CN105812996A - 用于立体声展宽的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本公开涉及扬声器中用于立体声展宽的系统和方法。所述方法包括以下步骤：监测放大器状态和/或扬声器状态；响应于监测所述放大器状态和/或扬声器状态产生效应控制信号；向效应处理器施加所述效应控制信号。所述效应处理器控制器基于所述效应控制信号来控制立体声展宽的量。

Description

用于立体声展宽的系统和方法
技术领域
本公开涉及一种用于立体声展宽的方法。本公开还涉及一种用于立体声展宽的系统。本公开还涉及一种包括用于立体声展宽的系统在内的便携电子设备。
背景技术
通常可以用信号处理器(例如数字信号处理器(DSP))后面接着功率放大器的串联布置来表示音频再现系统。功率放大器可以连接至扬声器并驱动扬声器，或者在立体声再现的情况下连接至一对扬声器并驱动一对扬声器。这种布置通常被称为音频再现链。功率放大器和扬声器将具有与所使用的特定类型组件相关的操作限制。例如，功率放大器可以具有电子限制，例如被定义为最大峰值输出电压或电流或最大峰值增益的最大操作(或输出)电平。扬声器可能具有机械限制(例如尤其是最大膜偏移)和热限制(例如最大音圈温度)。特定放大器的最大输出电平和特定扬声器的最大偏移可以被获知并可以因此被用于定义语音再现系统的最大安全操作电平。
在音频再现系统中，被称为净空的术语指的是音频系统的信号处理能力超过最大操作电平的量。净空可以被认为是允许瞬时音频峰值超过系统的最大操作电平而不超过例如扬声器的最大偏移或放大器的限幅电平(由放大器的最大增益定义)的安全区域。
在移动设备或便携电子设备中(例如智能电话、平板等)，可以通过可能需要在设备外壳内适合的小型组件的使用来限制操作的限制(是机械的或电学的)。在膜偏移将受到可以容纳在设备外壳内的扬声器的尺寸限制的情况下，对于扬声器小型化的要求特别明显。此外，因为这种设备通常是由电池供电的，所以它们可能具有功耗限制，由于功耗的限制可能需要任意组件(具体地任意功率放大组件)以典型的每通道0.5瓦的低功率操作。因此，对于移动设备或便携电子设备，关于组件的机械限制和电子设限制的问题将特别明显。放大器可以具备使得关于放大器自身的最大电子限制或它驱动的扬声器的机械或热限制的声压电平或低频响应的音频输出最大化的能力。这种放大器被称为智能放大器。
越来越多的移动设备或便携电子设备配备有一对或更多对扬声器，由此在理论上允许立体声音频再现。如由相关移动设备的尺寸所确定的，扬声器将通常位于彼此附近。然而实际上，可预测的立体声图像将很窄或者甚至不存在。立体声展宽技术可以提高空间声音再现，以及因此在彼此接近设置的扬声器上的改进的立体声图像。
已知的用于立体声展宽技术包括例如空间效应(effect)技术的技术，可以依赖于声学串扰消除。具有图1a中所示类型的所谓的变调音频系统是许多流行的声学串扰消除方法之一。参照图1a，示例变调音频系统10可以使用音频再现链中的串扰消除器12。串扰消除器12包括左L和右R输入通道和与各自左和右通道功率放大器13相连的左输出通道和右输出通道，左和右通道功率放大器13后面跟随有左和右通道扬声器14。这样，变调音频系统旨在至少部分地消除每个扬声器与收听者15的另一耳多之间的声学串扰(由虚线指示)。可以例如通过图1b中所示的结构来实现串扰消除器12，图1b中所示的结构包括滤波器A、B、C、D的布置。
然而，这种变调音频系统被称为病态的，原因在于在低频率处直接路径头部相关变换函数(HRTF)(图1a中由实线从左和右侧扬声器到收听者15的相应左耳和右耳的实线指示)与串扰路径HRTF之间的差异非常小，导致了串扰消除器滤波器低频响应中的大增益。当两个扬声器彼此接近布置时(例如在便携电子设备或移动设备的情况下)该问题尤其明显，原因在于串扰路径之间的距离将很小。扬声器之间的距离越小，则所需低频信号增强越大。依赖于信号增强的技术可能导致输出信号的饱和或扬声器的机械过载。
