如下的信号，其中包括频率、振幅和相位的所有声音分量被完全开放、发送和以相同的保真度再现。这样的信号也将是与原始声音事件无法区分的；例如，在所有方向上三维地、全方向地、球状地辐射，而不像现有不完整信号那样辐射。

由于现有的、不完整音频信号仅能为声音的一些分量（频率和振幅）提供高保真复制，声再现迄今为止局限于二维层面。诸如立体声、双声道立体声和各种环绕声技术等的现有技术方法提供了设计用于人工补偿本来天然存在的时空信息的信号处理增强方法和设备。以下限制让原始声音事件内容元素被锁在信号代码内：丢失、隐藏、埋藏、隔离、叠起，但仍然包含在信号内部。本发明是一种用于产生大致完整的音频信号的方法和设备，所述方法和设备不是通过引入人工元素，而是通过开放或展开到目前为止隐藏在音频信号内的信息。

“相位”一词有多种用法。术语相位在音频中的一般用法大部分局限为扬声器的正确“定相”的思想或术语“绝对相位”，以描述制造商的产品。相位的其它重要方面为单耳相位，其中，典型地，延迟的声音被施加到一只耳朵或被同时施加到两只耳朵。现有技术表现出在双耳相位领域的大量工作，双耳相位是指由于两耳之间路径长度的差值导致的延时。但相位作为声音的限定特性的思想并未被广泛地讨论。通常也没有提供测量。在本文中，相位与作为构建过程的听力的规则有关。也就是说，大脑获取从耳朵到达其的数据，并且应用规则和功能以构建声音的再现。这些规则涉及难以置信地微妙和复杂的复合的力学、生物学和神经学过程。

当应用于本发明时，相位使得声音能以与原始声事件基本上无法区分的方式通过信号提供给耳朵，以与初始捕获、发送或记录的声音类似和相似的方式传播声音。所接收的声波从耳朵向大脑的传输完成了听觉过程。可以认为，相位是在以较高的精度重建听觉体验的能力中“丢失的环节”。本发明使用相位来为听者提供听起来与原始事件基本无法区分的听觉体验。

相位同样是一个信号与基准信号的相对量度。在声事件中，相对相位受到时间和空间两者的影响。这是重要的，因为在正常的听觉体验中，无论记录单个（或单）信号，还是记录诸如立体声的多个信号，所记录的信号都表示相对于与在麦克风的位置处的已记录信号有关的信息的相位。当使用多个麦克风时，每个已记录信号的相位相对信息对于相对于声源的麦克风位置以及在其中进行记录的空间的音响效果都是唯一的。因此，可以通过将多个麦克风的输出加在一起而使用该多个麦克风来产生单声道信号，或者可以记录用于立体声或环绕声应用的离散信号。通常，信号从记录穿过所选电子器件并最终到达收听环境的路径将对于每个信号各不相同。虽然已将大量的努力付诸于为收听环境增强已记录信号，包括头相关传递函数和数字信号处理以产生用于不同空间的幻觉的人工混响，但实际上不可能将听者从在其中听到声音的空间的音响效果分开。然而，由于就像可以用多个麦克风记录信号一样，可以通过在房间内摆放多个扬声器实现在物理空间内的分级分频（cross-overs），所以可以使用原始信号提取包含在记录过程中的信息并在记录的信号中引入分级分频器(graduated crossovers)，并且很像在物理空间中分层那样将这些信号一起分层，以便传输更逼真的动态信号。

为了描述本发明，本文将采用包括相分层、相分层电路或PLC的各种术语，以及诸如分级分频器的术语。

如果任何声音分量相比其原始形式失真，所有声音分量都会被影响。因此，影响相位、振幅或频率的因素可以影响全部。

立体声是一种“效果”，而不是自然中存在的。立体声效果产生一种“幻像声像”，这种幻像声像听起来就像声音来自两个立体声扬声器之间的中心处某个地方，而事实上那里却什么也没有。这是一种“幻觉”。限定立体声系统的品质的基础是幻像声像能够多么好地产生逼真的“音场”。音场发生在通常称为“最佳听音位置”的地方。也就是由立体声系统生成的音场产生非常令人信服的幻像声像，使得听者体验“身临其境”的虚拟现实的地方。当听者移动到最佳听音位置以外时，无论过于向左或是向右远离发生幻像声像的地方，音场都会分裂开。一旦离开最佳听音位置，幻觉就会消失。今天使用的大多数消费类音频设备基于立体声标准。

存在几种用于音频电子器件的信号处理器。一种处理器被设计成解决与环境相关的问题，例如图形均衡器（graphic equalizer），并且被设计成将房间调谐至平坦的频率响应，使得当音频系统播放时，房间不增加声音或从声音中减少声音。另一种信号处理器调节信号，例如混响系统，并且被设计成用于在录音棚中制作加工唱片，这种唱片听起来就像现场录制的一样。音频工程师在其工作中使用这些和其它工具。

