专利名称：用于声象增强的立体声控制装置和方法
技术领域：
本发明涉及一种自动立体声象增强方法和装置，其中，与声音信号相关的电信号通过幅度和相位控制被电处理而对立体声放音产生一种增强的感觉。
声音是弹性介质中的振动，声能是声音在介质中产生的附加能。在介质中的声音通过介质中能量的压缩和折射而传播。通过介质振荡而传播声音。一个振荡周期是介质的一次全振动，并且频率是每单位时间振荡的周期数。波长是波峰之间的距离，运动幅度(相对于能量)是振荡的位移。在流体中，无阻波前球形扩展。
听觉是人对声音的基本反应。耳朵的器管和神经接收和传递听到的脉冲到大脑，大脑接收它，把它与记忆进行比较、分析，并且将该脉冲翻译成引发思维反应的一个概念。该过程的最后步骤被称作听，它发生在大脑中;耳朵仅仅是一个接收器。因而，听觉是客观的，而听是主观的。本发明的方法和装置是用于人收听时的立体声象的自动增强，而收听过程又是听觉的感觉过程，所以本专利描述人体的感觉。因为一个人有二只耳朵，彼此横向间隔，所以在每个鼓膜里的声音几乎总是不同的。某些差别是由于强度、振幅或能量引起的，而另一些是由于时间或相位差而引起。每个耳朵送一个不同的信号到大脑，大脑分析和比较这两个信号，从它们中提取包括确定声源视在位置和大小，以及围绕收听者声音空间的信息。
从一个声源听到的最初的声音是直达声，它来自于声源的“视线”，直达声到达是不变和不混杂的，并且只持续到声源发射它那么久。直达声在耳朵里被接收，具有一个音频响应(音质)，它对声源产生的声音是相对真实的，因为它只受到在流体介质(空气)的损失。重要的瞬时特点，例如音品，特别是在较高音域中，是通过直达声传输的。在每个鼓膜里的整体差别被发现有时间，振幅和频谱方面的差别。除二耳之间中面上一个声源发出的声音外，两耳的实际间隔能使一个耳朵晚于另一个耳朵听到。时间延迟差取决于声音到达的方向，并且延迟可长达大约0.8毫秒。0.8毫秒的延迟大约等于1110赫兹的一个周期时间。高于这个频率，则到达的声音的波长小于二耳之间的距离，并且耳间的时间差的效果明显地减小，因而只有在低于大约1400Hz时，此时间差对定位声音方向才是有用的。到二耳的声音之间振幅差主要是由头和外耳廓的偏转和遮蔽作用引起的。当高于400Hz，这些作用即增强并且成为大脑判读确定较高频率的声源方向的信息源。其它对声音高度和方向的线索来源于声音方向判断过程中转动我们头的实践。这改变了相应的振幅和时间差，以提供更多的数据用于判断方向的思维过程。二个过程都依赖于频率，但当二者都被用于连续信号的声源方向的判断时，显示出时间差对于声音的瞬时部分更有用。
在人收听时，记忆在声音判断中扮演一个重要的角色。大脑将耳间听到的瞬时差、耳间振幅差、耳间频谱差，以及优选效应和后面将描述的瞬时结合，与同因素的记忆比较。大脑不断地把当时的感觉与储存的印象进行比较，以便使正在被接收的信号与储存的进行比较，以提供一个周围活动的概念。在收听时，感觉到的声音与记忆的类似事件结合在一起产生一个与声源相关的围绕我们的概念化的几何轮廓的思维图象，以产生一个概念化的图象空间。在概念化的图象空间中，真实的与看起来是真实的是一样的。本系统和装置用于产生一个好象是真实的概念图象的空间，但从客观上判断，是一个幻觉。
一个具有两个在观察者前面的隔开扬声器声源的装置中，观察者在它们前面正中间，从每个扬声器产生一个实质上相同的声音，它们同相、同幅，发送给观察者一个在二扬声器中间的虚声象。由于声源是同相的，这个虚声象被称作一个“同相的声象”。通过改变相对的振幅，该同相声象能被移到二扬声器间任一点上。在声音信号常规专业处理中，这种移动动作称作“摇摄”，由电位计移动立体声录音法(全景电位器)控制。
如果送到一个扬声器(两个相同扬声器之一)的一个信号极性被反向，一个同等可信的虚象声能被听到。这使从扬声器到耳朵的声音发生180度的相移。简言之，来自左扬声器的第一个0度推迟的相移信号首先达到左耳，然后到右耳，同时，来自右扬声器的第二个180度推迟的相移器信号首先达到右耳，然后到左耳，这些信号提供信息到耳-脑机理，它在收听者头中点后部显出一个虚声象，这个虚像是“反相”图象。由于它是思想过程产生的虚象，所以对不同收听者位置是不同的。大多数收听者听到的反相图象好象在外部，并在头后。反相图象不作为一个点源显出它本身，但被扩散，并形成收听者概念图象空间的后界。通过改变各种频率的左、右信号的相位关系和/或振幅，虚象能从观察者头部后部朝着左或右扬声器的方向沿着弧形或半圆形产生。
另一个影响声音感觉的是“优先效应”，其中，被听到的头一个声音控制耳-脑机理，直到迟50毫秒到达的声音似乎是该原始声音的一部分并来自同一方向。通过延迟送到一个扬声器的信号(与另一个比)，声源的视在方向能被改变。由于优先效应，通过将信号延迟30毫秒，视声源的方向可加以控制。该效应取决于信号的瞬间特性。
优先效应的本质部分，作为一种可识别的独立现象，被看作“瞬时结合”，它结合直达和延迟声音在一起。耳-脑机理把几乎同时达到的二个或很多的类似声音混合在一起。在头一个声音被听到后，大脑就消除以后30毫秒内达到的类似声音。正是因为这种现象，才能保持直达声和房间回响的所有声音一起，使直播收听产生一种舒服和自然的感觉。由于定向听觉机理是靠直达声工作的，所以，即使来自不同方向的多个声波紧随其后，直达声源也能被定位。
房间墙壁是反射面，通过它，直达声被反射而形成复杂的反射。达到收听者的第一个反射被称作一次反射;第二个，称作二次反射，等。形成一个来自于虚声源的声像，它位于收听者与反射点连线的延续部分。这对所有次反射都是真实的。如果我们产生一些生成虚象的信号，则其边界能被收听者感觉到。这是一种条件记忆的现象。边界图象的位置通过产生虚象的信号内的振幅和相位变化而扩展。这个表现的边界图象扩大了感觉的空间。这个视边界图象扩大了感觉的空间。
影响耳-脑机理对位置、尺寸、范围、音阶、回响、空间识别、立体效果和环境的判断能力的声音信息能从左右声源的差中获得。当这种信息在反相图象位置上与原立体声信号混合时，为了产生仿真图象边界感觉，有必要通过频率整形和线性延迟对这种信息进行修改。
为了产生立体声信号，录音业一般做法是在接近声源处使用二个或多个传声器，无论使用多少传声器，它们总是被同相电极化的。当在这些条件下(它们是工业标准)，节目源被产生时，这里描述的装置产生一个合成调节信号，用于建立带自己时域的第三个点。因为新的整体信息是由分离、交变和重组形成的，所以这种衍生被称作合成。
为了有助于进一步建立带一个独立时域的点，使用第三个传声器去确定与原立体声传声器对相关的第三个点的位置，与增加第三个传声器的输出到原立体声传声器对的左和右侧不同，第三个传声器被加到左立体对，并从右立体对减去。这个装置提供了一个双声道的立体声信号，这由一个左信号，一个右信号和一个可复原的信号组成，该复原信号源与被录制的声音空间相关，但位置是独立的。这被称作有机衍生(organicderivation)，与上述讨论的合成情况相比，其比值是与左减右成比例的(根据这个比例被产生)，但基于它自己的时间参数，即，与三个传声器之间的间隔相关。有机调节信号间的定时随原声源相对于三个传声器的的位置而定。产生的信息比合成产生的调节信号更近似自然模型。
无论控制有机情况，还是合成情况，其处理以及从中产生的一个调节信号的生成都将产生一个扩展的收听感觉。
在合成的有机情况下，由二个或多个传声器进行录制的全部声源都含有原始的方向信号。当通过本发明的装置作用时，原始方向信号的一部分被以调节信号的方式加以隔离、修正、重组和相加，以形成一个新的整体。新信号部分是原始的，部分是合成的。原始与合成比受操作者采用下列二个操作方式控制(1)空间，其比率是常数。合成正比于原始声源，因而增强取决于立体声节目内容中存在的原始信息量。
(2)自动空间，其中比率电气地变化。合成反比于原声源，而因增强被保持在与节目内容无关的恒定的平均值。
当一个立体声录制被单声重放时，如果整体音乐平衡不变，就可说是兼容的。当单声重放时，立体声录音的维度将消失，但L+R时(即，左加右源已经被组合成单声的声音，也被称作L＝R)内部仪器的平衡应保持稳定。
