CN1764329A - 改进的音频处理 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及音频信号处理，如均衡和空间增强功能。本发明提供用于两个音频声道的音频信号处理电路设置，其把空间增强或声混合(串扰)消除与图象均衡功能相组合。这是通过与公知的专用于每一功能的级联电路相比具有减少的滤波器数的电路结构来实现的。此电路结构通过分离的滤波器来处理和与差信号，然后重新组合它们以恢复分离的声道(分别加和减)。
Description
技术领域
本发明涉及音频信号处理，如均衡和空间增强功能，并且特别地但不仅仅与数字音频信号的数字信号处理有关。
背景技术
用于提高可感知的立体声音频质量的两种普通效果是立体声增强和频率响应均衡。
空间或立体声增强效果通过消除由于在扩音器和耳朵之间左和右信号声音混合而出现的串扰(crosstalk)成分来工作。其结果是给予声道间增加的立体声分离的印象。图1示出听者的左耳(Le)如何经路径B来接收预期到达右耳的信号，即Le＝A.Lo+B.Ro，其中Lo和Ro是来自左和右扬声器的输出信号，而A和B是用于路径A和B的声传递函数，并且类似地，右耳接收到预期到达左耳的信号。
两个电路一般被用于消除这些串扰成分。图2a所示为经典的串扰消除器。这包括两个用于过滤左和右声道的立体声增强滤波器C，以及两个加法器AL和AR。Li和Ri是从左和右信号源接收的音频信号。滤波后，加法器AL从左声道输入Li中减去右声道输入Ri，以给出左声道输出Lo。加法器AR提供对应的功能以提供右声道输出Ro。可以看出如果滤波器C具有传递函数B/A，串扰成分可极好地消除。
Lo＝Li-C.Ri，且Ro＝Ri-C.Li
Le＝A.(Li-C.Ri)+B.(Ri-C.Li)
＝A.Li-B.Ri+B.Ri-Li.B2/A
＝A.Li.(1-B2/A2)
通常，滤波器C以简单的低通函数设计以模仿在路径B中听者的头的衍射效果，基于路径A有很小的滤波效果的假设。滤波器C也可被设计为带通函数以防止均等地记录在左和右声道中的低音信号的消除。
第二公知的电路在图2b中示出。这里左输入Li和右输入Ri声道之间的差被滤波(C’)和缩放(K)。这个经处理的信号然后被加到(AL)左输入信号Li以产生左输出信号Lo，并且从右输入信号Ri中被减去(AR)以产生右输出信号Ro。此修改导致类似的串扰消除属性，其中当C’＝B/(A-B)时，给定Le＝A.Li.(1+(B/A))，可完全消除。但它仅需单个滤波器，这样使实现更简单且更便宜。该电路还具有“3D-增益”控制器，所述控制器通过具有可变增益K的缩放单元而实现，其允许调整立体声增强或声串扰消除效果的范围。
虽然立体声增强滤波器(C或C’)通常被设计为带通或低通函数，但效果粗糙且产生不自然的声音立体图像(sounding stereo image)。这是由于传递函数B/A是低通这个总近似(gross approximation)。使用更灵活的滤波器函数能产生更令人感兴趣的或微妙的效果。例如，有用的是能够修改这些滤波器以补偿扩音器放置与听者头形状的差，以便更接近地匹配函数B/A的响应。实际上这可以通过用户控制的输入来使能，以控制滤波器特性和/或立体声增强效果(K)的范围。
另一个普通的效果是频率响应均衡，其用于修改音频信号的频率特性，以补偿收听环境的频率响应或者调整声音以适合听者的偏好。典型地，图形均衡器功能被用于在许多不同的音频频带之上提供提升(boost)或切分(cut)。
当实现空间增强效果和均衡效果时，需要三个滤波器，在均衡器中每个声道对应一个(CLR和CER)，而一个在空间增强器(C’)中。典型地，这些功能块简单地级联在一起，如图3中虚线轮廓示出的附加的滤波器CEL和CER所示。比方说，通常CEL和CER是相同的传递函数CE。
在实现成本需要保持绝对最低的应用中，实现这些滤波器的硬件成本可能过高。对于便携的电池供电的设备(通常驱动头戴式耳机，但相似特征仍是所需的)，功耗也是重要的考虑因素。如果滤波器在ALU(算术逻辑单元)核上实现，乘法循环(mutiply cycle)的数量更有价值(at a premium)，所以有利的是最小化滤波器的数量(或复杂度)以避免增加ALU的时钟频率。较高的时钟频率需要较高的功耗，以及可能较大的芯片面积，或在最坏的情况下不得不给系统加额外的ALU。
