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CN1839663B - 音频立体声处理方法、设备和系统 - Google Patents

音频立体声处理方法、设备和系统 Download PDF

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CN1839663B CN200480024025.XA CN200480024025A CN1839663B CN 1839663 B CN1839663 B CN 1839663B CN 200480024025 A CN200480024025 A CN 200480024025A CN 1839663 B CN1839663 B CN 1839663B
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Abstract

本发明涉及一种用于处理和再现音频立体声信号的方法和设备。所述方法产生一左侧输出信号，用于传送到扬声器对中的左侧扬声器，该左侧输出信号是或者等同于中央输入信号(M)和侧面输入信号(S)之和，所述方法还产生一右侧输出信号，用于传送到所述扬声器对中的右侧扬声器，该右侧输出信号是或者等同于中央输入信号(M)与相移180°后的所述侧面信号(S)之和。所述方法的特征还在于，在产生所述左侧和右侧输出信号之前或同时，将所述侧面输入信号(S)或所述中央输入信号(M)的至少一部分相对于另一信号相移大约45°-135°。本发明还涉及此类的音频立体声信号再现系统。

Description

音频立体声处理方法、设备和系统
技术领域
本发明涉及一种用于处理音频立体声信号的方法、设备和系统。 
背景技术
存在大量方法和系统用于忠实再现收听者在记录台体验的声音。最接近于使收听者实际上移动到记录位置，即，传送原始事件的不同声源的真实位置的印象的系统，是双耳声记录方法和双耳声再现方法(耳机)。这种方法的缺点是，在记录级和再现级均由耳道来解释声音，以及在最坏的情况下甚至是由两组耳廓(外耳)在其路线上到达收听者大脑，声音信息将在此被解释。存在利用简化的记录方法的解决方案，其包含头部大小的泡沫球而非头部的复制品，在球的每一侧带有麦克风元件。这是获得声质但是损失前面和后面以及高度之间的定位差的折衷办法。除双耳声方法以外的所有其它记录和再现声音的方式是真实主观的虚构声像的创建。这是既用于记录级又用于再现级的情形。 
与以前的已知方法相反，再现级的目的应该是仅仅以最小损失或信息附加传送电差别到收听者的听觉系统。创建立体声声像的位置于是就是记录和/或混频级。立体声图像可做成由收听者在某个地点体验的声音的真实的但是仍然是主观的解释，或是从未物理发生过的虚构事件的幻觉，或者是两者的混合。 
现今的大多数再现系统基于一对间隔很远的扬声器，而且电立体声信号的真实再现在由收听者的耳朵感觉到的声波之间的相对强度和其间的时间差两方面，仅在相对于扬声器的单一位置被最好地感觉。依赖于分离的扬声器的偏好以及扬声器相对于收听者是如何放置的，这些方法经常经受电立体声信息的错误解释。由此就需要有一种声音再现系统，其不管扬声器的设置和品质如何都能提供立体声声像的完全一致的再现。 
在转让给本发明的申请人的专利申请WO01/39548中描述了一种解决这个问题的系统，其公开了一种处理和再现输入音频立体声信号的方法。侧面信号被分成第一和第二中间信号，其中第一中间信号等于所述侧面信号，而第二中间信号等于所述第一中间信号相移180°，中央信号被衰减因子α，以补偿出现在所述音频再现级的中央和侧面信号之间的平衡中的不足，所述衰减的中央信号被添加到所述第一和 第二中间信号，以便形成输出音频立体声信号，然后将所述输出立体声信号引导至包括一对位置相互接近的扬声器单元的音频立体声信号再现系统。在WO01/39548中描述的该系统允许以高保真度，与所感觉的立体声图像高度一致地再现音频立体声信号，而不管系统的品质如何。 