兼容性问题的产生是由于在一个通常的立体声广播中单音的或L+R广播不含有左、右声源存在的全部信息。当这样组合时，它仅含有矢量比的相似性的信息，而不同的信息损失了。差分信号是可能象相加信号一样含有大量相同的有关一个声源的音乐内容。
由于在左加右组合中，差分信息将被损失，方向成分应包括大部分的差分信号。方向信息在单声重放中无用，且它的损失对于音乐均衡是没有影响的。因而，必须引入附加的方位或立体产生成分应以这种方法引入，即，在L+R组合中，它们的除去将不打破在原始立体声节目中建立的音乐均衡。
在反相图象位置插入调节信号，能在立声体方式中增加并产生空间密度，而在单声方式中则完全损失，在这里方向信息将是不用的。在不破坏内部仪器音乐均衡的单声方式中，可损失的信息包含与尺寸、位置、范围和环境有关的信号，但是不包含原声源信息。
为了达到上述目的，方向信息即左信号减右信号只有从真正的声源获得，该声源在单声模式中被损失。
无论一个调节信号是以合成方式或有机方式产生的，从右信号减去左信号和在反向位置重新插入它，对于单声/立体声兼容性都是无问题的，只要调节信号的强度不引起输出中全部RMS差能超过全部RMS相加能。
为了帮助理解本发明，可由基本的概括形式表示，即，本发明旨在一种立体声象增强系统和装置，其中提供了一个调节信号，并将其引入到电信号，它们将由二个间隔放置的扬声器重放，以便使二个扬声器之间感觉到的声框(soundframe，见图2-4中24所示)是一个开放式的场，它至少从二个扬声器之间的平面向收听者扩展，并且包括使收听者感觉到的边界。如果原始声源近似微音，则调节信号是有机的，或它可由左、右声道立体声信号产生出来。
一方面，本发明提供一个自动立体声象增强系统和装置，在那里双声道立体声由一些信号重放，这些信号产生一个第三象点，利用它，边界象面能在收听过程中感觉到，使以收听者产生一个扩大的概念声象空间。
另一方面，本发明提供的立体声象增强系统包括自动装置，用于引入具有希望强度的与节目内容无关的调节信号，加入到将要通过二个间隔的扬声器重放的电子信号中。
另一个目的是提供一种自动立体声象增强系统和装置，当收听单声或立体方式的重放时，装置的仪器内部音乐均衡保持稳定。
另一个目的是提供一种单声兼容自动立体声象增强系统和装置。操作者容易受到训练去使用该系统和装置，得到具有增强的概念象空间的理想的录音。
本发明的特点是新颖的，具体地在所附的权利要求中提出。本发明的构成与操作方式及深一层的目的和优点，能够参照下列结合附图的说明得到更好地理解。
图1是一个面朝着二个间隔扬声器的收听者的透视图，并示出一个范围的轮廓。
图2是一个声框感觉的平面简图，它包括一个合成调节信号，该信号被包含在传输到扬声器的信号内。
图3是一个感觉到的开放场声框的平面简图，在那里一个有机的调节信号被引进供给扬声器的信号。
图4是一个开放场声框的平面简图，它由图内收听者所在位置感觉到，并受调节信号内的各种变化的影响。
图5是一个声源和传声器布局的平面简图，它将有机地产生一个调节信号。
图6是一个电路的简图，它将有机地产生的调节信号与左、右声道信号结合起来。
图7(a)和7(b)根据本发明，形成一个自动立体声象增强系统和装置的简要电路图。
图8是另一种电路的电路简图。
图9是一个用于图8装置的控制面板的正视图。
图10(a)和10(b)形成一个本发明的数字实施例的数字逻辑图。
图11是一个操纵杆、一个控制箱、一个互连数据电缆420的前视图，它能被用于安装本发明参照图12(a)、12(b)、13(a)-13(f)、14(a)和14(b)的实施例。
图12(a)到12(d)形成本发明的一个实施例的简图，其中操纵杆能被用于去移动一个感觉到的声音场周围的声音。
图13(a)-13(f)是操纵杆产生的、以及相关电路并加到图12(a)-12(d)中的电压控制放大器的控制输出的图形表示。
图14(a)和14(b)形成一个数字声音处理器逻辑图，它类似于图10(a)和10(b)，能适用于图12(a)-12(d)中的数字声音处理器。
图15是本发明的一个实施例的示意图，它适用于消费者质量的电子音响装置，可用于家庭等类型。
表格A-F列出分别由图13(a)-(f)中用图形的数据。
图1说明用于监视声音的扬声器的通常的物理布置。应该了解，在录音业的全部制作阶段，声音均被监视。当制作完成时，它被重放，并且产品投放市场。从这点开始，被放音的是制品。本发明的几个实施例被公开。一些实施例被用于声音制作期间，而一个实施例被用于房间里放音时。本发明的实施例包括图5和图6内的第一个实施例，图7中的第二实施例10，图8的第三实施例202，图10(a)和10(b)的第四实施例，第五和目前最好的实施例(用于专业播音室)在图11、12(a)、12(b)、13(a)-13(f)、14(a)和14(b)中。这些实施例能在唱片、密纹盘、小型盘、盒式磁带、电影、录象和广播制作中使用，以加强人，即收听者对声音的感觉。另一个，即第六个实施例参照图15公开，能被用于一般消费者质量的立体声装置中;例如，家庭中。
在声音制作的声音监控期间，二个扬声器12和14的质量与产生期望保真度的需要相配。它们横向间隔开，收听者16面向它们，并大体上被定位在一个正交面上，该面等分扬声器12和14间的线。通常收听者被封闭在一个带扬声器的房间里(由虚线表示)。在放音过程中，二个扬声器可以是任何质量的，扬声器和收听者的位置相对不重要。在监听期间，效果是许多混合在一起的独立部分之一，因而监听过程需要一个标准的收听位置，用于判断相容性，而放音期间，效果含有全部声音，并能在任何一般的位置感觉到。
由于本装置的几个实施例被设计成一个制作工具，扬声器12和14被看成由一个电子系统馈送的监听器，该电子系统包括本发明的声音制作增强装置。该电子系统可是一个专业录音控制台，多声迹或二声迹模拟或数字录音设备装置，它带有一个指定用于录音或广播的立体声双声道输出。声源的资料可是直播节目或是上述的组合中的记录资料。
图2说明扬声器12和14封闭在感觉为一个闭合场声框24中(无较低的曲线17和26)，它们通常用于普通立体声的生成。通过改变扬声器12和14之间的振幅，视在源能被定位在声框24的任何地方，即在扬声器之间。在反相象位置34重新插入之前，一个合成调节信号被延迟时，振幅和时间比17在三个点12、14和34之间被显示。因为反相点34是左点12和右点14的相关产物，通过合成的结构接近自然模式，但永远不会完全实现。结果是来自26的开放场声音，收听者16感觉到开放场26。
图3说明，当一个产生的调节信号，(如图2)作用并引入作为送往扬声器12与14的信号的一部分，但其声源则为有机情况时收听者16感觉到的开放场声框28。空间信息的密度由图2中曲线17及图3中曲线19表示。明显地，在图3中空间信息密度较大，因为产生原始调节信号的三点与电无关，但与声音有关，所以供给收听者16耳-脑机理的信息更精确地反映出自然模式。
图4说明各种因素，它们是由收听者16根据本发明立体声象增强系统而被感觉到的。当扬声器被馈进单声信号时，二个扬声器12和14产生闭合场声框24。单声象位置30被说明，并且该位置在框24中，能通过扬声器12和14的相关幅度的控制朝左右移动。扬声器12和14产生左和右真实的声象，因为典型的强点声象32在二个实在的扬声器产生的真实声象之间的直线上，所以象32位于二个扬声器间的直线上。如上所述，强点象能在左、右扬声器间移动。
反相象位置34由扬声器12和14产生，被感觉成其声源位置在收听者头部16的后面34(经测试或实验室揭示)处。在正常装置操作条件下，源34不被独立地感觉到，但通过瞬时结合，是开放场声帧被感觉到的手段。位置34是一个感觉源，但不是一个真实源。所以没必要设一个扬声器在位置34。相反，通过对反相声象位置及由扬声器12和14产生的一个或二个真实声象之间关系的控制，则声象源能被置位在真实声象之一和反相声象位置34之间的一条直线上。由于反相声象位置34是一个感觉源，但不是一个真实源，所以它和扬声器12和14之间的点被看成是一个软点源声象。这样一个软点源象被显示在点36处。从而，开放场声框被产生并产生一个虚的空间边界40、42、44或46(不在直线上)的感觉，它取决于调节信号时原始源的相位关系。从虚象空间边界40、42、44和46到最近的强点的感觉距离是2-30英尺(1-10M)，它取决于图5的范围控制设定值和扬声器12和14间的距离。
