CN1442029A - 用于衍生诸如定向和中心信号的辅助音频信号的立体声音频处理设备 - Google Patents

Abstract

描述了通过第一和第二滤波器通道从第一和第二音频信号衍生辅助音频信号，比如音频定向信号或中心音频信号的音频信号处理设备，每个滤波器通道都包含一个第一自适应滤波器，并且提供一个与第一自适应滤波器耦合的第一加法器，以在它的求和输出点提供和音频信号。每个滤波器通道进一步包含一个耦合所述求和输出的第二自适应滤波器，它们各自的自适应滤波系数传递到第一自适应滤波器，并响应于第一和第二音频信号与第一和第二音频信号经滤波之和的各自比较值。于是，输入音频信号的相关和不相关部分被有效地处理。

Description

用于衍生诸如定向和中心信号的 辅助音频信号的立体声音频处理设备

本发明涉及通过第一和第二滤波器通道从第一和第二音频信号衍生辅助音频信号的音频信号处理设备，每个滤波器通道都包含一个第一自适应滤波器，并且提供一个与第一自适应滤波器耦合的第一加法器，以在它的求和输出点提供和音频信号。

另外，本发明涉及通过第一和第二滤波器通道从第一和第二音频信号衍生出中心音频信号的音频信号处理设备，每个滤波器通道都包含一个第一自适应滤波器，并且提供一个与第一自适应滤波器耦合的第一加法器，以在它的求和输出点提供和音频信号。

本发明还涉及应用于音频处理设备适合编程的微处理器，以及或是或不是免提音频设备，比如，调谐设备，无线电接收机、音频记录设备、音频可视设备和其它类似的设备，它们都包含这样的音频处理设备。

这样的音频处理设备从申请人自己的专利US-A-5,528,694就知道了。已知的音频处理设备从左、右立体声音频信号衍生出中心音频信号。已知的处理器包含有第一滤波器通道和第二滤波器通道的两个输出分离电路。每个滤波器通道都有一个自适应滤波器，它们的输出被耦合到分离电路的两个输出。每个自适应滤波器都有各自的调整电路，用来调整滤波器的系数。第一通道的自适应滤波器系数独立地适配于右音频信号和第一通道的自适应滤波器输出信号之间的比值。相反地，第二通道的自适应滤波器系数独立地适配于左音频信号和第二通道的自适应滤波器输出信号之间的比值。最后，分离电路的两个输出在加法器中求和，在它的求和输出点提供中心音频信号。实际上还需要进一步开发音频信号处理设备以及在那里应用的技术，这样它们的应用可能性就更广泛。

因此，本发明的目的就是要提供进一步开发的音频信号处理设备，以供给多种辅助音频信号，比如定向信号，处理器可以以有效并以相对低价的方式利用一种公用定点数字信号处理器来实现，且没有数字下溢或上溢之危险。

此外，根据本发明的音频信号处理设备其特征在于，每个滤波器通道进一步包含耦合到所述求和输出的第二个自适应滤波器，它们各自的自适应滤波器系数传递给第一自适应滤波器，并且响应于第一和第二音频信号与第一和第二音频信号滤波的和信号各自比较值，用以衍生出提供音频定向信息(audio direction sensinginformation)的辅助音频信号。

此外，根据本发明的音频信号处理设备的特征还在于，每个滤波器通道进一步包含耦合到所述求和输出的第二个自适应滤波器，它们各自的第二自适应滤波器系数传递给第一自适应滤波器，并且响应于第一和第二音频信号与第一和第二音频信号滤波的和信号的各自比较值。

根据本发明的音频信号处理设备的优点是，它提供简单实现和广泛实际应用的定向算法，在另外实施例中的音频信号处理设备，可以根据愿望把立体声感觉中心部分(通常占优势部分)的第一和第二(特别是左和右)音频信号相关的部分集中。据此，非相关部分可以形成处理的左右音频信号。此外，由于定向算法在实现中所用的控制信号施加最小(然而有限)，所以可用公用定点数字信号处理器以相对低的价格来实现，而没有数字下溢或上溢之危险。

根据本发明的音频处理设备的实施例，其特征在于，每个滤波器通道包含比较器，用以提供各自的音频信号给所述的比较器正输入端，由此所述的比较器负输入端被耦合到各自的第二个自适应滤波器。方便的是，这个从两通道立体声信号衍生三通道立体声信号解码器配置不包含延时元件，这种延时元件会危及所用算法的稳定性。

根据本发明的音频处理设备的进一步实施例，其特征在于，每个滤波器通道包含第二个加法器，它有与比较器输出耦合的第一输入，有与第一个加法器求和输出耦合的第二输入，用以提供各自的第一和第二音频信号。该实施例提供完全的三通道立体声音频信号安排，在此可以把两个外部的扬声器设计成不相关的部件，反之可以设计相关的音频部件，比如中心扬声器。依照愿望也可以选择几个扬声器以上音频部件的其它分布和设计。

