CN1153504C - 包含音频信号处理电路的音频系统 - Google Patents

Abstract

音频系统包括一种处理音频信号的电路(12)，该电路(12)包括接收该音频信号的输入端(20)和输出一种输出信号的输出端(26)。该电路(12)还包括连接该输入端(20)的谐波发生器(22)和既连接该输入端(20)也连接谐波发生器(22)的相加装置(24)，该谐波发生器(22)生成该音频信号的谐波，该相加装置(24)用于把所生成的谐波与该音频信号的和，提供给该输出端(26)。该谐波发生器(22)包括用于积分该音频信号的积分器(34)、以及与该积分器(34)相连接的复位装置(36)，该复位装置(36)在复位时用于复位该积分器(34)。

Description

包含音频信号处理电路的音频系统

本发明涉及一种包含音频信号处理电路的音频系统，该电路包括：接收音频信号的输入端和输出一种输出信号的输出端、连接该输入端的生成该音频信号的谐波的谐波发生器以及既连接该输入端也连接谐波发生器的相加装置，该相加装置用于把所生成的谐波与该音频信号的和，提供给该输出端。

本发明还涉及用于处理音频信号的一种电路、谐波发生器以及处理音频信号的方法。

EP-A546619中公开了依据序言的音频系统。自从发明了电动式扬声器以来，特别是在低频上就已经需要有更高的声输出了。不过，例如在电视接收机或便携音响上，这种更高的声输出严重地受到小尺寸的扬声器的限制。众所周知，通过常被称为假音调或基频缺失的心理声学现象，能够解决这种进退两难的问题，它唤起更高的低音响应的错觉，而同时在那些低频处扬声器又不会辐射出更多的能量。通过用低频音调的谐波代替这些低频音调，这些低频音调出现在音频信号中但不能由扬声器再现出来的，就能产生这种错觉。现在谐波代表了那些低频音调。

在已知的音频系统中，选择出低频频带的音频信号并输出至谐波发生器，以产生该选出的信号的谐波。然后把产生的谐波加至该音频信号上。按这种方式就提高了音频信号的低频感受。在已知的音频系统中，使用全波整流器作为谐波发生器，它仅仅产生偶谐波。该全波整流器的缺点是该生成的谐波随谐波的个数而快速下降，例如，第4、6和8次谐波的振幅分别低于第二次谐波14dB、21dB和26dB。由于这种所生成的谐波振幅的下降，因此，在该已知的音频系统中，不能充分地开发出这种假音调效果。

本发明的一个目的是提供一种音频系统，其中谐波发生器能够产生谐波，产生的谐波振幅基本上彼此相等。依据本发明的音频系统中实现了这个目的，该音频系统的特征在于：谐波发生器包括用于积分该音频信号的积分器以及与该积分器相连接的复位装置，该复位装置在复位时用于复位该积分器。

通过积分音频信号并在复位时复位已积分的信号，获得了包含有奇和偶谐波的非对称波形，由此生成的谐波振幅随谐波的个数而相当缓慢地下降。因此，在本发明的音频系统中，就产生了相当强的假音调效果。因为生成的谐波振幅与音频信号振幅成比例，因此在谐波发生器所导出的输出信号中没有干扰损失。

依据本发明的音频系统的一个实施例，其特征在于使用该复位装置以便根据一个复位周期来周期性地复位该积分器。利用这种方式，周期性地重复谐波的产生，因此在输出信号中产生了恒定的谐波流。

依据本发明的音频系统的另一个实施例，其特征在于使用该复位装置以便随音频信号的周期确定该复位周期。这是依据本发明的音频系统的一个简单的实施例。

依据本发明的音频系统的另一个实施例，其特征在于使用该复位装置以便在至少该复位周期的一部分期间复位该积分器。利用这种方式，就可以防止对音频信号的一些部分进行积分，例如防止对音频信号振幅为负的那些部分进行积分。

依据本发明的音频系统的另一个实施例，其特征在于使用该复位装置以便当该音频信号越过一个门限值时复位该积分器。利用这种方式，就能够防止对音频信号超出一种门限值的那些部分积分。

依据本发明的音频系统的另一个实施例，其特征在于该谐波发生器还包括整流音频信号的整流器，该整流器连接积分器，因此已整流的信号由积分器进行积分。利用这种方式，音频信号的负部分也构成生成的谐波振幅。

