CN1026634C - 回声添加电路 - Google Patents

Abstract

为实现使用较少毕特数的数字处理，而能取得等效的相当于较多毕特数的动态范围的效果，本发明所采用的措施是，首先用模拟压缩变换电路(CMP)300进行非线性变换，其效果是既能保持动态范围减少了毕特数。因此，就又减少了由A/D变换电路301、存贮器控制电路(CTRL)302、存贮器303和D/A变换电路304组成的数字延迟电路的规模并且，由于由模拟扩展变换电路(EXP)305复原的回声信号B与原信号A相混合，所以仍能保证附带有回声的音响信号C在实用上具有满意的音质。

Description

本发明是关于回声添加电路，更详细地说是关于卡拉OK装置、组合立体声装置、盒式收录机、VTR（视频信号磁带记录装置）等音响设备中所使用的回声添加电路（将由原来的音频信号<以下称为原信号>产生的回声信号添加到原信号而输出的电路）的改进。

现在几乎所有的音响设备中都附加有能将由麦克风输入的声音等混合到另外的再生信号或者与另外的再生信号等合成后再输出的所谓卡拉OK功能。其中，为了具有增加余音效果的回声添加功能，则在内部产生回声信号。通常，该回声信号是通过将声音和音乐等音频信号变换成的电信号的原信号进行一定时间的延迟来产生的。并且为了增加余音效果，回声添加电路使得原信号和回声信号经衰减后反馈到原信号端，以产生与原信号相混合的信号，并对这样形成的信号进行反复延迟和混合。

图5中给出了这种回声添加电路的一种已有技术的构成的例子。图中，8为回声添加电路，1为其波形合成电路，2为低通滤波器（LPE），3为采用BBD（电荷耦合器件）的延迟电路，4为低通滤波器（LPE），5和6为衰减器（ATT），7为波形合成电路。

输入到回声添加电路8的原信号A，与经衰减器6衰减到适当水平的回声信号B在波形合成的电路7中相合成，这样就添加了回声，而成为带有回声的音频输出信号C。最后，这一带有回声的音频信号或者作为由扬声器发出的声音输出，或者通过记录电路记录在磁带上。

图5中的回声信号B是由包含有衰减器的反馈回路形成的。也就是，被输出的回声信号B经衰减器5被衰减到适当的水平后返回到输入端，经波形合成电路1与原信号A相合成。随后，此合成后的信号经低通滤波器2成为信号D。信号D在延迟电路（BBD）3中进行一定时间的延迟而成为延迟信号，通过低通滤波器4形成回声信号B。 并且，为了防止发生重复畸变，将滤波器设计成将低通滤波器2和4分别安置在BBD3的前面和后面。这样就使得只有BBD3采样频率的一半以下频率能够通过，从而防止了重复性畸变。此外，延迟信号E经低通滤波器4去除噪声成分后成为回声信号B。这样经延迟而形成的回声信号B再经衰减后进行反馈，则原信号就成为回声信号并反复进行衰减和循环，就产生了余音效果。

但是，将模拟信号延迟来构成的BBD3，由于噪声的原因而很容易逐渐老化，因而具有精度和可靠性不佳的缺点。另一方面，用户、顾客等对音响设备性能提高的要求越来越严格，例如在卡拉OK功能方面，作为添加有回声音频信号，要求具有90分贝的动态范围。

为了满足这种要求，近来已经在采用可提高其性能的数字电路来替换延迟电路3的部分。

图6示出了用数字电路来替换延迟电路3的情况下的该延迟部分的方框图。31为A/D变换器，32为存贮器控制电路（CTRL），33为存贮器，34为D/A变换器。在这一延迟电路中，首先，由低通滤波器2接受到的信号D，经A/D变换器31被变换成数字量。然后，存贮器控制电路32将其顺序存入到存贮器33中。接着，存贮器控制电路32再将存贮器33中一定时间以前存入的数字量依次读出，并将其送到D/AA变换器34中。D/A变换器34将其变为模拟量，作为延迟信号E输出到低通滤波器4。

