CN1249890A - 包括音频信号处理电路的音频系统 - Google Patents

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Abstract

该音频系统包括一个电路(12)用于处理音频信号,其中的电路(12)包括一个输入端(20)用于接收音频信号和一个输出端(26)用于提供信号输出。电路(12)还包括一个谐波发生器(22)跟输入端(20)相连用于产生音频信号的谐波,和一个相加装置(24)跟输入端(20)和谐波发生器(22)相连用于将音频信号跟产生的谐波的和提供给输出端(26)。谐波发生器(22)能够限制产生的谐波的幅度。

Description

包括音频信号处理电路的音频系统
本发明涉及一种音频系统，它包括用于处理音频信号的一个电路，该电路包括一个输入端，用于接受音频信号，一个输出端，用于输出信号，一个谐波发生器，与输入端相连用于产生该音频信号的谐波，相加装置，与输入端及谐波发生器相连，用于在输出端提供音频信号与产生的谐波之和。
本发明还涉及处理音频信号的一个电路、一个谐波发生器和处理音频信号的一种方法。
上述的音频系统跟EP-A 546 619不同。自从发明了电动式扬声器，就产生了输出更大声音的要求，尤其是更大的低频声音。但这种声音输出常常受到扬声器小尺寸的严重限制，例如在电视机或便携式音频组合里。大家知道这一难题可以用一种心理声学现象来解决，这一现象常常叫做虚音高(virtual pitch)或失去基频(missingfundamental)，它使人产生低音响应超过实际的错觉，实际上扬声器并没有输出那么高的低频功率。可以用低频音调的谐波取代这些低频音调来产生这种错觉，音频信号里有这些低频音调，但小扬声器无法将它们再现。此时这些谐波就代表低频音调。
在上述已知的音频系统里，选择音频信号的低频频带并供给一个谐波发生器，用于产生所选信号的谐波。这样生成的谐波再加入音频信号。通过这种方法，就可以改善音频信号的低频感觉。在上述已知的音频系统里，采用了一个全波整流器作为谐波发生，它只产生偶次谐波。上述已知的音频系统再现出来的一些低频音调，被人类感觉出来的响度比音频信号里相应低频音调的响度要高。
本发明的一个目的是提供一种音频系统，其中低频音调的感觉响度(perceived loudness)基本上等于接收到的原音频信号里相应低频音调的响度。本发明的音频系统里实现了这一目的，其特征在于谐波发生器能够限制生成谐波的幅度。实验表明，这一措施可以精确地控制低频音调的感觉响度，因此可以使这一感觉响度基本上等于接收到的原音频信号里相应低频音调的响度。
本发明里音频系统一个实施方案的特点是，当谐波幅度超越一个阈值时，谐波发生器就固定产生的谐波的幅度。利用这一方法，本发明简单而方便地满足了限制生成谐波的幅度的要求。
本发明里音频系统另一个实施方案的特点是，谐波发生器包括一个整流器，用于对音频信号进行整流。这一措施使得谐波的产生简单而又有效。
从下文中对优选实施方案的描述并参考附图，本发明的上述目的和特征将更加显然，其中：
图1是本发明里一个音频系统的框图，
图2是本发明里处理音频信号的一个电路的框图，
图3是用于本发明的谐波发生器的框图，
图4是可以用于本发明的积分器的第一个实施方案，
图5说明用于本发明的一个电路，其中组合了一个积分器和一个复位装置，
图6和7分别是用于本发明的积分器的第二和第三实施方案，
图8和9分别是可以用于本发明的限幅器的第一和第二实施方案，
图10是将一个正弦信号输入到用于本发明的一个谐波发生器时，所生成的各种波形a～g，
图11是本发明里用于谐波发生器的一个整流器的一个实施方案，
图12是用于本发明的限幅器的第三个实施方案，
图13是将一个正弦信号输入到本发明里一个谐波发生器时，所生成的各种波形b～d。
图中，相同的部件使用相同的数字标识。
