CN1365246A - 两声道音效硬件输出四声道仿真信号的系统及其方法 - Google Patents

Abstract

一种两声道音效硬件输出四声道仿真信号的系统及其方法,操作系统核心程序接收多声道音效信息,频率转换器将四声道频率降频;建立前后声道的识别标签,避免了四声道信号在传送中遗失;重整四声道信号,使硬件顺利传送编码的四声道信号;将重整后的信号传送至两声道音效硬件,信号接收标签转换器转换信号标签,正确分离出四声道信号,硬件频率转换器借助倍频处理,降低了因信号压缩后的失真,将上述信号转换成四声道仿真信号输出。

Description

两声道音效硬件输出四声道仿真信号的系统及其方法

本发明涉及一种两声道音效硬件输出四声道仿真信号的系统及其方法，尤指一种使输出两声道音效的硬件输出四声道仿真音效信号的方法。

随着信息及电脑市场不断的发展，电子产品在轻薄短小、多功能、速度快的趋势推动下，个人电脑已变成工作和娱乐的标准配备。伴随着整合科技及其外围设备的开发，娱乐及运算的效果不断地提高，且以PC为平台的DVD多声道家庭剧院播放系统，使市场及服务范围更加扩大。此外，近年来电脑游戏已经开始增加3D定位音效的功能，使原本画面就很吸引人的游戏增加了听音辨位的效果，另外也由于DVDROM的普及，多数的PC已经配备有DVD播放的能力。多声道的影片也让PC的音效效果迈入多声道系统。以目前而言，3D定位技术一般包含HRTF(Head Related Transfer Function)及Panning两种。HRTF主要利用人类耳朵的模型，找出大脑判断方位的方法，然后用DSP复制出可以欺骗大脑的声音。而声音定位的三要素，两耳震幅大小差别(IAD)、两耳听到的时间差别(ITD)和频率响应，可以让大脑产生高度和后方的感觉。

理论上，用一个良好的HRTF Library再加上卓越的串音消除电路(TCC)来增加甜蜜音场(Sweet spot)应该才是理想的3D定位系统，而且只要两个喇叭就可以产生上/下，前/后的效果。一般而言，系统没有那么理想，因为串音消除电路也是由假人头测量出来的(HRTF Library)所导出的公式。而假人头毕竟和真人头不一样(每个人的人头都不完全一样的)，所以喇叭彼此之间的串音不可能完全消除。另外，一般PC用的喇叭频率响应不是很理想，根本没办法发出无失真的波形让预先准备好的串音抵消信号成功地通过喇叭推动空气到达人的耳朵。尤其是一些高频信号更是很难通过喇叭传到人的耳朵后抵销。此时，原本应该在后方形成音像的声音，却会在前方出现。这固然是由于前方的喇叭离人较近而造成的，但是，高频成份就是大脑用来判断前后上下的要素。所以，如果喇叭失真较严重的话，3D音场的效果就不会太好。

改良式的四声道HRTF系统可以解决这个问题，如果前后声道都利用HRTF产生音场，让最难产生的后方音场，由人类的大脑配合耳壳的构造自己产生。这样我们只要处理高度和其他方向的信号就可以了，利用两声道HRTF Library改良成的四声道，可以成功的将HRTF的优点表现出来，在高度和水平面的方向感是相当顺畅的，而四声道的甜蜜音场(Sweet spot)也会相对加大，让更多使用者可以同时享受到声音来自四面八方的三维空间音效效果。

另一种称做Panning技术，一般说来，HRTF技术都会涉及有权利授权的问题，所以为了节省使用HRTF Library的授权费用，也有部份音效芯片采用Panning技术。Panning技术，其实也使用到IAD和ITD两项因素的定位系统，利用后方的喇叭来弥补音场的不足。这样的四声道音效系统在水平方向上的效果是可以接受的。

目前CPU的运算能力可以很顺畅地在播放software DVD的同时提供AC35.1的音场输出。AC3的音轨分为：左前方、右前方、左后方、右后方、中置喇叭、超重低音等六声道。如果用四个喇叭来表现的时候，四个方向的声音会直接的送到PC的四个喇叭，中置喇叭的声音则由前方左、右两侧喇叭合成出来，也就是中间的声音只要平均分到前方的两个喇叭，人类的大脑自然会在正前方感觉到一个音像。大脑接受到的音波波长如果超过头部的直径，大脑就没有办法分辨方位。所以一个长波的低音喇叭就可以有不错的效果，在PC的四声道系统里，业界设计了4.1D喇叭的规格，也就是四声道加上一个超重低音喇叭。重低音的声音来源，就是将前方两声道信号中用低通滤波器过滤出没有方向性的低频成份，送到单声道的低音放大器驱动扬声器。因此AC3的重低音信号，也就利用这个方法将低音成份加到前声道的两个喇叭中。然后再由外部的滤波器自动分离出来。由上面的说明我们可以得知：四声道为核心的3D定位音效技术，利用后方新增的卫星喇叭可以大幅改善两个喇叭音场的限制，也就成为小型家庭剧院的必备的播放环境。1999年以后，高级的PCI声卡几乎都是四声道以上的音效。

