專利名稱：包括音頻信號處理電路的音頻系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及一種音頻系統(tǒng)，它包括用于處理音頻信號的一個電路，該電路包括一個輸入端，用于接受音頻信號，一個輸出端，用于輸出信號，一個諧波發(fā)生器，與輸入端相連用于產(chǎn)生該音頻信號的諧波，相加裝置，與輸入端及諧波發(fā)生器相連，用于在輸出端提供音頻信號與產(chǎn)生的諧波之和。
本發(fā)明還涉及處理音頻信號的一個電路、一個諧波發(fā)生器和處理音頻信號的一種方法。
上述的音頻系統(tǒng)跟EP-A 546 619不同。自從發(fā)明了電動式揚聲器，就產(chǎn)生了輸出更大聲音的要求，尤其是更大的低頻聲音。但這種聲音輸出常常受到揚聲器小尺寸的嚴重限制，例如在電視機或便攜式音頻組合里。大家知道這一難題可以用一種心理聲學現(xiàn)象來解決，這一現(xiàn)象常常叫做虛音高(virtual pitch)或失去基頻(missingfundamental)，它使人產(chǎn)生低音響應超過實際的錯覺，實際上揚聲器并沒有輸出那么高的低頻功率?？梢杂玫皖l音調(diào)的諧波取代這些低頻音調(diào)來產(chǎn)生這種錯覺，音頻信號里有這些低頻音調(diào)，但小揚聲器無法將它們再現(xiàn)。此時這些諧波就代表低頻音調(diào)。
在上述已知的音頻系統(tǒng)里，選擇音頻信號的低頻頻帶并供給一個諧波發(fā)生器，用于產(chǎn)生所選信號的諧波。這樣生成的諧波再加入音頻信號。通過這種方法，就可以改善音頻信號的低頻感覺。在上述已知的音頻系統(tǒng)里，采用了一個全波整流器作為諧波發(fā)生，它只產(chǎn)生偶次諧波。上述已知的音頻系統(tǒng)再現(xiàn)出來的一些低頻音調(diào)，被人類感覺出來的響度比音頻信號里相應低頻音調(diào)的響度要高。
本發(fā)明的一個目的是提供一種音頻系統(tǒng)，其中低頻音調(diào)的感覺響度(perceived loudness)基本上等于接收到的原音頻信號里相應低頻音調(diào)的響度。本發(fā)明的音頻系統(tǒng)里實現(xiàn)了這一目的，其特征在于諧波發(fā)生器能夠限制生成諧波的幅度。實驗表明，這一措施可以精確地控制低頻音調(diào)的感覺響度，因此可以使這一感覺響度基本上等于接收到的原音頻信號里相應低頻音調(diào)的響度。
本發(fā)明里音頻系統(tǒng)一個實施方案的特點是，當諧波幅度超越一個閾值時，諧波發(fā)生器就固定產(chǎn)生的諧波的幅度。利用這一方法，本發(fā)明簡單而方便地滿足了限制生成諧波的幅度的要求。
本發(fā)明里音頻系統(tǒng)另一個實施方案的特點是，諧波發(fā)生器包括一個整流器，用于對音頻信號進行整流。這一措施使得諧波的產(chǎn)生簡單而又有效。
從下文中對優(yōu)選實施方案的描述并參考附圖，本發(fā)明的上述目的和特征將更加顯然，其中

圖1是本發(fā)明里一個音頻系統(tǒng)的框圖，圖2是本發(fā)明里處理音頻信號的一個電路的框圖，圖3是用于本發(fā)明的諧波發(fā)生器的框圖，圖4是可以用于本發(fā)明的積分器的第一個實施方案，圖5說明用于本發(fā)明的一個電路，其中組合了一個積分器和一個復位裝置，圖6和7分別是用于本發(fā)明的積分器的第二和第三實施方案，圖8和9分別是可以用于本發(fā)明的限幅器的第一和第二實施方案，圖10是將一個正弦信號輸入到用于本發(fā)明的一個諧波發(fā)生器時，所生成的各種波形a～g，圖11是本發(fā)明里用于諧波發(fā)生器的一個整流器的一個實施方案，圖12是用于本發(fā)明的限幅器的第三個實施方案，圖13是將一個正弦信號輸入到本發(fā)明里一個諧波發(fā)生器時，所生成的各種波形b～d。