人们察觉出：本发明的音频系统所再生出的一些低频音调具有比音频信号中出现的对应低频音调的响度更高的响度。为了补偿这种不希望的赝象，依据本发明的音频系统的另一个实施例，其特征在于使用该积分器以便限制已积分的信号的振幅。这样，就能够控制可察觉出的低频音调的响度，最好是以此方式使得所感知的响度基本上与原始响度相同。

依据本发明的音频系统的另一个实施例，其特征在于使用该积分器以便根据已积分的信号的振幅来停止积分。这是一种简单有效的实施例，限制了已积分的信号振幅并因此限制了低频音调的感知响度。

依据本发明的音频系统的另一个实施例，其特征在于使用该积分器以便根据已积分的信号的振幅或频率来修改积分时间常数。利用这种方式，能够逐渐地限制已积分的信号的振幅，能够平缓地控制低频音调的感知响度。

结合图通过下面优选实施例的说明，就更加会明白本发明的上述目的和特征。

图1示出依据本发明的一种音频系统的方框图，

图2示出依据本发明的处理一种音频信号的电路的方框图，

图3示出依据本发明的一种谐波发生器的方框图，

图4示出可用于本发明中的一种积分器的第一实施例，

图5示出用于本发明的一种结合了积分器和复位装置的电路，

图6和7分别示出可用于本发明中的一种积分器的第一实施例和第二实施例，

图8和9分别示出用于本发明的一种限幅器的第一实施例和第二实施例，该限幅器与例如图4和5中所示的积分器相结合，

图10示出各种各样的波形a..g的图，该各样的波形图是响应提供至依据本发明的一种谐波发生器的一种正弦输入信号而生成的。

在图中，用相同的标记表示相同部分。

图1示出依据本发明的一种音频系统的方框图。该音频系统包括信号源10，该信号源10分别通过电路12和放大器14与扬声器16相接。该信号源10可以从CD、盒带或接收的信号或任何其他音频源取得信号。该电路12对由该信号源10提供的音频信号进行如此地处理，以使得出现在该音频信号中但因尺寸有限而不能由扬声器16再现出来的低频音调被这些音调的谐波所代替。这些低频音调的谐波能由扬声器16再现出来，它唤起更高的低音响应的错觉。这种心理声学现象常被称为假音调或基频缺失。然后该放大器14放大由电路12处理过的该音频信号。然后扬声器16再现出该已放大的信号。

图2示出依据本发明的处理音频信号的电路12的方框图。电路12包括接收音频信号的输入端20和输出一种输出信号的输出端26。该电路12还包括连接该输入端20的谐波发生器22和既连接该输入端20也连接谐波发生器22的相加装置24，该相加装置24用于把该谐波发生器22的输出信号与该音频信号的和，提供给该输出端26。

在处理音频信号的该电路12中，在该输入端20与该谐波发生器22之间可以插入一个第一滤波器。优选的是这种滤波器设计成可通过那些在该音频信号中的不能被扬声器16再现出来的低频分量，与此同时却阻断在该音频信号中寄生的直流分量。在该电路12中，在该相加装置24与该谐波发生器22之间还可以插入一个第二滤波器。利用该第二滤波器就可以控制由扬声器16再现出来的谐波的个数。另外，在该电路12中，在该相加装置24与该输入端20之间还可以插入一个第三滤波器。优选的是使用该第三滤波器来阻断在该音频信号中不能被扬声器16再现出来的那些低频分量，因此防止了扬声器16的过载。

图3示出依据本发明的谐波发生器22的方框图。该谐波发生器22包括接收音频信号的输入端30和输出一个输出信号的输出端38。该谐波发生器22还包括积分器34和与该积分器34相连的复位装置36。该积分器34对由输入端30接收的音频信号进行积分，并把它输出至输出端38。在复位时使用复位装置36对该积分器34进行复位。因此，该输出信号包括了奇和偶谐波，因而这些谐波的振幅基本上是相等的。另外，由于生成的这些谐波的振幅与该音频信号的振幅成比例，因此谐波发生器22不导入干扰失真。

该复位装置36可以按一些不同的方式来确定复位时间。该复位装置36可以根据该音频信号的某些参数来确定复位时间，例如周期、振幅或过零点。复位装置也可以依据输出信号的类似特性确定复位时间。该复位装置36也可以根据该音频信号和输出信号来确定复位时间。应当清楚，在依据本发明的该谐波发生器22的优选实施例中，仅出现一个连接线35和37或两个连接线35和37。

