TWI584274B - 具逆相位衰減特性之共腔體式背箱設計揚聲器系統的音源訊號處理方法及其裝置 - Google Patents

Description

具逆相位衰減特性之共腔體式背箱設計揚聲器 系統的音源訊號處理方法及其裝置

本發明是有關於一種訊號處理裝置及訊號處理方法，且特別是有關於一種音源訊號處理裝置及音源訊號處理方法。

在可攜式揚聲器系統中其揚聲器通常共用相同的腔體，以增加低頻響應。當揚聲器播放不同的音訊通道並且共用相同的腔體時，彼此通常會互相影響。此一現象在低頻時對揚聲器的影響相當顯著，容易產生截波失真(clipping distortion)。

圖1及圖2分別繪示現有技術之共用腔體式的揚聲器系統的概要示意圖。請參考圖1至圖2，共用腔體式的揚聲器系統100包括左聲道揚聲器110以及右聲道揚聲器120。圖1所繪示者包括左聲道揚聲器110以及右聲道揚聲器120受低頻的音源訊號S1、S2驅動時，其圓錐偏移(cone excursion)d1的概要示意圖。在 圖1中，音源訊號S1、S2係同相(in phase)，因此，左聲道揚聲器110以及右聲道揚聲器120被驅動時的其圓錐是朝向同一方向偏移，例如都是同時朝向腔體內或腔體外偏移。因此，揚聲器系統100可正常地輸出聲音訊號S3。

圖2所繪示者包括左聲道揚聲器110以及右聲道揚聲器120受低頻的音源訊號S1、S2驅動時，其圓錐偏移d2的概要示意圖。在圖2中，音源訊號S1、S2係反相(out of phase)，因此，左聲道揚聲器110以及右聲道揚聲器120被驅動時的圓錐並非朝向同一方向偏移。例如，左聲道揚聲器110的圓錐是朝向腔體外偏移，右聲道揚聲器120的圓錐是朝向腔體內偏移。因此，左聲道揚聲器110以及右聲道揚聲器120所輸出的聲音會產生截波失真，其波形如聲音訊號S4。此波形代表實質上沒有聲音從揚聲器系統100輸出。亦即，左聲道揚聲器110以及右聲道揚聲器120的圓錐均有偏移，惟揚聲器系統100無法輸出正常的聲音訊號。因此，如何避免揚聲器系統100截波失真並且提供良好聲音品質實為當前重要的課題之一。

本發明提供一種音源訊號處理裝置及音源訊號處理方法，其用以驅動揚聲器系統以提供良好聲音品質。

本發明的音源訊號處理裝置用以處理共用腔體式的揚聲器系統(shared-volume stereo system)的多個音源訊號。音源訊號 處理裝置包括多個訊號處理通道。訊號處理通道用以分離出音源訊號的高頻訊號成分以及低頻訊號成分。訊號處理通道對音源訊號的低頻訊號成分進行訊號處理操作以產生低頻混合訊號。訊號處理通道將音源訊號的高頻訊號成分與低頻混合訊號加總，以產生多個音源再生(reproduction)訊號。從而訊號處理通道依據音源再生訊號來驅動共用腔體式的揚聲器系統當中對應的揚聲器(loudspeaker)。訊號處理通道的共用部分用以將音源訊號的低頻訊號成分進行加總。訊號處理通道的共用部分包括除頻器。除頻器用以將加總後的音源訊號的低頻訊號成分進行除法運算，以產生低頻混合訊號。

在本發明的一實施例中，上述的音源訊號包括第一音源訊號以及第二音源訊號。訊號處理通道包括第一訊號處理通道以及第二訊號處理通道。第一訊號處理通道用以接收第一音源訊號，並且將第一音源訊號分離以產生第一音源訊號的高頻訊號成分以及低頻訊號成分。第二訊號處理通道用以接收第二音源訊號，並且將第二音源訊號分離以產生第二音源訊號的高頻訊號成分以及低頻訊號成分。

