低频的音频增强系统的制作方法

专利名称：低频的音频增强系统的制作方法
技术领域：
本发明一般涉及用于提高声音再现的真实性的音频增强系统和方法。具体来说，本发明涉及用于增强由诸如扬声器的声换能器产生的感觉到的声能低频内容的设备和方法。
音频及多媒体行业在不断努力克服再现声音的不完美性。例如，一般难以充分再现低频声音，如低音。改善低频声音输出的各种传统方法包括使用具有较大的锥面、较大的磁铁、较大的箱体、或较强的锥形偏移(cone excursion)能力的更高质量的扬声器。另外，传统系统已在设法使用能够使扬声器的声阻抗与围绕扬声器的自由空间的声阻抗相匹配的共鸣箱和喇叭来再现低频声音。
但是，并不是所有的系统都可以使用更贵或更大功率的扬声器来再现低频声音。例如，一些传统的音响系统，如小型音频系统和多媒体计算机系统依赖于小扬声器。另外，为了节约成本，许多音频系统都使用不太精密的扬声器。这种扬声器通常不具有适当再现低频声音的能力，因此，声音一般就不象能够更准确地再现低频声音的系统所再现的声音那样健壮或令人愉悦。
一些传统的增强系统试图在把信号输入扬声器之前通过放大低频信号来补偿低频声音的不良再现。放大低频信号会传递更多的能量给扬声器，进而要用更大的力来驱动扬声器。然而，这种放大低频信号的尝试会过激励扬声器。遗憾地是，过激励扬声器会增加背景噪声，引入令人烦乱的失真，并损害扬声器。
在试图补偿低频不足时，另一些传统的系统会以增加不希望有的音色的方式而使较高频再现失真。
本发明提供一种增强低频声音感觉的独特设备和方法。在不能再现某些低频声音的扬声器中，本发明产生这样的一种错觉，即缺少的低频声音确实存在。听众因而可感觉到该扬声器实际上可精确再现的频率以下的低频。这种错觉效果以一种独特的方式利用人类听觉系统处理声音的方式来实现。
本发明的一个实施例利用了听众心理上感觉音乐或其它声音的方式。声音再现处理并不在扬声器产生声能后停止，而是还包括了听众的耳朵、听觉神经、大脑和思维的处理。听觉从耳朵和听觉神经系统的作用开始。人耳可被看作是一种精密的转换系统，它接收声振动，把这些声振动转换为神经冲动，并最终转换为声音的“知觉”或感觉。
已知人耳在响应声能时是非线性的。听觉作用过程的这种非线性产生了附加泛音以及和音形式的互调失真，这在实际的节目素材中是不存在的。这些非线性效应在低频会特别明显，并且这些效应对感觉低频声音的方式具有明显的作用。
有益地是，本发明的一些实施例利用了人耳处理低频声音的泛音及和音的方式，从而产生了不存在的低频声音正在从扬声器发出的感觉。在一些实施例中，较高频带中的频率被选择处理以产生较低频信号的错觉。在其它实施例中，某些较高频带利用多个滤波器函数进行修正。
另外，本发明的一些实施例设计用于改善流行音频节目素材如音乐的低频增强。大多数音乐和声丰富。相应地，这些实施例可修正更多的音乐类型来利用人耳处理低频声音的方式。有益地是，现有形式的音乐可被处理产生希望的效果。
这种新方法呈现出若干有意义的优点。因为听众感觉到了实际上不存在的低频声音，所以减少了对大扬声器、更强锥形偏移或增加喇叭的需求。因而在一个实施例中，小扬声器能够象是在发出大扬声器的低频声音。可以想见，这个实施例可在对于大扬声器来说太小的声音环境中产生低频声音如低音的感觉。通过产生大扬声器正在产生增强的低频声音的感觉，大扬声器也可从中受益。
另外，利用本发明的一个实施例，手持和便携式音响系统中的小扬声器可产生更加令人愉悦的低频声音的感觉。因此，听众不必因为便携性而牺牲了低频声音的质量。
在本发明的一个实施例中，成本较低的扬声器可产生低频声音的错觉。许多低成本的扬声器不能充分再现低频声音。一个实施例使用较高频率的声音产生低频声音的感觉，而不是使用昂贵的音箱、高性能的部件和大磁铁来真实再现低频声音。因此，成本较低的扬声器可被用于产生更逼真和健壮的收听感受。
而且，在一个实施例中，低频声音的错觉产生了一种增强的收听感受，它提高了声音的真实性。因此，本发明的一个实施例再现被感觉到更准确和清晰的声音，以取代在已有技术的许多低成本系统中存在的模糊或颤动的低频声音的再现。举例来说，这种低成本音频和视听设备可包括收音机、移动音频系统、计算机游戏、扬声器、光盘(CD)播放器、数字多用盘(DVD)播放器、多媒体表示装置、计算机声卡，如此等等。
在一个实施例中，与实际再现低频声音相比，产生低频声音的错觉所需的能量要少。因此，依靠电池或在低功率环境下工作的系统不必象仅仅放大或提升低频声音的系统那样消耗许多宝贵的能量就可以产生低频声音的错觉。
