專利名稱：低頻的音頻增強(qiáng)系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及用于提高聲音再現(xiàn)的真實(shí)性的音頻增強(qiáng)系統(tǒng)和方法。具體來(lái)說(shuō)，本發(fā)明涉及用于增強(qiáng)由諸如揚(yáng)聲器的聲換能器產(chǎn)生的感覺(jué)到的聲能低頻內(nèi)容的設(shè)備和方法。
音頻及多媒體行業(yè)在不斷努力克服再現(xiàn)聲音的不完美性。例如，一般難以充分再現(xiàn)低頻聲音，如低音。改善低頻聲音輸出的各種傳統(tǒng)方法包括使用具有較大的錐面、較大的磁鐵、較大的箱體、或較強(qiáng)的錐形偏移(cone excursion)能力的更高質(zhì)量的揚(yáng)聲器。另外，傳統(tǒng)系統(tǒng)已在設(shè)法使用能夠使揚(yáng)聲器的聲阻抗與圍繞揚(yáng)聲器的自由空間的聲阻抗相匹配的共鳴箱和喇叭來(lái)再現(xiàn)低頻聲音。
但是，并不是所有的系統(tǒng)都可以使用更貴或更大功率的揚(yáng)聲器來(lái)再現(xiàn)低頻聲音。例如，一些傳統(tǒng)的音響系統(tǒng)，如小型音頻系統(tǒng)和多媒體計(jì)算機(jī)系統(tǒng)依賴于小揚(yáng)聲器。另外，為了節(jié)約成本，許多音頻系統(tǒng)都使用不太精密的揚(yáng)聲器。這種揚(yáng)聲器通常不具有適當(dāng)再現(xiàn)低頻聲音的能力，因此，聲音一般就不象能夠更準(zhǔn)確地再現(xiàn)低頻聲音的系統(tǒng)所再現(xiàn)的聲音那樣健壯或令人愉悅。
一些傳統(tǒng)的增強(qiáng)系統(tǒng)試圖在把信號(hào)輸入揚(yáng)聲器之前通過(guò)放大低頻信號(hào)來(lái)補(bǔ)償?shù)皖l聲音的不良再現(xiàn)。放大低頻信號(hào)會(huì)傳遞更多的能量給揚(yáng)聲器，進(jìn)而要用更大的力來(lái)驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器。然而，這種放大低頻信號(hào)的嘗試會(huì)過(guò)激勵(lì)揚(yáng)聲器。遺憾地是，過(guò)激勵(lì)揚(yáng)聲器會(huì)增加背景噪聲，引入令人煩亂的失真，并損害揚(yáng)聲器。
在試圖補(bǔ)償?shù)皖l不足時(shí)，另一些傳統(tǒng)的系統(tǒng)會(huì)以增加不希望有的音色的方式而使較高頻再現(xiàn)失真。
本發(fā)明提供一種增強(qiáng)低頻聲音感覺(jué)的獨(dú)特設(shè)備和方法。在不能再現(xiàn)某些低頻聲音的揚(yáng)聲器中，本發(fā)明產(chǎn)生這樣的一種錯(cuò)覺(jué)，即缺少的低頻聲音確實(shí)存在。聽(tīng)眾因而可感覺(jué)到該揚(yáng)聲器實(shí)際上可精確再現(xiàn)的頻率以下的低頻。這種錯(cuò)覺(jué)效果以一種獨(dú)特的方式利用人類聽(tīng)覺(jué)系統(tǒng)處理聲音的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。
本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例利用了聽(tīng)眾心理上感覺(jué)音樂(lè)或其它聲音的方式。聲音再現(xiàn)處理并不在揚(yáng)聲器產(chǎn)生聲能后停止，而是還包括了聽(tīng)眾的耳朵、聽(tīng)覺(jué)神經(jīng)、大腦和思維的處理。聽(tīng)覺(jué)從耳朵和聽(tīng)覺(jué)神經(jīng)系統(tǒng)的作用開(kāi)始。人耳可被看作是一種精密的轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，它接收聲振動(dòng)，把這些聲振動(dòng)轉(zhuǎn)換為神經(jīng)沖動(dòng)，并最終轉(zhuǎn)換為聲音的“知覺(jué)”或感覺(jué)。
已知人耳在響應(yīng)聲能時(shí)是非線性的。聽(tīng)覺(jué)作用過(guò)程的這種非線性產(chǎn)生了附加泛音以及和音形式的互調(diào)失真，這在實(shí)際的節(jié)目素材中是不存在的。這些非線性效應(yīng)在低頻會(huì)特別明顯，并且這些效應(yīng)對(duì)感覺(jué)低頻聲音的方式具有明顯的作用。
有益地是，本發(fā)明的一些實(shí)施例利用了人耳處理低頻聲音的泛音及和音的方式，從而產(chǎn)生了不存在的低頻聲音正在從揚(yáng)聲器發(fā)出的感覺(jué)。在一些實(shí)施例中，較高頻帶中的頻率被選擇處理以產(chǎn)生較低頻信號(hào)的錯(cuò)覺(jué)。在其它實(shí)施例中，某些較高頻帶利用多個(gè)濾波器函數(shù)進(jìn)行修正。
另外，本發(fā)明的一些實(shí)施例設(shè)計(jì)用于改善流行音頻節(jié)目素材如音樂(lè)的低頻增強(qiáng)。大多數(shù)音樂(lè)和聲豐富。相應(yīng)地，這些實(shí)施例可修正更多的音樂(lè)類型來(lái)利用人耳處理低頻聲音的方式。有益地是，現(xiàn)有形式的音樂(lè)可被處理產(chǎn)生希望的效果。
這種新方法呈現(xiàn)出若干有意義的優(yōu)點(diǎn)。因?yàn)槁?tīng)眾感覺(jué)到了實(shí)際上不存在的低頻聲音，所以減少了對(duì)大揚(yáng)聲器、更強(qiáng)錐形偏移或增加喇叭的需求。因而在一個(gè)實(shí)施例中，小揚(yáng)聲器能夠象是在發(fā)出大揚(yáng)聲器的低頻聲音?？梢韵胍?jiàn)，這個(gè)實(shí)施例可在對(duì)于大揚(yáng)聲器來(lái)說(shuō)太小的聲音環(huán)境中產(chǎn)生低頻聲音如低音的感覺(jué)。通過(guò)產(chǎn)生大揚(yáng)聲器正在產(chǎn)生增強(qiáng)的低頻聲音的感覺(jué)，大揚(yáng)聲器也可從中受益。
另外，利用本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，手持和便攜式音響系統(tǒng)中的小揚(yáng)聲器可產(chǎn)生更加令人愉悅的低頻聲音的感覺(jué)。因此，聽(tīng)眾不必因?yàn)楸銛y性而犧牲了低頻聲音的質(zhì)量。
在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，成本較低的揚(yáng)聲器可產(chǎn)生低頻聲音的錯(cuò)覺(jué)。許多低成本的揚(yáng)聲器不能充分再現(xiàn)低頻聲音。一個(gè)實(shí)施例使用較高頻率的聲音產(chǎn)生低頻聲音的感覺(jué)，而不是使用昂貴的音箱、高性能的部件和大磁鐵來(lái)真實(shí)再現(xiàn)低頻聲音。因此，成本較低的揚(yáng)聲器可被用于產(chǎn)生更逼真和健壯的收聽(tīng)感受。
而且，在一個(gè)實(shí)施例中，低頻聲音的錯(cuò)覺(jué)產(chǎn)生了一種增強(qiáng)的收聽(tīng)感受，它提高了聲音的真實(shí)性。因此，本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例再現(xiàn)被感覺(jué)到更準(zhǔn)確和清晰的聲音，以取代在已有技術(shù)的許多低成本系統(tǒng)中存在的模糊或顫動(dòng)的低頻聲音的再現(xiàn)。舉例來(lái)說(shuō)，這種低成本音頻和視聽(tīng)設(shè)備可包括收音機(jī)、移動(dòng)音頻系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)游戲、揚(yáng)聲器、光盤(pán)(CD)播放器、數(shù)字多用盤(pán)(DVD)播放器、多媒體表示裝置、計(jì)算機(jī)聲卡，如此等等。
在一個(gè)實(shí)施例中，與實(shí)際再現(xiàn)低頻聲音相比，產(chǎn)生低頻聲音的錯(cuò)覺(jué)所需的能量要少。因此，依靠電池或在低功率環(huán)境下工作的系統(tǒng)不必象僅僅放大或提升低頻聲音的系統(tǒng)那樣消耗許多寶貴的能量就可以產(chǎn)生低頻聲音的錯(cuò)覺(jué)。
本發(fā)明的其它一些實(shí)施例使用專用電路產(chǎn)生低頻信號(hào)的錯(cuò)覺(jué)。這些電路比已有技術(shù)的低頻放大器簡(jiǎn)單，從而可降低制造成本。有益地是，這些電路比增加了復(fù)雜電路的已有技術(shù)的聲音增強(qiáng)設(shè)備的成本要低。
本發(fā)明的另外一些實(shí)施例依靠一種執(zhí)行公開(kāi)的低頻增強(qiáng)技術(shù)的微處理器。在一些情況下，現(xiàn)有的處理音頻的元件可被重新編程以提供本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例的公開(kāi)且獨(dú)特的低頻信號(hào)增強(qiáng)技術(shù)。因此，在現(xiàn)有系統(tǒng)中增加低頻增強(qiáng)功能的成本被顯著降低。
在一個(gè)實(shí)施例中，聲音增強(qiáng)設(shè)備接收來(lái)自主機(jī)系統(tǒng)的一個(gè)或多個(gè)輸入信號(hào)，接著產(chǎn)生一個(gè)或多個(gè)增強(qiáng)的輸出信號(hào)。具體來(lái)說(shuō)，兩個(gè)輸入信號(hào)被處理以提供一對(duì)頻譜增強(qiáng)的輸出信號(hào)，當(dāng)它們?cè)趽P(yáng)聲器上播放并由聽(tīng)眾收聽(tīng)時(shí)則產(chǎn)生擴(kuò)展的低音的感覺(jué)。在一個(gè)實(shí)施例中，低頻的音頻信息以不同于高頻的音頻信息的方式進(jìn)行修正。
在一個(gè)實(shí)施例中，聲音增強(qiáng)設(shè)備接收一個(gè)或多個(gè)輸入信號(hào)并產(chǎn)生一個(gè)或多個(gè)增強(qiáng)的輸出信號(hào)。具體地說(shuō)，輸入信號(hào)包括具有第一頻率范圍和第二頻率范圍的波形。輸入信號(hào)被處理以提供增強(qiáng)的輸出信號(hào)，當(dāng)它們?cè)趽P(yáng)聲器上播放并由聽(tīng)眾收聽(tīng)時(shí)則產(chǎn)生擴(kuò)展的低音的感覺(jué)。另外，該實(shí)施例修正第一頻率范圍內(nèi)的信息的方式可以不同于修正第二頻率范圍中的信息的方式。在一些實(shí)施例中，第一頻率范圍可以是對(duì)于希望的揚(yáng)聲器來(lái)說(shuō)低至不能再現(xiàn)的低音頻率，而第二頻率范圍可以是揚(yáng)聲器可再現(xiàn)的中低音頻率。
一個(gè)實(shí)施例修正兩個(gè)立體聲通道共用的音頻信息的方式不同于兩個(gè)通道不共用的能量。兩個(gè)輸入信號(hào)共用的音頻信息被稱作組合信號(hào)。在一個(gè)實(shí)施例中，增強(qiáng)系統(tǒng)把組合信號(hào)的相位和頻率的振幅頻譜整形，以便于在不需要取消音頻信息是立體聲的感覺(jué)的情況下就能夠減小可由高振幅輸入信號(hào)引起的限幅。
正如下面將詳細(xì)討論的，聲音增強(qiáng)系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)施例利用各種濾波器對(duì)組合信號(hào)進(jìn)行頻譜整形，以產(chǎn)生增強(qiáng)的信號(hào)。通過(guò)增強(qiáng)組合信號(hào)中的所選頻帶，該實(shí)施例提供了一個(gè)比實(shí)際的揚(yáng)聲器帶寬要寬的感覺(jué)的揚(yáng)聲器帶寬。
聲音增強(qiáng)設(shè)備的一個(gè)實(shí)施例包括針對(duì)兩個(gè)立體聲通道的前饋信號(hào)路徑和針對(duì)組合信號(hào)路徑的四個(gè)并聯(lián)濾波器。四個(gè)并聯(lián)濾波器中的每個(gè)濾波器包括一個(gè)由三個(gè)串聯(lián)的雙二次濾波器組成的六階帶通濾波器。這四個(gè)濾波器的傳遞函數(shù)被特別選擇以提供音頻信號(hào)低頻內(nèi)容的各種諧波的相位和/或振幅的整形。在通過(guò)揚(yáng)聲器播放時(shí)，該整形處理會(huì)意外地增加音頻信號(hào)的感覺(jué)帶寬。在另一個(gè)實(shí)施例中，六階濾波器由更低階的契比雪夫?yàn)V波器代替。
由于對(duì)組合信號(hào)進(jìn)行頻譜整形并且隨后在前饋路徑中與立體聲信息組合在一起，所以組合信號(hào)中的頻率可被改變以使兩個(gè)立體聲通道均受到影響，并且在某些頻率范圍中的一些信號(hào)可從一個(gè)立體聲通道耦合到另一個(gè)立體聲通道。因此，優(yōu)選實(shí)施例能夠以完全新穎獨(dú)特且意想不到的方式產(chǎn)生增強(qiáng)的聲音。
聲音增強(qiáng)設(shè)備則可連接一個(gè)或多個(gè)之后的信號(hào)處理級(jí)。這些隨后的級(jí)可提供改善的聲級(jí)或空間處理。在不影響聲音增強(qiáng)設(shè)備的操作的情況下，輸出信號(hào)還可被傳送到其它音頻設(shè)備，如記錄裝置、功率放大器、揚(yáng)聲器等。
在又一個(gè)實(shí)施例中，可由一種信號(hào)處理器來(lái)提供聲音增強(qiáng)，該信號(hào)處理器可配置用于從具有第一組頻率的輸入信號(hào)產(chǎn)生第二組頻率。該信號(hào)處理器可作為硬件、軟件(例如，在數(shù)字信號(hào)處理器中)或二者來(lái)實(shí)施。第二組頻率被產(chǎn)生以產(chǎn)生第二組頻率至少包括第一組頻率的一些諧波的感覺(jué)。信號(hào)處理器使用零交點(diǎn)檢測(cè)器驅(qū)動(dòng)單穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器來(lái)提供一列脈沖。這些脈沖通過(guò)對(duì)應(yīng)于第一組頻率的輸入信號(hào)的零交點(diǎn)產(chǎn)生。信號(hào)處理器通過(guò)把脈沖列傳送給一群帶通濾波器而產(chǎn)生第二組頻率。
在又一個(gè)實(shí)施例中，可由一種信號(hào)處理器提供聲音增強(qiáng)，該信號(hào)處理器配置用于通過(guò)一群帶通濾波器處理輸入信號(hào)。所選帶通濾波器的輸出被組合以產(chǎn)生組合信號(hào)。該組合信號(hào)提供給一個(gè)擴(kuò)展器，如自動(dòng)增益控制(AGC)放大器。AGC放大器具有一個(gè)設(shè)置放大器輸出電平的控制輸入。該控制輸入通過(guò)響應(yīng)組合信號(hào)的包絡(luò)來(lái)設(shè)置。
在又一個(gè)實(shí)施例中，組合信號(hào)被提供給峰值壓縮器而不是擴(kuò)展器。峰值壓縮順的輸出提供到了擴(kuò)展器的輸入端。
在一些實(shí)施例中，輸入信號(hào)被組合產(chǎn)生組合信號(hào)，該組合信號(hào)接著被增強(qiáng)以產(chǎn)生增強(qiáng)的組合信號(hào)。增強(qiáng)的組合信號(hào)接著與每一個(gè)原始輸入信號(hào)組合以產(chǎn)生輸出信號(hào)。在其它一些實(shí)施例中，輸入信號(hào)沒(méi)有被組合，而是保持獨(dú)立。獨(dú)立的輸入信號(hào)均被單獨(dú)增強(qiáng)以產(chǎn)生增強(qiáng)的輸出信號(hào)。相同的信號(hào)處理可被用于增強(qiáng)組合信號(hào)或獨(dú)立的輸入信號(hào)。
一旦閱讀了下面的詳細(xì)說(shuō)明并參考了附圖，本發(fā)明的這些和其它方案、優(yōu)點(diǎn)及新穎特征將會(huì)變得顯而易見(jiàn)。


圖1是適于供本發(fā)明使用的音頻系統(tǒng)的框圖。
圖2是具有聲卡和揚(yáng)聲器的多媒體計(jì)算機(jī)的框圖。
圖3是一種典型的小型揚(yáng)聲器系統(tǒng)的頻率響應(yīng)的曲線圖。
圖4A示出了由兩個(gè)離散頻率表示的信號(hào)的實(shí)際和感覺(jué)的頻譜。
圖4B示出了由一個(gè)連續(xù)頻譜表示的信號(hào)的實(shí)際和感覺(jué)的頻譜。
圖4C示出了調(diào)制載波的時(shí)間波形。
圖4D示出了檢測(cè)器檢測(cè)之后的圖4C的時(shí)間波形。
圖5是包括聲卡和揚(yáng)聲器的典型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的框圖。
