CN1362001A - 处理音频信号的方法 - Google Patents

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Abstract

为补偿扬声器的频率响应并使收听者获得声像完全的低音感觉,已公开的技术是分配音频信号到第一条和第二条路径中,在第二条路径中产生低频信号成份的谐波并与第一条路径的信号混合。为了改善尤其是在低频范围中性能差的扬声器的重放,音频信号在第二条路径(P2)中被带通滤波(BP1),用校正因子GC加重(M1),以增益因子G放大(AM),限幅到最大振幅值上(NL1),并接着再被带通滤波(BP2),并加到第一条路径(P1)原来的音频信号(Xin)上。在振幅超过最大振幅值时校正因子GC减小,否则它保持不变或增大。通过这个措施,在插入一个低频的音频信号时产生谐波并与原来的音频信号混合。

Description

处理音频信号的方法
本发明涉及处理音频信号的方法和电路装置，该信号通过第一条路径加到第一个相加器的第一个输入端。
这种方法和电路装置用于音频重放设备中，如电视机，广播接收机或立体声装置，以补偿扬声器的频率响应，改善音频重放，以及避免设备或装置的过载。
在音频重放设备中最临界的环节是扬声器，其声压在一个由结构确定的边界频率之下以每倍频程约40分贝下降，它对应于一个二阶滤波器的传输特性。下边界频率典型值在约50Hz和200Hz之间。扬声器的下边界频率愈低，其生产费用愈昂贵。像电视机或便携式广播接收机这样的廉价设备因而装配有简单的扬声器，其下边界频率相对较高。为了改善低频率范围中的音频重放，边界频率通过放大低频成份而向低移动，然而这会导致末级放大器和扬声器过载。为了避免末级放大器或扬声器的过载以及可能由此而引起的失真，低音放大器的输出信号被如此反馈：在大输出信号时低频成份的增益被减小。一个这样的方法已由US-PS 5305388公开。
在US-PS 5359665中描述了一种电路装置，其中音频信号直接经过第一条路径馈送到一个相加器的第一个输入端，同时经第二条路径通过一个低通滤波器和一个具有可变增益的放大器馈送到相加器的第二个输入端。放大器的输出端通过一个信号电平检波器反馈到其控制输入端。通过此措施，减小了末级放大器的过载。
心理声学的研究结果表明，当频谱中根本不存在基频，而仅有基频的谐波时，人也能明确地确定一个音调的基音调高。此心理声学效应被如此利用：产生基频的谐波并馈送到扬声器，扬声器边界频率高于此基频频率。从而收听者相信听到了低的基频，虽然扬声器根本没有发出此基频。
US-PS 5668885公开了一种电路装置，它“诱发”具有相对高的下边界频率的扬声器将更低的频率作为其边界频率，方法是产生更低频率的谐波。音频信号经过第一条路径加到一个相加器的第一个输入端上。在第二条路径中此音频信号被低通滤波，整流，再次低频滤波并接着被放大，馈送给相加器的第二个输入端。
在US-PS 4150253中也描述了一种方法和电路装置，其中音频信号被分配到两条信号路径上。在第一条路径中音频信号通过一个高通滤波器，以根据频率进行移相。高通滤波器输出端上的信号的电平超过一规定值，此信号被送到一个用于产生基频的谐波的发生器的输入端。发生器输出端上的信号的电平被衰减到一个值，它低于原来的音频信号的电平。此被衰减的信号和原来的音频信号被相加起来。
US-PS 4700390公开了一种所谓的合成器，其中不仅低频成份，而且高频成份的谐波被产生，并被加到原来的音频信号上，以实现不仅在低频，而且在高频频率范围中的更佳的重放。
US-PS 5771296也公开了一种电路装置，其中音频信号通过第一条路径直接馈送到一个相加器，而在第二条路径中产生低频成份的谐波，并在相加器中将其加到原来的信号上，以在一定程度上欺骗收听者，使其以为扬声器发出更低的频率成份，而事实上却不是如此。
在US-PS 4739514中公开了另一种用于改善低频音频重放的电路装置。在此电路装置中音频信号也经第一条路径加到一个相加器的第一个输入端，同时它通过第二条路径送到相加器的第二个输入端，在第二条路径中一个具有可变增益的放大器与一个带通滤波器相串联。一个输入端加有音频信号的信号电平检波器控制放大器的增益。
所有已公开的方法和电路装置具有以下缺点：由于反馈，它们对上升振幅的响应相当慢，并且尽管有反馈仍会导致过载。
本发明的目的在于设计一种符合权利要求1所述的方法和一种符合权利要求9所述的电路装置，它们补偿扬声器的频率响应，改善其音频重放，并且避免特别是在低频范围内的整个重放系统的过载。