在本發明的一實施例中，上述的第一訊號處理通道以及第二訊號處理通道的共用部分對第一音源訊號以及第二音源訊號的低頻訊號成分進行訊號處理操作，以產生低頻混合訊號。

在本發明的一實施例中，上述的第一訊號處理通道將第一音源訊號的高頻訊號成分與低頻混合訊號加總，以產生第一音 源再生訊號，從而依據第一音源再生訊號來驅動共用腔體式的揚聲器系統當中的左聲道揚聲器。

在本發明的一實施例中，上述的第二訊號處理通道將第二音源訊號的高頻訊號成分與低頻混合訊號加總，以產生第二音源再生訊號，從而依據第二音源再生訊號來驅動共用腔體式的揚聲器系統當中的右聲道揚聲器。

在本發明的一實施例中，上述各訊號處理通道包括高通濾波器以及低通濾波器。高通濾波器分離出其所接收的音源訊號的高頻訊號成分。低通濾波器分離出其所接收的音源訊號的低頻訊號成分。

在本發明的一實施例中，上述各訊號處理通道更包括第一加法器。第一加法器用以將其所接收的音源訊號的高頻訊號成分與低頻混合訊號進行加總，以產生音源再生訊號。

在本發明的一實施例中，上述的訊號處理通道的共用部分包括第二加法器。第二加法器用以將音源訊號的低頻訊號成分進行加總。

在本發明的一實施例中，上述的音源訊號係反相。音源訊號的振幅實質上大於音源再生訊號的振幅。

本發明的音源訊號處理方法用以處理共用腔體式的揚聲器系統的多個音源訊號。音源訊號處理方法包括：分離出音源訊號的高頻訊號成分以及低頻訊號成分；對音源訊號的低頻訊號成分進行訊號處理操作以產生低頻混合訊號；以及分別將音源訊 號的高頻訊號成分與低頻混合訊號加總，以產生多個音源再生訊號；以及依據音源再生訊號來驅動共用腔體式的揚聲器系統當中對應的揚聲器。對音源訊號的低頻訊號成分進行訊號處理操作以產生低頻混合訊號的步驟包括：將音源訊號的低頻訊號成分進行加總；以及對加總後的音源訊號的低頻訊號成分進行除法運算，以產生低頻混合訊號。

在本發明的一實施例中，上述的音源訊號包括第一音源訊號以及第二音源訊號。分離出音源訊號的高頻訊號成分以及低頻訊號成分的步驟包括：將第一音源訊號分離以產生高頻訊號成分以及低頻訊號成分；以及將第二音源訊號分離以產生高頻訊號成分以及低頻訊號成分。

在本發明的一實施例中，上述的分別將音源訊號的高頻訊號成分與低頻混合訊號加總，以產生音源再生訊號的步驟包括：將第一音源訊號的高頻訊號成分與低頻混合訊號加總，以產生第一音源再生訊號；以及將第二音源訊號的高頻訊號成分與低頻混合訊號加總，以產生第二音源再生訊號。

在本發明的一實施例中，上述依據音源再生訊號驅動來共用腔體式的揚聲器系統當中對應的揚聲器的步驟包括：依據第一音源再生訊號來驅動共用腔體式的揚聲器系統當中的左聲道揚聲器；以及依據第二音源再生訊號來驅動共用腔體式的揚聲器系統當中的右聲道揚聲器。

在本發明的一實施例中，上述的音源訊號係反相。音源訊號的振幅實質上大於音源再生訊號的振幅。

基於上述，在本發明的範例實施例中，音源訊號處理裝置對音源訊號的低頻訊號成分進行訊號處理操作，以產生音源再生訊號。從而音源訊號處理裝置再依據音源再生訊號來驅動揚聲器系統，以提供良好聲音品質。

