CN1286011A - 模拟立体声装置 - Google Patents

Abstract

在由单声道信号模拟地生成立体声信号的模拟立体声装置中,设有串联接续且将输入信号S分级延迟的m个延迟器;为将各延迟器的输出信号S_k(k=1,2,…m)分别进行滤波处理的m个FIR数字滤波器,以及将各FIR数字滤波器的输出以Y_k(k=1,2,…m)进行规定的运算并生成模拟立体声信号L_OUT、R_OUT的运算电路。

Description

模拟立体声装置

本发明是关于从单声道信号模拟生成立体声信号的模拟立体声装置。

关于从单声道信号模拟生成立体声信号的模拟立体声的方法主要有2种。即：梳状滤波方式和波段分配方式。

(1)梳状滤波方式

图5所示，为采用了梳状滤波方式的模拟立体声装置的结构。

采用梳状滤波方式的模拟立体声装置，是作为模拟立体声装置中结构最为简单的一种。

输入信号S在送至第1加法器111及第2加法器112的同时，送至延迟器101。由延迟器101延迟了的信号送至乘法器102并进行规定系数的乘算。乘法器102的输出送至第1加法器111及第2加法器112。

第1加法器111对输入信号S与乘法器102的输出信号相加后，作为模拟左信号L_OUT进行输出。第2加法器112从输出信号S减去乘法器102的输出信号后，作为模拟右信号R_OUT进行输出。

给予延迟器101的延迟时间越长，2个输出信号L_OUT、R_OUT之间的立体感越强，为使延迟了的信号听似回声效果，一般作法是对延迟器101给予数msec程度的延迟时间。

但问题随之产生，即：延迟器101的延迟时间为数msec程度时，2个声道间的无相关性不够充分，因此缺乏立体感。尤其是在应用音像定位处理技术的多声道信号的2声道再生处理方面很不适合。

(2)波段分配方式

图6所示，为采用了波段分配方式的模拟立体声装置的结构。

输入信号S通过串联连接的多个延迟器D₁～D_m分别以1抽样时间依次延迟下去。

对于输入信号S及各延迟器D₁～D_m的输出信号没有成对的2个乘法器ML₁～ML_m+1、MR₁～MR_m+1，输入信号S及各延迟器D₁～D_m对输入相应的乘法器对的系数进行乘算。

各乘法器对的一方的乘法器ML₁～ML_m+1的输出信号通过加法器AL₁～AL_m进行相互地加算后作为模拟左信号L_OUT进行输出。各乘法器对的另一方的乘法器MR₁～MR_m+1的输出信号通过加法器AR₁～AR_m相互地进行加算后作为模拟右信号R_OUT进行输出。

延迟器D₁～D_m及各乘法器对的一方的乘法器ML₁～ML_m+1以及加法器AL₁～AL_m，由第1FIR(Finite Impulse Response)数字滤波器构成。

延迟器D₁～D_m及各乘法器对的另一方的乘法器MR₁～MR_m+1以及加法器AR₁～AR_m，由第2FIR数字滤波器构成。而延迟器D₁～D_m为第1FIR数字滤波器及第2FIR数字滤波器所共用。

第1FIR数字滤波器的滤波特性如图7所示；第2FIR数字滤波器的滤波特性如图8所示。由图7、图8可知，各FIR数字滤波器的滤波特性，形成频带被分成多个波段，通过波段与阻止波段交替出现的特性。而且形成第1FIR数字滤波器与第2FIR数字滤波器之间的滤波输出L_OUT、R_OUT互不相关、且通过波段与阻止波段呈彼此相反的特性。

在采用波段分配方式的模拟立体声装置中，若各FIR数字滤波器的各通过波段的带宽及各阻止波段的带宽宽的话，各FIR数字滤波器的抽头数以数百程度即可满足，但每一宽频带都会形成声音偏且不自然的音色。另一方面，若将各FIR数字滤波器的各通过波段带宽及各阻止波段带宽变狭的话，就能提高无相关性、获得自然的音色。但这需要数千抽头以上的FIR数字滤波器，且处理量变大。

如上所述，采用梳状滤波方式的模拟立体声装置的缺点在于虽然处理简单，却不能实现充分的无相关化(立体声化)，而采用波段分配方法的模拟立体声装置的缺点在于要想实现充分的无相关化，处理量就会变大。