根据本发明的音频处理设备最佳的简单实施例特征在于，比较器易于积分和实现减法器。

据此，根据本发明的微处理器特征在于，微处理器在上述的音频处理设备应用中适合编程，由此，微处理器能够计算第二个自适应滤波器系数，这样至少第一和第二音频信号的相关部分包括在和音频信号中。

现在，根据本发明的音频处理设备、微处理器和音频设备将连同它们另外的优点一起，参考附图，给予进一步阐明。在单个图中，表示出根据本发明的音频处理设备可能实施例的最佳组合。

图1以可能的三通道解码器形式示出音频处理设备1，其中，来自第一和第二立体声音频信号，也就是左通道信号L和右通道信号R在音频处理设备1中处理，这样，经处理的左通道信号L和右通道信号R以及中心通道信号C就会得到。为了获得这样的结果，图表示出通过适当的可编程微处理器(未示出)实现的处理步骤。

数字样值x1(n)和x2(n)，通常按数字取样块的形式输入到图左方的输入，处理器1的输入端子2和3上。左右信号L和R分别加到第一和第二滤波通道，滤波器通道分别用P1和P2表示。每个滤波器通道P1和P2都包含分别耦合到输入端子2和3以及第一加法器S1的第一自适应滤波器A1和A2，第一加法器S1有与滤波器A1和A2耦合的正输入端4和5。在加法器S1的输出端6给出和音频信号y(n)。举例来说，自适应滤波器A1和A2可以适配简单的定标装置，或熟知的FIR滤波器。定标装置和滤波器A1和A2分别具有可调整的比例/滤波系数w1(n)和w2(n)。

每个滤波器通道P1和P2进一步包含第二自适应定标装置(adaptive scaling means)，或滤波器P3、P4，它们与加法器S1的求和输出6相耦合。滤波器P3、P4相同的各自适配比例或滤波系数w1(n)和w2(n)也传递给第一自适应装置，即滤波器P1和P2。一般地经由增益或滤波器装置g将输入信号L和R送给比较器C1和C2。自适应系数响应于第一和第二音频信号gx1(n)和gx2(n)与第一和第二音频信号自适应滤波和的各自比值，这些滤波和由和音频信号y(n)来体现。比较可以靠算法实现，在此，比较器C1和C2的单独输出信号e1(n)和e2(n)最小化。到此，滤波系数w1(n)和w2(n)因而适配。一般来说，信号y(n)是根据下面公式的加权和：y(n)＝w1(n)x1(n)+w2(n)x2(n)，它携带大部分音频信号能量，因此称为主信号。运行音频处理设备1的进一步细节可以在申请人的EP-A-0954850(＝WO9927522)中找到，作为参考，他的相关发明在这里已经包括。

然而参照上述还不能教会使用适配输出信号e1和e2提供自适应系数w1和w2作为想要的定向信号。在单独图中实现的三通道解码器，参考发明也不使用这些定向信号。图的图表中所应用的定向算法结果可以是，和音频信号y(n)至少包含立体声左、右音频信号的相关部分，但是输出端子7和8上经处理的左、右音频信号希望含有原始立体声信号的非相关部分。一般来说，和音频信号y(n)也可以包含立体声信号的某些非相关部分或分量。

上述比较器C1和C2可以是很简单的减法器，每个都有分别耦合左、右音频输入信号的正输入+，及分别耦合第二自适应滤波器P3、P4的负输入-。另外，每个P1、P2滤波器通道都包含第二加法器9、10，它们有耦合比较器C1和C2输出信号e1(n)和e2(n)的第一输入11、12，有耦合第一加法器S1提供的和输出信号y(n)的第二输入13、14，以供给经处理的左、右音频信号。为了分配超过扬声器的处理音频信号，以保持宽广的声音分布，一般地，和输出信号y(n)将通过具有系数c1(n)、c2(n)和c3(n)的放大器/衰减器来供给。

现在给出有关所述主题的一些进一步背景资料。立体声声音再现中控制定域的普通技术称为幅度编码(也称为展平(panning))。这种技术是基于这样的实事：立体声设备中仿真源的声音定域很大程度由左、右音频通道之间的幅度比决定。在混合录音室，为了获得所希望的源声定域靠听者操作这个幅度比。立体声声音再现的另一个感兴趣的质量是左、右音频输入信号L和R之间的相关系数。高的相关系数通常导致良好的定域仿真声源，反之，低的相关系数通常导致很宽的、很难定域的声源。

在某些应用中，希望录音之后修改和/或控制立体声声音。例如，在多通道解码器中就是这种情况，它针对使用比录音通道数目多的大量扬声器再现声音的情况。一般来说，这样的系统由两级组成：分析级和混频级。在分析级，定时变化信号特征，比如上述的幅度比和相关系数被确定，而控制信号与这些特征相一致地产生。在混频级，这些控制信号用来控制用以把输入信号变换为输出信号的矩阵变换电路系数。音频信号处理设备1可以用于这样的分析级。进一步的细节再参照EP-A-0954850。