圖中，相同的部件使用相同的數(shù)字標識。
圖1是本發(fā)明里一個音頻系統(tǒng)的框圖。該音頻系統(tǒng)包括一個信號源10，它依次通過電路12和放大器14跟揚聲器16相連。信號源10的信號可以來自光盤(CD)、盒式磁帶、收到的信號或其它音頻源。電路12處理信號源10提供的音頻信號的方法是，用諧波取代揚聲器16因為尺寸的限制而不能再現(xiàn)的音頻信號里的低頻音調(diào)。這些諧波可以被揚聲器16再現(xiàn)，使人產(chǎn)生低音響應超過實際的錯覺。這種心理聲學現(xiàn)象常常被叫做虛音高或失去基頻。經(jīng)電路12處理過的音頻信號再由放大器14放大。放大后的信號然后由揚聲器16再現(xiàn)。
圖2是本發(fā)明里處理音頻信號的一個電路12的框圖。電路12包括一個輸入端20用于接收音頻信號，和一個輸出端26用于提供信號輸出。電路12還包括跟輸入端20和相加裝置24相連的一個諧波發(fā)生器22，該相加裝置跟輸入端20和諧波發(fā)生器22相連，用于在輸出端26提供音頻信號跟諧波發(fā)生器22的輸出信號的和。
在處理音頻信號的電路12里，可以在輸入端20和諧波發(fā)生器22之間插入第一個濾波器。這第一個濾波器最好能夠讓揚聲器16不能再現(xiàn)的音頻信號的低頻分量通過，同時阻止音頻信號的寄生直流分量通過。在電路12里還可以在諧波發(fā)生器22和相加裝置24之間插入第二個濾波器。利用這第二個濾波器可以控制要由揚聲器16再現(xiàn)的諧波的數(shù)量。此外，還可以在電路12里輸入端20和相加裝置24之間插入第三個濾波器。這第三個濾波器最好用來阻止揚聲器不能再現(xiàn)的那部分低頻分量通過，從而防止揚聲器16過載。
圖3是用于本發(fā)明的一個諧波發(fā)生器22的框圖。諧波發(fā)生器22包括一個輸入端30用于接收音頻信號，和一個輸出端38用于提供信號輸出。諧波發(fā)生器22還包括一個積分器34和與之相連的一個復位裝置36。積分器34將輸入端30收到的音頻信號進行積分，并在輸出端38輸出積分結(jié)果。復位裝置36用于需要復位時對積分器34進行復位。這樣，輸出信號里既有奇次諧波也有偶次諧波，而這些諧波的幅度基本上相等。此外，因為諧波的幅度正比于音頻信號的幅度，所以諧波發(fā)生器22不會產(chǎn)生令人生厭的失真。
復位時間可以由復位裝置36用多種不同的方法確定。復位裝置36可以根據(jù)音頻信號的一些性質(zhì)來確定復位時間，如周期、幅度或過零點。復位裝置36還可以根據(jù)輸出信號的相似性質(zhì)來確定復位時間。此外，復位裝置36還可以同時根據(jù)音頻信號和輸出信號來確定復位時間。很顯然，在本發(fā)明中諧波發(fā)生器22的某一具體實施方案里，可以有連接35和37這兩個也可以只有其中一個。
諧波發(fā)生器22還可以包括一個整流器32，它將輸入端30收到的音頻信號進行整流。然后整流過的信號可以由積分器34積分。在諧波發(fā)生器22的另一個實施方案里，諧波發(fā)生器里只有整流器32，也就是說省略了積分器34和復位裝置36。
