單聲道－立體聲轉換設備、利用該設備的還音系統以及單聲道－立體聲轉換方法
2023-04-23 15:16:36 1
專利名稱：單聲道－立體聲轉換設備、利用該設備的還音系統以及單聲道－立體聲轉換方法
技術領域：
本發明涉及一種設備，該設備包括接收輸入信號的輸入端，提供左聲道輸出信號的第一輸出端和提供右聲道輸出信號的第二輸出端。
本發明還涉及還音系統，該系統包含一音頻信號處理電路，該電路有著左聲道輸入端、右聲道輸入端、環繞聲道輸入端、左聲道輸出端和右聲道輸出端，左聲道和右聲道揚聲器分別與左聲道和右聲道輸出端相連；所述電路包括上文提及的設備，其所述輸入端與環繞聲道輸入端相連，所述電路還包括定位裝置，其第一和第二輸入端分別與所述設備的第一和第二輸出端相連，用於將所述設備的輸出信號定位於其位置不同於左聲道和右聲道揚聲器的虛擬聲源處。
本發明還涉及音頻/視覺還原系統，該系統包括這樣的還原系統，一個殼體，其中安裝了一個圖形顯示屏和所述左聲道和右聲道揚聲器。
本發明也涉及將輸入信號處理成左聲道和右聲道輸出信號的處理方法。
當今的音頻設備用於還原立體聲信號。但是，並非所有的信號源都能夠給出立體聲信號。例如，一些電視臺或廣播電臺不能播送立體聲音頻信號。這使得單聲道信號與立體聲信號的再現效果有著明顯的聽覺差別。在公知領域，為了使聽者有立體聲感覺，出現了一些單聲道-立體聲轉換辦法。但是，這些設備所產生的立體聲假象通常很有限，或者由於採用了相移和/或延遲而使聲音有色化。
本發明的一個目的是提供一個設備，該設備將單聲道信號還原為立體聲感得到改進的立體聲信號。
根據本發明的設備，其特徵在於所述設備包括裝置，用於將第一信號的預定頻段分割為多個相鄰頻帶，將第一選定頻帶送往第一輸出端並且將第二選定頻帶送往第二輸出端，所述第一和第二選定頻帶基本上分離，第一和第二選定頻帶加在一起覆蓋了所述預定頻段。
本發明基於這樣的認識，即樂器的頻譜主要存在於某一有限的頻帶內。故此不同樂器的音頻信號的頻譜有所不同。通過將音頻信號的頻譜分割為多個相鄰頻帶並且將不相同的或基本分離的選定頻帶送往相應的左和右輸出端，音頻信號中的各種樂器即被定位於左或右輸出信號中。這樣，立體聲感覺得到了改進。
根據本發明的一個實施例，其特徵在於採用了裝置將連續頻帶分別交替地送往第一和第二輸出端。這樣，實現了頻帶的或多或少的平衡分布，所得到的也是令人滿意的準立體聲聲像。
根據本發明的一個實施例，其特徵在於一頻帶的中心頻率基本上是序號較低的相鄰頻帶的中心頻率的兩倍。通過選擇相鄰頻帶的中心頻率，使之相差2倍，可以將各樂器加以恰當地分離。
根據本發明的另一個實施例，其特徵在於所述裝置用於向第一和第二輸出端提供頻率比預定頻段的下限值低的頻帶信號。由於低頻在聲場中不易定位，故此不必將這些低頻分割成單獨的頻帶。在一優選實施例中，所述下限值約為400Hz。
根據本發明的另一個實施例，其特徵在於所述裝置用於向第一和第二輸出端提供頻率比預定頻段的上限值高的信號。由於與低頻信號相似的原因，無須對這些高頻濾波，因為高頻信號的波長短，如果頭作小幅度的運動就會使聽者的左右耳所感知聲音產生差別，所以將這些頻率分別置於左或右聲道輸出信號中不會提供有益的定位線索。
利用根據本發明的設備特別有助於環繞聲的還原。環繞聲通常包括前左聲道，前右聲道以及後環繞聲道。通過在還音系統中採用適於環繞聲還原的根據本發明的設備，將單獨的後環繞聲道轉換為兩個類似立體聲的後環繞聲道，使環繞聲感得到較大的增強。
本發明的上述目的和特徵在參考附圖閱讀了優選實施例的下列說明之後將更為一目了然，其中
圖1是根據本發明的單聲道-立體聲轉換設備，圖2是根據本發明的所述設備中所採用的帶通濾波器的幅度-頻率轉移曲線圖，圖3是根據本發明的所述設備從輸入端到輸出端的另一幅度-頻率轉移曲線圖，圖4是包括根據本發明設備的還音系統的第一實施例的示意圖，
