CN1178964A - 声音信号处理装置 - Google Patents

Abstract

一种使用在例如卡拉OK装置中的声音信号处理装置,包括信号装置器,数/模变换器和混合器。信号处理器将输入的模拟信号变换为数字信号及通过数字处理方式将经变换的数字信号进行处理产生与预置声音特性叠加的数字信号。数/模变换器将由信号处理器产生的数字信号变换为模拟信号。混合器将输入的模拟信号与由数/模变换器输出的模拟信号相混合。

Description

声音信号处理装置

本发明涉及一种声音信号处理装置。更具体地说，涉及一种将预置声音特性叠加到输入的声音信号上的声音信号处理装置。

本受让人已经在题为“声音信号处理装置”序号为6-176775的日本专利申请(日本专利公开说明书8-44389)中提出一种声音信号处理装置，其中将输入的声音与具有一与输入的声音升降一预置音调的音程的声音合成，以便提供一种声音效果(同声效果)，即其中像有许多人在唱，尽管仅一个人在唱。“同声”在这里是指以同步方式歌唱或演奏乐曲。

图1以方块图表示按照在日本专利公开说明书8-4389中提出的用于产生同声效果的声音信号处理装置。该声音信号处理装置101包括：用于放大来自话筒(M-IN)的输入信号，例如经过话筒输入的表演者的声音的话筒放大器102(未表示)，以及用于将经话筒放大器102放大的声音信号变换为数字声音信号的A/D变换器103。声音信号处理装置101还包括：同声发生器104以及一线路放大器105，该放大器105用于放大输入信号(L-IN)，例如作为伴音由光盘(CD)再现装置或VCD(视盘)再现装置再现的音乐演奏信号声音信号处理装置104还包括：用于将由线路放大器105放大的音乐演奏信号变换为数字音乐信号的A/D变换器106、键控电路107、乐声混合装置108以及D/A变换器109。

同声信号发生器104包括音程变换电路110和合成电路111。音程变换电路110将数字信号的音程变换为由输入的声音信号的音程升降预置音调的音程的信号。合成电路111通过数字信号处理将该数字信号和音程变换电路110的输出数字信号合成。

结果是声音信号处理装置101将演唱者的歌声与具有与该演唱者的歌唱音程不同的音程的歌声合成，即使只一个表演者在歌唱，也能提供同声效果，即好像很多表演者在演唱的效果。声音信号处理装置101还可以这样构成，即使得其具有多个音程变换电路110用于产生具有不同音程的多个不同的歌声和将各不同的歌声合成。利用声音信号处理装置101，使用者可以任选的方式选择是否运用同声效果，或者设定对于音程变换的音调。

键控电路107可以根据由使用者设定的音程指定信号将例如来自CD重现装置的音乐演奏信号的音程变换，输出经变换的音乐演奏信号。

乐声混合电路108包括：一均衡器112，用于根据来自同声发生电路104的输出数字信号通过数字信号处理产生频率特性经变换的数字信号；以及合成电路113，用于将由同声发生电路104输出的数字信号与由均衡器112输出的数字信号进行合成。乐声混合电路108还包括：回声处理电路114，用于根据合成电路113的输出数字信号通过数字信号处理产生回声；以及合成电路115，用于通过数字信号处理对合成电路113的输出数字信号和由回声处理电路114输出的回声等效的数字信号进行合成。乐声混合装置108还包括：一均衡器，用于通过数字信号处理对由键控电路107输出的作为伴音的数字信号的频率特性进行变换；以及合成电路117，用于对合成电路115的输出数字信号和均衡器116的输出数字信号进行合成。

均衡器112、116可以设定使用人所需的频率特性。均衡器112、116的频率特性可以由二均衡器单独调节或其同调节。回声处理电路114产生的回声的回声时间可以任选方式由使用人设定。

利用D/A变换器109将合成电路117合成的歌声和乐声的输出数字信号变换为模拟歌声/乐声信号，作为声音输出信号(A-OUT)输出。

在上述声音信号处理装置101中，来自话筒的输入信号由A/D变换器103变换为数字信号，然后通过数字信号处理用以使该歌声具有与经过话筒输入的歌声音程不同的音程，变换频率或调合回声。由于声音信号处理装置101以数字信号处理方式进行信号处理，需要高精度数字处理操作，因此，需要利用很多位数和采用更高采样频率的高性能A/D变换器103和D/A变换器109。