图5是一个要录音或放大的声源简图。三个传声器L、R和C被定位在该源前面。L(左)和R(右)传声器与具左、右侧源的间隔近似相等。C(调节)传声器被放置在该源的更远处，并且与L和R传声器的间隔近似相等。
来自C传声器的信号被调节放大，然后与立体声信号L、R相加(例如，在加法器A处)和相减(例如，在减法器S处)，如图6所示。得出的信号处理后的输出PZ和PR当被放大和加到扬声器12和14(图1时，将产生一个扩展的声象，如参照图3和4所说明的。通过调节调节信号C的增益，产生的扩展量容易控制。在该实施例中，调节信号C被有机地产生，即通过如图5所示的传声器阵列拾音器，及如图6所示的连接。有许多先前的立体声录音设备，在C点位置没设如图6所示的传声器，采用它们则很难再生上述效果。然而，可看出，调节信号能被合成地产生，并在下列时候被引进左和右声道信号，当(1)例如声源是在录音室内从预录磁带混合产生的，(2)音是广布的，或(3)当预录的声音是在家里被接收或重放时。由于传声器C的放置，调节信号C与来自传声器L和R的信号相比较，在时间上被延迟和滤波。
现在研究装置100的一个实施例，它产生合成的调节信号，其左输入线48和49及右输入线50和51来自音乐信号源。系统和装置10在这个实施例中被说成是一个在双声道录音之前引入调节信号的系统，因此也是一个专业的音响实验室和装置。从而，左和右输入48、49、50和51可以是实况源的产物，或实况录音生成的多声道磁带的混合声，或一个计算机产生的源或它们的混合物。装置的输入端48、49、50和51访问录音台的“四路总线”或“4-道总线”的输出。在录音台的每个位置都能供给每条和各条总线一个代表一个特殊位置的可变的或“随动”信号。四路总线的二路49，51被用作立体声或四声道立体声的前半部;另外二路48，50用作四声道立体声的后半部。通常一个现代录音台的每个位置或输入都有一个随动控制，经过四路总线将输入的声音置于左、右、前或后之间。一个录音台能有任何数量的输入或位置，它们被组合成四路总线中的四个独立的输出。左前四路总线声道选址装置输入49;右前四路总线声道选址装置输入51;左后四路总线声道选址装置输入48;而右后四路总线声道选址装置输入50。当没有四路总线时通过使用立体声母线加二条效果总线，图7中的装置的交替插入是可能的。左前输入49(未处理的)被连到放大器52，左后输入48(待处理的)被连到放大器54，右后输入50(待处理的)被连到放大器56，右前输入51(未处理的)被连到放大器58。放大器52和58的输出被分别连到加法器60和62，以便加法器52和58有效地绕过增强系统100。四路总线的使用允许装置独立地将它的功能交给实况录音时间的每个输入或录制的多声道信息的每个声道。这意味着，在制作中操作者/工程师能确定每个声道的空间密度，而不是确定一个整体空间密度。该装置在这一创造性程度上有独特之处，并储备它作为一种制作工具。
在线68和70中，放大的左和右信号均被送到加法放大器72和差分放大器74。从而线76的输出是L+R，而放大器72还能反向输出成-(L-R)。线76和78的这些和与差信号在加法器60中相加，并产生带有一个调节信号CL的左节目，它增加附加的空间效果到左声道。线78的信号还通过反相器80在线82内产生L-R信号。线76和82被引进加法器62，在它的输出线84中产生带有调节信号CR的右节目。来自加法器60和62的输出线79和84进入左输出平衡输出放大器86和88，及右输出90和92。这些输出放大器最好是作为一个左对和一个右对进行工作的差分放大器，每对中的一个以反极性工作，而每对中的另一半用于均衡线输出。
CL和CR调节信号类似于图6中的调节信号C，但是由合成产生的。此外，它们有某些不同的频率滤波，这种滤波倾向于加宽后声象，特别是反相位置34(图4)。调节信号CL和CR是由差分放大器74的输出上从线78内的差分信号-(L-R)产生出来的。线78的差分信号通过高通滤波器94，它有一个大约每8度18分贝的斜率，和大约300赫兹的截止频率，以防较低频率处的梳齿滤波作用。滤波信号最好通过可调和可选择延迟的延迟单元96，作为手动控制单元98的手动输入，它被称作“尺寸控制单元”。延迟96的输出经过电压控制放大器(VCA)102进行声平控制。线104内控制电压控制放大器102的DC控制电压是以手动方式由电位器提供的，或通过下文说明的控制电路以自动方式提供。电位器106提供一个直流电压，它是从一个直流源107分压出来的。它的功能是进行“空间控制”，并能有效地控制收听者感觉声音扩展的量。即控制调节信号的量，该信号加在左、右声道信号上及从左、右声道信号中减去。
线108内电压控制放大器102的输出最好经由左均衡器110和右均衡器112连接，对独立的左、右声道进行适当的均压和整相，这有助于加宽后声象。示出的均衡器110和112是谐振式的(虽然它们能有任何形式)，在大约1.5千赫的均衡器110中的左声道中心频率上及大约3千赫的均衡器112中的右声道频率上具有2分贝的中频带升高。在通过均衡电路后，左调节信号-CL在线114中出现，右调节信号-CR在线116中出现。左调节信号-CL被加到加法器60。线116中的右调节信号连接到反相器80，在这里调节信号-CR被加到差信号-(L-R)上，其和加到和信号上引起线84上的右信号减右调节信号，线79上的左信号加左调节信号。
在118处指示的自动控制电路监视线79和84的输出信号并且调节调节信号的量以保持连接到输出端的X-Y示波器上产生的一个利萨如(Lissajour)图形相对恒定。当二个输出通到示波器的扫描和幅度驱动单元时，在示波器的CRT上显示一个图形，称为利萨如图形。当该图相当圆时，二个输出的和和差之间能量比是基本上相等的(一个希望的特性)。线84和79分别连到差分放大器120和加法放大器122的输入。输出分别被检波，检波器124和126在线128和130中提供信号。从而128和130中的信号是分别来自减法器120和加法器122的该装置输出的全波检波的和及差信号。
线128和130连到滤波器132和134，它们有可调的升和降发射特性。选择器开关136对线104内到电压控制放大器102的控制电压的手动和自动控制方式进行选择。选择器开关136的手动位置在图7(a)中显示，空间扩展控制电位器106的应用前面已经说明。还有几个独立的开关由选择器开关136控制，如图7的(a)所指出。当空间控制开关被切换到另一位置，自动位置时，在线138和140里滤波器132和134的输出分别被处理并被应用去控制电压控制放大器102。
当空间控制选择开关136在自动位置时，误差放大器142的输出通过门144去控制线104内的电压。误差放大器142的输入直接来源于线138和通过开关片146来自于140，并通过线148返回。线140里滤波的和信号通过空间扩展电位器106连接，从而可用于减小对误差放大器142的输出和信息的视在电平，使误差放大器142减小和/差比。
连接比较器150去接收线138和140里滤波的和、差信息。当空间控制选择器开关136处于自动方式时，并当一个单声信号出现在输入端48和50上时，比较器150提供一个输出到选通线152。在这种情况出现在，例如，当一个播音员在伴随音乐说话时，当比较器150感测到单声内容时，选通线152切断门144，去断路电压控制放大器102，以阻止调节信号。这样做是避免由随机相位和幅度的变化，而过量地产生立体声噪声，而输入节目的内容是完全均衡的。自动控制电路118不能判别有害的噪音和包含差信息的所需要的节目内容。因而，通过输入电位器对比较器150的控制，在线138和140的和、差信息间建立一个阈值比。从而，比较器150和门144能避免伪空间信息加入调节信号内，事实上，该调节信号能对双声道里的差噪音进行响应。因而，比较器150需要一个在和、差信息之间的特定阈值比，低于它，门144关闭;而高于它，门144打开。