谐波发生器22还可以包括整流器32，该整流器32对由输入端30接收的音频信号进行整流。

图4示出本发明所使用的积分器34的第一实施例。该积分器34包括接收输入信号的输入端40和输出一种输出信号的输出端52。该积分器34还包括正输入端接地的运算放大器50。在该运算放大器50的负输入端与它的输出端之间，相互并联着电阻48、电容46及开关44。该运算放大器50的这个负输入端还经电阻42与输入端40相连。该运算放大器50的输出端与积分器34的输出端52相连。该开关44受复位信号RST的控制，复位装置36所生成的该复位信号RST，按这样一种方式来控制该开关44，即复位时关上该开关44。

本领域技术人员将会明白：在输入端40所接收的该输入信号由这种实施例的积分器34进行积分，从而把已积分的信号输出至输出端52。当闭合开关44时，电容46放电，复位该积分器34，并使该输出信号复置为零。

图5示出本发明所用的一种电路，该电路结合了积分器34与复位装置36。该电路包括接收输入信号的输入端64和输出一种输出信号的输出端66。该电路还包括用于积分输入信号的图4的元件，即包括电阻42和48、运算放大器50以及电容46。三极管62起开关44的作用。由于该三极管62的基极经反向器60接输入端64，因此当输入信号为负时，该三极管62导通(即，开关44闭合并复位该积分器34)。另一方面，当输入信号为正时，该三极管62不导通，即，开关44开。

本发明的音频系统所再生出的一些低频音调在人的感觉中具有比对应于音频信号中出现的低频音调的响度更高的响度。为了补偿这种不希望的赝象，可以把积分器34设计成能够限制该已积分了的信号的振幅。这样，就能够控制低频音调的感知响度，优选地以此方式使得所察觉出的响度基本上与原始响度相同。

图8和9分别示出限幅器的第一和第二实施例，使用该限幅器能够限制例如图4和5中所示的积分器34的输出信号的范围。在图8和9中，该限幅器包括反向放大器，包括输入端90、输出端102、运算放大器100以及两个电阻92和98。这个反向放大器的电压增益的绝对值等于电阻98的阻值除以电阻92的阻值。在图8的限幅器中，与电阻98并联的两个二极管94和96，防止该反向放大器的输出信号超出某电压极限。由于运算放大器100的正输入端接地，因此该负输入端的电压也为零(虚地)。这样，当该输出信号为负时，即当输入端90所接收的输入信号为正时，二极管94导通。按同样的方式，当该输出信号为正时，即当输入端90所接收的输入信号为负时，二极管96导通。这样，当使用硅二极管时，输出信号的范围就被限制在近似-0.6与+0.6伏之间。

在图9的限幅器中，防止该反向放大器的输出信号超出某电压极限的任务由两个稳压二极管110和112完成。这里，当输出信号为正时，稳压二极管110导通，而当输出信号为负时，稳压二极管112导通。这样，输出信号的范围就被限制在近似于稳压二极管110的逆稳压电压与稳压二极管112的稳压电压之间。

图8和9中所示的限幅器可以与例如图4中所示的积分器34相接。可以例如按这种方式进行连接：积分器34的输出端52连接限幅器的输入端90，由此提供对积分器34的输出信号的限制。也可以将限幅器的输出端102与积分器34的输入端相连，从而对积分器34的输入信号限制。另外，可以结合限幅器的功能与积分器34的功能。在图6和7中示出这种结合的两个实施例。图6示出图8的限幅器与如图4中所示的积分器34的结合。图7示出图9的限幅器与如图4中所示的积分器34的结合。

例如，如图4中所示的积分器34也可以设计成随已积分的信号的振幅而改变积分时间常数。根据这种方式，就能够逐渐地限制已积分的信号的振幅，因此能够平缓控制低频音调的感知响度。通过变化电阻42的阻值和/或电容46的容值，就能够达到对这种积分时间常数的改变。例如通过切换与电阻42相串联或并联的一个或多个电阻，就能够改变电阻42的有效阻值。例如通过切换与电容46相串联或并联的一个或多个电容，就能够改变电容46的有效容值。

图10示出各种各样的波形a..g的S形图，该各样的波形a..g是响应提供至本发明的谐波发生器22的一种正弦输入信号而生成的。在这些图中，输入信号用直线表示，生成的波形用点划线的形式表示。可以由本发明的谐波发生器22生成图10中波形a，其中输入信号在积分之前被整流，从而在该输入信号的每周期的结尾处，复位装置36复位积分器34。按相似的方式，谐波发生器22能够生成波形b和c，对于波形b，在输入信号的每个第二周期的结尾处，复位装置36复位积分器34，对于波形c，在输入信号的每个过零点处，复位装置36复位积分器34。谐波发生器22能够生成波形d，这里谐波发生器22包括了如图5中所示的积分器34与复位装置36的结合。在这种情况下，谐波发生器22不包括整流器32。