為讓本發明的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。

100‧‧‧揚聲器系統

110‧‧‧左聲道揚聲器

120‧‧‧右聲道揚聲器

200‧‧‧音源訊號處理裝置

210‧‧‧第一訊號處理通道

212、222‧‧‧高通濾波器

214、224‧‧‧低通濾波器

216、226‧‧‧第一加法器

220‧‧‧第二訊號處理通道

230‧‧‧共用部分

232‧‧‧第二加法器

234‧‧‧除頻器

d1、d2‧‧‧圓錐偏移

S1、S2‧‧‧音源訊號

S3、S4‧‧‧聲音訊號

S5‧‧‧低頻混合訊號

S1H、S2H‧‧‧高頻訊號成分

S1L、S2L‧‧‧低頻訊號成分

SP1、SP2‧‧‧音源再生訊號

S100、S110、S120、S130‧‧‧音源訊號處理方法的步驟

圖1及圖2分別繪示現有技術之共用腔體式的揚聲器系統的概要示意圖。

圖3至圖6分別繪示本發明不同實施例之音源訊號處理裝置用以處理音源訊號及產生音源再生訊號的概要示意圖。

圖7繪示本發明一實施例之具有不同階數的高通濾波器及低通濾波器的頻率響應圖。

圖8繪示本發明一實施例之具有不同增益的擱置濾波器的頻率響應圖。

圖9繪示本發明一實施例之音源訊號處理方法的步驟流程圖。

以下提出多個實施例來說明本發明，然而本發明不僅限於所例示的多個實施例。又實施例之間也允許有適當的結合。在本案說明書全文(包括申請專利範圍)中所使用的「耦接」一詞可指任何直接或間接的連接手段。舉例而言，若文中描述第一裝置耦接於第二裝置，則應該被解釋成該第一裝置可以直接連接於該第二裝置，或者該第一裝置可以透過其他裝置或某種連接手段而間接地連接至該第二裝置。此外，「訊號」一詞可指至少一電流、電壓、電荷、溫度、資料、電磁波或任何其他一或多個訊號。

圖3繪示本發明一實施例之音源訊號處理裝置的概要示意圖。請參考圖3，本實施例之音源訊號處理裝置200例如用以處理揚聲器系統100的音源訊號S1、S2，以避免低頻時聲音訊號S4產生截波失真。在本實施例中，音源訊號處理裝置200包括第一訊號處理通道210以及第二訊號處理通道220，兩者分別用以接收並處理音源訊號S1、S2。

具體而言，在本實施例中，第一訊號處理通道210包括高通濾波器212、低通濾波器214、第一加法器216、第二加法器232以及除頻器234。第二訊號處理通道220包括高通濾波器222、低通濾波器224、第一加法器226、第二加法器232以及除頻器234。第一訊號處理通道210以及第二訊號處理通道220的共用部分包括第二加法器232以及除頻器234。在本範例實施例中，音源訊號處理裝置200更可包括如運算模組、儲存模組、通訊模組、 電源模組等適當的功能性元件，本發明並不加以限制。

在本實施例中，第一訊號處理通道210分別利用高通濾波器212以及低通濾波器214將音源訊號S1分離以產生高頻訊號成分S1H以及低頻訊號成分S1L。在第一訊號處理通道210中，高通濾波器212分離出音源訊號S1的高頻訊號成分S1H，並且將高頻訊號成分S1H輸出給第一加法器216。低通濾波器214分離出音源訊號S1的低頻訊號成分S1L，並且將低頻訊號成分S1L輸出給第二加法器232。另一方面，第二訊號處理通道220分別利用高通濾波器222以及低通濾波器224將音源訊號S2分離以產生高頻訊號成分S2H以及低頻訊號成分S2L。在第二訊號處理通道220中，高通濾波器222分離出音源訊號S2的高頻訊號成分S2H，並且將高頻訊號成分S2H輸出給第一加法器226。低通濾波器224分離出音源訊號S2的低頻訊號成分S2L，並且將低頻訊號成分S2L輸出給第二加法器232。在本實施例中，音源訊號S1、S2的訊號波形例如如圖3所示，兩者係低頻且反相的訊號。

接著，在共用部分230中，第二加法器232將低頻訊號成分S1L、S2L進行加總，並且將加總後的低頻訊號成分S1L、S2L輸出給除頻器234。除頻器234用以將加總後的低頻訊號成分S1L、S2L進行除法運算，以產生低頻混合訊號S5。在本實施例中，除頻器234例如將低頻訊號成分S1L、S2L的總和除以2來產生低頻混合訊號S5，並且分別輸出低頻混合訊號S5至第一加法器216、226，惟 本發明並不加以限制。在其他實施例中，依據實際設計需求，低頻訊號成分S1L、S2L的總和也可利用其他的參數來加以調整。

