CN1075653C - 盘驱动系统的音频信号解码装置及方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于重放记录在光盘上的数字音频数据的装置和方法，所述装置包括用来给三个输出端分别输出AC-3格式的、MPEG2格式的和PCM的音频信号的第一开关部分，AC-3解码部分，MPEG2解码部分，PCM处理部分，用于有选择地输出三个输入端的音频信号给一输出端的第二开关部分，用于将输入的音频信号转换并输出为模拟音频信号的部分，及用于重放六声道模拟信号的具有六个扬声器的部分。

Description

盘驱动系统的音频信号解码装置及方法
本发明涉及一种用于重放记录在盘上的数字音频数据的装置和方法，特别涉及一种用于将双声道数字音频数据经处理转换为六声道音频信号、并对其进行重放的装置和方法。
关于用于重放记录在盘上的数字音频数据的装置和方法的本申请是基于韩国专利申请第33089/1995号，本说明书将它引入作为通用参考。
目前，随着视频和音频系统的发展，需要对图像和声音有较高质量的重放。因此，一音频信号重放系统可将一双声道立体声信号经重放转换为五或六声道的多声道信号。同时，随着信号处理技术的发展，提出了各种各样的用来为音频信号进行编码的方法。
图1是一数字视盘播放器(DVD)系统的框图，其中机械部分111包括一读取头部分和一控制机构，该机械部分111读取记录在盘上的信息以产生一射频(RF)信号。
一放大器112放大并输出来自机械部分111的处于良好状态的RF信号。
一伺服处理器114在一控制器20的控制下控制机械部分111。伺服处理器114输出一聚焦和跟踪信号，使机械部分111能准确地读取记录在盘上的信息。
一键盘输入部分121产生各种键盘信号进行系统及模式操作。控制器120根据由键盘输入部分121产生的键盘信号控制DVD系统的全部操作并输入系统信息。同时，控制器120产生伺服控制信号用来控制伺服处理器114的操作。
一解调器和纠错电路113对来自放大器112的射频信号用数字方式转换、去交插(deinterleave)、解调和纠错，并以位流形式输出该射频信号。
一系统解码器115接收来自解调器和纠错电路113的位流信息，对其分析和过滤，然后输出成为视频信息，音频信息和系统信息。这里，从系统解码器115输出的视频信息是以动态图像专家组2型格式(MPEG2)编码的数据。同时，音频信息是以AC-3结构(frame)格式化的或者以MPEG或脉冲码调制(PCM)格式进行编码的数据。
一视频解码器116对来自系统解码器115的MPEG2格式输出的视频信息进行解码和输出。
一视频数/模转换器117将视频解码器116的输出视频数据转换为模拟视频信号并将其输出。
一由控制器120的音频模式控制信号所控制的音频解码器118以相当的方法，对系统解码器115输出的已编码的音频数据进行解码，并将其输出。因此，音频解码器118包括一用来对AC-3编码数据、MPEG2编码数据或PCM数据解码成原始数据的部分，控制器118的音频模式控制信号激励相应的部分以对输入的编码数据进行解码。
一音频数据转换器119将音频解码器118输出的已解码音频数据转换为模拟信号并将其输出。这里，音频信号包括语音信号、音乐信号和音响信号等。
图2表示了图1中音频解码器118的结构，其包括一第一开关211，该开关的输入端与系统解码器115输出的音频位流相连且其控制端与控制器120输出的音频模式控制信号相连。同时，第一开关211的第一输出端与AC-3解码器212的输入端相连，其第二输出端与MPEG2解码器213的输入端相连，且其第三输出端与PCM处理器214的输入端相连。这样，第一开关211对音频模式控制信号输入的音频位流进行开关操作，并将其输出给相应的解码器212至214。第一开关可由一多路信号转换器实现。在这种情况下，作为多路信号转换器选择信号用的音频模式控制信号为2位信号。
AC-3解码器212将第一开关211的第一输出端输出的以AC-3压缩格式编码的数据扩展成原始数据并将其输出为6声道音频数据。MPEG2解码器213将第一开关211的第二输出端输出的以MPEG2音频格式编码的数据扩展成原始数据并将其输出为6声道音频数据。PCM处理器214过滤并输出第一开关211的第三输出端输出的线性PCM音频数据为6声道数据。这里，六声道音频信号包括一低频增强(LFE)声道音频信号，中心(C)声道音频信号，左(L)声道音频信号，右(R)声道音频信号，左环绕(LS)声道音频信号，和右环绕(RS)声道音频信号。同时，双声道音频信号包括一左(L)声道音频信号和一右(R)声道音频信号。