圖5是還音系統的第二實施例的示意圖，圖6是音頻-視覺還原系統的實施例，其形式比如是電視機。
在這些附圖中，相同的部件用相同的參考標號表示。
許多國家播放的立體聲信號包括左聲道和右聲道信號。當今的接收機，無論是無線電用還是電視接收機用，都是對立體聲信號還音。但是，並非所有的廣播都是立體聲節目。在這些情況下，期望從這些單聲道廣播中以某種方式提取立體聲音頻信號。通常採用的設備中包含了延遲或相移器，以獲得立體聲感。其缺點是這些設備常常使音頻信號有色化，即一些頻率比另一些頻率衰減得多。
本發明提供一設備，用於將單聲道信號轉換為左聲道和右聲道立體聲，它為了產生立體聲感從不同的角度著手。通過將單聲道信號頻譜分離為相鄰頻帶並且根據從這些頻帶中選出的兩套分離選定頻帶產生兩個新的信號，獲得準立體聲聲音。
圖1是根據本發明的單聲道-立體聲轉換裝置。所述裝置包括多個帶通濾波器110-160，其輸入端與輸入端10相連，以便接收輸入信號。帶通濾波器110、130和150的輸出端連接至第一加法器170，第一加法器170將帶通濾波器110、130和150的相加後的輸出信號送往第一輸出端12，以便提供左聲道輸出信號。帶通濾波器120、140和160的輸出端連接至第二加法器180，第二加法器180將帶通濾波器120、140和160的相加後的輸出信號送往第二輸出端14，以便提供右聲道輸出信號。帶通濾波器110-160的轉移特性優選作如此選擇，當所有帶通濾波器110-160的輸出信號相加時，所得到的轉移函數將在音頻頻段的大部分範圍上呈現基本上平坦的曲線。
圖2表示了根據本發明的設備所採用的帶通濾波器的幅度-頻率轉移曲線的示意圖。H110、H120、H130、H140、H150和H160分別是帶通濾波器110、120、130、140、150和160的幅度-頻率轉移曲線。相鄰濾波器的中心頻率優選相差2倍。這意味著帶通濾波器140的中心頻率是帶通濾波器130的中心頻率的兩倍，而帶通濾波器130的中心頻率又是帶通濾波器120的中心頻率的兩倍。例如，帶通濾波器110的中心頻率約為150Hz，帶通濾波器120的中心頻率是300Hz，如此等等。每個帶通濾波器的帶寬約為1倍頻程寬。
本發明基於這樣的認識，大多數儀器的譜成分主要在有限的頻段內。這意味著通過將輸入信號頻譜的第一部分送往左輸出端12，頻譜的第二部分送往右輸出端14，其中所述第一部分可以包含吉它聲而所述第二部分可以包含低音吉它聲或其它低頻樂器聲，可以獲得準立體聲聲像。通過將輸入信號的頻譜分割為相鄰頻帶並將這些頻帶信號分配到左和右輸出端，就在左和右輸出端12和14實現了立體聲聲像。在左或第一輸出端有第一選定頻帶信號，而在右或第二輸出端有第二選定頻帶。這些第一和第二選定頻帶不應相同，但是某些頻帶可以在兩個輸出端處都出現。事實上，第一和第二選定頻帶可以是分離的。但是，第一和第二選定頻帶應當覆蓋輸入信號的所述頻段，至少是其預定部分。由於在進行單聲道-立體聲轉換的過程中未使用額外的相移或延遲，因此不會由於這一單聲道-立體聲轉換而給聲場帶來任何有色化。這是有利的特徵。
圖3是從根據本發明設備的輸入端到輸出端的另一幅度-頻率轉移曲線的示意圖。例如實線表示從輸入端10至第一輸出端12的轉移曲線，而虛線表示從輸入端10至第二輸出端14的轉移曲線。在從約400Hz至約10kHz的預定頻段內，可以清楚地看到某些頻帶僅被送往第一輸出端12，而另一些頻帶則僅被送往第二輸出端14。一條曲線的峰與另一曲線的谷重合。頻帶到第一或第二輸出端的分配可以交替地進行第一頻帶送往第一輸出端，第二頻帶到第二輸出端，第三頻帶到第一輸出端，等等。這樣該結構類似於梳狀濾波器結構。