本发明的目的在于，提供一种能实现充分地无相关性，且处理量也不会变大的模拟立体声装置。

本发明的第1模拟立体声装置是由单声道信号模拟地生成立体声信号的模拟立体声装置，其特征在于设有串联连接且令输入信号S做阶段性延迟的m个延迟器；为将各延迟器的输出信号S_k(k=1，2，…m)分别进行滤波处理的m个FIR数字滤波器；以及将各FIR数字滤波器的输出作为Y_k(k=1，2，…m)进行用下式(1)表示的运算并生成模拟立体声信号L_OUT、R_OUT的运算电路。

也可以省略第1级的延迟器，对第1级的FIR数字滤波器及第2级的延迟器输入输入信号S。

将n_k作为第K级的FIR数字滤波器的抽头数，各FIR数字滤波器的滤波系数最好满足下式(2)表示的条件。 $W_{i,j}=W_{m-i+2,n_m-j+1------(i\≥2)\·\·\·\left(2\right)}$

本发明的第2模拟立体声装置是同第1模拟立体声装置中满足上式(2)的条件相等价的模拟立体声装置，其特征在于在不同的IFR数字滤波器之间，滤波系数相等的2个乘法器取1个乘法器共用。

图1是表示本发明第1实施形态的模拟立体声装置的结构的电路图。

图2是表示本发明第2实施形态的模拟立体声装置的结构的电路图。

图3是表示本发明第3实施形态的模拟立体声装置的结构的电路图。

图4是表示应用例的框图。

图5是表示采用梳状滤波方式的模拟立体声装置结构的电路图。

图6是表示采用波段分配方式的模拟立体声装置的结构的电路图。

图7是表示图6所示的采用波段分离方式的模拟立体声装置中第1FIR数字滤波器的滤波特性的特性图。

图8是表示图6所示的采用波段分配方式的模拟立体声装置中第2FIR数字滤波器的滤波特性的特性图。

下面参照图1～图4，就本发明的实施形态加以说明。

(1)第1实施形态的说明

图1所示，为模拟立体声装置的结构。

此模拟立体声装置是梳状滤波方式与FIR数字滤波器组合的混合结构。

单声道的输入信号S由各个串联接续的多个延迟器D_k，1(k=1，2，…m)(但m为奇数)依次以规定时间延迟下去。

各延迟器D_1，1～D_m，1的输出信号分别送至各个FIR数字滤波器F_k(k=1，2，…m)进行滤波处理。

各FIR数字滤波器F₁～F_m，如所周知，由延迟时间为抽样时间的多个延迟器、多个乘法器和多个加法器构成。用D_k，j(k=1，2…m；j=2，3，…n_t)表示各延迟器。用M_k，j(k=1，2…m；j=1，2…n_k)表示各乘法器。用A_kj(k=1，2…m；j=2，3…n_k)表示各加法器。其中n_k表示第k级FIR数字滤波器的抽头数。

各FIR数字滤波器F₁～F_m具有由所含乘法器M_kj(k=1，2…m；j=1，2，…n_k)表示的滤波系数W_kj(k=1，2，…m；J=1，2，…n_k)。

将各FIR数字滤波器F₁～F_m的滤波处理结果作为Y_k(k=1，2，…m)。

除第1级的FIR数字滤波器F₁之外，其它FIR数字滤波器F₂～F_m的滤波处理结果Y_k(k=2，3，…m)由多个加法器B₃～B_m进行加算，其加算结果从加法器B₃输出。加法器B₃的输出与第1级的FIR数字滤波器F₁的滤波处理结果Y₁由加法器B₁进行加算，并作为模拟左信号L_OUT进行输出。

又，从第1级FIR数字滤波器F₁的滤波处理结果Y₁中通过加法器B₂减去加法器B₃的输出，并作为模拟右信号R_OUT进行输出。

这样一来，得到的模拟左信号L_OUT及模拟右信号R_OUT是模拟立体声信号。模拟左信号L_OUT、模拟右信号R_OUT由下式(3)表示。

在上述模拟立体声装置中，可以用处理简单的梳状滤波方式进行无相关化处理，同时，仅在梳状滤波方式处理无相关化不充分的部分使用FIR数字滤波器，因此，FIR数字滤波器的抽头数与使用波段分配方式的FIR数字滤波器的抽头数相比，可以大幅度地减少。

(2)第2实施形态的说明

图2所示，为模拟立体声装置的结构。

此模拟立体声装置相当于图1中模拟立体声装置的m=3，n₁=1，n₂=n₃=5的情况。

单声道的输入信号S分别由串联接续着的3个延迟器D_1．1，D_2.1，D_3．1依次以规定时间延迟下去。将用各延迟器D_1．1，D_2.1，D_3.1延迟的信号分别作为S₁、S₂、S₃。

