专利名称：改进立体声或伪立体声音频信号的装置和方法
技术领域：
本发明涉及音频信号和用于产生、传输、变换和再现音频信号的装置和方法。
背景技术：
一般公知通过两个或更多扬声器发射的音频信号会为听者带来空间的印象，只要这些音频信号具有不同的振幅、频率、传播时间或相位差或相应地交混回响。还公知有将单声道信号转换为两个不同的、产生立体声信号印象的音频信号的方法。这些解决方案尤其是用于将单声道音频信号转换为为耳朵带来实际的或虚拟的空间性的音频信号。由单声道信号产生的一对不同的、部分相关的音频信号被称为“伪立体声”。EP0825800 (Thomson Brandt GmbH)提出通过滤波由单声道输入信号形成不同类型的信号，从这些信号中例如利用由劳瑞德森(Lauridsen)提出的方法基于振幅校正和传播时间校正并根据接收情景产生分离的虚拟单频带立体声信号，这些立体声信号随后被组合成两个输出信号。EP2124486和EP1850639都例如描述了一种用于有方法地对要映射的声现象的、由麦克风主轴和声源的定向轴包围的入射角估值的方法，该方法利用与原始接收情景 (借助系统内插地得到)在功能上相关的传播时间差和振幅校正。由此将EP21M486和 EP1850639的内容作为参考引入。US5173944 (Begault Durand)将与 90 度、120 度、240 度和 270 度方位角相关的 HRTF(报头相关的传输函数，Head Related Transfer Functions)分别应用于不同延迟的但被一致放大的单声道输入信号，其中最后又将所形成的信号与原始的单声道信号相叠加。在此，振幅校正以及传播时间校正都是独立于接收情景选择的。一些伪立体声信号具有提高的“相位性(Phasigkeit)”，即在两个声道之间可明显感知的传播时间差。两个声道之间的相关度也常常会过低(缺少兼容性)或过高(对单声道声图(Monoklangbild)的不期望近似)。因此，伪立体声信号以及立体声信号都具有由于对发射的信号不够的或过大的去相关而带来的缺陷。
发明内容
因此，本发明的目标在于，解决这些问题并对立体声信号(包括伪立体声信号)进行平衡或反之使它们的差别更大。本发明的另一个目标是，改进、产生、传输、变换或再现立体声和伪立体声音频信号。本发明的公开
借助本发明，这些问题首先通过表面上不适当地在用于转换伪立体声信号的装置中后接全景电位计来解决。全景电位计(Panorama-Potentiometer)(也称为Pan-Pot，或全景控制器或全景调节器)本身是公知的并用于强度立体声信号，即用于仅通过其电平来区分而不是通过传播时间差或相位差或者不同的频谱来区分的立体声信号。图1示出了公知的全景电位计的电路原理。该设备具有一个输入101和两个输出202、203，该两个输出位于声道组L (左音频声道)和R (右音频声道)的总线204和205上。在中间位置(M)两个总线获得相同的电平，在侧位置左(L)和右(R)信号仅分别被引导到左总线和右总线。全景电位计在中间位置上产生电平差，这些电平差相应于基于扬声器的、幻象声源的不同位置。图2是没有要提取的超基区域(Obertasisbereich)和相应的映射角的全景电位计的左和右声道的衰减走向。在中间位置，每个声道内的衰减为3dB，由此通过声学叠加产生与在位置L或R上只有一个声道存在时相同的音量印象。全景电位计可以例如作为分压器以不同的、可选的比例将左声道分配到所产生的左输出或右输出(这些输出也可以被称为总线)上，以及以相同的方式以不同的、可选的比例将右声道分配到同一个左输出或右输出(同一个总线)上。因此，可以在强度立体声信号中缩小映射宽度并使其方向移动。在利用传播时间差或相位差、不同的频谱或交混回响的伪立体声信号中(以及一般地说在如此实现的立体声信号中)，无法利用全景电位计进行这样的对映射宽度的缩小或映射方向的移动。因此通常原则上不考虑全景电位计对这种信号的应用。但是根据本发明没有预计到并与迄今的经验相反地确定，以往未知的将全景电位计连接在用于伪立体声转换的电路之后会带来预计不到的优点。尽管这样的后接不会导致如上所述的对所获得的立体声信号的映射宽度的限制或映射方向的移动。但是利用这样的全景电位计以这种方式可以提高或降低左信号和右信号之间的相关度。在一种优选实施方式中，在用于获得伪立体声信号的电路之后的左输出和右输出中各连接一个全景电位计。