另一种信号处理器使用心理声学技术，该技术基于对大脑如何解释从耳朵送至大脑的信息进行的研究。许多这类心理声学信号处理器已经主要用于帮助解决与立体声有关的某些问题，并且有时也可用于单声道和离散信号应用中，但往往作为次要优点。

立体声具有局限性，例如，其中包含幻像声像的最佳听音区域。不像其中大量听众可以同时共享的现场音，例如在音乐会上可能听到的那样，立体声具有在两个扬声器之间的局限区域，听众必须聚集在该区域中，以便感受虚幻音场。立体声的这种缺点导致各种发展，这些发展被设计用于克服音场规模局限性，并且和或者寻求扩展最佳听音位置的方式，或者如在作为家庭影院和环绕声基础的电影院音响的情况中那样，用不同的技术完全消除最佳听音位置。因此，用于开发某种信号处理器的其中一种激励因素一直是增强立体声体验。本发明不受最佳听音位置的限制，而是可以在任何地点、任何时间和任何听觉条件下体验。此外，本发明可用于所有音频信号和信号通道（单耳、立体声、合成多声道和离散多声道、记录和再现声、以及发送声）,如在本发明之前一直被隐藏和埋藏地保持的所有包含信息。

高保真的其中一个规则是保持对原始声音事件的忠实度，这意味着“不加改变地听到信号”。因此，用于设计严肃音乐聆听的目标是沿音频通路保持现有技术允许的尽可能高的信号完整性。因此，好的音频实际上是好的科学，并且好的音频没有理由不能和不应应用于所有音频信号。每当音频信号通过任何声学、机械或电气装置时，就会产生失真。音频设计师努力限制失真量以保持忠实的再现或保真度，以使得损失最少的信号变为最高的保真度。本发明的大致完整的音频信号被设计成传输比现有技术明显更多的原始声音事件的信息，而不显著增加信号中尚不存在的内容或从信号减去任何内容。

下面的美国专利示出了主要在立体声应用中用来加强音频声场的技术。在过去常用的方法有三种，其中包括：头相关传递函数(HRTF)的应用；利用数字信号处理来产生混响或空间效果，以仿效除了收听环境之外的声场；以及利用立体声信号来增加空间效果。本发明与现有技术的区别在于，所用方法可以应用于单声道、立体声或其它多信号格式。该方法不依赖于立体声信号的使用，并且可以提高所有信号格式的语音可理解度和许多其它方面。

授予Coats等人的美国专利No.7,203,320教导了一种次谐波发生器和立体声扩展处理器。一种方法和设备可提供用于下列一项或多项：接收包含第一范围内的频率的输入信号：过滤输入信号以产生包含第二范围内的频率的第一中间信号；从包含第三范围内的频率的第一中间信号产生次谐波信号，第三范围的频率比第二范围的频率低约一个倍频程（octave）；从输入信号的左声道信号消除在第四频率范围内的至少一些频率下的能量，以产生至少一部分左声道输出信号；以及从输入信号的右声道信号消除在第五频率范围内的一些频率下的能量，以产生至少一部分右声道输出信号。

授予Arthur的美国专利No.7,003,119涉及矩阵环绕声解码器/虚拟器，其使用若干子系统来从立体声输入信号产生输出。第一子系统合成幻像中心输出，该输出将单耳中心声像置于听者面前的左右扬声器之间。第二子系统合成虚拟环绕声（或后）输出信号，该输出将声像置于听者侧面。第三子系统合成左右立体声输出，并扩展左右声像的位置。

Hoover的美国专利No.6,947,564中示出了一种具有音调补偿和有源矩阵的立体声空间扩展电路。在立体声扩展电路中，通过相对于中音增加低音和高音频率而在频谱上修正(L+R)和信号，以便补偿(L-R)差信号中的中音频率提升。立体声扩展效应和对信号参数的操纵由有源矩阵放大器产生。

授予Morris的美国专利No.6,711,265涉及空间扩展的立体声音频声像的中心化。立体声系统具有带有扩展空间成像的和信号和差信号。中心音频材料的更向中心的定位由(L+R)和信号的均衡实现。该均衡包括在增加和信号的高音响应的同时减小低音响应，所需低音减少通过使用回转器经济地合成电感来实现。另外，为减小低音频率处的信号和增加高音频率处的信号，在(L+R)和信号中进行的均衡可在“通”和“断”模式之间单独或相结合地进行切换。

在授予Chol的美国专利No.6,587,565中，一种系统提供用于在从立体声通道的信号产生三维图像声信号时增强立体声或编码声的空间效果。该系统包括：空间效果增强部，其中产生用于增强声音的空间效果和方向性的信号；频带增强部，其中生成用于增强低频范围内的立体声通道信号的信号分量并用于保持中频范围内的信号分量的信号；和矩阵部，其中以矩阵方式计算空间效果增强部的输出信号、频带增强部的输出信号和立体声通道信号，以便使用左侧声道信号和右侧声道信号之间的微分分量改善声音的空间效果。根据该专利，可以在不使用复杂电路构造的情况下改善声音的空间效果，并且防止了信噪比的恶化，并提高了用于实现声音的空间效果的性价比。