声音信号处理装置的声音质量很大程度上取决于所使用的A/D变换器或D/A变换器D/A变换器的性能，即如果使用低信号处理精度的低价格的A/D或D/A变换器，就不能保证良好的声音质量。所以，需要采用高信号处理精度因而价格昂贵的A/D变换器103或D/A变换器109。

在声音信号处理装置101中，如果不采用由均衡器改善频率特性形成的同声效果或回声效果而是简单地由话筒收集的声音与伴音合成来产生声输出信号(A-OUT)，需要增加量化位数，用于保证利用数字信号处理方式如实处理声音的足够的动态范围。此外，为了保证良好的声音信号质量，需提高采样频率。其结果是，使声音信号处理装置101硬件结构复杂化，而且需要使用高价的A/D和D/A变换器，因此提高了成本。

在声音信号处理装置101中，由于以数字信号处理输入的话筒信号，形成预置的延迟。此外，按数字信号处理，在数字信号处理时不可避免地产生量化噪声。因此，如果将声音信号处理装置应用于经话筒输入的信号实时地输出的卡拉OK***，在话筒输入信号和经过数字信号处理形成的谐音信号之间产生相位差或时移，或者信噪比(SN)会趋于降低。考虑到这一点，不能实现所需的优异的声音效果。

因此，本发明的目的是提供一种能解决上述问题的声音信号处理装置。

根据本发明，提供的一种例如用在卡拉OK装置中的声音信号处理装置包括：信号处理器，数/模变换器和混合器。信号处理器将输入的模拟声音信号变换为数字信号。并通过信号处理对经变换的数字进行处理，产生一叠加具有预置声音特性的数字信号。数/模变换器将由信号处理器产生的数字信号变换为模拟信号。混合器将输入的模拟信号与由数/模变换器输出的模拟信号混合。

图1是表示构成本发明的基础的声音信号处理装置结构的方块图。

图2是根据本发明第一实施例的声音信号处理装置的方块图。

图3是根据本发明的第二实施例的声音信号处理装置的方块图。

图4是根据本发明的第三实施例的声音信号处理装置的方块图。

参照附图，下面详细解释根据本发明的声音信号处理装置。在如下的介绍中，本发明的声音信号处理装置是应用于卡拉OK装置的。

图2表示体现本发明的声音信号处理装置1的方块图。该声音信号处理装置1包括：话筒放大器3，用于放大由一话筒输入的信号(M-IN)，例如经话筒2输入的歌唱者(表演者)的声音；以及A/D变换器4，用于将由话筒3放大的模拟声音信号变换为数字信号。声音信号处理装置1还包括同声声音发生器5，均衡器回声处理器6和D/A变换器7。

声音信号处理装置1还包含：线路放大器9，用于放大称为伴音的乐曲演奏信号的乐曲输入信号(L-IN)，这种伴音是由采用作为记录介质的CD或VCD的重现装置重现的，这些记录介质其上记录有例如为作为伴音的歌词的或乐曲信息的信息。声音信号处理装置1另外包含：用于将由线路放大器9放大的乐曲演奏信号变换为数字信号的A/D变换器10、键控装置11、均衡器12和合成电路13。合成电路13的输出信号由输出放大器14放大，提供到扬声器15。

在上述声音信号处理装置101中，利用合成电路1 17将与同声或回声信号相加的数字信号与均衡器16的输出信号合成。在声音信号处理装置1中，利用合成电路13以无需利用数字信号处理方式将话筒放大器3的声音信号输出与包含利用数字信器处理和利用D/A变换器7D/A变换的与同声或回声相加的信号的效果信号求和或合成。声音信号处理装置1包括：在均衡器一回声处理装置6下游侧的D/A变换器7。D/A变换器7的输出利用合成电路13与来自话筒放大器3的输出信号合成。

用于对话筒放大器3的输出信号变换的A/D变换器4和用于对均衡器一回声处理装置6的输出信号进行D/A变换的D/A变换器4使用的位数少于在上述声音信号处理装置101中的A/D变换器103或D/A变换器109使用的位数。同时，A/D变换器4和D/A变换器7可以设计得使采样频率低于上述声音信号处理装置101中的A/D变换器103或D/A变换器109。此处，A/D变换器4和D/A变换器7可以设计得使同时具有较少的位数和较低的采样频率。

