CN1235505A - 声像定位装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明数据:产生在第1定位位置定位声像的第1经处理信号和在第2定位位置定位声像的第2经处理信号;将第1和第2经处理信号中的一个乘以在0～1范围中改变的系数k;将另一个信号乘以系数1－k;将用系数k相乘的经处理信号与用系数1－k相乘的经处理信号相加;当确定预定位置在离听者前面圆周方向角度θ上时,第1定位位置是在预定位置的附近,并设置在离听者前面圆周方面角度θ₁(θ₁< θ)上,而第2定位位置是在预定位置的附近,并设置在离听者前面圆周方向角度θ₂(θ₂< θ)上。

Description

声像定位装置和方法

本发明涉及定位声像的装置和方法。

通常，能播送立体声重放的家用电视机包含一对扬声器(即左扬声器和右扬声器)。然而由于这种电视机中安装扬声器的宽度有限，不可能满意地享受立体声重放效果。而且，如果这种电视机采用“环绕系统”，则经常难以装备环绕扬声器。

这种情况下，音频信号须经声像的定位处理(即通过采用头部有关的传递函数(HRTF))，并将经处理的信号加到扬声器，从而在并非实际配置扬声器的位置上确定声像(即虚拟扬声器)。虚拟扬声器使听者感觉到在实际所配置的扬声器之间的距离被展宽，或者感觉到听到来自听者侧面或后面的重放声，尽管实际上只有两个正面的扬声器被置于听者的前面。

一般说，在移动的声像的场合，尽管取决于听者，但在预定位置确定声像是相对容易的。相反，在固定的声像的场合，则以在预定位置确定声像。

为克服上述问题，业已提出在预定位置使听者识别声像的技术。当确定位置在离听者前面圆周方面上角度θ时，该技术包括产生(ⅰ)在设置于离听者前面圆周方向角度θ₁(θ₁＜θ)的第1定位位置上定位声像的第1经处理的信号，及(ⅱ)在设置于离听者前面圆周方向角度θ₂(θ₂＜θ)的第2定位位置上定位声像的第2经处理的信号；以及将第1和第2经处理信号交替地加到扬声器上，从而在第1和第2定位位置上交替地定位声像，使听者识别预定位置上的声像。

然而，由于这种技术绕着预定位置交替的声像定位的规律性，使听者听起来有不自然的感觉。

下面将描述移动的声像的情况。

在其中听者的左和右前侧配置一对扬声器并将单个音频信号分成两个分支信号加到各自扬声器的装置，能在扬声器之间的左或右方向上移动声像。声像的移动是通过例如连续地增大分支信中之一的幅值(电平)以及连续地减小另一个分支信号的幅值来实现的。

但是，在简单地增大和减小分支信号的幅值时，听者会经常感觉到当声像被确定在扬声之间的中点时该声像移到扬声器后面的区域中。为使听者感觉到声像在扬声器之间左或右方向上移动，通常采用下述步骤。

(ⅰ)当声像被确定在左右扬声器间中点时，步骤包括分别增加少量分支信号的幅值。(ⅱ)当声像从左或右侧移到扬声器间的中点时，步骤包括事先将频率分量偏移到高频侧，然后当声像移向扬声器间的中点时将经偏移的分量移回到原来的频率上。反之，当声像从扬声器间中点移向左或右侧时，步骤包括事先将频率分量偏移到低频侧，然后当声像移向左或右侧时将经偏移的分量移回到原来的频率上。换句话说，步骤包括组合多普勒效应。另一方面，(ⅲ)当声像从左或右侧移向扬声器间中点时，步骤实际上包括增加分支信号的高频分量和减小其低频分量。反之，当声像从扬声器间中点移向左或右侧时，步骤实际上包括增大分支信号的低频分量和减小其高频分量。

如上所述，相对地易使听者感觉声像在左或右方向上移动。但是，只用两个扬声器(即左和右扬声器)情况下，难以使听者感觉声像相对于听者的向前和向后移动。

例如，通过逐步增加分支信号的幅值，当声像正趋近听者时能使听者感觉声像酢趋近听者到某些程度。尤其当画面图像与声像伴随时，这种感觉更为加强。但是这不可能使听者感到声像正充分地趋近近者或者向听者的背后移动。

为克服上述问题，业已提出下述的技术。如图26所示，当加到左扬声器211和右扬声器212的分支信号具有相同的信号(即相关系数为1)，则听者212感到声像213位于扬声器211和212间中点背后的位置上；当分支信号之间的相位差为90度(即相关系数为零)时，则听者214感到声像213在扬声器211和212间的区域221中被展宽；当分支信号之间的相位差为180度(即相关系数为-1)时，则听者214感到声像213位于听者214后面的区域222中。这一技术包括通过改变分支信号之间的相位差(即采用如图26所示的关系)相对于听者向前、向后移动声像213。

但是，即使利用上述技术，也不可能使听者清晰地感到声像213相对于听者前后移动。

如上所述，渴望要求确定提供听起来感觉自然的声像的装置和方法。

本发明包括：在听者的前方配备左扬声器和右扬声器的步骤；对音频信号经受声像定位处理，从而产生经处理的信号；将该经处理的信号加到左右扬声器，以在预定的位置定位声像。该方法中还包括：产生在第1定位位置定位声像的第1经处理信号和在第2定位位置定位声像的第2经处理信号；将第1和第2经处理信号中的一个乘以在0～1范围中改变的系数k；将另一个信号乘以系数1-k；将用系数k相乘的经处理信号与用系数1-k相乘的经处理信号相加；当确定预定位置在离听者前面圆周方向角度θ上时，第1定位位置是在预定位置的附近，并设置在离听者前面圆周方面角度θ₁(θ₁＜θ)上，而第2定位位置是在预定位置的附近，并设置于离听者前面圆周方向角度θ₂(θ₂＜θ)上。