因此理想的是能够提供空间增强和频率响应均衡二者，但又减少硬件成本和功耗。
发明内容
概括而言，本发明一方面提供了用于两个音频声道的音频信号处理电路设置，并且其组合了空间增强或混音(acoustic mixing)(串扰)消除与均衡功能。该电路结构通过分离的滤波器处理和与差信号，然后再将它们重新组合以恢复分离的声道(分别加和减)。
这样的设置提供了很多优点，包括减少硬件成本和复杂度，这在低成本消费者电子器件中尤其重要。这是通过与专用于每一功能的公知的级联电路相比具有减少的滤波器数的电路结构的实施例获得的。另一优点是由于减少滤波器功能而减少了这种设置的功耗，所述滤波器功能是作为算术逻辑单元(ALU)上的乘和加操作而实现的。以这种方法最小化所需的计算数量使得时钟频率减小，并因此减少了功耗。这在如个人MP3播放器的便携装置中尤其重要。
进一步或另外的优点是滤波器的动态余量(headroom)需求减小。这是与空间增强效果和均衡器简单级联相比较的。如果大的L-R差信号出现，管理滤波器的动态余量需求变得困难。这是因为可能用户将为两个块选择高增益，在大的瞬时过冲或在两个滤波器都有高增益或者甚至在第一块的响应显示为峰且第二块被调整以给出相应衰减以避免在系统输出过载的频率，导致过早的信号过载，还在中间节点给出信号过载。这种过载只能通过增加数字字的宽度来避免，也伴随着硬件成本和功耗的代价。相反地，第一滤波器可在其响应中具有大的下降(dip)，然后其通过第二滤波器响应中的峰来补偿，导致量子化噪声(quantisation noise)或来自第一滤波器的数值舍入误差放大，这将需要数位字的LSB端的更多位，以维持理想的信噪比。这个潜在的动态余量问题在此实施例中不是重点，因为没有级联滤波器因而也不需要“最终的(last)”滤波器能够处理另外的大输入动态范围。
在一个实施例中，经滤波的和与差信号被加到分离的输入信号以提供立体声增强和/或均衡功能。通过经滤波的差与和信号以及输入信号的适当缩放，这两种效果的混合可以由用户控制。
特别是在一方面，提供了一种用于音频信号的信号处理电路。
还提供了一种处理音频信号的方法。
同时，该电路和方法很适合于数字信号处理，如实现数字音频信号中的串扰消除和均衡功能，它们也可应用于模拟实现和模拟信号处理。
附图说明
现在将以只是示范而非有意限制的方式参考附图来说明实施例，其中：
图1示出声串扰；
图2a示出用于消除声串扰的电路；
图2b示出用于消除声串扰的另一电路；
图3示出消除声串扰的另一电路，还提供了图形均衡功能；
图4为根据实施例的电路设置的示意图；
图5为根据另一实施例的电路设置的示意图；
图6为根据另一实施例的电路设置的示意图；以及
图7为根据另一实施例的电路设置的示意图。
具体实施方式
图4示出根据实施例的均衡器设置。该均衡器有两个输入用于接收左声道信号Li和右声道信号Ri。两个输入信号路径Li和Ri被耦合到加法器As，As把输入信号相加以提供和信号(Li+Ri)。然后这些被施加到第一或者和滤波器C1，并然后施加到具有增益值KA的缩放单元S1。当KA＝0.5时它使来自第一滤波器C1的信号输出振幅减半。所述两个输入路径Li和Ri也被耦合到减法器AD，AD将差信号(Li-Ri)提供给第二滤波器C2。第二滤波器C2的输出被耦合到也具有增益KA，比方说0.5，的第二缩放单元S2。第二加法器AL将来自S2(KA.C2.(Li-Ri))的经处理的差信号与来自S1(KA.C1.(Li+Ri))的经处理的和信号相加以提供左声道输出信号Lo。第二减法器AR从来自S1的经处理的和信号中减去来自S2的经处理的差信号以提供右声道输出信号Ro。
因此该“差分”均衡器EQ架构单独地处理和(L+R)与差(L-R)信号。
如果滤波器C1和C2是相同的(比方说等于CE，如关于图3所述)且KA＝0.5，当输出被重新组合时总结果与通过传递函数CE来单独处理每一声道的相同，如下所示：