本发明关于方法的任务由以下解决方案完成：音频信号在第二条路径中借助于第一个带通滤波器被限带，第一个带通滤波器输出端上的被限带音频信号与一个校正因子GC相乘，用一个增益因子G放大，并接着用第一个非线性电路将其振幅限制在一个预设的最大振幅值上，在振幅超过预定的最大振幅值时校正因子GC被减小，否则校正因子GC保持不变或增大，第一个非线性电路输出端上的音频信号借助于第二个带通滤波器被限带，此外第二个带通滤波器输出端上的被限带的音频信号在相加器中被加到第一条路径的音频信号上。
本发明关于电路装置的任务由以下解决方案完成：音频信号经过第二条路径被送给相加器的第二个输入端，第二条路径中串联第一个带通滤波器，第一个乘法器，一个具有可变增益的放大器，第一个非线性电路和第二个带通滤波器，第一个非线性电路的控制输出端与第一个函数发生器的输入端相连接，该发生器的输出端与乘法器的第二个输入端相连接，并且放大器的控制输入端上加有一个控制值。
下面借助于附图所示本发明实施例详细说明本发明。
附图中：
图1示出本发明第一个实施例，
图2示出本发明第二个实施例，
图3示出本发明第三个实施例，并且
图4示出本发明第四个实施例。
下面借助图1所示本发明电路装置的第一个实施例详细说明本发明方法。
图1中音频信号Xin经第一条路径P1被送给第一个相加器A1的第一个输入端，并经过第二条路径P2被送给相加器A1的第二个输入端，第二条路径由第一个带通滤波器BP1，第一个乘法器M1，一个具有可变增益的放大器AM，第一个非线性电路NL1以及第二个带通滤波器BP2串联构成，在相加器输出端上可得到输出音频信号Xout。第一个非线性电路NL1的控制输出端与一个函数发生器F1的输入端相连接，发生器输出端与第一个乘法器M1相连接。在放大器AM的控制输入端上加有控制值G。
音频信号Xin通过第一个带通滤波器BP1被限带。接着此音频信号在乘法器M1中与可变校正因子GC相乘。乘法器M1输出端上的乘积在具有增益因子G的放大器AM中被放大。非线性电路NL1限制由放大器AM所提供的音频信号的振幅到一个预设值上。非线性电路NL1的输出信号借助于带通滤波器BP2被限带。非线性电路NL1产生一个控制变量V函数发生器F1由其产生校正因子GC。此校正因子GC由函数发生器F1根据控制变量V如此改变：在过载时它减小，相反，如果音频信号的电平在容许界限之内，则校正因子GC被函数发生器F1放大，然而最大放大到数值1。
下面与图1所示实施例一起说明图2所示本发明的第二个实施例。
在图2所示第二个实施例中函数发生器F1被设计为低通滤波器TP1，而第一个非线性电路NL1被实现为限幅器，它削去高于预设门限值的信号振幅。
如果信号振幅超过预设门限值，非线性电路NL1给出具有负数V1的控制变量V到低通滤波器TP1上，而在信号振幅低于预设门限值时它产生具有正数V2的控制变量V。通过低通滤波器TP1对控制变量V的滤波产生用于乘法器M1的校正因子GC。
通过在非线性电路NL1-它限制音频信号振幅到预设门限值上—中的非线性运算，产生具有低频成份的音频信号，这也称为低音信号的谐波。这种谐波的形成通过选择非线性电路NL1中的非线性运算并由带通滤波器BP2的性能确定。通过有效形成这些谐波—它例如可以通过计算或通过试验求出—，一个具有低频的音频信号—例如击鼓—的开始可被收听者明显和清晰地感觉到。通过选择函数发生器F1的函数来确定下述时间，此时间是从插入一个强低频率音调开始，到校正因子GC如此强烈地减小，使得非线性电路NL1不再产生谐波所经历的时间。此被视为时间常数的时间间隔的大小由低通滤波器TP1的性能和两个控制变量V1和V2的选择来确定。
上述本发明措施实现以下作用：在小信号振幅时放大器以满增益工作，从而部分地补偿了扬声器的频率响应。相反如果信号振幅大，则扬声器的频率响应可仅仅轻度被补偿，因为否则放大器会过载。在低音信号插入时此低音信号被谐波丰富了，从而虽然扬声器缺少低音音量，收听者仍然感觉清晰和明显听到了低音频率。
下面详细说明图3所示本发明第三实施例。
在图3所示第三个实施例中详细示出了非线性电路NL1。此非线性电路NL1由一个非线性电路NL2和一个函数发生器F2构成。放大器AM的输出信号是非线性电路NL1的输入信号，它被送到非线性电路NL2的输入端和函数发生器F2的输入端，函数发生器F2的输出端与非线性电路NL2的控制输入端相连接。非线性电路NL2的信号输出端连接于带通滤波器BP2的输入端，同时非线性电路NL2的控制输出端连接于函数发生器F1或低通滤波器TP1。
非线性电路NL2产生音频信号中低频成份的各次谐波，低频成份被函数发生器F2用可变因子NG加重，此因子是输入信号的函数。根据函数发生器F2的函数的选择可产生多种音频效果。