采用这样的数字电路可以防止噪音及老化的影响。而且，采用这种数字电路的延迟电路，在希望提高精度的时候，原则上说只要增加数字数据的位数就可以了。例如，为了保证90分贝的动态范围，因1毕特（位）的精度相当于6分贝，则电路31、32、33、34所使用的数字值的位数达到15毕特（位）以上就可以达到。

但是，在数字处理中，所处理的位数多，实际上也就是要求存贮器的容量大，A/D变换器和D/A变换器的精度高。为此而将使得电路的成本增高，因此，对于成本控制严格的音响设备，就不适宜采用高精度数字处理的延迟电路。

本发明的目的在于提供一种能采用由较少的毕特（位）数的数字处理所构成的延迟电路，这种电路能等效地相当于较多毕特（位）数的动态范围的回声添加电路。

为达到上述目的，本发明的回声添加电路由下列组成部分所构成：对音频信号或者包含有前述音频信号及前述回声信号按照单纯增加并向上凸起的压缩变换函数（或与其近似的函数）进行压缩变换的模拟压缩变换电路;将经过压缩变换的信号变换为数字信号的A/D变换电路;存放数字信号的存贮器;将存贮器中的规定延迟时间所存贮的数字信号变换为模拟信号作为延迟信号输出的D/A变换电路;根据压缩变换函数的逆函数（或其近似函数）将延迟信号扩展变换作为回声信号输出的模拟扩展变换电路。

这样，用数字电路构成延迟电路后，作为延迟对象的模拟信号按照单纯增加并向上凸起的压缩变换函数作压缩变换后，送到延迟电路。然后，将此在经过一定时间和延迟后被存入存贮器中的数字量数据读出，并由D/A变换器恢复为模拟信号，接着，再将此模拟信号按照该压缩变换函数的逆函数进行扩展变换处理，复原为回声信号。

此时，如果进行单纯增加并向上凸起的函数变换，则由于这一函数的非线性，特别是其向上凸起的特性的作用，虽然大幅度信号的音质（亦即大音量的音质）降低了，但即使采用较少毕特（位）数进行数字变换，亦可能实现对于微小振幅的信号（亦即小音量的音质）甚至更小信号的音质不至于过分降低的变换。

换句话说，亦即与相当于相同数目的毕特（位）数字化而不作压缩变换时相比较，仅仅是牺牲了部分的音质，但却能使动态范围提高。而且，在变换为数字化量之后，是在将其存入存贮器中进行稳定状态的延迟处理的。另外，还由于压缩变换函数是单纯增长的，因而能够很简单地求得其逆函数。因此说，这种回声信号与原信号相比，虽然其音质有所下降，但却能保持大的动态范围。

在回声添加电路中的回声信号并不是最后的输出信号。一定要被附加在原信号上才能被输出。因此，只要保持原信号的精度，即使作为中间的信号的回声信号的音质精度有相当大的下降，而人的耳朵在听取时，由于其注意力大部分是倾注于原信号的，很难顾及到回音上，因而作为最终输出的附带有回声的音频信号的音质，人们用耳听时，这种影响几乎很难发现。

因此，应用本发明构成的回声添加电路，在保持动态范围的同时作压缩变换和扩展变换时，虽然减少了数字电路中的毕特（位）数，而在最终输出的整体信号上，依然保持了卡拉OK所要求的必要的音质。这时，在采用少量毕特（位）数的延时电路在仍能等效地保证相当于较多毕特（位）数的动态范围的情况下，还可以简化A/D和D/A变换电路。并且还能减少存贮器的容量，因而能实现应用于具有卡拉OK功能的音响设备中的回声添加电路。

在图1中，9为回声添加电路，1为波形合成电路，2和4为低通滤波器（LDF），5和6为衰减器（ATT），7为波形合成电路，因为图1中所用符号与前述的同样结构组件所采用的符号表示是相同的，这是就不再进一步说明了。

