KR20040052236A

KR20040052236A - 베이스 주파수 증폭 장치

Info

Publication number: KR20040052236A
Application number: KR10-2004-7005606A
Authority: KR
Inventors: 탕히로익비.
Original assignee: 코닌클리케 필립스 일렉트로닉스 엔.브이.
Priority date: 2001-10-17
Filing date: 2002-10-14
Publication date: 2004-06-22
Also published as: EP1440603A2; US20040258246A1; WO2003034781A2; CN1582602A; AU2002329002A1; WO2003034781A3; JP2005506781A

Abstract

본 발명은 오디오 신호(AL, AR)의 베이스 주파수(bass frequencies)를 증폭하는 장치(1)에 관한 것이다. 베이스 성분은 제어 가능 증폭기(17)에 인가된다.

비교 회로(19)는 증폭기(17)의 출력 및 입력으로부터의 신호들을 비교한다. 피드포워드 신호가 피드백 신호보다 큰 레벨을 가지면, 베이스 전력(bass power)이 감소되고 반대의 경우 증가된다. 발진 피크값은 플랫 라우드스피커의 경우에 시간 및 주파수에 관하여 감소된다.

Description

베이스 주파수 증폭 장치{Bass frequency amplifying apparatus}

이와 같은 장치는 미국 특허 6,359,655 호에 공지되어 있다. 이 장치는 피드백 제어 가능하고 베이스 성분에 따라 이득이 변하는 증폭기를 구비한다. 저 레벨에서는 베이스 신호의 이득이 높고 고 레벨에서는 낮다. 이 타입의 베이스 이득은 원뿔형 라우드스피커 멤브레인(conical loudspeaker membrane)을 가진 다이나믹(electrodynamic) 라우드스피커를 통해 양호한 음향을 얻기에 충분하다.

플랫(flat) 라우드스피커를 통한 음성 재생을 위해서는, 이 타입의 베이스 이득이 적합하지 않다. 플랫 라우드스피커는 이하에서 패널이라고 하는 플랫 방사 평면을 가지며 또한 분산 모드 스피커로도 알려져 있다. 미적인 이유 때문에, 플랫 라우드스피커가 더욱더 널리 사용된다. 베이스 재생은 플랫 라우드스피커로 열악하게 실현된다. 기계적 구조에 따라, 플랫 라우드스피커의 발진은 원뿔형 멤브레인을 가진 다이나믹 라우드스피커에 비해 제한된다. 전기적 수단에 의한 베이스 주파수의 이득은 종종 증폭기에 의한 전기적 클리핑이 일어나기 전에 왜곡, 특히 기계적 클리핑 및 음향적 교란을 급속하게 유발할 수 있다.

본 발명은 오디오 신호의 베이스 주파수를 증폭하는 장치로서, 오디오 신호를 제 1 신호부와 제 2 신호부로 분할하는 제 1 수단, 제어 가능 증폭기 회로 및 제 2 신호부를 압축하는 제어 회로를 가진 피크값 압축기를 구비한 증폭기, 및 제 1 신호부와 압축된 제 2 신호부를 조합하는 제 2 수단을 구비하는 장치에 관한 것이다.

도 1은 피크값 압축기를 가진 베이스 주파수 증폭 장치의 블록도.

도 2는 피크값 압축기의 회로도.

그러므로, 본 발명의 목적은 플랫 라우드스피커용의 증폭기를 제공하는데 있다.

이 목적은 청구항 1에 정의된 특징부에 의해 달성된다. 본 발명에 따라, 피크값 압축기는 입력에 연결된 피드포워드 루프 세그먼트 및 피크값 압축기의 출력에 연결된 피드백 루프 세그먼트를 가진 비교 회로를 구비한다. 피드포워드 루프 세그먼트는 치명적인 피크값을 가진 신호가 증폭기에 인가되어 라우드스피커로 전달되는 것을 방지하는 피드포워드 제어의 일부이다. 이 방식으로, 피드포워드, 베이스 압축 오디오 시스템 및 방법이 실현되어, 베이스 전력 출력이 개선되고, 동시에 라우드스피커의 기계적 클리핑과 같은 현저한 교란이 방지된다. 베이스 신호의 평균값은 시간 및 주파수 면에서 최대화된 범위를 갖는다. 이 개념은 베이스 신호를 플랫 라우드스피커에 부가하는 것이며, 그 신호는 현저한 음성을 극대화하나 플랫 라우드스피커의 시간 및 주파수에 대한 발진 피크 값이 동시에 방해된다.