圖4是可以用于本發(fā)明的一個積分器34的第一個實施方案。積分器34包括一個輸入端40用于接收輸入信號，和一個輸出端52用于提供輸出信號。積分器34還包括一個運算放大器50，運算放大器50的同相輸入端接地。一個電阻48、一個電容器46和一個開關(guān)44并聯(lián)在一起，將運算放大器50的反相輸入端和輸出端相連。運放50的反相輸入端又通過電阻42跟輸入端40相連。運算放大器50的輸出端跟積分器34的輸出端52相連。開關(guān)44由復位信號RST控制，復位信號由復位裝置36產(chǎn)生，需要復位時，它使開關(guān)44閉合。
對本領域的技術(shù)人員來說，很清楚輸入端40接收到的輸入信號被積分器34積分，積分結(jié)果被提供給輸出端52。當開關(guān)44閉合時，積分器被復位，也就是說，電容器46被放電，輸出信號復位到零。
圖5說明用于本發(fā)明的一個電路，其中組合了一個積分器34和一個復位裝置36。該電路包括一個輸入端64用于接收輸入信號，和一個輸出端66用于提供輸出信號。該電路還包括圖4中用于對輸入信號進行積分的元件，即電阻42和48、運算放大器50和電容器46。開關(guān)44用一個晶體管62來實現(xiàn)。由于晶體管62的基極經(jīng)過反相器60跟輸入端64相連，因此當輸入信號為負時，晶體管62就導通(即開關(guān)44閉合，積分器復位)。反之，當輸入信號為正時，晶體管62就不導通，也就是開關(guān)44被打開。
本發(fā)明里音頻系統(tǒng)再現(xiàn)的一些低頻音調(diào)，對人類來說，聽起來其響度比音頻信號里對應低頻音調(diào)的響度高。為了對這種不需要的人為現(xiàn)象進行補償，可以讓積分器34限制被積分信號的幅度。這樣低頻音調(diào)的感覺響度可以得到控制，最好是聽起來跟原來的響度一樣。
圖8和9分別是一個限幅器的第一和第二實施方案，該限幅器可以用來限制如圖4和5所示的積分器34的輸出信號幅度。在圖8和圖9中，該限幅器包括一個反相放大器，該反相放大器包括輸入端90、輸出端102、運算放大器100和兩個電阻92和98。這一反相放大器電壓增益的絕對值等于電阻器98的電阻除以電阻器92的電阻。在圖8里的限幅器中，跟電阻器98并聯(lián)的兩個二極管94和96可以防止反相放大器的輸出信號超過規(guī)定的電壓值。因為運放100的同相輸入端是接地的，所以反相輸入端的電壓也等于零(虛地)。因此當輸出信號為負時，也就是說當輸入端90接收到的輸入信號是正時，二極管94就導通。同理，當輸出信號為正時，也就是說當輸入信號是負時，二極管96就導通。這樣，使用硅二極管時，輸出信號的幅度范圍就被限制在大約-0.6和+0.6伏之間。
在圖9的限幅器里，防止反相放大器的輸出信號超過規(guī)定電壓范圍的任務是由兩個齊納二極管110和112完成的。在這里，當輸出信號為正時齊納二極管110導通，當輸出信號為負時齊納二極管112導通。這樣，輸出信號的幅度就被大致限制在齊納二極管110的齊納電壓的負值和齊納二極管112的齊納電壓之間。
圖8和圖9里的限幅器可以跟如圖4所示的積分器相連。這種連接可以是這樣的，也就是積分器34的輸出52連接到限幅器的輸入90，由此來限制積分器34輸出信號的幅度。也可以將限幅器的輸出102跟積分器34的輸入40相連，從而限制積分器34輸出信號的幅度。再者，還可以將限幅器跟積分器34的功能合在一起。圖6和圖7展示了這種組合的兩個例子。圖6是圖4所示積分器34跟圖8里的限幅器的一個組合。圖4所示積分器34跟圖9里的限幅器的組合在圖7里說明。