为了克服饱和的问题，必须按比例缩小或动态压缩信号电平。然而按比例缩放或压缩能够最终减小来自扬声器的声压电平，并由于例如示例动态压缩伪影对音频质量具有不利的影响。此外，增强的量是依赖频率的，在于信号在低频范围通常将比高频范围增强得更多。即使当立体声展宽电平不饱和时，它会导致超出可能导致音频失真，并潜在地损坏扬声器的膜的出离安全操作机械限制的过多的扬声器偏移，也称为机械过载。
发明内容
一个实施例涉及一种用于扬声器中立体声展宽的方法，所述方法包括：监测放大器状态和/或扬声器状态；响应于监测所述放大器状态和/或扬声器状态产生效应(effect)控制信号；向效应处理器施加所述效应控制信号，由此所述效应处理器基于所述效应控制信号来控制立体声展宽的量。
包括处理器的放大器可以监测所述放大器状态和/或扬声器状态。
所述效应控制信号可以包括多个控制信号。多个控制信号中的至少一个可以控制高频立体声展宽的量，并且所述多个控制信号的至少另一个可以控制低频立体声展宽的量。放大器状态可以包括所述放大器的增益，并且所述扬声器状态可以包括所述扬声器的偏移。放大器状态可以指示信号电平净空的量，并且所述扬声器状态可以指示偏移净空的量。可以向空间效应处理器施加所述效应控制信号。空间效应处理器可以是串扰消除器。
一个实施例涉及一种用于扬声器中立体声展宽的系统，所述系统包括：监测器，被布置为监测放大器状态和/或扬声器状态；控制器，被布置为响应于监测放大器状态和/或扬声器状态来产生控制信号；以及效应处理器，被布置为基于所述效应控制信号来控制立体声展宽的量。
所述放大器可以被布置为监测所述放大器状态和/或扬声器状态。所述放大状态可以是所述放大器的增益，并且所述扬声器状态可以是所述扬声器的偏移。
所述效应控制信号可以包括多个控制信号。所述多个控制信号中的至少一个被布置为控制放大器状态，并且所述多个控制信号的至少另一个控制扬声器状态，以及所述多个控制信号中的第一个控制高频立体声展宽的量，并且所述多个控制信号的第二个控制低频立体声展宽的量。
附图说明
在附图和说明书中，相似的参考数字表示相似的特征。现在参考附图仅通过示例描述一个或更多个实施例，在附图中：
图1a示出了已知变调音频系统的通用音频再现链；
图1b示出了已知串扰消除器结构的结构；
图2示出了根据实施例的立体声展宽系统的框图；
图3示出了具有效应控制输入的串扰消除器；
图4示出了具有效应控制输入的交叉衰减消除器；以及
图5示出了立体声展宽方法的流程图。
具体实施方式
概述并参照图2的框图和图5的流程图，描述了功能地立体声展宽系统20以及相关联的方法。立体声展宽系统20可以包括空间效应处理器22。空间效应处理器22可以包括相应的左L和右R侧音频通道的输入。立体声展宽系统20的相应左L和右R侧音频输出通道可以包括相应音频放大器24，相应音频放大器24用于对从空间效应处理器22输出的左侧和右侧音频信号进行放大。放大的左侧和右侧音频信号可以驱动相应左侧和右侧扬声器26。音频放大器24之一或二者还可以是所谓的“智能放大器”，例如NXP的TFA9887。这种放大器可能具有监测放大器和/或扬声器的一个或更多个音频状态或参数，并向控制器28提供那些状态或参数的指示的功能。
智能放大器可以提供放大音频信号以驱动扬声器的功能。还可能对与放大器的输入和输出相关的多种参数进行分析，使得可以得出由所述智能放大器驱动的扬声器的特征和/或诊断特性。然后将这些特征和/或特性呈现为输出，使得不同的功能(例如本文所述的立体声展宽)可以利用音频信号处理的特征和/或特性。
