CN1129115C - 在音频信号中产生谐波的装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用一个加法器在音频信号中产生谐波的装置，用此加法器，第一条信号路径的信号和第二条信号路径的信号可被相加，在此装置中在相加器的输出端可得到一个具有谐波的音频信号，并且在第二条信号路径中设置了一个滤波装置和一个非线性电路装置，其中滤波装置的角频率是可调的。

Description

在音频信号中产生谐波的装置
本发明涉及在音频信号中产生谐波的装置。
这种方法和电路装置应用在声音重放设备中，例如电视机，广播接收机或立体声音响中，以补偿扬声器的频率响应，改善声音重放质量，并且避免设备或音响的过荷。
用于声音重放的设备中最关键的部件是扬声器，其声压在与结构有关的门限频率以下以每倍频程约40分贝衰减，它对应于一个二阶滤波器的传输函数。低音反射扬声器和传输线扬声器的传输函数却对应于一个更高阶的滤波器。下限频率典型值约在50Hz和200Hz之间。扬声门限频率愈低，其生产成本愈高。如电视机或便携式广播接收机这样的廉价设备因而装配有简单的扬声器，其下限频率比较高。为了改善下限频率范围内的声音重放，门限频率通过低频预放大而向下移动，然而这会导致末级放大器和扬声器的过荷。为了避免末级放大器和扬声器的过荷和由此肯定带来的损坏，低音放大器的输出信号被反馈，使得在大输出信号时低频增益减小。这种方法已由Us-Ps 5305388公开。
在Us-Ps 5359665中描述了一个电路结构，其中音频信号通过第一条路径直接送到一个相加器的第一个输入，并且同时经过第二条路径通过一个低通滤波器和一个具有可变增益的放大器送到相加器的第二个输入。放大器的输出通过一个信号电平检测器反馈到其控制输入端上，通过此措施减小了末级放大器的过荷。
由心理声学我们知道，如果频谱中的基频根本不存在，而仅存在基频的谐波，人类也能清楚地确定音调的基音高低。此心理声学效应被如此应用：产生基频的谐波并馈给扬声器，该扬声器的门限频率在此基频以上。这样聆听者相信听到了此低频的基频，虽然扬声器根本没有发出此基频。聆听者认为例如听到了50Hz的声音，当扬声器根本没有传送这个低频声音，而仅是送出一个250Hz和一个300Hz的声音时。这个50Hz的差值主观上被聆听者所觉察。
在具有较高下限频率，例如120Hz的低质量扬声器被用来传送例如60Hz的信号时，可以利用这一效应。由此60Hz信号产生谐波，它们相互间的频率差为60Hz。当扬声器根本没有发出60Hz的声音时聆听者认为真实地听到了60Hz的声音。
为了产生谐波，电子线路是需要的，它们一方面用以确定音频信号中的基频并且提取它，另一方面用以产生此基频的谐波。
Us 5668885和Us 5771296描述了通过用一个检波装置产生绝对值来产生谐波的方法。
Us 4150253和Us 4700390描述了通过限幅，即削去声音信号基频在规定值以上的幅度来产生谐波。
在所有这些文件中都采用具有固定角频率(Eckfrequenz)的滤波器来选择信号，由它们产生谐波。
这里缺点在于，如果存在多于一个的信号在被选择的频率范围内，例如由一个频率范围合成的声音信号就属于这种情况，这时不仅仅产生了存在的信号的谐波，而且总还产生具有不希望有的频率的谐波，这些频率由所有存在的信号频率及其倍频的和组成。这导致最终从扬声器辐射出的声音很混浊。
现在说明本发明。
本发明的目的在于给出一个电路结构，采用它在聆听声音信号时有更好的音质，该声音信号被具有比较高的下限频率的扬声器发出。
上述任务由具有权利要求1或权利要求2所述特征的电路结构完成。
最好两个电路结构相互组合使用。
本发明的第一个解决方案是，每个应该产生谐波的信号频率通过一个可变滤波器，尤其是一个带通滤波器来尽可能精确地限定。
第二个解决方案是用一种方法产生谐波，它比现有技术产生更少的不希望的频率成份。这通过应用输入信号的n次乘方来实现。通过它可以产生第(n-1)次谐波。在本发明中n大于等于2。当n＝2时，也就是输入信号的基频的平方时产生第一个谐波。这里基频是声音信号中所包含的，在例如小于120Hz的频率范围中的占主要成份的频率。通过乘方产生的谐波相比现有技术中通过限幅或检波产生的谐波明显地“干净”。按照本发明信号在乘方之后或之前进行幅度补偿。
下面借助于方框图所示实施例进一步说明本发明。附图中，
图1是本发明第一个电路结构的方框图，该结构具有用以滤出低频基频的装置，
图2是图1的详细方框图，
图3是本发明第二个电路结构的方框图，它具有用以对基频信号乘方的装置，
图4是图3的详细方框图，
图5是图4电路的详细方案。
图1示出一个电路结构，其中音频输入信号si被馈送到相加器AD的一个输入端。相加器AD的输出例如与一个扬声器或一个与其串接的放大器相连接。信号si还通过一个滤波装置，这里经过一个低通滤波器TP或一个带通滤波器，馈给非线性电路单元NL1，它由被滤波的信号产生谐波。此滤波装置用来精确地确定信号si中占主要成份的基频。单元NL1由它产生谐波并将它馈给相加器AD的第二个输入端。关键在于滤波器TP的角频率fc是可调的。