也可以改變依賴于被積分信號的幅度的如圖4所示的積分器34的積分時間常數(shù)。通過這一措施，被積分信號的幅度可以逐漸得到限制，從而平滑地控制低頻音調(diào)的感覺響度?？梢酝ㄟ^改變電阻器42的電組和/或電容器46的電容來改變積分常數(shù)。例如可以通過接通和斷開跟電阻器42串聯(lián)或并聯(lián)的一個或多個電阻器，來改變電阻器42的有效電阻。同樣可以通過接通或斷開跟電容器46串聯(lián)或并聯(lián)的一個或多個電容器，來改變電容器46的有效電容。
圖10說明本發(fā)明里將一個正弦信號輸入給諧波發(fā)生器22所得到的各種波形a～g。在這些圖中，輸入信號用實線表示，生成的波形用虛線表示。先將輸入信號整流，然后再積分，在輸入信號每一周期結(jié)束的時候復位裝置36將積分器34復位，這樣就可以由本發(fā)明的諧波發(fā)生器22得到圖10的波形a。諧波發(fā)生器22可以用一種相似的方式產(chǎn)生波形b和c，對于波形b，在輸入信號每兩個周期結(jié)束的時候?qū)⒎e分器34復位，對于波形c，每次輸入信號過零時都將積分器34復位。諧波發(fā)生器也可以產(chǎn)生波形d，其中諧波發(fā)生器22包括圖5所示的積分器34跟復位裝置36的組合。在這種情況下，諧波發(fā)生器22不包括整流器32。
可以用產(chǎn)生波形a所用的相同方式由諧波發(fā)生器22產(chǎn)生圖10所示的波形e、f和g。諧波發(fā)生器22產(chǎn)生波形e時，根據(jù)被積分信號的幅度來停止積分。這里諧波發(fā)生器22可以包括圖6和圖7所示的積分器34，或者圖4所示的積分器34跟如圖8和9所示的限幅器電路的組合。
波形f和g說明改變積分器34的積分時間常數(shù)的結(jié)果。為了產(chǎn)生波形f，在輸入信號的每一周期里都改變積分器34的積分時間常數(shù)，這種改變依賴于被積分信號的幅度或頻率?？梢杂靡环N相似的方式來產(chǎn)生波形g，其中在輸入信號的每一個周期里兩次改變積分器34。當然也可以將積分器34的積分時間常數(shù)改變多次。
圖11是本發(fā)明里用于諧波發(fā)生器的一個全波整流器的一個實施方案。這一方案在本領域里眾所周知，它包括輸入端200用于接收輸入信號，和輸出端220用于提供輸出信號。這一實施方案還包括5個電阻器202、204、208、214和216，兩個二極管210和212，以及兩個運算放大器206和218。當輸入信號為正時，二極管210導通，二極管212截止，輸出一個正電壓。當輸入信號為負時，二極管210截止而二極管212導通，同樣輸出一個正電壓。對于任意輸入信號，輸出信號都正比于輸入信號的絕對值。
圖12是用于本發(fā)明的一個限幅器的第三個實施方案。這一電路眾所周知，常常被稱為二極管鉗位電路，它包括一個輸入端230用于接收輸入信號，一個輸出端246用于提供輸出信號，一個參考連接244用于提供一個參考電壓Vref，一個電阻器240和一個二極管242。在這一電路里，二極管242可以防止輸出電壓的幅度超過一個限定電壓，它近似等于Vref+0.6伏。技術(shù)人員應當明白，限幅器的這一實施方案可以用多種不同的方法用于本發(fā)明中的諧波發(fā)生器22里。例如，二極管鉗位電路的輸入端230可以跟整流器32的輸出端220相連，或者跟積分器34的輸出端52相連，從而限制輸出信號。也可以將二極管鉗位電路的輸出端246跟整流器32的輸入端200或者積分器34的輸入端40相連，從而限制輸入信號。
