专利名称：声场加宽和相位去相关系统和方法
技术领域：
本发明涉及用于处理信号的系统和方法，并且更特别地，涉及用于声场加宽、消除 音频伪信号和其它适当目的的时域去相关的系统和方法。
背景技术：
用于处理信号的系统和方法在现有技术中是已知的。特别是已通过全通滤波器以 及通过包含频率和相位整形的滤波器以各种方式实现去相关。过去，全通滤波器已被用于 在一定程度上将信号去相关，但是具有未补偿的声道间延迟且没有以简单的方式改变去相 关的量的能力。
发明内容
提供对于不同的音频数据声道产生作为频率的函数的变化的相移以消除音频数 据声道之间的相位相关性的系统和方法。特别地，提供可被用于通过消除音频数据声道之间的不希望的时域相关性来加宽 所感觉的声场、消除音频伪信号并执行其它适当的功能的系统和方法。根据本发明的示例性实施例，提供一种用于将信号去相关的系统。所述系统包括 具有第一延迟长度、处理第一信号的第一全通滤波器。具有第二延迟长度的第二全通滤波 器与第一全通滤波器连接，并处理通过第一全通滤波器处理之后的第一信号。具有第三延 迟长度的第三全通滤波器处理第二信号。具有第四延迟长度的第四全通滤波器与第三全通 滤波器连接，并处理通过第三全通滤波器处理之后的第二信号。第一延迟长度、第二延迟长 度、第三延迟长度和第四延迟长度分别具有唯一的值，并且第一延迟长度与第二延迟长度 的和等于第三延迟长度与第四延迟长度的和。结合附图阅读以下的详细描述，本领域技术人员将进一步理解本发明的优点和优 越的特征及其其它重要的方面。
图1是根据本发明的示例性实施例的用于声场加宽和相位去相关的系统的示图；图2是根据本发明的示例性实施例的用于多声道相位去相关的系统的示图；图3是根据本发明的示例性实施例的用于执行声场加宽和相位去相关的系统的 示图；图4是根据本发明的示例性实施例的用于处理音频数据的多个声道以将相位去 相关的方法的示图；图5是根据本发明的示例性实施例的用于执行音频声道的相位变更的系统的示 图；图6是根据本发明的示例性实施例的用于执行相位去相关和声场加宽的系统的 示图；以及
图7是根据本发明的示例性实施例的具有相位调制的用于声场加宽和相位去相 关的系统的示图。
具体实施例方式在以下的描述中，在说明书和附图中，类似的部分分别由相同的附图标记表示。为 了简明起见，附图没有按比例绘制并且某些部件可能以一般化或示意性的形式表示并且通 过商业名称被识别。图1是根据本发明的示例性实施例的声场加宽和相位去相关的系统100的示图。 系统100可被用于通过对正在处理的音频声道信号进行相位去相关来增加所感觉的声场宽度。系统100包含全通滤波器L1102、全通滤波器L2104、全通滤波器L3 106和全通滤 波器L4 108，每个全通滤波器可以硬件、软件或硬件和软件的适当组合实现，并且可以是在 通用的处理平台上操作的一个或多个软件系统。如这里使用的那样，“硬件”可包含离散部 件的组合、集成电路、专用集成电路、现场可编程门阵列或其它适当的硬件。如这里使用的 那样，“软件”可包含一个或多个对象、代理程序、线程、代码行、子例程、单独的软件应用、在 两个或更多个软件应用中或在两个或更多个处理器上操作的两个或更多个代码行或其它 适当的软件结构或其它适当的软件结构。在一个示例性实施例中，软件可包含诸如操作系 统的在通用的软件应用中操作的一个或多个代码行或其它适当的软件结构，和在专用软件 应用中操作的一个或多个代码行或其它适当的软件结构。全通滤波器Ll 102与全通滤波器L2 104耦合，并且全通滤波器L3 106与全通滤 波器L4 108耦合。如这里使用的那样，术语“被耦合”及其诸如“耦合”或“耦合到”的同根 术语可包含物理连接(诸如导线、光纤或电信介质)、虚拟连接(诸如通过数据存储设备或 超文本传输协议(HTTP)链接的所分配的存储位置)、逻辑连接(诸如通过集成电路中的一 个或多个半导体器件)或其它适当的连接。