CN1228997C - 环绕声再生电路 - Google Patents
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Abstract
一种环绕声再生电路，包括第一加法器，用于产生被输入的L信号和R信号的差信号，连接到第一加法器输出侧的低通滤波器，以及第二和第三加法器，用于把作为环绕声信号的低通滤波器输出信号与L信号和R信号以彼此反向的相位关系混合起来。在频带20Hz到20KHz的频带内减少了相位的变化且定位能够变得确定，而且，减少了刺耳的高通成分。于是，能够实现具有自然扩展的环绕声效果。此外，还能够降低所需的电容器数目。
Description
技术领域
本发明涉及环绕声再生电路，用于L信号(左信号)和R信号(右信号)两声道输入立体声信号，从而通过两个扬声器产生环绕声效果。
发明背景
大多数人类可听到的话音的频率集中在300Hz到3.5KHz附近。1KHz的频率对于谈话的清晰度是重要，而其波长大约为30cm。于是，如果话音从头的横向左侧到达，它是以对左耳的反相位到达右耳的，因为右耳与左耳比较大约远15cm。更具体来说，在相同声音从左和右到达的情形下，听者的感觉是声源像呈现在前方。
然而，就L-R信号而言，对R信号形成相位变化和音量差。因而，L-R信号的音源被定位在左侧180°范围内，以至人感觉声音只是来自左侧。就R-L信号而言，类似地，R-L信号的音源被定位在右侧180°范围内，以至人感觉声音只是来自右侧。
另一方面，在声音来自前方的情形下，话音频带(300Hz到5KHz)通过耳垂和耳孔被强化。在声音只是来自侧面的情形下，频率特性几乎是平坦的。
于是，为了使来自前方的L-R信号的声音装扮成来自左侧的声音，必须将L-R信号的话音频带(300Hz到5KHz)的电平降低到预定的量。类似地，为了使来自前方的R-L信号的声音装扮成来自右侧的声音，必须将R-L信号的话音频带(300Hz到5KHz)的电平降低到预定的量。
传统的环绕声再生电路在左前方和右前方各配置一个扬声器，从立体声的L信号和R信号产生L侧环绕声信号作为L-R信号，该立体声信号是从输入端21和22由加法电路23输入的，向具有图9的频率特性的带阻滤波器(BEF)24输入一个差信号，从而如图8所示降低话音频带(300Hz到5KHz)的电平。
具有这样被调节的频率特性的L侧环绕声信号的增益进一步由运算放大器25和电阻器R7和R8组成的可变增益放大器调节，并由加法器26精确地加到L信号线，并由加法器27反相转换为R侧环绕声信号加到R信号线，这样被输出到输出端28和29。标号30，31，32和33表示缓冲器。
这样，容易由人耳强化而察觉到方向感的话音信号分量被除去，并且频带中几乎察觉不到方向的混响声音或回音被加强并与L信号或R信号混合，强化了相位的变化和音量之间的差。于是实现了环绕声效果。
图10是表示另一传统的环绕声再生电路，其中较高阶的带阻滤波器由运算放大器34，连接在运算放大器34输出端和反向输入端之间的电阻器R9与电容器C3的并联电路，以及连接在反向输入端与地之间的电阻器R10和电容器C4的串联电路组成。通过带阻滤波器，话音频带(300Hz到5KHz)的电平被以图8中的带阻滤波器24相同的方式降低。
在使用高于第二阶的多个滤波器以加强环绕声效果的电路中，有一个问题，即增加了相位的变化，使得音源像定位不清晰并引起有失真感的环绕声。
而且在图8所示的传统环绕声再生电路中，为了构成带阻滤波器24至少需要两个电容器，图10所示的环绕声再生电路也是这样。这些电容器一般需要大的电容量。在整体形成为IC时，很难在IC中形成电容器。因此，必须外部附加电容器。因而，有这样的问题，即IC引脚的数目增加。
