CN1175182A - 由单声道信号产生多声道信号的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

一种由单声道信号产生多声道信号的方法和装置。音频信号的再现由于缺乏任何空间特性而导致令人不愉快的声音效果。因此,有必要从单声道输入信号产生双声道信号。某些公知单频带方法非常昂贵,而且仅提供不充分的空间特性效果。在本发明的情况下,首先通过滤波由单声道输入信号形成不同类型的多个信号,然后对于这些不同类型信号中的每个信号分别产生虚拟的单频带立体声信号。随后将这些立体声信号组合以产生两个输出信号。

Description

由单声道信号产生多声 道信号的方法和装置
本发明涉及用于从单声道信号产生多声道信号的方法和装置。
由于缺乏任何空间效果，单声道音频信号的再现导致令人不愉快的声音效果。因此，有必要从单个声道(单声道)输入信号电产生双声道信号(虚拟的、人工的、伪-或者准-立体声)。公知的方法可以称之为单频带方法。在J.Blauert的“空间收听”(Hirtzel Verlag，Stuttgart，1974)中对公知方法进行了归纳：
LP/HP滤波(DE-A973570)：用低通滤波器和高通滤波器分离单声道输入信号。被相应滤波的信号形成准立体声系统的左和右输出信号。然而，通过滤波产生的这种频谱分离导致一种令人不满意的空间表达；
由Japanese Audio Engineering Society，1958年第6卷，第74-79页，M.R.Schroder的“由单音频信号获得的人工立体声效果”已知对混响的应用。在一个回音室中使单声道信号发生混响。用两个麦克风来记录部分相关的信号，然后形成这个回音室的输出信号。缺点在于需要一个混响室。这一方案的另一示范实施例是为产生两个不相关的输出信号采用电子混响。如同在第一个实例中，该装置很复杂；
由Gravesaner Blatter，1956年第5卷，第28-50页，H.Laurisden，F.Schlegel的“立体声和扩散方向声音再现”(Lauridsen的原著是用挪威语出版)，以及由Japanese Acoustic Society Am.，1961年第33卷，第1061-1064页，M.R.Schroder的“改进的准立体声和‘不生动的’人工混响”，以及由Acustica，1956年第6卷，第482-488页，G.R.Schodder的“模拟一种空间的音响效果”，已知一种利用互补梳状滤波器或全通滤波器产生不同类型的信号部分的方法。在一对梳状滤波器或者在一对全通滤波器中单声道信号被滤波两次。这两个准立体声输出信号由具有互补幅度特性(亦即传递函数之和为“1”)的滤波器产生。在梳状滤波时，输入信号被延迟并衰减。为了产生左和右虚拟立体声输出信号，该信号被加到原始输入信号上和从原始输入信号中减去。如果梳状滤波器用时间离散电路实现，它们具有传递函数：
H1(z)＝1+a*z(-N)    和H2(z)＝1-a*z(-N)N是表示为样本数的延迟，“a”是衰减乘法因子。该方法产生两个输出声道的频率分割。由于某些输入信号频率仅出现在左侧，而其它的仅出现在右侧，这就产生了立体声效果。
Lauridsen方法的缺点在于未在所有频带分割两个输出信号。由于梳状滤波器中的线性分离，一些频带完全分离，而其它频带实际上保留在立体声模式的中心。通常，低频带和中频带被充分处理，但是这一方法不产生对高频带的任何改进。
本发明的目的是提出一种改进的用于由单声道信号产生准立体声信号的方法。其中借助于滤波和/或单声道信号频谱的频率加权和/或借助于源于单声道信号回声生成把单声道信号的信元分配给多声道信号的声道，由此这些声道包含第一种不同类型信号。在这种滤波、频率加权和/或回声生成之前，单声道信号的频谱被分为至少两个第二种不同类型信号，例如分为不同的频带。对于这些第二种不同类型信号中的每个分别执行滤波、频率加权和/或回声生成。对于这些第二种不同类型信号中的每个以这种方式形成的输出信号被用于通过组合来形成多声道信号的不同类型第一输出信号。
本发明的另一目的是提供一种应用按照本发明的方法的装置。其中把单声道信号的信元分配给多声道信号的声道，由此这些声道包含第一种不同类型信号，该装置包含：第一装置，它利用单声道信号的频谱来产生至少两个第二种不同类型信号，例如不同频带；第二装置，它利用滤波、频率加权和/或回声生成对于这些第二种不同类型信号中的每个产生至少两个输出信号；第三装置，它利用以这种方式形成的输出信号对于这些第二种不同类型信号中的每个通过组合来形成多声道信号的不同类型第一输出信号。
本发明运用一种多频带方法。本发明通过产生两个部分相干的信号改进了再现的质量。模拟或数字信号处理可用在这种情况下。两个部分相干的信号给出立体声效果。
在本发明的情况下，首先通过滤波由单声道输入信号形成不同类型的多个(至少两个)信号，然后分别为这些不同类型信号中的每一个产生虚拟单频带立体声信号。随后将这些立体声信号组合形成两个输出信号。虚拟立体声系统最好在每个信号路径中具有不同的参数，以便获得最大的空间效果。
本发明克服了公知准立体声系统的缺点。信号质量明显比单频带准立体声系统的常规LP/HP滤波器方法要好。
利用梳状滤波器或全通滤波器的上述Lauridsen的相对有效的方法仅产生不充分的空间效果，因为梳状滤波器频率特性的线性分割与人的听觉系统的对数频率灵敏度(大约500Hz以上)不相符。
反之，本发明使得在每个频带中利用不同类型的准立体声分割滤波器成为可能。相对于频率加以考虑，这产生优良的空间分辨率。