函数发生器F2例如可如此设计：一旦信号振幅必须被限幅，在非线性电路NL2中被放大的谐波被产生，以抵制过载。通过这个措施信号能量被分配到高频谐波上，它们可被扬声器或扬声器系统更好地重放。虽然现在低频信号成份的能量被减小，由于上述心理声学效应，收听者仍然有完全的低音声像感觉。
下面详细说明图4所示本发明第四实施例。
图4分别示出一个非线性电路NL2的举例结构和一个函数发生器F2的举例结构。
放大器AM的输出信号构成非线性电路NL1的输入信号，它加到相加器A2的第一个输入端，绝对值构成器ABS的输入端以及峰值检波器PK的输入端上，此检波器的输出端与低通滤波器TP2和低通滤波器TP3的输入端相连接。低通滤波器TP2的输出端和低通滤波器TP3的输出端分别连接于减法器S的第一个和第二个输入端，减法器的输出端通过限幅器LIM1连接于乘法器M2的第一个输入端。绝对值构成器ABS的输出连接于乘法器M2的第二个输入端，乘法器M2的输出端连接于加法器A2的第二个输入端。加法器A2的输出端连接于限幅器LIM2的输入端，其控制输出端给出控制变量V到函数发生器F1或低通滤波器TP1，而限幅器LM2的输出端与带通滤波器BP2的输入端相连接，在带通滤波器BP2的输出端上得到用于扬声器或扬声器系统的输出信号。
峰值检波器PK确定在预设时间间隔T上出现的最大振幅总数。峰值检波器PK的输出信号被两个低通滤波器TP2和TP3时间上求平均。低通滤波器TP3的时间常数选得小于低通滤波器TP2的时间常数，即具较小时间常数的低通滤波器TP3的拐角频率高于具有较大时间常数的低通滤波器TP2的。由于较小的时间常数，低通滤波器TP3的输出信号跟随输入信号的变化比低通滤波器TP3的输出信号跟随得快一些。绝对值构成器ABS形成输入信号的绝对值，它在乘法器M2中用由减法器S产生的因子NG加重，该因子NG的值被限幅器LIM1限制在1和0之间。加重的输入信号绝对值在加法器A2中加到输入信号上，并且这样构成的和被限幅器LIM2限制到预设的振幅值上，以避免过载。
如果现在输入信号振幅上跳变，低通滤波器TP3输出端上的电平由于较小的时间常数而上升得比低通滤波器TP2输出端上的快一些。这样，被视为控制变量的因子NG对于输入信号中的上升振幅取正值。输入信号振幅上升愈剧烈，更多的谐波被产生并混入输入信号中。相反在振幅下降时因子NG为负，因为现在低通滤波器TP3的输出端上的电平由于小的时间常数而小于低通滤波器TP2输出端上的电平。因为因子NG被下限幅为0，在振幅下降时没有谐波混合到音频信号中。
本发明的主要优点在于，非线性电路NL1的非线性运算和函数发生器F1的函数确定谐波的形成及其产生的时刻。通过熟练地选择非线性电路的非线性运算和函数发生器的函数，本发明可容易地适配不同特性的扬声器，始终获得对扬声器频率特性的最佳补偿。因为音频信号的振幅被非线性电路NL1限制在预设值上，本发明电路装置对于上升的音频信号振幅的反应比现有技术明显更快。
本发明尤其适用于诸如电视机，便携式广播接收机等音频重放设备，它们装配有扬声器，这些扬声器在基音范围内只有弱的响应，因为本发明避免了整个重放系统的过载，并同时给收听者提供声像完全的低音感觉，虽然扬声器根本就没有发出这些低音频率。
符号
P1第一条路径P2第二条路径PB1第一个带通滤波器PB2第二个带通滤波器M1第一个乘法器M2第二个乘法器AM放大器NL1第一个非线性电路NL2第二个非线性电路F1第一个函数发生器F2第二个函数发生器G增益因子GC校正因子NG因子V1，V2控制变量ABS绝对值构成器PK峰值检波器TP1低通滤波器TP2低通滤波器TP3低通滤波器S减法器LIM1限幅器LIM2限幅器Xin音频信号Xout输出信号

Claims (12)

1.处理一个音频信号(Xin)的方法，该信号经过第一条路径(P1)送给第一个相加器(A1)的第一个输入端，其特征在于，音频信号(Xin)在第二条路径(P2)中借助于第一个带通滤波器(BP1)被限带，在第一个带通滤波器(BP1)的输出端上的限带音频信号与一个校正因子(GC)相乘，以一个增益因子G被放大并接着其振幅被第一个非线性电路(NL1)限制到一个预设振幅值上，在振幅超过预设振幅值时校正因子GC减小，否则它保持常数或增大，第一个非线性电路(NL1)的输出端上的音频信号借助于第二个带通滤波器(BP2)被限带，以及第二个带通滤波器(BP2)的输出端中的限带音频信号在相加器(A1)中被加到第一条路径(P1)的音频信号上。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，校正因子GC是一个控制变量V的函数F1，该变量由第一个非线性电路(NL1)产生。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，当振幅低于预设门限值时，校正因子(GC)取第一个值(V1)，而当振幅超过预设门限值时，校正因子取第二个值(V2)。