图1所示为传统PCI高级多声道音效软、硬件处理方法的流程示意图。方块100中，应用软件中的音效应用程序借助高级界面将音效信息或信号送到操作系统中的操作系统核心程序110进行处理；上述的应用软件包含3D游戏、CD、MP3播放程序或DVD多声道家庭剧院播放软件。此外，此处所称的操作系统至少包含Windows系列、Linux、BeOS。

在方块120中，上述经过处理的信号，借助低级界面经由音效硬件驱动程序将上层传送的多声道信号转换成硬件可以接受的多声道DMA(direct memoryaccess)传送格式。然后，再将硬件可接收的多声道数字信号经过PCI的DMA界面传送到硬件，如PCI音效卡130。上述PCI音效卡130包含一多声道PCI音效硬件140以及多声道数字仿真转换器(code and decode，CODEC)150。因此，通过多声道PCI音效硬件140处理的信号经PCI整合型单晶片或AC-LINK处理，再通过多声道数字仿真转换器150，将数字信号换成人耳实际可以听见的声音。每一个声道均需要一个数字仿真转换器。最后将上述经转换过的信号160，通过放大机后经由输出装置(一般为喇叭或耳机)以多声道仿真信号输出。

该技术的缺点在于高级音效处理的装置较为昂贵，较难普及到主机板内的音效系统。

图2为传统主机板南桥内建两声道软、硬件处理方法。其在硬件级之前的处理程序上述传统PCI多声道音效处理相仿，借助高级界面将信号资料送到操作系统核心程序110处理。再借助低级界面经由音效硬件驱动程序将上层传送的多声道信号转换成硬件可以接受的多声道DMA传送格式。

然后，再将硬件可接收的信号传输到主机板南桥内建两声道音效硬件230。上述的主机板南桥内建两声道音效硬件230包含内建数字电路，可提供DMA界面和AC-LINK格式转换电路将数字信号传送到两声道数字仿真转换器AC97CODEC 240。一般而言，上述AC97CODEC 240可直接内建在主机板上或是通过Intel制订的AMR/CNR扩充槽插装。经过上述数字仿真转换处理过的两声道仿真信号250则借助输出装置以两声道音效输出。

上述用两声道数字仿真转换器的缺点是：无法提供高级的四声道效果，无法满足小型家庭剧院必备的播放环境。

本发明的主要目的在于利用可输出两声道音效的硬件输出四声道仿真音效。

本发明的又一目的在于提供一加强型音效硬件的驱动方法，将两声道48KHz、16bits的格式，使该硬件可传送编码过的四声道信号。

本发明的再一目的在于提供一利于输出四声道仿真信号的加强型四声道编码及解码方法。

本发明的目的是通过如下技术方案实现的：

一种两声道音效硬件输出四声道仿真信号的系统，它包含：一处理多声道音效信息的音效应用程序，一借助多声道音效界面接收由该音效应用程序所传输的多声道音效信息的操作系统核心程序；它至少还包括：

一耦合到该操作系统核心程序的四声道-两声道转换模块，其将借助低级界面传输的四声道信号转换成两声道信号输出；

一耦合四声道-两声道转换模块的两声道音效硬件；

一耦合到两声道音效硬件、用以将两声道信号转换成四声道仿真信号的编码解码器。

所述的四声道-两声道转换模块至少包括：将四声道信号频率降频至一半的软件频率转换器；用以建立识别标签以避免四声道信号在传送中遗失的识别标签产生器或模块；用以重整信号格式，使硬件顺利传送编码过的四声道信号的信号重整器或模块。

所述的编码解码器至少包括包含：利用识别标签使硬件分辨出前后声道、正确分离四声道信号的信号标签转换器或模块；耦合在信号标签转换器或模块上的、用以降低因信号压缩后失真的频率转换器；耦合在频率转换器上、用以将四声道数字号转换成四声道仿真信号的四声道数字仿真转换器。