原理上，按照本发明的方法是通过借助于滤波和/或单声道信号频谱的频率加权，和/或借助于源于单声道信号的回声生成，把单声道信号的信元分配给多声道信号的声道，而由单声道信号产生多声道信号，由此这些声道包含第一种不同类型信号：
-在这种滤波、频率加权和/或回声生成之前，单声道信号的频谱被分为至少两个第二种不同类型信号，例如分为不同的频带；
-对于这些第二种不同类型信号中的每个分别执行滤波、频率加权和/或回声生成；
-对于这些第二种不同类型信号中的每个以这种方式形成的输出信号被用于形成不同类型第一输出信号。
原理上，按照本发明的装置用于由单声道信号产生多声道信号，单声道信号的信元被分配给多声道信号的声道，由此这些声道包含第一种不同类型信号。该装置包含：
-第一装置，它利用单声道信号的频谱来产生至少两个第二种不同类型信号，例如不同频带；
-第二装置，它利用滤波、频率加权和/或回声生成对于这些第二种不同类型信号中的每个产生至少两个输出信号；
-第三装置，它利用以这种方式形成的输出信号对于这些第二种不同类型信号中的每个形成多声道信号的不同类型第一输出信号。
下面参照附图描述本发明的示范实施例，其中：
图1示出了本发明的用于产生准立体声信号的总框图；
图2示出了N＝2的一种示范实施例的方框图。
图1示出了一个四级系统。这种系统可借助于模拟或离散时间技术产生。第一级包含单声道信号MS的补偿滤波器Hc(z)，用于补偿下一级中滤波器的信号滤波效果(例如，频率响应误差和/或相位响应误差)。没有补偿滤波器Hc(z)，总和Hi(z)(I＝1，…，N)不等于“1”。想像的单声道输出信号不会等于整个电路的输入信号，从定义上讲想像的单声道信号是左和右输出信号之和的一半。该第一级是可选择的。
下面的第二级包含N个相互匹配的滤波器，H1(z)，H2(z)，…，HN(z)，N是大于一的整数，这些滤波器的输入提供有来自补偿滤波器Hc(z)的输出信号。甚至在N＝2时也能获得很好的结果。这些滤波器产生多个不同类型的声道，它们可具有把输入信号分割为多个频带的特性，或者它们可相对于频率产生加权，也就是说对某些频率范围相对于其它频率范围作衰减。在第一种情况下，这样来设计滤波器使得它们尽可能有效地划分频带，同时，在第二种情况下，这样来设计每个滤波器使得仅放大一定的频带，尽管没有频带实际上完全被滤除。
例如，下列两种选择可用来设计滤波器Hi(z)，i＝1，…，N：
A)H1(z)高通滤波器，H2(z)，…H(n-1)(z)带通滤波器，HN(z)低通滤波器
  或任何其它这种序列。选择滤波器特性使它们将频谱分为与特定-
  例如对数-收听频率灵敏度相符的频带。
B)单元Hi(z)表示不同类型的频率加权滤波器，亦即它们不像在A)中一
  样把整个频谱分为不同频率范围，但是具有不同的幅度响应，亦即
  某些幅度被衰减，但仍是可听到的。
第三级包含若干单频带系统PS1，PS2，…，PSN，其中每一个都是在已调谐滤波器H1(z)，H2(z)，…，HN(z)的后级，分别用于每个频带中产生人工立体声信号或具有两个以上声道的多声道信号。任何公知的单频带方法可用于该目的，上述按照Lauridsen的方法是具有优越性的。最好将用于在每一频带中产生准立体声或多声道信号的参数选为不同的，这与N＝1的单频带方法相比得到了明显的改进。
在第四级中通过组合级C1和C2产生来自第三级中的单元的准立体声或多声道输出信号，级C1和C2在单频带系统PS1，PS2，…，PSN的后级，并形成左输出信号OU1和右输出信号OU2，或者借助于另外的这类组合级的其他输出信号。这种组合可以用加法和/或减法实现，也有可能进行加权。
本发明的一个示范实施例涉及特定的滤波器结构和该装置的参数。至此，打算参照图2考虑N＝2的离散时间系统，在第三级中，按照Lauridsen的方法：
    H11(z)＝1+k1*z(-N1)；
    H12(z)＝1-k1*z(-N1)；
    H21(z)＝1+k2*z(-N2)；
    H22(z)＝1-k2*z(-N2)。
数值“k1”和“k2”是衰减乘法因子，例如在fs＝48kHz的抽样频率，具有数值：
    k1＝0.65…0.85；
    k2＝0.75…0.95；
    N1＝600…1500；
    N2＝200…1000。
在该实例中的频率加权滤波器给定如下：
    H1(z)＝(1-q)/1-q*z(-1))，H2(z)＝1-q*z(-1)。
则补偿滤波器变为：
    Hc(z)＝1/[H2(z)-H1(z)]＝
    (1-q*z(-1))/[q*c1*(1-((1+q)/c1)*z(-1)+(c2/c1)*z(-2))其中c1＝1+√(1+q)，c2＝1-√(1-q)。
数值“q”是衰减乘法因子，例如具有q＝0.6…0.75的数值。
通过从H21(z)的输出信号减去H11(z)的输出信号在第一减法器S1产生第一输出信号OU1。通过从H22(z)的输出信号减去H12(z)的输出信号在第二减法器S2产生第二输出信号OU2。
k1，k2，N1，N2和q的值有益地依据节目内容搭配，也就是说对于音乐和演讲它们被选择得不同。最好选择用于演讲的k1和k2，或者其他数值，小于用于音乐时的这些值。
本发明尤其对于准立体声提供良好质量，并能够例如用在立体声电视机中，立体声无线电接收机中或者PC中，以从接收的或现有单声道信号产生准立体声信号。
除了准立体声或双声道信号外，利用适当附加数目的组合器C1、C2、S1、S2加上附加组合类型，还可产生多声道信号。