系统100接收可以是音频数据或其它适当的音频数据的一系列的数字时域采样 的左声道音频数据和右声道音频数据。左声道音频数据被提供给具有延迟长度Ll的全通 滤波器Ll 102。在音频数据是音频信号的数字时域采样的一个示例性实施例中，延迟长度 Ll可等于全通滤波器Ll 102的延迟元件中的采样的数量。在用全通滤波器Ll 102处理左 声道音频数据之后，处理后的数据然后被提供给具有与延迟长度Ll不同的延迟长度L2的 全通滤波器L2 104。处理后的左声道音频数据然后被输出到诸如扬声器、用于记录或用于 其它适当的应用。右声道音频数据类似地被提供给具有不等于任意的延迟长度Ll或L2的延迟长度 L3的全通滤波器L3 106。处理后的右声道数据然后被提供给具有不等于延迟长度Li、L2 或L3中的任一个的延迟长度L4的全通滤波器L4 108。处理后的右声道数据然后被输出到 诸如扬声器、用于记录、发送、在头戴式耳机中呈现或用于其它适当的应用。在一个示例性实施例中，全通滤波器L1102、全通滤波器L2104、全通滤波器L3106 和全通滤波器L4108可分别为具有由滤波器系数确定的脉冲响应的稀疏的N阶极零滤波器 (Nth order pole zero filters)。选择全通滤波器L1102、全通滤波器L2104、全通滤波器 L3106和全通滤波器L4108的延迟长度，使得被全通滤波器L1102和全通滤波器L2104处理的信号的总延迟长度与被全通滤波器L3106和全通滤波器L4108处理的信号的总延迟长 度相同。在一个示例性实施例中，全通滤波器L1102和全通滤波器L3106的延迟长度可以 是第一素数对，并且全通滤波器L2104和全通滤波器L4108的延迟长度可以是第二素数对， 使得全通滤波器的总长度可通过选择适当的素数对被设为相等的值。在一个示例性实施例 中，第一素数对的延迟长度可以为41和43，并且第二素数对的延迟长度可以为71和73，使 得全通滤波器Ll 102可具有延迟长度41并且全通滤波器L2104可具有延迟长度73，并且全 通滤波器L3106可具有延迟长度43并且全通滤波器L4108可具有延迟长度71。以这种方 式，左声道音频数据(41+7 和右声道音频数据03+71)的总处理延迟将相等(114)。在操作中，全通滤波器在左声道音频数据和右声道音频数据中产生依赖于全通滤 波器的频率和长度的相移。由于由各全通滤波器产生的相移不同，因此左声道音频数据和 右声道音频数据之间的任何预先存在的相位相关性将被消除，诸如当信号被放大并且在扬 声器上被发送时，这导致对于收听者来说声场的明显加宽。由于各单个频率带(bin)的相 位之间的相关性可导致该频率带的表观位置处于左右声道扬声器之间的中心，因此这种频 率的去相关将加宽表观声场。换句话说，相位的相关性导致声场向左右声道扬声器的中心 衰减(collapse)，而相位的去相关性避免声场向左右声道扬声器的中心衰减。在适当的情 况下，也可以或者替代性地利用附加的全通滤波器来产生附加的相位去相关。此外，能够使两对不同的部分与各声道连接，并在保持一对的系数与另一对的系 数正交的同时调制滤波器系数，以通过第三信号调制去相关，从而在相移中产生随时间改 变的变化。该第三信号可以是低频率正弦波、低频率的窄带噪声信号或其它适当的信号，使 得房间或收听环境内的反射和相消模式以防止人听觉系统强烈地注意到相消或反射的方 式关于房间移动。图2是根据本发明的示例性实施例的用于多声道相位去相关的系统200的示图。 系统200可以以硬件、软件或硬件和软件的适当组合实现，并且可以是在通用处理平台上 操作的一个或多个软件系统。