然而，这种具有位置接近的扬声器单元的系统的一个问题是，在高频1-5kHz以上，在所察觉到的立体声效果中的保真度降低或完全消失了。 
发明内容
本发明的一个目的是提供一种用于处理音频立体声信号的方法，其解决了上述提及的问题。本发明的用于处理包括两个输入信号的输入音频立体声信号的方法，用于在包括至少一对扬声器元件的音频立体声再现系统中再现处理后的立体声信号，所述方法包括步骤：a)提供一中央输入信号(M)和一侧面输入信号(S)，b)产生一左侧输出信号，用于传送到所述扬声器对中的左侧扬声器，该左侧输出信号是所述中央输入信号(M)和所述侧面输入信号(S)之和，c)产生一右侧输出信号，用于传送到所述扬声器对中的右侧扬声器，该右侧输出信号是所述中央输入信号(M)和相移180°后的所述侧面信号(S)之和，所述方法的特征还在于步骤：在步骤b)和c)中产生所述左侧和右侧输出信号之前或同时，将频率范围6kHz-9kHz内的所述侧面输入信号(S)或所述中央输入信号(M)的至少一部分相对于另一信号相移至少45°，但不超过135°。 
本发明的另一个目的是提供一种用于处理音频立体声信号的设备，其解决了上述提及的问题。本发明的用于处理包括两个输入信号的输入音频立体声信号的设备，用于在包括至少一对扬声器元件的音频立体声再现系统中再现处理后的立体声信号，所述设备包括：a)用于产生一左侧输出信号以传送到所述扬声器对中的左侧扬声器的部件，该左侧输出信号是所述中央输入信号(M)和所述侧面输入信号(S)之和，b)用于产生一右侧输出信号以传送到所述扬声器对中的右侧扬声器的部件，该右侧输出信号是所述中央输入信号(M)和相移180°后的所述侧面信号(S)之和，所述装置的特征还在于，包括：用于在步骤a)和b)中产生所述左侧和右侧输出信号之前或同时，将频率范围6kHz-9kHz内的所述侧面输入信号(S)或所述中央输入信号(M)的至少一部分相对于另一信号相移至少45°，但不超过135°的部件。 
本发明的另一个目的是提供一种用于处理音频立体声信号的系统，其解决了上述提及的问题。本发明的系统用于再现包括两个输入 信号的输入音频立体声信号，所述两个输入信号包括中央输入信号(M)和侧面输入信号(S)，或者是从其可导出中央输入信号(M)和侧面输入信号(S)的类型，如左侧输入信号(L)和右侧输入信号(R)，所述系统包括一对扬声器元件，所述系统还包括：a)用于产生一左侧输出信号以传送到所述扬声器对中的左侧扬声器的部件，该左侧输出信号是所述中央输入信号(M)和所述侧面输入信号(S)之和，b)用于产生一右侧输出信号以传送到所述扬声器对中的右侧扬声器的部件，该右侧输出信号是所述中央输入信号(M)和相移180°后的所述侧面信号(S)之和，所述系统的特征还在于，包括：用于在步骤a)和b)中产生所述左侧和右侧输出信号之前或同时，将频率范围6kHz-9kHz内的所述侧面输入信号(S)或所述中央输入信号(M)的至少一部分相对于另一信号相移至少45°，但不超过135°的部件。 
根据本发明，产生一个左侧输出信号，用于传送到扬声器对中的左侧扬声器，该输出信号是，或者等同于中央输入信号M和侧面输入信号S之和，该侧面信号S或中央信号M的至少一部分相对于另一信号被相移大约45°-135°，以及产生一个右侧输出信号，用于传送到所述扬声器对中的右侧扬声器，该输出信号是，或者等同于所述中央输入信号M和180°相移后的侧面输入信号S之和，该侧面信号S或中央信号M的至少一部分相对于另一信号被相移大约45°-135°。 