유리하게, 비교 회로는 피드포워드 루프 세그먼트로부터의 입력값을 0.3-0.7의 인자(factor), 유리하게는 0.4-0.6, 특히 0.5 인자만큼 강화(impress)한다. 피드포워드 제어로 검출된 피크값이 50%의 압축률에 대응하는 0.5의 인자만큼 증폭될때, 볼륨 제어는 스위치 오프 피크값 압축에 비해 3 dB 이상 높게 스위칭될 수 있다. 볼륨 제어는 피크값 압축기에서 이득 제어의 감쇠 시간에 의존하며, 감쇠 시간은 이하 하강 시간(dying-down time)이라고 한다.

유리하게, 제 1 수단은 오디오 신호를 분할하기 위한 대역 통과 필터를 구비한다. 피크값 압축기는 대역 제한 신호로 제대로 동작할 수 있다. 따라서, 라우드스피커가 재생할 수 없는 주파수, 특히 저주파수를 확대할 필요가 없다.

유리하게, 제 1 수단은 오디오 신호를 분할하기위한 가산기 회로를 구비한다. 라우드스피커의 공진 주파수, 즉 소스가 청취자 옆에 위치될 수 없는 주파수 이하인 주파수가 증폭될 때, 2 개 이상의 채널들로부터의 베이스 주파수가 하나 이상의 가산기 회로에서 결합되고, 단일 압축기에 의해 처리되며, 하나 이상의 라우드스피커를 통해 재생될 수 있다.

베이스 신호가 처리되는 동안에, 직접 경로 상에 존재하는 신호가 자유롭게 선택 가능한 고역 통과 필터에 의해 라우드스피커의 공진 주파수 이상으로 필터링될 수 있다. 이 이유 때문에, 베이스 신호의 개별적으로 처리되고 최소화된 발진 피크 값이 라우드스피커에 인가된다.

유리하게, 증폭기는 자동 이득 제어를 갖는다. 이득 제어는 오디오 배열의 출력 레벨을 체크하고 체크된 레벨이 정의된 목표 레벨 이상일 때 베이스 경로에서의 전력을 감소시킨다. 이는 매우 높은 출력 레벨에서 기계적 클리핑을 방지한다. 출력 레벨은 제 1 및 제 2 압축 신호부의 부가 후에 그리고 수동적으로 제어 가능한 볼륨 제어 후에 얻어지는 레벨이다.

본 발명의 이들 측면들 및 다른 측면들은 이하에서 설명되는 실시예를 참조하면 명백하다.

도 1은 베이스 주파수를 증폭하는 장치(1)를 도시하며, 이 장치는 2 개의 입력(2, 3), 가산기(4), 고역 통과 필터(5), 대역 통과 필터(6), 제 2 고역 통과 필터(7), 증폭기(8), 2 개의 다른 가산기(9, 10), 2 개의 출력(11, 12) 및 2 개의 다른 입력(13,14)을 구비한다. 증폭기(8)는 피크값 압축기(15)와 자동 이득 제어(16)를 구비한다. 피크값 증폭기(15)는 제어 가능 증폭기 회로(17), 제어 회로(18) 및 비교기(19)를 구비한다. 피드포워드 루프 세그먼트(20)는 제어 가능 증폭기(17)의 입력(21)를 비교기(19)에 연결하고, 피드백 루프 세그먼트(22)는 제어 가능 증폭기(17)의 출력(23)을 비교기(19)에 연결한다. 자동 이득 제어(16)는 다른 제어 가능 증폭기 회로(24), 다른 제어 회로(25) 및 제 2 비교기(26)를 구비한다. 신호를 라우드스피커(도시되지 않음)에 인가하는 2 개의 수동 조작 가능 볼륨 제어(27, 28)는 출력(11, 12)에 연결된다. 볼륨 제어(27, 28)의 출력은 전기 도통 접속에 의해 제 2 비교기(26)를 제어하는 입력(13, 14)에 연결된다.

장치는 다음 기능을 갖는다. 좌 및 우 채널을 가진 스테레오 시스템의 2 개의 디지탈 오디오 신호(AL, AR)는 장치(1)의 입력(2, 3)에 인가된다. 두 오디오 신호(AL, AR)는 가산기(4)에 인가되어 합산되며, 합산된 신호는 대역 통과 필터(6)에서 대역 제한된다. 장치(1)는 대역 통과 필터(6), 베이스 신호의 진폭의 피크값을 압축하는 피드포워드 피크값 압축기(15), 및 출력 레벨이 너무 높을 때 값을 감소시키는 자동 이득 제어(16)를 구비하는 단일 베이스 경로(29)를 갖는다. 대역 통과 필터(6)는 무한 임펄스 응답(IIR)를 가진 IIR 필터이다. 피크값 압축기(15)는 신호의 피크값을 안정화시키고 동시에 펄스의 꼬리 부분이 보호 또는 유지된다. 좌 및 우 채널의 신호를 가산하는 가산기(4)는 베이스 경로(29)의 입력에 연결된다. 베이스 경로(29)의 출력 신호는 좌 및 우 경로(30, 31)의 고역 통과 필터링된 신호에 직접 가산된다.