所述的借助低级界面传输的信号格式为4CH、48KHz、16位音效信号。

所述的软件频率转换器转换后的信号格式为4CH、24KHz、16位音效信号。

所述的识别标签产生器或模块建立识别标签后的信号格式包括4CH、24KHz、15位音效信号及1位标签信息的格式。

所述的信号重整器或模块重整后的信息格式为2CH、48KHz、16位音效的DMA格式。

所述的信号标签转换器或模块转换后的信息格式为4CH、24KHz、15位的音效格式。

所述的频率转换器转换后的频率为48KHz。

所述的四声道-两声道转换的模块包含加强型音效硬件驱动程序。

所述的编码解码器包含加强型四声道AC97 CODEC。

一种两声道音效硬件输出四声道仿真信号的方法，它至少包括：操作系统核心程序接收多声道音效信息的方法；转换四声道信号至两声道信号的方法；将两声道信号传输至两声道音效硬件的方法；将两声道信号转换成四声道仿真信号的方法。

转换四声道信号至两声道信号的方法至少包括如下步骤：将四声道信号频率降频至一半；建立用以避免四声道信号在传送中遗失的降频后四声道的识别标签；将该四声道信号重整为硬件可以顺利传送的、编码的四声道信号格式。

将两声道信号转换成四声道仿真信号至少包括如下步骤：转换信号标签，以利于硬件分辨前后声道、正确分离四声道信号；借助倍频处理降低信号压缩后的失真；将数字四声道信号转换成四声道仿真信号。

所述的四声道信号格式为4CH、48KHz、16位音效的格式。

所述的经过降频后的信号格式为4CH、24KHz、16位音效的格式。

所述的建立识别标签后的信息格式为4CH、24KHz、15位音效及1位标签信号的格式。

所述的重整后的信息格式为2CH、48KHz、16位音效的DMA格式。

所述的信号标签转换后的信息格式为4CH、24KHz、15位音效的格式。

所述的倍频后的频率为48KHz。

一种两声道音效硬件接收四声道音效信号的方法，它至少包括如下步骤：将四声道信号的频率降频至一半；建立用以避免四声道信号在传送中遗失的降频后四声道信号的识别标签；重整使硬件可以顺利传送编码的四声道信号格式。

所述的四声道信号格式为4CH、48KHZ、16位音效的格式。

所述的经过降频后的信号格式为4CH、24KHz、16位音效的格式。

所述的建立识别标签后的信息格式为4CH、24KHz、15位音效及1位标签信号的格式。

所述的重整后的信息格式为2CH、48KHz、16位音效的DMA格式。

在两声道音效硬件处理后还包含如下步骤：转换信号标签；倍频前后声道，以降低因信号压缩后的失真；将四声道数字信号转换成四声道仿真信号。

本发明通过应用程序借助多声道音效界面将信号传输至操作系统的核心程序；软件频率转换器将四声道频率降频，节省了频宽；通过建立前后声道的识别标签，避免了上述四声道信号在传送中遗失；通过重整四声道格式的信号为两声道信号，使硬件可以顺利传送编码过的四声道信号；重整后的信号传送至两声道音效硬件，信号接收标签转换器转换信号标签方便了硬件分辨前后声道，可以正确分离四声道信号，硬件频率转换器借助倍频处理降低了因为信号压缩后的失真，将上述信号转换成四声道仿真信号输出。

以下结合附图及较佳实施例对本发明作进一步的详细说明：

图1为现有PCI高级多声道音效软件、硬件处理系统示意图。

图2为现有主机板南桥内建两声道软件、硬件处理系统示意图。

图3为本发明四声道音效软件、硬件处理系统示意图。

图4为本发明基于视窗操作系统的系统示意图。

如图3所示，本发明的软件用户层包含一音效应用程序300。使用者可通过执行应用软件将音效信息或信号通过高级界面、多声道音效界面传输至操作系统的核心程序310。上述的应用软件至少包含3D游戏、CD、MP3播放程序及DVD多声道家庭剧院播放软件。此外，操作系统至少包含Windows系列、Linux、BeOS等操作系统。在该操作系统中均包含建立标准的音效界面、使应用软件可以在任何硬件平台上播放的功能，在本发明中使用加强型的四声道系统具有四声道处理能力，囚此下层驱动程序使硬件具有四声道的播放能力，因此，操作系统可将多声道信号转换成四声道信号或信息。

此后，将操作系统转换的包含四声道48K、16位(bits)信号格式的信息，借助低级界面传输到四声道-两声道转换器或定义为四声道-两声道转换的功能模块320中处理。经过上述的四声道-两声道转换模块320可将输入的四声道48K、16位(bits)的信号转换成两声道48K、16位(bits)的信号输出。