本发明的其它一些实施例使用专用电路产生低频信号的错觉。这些电路比已有技术的低频放大器简单，从而可降低制造成本。有益地是，这些电路比增加了复杂电路的已有技术的声音增强设备的成本要低。
本发明的另外一些实施例依靠一种执行公开的低频增强技术的微处理器。在一些情况下，现有的处理音频的元件可被重新编程以提供本发明的一个或多个实施例的公开且独特的低频信号增强技术。因此，在现有系统中增加低频增强功能的成本被显著降低。
在一个实施例中，声音增强设备接收来自主机系统的一个或多个输入信号，接着产生一个或多个增强的输出信号。具体来说，两个输入信号被处理以提供一对频谱增强的输出信号，当它们在扬声器上播放并由听众收听时则产生扩展的低音的感觉。在一个实施例中，低频的音频信息以不同于高频的音频信息的方式进行修正。
在一个实施例中，声音增强设备接收一个或多个输入信号并产生一个或多个增强的输出信号。具体地说，输入信号包括具有第一频率范围和第二频率范围的波形。输入信号被处理以提供增强的输出信号，当它们在扬声器上播放并由听众收听时则产生扩展的低音的感觉。另外，该实施例修正第一频率范围内的信息的方式可以不同于修正第二频率范围中的信息的方式。在一些实施例中，第一频率范围可以是对于希望的扬声器来说低至不能再现的低音频率，而第二频率范围可以是扬声器可再现的中低音频率。
一个实施例修正两个立体声通道共用的音频信息的方式不同于两个通道不共用的能量。两个输入信号共用的音频信息被称作组合信号。在一个实施例中，增强系统把组合信号的相位和频率的振幅频谱整形，以便于在不需要取消音频信息是立体声的感觉的情况下就能够减小可由高振幅输入信号引起的限幅。
正如下面将详细讨论的，声音增强系统的一个实施例利用各种滤波器对组合信号进行频谱整形，以产生增强的信号。通过增强组合信号中的所选频带，该实施例提供了一个比实际的扬声器带宽要宽的感觉的扬声器带宽。
声音增强设备的一个实施例包括针对两个立体声通道的前馈信号路径和针对组合信号路径的四个并联滤波器。四个并联滤波器中的每个滤波器包括一个由三个串联的双二次滤波器组成的六阶带通滤波器。这四个滤波器的传递函数被特别选择以提供音频信号低频内容的各种谐波的相位和/或振幅的整形。在通过扬声器播放时，该整形处理会意外地增加音频信号的感觉带宽。在另一个实施例中，六阶滤波器由更低阶的契比雪夫滤波器代替。
由于对组合信号进行频谱整形并且随后在前馈路径中与立体声信息组合在一起，所以组合信号中的频率可被改变以使两个立体声通道均受到影响，并且在某些频率范围中的一些信号可从一个立体声通道耦合到另一个立体声通道。因此，优选实施例能够以完全新颖独特且意想不到的方式产生增强的声音。
声音增强设备则可连接一个或多个之后的信号处理级。这些随后的级可提供改善的声级或空间处理。在不影响声音增强设备的操作的情况下，输出信号还可被传送到其它音频设备，如记录装置、功率放大器、扬声器等。
在又一个实施例中，可由一种信号处理器来提供声音增强，该信号处理器可配置用于从具有第一组频率的输入信号产生第二组频率。该信号处理器可作为硬件、软件(例如，在数字信号处理器中)或二者来实施。第二组频率被产生以产生第二组频率至少包括第一组频率的一些谐波的感觉。信号处理器使用零交点检测器驱动单稳态多谐振荡器来提供一列脉冲。这些脉冲通过对应于第一组频率的输入信号的零交点产生。信号处理器通过把脉冲列传送给一群带通滤波器而产生第二组频率。
在又一个实施例中，可由一种信号处理器提供声音增强，该信号处理器配置用于通过一群带通滤波器处理输入信号。所选带通滤波器的输出被组合以产生组合信号。该组合信号提供给一个扩展器，如自动增益控制(AGC)放大器。AGC放大器具有一个设置放大器输出电平的控制输入。该控制输入通过响应组合信号的包络来设置。
在又一个实施例中，组合信号被提供给峰值压缩器而不是扩展器。峰值压缩顺的输出提供到了扩展器的输入端。
在一些实施例中，输入信号被组合产生组合信号，该组合信号接着被增强以产生增强的组合信号。增强的组合信号接着与每一个原始输入信号组合以产生输出信号。在其它一些实施例中，输入信号没有被组合，而是保持独立。独立的输入信号均被单独增强以产生增强的输出信号。相同的信号处理可被用于增强组合信号或独立的输入信号。
一旦阅读了下面的详细说明并参考了附图，本发明的这些和其它方案、优点及新颖特征将会变得显而易见。


图1是适于供本发明使用的音频系统的框图。
图2是具有声卡和扬声器的多媒体计算机的框图。
图3是一种典型的小型扬声器系统的频率响应的曲线图。
图4A示出了由两个离散频率表示的信号的实际和感觉的频谱。
图4B示出了由一个连续频谱表示的信号的实际和感觉的频谱。
图4C示出了调制载波的时间波形。