图1是本发明里一个音频系统的框图。该音频系统包括一个信号源10，它依次通过电路12和放大器14跟扬声器16相连。信号源10的信号可以来自光盘(CD)、盒式磁带、收到的信号或其它音频源。电路12处理信号源10提供的音频信号的方法是，用谐波取代扬声器16因为尺寸的限制而不能再现的音频信号里的低频音调。这些谐波可以被扬声器16再现，使人产生低音响应超过实际的错觉。这种心理声学现象常常被叫做虚音高或失去基频。经电路12处理过的音频信号再由放大器14放大。放大后的信号然后由扬声器16再现。
图2是本发明里处理音频信号的一个电路12的框图。电路12包括一个输入端20用于接收音频信号，和一个输出端26用于提供信号输出。电路12还包括跟输入端20和相加装置24相连的一个谐波发生器22，该相加装置跟输入端20和谐波发生器22相连，用于在输出端26提供音频信号跟谐波发生器22的输出信号的和。
在处理音频信号的电路12里，可以在输入端20和谐波发生器22之间插入第一个滤波器。这第一个滤波器最好能够让扬声器16不能再现的音频信号的低频分量通过，同时阻止音频信号的寄生直流分量通过。在电路12里还可以在谐波发生器22和相加装置24之间插入第二个滤波器。利用这第二个滤波器可以控制要由扬声器16再现的谐波的数量。此外，还可以在电路12里输入端20和相加装置24之间插入第三个滤波器。这第三个滤波器最好用来阻止扬声器不能再现的那部分低频分量通过，从而防止扬声器16过载。
图3是用于本发明的一个谐波发生器22的框图。谐波发生器22包括一个输入端30用于接收音频信号，和一个输出端38用于提供信号输出。谐波发生器22还包括一个积分器34和与之相连的一个复位装置36。积分器34将输入端30收到的音频信号进行积分，并在输出端38输出积分结果。复位装置36用于需要复位时对积分器34进行复位。这样，输出信号里既有奇次谐波也有偶次谐波，而这些谐波的幅度基本上相等。此外，因为谐波的幅度正比于音频信号的幅度，所以谐波发生器22不会产生令人生厌的失真。
复位时间可以由复位装置36用多种不同的方法确定。复位装置36可以根据音频信号的一些性质来确定复位时间，如周期、幅度或过零点。复位装置36还可以根据输出信号的相似性质来确定复位时间。此外，复位装置36还可以同时根据音频信号和输出信号来确定复位时间。很显然，在本发明中谐波发生器22的某一具体实施方案里，可以有连接35和37这两个也可以只有其中一个。
谐波发生器22还可以包括一个整流器32，它将输入端30收到的音频信号进行整流。然后整流过的信号可以由积分器34积分。在谐波发生器22的另一个实施方案里，谐波发生器里只有整流器32，也就是说省略了积分器34和复位装置36。
图4是可以用于本发明的一个积分器34的第一个实施方案。积分器34包括一个输入端40用于接收输入信号，和一个输出端52用于提供输出信号。积分器34还包括一个运算放大器50，运算放大器50的同相输入端接地。一个电阻48、一个电容器46和一个开关44并联在一起，将运算放大器50的反相输入端和输出端相连。运放50的反相输入端又通过电阻42跟输入端40相连。运算放大器50的输出端跟积分器34的输出端52相连。开关44由复位信号RST控制，复位信号由复位装置36产生，需要复位时，它使开关44闭合。
对本领域的技术人员来说，很清楚输入端40接收到的输入信号被积分器34积分，积分结果被提供给输出端52。当开关44闭合时，积分器被复位，也就是说，电容器46被放电，输出信号复位到零。
图5说明用于本发明的一个电路，其中组合了一个积分器34和一个复位装置36。该电路包括一个输入端64用于接收输入信号，和一个输出端66用于提供输出信号。该电路还包括图4中用于对输入信号进行积分的元件，即电阻42和48、运算放大器50和电容器46。开关44用一个晶体管62来实现。由于晶体管62的基极经过反相器60跟输入端64相连，因此当输入信号为负时，晶体管62就导通(即开关44闭合，积分器复位)。反之，当输入信号为正时，晶体管62就不导通，也就是开关44被打开。