圖6A是數(shù)字音響系統(tǒng)的框圖。
圖6B是具有聲音增強(qiáng)處理的數(shù)字音響系統(tǒng)的框圖。
圖7是本發(fā)明的硬件實(shí)施例的框圖，其中聲音增強(qiáng)功能由一個(gè)聲音增強(qiáng)單元提供。
圖8示出了用于對(duì)輸入信號(hào)的頻譜進(jìn)行整形以增強(qiáng)低頻聲音的感覺(jué)的信號(hào)處理的一個(gè)實(shí)施例。
圖9是在本發(fā)明的一些實(shí)施例中使用的帶通濾波器的電路圖。
圖10是在圖8所示信號(hào)處理圖中使用的帶通濾波器的傳遞函數(shù)的曲線圖。
圖11是使用零交點(diǎn)檢測(cè)器的感覺(jué)增強(qiáng)系統(tǒng)的信號(hào)處理框圖。
圖12A示出了通過(guò)使用若干個(gè)與圖8所示帶通濾波器連接的自動(dòng)增益控制電路產(chǎn)生的增強(qiáng)傳遞函數(shù)，該增強(qiáng)傳遞函數(shù)對(duì)應(yīng)于具有顯著低頻能量的輸入信號(hào)。
圖12B示出了通過(guò)圖12A所示的增強(qiáng)傳遞函數(shù)產(chǎn)生的總頻譜。
圖12C示出了通過(guò)使用若干個(gè)與圖8所示帶通濾波器連接的自動(dòng)增益控制電路產(chǎn)生的增強(qiáng)傳遞函數(shù)，該增強(qiáng)傳遞函數(shù)對(duì)應(yīng)于具有非常小的低頻能量的輸入信號(hào)。
圖12D示出了通過(guò)圖12C所示的增強(qiáng)傳遞函數(shù)所產(chǎn)生的總頻譜。
圖13是一種產(chǎn)生圖12所示增強(qiáng)傳遞函數(shù)的系統(tǒng)的信號(hào)處理框圖。
圖14A是自動(dòng)增益控制放大器的框圖。
圖14B是對(duì)應(yīng)于圖14A所示框圖的自動(dòng)增益控制放大器的電路圖。
圖15是一種具有可選頻率響應(yīng)的提供圖12所示增強(qiáng)傳遞函數(shù)的系統(tǒng)的信號(hào)處理框圖。
圖16A是具有低音增強(qiáng)處理的音響系統(tǒng)的框圖。
圖16B是把多個(gè)通道組合為一個(gè)低音單通道的低音增強(qiáng)處理器的框圖。
圖16C是單獨(dú)處理多個(gè)通道的低音增強(qiáng)處理器的框圖。
圖17是一種提供具有可選頻率響應(yīng)的低音增強(qiáng)的系統(tǒng)的信號(hào)處理框圖。
圖18是用在圖17所示信號(hào)處理圖中的帶通濾波器的傳遞函數(shù)的曲線圖。
圖19是表示加力(punch)電路的時(shí)間-振幅響應(yīng)的時(shí)域曲線圖。
圖20是表示由樂(lè)器發(fā)出的典型低音的信號(hào)和包絡(luò)部分的時(shí)域曲線圖，其中包絡(luò)示出了增高、衰減、持續(xù)和釋放部分。
圖21A是表示低音加力電路對(duì)具有慢增高時(shí)間的包絡(luò)的作用的時(shí)域曲線圖。
圖21B是表示低音加力電路對(duì)具有快增高時(shí)間的包絡(luò)的作用的時(shí)域曲線圖。
圖21C是結(jié)合圖21A和21B的增高時(shí)間的時(shí)域曲線圖。
圖21D是表示包括圖21A-D所示低音加力傳遞函數(shù)的圖17所示低音增強(qiáng)系統(tǒng)的振幅響應(yīng)曲線的頻域圖。
圖22表示執(zhí)行圖17所示低音增強(qiáng)系統(tǒng)的電路圖的一個(gè)實(shí)施例。
圖23是低音加力電路的一個(gè)實(shí)施例的框圖。
圖24是圖23所示低音加力電路的一個(gè)實(shí)施方案的電路圖。
國(guó)25是通過(guò)使用峰值壓縮器和低音加力電路提供低音增強(qiáng)的系統(tǒng)的信號(hào)處理框圖。
圖26是表示峰值壓縮器對(duì)具有快增高的包絡(luò)的作用的時(shí)域圖。
圖27是峰值壓縮器的一個(gè)實(shí)施例的電路圖。
本發(fā)明提供了一種增強(qiáng)音頻信號(hào)的方法和系統(tǒng)。該聲音增強(qiáng)系統(tǒng)使用獨(dú)特的聲音增強(qiáng)處理提高聲音的真實(shí)性?？傊撀曇粼鰪?qiáng)處理接收兩個(gè)輸入信號(hào)，一個(gè)左輸入信號(hào)和一個(gè)右輸入信號(hào)，并接著產(chǎn)生兩個(gè)增強(qiáng)的輸出信號(hào)，一個(gè)左輸出信號(hào)和一個(gè)右輸出信號(hào)。
左右輸入信號(hào)被集中處理以提供一對(duì)左右輸出信號(hào)。具體來(lái)說(shuō)，增強(qiáng)系統(tǒng)的實(shí)施例以擴(kuò)大和增強(qiáng)感覺(jué)聲音帶寬的方式均衡在兩個(gè)輸入信號(hào)間存在的不同。另外，許多實(shí)施例調(diào)節(jié)兩個(gè)輸入信號(hào)共有的聲級(jí)以減少限幅。有益地是，一些實(shí)施例通過(guò)使用不需要數(shù)字信號(hào)處理的簡(jiǎn)化、低成本且易于制造的模擬電路來(lái)實(shí)現(xiàn)聲音增強(qiáng)。
盡管實(shí)施例是參考最佳聲音增強(qiáng)系統(tǒng)描述的，但本發(fā)明并不被如此限制，而是可被用于其它各種設(shè)備場(chǎng)境中，其中最好是把聲音增強(qiáng)系統(tǒng)的不同實(shí)施例適用于不同的情況。
聲音增強(qiáng)系統(tǒng)的概述圖1是包括聲音增強(qiáng)系統(tǒng)104的聲音增強(qiáng)系統(tǒng)100的框圖。聲音增強(qiáng)系統(tǒng)100包括聲源102、聲音增強(qiáng)系統(tǒng)104、任選信號(hào)處理系統(tǒng)106、任選放大器108、揚(yáng)聲器110和聽(tīng)眾112。聲源102的輸出提供給聲音增強(qiáng)系統(tǒng)104的輸入端。聲音增強(qiáng)系統(tǒng)104的輸出提供給了任選的信號(hào)處理系統(tǒng)106的輸入端。任選的信號(hào)處理系統(tǒng)106的輸出提供給了放大器系統(tǒng)108的輸入端。放大器系統(tǒng)108的輸出提供給了揚(yáng)聲器系統(tǒng)110的輸入端。揚(yáng)聲器系統(tǒng)110的聲輸出提供給了一個(gè)或多個(gè)聽(tīng)眾112。
舉例來(lái)說(shuō)，信號(hào)源102可包括立體聲接收機(jī)、收音機(jī)、光盤(pán)播放器、盒式磁帶錄象機(jī)(VCR)、音頻放大器、劇場(chǎng)系統(tǒng)、電視、激光盤(pán)播放器、數(shù)字多用盤(pán)(DVD)播放器、用于記錄和重放預(yù)先記錄的音頻的設(shè)備、多媒體設(shè)備、計(jì)算機(jī)游戲等。盡管信號(hào)源102一般產(chǎn)生一組立體聲信號(hào)，但應(yīng)當(dāng)理解，信號(hào)源102并不限于產(chǎn)生立體聲信號(hào)。因而，在其它一些實(shí)施例中，信號(hào)源102可產(chǎn)生多種類型的音頻信號(hào)，如產(chǎn)生單通道或多通道信號(hào)的音頻系統(tǒng)。
信號(hào)源102向聲音增強(qiáng)系統(tǒng)104提供一個(gè)或多個(gè)信號(hào)(例如，左右立體聲通道)。聲音增強(qiáng)系統(tǒng)104通過(guò)左右通道的修正來(lái)增強(qiáng)低頻聲音信息。在其它一些實(shí)施例中，左右通道的輸入信號(hào)不必是立體聲信號(hào)并且可包括范圍更廣的音頻信號(hào)，例如，Dolby實(shí)驗(yàn)室的定向邏輯(Pro-Logic)系統(tǒng)，它使用一個(gè)矩陣化方案以便僅僅在兩個(gè)音頻記錄軌跡上存儲(chǔ)四個(gè)或更多的獨(dú)立的音頻通道。音頻信號(hào)還可包括環(huán)繞聲系統(tǒng)，它可發(fā)送完全獨(dú)立的前后音頻通道。這樣的一個(gè)系統(tǒng)是Dolby實(shí)驗(yàn)室的叫作“AC-3”的五通道數(shù)字系統(tǒng)。
在一個(gè)實(shí)施例中，包括左右通道之和的音頻信息被稱作組合信息或組合信號(hào)。一個(gè)實(shí)施例使組合信號(hào)中的頻率譜諧波整形，并在隨后把部分整形組合信號(hào)回插到左右通道中，以便減小可由一個(gè)通道或另一個(gè)通道中的低頻高幅信號(hào)引起的限幅。
任選的音頻處理系統(tǒng)106可提供其它音頻處理，包括諸如解碼、編碼、均衡、環(huán)繞聲處理等。放大器系統(tǒng)108放大一個(gè)或多個(gè)通道并把放大信號(hào)提供給揚(yáng)聲器系統(tǒng)110。該揚(yáng)聲器系統(tǒng)包括一個(gè)或多個(gè)揚(yáng)聲器。
圖2示出了一種典型的多媒體計(jì)算機(jī)系統(tǒng)200，它利于使用本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例來(lái)提高由一對(duì)小型臺(tái)式計(jì)算機(jī)揚(yáng)聲器210產(chǎn)生的音頻性能。揚(yáng)聲器210連接計(jì)算機(jī)單元204之內(nèi)的插卡206。插卡206通常是聲卡，如圖5所示的聲卡，但也可以是產(chǎn)生音頻輸出的任何計(jì)算機(jī)接口卡，包括收音卡、電視調(diào)諧卡、PCMCIA卡、內(nèi)部調(diào)制解調(diào)器、數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)插卡等。計(jì)算機(jī)用戶202使用計(jì)算機(jī)204運(yùn)行一個(gè)計(jì)算機(jī)程序，該程序可使插卡206產(chǎn)生可由揚(yáng)聲器210轉(zhuǎn)換為聲波的音頻信號(hào)。
多媒體計(jì)算機(jī)系統(tǒng)使用的揚(yáng)聲器210通常是設(shè)計(jì)為小型且便宜的小型臺(tái)式單元，因此它沒(méi)有在低頻產(chǎn)生顯著的聲壓級(jí)的能力。用于多媒體計(jì)算機(jī)的典型小揚(yáng)聲器系統(tǒng)具有大約在200Hz滾降的聲輸出響應(yīng)。圖3表示大體上對(duì)應(yīng)于人耳的頻率響應(yīng)的曲線306。圖3還表示典型的小型計(jì)算機(jī)揚(yáng)聲器系統(tǒng)的測(cè)量響應(yīng)308，該系統(tǒng)使用高頻驅(qū)動(dòng)器(高頻揚(yáng)聲器)再現(xiàn)高頻，使用四英寸的中頻-低頻驅(qū)動(dòng)器(低音揚(yáng)聲器)再現(xiàn)中頻和低頻。采用兩個(gè)驅(qū)動(dòng)器的這種系統(tǒng)通常稱作雙路系統(tǒng)。采用多于兩個(gè)驅(qū)動(dòng)器的揚(yáng)聲器系統(tǒng)在相關(guān)技術(shù)中是已知的并且將與本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例共同起作用。具有單個(gè)驅(qū)動(dòng)器的揚(yáng)聲器系統(tǒng)也是已知的并且也將與本發(fā)明一起工作。響應(yīng)308繪制在等軸曲線圖上，其中X軸表示從20Hz到20kHz的頻率。這個(gè)頻帶對(duì)應(yīng)于正常人的聽(tīng)力范圍。圖3中的Y-軸表示從0dB到-50dB的歸一化振幅響應(yīng)。曲線308在從約2kHz到10kHz的中頻帶較平坦，高于10kHz時(shí)顯示了一些滾降。在低頻帶中，曲線308呈現(xiàn)出開(kāi)始于約200Hz和2kHz之間的中低音頻帶中的低頻滾降，這樣，在低于200Hz時(shí)，揚(yáng)聲器系統(tǒng)產(chǎn)生非常小的聲輸出。
圖3所示的頻帶位置是作為例子而不是作為限制來(lái)使用的。重低音(deep bass)頻帶、中低音頻帶和中頻帶的實(shí)際頻率范圍隨著揚(yáng)聲器和使用該揚(yáng)聲器的應(yīng)用而變化。術(shù)語(yǔ)重低音一般用來(lái)指一個(gè)頻帶中的頻率，與諸如中低音頻帶中的較高頻率下的揚(yáng)聲器輸出相比，揚(yáng)聲器在該頻帶中產(chǎn)生的輸出不太精確。術(shù)語(yǔ)中低音頻帶通常用來(lái)指高于重低頻帶的頻率。術(shù)語(yǔ)中頻帶通常用來(lái)指高于中低音頻帶的頻率。
當(dāng)在錐形直徑小于聲波波長(zhǎng)的低頻產(chǎn)生聲能時(shí)，許多錐形驅(qū)動(dòng)器的效率非常低。當(dāng)錐形直徑小于該波長(zhǎng)時(shí)，要使來(lái)自該錐形的聲輸出保持統(tǒng)一的聲壓級(jí)則需要錐形偏移針對(duì)頻率下降的每個(gè)倍頻程(2倍)而被提高到四倍。如果一個(gè)人試圖僅僅通過(guò)增加供給驅(qū)動(dòng)器的電能來(lái)提高低頻響應(yīng)，那么將會(huì)很快到達(dá)驅(qū)動(dòng)器可允許的最大錐形偏移。
因此，驅(qū)動(dòng)器低頻輸出的增加不能超出某個(gè)限度，這就解釋了為什么大多數(shù)小揚(yáng)聲器系統(tǒng)具有不良的低頻音質(zhì)。曲線308是大多數(shù)小揚(yáng)聲器系統(tǒng)的典型曲線，這些系統(tǒng)采用直徑約為四英寸的低頻驅(qū)動(dòng)器。具有較大驅(qū)動(dòng)器的揚(yáng)聲器系統(tǒng)往往產(chǎn)生降至略低于曲線308所示頻率的可感覺(jué)的聲輸出，并且具有較小的低頻驅(qū)動(dòng)器的系統(tǒng)通常將不產(chǎn)生與曲線308所示的一樣低的輸出。
如上所述，到今天為止，系統(tǒng)設(shè)計(jì)者在設(shè)計(jì)具有擴(kuò)展低頻響應(yīng)的揚(yáng)聲器系統(tǒng)時(shí)幾乎沒(méi)有什么選擇機(jī)會(huì)。已知的解決方法昂貴并且生產(chǎn)的揚(yáng)聲器對(duì)于桌面來(lái)說(shuō)太大。對(duì)低頻問(wèn)題的一種普遍的解決方法是使用輔助低音揚(yáng)聲器(sub-woofer)，它一般放在靠近計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的地板上。輔助低音揚(yáng)聲器可提供充分的低頻輸出，但它們昂貴，因此與便宜的臺(tái)式揚(yáng)聲器相比不太常用。
本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例克服小型系統(tǒng)的低頻局限性不是使用錐形直徑大的驅(qū)動(dòng)器或輔助低音揚(yáng)聲器，而是利用了人的聽(tīng)覺(jué)系統(tǒng)的特性來(lái)產(chǎn)生低頻聲能的感覺(jué)，甚至是在這種聲能不是由揚(yáng)聲器系統(tǒng)產(chǎn)生的情況下。
已知人的聽(tīng)覺(jué)系統(tǒng)是非線性的。簡(jiǎn)而言之，非線性系統(tǒng)是一種輸入的增加并不會(huì)使輸出按比例增加的系統(tǒng)。因此在人耳中，舉例來(lái)說(shuō)，聲壓級(jí)的加倍不會(huì)產(chǎn)生聲源音量也加倍的感覺(jué)。事實(shí)上，人耳大致上相當(dāng)于一個(gè)平方律器件，它響應(yīng)聲能的功率而不響應(yīng)其強(qiáng)度。聽(tīng)覺(jué)作用過(guò)程的這種非線性產(chǎn)生互調(diào)頻率，它們聽(tīng)起來(lái)就象是聲波中的實(shí)際頻率的泛音或和音。
圖4A表示人耳中的互調(diào)效應(yīng)，它示出了兩個(gè)純音的理想幅度譜。圖4A中的譜圖表示與揚(yáng)聲器驅(qū)動(dòng)器(例如，輔助低音揚(yáng)聲器)在50Hz產(chǎn)生的聲能相對(duì)應(yīng)的第一譜線404。第二譜線402在60Hz示出。譜線404和402是與驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)生的真實(shí)聲能相對(duì)應(yīng)的實(shí)際譜線，并且假設(shè)不存在其它聲能。盡管如此，由于人耳固有的非線性，因此它將產(chǎn)生與兩個(gè)實(shí)際譜線頻率之和以及兩個(gè)實(shí)際譜線頻率之差相對(duì)應(yīng)的互調(diào)產(chǎn)物。