LO＝C1(Li+Ri)/2+C2(Li-Ri)/2＝CE(Li+Ri)/2+CE(Li-Ri)/2＝CE.Li
Ro＝C1(Li+Ri)/2-C2(Li-Ri)/2＝CE(Li+Ri)/2-CE(Li-Ri)/2＝CE.Ri
这与通过图2的电路处理信号等效。如果KA减小到小于0.5，两输出都相应地以系数KA/0.5缩放，当KA接近0时减小到0。
如果滤波器特性C1等于CE，且C2等于CE与(1+2.K.C’)的乘积，当输出被重新组合时总结果与通过图3的电路单独处理每一声道的相同，如下所示：
Lo＝C1(Li+Ri)/2+C2(Li-Ri)/2
＝CE(Li+Ri)/2+CE.(1+2K.C’)(Li-Ri)/2
＝CE.(Li+K.C’.(Li-Ri))
Ro＝C1(Li+Ri)/2-C2(Li-Ri)/2
＝CE(Li+Ri)/2-CE.(1+2K.C’(Li-Ri)/2
＝CE.(Ri-K.C’.(Li-Ri))
再者，由于两个主信号路径都以KA缩放，当KA减小到小于0.5时，两输出都相应地以系数KA/0.5缩放，当KA接近0时减小到0。
图5示出经修改的图2b的电路，其中引入以系数K1缩放所有输出的附加的缩放元件S3、S4，以及以K1与K的乘积缩放的S5。如果滤波器C2具有与图2b中的滤波器相同的传递函数C’，那么除了以K1缩放之外，输出Lo和Ro与来自图2b中的电路的输出相同。因此当K1＝1时，它们不被缩放，而当K1＝0时衰减到0。除了该附加的缩放，该电路功能上与图2b等效，并且提供了由K控制的可变量的“3D”空间增强。
图6示出根据优选实施例的组合的声串扰消除器和均衡器电路架构。这可以看作图4和5的叠加，相同构件具有相同的参考标记。缩放器S1和S2的缩放系数KA现在被设为(1-K1)/2。
图6中的组合的声串扰消除器和均衡器与图4的相似并且有两个输入，用于接收左声道信号Li和右声道信号Ri。两个输入信号路径Li和Ri被耦合到加法器As，As把输入信号相加以提供和信号(Li+Ri)。然后这些被施加到第一或者和滤波器C1，然后施加到具有增益值(1-K1)/2的缩放单元S1，其中0＜＝K1＜＝1。两个输入路径Li和Ri还被耦合到减法器AD，AD把差信号(Li-Ri)提供给第二滤波器C2。第二滤波器C2的输出被耦合到也具有增益(1-K1)/2的第二缩放单元S2。
第二加法器AL把来自S2(((1-K1)/2).C2.(Li-Ri))的经处理的差信号加到来自S1(((1-K1)/2).C1.(Li+Ri))的经处理的和信号。从输入信号Li到第二加法器AL的另外的路径引入具有增益K1的另一缩放单元S3。经缩放的输入信号K1.Li由第二加法器AL加到经处理的和与差信号以提供左声道输出信号Lo。第二减法器AR从来自S1的经处理的和信号中减去来自S2的经处理的差信号。从输入信号Ri到第二减法器AR的另一信号路径引入具有增益K1的另一缩放单元S4。经缩放的输入信号K1.Ri由第二减法器AR加到经处理的和与差信号以提供右声道输出信号Ro。
另一缩放单元S5被耦合在第二滤波器C2的输出到第二加法器AL和第二减法器AR二者之间，其在两种情况下将该经缩放的输出加到它们的其他输入以产生其相应的左和右输出信号Lo和Ro。第五缩放单元具有增益K.K1，其中K是与等价于图3的缩放单元的增益值的增益值。K是来自图3的电路的特别效果水平(effect level)所需的“3D-增益”值。
这样，这些组合的功能(空间增强和均衡)可只用两个滤波器块C1和C2，而不是这些功能块的三个典型级联来执行。这减少了硬件成本和复杂度。通过减少由ALU执行所需要的滤波器计算的数量，其还有利地减少了功率消耗。这在电池寿命是重要问题的便携装置如MP3播放器中是非常理想的。
如上所述，图6所示的电路中有附加的信号路径，其与图4中从输入到输出求和器的路径相比，每个具有另外的单元或增益块，S3用于Li到Lo的路径，而S4用于Ri到Ro的路径。
这种架构组合了图3或5的“3D”串扰消除效果的可变方面和图4的均衡功能(或图3的虚线部分)。通过调整K1，可以调整空间增强和均衡效果的范围。例如，当K1＝0时，没有空间增强(3D)，只有完全均衡(EQ)，而当K1＝1时，没有EQ，只有完全3D。K1的中间值提供3D和EQ的混合。通过改变K可独立地调整3D效果；虽然优选地这是固定的。