Claims (10)

1、一种由单声道信号(MS)产生多声道信号(OU1，OU2)的方法，其中借助于滤波和/或单声道信号频谱的频率加权和/或借助于源于单声道信号的回声生成把单声道信号的信元分配给多声道信号的声道，由此这些声道包含第一种不同类型信号，其特征在于：
-在这种滤波、频率加权和/或回声生成(PS1，PS2，…，PSN；H11(z)，H12(z)，H21(z)，H22(z))之前，单声道信号的频谱被分为至少两个第二种不同类型信号，例如分为不同的频带(H1(z)，H2(z)，…，HN(z))；
-对于这些第二种不同类型信号中的每个分别执行滤波、频率加权和/或回声生成；
-对于这些第二种不同类型信号中的每个以这种方式形成的输出信号被用于通过组合来形成(C1，C2，S1，S2)多声道信号的不同类型第一输出信号(OU1，OU2)。
2、如权利要求1所述的方法，其特征在于：多声道信号是双声道信号。
3、如权利要求1或2所述的方法，其特征在于：对第二种不同类型信号中的每个形成两个输出信号。
4、如权利要求1至3之一所述的方法，其特征在于：利用不同参数来实现第二种不同类型信号的输出信号在每一信号路径(PS1，PS2，…，PSN；H11(z)，H12(z)，H21(z)，H22(z))中的生成。
5、如权利要求1至4之一所述的方法，其特征在于：在被分为第二种不同类型信号之前单声道信号(MS)通过补偿滤波(Hc(z))，该补偿滤波(Hc(z))与后面的信号处理级的特性相匹配。
6、如权利要求1至5之一所述的方法，其特征在于：利用Lauridsen方法(PS1，PS2，…，PSN；H11(z)，H12(z)，H21(z)，H22(z))来产生第二种不同类型信号的输出信号。
7、一种用于由单声道信号产生多声道信号的装置，其中把单声道信号的信元分配给多声道信号的声道，由此这些声道包含第一种不同类型信号，该装置包含：
-第一装置(H1(z)，H2(z)，…，HN(z))，它利用单声道信号的频谱来产生至少两个第二种不同类型信号，例如不同频带；
-第二装置(PS1，PS2，…，PSN；H11(z)，H12(z)，H21(z)，H22(z))，它利用滤波、频率加权和/或回声生成对于这些第二种不同类型信号中的每个产生至少两个输出信号；
-第三装置(C1，C2，S1，S2)，它利用以这种方式形成的输出信号对于这些第二种不同类型信号中的每个通过组合来形成多声道信号的不同类型第一输出信号(OU1，OU2)。
8、如权利要求7所述的装置，其特征在于：多声道信号是双声道信号。
9、如权利要求7或8所述的装置，其特征在于：对于第二种不同类型信号中的每个形成两个输出信号。
10、如权利要求7至9之一所述的装置，其特征在于：第二装置(PS1，PS2，…，PSN；H11(z)，H12(z)，H21(z)，H22(z))利用Lauridsen方法来产生输出信号。
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