例如，一個(gè)正在收聽(tīng)由譜線404和402表示的聲能的人將感覺(jué)到由譜線406示出的50Hz的聲能、由譜線408示出的60Hz的聲能、以及由譜線410示出的110Hz的聲能。譜線410不對(duì)應(yīng)于揚(yáng)聲器產(chǎn)生的真實(shí)聲能，而是對(duì)應(yīng)于由于人耳的非線性而在耳朵中產(chǎn)生的譜線。譜線410在110Hz出現(xiàn)，它是兩個(gè)實(shí)際譜線的和(110Hz＝50Hz+60Hz)。應(yīng)當(dāng)指出，人耳的非線性還將在10Hz的差頻(10Hz＝60Hz-50Hz)產(chǎn)生一條譜線，但該譜線由于低于人的聽(tīng)覺(jué)范圍而感覺(jué)不到。
圖4A示出了人耳內(nèi)的互調(diào)處理，但與諸如音樂(lè)的真實(shí)節(jié)目素材相比有一定程度的簡(jiǎn)化。諸如音樂(lè)的典型節(jié)目素材和聲豐富，以至于大多數(shù)音樂(lè)呈現(xiàn)出如圖4B所示的幾乎連續(xù)的頻譜。除了圖4B中的曲線所示為連續(xù)譜，圖4B示出了與圖4A所示相同類型的實(shí)際聲能和感覺(jué)聲能之間的比較。圖4B示出了實(shí)際聲能曲線420和相應(yīng)的感覺(jué)頻譜430。
與大多數(shù)非線性系統(tǒng)的情況一樣，耳朵的非線性在系統(tǒng)產(chǎn)生大偏移(例如，大信號(hào)電平)時(shí)比產(chǎn)生小偏移時(shí)會(huì)更明顯。因而，對(duì)于人耳來(lái)說(shuō)，非線性在低頻會(huì)更明顯，其中鼓膜及耳朵的其它部分即使在較低的音量級(jí)時(shí)也能產(chǎn)生大的機(jī)械偏移。因此，圖4B表示實(shí)際聲能420和感覺(jué)聲能430之間的差值在較低頻率范圍時(shí)趨向于最大并在較高頻率范圍時(shí)較小。
如圖4A和4B所示，包括多個(gè)音和頻率的低頻聲能在收聽(tīng)者一方將產(chǎn)生中低音頻帶中的聲能包含的頻譜內(nèi)容比實(shí)際存在的頻譜內(nèi)容要多的感覺(jué)。當(dāng)遇到信息被認(rèn)為丟失了的情況時(shí)，人腦在潛意識(shí)里將努力“暫代(fill in)”丟失的信息。這種暫代現(xiàn)象是許多光錯(cuò)覺(jué)的基礎(chǔ)。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，通過(guò)向大腦提供這種低頻信息的中低音頻效果可以誘使大腦暫代實(shí)際上并不存在的低頻信息。
換言之，如果向大腦呈現(xiàn)假若低頻聲能存在時(shí)將由耳朵產(chǎn)生的諧波(如譜線410)，則在該條件下，大腦將下意識(shí)地暫代它認(rèn)為“肯定”存在的低頻譜線406和408。這種暫代處理通過(guò)人耳非線性的另一種效應(yīng)得到加強(qiáng)，這種效應(yīng)被稱作檢測(cè)器效應(yīng)。
人耳的非線性還使耳朵就象是一個(gè)檢測(cè)器，類似于調(diào)幅(AM)接收機(jī)中的二極管檢測(cè)器。如果中低頻諧音是由重低音進(jìn)行AM調(diào)制，那么人耳將解調(diào)該調(diào)制的中低頻載波以再現(xiàn)重低音包絡(luò)。圖4C和4D圖示了調(diào)制和解調(diào)的信號(hào)。圖4C在時(shí)間軸上表示調(diào)制的信號(hào)，包括由重低頻信號(hào)調(diào)制的較高頻率的載波信號(hào)(如中低頻載波)。
較高頻信號(hào)的幅度由較低頻音調(diào)制，因而，較高頻信號(hào)的振幅隨著較低頻音的頻率而變化。耳朵的非線性將部分解調(diào)信號(hào)，使得耳朵將檢測(cè)到較高頻信號(hào)的低頻包絡(luò)，從而產(chǎn)生低頻音的感覺(jué)，即使是在沒(méi)有在低頻產(chǎn)生實(shí)際聲能的情況下。與上面討論的互調(diào)效應(yīng)的情況一樣，檢測(cè)器效應(yīng)通?？赏ㄟ^(guò)中低音頻率范圍中的信號(hào)的適當(dāng)信號(hào)處理而得到加強(qiáng)，該頻率范圍一般在頻率范圍下限的100-200Hz和頻率范圍上限的500Hz之間。通過(guò)使用適當(dāng)?shù)男盘?hào)處理，可以設(shè)計(jì)一種聲音增強(qiáng)系統(tǒng)，即使是在使用不能或低效產(chǎn)生低頻聲能的揚(yáng)聲器時(shí)，該系統(tǒng)也可以產(chǎn)生這種聲能的感覺(jué)。
揚(yáng)聲器產(chǎn)生的聲能中存在的實(shí)際頻率的感覺(jué)被認(rèn)為是初級(jí)效應(yīng)。實(shí)際聲頻中不存在的附加諧波的感覺(jué)，不管這種諧波是由互調(diào)失真或是檢測(cè)效應(yīng)產(chǎn)生，都被認(rèn)為是次級(jí)效應(yīng)。
在描述聲音增強(qiáng)系統(tǒng)中使用的實(shí)際信號(hào)處理的細(xì)節(jié)之前，檢驗(yàn)該系統(tǒng)的幾個(gè)實(shí)施方案是有幫助的。該聲音增強(qiáng)系統(tǒng)并不限于多媒體計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，而是可與許多音頻信號(hào)源和許多不同類型的揚(yáng)聲器一起使用，例如包括轟鳴箱、迷你元件的立體聲系統(tǒng)、電視系統(tǒng)、收音機(jī)、甚至是適于家用或商用的更大的揚(yáng)聲器。但是，帶有不足揚(yáng)聲器的多媒體計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的普及，以及把聲音增強(qiáng)系統(tǒng)作為使多媒體計(jì)算機(jī)升級(jí)的軟件來(lái)實(shí)施的可能性都使多媒體計(jì)算機(jī)和其它便宜系統(tǒng)成為本發(fā)明幾個(gè)實(shí)施例的有吸引力的平臺(tái)。
圖5是表示典型的多媒體計(jì)算機(jī)系統(tǒng)500的框圖，該系統(tǒng)具有聲卡510、第一揚(yáng)聲器系統(tǒng)512和第二揚(yáng)聲器系統(tǒng)514。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)500包括數(shù)據(jù)存儲(chǔ)介質(zhì)506、處理器502和聲卡510，它們?nèi)颗c輸入/輸出(I/O)總線508連接。用于存儲(chǔ)程序和數(shù)據(jù)的主存儲(chǔ)器504通常通過(guò)單獨(dú)的存儲(chǔ)總線與處理器502連接。聲卡510包括I/O控制模塊520，它與數(shù)據(jù)總線508連接并提供與數(shù)據(jù)總線508進(jìn)行通信所需的必要功能。在聲卡510之中，一個(gè)雙向數(shù)據(jù)通路連接I/O控制模塊520和數(shù)據(jù)路由器522，路由器522向來(lái)自聲卡和I/O控制模塊520的各種內(nèi)部數(shù)據(jù)通路的數(shù)據(jù)提供多路復(fù)用和多路分用。
路由器522的第一輸出端提供數(shù)據(jù)給第一合成模塊524，該模塊通常通過(guò)FM合成或波表合成產(chǎn)生聲音。第一合成模塊524的輸出經(jīng)第一增益控制534饋給第一混頻器(加法器)528。路由器522的第二輸出端向第一數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)525的一個(gè)輸入端提供數(shù)據(jù)。第一DSP525的輸出提供給第一數(shù)-模轉(zhuǎn)換器(DAC)526的輸入端。DSP525是任選的，而且并不是在所有的聲卡中都能找到。在沒(méi)有DSP525的聲卡上，路由器522的一個(gè)輸出端可直接與第一數(shù)-模轉(zhuǎn)換器526的輸入端連接。第一DAC526的輸出端經(jīng)增益控制536與混頻器528的一個(gè)輸入端連接?；祛l器528的輸出端經(jīng)增益控制530與第一功率放大器520連接。第一功率放大器520的輸出提供給了揚(yáng)聲器系統(tǒng)512。
路由器522的第三輸出端向第二合成模塊544提供數(shù)據(jù)。第二合成模塊544的輸出經(jīng)增益控制554饋給第二混頻器548。路由器522的第三輸出端向第二數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)545的輸入端提供數(shù)據(jù)。第二DSP545的輸出提供給第二DAC轉(zhuǎn)換器546的輸入端。DSP545是任選的，如果沒(méi)有配備，則路由器522的一個(gè)輸出端可直接與第二DAC轉(zhuǎn)換器546的輸入端連接。在一些聲卡中也可提供結(jié)合了DSP525和DSP545的單個(gè)DSP。第二DAC546的輸出端經(jīng)增益控制556與混頻器548的一個(gè)輸入端連接?；祛l器548的輸出端經(jīng)增益控制550與第二功率放大器540連接。第二功率放大器540的輸出提供給了揚(yáng)聲器系統(tǒng)514。
聲卡510的內(nèi)部結(jié)構(gòu)已被簡(jiǎn)化，目的是為了更有效地示出執(zhí)行本發(fā)明各種實(shí)施例和特征的聲卡的使用。聲卡也可具有其它能力，如具有與模-數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)(未示出)連接的輸入端以允許用戶通過(guò)模擬音頻信號(hào)源產(chǎn)生抽樣的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。聲卡510還可提供用于連接操縱桿的輸入/輸出端口，以及用于連接具有MIDI端口的樂(lè)器的MIDI輸入/輸出端口。聲卡510還可提供線路輸入端口和線路輸出端口，以及用于從諸如CD播放器和數(shù)字錄音磁帶(DAT)驅(qū)動(dòng)器的設(shè)備輸入音頻的輸入端口。聲卡510還可以提供DSP能力，用于對(duì)合成器524和544的動(dòng)作編程。合成器524和544可使用DSP525和544來(lái)編程，或者聲卡510可提供用于對(duì)合成器524和544的動(dòng)作編程的其它DSP資源。本發(fā)明的一些實(shí)施例可包括在圖5所示聲卡510所提供的DSP處理器上運(yùn)行的軟件。另外，整個(gè)聲卡的功能也可以在一個(gè)單個(gè)芯片上實(shí)現(xiàn)，如在個(gè)人計(jì)算機(jī)主板上可見(jiàn)的數(shù)字信號(hào)處理器，并且直接連接數(shù)據(jù)總線、存儲(chǔ)總線、多媒體總線、通用串行總線、火警線、或其它輸入/輸出總線。
裝在存儲(chǔ)器504中且在處理器502上運(yùn)行的多媒體節(jié)目利用聲卡510產(chǎn)生由揚(yáng)聲器512和514轉(zhuǎn)換為聲音(聲能)的音頻信號(hào)。音頻信號(hào)可通過(guò)向合成器524和544發(fā)送命令來(lái)產(chǎn)生。第一合成器524產(chǎn)生的音頻信號(hào)經(jīng)增益控制級(jí)534傳送到混頻器528，經(jīng)過(guò)增益控制530，經(jīng)過(guò)功率放大器520，并在隨后由揚(yáng)聲器512轉(zhuǎn)換為聲能。包括增益控制556和550、混頻器548和功率放大器540的類似信號(hào)處理通路是為第二合成器544產(chǎn)生的音頻信號(hào)配備的。
通過(guò)使用DAC526和546進(jìn)行直接數(shù)-模轉(zhuǎn)換，多媒體節(jié)目也可通過(guò)數(shù)字化的音頻數(shù)據(jù)產(chǎn)生音頻信號(hào)。數(shù)字化的音頻數(shù)據(jù)可存儲(chǔ)在存儲(chǔ)介質(zhì)506中，或者存儲(chǔ)在主存儲(chǔ)器504中。存儲(chǔ)介質(zhì)506可以是用于存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的任何裝置，包括磁盤(pán)驅(qū)動(dòng)器、光盤(pán)(CD)、DVD、DAT驅(qū)動(dòng)器等。存儲(chǔ)在存儲(chǔ)介質(zhì)上的數(shù)字化音頻數(shù)據(jù)能夠以任何原始的形式存儲(chǔ)，包括脈碼調(diào)制(PCM)，或者以任何壓縮形式存儲(chǔ)，包括自適應(yīng)脈碼調(diào)制(ADPCM)。本專業(yè)技術(shù)人員可知，提供微軟視窗操作環(huán)境下的文件系統(tǒng)的硬盤(pán)或其它存儲(chǔ)介質(zhì)(如CD-ROM)中存儲(chǔ)的數(shù)字化音頻數(shù)據(jù)通常存儲(chǔ)為具有文件名*。wav(其中，“*”表示通配符文件名)的“wave”文件的文件格式。
圖6A是表示從數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)源600產(chǎn)生聲音的處理框圖。數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)源600可以是任何數(shù)字化音頻源，例如包括模-數(shù)轉(zhuǎn)換器、DSP、光盤(pán)播放器、激光盤(pán)播放器、數(shù)字多用盤(pán)(DVD)播放器、用于記錄和重放預(yù)先存儲(chǔ)的音頻的裝置、多媒體設(shè)備、計(jì)算機(jī)程序、波形(wave)文件、計(jì)算機(jī)游戲等。數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)由數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)源600提供給數(shù)-模轉(zhuǎn)換器602，它把數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為輸出模擬信號(hào)。轉(zhuǎn)換器602把輸出模擬信號(hào)提供給其它模擬設(shè)備，如功率放大器、揚(yáng)聲器、其它信號(hào)處理器等。
圖6B是表示根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的聲音增強(qiáng)系統(tǒng)的框圖。在圖6B中，來(lái)自數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)源600的數(shù)據(jù)提供給了聲音增強(qiáng)塊601，聲音增強(qiáng)塊601對(duì)數(shù)字化聲音執(zhí)行信號(hào)處理以修正數(shù)字化聲音，從而改善感覺(jué)到的揚(yáng)聲器的低頻響應(yīng)。來(lái)自聲音增強(qiáng)塊601的修正的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)提供給數(shù)-模轉(zhuǎn)換塊602，在數(shù)-模轉(zhuǎn)換塊602中，數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)。來(lái)自塊602的模擬信號(hào)提供到其它模擬設(shè)備，如揚(yáng)聲器、功率放大器、或其它信號(hào)處理設(shè)備。塊601中的信號(hào)處理的實(shí)施方案可由通用數(shù)字計(jì)算機(jī)提供，如處理器502，或者由DSP提供，如DSP 525和545。
例如，該處理可利用下面的各種軟硬件來(lái)完成，如裝在計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)器中的軟件、Texas Instruments Inc.公司制造的DSP(如TMS320xx系列)、由其它廠商提供的DSP、諸如Chromatic Research Inc.公司提供的MPACT多媒體處理器的多媒體處理器、或是諸如奔騰處理器、奔騰Pro處理器、8051處理器、MIPs處理器、Power PC處理器、ALPHA處理器等的處理器。
在一個(gè)實(shí)施例中，信號(hào)處理塊601完全在處理器502上的軟件中執(zhí)行。由處理器502上運(yùn)行的計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)生的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)(如來(lái)自wave文件的數(shù)據(jù))提供給獨(dú)立的信號(hào)處理程序，該信號(hào)處理程序提供了由塊601表示的功能。獨(dú)立的信號(hào)處理程序修正數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)并把修正的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)提供給可作為聲卡510的一部分的數(shù)-模轉(zhuǎn)換器塊602。這個(gè)純軟件實(shí)施例為諸如圖2所示用戶202的多媒體計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的用戶提供了一種低成本的方法，以擴(kuò)大與多媒體計(jì)算機(jī)連接的揚(yáng)聲器的視在低頻響應(yīng)。