在本发明的一个实施例中，系数K的频谙具有1/f特性。

在本发明的另一实施例中，系数K的产生包括输出具有高度为1的矩形脉冲形状的、随机脉冲宽度和间隔的随机信号，以及在积分电路中积分该随机信号。

在本发明的又一实施例中，系数K的产生包括用平方远算电路对音频信号求平方，以及通过低通滤波器处理该经平方的信号。

在本发明的再一实施例中，音频信号是2通道立体声信号，并从通道之一的信号、两个通道的相加信号、或两个通道的相差信号中选择产生系数的信号。

依照本发明的另一个方面，提供定位声像的装置。该装置包括：配置于听者前面的左右扬声器；用于对音频信号经受声像定位处理以产生经处理的信号的设备；将该经处理的信号加到左右扬声器以在预定位置上定位声像的设备。该装置还包括：产生在第1定位位置定位声像的第1经处理信号的设备；产生在第2定位位置定位声像的第2经处理信号的设备；产生在0-1范围内改变系数k的设备，将第1和第2经处理的信号中的一个乘以系数K的设备；将另一个信号乘以系数1-K的设备；以及将乘以K的经处理信号与乘以1-K的经处理信号相加的设备并将经相加的信号加到左右扬声器的设备。当确定预定位置在离听者前面圆周方向角度θ时，第1定位位置是在预定位置的附近，并设置在离听者前面圆周方向角度θ₁(θ₁＜θ)上，而第2定位位置是在预定位置的附近，并设置在离听者前面圆周方向角度θ₂(θ₂＜θ)上。

依照本发明的再一个方面，提供移动声像的方法。该方法包括步骤：产生音频信号；将单个音频信号分成两个分支信号；偏移该音频信号或分支的信号的频率成分；放大该音频信号或分支的信号的幅值；改变分支信号之间的相位差；以及将分支信号加到左右扬声器。组合该偏离的频率成分、幅值的改变以及相位差的改变使听者感到声像相对于听者的前后移动。

在本发明的一个实施例中，所述组合包含步骤：增大分支信号的幅值；增大分支信号之间的相位差从零到180度；当相位差保持在180度附近时减小分支信号的幅值；以及向低频偏移分支信号的频率成分。

在本发明的另一实施例中，所述组合包含步骤：当保持分支信号的幅值互相相等时保持分支信号之间的相位差在180度左右；减小幅值和相位差到零左右；以及向低频侧偏移分支信号的频率分量。

依照本发明的再一个方面，提供移动声像的装置。该装置包括：产生单个频率信号的源；将单个音频频率分成两个分支信号的设备；偏移音频信号或分支信号的频率成分的设备；放大音频信号或分支信号的幅值的设备；改变分支信号之间相位差的设备；以及对之分别加上分支信号的左右扬声品。组合偏移设备、放大设备和相位差改变设备使听者感到声像相对于听者前后移动。

因而，这里描述的本发明使可能有优点：(1)提供定位听起来感觉自然的声像的装置；和(2)定位听起来感觉自然的声像的方法。

当参看附图阅读和理解下面的详细描述后本发明的这些和其他优点对于业内熟练的人士将显而易见。

图1为说明本发明定位声像的装置的实施例的方块图。

图2为采用图1的装置说明声像定位处理的的配置图。

图3为说明图1的1和第2信号处理设备例的方块图。

图4为说明图1的第1和第2信号处理设备另一例的方块图。

图5为说明图1的产生系数K的设备例的方块图。

图6A表示从图5的随机信号发生器的输出。

图6B表示从图5的积分电路的输出。

图7为说明图1的产生系数K的设备的另一例的方块图。

图8A表示从图7的信号选择电路的输出。

图8B表示从图7的求平方电路的输出。

图8C表示从图7的低通滤波器的输出。

图9为说明本发明θ₁、θ₂和θ之间关系数的图。

图10为说明本发明定位声像的装置的另一实施例的方块图。

图11为说明图10的装置例的方块图。

图12表示图11所示的每一移相滤波器(APF)输出的相位延迟与数频率之间的关系曲线。

图13表示图12所示APF输出信号间的相位差与对数频率之间的关系曲线。

图14为说明图11的APF例的线路图。

图15A为说明图14的可变电阻例的电路图。

图15B为说明图14的可变电阻另一例电路图。

图16为说明图11的APF另一例电路图。

图17为说明图16的可变电容例的电路图。

图18为说明加到VCO的电压V1和音频信号S1的频率(两者如图11中所示)之间的关系曲线。

图19为说明加到VCA的电压V2和分支信号S2的频率(两者如图11中所示)之间的关系曲线。

图20为说明图11中所示的分支信号S3和S4之间的相位差曲线。

图21为说明加到VCO的电压V1和音频信号S1的频率(两者如图11所示)之间的关系曲线。

图22为说明加到VCA的电压V2和分支信号S2的频率(两者如图11所示)之间的关系曲线。

图23的说明图11所示的分支信号S3和S4之间的相位差曲线。

图24为说明本发明定位声像的装置的又一个实施例的方块图。

图25为说明图24的数字APF的信号流方块图。

图26为说明定位声像的常规方法的图。

以下结合附图说明本发明的较佳实施例。在本发明书中，“定位声像”一词不仅包括在规定位置上形成声像，而且包括移动声像。

实施例1

参看附图1～9，说明本发明的实施例。

图1的说明本发明的装置的方块图。声像定位装置(虚拟扬声器处理装置)包括：输入音频信号的第1和第2输入端1和2，连接到左扬声器SPL的第1输出端3和连接到右扬声器SPR的第2输出端4。虽然在图1中示出2通道立体声作为音频信号的例子，但音频信号也可以是单声道信号。