圖12所示的限幅器可以按圖4所示方式跟積分器34相連?？梢宰尫e分器34的輸出端52跟限幅器的輸入端90相連，以限制積分器34的輸出信號。以可以將限幅器的輸出102跟積分器34的輸入40相連，以限制積分器34的輸入信號。
圖13說明將一個正弦信號輸入到本發(fā)明里一個諧波發(fā)生器時，生成的各種波形b～d。圖13a是輸入信號。圖13b的波形可以用本發(fā)明的諧波發(fā)生器22產(chǎn)生，其中生成波形b的幅度受到了限制。波形c可以用包括一個整流器32的諧波發(fā)生器22產(chǎn)生。圖13d的波形可以用本發(fā)明的諧波發(fā)生器22產(chǎn)生，其中的輸入信號先被整流，然后被積分，生成波形d的幅度受到諧波發(fā)生器22的限制。
對于本領域的技術(shù)人員來說，很顯然上述發(fā)明可以做出許多改動而不會偏離其原則。例如本發(fā)明里的信號處理也可以用一種專用集成電路來完成，或者用可編程處理器里的軟件來完成。此外，如圖4所示，可以省去積分器34里的電阻器48。對諧波發(fā)生器22輸出信號幅度的限制以也可以用一個特定的乘法因子跟輸入或輸出信號相乘來完成。
權(quán)利要求
1.一種音頻系統(tǒng)，包括一個電路(12)用于處理音頻信號，其中電路(12)包括一個輸入端(20)用于接收音頻信號，一個輸出端(26)用于提供輸出信號，一個諧波發(fā)生器(22)跟輸入端(20)相連用于產(chǎn)生音頻信號的諧波，相加裝置(24)跟輸入端(20)和諧波發(fā)生器(22)相連用于將音頻信號跟產(chǎn)生的諧波之和提供給輸出端(26)，其特征在于諧波發(fā)生器(22)用于限制產(chǎn)生的諧波的幅度。
2.權(quán)利要求1的音頻系統(tǒng)，其特征在于當生成諧波的幅度超過一個閾值時，諧波發(fā)生器(22)用于固定諧波的幅度。
3.權(quán)利要求1或2的音頻系統(tǒng)，其特征在于諧波發(fā)生器(22)包括一個整流器(32)用于對音頻信號進行整流。
4.一個電路(12)，用于處理音頻信號，它包括一個輸入端(20)用于接收音頻信號，一個輸出端(26)用于提供一個輸出信號，一個諧波發(fā)生器(22)跟輸入端(20)相連用來產(chǎn)生音頻信號的諧波，相加裝置(24)跟輸入端(20)和諧波發(fā)生器(22)相連用來將音頻信號跟產(chǎn)生的諧波的和提供給輸出端(26)，其特征在于諧波發(fā)生器(22)用于限制產(chǎn)生的諧波的幅度。
5.一個諧波發(fā)生器(22)，其特征在于諧波發(fā)生器(22)用于限制產(chǎn)生的諧波的幅度。
6.一種處理音頻信號的方法，包括產(chǎn)生音頻信號的諧波和提供音頻信號跟產(chǎn)生的諧波的和，其特征在于產(chǎn)生諧波的過程包括限制產(chǎn)生的諧波的幅度。
全文摘要
該音頻系統(tǒng)包括一個電路(12)用于處理音頻信號,其中的電路(12)包括一個輸入端(20)用于接收音頻信號和一個輸出端(26)用于提供信號輸出。電路(12)還包括一個諧波發(fā)生器(22)跟輸入端(20)相連用于產(chǎn)生音頻信號的諧波,和一個相加裝置(24)跟輸入端(20)和諧波發(fā)生器(22)相連用于將音頻信號跟產(chǎn)生的諧波的和提供給輸出端(26)。諧波發(fā)生器(22)能夠限制產(chǎn)生的諧波的幅度。
文檔編號H03G3/00GK1249890SQ98803044
公開日2000年4月5日 申請日期1998年10月19日 優(yōu)先權(quán)日1997年11月7日
發(fā)明者R·M·阿爾茨 申請人:皇家菲利浦電子有限公司