专利名称：利用编码和最大长度级序列的用于立体声和环绕声的音频信号去相关的制作方法
技术领域：
本发明涉及音频信号处理领域，且更为具体地，涉及用于利用编码序列来产生去相关的音频信号的方法和装置。
背景技术：
人们已经熟知音频信号的去相关。通常，音频信号的去相关包括将音频信号变换成多个信号。每个变换信号听起来与原始音频信号基本上相同，但是具有不同的波形且彼此之间具有降低的相关度(例如，低互相关性)。变换信号之间的低互相关性使得听众感受到包围和空间浸没的感觉。通常，听众的包围和空间浸没称为空间感(spaciousness)。音频信号的去相关通常包括音频再现，例如立体声和多声道环绕声的再现(例如，
5.I声道和7. I声道环绕声的再现)。在常规去相关技术中，低互相关的信号通常用于再造空间感的感觉。然而，常规信号可能会引入音质着色(timbre coloration,因为随机相位信号之间的互相关性在频谱上可能不是基本上平坦的)。常规技术实施起来计算成本也较高。因此，期望提供一种不会引入着色且计算成本低的用于音频信号去相关的装置和方法。
发明内容
本发明被实施为处理音频信号的方法。所述方法包括产生伪随机序列和产生所述伪随机序列的至少一个逆(reciprocal)，使得所述所述至少一个逆基本上与所述伪随机序列去相关。所述伪随机序列和所述所述至少一个逆形成序列集合。所述方法还包括将音频信号与所述序列集合卷积以产生对应数量的输出信号并将所述数量的输出信号提供给对应数量的扬声器。本发明还被实施为一种音频信号处理装置。所述音频信号处理装置包括配置为产生伪随机序列的编码序列发生器和信号去相关器。所述信号去相关器配置为产生所述伪随机序列的至少一个逆使得所述所述至少一个逆基本上与所述伪随机序列去相关。所述伪随机序列和所述所述至少一个逆形成序列集合。信号去相关器通过所述序列集合来修正音频信号以产生对应数量的输出信号。本发明还被实施为一种处理音频信号的系统。所述系统包括配置为接收输入音频信号和产生至少三声道的输出信号的解码器。所述系统还包括配置为接收输入音频信号和产生彼此基本上去相关的至少两个伪随机序列的音频信号处理装置。所述音频信号处理装置通过所述至少两个伪随机序列来修正输入音频信号以产生至少两个去相关的信号。
结合附图通过以下详细说明来理解本发明。需要强调的是，根据常见的做法，附图中的各部件不是按比例绘制的。相反，为了清楚，各部件的尺寸可以任意地扩大或减小。此夕卜，在附图中，相同的数字标记用于代表同样的部件。附图中包括以下图图I是示出了根据本发明的一个实施例的产生去相关的音频信号的示例性音频信号处理装置的功能框图；图2是示出了包括在图I示出的音频信号处理装置中的示例编码序列发生器的功
能框图；图3是由图2中示出的示例编码序列发生器产生的最大长度序列(maximumlength sequence, MLS)的不例相位谱图；图4是MLS序列的示例的自相关的示例和图I中的示例性音频信号处理装置产生的互逆MLS对之间的示例互相关性的图；图5是示出了根据本发明的一个实施例的包括在图I的音频信号处理装置中的示例性信号去相关器的功能框图；图6是示出了根据本发明的一个实施例的示例性空间成形(Spatial Shaping)发生器的功能框图；图7是示出了根据本发明的另一实施例的处理音频信号的示例性系统的功能框图；图8是示出了根据本发明的一个实施例的处理音频信号的示例性方法的流程图；图9是示出了用于测试使用示例性去相关方法和常规去相关方法去相关的音频信号的空间感的实验设置的功能框图；以及图10是示出了使用示例性去相关方法和常规去相关方法去相关的音频信号的空间感的概率的图。
具体实施例方式正如以上讨论的，在常规立体声和环绕声系统中，低相关性的信号通常被用于两个或更多个的扬声器，以便重建包围和空间浸没的感觉。这些常规信号通常是具有随机相位响应的信号(在这里称为随机相位信号)。然而，随机相位信号的互相关性通常是不可重复的，尤其是在低频(即大约