在另一個(gè)可選的軟件實(shí)施例中，由塊601表示的處理可由固定在計(jì)算機(jī)上的聲卡中的DSP提供。因此，舉例來(lái)說(shuō)，由信號(hào)處理塊601表示的處理可由圖5所示聲卡510中的DSP525和DSP545來(lái)實(shí)施。由DSP525和DSP545所表示的功能可結(jié)合在一個(gè)單個(gè)DSP中。本發(fā)明的軟件實(shí)施例是有吸引力的，因?yàn)樗鼈兡軌蛞孕〕杀緛?lái)執(zhí)行。
但是，硬件實(shí)施例也在本發(fā)明的范圍之內(nèi)。圖7是本發(fā)明的硬件實(shí)施例的框圖，其中聲音增強(qiáng)功能由聲音增強(qiáng)單元704提供。聲音增強(qiáng)單元704接收來(lái)自信號(hào)源702的音頻信號(hào)。信號(hào)源702可以是任何信號(hào)源，包括圖1所示的信號(hào)源102，或是圖5所示的聲卡510。聲音增強(qiáng)單元704執(zhí)行信號(hào)處理以修正接收的音頻信號(hào)，并產(chǎn)生可提供給揚(yáng)聲器、放大器或其它信號(hào)處理設(shè)備的音頻輸出。信號(hào)處理圖8是由各種信號(hào)處理塊執(zhí)行的低頻增強(qiáng)信號(hào)處理的一個(gè)實(shí)施例的框圖800，這些信號(hào)處理塊可以是圖7所示的聲音增強(qiáng)單元704、圖6B所示的聲音增強(qiáng)塊601和圖1所示的聲音增強(qiáng)系統(tǒng)104。圖8還可用作描述一個(gè)程序的流程圖，該程序在DSP或其它處理器上運(yùn)行以執(zhí)行本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的信號(hào)處理操作。
圖8示出了兩個(gè)輸入，一個(gè)左通道輸入802和一個(gè)右通道輸入804。圖8所示信號(hào)處理的兩個(gè)通道將根據(jù)基于普通立體聲左右通道的左通道和右通道來(lái)進(jìn)行傳統(tǒng)地描述，但是，本發(fā)明并不被如此限制，而是還可包括多于兩個(gè)通道的系統(tǒng)以及通道并不對(duì)應(yīng)于立體聲左右通道的系統(tǒng)。
輸入802和804均提供給加法器806，加法器806產(chǎn)生一個(gè)作為兩個(gè)輸入的組合的輸出，該組合是兩個(gè)輸入的線性之和。加法器806的輸出提供放大器808。放大器808的增益可被調(diào)節(jié)至一個(gè)希望的值。加法器806和放大器808也可被組合成一個(gè)用來(lái)提供兩個(gè)輸入之和以及增益的單個(gè)求和放大器。
放大器808的輸出提供給低通濾波器810。低通濾波器810的輸出提供給第一帶通濾波器812、第二帶通濾波器813、第三帶通濾波器814和第四帶通濾波器815。每個(gè)帶通濾波器812-815的輸出分別提供給放大器816-819的輸入端，使得每個(gè)帶通濾波器驅(qū)動(dòng)一個(gè)放大器。每個(gè)放大器816-819的輸出端均與加法器820連接，加法器820產(chǎn)生作為放大器輸出之和的輸出。
放大器820的輸出提供給左通道加法器824的第一輸入端，并且放大器820的輸出提供給右通道加法器832的第一輸入端。左通道輸入802提供到左通道加法器824的第二輸入端，并且右通道輸入804提供到右通道加法器832的第二輸入端。左通道加法器824和右通道加法器832的輸出分別是信號(hào)處理框圖800的左右通道輸出。
低通濾波器810的滾降頻率和速率被選擇來(lái)提供可由多媒體揚(yáng)聲器適當(dāng)產(chǎn)生的最低頻率以上的適當(dāng)數(shù)目的中低頻諧波。帶通濾波器812-815被選擇來(lái)整形低通濾波器810產(chǎn)生的信號(hào)頻譜，以便于加重?fù)P聲器不能充分再現(xiàn)的低頻信號(hào)的諧波。在一個(gè)實(shí)施例中，低通濾波器810是次級(jí)契比雪夫?yàn)V波器，具有12dB/倍頻程的滾降和200Hz的滾降頻率。通常，帶通濾波器將被參差調(diào)諧至頻率100Hz、150Hz、200Hz和250Hz。在一個(gè)實(shí)施例中，帶通濾波器812-815是如圖9所示執(zhí)行的次級(jí)契比雪夫?yàn)V波器。
圖9是具有輸入902和輸出918的次級(jí)契比雪夫?yàn)V波器的電路圖。輸入902提供給電阻器R1 904的第一端。電阻器R1 904的第二端連接電阻器R2 906的第一端、輸入電容器912的第一端和反饋電容器910的第一端。輸入電容器912的第二端連接運(yùn)算放大器(運(yùn)放)914的倒相輸入端并連接電阻器R3 908的第一端。運(yùn)放914的非倒相輸入端接地。運(yùn)放918的輸出端連接反饋電容器910的第二端、反饋電阻器908的第二端和輸出端918。在一個(gè)實(shí)施例中，輸入電容器912和反饋電容器910均為0.1微法的電容器。
表1列出了基于圖9所示電路的帶通濾波器812-815的中心頻率和電路值。圖10示出了帶通濾波器的傳遞函數(shù)的一般波形。圖10表示分別對(duì)應(yīng)于帶通濾波器812-815的帶通傳遞函數(shù)1002、1004、1006和1008。
表1濾波器 頻率 R1 R2 R3(Hz) (KΩ)(KΩ)(KΩ)812 100 31.6 4.53 63.4813 150 21.0 3.09 42.46814 200 15.8 2.26 31.6815 250 12.7 1.82 25.5放大器816、817、818和819增益設(shè)置為二。因此，作為混頻器820的輸出的信號(hào)821是一個(gè)包括已經(jīng)在約100Hz至250Hz的頻率范圍內(nèi)濾波和處理的左右立體聲通道之和的音頻信號(hào)。此處理信號(hào)分別由混頻器824和832添加到左右立體聲通道的前饋路徑中。由于信號(hào)821包括左右通道信息，所以把信號(hào)821加回左右通道將會(huì)把一些左通道音頻信號(hào)引入右通道中，反之亦然。因此，該效果在一定程度均衡了兩個(gè)通道。
圖11示出了聲音增強(qiáng)系統(tǒng)的另一個(gè)信號(hào)處理實(shí)施例。除了圖11中的四個(gè)帶通濾波器是由零交點(diǎn)檢測(cè)器1110觸發(fā)的單穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器驅(qū)動(dòng)外，圖11所示的實(shí)施例在許多方面類似于圖8的實(shí)施例。圖11示出了兩個(gè)輸入，一個(gè)左通道輸入1103和一個(gè)右通道輸入1101。與圖8類似，圖11所示信號(hào)處理的兩個(gè)通道將根據(jù)方便以左通道和右通道來(lái)描述，但這并不成為限制。
輸入1103和1101均提供給了加法器1102，加法器1102產(chǎn)生一個(gè)作為兩個(gè)輸入的組合的輸出，該組合是兩個(gè)輸入的線性之和。加法器1102的輸出提供給增益為一的放大器1103。但是，放大器1103的增益可被調(diào)節(jié)至任何想要的值。放大器1103的輸出提供到截止頻率約為100Hz的低通濾波器1104。低通濾波器1104的輸出提供到峰值檢測(cè)器1106和增益約為0.05的放大器1108。峰值檢測(cè)器1106具有0.25毫秒的衰減時(shí)間常數(shù)。放大器1108的輸出提供到零交點(diǎn)檢測(cè)器(ZCD)1110。ZCD1110的輸出提供到單穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器1112的觸發(fā)輸入端，每次當(dāng)?shù)屯V波器1404的輸出經(jīng)過(guò)零時(shí)，都使得單穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器1112被觸發(fā)。
當(dāng)被觸發(fā)時(shí)，單穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器1112產(chǎn)生150毫秒的脈沖。單穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器1112的非倒相輸出提供到乘法器1114的第一輸入端和SPST(單刀單擲)壓控開(kāi)關(guān)1116的控制輸入端，這樣，只要單穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器1112的非倒相輸出變高，開(kāi)關(guān)1116就閉合。乘法器的第二輸入由峰值檢測(cè)器1106的輸出提供。乘法器1114的輸出提供到開(kāi)關(guān)1116的第一端。開(kāi)關(guān)1116的第二端提供到第一帶通濾波器1118、第二帶通濾波器1119、第三帶通濾波器1120和第四帶通濾波器1121。每個(gè)帶通濾波器1118-1121的輸出分別提供到放大器1126-1129的輸入端，使得每個(gè)帶通濾波器驅(qū)動(dòng)一個(gè)放大器。每個(gè)放大器的增益實(shí)際上為二。每個(gè)放大器1126-1129的輸出提供到混頻器1134，混頻器1134產(chǎn)生作為放大器1126-1129的輸出之和的輸出?；祛l器1134的輸出提供到截止頻率約為200Hz的低通濾波器1136。高通濾波器1142和1144均具有約125Hz的截止頻率。
混頻器1134的輸出提供到左通道加法器1140的第一輸入端和右通道加法器1144的第一輸入端。左通道輸入1103提供到左通道加法器1140的第二輸入端，并且右通道輸入1101提供到右通道加法器1144的第二輸入端。左通道加法器1140的輸出提供到高通濾波器1142的輸入端，并且高通濾波器1142的輸出提供到左通道輸出端1150。右通道加法器1144的輸出提供到高通濾波器1146的輸入端，并且高通濾波器1146的輸出提供到左通道輸出1148。
圖11的系統(tǒng)根據(jù)低通濾波器1104的輸出的零交點(diǎn)產(chǎn)生脈沖。這些脈沖提供到濾波器1118-1121，從而使濾波器“振鈴(ring)”產(chǎn)生主要在100至300Hz頻率范圍內(nèi)的諧波頻率。由于脈沖是通過(guò)輸入的低通濾波的輸入信號(hào)的零交點(diǎn)產(chǎn)生，所以濾波器1118-1121產(chǎn)生的諧波是輸入波形的低頻分量的諧波。因此，圖11的系統(tǒng)產(chǎn)生的諧波內(nèi)容類似于假若低頻信息被轉(zhuǎn)換為聲能時(shí)人耳所產(chǎn)生的諧波內(nèi)容。產(chǎn)生的諧波通過(guò)加法器1140和1144與普通的左右通道信息混合，并被高通濾波以去掉剩下的低頻信號(hào)，并在隨后發(fā)送到揚(yáng)聲器。增加的諧波將由聽(tīng)眾的大腦解釋以作為對(duì)應(yīng)于聲波中的較低頻內(nèi)容的諧波。
在本發(fā)明的又一個(gè)實(shí)施例中，由帶通濾波器驅(qū)動(dòng)的放大器(如圖8的放大器816-819)使用由輸入音頻信號(hào)的低頻內(nèi)容的幅度控制的自動(dòng)增益控制塊來(lái)代替。在檢驗(yàn)用于實(shí)現(xiàn)所述增益控制的信號(hào)處理單元之前，有幫助地是，首先檢驗(yàn)對(duì)輸入和輸出音頻信號(hào)進(jìn)行增益控制的效果以便更好地理解該處理。這個(gè)實(shí)施例以兩種方式增強(qiáng)中低頻諧波(例如約100Hz和250Hz之間的諧波)。在這個(gè)區(qū)域中的頻譜將根據(jù)其頻率低至使揚(yáng)聲器無(wú)法再現(xiàn)(如低于100Hz的頻率)的輸入信號(hào)的能量來(lái)提升和整平。當(dāng)在低于100Hz頻率時(shí)幾乎沒(méi)有什么能量時(shí)，頻譜的變化非常小。當(dāng)在低于100Hz頻率時(shí)具有很多能量時(shí)，頻譜將在中低頻區(qū)域被明顯地提升和整平。提升和整平是通過(guò)一個(gè)增強(qiáng)因數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，該增強(qiáng)因數(shù)使用自動(dòng)增益控制(AGC)電路而產(chǎn)生。應(yīng)當(dāng)指出，包括中低頻區(qū)的頻率將會(huì)變化，并且這里給出的頻率范圍是作為例子而不是作為限制來(lái)提供的。
圖12A示出了在具有大低頻分量的輸入信號(hào)1202存在時(shí)，四個(gè)參差調(diào)諧的帶通濾波器的增益控制被用于產(chǎn)生增強(qiáng)因數(shù)1220以實(shí)現(xiàn)此目的的方式。該頻域內(nèi)所示的作為例子的輸入信號(hào)1202在接近40Hz處具有大峰值(例如，低音吉它的最低音)。1202的頻譜振幅隨著頻率的增加而逐漸遞減為越來(lái)越小的值。四個(gè)帶通曲線1204、1206、1208和1210用于表示大概調(diào)諧至100Hz、150Hz、200Hz和250Hz的四個(gè)帶通濾波器的傳遞函數(shù)。每個(gè)帶通濾波器的增益(由每個(gè)曲線1204、1206、1208和1210的高度表示)假定由獨(dú)立的AGC控制。每個(gè)AGC則由100Hz以下(次低音區(qū)域)的曲線1202的幅度控制。
在輸入的音頻頻譜具有與該次低音區(qū)域幾乎一樣的振幅的頻率范圍內(nèi)，AGC增益幾乎為一，這從曲線1204中可以看出。在輸入的音頻頻譜具有遠(yuǎn)小于該次低音區(qū)域的振幅時(shí)，AGC增益將增加，這可以從曲線1210中看出。增強(qiáng)因數(shù)1220實(shí)際上是由曲線1204、1206、1208和1210表示的復(fù)合傳遞函數(shù)。圖12B表示把增強(qiáng)因數(shù)1220應(yīng)用于輸入波形1202以產(chǎn)生增強(qiáng)波形1240的效果。由于波形1202具有大的次低音振幅，所以增強(qiáng)波形1240與輸入波形1202相比在中低頻區(qū)域中被顯著地提升和整平。
圖12C和12D表示與圖12A和12B相同的處理，其中增強(qiáng)因數(shù)1270通過(guò)輸入波形1252產(chǎn)生。與波形1202不同，波形1252具有小低頻能量，因而增強(qiáng)因數(shù)1270更小。因?yàn)樵鰪?qiáng)因數(shù)1270太小，所以圖12D所示的輸出波形1280幾乎與輸入波形1252一樣。
圖13是使用AGC產(chǎn)生增強(qiáng)因數(shù)的低頻增強(qiáng)信號(hào)處理系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)施例的框圖1300。圖13也可用作描述一個(gè)程序的流程圖，該程序在DSP或其它處理器上運(yùn)行，用于執(zhí)行本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的信號(hào)處理操作。圖13示出了兩個(gè)輸入，一個(gè)左通道輸入1302和一個(gè)右通道輸入1304。與前面實(shí)施例的情況一樣，左右通道的使用是為了便于描述本發(fā)明，而不是作為本發(fā)明的限制。輸入1302和1304均被提供到加法器1306，加法器1306產(chǎn)生作為兩個(gè)輸入的組合的輸出。
加法器1306的輸出提供到增益為一的放大器1308的輸入端。放大器1308的輸出提供到截止頻率約為400Hz的低通濾波器1310。低通濾波器1310的輸出提供到電位計(jì)1352的第一端、第一帶通濾波器1312、第二帶通濾波器1313、第三帶通濾波器1314和第四帶通濾波器1315。每個(gè)帶通濾波器1312-1315的輸出分別提供到AGC1316-1319的音頻信號(hào)輸入端，這樣，每個(gè)帶通濾波器驅(qū)動(dòng)一個(gè)AGC。每個(gè)AGC1316-1319的輸出端與加法器1320連接，加法器1320產(chǎn)生作為放大器的輸出之和的輸出。