设置了箝位电路153(见图7(a)的中部左边)，当该系统几乎处于箝位状态时，它产生一个信号，而当箝位出现时，电路153产生另一个信号。箝位是因节目内容中的动态峰值引起的畸变的快速增加受到电路中电源电压施加的静态极限的限制。放大器52及58的输入线154和156与线68、70、79及84一起，通过它们各自的二极管连到总线158。总线158通过一个电阻连到比较器162的输入160。一个负压源通过另一个电阻，连到输入160，并且比较器162还被接地。通过这二个电阻的控制，当总线158达到一个特殊电平时，比较器162有一个输入。当达到该电平时，输出信号164，例如一个信号灯被触发，总线158类似地通过一个电阻连到比较器168的输入166，负压电源通过另一个电阻到输入166，且电阻值被调节，以便箝位发生时，比较器168有一个输入。当箝位已经发生时，闩锁电路被触发，去点亮二个信号灯172和174，这些灯一直亮到复位线176被触发。
在V形槽立体声唱盘刻划时，一个差信号引起竖直运动。竖直运动是在放音时最难跟踪的，因而产生大量的竖直运动(相对于水平运动)的大信号通常要避免，这能被看成是刻划功能的饱和。不超过饱和点在正常的唱盘刻划中是十分重要的。调频广播时，类似的限制也起作用，由于政府管理部分力图要求差信号保持小于L+R信号，因而一个检测电路178在图7(b)的右下角表示。线130和128内的检波的和、差信号被连接到峰值跟随器180和182。由峰值跟随器180产生的峰值连接到比较器184和186。无论何时，当差峰值包络变得大于和峰值包络时(加减3dB以内)，比较器184均输出一个脉冲。峰值跟随器180和182的输出上的电平控制允许为不同的应用在加或减6dB范围内调节。当和/差峰值比接近比较器-放大器184的触发点时，在大约2dB内，比较器186有一个输出，并点亮前面板信号灯188，图7(6)中示出，作为接近L-R过负荷的可视报警。这里通过将连接比较器186的电位器接地去减小和包络的视在电平(大约2dB)来实现的。比较放大器184的输出通过一个闩锁电路190，它触发灯195，并保持到被通过开192复位。当闩锁电路被启动时，它启动驱动电路194，点亮面板灯196和197，延时后，报警器198发声。同时，驱动电路194起动线199，切断门144，以抑制信号输送到控制调节信号的放大器102。门144的触发除去来自线108的调节信号，但允许通常立体声信号继续通过该电路。
本发明系统和装置的第三实施例在图8中表示，并总体地以200指示。根据图7(a)和(b)对于该系统与装置所陈述的理由，左前四路总线声道访问未处理的输入49，该输入连到放大器204;左后四路总线声道访问处理过的输入48，该输入被连到放大器206;右后四路总线声道寻址处理过的输入50，该输入连到放大器212;并且，右前四路总线通道寻址未处理的输入51，该输入连到放大器214。放大器204、206、212和214是反相的，并分别在线208、210、216和218上提供信号。二条线208和210被连到加法放大器220，而二条线216和218被连到加法放大器222。线210和216载-L和-R信号。
调节信号CR和-CL通过将差分放大器224连到二条线210和216而产生出来。得出差信号-(R-L)在高通滤波器226内被滤波，类似于图7(a)中的滤波器94，并且结果受到延迟电路228的选择延迟。延迟时间受前面板控制，这将由图9说明。来自延迟单元228的输出经过在线232中有一个输出信号-C的，电压控制放大器230，该信号被供给非反相均衡器234和反相均衡器236。这二个均衡器分别产生调节信号输出-CL和CR，它们被通到反相加法放大器220和222。左调节信号-CL与放大器220中的原始左信号相加(和反相)形成L+CL，并且在反相放大器222中原始右信号减去右调节信号+CR形成R-CR。来自放大器220和222的输出最好经过线238和240分别连到均衡的左放大器242和244及均衡的右放大器246和248，其连接方式如对图7(b)的放大器86至92的描述。将图8电路中各点连到箝位和L-R过载报警电路153和178是有好处的，其方法与图7(b)中先前描述过的方法相同。另一方面，VCA230能通过电位器和DC电源组合手动控制，如电位器106和电源107。图7(a)、(b)和8中系统的二个实施例之间的差别在于原始左和右信号按规定路线发送的方式。在图7(a)和(b)中，左和右信号被加或减，其和、差信息然后被再加和再减，去重新构成原始的左和右信号。在图8的电路中，原始左和右信号则不被混合在一起，从输入到输出，它们保持彼此独立。
该增强系统可以是自动的，具有装置内部的自控特点，以便不用连续调节该系统和装置，就能获得增强的立体声象。另一方面，需要时可使用手动控制。
本发明上面所述内容已根据图7(a)、7(b)和8中详细电路描述出来，基本上用的是模拟名词，该电路各种元是件是由模拟元件组成的或模拟、数字二者均可。例如，延迟器96(图7(a))和228(图8)更可能是使用数字元件构成的，而非模拟元件。从而，一个模-数转换器可紧接在线性数字延迟线96，228前面使用，然后它们的输出利用一个数字-模拟转换器而被转换成模拟方式。
换言之，对于专业设备，本发明以数字设备为主导来实现是理想的与可行的，这将在下述实施例中见到。
现在看图10(a)和10(b)，它们形成本发明的一个数字实施例的数字逻辑图，它基本上类似于图7(a)和(b)中的模拟或基本上模拟的实施例。在图10(a)和(b)中，数据传输线由实线表示，而控制线由虚线表示。
左和右声道信息以多路数字格式供给一个输入302。时钟信息还在输入端304上供给格式器306，它分开左、右声道信息。最好，格式器306多路分解数字数据，使其能以不同的多路同步方式传送。例如，采取第一种方式，数据经过一个晶体半导体芯片，(型号CS8402)被传送，用于AES-EBU，SPDIF的输入，或第二种方式，数据来自一个模-数转换器，例如，晶体半导体芯片(型号CS5328)。I/O方式输入305最好在前端通知格式器306和在后端通知格式器370，图10(a)与(b)所示电路的上游与下游芯片所要求的多路分解与多路利用方式的类型。熟悉本技术的人员将理解其他的多路复用和多路分解方式也能被使用，或者左和右声道数据能被并联传输，即非多路复用数据路径。
左声道数字式声音数据在线308上出现，而右声道数字式声音数据在线309上出现。这些数据在一个减法器324中彼此相减去形成R-L数据。R-L数据被供到一个开关329并经一个高通滤波器326、一个低通滤波器327滤波，在装置328中进行数字时延。开关329受C方式控制单元303的控制，它能有效地控制开关329的位置，这些在图10(a)和(b)中表示，当时它处于C方式位置，即滤波器326和327及时延328被绕过。当该装置用于实况声源时，例如当一个音乐会或一个剧场演出时，最好使用C方式，此时可用一个C传声器输入源(图5和6)，以使C信号不必被合成产生。当本发明用于从多声迹带走带机构混合已录制的节目时，R-L数据最好经滤波和时延，以产生调节信号C。
来自开关329的输出输到一个可变增益数字电路330，其功能类似于图7(b)所表示的电压控制放大器102，如果需要的话，可应用静噪控制输入端很快地减小增益控制器330中的增益，增益控制330的输出被加到左和右声道均衡器310和320，它们的功能类似于图7(b)中的均衡器110和112。左声道均衡器310的输出被加到一个加法器320，而右声道平衡器312的输出被送到一个减法器332，以便使控制信号CL和CR分别被加到来自线379和384的左和右声音数据，和从它们中减去。那个数据然后在格式器370内被多路复合，以数字形式由串行输出端390输出。