本发明里音频系统再现的一些低频音调，对人类来说，听起来其响度比音频信号里对应低频音调的响度高。为了对这种不需要的人为现象进行补偿，可以让积分器34限制被积分信号的幅度。这样低频音调的感觉响度可以得到控制，最好是听起来跟原来的响度一样。
图8和9分别是一个限幅器的第一和第二实施方案，该限幅器可以用来限制如图4和5所示的积分器34的输出信号幅度。在图8和图9中，该限幅器包括一个反相放大器，该反相放大器包括输入端90、输出端102、运算放大器100和两个电阻92和98。这一反相放大器电压增益的绝对值等于电阻器98的电阻除以电阻器92的电阻。在图8里的限幅器中，跟电阻器98并联的两个二极管94和96可以防止反相放大器的输出信号超过规定的电压值。因为运放100的同相输入端是接地的，所以反相输入端的电压也等于零(虚地)。因此当输出信号为负时，也就是说当输入端90接收到的输入信号是正时，二极管94就导通。同理，当输出信号为正时，也就是说当输入信号是负时，二极管96就导通。这样，使用硅二极管时，输出信号的幅度范围就被限制在大约-0.6和+0.6伏之间。
在图9的限幅器里，防止反相放大器的输出信号超过规定电压范围的任务是由两个齐纳二极管110和112完成的。在这里，当输出信号为正时齐纳二极管110导通，当输出信号为负时齐纳二极管112导通。这样，输出信号的幅度就被大致限制在齐纳二极管110的齐纳电压的负值和齐纳二极管112的齐纳电压之间。
图8和图9里的限幅器可以跟如图4所示的积分器相连。这种连接可以是这样的，也就是积分器34的输出52连接到限幅器的输入90，由此来限制积分器34输出信号的幅度。也可以将限幅器的输出102跟积分器34的输入40相连，从而限制积分器34输出信号的幅度。再者，还可以将限幅器跟积分器34的功能合在一起。图6和图7展示了这种组合的两个例子。图6是图4所示积分器34跟图8里的限幅器的一个组合。图4所示积分器34跟图9里的限幅器的组合在图7里说明。
也可以改变依赖于被积分信号的幅度的如图4所示的积分器34的积分时间常数。通过这一措施，被积分信号的幅度可以逐渐得到限制，从而平滑地控制低频音调的感觉响度。可以通过改变电阻器42的电组和/或电容器46的电容来改变积分常数。例如可以通过接通和断开跟电阻器42串联或并联的一个或多个电阻器，来改变电阻器42的有效电阻。同样可以通过接通或断开跟电容器46串联或并联的一个或多个电容器，来改变电容器46的有效电容。
图10说明本发明里将一个正弦信号输入给谐波发生器22所得到的各种波形a～g。在这些图中，输入信号用实线表示，生成的波形用虚线表示。先将输入信号整流，然后再积分，在输入信号每一周期结束的时候复位装置36将积分器34复位，这样就可以由本发明的谐波发生器22得到图10的波形a。谐波发生器22可以用一种相似的方式产生波形b和c，对于波形b，在输入信号每两个周期结束的时候将积分器34复位，对于波形c，每次输入信号过零时都将积分器34复位。谐波发生器也可以产生波形d，其中谐波发生器22包括图5所示的积分器34跟复位装置36的组合。在这种情况下，谐波发生器22不包括整流器32。
可以用产生波形a所用的相同方式由谐波发生器22产生图10所示的波形e、f和g。谐波发生器22产生波形e时，根据被积分信号的幅度来停止积分。这里谐波发生器22可以包括图6和图7所示的积分器34，或者图4所示的积分器34跟如图8和9所示的限幅器电路的组合。
波形f和g说明改变积分器34的积分时间常数的结果。为了产生波形f，在输入信号的每一周期里都改变积分器34的积分时间常数，这种改变依赖于被积分信号的幅度或频率。可以用一种相似的方式来产生波形g，其中在输入信号的每一个周期里两次改变积分器34。当然也可以将积分器34的积分时间常数改变多次。