電位計(jì)1352的第二端接地，并且電位計(jì)的滑動(dòng)刷連接峰值檢測(cè)器1350。峰值檢測(cè)器1350的輸出提供到每個(gè)AGC1316-1319的控制輸入端。
放大器1320的輸出提供到左通道加法器1324的第一輸入端，并且放大器1320的輸出提供到右通道加法器1332的第一輸入端。左通道輸入1302提供到左通道加法器1324的第二輸入端，并且右通道輸入1304提供到右通道加法器1332的第二輸入端。左通道加法器1324和右通道加法器1332的輸出分別是信號(hào)處理塊1300的左通道輸出1323和右通道輸出1333。在一個(gè)實(shí)施例中，帶通濾波器1312-1315基本上與圖9和表1所示的帶通波濾器812-815一樣。
AGC1316(以及AGC1317-1319)實(shí)質(zhì)上是具有內(nèi)部伺服反饋環(huán)路的線性放大器。該伺服環(huán)路自動(dòng)調(diào)節(jié)輸出信號(hào)的振幅以匹配控制輸入端上的信號(hào)的振幅。因而是在控制輸入端而不是在放大器的信號(hào)輸入端來(lái)確定輸出信號(hào)的平均振幅。如果輸入信號(hào)振幅減小，則該伺服環(huán)路將增加AGC1316的前向增益以使輸出信號(hào)電平保持恒定。
圖14A是包括音頻輸入1403、控制輸入1402和音頻輸出1404的AGC1318-1319的一個(gè)實(shí)施例的框圖。音頻輸入1403提供到增益控制放大器1414的一個(gè)輸入端。放大器1414的輸出提供到音頻輸出端1404和負(fù)峰值檢測(cè)器1412。負(fù)峰值檢測(cè)器的輸出提供到加法器1418的第一輸入端，并且控制輸入1402提供到加法器1418的第二輸入端。加法器1418的輸出提供到積分器1416的輸入端，并且積分器1416的輸出提供到放大器1414的增益控制輸入端。加法器1418和積分器1416一起形成求和積分器1410。
圖14B是圖14A所示AGC的電路圖的一個(gè)實(shí)施例。如圖14B所示，增益控制放大器1414包括NE572壓擴(kuò)器1439，它具有表2所列的信號(hào)引腳2-8。音頻輸入1403提供到輸入電容器1442的第一端。該輸入電容的第二端連接壓擴(kuò)器1439的引腳7。輸入電容器1442包括2.2mf(微法)電容器和0.01mf電容器的并聯(lián)組合。壓擴(kuò)器1439的引腳2經(jīng)10.0mf電容器1443接地。壓擴(kuò)器1439的引腳4經(jīng)1.0mf電容器1444接地。壓擴(kuò)器1439的引腳8接地。壓擴(kuò)器1439的引腳6連接1.0KΩ電阻器1445的第一端。電阻器1445的第二端連接2.2mf的電容器1446、運(yùn)放1447的非倒相輸入端和運(yùn)放1452的非倒相輸入端。電容器1446的第二端接地。壓擴(kuò)器1439的引腳5連接運(yùn)放1447的倒相輸入端、17.4KΩ的反饋電阻器1449的第一端和17.4KΩ輸入電阻器1450的第一端。運(yùn)放1447的輸出端連接反饋電阻器1449的第二端和輸出電容1448的第一端。運(yùn)放1452的輸出端連接輸入電阻器1450的第二端。10.0KΩ反饋電阻器連接在運(yùn)放1452的倒相輸入端和輸出端之間。10.0KΩ的輸入電阻器把運(yùn)放1452的倒相輸入端接地。
放大器1414的增益控制輸入提供到3.0KΩ輸入電阻器1440的第一端。電阻器1440的第二端連接可以是2N2222的小信號(hào)晶體管1441的發(fā)射極。該晶體管的基極接地，晶體管1441的集電極連接壓擴(kuò)器1439的引腳3。
負(fù)峰值檢測(cè)器1412包括運(yùn)放1438和二極管1437。負(fù)峰值檢測(cè)器1412的輸入端連接on-amp1438的非倒相輸入端。on-amp1438的輸出端連接二極管1437的陰極。二極管1437的陽(yáng)極連接on-amp1438的倒相輸入端和峰值檢測(cè)器1412的輸出端。除了對(duì)于峰值檢測(cè)器1350來(lái)說(shuō)二極管1437是反相之外，圖13所示的峰值檢測(cè)器1350能夠以類似于負(fù)峰值檢測(cè)器1412的方式構(gòu)建。
求和積分器1410的第一輸入提供到100.0KΩ電阻器1431和4.7mf電容器1432的并聯(lián)組合的第一端。求和積分器1410的第二輸入提供到100.0KΩ電阻器1433和4.7mf電容器1434的并聯(lián)組合的第一端。兩個(gè)并聯(lián)組合的第二端均連接運(yùn)放1435的倒相輸入端。運(yùn)放1435的非倒相輸入端接地，并且0.33mf的反饋電容器1436連接在運(yùn)放1435的倒相輸入端和運(yùn)放1435的輸出端之間。運(yùn)放1435的輸出是求和積分器1410的輸出。
NE572是雙溝道高性能的增益控制電路，其中任意一個(gè)溝道都可用于動(dòng)態(tài)范圍的壓縮或擴(kuò)展。每個(gè)溝道具有一個(gè)全波整流器來(lái)檢測(cè)輸入信號(hào)的平均值、一個(gè)線性化的溫度補(bǔ)償可變?cè)鲆鎲卧鸵粋€(gè)動(dòng)態(tài)時(shí)間常數(shù)緩沖器。該緩沖器允許利用最少的外部元件和改善的低頻增益控制脈動(dòng)失真獨(dú)立控制動(dòng)態(tài)增高和恢復(fù)時(shí)間。NE572的引腳在表2中列出(其中，n，m指示溝道A、B)。NE572在本發(fā)明的實(shí)施例中用作便宜、低噪聲、低失真的增益控制放大器。本專業(yè)技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)知道，其它的增益控制放大器也可以使用。
表2引腳 功能1，15跟蹤微調(diào)2，14 恢復(fù)3，13整流器輸入4，12 增高5，11 Vout6，10 THD微調(diào)7，9 Vin8 接地16Vcc圖15是提供可選頻率范圍的低頻增強(qiáng)系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)施例的信號(hào)處理系統(tǒng)1500的框圖。圖15也可用作是描述一個(gè)程序的流程圖，該程序在執(zhí)行本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的信號(hào)處理操作的DSP或其它處理器上運(yùn)行。在系統(tǒng)1500中體現(xiàn)的可選頻帶的特征適用于前面所有的實(shí)施例。但是，為了簡(jiǎn)便起見(jiàn)，系統(tǒng)1500示作是圖13所示信號(hào)處理系統(tǒng)1300的改進(jìn)，因而在此只描述系統(tǒng)1300和系統(tǒng)1500之間的不同。在系統(tǒng)1500中，帶通濾波器1315的輸出端沒(méi)有象系統(tǒng)1300一樣直接與AGC1319的輸入端連接，而是帶通濾波器1315的輸出提供到單刀雙擲(SPDT)開(kāi)關(guān)1562的第一擲端。開(kāi)關(guān)1562的刀桿提供給了AGC1319的信號(hào)輸入端。帶通濾波器1560的輸入端與帶通濾波器1315的輸入端連接，這樣，帶通濾波器1560和1315接收相同的輸入信號(hào)。帶通濾波器1560的輸出提供到SPDT開(kāi)關(guān)1562的第二擲端。
帶通濾波器1560按希望調(diào)諧至一個(gè)低于100Hz的頻率，如60Hz。當(dāng)開(kāi)關(guān)1562處于對(duì)應(yīng)于第一擲端的第一位置時(shí)，它選擇帶通濾波器1315并使系統(tǒng)1500與系統(tǒng)1300一樣操作，從而使帶通濾波器處于頻率100、150、200和250Hz。當(dāng)開(kāi)關(guān)1562處于對(duì)應(yīng)于第二擲端的第二位置時(shí)，它不選帶通濾波器1315而選帶通濾波器1560，從而使帶通濾波器處于所說(shuō)的60、100、150和200Hz。
因此，開(kāi)關(guān)1562根據(jù)需要允許用戶選擇要增強(qiáng)的頻率范圍。配備諸如直徑三到四英寸的低音揚(yáng)聲器的小型低音揚(yáng)聲器的揚(yáng)聲器系統(tǒng)的用戶通常將選擇由分別被調(diào)諧至100、150、200和250Hz的帶通濾波器1312-1315提供的較高的頻帶。配備諸如直徑約為五英寸或更大的低音揚(yáng)聲器的稍微大一些的低音揚(yáng)聲器的揚(yáng)聲器系統(tǒng)的用戶通常選擇由分別被調(diào)諧至60、100、150和200Hz的帶通濾波器1560和1312-1314提供的較低的頻帶。本專業(yè)技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到，可配備更多的開(kāi)關(guān)，從而允許選擇更多的帶通濾波器和更多的頻帶。選擇不同的帶通濾波器以提供不同的頻帶是一種合乎需要的技術(shù)，因?yàn)閹V波器便宜并且因?yàn)椴煌膸V波器可使用一個(gè)單擲開(kāi)關(guān)來(lái)選擇。
I.低音增強(qiáng)擴(kuò)展器圖16A是一個(gè)音響系統(tǒng)的框圖，其中聲音增強(qiáng)功能由低音增強(qiáng)單元1604提供。低音增強(qiáng)單元1604接收來(lái)自信號(hào)源1602的音頻信號(hào)。信號(hào)源1602可以是任何信號(hào)源，包括圖1所示的信號(hào)源102，或圖5所示的聲卡510。低音增強(qiáng)單元1604執(zhí)行信號(hào)處理以修正接收的音頻信號(hào)，從而產(chǎn)生音頻輸出信號(hào)。音頻輸出信號(hào)可提供到揚(yáng)聲器、放大器或其它信號(hào)處理設(shè)備。
圖16B是具有第一輸入1609、第二輸入1611、第一輸出1617和第二輸出1619的雙通道低音增強(qiáng)單元1644的布局結(jié)構(gòu)框圖。第一輸入1609和第一輸出1617對(duì)應(yīng)于第一通道。第二輸入1611和第二輸出1619對(duì)應(yīng)于第二通道。第一輸入1609提供到組合器1610的第一輸入端和信號(hào)處理塊1613的輸入端。信號(hào)處理塊1613的輸出提供到組合器1614的第一輸入端。第二輸入1611提供到組合器1610的第二輸入端和信號(hào)處理塊1615的輸入端。信號(hào)處理塊1615的輸出提供到組合器1616的第一輸入端。組合器1610的輸出提供到信號(hào)處理塊1612的輸入端。信號(hào)處理塊1612的輸出提供到組合器1614的第二輸入端和組合器1616的第二輸入端。組合器1614的輸出提供到第一輸出端1617。第二組合器1616的輸出提供到第二輸出端1619。
來(lái)自第一和第二輸入端1609和1611的信號(hào)由信號(hào)處理塊1612組合并處理。信號(hào)處理塊1612的輸出是一個(gè)信號(hào)，當(dāng)分別與信號(hào)處理塊1613和1615的輸出組合時(shí)，將產(chǎn)生低音增強(qiáng)的輸出1617和1619。
圖16C是雙通道低音增強(qiáng)單元1604的另一個(gè)布局結(jié)構(gòu)的框圖。在圖16C中，第一輸入1609提供到信號(hào)處理塊1621的輸入端和信號(hào)處理塊1622的輸入端。信號(hào)處理塊1621的輸出提供到組合器1625的第一輸入端，并且信號(hào)處理塊1622的輸出提供到組合器1625的第二輸入端。第二輸入1611提供到信號(hào)處理決1623的輸入端和信號(hào)處理塊1624的輸入端。信號(hào)處理塊1623的輸出提供到組合器1626的第一輸入端并且信號(hào)處理塊1624的輸出提供到組合器1626的第二輸入端。組合器1625的輸出提供到第一輸出端1617并且第二組合器1626的輸出提供到第二輸出端1619。
與圖16B所示的布局結(jié)構(gòu)不同，圖16C所示的布局結(jié)構(gòu)沒(méi)有組合兩個(gè)輸入信號(hào)1609和1611，而是兩個(gè)通道保持獨(dú)立，并且在每個(gè)通道上執(zhí)行低音增強(qiáng)處理。
圖17是圖16A所示低音增強(qiáng)系統(tǒng)1604的一個(gè)實(shí)施例的框圖1700。低音增強(qiáng)系統(tǒng)1700使用低音加力單元1720產(chǎn)生與時(shí)間有關(guān)的增強(qiáng)因數(shù)。圖17也可用作描述一個(gè)程序的流程圖，該程序在執(zhí)行本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的信號(hào)處理操作的DSP或其它處理器上運(yùn)行。圖17示出了兩個(gè)輸入，一個(gè)左通道輸入1702和一個(gè)右通道輸入1704。與前面實(shí)施例的情況相同，左與右只是為了便于說(shuō)明而不是作為本發(fā)明的限制。輸入1702和1704均提供到加法器1706，加法器1706產(chǎn)生作為兩個(gè)輸入的組合的輸出。
加法器1706的輸出提供到第一帶通濾波器1712、第二帶通濾波器1713、第三帶通濾波器1714、第四帶通濾波器1715和第五帶通濾波器1711。帶通濾波器1715的輸出提供到單刀雙擲(SPDT)開(kāi)關(guān)1716的第一擲端。帶通濾波器1711的輸出提供到SPDT開(kāi)關(guān)1716的第二擲端。開(kāi)關(guān)1716的刀桿提供到了加法器1718的輸入端。每個(gè)帶通濾波器1712-1714的輸出提供到加法器1718的相應(yīng)輸入端。
加法器1718的輸出提供到低音加力單元1720的輸入端。低音加力單元1720的輸出提供到單刀雙擲(SPDT)開(kāi)關(guān)1722的第一擲端。SPDT開(kāi)關(guān)1722的第二擲端接地。SPDT開(kāi)關(guān)1722的該擲端連接左通道加法器1724的第一輸入端和右通道加法器1732的第一輸入端。左通道輸入1702提供到左通道加法器1724的第二輸入端，并且右通道輸入1704提供到右通道加法器1732的第二輸入端。左通道加法器1724和右通道加法器1732的輸出端分別提供到信號(hào)處理塊1700的左通道輸出端1730和右通道輸出端1733。開(kāi)關(guān)1722和1716是任選的，并且可由固定的連接來(lái)代替。
濾波器1711-1715和組合器1718提供的濾波操作可被組合到圖17所示的復(fù)合濾波器1707中。例如，在另一個(gè)可選實(shí)施例中，濾波器1711-1715被組合成為一個(gè)單個(gè)帶通濾波器，它具有從約40Hz延伸到250Hz的通帶。為了處理低音頻率，復(fù)合濾波器1707的通帶最好在下限是從約20Hz到100Hz，且在上限是約從150到350Hz。復(fù)合濾波器1707也可具有其它濾波器傳遞函數(shù)，例如包括高通濾波器、屏蔽濾波器(shelving filter)等。復(fù)合濾波器還可配置用于以類似于圖形均衡器的方式操作，并且在其通帶內(nèi)相對(duì)于通帶內(nèi)的其它頻率而衰減一些頻率。
如圖所示，圖17大體對(duì)應(yīng)于圖16B所示的布局結(jié)構(gòu)，其中信號(hào)處理塊1613和1615具有為一的傳遞函數(shù)并且信號(hào)處理塊1612包括復(fù)合濾波器1707和低音加力單元1720。但是，圖17所示的信號(hào)處理單元并不限于圖16B所示的布局結(jié)構(gòu)。圖17的元件也還用于圖16C所示的布局結(jié)構(gòu)中，在圖16C中，信號(hào)處理塊1621和1623具有為一的傳遞函數(shù)，并且信號(hào)處理塊1622和1624包括復(fù)合濾波器1707和低音加力單元1720。雖然在圖17中沒(méi)有未出，但信號(hào)處理塊1613、1615、1621和1623可提供其它信號(hào)處理，如，用于消除低音頻率的高通濾波，用于消除由低音加力單元1702處理的頻率的高通濾波，用于增強(qiáng)高頻聲音的高頻加重，用于補(bǔ)充低音加力電路的附加中低音頻率處理。也可以考慮其它的組合。
圖18是表示帶通濾波器1711-1715的傳遞函數(shù)的一般波形的頻域圖。圖18表示分別對(duì)應(yīng)于帶通濾波器1711-1715的帶通傳遞函數(shù)1801-1805。傳遞函數(shù)1801-1805被表示為分別以50、100、150、200和250Hz為中心的帶通函數(shù)。
在一個(gè)實(shí)施例中，帶通濾波器1711被調(diào)諧至低于100Hz的頻率，如50Hz。當(dāng)開(kāi)關(guān)1716位于對(duì)應(yīng)于第一擲端的第一位置時(shí)，它選擇帶通濾波器1711并且不選擇帶通濾波器1715，從而使帶通濾波器處于頻率50、100、150和200Hz。當(dāng)開(kāi)關(guān)1716位于對(duì)應(yīng)于第二擲端的第二位置時(shí)，它不選擇帶通濾波器1711而是選擇帶通濾波器1715，從而使帶通濾波器處于100、150、200和250Hz。