在此，优选共同地且优选相同地使用两个全景电位计的总线。在此每个全景电位计具有一个输入和两个输出。第一全景电位计的输入与所述电路的第一输出连接，第二全景电位计的输入与该电路的第二输出连接。第一全景电位计的第一输出与第二全景电位计的第一输出连接。第一全景电位计的第二输出与第二全景电位计的第二输出连接。替代地和等同地，代替利用全景电位计，还可以借助具有立体声转换器和连接在该立体声转换器前的用于放大该立体声转换器的输入信号的放大器的、用于转换伪立体声的第一电路来匹配相关度，该电路没有全景电位计。由此，能够以较少的组件实现等同的相关度匹配。替代地和等同地，代替利用全景电位计，还可以借助第二电路来更改相关度，该第二电路具有修改的立体声转换器，该修改的立体声转换器包括加法器和减法器，用于将各自被放大到预定倍数的输入信号(M，S)进行相加或相减，以产生与全景电位计的总线信号相同的信号。由此能够以还要少的组件实现等同的相关度匹配。本发明还可以应用于产生通过两个以上的扬声器再现的信号的装置或方法(例如属于现有技术的环绕设备)。
以下对本发明的不同实施方式进行示例性的描述，其中参照以下附图 图1示出公知的全景电位计的电路原理图。
图2是没有要提取的超基区域和相应的映射角的全景电位计的左和右声道的衰减走向。图3示出本发明的第一实施方式，其中，由立体声转换产生的左声道L’和右声道 R’在共同的总线L和R中分别输入一个全景电位计。图4示出本发明的第二实施方式。图5示出本发明的第三实施方式。图6示出本发明的第四实施方式，具有与图3等同的、带有稍微修改的MS矩阵的电路，该稍微修改的MS矩阵使得不需要直接后接全景电位计。图7示出与图3或图6等同的电路，只要对于图3所示的全景电位计的成反比的衰减λ和ρ有关系式λ =ρ成立。图8示出按照图7的扩展电路，用于对立体声转换器输出信号的电平进行标准化。图9示出一种电路的例子，该电路作为图8的扩展将给出的信号x(t)，y(t)作为传输函数f*[x(t)] = [x(t)/ V二 ]* (-1 + i)和g*[y(t)] = [y(t)/ V 2 ] * (1 + i)的和映射到复数平面上。图10示出一种电路的例子，该电路作为图9的扩展确定立体声信号的映射宽度。图11示出用于在传输到按照图12的电路(用于确定信号的定位)之前已存在的立体声信号L°、R°的输入电路的例子，该输入电路将L°、也就是l(t)和R°、也就是r(t)作为传输函数 f*[l(t)] = [l(t)/ V 2 ] * (-1 + i)和 g*[r(t)] = [r(t)/ V" ] * (1 + i)的和映射到复数平面上。图12示出用于确定信号定位的电路，该电路的输入可以与图10的输出或图11的输出连接。
具体实施例方式图3-5示出按照本发明的电路的不同实施方式，其中，全景电位计311和312、411 和412、511和512分别在下面直接连接在伪立体声转换电路309、409和509之后。在这里所示出的每个例子中，伪立体声转换电路309,409和509分别由如EP21M486和EP1850639 中所述的具有MS矩阵301、410和510的电路构成。利用全景电位计311和312、411和412、511和512可以提高或降低所产生的总线 L 304、404、504和R 305、405、505的相关度。因此，由立体声转换(在穿过MS矩阵后)产生的左声道L，302、402、502和右声道R，303、403、503在共同使用的总线L和R中分别输入一个全景电位计。如果将针对由装置309、409或509产生的立体声信号302、402、502的全景电位计 311、411或511的左输入信号L，的衰减λ和针对由装置309、409或509产生的立体声信号303、403、503的全景电位计312、412、512的右输入信号R，的衰减P缩小到0到3dB的范围内，则可以反比地引入关系
1≥λ≥0和
1 ≥ P ≥ 0
(其中1相应于值OdB，而0相应于值3dB)。
由此，λ和ρ相应于图3-5中所示的全景电位计的、缩小到0到3dB范围内的成反比的衰减。由此，对于所产生的立体声信号(总线)L和R (304和305、404和405、504和505) 或全景电位计311、411、511的输出信号L”313、413、513以及R” 314、414、514和全景电位计312、412、512的输出信号L，，，315、415、515以及R，，，316、416、516，得到以下关系式