图11是本发明里用于谐波发生器的一个全波整流器的一个实施方案。这一方案在本领域里众所周知，它包括输入端200用于接收输入信号，和输出端220用于提供输出信号。这一实施方案还包括5个电阻器202、204、208、214和216，两个二极管210和212，以及两个运算放大器206和218。当输入信号为正时，二极管210导通，二极管212截止，输出一个正电压。当输入信号为负时，二极管210截止而二极管212导通，同样输出一个正电压。对于任意输入信号，输出信号都正比于输入信号的绝对值。
图12是用于本发明的一个限幅器的第三个实施方案。这一电路众所周知，常常被称为二极管钳位电路，它包括一个输入端230用于接收输入信号，一个输出端246用于提供输出信号，一个参考连接244用于提供一个参考电压Vref，一个电阻器240和一个二极管242。在这一电路里，二极管242可以防止输出电压的幅度超过一个限定电压，它近似等于Vref+0.6伏。技术人员应当明白，限幅器的这一实施方案可以用多种不同的方法用于本发明中的谐波发生器22里。例如，二极管钳位电路的输入端230可以跟整流器32的输出端220相连，或者跟积分器34的输出端52相连，从而限制输出信号。也可以将二极管钳位电路的输出端246跟整流器32的输入端200或者积分器34的输入端40相连，从而限制输入信号。
图12所示的限幅器可以按图4所示方式跟积分器34相连。可以让积分器34的输出端52跟限幅器的输入端90相连，以限制积分器34的输出信号。以可以将限幅器的输出102跟积分器34的输入40相连，以限制积分器34的输入信号。
图13说明将一个正弦信号输入到本发明里一个谐波发生器时，生成的各种波形b～d。图13a是输入信号。图13b的波形可以用本发明的谐波发生器22产生，其中生成波形b的幅度受到了限制。波形c可以用包括一个整流器32的谐波发生器22产生。图13d的波形可以用本发明的谐波发生器22产生，其中的输入信号先被整流，然后被积分，生成波形d的幅度受到谐波发生器22的限制。
对于本领域的技术人员来说，很显然上述发明可以做出许多改动而不会偏离其原则。例如本发明里的信号处理也可以用一种专用集成电路来完成，或者用可编程处理器里的软件来完成。此外，如图4所示，可以省去积分器34里的电阻器48。对谐波发生器22输出信号幅度的限制以也可以用一个特定的乘法因子跟输入或输出信号相乘来完成。

Claims (6)

1.一种音频系统，包括一个电路(12)用于处理音频信号，其中电路(12)包括一个输入端(20)用于接收音频信号，一个输出端(26)用于提供输出信号，一个谐波发生器(22)跟输入端(20)相连用于产生音频信号的谐波，相加装置(24)跟输入端(20)和谐波发生器(22)相连用于将音频信号跟产生的谐波之和提供给输出端(26)，其特征在于谐波发生器(22)用于限制产生的谐波的幅度。
2.权利要求1的音频系统，其特征在于当生成谐波的幅度超过一个阈值时，谐波发生器(22)用于固定谐波的幅度。
3.权利要求1或2的音频系统，其特征在于谐波发生器(22)包括一个整流器(32)用于对音频信号进行整流。
4.一个电路(12)，用于处理音频信号，它包括一个输入端(20)用于接收音频信号，一个输出端(26)用于提供一个输出信号，一个谐波发生器(22)跟输入端(20)相连用来产生音频信号的谐波，相加装置(24)跟输入端(20)和谐波发生器(22)相连用来将音频信号跟产生的谐波的和提供给输出端(26)，其特征在于谐波发生器(22)用于限制产生的谐波的幅度。
5.一个谐波发生器(22)，其特征在于谐波发生器(22)用于限制产生的谐波的幅度。
6.一种处理音频信号的方法，包括产生音频信号的谐波和提供音频信号跟产生的谐波的和，其特征在于产生谐波的过程包括限制产生的谐波的幅度。
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