同声信号发生装置5包括声音特性变换电路5a和合成电路5b。声音特性变换电路5a例如利用数字信号处理方式将电话筒输入的声音信号变换为一具有的音程相对于话筒输入信号的音程升降一预置音调的信号。声音特性变换电路5a的音程变换音调可以是预置的恒定值或者根据利用未表示的用于输入的声音信号的音量检测电路的检测结果可以进行控制。

声音特性变换电路5a的构成可用于在伴音的记录介质上记录由重现装置8重现的，说明伴音类型的ID信号，如果记录介质是CD，该信号作为子码；以及用于对根据ID信号的类型为实现音程最佳变换自动地选择音调。此外，声音特性变换电路5a的构成可用于根据来自上述音量选择电路的检测结果选择音调。当然，这两种替换方式可以综合采用。声音特性变换电路5a的构成还可以用于利用数字信号处理方式将输入的声音信号变换为一相对于输入的声音信号的音程或频率升降预设音调的信号。

合成电路5b将来自A/D变换器4的数字信号与来自声音特性变换电路5a的，相对于来自A/D变换器4的数字信号升降预设音调的输出数字信号求和或合成。同声发生装置5a以这样一种方式构成，使之能产生同声效果，其中尽管只有一个演唱者但产生好像多个演唱者演唱的感觉效果，这是因为合成有多个歌唱声音，每个声音具有与该演唱者的音程不同的音程。同声发生器5可以适当选择是否采用同声效果，或者可以任选方式设定音程变换的音调。

均衡器回声处理器6包括：均衡器6a、合成电路6b、回声处理电路6c和合成电路6d。均衡器6a利用数字信号处理方式校正和改善同声发生器5的输出数字信号的频率特性，产生经校正和改善的数字信号。合成电路6b利用数字信号处理方式将同声发生器5的输出数字信号和均衡器6a的输出数字信号合成。均衡器回声处理器6使得使用人能以任选方式是否应利用均衡器6a来校正频率特性或者应利用哪一种频率特性。由使用人操作未表示的安装在输入装置上的多个开关可以进行这些要求的设定，或者设定音程变换的时调。

回声处理电路6c通过对合成电路6b的输出的数字信号进行数字信号处理而产生回声。回声处理电路6c使得使用人能选择是否应使用回声效果或者应设定多长的回声持续时间，其方式与当使该使用人选择同声效果、设定音程变换的音调或利用均衡器6a调节频率特性的方式相同。

合成电路6d的输出信号输送到D/A变换器7，其于是将由同声发生5和均衡器回声处理器6处理的数字信号变换为模拟信号。

键控电路11对A/D变换器10的输出数字信号进行数字信号处理，将来自重现装置8的乐曲演奏信号的音程变换成为输出数字信号作为经音程变换的乐曲演奏信号。键控电路11使得使用人只要操作未表示的输入装置就能确定是否应进行键控或数字信号应变换为哪一种音程，其方式与使该使用人如上所述设定频率特性的方式相同。

均衡器12的输出数字信号作为伴音信息输送到D/A变换器7。D/A变换器7将均衡器12的输出数字信号变换为模拟信号。由D/A变换器7产生的模拟信号送到合成电路13。

合成电路13将话筒放大器3的输出信号和D/A变换器7的输出信号求和，产生一声音输出信号(A-OUT)。这一合成电路13因此将通过数字处理产生的同声以及回声加入到由话筒收集的歌唱者的声音中。

因此，利用本声音信号处理装置1，用于将上述声音特性叠加到来自话筒的输入信号上的数字信号处理装置，由A/D变换器4，同声发生装置5，均衡器回波处理装置6和D/A变换器7构成，其可以在不降低歌唱者的声音音质的情况下实现，同时可以简化数字信号处理装置的硬件结构。即由上述同声声音发生装置5产生的同声信号或由均衡器回声处理装置6产生的回声信号都是对歌唱者的歌声具有特殊声音效果的信号。这些同声信号和回声信号对于作为主信号的歌唱者的歌声是辅助信号。因此，即使位数被降低成A/D变换器4的A/D变换的采样频率被降低，当将具有特殊声音效果的信号一叠加到主信号上时，作为主信号的话筒2的输出信号本身并未变差。因此，利用合成电路13合成的声音的输出(A-OUT)在心理声学方面具有无可非议的音质。