图2表示扬声器SPL和SPR的配置。如图2所示，一对扬声器(左扬声器SPL和右扬声器SPR)配备在听者M的前面。

如图9所示，声像定位装置使听者M识别预定位置P上的声像。这里，位置P位于离开听者M前面F圆周方向(即反时针方向)角度θ，本发明的这一实施例包括：(1)在预定位置P的附近并设置在离听者前面F的圆周方向θ₁角度(θ₁＜θ)上的第1定位位置P1上定位声像(虚拟扬声器)，(2)在预定位置P的附近并设置在离听者前面F的圆周方向的θ₂角度(θ₂＞θ)上的第2定位位置P2上定位声像(虚拟扬声器)。

再如图9所示，当确定位置P在离开听者的前面F的另一圆周方向(即顺时针方向)-θ角度上时，本发明的这一实施例包括：(1)在预定位置P的附近并设置在离听者前面F的圆周方向的-θ₁角度上的第1定位位置P1上定位声像(虚拟扬声器)，(2)在预定位置P的附近并设置在离听者前面F的圆周方向的-θ2角度上的第2定位位置P2上定位声像(虚拟扬声器)。

θ和θ1之间的差异与θ和θ2之间的差异可以相同或可以不同。θ和θ1之间或θ和θ2之间的差异可以是任何适当的角度值，通常可以是30度左右或更小些。

声像定位装置包括第1信号处理设备(第1虚拟扬声器处理设备)11和第2信号处理设备(第2虚拟扬声器处理设备)12。第1和第2设备连接到输入端1和2。第1信号处理设备11用于在第1定位位置P1处定位声像并输出左扬声器SPL的第1L-信号和右扬声器SPR的第1R-信号。第2信号处理设备12用于在第2定位位置P2处定位声像，并输出左扬声器SPL的第ZL-信号和右扬声器SPR的第2R-信号。

第1和第2信号处理设备11和12是典型的信号处理电路。例如，设备11和12可以是“桥式”滤波器或“混合式”滤波器。具体地说，声像定位装置可以包括一对桥式滤波器或一对混合式滤波器。通过采用这种滤波器为听者提供“环绕”感觉的定位声像的方法已由本发明者所提出。

如图3所示，桥式滤波器包括：(ⅰ)第1L滤波部分(第1L信号处理部分)F1L，它连接到第1输入端1并输出左扬声器SPL的输出信号；(ⅱ)第1R滤波部分(第1R信号处理部分)F1R，它接到第1输端1并输出右扬声器SPR的输出信号；(ⅲ)第2L滤波部分(第2L)信号处理部分)F2L，它接到第2输人端2并输出左扬声器SPL的输出信号；(ⅳ)第2R滤波部分(第2R信号处理部分)F2R，它接到第2输入端2并输出右扬声器SPR的输出信号；(ⅴ)相加设备M8将第1和第2L滤波部分F1L和F2L的输出信号相加，产生第1L处理信号或第2L处理信号；(ⅵ)相加设备M9将第1和第2R滤波部分F1R和F2R的输出信号相加，产生第1R处理信号或第2R处理信号。分别定义第1L滤波部分F1L、第1R滤波竞分F安全R、第2L滤波部分F2L和第2R滤波部分F2R的传递函数为H11、H₁₂、H₂₁和H₂₂。传递函数的细节描述如下。

例如，在如图2所示听者的侧面或背面的位置处定位声像(即虚拟左和右扬声器)ZL和ZR的情况下，第1L滤波部分F1L、第1R滤波部分F1R、第2L滤波部分F2L和第2R滤波部分F2R的传递函数H11、H12、H21和H22可通过利用头部有关的传递函数h_LL、h_LR、h_RL,h_RR,h_L′L、L_L′R、h_R′L和h_R′R来得到。这里，h_LL是从左扬声SPL到听者M的左耳的头部有关传递函数，而h_LR是从左扬声器SPL到听者M的右耳的头部有关传递函数，而h_RR是从右扬声器SPR到听者M右耳的头部有关的传递函数；h_L′L上从虚拟左扬声器ZL到听者M左耳的头部有关传递函数，而h_L′R是虚拟左扬声器ZL到听者M右耳的头部有关传递函数；以及h_R′L是从虚拟右扬声器ZR到听者M左耳的头有关传递函数，而h_R′R是从虚拟右扬声器ZR到听者M右耳的头部有关传递函数。其计算步骤如下。