基于来自放大器24和/或扬声器的连续地或周期监测的音频状态或参数，控制器28可以产生可以通过空间效应处理器22来控制向上左和右侧音频信号施加的立体声展宽的量的一个或更多个控制信号。空间效应处理器22可以例如实现可以基于变调音频系统(例如以下参照图3或4讨论的类型)的空间效应算法(例如立体声展宽)。变调音频系统旨在至少部分地消除左侧和右侧扬声器的每一个26与收听者29的相应另一耳之间按的声学串扰27(由虚线指示)。结果，可以将包含与可能由位于扬声器26的实际物理位置外侧的收听者29感知的声源相对应的空间线索的信号(左L或右R)馈送至收听者29的每个耳朵。空间效应处理器22的示例实施方式可以包括以下关于图3论述的类型。
空间效应处理器22从音频源(未示出)接收左L和右R输入音频信号。放大器24接收来自空间效应处理器22的输入音频信号，并向相应左侧和右侧扬声器26提供输出信号。如所论述的，放大器24可以是所谓的智能放大器，在于它们可能具有监测它们自身状态和/或与各放大器24耦合的扬声器26的状态的能力。例如，放大器24的每一个可以被布置为监测它自身的增益，使得每个放大器可以调整它的增益，以防止对放大音频信号的限幅(或饱和)。此外，放大器24可能具有监测它们相应扬声器26的偏移的能力，使得不用将导致扬声器26的机械过载的放大音频信号来驱动扬声器26。在这方面，放大器24执行监测的能力可以包含用于执行监测(图5的步骤52)的处理器功能(未示出)。可以在单个芯片、DSP或主机音频处理器上分别地实现或组合放大器和处理器功能。
然后，控制器28基于相应左和/或右通道放大器24和相应左和/或右通道扬声器26的监测状态来生成控制信号，也称为效应控制信号(图5中的步骤54)。所生成的控制信号可以控制要由空间效应处理器22向输入音频信号施加的空间效应的量(或换言之，立体声展宽量)。
现在考虑其中放大器监测扬声器的偏移的情况，放大器24可以为控制器28提供各扬声器26当前正在经历的偏移量的指示。基于扬声器26的最大允许偏移距离限制(通常是由扬声器制造商定义的预定限制)和扬声器的电流偏移距离，控制器28计算以扬声器偏移的形式可用的所谓净空的量(图5的步骤56)。如通常由制造商所定义的，该计算是针对特定扬声器的最大可允许偏移与扬声器正在经历的电流偏移之间之间的差异。
类似地，考虑音频信号的情况，与各放大器24相关联的处理器可以为控制器提供对当前信号电平的指示。基于如通常由制造商所定义的放大器24的最大信号饱和电平或限幅电平以及电流信号电平，控制器可以计算在信号电平可用的净空量。这种计算是最大信号饱和电平与电流信号电平之间的差异。
基于计算的信号电平净空和/或计算的偏移净空，控制器28基于变调音频技术来产生控制信号(例如空间效应控制信号)。空间效应控制信号如以下参照图3讨论控制立体声展宽量。在音频信号再现的上下文中，可以认为净空是在超过特定参数的最大安全操作电平之前的可用参数的量(例如偏移或信号电平)。在这方面，立体声展宽的量可以被视为可用净空的函数，并且在这方面可以根据可用净空来增加(图5的步骤57)或减小的(图5的步骤58)的作用控制信号。如下所示产生立体声展宽的量。
可以实现控制器28以监测是否达到或超过了一个或更多个扬声器26的限制(如以上所述)，并计算可用净空。如果达到了一个或更多个这些限制(即存在可用净空)，则减小有效控制信号，以减小立体声展宽的量。否则，如果没有达到有效控制信号的限制，则增加控制信号直至达到放大器限制和/或扬声器。通过监测关于它们相应定义的操作限制的放大器和/或扬声器状态，控制器28可以基于可用净空来产生必要的控制信号，以确保向相应左和右侧音频信号施加最大可用空间效应。用这种方式，基于可用净空来适应立体声展宽的量。