可变增益电路330(能通过移位在数字域中相当容易地实现)受手动源或自动源控制，很象图7(b)中的电压控制放大器102。图10(b)的手动位置上的开关367通过电路330的增益受一个“空间控制”输入362控制，它在概念上类似于图7(a)的空间控制电位器和图6表示的电位器。当开关367在自动位置时，电路330的增益被自动控制，其方式类似于图7(a)和(b)。在图10(a)和(b)中，线379和384上的数据在加法器342中被相加，同时，在减法器340中被相减。输出分别被加到高通滤波器346和344中，它们的输出依次分别被加到均方根(RMS)检测器350和348。检测器348输出一个对数差信号，而检测器350输出一个对数和信号。来自检测器348的对数差信号值能自动地被加法器352处的“Spacein”输入362控制;以使“Spacein”值补偿对数差检测器的输出。
它们的值是下列三者之一(1)00用于一个差电平低于和电平12dB(2)80用于差电平等于和电平;以及(3)FF用于差电平高于和电平12dB加法器352的输出及来自检测器350的对数和输出被加到一个比较器354，它概念上类似于图7(a)的比较器150。比较器354的输出加到一个比值限制器356，它最好将比值限制在这样一个值上使比较器354的输出将电路330的增益变化率限制在大约每秒8分贝。
熟悉本技术的人员应能理解图10(a)和(b)中表示的电路，最好通过编程数字信号处理芯片来实现(例如，用已了解的方法，用莫托洛拉公司制作的型号DSP56001的芯片)，代替分立数字电路来实现这些技术。
当开关360在自动位置时，图10(a)和(b)中表示的自动控制电路378根据左、右声频中最初立体内容的量有效地控制本发明加上的立体效果的量，也就是说，如果被输进电路的左、右声频数据已经有高立体效果的话，则通过本发明加入的立体效果的量较小，反之，如果最初进入内容带有较弱立体效果信息，则加入的立体效果量则较大。控制电路378还有助于去保持L-R信号的包络小于L+R信号的包络。上述作用对于FM和电视广播是很重要的，政府部门(例如美国的FCC)通常要求L-R信号不大于L+R信号。从而，根据图10(a)和(b)公开的本发明的实施例对于广播事业是特别有用的，在这里由电路加入立体效果能被自动控制，不必要不断地手动输入。还应强调，本发明是完全单声道兼容的，也就是说，当应用本发明去增强无线电调频广播或电视调频广播时，若它们的接收器均不配有立体声解码电路在L+R重放中不会产生任何不良效果，因为本发明是将立体效果加到广播的L-R信号上的。
在线308上的R/L均衡作用控制滤波器310和312提供升高量。该升高当前设定0-4dB的范围内，最好为0-1dB。滤波器310和312的升高频率最好不同，但两者均在500Hz-3KHz之间。如前所述，这些滤波器可扩大声音场的后象。
对延迟时间单元328的输入中的WARP，调节时间延迟。时间延迟当前设定在3.75毫秒。
本发明的自动方式在广播中很有用，而发明的手动操作方式在录音业中也是很重要的，并且用于剧院、音乐会及类似音象制品的制作，即，在这些方面应用时，当前使用大的多声道声混合面板。这些声频设备通常有一个合理数量的声频输入端，或声道，它们每个基本上都是单声的。录音师不仅控制了这些声道每一个的声平，而且在先有技术中，使用一个扫调控制器去控制进入声板后再进入左声道的单声有多少，进入右声道的有多少。另外，工程师能控制一个四路总线声板上进入后左和后右声道信号的量。
再翻到图4，先有技术的扫调控制允许一个声源点象32定位在左和右扬声器12和14之间的直线上的任何位置上，它取决于扫调控制的位置。鉴于上述简单理由，立体声录音是对于四十年前单声道录音的一个大的改进。然而，只要设想一下，如果象点移动到任何地方(不仅在二个扬声器之间，而且在左扬声器的左边或右扬声器的右边，到前台点(例如点36，图4所示)或者甚至到图4所示的点34那样的收听者身后的反相象位置上，则甚至更大的效果能传递给收听者16。本发明提供调音师这样一种能力，即，使用操纵杆同时移动左、右、前和后的声象，而不是使用四路走带机构上的二个扫调控制器。操纵杆在录音、剧场或音乐厅演出时，能保持在一个给定的位置，另外在录音或演出期间，操纵杆的位置也可被改变。也就是说，声象位置能移到收听者16的左、右、前或后所希望处。如果希望，操纵杆的有效位置能受MIDI接口控制。
最初与录音和混声业相联系时，本发明很可能是一个与传统的调音板一起使用的附加装置。然而将来，本发明将被安装在调音板内，操纵杆(上面已讨论)来代替现有技术中调音板的线性扫调控制器。
图11表示使用本发明的调音设备的外部配置，该设备能与传统的目前已知的调音板一起使用。如图11所示，该装置有24个单个输入和24个操纵杆，一个用于一个输入。最好，该设备包括一个控制箱400和若干操纵杆箱40，它们通过数据线420与控制箱400相连。操纵杆箱410(图11表示)有8个操纵杆，它是这样分布的，即能与其它控制箱410菊花链接，以串联方式，通过数据电缆与控制箱400相连。代替在操纵杆箱410中只有8个操纵杆，操纵杆箱410能有所有24个操纵杆，一个用于一个声道，此外，根据设计选择，操纵杆和声道数还能改变。目前最好采用发明图所示结构，8个操纵杆在一个操纵杆箱40中。但在适当的时候，本发明无疑将进入调音台内部，其中操纵杆将代替当前录音台上的扫调控制器。
本发明的这一实施例有增强处理的左和右输出430和432，其中所有输入，根据各自的操纵杆415的位置，已被左、右、前和后处理过。这些输出能在控制箱400上看到。未处理的输出最好以下面的形式提供，即直左434，直右436，直前438和直后440输出，用于某些用途，其中调音面板在控制箱的下方，借此调音师可以在需要时去混合处理过的左和/或右输出与未处理的输出。
图12(a)-12(d)是本发明的简图，特别用于操纵杆实施例。现在看图12(a)-12(d)，24个输入在数字(401-1)-(405-24)处表示。每个输入405与一个输入控制电路404相连，每一个与一个输入端405相关联。由于在这个实施例中有24个输入405，所以有24个输入控制电路(404-1)-(404-24)。而其中只有一个，即(401-1)被详细说明，由此可了解其它的，即(404-2)-(404-24)的设计与(404-1)相同。输入控制电路404对与之相关的操纵杆的位置作响应，用于将输入405的输入信号分配到总线408上。每个操纵杆提供表示操纵杆位置的通常的X和Y直流电压信号，这些信号被转换成数字数据，这些数据在6个查找表中查找，每个查找表与每个电压控制放大器(VCA’S)407相关联，该放大器包括一个输入电路404。对应于一个特殊的操纵杆的X和Y坐标的表值指出与它相关的VCA407增益。查找表的数字输出被转换成一个与它相关联系的VCA407的模拟信号。每个VCA407有一个1和0之间的增益，取决于模拟控制电压信号的值。从而，在输入405-1处0%-100%的输入信号寻找进入构成总线408各条线的路径，这取决于操纵杆415-1的位置。类似地，输入405-2的输入分配在总线408的各线之间，取决于它的操纵杆415-2的位置。其余输入和操纵杆也相同。还可看出，信号分配还受到一个开关409的位置的某些控制，它的功能将在适当处讨论。
这些查找表中当前的推荐值用表格的形式示于表A至表F中，并用图形的形式示于图13(a)至图13(f)中，它们分别与VCA的407L、407F、407R、407BL、407M和407BR等相关联。这些图示出了在输入端405处的输入信号百分比，它通过其通路连到组成总线408的不同的线上。来自不同的输入电路404的、在该总线中每条线上的信号在此叠加在一起。图13(a)至图13(f)示出了当操纵杆左移、右移、前移和后移到不同位置时的百分比。与VCA407相关的表A和图13(a)示出了当相关的操纵杆移到最左前位置时，VCA407L将输入信号全部输出;而当该操作杆移到最右后位置时，VCA407L的输出信号就降到输入信号的20%以下。当该操纵杆位于其它位置时，VCA407L的输出就等于图中标出的相应的在输入端405处输入信号的百分比值。