延迟器D_1．1的输出信号S₁，送至第1FIR数字滤波器F₁；延迟器D_2.1的输出信号S₂，送至第2FIR数字滤波器F₂；延迟器D_3.1的输出信号S₃，送至第3FIR数字滤波器F₃。

第1FIR数字滤波器F₁由1个乘法器M_1．1成，即：第1FIR数字滤波器F₁是抽头的FIR数字滤波器。

第2FIR数字滤波器F₂由延迟时间为1抽样时间的4个延迟器D_2．2～D_2.5、5个乘法器M_2.1～M_2.5及4个加法器A_2.2～A_2.5构成。即：第2FIR数字滤波器F₂是具有用各乘法器M_2.1～M_2.5表示的滤波系数W_2.1～W_2.5的5抽头的FIR数字滤波器。

第3FIR数字滤波器F₃由延迟时间为抽样时间的4个延迟器D_3.2～D_3.5、5个乘法器M_3.1～M_3.5及4个加法器A_3.2～A_3.5构成。即：第3FIR数字滤波器F₃是具有用各乘法器M_3.1～M_3.5表示的滤波系数W_3.1W_3.5的5抽头的FIR数字滤波器。

第2FIR数字滤波器F₂的滤波处理结果Y₂和第3FIR数字滤波器F₃的滤波处理结果Y₃由加法器B₃进行加算。

第FIR数字滤波器F₁的滤波处理结果Y₁和加法器B₃的加算结果(Y₂+Y₃)由加法器B1进行加算后，作为模拟左信号L_OUT进行输出。

从第1FIR数字滤波器F₁的滤波处理结果Y₁通过加法器B₂减去加法器B₃的加算结果(Y₂+Y₃)后作为模拟右信号R_OUT进行输出。

这样，模拟立体声L_OUT、R_OUT表示为下式(4)。L_OUT=Y₁+Y₂+Y₃R_OUT=Y₁-Y₂-Y₃     …(4)

考虑到在L_OUT、R_OUT中Y₁、Y₂、Y₃是共同的，所以实质上仅以10抽头程度的FIR数字滤波器处理的运算量就能实现模拟立体声装置。若采用波段分配方式的模拟立体声装置就必须进行数千抽头以上的FIR数字滤波处理，相比之下不言而喻，上述实施形态可大幅度地减少处理量。又，在听觉效果上，也与采用波段分配方式的模拟立体声装置大致相同。

(3)第3实施形态的说明

上述第2实施形态中，第2FIR数字滤波器F₂的各乘法器M_2.1～M_2.5的系数(滤波系数)与第3FIR数字滤波器F₃的各乘法器M_3.1～M_3.5的系数(滤波系数)最好具有如下关系。

乘法器M_3.1的系数=M_3.5的系数

乘法器M_2.2的系数=M_3.4的系数

乘法器M_2.3的系数=M_3.3的系数

乘法器M_2.4的系数=M_3.2的系数

乘法器M_2.5的系数=M_3.1的系数

具体实例如下。

延迟器D_1.1延迟时间：7.48(msec)

延迟器D_2.1的延迟时间：11.54(msec)

延迟器D_3.1的延迟时间：27.32(msec)

乘法器M_2.1，M_3.5的系数：

  5.35406805574894e-2

乘法器M_2.2，M_3.4的系数：

    1.59643486142585e-1

乘法器M_2.3，M_3.3系数：

    2.495117336511612e-1

乘法器M_2.4，M_3.2的系数：

    -1.586669087409973e-1

乘法器M_2.5，M_3.1的系数：

   -5.25641143321991e-2

将上述的各FIR数字滤波器间的滤波系数的关系用一般式表示如下。

将各FIR数字滤波器F₂～F_m的各乘法器作为M_k，j(k=2，3，…m；j=1，2，…n_k)，则滤波系数W_i，j(i=2，3，…m；j=1，2，…n)最好以满足用下式(5)表示的条件那样进行滤波系数设定。n_k是第k级FIR数字滤波器的抽头数。 $W_{i,j}=W_{m-i+2,n_m-j+1}------(i\≥2)\·\·\·\left(5\right)$

在图2的模拟立体声装置中，当满足上述式(5)的条件来设定滤波系数等，可用图3所示的等价电路取代图2所示的模拟立体声装置。图3中与图2相应的部分附以相同的符号。

在此等价电路中，图2的第2FIR数字滤波器F₂内的乘法器M_2.1～M_2.5及第3FIR数字滤波器F₃内的乘法器M_3.1～M_3.5中，滤波器间具有同样系数的乘法器将取一方的乘法器M_2.1～M_2.5共用。