因此，開(kāi)關(guān)1716根據(jù)需要允許用戶選擇要加強(qiáng)的頻帶。配備諸如直徑三到四英寸的低音揚(yáng)聲器的小型低音揚(yáng)聲器的揚(yáng)聲器系統(tǒng)的用戶通常將選擇由分別被調(diào)諧至100、150、200和250Hz的帶通濾波器1712-1715提供的較高的頻帶。配備諸如直徑約為五英寸或更大的音揚(yáng)聲器的稍微大一些的低音揚(yáng)聲器的揚(yáng)聲器系統(tǒng)的用戶通常選擇由分別被調(diào)諧至50、100、150和200Hz的帶通濾波器1711-1714提供的較低的頻帶。本專業(yè)技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到，可配備更多的開(kāi)關(guān)，從而允許選擇更多的帶通濾波器和更多的頻帶。選擇不同的帶通濾波器以提供不同的頻帶是一種合乎需要的技術(shù)，因?yàn)閹V波器便宜并且因?yàn)椴煌膸V波器可使用一個(gè)單擲開(kāi)關(guān)來(lái)選擇。
在一個(gè)實(shí)施例中，低音加力單元1720使用一種自動(dòng)增益控制(AGC)，它包括具有內(nèi)部伺服反饋環(huán)路的線性放大器。該伺服環(huán)路自動(dòng)調(diào)節(jié)輸出信號(hào)的平均振幅以匹配控制輸入端上的信號(hào)的乎均振幅。控制輸入的平均振幅通常通過(guò)檢測(cè)控制信號(hào)的包絡(luò)來(lái)得到?？刂菩盘?hào)還可通過(guò)其它方法獲得，包括低通濾波，帶通濾波，峰值檢測(cè)，RMS平均，平均值平均等。
通過(guò)響應(yīng)提供到低音加力單元1720輸入端的信號(hào)的包絡(luò)的振幅增加，該伺服環(huán)路增加低音加力單元1720的前向增益。反之，通過(guò)響應(yīng)提供到低音加力單元1720輸入端的信號(hào)的包絡(luò)的振幅減小，該伺服環(huán)路增加低音加力單元1720的前向增益。在一個(gè)實(shí)施例中，低音加力單元1720的增益增加比增益減少要快。圖19是表示響應(yīng)單位步驟輸入的低音加力單元1720的增益的時(shí)域曲線圖。本專業(yè)技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到，圖19是作為時(shí)間函數(shù)的增益曲線圖，而不是作為時(shí)間函數(shù)的輸出信號(hào)。大多數(shù)放大器具有固定的增益，所以很少描繪增益。但是，在低音加力單元1720中的自動(dòng)增益控制(AGC)通過(guò)響應(yīng)輸入信號(hào)的包絡(luò)改變低音加力單元1720的增益。
單位步驟輸入描繪為曲線1909，而增益描繪為曲線1902。通過(guò)響應(yīng)輸入脈沖1909的前沿，增益在對(duì)應(yīng)于增高時(shí)間常數(shù)的周期1904期間增加。在時(shí)間周期1904的結(jié)尾，增益1902達(dá)到穩(wěn)態(tài)增益A0。通過(guò)響應(yīng)輸入脈沖1909的后沿，增益在對(duì)應(yīng)于衰減時(shí)間常數(shù)1906的周期1906期間降至零。
增高時(shí)間常數(shù)1904和衰減時(shí)間常數(shù)1906根據(jù)需要進(jìn)行選擇以在不過(guò)激勵(lì)系統(tǒng)的其它元件如放大器和揚(yáng)聲器的情況下提供低頻增強(qiáng)。圖20是由諸如低音吉他、低音鼓、合成器等樂(lè)器發(fā)出的典型低音的時(shí)域曲線圖2000。曲線圖2000示出了由具有調(diào)制包絡(luò)2042的較低頻部分調(diào)幅的較高頻部分2004。包絡(luò)2042具有增高部分2046，之后是衰減部分2047，之后是持續(xù)部分2048，最后是釋放部分2049。曲線圖2000的最大振幅是峰值2050，它出現(xiàn)在增高部分2046和衰減部分2047間的時(shí)間上。
如上所述，波形2044盡管不是大多數(shù)但也是許多樂(lè)器的典型波形。例如，在被拉動(dòng)并放開(kāi)時(shí)，吉它弦最初將進(jìn)行一些大的振幅振動(dòng)，并在隨后落下來(lái)是一些穩(wěn)態(tài)振動(dòng)，它會(huì)慢慢衰減一個(gè)長(zhǎng)周期。吉它弦最初的大偏移振動(dòng)對(duì)應(yīng)于增高部分2046和衰減部分2047。緩慢衰減振動(dòng)對(duì)應(yīng)于持續(xù)部分2048和釋放部分2049。當(dāng)被連接鋼琴鍵的音錘敲擊時(shí)，琴弦也以類似的方式作用。
鋼琴弦可具有從持續(xù)部分2048到釋放部分2049的更明顯的轉(zhuǎn)換，這是因?yàn)橐翦N不會(huì)返回到琴弦上，直到放開(kāi)琴鍵為止。盡管琴鍵被按下，但在持續(xù)周期2048期間，琴弦在較小衰減的情況下自由振動(dòng)。當(dāng)放開(kāi)琴鍵時(shí)，感覺(jué)被包住的音錘落在了琴鍵上，并且在釋放部分2049期間快速減小琴弦的振動(dòng)。
類似地，當(dāng)被敲擊時(shí)，鼓面將產(chǎn)生對(duì)應(yīng)于增高部分2046和衰減部分2047的最初的一組大偏移振動(dòng)。在大偏移振動(dòng)逐漸減小后(對(duì)應(yīng)于衰減部分2017的結(jié)尾)，鼓面將繼續(xù)振動(dòng)一個(gè)時(shí)間周期，該時(shí)間周期對(duì)應(yīng)于持續(xù)部分2048和釋放部分2049。許多樂(lè)器聲僅僅是通過(guò)控制周期2046-2049的長(zhǎng)度來(lái)產(chǎn)生的。
正如結(jié)合圖4C所述的，較高頻信號(hào)的振幅由較低頻音(包絡(luò))調(diào)制，因此，較高頻信號(hào)的振幅隨著較低頻音而變化。耳朵的非線性將部分地解調(diào)信號(hào)，這樣耳朵將檢測(cè)到較高頻信號(hào)的低頻包絡(luò)，因此，盡管在較低頻率時(shí)沒(méi)有產(chǎn)生實(shí)際的聲能，但仍然可以產(chǎn)生低頻音的感覺(jué)。檢測(cè)器效應(yīng)可通過(guò)中低頻帶中的信號(hào)的適當(dāng)?shù)男盘?hào)處理得到加強(qiáng)，該中低頻帶通常在頻帶下限為50-150Hz且頻帶上限為200-500Hz之間。通過(guò)利用適當(dāng)?shù)男盘?hào)處理，可以設(shè)計(jì)一種聲音增強(qiáng)系統(tǒng)，即使在使用不能再現(xiàn)低頻聲能的揚(yáng)聲器時(shí)，該系統(tǒng)也能產(chǎn)生這種聲能的感覺(jué)。
揚(yáng)聲器產(chǎn)生的聲能中存在的實(shí)際頻率的感覺(jué)被認(rèn)為是初級(jí)效應(yīng)。實(shí)際聲頻中不存在的附加諧波的感覺(jué)，不管這種諧波是由互調(diào)失真或是檢測(cè)效應(yīng)產(chǎn)生，都被認(rèn)為是次級(jí)效應(yīng)。
但是，如果峰值2050的幅度太大，則揚(yáng)聲器(以及可能的功率放大器)將被過(guò)激勵(lì)。過(guò)激勵(lì)揚(yáng)聲器將會(huì)引起很大的失真并且可能會(huì)損害揚(yáng)聲器。
低音加力單元1720根據(jù)需要在中低音頻率區(qū)域提供增強(qiáng)的低音，同時(shí)降低峰值2050的過(guò)激勵(lì)效應(yīng)。低音加力單元1720提供的增高時(shí)間常數(shù)1904限制經(jīng)過(guò)低音加力單元1720的增益的上升時(shí)間。低音加力單元1720的增高時(shí)間常數(shù)對(duì)具有長(zhǎng)增高周期2046(緩慢包絡(luò)上升時(shí)間)的波形具有較小的影響，并且對(duì)具有短增高周期2046(快速包絡(luò)上升時(shí)間)的波形具有較大的影響。
圖21A表示與具有長(zhǎng)增高周期2046的輸入波形的包絡(luò)2104相關(guān)的低音加力單元1720的增益的時(shí)域曲線圖。本專業(yè)技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到，在圖21A中描繪的僅是輸入波形的包絡(luò)2104，并沒(méi)有實(shí)際的波形(實(shí)際波形與其包絡(luò)之間的關(guān)系已結(jié)合圖4C和20進(jìn)行了討論)。具有包絡(luò)2104的輸入波形提供到低音加力單元1720并且低音加力單元1720產(chǎn)生具有包絡(luò)2106的輸出波形。舉例來(lái)說(shuō)，圖21C是低音加力單元1720的增益的時(shí)域曲線圖。圖21A的時(shí)間軸與圖21C的時(shí)間軸對(duì)齊，以進(jìn)一步顯示出包絡(luò)2104的增高周期比低音加力單元1720的增高時(shí)間要長(zhǎng)。
因?yàn)橛稍龈邥r(shí)間控制的低音加力單元1720的增益增加可以“跟得上”輸入包絡(luò)2104的增高部分，所以低音加力單元1720對(duì)包絡(luò)2104的上升時(shí)間具有較小的整形作用，而是提供某種增益。因此，輸出包絡(luò)2106類似于輸入包絡(luò)2104但具有增加的增益。結(jié)果，對(duì)應(yīng)于輸出包絡(luò)2106的實(shí)際輸出信號(hào)類似于對(duì)應(yīng)于輸入包絡(luò)2104的實(shí)際輸入信號(hào)，但具有增加的增益。
圖21B表示具有短增高周期的輸入包絡(luò)2114的時(shí)域曲線圖。輸入包絡(luò)2114提供到低音加力單元1720并且低音加力單元1720產(chǎn)生輸出包絡(luò)2116。圖21C的時(shí)間軸與圖21A和21B的時(shí)間軸對(duì)齊，以進(jìn)一步表示出包絡(luò)2104的增高周期比低音加力單元1720的增高時(shí)間要短。
因?yàn)橛稍龈邥r(shí)間控制的低音加力單元1720的增益增加不能“跟得上”輸入包絡(luò)2114的增高部分，所以輸出包絡(luò)2116的上升時(shí)間類似于輸入波形2114的上升時(shí)間。因此，輸出波形2116的最大振幅類似于輸入包絡(luò)2114的最大振幅。由增高時(shí)間限制的輸出包絡(luò)2116根據(jù)需要不包括通過(guò)加力單元1720增加的增益，因?yàn)檩斎氩ㄐ蔚脑龈咧芷趯?duì)于低音加力單元1720來(lái)說(shuō)快得難以跟蹤。這樣就盡可能減小了由加力單元1720提供的增加的增益將會(huì)過(guò)激勵(lì)放大器或揚(yáng)聲器的可能性。但是，到輸入包絡(luò)2116到達(dá)近乎穩(wěn)態(tài)值的時(shí)間為止，在持續(xù)周期2048期間，加力單元1720的增益已經(jīng)“趕上了”輸入包絡(luò)，因此在持續(xù)周期期間，輸出包絡(luò)2116的振幅大于輸入包絡(luò)2114的振幅。
如圖21B所示，為了減少將會(huì)過(guò)激勵(lì)揚(yáng)聲器的過(guò)分放大輸入信號(hào)中的瞬態(tài)和脈沖的機(jī)會(huì)，低音加力單元1720的動(dòng)作在長(zhǎng)期增益中將提供較高的增益，同時(shí)根據(jù)需要在短期增益中將提供較低的增益。圖21B表示對(duì)應(yīng)于將會(huì)過(guò)激勵(lì)揚(yáng)聲器(和/或功率放大器)的振幅的振幅線2118。輸入包絡(luò)2114的峰值振幅類似于線2118，這是因?yàn)樵谠龈邥r(shí)間周期期間，低音加力單元1720的增益還沒(méi)有達(dá)到其最大值。
圖21D示出了低音增強(qiáng)電路1700的振幅響應(yīng)的頻域曲線圖。濾波器1711-1715提供的頻率選擇把低音加力單元1720的動(dòng)作限制在了主要由下限頻率fL和上限頻率fH限定的加力頻率范圍內(nèi)。fL之下的頻率區(qū)域是滾降區(qū)。在滾降區(qū)中，低音增強(qiáng)電路1700提供一個(gè)接近一的傳遞函數(shù)。這被稱作滾降區(qū)是因?yàn)榈湫偷男⌒蛽P(yáng)聲器在這個(gè)區(qū)域中幾乎不產(chǎn)生聲輸出。上限頻率fH之上的區(qū)域是通帶區(qū)，在該區(qū)域中，低音增強(qiáng)電路提供一個(gè)接近一的傳遞函數(shù)。
在加力區(qū)中，低音增強(qiáng)電路1700提供歸因于低音加力電路1720的與時(shí)間有關(guān)的增益的與時(shí)間有關(guān)的增益。圖21D表示了對(duì)應(yīng)于具有不同包絡(luò)上升時(shí)間的輸入信號(hào)的加力頻帶中的一族增益曲線。對(duì)于具有較快包絡(luò)上升時(shí)間的輸入信號(hào)來(lái)說(shuō)，加力頻帶中的低音增強(qiáng)電路1700的增益小于具有較慢變化(近似為穩(wěn)態(tài))包絡(luò)的信號(hào)的增益。
圖22是表示低音增強(qiáng)電路1700的一個(gè)實(shí)施例的電路示意圖。輸入1702和1704提供到加法器1706的第一和第二端。隔直流電容器可與輸入端1702和1704串聯(lián)在一起以在低音增強(qiáng)電路1700的輸入端提供隔直流。
加法器1706的第一端對(duì)應(yīng)于電阻器2202的第一端，并且加法器1706的第二端對(duì)應(yīng)于電阻器2204的第一端。電阻器2202的第二端和電阻器2204的第二端連接運(yùn)放2208的倒相輸入端。運(yùn)放2208的非倒相輸入端接地。該運(yùn)放的輸出提供到反饋電阻器2206的第一端。反饋電阻器2206的第二端連接運(yùn)放2208的倒相輸入端。運(yùn)放2206的輸出對(duì)應(yīng)于加法器1706的輸出。
在一個(gè)實(shí)施例中，隔直流電容器是4.7μF的電容器，并且電阻器2202、2204和2206是100KΩ的電阻器。
濾波器1711-1715使用圖9所示的布局結(jié)構(gòu)，使用TexasInstruments Inc.公司生產(chǎn)的TL074運(yùn)放，并且表3給出了電阻器元件的值。
表3濾波器 中心頻率R1R2 R3(Hz) KΩ KΩ KΩ1711 50 53.6.0 7.5105.01712 100 31.64.53 63.41713 150 21.03.09 42.461714 200 15.82.26 31.61715 250 12.71.82 25.5帶通濾波器1711的輸出提供到電阻器2210的第一端。帶通濾波器1715的輸出提供到電阻器2211的第一端。電阻器2210的第二端連接到SPDT開(kāi)關(guān)1716的第一擲端，并且電阻器2211的第二端連接開(kāi)關(guān)1716的第二擲端。SPDT開(kāi)關(guān)1716的刀桿提供給加法器1718的第一端。加法器1718的第一端連接運(yùn)放2220的倒相輸入端。
帶通濾波器1712-1714的輸出分別提供到加法器1718的第二、第三和第四輸入端。加法器1718的第一輸入端對(duì)應(yīng)于電阻器2210的第一端。加法器1718的第二輸入端對(duì)應(yīng)于電阻器2212的第一端。加法器1718的第三輸入端對(duì)應(yīng)于電阻器2214的第一端。加法器1718的第四輸入端對(duì)應(yīng)于電阻器2216的第一端。每個(gè)電阻器2210、2212、2214和2216的第二端均連接運(yùn)放2220的倒相輸入端。運(yùn)放2220的輸出提供到反饋電阻器2218的第一端。反饋電阻器2218的第二端連接運(yùn)放2220的倒相輸入端。運(yùn)放2220的非倒相輸入端接地。運(yùn)放2220的輸出對(duì)應(yīng)于加法器1718的輸出。加法器1718還可使用諸如數(shù)字信號(hào)處理器、晶體管等來(lái)實(shí)施。帶通濾波器1711-1715和加法器1718也可通過(guò)向?yàn)V波器(例如帶通波器)提供類似于對(duì)帶通濾波器1711-1715的響應(yīng)求和而實(shí)現(xiàn)的傳遞函數(shù)的傳遞函數(shù)進(jìn)行組合。