(1)L = L" + L' "=1/2 * L，(1 +λ) + 1/2 * R，(1 —P)，以及
(2)R = R" + R' “ = 1/2 * L，(1 -λ) +1/2 * R，(1 + P )。图6示出另一实施方式，其具有与图3等同的电路，该电路具有稍微修改的MS矩阵，该MS矩阵使得不需要直接后接全景电位计。在考虑等同的立体声转换(MS矩阵化)
L' = (M + S) * 1/ V 5 和
R' = (M - S) * 1/ V 2 的情况下，得到关系式
(1) L = [M (2 + λ- p) + S (λ + p)]*l/2V2 (2 ) R = [Μ ( 2 - λ + p)-S(A+p)]*l/2 V L由此使得总线L和R的信号也能直接由立体声转换电路的输入信号M和S导出。对于λ =p的情况(左声道和右声道中的衰减相同)，下式成立
(3)L =(Μ + λ * S) * 1/ V 2
(4)R= (Μ - λ * S) * 1/ V 2。也就是说，信号S的振幅的变化与在左声道和右声道中衰减相同的情况下分别后接一个全景电位计等同。在此前提下输出信号L和R相应于图3的总线信号L和R。由此得到例如图6所示形式的电路或方法(其中可能有些微的偏差)，该电路由放大到(2+λ-ρ )倍的M信号和放大到(λ+ρ )倍的S信号形成和信号，以及将放大到 (2- λ + ρ )倍的M信号减去放大到(λ + ρ )倍的S信号以形成差信号，其中，整体上进行系数为1/2 V 2的校正，以获得等同于公式(1)和(2)的信号L和R。图7示出与图3或图6等同的电路，只要对于图3所示的全景电位计的成反比的衰减λ和ρ有关系式λ =ρ成立。不要将该电路与由强度立体声(MS-麦克风方法)公知的用于改变接收角或张开角的布置(该布置在此不发生！)相混淆。在此假定，对于立体声信号的平衡或区分来说，对于所提出的全景电位计或以上示出的修改的MS矩阵一致的衰减往往是足够的。于是利用λ=ρ，可以将以上示出的根据以上的公式(3)和(4)的装置简化为
(3)L =(Μ + λ * S) * 1/ V 2
(4)R= (Μ - λ * S) * 1/ V 2
这等同于对S信号(717)的简单的振幅校正。这样的对S信号的振幅校正迄今仅公知于传统的MS麦克风方法，并在那里导致在理想区域中接收角或张开角的改变，而在本发明中这是不会发生的。具有相同作用原理的转用是不可能的(因此将MS麦克风技术应用于本发明的电路不是显而易见的)。因此，在图7中，在最后穿过MS矩阵之前，对S信号补充放大到λ (1彡λ彡0)倍。所产生的立体声信号在衰减一致的情况下等同于图3的总线信号304和305、图4的总线信号404和405，以及图5的总线信号504和505，也等同于图6的输出信号L和R，只要在那里λ =P成立。在实践中利用该电路或方法可以准确地确定相关度，即在衰减λ和相关度r之间存在直接的函数关系，在理想情况下有
0. 2 ≤ r≤ 0. 7o对于λ来说，已证实对于大多数应用实验序列 0.07 ≤ λ ≤ 0. 46
是有利的。尤其是利用该装置或方法可以容易地消除伪声(如干扰的传播时间差、相位差，等等)，不管是手动还是自动(利用算法)。因此，由于后接的全景电位计与一致衰减和在最后的MS矩阵化之前对S信号的系数为λ λ > 0)的振幅校正的等同性，可以实现令人信服的伪立体声，其从原始的单声道信号出发地为听者提供了广泛的、但最简单的后处理可能性，这原则上保护了兼容性并避免了干扰的伪声。本发明的装置例如可以用于电话中，用于对音频信号的专业化的后处理领域中， 或者还可以用于以最简单、但有效运行为目标的高价值的电子消费品的领域。对映射宽度的限制或扩展
对于该应用推荐附加地使用属于现有技术的压缩算法或数据缩减方法以及对例如所获得的伪立体声信号的最小值或最大值的表征性特征进行观察，用于对伪立体声信号进行按照本发明的加速的评价。尤其感兴趣的是(例如对于汽车中立体声信号的再现)，借助有针对性地改变所产生的立体声信号的相关度r或(用于形成产生的立体声信号的)衰减λ或ρ能够对所获得的立体声信号的映射宽度进行事后的限制或扩展。先前确定的、描述要立体声化的信号的方向特性的参数f (或n)，要手动或用测量技术确定的、由主轴和声源包围的角Φ，虚拟的左张开角α以及虚拟的右张开角β在此可以保留，并且有意义的是仅还需要最后的、例如按照图8的逻辑元件120的振幅校正，只要对映射宽度的限制或扩展是手动进行的。如果该限制或扩展需要自动进行，则心理声学(psychoakustisch)实验序列显示， 对于立体声输出信号X(t)，y(t)或其复数传输函数