为了控制在405输入端通过各自的通路连到总线408L的输入信号量，VCA 407L接收一个控制电压输入VX-L。同样，VCA 407可控制在405输入端通过各自的通路连到408R线的输入信号量。对VCA的407F、407R等等都是如此。在其它的输入电路(404-2至404-24)中的电压控制放大器407也都以类似的形式耦合到总线408上去，因而，各电压控制放大器407所提供的电流都叠加到该总线结构上。这样一来，根据各操纵杆(415-1至415-24)的位置，各种输入信号(405-1至405-24)就被引导到(或映射到)总线408的适当的线上。组成总线408的所有线上的信号接着就通过各求和放大器409变回成电压。每个求和放大器用下标字母标识，或者用与其耦合的总线中的线所相应的字母标识。求和放大器409L、409R和409F的输出分别直接加到4个直接输出端中的三个(434、436和438)。直接向后的输出440是求和放大器409CDL、409CDR、409EL和409ER的输出之和。
在进行深入的介绍之前，先解释某些术语，特别是在下面的介绍中要用到的各种下标将会对读者有益。读者可能已注意到，字母“L”表示左声道，字母“R”表示右声道，字母“F”表示前面，而字母“M”表示单声道兼容性(mono-compatibility)，字母“BL”的意思是左后，字母“BR”的意思是右后。例如，对于L、R、F、BL、和BR所感受到的声音位置示于图2。字母“C”表示C方式，该方式已参照图10(a)和(b)进行了简短的讨论。目前正在介绍的本发明的实施例中，还有D方式和E方式操作，每个输入端405的操作方式可由控制器410进行控制。例如，参见图11，对每根操纵杆415有一个方式开关411，不断地推动操纵杆就可将方式从C变到D、再到EL、再到ER、然后回到C。在方式C和D中，开关409L和409R的位置如图12(c)所示。在方式EL中开关409L改变位置，而处于方式ER时、开关409R的位置要改变。图11中发光二极管(LED)412L和412R指示每个声道的控制器所处的操作方式。例如，处于方式C时，发光二极管412L和412R都是淡黄色;在方式D时，二者都呈绿色;在方式EL时，左边的发光二极管412L)最好是红色，而右边的(412R)将不亮;在方式(ER时)二者的状态正好与EL方式时相反。
方式C最好用于麦克风阵列对乐器、轮唱(groups)、重唱、合唱、音响效果和自然声音等的实况录音，此时的麦克风阵列可放在图5所示的位置。方式D是一种具有方向性的方式，此时可把单一声源放在听众概念中的象空间中的任何所期望的位置上，如图4所示。方式D用于多声迹混合、商业性节目制作、对话和音响效果、以及音乐会的音响增强。
方式E可扩展立体声源，因而每个输入要么与立体声源的左声道(方式EL)、要么与右声道(方式ER)相关联。这种方式可用来用单声源模拟立体声。而且正如前面所讨论的那样，允许放在听众所想象的象空间范围内。它的应用与方式D相同。
让我们回到图12(a)和(b)，加法放大器409CDL和409CDR的输出相应于C和D方式的左后和右后的信号，这些信号加到立体声模-数转换器412CD上，后者将其输出多路复用到线414CD上。同样，立体声模-数转换器412E采集E方式的左后和右后模拟数据，并把它们转换成在线414E上多路复用的数字数据。在414CD线和414E线上的数字数据加到多个数字声音处理器450上，这些处理器将在下面参照图14(a)和(b)进行介绍。这些声音处理器可以是相同的，为了确定它们工作在何种方式(C、D或E)，还可以接收外部的数据，还将在下面介绍。这种数字声音处理器(DSP)450的编程可在掩模级实现，也可用目前众所周知的一种方法编程，即用一台接在DSP450的一个端口上的微处理器，它将存在EPROM或ROM中的数据在装置初始加电时卸载进DSP450。目前一般喜欢用莫托洛拉公司的56001型数字声音处理器。在实现本发明时，推荐用一台微处理器将程序卸载进DSP450芯片，因为这可以使得在设计有必要改变时就能很容易地实现。在适当时机也希望使用掩模级编程;因为这样可以使得设备的制造成本较低。在任何一种情况下，其编程都仿真图14(a)和(b)所示的数字逻辑电路。DSP450芯片的输出又被立体声数-模转换器418CD和418E变换回模拟信号。立体声数-模转换器418CD和418E的输出在加到加法放大器425L和425R之前，通过求和电阻419与单声道兼容声道、前声道409F、右声道409R和左声道409L的输出相叠加，然后送到已处理过的立体声输出端430432。所有求和电阻419的值最好相等。加法放大器409M输出的单声道兼容信号加到一个低通和高通均衡电路上，它最好具有低Q值，一般其Q值在1700Hz左右为0.2或0.3量级。均衡电路422在1700Hz时一般具有6分贝的损耗。
在D方式时，处理过的方向性增强信息(即调节信号C)加到输出声道(或从输出声道减去)。例如，该信息由滤波器456和457进行带通滤波，使得它的峰值在中频范围。如果增强的左和右信号叠加在一起形成一个L+R单一信号，这就可表现为在该中频范围的频谱中有一个刻痕，为了抵消这种效应，最好使用有一个与上述中频刻痕相反的刻痕的单通道兼容信号，它可以补偿L+R单一信号的输出频谱。当操纵杆位于中央时，等量的调节信号送到左右声道。而当这些声道叠加去形成R+L信号时，上述调节信号可以有效地被抵消，因为原来它是加到一个声道，而从另一声道减去的。因而，当操纵杆位于后中间时，就需要某一个单声道兼容信号，这可从表E和图13(e)中看出，此时操纵杆位于左和右的中间。而把所有操纵杆全程向后拉，则VCx-M至VCA407M的输入达到约-5分贝(60%)。读者应该能理解，所感受到的想像中的概念象空间和削弱的声音场的立体增强和单声道兼容性可在非常窄的差值范围(极少分贝)内获得。就本发明所关心的心理声学现象而言，这是人们的听觉特性。
现在让我们转到图14(a)和14(b)，这二张图构成了一个声音处理器的逻辑框图，类似于图10(a)和(b)，但有若干处变动，其中最重要的有(1)，不需要在图10(a)和(b)中所示的那种声音控制电路378，因为在这一实施例中，其扩展量(所增加的立体效应量)可通过人工移动操纵杆415的位置而控制。也没有可变增益电路(如图10(b)中的330)，因为增益量由操纵杆415的位置控制，它进而控制各个VCA407(图12(a)和(c))的增益。
(2)，图10(a)和(b)的实施例工作在C方式或非C的扩展方式(它在图12(a)、12(b)、14(a)和14(b)被看成方式E)，图12(a)、12(b)、14(a)和14(b)还包括另一种方式(方式D)，它与图14(a)和(b)的声音处理器逻辑与图10(a)和(b)的声音处理器逻辑相比作了某些变动。
请再次参见图14(a)和(b)，在线414上多路复用的、进入的串行数据由格式器451多路分解。立体声模-数转换器412(见图12(d))最好采用CrystalSemiconductor公司的CS5328型芯片;而立体声数-模转换器418(见图12(d))最好采用该公司的CS4328型芯片。因此，格式器451和470要以一种与这一类芯片相应的方式去设置成多路分解和多路复用左和右数字声道信息。左和右数字数据被分开到总线452和453上，并与减法器454相连，以形成一个R-L信号。该R-L信号通过低通和高通滤波器456和457，而且当延时电路458连接成由开关455所描绘的E方式时(由E方式控制信号控制)，还要通过该延时电路。在D方式时，开关处于示意图中所示的其它位置，因此在线452上的左声道数字数据通过上面一组高通和低通滤波器456和457，以及延时电路458;而在线453上的右声道数字数据通过下面一组高通和低通滤波器456和457，以及延时电路458。不需要控制延时电路457输出信号的幅度(这在图10(a)和(b)的实施例中是需要的)，因为该信号的幅度在输入控制电路404(图12(a)和(c))中受到控制，而且处理的量在输入端受到操纵杆415位置的控制(参见图11)。延时电路458的输出加到各自的左和右声道均衡电路460上，左均衡电路460L的输出通过开关462加到格式器470的一个输入端，而右均衡电路460R的输出通过开关462和反相器465加到格式器470的一个输入端。正如前面所介绍的，格式器将在其输入端接收到的信号多路复用到串行输出线416上。