此外，在图8和10所示的传统的环绕声再生电路中，如果扬声器之间的间隔小，例如20cm或更小，则通过加法器26和27相反相位彼此相加的环绕声信号在空间抵消。于是，还有这样的问题，即不能获得充分的环绕声效果。
本发明的目的是要提供一种环绕声再生电路，其中不增加相位的变化且音源的定位变得确定，此外，滤波器能够被简化，并且即使扬声器之间的间隔小也能获得优秀的环绕声效果。
发明概述
根据本发明的第一方面，提供一种环绕声再生电路，该电路包括第一加法器，用于产生被输入的L信号和R信号的差信号，连接到第一加法器输出侧的低通滤波器，以及第二和第三加法器，用于把作为环绕声信号的低通滤波器输出信号与L信号和R信号以彼此反向的相位关系混合起来。
根据本发明的第二方面，一相移电路连接到第二或第三加法器的输出侧，该相移电路在输入信号的全频带具有几乎不变的增益，并适于根据输入信号频率的增加进行从0到180°变化的相移。
根据本发明的第三方面，一个放大器或衰减器连接到第二或第三加法器的输出侧，并设置L信号声道与R信号声道之间的增益差为3dB或更大。
根据本发明的第四方面，低通滤波器具有700Hz到2KHz的截止频率及-6dB/oct的衰减特性。
根据本发明的第五方面，一可变增益放大器被插入到低通滤波器的输出侧，且可变增益放大器的输出信号以彼此相反的相位关系输入到第二和第三加法器。
根据本发明的第六方面，相移电路由这样一种相移电路代替，该电路在输入信号的全频带内具有几乎不变的增益，并适于在300Hz到3.5KHz的频带内进行从90到175°变化的相移。
根据本发明的第七方面，其中相移电路由这样相移电路代替，该电路在输入信号的全频带内具有几乎不变的增益，并适于在1KHz的频率处进行从120到170°变化的相移。
附图简述
图1是根据本发明第一实施例的环绕声再生电路的电路图；
图2是图1中的低通滤波器的频率特性图；
图3是图1中的低通滤波器的电路图；
图4是根据本发明第二实施例的环绕声再生电路的电路图；
图5是图4中相移电路的相位和增益频率特性图；
图6是图4中的相移电路的电路图；
图7是根据本发明第三实施例的环绕声再生电路的电路图；
图8是传统的环绕声再生电路的电路图；
图9是图8中带除阻波器的频率特性图；以及
图10是另一传统的环绕声再生电路的电路图。
具体实施方式
使用各种音乐源对环绕声效果反复实验后，确认L-R和R-L信号分量很少包含声音成分并只能听到回音。换言之，L-R和R-L信号分量有很少的300Hz或更低的频率成分并主要包含具有高频的轻音“Sa，Si，Su，Se，So”以及大约5KHz或更低的回音成分。
这样，L-R和R-L信号分量很少包含话音频率成分并主要包含高频成分。因而，能够确认L-R和R-L信号分量的话音频率成分(300Hz到3KHz)的电平不需要大大降低。
此外，L-R和R-L信号的3KHz频率成分包含刺耳的信号分量。因而，有必要通过滤波器除去这种信号分量，以便不影响少量包含话音频带的1KHz附近的信号。然而，具有接近3KHz或更低频率的回音通过截止频率为900Hz及不小于-12dB/oct的锐衰减特性的低通滤波器被衰减并减少。于是，不能获得足够的环绕效果。
为了在3KHz频率处将衰减量从大约-6dB减少到-12dB，使用截止频率为700Hz到2KHz且有-6dB/oct缓衰减特性的低通滤波器。使用截止频率为2KHz的低通滤波器3KHz频率的衰减量大约为-6dB，使用截止频率900Hz的低通滤波器为-10dB，使用截止频率700Hz的低通滤波器，衰减量为-12dB。