实际上C1可等于C2，使能够共享系数，并因此节省了系数存储器的访问和容量。
当调整K1时，可调整滤波器传递函数C1和C2以如上所述参考图4和5来创建适合的3D或EQ效果。所以，例如当K1＝0时，该电路与图4的电路等效，并可使用C1＝C2＝CE。对K1＝1，该电路与图3的电路等效，且可使用C2＝C’。在后一种情况下，滤波器C1的传递函数无关紧要。对于中间的K1，设置了中间滤波器函数。滤波器控制典型地由用户输入控制，但也可能依据用户确定的K1值来预置这些。
实际上，听者一般愿意避免这些极限而选择K1的一些中间值，以给出这两种效果的混合(hybrid)。对于接近0的K1值，此架构表现为均衡器，由于一定程度的串扰消除，对于声音空间属性其具有一些附加的增强。对于接近1的K1值，空间效果很显著，但频率响应均衡较细微。
虽然图中没有示出，技术人员将理解如何利用用户接口来对接对于变化的K1的控制信号以及滤波器函数C1及C2以便使用户控制这些效果。还有，虽然已述实施例中C1＝C2，同样可能的是不同的均衡函数可施加到左和右声道。
图7示出图6电路的简化版本，其中图6中的两个缩放单元(K.K1和S2)被具有值K3/2的单个增益块S2’代替，其中K3＝1-K1+2K.K1。
用于左和右路径(其中C＝C1＝C2)的传递函数与图6中的的等效，如下所示：
Lo＝C(1-K1)(Li+Ri)/2+C.K3(Li-Ri)/2+K1.Li
Ro＝C(1-K1)(Li+Ri)/2-C.K3(Li-Ri)/2+K1.Ri
等效地，
Lo＝(C(1-K1)+K1)Li+C.K.K1(Li-Ri)
Ro＝(C(1-K1)+K1)Ri-C.K.K1(Li-Ri)
当K1＝0(零3D效果)，总的传递函数简化为图4电路的传递函数-即这与用均衡器函数C单独滤波L和R信号相同，以得出Lo＝C.Li且Ro＝C.Ri。
当K1＝1，
Lo＝Li+C.K(Li-Ri)
Ro＝Ri-C.K(Li-Ri)
因此，此架构实现了图3的立体声增强功能，其中3D-增益由K设定，并且相加的差信号由C滤波。
所述实施例提供了很多优点，例如它们允许使用更有效的实现(用2个滤波器代替3个)，同时允许用户控制频率响应均衡和空间增强(或声串扰消除)。另外，信号动态余量需求更易于管理，避免了对更宽的数位字及额外的硬件成本以及处理它们所需功率的需求。这是因为避免了把两个高增益级(单独的空间增强级和均衡级)级联在一起的问题。
尽管所述实施例是相对于数字信号处理来描述的，同样可在其他技术中实现它们，例如作为在减少电路复杂度、成本和功率以及避免过载或在可能的滤波器响应选择下噪声峰值方面有相似优点的运算放大器(opamp)的模拟电路。
所述实施例的电路可以作为集成电路或芯片而实现，并且这些可合并到各种音频设备中，如便携MP3播放器、计算机声卡、游戏机、音频可视设备如TV、独立放大器或扬声器、以及其他基于数字的高保真声音设备、数字静态和视频相机。
技术人员将认识到上述设备和方法可以具体化为处理器控制代码，例如在如盘、CD-或DVD-ROM的载体介质上，在如只读存储器(固件)的可编程存储器上，或在如光或电信号载体的数据载体上。对于很多应用，本发明实施例将在DSP(数字信号处理器)、ASIC(应用特定的集成电路)或FPGA(现场可编程门阵列)上实现。因此该代码可包括常规程序代码或微代码(microcode)或例如用于设置或控制ASIC或FPGA的代码。该代码还可包括用于动态配置如可重编程逻辑门阵列的可重新配置的设备的代码。类似地，该代码还可包括用于如VerilogTM或VHDL(甚高速集成电路硬件描述语言)的硬件描述语言的代码。如技术人员将理解的，该代码可分布在多个相互通信的耦合元件之间。在适当的情况下，所述实施例还可这样实现：通过使用运行在现场可(重)编程模拟阵列或类似装置上的代码以配置模拟硬件。
技术人员也将理解，通常根据以上教导，各种实施例以及与关于其所述的特定特征可以与其他实施例或其特定描述的特征自由组合。技术人员也将认识到可以对所述特定实例进行各种变更和修改而不背离所附权利要求的范围。