300为模拟压缩变换电路（CMP），301为A/D变换电路，302为存贮器控制电路（CTRL），303为存贮器，304为D/A变换器，305为模拟扩展变换电路（EXP）。这些电路共同构成了数字延迟电路。

模拟压缩变换电路300，按照压缩变换函数曲线300a或其近似函数，对波形合成电路1输出的模拟信号F（此信号为包含有原信号A与回声信号B经衰减器5作适当衰减后所得到的信号）进行压缩变换，形成模拟信号G。这里所采用的压缩变换函数曲线如图1中所示，在原点处其斜率（参见与压缩变换函数曲线300a相切的点划线）很陡峭，此斜率然后逐渐减小，即成为具有向上凸起特性的压缩变换函数曲线300a。在使用这种函数曲线时，例如说，能保证在8毕特（位）时具有90分贝（相当于15毕特（位））的动态范围。这一函数曲线的具体形状后面再予以说明。

A/D变换电路301将经过压缩变换后的模拟信号G变换为数字信号H。此时，因为数字信号H为8毕特（位），因此比要求有15毕特（位）的原理性的结构来说，其电路结构要简单的多。

存贮器303在存贮器控制电路302的控制下，将8毕特（位）的数字信号顺序存入其中。由于这一存贮器303对应于1个字长的毕特数亦为8毕特，所以存贮器的容量几乎只需15毕特情况下的一半就行了。

存贮器控制电路302，在数字信号H存贮在存贮器303中经过一定的延迟时间之后，针对8毕特的存贮数据，将其作为数字信号1读出，送至D/A变换电路304中。

D/A变换电路304将该数字信号I变换为模拟信号，作为延迟信号J输出。由于数字信号I也是8毕特，所以使得这一电路大大被简化。而且，在单纯的线性变换情况下，8毕特虽然相当于48分贝，但对数字信号I作非线性变换，因而牺牲了局部音质（大振幅信号的音质）的数字化，而使得被复原的延迟信号J的动态范围达到90分贝以上（约相当于96分贝）。

模拟扩展变换电路305，按照压缩变换函数曲线300a的逆函数或其近似函数将延迟信号J进行扩展变换，并将其作为回声信号B输出。这里，模拟压缩变换电路300及模拟扩展变换电路305可以是采用放大器的普通对数函数和平方根函数发生电路等。因此，由于这些都很简单，所以回声添加电路的整体组成亦就不会很复杂。

此外，为了防止发生重复畸变，只允许低于延迟电路的采样频率一半的频率成分通过低通滤波器2和4，与现有技术同样被设置在模拟压缩变换电路300之前和D/A变换电路304之后。在此，低通滤波器2与模拟压缩变换电路300之间的相互关系，以及低通滤波器4与模拟扩展变换电路305之间的相互关系均是可以选择的。

在这样组成的电路情况下，包含有原信号A和回声信号B的信号F，经过由模拟变换压缩电路300（CMP）、A/D变换电路301、存贮器控制电路302（CTRL）、存贮器303、D/A变换电路304、模拟扩展变换电路305（EXP）所组成的延迟电路作一定时间的延迟而形成回声信号B。

这样形成的回声信号B，经过与过去同样的衰减器6作适当程度的衰减后，再将其由波形合成电路7加到原信号A中。这样，原信号A变成回声信号B，通过反复地衰减和循环，而形成附加有回声的音频信号C，并取得回声效果。最后，此音频信号C由扬声器发出声音向外输出，或通过录音电路被记录在磁带上。

这时，由于很容易将原信号A的动态范围做到90分贝以上，原信号A和回声信号B的动态范围可同时达到90分贝以上，所以能确保音频信号C的动态范围达到90分贝。同时，即使回声信号 的音质有所降低，而整体的音质则依靠原信号的维护，而几乎不存在音质上的问题。