接著，在第一訊號處理通道210中，第一加法器216將高頻訊號成分S1H與低頻混合訊號S5進行加總，以產生第一音源再生訊號SP1。從而，第一訊號處理通道210再利用第一音源再生訊號SP1來驅動左聲道揚聲器110。同時，在第二訊號處理通道220中，第一加法器226將高頻訊號成分S2H與低頻混合訊號S5進行加總，以產生第二音源再生訊號SP2。從而，第二訊號處理通道220再利用第二音源再生訊號SP2來驅動右聲道揚聲器120。在本實施例中，音源再生訊號SP1、SP2的訊號波形例如如圖3所示，其中音源訊號S1、S2的振幅實質上大於音源再生訊號SP1、SP2的振幅。

在本實施例中，雖然是以低頻且反相的音源訊號S1、S2的訊號波形來例示說明，但本發明並不限於此。在其他實施例中，音源訊號處理裝置200也可用以處理低頻且同相的音源訊號S1、S2、高頻且反相的音源訊號S1、S2、以及高頻且同相的音源訊號S1、S2，並且產生對應的音源再生訊號，本發明並不加以限制。

圖4至圖6分別繪示圖3實施例的音源訊號處理裝置用以處理音源訊號及產生音源再生訊號的概要示意圖。在圖4中，音源訊號處理裝置200處理低頻且同相的音源訊號S1、S2。在圖5中，音源訊號處理裝置200處理高頻且反相的音源訊號S1、S2。在圖6中，音源訊號處理裝置200處理高頻且同相的音源訊號S1、S2。當音源訊號S1、S2同相時，除頻器234的配置可讓音源具備穿透力 (transparency)。對於揚聲器之間具有幾公分距離的常規型專業音響系統(professional sound system，PSS)而言，此種音源訊號處理方式不會被使用者察覺。當音源訊號S1、S2同相時，若音源訊號處理裝置200當中不配置除頻器234，音源再生訊號SP1、SP2將會包括倍增的低頻訊號成分S1L、S2L。因此，音源訊號處理裝置200需要依據揚聲器的數量來對音源訊號S1、S2進行除頻。在本發明的範例實施例中，揚聲器的數量例如為2，因此將音源訊號S1、S2除以2，惟本發明並不加以限制。

另外，圖4至圖6的音源訊號處理方法可以由圖3實施例之敘述中獲致足夠的教示、建議與實施說明，因此不再贅述。由圖3至圖6所例示的音源訊號以及音源再生訊號的波形可知，音源訊號處理裝置200利用音源再生訊號來驅動揚聲器系統100，可避免低頻時聲音訊號產生截波失真，從而揚聲器系統100可提供良好聲音品質。

在本實施例中，音源訊號處理裝置200內部的各訊號處理模組可以軟體、硬體或韌體來加以實施，本發明並不加以限制。舉例而言，高通濾波器212、222以及低通濾波器214、224可以軟體、硬體或韌體來加以實施，本發明並不加以限制，其實施方式可以由所屬技術領域的通常知識獲致足夠的教示、建議與實施說明，因此不再贅述。

圖7繪示本發明一實施例之具有不同階數(order)的高通濾波器及低通濾波器的頻率響應圖。在本實施例中，高通濾波器 212、222例如是從具有如圖7的頻率響應特性之一階、二階及三階的高通濾波器當中選擇其一，以分離出音源訊號S1、S2的高頻訊號成分S1H、S2H。在本實施例中，低通濾波器214、224例如是從具有如圖7的頻率響應特性之一階、二階及三階的低通濾波器當中選擇其一，以分離出音源訊號S1、S2的低頻訊號成分S1L、S2L。