这具有如下优点：本发明引入到所述立体声信号中的相位差将输入的电平差转换为立体声通道之间的相位差。当通过扬声器对播放所述立体声信号时，这个相位差将被转换为电平差。与相位差相比，电平差对于较短波长是强定位线索(localization cue)，因此由本发明引入的相移将显著地提高所察觉到的立体声效果中的保真度。 
在产生所述左侧输出信号和所述右侧输出信号时，中央输入信号M可被衰减一个因子α和/或侧面输入信号S可被放大一个因子β。这具有如下优点：可得到由用于长波长的电平差和用于短波长的相位差组成的立体声音频信号，该信号将通过扬声器对重放，作为用于低频的相位差(其对低频是强定位线索)，和用于高频的电平差(如上所述，其对高频是强定位线索)。 
本发明中的输入信号可以是左侧输入信号L和右侧输入信号R，在此情况下，产生中央输入信号M作为所述左侧输入信号L和所述右侧输入信号R之和，以及产生侧面输入信号S作为所述左侧输入信号L和所述右侧输入信号R之差。这具有常规的立体声信号可以用作本发明中的输入信号的优点。 
所述扬声器元件在位置上可靠近，而且特别地，这对扬声器元件 可由一对在听觉上彼此隔离，并且位于小于由所述元件发出的最短波长的四分之一范围内的一对相同扬声器元件组成，或者，如果由所述元件发出的所述最短波长小于68cm，则小于17cm。这具有本发明非常好地适用于WO01/39548中所述的方法和系统的优点。 
可实现所述相移以使所有的侧面输入信号S或中央输入信号M都被相移45°-135°，优选为90°。这可有利地由数字信号处理完成，例如由希尔伯特(Hilbert)变换完成。作为选择，所述相移可由频率相关滤波器完成，如模拟全通滤波器。这具有对成本敏感的应用和/或处理时间很关键的应用可得到更为便宜的解决方案的优点。所述中央输入信号M可被延迟对应于所述相移装置的延迟的时间。这便于得到所述侧面输入信号S和所述中央输入信号M之间的期望的相位关系。 
在一个实施例中，所述衰减因子α和/或放大因子β是频率相关的。
附图说明
图1是举例说明用于处理立体声信号的现有技术系统的框图； 
图2是举例说明本发明的第一个实施例的框图； 
图3是举例说明本发明的第二个实施例的框图；以及 
图4示出了图3所示的实施例中的全通滤波器的频率响应的例子。
附图说明
图1举例说明了用于处理音频立体声信号的现有技术设备的功能原理。输入的音频立体声信号包括左侧输入立体声信号L和右侧输入立体声信号R。L和R信号用于获得分别对应于左侧L和右侧R输入立体声信号之和，以及左侧L和右侧R输入立体声信号之差的中央信号M和侧面信号S。将被送往左侧声音再现单元，如扬声器的输出立体声信号LOUT是侧面信号S与乘以衰减因子α后的中央信号M之和，而将被送往右侧声音再现单元的输出立体声信号ROUT是反相后的侧面信号S与乘以衰减因子α后的中央信号M之和。 
图1描述的系统允许电音频立体声信号以高保真度与所察觉的立体声图像高度一致地再现，而不管系统的品质如何。然而，如上所述，图1中的系统遭受在察觉到的立体声效果中的保真度在大于1-5kHz的频率降低或完全消失的问题。 
这归因于以下事实：由S信号的分别加和减产生的LOUT和ROUT中的电平差在通过扬声器元件重放时被转换为相位差。该相位差是对低频的强定位线索，并为这些较低频率产生卓越的立体声清晰度。然而，由于人耳的特性，觉察分别由左耳和右耳接收的两个信号之间的相位差的能力在高频消失。原因是由于对于大约1000Hz以下频率每周期有尖峰信号的一个突发，听觉神经的相位锁定趋于在激励低频音调(＜4-5kHz)的特定相位激发。尖峰信号之间的间隔趋于在该音调周期的整数倍处发生。对于高频音调(＞4-5kHz)，相位锁定变得更为微弱然后消失，因为内部毛细胞的电容阻止它们充分迅速地改变电压。4-5kHz之上的相位锁定的缺乏确认，对于仅包含仅具有立体声通道之间的电平差的短波长的声音，图1中的系统传送微弱的定位线索。 