第二开关215的输入端与AC-3解码器212的输出端相连，其第二输入端与MPEG2解码器213的输出端相连，其第三输入端与PCM处理器214的输出端相连。第二开关215通过由控制器120输出的音频模式控制信号对作用于第一至第三输入端的音频信号进行开关操作，并有选择地将用开关接通的信号输出到输出端。
在图2中，AC-3解码器212输入从盘上读取的位流并将输入的位流恢复成原始的六声道音频信号，其中六声道音频信号以AC-3的格式压缩记录在盘上。AC-3格式的压缩和扩展方法与Dolby实验室所建议的“AC-3”格式一致(参阅Dolby实验室的AC-3标准手册)。此时，位流包括诸如系统信息(引导数据)和纯音频信息等附加信息。这些类型的数据也由AC-3解码器212过滤或控制。
在图2中，MPEG2解码器213将MPEG的音频流信息扩展为原始的六声道音频信号且其基本操作与AC-3解码器212相似。然而，由于位流的格式互不相同，因而需要一分别的部件。这里，这种位流数据结构与“ISO/IEC 13818-3”标准相符。
图3描绘了MPEG2解码器213的基本原理，该解码器已在“MPEG1 andMPEG2 audio coding algorithms and implement”作者L.M.van de Kerkhof和B.GallC.Vandenvulcke,1994IEEE中公开。
在图2中，PCM处理器214可按图4所示来构造。换言之，PCM音频位流具有这样的结构，其左声道的16位音频数据与右声道的16位音频数据是串行的。因此，一串行-并行转换器411将输入的位流格式的线性PCM音频数据转换为16位并行的线性PCM音频数据。一分频器413对一位时钟进行分频以产生一转换成16位周期的选择信号。然后，一多路信号转换器412通过分频器413输出的选择信号有选择地从并行线性PCM音频数据输出左声道和右声道数据。因此，PCM处理器214接收由左和右声道组成的线性PCM数据，对其过滤成为左和右声道数据并将它们输出。
如上所述，DVD系统根据记录和重放音频信号中压缩编码的方法对六或二声道音频信号进行处理。此时，DVD系统的扬声器按照图5所示方式来安排。所以，当DVD系统对采用AC-3或MPEG2格式压缩编码而记录的盘进行重放时，如图5安排的6个扬声器都将产生音频信号。然而，当采用PCM形式编码的音频数据被重放时，在6个扬声器中只通过左声道和右声道扬声器产生双声道音频信号。
然而，DVD系统重放音频信号过程中，在PCM模式下，由于从盘上重放的PCM数据包括左和右声道音频数据，因而在6个重放声道中只有2个声道的音频信号被重放，即音频信号重放功能没有最大限度地实现。
此外，采用逻辑电路的硬件或采用数字信号处理器(DSP)芯片的软件可实现音频解码器118。在采用DSP来实现音频解码器118的情况下，在PCM模式下的处理量小，因而DSP芯片的性能不能充分实现。
本发明的一个目的是提供一种通过扩展声道来重放双声道音频信号的装置和方法。
本发明的另一目的是提供一种在DVD播放器内重放以双声道记录的PCM音频信号的装置和方法，用于通过音场(audio-field)处理该PCM音频信号来重放6声道音频信号。
为实现上述目的，本发明提供了一种音场处理器，用来对立体声信号的第一和第二声道所组成的PCM音频数据进行频道扩展，该音场处理器包括：一用于接收音频数据流的部分，它过滤并输出来自音频数据流的第一和第二声道数据；一用于相加第一和第二声道音频数据的部分；一用于从第一声道的数据中减去第二声道的音频数据的部分；一用于对已相加的数据低通滤波到第一或更低的频率并产生第三声道音频信号的部分；一用于对已相加的数据从该第一频率到可听频段的第二频率进行带通滤波并产生第四频道音频信号的部分；一用于对已减数据延迟一预定的时间并产生第五和第六声道的音频信号的部分；和一具有六个扬声器的部分，用于重放第一至第六声道音频信号。
图1是数字视频光盘驱动系统的框图；
图2是图1中传统音频解码器的框图；
图3是图2中MPEG2音频解码器的框图；
图4是图2中用来处理PCM音频信号的PCM处理器的框图；
图5描绘了当音频信号在如图1所示的盘驱动系统中被重放时扬声器的安置；
图6是图1中本发明的音频解码器的框图；