下面对单纯增长并向上凸起的压缩变换函数曲线300a加以说明。首先，以具体实例来介绍通讯等领域中采用的对数函数，然后介绍平方根函数。

为了使说明简单起见，将作为换拟压缩变换电路300的输入信号的模拟信号F及作为其输出信号的模拟信号G的可选取值的范围各自定义为最小值为“0”，最大值为“1”，来作为正规压缩变换函数的说明。这样，此压缩变换函数曲线就如图所示，被限定为通过原点（0，0）和点（1，1）的曲线形状。

虽然此对数函数是一种单纯增长并向上凸起的函数曲线，但即使对上述那样的正规化曲线而言，也还留有一个自由度。为此，如借助于规定原点（0，0）处的斜率（见图1曲线中的点划线），则就确定了一定形状的对数函数曲线。

一方面，原点处压缩变换函数曲线的斜率是表征微弱输入信号时的放大系数。这一斜率相当于斜率为“1”的线性变换时的动态范围的增长速率。因此，如果按照原点处斜率陡峭的对数函数曲线进行压缩变换的话，大音量中的音质虽有损失，但却可提高动态范围。

附带提一下，在数字通讯领域中，在较少通信量时取得大的动态范围的一种目前采用的方法是“μ-255对数压缩扩展法;”。

在采用这一方法时，为了兼顾音质和动态范围两方面的要求，原点处的斜率约为16的水平（见图1中的300b）。据称，采用8毕特的数字通信时，实际上可以得到相当于12毕特情况下的72分贝的动态范围。但是，这里是针对原信号本身的压缩和再生的情况。在形成回声成分的回声添加电路情况下，条件就不同了。就是说，因为回声信号不是单纯被利用的，所以在本发明中，动态范围是最主要的，而音质则要作更多牺牲，以此来进一步提高其动态范围。此时，原点处的斜率要大于32，这样就可节省5毕特以上。例如，数字信号为8毕特时原点处的斜率为128的情况下（见图1中的300a），实际上可取得相当于15毕特90分贝的动态范围的效果。

下面对采用平方根函数作为压缩变换函数的情况予以说明。按照前述的正规格式确定为一定形式的平方根函数的曲线形状。这里，原点处的斜率从理论上说为无穷大。但是，由于是数字量的变换，所以实际上的斜率是经过以数字量表示的最小值时的斜率。它成为微弱信号的放大系数。

因而，在数字信号为n毕特时，其最小值即为1/2n。例如，针对8毕特的数字信号来考虑时，实际的斜率即为256。也就是说，在采用平方根函数的情况下，实际上可以取得相当于16毕特的96分贝的动态范围的效果。

此外，作为压缩变换函数的具体函数曲线形状，并不限于这里举出的对数函数和平方根函数，而三次根函数、四次根函数也可以。即使电路结构上并不实用的1.5次根函数也是可以的。必要时，亦可用单纯增长但向上凸起的函数。

而且，压缩变换函数与扩展变换函数，也可以利用各自的近似折线进行近似换算。采用近似函数曲线在许多情况下使得电路构成更为简单。

在上述实施例中，为了清楚地与以前的例子相比较，衰减器5亦被插入在模拟扩展变换电路305的输出与模拟压缩变换电路300的输入之间。不过这一衰减器5亦可被插在D/A变换电路304的输出与A/D变换电路301的输入之间。在这种情况下，为了形成回声信号，被反馈到本机的信号不进行多余的压缩扩展，才可防止回声信号变坏。

另外，衰减器5采用数字电路构成，接在存贮器控制电路302的输出与输入之间，减少对被输出的数字量的除、乘和毕特移位等运算，信号经衰减后返回转入端，加到A/D变换电路301的输入端，也是可以的。在这种情况下，不使用波形合成电路1，为形成回声信号而被反馈到本机的信号不仅不作多余的压缩扩展，而且由于是数字信号，所以也不受交调噪声等的外界干扰。其结果就是防止了回声信号的进一步恶化。