I.5kHz以下)。因此，利用随机相位信号难以产生随时间的可控制的低互相关性的响应(即，具有平坦频谱)。此外，在低频，互相关响应(即，一对立体声信号或环绕声信号之间的)通常对空间感的感觉和听觉事件的本地化影响更大。因此，随机相位信号可将音质着色引入到经变换的音频信号。由于难以产生可再现的低互相关性随机相位信号，因此，这些常规方法常常具有增大的处理复杂度。本发明的各方面涉及用于产生基本上去相关的音频信号的音频信号处理方法和装置。根据本发明的一个示例性方法，产生互逆伪随机序列的集合，其中互逆伪随机序列彼此基本上去相关。该互逆伪随机序列的集合与音频信号卷积，以产生对应的去相关的音频信号的集合。去相关的音频信号可以用于立体声或多声道环绕声再现。由于本发明使用伪随机序列，这些序列是可再现的并且易于控制。如以下所述，通过产生逆伪随机序列(例如，初始伪随机序列的时间反向(time-reversed)版本)，在频谱上基本上降低了互相关性。因此，与常规随机相位方法相比，示例性去相关方法可以产生更有效的空间感和更宽的听觉事件的感觉。因此，与常规随机相位方法相比，本发明的示例性去相关方法可以广生更有效的去相关。本发明的优点包括使用单声道的音频信号(例如，伪随机序列)来拓宽并扩散听觉事件的感觉(与视在声源宽度(apparent source width, ASff)有关)，这可以大大地降低去相关装置的设备成本。单声道信号可以被去相关为两个或更多个的低互相关的信号，而没有音质着色。因此，本发明的示例性去相关方法可以具有降低的处理复杂度，并且易于运用于实时系统。示例性去相关方法可以应用于例如5. I和7. I环绕声系统等立体声和多声道环绕系统。接下来参考图1，其示出了从声源104对用X表示的音频信号去相关的示例性音频 信号处理装置102的功能框图。装置102包括控制器110、编码序列发生器112、信号去相关器114和存储器116。装置102产生数量为P的去相关的信号(用Y表示)，并且将去相关的信号Y提供到对应的数量为P的扬声器106。P代表大于或等于2的正整数。装置102可以包括适于执行对音频信号X去相关的至少一部分功能的其它电子器件和软件。声源104可以包括能够提供单声道或立体声的音频信号X的任何声源。音频信号X可以包括比特流(例如MP3比特流)。音频信号X还可以包括用于产生多声道环绕声系统的左声道、右声道和中间声道的信号的参量信息。装置102可以连接到用于输出数量为P的去相关的信号Y的数量为P的扬声器106。扬声器106可以包括能够再现各个去相关的信号. .，Yp的任何扬声器。编码序列发生器112可以配置为产生具有预定序列长度N的伪随机序列m。伪随机序列m被提供给用于产生去相关的信号Y的信号去相关器114。根据示例性实施例，伪随机序列m包括最大长度序列(MLS)。参考图2，其示出了用于产生MLS的示例性编码序列发生器112。示例性发生器112包括用于存储各个系数a” . . .，ai_n+1 (例如，作为各个存储单元202的内容)的多个存储单元202和用于合并反馈系数C1,. .，Clri的求和器模块204。反馈系数Ctl,…，Cn是O或1，并且形成伪随机序列m。存储单元202可以包括例如存储装置或触发器(flip-flops)。求和器模块204可以执行模2加法或异或逻辑运算。根据一个实施例，示例发生器112可以由长度(这里也称为序列度)n的线性反馈移位寄存器实现。序列长度N与移位寄存器长度相关，即N=2n-1。根据另一个实施例，MLS可以由线性递归来产生。需要理解的是，图2示出编码序列发生器112的示例性实施例，并且编码序列发生器112可以利用任何适当的电子器件和/或利用软件来产生伪随机序列。MLS通常被称为伪随机，这是因为它们具有与随机噪声相似的随机特性但它们又是周期性和确定性的。MLS具有类似脉冲的自相关函数。它们包括基本上平坦和宽带功率谱。然而，MLS具有高随机的相位谱。