授予Schwartz的美国专利No.6,448,846涉及一种受控相位消除电路和系统。该专利描述了控制处理器输出或处理器输出的部分与一个或多个具体频率范围内的预处理信号的相位之间的相位关系，从而可以实现处理器效果的受控加重或增强。在一个实施例中，这通过提供增益控制电路来实现，该电路在输入信号与处理器输出求和之前接收并选择性地放大输入信号。

授予Klayman的澳大利亚专利No.708,727教导了一种立体声增强系统。

授予Schott的美国专利No.5,761,313涉及一种用于促进立体声信号的立体声声像分离的电路。通过在立体声信号的差分声道中使用特殊频率响应操纵，立体声声像将看起来扩展到扬声器的实际位置以外。这通过对差分声道响应进行成形来实现，以便模拟当声源在物理上移动至虚拟位置时将会感受到的响应。该电路包括将左和右立体声信号施加到其上的求和与高频均衡电路、以及将左和右立体声信号施加到其上的差分形成和人耳均衡电路。来自这些电路的输出被交叉耦合以形成左和右声道输出。

授予Hawks的美国专利No.5,692,050涉及一种用于在空间上增强立体声信号和单声道信号的方法和设备。公开了一种在空间上增强立体声信号而不牺牲与单声道接收器的相容性的方法和设备。根据一个实施例，一种立体声增强系统仅使用两个运算放大器和两个电容器来实施，并且可以在空间增强模式和旁路模式之间切换。在其它实施例中，通过将其中一个输出通道构造为另一输出通道与输入通道的和，来实现简化的立体声增强系统。在其它实施例中，根据立体声扬声器串扰消除原理合成和在空间上增强伪立体声信号。在另一些实施例中，单声道信号和立体声信号的相应空间增强被一体地结合到能够以连续方式融合这两种增强效果的单个系统中。

授予Kennedy等人的美国专利No.4,959,859涉及一种FM信道分离调节系统。

反相信号的常规定义是如美国专利6,477,255中归纳的具有反转的相位（180度）的信号。

授予Klayman的美国专利No.4,866,774是一种立体声增强和指向性的伺服系统。在具有为增强立体声声像而处理后的和信号与差信号的立体声系统中，通过使用用于左处理差信号(L-R)p和右处理差信号(R-L)p的伺服系统来增加立体声的表观指向性。左右伺服系统中的每一个都对应于相应的左立体声输入信号或右立体声输入信号(L-in,R-in)，并放大在相应的左处理后差信号或右处理后差信号中的增加量。通过以下方式来控制放大量：即，反馈放大的或指向性增强的差信号(L-R)pe、(R-L)pe；在指向性增强之前首先将该信号与处理后的差信号(L-R)p、(R-L)p进行比较；然后将其以预选比率与输入信号(Lin,Rin)组合，以便控制提供用于指向性增强的处理后的差信号的放大量。

授予Hibino的美国专利No.4,815,133教导了一种声场产生设备，该设备连接到立体声声源以将音频信号提供给具有间接声音提取电路的扬声器系统，该间接声音提取电路用于通过提取右输入信号和左输入信号之间的差信号，而提取间接的声音分量。差信号被反相以获得反相的差信号。两个混合电路中的每一个接收右输入信号、左输入信号、左差信号和右差信号、以及反相的差信号，以产生左和右输出。

授予Carver的美国专利No.4,218,585涉及一种用于立体声系统的立体声产生设备和方法。除了驱动右扬声器之外，右信号被反相和延迟并发送到左扬声器。除了驱动左扬声器之外，左信号被反相和延迟并发送到右扬声器。

授予Iida的美国专利No.3,725,586涉及一种用于从两个声源得出四个声信号的多声再现设备。施加到两个输入电路的左声信号和右声信号分别利用移相器进行移相，然后供给到分离的输出电路。左声信号也馈送通过低通滤波器，以与移相后的右声信号组合并将组合的信号供给到分离的输出电路。同样，右声信号也馈送通过低通滤波器以与移相后的左声信号组合，并将该组合后的信号供给到分离的输出电路。

本发明的方法和设备以对于原始声源的提高的保真度和完整性来再现大致完整的音频信号，该信号利用包含在音频信号代码中的大量声音信息。

除了在从信号的捕获、传输或存储，到信号再现的音频链的任一链路处提供大致完整的音频信号之外，本发明也提供了一种从包含在现有（不完整）音频信号内的代码重构大致完整的音频信号的方式。本发明的原理可应用于任何已知的信号类型，而不论单个、单声道或离散或多个信号，例如可以应用于在已知音频信号应用中的立体声信号，该信号例如来自通过电话、无线电广播、现场扩声的实时传输的声音，或通过来自录制品（例如，来自CD播放器或MP3播放器、留声机、DVD或蓝光播放器）的再现的声音。