但是，回声添加电路是被用作实现卡拉OK功能的一部分电路。卡拉OK中所使用的麦克风通常容易产生噪声，容易接受外界的干扰噪声。如果这些噪声混入回声电路中，则就难以得到理想的回声。下面将对照图2，对抑制这种噪声的对数放大电路予以说明。

图2中，10为对数变换电路，11为第一级差 分放大电路（第一放大电路），12为第二级差分放大电路（第二放大电路），13为输出级放大电路（第三放大电路），14为检波电路。

差分放大电路11（第一放大电路）由以电流镜形式连接的晶体管负载、依靠此晶体管负载产生并经集电极供给相同电流值的一对差分晶体管Q₁和Q₂、以及被设置在此一对差分晶体管下端的控制其工作电流I₁的电流控制电路依次连接在电源线Vcc和接地线GND之间组成。其中，晶体管Q₁的基极通过电阻R₁为接收输入信号F，晶体管Q₂的基极接收确定的基准电压。

此外，晶体管Q₁的基极和集电极的连接属于二极管特性，因而所利用的是指数特性，但如图4所示那样，在发射极端接入电阻，替代二极管连接，从而产生指数函数特性，也是可以的。

差分放大电路12（第二放大电路）同样也由以电流镜式连接的晶体管负载、依靠此晶体管负载产生并经集电极供给的相同电流值的一对差分晶体管Q₃和Q₄、以及被设置在这一对差分晶体管下端的控制其工作电流I₂的电流控制电路依次连接在电源或Vcc和接地线GND之间组成。晶体管Q₄的基极接收差分放大电路11的输入信号F端的晶体管Q₁的集电极电压，晶体管Q₃的基极接收前述的基准电压。

输出级放大电路13（第三放大电路）接收由差分放大电路12输出的电流信号F′作为其输入信号，在对其进行放大的同时再将其变换为电压信号，从而形成输出信号G。

检波电路14对该输出信号G进行检波，检出其振幅电平，从而得到检波信号G′。

这一检波信号G′被反馈到差分放大电路11的电流控制电路作为其控制信号，以使工作电流I能对应于输出信号G的电平变化。

在这样构成的情况下，首先，作为输入信号的电压信号F经过电阻R1变换成电流信号。在接收这一信号的差分放大电路11中，取决于此电流信号的电压差即成为晶体管Q₁和Q₂的基极与发射极间的电压差，接着由差分放大电路12将该电压差变换成电流信号F′输出。然后，此电流信号F′在输出级放大电路13中通过电阻R2成为电压信号，并作为输出信号G输出。

这时，由输入信号F直到成为输出信号G的整个电路的总的放大系数，通常由电阻R2与电阻R1的电阻比及电流I₁与电流I₁的电流比来决定。

在这种情况下，由于这一放大系数是由一定大小的电流I₂与为输出信号G所控制的电流I₁的电流比所确定的，所以该电路在整体上就成为一个与输出信号本身反馈的电平相对应地来改变其自身的放大系数的电路。这种放大系数的变化，在差分放大电路11的放大系数随工作电流I1作指数函数变化时，由于此工作电流工是受反馈量的大小控制的，因而也就呈对数函数的变化。

由于电阻R₁和R₂是固定电阻，通常电阻R₂与电阻R₁的比总是一定值。但是，当输入信号F的信号电平微弱时，相应的输出信号的电平也微弱，如果这时工作电流I₁再很小的话，晶体管Q₁和Q₂的工作电阻则不能再忽略。这一工作电阻与放大系数的关系，就如同与前面的电阻R₁串联连接一样的作用。因此，如图3所示的特性曲线所示，在输入信号F的信号电平微弱的情况下，虽然其对数函数的变换是基于电流比，但实际上信号G的振幅电平被抑制得更小。

卡拉OK中所使用的麦克风，通常是为了拾取人的声音。因此，信号不能过分的微弱。在此，借助于对上述输出信号G的振幅电平的进一步抑制，比麦克风所拾取的人的声音更小的外面干扰噪声也就受到抑制，而且能防止这种干扰噪声混入回声添加电路和进行循环。其结果就能清晰地附加上回声。