在本发明的一较佳实施例之中，上述的四声道-两声道转换模块320位一加强型音效硬件驱动程序，其包含软件频率转换器330、识别标签产生器或识别标签产生模块340以及信号重整器或信号重整模块350。

在本发明的驱动程序层中，加强型音效硬件驱动程序具有四声道播放能力；因此，操作系统层将会传送48KHz的四声道信号到驱动程序，通过软件频率转换器330将其频率降频至24KHz，用来节省一半的频率带宽。

之后，将降频的信号利用识别标签产生器或模块340建立识别标签，以避免四声道信号在传送之中意外遗失而造成前后信号无法辩识。在本实施例中，可在任一前后声道的任一位上加入识别标签。例如，可在前后任何声道任何最后一位加入识别标签，使解码电路可以分辨出前后声道。利用一位声道信息做为识别标签，声音的品质将由理论值的96db下降到90db，但是满足一般PC要求的85db以上的声音品质要求。

识别标签建立后，利用信号重整器或模块350将信号格式重整；即，将24KHz、四声道、包含15位音效及1位标签信息的格式转换成两声道、48KHz、16位的格式。使硬件可以顺利传送编码过的四声道信号，亦即2CH、48KHz、16位DMA格式。

将上述编码后的信号输入硬件层的硬件，如在主机板上的南桥内建两声道音效硬件360。

编码解码装置370将上述的两声道信号解码。例如，可以采用加强型四声道AC97。AC97为一编码解码装置(CODEC)370，可直接内建到主机板上或通过Intel制订的AMR/CNR扩充槽插装。

在此编码解码装置370中，先将信号经信号标签转换器或模块380利用上述的标签位的标签记号，使硬件分辨出前后声道，从而正确分离四声道资料。换言之，转换为前后声道、24KHz、16位的格式。

利用硬件频率转换器390通过硬件倍频处理，降低由于信号压缩后的失真，亦即硬件频率转换器390将频率由24KHz转换成48KHz。

经过频率转换的信号借助内建在编码解码装置(CODEC)370中的四声道数字仿真转换器400将数字信号转换成四声道仿真信号，通过输出装置(一般为耳机或喇叭)输出，完成以两声道硬件输出四声道仿真信号410。

上述将信号频率由48KHz转换到24KHz，受限于两声道硬件DMA传送频宽的限制。由于大部分个人电脑3D游戏内部使用的音效信号格式仅为22KHz，所以24KHz的处理能够满足要求，且硬件最后将24KHz转换回48KHz，使失真降低至最小。

图4为本发明在windows操作系统环境下的实施例；加强型音效硬件驱动程序320耦合在视窗操作系统的驱动适配器(adapter driver)。且加强型音效硬件驱动程序320耦合到两声道南桥，使硬件可传输编码过的四声道信号。AC97 CODEC 370将上述两声道信号解码，用来输出四声道仿真信号。AC97CODEC可直接内建在主机板上或通过Intel制订的AMR/CNR扩充槽插装。

Claims (26)

1、一种两声道音效硬件输出四声道仿真信号的系统，它包含：一处理多声道音效信息的音效应用程序，一借助多声道音效界面接收由该音效应用程序所传输的多声道音效信息的操作系统核心程序；其特征在于：它至少还包括：

一耦合到该操作系统核心程序的四声道-两声道转换模块，其将借助低级界面传输的四声道信号转换成两声道信号输出；

一耦合四声道-两声道转换模块的两声道音效硬件；

一耦合到两声道音效硬件、用以将两声道信号转换成四声道仿真信号的编码解码器。

2、如权利要求1所述的两声道音效硬件输出四声道仿真信号的系统，其特征在于：所述的四声道-两声道转换模块至少包括：

将四声道信号频率降频至一半的软件频率转换器；

用以建立识别标签以避免四声道信号在传送中遗失的识别标签产生器或模块；

用以重整信号格式，使硬件顺利传送编码过的四声道信号的信号重整器或模块。

3、如权利要求1所述的两声道音效硬件输出四声道仿真信号的系统，其特征在于：所述的编码解码器至少包括包含：

利用识别标签使硬件分辨出前后声道、正确分离四声道信号的信号标签转换器或模块；

耦合在信号标签转换器或模块上的、用以降低因信号压缩后失真的频率转换器；

耦合在频率转换器上、用以将四声道数字号转换成四声道仿真信号的四声道数字仿真转换器。

4、如权利要求1所述的两声道音效硬件输出四声道仿真信号的系统，其特征在于：所述的借助低级界面传输的信号格式为4CH、48KHz、16位音效信号。

5、如权利要求2所述的两声道音效硬件输出四声道仿真信号的系统，其特征在于：所述的软件频率转换器转换后的信号格式为4CH、24KHz、16位音效信号。

6、如权利要求2所述的两声道音效硬件输出四声道仿真信号的系统，其特征在于：所述的识别标签产生器或模块建立识别标签后的信号格式包括4CH、24KHz、15位音效信号及1位标签信息的格式。