图4D示出了检测器检测之后的图4C的时间波形。
图5是包括声卡和扬声器的典型计算机系统的框图。
图6A是数字音响系统的框图。
图6B是具有声音增强处理的数字音响系统的框图。
图7是本发明的硬件实施例的框图，其中声音增强功能由一个声音增强单元提供。
图8示出了用于对输入信号的频谱进行整形以增强低频声音的感觉的信号处理的一个实施例。
图9是在本发明的一些实施例中使用的带通滤波器的电路图。
图10是在图8所示信号处理图中使用的带通滤波器的传递函数的曲线图。
图11是使用零交点检测器的感觉增强系统的信号处理框图。
图12A示出了通过使用若干个与图8所示带通滤波器连接的自动增益控制电路产生的增强传递函数，该增强传递函数对应于具有显著低频能量的输入信号。
图12B示出了通过图12A所示的增强传递函数产生的总频谱。
图12C示出了通过使用若干个与图8所示带通滤波器连接的自动增益控制电路产生的增强传递函数，该增强传递函数对应于具有非常小的低频能量的输入信号。
图12D示出了通过图12C所示的增强传递函数所产生的总频谱。
图13是一种产生图12所示增强传递函数的系统的信号处理框图。
图14A是自动增益控制放大器的框图。
图14B是对应于图14A所示框图的自动增益控制放大器的电路图。
图15是一种具有可选频率响应的提供图12所示增强传递函数的系统的信号处理框图。
图16A是具有低音增强处理的音响系统的框图。
图16B是把多个通道组合为一个低音单通道的低音增强处理器的框图。
图16C是单独处理多个通道的低音增强处理器的框图。
图17是一种提供具有可选频率响应的低音增强的系统的信号处理框图。
图18是用在图17所示信号处理图中的带通滤波器的传递函数的曲线图。
图19是表示加力(punch)电路的时间-振幅响应的时域曲线图。
图20是表示由乐器发出的典型低音的信号和包络部分的时域曲线图，其中包络示出了增高、衰减、持续和释放部分。
图21A是表示低音加力电路对具有慢增高时间的包络的作用的时域曲线图。
图21B是表示低音加力电路对具有快增高时间的包络的作用的时域曲线图。
图21C是结合图21A和21B的增高时间的时域曲线图。
图21D是表示包括图21A-D所示低音加力传递函数的图17所示低音增强系统的振幅响应曲线的频域图。
图22表示执行图17所示低音增强系统的电路图的一个实施例。
图23是低音加力电路的一个实施例的框图。
图24是图23所示低音加力电路的一个实施方案的电路图。
国25是通过使用峰值压缩器和低音加力电路提供低音增强的系统的信号处理框图。
图26是表示峰值压缩器对具有快增高的包络的作用的时域图。
图27是峰值压缩器的一个实施例的电路图。
本发明提供了一种增强音频信号的方法和系统。该声音增强系统使用独特的声音增强处理提高声音的真实性。总之，该声音增强处理接收两个输入信号，一个左输入信号和一个右输入信号，并接着产生两个增强的输出信号，一个左输出信号和一个右输出信号。
左右输入信号被集中处理以提供一对左右输出信号。具体来说，增强系统的实施例以扩大和增强感觉声音带宽的方式均衡在两个输入信号间存在的不同。另外，许多实施例调节两个输入信号共有的声级以减少限幅。有益地是，一些实施例通过使用不需要数字信号处理的简化、低成本且易于制造的模拟电路来实现声音增强。
尽管实施例是参考最佳声音增强系统描述的，但本发明并不被如此限制，而是可被用于其它各种设备场境中，其中最好是把声音增强系统的不同实施例适用于不同的情况。
声音增强系统的概述图1是包括声音增强系统104的声音增强系统100的框图。声音增强系统100包括声源102、声音增强系统104、任选信号处理系统106、任选放大器108、扬声器110和听众112。声源102的输出提供给声音增强系统104的输入端。声音增强系统104的输出提供给了任选的信号处理系统106的输入端。任选的信号处理系统106的输出提供给了放大器系统108的输入端。放大器系统108的输出提供给了扬声器系统110的输入端。扬声器系统110的声输出提供给了一个或多个听众112。
举例来说，信号源102可包括立体声接收机、收音机、光盘播放器、盒式磁带录象机(VCR)、音频放大器、剧场系统、电视、激光盘播放器、数字多用盘(DVD)播放器、用于记录和重放预先记录的音频的设备、多媒体设备、计算机游戏等。尽管信号源102一般产生一组立体声信号，但应当理解，信号源102并不限于产生立体声信号。因而，在其它一些实施例中，信号源102可产生多种类型的音频信号，如产生单通道或多通道信号的音频系统。