图7是根据图6中本发明的用来处理PCM音频信号的音场处理器的框图；
图8是表示图7中低通滤波器和带通滤波器滤波特性的波形图。
下文将参照附图对本发明一优选实施例进行详细描述。应注意在附图中相同的元件用相同的数字或字母表示。
这里，第一声道表示左(L)声道，第二声道表示右(R)声道，第三声道表示低频增强(LFE)声道，第四声道表示中心(C)声道，第五声道表示左环绕(LS)声道，及第六声道表示右环绕(RS)声道。
执行本发明的系统与图1所示的DVD具有相同的结构，且对于相应的部分具有相同的参考标号。换言之，用来将未经压缩的双声道PCM信号扩展为六声道音频信号的音场处理器可被采用于DVD。
图6表示根据本发明的音频解码器118的结构，该音频解码器118包括一第一开关211，其输入端与系统解码器115输出的音频位流相连，且其控制端与控制器120输出的音频模式控制信号相连。同时，第一开关211的第一输出端与AC-3解码器212的输入端相连，其第二输出端与MPEG2解码器213的输入端相连，其第三输出端与PCM处理器214的输入端相连。这样，第一开关211用音频模式控制信号对输入的音频位流进行开关操作，并将其输出到相应的解码器212至214。第一开关211可由一多路信号转换器来实现。在这种情况下，用作多路信号转换器的选择信号的音频模式控制信号为2位信号。
AC-3解码器212将第一开关211的第一输出端输出的以AC-3压缩格式编码的数据扩展为原始数据，并输出为六声道音频数据。MPEG2解码器213将第一开关211的第二输出端输出的以MPEG2音频格式编码的数据扩展为原始数据并输出为六声道音频数据。音场处理器600分离由第一开关211的第三输出端输出的未经压缩的双声道线性PCM音频数据，随后对该双声道音频数据进行音场处理，并将音场处理数据扩展为待随后输出的六声道音频数据。这里，六声道音频信号包括LFE声道音频信号，C声道音频信号，L声道音频信号，R声道音频信号，LS声道音频信号，及RS声道音频信号。另外，双声道音频信号包括一左声道音频信号和一右声道音频信号。
第二开关215的输入端与AC-3解码器212的输出端相连，其第二输入端与MPEG2解码器213的输出端相连，且其第三输入端与PCM处理器214的输出端相连。第二开关215对通过控制器120输出的音频模式控制信号而施加到第一至第三输入端的音频信号进行开关操作，并有选择地向其输出端输出开关所接通的信号。
首先，控制器120根据系统解码器115所解码的数据类型确定一音频模式。此时，该音频模式可根据记录在视盘上的音频信号的压缩编码来划分成AC-3模式，MPEG2模式和PCM模式。另外，控制器120根据由系统解码器115的解码数据设定的音频模式，输出一音频模式控制信号以重放音频数据。此时，如果第一开关211为一多路信号转换器且第二开关215为一多路信号分离器，则控制器120输出的音频模式控制信号如表1所示。
                           表1
 音频模式   第一开关   第二开关     解码器
    00 与第一输入端相连 与第一输出端相连   选择AC-3解码器
    01 与第二输入端相连 与第二输出端相连   选择MPEG2解码器
    10 与第三输入端相连 与第三输出端相连  选择音场处理器
    11     保留     保留      保留
首先，如果系统解码器115设定的是AC-3音频模式，则控制器120输出一音频模式控制信号“00”。如果控制器120输出音频模式控制信号“00”，则输入端和第一输出端在第一开关211处相连，且第一输入端和输出端在第二开关215处相连。因此，便选择了音频解码器118的AC-3解码器212。然后，AC-3解码器212将从第一开关211有选择地输出的六声道音频数据的压缩位流扩展恢复为原始六声道音频数据。此时，AC-3解码器212通过由上文所述的Dolby实验室提议的AC-3格式进行解码操作。AC-3格式的位流除了压缩的纯音频数据外还包括诸如引导数据(header data)的系统信息，以允许AC-3解码器对系统信息进行分离和控制操作。
AC-3解码器212输出的六声道音频数据通过第二开关215输入给音频D/A转换器119。然后，音频D/A转换器119将六声道音频数据转换成六声道模拟音频信号并将其输出。一放大器221将六声道模拟音频信号放大并输出。然后，具有按图5方式安置的六个扬声器的扬声器部分222接收对应于六个声道的每一音频信号并进行重放。