在一個(gè)實(shí)施例中，電阻器2211、2212、2213和2214是100KΩ的電阻器，并且電阻器2210是69.8KΩ的電阻器。運(yùn)放2220是TL074并且反饋電阻器2218是13.0KΩ的電阻器。本專業(yè)技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到，加法器1718提供加權(quán)求和，其中濾波器1712-1715的輸出均具有約0.13的加權(quán)，并且濾波器1711的輸出具有約0.186的加權(quán)。來(lái)自濾波器1711的具有50Hz中心頻率的頻率以較小的振幅提供，以避免以大低頻信號(hào)過(guò)激勵(lì)小型揚(yáng)聲器。其它加權(quán)函數(shù)也可以使用，例如包括非均勻加權(quán)函數(shù)、均勻加權(quán)函數(shù)等。加權(quán)函數(shù)也可通過(guò)使用與加法器組合的具有加權(quán)傳遞函數(shù)的帶通或其它濾波器來(lái)實(shí)現(xiàn)。
SPDT開(kāi)關(guān)1722的刀桿提供給左通道加法器1724的第一輸入端和右通道加法器1732的第一輸入端。左通道加法器的第一輸入對(duì)應(yīng)于電阻器2230的第一端。左通道加法器的第二輸入對(duì)應(yīng)于電阻器2232的第一端。電阻器2230的第二端和電阻器2232的第二端連接運(yùn)放2236的倒相輸入端。運(yùn)放2236的非倒相輸入端接地。運(yùn)放2236的輸出提供到電容器2238的第一端、電容器2240的第一端和反饋電阻器2234的第一端。反饋電阻器2234的第二端連接運(yùn)放2236的倒相輸入端。電容器2238的第二端和電容器2240的第二端連接輸出電阻器2242的第一端。該輸出電阻器的第一端連接左通道輸入端1730。輸出電阻器2242的第二端接地。
左通道加法器的第一輸入對(duì)應(yīng)于電阻器2250的第一端。右通道加法器的第二輸入對(duì)應(yīng)于電阻器2252的第一端。電阻器2250的第二端和電阻器2252的第二端連接運(yùn)放2256的倒相輸入端。運(yùn)放2256的非倒相輸入端接地。運(yùn)放2256的輸出提供到電容器2258的第一端、電容器2260的第一端和反饋電阻器2254的第一端。反饋電阻器2254的第二端連接運(yùn)放2256的倒相輸入端。電容器2258的第二端和電容器2260的第二端連接輸出電阻器2262的第一端。輸出電阻器2262的第一端連接右通道輸出端1733。輸出電阻器2262的第二端接地。
在一個(gè)實(shí)施例中，電阻器2232、2234、2252和2254是100KΩ的電阻器，電阻器2230和2250是33.2KΩ的電阻器，并且電阻器2242和2262是10KΩ的電阻器。電容器2238和2258是4.7μF的電容器并且電容器2240和2260是0.01μF的電容器。運(yùn)放2236和2256是TL074。本專業(yè)技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到，加法器1724和1732均產(chǎn)生加權(quán)和，其中每個(gè)加法器的第一輸入(由低音加力單元1720提供的輸入)具有約3.01的加權(quán)，并且每個(gè)加法器的第二輸入具有約1.0的加權(quán)。
低音加力單元1720的一個(gè)實(shí)施例的框圖在圖23中示出以作為框圖2300，并且相應(yīng)的電路圖在圖24中示出。在圖23中，輸入2303提供到固定增益放大器2306的第一輸入端、可變?cè)鲆娣糯笃?305的第一輸入端和電位計(jì)2308的第一固定端。電位計(jì)2308的第二固定端接地，并且電位計(jì)2308的滑動(dòng)刷連接包絡(luò)檢測(cè)器2312的輸入端。包絡(luò)檢測(cè)器2312的輸出提供到增高/衰減緩沖器2310。增高/衰減緩沖器2310的輸出提供到增益控制放大器2305的增益控制輸入端。固定增益放大器2306的輸出提供到輸出加法器2307的第一輸入端，并且可變?cè)鲆娣糯笃?305的輸出提供到輸出加法器2307的第二輸入端。輸出加法器2307的輸出提供到低音加力輸出2304。
固定增益放大器2306向輸出加法器2307提供單位增益前饋路徑。因此，即使增益控制2308的增益是零，前饋路徑也將向低音加力電路2300提供1.0的最小增益。電位計(jì)2308作為分壓器連接以選擇輸入信號(hào)的一部分。所選部分提供到包絡(luò)檢測(cè)器2312。包絡(luò)檢測(cè)器2312的輸出是接近輸入信號(hào)的包絡(luò)的信號(hào)。包絡(luò)信號(hào)提供到增高/衰減緩沖器。當(dāng)包絡(luò)信號(hào)具有正斜率(前沿)時(shí)，增高/衰減緩沖器提供一個(gè)信號(hào)以便以增高時(shí)間常數(shù)所給出的速率增加增益控制放大器的增益。當(dāng)包絡(luò)信號(hào)具有負(fù)斜率(后沿)時(shí)，增高/衰減緩沖器提供一個(gè)信號(hào)以便以衰減時(shí)間常數(shù)所給出的速率降低增益控制放大器的增益。
圖23所示的低音加力單元2300是一個(gè)擴(kuò)展器，這是因?yàn)閱卧?300的增益以及由此的輸出電平是由輸入信號(hào)控制的。隨著輸入信號(hào)平均振幅的增加，增益也增加，反之，隨著平均輸入信號(hào)電平的下降，增益也下降。輸入信號(hào)的最大擴(kuò)展在電位計(jì)2308被定位以使輸入信號(hào)全部被選并被提供到包絡(luò)檢測(cè)器2312時(shí)產(chǎn)生。當(dāng)電位計(jì)被定位使得沒(méi)有輸入信號(hào)被選時(shí)(即，至包絡(luò)檢測(cè)器2312的輸入端接地)，最小擴(kuò)展發(fā)生，并且增益降至一。增加擴(kuò)展量將增加低音的感覺(jué)，但也將增加過(guò)激勵(lì)揚(yáng)聲器的機(jī)會(huì)。電位計(jì)2308根據(jù)需要被定位以便使提供的輸入信號(hào)擴(kuò)展足以增強(qiáng)低音的感覺(jué)，同時(shí)不會(huì)過(guò)度增加過(guò)激勵(lì)揚(yáng)聲器的機(jī)會(huì)。
圖24是表示低音加力單元2300的一個(gè)實(shí)施例的電路圖。在圖24中，輸入2303提供到電容器2442的第一端和電位計(jì)2308的第一固定端。電位計(jì)2308的第二固定端接地，并且電位計(jì)2308的滑動(dòng)刷提供到電容器2406的第一端。電容器2406的第二端連接電阻器2408的第一端，并且電阻器2408的第二端連接增益控制電路2449的包絡(luò)檢測(cè)器的輸入端(引腳3)。在一個(gè)實(shí)施例中，增益控制電路2449是結(jié)合圖14和表2討論的NE572。增高定時(shí)電容器2443的第一端連接增益控制電路2449的增高控制輸入端(引腳4)，并且增高定時(shí)電容器2443的第二端接地。衰減定時(shí)電容器2444的第一端連接到增益控制電路2449的衰減控制輸入端(引腳2)，并且衰減定時(shí)電容器2444的第二端接地。
電容器2442的第二端提供到增益控制電路2449的Vin端(引腳7)和電阻器2410的第一端。電阻器2410的第二端連接增益控制電路2449的Vout端(引腳5)和運(yùn)放2447的倒相輸入端。運(yùn)放2447的非倒相輸入提供到接地電容器2446的一端、運(yùn)放2452的非倒相輸入端和電阻器2445的第一端。電阻器2445的第二端連接增益控制電路2449的THD端(引腳6)。
運(yùn)放2447的輸出提供到輸出端2304和反饋電阻器2449的第一端。反饋電阻器2449的第二端連接運(yùn)放2447的倒相輸入端。
運(yùn)放2452的倒相輸入提供到接地電容器2453的一端和反饋電阻器2451的第一端。反饋電阻器2451的第二端連接運(yùn)放2452的輸出端和電阻器2450的第一端。電阻器2450的第二端連接運(yùn)放2447的倒相輸入端。
在一個(gè)實(shí)施例中，電位計(jì)2308是1.0KΩ的線性電位計(jì)。電容器2442、2406和2446是2.2μF的電容器。增高定時(shí)電容器是1.0μF的電容器并且衰減定時(shí)電容器2444是10μF的電容器。電阻器2408是3.1KΩ的電阻器，并且電阻器2445是1.0KΩ的電阻器。電阻器2453和2451是10KΩ的電阻器，并且電阻器2410、2449和2450是17.4KΩ的電阻器。
增益控制電路2449包括包絡(luò)檢測(cè)器2461、增高/衰減緩沖器2462和增益元件2463。如圖23的框圖所示，包絡(luò)檢測(cè)器2461的輸出提供到增高/衰減緩沖器2462，并且增高/衰減緩沖器2462的輸出控制增益元件2463。增高和衰減時(shí)間常數(shù)由阻容(RC)網(wǎng)絡(luò)控制。增高/衰減緩沖器2462為增高RC網(wǎng)絡(luò)提供內(nèi)部的10KΩ電阻器，并且為衰減RC網(wǎng)絡(luò)提供內(nèi)部的10KΩ電阻器。1.0μF的增高電容器2443產(chǎn)生約為40ms(毫秒)的增高時(shí)間常數(shù)。10μF的衰減電容器2444產(chǎn)生400ms的衰減時(shí)間常數(shù)。在另一個(gè)實(shí)施例中，增高時(shí)間常數(shù)范圍可從5ms到400ms，且衰減時(shí)間常數(shù)范圍可從100ms到1000ms。
增益元件2463類似于一個(gè)可變電阻器并且結(jié)合運(yùn)放2447的反饋電路使用，以改變運(yùn)放2447的增益。運(yùn)放2452提供一個(gè)DV偏壓。單位增益前饋路徑由電阻器2410提供。
通過(guò)增強(qiáng)一些低頻聲音的諧波并且通過(guò)增強(qiáng)其它低頻聲音的基波，低音加力單元1720還用于修正和增強(qiáng)音頻波形。通過(guò)增強(qiáng)一些低頻聲音的諧波，低音加力單元1720利用人耳處理低頻聲音的泛音及和音的方式來(lái)產(chǎn)生低頻聲音正在從揚(yáng)聲器發(fā)出的感覺(jué)。低音加力單元1720產(chǎn)生揚(yáng)聲器正在產(chǎn)生許多低頻聲音，甚至是由揚(yáng)聲器不良再現(xiàn)的低頻聲音的感覺(jué)。另外，低音加力單元1720的動(dòng)作在長(zhǎng)期增益中提供較高的增益，同時(shí)在短期的增益中提供較低的增益，目的是減少將會(huì)過(guò)激勵(lì)揚(yáng)聲器的過(guò)分放大輸入信號(hào)中的瞬態(tài)和脈沖的機(jī)會(huì)。通過(guò)響應(yīng)隨著時(shí)間的輸入信號(hào)的增加，低音加力單元1720的增益將隨著增高時(shí)間常數(shù)而增加。通過(guò)響應(yīng)隨著時(shí)間的輸入信號(hào)的減小，低音加力單元的增益隨著衰減時(shí)間常數(shù)而減小。增高時(shí)間常數(shù)和衰減時(shí)間常數(shù)的動(dòng)作可用于減小輸入信號(hào)短期增加的放大率，并因此減少過(guò)激勵(lì)揚(yáng)聲器的機(jī)會(huì)。
II。具有峰值壓縮的低音加力如圖20和21B所示，低音樂(lè)器(如低音吉他)發(fā)出的音的增高部分常常開(kāi)始于較高振幅的初始脈沖。在某些情況下，這個(gè)峰值可能會(huì)過(guò)激勵(lì)放大器或揚(yáng)聲器，從而產(chǎn)生失真的聲音并且可能會(huì)損害揚(yáng)聲器或放大器。低音增強(qiáng)處理器提供低音信號(hào)的峰值整平，同時(shí)增加低音信號(hào)的能量，從而增加低音的整體感覺(jué)。
信號(hào)能量是信號(hào)振幅和信號(hào)持續(xù)時(shí)間的函數(shù)。換句話說(shuō)，該能量正比于信號(hào)包絡(luò)下面的面積。盡管低音的初始脈沖可能具有較大的振幅，但通常由于該脈沖持續(xù)時(shí)間短而幾乎不包含什么能量。因此，沒(méi)有多少能量的初始脈沖常常不能對(duì)低音感覺(jué)起到明顯的作用。相應(yīng)地，通常不會(huì)明顯地影響低音感覺(jué)就可以減小該初始脈沖的振幅。
圖25是低音增強(qiáng)系統(tǒng)2500的信號(hào)處理框圖，它通過(guò)使用峰值壓縮器來(lái)控制脈沖如初始脈沖、低音的振幅，從而提供低音增強(qiáng)。在系統(tǒng)2500中，峰值壓縮器2502置于組合器1718和加力單元1720之間。組合器1718的輸出提供到峰值壓縮器2502的輸入端，并且峰值壓縮器2502的輸出提供到低音加力單元1720的輸入端。
對(duì)上述相關(guān)的圖17到圖16B和16C的評(píng)述也應(yīng)用到了圖25所示的布局結(jié)構(gòu)中。舉例來(lái)說(shuō)，圖25大體對(duì)應(yīng)于圖16B所示的布局結(jié)構(gòu)，其中信號(hào)處理塊1613和1615具有為一的傳遞函數(shù)并且信號(hào)處理塊1612包括復(fù)合濾波器1707、峰值壓縮器2502和低音加力單元1720。但是，圖25所示的信號(hào)處理并不限于圖16B所示的布局結(jié)構(gòu)。圖25的元件也可用于圖16C所示的布局結(jié)構(gòu)中。盡管在圖25中未示出，但信號(hào)處理塊1613、1615、1621和1623可提供其它信號(hào)處理，如用于消除低音頻的高通濾波，用于消除由低音加力單元1702和壓縮器2502處理的頻率的高通濾波，用于增強(qiáng)高頻聲音的高頻加重，用于補(bǔ)充低音加力電路1720和峰值壓縮器2502的附加的中低頻處理。其它的組合也可以考慮。
峰值壓縮單元2502“整平”在其輸入端提供的信號(hào)的包絡(luò)。對(duì)于具有大振幅的輸入信號(hào)來(lái)說(shuō)，壓縮單元2502的視在增益被降低。對(duì)于具有小振幅的輸入信號(hào)來(lái)說(shuō)，壓縮單元2502的視在增益被增加。因此，壓縮單元降低輸入信號(hào)的包絡(luò)的峰值(并且暫代輸入信號(hào)的包絡(luò)中的波谷)。無(wú)論在壓縮單元2502的輸入端提供什么信號(hào)，來(lái)自壓縮單元2502的輸出信號(hào)的包絡(luò)(例如平均振幅)都具有較均勻的振幅。
圖26是表示峰值壓縮器對(duì)振幅較大的初始脈沖的作用的時(shí)域曲線圖。圖26表示具有大初始振幅脈沖且之后是較長(zhǎng)周期的較低振幅信號(hào)的輸入包絡(luò)2614的時(shí)域曲線圖。輸出包絡(luò)2616表示低音加力單元1720對(duì)輸入包絡(luò)的作用(無(wú)峰值壓縮器2502)。輸出包絡(luò)2617表示使輸入信號(hào)2614經(jīng)過(guò)峰值壓縮器2502和加力單元1720這二者的效果。
如圖26所示，假定輸入信號(hào)2614的振幅足以過(guò)激勵(lì)揚(yáng)聲器或放大器，則低音加力單元并不限制輸入信號(hào)2614的最大振幅，因而輸出信號(hào)2616也足以過(guò)激勵(lì)放大器或揚(yáng)聲器。
然而，結(jié)合信號(hào)2617使用的脈沖壓縮單元2502壓縮大振幅脈沖(減小其振幅)。壓縮單元2502檢測(cè)輸入信號(hào)2614的大振幅偏移，并壓縮(減小)最大振幅，使得輸出信號(hào)2617不可能過(guò)激勵(lì)放大器或揚(yáng)聲器。
由于壓縮單元2502減小信號(hào)的最大振幅，因此，在不顯著減小輸出信號(hào)2617將過(guò)激勵(lì)放大器或揚(yáng)聲器的可能性的情況下，就可以增加由加力單元1720提供的增益。信號(hào)2617對(duì)應(yīng)于一個(gè)低音加力單元1720的增益已經(jīng)被增加的實(shí)施例。因此，在長(zhǎng)衰減部分期間，信號(hào)2617具有比曲線1616大的振幅。
如上所述，信號(hào)2614、2616和2617中的能量正比于用于表示每個(gè)信號(hào)的曲線之下的面積。信號(hào)2617具有更多的能量，這是因?yàn)?，即使它具有較小的最大振幅，表示信號(hào)2617的曲線之下的面積也比表示信號(hào)2614或2616的曲線之下的面積要大。由于信號(hào)2617包含更多的能量，所以聽(tīng)眾將感覺(jué)到信號(hào)2617中的更多低音。
因此，結(jié)合低音加力單元1720使用峰值壓縮器可以允許低音增強(qiáng)系統(tǒng)在低音信號(hào)中提供更多的能量，同時(shí)減少增強(qiáng)的低音信號(hào)將過(guò)激勵(lì)放大器或揚(yáng)聲器的可能性。
峰值壓縮器在本領(lǐng)域中是已知的。例如，上述討論的NE572的數(shù)據(jù)表公開(kāi)了一種壓縮電路(盡管是一種相當(dāng)復(fù)雜的電路)。