7、如权利要求2所述的两声道音效硬件输出四声道仿真信号的系统，其特征在于：所述的信号重整器或模块重整后的信息格式为2CH、48KHz、16位音效的DMA格式。

8、如权利要求3所述的两声道音效硬件输出四声道仿真信号的系统，其特征在于：所述的信号标签转换器或模块转换后的信息格式为4CH、24KHz、15位的音效格式。

9、如权利要求3所述的两声道音效硬件输出四声道仿真信号的系统，其特征在于：所述的频率转换器转换后的频率为48KHz。

10、如权利要求1所述的两声道音效硬件输出四声道仿真信号的系统，其特征在于：所述的四声道-两声道转换的模块包含加强型音效硬件驱动程序。

11、如权利要求1所述的两声道音效硬件输出四声道仿真信号的系统，其特征在于：所述的编码解码器包含加强型四声道AC97 CODEC。

12、一种两声道音效硬件输出四声道仿真信号的方法，其特征在于：它至少包括：

操作系统核心程序接收多声道音效信息的方法；

转换四声道信号至两声道信号的方法；

将两声道信号传输至两声道音效硬件的方法；

将两声道信号转换成四声道仿真信号的方法。

13、如权利要求11所述的两声道音效硬件输出四声道仿真信号的方法，其特征在于：转换四声道信号至两声道信号的方法至少包括如下步骤：

将四声道信号频率降频至一半；

建立用以避免四声道信号在传送中遗失的降频后四声道的识别标签；

将该四声道信号重整为硬件可以顺利传送的、编码的四声道信号格式。

14、如权利要求11所述的两声道音效硬件输出四声道仿真信号的方法，其特征在于：将两声道信号转换成四声道仿真信号至少包括如下步骤：

转换信号标签，以利于硬件分辨前后声道、正确分离四声道信号；

借助倍频处理降低信号压缩后的失真；

将数字四声道信号转换成四声道仿真信号。

15、如权利要求12所述的两声道音效硬件输出四声道仿真信号的方法，其特征在于：所述的四声道信号格式为4CH、48KHz、16位音效的格式。

16、如权利要求13所述的两声道音效硬件输出四声道仿真信号的方法，其特征在于：所述的经过降频后的信号格式为4CH、24KHz、16位音效的格式。

17、如权利要求13所述的两声道音效硬件输出四声道仿真信号的方法，其特征在于：所述的建立识别标签后的信息格式为4CH、24KHz、15位音效及1位标签信号的格式。

18、如权利要求13所述的两声道音效硬件输出四声道仿真信号的方法，其特征在于：所述的重整后的信息格式为2CH、48KHz、16位音效的DMA格式。

19、如权利要求14所述的两声道音效硬件输出四声道仿真信号的方法，其特征在于：所述的信号标签转换后的信息格式为4CH、24KHz、15位音效的格式。

20、如权利要求14所述的两声道音效硬件输出四声道仿真信号的方法，其特征在于：所述的倍频后的频率为48KHz。

21、一种两声道音效硬件接收四声道音效信号的方法，其特征在于：它至少包括如下步骤：

将四声道信号的频率降频至一半；

建立用以避免四声道信号在传送中遗失的降频后四声道信号的识别标签；

重整使硬件可以顺利传送编码的四声道信号格式。

22、如权利要求21所述的两声道音效硬件接收四声道音效信号的方法，其特征在于：所述的四声道信号格式为4CH、48KHZ、16位音效的格式。

23、如权利要求22所述的两声道音效硬件接收四声道音效信号的方法，其特征在于：所述的经过降频后的信号格式为4CH、24KHz、16位音效的格式。

24、如权利要求21所述的两声道音效硬件接收四声道音效信号的方法，其特征在于：所述的建立识别标签后的信息格式为4CH、24KHz、15位音效及1位标签信号的格式。

25.如权利要求21所述的两声道音效硬件接收四声道音效信号的方法，其特征在于：所述的重整后的信息格式为2CH、48KHz、16位音效的DMA格式。

26.如权利要求21所述的两声道音效硬件接收四声道音效信号的方法，其特征在于：在两声道音效硬件处理后还包含如下步骤：

转换信号标签；

倍频前后声道，以降低因信号压缩后的失真；

将四声道数字信号转换成四声道仿真信号。

Images