信号源102向声音增强系统104提供一个或多个信号(例如，左右立体声通道)。声音增强系统104通过左右通道的修正来增强低频声音信息。在其它一些实施例中，左右通道的输入信号不必是立体声信号并且可包括范围更广的音频信号，例如，Dolby实验室的定向逻辑(Pro-Logic)系统，它使用一个矩阵化方案以便仅仅在两个音频记录轨迹上存储四个或更多的独立的音频通道。音频信号还可包括环绕声系统，它可发送完全独立的前后音频通道。这样的一个系统是Dolby实验室的叫作“AC-3”的五通道数字系统。
在一个实施例中，包括左右通道之和的音频信息被称作组合信息或组合信号。一个实施例使组合信号中的频率谱谐波整形，并在随后把部分整形组合信号回插到左右通道中，以便减小可由一个通道或另一个通道中的低频高幅信号引起的限幅。
任选的音频处理系统106可提供其它音频处理，包括诸如解码、编码、均衡、环绕声处理等。放大器系统108放大一个或多个通道并把放大信号提供给扬声器系统110。该扬声器系统包括一个或多个扬声器。
图2示出了一种典型的多媒体计算机系统200，它利于使用本发明的一个实施例来提高由一对小型台式计算机扬声器210产生的音频性能。扬声器210连接计算机单元204之内的插卡206。插卡206通常是声卡，如图5所示的声卡，但也可以是产生音频输出的任何计算机接口卡，包括收音卡、电视调谐卡、PCMCIA卡、内部调制解调器、数字信号处理器(DSP)插卡等。计算机用户202使用计算机204运行一个计算机程序，该程序可使插卡206产生可由扬声器210转换为声波的音频信号。
多媒体计算机系统使用的扬声器210通常是设计为小型且便宜的小型台式单元，因此它没有在低频产生显著的声压级的能力。用于多媒体计算机的典型小扬声器系统具有大约在200Hz滚降的声输出响应。图3表示大体上对应于人耳的频率响应的曲线306。图3还表示典型的小型计算机扬声器系统的测量响应308，该系统使用高频驱动器(高频扬声器)再现高频，使用四英寸的中频-低频驱动器(低音扬声器)再现中频和低频。采用两个驱动器的这种系统通常称作双路系统。采用多于两个驱动器的扬声器系统在相关技术中是已知的并且将与本发明的一个实施例共同起作用。具有单个驱动器的扬声器系统也是已知的并且也将与本发明一起工作。响应308绘制在等轴曲线图上，其中X轴表示从20Hz到20kHz的频率。这个频带对应于正常人的听力范围。图3中的Y-轴表示从0dB到-50dB的归一化振幅响应。曲线308在从约2kHz到10kHz的中频带较平坦，高于10kHz时显示了一些滚降。在低频带中，曲线308呈现出开始于约200Hz和2kHz之间的中低音频带中的低频滚降，这样，在低于200Hz时，扬声器系统产生非常小的声输出。
图3所示的频带位置是作为例子而不是作为限制来使用的。重低音(deep bass)频带、中低音频带和中频带的实际频率范围随着扬声器和使用该扬声器的应用而变化。术语重低音一般用来指一个频带中的频率，与诸如中低音频带中的较高频率下的扬声器输出相比，扬声器在该频带中产生的输出不太精确。术语中低音频带通常用来指高于重低频带的频率。术语中频带通常用来指高于中低音频带的频率。
当在锥形直径小于声波波长的低频产生声能时，许多锥形驱动器的效率非常低。当锥形直径小于该波长时，要使来自该锥形的声输出保持统一的声压级则需要锥形偏移针对频率下降的每个倍频程(2倍)而被提高到四倍。如果一个人试图仅仅通过增加供给驱动器的电能来提高低频响应，那么将会很快到达驱动器可允许的最大锥形偏移。
因此，驱动器低频输出的增加不能超出某个限度，这就解释了为什么大多数小扬声器系统具有不良的低频音质。曲线308是大多数小扬声器系统的典型曲线，这些系统采用直径约为四英寸的低频驱动器。具有较大驱动器的扬声器系统往往产生降至略低于曲线308所示频率的可感觉的声输出，并且具有较小的低频驱动器的系统通常将不产生与曲线308所示的一样低的输出。
如上所述，到今天为止，系统设计者在设计具有扩展低频响应的扬声器系统时几乎没有什么选择机会。已知的解决方法昂贵并且生产的扬声器对于桌面来说太大。对低频问题的一种普遍的解决方法是使用辅助低音扬声器(sub-woofer)，它一般放在靠近计算机系统的地板上。辅助低音扬声器可提供充分的低频输出，但它们昂贵，因此与便宜的台式扬声器相比不太常用。
本发明的一个实施例克服小型系统的低频局限性不是使用锥形直径大的驱动器或辅助低音扬声器，而是利用了人的听觉系统的特性来产生低频声能的感觉，甚至是在这种声能不是由扬声器系统产生的情况下。