图2示出图1的较详细的方框图。滤波器整体由第一个低通滤波器TP1，后接的第二个低通滤波器TP2和一个后接的高通滤波器HP1串接组成。s1，s2和s3表示相应输入端上的信号。高通滤波器HP1的输出是信号s4，它被馈给单元NL1。单元NL1的输出端连接到一个带通滤波器BP2，送给它的信号是s5。s6表示带通滤波器的输出信号，必要时此信号以增益g被放大后送到相加器AD。
低通滤波器TP1有一个固定的角频率，例如为200Hz。低通滤波器TP2有可变的角频率fc。高通滤波器HP1有例如50Hz的固定角频率或有角频率k*fc，这里k被选择为小于1。带通滤波器BP2有例如一个中心频率，它正比于fc。
低通滤波器TP2的角频率例如这样来调整：一个接收信号s2和s3并将其进行比较的比较器KO提供一个控制信号，此信号决定低通滤波器TP2的角频率。
图2电路结构的功能如下所述。在低通滤波器TP1中完成低频成份的预选。在低通滤波器TP2中完成进一步的滤波。这里如此调整角频率fc，使得
s3＝q*s2，其中0＜q＜1
(注：“*”表示乘法)
s3和s2在上面公式中表示信号s3和s2的信号振幅或者表示它们的信号能量。
角频率fc被如此调整：在低通滤波器TP2的输出端上的信号是信号s2的确定的一部分q。这样仅仅信号si＝s1的最低频率成份能通过它。其它的干扰信号频率被滤除。
角频率fc的确定可例如通过以下的调整算法实现：
fc＝fc+df，如果s3＜q*s2
fc＝fc-df，如果s3＞q*s2这里df决定调整的收敛速度，并且最好选为小于或等于1Hz。
换言之，音频信号si＝s1的低频区域以例如1Hz的步长被查询，并且确定在哪个频率下信号有最大的振幅或能量。这个频率就是要找的基频，在非线性单元NL1中对它产生谐波。
信号s3在高通滤波器HP1中被高通滤波，高通滤波器的角频率可以是常数，也可以选为fc的函数。信号s5中的不希望的频率通过带通滤波器BP2被滤除。有好处的方式是带通滤波器BP2的中心频率依赖于角频率fc来改变。
如果例如通过单元NL1产生的主要信号是一次谐波，即信号频率是基频的两倍，中心频率可选择为fbp＝2*fc。
带通滤波器BP2的输出信号s6最好以增益g放大后在相加器AD中与信号si增加。
在图3所示电路结构中，在非直接馈给相加器AD的信号支路中设置了一个滤波装置，它例如是一个由低通滤波器TP和后接的高通滤波器HP组成的带通滤波器BP1。在滤波装置BP1的输出端提供一个信号s4，它表示以任意方式求得的基频。最好滤波装置BP1是图1和图2所介绍的。
信号s4在非线性单元PX中被平方，这样产生一次谐波。这样产生的信号s5到达另一个滤波器，这里它是一个带通滤波器BP2。接着带通滤波器BP2输出端的信号s6直接或乘以增益g后被送到相加器AD。除平方以外信号也可以进行3或4或更高的整数次乘方。
图4和图5示出了图3的优化电路结构，因为在那里在乘方之后(图4)或之前(图5)进行了信号归一化。
图4中信号s2还被送到一个均方根(RMs)检波器RMs。它与一个除法器
Figure C0012855000071
相连接，除法器连接于单元PX的输出端并且单元PX的输出信号s3被除以值RMs。除法器 后接一个限幅器LIM，其输出端连接于带通滤波器BP2。
通过用信号的RMs值进行归一化，RMs值由检波器RMs求出，信号s3又按下式得到其原有的幅度：
s4＝(s2^2)/RMs(s2)
检波器RMs具有例如0.2秒的时间常数tau。因为s3的幅度在某些情况下比RMs值快得多地增大，它具有更大的时间常数，在信号s4中会出现非常大的值。所以信号s4的值在限幅器LIM中被限制在一个可靠的值上。产生的谐波在中心频率为fbp2的带通滤波器BP2中再次被限制，然后在相加器AD中混合到音频信号si中。
在上述结构中单元PX将信号s2平方，因而产生一次谐波。在这种方案中第二个带通滤波器BP2的中心频率fbp2选为第一个带通滤波器的中心频率fbp1的二倍。
然而也可以产生更高次谐波，如果为此合适地设计单元PX的话。在三次乘方的情况下必须选择fbp2＝fbp1*3，因为频率被三倍了。
多个上述的电路并联，以同时产生多个谐波，例如一次和二次谐波也在本发明的范围之内。

Claims (6)

1.用一个相加器(AD)在音频信号中产生谐波的装置，用此相加器，第一条信号路径的信号和第二条信号路径的信号可被相加，在此装置中相加器(AD)的输出端上可得到一个具有谐波的音频信号，并且在第二条信号路径中设置了一个滤波装置(TP)和一个非线性电路装置(NL)，其特征在于，滤波装置(TP)的角频率(fc)是可调的。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，滤波装置(TP)是一个低通滤波器。
3.如权利要求2所述的装置，其特征在于，在低通滤波器(TP)之前或之后串接一个高通滤波器(HP)。
4.如权利要求2所述的装置，其特征在于，低通滤波器(TP)由第一个具有固定角频率的低通滤波器(TP1)和第二个具有可变角频率的低通滤波器(TP2)串联构成。
5.如权利要求1至4中任一项所述的装置，其特征在于，非线性电路装置(NL)是一个乘方电路(PX)，并且此乘方电路(PX)后接一个带通滤波器(BP2)。
6.如权利要求5所述的装置，其特征在于，乘方电路(PX)对输入端的信号进行大于等于2的整数次乘方。
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