效应控制信号可以是从最小值(例如0.00)通过中间值(例如0.25)直至最大值(例如1.00)的单个值。在其中控制信号是最小值的情况下，将不采用立体声展宽，原因在于将不存在可用净空。相反，在其中效应控制信号是最大值的情况下，将施加立体声展宽的最大量。
效应控制信号可以备选地包括其中每个信号可以是从最小值(例如0.00)至最大值(例如1.00)的多个效应控制信号。用这种方式，例如，多个效应控制信号的每一个可以控制在特定频带的拓宽的量。也就是说，多个效应控制信号之一可以控制低频立体声展宽的量，低频立体声展宽的量可以主要地影响扬声器偏移的量。然而，多个效应控制信号的另一个可以控制高频立体声展宽的量，高频立体声展宽的量可以仅影响输出信号电平的量。这使得可以在高频保持高的效应量，同时临时地减小低频处的效应成为可能。在本论述的上下文中，可以认为高频是高于扬声器的谐振频率的任意频率，而可以认为低频是低于扬声器的谐振频率的任意频率。控制低频处的立体声展宽的量可以防止扬声器的偏移，并因此防止对扬声器的机械损耗。控制高频处的立体声展宽的量可以防止放大器24中的限幅效应。
关于扬声器，对于低于扬声器谐振频率的频率偏移量可能更高，因此通常比放大器限幅限制更早地达到偏移限制。针对例如移动电话或智能电话的便携电子设备，谐振频率依赖于设备的构成因素，所述构成因素最终地限制了扬声器尺寸。通常谐振频率可能在500Hz到1kHz的范围中。
在一个实施例中，可以施加效应控制信号，以如图3所示控制串扰消除器类型的空间效应处理器。空间效应处理器可以是具有以上在图1b中论述的串扰消除器30。如上所述，可以认为系统是目的在于至少部分地消除扬声器与收听者的另一只耳之间的声学串扰的变调音频系统。结果，可以将包含与可能由位于扬声器的实际物理位置外侧的收听者感知的声源相对应的空间线索的信号(左L或右R)馈送至用户的每个耳朵(例如，如图2中所示)。
串扰消除器包括左音频输入通道31和右音频输入通道32。第一左滤波器33对左音频输入通道31进行滤波。将第一左滤波器33的输出与右音频输入通道32进行求和，第二右滤波器35对右音频输入通道32进行滤波。类似地，第一右滤波器36对右音频输入通道32进行滤波。将第一右滤波器36的输出与左音频输入通道进行求和，第二右滤波器34对左音频输入通道进行滤波。相应滤波器的特征完全取决于本领域技术人员的选择。此外，本领域技术人员将理解的是，串扰消除器30的相应左L和右R侧通道求和的输出与例如在图2的布置中示出的相应左和右通道放大器24连接。
如图3中所示，可以通过对相应左和右信号串扰路径施加乘积函数来通过效应控制信号缩放串扰路径。效应控制信号可以是可变增益因子。用这种方式，被缩放的串扰路径是扬声器偏移净空量的函数和/或信号电平中可用的净空量的函数。
如图4中所示，控制器28可以被实现为交叉衰减的结构。在空间效应处理器22的输入与输出之间施加交叉衰减。向增益G1和G2施加效应控制值，使得G1＝α且G2＝1-α，其中α是效应控制信号。本领域技术人员将认识到尽管图4中示出了单通道，但是可以通过针对每个所需通道重复该布置来实现双通道、立体声或多通道布置。
本领域技术人员将认识到可以用不同的方式(例如通过改变针对示例扬声器和空间效应处理器的放大器状态的设置)来施加效应控制的上述讨论。
如本领域技术人员所理解的，可以通过适当的算法来在数字信号处理器(DSP)上实现如本文所描述的系统和方法。例如，可以在音频放大器DSP上实现空间效应处理器22。备选地，可以在放大器或处理器芯片中(例如主机处理器芯片中)实现空间效应处理器。还可以在软件中通过合适的算法来实现本文所描述的功能。