已知人的听觉系统是非线性的。简而言之，非线性系统是一种输入的增加并不会使输出按比例增加的系统。因此在人耳中，举例来说，声压级的加倍不会产生声源音量也加倍的感觉。事实上，人耳大致上相当于一个平方律器件，它响应声能的功率而不响应其强度。听觉作用过程的这种非线性产生互调频率，它们听起来就象是声波中的实际频率的泛音或和音。
图4A表示人耳中的互调效应，它示出了两个纯音的理想幅度谱。图4A中的谱图表示与扬声器驱动器(例如，辅助低音扬声器)在50Hz产生的声能相对应的第一谱线404。第二谱线402在60Hz示出。谱线404和402是与驱动器产生的真实声能相对应的实际谱线，并且假设不存在其它声能。尽管如此，由于人耳固有的非线性，因此它将产生与两个实际谱线频率之和以及两个实际谱线频率之差相对应的互调产物。
例如，一个正在收听由谱线404和402表示的声能的人将感觉到由谱线406示出的50Hz的声能、由谱线408示出的60Hz的声能、以及由谱线410示出的110Hz的声能。谱线410不对应于扬声器产生的真实声能，而是对应于由于人耳的非线性而在耳朵中产生的谱线。谱线410在110Hz出现，它是两个实际谱线的和(110Hz＝50Hz+60Hz)。应当指出，人耳的非线性还将在10Hz的差频(10Hz＝60Hz-50Hz)产生一条谱线，但该谱线由于低于人的听觉范围而感觉不到。
图4A示出了人耳内的互调处理，但与诸如音乐的真实节目素材相比有一定程度的简化。诸如音乐的典型节目素材和声丰富，以至于大多数音乐呈现出如图4B所示的几乎连续的频谱。除了图4B中的曲线所示为连续谱，图4B示出了与图4A所示相同类型的实际声能和感觉声能之间的比较。图4B示出了实际声能曲线420和相应的感觉频谱430。
与大多数非线性系统的情况一样，耳朵的非线性在系统产生大偏移(例如，大信号电平)时比产生小偏移时会更明显。因而，对于人耳来说，非线性在低频会更明显，其中鼓膜及耳朵的其它部分即使在较低的音量级时也能产生大的机械偏移。因此，图4B表示实际声能420和感觉声能430之间的差值在较低频率范围时趋向于最大并在较高频率范围时较小。
如图4A和4B所示，包括多个音和频率的低频声能在收听者一方将产生中低音频带中的声能包含的频谱内容比实际存在的频谱内容要多的感觉。当遇到信息被认为丢失了的情况时，人脑在潜意识里将努力“暂代(fill in)”丢失的信息。这种暂代现象是许多光错觉的基础。在本发明的一个实施例中，通过向大脑提供这种低频信息的中低音频效果可以诱使大脑暂代实际上并不存在的低频信息。
换言之，如果向大脑呈现假若低频声能存在时将由耳朵产生的谐波(如谱线410)，则在该条件下，大脑将下意识地暂代它认为“肯定”存在的低频谱线406和408。这种暂代处理通过人耳非线性的另一种效应得到加强，这种效应被称作检测器效应。
人耳的非线性还使耳朵就象是一个检测器，类似于调幅(AM)接收机中的二极管检测器。如果中低频谐音是由重低音进行AM调制，那么人耳将解调该调制的中低频载波以再现重低音包络。图4C和4D图示了调制和解调的信号。图4C在时间轴上表示调制的信号，包括由重低频信号调制的较高频率的载波信号(如中低频载波)。
较高频信号的幅度由较低频音调制，因而，较高频信号的振幅随着较低频音的频率而变化。耳朵的非线性将部分解调信号，使得耳朵将检测到较高频信号的低频包络，从而产生低频音的感觉，即使是在没有在低频产生实际声能的情况下。与上面讨论的互调效应的情况一样，检测器效应通常可通过中低音频率范围中的信号的适当信号处理而得到加强，该频率范围一般在频率范围下限的100-200Hz和频率范围上限的500Hz之间。通过使用适当的信号处理，可以设计一种声音增强系统，即使是在使用不能或低效产生低频声能的扬声器时，该系统也可以产生这种声能的感觉。
扬声器产生的声能中存在的实际频率的感觉被认为是初级效应。实际声频中不存在的附加谐波的感觉，不管这种谐波是由互调失真或是检测效应产生，都被认为是次级效应。
在描述声音增强系统中使用的实际信号处理的细节之前，检验该系统的几个实施方案是有帮助的。该声音增强系统并不限于多媒体计算机系统，而是可与许多音频信号源和许多不同类型的扬声器一起使用，例如包括轰鸣箱、迷你元件的立体声系统、电视系统、收音机、甚至是适于家用或商用的更大的扬声器。但是，带有不足扬声器的多媒体计算机系统的普及，以及把声音增强系统作为使多媒体计算机升级的软件来实施的可能性都使多媒体计算机和其它便宜系统成为本发明几个实施例的有吸引力的平台。