首先，从扬声器SPL和SRL到听者M的耳朵的头部有关传递函数定义为矩阵[h]，从虚拟扬声器ZL和ZR到听者M耳朵的头部有关传递函数定义为矩阵[h′]从虚拟扬声器ZL和ZR到听者M耳朵的头部有关传递函数定义为矩阵[h′]，以及定义桥式滤波器的矩阵为[H]如下： $\&lsqb;h\&rsqb;={\left[\begin{array}{cc}{h}_{\mathrm{LL}}& h_{\mathrm{LL}}\\ h_{\mathrm{LL}}& h_{\mathrm{LL}}\end{array}\right]}^T--------\left(1\right)$ $\&lsqb;h\&prime;\&rsqb;={\left[\begin{array}{cc}{h}_{L\&prime;L}& h_{L\&prime;R}\\ h_{R\&prime;L}& h_{R\&prime;R}\end{array}\right]}^T--------\left(2\right)$ $\&lsqb;H\&rsqb;={\left[\begin{array}{cc}{H}_{11}& H_{12}\\ H_{21}& H_{22}\end{array}\right]}^T--------\left(3\right)$

根据图2和3所示的关系，满足如下关系：

[h′]=[h][H]      (4)

如[h]≠0，则可从式(4)导出式(5)：

[H]=[h]^-1[h′]    (5)

可利用式(5)得到第1L滤波部分F1R、第1R滤波部分F1R、第2L滤波部分F2L和第2R滤波部分F2R的传递函数H₁₁、H₁₂、H₂₁和H₂₂如下：

H₁₁=(h_RRh_L′L-h_L′R)/(h₁₁h_RR-h_LRh_RL)        (6)

H₁₂=(h_LLh_L′R-h_LRh_L′L)/(h_LLh_RR-h_LRh_RL)    (7)

H₂₁=(h_RRh_R′L-h_RLh_R′R)/(h_LLh_RR-h_LRh_RL)    (8)

H₂₂=(h_LLh_R′R-h_LRh_R′L)/(h_LLh_RR-h_LRh_RL)    (9)

另一方面，如图4所示，混合式滤波器包括：第1滤波部分(第1信号处理部分)F1；第2滤波部分(第2信号处理部分)F2；相加设备M1，将输入到第1和第2端1和2的音频信号相加并将相加后的信号输入至第1滤波部分FA一；相减设备M2，计算输入至第1和第2端1和2的音频信号的差信号并将差信号输人到第2滤波部分F2；相加设备M10，将第1和第2滤波部分F1和F2的输出信号相加以产生第1L经处理信号或第2L经处理信号；相减设备M11，从第1滤波部分F1输出信号减去第2滤波部分F2的输出信号以产生第1R经处理信号或第2R经处理信号。

通常，混合式滤波器用于左和右扬声器SPL和SPR及左和右声像(虚拟滤波器)ZL和ZR对称地配置于听者M左右的情况下。

在上述情况下，描述第1和第2滤波部分F1和F2的传递函数H_SUM和H_DIF。利用上述的头部有关传递函数h_LL、h_LR、h_RL、h_RR、h_L′L、h_L′R和h_R′L和h_R′R可求得传递函数H_SOM和H_DIF如下：

首先，由于扬声器(真实的和虚拟的扬声器)关于听者对称地配置，式(6)至(9)中满足h_LL=H_RR、h_LR=h_RL、h_L′L=h_R′R和h_L′R=h_R′L的关系。结果，H₁₁=H₂₂和H₁₂=H₂₁得到满足。

其次，如用ha代替h_LL和h_RR,hb代替h_LR和h_RL,ha′代替h_L′L和h_R′R以及hb′代替h_L′R和h_R′L，则由下表示传递函数H_SUM和H_DIF：

H_SUM=(ha′+hb′)/(ha+hb)

H_DIF=(ha′-hb′)/(ha-hb)

图1中，K1L和K1R分别表示第1L系数相乘设备和第1R系数相乘设备。第1L和R系数相乘设置K1L和K1R分别以系数k乘以第1L经处理信号和第1R经处理信号(这些信号来自第1信号处理设备11)。系数k在范围0至1中任意地改变。K2L和K2R分别表示第2L系数相乘设备和第2R系数相乘设备。第2L和R系数相乘设备K2L和K2R分别以系数1-k乘以第2L经处理信号和第2R经处理信号(这些信号来自第2信号处理设备12)。

较好的是系数k的频谱具有1/f特性。由于1/f提供生理学的性质，所以可以用具有1/f特性的系数消除听者的不自然感觉。下面描述产生具有1/f特性的系数的方法。

如图5、6A和6B所示，该方法包括从随机信号发生器(即数字信号处理器)PR输出M序列信号作为随机信号。该信号被形成的脉冲，具有矩形形状，高度为1，以及随机的宽度和间距。M序列信号在标定部分SC1与系数ao相乘，从而减小在后续的步骤中输出值超过1的可能性，然后如图6B所示在积分电路SK中对时间积分。

积分电路SK包括：延时电路J，将输入信号延时一个采样周期；系数相乘设备K4，用系数b1乘以电路J的输出；相加设备(例混合器)M4，将系数相乘设备K4的输出加至积分电路SK的输入信号中。积分电路SK的输出信号加到具有最大限幅值为1的溢出限幅器L，产生系数k。在上述方法中，标定部分SC1和溢出限幅器L可以省略。

参看图7和8A至8C描述另一个方法。据信，在许多场合下，音乐信号的频谱基本上具有1/f特性。因此在这种情况中，该方法包括，将音频信号(图7中2通道立体声信号)加到信号选择电路(如相加和相减电路)SE，并从一个通道的信号、两个通道和信号或两个通道的差信号中选择用于产生系数的信号。然后，被选信号(图8A所示)由平方运算电路进行平方如图8B所示。在标定部分SC2中以适当的系数乘平方后的信号，以减小后续步骤中输出值超过1的可能性。接着，从标定部分SC2的输出信号通过截止频率约10HZ的低通滤波器LPF加以处理，产生系数k(图8C)。