因此，可使得该系统以与以上相同的方式随时间改变。系统200包含从第一音频声道、第二音频声道到第N个音频声道的多个音频数据 声道。具有延迟长度Ll的全通滤波器L1202和具有延迟长度L2的全通滤波器L2204被用 于处理第一音频声道，并且具有延迟长度L3的全通滤波器L3206和具有延迟长度L4的全 通滤波器L4208被用于处理第二音频信道。类似地，通过具有不同延迟长度的不同的全通 滤波器处理各附加的音频声道，直到通过具有延迟长度L2N的全通滤波器L2N 210和具有 延迟长度L2N+1的全通滤波器L2N+1212处理最后的或第N个音频声道。全通滤波器中的 每一个的各单个延迟长度不同，但是各声道的总延迟长度相等。以这种方式，向音频数据的 各声道的各单个频率带中的每一个施加的相移将被去相关，这可被用于避免产生音频伪信 号、防止在录音棚环境中或在其它适当应用中产生音频伪信号，录音棚环境诸如是使用不 同的麦克风以记录来自录制摄影棚的不同部位的声音的环境。图3是根据本发明的示例性实施例的用于执行声场加宽和相位去相关的系统300 的示图。系统300包含第一声道信号处理电路和第N个声道信号处理电路，使得系统300 可被用于立体声、四声道音频、5. 1声道音频、7. 1声道音频、9. 1声道音频或任何其它适当 数量的声道。系统300包含求和单元302、增益单元306、增益单元310、延迟304和求和单元308，其形成可被称为Schroeder部分的全通滤波器配置，并且当增益单元306和增益单元 310的增益因子相等且符号相反时提供长度Ll的全通滤波器，并且将通过所有频率但还将 根据通过的频率、延迟以及增益单元306和增益单元310的增益因子添加相移。通过对于 延迟长度以及增益单元306和增益单元310的增益选择适当的值，可以控制各频率上的相 移的量。在一个示例性实施例中，通过将增益单元306的增益设为等于+0. 25并将增益单 元310的增益设为等于-0. 25，诸如对于0赫兹 20000赫兹的音频信号的相移的量将对 于-180度 +180度之间的给定延迟值以预定的方式改变，使得在处理后的信号中产生与 频率有关的相移。可基于被处理的采样信号的数量和采样速率选择延迟长度Li。在一个示 例性实施例中，可处理以44. IkHz的速率采样的数字音频信号，其中延迟长度Ll等于采样 的数量除以44100，或者可替代性地由处理后的采样的整数规定。类似地，通过使用求和单元312、增益单元316和320、具有长度L2的延迟314和 求和单元318提供第二全通滤波器。然后通过基于延迟长度L2以及增益单元316和320 的振幅设置具有不同相移特性的第二全通滤波器，变更从第一全通滤波器接收的相位变更信号。类似地，对于第N个声道处理链，使用求和单元322和328、增益单元幻6和330以 及延迟3 形成具有延迟长度2N的第一全通滤波器，并且使用求和单元332和338、增益单 元336和340以及延迟3；34形成具有延迟长度2N+1的第二全通滤波器。延迟3M和3；34的 延迟长度与延迟304和314的延迟长度不同，但是各滤波器链的总延迟相等，使得延迟304 和314的总延迟长度等于延迟3M和334的总延迟长度。以这种方式，来自第一声道到第 N个声道的被处理的声音将出现相移，以消除任何无意的相位相关性，并由此在向扬声器提 供声音的情况下加宽所感觉的声场，将任何无意的相位相关性去相关并且诸如在记录声音 的情况下减少音频伪信号，以及用于其它适当的用途。可以通过适当的算术处理用任何适当的全通滤波器替代以上讨论的khroeder 部分。图4是根据本发明的示例性实施例的用于处理多个音频数据声道以将相位去相 关的方法400的示图。方法400可被用于加宽声场或用于与相位去相关有关的其它适当的 用途，并可实现为通用的处理器上的软件。