利用任何低通滤波器都能够获得所希望的环绕声效果。特别是，使用截止频率为900Hz具有-6dB/oct缓衰减特性的低通滤波器，在频带20Hz到2KHz内减小了相位的变化，且定位变得明确，并进而，减小了刺耳的高通成分。于是，能够实现具有自然扩展感的环绕声效果。
此外，截止频率为900Hz缓衰减特性为-6dB/oct的低通滤波器可只由一个电阻器和一个电容器构成。于是，与使用多个传统的高于二阶的滤波器的情形比较，可以降低电容器的数目。
第一实施例
图1是表示根据本发明第一实施例的环绕声再生电路，这是在考虑上述各方面的情形做出的。标号1表示L信号输入端，标号2表示R信号输入端，标号3和4表示缓冲器，标号5表示用于产生L-R信号的加法器，标号6表示截止频率为900Hz，缓衰减特性为-6dB/oct的低通滤波器，标号7表示运算放大器，它与电阻器R1和R2一同构成可变增益放大器，标号8和9表示加法器，标号10和11表示缓冲器，标号12表示L信号输出端，且标号13表示R信号输出端。
加法器5进行从L信号减去R信号的处理，并除去用于将音源像定位在中心的信号分量，因而抽取了在L侧的环绕声信号分量。这样获得的L-R信号分量有很少的300Hz或更低的低频成分，并主要包含具有声音和回声的高频的“Sa，Si，Su，Se，So”成分。
信号分量被输入到低通滤波器6以便除去具有高于900Hz频率的高通成分。虽然L-R信号分量中3KHz或更高的频率成分具有刺耳的信号分量，但这种信号分量被低通滤波器6除去。如图2所示，低通滤波器6的截止频率为900Hz，缓衰减特性为-6dB/oct。因而，作为话音频带的1KHz附近的信号没有受到大的影响。
由运算放大器7和电阻器R1和R2构成的可变增益放大器调节从低通滤波器6输出的L-R信号分量的增益。这时，电阻器R1和R2的值中至少有一个被改变。于是，当L-R信号分量作为L侧环绕声信号加到原始L信号且L-R信号分量被反向并作为R侧环绕信号加到原始R信号时，相加的量可调节。
如图3所示，低通滤波器6可由一个电阻器R3和一个电容器C1构成。这样，低通滤波器6能够由一个电容器构成。然而，由于电容量的值增加，当整体形成IC时，低通滤波器6是从外部附加到IC的。这种情形下，只要另外提供一个IC引脚即可。低通滤波器还能够使用具有高输出阻抗的gm放大器，以便采用低电容量的电容器。然而，如果电容器是被放在IC中而构成低通滤波器，则S/N可能劣化。因此，最好在外部附着电容器。
虽然在上述实施例中低通滤波器6的截止频率为900Hz缓衰减特性为-6dB/oct，但如果截止频率范围是从700Hz到2KHz，仍能够获得所希望的环绕声效果。
此外，当从加法器5中取出L-R信号时，也可以取出R-L信号。在这种情形下，R-L信号的相位最好应当被反向，并由加法器8加到原始的L信号上，并应当以原来的相位由加法器9加到原始的R信号上。
第二实施例
以下实事已经被确认。更具体来说，如果两个声道之间的增益差在输入信号的全频率范围内几乎不变，并随着频率的增加在两个声道之间相位能够从0°到180°移动，则音源像能够被定位在前方。特别是，如果相位差的范围在300Hz到3.5KHz的频带内是从90°到175°(90°对300Hz而175°对3.5KHz)，则音源像能够被定位在前方。而且，如果相移量在频率1KHz处在两个声道之间有120°到170°的相位差，则音源像能够被很好地定位，以至能够获得有扩展感觉的立体声效果。此外还确认，如果相位差在1KHz附近的频率处小于120°，则消除了扩展的感觉，并且如果相位差大于170°，则音源像被定位在一个方向。
图4是表示根据本发明的第二实施例的环绕声电路的框图，该电路是考虑上述方面构成的。与图1所示的环绕电路相同的部件用相同的标号表示。本实施例中，用于相移的相移电路14插入在加法器8与缓冲器10之间。