在图1中，M6和M7分别表示相加设备(如混合器)。相加设备M6将已由系数相乘的第1L经处理信号与第2L经处理信号相加，并将相加的信号加到左扬声器SPL。相加设备M7将已由系数相乘的第1R经处理信号与第2R经处理信号相加，并将相加的信号加到右扬声器SPR。

例如，在使听者确定在离听者M前面反时针角度θ(例120度)的预定位置P上识别声像的情况下，本发明的这一实施例包括：用第1信号处理设备11产生第1L经处理信号和第1R经处理信号，用于在第1定位位置P1上定位声像，P1在预定位置P的附近并设置在离听者前面F反时针方向角度θ1(例90度)上；用第2信号处理设备12产生第2L经处理信号和第2R经处理信号，用于在第2定位位置P2上定位声像，PZ在预定位置P的附近并设置在离听者前面F反时针方向角度θ2(例150度)上。

接着，第1 L经处理信号和第1R经处理信号乘以系数k(在0至1范围内任意改变)，同时第2L经处理信号和第2R经处理信号乘以系数1-k。然后由相加设备M6将乘过的第1信号和乘过的第2L经处理信号相加，以加到左扬声器SPL，并同时由相加设备M7将乘过的第1R经处理信号和乘过的第2R经处理信号相加，以加到右扬声器SPR。

因而，以随机比例相加的第1和第2L经处理信号被加至左扬声器SPL，以随机比例相加的第1和第2R经处理信号被加到右扬声器SPR。结果在第1和第2定位位置P1和P2处定位声像。而且来自第1和第2定位位置P1和P2的音量可任意改变。

按照上述的实施例，即使当声像静止在听者M的侧面和后面位置，也可能使听者清晰地识别声像是在预定位置P处。而且，由于来自第1定位位置P1的音量可任意改变，所以与不自然的感觉提供给听者M无关。

尤其当系数k具有1/f特性，来自第1和第2定位位置P1和P2的音量改变是生理学性质的，因此提供给听者M以更加自然的感觉。

如上所述，按照本实施例，可以得到使听者清晰地识别声像在预定位置并以自然的感觉提供给听者的定位声像的装置和方法。

实施例2

参看图10至23，描述本发明的另一实施例。

图10为说明本实施例的装置的方块图。声像定位装置包括：音频信号源101(并用作偏移设备)；幅值控制设备102(也称为音频信号电平控制部分或声压控制部分)，接到音频信号源101；相位差控制设备103(也称为相位差发生部分)，接到幅值控制设备102；控制器(如微机)104，控制各个设备101至103；左和右扬声器SPL和SPR，均接到相差控制设备103。扬声器SPL和SPR配置在听者(在伴有画面时的观看者)的前面。偏移设备101产生单个音频信号并且还用控制器104偏移音频信号的频率成分(频带)。幅值控制设备102用控制器104增减音频信号的幅值。相位差控制设备103将音频信号分成两个分支信号，并用控制器104增减分支信号之间的相位差。

说得更具体些，参看图11至13描述模拟型声像定位装置，如图11所示，这类装置包括压控振荡器VCO作为偏转设备。控制电压V1加到压控振荡器VCO作为偏转设备。控制电压V1加至压控振荡器VCO。用控制器104通过改变电压V1来偏移由振荡器VCO振荡的音频信号S1的频率成分。虽然在图11中例示出单个振荡器，但也可用多个振荡器(这时相加各振荡器的输出，产生单个音频信号S1)。

图11还示出采用压控放大器VCA作为幅值控制设备102。放大器VCA放大来自振荡器VCO的音频信号S1，产生分支的信号S2。控制电压V2加至放大器VCA上。由控制器104改变电压V2，从而改变放大器的放大量，结果分支信号S2的幅值被改变。

此外，用第1和第2移相滤波器APF1和APF2作为相位差控制设备103。分支信号分别加到滤波器APF1和PF2，以输出分支信号S3和S4。由控制器104改变施加于滤波器APF1和APF2的控制电压或电流，从而至少滤波器APF1和APF2中的一个交叉频率被连续地或阶梯(以适当的阶梯)地改变。结果，至少分支信号S3和S4中的一个的相位被改变，从而在约0度至约180度范围内改变分支信号S3和S4的相位差(相对相位差)。

分支信号S3和S4的相位以及它们间的相位差将参看图12和13来描述。令f1和f2为滤波器APF1和APF2的各自交叉频率，且f1＞f2，则分支信号S4的相位滞后于分支信号S3的相位(图12)。结果如图13所示，分支信号S3和S4间的相位差中在高、低频区较小，在重放频带的中频区较大。又，如图12所示，各分支信号S3和S4的最大滞后量取决于滤波器APF1和APF2的阶数n。因此，信号的频率成分(频带)越宽，所需阶数n越高。然而，根据分支信号在其中作为音频信号的本实施例而言，由于分支信号S3和S4的频率成分相对较窄，移相滤波器的阶数通常设置到第2阶。

其交叉频率实施加的电压或电流控制的移相滤波器的例子如下：

例子之一如图14所示。移相滤波器包括电阻R1和R2、电容C、可变电阻V4以及运放OP1。电阻R和电容C接到压控放大器VCA。又，电阻R1接到远放OP1的反向输入端，而电容C接到运放OP1的正向输入端。接地的可变电阻VR接到运放OP1和电容C间的连接中点。运放输出端通过电阻R2接到电阻R1和运放OP1间的连接中点。