另外在图4中虽然列举出了另一结构的实施例，但其作用效果与上述实施例是相同的。这里就不对其工作情况具体说明了。

由上面的介绍可能理解到，采用本发明的回声添加电路时，可按照单纯增长并向上凸起的函数曲线保持其动态范围，同时进行压缩变换和扩展变换。因此，既减少了为进行延迟的数字电路中的毕特（位）数目，又满足了动态范围的要求，而且作为最终的总的输出信号，仍能依靠原信号来保持必要的音质等的精确度。

其结果是：由于能利用较少的毕特数的延迟电路，而能保证等效地相当于更多毕特数目的动态范围，从而可使得A/D变换器和D/A变换器变得简单，并且存贮器的容量也可相应减小。

附图说明：

图1为本发明所构成的回声添加电路的一实施例的方框图;

图2为本发明所构成的对数变换电路的一实施例的方框图;

图3为本发明所构成的对数变换电路的变换特性曲线;

图4为本发明所构成的对数变换电路的另一实施例的方框图;

图5为采用BBD的已有技术中构成的回声添加电路方框图;

图6为采用数字电路的已有技术中构成回声添加电路的方框图。

图中：

1-波形合成电路;2-低通滤波器（LPE）;3-延迟电路（BBD）;4-低通滤波器（LPE）;5，6-衰减器（ATT）;7-波形合成电路;8，9-回声添加电路;10-对数变换电路;31-A/D变换电路;32-存贮器控制电路（CTRL）;33-存贮器;34-D/A变换电路;300-模拟压缩变换电路（CMP）;301-A/D变换电路;302-存贮器控制电路;303-存贮器;304-D/A变换电路;305-模拟扩展变换电路（EXP）。

Claims (4)

1、一种用来接收音频信号并将此音频信号进行延迟形成回声信号、再将所述回声信号添加到所述音频信号上并输出附带有回声的音频信号的回声添加电路，其特征在于具有：

模拟压缩电路，用以将所述音频信号，或包含有所述音频信号及所述回声信号的信号按照单纯增长并向上凸起的压缩变换函数曲线(或其近似函数曲线)进行压缩；

A/D变换电路，与所述模拟压缩变换电路相连接，用以将所述经过压缩变换的信号变换成数字信号；

存贮数字信号的存贮器，与所述A/D变换电路相连，用以存储所说数字信号；

D/A变换电路，与所说存贮器相连接，用以将所述存贮器中在一定的延迟时间内所存贮的所述数字信号变换成模拟信号、并作为延迟信号输出；和

模拟扩展变换电路，与所述D/A变换电路相连接，用以将所述延迟信号按照所述压缩变换函数曲线的逆函数曲线(或其近似函数曲线)进行扩展变换、并作为所述回声信号输出。

2、权利要求1中所述的回声添加电路，其特征在于：

所述压缩变换函数曲线，在将所述摸拟压缩变换电路的输入信号及输出信号的值的范围分别正规化定为最小值为“0”、最大值为“1”时，为在原点（0，0）处的斜率大于32的单纯增长并向上凸起的函数曲线。

3、权利要求1中所述的回声添加电路，其特征还在于所述的模拟压缩变换电路具有：

-第一放大电路，它具有一对差分晶体管和接于该差分晶体管下方并工作电流流过该差分晶体管的电流控制电路，用来产生对应于所述输入信号与一定的基准值之差的电压信号;

-第二放大电路，它接收所述电压信号，输出所述电压信号值相对应的电流值的电流信号;和

-第三放大电路，它接收所述电流信号，按一定的放大系数将所述电流信号放大，由此产生所述输出信号;

所述工作电流的大小按照所述输出信号的大小或电平加以控制。

4、权利要求3中所述的回声添加电路，其特征还在于：

所述差分晶体管的接收所述输入信号一端的晶体管基极和集电极相连接。

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