所示的开关462的位置为C方式，这在前面已说过，当处于D方式或E方式时，开关462的位置要变动，以便将均衡器460的输出连到格式器和反相器465，这与在C方式时连接452和453线上的非滤波信号刚好相反。在右声道中利用反相器的信息反相在图10(a)和(b)的实施例中则由减法器332来有效地完成。回忆一下减法器332从右声道声音数据中减去右声道调节信息CR(来自均衡器312)。在图14(a)和(b)的实施例中，右声道调节信号被反相器465反相，然后通过格式器470和立体声数-模转换器418(见图12(d))，连到求和总线。在此，它通过求和电阻与加法放大器409R输出的右声道信息叠加，而成为加法放大器425R的输入。左声道调节信号CL不经过反相就通过求和电阻419与加法放大器409L输出的左声道信息叠加，而成为加法放大器425L的输入。
本发明已相对于模拟和数字设备，以及几种操作方式介绍过了。其广播方式(方式B)使用反馈回路去控制要加到立体声信号的处理量。在C、D和E方式中，该要加的处理量由手动控制。在最后一个公开的实施例中，要处理的量是由操纵杆输入控制的。
在C方式中，加到左和右通道数据的(或从其中减去的)调节信号几乎没有、或完全没有经过处理，实际上，如果该调节信号是由图5中麦克风“C”的位置有机地产生的，就不需要处理。在参照图10(a)、10(b)、12(a)、12(b)、14(a)和14(b)所介绍的C方式操作中，该调节信号绕过了高通/低通滤波器和延时电路。另一方面，在D和E方式中，该调节信号是由高通/低通滤波器、还最好有延时电路所合成的。在E方式中，它是一个要经过滤波的R-L信号。而在D方式中，左和右调节信号要单独经过滤波，以便生成调节信号C。
我们可以从图10(a)、10(b)、14(a)、和14(b)中看出，延时量是可以控制的。实际上，本发明的某些具体实践可以完全不需要延时。然而，最好插入延时，以便使滤波器输出的信息和左和右声道信息互不相干，从而有助于确保其单声道兼容性。不幸的是会碰到梳状滤波效应，但可以通过滤波器456、457和460使其在主观上减到最小。为了在B、D和E方式中使这种梳状滤波效应减到最小，最好使用延时电路，如图10(a)和(b)中的328及图14(a)和(b)中的458。在有机(Organic)方式中(见图6)，由于麦克风“C”的位置要比麦克风“L”和“R”离声源远，因而这种时延是有机地存在的。
本发明可以将立体效果加到声音上去，以用于录音、广播和演出。例如，为了发行磁带、唱片和数字唱盘而将多声迹录音与立体声混频的时刻，在声音处理方面使用本发明的空间效果时，当这些磁带、唱片和数字唱盘在一般的立体声设备上放音时，听众将会感受到增强的空间效果。因此在这种声音被广播后，或者被混频和记录在公开发行的磁带、唱片、数字唱盘之后，对它就不需要再进行其它的空间处理。也就是说，在接收设备上或家用立体声系统上不再需要作更多的空间效果处理。只要将本发明用于混频或用于广播过程，那么不管是广播、还是从预先录好音的磁带、唱片、或数字唱盘上重放，听众都能感受到空间效果。
本发明还是单声道兼容的，也就是说，如果一个人听到一个L＝R的信号，例如430和432的输出，那么听众将感受不到该过程的任何人为现象。这一点对电视和FM、AM立体声广播是很重要的，因为有大量的观众和听众在未来一段时间内会继续收听单声道信号。虽然本发明将空间扩展增加到立体声信号上去，但它并不会在L+R信号中引入各种人为现象。
数字延时器件可以将任何频率延迟任何长的时间，线性数字延时器件可将所有的频率延迟同一段时间，而成组数字延时器件可以将不同的频段延迟不同的时间。
在本发明中最好使用线性数字延时器件，因为利用这种器件可得到很好的效果，而且与用成组器件相比其价格低。然而，如果有需要，也可以使用成组延时器件。
前面所介绍的各个实施例、特别是图7至图14(a)和(b)中介绍的各种实施例，在上述各种应用场合的专业音响业中是非常有用的。然而，这些设备太复杂，以致于不能方便地用于消费性的电子设备中，如家用电子设备中，因此，就需要一种能很方便地用于消费性电子设备中，最好又能嵌入一种易于制造的芯片中的实施例，这种实施例就是图15所公开的。
图15是本发明第六个实施例的框图，它可以用单独一片半导体芯片相当方便地实现，可以用于消费者质量(非专业)的电子设备中，包括立体声放音设备、电视接收机、立体声收音机、以及个人计算机等等。
在图15中，电路500有二个输入端501和502，供消费者质量的电子设备都具有的左声道和右声道用。在501输入端的信号送到二个放大器，即放大器504和505。在502输入端的信号送到二个放大器，即放大器504和505。在502输入端的信号送到二个放大器，即放大器504和506。左右声道在放大器504中相减，产生一个输出L-R，它被送到一个电位器503。该电位器将一部分L-R信号(取决于电位器503的位置)经过一个由普通电容和电阻网络构成的带通滤波器507回授。滤波器507除了允许通过上述中频外，它还使该信号延迟某一时间。该信号随后加到放大器508的输入端，而其输出就是出现在线509上的调节信号C。该信号在放大器505中与左声道信息相加，而在放大器506中则从右声道信息中减去它，从而成为空间增强的左和右声道输出信号。它们随后传送到消费者质量的音响设备的功率放大器的输入端，然后送到扬声器(这是通常的方式)。收听者可通过调节电位器503而控制所施加的增强程度。如果电位器503的滑臂放到地电位侧，将能听到没有增强的立体声节目。然而，随着滑臂的移动把愈来愈多的L-R信号送到带通滤波器507，收听者会听到空间效果愈来愈强的立体声。例如，如果收听者碰巧在电视中观看一场体育比赛，并且是用立体声广播的，那么通过调节电位器503，由于增强了可以被他所感受到的空间效果，他就会开始感到自己正坐在正在进行比赛的运动场中。
在图15的电路中，除了放大器外，还有一些基本上是分立的元件，其放大器最好用NationalSemiconductor公司的LM837器件。然而，具有成熟经验的人将会意识到，整个(或大部分)电路500也可以缩小成为一片硅片(如果需要的话)，还会意识到带通滤波器中的电容器C1和C2如果放在芯片上就将会是太大了，因此，希望从芯片上引出合适的引腿，将这种器件接在外面，而且对电容器C1和C2希望使用分立的器件，这是基本的设计选择事项。
参照若干种实施例已对本发明进行了说明，有一点是很明确的，对于那些具有相当成熟的技术能力的人来说，在不需创造性才能的实践的情况下，在他们的能力范围能作出各种变动、采用各种方式和装置。举例来说，上面介绍的所有实施例中的调节信号都被看成要加到左声道、而从右声道中减去，如果必要的话这一约定也可反过来，即使可以相信电子工业界为了兼容性将会遵循本文所介绍的约定也没有关系。对于具有成熟技术的人来说，在其能力范围之内也可以做些其它的变动。因此，除了所要求附录中的权利要求所要求的以外本发明不限于所公开的实施例。
权利要求
1.一种自动立体声象增强生成装置，包括第一和第二线路各有一个输入端和一个输出端；在所述第一线路中的第一电路和在所述第二线路中的第二电路，它们分别位于所述输入端和所述输出端之间；连接装置，在其输入端与其用于接收一个信号的器件之间连接到所述第一和第二线路；频率相关的延迟装置，它与所述连接装置相连，用于延迟所述连接装置的信号，产生一个时延信号；以及控制装置，用来接收所述时延信号；所述控制装置的输出耦合到所述第一和第二线路的所述器件，用于把时延信号传送给后者；所述控制装置控制时延信号的幅度，以便为所述电路产生一个延迟的、幅度受控制的补偿信号。
2.如权利要求1的装置，其中，所述连接装置包括一个差分放大器，用于将所述第一和第二线路上的信号信减。