图15A和15B示出可变电阻VR的例子。图15A的可变电阻包括：光发射二极管(LED)，其光强度随所加的控制电流而变CdS，其导电率随所接收的光强度而变；电阻R3，与CdS串联；以及电阻R4，与CdS和电阻R3并联。图15B的可变电阻包括：电阻R5；场效应晶体管(FET)，其源、漏极之一与电阻R5连接，另一接地；电阻R6，并联地与电阻R5和FET连接；电阻R7，接FET的栅极。控制电压VA三经由电阻R7加到FET栅极。当电阻R1和R2阻值相等，电容器容量C1，可变电阻阻值VR1时，则移相滤波器APF1和APF2的传递函数H由下式表示：

H=(S-ω_o)/(S+ω_o)

其中ω_o=/(C1·VR1)。

另一方面如图16所示，移相滤波器包括：电阻R8、R9和R10；可变电容器VC；运放OP2。压控放大器VCA经R8接到OP2的反向输入端，经R9接至OP2的正向输入端。接地可变电容器VC接到运放OP2和电阻R9间的连接中点。运放OP2的输出端经R10接到R8和运放OP2间的连接中点。

图17示出可变电容器VCD的例子。图17的可变电容器包括运放OP3、压控放大器VCA1及电容器CO。电阻R9和运放OP2间的连接中点被接到运放OP3和电容器CO的正向输入端。运放OP3的输出端被接至其反向输入端和压控放大器VCA1的输入端。压控放大器VCA1的输出端接至电容器CO。压控放大器VCA1的放大倍数-A由施加其上的控制电压V3所控。当电容器C的容量为CO1时，可变电容器VC的容量VC1由下式表示：

VC1=(1+A)CO1

而且，当R8=R10,R9的值为91，则移相滤波器APF1和APF2的传递函数H由下式表示：

H=-(S-ω_o)/(S+ω_o)

其中ω_o=/(VC1·R91)

虽然图14和16中例示具有第1阶的移相滤波器，但可用具有适当阶数的移相滤波器。具有较高阶的移相滤波器可以由具有第1阶的移相滤波器级联而成。

第1和第2功放AMP1和AMP2分别接到第1和第2移相滤波器APF1和APF2。功放AMP1和AMP2放大分支信号S3和S4，并将经放大的信号加至左和右扬声器SPL和SPR。

按照上述例子，由压控振荡器VCO产生的音频信号由压控放大器VCA放大，产生经放大的和经分支的信号S2。S2被分别加到第1和第2移相滤波器APF1和APF2，从而产生经相控的分支信号S3和S4。信号S3和S4由第1和第2功放AMP1和AMP2放大并加到左和右扬声器SPL和SPR。扬声器SPL和SPR输出声波从而形成声像。

下面将描述使听者感到声像从左右扬声器SPL和SPR间中点的背后移到听者的背后的情况。这一技术包括在规定的时间周期分两步执行信号控制。详述于下。

第1步，对第1时间周期T1(通常T1在0.5秒至几秒的范围内)执行信号控制。考虑到声像移动速度等因素适当地设置T1。如图18所示，第1步中的信号控制包括保持其本恒定的控制电压V1加到压控振荡器VCO，从而大体保持恒定的输出音频信号S1的频率。

此外如图19所示，信号控制包括逐渐增大加于压控放大器VCA的控制电压V2，使逐渐增大将要输出的分支信号S2的幅值。结果相对于扬声器SPL和SPR的重放声，者的声压级将逐渐增大。

此外，通过控制第1和第2移相滤波器APF1和APF2的交叉频率，分支信号S3和S4间的相位差中(即偏角(S3/S4)将逐渐从约0度至约-180度改变，如图20所示。

按照上述的第1度的信号控制，相对于扬声器SPL和SPR的重放声而言，听者的声压级逐渐增大。而且相位差逐渐从约0度改变到约-180度。结果能使听者清晰地感到声像从左右扬声器SPL和SPR间中点的背面移到听者头部背后附近。

在上述的时间周期T1之后，对规定的时间周期T2(通常T2约在0.1至2秒范围内)执行下述的控制步骤。考虑到声像移动速度等因素适当地设置T2。如图19所示，第2步中的信号控制包括减小加于压控振荡器VCO的控制电压V1。结果如图18所示，输出音频信号S1的频率移至低频侧，产生多普勒效应。频移可逐渐地或立刻完成。

此外，如图19所示，第2步信号控制包括急剧地减小加到压控放大器VCA的控制电压V2，至大致为零，从而急剧地减小输出的分支信号的幅值直至大致为零。结果，相对于扬声器SPL和SPR的重放声而言，听者的声压级被急剧地减小到大致为零。

此外，通过使第1和第2移相滤波器APF1和APF2的交叉频率大致恒定，分支信号S3和S4间的相位差φ(即偏角(S3/S4)将保持在约-180度。结果左右扬声器的重放声间的相位差将保持在约-180度，如图220所示。

按照上述第2步中的信号控制，扬声器SPL和SPR重放声的频率被移到低频侧，产生多普勒效应。而且者的声压级急剧地减小到大致为零。结果能使听者清晰地感到声像从听者头部背后附近进而移到听者的背后。

如上所述，信号控制实现了由于频率成分的移动造成多普勒效应，由于声压级的改变引起声像移动的感觉，以及由于相位差引起声像移动的感觉。上述的组合使听者清晰地感到声像从左右扬声器SPL和SPR间中点的背后移到听者的背后。