對於低於所述預定頻段的400Hz下限的頻率，由於聽者要將這些低頻信號分量定向是非常困難的，故此無須作這樣的選擇。因此這些低頻分量可能同時出現在第一和第二輸出端12和14，但是它們對立體聲聲像沒有貢獻。對於高於預定頻段的10kHz上限的頻率，頭部的微小運動可能已經導致對信號方向的不同感知。對於杜比環繞信號，所述上限甚至可以是5-7kHz，因為環繞信號的頻率範圍已被限制為這一上限。這意味著這些高頻分量也不必作為選擇的一部分，並且，如果需要，它們可以都出現在二個輸出上，它們亦對立體聲聲像沒有明顯的貢獻。這事實上意味著，例如，濾波器110可以實現為低通濾波器，濾波器160可以按高通濾波器設計。圖3的曲線是利用6個二階數字濾波器實現的。
圖4是包含根據本發明設備的還音系統的第一實施例的示意圖。該還音系統適於作多聲道音頻信號還原，為此它包括三個輸入端，第一輸入端22用於接收左聲道輸入信號L，第二輸入端24用於接收右聲道輸入信號R，第三輸入端26用於接收第三輸入信號，比如環繞輸入信號S。這三個輸入信號可以由例如杜比ProLogic解碼器或其它環繞聲解碼器提供。第一輸入端22與前置左聲道揚聲器240相連。第二輸入端24與前置右聲道揚聲器250相連。第三輸入端26與轉換設備200的輸入端10相連，轉換設備200即為根據本發明的設備，例如如圖1所示。所述設備的第一輸出端12與後置左聲道揚聲器260相連。第二輸出端14與後置右聲道揚聲器270相連。單聲道-立體聲轉換設備200將單聲道環繞輸入信號S轉換為左聲道環繞信號Sl和右聲道環繞信號Sr。然後這些左和右聲道環繞信號由置於試聽位置LP之後或者其附近的揚聲器260和270還原。通過將單聲道環繞信號S轉換為立體聲環繞信號Sl和Sr，環繞聲像得到了增強。在該實施例中，採用了定位裝置，使信號Sl和Sr偏離揚聲器240和250定位。這些定位裝置由試聽位置之後的額外揚聲器260和270實現。
圖5是還音系統的第二實施例的示意圖。圖5區別於圖4之處在於-取消後置揚聲器260和270，-提供定位化裝置210用於使左和右環繞信號Sl和Sr在經前置揚聲器240和250還原時以預定揚聲器角度定位，-提供第一加法裝置220用於將左聲道信號L和定位的左聲道環繞信號Sl相加並且將所得和值送往左聲道揚聲器240，-提供第二加法裝置230用於將右聲道信號R和定位的右聲道環繞信號Sr相加並且將所得和值送往左聲道揚聲器240。
現在所述定位裝置包括第一和第二加法裝置220和230、定位化裝置210，事實上還包括前置揚聲器240和250。定位化裝置210用於將環繞信號Sl和Sr定位於虛擬揚聲器位置260和270處，如圖5所示。這是提供利用與頭部有關的轉移函數完成的，該轉移函數是一種公知的定位信號使虛擬聲源偏離實際揚聲器的技術，下文不再予以詳細討論。還可以使用其它的定位化裝置，比如EP-A664661所公開的立體聲增強電路。總的來說，通過如此使用定位化裝置210，可以僅利用前置揚聲器而仍然獲得環繞聲場。這對於實際4聲道環繞聲系統仍然成立，在這樣的系統中，環繞聲由前左聲道、前右聲道、後左環繞聲道以及後右環繞聲道構成。對於3聲道環繞系統，單聲道-立體聲轉換所帶來的環繞效果更具空間感或更為明顯。採用根據本發明的設備200的優點之一是它不會使聲音有色化。這一點使得它特別適於與定位化裝置210組合使用。在這些實施例中，並沒有考慮環繞聲系統中存在前中間聲道的可能情況，因為這不是本發明的必要組成部分。
圖6是音頻-視覺還原系統的實施例，其形式比如是電視機。音頻-視覺還原系統包括殼體30，該殼體中容納了一個顯示視覺圖象的圖象顯示屏40。圖象顯示屏40的左側設置了左揚聲器240。右聲道揚聲器250設置於圖象顯示屏的右側。揚聲器240和250由圖5的音頻信號還原裝置控制。如此便實現了音頻-視覺還原系統的一個緊湊組合，通過它仍然能獲得改進的環繞聲場。