도 2는 제어 가능 증폭기 회로(17), 제어 회로(18) 및 비교기(19)를 가진 피크값 압축기(15)를 도시한다. 피드포워드 루프 세그먼트(20)에 연결된 비교기의 입력(32)은 레벨 검출기 회로(33)를 구비한다. 회로(33)는 0.1ms의 매우 짧은 반응 시간과 3 초의 매우 긴 감쇠 시간을 가진 피드포워드 제어에 의해 최대 신호 피크값을 검출한다. 이하 필터라고도 하는 레벨 검출 회로(33)는 n 값의 디지탈 입력 신호(x)를 수신하고, 검출 회로(33)는 다음과 같이 상수(Ta, Tr)로 계산될 수 있는 n 값의 디지탈 신호(y)를 공급한다.

y(n)=|x(n)|+Kp^*(y(n-1)-|x(n)|)+Km^*|(y(n-1)-|x(n)|)|

여기서, Kp = (Kr+Ka)/2

Km = (Kr-Ka)/2

Kr = exp(-1/(Tr*샘플 주파수))

Ka = exp(-1/(Ta*샘플 주파수))

입력 신호의 절대값이 이와 같이 1차 액세스 및 릴리스 필터(first-order access and release filter)(33)에 인가된다. 짧은 상승 시간(building-up)(Ta) 및 긴 하강 시간(dying-down time)(Tr)을 가지고 입력 신호 x(n)의 피크 값이 필터(33)의 출력에서 신호 y(n)로 존재한다. 샘플 주파수는 3 개의 연속 샘플들의 발생 간의 시간 간격에 의해 정의된다.

레벨 검출 회로(33) 다음에 증폭기(34)가 위치한다. 증폭기(34)는 입력 신호 y(n)를 0.3-0.7, 유리하게는 0.4-0.6, 특히 0.5의 인자만큼 증폭한다. 다른 레벨 검출 회로(36)가 피드백 루프 세그먼트(22)와 마주하는 다른 입력(35)에 연결된다. 이 레벨 검출 회로(36)의 기능은 레벨 검출 회로(33)에 대해 설명된 기능과 동일하다. 레벨 검출 회로(36)는 증폭기(34)를 통해 신호를 공급하고 레벨 검출 회로(36)는 신호를 비교 회로(37)에 직접 공급한다. 비교 회로(37)는 이득 감소 회로(38)와 이득 증가 회로(39)를 구비하는 제어 회로(18)에 출력 신호를 공급한다. 회로(33,39)는 다음과 같이 동작한다.

비교 회로(37)에서, 필터(33)의 50%만큼 감소되는 필터 응답은 필터(36)의 필터 응답과 비교된다. 50%만큼 감소된 값이 필터(36)의 피드백 루트로부터의 필터 응답보다 크면, 증폭기의 이득은 이득 감소 회로(38)에서 상수 DEC_GAIN만큼 감소된다. 값이 보다 크면, 증폭기(17)의 이득은 이득 증가 회로(39)에서 상수INC_GAIN만큼 감소된다. 이득 인자의 제한 값은 1.0 및 0.01이다.

Gain = gain * INC_GAIN

Gain = gain * DEC_GAIN

여기서, INC_GAIN = 10 exp(24/(상승 시간 * 샘플링 주파수 * 20))

DEC_GAIN = 10 exp(-24/(하강 시간 * 샘플링 주파수 * 20))

필터(33)의 50% 감소된 필터 응답이 목표 레벨이 된다. 이 목표 레벨은 피드백에 의해 검출된 피크값과 비교되고, 제어 회로(18)는 입력 신호의 개입을 매우 빠르게 제거하기 위해 20 ms의 매우 짧은 하강 시간으로 목표 레벨을 고정하기 위해 출력에서 사용되는 이득을 조절한다. 50 ms의 상승 시간은 신호의 감쇄와 관계없이 신호 개입의 전체 기간 동안 시간 프레임을 얻기 위해 보다 길다. 압축기(15)는 볼륨 제어와 독립적으로 불필요한 개입의 부가 없이 신호의 피크값을 형성한다. 음성은 순수하고 자연스럽게 유지되고 아티팩트(artefact), 즉 불필요한 현저한 교란이 없다. 레벨 검출이 순방향 제어되나 피크 값 압축은 입력 신호(AL, AR)에 좌우될 뿐이다. 순방향 제어로부터 검출된 피크값 레벨의 0.5 배값보다 작은 높은 피크값 압축률이 이 장치로 얻어질 수 있다.