另外，本发明也可为言语和对话提供提高的可理解度，其在通信、电影、和诸如军事、执法、医疗和其它应急声音应用的其它应用中尤其有利。此外，通过完整音频信号提供表现完整的、开放的原始声音分量的一些自然的副产物可以是提高的清晰度、更高的分辨率、更好的动态性、更真实的音调、更广、更大、更宽的空间、更精确的动态性、更自然的频谱平衡以及更多的细节。

发明内容

因此，本发明涉及一种用于音频再现系统的方法和设备，该方法和设备基本上解决了由于现有技术的局限性和缺点而导致的一个或多个问题。

一种音频再现设备和方法，其使用具有单个或左和右或更多输入的离散音频信号源来产生完整音频信号，该完整音频信号通过在一个或多个换能器中的多个换能器音圈的，或者从离散或其它信号源进入信号混合器的多个通道内，具有全维度声音。第一电路连接到信号源，并具有从该第一电路耦合到一个或多个换能器音圈、或混合器通道的同相输出。第二电路连接到信号源，并产生反相输出，该反相输出耦合到所述多个音圈中的一个或多个，或混合器通道，以通过一个或多个换能器或混合器通道再现离散信号源。该设备可具有耦合到离散信号源的用于同相基准信号的基准信号电路，和耦合到信号源以用于产生异相信号输出的反相电路。另外，高音信号电路耦合到离散信号源，并从信号源产生相分层高音信号输出，同时低音信号电路从信号源产生相分层低音信号。输出电路使得来自基准信号电路和反相信号电路的输出以及来自高音信号电路的输出和来自低音信号电路的输出被混合以形成复合输出信号。高音电路和低音电路可使用离散信号源的混合的左和右、双单、或多个信号分量。反相电路将信号源的左和右、双单、或多个信号分量混合，并具有并行电路路径，该并行电路路径将信号反相，然后混合并行路径信号，以形成反相输出。一种音频再现方法包括选择离散信号源和使用该信号以产生同相基准信号和反相信号以及相分层高音信号和相分层低音信号。然后，将基准信号与反相信号和高音信号及低音信号混合，以形成用于驱动多个换能器音圈或混合器通道的复合输出信号。从这些模块形成大致完整的音频信号复合体。

应当理解，上述一般描述和下面的本发明的具体实施方式是示例性和说明性的，并且旨在提供对如权利要求保护的本发明的进一步说明。

应当理解，本发明的前述一般描述和下面的具体描述是示例性和说明性的，并且旨在提供本发明如权利要求所述的进一步解释。

附图说明

包括附图以为了提供对本发明的进一步了解，并且其被纳入本说明书中构成本说明书的一部分，这些附图示出了本发明的实施例，并用于与本说明书一起来说明本发明的原理。

在附图中：

图1是根据本发明的声音系统的无源实施例的框图；

图2是本发明的声音系统的有源实施例的框图；

图3是图2的本发明的示意性框图；以及

图4A和4B是图3的本发明的扩展的示意性框图。

具体实施方式

现在将详细参考附图中示出的本发明的示例性实施例。

本文示出和公开了用于根据本发明的原理实现大致完整的音频信号的两个示例性实施例。一个示例性实施例示出了无源信号，第二实施例则示出了有源信号。如本领域的技术人员将会知道的，参数不固定于任何具体频率设置或滤波器类型。滤波器也不限于角度或程度，例如6dB、12dB、18dB或24dB。此外，诸如用于低通的100Hz或用于高通的16kHz的频率设置仅用作说明目的的实例。

附图的图1示出了无源配置的框图，该配置可与连接到音频放大器的扬声器一起工作，而没有有源电路。单声道或离散信号源10将离散源信号施加到第一音频放大器11和第二音频放大器12。放大器11的输出连接到一对扬声器13和14，每个扬声器都具有在其中的音圈，以形成第一电路腿。放大器12的输出连接到一对扬声器15和16，每个扬声器都具有在其中的音圈，以形成第二电路腿。电路的每个腿也可配置成具有两个音圈的一个扬声器。扬声器可具有所需的任何阻抗负载，但对于本例来说，每个扬声器为8欧姆，并且每个电路腿为4欧姆。还应该指出的是，单个放大器可与具有4个音圈的专门设计的单个扬声器结合使用。