按与生成图10中波形a相似的方式，本发明的谐波发生器22能够生成波形e、f和g。把谐波发生器22设计成根据已积分的信号的振幅来停止积分操作，就由该谐波发生器22生成了波形e。这里，谐波发生器22可以包括如图6和7中所示的积分器34与例如图8和9中所示的限幅电路的结合，或如图4中所示的积分器34与例如图8和9中所示的限幅电路的结合。

波形f和g显示出积分器34的积分常数的修改。为了生成波形f，在每个输入信号的周期期间，修改一次积分器34的积分时间常数，这种修改取决于例如该已积分的信号的振幅或频率。按相似的方式可以生成波形g，这里，在每个输入信号的周期期间，修改二次积分器34。当然，也可以按这样的方式来设置该积分器34，即进行二次以上的积分时间常数的修改。

很显然在不脱离本发明的原理的基础下，任何本领域技术人员都能对上述的发明作出许多更改。例如，本发明的统一体上进行的信号处理过程也可以通过集成电路来进行，或通过在可编程处理器上所运行的软件来处理。另外，在例如图4中所示的积分器34中，可以略去电阻48。通过输入信号或输出信号与某个乘法系数相乘，也可以完成对谐波发生器22的输出信号的振幅的所需要的限制。

Claims (12)

1.一种包括处理一种音频信号的电路(12)的音频系统，其中该电路(12)包括：接收该音频信号的输入端(20)和输出一种输出信号的输出端(26)；连接该输入端(20)的谐波发生器(22)，该谐波发生器(22)生成该音频信号的谐波；既连接该输入端(20)也连接谐波发生器(22)的相加装置(24)，该相加装置(24)用于把所生成的谐波与该音频信号的和提供给该输出端(26)，其特征在于该谐波发生器(22)包括用于积分该音频信号的积分器(34)以及与该积分器(34)相连接的复位装置(36)，该复位装置(36)在复位时用于复位该积分器(34)。

2.依据权利要求1的音频系统，其特征在于使用该复位装置(36)以便根据一个复位周期来周期性地复位该积分器(34)。

3.依据权利要求2的音频系统，其特征在于使用该复位装置(36)以便根据音频信号的周期确定该复位周期。

4.依据权利要求2的音频系统，其特征在于使用该复位装置(36)以便在至少该复位周期的一部分期间复位该积分器(34)。

5.依据权利要求1-4之一的音频系统，其特征在于使用该复位装置(36)以便当该音频信号越过门限值时复位该积分器(34)。

6.依据权利要求1-4之一的音频系统，其特征在于该谐波发生器(22)还包括对音频信号整流的整流器(32)，该整流器(32)连接积分器(34)，因此已整流的信号由积分器(34)进行积分。

7.依据权利要求1-4之一的音频系统，其特征在于使用该积分器(34)以便限制已积分的信号的振幅。

8.依据权利要求7的音频系统，其特征在于使用该积分器(34)以便根据已积分的信号的振幅来停止积分。

9.依据权利要求7的音频系统，其特征在于使用该积分器(34)以便根据已积分的信号的振幅或频率来修改积分时间常数。

10.一种处理音频信号的电路(12)，该电路(12)包括：接收该音频信号的输入端(20)和输出一种输出信号的输出端(26)；连接该输入端(20)的谐波发生器(22)，该谐波发生器(22)生成该音频信号的谐波；既连接该输入端(20)也连接谐波发生器(22)的相加装置(24)，该相加装置(24)用于把所生成的谐波与该音频信号的和提供给该输出端(26)，其特征在于该谐波发生器(22)包括用于积分该音频信号的积分器(34)以及与该积分器(34)相连接的复位装置(36)，该复位装置(36)在复位时用于复位该积分器(34).

11.一种谐波发生器(22)，其特征在于该谐波发生器(22)包括用于积分该音频信号的积分器(34)以及与该积分器(34)相连接的复位装置(36)，该复位装置(36)在复位时用于复位该积分器(34)。

12.一种处理音频信号的方法，包括生成该音频信号的谐波以及提供所生成的谐波与该音频信号的和的步骤，其特征在于该生成该音频信号的谐波的步骤包括积分该音频信号以及以复位时间复位所述积分的结果的步骤。

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