图5是表示典型的多媒体计算机系统500的框图，该系统具有声卡510、第一扬声器系统512和第二扬声器系统514。计算机系统500包括数据存储介质506、处理器502和声卡510，它们全部与输入/输出(I/O)总线508连接。用于存储程序和数据的主存储器504通常通过单独的存储总线与处理器502连接。声卡510包括I/O控制模块520，它与数据总线508连接并提供与数据总线508进行通信所需的必要功能。在声卡510之中，一个双向数据通路连接I/O控制模块520和数据路由器522，路由器522向来自声卡和I/O控制模块520的各种内部数据通路的数据提供多路复用和多路分用。
路由器522的第一输出端提供数据给第一合成模块524，该模块通常通过FM合成或波表合成产生声音。第一合成模块524的输出经第一增益控制534馈给第一混频器(加法器)528。路由器522的第二输出端向第一数字信号处理器(DSP)525的一个输入端提供数据。第一DSP525的输出提供给第一数-模转换器(DAC)526的输入端。DSP525是任选的，而且并不是在所有的声卡中都能找到。在没有DSP525的声卡上，路由器522的一个输出端可直接与第一数-模转换器526的输入端连接。第一DAC526的输出端经增益控制536与混频器528的一个输入端连接。混频器528的输出端经增益控制530与第一功率放大器520连接。第一功率放大器520的输出提供给了扬声器系统512。
路由器522的第三输出端向第二合成模块544提供数据。第二合成模块544的输出经增益控制554馈给第二混频器548。路由器522的第三输出端向第二数字信号处理器(DSP)545的输入端提供数据。第二DSP545的输出提供给第二DAC转换器546的输入端。DSP545是任选的，如果没有配备，则路由器522的一个输出端可直接与第二DAC转换器546的输入端连接。在一些声卡中也可提供结合了DSP525和DSP545的单个DSP。第二DAC546的输出端经增益控制556与混频器548的一个输入端连接。混频器548的输出端经增益控制550与第二功率放大器540连接。第二功率放大器540的输出提供给了扬声器系统514。
声卡510的内部结构已被简化，目的是为了更有效地示出执行本发明各种实施例和特征的声卡的使用。声卡也可具有其它能力，如具有与模-数转换器(ADC)(未示出)连接的输入端以允许用户通过模拟音频信号源产生抽样的数字数据。声卡510还可提供用于连接操纵杆的输入/输出端口，以及用于连接具有MIDI端口的乐器的MIDI输入/输出端口。声卡510还可提供线路输入端口和线路输出端口，以及用于从诸如CD播放器和数字录音磁带(DAT)驱动器的设备输入音频的输入端口。声卡510还可以提供DSP能力，用于对合成器524和544的动作编程。合成器524和544可使用DSP525和544来编程，或者声卡510可提供用于对合成器524和544的动作编程的其它DSP资源。本发明的一些实施例可包括在图5所示声卡510所提供的DSP处理器上运行的软件。另外，整个声卡的功能也可以在一个单个芯片上实现，如在个人计算机主板上可见的数字信号处理器，并且直接连接数据总线、存储总线、多媒体总线、通用串行总线、火警线、或其它输入/输出总线。
装在存储器504中且在处理器502上运行的多媒体节目利用声卡510产生由扬声器512和514转换为声音(声能)的音频信号。音频信号可通过向合成器524和544发送命令来产生。第一合成器524产生的音频信号经增益控制级534传送到混频器528，经过增益控制530，经过功率放大器520，并在随后由扬声器512转换为声能。包括增益控制556和550、混频器548和功率放大器540的类似信号处理通路是为第二合成器544产生的音频信号配备的。
通过使用DAC526和546进行直接数-模转换，多媒体节目也可通过数字化的音频数据产生音频信号。数字化的音频数据可存储在存储介质506中，或者存储在主存储器504中。存储介质506可以是用于存储数据的任何装置，包括磁盘驱动器、光盘(CD)、DVD、DAT驱动器等。存储在存储介质上的数字化音频数据能够以任何原始的形式存储，包括脉码调制(PCM)，或者以任何压缩形式存储，包括自适应脉码调制(ADPCM)。本专业技术人员可知，提供微软视窗操作环境下的文件系统的硬盘或其它存储介质(如CD-ROM)中存储的数字化音频数据通常存储为具有文件名*。wav(其中，“*”表示通配符文件名)的“wave”文件的文件格式。
图6A是表示从数字数据源600产生声音的处理框图。数字数据源600可以是任何数字化音频源，例如包括模-数转换器、DSP、光盘播放器、激光盘播放器、数字多用盘(DVD)播放器、用于记录和重放预先存储的音频的装置、多媒体设备、计算机程序、波形(wave)文件、计算机游戏等。数字数据由数字数据源600提供给数-模转换器602，它把数字数据转换为输出模拟信号。转换器602把输出模拟信号提供给其它模拟设备，如功率放大器、扬声器、其它信号处理器等。