(5)f*[x(t)] = [x(t)/ V 2 ] * (-1 + i)
(6)g*[y(t)] = [y(t)/ V 2 ] * (1 + i) 来说恒定的映射宽度主要与准则
(7)0 ≤ S*- ε ≤ max Re {f*[x(t)] + g*[y(t)]} | ≤S* + ε ≤ 1 以及准则
r
(8)
权利要求
1.一种用于获得在左信号和右信号之间具有可变相关度的伪立体声信号的装置，包括第一电路(309，409，509)，具有用于转换伪立体声的立体声转换器以及两个后接的全景电位计(311-312 ；411-412 ；511-512)，其中每个全景电位计形成两个总线信号；或者用于转换伪立体声的第一电路(309，409，509)，具有立体声转换器和连接在该立体声转换器前的放大器(717)，该放大器(717)用于放大该立体声转换器的输入信号；或者第二电路，具有修改的立体声转换器，该修改的立体声转换器包括加法器和减法器，用于将各自放大到预定倍数的输入信号(M，S)进行相加或相减，以产生与所述总线信号相同的信号。
2.如权利要求1所述的装置，其中，在所述第一电路之后的左输出(L’)和右输出(R’ ) 中各连接一个全景电位计。
3.如权利要求2所述的装置，其中，两个全景电位计包括总线(313-314；315-316 ； 413-414 ；415-416 ；513-514 ；515-516)，其中两个总线只能被共同且相同地使用。
4.如权利要求2所述的装置，其中，每个全景电位计具有一个输入(302；303)和两个输出(313-314 ；315-316)，其中，第一全景电位计(311)的输入与所述第一电路的第一输出(L’ )连接，第二全景电位计(312)的输入与所述第一电路的第二输出(R’ )连接，第一全景电位计(311)的第一输出(313)与第二全景电位计(312)的第一输出(315) 连接，以及第一全景电位计(311)的第二输出(314)与第二全景电位计(312)的第二输出(316) 连接。
5.如权利要求1所述的装置，其特征在于，(a)用于最后由左输出信号L’形成左总线L的信号的装置，该左输出信号L’与系数1/2*(1+λ)相乘(其中λ反比地表示所述MS矩阵的左输出信号L’的衰减，1 (相应于 OdB)≥λ≥0 (相应于3dB))，与MS矩阵的右输出信号R，相力卩，该右输出信号R，与系数1/2*(1-P)相乘(其中P反比地表示所述MS矩阵的右输出信号R’的衰减，1 (相应于 OdB)≥P≥0 (相应于3dB))，以及(b)用于最后由在(a)中所述的左输出信号L’形成右总线R的信号的装置，该左输出信号L’与系数1/2* (1-λ)相乘，与在(a)中所述的MS矩阵的右输出信号R’相加，该右输出信号R’与系数1/2*(1+P)相乘。
6.如权利要求1所述的装置，其特征在于，(a)求和装置，用于由被放大到(2+λ - ρ )倍的第一输入信号(M)和被放大到(λ + ρ ) 倍的第二输入信号(S)形成和信号；(b)求差装置，用于由被放大到(2-λ+ρ)倍的第一输入信号(M)减去被放大到 (λ + P )倍的第二输入信号(S)来形成差信号。
7.如权利要求6所述的装置，其中，衰减λ和ρ相同。
8.如权利要求1至7之一所述的装置，具有标准化装置，用于对所产生的左声道和右声道的最大值的电平标准化，或等价地对针对<x(t)，y(t)>的参照系的轴长进行标准化。
9.如权利要求1至8之一所述的用于获得伪立体声信号的装置，其特征在于，具有用于借助产生的伪立体声信号的相关度r以及衰减λ或衰减ρ的可能改变来附加地确定产生的伪立体声信号的映射宽度的装置。
10.如权利要求1至9之一所述的装置，具有用于附加地确定立体声信号的映射方向的装置。
11.如权利要求1至10之一所述的装置，具有用于附加地分析现有的、能够通过两个或更多扬声器再现的立体声信号的装置。
12.如权利要求1至11之一所述的装置，具有对音频信号进行压缩或数据缩减或进行其它选择性分析的装置。