下面将描述使听者感到声像从听者的背后移到左右扬声器SPL和SPR间中间的背后的情况。这一技术也包括分？步在规定时间周期执行。详述如下。

第1步，对规定的时间周期T3(通常T3约在0.1至0.5秒范围内)执行信号控制。考虑声像移动速度等因素适当设置T3。如图21所示，第1步中的信号控制包括使加于压控振荡器VCO的控制电压V1大体为恒定，从而使输出音频信号S1的频率大致恒定。

而且，如图22所示，信号控制包括使加于压控放大器VCA的控制电压V2大体上恒定，从而使输出的分支信号S2的幅值大体上恒定。结果，相对于扬声器SPL和SPR的重放声而言，听者的声压级将大体上恒定。

此外，通过控制第1和第2移相滤波器APF1和APF2的交叉频率，分支信号S3和S4间的相位差φ(即偏角(S3/S4))将保持在约-180度，如图23所示。结果，左右扬声器SPL和SPR的重放声间的相位角将保持在约-180度，从而定位声像在听者头部背后附近或听者背后。

在上述时间周期T3之后，对规定的时间周期T4(通常T4约在0.5秒到几秒范围内)执行下述控制。考虑到声像移动速度等因素适当设置T4。如图21所示，第2步骤中的信号控制包括减小加于压控振荡器VCO的控制电压V1。结果由于输出的音频信号S1的频率移向低频侧，所以左和右扬声器SPL和SPR的重放声的频率移到低频侧，从而提供多普勒效应。

而且，如图22所示，第2步中的信号控制包括逐渐减小加于压控放大器VCA的控制电压V2直至大体为零，从而急剧地减小输出的分支信号S2的幅值直至大体为零。结果，相对于重放声听者的声压级逐渐减小直至大体为零。

此外，通过控制第1和第2移相滤波器APF1和APF2的交叉频率，分支信号S3和S4间的相位差φ(即偏角(S3/S4)将逐渐减小直至大体为零。结果，左右扬声器SPL和SPR的重放声之间的相位差逐渐减小直至大体为零，如图23所示。

按照上述第2步信号控制，扬声器SPL和SPR的重放声频率移向低频侧，以提供多普勒效应。而且，重放声的相位差逐渐减小直至大体为零。结果能使听者清晰地感到声像从听者头部背后附近或听者背后移到左右扬声器SPL和SPR间中点的背后。

如上所述，信号控制实现了由频率成分移动引起的多普勒效应，由声压级变化引起的声像移动感觉，以及由相位差引起的声像移动感觉。上述的组合使听者清晰地感到声像从听者头部背后附近或听者背后移到左右扬声器SPL和SPR之间中点的背后。

根据本实施例，能使听者清晰地感到声像前后移动。例如，当本发明用于娱乐设备时，在与心理过程结合中感觉得以加强。更具体地说，当本发明用于所谓拱廊游戏(例如射击游式、驾驶游式)或视频游式时，通过画面与声像移动相结合给游戏者以真实的感觉。尤其当本发明用于射击游戏中的爆炸声时，游戏的真实性将急剧加强。

实施例3

参看图24和25，描述本发明的又一实施例。这一实施例涉及数字型声像定位装置。

图24为说明本实施例的装置的方块图。图24中用点划线包部分表示“数字”部分。本实施例中，只读存储器(ROM)用作音频信号源，读出地址产生部分106用作移动设备。

例如，包含1或多个声效应周期的音频数据(音频信号数据)序列地存入存储器的从地址SOO到地址SFF中。读出音频数据使产生音频信号S1。而且通过控制读出速度适当地移动音频信号的频率成分。

读出地址产生部分106产生从存储器读音频数据的16位地址。例如，对初始数据用ADDR=S0000，并相对每一读出时钟信号执行计算ADDR=ADDR+dADD。在计算中不顾最重要的进位而用高阶8位为读出地址从存储器读出音频数据。如果dADD=S100，则由于音频数据以与数据存储器时相同速度读出，因此音频信号S1的频率成分未被移动。如果dADD≥S101，则由于音频数据以高于数据存储的速度读出，因此音频信号S1的频率成分被移到高频侧。又如dADD≤SOFF，则由于音频以低于数据存储的速度读出，因此音频信号S1的频率成分被移到低频侧。因此，通过用控制器104控制dADD值，能移动音频信号S1的频率成分。

用系数相乘设备MPY作为幅值控制设备。通过用系数k乘音频信号S1改变音频信号S1的幅值(k由控制104的控制)，从而产生分支信号S2。

第1和第2IIR型数字移相滤波器DF1和DF2用作相位差控制设备。图25示出滤波器DF1和DF2的一例。用相加设备MIX1处理输入信号x1，以产生信号pi。信号pi用系数相乘设备K1以滤波系数a相乘，并加到第2相加设备MIX2。又用延时电路D将信号pi延时到多达一个单位的采样周期，产生信号P_i-1。用系数相乘设备K2以滤波系数a乘以信号P_i-1，并用相加设备MIX1将信号p_i-1加到信号p_i上。再在系数相乘设备K3用-1乘信号p_i-1并输入至第2相加设备MIX2。结果得到输出信号y_i。滤波系数a在-1≤a≤1范围。滤波系数a的上限提供对数字移相滤波DF1和DF2的交叉频率的控制。传递函数H(z)由下式表示：