参考图3，其示出了示例性的最大长度序列(MLS)的相位谱，该示例性相位谱示出了相位谱的随机特性。参考图4,其示出在50kHz的取样频率下产生级数n=12的MLS的示例性的自相关402 (在这里也称为相关函数402)。相关函数402示出了 MLS自相关的类似脉冲的特性，这对应于基本平坦的功率谱。因为功率谱是平坦的，所以，MLS不会引入着色。尽管图2中的编码序列发生器112示出了 MLS的产生，但编码序列发生器112可以产生任何适当的MLS有关的序列，其中所述序列具有类似脉冲的周期的自相关函数，并且其中，任何一对序列之间的周期互相关函数包括明显比自相关函数的峰值低的峰值。其它的示例性序列包括例如黄金(Gold)序列和卡萨米(Kasami)序列。再次参考图1，信号去相关器114可以配置为接收伪随机序列m，并产生伪随机序列的集合。信号去相关器114还可以接收音频信号X，并 可以用该伪随机序列的集合来修正音频信号X，以产生去相关的信号Y。以下关于图5来进一步描述信号去相关器114。存储器116可以存储信号去相关器114产生的伪随机序列集合。存储器116还可以存储用于产生伪随机序列m的多个预定序列长度。如以下所述，序列长度可被选择为可以产生适当的听觉事件加宽。以下在关于图6的进一步描述中，存储器116可以存储用于多个预定封闭(enclosure)的多个空间成形系数。存储器116可以是磁盘、数据库或能够储存数据的基本上任何本地或远程装置。根据该发明，控制器110可以是控制去相关信号Y的产生的常规数字信号处理器。控制器Iio可以配置为控制编码序列发生器112、信号去相关器114和存储器116。控制器110还可以控制音频信号X的接收和控制去相关信号Y从装置102到对应扬声器106的传输。控制器Iio可以配置为从存储器116中选择序列长度，用于产生伪随机序列m。控制器110还可以配置为从存储器116中选择可应用于伪随机序列集合的空间形状系数。装置102可选择性地包括用户接口 108，例如，该用户接口 108用于选择序列长度和/或空间形状系数以产生去相关的信号Y。为了选择序列长度和/或空间形状系数，用户接口 108可以包括任何合适的接口，例如包括使用显示屏(未示出)来选择序列长度和/或系数的指示装置类型的接口。本领域的技术人员根据本文的描述可以理解本发明中使用的适当的声源104、扬声器106、控制器110、编码序列发生器112、信号去相关器、存储器116和用户接口 108。接着参考图5，其示出示例性的信号去相关器114的功能框图。信号去相关器114包括逆序列发生器502和卷积器506。信号去相关器还可选地包括空间成形发生器504。逆序列发生器502从编码序列发生器112 (图I)接收伪随机序列m，并产生被称为s的伪随机序列集合。通常，集合包括伪随机序列m和伪随机序列m的至少一个逆。例如，如果产生单个逆，集合可以称为互逆对，并且可由式(I)表示m=\m(t),mji(t)\(I)其中m(t)代表伪随机序列m，mE(t)代表逆伪随机序列。通常可以使用任意数量的声源mv (t) =m(t)mE (t+v)，其中V是大于或等于I的整数。根据一个实施例，可以从m(t)的时间方向版本来获得逆伪随机序列，使得mK(t)=m(-t)。通过时间反向，可以很容易地产生MLS序列的互逆对。根据另一个实施例，可以通过以抽取因子q对伪随机序列m进行抽取(decimation)来产生逆伪随机序列。抽取因子q由式⑵表示q=2(n_1) (2)其中η是伪随机序列m的级数。