3.如权利要求2的装置，其中，所述电路之一配置成作为加法器，而另一个配置成作为减法器。
4.如权利要求3的装置，还包括一个连接装置，至少在所述路和输出间连接到所述第一和第二线路中的一个;所述连接装置在所述第一和第二线路中的输出端上感测信号，并连到所述控制装置，用于对该控制装置进行自动调节，从而将所述输出线中的补偿信号基本上保持在一个所需的电平。
5.如权利要求4的装置，其中所述连接装置包括一个差分器件和一个求和器件;二者都连接到靠近所述第一和第二线路的输出端，以产生差及和信号;一个信号包络线检波器连接到每个所述差分和求和器件;一个比较器连接到所述二个检波器，所述比较器有一个输出端连接到所述控制装置，因而至所述控制装置的补偿信号受所述比较器控制，以便将所述补偿信号作为邻近其输出端的所述第一和第二线路中信号的差及和的函数自动地进行调整。
6.如权利要求5的装置，其中还包括一个手动控制器件和一个开关，所述开关可以有选择地将所述比较器和所述手动控制器件连接到所述控制器，使所述补偿信号的幅度可以有选择地自动或手动达到。
7.如利要求6的装置，其中，所述第一和第二线路之一有一个位于所述器件和所述输入端之间的差分器，而所述第一和第二线路中的另一个，有一个位于所述输入端和所述器件之间的输入加法器;在所述第一和第二线路中邻近其输入端的所述差分器和加法器都连到所述第一和第二线路;用来连接所述延迟装置和所述第一和第二线路之一的所述连接装置连接在二个器件之间，一个是所述输入加法器和差分器之一，另一个是接收所述补偿信号的所述加法器。
8.如权利要求7的装置，其中所述第一和第二线路中的所述加法器与差分器相连，因而在所述第一线路输入端的第一信号在所述第一线路的输出端产生一个第一信号与补偿信号的相加信号，而在所述第二线路输入端的第二信号在所述第二线路的输出端产生一个第二信号与补偿信号的相加信号;所述补偿信号被延迟，因而当所述第一和第二信号分别加到分开的第一和第二扬声器时，一个位于所述扬声器前面的观察者就会感觉到一个虚拟的声象，就像所述声象是由位于所述扬声器旁边的界面所产生的一样。
9.如权利要求5的装置，其中所述控制装置的输出通过均衡器连到所述器件。
10.如权利要求2的装置，其中一个门电路按照输入-选通关系连接到所述控制装置;比较器装置连接在所述第二个指定的连接装置与所述门之间，所述比较器装置包括输入器件，向所述比较器装置建立一个所述第一和第二信号输入之间的阈值比;所述比较器装置检测单音信号的出现，在该单音信号存在期间关闭所述门使所述控制装置无效。
11.如权利要求1的装置，其中有4个用来连接到一条4路总线的输入连线，它们分别连到4个输入放大器，每个所述输入放大器有一根输出线;第一个所述放大器的输出线是所述第一线路，第二个所述放大器的输出线是所述第二线路，第三和第四所述放大器的输出线分别连到所述第一和第二电路，因而与所述第一和第二放大器连接的并在所述第一和第二线路中的4路总线信号要经过延迟、移相和求和，而与第三和第四放大器连接的4路总线提供未加处理的信号。
12.如权利要求1的装置，其中有三个输入放大器，与三个单独的声音相关信号源相连;第一个所述放大器以所述第一线路作为它的输出，第二个所述放大器以所述第二线路作为它的输出;而第三个所述放大器的输出与所述电路之一的输入叠加地连接，而与所述电路的另一个的输入相减地连接。
13.如权利要求1的装置，其中将一个立体声音乐录音提供给所述第一和第二线路的输入;一个单独的扬声器连到所述第一和第二线路的所述输出端，用于混合所述立体声录音的左、右声道，并且重放与单音兼容的音乐。
14.如权利要求1的装置，其中所述控制装置是一个压控放大器。
15.如权利要求1的装置，其中用于产生时延信号的所述延迟装置是一个数字延迟装置。
16.一种声象增强装置，包括(a)第一和第二音频输入;(b)第一和第二增强的音频输出;(c)一个时延的音频信号源，它的信号比在所述第一和第二音频输入上的对应信号要较迟到达;(d)与所述减法器电路的一个输出端耦合的一个可变增益电路;(e)一个加法器，其第一输入端与所述可变增益电路耦合，其第二输入端耦合成可以去接收所述第一信号，其输出端耦合到所述第一个增强的音频输出端;以及(f)一个减法器，其第一输入端耦合到所述可变增益电路，其第二输入端耦合成可以去接收所述第二信号，其输出端耦合到所述第二个增强的音频输出端。
17.如权利要求16的声象增强装置，其中所述第一和第二音频输入端耦合到相对于声源放置的第一和第二麦克风，并且其中时延的音频信号的所述源是第三个麦克风，它距声源的距离要比所述第一和第二麦克风远。
18.如权利要求16的声象增强装置，其中所述第一、第二和第三个麦克风安放在一个三角形的三个角上，三角形的底边面对声源;并且其中所述第三个麦克风放在正对着所述底边的角上，离所述声源最远。
19.如权利要求16的声象增强装置，其中时延的音频信号的所述源包括一个减法器电路和一个滤波器，前者用于从第二信号(经所述第二输入端连入的)中减去第一信号(经所述第一输入端接入的)，而所述滤波器耦合到所述减法器电路。
20.如权利要求19的声象增强装置，其中所述滤波器是一个带通滤波器，还包括一个耦合在所述减法器电路与可变增益电路之间的时间延迟电路。
21.如权利要求20的声象增强装置，还包括一个开关，用于有选择地将减法器电路的输出端直接或经过所述滤波器与时间延迟电路连到所述可变增益电路。
22.如权利要求16的声象增强装置，还包括第一和第二均衡滤波器，所述第一均衡滤波器接在所述可变增益电路和加法器之间，所述第二均衡滤波器接在所述可变增益电路和减法器之间。
23.如权利要求16的声象增强装置还包括一个反馈电路，它耦合到所述加法器和减法器的输出端，以及所述可变增益电路，用于根据在增强的音频输出端所检测到的空间信息的电平去调整所述可变增益电路的增益。
24.一种声象增强装置，包括(a)多个音频输入端;(b)第一和第二增强的音频输出端;(c)具有多条音频线的一根总线;(d)多根操纵杆，每根操纵杆与一个音频输入端相关，每个音频输入端有一个输入电路，用于根据所述操纵杆的位置把所述音频输入端处不同的信号量引导到所述总线中的线上;(e)至少与所述总线中的一对线相连接的声音处理电路;以及(f)输出放大器，其输出端接到所述增强的音频输出端，每个输出放大器具有若干输入端用于对所述总线中选定的若干根音频线上的信号求和，还对所述声音处理电路的输出信号求和。
25.如权利要求24的声象增强装置，其中所述声音处理电路包括(Ⅰ)一个减法器电路，它从经过所述一对线中的第二根线连接的第二信号中减去经过所述一对线中第一根线连接的第一信号;(Ⅱ)对所述减法器的输出进行频率滤波的第一滤波器;(Ⅲ)对所述减法器的输出进行频率滤波的第二滤波器和对所述第二滤波器的输出求反的反相器;并且所述第一滤波器和反相器的输出连到所述输出放大器。
26.一种增强音频信息的方法包括如下步骤(a)将一对音频信号相互相减;(b)将所述相减步骤的结果延时;(c)将延迟步骤的结果加到所述一对音频信号中的一个上;以及(d)从所述对音频信号中的另一个中减去所述延迟步骤的结果。
27.如权利要求26的方法还包括一个步骤，即在延迟步骤的结果与所述音频信号相加或相减之前，控制所述延迟步骤的结果的幅度。
全文摘要
该操纵系统和设备接收需处理和记录的信号，以通过录音设备或广播后从二分开的扬声器中重放已增强的音频信号。对信号处理，产生一调节信号，它像是由虚拟的房间墙壁产生的，且与原信号加在一起，听众就感受到一扩大的听音区域。该系统和设备产生一调节信号，它通过形成幻象空间增强立体声信号中的自然的和生成的空间音色。该设备可监视本身的输出，如果其输出中含不能广播的音色，就削弱本身的作用。设备的电子系统具有自我调节功能，可将空间屏蔽变换保持一定值。
文档编号H04S7/00GK1091889SQ93101979
公开日1994年9月7日 申请日期1993年2月25日 优先权日1992年12月31日
发明者斯蒂芬·W·德斯帕 申请人:德斯帕产品公司