원뿔형 라우드스피커 멤브레인, 즉 패널의 발진이 이 경우에 상당하므로, 발진 곡선은 주파수에 비례하여 고려되어야 한다. 이 비례는 스몰 및 틸레(Small and Thiele) 파라미터와 같은 라우드스피커 특성에 의해 결정된다. 가능한 베이스 증가는 라우드스피커의 곡선 및 압력 응답으로부터 도출될 수 있고, 그 베이스는 베이스 주파수 압력 응답을 최대화하나 최대값은 발진 곡선에서 증가되지 않는다.

대역 통과 필터(6)의 이득으로, 보다 현저한 베이스 주파수가 얻어질 수 있으나, 베이스 주파수 피크만이 감소된다.

참조 번호 목록

1: 베이스 주파수 증폭기 장치

2: 입력

3: 입력

4: 가산기

5: 고역 통과 필터

6: 대역 통과 필터

7: 고역 통과 필터

8: 증폭기

9: 가산기

10: 가산기

11: 출력

12: 출력

13: 입력

14: 입력

15: 피크값 압축기

16: 자동 이득 제어

17: 증폭기 회로

18: 제어 회로

19: 비교기

20: 피드포워드 루프 세그먼트

21: 입력

22: 피드백 루프 세그먼트

23: 출력

24: 증폭기회로

25: 제어 회로

26: 비교기

27: 볼륨 제어

28: 볼륨 제어

29: 베이스 경로

30: 경로

31: 경로

32: 입력

33: 레벨 검출 회로

34: 증폭기

35: 입력

36: 레벨 검출 회로

37: 비교 회로

38: 이득 감소 회로

39: 이득 증가 회로

Claims

오디오 신호(AL, AR)의 베이스 주파수를 증폭하는 장치(1)로서,

상기 오디오 신호(AL, AR)를 제 1 신호부와 제 2 신호부로 분할하는 제 1 수단(4,5,6,7), 제어 가능 증폭기 회로(17) 및 상기 제 2 신호부를 압축하는 제어 회로(18)를 가진 피크값 압축기(15)를 구비한 증폭기(8), 및 상기 제 1 신호부와 상기 압축된 제 2 신호부를 조합하는 제 2 수단(9,10)을 구비하는 상기 장치에 있어서,

상기 피크값 압축기(15)는 입력(21)에 연결된 피드포워드 루프 세그먼트(20) 및 상기 피크값 압축기(15)의 출력(23)에 연결된 피드백 루프 세그먼트(22)를 가진 비교 회로(19)를 구비한, 증폭 장치.
제 1 항에 있어서,

상기 비교 회로(19)는 상기 입력(22)으로부터의 입력값을 0.3-0.7의 인자(factor), 유리하게는 0.4-0.6, 특히 0.5 인자만큼 강화(impress)하는, 증폭 장치.
제 1 항에 있어서,

상기 제 1 수단(4,5,6,7)은 상기 오디오 신호(AL, AR)를 분할하는 대역 통과 필터(6)를 구비하는, 증폭 장치.
제 1 항 또는 제 3 항에 있어서,

상기 제 1 수단(4,5,6,7)은 상기 오디오 신호(AL, AR)를 분할하는 가산기 회로(4)를 구비하는, 증폭 장치.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

상기 증폭기(8)는 자동 이득 제어(16)를 갖는, 증폭 장치.
좌 및 우 채널을 가진 스테레오 시스템의 좌 및 우 디지탈 오디오 신호(AL, AR)의 베이스 주파수를 증폭하는 방법에 있어서,

상기 오디오 신호(AL, AR)를 대역 통과 제한하는 단계,

후속하여, 피드포워드 및 피드백 피크값 압축기에서 상기 대역 통과 제한된 오디오 신호를 압축하는 단계,

상기 오디오 신호(AL, AR)를 고역 통과 필터링하는 단계, 및

상기 압축된 오디오 신호를 상기 고역 통과 필터링된 오디오 신호에 가산하는 단계를 포함하는 증폭 방법.
제 6 항에 있어서,

상기 좌 및 우 오디오 신호는 상기 대역 통과 제한 전에 가산되고, 상기 가산된 신호는 압축 후 각각의 고역 통과 필터링된 오디오 신호에 가산되는, 증폭 방법.