第一电路腿为同相连接的并联电路，这意味着放大器11正极接头连接到扬声器13和14的正极接头，并且放大器11的负极接头连接到扬声器13和14的负极接头。第二电路腿为异相连接的并联电路，扬声器15的负极连接到扬声器16的正极，扬声器15的正极连接到放大器12的正极端子。扬声器16的负极连接到放大器12的负极。该电路也可通过以其它方式组合第一和第二电路腿来配置，例如使用连接到四音圈扬声器或换能器的单个放大器。图1所示配置能够控制每个电路腿的增益，并且以简单方式匹配每个电路腿的阻抗。图1的每个腿为听者独立地提供第一电路腿的声特征，该声特征与音频信号按照工业标准设计用来听取的方式的特征一致或同相。图1的第一和第二腿独立地提供音频信号的部分再现，使得当听者单独听第二电路腿而未同时听到第一电路腿时，听者认为声音是远处的，并且具有更大的空间高度、宽度和深度，并且似乎较远。将两个电路腿同时组合则再现大致完整的音频信号。语音、音乐或其它音频的原始声事件、录制品、或再现发送的声音基本上如在原始事件中那样被收听到。第一和第二电路腿应以大致相等的振幅匹配，以便形成大致完整的信号。如果任意一个在振幅上显著不同，则具有较热信号强度的腿将超越另一个，并且总信号将不会最佳地均衡。因此，所得信号将小于大致完整的信号，例如，其是已经处理并具有基于振幅和相位的相加或相减的效果的信号，而不是复合电路或大致完整的音频信号。因此，在该实施例中，假设每个扬声器为全频程扬声器，并且电路在放大器之后，从而使得完整音频信号在物理空气中产生，并且因此以与原始声事件类似和相似的方式表现。因此，在该实施例中不需要高通和低通分频器。

另一方面，对于通常具有多个扬声器的现有音频设备，每个扬声器可以是2路或3路（或以上）的扬声器系统，该系统通常具有使相位信息进一步失真的附加的分频器，每个分频器具有有限的辐射图案，高路径和低路径可以更好地限定包含在信号中的声音信息的物理特性。因此，利用各种高路径和低路径以及相位控制，可以使用有源电路为放大器和扬声器生成大致完整或近乎为球面的信号。

图2示出了用于生成大致完整的音频信号且包括高通和低通分频器的有源电路的基本框图。所谓有源是指这样的电路，该电路需要功率来工作，并且在信号到达放大器之前以其被连接到线路。有源电路可连接到信号源本身，或者放大器之前或内部的任何位置。

在图2中，信号源20可以是收音机、CD播放器、mp3播放器等，用于收听音乐，或者其可以是现场声音或现场再现信号，例如，人们可能对着手机或电话或麦克风或广播设备等讲话的声音。来自信号源20的信号利用分裂器或其它装置，或通过在具有分裂器功能的混合器中的重复复制而被分裂分成其自身的副本。

原始或基准信号21在从信号源20发出时被假定为同相的。同相是一个相对术语，该术语将原始信号限定为基准信号。该基准信号也是不完整的，因为它不提供用于提取隐蔽或隐藏的信息的方法，由于其通过与同相或同步的基准信号异相或反极性而对消的事实，这些信息在原始信号中保持折叠。基准信号的一个副本用来生成相分层信号22。

相分层使用反相(180E)连同较小的局部相移（例如45E、90E）等的组合来建立否则会因为使用传统的同相和异相方法而被对消的大致完整的信号。结果是产生大致完整的音频信号，该信号是完整、开放、全向和多维度的，并且具有与原始声音事件类似和相同的性质。基本上，应用任意种这类形形色色的技术或其组合将产生可用的相分层信号。本质上，相分层是一种在不抵消同相信号的情况下提供大致完整的信号的方式。相分层信号的使用是为了将连续的相位相关信息或否则将会被抵消的信息提供为与基准信号同等地分层的模块分量。

基准信号21和相分层信号22被送入信号混合器23。第三或高通信号24表示1kcps以上（或多或少）的任意点的频率。极性开关25在将信号发送到混合器23之前将极性或相位从0E至180E切换。第四或低通信号26可具有1kcps以下（或多或少）的频率，并且在发送到混合器23之前也具有0E-180E的相移控制27。高通信号和低通信号的作用是使用多个分频器将球面角的度数或相位层施加到否则将可能被典型放大器-扬声器弄平的信号。通过施加这些45E（或多或少）的角度，相位层形成为最终大致完整的音频信号复合体，该信号复合体提供近乎球面的声信号。当通过任意的和所有的现有音频系统播放时，所得再现信号可鉴别为改善的声音。可以提供全局相位控制，因为这种新的大致完整的音频信号包括复合基准，该复合基准将反映任何外部信号输入在事实上是实际同相或者是异相。标准音频系统不具有用于确定相位差的基准。本发明使得能够检测相位差并允许用于相对相位识别的测量工具。

来自混合器23的混合信号通过倒相开关28施加到放大器30以驱动扬声器31。根据本发明的原理的电路可以并入硬件中，或者可以嵌入独立的集成电路中，并且可以数学地再形成，使得软件的结构能够产生大致完整的信号。该有源开放信号可以置于信号源的输出之间，例如，在一端是CD播放器，或在相对端是针对卫星的远程发射站。该信号可以被施加以作为手机中或其他的电路工作。本发明的方法可以在A链处有源地使用，A链是指信号处理的前端，例如，在信号源的输出和放大器、分裂器等的输入之间的应用中。