本发明利用图2中举例说明的设备寻求解决上述问题。图2中的该设备类似于图1中的设备，不同之处在于在图2中增加了一个额外的单元20。如图1，通过将左侧L和右侧R输入立体声信号相加而得到中央信号M，以及通过从左侧输入立体声信号L中减去右侧输入立体声信号R而得到侧面信号S。在生成输出立体声信号LOUT和ROUT 之前，接着将侧面信号S相移-90°。接着通过取相移后的侧面信号S与乘以衰减因子α后的中央信号M之和，而得到输出立体声信号LOUT，而通过从乘以衰减因子α后的中央信号M中减去相移后的侧面信号S而得到输出立体声信号ROUT。这等同于取反相相移的侧面信号S与乘以衰减因子α后的中央信号M之和。将侧面信号反相等同于对其求反或使其相移180° 
衰减因子α典型地应该是-6dB到-12dB。然而，在一般情况下，衰减因子α适合于优化由收听者察觉到的立体声效果，并允许在从-3dB到-15dB的区间内变化。 
相移可由数字信号处理器完成，例如由希尔伯特变换完成。数字信号处理具有可对所有波长执行真正的90°相移的优点，并可在整个频率上很小或没有幅度变化地获得真正的90°相移(使用模拟电路可能导致声频频谱内500°-700°或更大范围内的相移，但在中央信号M和侧面信号S之间具有90°的相对相位差)。这种类型的相移尤其适 合于其中已经存在数字信号处理装置，而且应用在时间上不是很关键的系统。 
此外，还期望在该设备中包含一延迟电路，如图2中的21所示，以将中央输入信号M延迟对应于相移装置的处理时间的时间。这便于维持侧面输入信号S和中央输入信号M之间所期望的相位关系。 
图3举例说明了本发明的第二个实施例。本发明的该第二个实施例是针对其中期望有相移，但应用是成本敏感的和/或其中处理时间很关键的应用的解决方案，如在专业录音室。在第二个实施例中，如图2中所示的那样得到中央信号M和侧面信号S，然后侧面信号S被单元30改变，单元30包括频率相关模拟全通滤波器，其中央频率设置得比最短可听波长大得多。这意味着相移开始例如在500Hz只是很小度数，而在例如10kHz达到+90°。全通滤波器的相位响应由此适合于在对于较高频率相位锁定变得更弱时，逐步将输出立体声信号的相位差转换为电平差。由于模拟滤波器的相位响应罕见地能够呈负特性，单元30还包括用于反相信号以得到期望的-90°相移结果的装置。由于否则原始L和R信号可能被转换，相移优选应该是负的。图4中示出了对于全通滤波器的相位响应的例子。如图所示，相移开始是从低频基本上为0°，到高频(例如10kHz)达到90°。借助于数字信号处理还可能创建频率相关的相移，不过这可能招致额外的成本。 
可使图3中的因子α为频率相关的，以便对于，例如多路扬声器配置中的不同元件的单独驱动器，该因子不同。 
中央信号M接着被添加到被相移的侧面信号S以形成第一输出信号，并接着从中央信号M中减去被相移的侧面信号S以形成第二输出信号。 
通常，在本申请中描述的方法能够等同地用于可被描述为R和L信号或M和S信号的线性变换的任何输入术语，但是为方便起见，已经分别使用M和S，以及R和L数据项举例说明了本方法。本方法因此应被解释为具有等同于SPS+αM和-SPS+αM的输出的方法，其中SPS是相移90°的S信号。如已经描述的那样，可在处理的中间步骤期 间产生M和S信号，但是不必一定是该情形，只要满足最后得到的输出条件即可。 
在以上的描述中，相移被描述为90°。然而该相移可以是45°-135°之间的区间内的任何相移。此外，在以上的描述中是对侧面信号S执行相移。然而也可对中央信号M执行相移。 