13.如权利要求1至12之一所述的装置，其特征在于，具有一个或多个转换器，用于将获得的立体声输出信号转换为用于通过两个以上扬声器再现的立体声信号。
14.一种如权利要求1至13之一所述的装置对基于FM立体声信号获得伪立体声信号的应用。
15.一种用于获得在左信号和右信号之间具有可变相关度的伪立体声信号的方法，包括利用立体声转换器对信号进行立体声转换，以及借助以下来匹配左信号和右信号之间的相关度-两个全景电位计；或者-借助连接在所述立体声转换器前的、用于放大所述立体声转换器的输入信号的放大器(717);或者-借助修改的立体声转换器，该修改的立体声转换器包括加法器和减法器，用于将各自被放大到预定倍数的输入信号(M，S)进行相加或相减。
16.如权利要求15所述的方法，其中，在左输出声道和右输出声道中各连接一个全景电位计，其中两个全景电位计分别包括一个总线，其中两个总线被共同且相同地使用。
17.如权利要求15所述的方法，其中，每个全景电位计具有一个输入(302；303)和两个输出(313-314 ；315-316)，其中，第一全景电位计(311)的输入与电路的第一输出(L’)连接，第二全景电位计(312)的输入与电路的第二输出(R’ )连接，第一全景电位计(311)的第一输出(313)与第二全景电位计(312)的第一输出(315) 连接，以及第一全景电位计(311)的第二输出(314)与第二全景电位计(312)的第二输出(316) 连接。
18.如权利要求15所述的方法，其特征在于，(a)最后由左输出信号L’形成左总线L的信号，该左输出信号L’与系数1/2*(1+λ) 相乘(其中λ反比地表示所述MS矩阵的左输出信号L’的衰减，1 (相应于OdB)≥λ≥ O (相应于3dB))，与MS矩阵的右输出信号R’相加，该右输出信号R’与系数1/2*(1-Ρ)相乘(其中P反比地表示所述MS矩阵的右输出信号R’的衰减，1 (相应于OdB)≥P≥O (相应于3dB))，以及(b)最后由在(a)中所述的左输出信号L’形成右总线R的信号，该左输出信号L’与系数1/2* (1-λ)相乘，与在(a)中所述的MS矩阵的右输出信号R’相加，该右输出信号R’与系数1/2*(1+P)相乘。
19.如权利要求15所述的方法，其中，(a)由被放大到(2+λ - ρ )倍的第一输入信号(M)和被放大到(λ + ρ )倍的第二输入信号(S)形成和信号；(b)由被放大到(2-λ + ρ )倍的第一输入信号(M)减去被放大到(λ + ρ )倍的第二输入信号(S)来形成差信号。
20.如权利要求19所述的方法，其中，衰减λ和ρ相同。
21.如权利要求15至20之一所述的方法，其中对所产生的左声道和右声道的最大值的电平进行标准化，或等价地对针对<x (t)，y(t)>的参照系的轴长进行标准化。
22.如权利要求15至21之一所述的用于获得伪立体声信号的方法，其特征在于，借助产生的伪立体声信号的相关度r以及衰减λ或衰减ρ的可能改变来附加地确定产生的伪立体声信号的映射宽度。
23.如权利要求15至22之一所述的方法，其特征在于，附加地确定现有的立体声信号的映射方向。
24.如权利要求15至23之一所述的方法，其特征在于，附加地分析现有的、能够通过两个或更多扬声器再现的立体声信号。
25.如权利要求15至M之一所述的方法，其特征在于，对音频信号附加地应用压缩方法或数据缩减方法或其它选择性分析方法。
26.如权利要求15至25之一所述的方法，其特征在于，将获得的立体声输出信号转换为要通过两个以上扬声器再现的立体声信号。
27.如权利要求15至沈之一所述的用于获得伪立体声信号的方法，其特征在于，将该方法应用于FM立体声信号。
全文摘要
所提出的装置和所提出的方法使得尤其是伪立体声音频信号的相关度能够线性变化，并在整体上表现出广泛但非常简单的后处理可能性。这例如在至今仍然几乎原则上基于单声道信号的电话中，在对音频信号进行专业后处理的领域中，尤其是为了对音频信号的映射宽度进行限制或扩展、为了获得稳定的FM立体声信号，或者在以最简单但能有效运行为目标的高价值的电子消费品领域中是期望的。
文档编号H04S5/00GK102577440SQ201080032967
公开日2012年7月11日 申请日期2010年4月29日 优先权日2009年7月22日
发明者C.帕尔 申请人:斯托明瑞士有限责任公司