图3是图2的有源电路的示意性框图，用于立体声信号以用于展开、恢复和揭示音频信号中包含的隐藏和埋藏的空间、频谱、动态和其它声音信息。图4A和4B共同示出图3的电路的更详细的示意性框图，其中增加了单声道半球电路。

参见图3，输入级接收具有正极和负极的至少一个音频信号。这里作为实例显示了立体声信号，其中，左立体声信号输入35连接到放大器36，而右立体声输入37则连接到放大器38。左信号放大器36的输出施加到左混合器40，而右放大器38的输出则连接到右混合器41。来自放大器36和38的左输出和右输出施加到混合器42，在这里对信号求和并将和信号施加到低音电路和高音电路。和信号被发送通过具有低通滤波器43（例如100Hz）的低音电路，在放大器44中反转极性，并将其施加到可用于调谐的可调增益放大器45。

来自混合器42的和信号也被施加到高音电路路径，该路径与低音电路路径并联，并且在其中和信号被施加到高通滤波器46（例如1000Hz），该电路路径具有极性调整放大器47和可用于调谐的可调增益放大器48。高音路径的输出相位可具有不同设置，但如图所示领先于基准相位90度，以提供施加到左混合器40和右混合器41两者的一个相位层。低音路径的输出相位可具有不同设置，但如图所示滞后于基准相位90度，以提供另一个相位层。低音电路的输出通过一对增益放大器50和51连接到左混合器40和右混合器41。立体声半球电路将左输入35信号施加通过缓冲放大器52，并将右输入37信号施加通过缓冲放大器53。左立体声信号在混合器54的单独路径中从右立体声信号中被减去（信号L-R），并且穿过反相放大器55并在滤波电路56中低通滤波(-16kHz)，然后馈送到链接的电压受控放大器59和混合器61。来自放大器52的输出也耦合到混合器61。

来自缓冲放大器53的右输入37信号在混合器57中从左立体声信号中被减去（信号R-L），并且在与左信号并联的路径中通过反相放大器58，并在滤波电路60中被低通滤波(-16kHz)，然后连接到链接的电压受控放大器59和混合器63。缓冲放大器53也直接耦合到混合器63。

这两个滤波后的差信号（信号L-R和信号R-L）的增益可以并行地调整，并且信号L-R在混合器61中从左立体声信号被减去（定义为信号Rmix），信号R-L在混合器62中在并联的路径中从右立体声信号中被减去（定义为信号Lmix）。Rmix混合器61的输出被施加到右混合器41，并且Lmix混合器62的输出被施加到混合器40。左立体声信号在混合器40中与高音电路信号、低音电路信号和Lmix输出求和，以产生相分层的左声道输出信号。右立体声信号在混合器41中与高音电路信号、低音电路信号和Rmix输出求和，以产生相分层的右声道输出信号。

转到附图的图4，该图为根据本发明的原理的组合了有源立体声电路和单声道电路的更详细的示意性框图。

输入电路65具有连接到极性开关66的左输入35和右输入37，极性开关66连接到增益放大器35和38，并且被设置用于基于开关66的位置提供对输入信号的极性切换。开关66被链接，以便近乎同时地反转两个通道的极性，以设置音频信号的“绝对相位”。

来自输入电路的输出施加到高音电路67和低音电路68。左信号和右信号在混合器42中求和。在高音电路67中，来自混合器42的和信号通过在1000Hz下具有-3dB点的双极点滤波器46进行滤波。极性开关47在必要时将信号反相。存在用于从+0dB到+6dB，在低音中进行混合的控制放大器。在低音电路68中，来自混合器42的和信号通过在100Hz下具有-3dB点的双极点滤波器进行滤波。存在用于在必要时将信号反相的极性开关44，和用于从+0dB到+6dB在低音中进行混合的电平控制器45。

立体声半球电路70使用来自输入电路65且通过缓冲放大器52和53的右信号和左信号。

半球电路70具有并行的腿，其中，来自缓冲放大器52的输入信号在放大器63中被反相，并在混合器56中与来自放大器63的信号求和以获得L-R信号。来自缓冲放大器53的信号在放大器64中被反相，并在混合器57中与来自放大器52的信号求和以获得R-L信号。来自放大器55的反相信号用低通滤波器56滤波并可用链接的电压受控放大器(VCA)59调整。来自放大器58的反相信号用低通滤波器60滤波并可用链接的VCA 59调整。VCA 59的输出被放大器71和72反相，并且来自放大器71的信号与来自放大器52的信号在混合器61中求和。来自放大器72的输出与来自缓冲放大器53的输出在混合器62中求和。来自混合器61的信号被馈送到开关73内，并且来自混合器62的信号被馈送到开关74。来自混合器61的立体声信号被送到输出电路75混合器40和单声道半球电路80。来自混合器62的输出被送到输出电路75混合器41和单声道半球电路80。混合器40的输出连接到可变输出76，并且混合器41的输出连接到可变输出77。