此外，在以上的描述中，模拟全通滤波器能够用与上述的模拟全通滤波器执行相同滤波功能的数字滤波器交换。在这种情况下，可能期望在该设备中包含延迟电路，如图2中的21所示，以同样在本实施例中将中央输入信号M延迟对应于相移装置的处理时间的时间。 
此外，在以上的描述中，输入立体声信号由L和R信号组成。然而输入信号也可由M和S信号组成，在该情况下省略了第一次加法和减法步骤。 
此外，在以上的描述中，中央信号M被衰减一个因子α。然而，当然可能改而将侧面信号S放大一个因子β。 
在本发明的详细描述中，对侧面输入信号S进行相移。然而也可对中央输入信号M进行相移。 
由于本发明在细节上有变化，修改和改变，其中的一些已经在此陈述，其意图是把贯穿整个说明书描述的或在附图中展示的所有内容理解为示意而非限制意义。 

Claims (31)

1.一种用于处理包括两个输入信号的输入音频立体声信号的方法，用于在包括至少一对扬声器元件的音频立体声再现系统中再现处理后的立体声信号，所述方法包括步骤：
a)提供一中央输入信号(M)和一侧面输入信号(S)，
b)产生一左侧输出信号，用于传送到所述扬声器元件对中的左侧扬声器，该左侧输出信号是所述中央输入信号(M)和所述侧面输入信号(S)之和，
c)产生一右侧输出信号，用于传送到所述扬声器元件对中的右侧扬声器，该右侧输出信号是所述中央输入信号(M)和相移180°后的所述侧面信号(S)之和，
所述方法的特征还在于步骤：
-在步骤b)和c)中产生所述左侧和右侧输出信号之前，将在频率范围6kHz一9kHz内的所述侧面输入信号(S)或所述中央输入信号(M)的至少一部分相对于另一信号相移至少45°，但不超过135°。
2.根据权利要求1的方法，其特征在于，在步骤b)和c)中，所述中央输入信号(M)被衰减一个因子α或所述侧面输入信号(S)被放大一个因子β。
3.根据权利要求1的方法，其特征在于，
-在步骤a)，由左侧输入信号(L)和右侧输入信号(R)之和获得所述中央输入信号(M)，以及
-在步骤a)，由所述左侧输入信号(L)和所述右侧输入信号(R)之差获得所述侧面输入信号(S)。
4.根据权利要求2的方法，其特征在于，所述衰减因子α在-3dB到-15dB的范围内。
5.根据权利要求2的方法，其特征在于，所述衰减因子α在-6dB到-12dB的范围内。
6.根据权利要求2的方法，其特征在于，所述衰减因子α或放大因子β是频率相关的。
7.根据权利要求1的方法，其特征在于，所述扬声器元件在位置上靠近。
8.根据权利要求1的方法，其特征在于，所述扬声器元件对由一对在声学上彼此隔离，并且位于小于由所述元件发出的最短波长的四分之一的范围内的相同扬声器元件构成，或者，如果由所述元件发出的所述最短波长小于68cm，则所述范围小于17cm。
9.根据权利要求1的方法，其特征在于，所有的所述侧面输入信号(S)被相移90°。
10.根据权利要求1的方法，其特征在于，由频率相关滤波器来实现所述相移。
11.根据权利要求10的方法，其特征在于，由全通滤波器来实现所述相移。
12.根据权利要求1的方法，其特征在于，通过数字信号处理来完成所述相移。
13.根据权利要求12的方法，其特征在于，通过希尔伯特变换来完成所述相移。
14.根据权利要求1的方法，其特征在于，所述中央输入信号(M)被延迟对应于相移部件的延迟的时间。
15.一种用于处理包括两个输入信号的输入音频立体声信号的设备，用于在包括至少一对扬声器元件的音频立体声再现系统中再现处理后的立体声信号，所述设备包括：
a)用于产生一左侧输出信号以传送到所述扬声器对中的左侧扬声器的部件，该左侧输出信号是中央输入信号(M)和侧面输入信号(S)之和，