圖8繪示本發明一實施例之具有不同增益(gain)的擱置濾波器(shelving filter)的頻率響應圖。在本實施例中，高通濾波器212、222例如是從具有如圖8的頻率響應特性之不同增益的高通濾波器當中選擇其一，以分離出音源訊號S1、S2的高頻訊號成分S1H、S2H。在本實施例中，低通濾波器214、224例如是從具有如圖8的頻率響應特性之不同增益的低通濾波器當中選擇其一，以分離出音源訊號S1、S2的低頻訊號成分S1L、S2L。另外，圖7及圖8所繪示的濾波器的種類及其頻率響應特性僅用以例示說明，本發明並不限於此。

圖9繪示本發明一實施例之音源訊號處理方法的步驟流程圖。請參考圖3及圖9，本實施例之音源訊號處理方法至少用以處理共用腔體式的揚聲器系統100的多個音源訊號。在步驟S100中，音源訊號處理裝置200分離出音源訊號S1、S2的高頻訊號成分S1H、S2H以及低頻訊號成分S1L、S2L。接著，在步驟S110中，音源訊號處理裝置200對音源訊號S1、S2的低頻訊號成分S1L、S2L進行訊號處理操作以產生低頻混合訊號S5。之後，在步驟S120中， 音源訊號處理裝置200分別將音源訊號S1、S2的高頻訊號成分S1H、S2H與低頻混合訊號S1L、S2L加總，以產生多個音源再生訊號SP1、SP2。繼之，在步驟S130中，音源訊號處理裝置200依據音源再生訊號SP1、SP2來驅動共用腔體式的揚聲器系統100當中對應的揚聲器110、120。

另外，本發明之實施例的音源訊號處理方法可以由圖1至圖8實施例之敘述中獲致足夠的教示、建議與實施說明，因此不再贅述。

綜上所述，在本發明的範例實施例中，音源訊號處理裝置對音源訊號的低頻訊號成分進行訊號處理操作，並且將經訊號處理後的低頻訊號成分與高頻訊號成分結合，以產生音源再生訊號。接著，音源訊號處理裝置再依據音源再生訊號來驅動揚聲器系統，可避免低頻時聲音訊號產生截波失真，以提供良好聲音品質。

雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。

200‧‧‧音源訊號處理裝置

210‧‧‧第一訊號處理通道

212、222‧‧‧高通濾波器

214、224‧‧‧低通濾波器

216、226‧‧‧第一加法器

220‧‧‧第二訊號處理通道

230‧‧‧共用部分

232‧‧‧第二加法器

234‧‧‧除頻器

S1、S2‧‧‧音源訊號

S5‧‧‧低頻混合訊號

S1H、S2H‧‧‧高頻訊號成分

S1L、S2L‧‧‧低頻訊號成分

SP1、SP2‧‧‧音源再生訊號

Claims (14)