顯然，圖1的設備也可以用於常規的立體聲電視機或音頻裝置，以便將單聲道音頻信號轉換為立體聲音頻信號。此外，可以將該設備結合比如EP-A664661所披露的立體聲增強電路使用。
很顯然，所述濾波器還可以模擬或數字實現。濾波器的階數可以隨意選擇，但是據證實二階濾波器的效果即已令人滿意。採用的濾波器數可以自由確定，而不限於圖1所示的六個濾波器。
本發明不僅可以用於電視機中，還可以用於多媒體組合、計算機音效卡、便攜音頻設備等等。
權利要求
1．一種設備，包括一個接收輸入信號的輸入端、用於提供左聲道輸出信號的第一輸出端和用於提供右聲道輸出信號的第二輸出端，其特徵在於所述設備包括將第一信號的預定頻段劃分為多個相鄰頻帶，將第一選定頻帶送往第一輸出端並且將第二選定頻帶送往第二輸出端，第一和第二選定頻帶基本上是分離的，第一和第二選定頻帶的和覆蓋所述預定頻段。
2．根據權利要求1所述的設備，其特徵在於採用了所述裝置，用於將連續的頻帶分別交替地送往第一和第二輸出端。
3．根據權利要求1或2所述的設備，其特徵在於頻帶的中心頻率基本上是序號較低的相鄰頻帶的中心頻率的兩倍。
4．根據權利要求1、2或3所述的設備，其特徵在於採用了所述裝置，用於將比預定頻段的下限低的頻率信號同時提供給第一和第二輸出端。
5．根據權利要求4所述的設備，其特徵在於所述下限約為400Hz。
6．根據權利要求1、2、3、4或5所述的設備，其特徵在於採用了所述裝置，用於將比預定頻段的上限高的頻率信號同時提供給第一和第二輸出端。
7．根據權利要求1或2所述的設備，其特徵在於所述上限約為10kHz。
8．還音系統，包括音頻信號處理電路，所述音頻信號處理電路包括左聲道輸入端、右聲道輸入端、環繞聲道輸入端、左聲道輸出端和右聲道輸出端，左聲道和右聲道揚聲器分別與左聲道和右聲道輸出端相連，所述電路包括根據權利要求1、2、3、4、5、6或7所述的設備，其所述輸入端與所述環繞聲道輸入端相連，所述電路還包括定位裝置，所述定位裝置的第一和第二輸入端分別與所述設備的第一和第二輸出端相連，用於將所述設備的輸出信號定位於偏離左聲道和右聲道揚聲器的虛擬聲源處。
9．音頻/視覺還原系統，包括根據權利要求8所述的還音系統，以及將圖象顯示屏和左聲道和右聲道揚聲器安裝於其內的殼體。
10．將輸入信號處理為左聲道和右聲道輸出信號的方法，其特徵在於所述方法包括下列步驟-將所述輸入信號的預定頻段劃分為多個相鄰頻帶，-提供第一選定頻帶，以形成左聲道輸出信號，-提供第二選定頻帶，以形成右聲道輸出信號，所述第一和第二選定頻帶基本上是分離的，第一和第二選定頻帶覆蓋了所述預定頻段。
全文摘要
本發明提供通過選擇性將輸入信號(10)的頻帶(110—160)分配給左(12)和右(14)輸出端從而將單聲道信號轉換為立體聲信號的設備。本發明還提供還音系統,該還音系統包括音頻信號處理電路,該電路包括所述設備,還提供包括所述還音系統的音頻/視覺還音系統。最後本發明提供一種處理方法,通過將輸入信號的預定頻段劃分為多個相鄰頻帶(110—160),提供第一選定頻帶(110、130、150)以形成左聲道輸出信號、第二選定頻帶(120、140、160)以形成右聲道輸出,其方式為所述第一和第二選定頻帶基本上是分離的並且第一(170)和第二(180)選定頻帶之和覆蓋了所述預定頻段,從而將輸入信號(10)處理為左聲道(12)和右聲道(14)輸出信號。
文檔編號H04S5/00GK1208541SQ97191707
公開日1999年2月17日 申請日期1997年10月20日 優先權日1996年11月15日
發明者R·M·阿茨, R·T·J·圖仁德克爾斯 申請人:菲利浦電子有限公司