第二，如果系统解码器115设定的是MPEG2音频模式，则控制器120输出一音频模式控制信号“01”。如果控制器120输出音频模式控制信号“01”，则输入端和第二输出端在第一开关211处相连，且第二输入端和输出端在第二开关215处相连。因此，便选择了音频解码器118的MPEG2解码器213。然后，MPEG2解码器213将第一开关211有选择地输出的六声道音频数据的压缩的位流扩展恢复为原始六声道音频数据。此时，通过第一开关211接收的MPEG2音频流是MPEG所建议的格式，且其结构与“ISO/IEC 13818-3”标准相符。
其后面的操作与上文所述相同。
第三，如果系统解码器115设定的是PCM音频模式，则控制器120输出一音频模式控制信号“10”。如果，控制器120输出音频模式控制信号“10”，则输入端和第三输出端在第一开关211处相连，且第三输入端和输出端在第二开关215处相连。因此，便选择了音频解码器118的音场处理器600。此时，PCM音频数据为未经压缩的线性音频数据，且具有双声道位流结构，即L和R声道。音场处理器600对双声道未经压缩的线性PCM音频数据进行多路转换，并对其进行人为的音场处理，以将处理过的数据扩展为六声道音频数据。
音场处理器600可如图7所示来构造、未经压缩的线性PCM音频位流具有这样的结构，其L声道的16位音频数据与R声道的16位音频数据串行排列。因此，串行-并行转换器711将输入位流格式的线性PCM音频数据转换为16位并行线性PCM音频数据。一分频器713对一位时钟进行分频以产生转换为16位周期的选择信号。然后，多路信号转换器712用分频器413输出的选择信号从并行线性PCM音频数据中有选择地输出L声道音频数据和R声道音频数据。因此，多路信号转换器712接收由L和R声道数据组成的线性PCM数据，将该数据过滤为L和R声道数据并将其输出。
一加法器721将L声道PCM音频数据与R声道音频数据相加。一低通滤波器722接收加法器721的输出，并将已相加的L和R声道音频数据低通滤波为第一预定频率。此时，该第一频率成为约100Hz的低频段信号。因此，从低通滤波器722输出的音频数据为100Hz或更低的低频段音频信号并成为LFE声道的音频数据。该LFE声道音频数据中有被过滤的诸如节拍的低频段声音。一带通滤波器723接收加法器721的输出，并带通过滤在该第一预定频率与第二频率之间的已相加的音频数据。此时，第一频率设定为100Hz，第二频率设定为1KHz至5KHz。因此，从带通滤波器723输出的带通滤波信号为C声道音频信号，且成为语音频段信号。
低通滤波器722和带通滤波器723具有如图8所示的音频信号滤波特性。此时，100Hz或更低的音频信号主要成为低频段乐器声，100Hz至1～5KHz的音频信号在语音频段内。因此，LFE声道的音频信号成为低声调乐器音，C声道音频信号成为语音。
一减法器724将R声道音频数据从L声道音频数据中减去。一延时器725接收减法器724输出的已相减的L和R声道音频数据，按预定的时间对其延迟并随后将已延迟的数据作为LS和RS声道音频数据输出。因此，与L、R、LFE和C声道音频信号相比，LS和RS声道音频数据相同并被延迟了相同的预定时间，随后被重放。
现在来描述对双声道未压缩PCM音频数据进行音场处理并将其扩展为六声道音频数据的操作。虚拟的LFE、C、LS和RS声道音频数据从输入的L和R声道音频数据中产生。C和LFE声道音频信号由L和R声道音频数据的和信号得到。此时，如果六个声道的扬声器如图5安置，则从多路信号转换器712输出的L和R声道信号分别加到L和R声道的扬声器。从低通滤波器712输出的LFE声道音频信号加到LFE声道的扬声器。从带通滤波器713输出的C声道音频信号加到C声道扬声器。另外，从延时器725输出的LS和RS声道音频信号分别加到LS和LR声道的扬声器。在这种情况下，记录在盘上的双声道PCM音频数据被扩展为六声道音频数据，随后被重放。
用来接收L和R声道信号并重放一多重音场信号的如图7所示的音场处理器600除了图7中所示的方式，也可以另一方式来实现。
因此，应当理解本发明并不局限于为了实现本发明而在此公开的作为最佳模式加以仔细考虑的特定实施例，除了在所附权利要求书中所限定者外，本发明不局限于本说明书中描述的具体的实施例。

Claims (7)