4.如权利要求2或3所述的方法，其特征在于，函数F1借助于第一个低通滤波器(TP1)来实现。
5.如权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征在于，第一个非线性电路(NL1)产生低频信号成份的谐波并用一个可变的因子NG加权。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，可变的因子NG是第一个非线性电路(NL1)的输入信号的函数F2。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，第一个非线性电路(NL1)在低频信号开始时产生放大的谐波。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，在第一个非线性电路(NL1)中第一个非线性电路(NL1)的输入信号被一个峰值检波器(PK)根据函数F2进行检波，其输出信号在第二个和第三个低通滤波器(TP2，TP3)中以不同的时间常数被低通滤波，并且这两个经低通滤波的信号的差信号表示可变的因子NG，第一个非线性电路(NL1)的输入信号的绝对值被用此因子NG加权并被加到第一个非线性电路(NL1)的输入信号上得到一个和值，其振幅被限制到一个预设值上。
9.处理一个音频信号(Xin)的电路装置，此信号经过第一条路径(P1)送给第一个相加器(A1)的第一个输入端，在此相加器的输出端上可得到输出信号(Xout)，其特征在于，音频信号(Xin)经过第二条路径(P2)送给第一个相加器(A1)的第二个输入端，第二条路径由第一个带通滤波器(BP1)，第一个乘法器(M1)，一个具有可变增益的放大器(AM)，第一个非线性电路(NL1)以及第二个带通滤波器(BP2)串联构成，第一个非线性电路(NL1)的控制输出端连接于第一个函数发生器(F1)的输入端，该发生器的输出端与第一个乘法器(M1)相连接，并且放大器(AM)的控制输入端上加有一个增益因子(G)。
10.如权利要求9所述的电路装置，其特征在于，第一个函数发生器(F1)被实现为第一个低通滤波器(TP1)。
11.如权利要求9或10所述的电路装置，其特征在于，第一个非线性电路(NL1)由第二个非线性电路(NL2)和第二个函数发生器(F2)构成，第一个非线性电路(NL1)的输入信号加到第二个非线性电路(NL2)的输入端和第二个函数发生器(F2)的输入端上，第二个函数发生器的输出端连接于第二个非线性电路(NL2)的控制输入端，第二个非线性电路(NL2)的控制输出端与第一个函数发生器(F1)或第一个低通滤波器(TP1)相连接，并且第二个非线性电路(NL2)的信号输出端连接于第二个带通滤波器(BP2)的输入端。
12.如权利要求11所述的电路装置，其特征在于，第二个函数发生器(F2)由一个峰值检波器(PK)，第二和第三个低通滤波器(TP2，TP3)，第一个限幅器(LIM1)以及一个减法器(S)构成，第二个非线性电路(NL2)由一个绝对值构成器(ABS)，第一个乘法器(M2)，第二个加法器(A2)以及第二个限幅器(LIM2)构成，第一个非线性电路(NL1)的输入信号加到第二个相加器(A2)的第一个输入端，绝对值构成器(ASB)的输入端和峰值检波器(PK)的输入端上，峰值检波器的输出端连接于第二个低通滤波器(TP2)的输入端和第三个低通滤波器(TP3)的输入端，第二个低通滤波器(TP2)的输入输出端和第三个低通滤波器(TP3)的输出端分别与减法器(S)的第一个输入端和第二个输入端相连接，减法器的输出端通过第一限幅器(LIM1)与第二个乘法器(M2)的第一个输入端相连接，绝对值构成器(ABS)的输出端连接于第二个乘法器(M2)的第二个输入端，第二个乘法器的输出端与第二个相加器(A2)的第二个输入端相连接，第二个相加器(A2)的输出端与第二个限幅器(LIM2)的输入端相连，第二限幅器的控制输出端连接于第一个函数发生器(F1)或第一个低通滤波器(TP1)，第二限幅器的输出端与第二个带通滤波器(BP2)的输入端相连接。
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