因此，利用本发明的声音信号处理装置，实际上可以得到充分好的声音效果，即使数字信号处理的精度被降低，正如前面所介绍的，因此，降低了制造成本。

利用本发明的声音信号处理装置，即使所用A/D或D/A变换器的位数和采样频率都低于在图1中所示的装置中所采用的，也不会例如由于在A/D或D/A变换器的动态范围的限制，使与同声信号或回声信号相叠加的在合成电路的输出信号中的歌唱者的声音失真。

参照图3，解释根据本发明的第二实施例的声音信号处理装置21。该声音信号处理装置21适用于产生与同声信号相叠加的声音信号，并具有与在图2中所示的声音信号处理装置1基本相同的功能。

该第二种声音信号处理装置21包括：话筒放大器22，用于放大与由未表示的话筒收集的歌唱者的歌声相对应的输出信号；以及A/D变换器23，用于对话筒放大器22的模拟输出信号进行A/D变换。该第二种声音信号处理装置21还包括：声音特性变换电路24，用于对经A/D变换的数字声音信号进行数字信号处理，产生具有与由话筒收集的歌唱者的歌声对应的输入信号的音程不同的音程的信号；以及D/A变换器25，用于对声音特性变换电路24的输出数字声音信号进行D/A变换，产生模拟信号。该第二种声音信号处理装置21还包括：合成电路26，用于将具有与由D/A变换器25输出的歌唱者的歌声的音程不同的音程的模拟信号与话筒放大器22的输出信号进行合成。

如果，在第二实施例中，如需好像多个具有不同音程的歌唱者在唱一首歌的同声效果和相同的歌曲，只要提供多个声音特性变换电路24与话筒放大器并联以及利用合成电路26将各变换电路的输出合成就足够了。如果合成电路26的输出适于由反馈回路利用具有改变放大倍数的装置的放大器反馈到A/D变换器23的输入端，仅利用声音特性变换电路24就可以实现与利用多个声音变换特性变换电路所实现的相似的同声效果，因此，简化了电路结构。由合成电路26调和的与对应于来自话筒放大器22收集的声音的输出信号的同声的音程可以低于或高于来自话筒放大器22的输出信号的音程。当然，如果多个声音叠加到歌唱者的歌声，可以采用高于或低于歌唱者歌声的音程的同声声音的音程。

在第一实施例中的第一种声音信号处理装置1中，利用同声声音发生装置5中的合成电路5b将利用A/D变换器4对话筒放大器3的输出信号进行A/D变换得到的数字信号，与由声音特性变换电路5a产生的与由话筒2收集的声音的音程具有不同的音程的数字信号合成。相反，由于在本实施例中的声音信号处理装置21的同声信号发生器中没有提供以数字信号处理方式合成的合成电路。电路结构可以比在前第一实施例中的同声声音发生装置更为简化。

在第一实施例中的第一种声音信号处理装置1中，来自A/D变换器4的数字信号与不同音程的数字信号、频率特性变化的数字信号相叠加，或与与回声信号对应的数字信号相叠加，以便经过D/A变换器7提供到合成电路13。其结果是，由发生装置5和处理装置6通过数字信号处理延迟的信号由合成电路13叠加到话筒放大器3的输出信号上。在第二实施例中的声音信号处理电路21中，仅声音特性变换的信号利用合成电路叠加到话筒放大器22的输出信号上。

参阅图4，解释根据本发明的第三实施例的声音信号处理装置31。在本发明第三实施例中的声音信号处理装置中，使用相同的标号表示与前面第一实施例中相同的元件，为了简化对于这些共同的部分的详细介绍略去。

第一实施例中的声音信号处理装置1的构成用于将利用D/A变换器70对来自均衡器回声处理器6的数字信号和来自均衡器12的数字信号经D/A变换得到的模拟信号与话筒放大器3的输出信号由合成电路13求和。另一方面，本第三实施例中的声音信号处理装置31的构成用于利用合成电路13对利用D/A变换器16对来自均衡器12的数字信号进行D/A变换得到的作为伴音信息的模拟信号、来自D/A变换器70的模抉信号以及话筒放大器3的输出信号求和。由于重现装置8的输出信号利用键控电路11和均衡器12通过信号处理是变化的，改变了它的音程和频率特性，以及作为伴音信息形成的数字信号利用D/A变换器16变换为模拟信号，再输送到合成电路13，使得可以利用比在第一实施例的声音信号处理装置中所用的D/A变换器7具有较少位数和较低采样频率的D/A变换器70。换句话说，由于其足以使第三实施例中的声音信号处理装置的D/A变换器70对均衡器回声处理器6的输出数字信号进行D/A变换，与在第一实施例相比较在D/A变换器70中的信号处理时间可以缩短，因此，减轻了在D/A变换器70中的信号处理负担。