方法400并行地在步骤S402和404中开始，其中在402中接收第一声道数据流， 并且在404中接收第N个声道数据流。类似地，也可单独地接收附加的声道，使得可通过使 用方法400处理任何适当数量的声道。方法然后并行地前进到406和408，其中用具有延迟长度Ll的全通滤波器处理第 一声道数据，并且用具有延迟长度2N的全通滤波器处理第N个声道数据。类似地，可以提供 附加的声道，各声道具有与用于任何其它声道的全通滤波器的延迟长度不同的延迟长度。 方法然后并行地前进到410和412。在410中，已经用全通滤波器Ll处理的第一声道数据然后被全通滤波器L2处理， 并且在412中，已经用全通滤波器L2N处理的第N个声道数据被全通滤波器L2N+1处理。类 似地，可分别通过相应的第二全通滤波器处理附加的声道，其中相应的第二全通滤波器中 的每一个的长度与其它的第二全通滤波器的长度不同。尽管如此，用于音频数据的任何声 道的第一和第二全通滤波器的延迟长度的和应等于用于所有其它声道的全通滤波器的延迟长度的和，以在执行实时处理时避免声道之间的同步化损失。当处理音频数据以用于存 储时，只要用于各声道的处理后的音频数据随后相关以允许声道中的每一个的音频数据被 同步，各滤波器链的延迟长度可以不同。方法然后并行地前进到414和416。在414和416中，输出相位变更的第一声道数据并且输出相位变更的第N声道数 据。类似地，可以输出附加的声道。以这种方式，可以向扬声器提供数据，以产生具有比未 处理的音频信号宽的表观声场的音频信号，其中各声道的频带(bend)之间的相位相关性 可导致声场向着中心衰减。类似地，去相关的音频声道可被记录，以用于随后的处理，诸如 用于混合或其它适当的用途。在操作中，方法400可被用于将数据声道的相位去相关，诸如加宽收听者的表观 声场、避免产生音频伪信号或者用于其它适当的用途。虽然公开了两个示例性的滤波器阶 段，但是，在适当的情况下，只要各滤波器链的延迟长度对于各数据声道相同，也可以或者 可替代地使用附加的滤波器阶段。图5是根据本发明的示例性实施例的用于执行音频声道的相位变更的系统500的 示图。系统500可以以硬件、软件或硬件和软件的适当组合实现，并且可以是在通用处理平 台上操作的一个或多个软件系统。系统500包含求和单元502和508、增益单元506和510以及延迟504，从而具有 2N的长度。类似地，第二全通滤波器单元包含求和单元512和518、增益单元516和520以 及延迟514，从而具有2N+1的长度。虽然示出单一的第N个声道滤波器链，但是只要分别具 有等于各其它的滤波器链的延迟长度的总延迟长度，就可选择适当数量的声道，但是，这里 任何单个的延迟单元504和514的长度不同于各其它的延迟单元。在操作中，系统500提供用于执行立体声或多声道相位去相关的不同结构。通过 选择适当的增益值和不同的延迟长度，各全通滤波器将产生与其它的全通滤波器的相位变 动不同的、作为处理后的信号的频率的函数的相位变动，以消除不希望的相位相关性。系统 500可被用于声场加宽、消除音频伪信号或其它适当的用途。只要全通滤波器链的总延迟长 度相等，也可以或者可替代地向滤波器链添加附加的滤波器。图6是根据本发明的示例性实施例的用于执行相位去相关和声场加宽的系统600 的示图。系统600利用二阶全通滤波器的非常长的串联，并且可以以硬件、软件或硬件和软 件的适当组合实现，并且可以是在通用处理平台上操作的一个或多个软件系统。可以通过 适当的算术处理用任何适当形式的全通滤波器替代khroeder部分。因此可类似地开发将 提供有用的相移的二阶串联的增益元件的多个阶段的计算。图7是根据本发明的示例性实施例的具有增益调制的用于声场加宽和相位去相 关的系统700的示图。