备选地，可以在模拟域中实现系统和方法。
本文所描述的实施例通过音频放大器24实现了连续或周期性监测。在备选实施例中，当达到了一个或更多个阈值或限制时，音频放大器24可以激活触发器(例如标志)。然后控制器可以适应立体声展宽(也就是效应控制)的量，用这种方式没有超出音频放大器24和扬声器26限制的任意一个。
在所附的独立权利要求中阐述了本发明的具体和优选的方面。独立和/或从属权利要求中的技术特征的结合可以适当组合，并不是仅仅如权利要求中所说明的。
本公开的范围包括明确或含蓄公开的任何新特征的或特征组合或者其概括，不论它是否涉及所要求保护的发明或者减轻本发明提出的任何或全部问题。申请人这里需要提醒注意的是，在本申请或者得自本申请的任意后续申请的程序期间，可以用这些特征构成新的权利要求。具体地参考所附权利要求，可以将从属权利要求中的特征与独立权利要求中的特征相组合，各个独立权利要求中的特征可以按照任意合适的方式进行组合，而不是仅以权利要求中枚举的特定组合的形式来组合。
还可以结合单个实施例提供分离的实施例中的上下文中描述的特征。相反的，单个实施例的上下文描述的不同特征也可以分别地提供，或以适当的子组合来实现。
术语“包括”不排除其他元件或步骤，术语“一”或“一种”不排除复数。权利要求中的附图标记不应理解为限制权利要求的范围。

Claims (15)

1.一种用于扬声器中立体声展宽的方法，所述方法包括：
监测放大器状态和/或扬声器状态；
响应于监测所述放大器状态和/或扬声器状态来产生效应控制信号；
向效应处理器施加所述效应控制信号，
由此所述效应处理器控制器基于所述效应控制信号来控制立体声展宽的量。
2.根据权利要求1所述的方法，其中包括处理器的放大器监测所述放大器状态和/或所述扬声器状态。
3.根据权利要求1所述的方法，其中所述效应控制信号包括多个控制信号。
4.根据权利要求3所述的方法，其中所述多个控制信号中的至少一个控制放大器状态，并且所述多个控制信号的至少另一个控制扬声器状态。
5.根据权利要求4所述的方法，其中所述多个控制信号中的至少一个控制高频立体声展宽的量，并且所述多个控制信号的至少另一个控制低频立体声展宽的量。
6.根据前述任一项权利要求所述的方法，其中所述放大器状态包括所述放大器的增益，并且所述扬声器状态包括所述扬声器的偏移。
7.根据权利要求6所述的方法，其中所述放大器状态指示了信号电平净空的量，并且所述扬声器状态指示了偏移净空的量。
8.根据前述任一项权利要求所述的方法，其中向空间效应处理器施加所述效应控制信号。
9.根据权利要求8所述的方法，其中所述空间效应处理器是串扰消除器。
10.一种用于扬声器中立体声展宽的系统，所述系统包括：
监视器，被布置为监测放大器状态和/或扬声器状态；
控制器，被布置为响应于监测放大器状态和/或扬声器状态来产生控制信号；以及
效应处理器，被布置为基于所述效应控制信号来控制立体声展宽的量。
11.根据权利要求10所述的系统，其中放大器被布置为监测所述放大器状态和/或所述扬声器状态。
12.根据权利要求11所述的系统，其中所述放大器状态是所述放大器的增益，并且所述扬声器状态是所述扬声器的偏移。
13.根据权利要求10所述的系统，其中所述效应控制信号包括多个控制信号。
14.根据权利要求13所述的系统，其中所述多个控制信号中的至少一个被布置为控制放大器状态，并且所述多个控制信号的至少另一个控制扬声器状态，以及所述多个控制信号中的第一个控制高频立体声展宽的量，并且所述多个控制信号的第二个控制低频立体声展宽的量。
15.一种便携电子设备，包括根据权利要求10-14中任一项所述的系统。
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