图6B是表示根据本发明一个实施例的声音增强系统的框图。在图6B中，来自数字数据源600的数据提供给了声音增强块601，声音增强块601对数字化声音执行信号处理以修正数字化声音，从而改善感觉到的扬声器的低频响应。来自声音增强块601的修正的数字数据提供给数-模转换块602，在数-模转换块602中，数字数据转换为模拟信号。来自块602的模拟信号提供到其它模拟设备，如扬声器、功率放大器、或其它信号处理设备。块601中的信号处理的实施方案可由通用数字计算机提供，如处理器502，或者由DSP提供，如DSP 525和545。
例如，该处理可利用下面的各种软硬件来完成，如装在计算机存储器中的软件、Texas Instruments Inc.公司制造的DSP(如TMS320xx系列)、由其它厂商提供的DSP、诸如Chromatic Research Inc.公司提供的MPACT多媒体处理器的多媒体处理器、或是诸如奔腾处理器、奔腾Pro处理器、8051处理器、MIPs处理器、Power PC处理器、ALPHA处理器等的处理器。
在一个实施例中，信号处理块601完全在处理器502上的软件中执行。由处理器502上运行的计算机程序产生的数字数据(如来自wave文件的数据)提供给独立的信号处理程序，该信号处理程序提供了由块601表示的功能。独立的信号处理程序修正数字数据并把修正的数字数据提供给可作为声卡510的一部分的数-模转换器块602。这个纯软件实施例为诸如图2所示用户202的多媒体计算机系统的用户提供了一种低成本的方法，以扩大与多媒体计算机连接的扬声器的视在低频响应。
在另一个可选的软件实施例中，由块601表示的处理可由固定在计算机上的声卡中的DSP提供。因此，举例来说，由信号处理块601表示的处理可由图5所示声卡510中的DSP525和DSP545来实施。由DSP525和DSP545所表示的功能可结合在一个单个DSP中。本发明的软件实施例是有吸引力的，因为它们能够以小成本来执行。
但是，硬件实施例也在本发明的范围之内。图7是本发明的硬件实施例的框图，其中声音增强功能由声音增强单元704提供。声音增强单元704接收来自信号源702的音频信号。信号源702可以是任何信号源，包括图1所示的信号源102，或是图5所示的声卡510。声音增强单元704执行信号处理以修正接收的音频信号，并产生可提供给扬声器、放大器或其它信号处理设备的音频输出。信号处理图8是由各种信号处理块执行的低频增强信号处理的一个实施例的框图800，这些信号处理块可以是图7所示的声音增强单元704、图6B所示的声音增强块601和图1所示的声音增强系统104。图8还可用作描述一个程序的流程图，该程序在DSP或其它处理器上运行以执行本发明一个实施例的信号处理操作。
图8示出了两个输入，一个左通道输入802和一个右通道输入804。图8所示信号处理的两个通道将根据基于普通立体声左右通道的左通道和右通道来进行传统地描述，但是，本发明并不被如此限制，而是还可包括多于两个通道的系统以及通道并不对应于立体声左右通道的系统。
输入802和804均提供给加法器806，加法器806产生一个作为两个输入的组合的输出，该组合是两个输入的线性之和。加法器806的输出提供放大器808。放大器808的增益可被调节至一个希望的值。加法器806和放大器808也可被组合成一个用来提供两个输入之和以及增益的单个求和放大器。
放大器808的输出提供给低通滤波器810。低通滤波器810的输出提供给第一带通滤波器812、第二带通滤波器813、第三带通滤波器814和第四带通滤波器815。每个带通滤波器812-815的输出分别提供给放大器816-819的输入端，使得每个带通滤波器驱动一个放大器。每个放大器816-819的输出端均与加法器820连接，加法器820产生作为放大器输出之和的输出。
放大器820的输出提供给左通道加法器824的第一输入端，并且放大器820的输出提供给右通道加法器832的第一输入端。左通道输入802提供到左通道加法器824的第二输入端，并且右通道输入804提供到右通道加法器832的第二输入端。左通道加法器824和右通道加法器832的输出分别是信号处理框图800的左右通道输出。