来自放大器36的左立体声信号输入与高音和低音电路输出信号以及来自放大器61的混合信号在混合器41中求和，以产生相分层的左声道输出信号。

来自放大器38的右立体声信号输入与高音和低音电路输出信号以及来自放大器62的混合信号求和，以产生相分层的右声道输出信号。

如果开关73和74被置于单声道模式，则半球立体声混合器73的输出在反相放大器81中被反相，并且半球混合器62的输出在反相放大器82中被反相。来自反相器81的信号在反相放大器83中再次被反相，并且反相器82的反相信号在反相器84中再次被反相。来自放大器83的反相信号被馈送到混合器85并与来自反相器82的信号混合，并且来自反相放大器84的输出被馈送到混合器86并与来自反相器81的反相信号混合。来自混合器86的混合信号在放大器88中被反相，并且混合器85的输出在放大器87中被反相。来自放大器88的反相信号通过低通滤波器90并被发送到链接的电压受控放大器91。来自放大器87的反相信号通过低通滤波器92并被发送到链接的电压受控放大器93。VCA 91输出在放大器95中被反相并馈送到混合器94内，且与来自反相器81的信号混合。该信号接着在放大器98中被反相并施加到开关73，进而施加到混合器40和41。VCA 93的输出在放大器96中被反相并馈送到混合器97内，且与来自反相器82的信号混合。该信号接着在放大器100中被反相并施加到开关74，进而施加到混合器40和41。

输出电路75按用于左输入和右输入的以下比率混合信号：左和右输入=1；高音电路输出=1；低音电路输出=2；并且立体声或单声道半球输出=1。

参见图4A，本发明的方法包括选择离散信号源（35和36）并从输入电路65产生同相基准信号。在立体声半球电路70中从基准信号产生反相信号，以产生与基准信号的异相信号。在高音电路67中从基准信号产生相分层信号，该相分层信号可具有领先于基准信号90度的相位。此外，在低音电路68中从基准信号产生相分层信号，该相分层信号可具有滞后于基准信号相位90度的相位。相分层信号可领先或滞后于基准信号90度或45度，或者可设置为领先或滞后于基准信号在0-180度之间的任何相位。

此时应该清楚，已产生了音频再现系统，该系统提供了来自音频信号源的近乎全向的和开放的声音，使得否则为标准的、不完整音频信号能够被转化为大致完整的音频信号。然而，本发明不应被理解为局限于所示形式，这些形式应被视为示例性而非限制性的。

对本领域技术人员而言，显而易见的是，在不脱离本发明的范围或精神的情况下，可在本发明中做出许多修改与变型。因此，本发明旨在覆盖本发明的修改和变型，只要这些修改和变型在所附权利要求及其等效物范围内。

Claims (34)

1.一种音频再现方法，所述音频再现方法包括以下步骤：

选择离散的信号源；

从所选的离散信号源产生基准信号，以用于产生同相基准信号的输出；

从所选的离散信号源产生反相信号，以用于产生异相信号的输出；

从所述离散信号源产生相分层信号；以及

将所述基准信号和所述反相信号以及所述相分层信号混合，以形成用于声音的再现的复合的输出信号。

2.根据权利要求1所述的音频再现方法，其中，所述产生相分层信号的步骤包括产生相分层高音信号和相分层低音信号，以用于产生相分层高音和低音信号。

3.根据权利要求2所述的音频再现方法，包括将所选离散信号的左输入和右输入混合，以用于产生所述相分层高音信号和所述相分层低音信号。

4.根据权利要求3所述的音频再现方法，其中，所产生的反相信号在并行电路中产生，每个电路组合了离散信号左输入和右输入。

5.根据权利要求4所述的音频再现系统，其中所述产生所述反相信号的步骤包括为反相信号产生和组合左减右信号和右减左信号。

6.根据权利要求5所述的音频再现方法，其中，每个所述并行的反相信号耦合到链接的电压受控放大器。

7.一种音频再现系统，包括：

离散信号源；

基准信号电路，所述基准信号电路耦合到所述离散信号源，以用于产生同相基准信号；

反相信号电路，所述反相信号电路耦合到所述离散信号源，以用于从所述离散信号源产生异相信号；

相分层高音信号电路，所述相分层高音信号电路耦合到所述离散信号源，以用于从所述离散信号源产生相分层高音信号；

相分层低音信号电路，所述相分层低音信号电路耦合到所述离散信号源，以用于从所述离散信号源产生相分层低音信号；和

输出电路，所述输出电路耦合到来自所述基准信号电路和来自所述反相信号电路和来自所述相分层高音信号电路和来自所述相分层低音信号的输出，以形成复合的输出信号。

8.根据权利要求7所述的音频再现系统，其中，所述输出电路包括混合器，所述混合器用于混合所述基准信号、所述反相信号和所述相分层高音信号、及所述相分层低音信号，以形成复合输出信号。