                     H(z)=Y(z)/X(z)

                         =a[z-(1/a)]/(z-a)

                        =(a-z_-1)/(1-az_-1)

虽然图25中例示具有第1阶的移相滤波器，但可用具有任何适当阶的移相滤波器。具有高阶的移相滤波器可包括级联的具有第1阶移相滤波器。

第1移相滤波器DF经由第1数/模转换器DA1和第1低通滤波器LPF接到第1功放AMP1。而第2移相滤波器DF2经由第2数/模转换器DA2和第2低通滤波器LPF2接到第2功放AMP2。

也可用数字信号处理(DSP)代替存储器、读出地址产生部分106、系数相乘设备MPY、数字移相滤波器DF1和DF2以及控制器104。

虽然描述了从压控放器输出分支信号，但分支信号可从偏移设备、相位差、压控振荡器以及移相滤波器中任一个输出。

如上所述，通过组合由频率成分偏移引起的多普勒效应、由声压级的改变引起声像移动的感觉以及由相位差引起的声像移动的感觉，本发明使听者清晰地感到声像相对于听者前后移动。

本发明较好的是用于例如家用音/视频(A/V)系统，环绕声重放装置以及娱乐设备中的音响效果重放。

对业内技术人员而言，在不偏离本发明的范围和精神情况下各种其他修改是显而易见和容易做的。因而并不打算所附的权利要求被限于如这里提出的描述中，而是广泛地解释该权利要求。

Claims (10)

1．一种定位声像的方法，其特征在于包括步骤：

配备左扬声器和右扬声器于听者之前面；

使音频信号经受声像定位处理，从而产生经处理的信号；以及

将经处理的信号加到左和右扬声器，从而在预定位置定位声像，

其中所述方法包括：

产生在第1定位位置上定位声像的第1经处理信号和在第2定位位置上定位声像的第2经处理信号；

将第1和第2经处理信号中的一个乘以在0-1范围内变化的系数k；

将另一个信号乘以系数1-k；以及

将乘以系数K中心经处理信号与乘以系数1-K的经处理信号相加；

其中，当确定预定位置在离听者前面圆周方向角度θ时，第1定位位置是在所述预定位置的附近，并设置在离听者前面圆周方面角度θ₁(θ₁＜θ)上，而第2定位位置是在所述预定位置的附近，并设置在离听者前面圆周方面角度θ₂(θ₂＜θ)上。

2．如权利要求1所述的方法，其特征在于，系数K的频谱具有1/F特性。

3．如权利要求1所述的方法，其特征在于，系数K的产生包括输出具有矩形脉冲形状、高度为1且随机脉冲宽度和间隔的随机信号，并在积分电路中积分所述随机信号。

4．如权利要求1所述的方法，其特征在于，系数中心产生包括用平方运算电路对所述音频信号求平方，并通过低滤波器处理经平方后的信号。

5．如权利要求4所述的方法，其特征在于，音频信号是2通道立体声信号，而产生数的信号选自一个通道的信号、两个通道的相加信号、或两个通道的差信号。

6．一种定位声像的装置，其特征在于包括：

配置于听者前面的左和右扬声器；

使音频信号经受声像定了以产生经处理信号的设备；

将所述经处理信号加到左和右扬声器以是预定位置定位声像的设备，

其中所述装置包括：

产生在第1定位位置定位声像的第1经处理信号的设备；

产生在第2定位位置定位声像的第2经处理信号的设备；

产生在范围0～1中变化的系数K的设备；

将第1和第2经处理信号中的一个与系数K相乘的设备；

将另一个信号与系数1-K相乘的设备；以及

将由系数K相乘的经处理信号与由系数1-K相乘的经处理信号相加，并将相加后的信号加到左和右扬声器的设备；

其中，当确定预定位置在离听者前面圆周方向角度θ上时，第1定位位置是在所述预定位置附近，并设置在离听者前面圆周方向角度θ₁(θ₁＜θ)，而第2定位位置是在所述预定位置附近，并设置在离听者前面圆周方向角度θ₂(θ₂＜θ)上。

7．一种移动声像的方法，其特征在于包括步骤：

产生单个音频信号；

将所述单个音频信号分为两个分支信号；

偏移所述音频信号或分支信号的频率成分；

放大所述音频信号或分支信号的幅值；

改变所述分支信号之间的相位差；以及

将所述分支信号加到左和右扬声器；

其中，组合所述频率的偏移、所述幅值的改变以及所述相位差的改变使听者感觉到声像相对于听者前后移动。

8．如权利要求7所述的方法，其特征在于所述组合包括步骤：

增大所述分支信号的幅值；

增大所述分支信号之间的相位差从0度至180度；

当所述相位差在180度附近时减小所述分支信号的幅值到零附近；

向低频侧偏移所述分支信号的频率成分。

9．如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述组合包括步骤：

当所述分支信号的幅值互相相等时使所述分支信号之间的相位差保持在零度附近；

减小所述幅值和所述相位差到零附近；

向低频侧偏移所述分支信号的频率成分。

10．一种移动声像的装置，其特征在于包括：

产生单个音频信号的源；

将所述单个音频信号分成两个分支信号的设备；

偏移所述音频信号或分支信号的频率成分的设备；

放大所述音频信号或分支信号的幅值的设备；

改变所述分支信号之间相位差的设备；

对之分别加上所述分支信号的左和右扬声器，

其中偏移设备、放大设备和相位差改变设备的组合使听者感到声像相对于听者前后移动。

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