按照这样的方式，可以产生大量的序列，在这些序列中任何互逆对具有低值的互相关性。例如，在Xiang等人所著的名称为“Simultaneous acoustic channel measurementvia maximal-length-related sequences” (刊于 JASA,卷 117 第 4 册,2005 年 4 月，第1889-1894 页)和 Xiang 等人所著的名称为“Reciprocal maximum-length sequence pairsfor acoustical dual source measurements，，(刊于 JASA,卷 113,第 5 册，2003 年 5 月，第2754-2761页)中，可以找到产生互 逆MLS相关的序列的示例，上述文献的内容通过引用合并于此。互逆的M型(M-type)序列的优点在于，它们包括足够低的互相关值，这使得可以产生最大的期望感觉到的空间感。参考图4，其示出以采样频率50kHz而产生的级数n=12的互逆MLS对之间的示例性互相关404。如图4中的图406所示，互相关值404基本上是低值。如上所述，图4还示出了级数n=12的MLS的自相关402。在图4中，为便于比较,互相关404移到自相关402的下面。自相关402和互相关404 _■者均是以相同的放大比例不出的。互相关404的峰值(如图406所示)大约是0. 03，或者比自相关402的峰值低大约
30.2dB。通常，与常规随机相位方法相比，示例性的互逆MLS和互逆MLS相关的序列能够获得更宽的视在声源宽度和空间感。根据式(3)，互相关值404 (与空间感相关)可以与MLS的级数相关
2^- ^ ) /2 _ I
_7] #-) = r(3)因此，可以基于MLS的级数η来调节所感觉的空间感的量。因此序列长度N(其与级数η相关)可以被选择为获得期望的空间感并用于适当的技术实施。根据一个示例性实施例，序列长度N (用于MLS)可以在511和4095之间选择。根据另一个实施例，通过将两个或更多个的MLS或者MLS相关的序列混合在一起，也可以产生不同程度的空间感。再次参考图5，信号去相关器114可选择性地包括空间成形发生器504。空间成形
发生器504接收伪随机序列的集合&，并且产生信号的空间成形集合亙。通常，如以下关于图6的描述，所述序列集合;^可以通过预定的衰减系数来混合，以提供期望的空间感。在音频信号去相关中，通常期望产生最大的所感觉的空间感。然而，可选的空间成形发生器504可包括在信号去相关器114中，以允许所感觉的空间感的程度的降低。参考图6，空间成形发生器504包括用于各声道的衰减模块602-1、602_2和求和器模块604。例如,对于双声道系统,空间成形信号可表不为m/ (t)=k1mE(t)+m(t) (4)m2’ (t) =Lm (t) +mE (t)其中m =I m.i*⑷，，k代表各个声道的衰减系数，并且O < k〈l。通常，Ii1
设置成等于k2，使得平衡空间感，且听觉事件不会被感觉为移到某一侧。如图6所示，伪随机序列m(t)乘以衰减系数602-2 (k2)，且逆序列mK(t)乘以衰减系数602-1 CO，以形成式(4)中所示的信号。通过求和器模块604，伪随机序列m(t)与经衰减的逆序列mK(t)求和，以形成空间成形信号m/⑴。通过求和器模块604，逆序列mK(t)与经衰减的伪随机序列m(t)求和，以形成空间成形信号m2’⑴。每个衰减系数Ic1和k2可选择为与多个封闭中的一个的预定空间感匹配，并控制去相关信号Y(图5)的所感觉的空间感的量。式(4)可以用矩阵形式重写为混合矩阵
权利要求
1.一种处理音频信号的方法，所述方法包括 产生伪随机序列； 产生所述伪随机序列的至少一个逆，使得所述至少一个逆与所述伪随机序列基本上去相关，所述伪随机序列和所述至少一个逆形成序列集合； 将所述音频信号与所述序列集合卷积，以产生对应数量的输出信号；以及 将所述数量的输出信号提供给对应数量的扬声器。
2.如权利要求I所述的方法，其中所述伪随机序列包括最大长度序列(MLS)、黄金序列或卡萨米序列中的至少一个。
3.如权利要求I所述的方法，其中产生所述伪随机序列的步骤包括选择所述伪随机 序列的长度以调节所述序列集合的空间感的量。
4.如权利要求I所述的方法，其中产生所述伪随机序列的至少一个逆的步骤包括形成所述伪随机序列的时间反向。