1、一种数字视频光盘播放器系统的音频信号处理器，用于在记录有以AC-3、MPEG2和PCM格式之一编码的音频信号和以MPEG格式编码的视频信号的数字视频光盘的播放器系统中，对以AC-3、MPEG2和PCM之一为格式的音频信号进行选择和处理操作，所述处理器包括：
第一开关部分，其输入端与一音频位流相连，且由一音频模式控制信号进行开关操作，用来向第一输出端输出AC-3格式的音频信号，向第二输出端输出MPEG2格式的音频信号，并向第三输出端输出PCM音频信号。
与所述第一开关部分的所述第一输出端相连的AC-3解码部分，用来对输入的以所述AC-3格式压缩编码的六声道音频数据进行扩展并随后将其恢复为六声道音频数据；
与所述第一开关部分的所述第二输出端相连的MPEG2解码部分，用来对输入的以所述MPEG2格式压缩编码的音频数据进行扩展并随后将其恢复为六声道音频数据；
与所述第一开关部分的所述第三输出端相连的PCM处理部分，用来对输入的二声道线性PCM音频数据进行音场处理并随后将其转换为六声道音频数据；
第二开关部分，其第一输入端与所述AC-3解码部分相连，第二输入端与所述MPEG2解码部分相连，及第三输入端与所述PCM处理部分相连，且用所述音频模式控制信号进行开关操作，用来有选择地向一输出端输出所述第一至第三输入端的音频信号；
一与所述开关部分连接的部分，用来将输入的音频数据转换并输出为模拟音频信号；及
一具有六个扬声器的部分，用来重放所述六声道模拟信号。
2、根据权利要求1所述的数字视频光盘播放器系统的音频信号处理器，其中所述PCM处理部分包括：
一用于接收一音频数据流、从所述音频数据流中过滤第一和第二频道数据并将该数据向所述第二开关的第三输出端输出的部分；
一用于将所述第一和第二声道音频数据相加的部分；
一用于从所述第一声道音频数据中减去所述第二声道音频数据的部分；
一用于对所述已相加数据进行低通滤波达到第一频率或更低、并产生第三声道音频信号以将该信号输出给所述第二开关部分的所述第三输出端的部分；
一用于从一可听频段的所述第一频率至第二频率带通滤波所述已相加数据并产生第四声道音频信号以将该信号向所述第二开关部分的第三输出端输出的部分；
一用于对所述已相减数据延迟一预定时间并产生第五和第六声道音频信号以将该信号向所述第二开关部分的所述第三输出端输出的部分。
3、根据权利要求2所述的音频信号处理器，其中所述第一频率是节拍声频段100Hz，所述第二频率是可听声频段的高通频率其范围在3KHz至5KHz。
4、一种扩展音频数据声道的音场处理装置，用于对由立体声信号的第一和第二声道组成的PCM音频数据的声道进行扩展，包括：
一用于接收PCM音频数据流、从所述音频数据流中过滤第一和第二声道数据的部分；
一用于将所述第一和第二声道音频数据相加的部分；
一用于从所述第一声道音频数据中减去所述第二声道音频数据的部分；
一用于将所述已相加数据进行低通滤波到一第一频率或低于该频率并产生第三声道音频信号的部分；
一用于从第一频率至可听频段的第二频率对所述已相加数据进行带通滤波并产生第四声道音频信号的部分；和
一用于对所述已相减数据延迟一预定时间并产生第五和第六声道音频信号的部分；和
一具有六个扬声器、用于重放所述第一至第六声道音频信号的部分。
5、根据权利要求4所述的扩展音频数据声道的音场处理装置，其中所述第一频率为节拍声频段的100Hz，所述第二频率为可听频段的高通频率其范围为3KHz至5KHz。
6、一种扩展音频数据声道的音场处理方法，用于对由立体声信号的第一和第二声道组成的PCM音频数据声道进行扩展，所述方法包括：
接收PCM音频数据流，从所述音频数据流中过滤第一和第二声道信号；
将所述第一和第二声道音频数据相加；
从所述第一声道音频数据中减去所述第二声道音频数据；
将所述已相加数据低通滤波至第一频率或更低并产生第三声道音频信号；
从所述第一频率至可听频段的一第二频率对所述已相加数据进行带通滤波并产生第四声道音频信号；及
将所述已相减数据延迟一预定时间并产生第五和第六声道音频信号；及
将所述第一至第六音频信号提供给六个扬声器，其中每个扬声器对应于用来作为环绕声音重放所述第一至第六声道音频信号的所述信号。
7、根据权利要求6所述的扩展音频数据声道的音场处理方法，其中所述第一频率为节拍声频段的100Hz，第二频率为可听频段的高通频率其范围为3KHz至5KHz。
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