9.根据权利要求8所述的音频再现系统，其中，所述反相信号电路包括反相器电路。

10.根据权利要求9所述的音频再现系统，其中，所述相分层高音信号电路和相分层低音信号电路每个都包括反相器电路。

11.根据权利要求10所述的音频再现系统，其中，所述离散信号源包括左信号输入和右信号输入。

12.根据权利要求11所述的音频再现系统，其中，所述离散信号源左信号输入和右信号输入耦合到混合器，以产生耦合到所述相分层高音电路和相分层低音电路的组合信号。

13.根据权利要求12所述的音频再现系统，其中，所述反相信号电路具有一对并行电路，所述一对并行电路中的每个都组合所述离散信号源左信号和右信号。

14.根据权利要求13所述的音频再现系统，其中，所述反相信号电路并行电路中的一个具有左-右滤波器，另一个具有右-左滤波器。

15.根据权利要求14所述的音频再现系统，其中，每个所述相分层并行电路连接到电压受控的放大器。

16.一种音频再现系统，包括：

离散信号源；

多个换能器音圈，所述多个换能器音圈形成至少一个换能器的一部分；

第一电路，所述第一电路连接到所述信号源，并具有从其耦合到所述多个换能器音圈中的一个的同相输出；和

第二电路，所述第二电路连接到所述信号源，并具有连接到所述多个换能器音圈中的第二个的异相输出；

由此，音频再现系统通过至少一个音频换能器再现所述离散信号源。

17.根据权利要求16所述的音频再现系统，其中，所述第二电路包括反相器电路。

18.根据权利要求17所述的音频再现系统，其中，所述第一和第二电路的每个均包括在其中的放大器。

19.根据权利要求18所述的音频再现系统，具有多个音频换能器，每个所述音频换能器具有所述多个音圈中的至少一个。

20.根据权利要求19所述的音频再现系统，其中，每个所述换能器具有两个音圈。

21.根据权利要求16所述的音频再现系统，其中，所述换能器具有四个音圈。

22.根据权利要求16所述的音频再现系统，其中，所述离散音频信号为单声道信号。

23.根据权利要求16所述的音频再现系统，其中，所述离散音频信号为立体声信号。

24.根据权利要求16所述的音频再现系统，其中，所述第一和第二电路每个都包括混合器。

25.根据权利要求24所述的音频再现系统，包括第三电路，所述第三电路连接到所述信号源并具有在其中的高通滤波器，所述高通滤波器用于从其产生相分层高音输出。

26.根据权利要求25所述的音频再现系统，包括第四电路，所述第四电路连接到所述信号源并具有在其中的低通滤波器，所述低通滤波器用于从其产生相分层低音输出。

27.根据权利要求26所述的音频再现系统，包括输出电路，所述输出电路具有在其中的混合器，用于混合所述第一、第二、第三和第四电路输出，以产生复合信号输出。

28.一种音频再现系统，包括：

离散信号源；

第一放大器，所述第一放大器具有输入和输出，所述输入连接到所述离散信号源；

第二放大器，所述第二放大器具有输入和输出，所述输入连接到所述离散信号源；

多个换能器音圈，所述多个换能器音圈形成至少一个换能器的一部分；

所述多个音圈中的两个同相连接到所述第一放大器输出；并且

所述多个音圈中的两个异相连接到所述第二放大器；

由此，用由两个放大器驱动的多个换能器音圈同时地同相和异相地再现一个离散音频信号。

29.根据权利要求28所述的音频再现系统，具有如下两个换能器，每个所述换能器具有所述多个音圈中的两个，一个所述换能器连接到所述第一放大器，另一个换能器连接到所述第一放大器，并且另一个换能器连接到所述第二放大器。

30.根据权利要求29所述的音频再现系统，包括具有四个音圈的一个换能器。

31.根据权利要求30所述的音频再现系统，其中，所述离散音频信号为具有分裂器的单声道信号，所述分裂器将相同信号施加到每个放大器。

32.一种音频再现方法，所述音频再现方法包括以下步骤：

选择离散的信号源；

将所选的离散信号源分裂；

将所选的离散信号源施加到具有同相信号输出的第一电路；

将所选的离散信号源施加到具有异相信号输出的第二电路；以及

将所选的离散信号源施加到具有相分层信号输出的第三电路；

将来自所述第一、第二和第三电路的信号输出组合，以产生用于驱动换能器的音频输出信号；

从而产生具有相分层分量的音频声。

33.根据权利要求32所述的音频再现方法，其中，所述将所述所选的离散信号施加到第三电路的步骤包括将所述信号施加到相分层高音电路和相分层低音电路。

34.根据权利要求33所述的音频再现方法，包括调节所述相分层高音电路和相分层低音电路的输出信号的相位的步骤。

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