在实际的实施例中，系数c1(n)、c2(n)和c3(n)通常是加权值w1和w2的函数，也是音频输入信号L和R时间平均相关测量值ρ的函数。在进一步的实施例中，举例来说，选择这些函数，这样满足下面的要求。

当输入信号之间没有关系的时候，它们有相等的变化，左、右扬声器应当接收未处理的输入信号，而中心扬声器输入应当为零。这样，在非相关输入信号情况下保持极宽的声级；

当输入信号完美地相关时，再现的和输出信号y(n)应当既分布在左和中心扬声器，也分布在右和中心扬声器范围，这取决于打算放的位置。这个过程通常称为成对式的展平(panning)。

在这两个极端之间，感觉的声音应当接近预期的原始声音，并且所有的过渡变化应当是平滑的。

这种函数性可以用g＝1实现，藉此比较器C1和C2就是减法器，但是使用下面的方程。

令： $b_1=w_1^2-w_2^2$

     b₂＝2w₁w₂

如果b₂＜0，那么令

     c₁＝c₂＝c₃＝0

否则，如果b₁＜0，那么令

     c₁＝-ρ(|w₁|+b₁)

     c₂＝-ρ|w₂|

     c₃＝ρb₂

否则，令

        c₁＝-ρ|w₁|

        c₂＝-ρ(|w₁|-b₁)

        c₃＝ρb₂.

如上所述，这种执行解码的算法仅仅是本音频处理设备1介绍的定向函数性许多应用中的一个例子。在其它可能的实施例中，算法可以应用在分立和独立的频带或使用滤波器组合库。

虽然参照本质上首选的实施例和最好的可能模式描述了上面所描述的，但是将会清楚，这些实施例决不解释为所关注设备的限定例子，因为落在附加权利要求范围之内的各种修改、特征和特征组合现都在本领域技术人员所能达到的范围之内，如上面所解释的。

Claims (8)

1.从第一和第二音频信号(L、R)通过第一和第二滤波器通道(P1、P2)衍生出辅助音频信号(w1(n)、w2(n))的音频信号处理设备(1)，每个滤波器通道都包含第一自适应滤波器(A1、A2)，并提供与第一自适应滤波器(A1、A2)耦合的第一加法器(S1)，用以在它的求和输出(6)给出和音频信号(y(n))，其特征在于，每个滤波器通道(P1、P2)进一步包含与所述的求和输出(6)相耦合的第二自适应滤波器(P3、P4)，它们各自的自适应滤波系数(w1(n)、w2(n))传递到第一自适应滤波器(A1、A2)，并响应于第一和第二音频信号(L、R)与第一和第二音频信号经滤波的和各自的比较值，来衍生辅助音频信号(w1(n)、w2(n))，该辅助音频信号提供音频定向信息。

2.从第一和第二音频信号(L、R)通过第一和第二滤波器通道(P1、P2)衍生出中心音频信号(C)的音频信号处理设备(1)，每个滤波器通道都包含第一自适应滤波器(A1、A2)，并提供与第一自适应滤波器(A1、A2)耦合的第一加法器(S1)，用以在它的求和输出(6)给出和音频信号(y(n))，其特征在于，每个滤波器通道(P1、P2)进一步包含与所述的求和输出(6)相耦合的第二自适应滤波器(P3、P4)，它们各自的自适应滤波系数(w1(n)、w2(n))传递到第一自适应滤波器(A1、A2)，并响应于第一和第二音频信号(L、R)与第一和第二音频信号经滤波的和各自的比较值。

3.根据权利要求1或2的音频处理设备(1)，其特征在于，每个滤波器通道(P1、P2)包含比较器(C1、C2)，各自的音频信号供给所述比较器(C1、C2)的正输入(+)，藉此所述比较器(C1、C2)的负输入(-)与各自第二自适应滤波器(P3、P4)输出相耦合。

4.根据权利要求3的音频处理设备(1)，其特征在于，每个滤波器通道(P1、P2)包含第二加法器(9、10)，它们有与比较器(C1、C2)输出相耦合的第一输入(11、12)，并且有与第一加法器(S1)的和输出相耦合的，用以提供各自的第一和第二音频信号(u1(n)、u2(n))的第二输入(13、14)。

5.根据权利要求2-4中之一的音频处理设备(1)，其特征在于，比较器是减法器(C1、C2)。

6.根据前述引用权利要求4的权利要求之一的音频处理设备(1)，其特征在于，所述三个加法器(S1、9、10)的每一个都有求和输出，每个都与三个各自的扬声器相耦合，分别为左、右和中心音频信号(L、R、C)的声音在现。

7.微处理器，其特征在于，微处理器适合编程应用在根据权利要求1-6中之一的音频处理设备(1)，藉此微处理器能够计算第二自适应滤波器(P3、P4)系数，这样至少第一和第二音频输入信号的相关部分包括在和音频信号(y(n))之中。

8.音频设备，例如调谐设备、无线电接收机、音频记录设备、音频可视设备以及类似设备，包含根据权利要求1-6中之一的音频处理设备(1)，该音频处理设备具有根据权利要求7的处理器。