圖27是具有輸入2703和輸出2704的峰值壓縮電路2700的一個(gè)實(shí)施例的框圖。在輸出端2704的信號(hào)是在輸入端2703的信號(hào)的壓縮類型。在一個(gè)新穎的組合中，峰值壓縮器2700通過(guò)使用一個(gè)擴(kuò)展器提供壓縮。在壓縮器2700中使用的擴(kuò)展電路類似于用于低音加力電路2300的擴(kuò)展器。
在一個(gè)擴(kuò)展器中，如圖24所示的擴(kuò)展器中，總(即擴(kuò)展的)輸出信號(hào)是輸入信號(hào)加擴(kuò)展信號(hào)之和。隨著輸入信號(hào)振幅的增加，擴(kuò)展信號(hào)的振幅也增加，從而使輸出(兩信號(hào)之和)增加。相反，壓縮器2700的輸出信號(hào)是輸入信號(hào)減擴(kuò)展信號(hào)。由于輸入信號(hào)變大，所以擴(kuò)展信號(hào)也變大，但是兩個(gè)信號(hào)間的差值(壓縮器輸出)變小。這是壓縮器的性質(zhì)，由于輸入信號(hào)變大，所以壓縮器的視在增益減小。對(duì)于振幅較小的輸入信號(hào)來(lái)說(shuō)，壓縮器具有較大增益。但是，對(duì)于振幅較大的輸入信號(hào)來(lái)說(shuō)，壓縮器具有較小的增益。
在圖27中，輸入2703提供到倒相擴(kuò)展器2708的輸入端和電阻器2716的第一端。倒相擴(kuò)展器2708的輸出提供到電阻器2718的第一端。
電阻器2716的第二端和電阻器2718的第二端均連接運(yùn)放2720的倒相輸入端。反饋電阻器2722連接在運(yùn)放2720的倒相輸入端和運(yùn)放2720的輸出端之間。運(yùn)放2720的非倒相輸入端接地。運(yùn)放2720的輸出提供到輸出端2704。
倒相擴(kuò)展器2708是具有一個(gè)擴(kuò)展器輸入和一個(gè)與擴(kuò)展器輸入反相(負(fù))的擴(kuò)展器輸出的擴(kuò)展器。非倒相擴(kuò)展器也可通過(guò)使擴(kuò)展器輸入(或輸出)經(jīng)過(guò)倒相放大器來(lái)使用。增高和衰減時(shí)間常數(shù)最好類似于低音加力單元1720的增高和衰減時(shí)間常數(shù)。在一個(gè)實(shí)施例中，擴(kuò)展器2708包括圖24所示的擴(kuò)展器2300。
運(yùn)放2720的倒相輸入端實(shí)際上是一個(gè)求和結(jié)點(diǎn)，在該結(jié)點(diǎn)中，輸入信號(hào)(通過(guò)電阻器2716提供)被“加到”擴(kuò)展的信號(hào)(通過(guò)電阻器2718提供)上。在該求和結(jié)點(diǎn)出現(xiàn)相減是因?yàn)閿U(kuò)展器2708的輸出與擴(kuò)展器的輸入正負(fù)相反。因此，壓縮器2700的輸出是輸入信號(hào)的加權(quán)和(通過(guò)電阻器2716加權(quán))減去擴(kuò)展信號(hào)(通過(guò)電阻器2718加權(quán))。需要指出，將電阻器2716注為R1，電阻器2718注為R2，那么R1通常大于R2。
其它實(shí)施例盡管已經(jīng)描述了本發(fā)明的某些特定實(shí)施例，但這些實(shí)施例僅僅是以實(shí)例的形式示出，并不是要限制本發(fā)明的范圍。舉例來(lái)說(shuō)，本發(fā)明并不限于輸入通道被組合產(chǎn)生組合通道，接著被修正產(chǎn)生增強(qiáng)的低音的實(shí)施例。不必要求通道組合，并且增強(qiáng)信號(hào)處理也可在獨(dú)立的輸入通道上執(zhí)行。各種實(shí)施例使用雙二次和契比雪夫?yàn)V波器，但是，本發(fā)明并不限于這些濾波器調(diào)整。因此，其它的濾波器調(diào)整也可以使用。進(jìn)而，濾波處理也可通過(guò)使用低通和高通濾波器的組合取代所述的帶通濾波器來(lái)實(shí)現(xiàn)。相應(yīng)地，本發(fā)明的范圍和廣度應(yīng)當(dāng)只能由下面的權(quán)利要求以及它們的等效項(xiàng)來(lái)定義。
權(quán)利要求
1.一種音頻系統(tǒng)，用于處理包含要由左右揚(yáng)聲器再現(xiàn)的音頻信息的左右立體聲信號(hào)，所述左右揚(yáng)聲器再現(xiàn)中低音頻率和較高頻要比再現(xiàn)低頻更準(zhǔn)確，所述音頻系統(tǒng)配置用于增強(qiáng)由所述左右揚(yáng)聲器再現(xiàn)的低音信息，所述音頻系統(tǒng)包括左音頻信號(hào)和右音頻信號(hào)；第一電子加法器，它組合所述左右音頻信號(hào)以產(chǎn)生一個(gè)單信號(hào)，所述單信號(hào)具有一組低音頻率和一組中低音頻率；與所述第一電子加法器通信的第一濾波器，所述第一濾波器配置用于選擇所述中低音頻率；與所述第一濾波器通信的壓縮器，所述壓縮器配置用于控制所述中低音頻率的振幅；與所述壓縮器通信的低音加力單元，所述低音加力單元配置用于對(duì)所述中低音頻率整形以產(chǎn)生修正的單信號(hào)，所述修正的單信號(hào)配置用于在所述中低音頻率在左右揚(yáng)聲器上再現(xiàn)時(shí)增強(qiáng)所述系統(tǒng)的感覺(jué)到的低音；第二電子加法器，它組合所述修正的單信號(hào)與所述左音頻信號(hào)以產(chǎn)生修正的左輸出信號(hào)；和第三電子加法器，它組合所述修正的單信號(hào)與所述右音頻信號(hào)以產(chǎn)生修正的右輸出信號(hào)，其中所述修正的右輸出信號(hào)和所述修正的左輸出信號(hào)驅(qū)動(dòng)所述左和右揚(yáng)聲器。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的音頻增強(qiáng)系統(tǒng)，其中所述第一濾波器包括多個(gè)帶通濾波器。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的音頻增強(qiáng)系統(tǒng)，其中兩個(gè)或多個(gè)所述帶通濾波器的輸出被組合。
4.根據(jù)權(quán)利要求2的音頻增強(qiáng)系統(tǒng)，其中所述低音加力單元包括自動(dòng)增益控制。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的音頻增強(qiáng)系統(tǒng)，其中所述低音加力單元的增益響應(yīng)所述中低音頻率的包絡(luò)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5的音頻增強(qiáng)系統(tǒng)，其中所述低音加力單元通過(guò)響應(yīng)所述包絡(luò)修正所述中低音頻率。
7.一種用于增強(qiáng)音頻的設(shè)備，包括輸入信號(hào)；用于選擇所述輸入信號(hào)的所選部分的濾波器，所述所選部分具有一個(gè)包絡(luò)部分和一個(gè)調(diào)制部分；信號(hào)處理器，配置用于通過(guò)響應(yīng)所述包絡(luò)部分修正所述調(diào)制部分以產(chǎn)生修正的信號(hào)；和組合器，組合所述修正的信號(hào)和所述輸入信號(hào)以產(chǎn)生輸出信號(hào)。
8.一種用于增強(qiáng)音頻的設(shè)備，包括第一組合器，組合第一信號(hào)的至少一部分與第二信號(hào)的至少一部分以產(chǎn)生組合信號(hào)；第一信號(hào)處理器，配置用于選擇所述組合信號(hào)的一部分以產(chǎn)生選擇的信號(hào)；第二信號(hào)處理器，配置用于通過(guò)響應(yīng)所述選擇信號(hào)的包絡(luò)修正所述選擇信號(hào)以產(chǎn)生修正的信號(hào)；和第二組合器，組合所述修正的組合信號(hào)與所述第一信號(hào)以產(chǎn)生輸出信號(hào)。
9.根據(jù)權(quán)利要求8的設(shè)備，其中所述第二信號(hào)處理器包括自動(dòng)增益控制。
10.根據(jù)權(quán)利要求8的設(shè)備，其中所述第二信號(hào)處理器相對(duì)于第一頻帶中的頻率增強(qiáng)第二頻帶中的頻率。
11.根據(jù)權(quán)利要求8的設(shè)備，其中所述第一信號(hào)處理器包括多個(gè)濾波器。
12.根據(jù)權(quán)利要求8的設(shè)備，其中所述第一信號(hào)處理器包括多個(gè)帶通濾波器。
13.根據(jù)權(quán)利要求8的設(shè)備，其中所述第二信號(hào)處理器包括一個(gè)擴(kuò)展器，該擴(kuò)展器的增益以與增高時(shí)間常數(shù)有關(guān)的速率增加。
14.根據(jù)權(quán)利要求13的設(shè)備，其中所述增益以與衰減時(shí)間常數(shù)有關(guān)的速率減小。
15.根據(jù)權(quán)利要求14的設(shè)備，其中所述增高時(shí)間常數(shù)比所述衰減時(shí)間常數(shù)要長(zhǎng)。
16.根據(jù)權(quán)利要求14的設(shè)備，其中所述增高時(shí)間常數(shù)約為5-50毫秒。
17.根據(jù)權(quán)利要求8的設(shè)備，其中所述第二信號(hào)處理器包括擴(kuò)展器。
18.根據(jù)權(quán)利要求8的設(shè)備，其中所述第二信號(hào)處理器包括壓縮器。
19.根據(jù)權(quán)利要求18的設(shè)備，其中所述壓縮器包括擴(kuò)展器。
20.根據(jù)權(quán)利要求19的設(shè)備，其中所述壓縮器還包括一個(gè)組合器，所述組合器配置用于組合所述擴(kuò)展器的輸出和所述擴(kuò)展器的輸入以產(chǎn)生壓縮信號(hào)。
21.根據(jù)權(quán)利要求8的設(shè)備，其中所述第二信號(hào)處理器包括壓縮器和擴(kuò)展器。
22.根據(jù)權(quán)利要求8的設(shè)備，其中所述第一信號(hào)處理器包括一個(gè)開(kāi)關(guān)，所述開(kāi)關(guān)具有第一部分和第二部分，所述第一部分配置用于選擇所述組合信號(hào)的至少第一部分以產(chǎn)生所述選擇的信號(hào)，所述第二部分配置用于選擇所述組合信號(hào)的至少第二部分以產(chǎn)生所述選擇的信號(hào)。
23.根據(jù)權(quán)利要求8的設(shè)備，其中所述第一信號(hào)處理器包括一個(gè)開(kāi)關(guān)，所述開(kāi)關(guān)配置用于選擇一個(gè)或多個(gè)帶通濾波器的輸出以產(chǎn)生所述選擇信號(hào)的一部分。
24.一種用于增強(qiáng)音頻數(shù)據(jù)的設(shè)備，包括第一組合器模塊，用于組合第一音頻數(shù)據(jù)流的至少一部分和第二音頻數(shù)據(jù)流的至少一部分以產(chǎn)生組合數(shù)據(jù)流，該組合數(shù)據(jù)流具有第一組頻率和第二組頻率；第一處理模塊，配置用于處理所述組合數(shù)據(jù)流以產(chǎn)生第一處理數(shù)據(jù)流；低音處理模塊，配置用于修正所述第一處理數(shù)據(jù)流以產(chǎn)生低音增強(qiáng)的數(shù)據(jù)流；和第二組合器模塊，用于組合所述低音增強(qiáng)的數(shù)據(jù)流和所述第一音頻數(shù)據(jù)流以產(chǎn)生輸出數(shù)據(jù)流。
25.根據(jù)權(quán)利要求24的設(shè)備，還包括第二處理模塊，配置用于在組合所述第一音頻數(shù)據(jù)流和所述低音增強(qiáng)的數(shù)據(jù)流之前處理所述第一音頻數(shù)據(jù)流。
26.根據(jù)權(quán)利要求25的設(shè)備，其中所述第二處理模塊包括高通濾波器。
27.根據(jù)權(quán)利要求25的設(shè)備，其中所述第二處理模塊包括低通濾波器。
28.根據(jù)權(quán)利要求25的設(shè)備，其中所述第二處理模塊包括帶通濾波器。
29.根據(jù)權(quán)利要求24的設(shè)備，其中所述第一處理模塊包括高通濾波器。
30.根據(jù)權(quán)利要求24的設(shè)備，其中所述第一處理模塊包括低通濾波器。
31.根據(jù)權(quán)利要求24的設(shè)備，其中所述第一處理模塊包括帶通濾波器。
32.根據(jù)權(quán)利要求24的設(shè)備，其中所述第一處理模塊包括模擬濾波器。
33.根據(jù)權(quán)利要求24的設(shè)備，其中所述第一處理模塊包括數(shù)字濾波器。
34.根據(jù)權(quán)利要求24的設(shè)備，其中所述第一音頻數(shù)據(jù)流包括模擬信號(hào)。
35.一種用于增強(qiáng)音頻的設(shè)備，包括第一組合器，配置用于組合第一信號(hào)的至少一部分和第二信號(hào)的至少一部分以產(chǎn)生組合信號(hào)，該組合信號(hào)具有第一組頻率和第二組頻率；信號(hào)處理器，配置用于修正所述組合信號(hào)中的所述第二組頻率以產(chǎn)生修正的組合信號(hào)，該修正的組合信號(hào)能夠產(chǎn)生所述第二組頻率至少包含一些所述第一組頻率的感覺(jué)，所述信號(hào)處理器包括驅(qū)動(dòng)增益控制放大器的多個(gè)帶通濾波器，所述增益控制放大器響應(yīng)所述組合信號(hào)的包絡(luò)；和第二組合器，用于組合所述修正的組合信號(hào)和所述第一信號(hào)以產(chǎn)生輸出信號(hào)。
36.一種用于增強(qiáng)音頻信號(hào)中的低音的方法，包括的步驟是提供音頻信號(hào)；隔離所述音頻信號(hào)的低頻內(nèi)容；過(guò)濾所述低頻內(nèi)容以產(chǎn)生濾波信號(hào)；在增益控制放大器中放大所述濾波信號(hào)以產(chǎn)生放大的信號(hào)，其中所述放大器的增益與所述濾波信號(hào)的包絡(luò)有關(guān)；以及通過(guò)把所述音頻信號(hào)和所述放大信號(hào)組合在一起產(chǎn)生模擬的低頻信號(hào)。
37.根據(jù)權(quán)利要求36的方法，其中所述濾波步驟包括在多個(gè)帶通濾波器中過(guò)濾所述低頻內(nèi)容。
38.根據(jù)權(quán)利要求37的方法，其中所述濾波步驟還包括加權(quán)每個(gè)所述帶通濾波器的輸出。
39.根據(jù)權(quán)利要求37的方法，其中所述放大步驟包括壓縮所述濾波信號(hào)。
40.根據(jù)權(quán)利要求39的方法，其中所述放大步驟還包括擴(kuò)展所述濾波信號(hào)。
41.一種用于增強(qiáng)音頻信號(hào)中的低音的方法，包括的步驟是提供音頻信號(hào)；選擇所述音頻信號(hào)的低頻內(nèi)容以產(chǎn)生濾波信號(hào)；壓縮所述濾波信號(hào)以產(chǎn)生壓縮信號(hào)；擴(kuò)展所述壓縮信號(hào)以產(chǎn)生擴(kuò)展信號(hào)；以及通過(guò)把所述音頻信號(hào)和所述擴(kuò)展信號(hào)組合在一起產(chǎn)生模擬的低頻信號(hào)。
42.一種低音增強(qiáng)系統(tǒng)，包括選擇裝置，用于選擇音頻信號(hào)的低頻內(nèi)容以產(chǎn)生濾波信號(hào)；擴(kuò)展裝置，用于擴(kuò)展所述濾波信號(hào)以產(chǎn)生擴(kuò)展信號(hào)；以及組合裝置，用于通過(guò)把所述音頻信號(hào)和所述擴(kuò)展信號(hào)組合在一起產(chǎn)生模擬的低頻信號(hào)。
全文摘要
本發(fā)明提供一種音頻增強(qiáng)設(shè)備(1604)和方法,它能夠?qū)σ粚?duì)音頻信號(hào)中的低頻信息的諧波進(jìn)行頻譜整形,這樣,當(dāng)由揚(yáng)聲器(1606,1608)再現(xiàn)時(shí),聽(tīng)眾感覺(jué)到揚(yáng)聲器(1606,1608)就好象具有比揚(yáng)聲器(1606,1608)實(shí)際提供的要多的聲帶寬。額外帶寬的感覺(jué)主要是在低頻,尤其是在揚(yáng)聲器(1606,1608)幾乎不產(chǎn)生聲輸出能的頻率。在一個(gè)實(shí)施倒中,本發(fā)明還從一個(gè)音頻信號(hào)轉(zhuǎn)換到了另一個(gè)音頻信號(hào)以減少限幅。在一個(gè)實(shí)施例中,本發(fā)明還提供了一個(gè)用于希望諧波的頻譜整形的組合信號(hào)路徑和用于每對(duì)音頻信號(hào)的前饋信號(hào)路徑。
文檔編號(hào)H04S1/00GK1342386SQ99813033
公開(kāi)日2002年3月27日 申請(qǐng)日期1999年9月2日 優(yōu)先權(quán)日1998年9月4日
發(fā)明者A·I·克萊曼 申請(qǐng)人:Srs實(shí)驗(yàn)室公司