系统700包含求和单元702、增益单元706、增益单元710、延迟704和求和单元 708，其形成可被称为Schroeder部分的全通滤波器配置，并且当增益单元706和增益单元 710的增益因子相等但符号相反时提供长度Ll的全通滤波器，并且将通过所有频率但还将 根据通过的频率、延迟以及增益单元706和增益单元710的增益因子添加相移。类似地，通 过使用求和单元712、增益单元716和720、具有长度L2的延迟714和求和单元718提供第 二全通滤波器。然后通过基于延迟长度L2以及增益单元716和720的振幅设置具有不同 的相移特性的第二全通滤波器，变更从第一全通滤波器接收的相位变更信号。
增益调制单元722和7 被用于诸如通过在25和.25或其它适当的值之间增 减滤波器系数来改变滤波器系数。将一对增益单元的系数与另一对增益单元的系数保持正 交，以通过第三信号调制去相关，从而在相移中产生随时间改变的变化。该第三信号可以是 低频率正弦波、低频率的窄带噪声信号或其它适当的信号。以这种方式，房间或收听环境内 的反射和相消模式相对于收听者移动，以防止收听者的听觉系统感觉到相消或反射。虽然 示出两个增益调制单元，但是也可以或可替代地使用其它适当数量的单元。鉴于本发明的以上的详细的描述和相关的附图，其它的变更方式和变化对于本领 域技术人员来说是十分明显的。并且，很显然，在不背离本发明的精神和范围的情况下，可 以实现这些其它的变更方式和变化。
权利要求
1.一种用于将信号去相关的系统，包括具有第一延迟长度、用于处理第一信号的第一全通滤波器；具有第二延迟长度、与第一全通滤波器耦合并用于处理通过第一全通滤波器处理之后 的第一信号的第二全通滤波器；具有第三延迟长度、用于处理第二信号的第三全通滤波器；具有第四延迟长度、与第三全通滤波器耦合并用于处理通过第三全通滤波器处理之后 的第二信号的第四全通滤波器，以及其中，第一延迟长度、第二延迟长度、第三延迟长度和第四延迟长度分别具有唯一值， 并且第一延迟长度与第二延迟长度的和等于第三延迟长度与第四延迟长度的和。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，第一全通滤波器、第二全通滤波器、第三全通滤 波器和第四全通滤波器中的每一个是极零滤波器。
3.根据权利要求1所述的系统，其中，第一全通滤波器包含 第一求和单元；与第一求和单元的输出耦合的第一增益单元； 与第一求和单元的输出耦合的延迟； 与延迟和第一增益单元耦合的第二求和单元；和 与延迟和第一求和单元耦合的第二增益单元。
4.根据权利要求1所述的系统，其中，第一延迟长度和第三延迟长度包含第一素数对， 并且第二延迟长度和第四延迟长度包含第二素数对。
5.根据权利要求1所述的系统，还包括与第二全通滤波器耦合的一个或多个附加的全 通滤波器和与第四全通滤波器耦合的一个或多个附加的滤波器，每个附加的全通滤波器具 有唯一延迟长度，每个附加的滤波器具有唯一延迟长度，其中，第一全通滤波器、第二全通 滤波器和与第二全通滤波器耦合的一个或多个附加的全通滤波器的总延迟等于第三全通 滤波器、第四全通滤波器和与第四全通滤波器耦合的一个或多个附加的滤波器的总延迟。
6.根据权利要求1所述的系统，其中，第一全通滤波器、第二全通滤波器、第三全通滤 波器和第四全通滤波器中的每一个是一阶滤波器。
7.根据权利要求1所述的系统，其中，第一全通滤波器、第二全通滤波器、第三全通滤 波器和第四全通滤波器中的每一个是数字滤波器。
8.根据权利要求1所述的系统，还包括与全通滤波器中的一个的增益正交地调制全通 滤波器中的另一个的增益的相移调制器。