b)用于产生一右侧输出信号以传送到所述扬声器对中的右侧扬声器的部件，该右侧输出信号是所述中央输入信号(M)和相移180°后的所述侧面信号(S)之和，
所述设备的特征还在于，包括：
c)用于在产生所述左侧和右侧输出信号之前，将在频率范围6kHz-9kHz内的所述侧面输入信号(S)或所述中央输入信号(M)的至少一部分相对于另一信号相移至少45°，但不超过135°的部件。
16.根据权利要求15的设备，其特征在于，a)和b)中的所述部件被安排用于将所述中央输入信号(M)衰减一个因子α或将所述侧面输入信号(S)放大一个因子β。
17.根据权利要求15的设备，其特征在于，所述设备还包括用于提供侧面输入信号(S)和中央输入信号(M)的部件，并且所述设备被安排用于提供作为左侧输入信号(L)和右侧输入信号(R)之和的所述中央输入信号(M)，以及提供作为所述左侧输入信号(L)和所述右侧输入信号(R)之差的所述侧面输入信号(S)。
18.根据权利要求16的设备，其特征在于，所述衰减因子α在-3dB到-15dB的范围内。
19.根据权利要求16的设备，其特征在于，所述衰减因子α在-6dB到-12dB的范围内。
20.根据权利要求16-19中的任何一个的设备，其特征在于，所述衰减因子α或放大因子β是频率相关的。
21.根据权利要求15的设备，其特征在于，所述扬声器元件在位置上靠近。
22.根据权利要求15的设备，其特征在于，所述扬声器元件对由一对在声学上彼此隔离，并且位于小于由所述元件发出的最短波长的四分之一的范围内的相同扬声器元件构成，或者，如果由所述元件发出的所述最短波长小于68cm，则所述范围小于17cm。
23.根据权利要求15的设备，其特征在于，所有的所述侧面输入信号(S)被相移90°。
24.根据权利要求15的设备，其特征在于，由频率相关滤波器来实现所述相移。
25.根据权利要求24的设备，其特征在于，由全通滤波器来实现所述相移。
26.根据权利要求15的设备，其特征在于，由数字信号处理部件来实现所述相移。
27.根据权利要求26的设备，其特征在于，由希尔伯特变换来实现所述相移。
28.根据权利要求15的设备，其特征在于，所述中央输入信号(M)被延迟对应于相移部件的延迟的时间。
29.一种系统，用于再现包括两个输入信号的输入音频立体声信号，所述两个输入信号包括中央输入信号(M)和侧面输入信号(S)，或者是从其可导出中央输入信号(M)和侧面输入信号(S)的类型，所述系统包括一对扬声器元件，所述系统还包括：
a)用于产生一左侧输出信号以传送到所述扬声器对中的左侧扬声器的部件，该左侧输出信号是所述中央输入信号(M)和所述侧面输入信号(S)之和，
b)用于产生一右侧输出信号以传送到所述扬声器对中的右侧扬声器的部件，该右侧输出信号是所述中央输入信号(M)和相移180°后的所述侧面信号(S)之和，
所述系统的特征还在于，包括：
c)用于在步骤a)和b)中产生所述左侧和右侧输出信号之前，将在频率范围6kHz-9kHz内的所述侧面输入信号(S)或所述中央输入信号(M)的至少一部分相对于另一信号相移至少45°，但不超过135°的部件。
30.根据权利要求29的系统，其特征在于，从其可导出中央输入信号(M)和侧面输入信号(S)的类型包括左侧输入信号(L)和右侧输入信号(R)。
31.根据权利要求29的系统，其特征在于，所述扬声器元件对由一对在声学上彼此隔离，并且位于小于由所述元件发出的最短波长的四分之一的范围内的相同扬声器元件构成，或者，如果由所述元件发出的所述最短波长小于68cm，则所述范围小于17cm。
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