1. 一種音源訊號處理裝置，用以處理一共用腔體式的揚聲器系統的多個音源訊號，該音源訊號處理裝置包括：多個訊號處理通道，用以分離出該些音源訊號的高頻訊號成分以及低頻訊號成分，並且對該些音源訊號的低頻訊號成分進行一訊號處理操作以產生一低頻混合訊號，以及該些訊號處理通道將該些音源訊號的高頻訊號成分與該低頻混合訊號加總，以產生多個音源再生訊號，從而依據該些音源再生訊號來驅動該共用腔體式的揚聲器系統當中對應的揚聲器，其中該些多個訊號處理通道對該些音源訊號的低頻訊號成分進行該訊號處理操作是藉由該些訊號處理通道的共用部分以將該些音源訊號的低頻訊號成分進行加總，以及該些訊號處理通道的共用部分包括一除頻器，用以將加總後的該些音源訊號的低頻訊號成分進行除法運算，以產生該低頻混合訊號。
2. 如申請專利範圍第1項所述的音源訊號處理裝置，其中該些音源訊號包括一第一音源訊號以及一第二音源訊號，以及該些訊號處理通道包括：一第一訊號處理通道，用以接收該第一音源訊號，並且將該第一音源訊號分離以產生該第一音源訊號的高頻訊號成分以及低頻訊號成分；以及一第二訊號處理通道，用以接收該第二音源訊號，並且將該 第二音源訊號分離以產生該第二音源訊號的高頻訊號成分以及低頻訊號成分。
3. 如申請專利範圍第2項所述的音源訊號處理裝置，其中該第一訊號處理通道以及該第二訊號處理通道的共用部分對該第一音源訊號以及該第二音源訊號的低頻訊號成分進行該訊號處理操作，以產生該低頻混合訊號。
4. 如申請專利範圍第3項所述的音源訊號處理裝置，其中該第一訊號處理通道將該第一音源訊號的高頻訊號成分與該低頻混合訊號加總，以產生一第一音源再生訊號，從而依據該第一音源再生訊號來驅動該共用腔體式的揚聲器系統當中的一左聲道揚聲器。
5. 如申請專利範圍第3項所述的音源訊號處理裝置，其中該第二訊號處理通道將該第二音源訊號的高頻訊號成分與該低頻混合訊號加總，以產生一第二音源再生訊號，從而依據該第二音源再生訊號來驅動該共用腔體式的揚聲器系統當中的一右聲道揚聲器。
6. 如申請專利範圍第1項所述的音源訊號處理裝置，其中各該訊號處理通道包括一高通濾波器以及一低通濾波器，該高通濾波器分離出其所接收的該音源訊號的高頻訊號成分，以及該低通濾波器分離出其所接收的該音源訊號的低頻訊號成分。
7. 如申請專利範圍第6項所述的音源訊號處理裝置，其中各該訊號處理通道更包括一第一加法器，用以將其所接收的該 音源訊號的高頻訊號成分與該低頻混合訊號進行加總，以產生該音源再生訊號。
8. 如申請專利範圍第6項所述的音源訊號處理裝置，其中該些訊號處理通道的共用部分包括一第二加法器，用以將該些音源訊號的低頻訊號成分進行加總。
9. 如申請專利範圍第1項所述的音源訊號處理裝置，其中該些音源訊號係反相，以及該些音源訊號的振幅實質上大於該些音源再生訊號的振幅。
10. 一種音源訊號處理方法，用以處理一共用腔體式的揚聲器系統的多個音源訊號，該音源訊號處理方法包括：分離出該些音源訊號的高頻訊號成分以及低頻訊號成分；對該些音源訊號的低頻訊號成分進行一訊號處理操作以產生一低頻混合訊號；以及分別將該些音源訊號的高頻訊號成分與該低頻混合訊號加總，以產生多個音源再生訊號；以及依據該些音源再生訊號來驅動該共用腔體式的揚聲器系統當中對應的揚聲器，其中對該些音源訊號的低頻訊號成分進行該訊號處理操作以產生該低頻混合訊號的步驟包括：將該些音源訊號的低頻訊號成分進行加總；以及對加總後的該些音源訊號的低頻訊號成分進行除法運算，以產生該低頻混合訊號。
11. 如申請專利範圍第10項所述的音源訊號處理方法，其中該些音源訊號包括一第一音源訊號以及一第二音源訊號，以及分離出該些音源訊號的高頻訊號成分以及低頻訊號成分的步驟包括：將該第一音源訊號分離以產生高頻訊號成分以及低頻訊號成分；以及將該第二音源訊號分離以產生高頻訊號成分以及低頻訊號成分。
12. 如申請專利範圍第11項所述的音源訊號處理方法，其中分別將該些音源訊號的高頻訊號成分與該低頻混合訊號加總，以產生該些音源再生訊號的步驟包括：將該第一音源訊號的高頻訊號成分與該低頻混合訊號加總，以產生一第一音源再生訊號；以及將該第二音源訊號的高頻訊號成分與該低頻混合訊號加總，以產生一第二音源再生訊號。
13. 如申請專利範圍第12項所述的音源訊號處理方法，其中依據該些音源再生訊號驅動來該共用腔體式的揚聲器系統當中對應的揚聲器的步驟包括：依據該第一音源再生訊號來驅動該共用腔體式的揚聲器系統當中的一左聲道揚聲器；以及依據該第二音源再生訊號來驅動該共用腔體式的揚聲器系統當中的一右聲道揚聲器。
14. 如申請專利範圍第10項所述的音源訊號處理方法，其中該些音源訊號係反相，以及該些音源訊號的振幅實質上大於該些音源再生訊號的振幅。