9.一种用于处理多个信号的方法，包括用第一全通滤波器链处理第一宽带音频信号，以在具有作为频率的函数的第一变动的 第一宽带音频信号中产生相移；用第二全通滤波器链处理第二宽带音频信号，以在具有与作为频率的函数的第一变动 不同的、作为频率的函数的第二变动的第二宽带音频信号中产生相移，和其中，由第一全通滤波器链和第二全通滤波器链产生的相位变动从不大于+180度到 不小于-180度变化。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，用第一全通滤波器链处理第一宽带音频信号包含用具有第一延迟长度的第一全通滤波器处理第一宽带音频信号；和用具有第二延迟长度的第二全通滤波器处理第一宽带音频信号，其中第一延迟长度与 第二延迟长度不同。
11.根据权利要求10所述的方法，其中，用第二全通滤波器链处理第二宽带音频信号 包含用具有第三延迟长度的第三全通滤波器处理第二宽带音频信号；和用具有第四延迟长度的第四全通滤波器处理第二宽带音频信号，其中，第三延迟长度 与第一延迟长度、第二延迟长度和第四延迟长度不同，并且第一延迟长度与第二延迟长度 的和等于第三延迟长度与第四延迟长度的和。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，第一延迟长度和第三延迟长度形成第一素数 对，并且第二延迟长度和第四延迟长度形成第二素数对。
13.根据权利要求9所述的方法，其中，用第一全通滤波器链处理第一宽带音频信号包 含用具有第一延迟长度的第一全通滤波器和具有第二延迟长度的第二全通滤波器处理第 一宽带音频信号。
14.根据权利要求13所述的方法，其中，第一全通滤波器和第二全通滤波器是一阶全 通滤波器。
15.根据权利要求9所述的方法，其中，用第一全通滤波器链处理第一宽带音频信号包 含用具有第一延迟长度的第一 khroeder部分和具有第二延迟长度的第二 khroeder部分 处理第一宽带音频信号。
16.根据权利要求9所述的方法，还包括与全通滤波器中的一个的增益正交地调制全 通滤波器中的另一个的增益。
17.一种用于将信号去相关的系统，包括用于处理第一信号以产生作为频率的函数的第一相移的装置；用于处理第一信号以产生作为频率的函数的第二相移的装置；用于处理第二信号以产生作为频率的函数的第三相移的装置；用于处理第二信号以产生作为频率的函数的第四相移的装置，以及其中，作为频率的函数的第一相移、作为频率的函数的第二相移、作为频率的函数的第 三相移和作为频率的函数的第四相移分别是唯一的。
18.根据权利要求17所述的系统，其中，用于处理第一信号以产生作为频率的函数的 第一相移的装置包含一阶全通滤波器。
19.根据权利要求17所述的系统，其中，用于处理第一信号以产生作为频率的函数的 第二相移的装置包含二阶全通滤波器。
20.根据权利要求17所述的系统，还包括与第二全通滤波器的增益正交地调制第一全 通滤波器的增益的相移调制器。
全文摘要
本发明涉及声场加宽和相位去相关系统和方法。用于将信号去相关的系统包括具有第一延迟长度、处理第一信号的第一全通滤波器。具有第二延迟长度的第二全通滤波器与第一全通滤波器连接，并处理通过第一全通滤波器处理之后的第一信号。具有第三延迟长度的第三全通滤波器处理第二信号。具有第四延迟长度的第四全通滤波器与第三全通滤波器连接，并处理通过第三全通滤波器处理之后的第二信号。第一延迟长度、第二延迟长度、第三延迟长度和第四延迟长度分别具有唯一的值，并且第一延迟长度与第二延迟长度的和等于第三延迟长度与第四延迟长度的和。
文档编号H04B15/00GK102124672SQ200980131563
公开日2011年7月13日 申请日期2009年8月5日 优先权日2008年8月14日
发明者J·D·约翰斯通 申请人:Dts(英属维尔京群岛)有限公司