Claims (17)
1.一种用于音频信号的处理电路，包括：
用于分别接收第一和第二信号的输入；
第一滤波器，设置为处理所述信号之和；
第二滤波器，设置为处理所述信号之差；
装置，用于将所述经滤波的差信号加到所述经滤波的和信号以提供经处理的第一输出信号；以及
装置，用于从所述经滤波的和信号中减去所述经滤波的差信号以提供经处理的第二输出信号。
2.根据权利要求1的电路，进一步包括：
第一缩放单元，耦合在所述第一输入信号与所述加法装置之间，所述加法装置进一步设置为将所述经缩放的第一输入信号加到所述经滤波的差信号与所述经滤波的和信号之和上；
第二缩放单元，耦合在所述第二输入信号与所述减法装置之间，所述减法装置进一步设置为将所述经缩放的第二输入信号加到减去所述经滤波的差信号的所述经滤波的和信号之和上；
第三缩放单元，耦合在所述第一滤波器与所述加法装置及所述减法装置的每个之间；
第四缩放单元，耦合在所述第二滤波器与所述减法装置及所述加法装置的每个之间；
3.根据权利要求2的电路，进一步包括耦合在所述第二滤波器与所述加法及减法装置之间的第五缩放单元。
4.根据权利要求2或3的电路，进一步包括用于根据用户输入改变所述缩放单元的增益值以便为音频信号提供声串扰消除和/或声道均衡效果的装置。
5.根据权利要求2、3或4的电路，其中对于所述缩放单元增益值每个都依赖于共同的可变增益值(K1)。
6.根据从属于权利要求2时的权利要求5的电路，其中所述第一和第二缩放单元具有增益值K1，所述第三缩放单元具有增益(1-K1)/2，而所述第四缩放单元具有增益(1-K1+2.K.K1)/2，其中K是用于设置声串扰消除水平的增益值。
7.根据从属于权利要求3时的权利要求5的电路，其中所述第一和第二缩放单元具有增益值K1，所述第三和第四缩放单元具有增益(1-K1)/2，且所述第五缩放单元具有增益K.K1，其中K是用于设置声串扰消除水平的增益值。
8.根据前述权利要求之任一的电路，进一步包括用于改变所述第一和/或第二滤波器的传递函数以改变对音频信号的均衡效果的装置。
9.根据权利要求8的电路，其中所述传递函数改变装置包括用于接收用户均衡器信号的输入，并设置为根据所述信号调整所述第一和/或第二滤波器的传递函数。
10.一种集成电路，包括根据任一前述权利要求的电路。
11.包括算术逻辑单元和根据权利要求1到9之任一的电路的音频设备。
12.一种处理音频信号以提供声串扰消除和/或声道均衡效果的方法，该方法包括：
接收对应于立体声数字音频信号的左声道和右声道的第一和第二信号；
对所述信号之和滤波；
对所述信号之差滤波；
将所述经滤波的差信号加到所述经滤波的和信号上以提供经处理的第一输出信号；以及
从所述经滤波的和信号中减去所述经滤波的差信号以提供经处理的第二输出信号。
13.根据权利要求12的方法，进一步包括：
缩放所述第一信号输入并将所述经缩放的第一信号输入加到所述经处理的第一输出信号；
缩放所述第二信号输入并将所述经缩放的第二输入加到所述经处理的第二输出信号；
在所述加之前缩放所述经滤波的输入信号之和；以及
在所述减之前缩放所述经滤波的输入信号之差。
14.根据权利要求13的方法，进一步包括缩放所述经滤波的输入信号之差，并将所述经缩放的经滤波差信号加到所述经处理的第一输出信号并加到所述经处理的第二输出信号。
15.根据权利要求13或14的方法，进一步包括根据用户输入改变所述缩放的量以提供对所述音频信号的声串扰消除和/或声道均衡效果。
16.根据权利要求12到15之任一的方法，进一步包括改变与所述和与差滤波相关联的传递函数以改变对音频信号的均衡效果。
17.一种承载处理器代码的载体介质，当在处理器上实施时，所述代码设置为执行根据权利要求12到16之任一的方法。
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| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Open date: 20060426 |