图5是相移电路14中的增益和相位的频率特性图，其中的特性是基于确认的结果而被确定的。在一全频率范围内增益几乎不变，并且根据频率的增加，相位被从0°到180°移动，特别是，在300Hz频率处，相位被移动90°。在300Hz到3.5KHz频带内进行从90°到175°变化的相移。尤其是，在1KHz频率处进行从120°到170°(例如，147°)变化的相移。图6是表示相移电路14的内部结构的电路图，该电路是由电阻器R4到R6，电容器C2及运算放大器15构成的。
具有图5所示频率特性的相移电路14被插入到L声道，以进一步加强环绕效果。因而，由配置在大约20cm这样的小距离的扬声器能够产生充分的环绕声效果。相移电路14还能够插入到R声道侧。
第三实施例
图7是表示根据本发明的第三实施例的环绕声再生电路的框图。放大器16插入在图4所示根据本发明第二实施例的环绕声再生电路中的相移电路14和缓冲器10之间并使之产生3dB或更大的增益。其结果是，在两个声道之间在全频带内形成3dB或更大的增益差。因而，即使扬声器之间的间隔比较小，例如为20cm，也能够产生所希望的环绕声效果。
放大器16还可以插入在加法器8和相移电路14之间，或R声道侧的加法器9与缓冲器11之间。此外，还可以用具有3dB或更大衰减因子的衰减器代替放大器16插入在上述位置。在任何情形下都可获得相同的效果。
如上所述，根据本发明，L信号和R信号的差信号分量的中通和高通频率成分被低通滤波器衰减。因而，与使用传统的带阻滤波器的情形相比，在20Hz到20KHz的频带内减小了相位的变化，且定位能够变得确定，此外，刺耳的高通成分也被减小。于是，能够实现具有自然扩展的环绕声效果。而且，能够降低所需的电容器数。
此外，相移电路具有这样的特性，增益在全频率范围内几乎不变，并且相位从0到180°根据频率的增加而变化，这样的相移电路被插入在声道之一。于是在扬声器之间的间隔小，例如大约20cm的情形下，也能够防止以彼此相反相位相加的环绕声信号在空间被抵消。
通过在声道之一插入放大器或衰减器，使声道之间增益差为3dB或更大，即使扬声器之间的间隔为20cm或更小，也能够产生出色的环绕声效果。
Claims (6)
1.一种环绕声再生电路，包括第一加法器，用于产生被输入的L信号和R信号的差信号；连接到第一加法器输出侧的低通滤波器；以及第二和第三加法器，用于把作为环绕声信号的低通滤波器输出信号与L信号和R信号以彼此反向的相位关系混合起来，其中，一相移电路被连接到第二或第三加法器的输出侧，该相移电路在输入信号的全频带具有几乎不变的增益，并适于根据输入信号频率的增加进行从0到180度变化的相移。
2.权利要求1的环绕声再生电路，其中一个放大器或衰减器被连接到第二或第三加法器的输出侧，并设置L信号声道与R信号声道之间的增益差为至少3dB。
3.权利要求1或2的环绕声再生电路，其中低通滤波器具有700Hz到2KHz的截止频率及-6dB/oct的衰减特性。
4.权利要求1或2的环绕声再生电路，其中在低通滤波器的输出侧插入一可变增益放大器，且可变增益放大器的输出信号以彼此相反相位的关系输入到第二和第三加法器。
5.权利要求1或2的环绕声再生电路，其中相移电路由这样一种相移电路代替，该电路在输入信号的全频带内具有几乎不变的增益，并适于在300Hz到3.5KHz的频带内进行从90到175度变化的相移。
6.权利要求1或2的环绕声再生电路，其中相移电路由这样相移电路代替，该电路在输入信号的全频带内具有几乎不变的增益，并适于在1KHz的频率处进行从120到170度变化的相移。
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