5.如权利要求I所述的方法，其中产生所述伪随机序列的至少一个逆的步骤包括抽取所述伪随机序列。
6.如权利要求I所述的方法，还包括在卷积步骤之前，将空间成形施加到所述序列集合，以形成空间成形序列集合， 其中所述音频信号与所述空间成形序列集合进行卷积。
7.—种可触摸的计算机可读介质，包括被配置为使计算机执行如权利要求I所述的方法的计算机程序指令。
8.一种音频信号处理装置，包括 编码序列发生器，所述编码序列发生器配置为产生伪随机序列；以及 信号去相关器，所述信号去相关器配置为产生所述伪随机序列的至少一个逆，使得所述至少一个逆与所述伪随机序列基本上去相关，所述伪随机序列和所述至少一个逆形成序列集合，所述信号去相关器通过所述序列集合来修正音频信号，以产生对应数量的输出信号。
9.如权利要求8所述的音频信号处理装置，其中所述编码序列发生器包括线性反馈移位寄存器。
10.如权利要求8所述的音频信号处理装置，其中所述伪随机序列包括最大长度序列、黄金序列或卡萨米序列中的至少一个。
11.如权利要求10所述的音频信号处理装置，其中所述伪随机序列是最大长度序列，并且所述最大长度序列的序列长度在511和4095之间。
12.如权利要求8所述的音频信号处理装置，其中所述数量的输出信号被提供给对应数量的扬声器。
13.如权利要求8所述的音频信号处理装置，还包括 用户接口，所述用户接口配置成选择所述伪随机序列的序列长度。
14.如权利要求8所述的音频信号处理装置，其中所述信号去相关器包括 逆序列发生器，所述逆序列发生器配置为产生所述伪随机序列的至少一个逆，以及形成所述序列集合；以及 卷积器，所述卷积器配置为将所述音频信号与所述序列集合卷积，以产生所述数量的输出信号。
15.如权利要求14所述的音频信号处理装置，其中所述逆序列发生器通过形成所述伪随机序列的时间反向或抽取所述伪随机序列中的至少一个来产生所述伪随机序列的至少一个逆。
16.如权利要求14所述的音频信号处理装置，其中所述信号去相关器还包括 空间成形发生器，所述空间成形发生器配置为将空间成形施加到所述序列集合，以形成空间成形序列集合， 其中所述卷积器将所述音频信号与所述空间成形序列集合进行卷积。
17.—种处理音频信号的系统,包括 解码器，所述解码器配置为接收输入音频信号并产生至少三声道的输出信号；以及 音频信号处理装置，所述音频信号处理装置配置为接收所述输入音频信号并产生基本上彼此去相关的至少两个伪随机序列，所述音频信号处理装置通过所述至少两个伪随机序列来修正所述输入音频信号，以产生至少两个去相关的信号。
18.如权利要求17所述的系统，其中各伪随机序列包括最大长度序列、黄金序列或卡萨米序列中的至少一个。
19.如权利要求17所述的系统，其中所述音频信号处理装置包括 编码序列发生器，所述编码序列发生器配置为产生所述至少两个伪随机序列的第一序列；以及 信号去相关器，所述信号去相关器配置为产生所述至少两个伪随机序列的剩余序列，所述剩余序列被产生为所述第一序列的逆。
20.如权利要求19所述的系统，其中所述信号去相关器包括 逆序列发生器，所述逆序列发生器配置为产生所述剩余序列；以及 卷积器，所述卷积器配置为将所述输入音频信号与所述至少两个伪随机序列卷积，以产生所述至少两个去相关的信号。
全文摘要
提供了处理音频信号的方法和系统。所述方法包括产生伪随机序列并产生所述伪随机序列的至少一个逆使得所述至少一个逆与所述伪随机序列基本上去相关。伪随机序列和所述所述至少一个逆形成序列集合。所述方法还包括将音频信号与所述序列集合卷积，以产生对应数量的输出信号，并将所述数量的输出信号提供给对应数量的扬声器。
文档编号G10L21/00GK102741920SQ201180007737
公开日2012年10月17日 申请日期2011年1月31日 优先权日2010年2月1日
发明者史贝, 向宁, 谢博孙 申请人:伦斯莱尔工艺研究院