在本第三实施例中，由于话筒放大器3的输出信号直接输送到合成电路13，象在第一实施例中一样，也不会有使话筒放大器3的输出信号的质量变差的危险，即使将歌唱者的歌声与由同声信号发生器5产生的同声信号和来自均衡器回声处理器6的经频率特性校正的信号相叠加。

因此，在本第三实施例中的声音信号处理装置31中，可以采用比如在图1中所示的声音信号处理装置101中的A/D变换器103、106和D/A变换器109采用更少位数和更便宜的用于对话筒放大器3的输出信号进行A/D变换的A/D变换器4、用于对线路放大器9的输出信号进行A/D变换的A/D变换器10、用于对均衡器回声处理器6的输出进行D/A变换的D/A变换器7以及对均衡器12的输出进行D/A变换的D/A变换器16。当然，可以将声音信号处理装置31中的A/D变换器4、10设计得比A/D变换器103的采样频率低。另外，可以将A/D变换器4、10设计得与A/D变换器相比具有更少的位数和更低的采样频率。这同样适用于D/A变换器7、16。

在上面讨论的第三实施例中，利用合成电路5b将利用声音特性变换电路5a产生的与输入的歌声信号音程不同的音程的数字声音信号与在声音特性变换电路5a的输入侧的数字声音信号合成。另外，也可以采用如图3中所示的电路结构，其中仅提供有用于仅输出具有不同音程的数字的经音程变换的声音信号的声音特性变换电路。

均衡器回声处理器6可以仅设有均衡器6a和回声处理电路6c，而不设有象在上述第一和第三实施例中的合成电路6b，6d。在这种情况下，均衡器回波处理器6可输出通过均衡器6a的和有时对频率特性校正的(如需要)数字声音信号，以及包含回声处理的回声部分的数字信号。

根据本发明的声音信号处理装置，由于利用合成电路将话筒放大器的输出信号叠加到辅助性的同声信号和回声信号上，在不采用高性能的具有较大位数和较高采样频率的A/D或D/A变换器的情况下就可以得到与话筒输出一致的实际上足够好的声音效果。利用本发明的声音信号处理装置，不会产生由于即使采用高性能的A/D或D/A变换器也会因数字信号处理器的动态限制引起的歌唱者的歌声的失真。

Claims (8)

1、一种声音信号处理装置，包含：

一信号处理器，用于将输入的模拟歌声信号变换为数字信号以及对经变换的数字信号进行处理，产生与预设声音特性信号相叠加的数字信号，

数/模变换器，用于将由信号处理器产生的数字信号变换为模拟信号；以及

混合器，用于将输入的模拟信号与由所述数/模变换器输出的模拟信号相混合。

2、如权利要求1所述的声音信号处理装置，其特征在于所述的信号处理器包括用于将输入的模拟信号变换为数字信号的模/数变换器。

3、如权利要求1所述的声音信号处理装置，其特征在于所述的信号处理器还包含一变换器，用于将输入的歌声信号的音程变换为相对于输入的歌声信号的音程升降预设音调的音程。

4、如权利要求2所述的声音信号处理装置，其特征在于所述的信号处理器还包含回声处理器，用于将一回声信号叠加到经变换的数字信号上。

5、如权利要求1所述的声音信号处理装置，其特征在于还包含：

一模/数变换器，用于将输入的乐曲信息信号变换为数字信号；

所述模/数变换器的输出数字信号提供到所述数/模变换器。

6、如权利要求5所述的声音信号处理装置，其特征在于还包含：

声音特性信号叠加装置，用于将预设的声音特性信号叠加到用于所述模/数变换器的该数字信号上。

7、如权利要求1所述的声音信号处理装置，其特征在于还包含：

声音特性处理装置，用于将预置的声音特性信号叠加到输入的乐曲信息信号上，所述声音特性处理装置的输出提供到所述混合装置。

8、如权利要求7所述的声音信号处理装置，其特征在于所述声音特性处理装置具有用于将输入的乐曲信息信号变换为数字信号的模/数转换器，一用于将声音特性叠加到来自所述模/数变换器的数字信号上的叠加装置，以及用于将来自所述叠加装置的输出信号变换为模拟信号的数/模变换器。

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