延迟器D_2.1的输出S_2.1与延迟器D_3.5的输出S_3.5由加法器a₁进行加算后的结果送至乘法器M_2.1。延迟器D_2.2的输出S_2.2与延迟器D_3.4的输出S_3.4由加法器a₂进行加算后的结果送至乘法器M_2.2。

延迟器D_2.3的输出S_2.3与延迟器D_3.3的输出S_3.3由加法器a₃进行加算后的结果送至乘法器M_2.3。延迟器D_2.4的输出S_2.4与延迟器D_3.2的输出S_3.2由加法器a₄进行加算后的结果送至乘法器M_2.4。延迟器D_2.5的输出S_2.5与延迟器D_3.1的输出S_3.1由加法器a₅进行加算后的结果送至乘法器M_2.5。

乘法器M_2.1、M_2.2、M_2.3、M_2.4、M_2.5的输出由加法器b₃-b₆进行加算后从加法器b₃输出。乘法器M_1.1的输出Y₁与加法器b₃的输出由加法器b₁进行加算后，作为模拟左信号L_OUT进行输出。

由加法器b₂从乘法器M_1.1的输出Y₁中减去加法器b₃的输出后，作为模拟右信号R_OUT进行输出。

将各延迟器D_k．j(k=2，3，…m；j=1，2，…，n_k)的输出作为S_k.j(k=2，3，…m；j=1，2，…n_k)时，则模拟立体声信号L_OUT、R_OUT以下式(6)表示。

同上述第2实施形态相比，上述第3实施形态能够进一步减少运算量。

(4)应用实例说明

图4所示，为适用上述图1、图2或图3所示的模拟立体声装置的实例，是将杜比降噪逻辑解码后的4个声道的信号等，即具有前方3个声道(左、中、右)后方1个声道(环绕)的信号，尽管是从在收听者前方设置的2个扬声器(左扬声器及右扬声器)输出，但宛如从收听者前方的左右及后方的左右共计4个扬声器输出似的虚拟的立体声音响装置。

1个声道的环绕(Surround)信号输出至上述图1、图2或图3所示的模拟立体声装置10。模拟立体声装置10从1个声道的环绕信号生成模拟环绕左信号L_OUT及模拟环绕右信号R_OUT。

此模拟环绕左信号L_OUT及模拟环绕右信号R_OUT送至音像定位处理装置20。音像定位处理装置20对输入的信号L_OUT、R_OUT进行音像定位处理，使之将输入的信号L_OUT、R_OUT定位于收听者的后左方与后右方。

另一方面，对可以乘法器1对中央信号Cen-ter进行-6dB的增益调整后的信号，由加法器2进行左信号Left加算。又，对于以乘法器1对中央信号Center进行-6dB的增益调整后的信号，由加法器3进行右信号Right加算。

加法器2的输出与从音像定位处理装置20输出的定位处理后的环绕左信号L_OUT’由加法器4进行加算后作为向左扬声器的输出Lphantom。又，加法器3的输出与从音像定位处理装置20输出的定位处理后的环绕右信号R_OUT’由加法器5进行加算后作为向右扬声器的输出Rphantom。

Claims (4)

1．由单声道信号模拟地生成立体声信号的模拟立体声装置，其特征是具有：串联连接且将输入信号S分级延迟的m个延迟器；

为将各延迟器的输出信号S_k(k=1，2，…m)分别进行滤波处理的m个FIR数字滤波器；以及

如将各FIR数字滤波器的输出作为Y_k(k=1，2，…m)，则进行用下式(a)所示的运算，生成模拟立体声信号LOUT、ROUT的运算电路。

2．权利要求1所述的模拟立体声装置，其特征在于：省略了上述第1级延迟器，对第1级的FIR数字滤波器及第2级的延迟器输入输入信号S。

3．权利要求1及2中任意一项所述的模拟立体声装置，其特征在于：将n_k作为第K级的FIR数字滤波器的抽头数，则各FIR数字滤波器的滤波系数满足下式(b)所示的条件。 $W_{i,j}=W_{m-i+2,n_m-j+1}----(i\≥2)\·\·\·\left(b\right)$

4．一种与权利要求3所述的模拟立体声装置等价的模拟立体声装置，其特征在于：在不同的FIR数字滤波器间，滤波系数相等的2个乘法器取1个乘法器共用。

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