低通滤波器810的滚降频率和速率被选择来提供可由多媒体扬声器适当产生的最低频率以上的适当数目的中低频谐波。带通滤波器812-815被选择来整形低通滤波器810产生的信号频谱，以便于加重扬声器不能充分再现的低频信号的谐波。在一个实施例中，低通滤波器810是次级契比雪夫滤波器，具有12dB/倍频程的滚降和200Hz的滚降频率。通常，带通滤波器将被参差调谐至频率100Hz、150Hz、200Hz和250Hz。在一个实施例中，带通滤波器812-815是如图9所示执行的次级契比雪夫滤波器。
图9是具有输入902和输出918的次级契比雪夫滤波器的电路图。输入902提供给电阻器R1 904的第一端。电阻器R1 904的第二端连接电阻器R2 906的第一端、输入电容器912的第一端和反馈电容器910的第一端。输入电容器912的第二端连接运算放大器(运放)914的倒相输入端并连接电阻器R3 908的第一端。运放914的非倒相输入端接地。运放918的输出端连接反馈电容器910的第二端、反馈电阻器908的第二端和输出端918。在一个实施例中，输入电容器912和反馈电容器910均为0.1微法的电容器。
表1列出了基于图9所示电路的带通滤波器812-815的中心频率和电路值。图10示出了带通滤波器的传递函数的一般波形。图10表示分别对应于带通滤波器812-815的带通传递函数1002、1004、1006和1008。
表1滤波器 频率 R1 R2 R3(Hz) (KΩ)(KΩ)(KΩ)812 100 31.6 4.53 63.4813 150 21.0 3.09 42.46814 200 15.8 2.26 31.6815 250 12.7 1.82 25.5放大器816、817、818和819增益设置为二。因此，作为混频器820的输出的信号821是一个包括已经在约100Hz至250Hz的频率范围内滤波和处理的左右立体声通道之和的音频信号。此处理信号分别由混频器824和832添加到左右立体声通道的前馈路径中。由于信号821包括左右通道信息，所以把信号821加回左右通道将会把一些左通道音频信号引入右通道中，反之亦然。因此，该效果在一定程度均衡了两个通道。
图11示出了声音增强系统的另一个信号处理实施例。除了图11中的四个带通滤波器是由零交点检测器1110触发的单稳态多谐振荡器驱动外，图11所示的实施例在许多方面类似于图8的实施例。图11示出了两个输入，一个左通道输入1103和一个右通道输入1101。与图8类似，图11所示信号处理的两个通道将根据方便以左通道和右通道来描述，但这并不成为限制。
输入1103和1101均提供给了加法器1102，加法器1102产生一个作为两个输入的组合的输出，该组合是两个输入的线性之和。加法器1102的输出提供给增益为一的放大器1103。但是，放大器1103的增益可被调节至任何想要的值。放大器1103的输出提供到截止频率约为100Hz的低通滤波器1104。低通滤波器1104的输出提供到峰值检测器1106和增益约为0.05的放大器1108。峰值检测器1106具有0.25毫秒的衰减时间常数。放大器1108的输出提供到零交点检测器(ZCD)1110。ZCD1110的输出提供到单稳态多谐振荡器1112的触发输入端，每次当低通滤波器1404的输出经过零时，都使得单稳态多谐振荡器1112被触发。
当被触发时，单稳态多谐振荡器1112产生150毫秒的脉冲。单稳态多谐振荡器1112的非倒相输出提供到乘法器1114的第一输入端和SPST(单刀单掷)压控开关1116的控制输入端，这样，只要单稳态多谐振荡器1112的非倒相输出变高，开关1116就闭合。乘法器的第二输入由峰值检测器1106的输出提供。乘法器1114的输出提供到开关1116的第一端。开关1116的第二端提供到第一带通滤波器1118、第二带通滤波器1119、第三带通滤波器1120和第四带通滤波器1121。每个带通滤波器1118-1121的输出分别提供到放大器1126-1129的输入端，使得每个带通滤波器驱动一个放大器。每个放大器的增益实际上为二。每个放大器1126-1129的输出提供到混频器1134，混频器1134产生作为放大器1126-1129的输出之和的输出。混频器1134的输出提供到截止频率约为200Hz的低通滤波器1136。高通滤波器1142和1144均具有约125Hz的截止频率。
混频器1134的输出提供到左通道加法器1140的第一输入端和右通道加法器1144的第一输入端。左通道输入1103提供到左通道加法器1140的第二输入端，并且右通道输入1101提供到右通道加法器1144的第二输入端。左通道加法器1140的输出提供到高通滤波器1142的输入端，并且高通滤波器1142的输出提供到左通道输出端1150。右通道加法器1144的输出提供到高通滤波器1146的输入端，并且高通滤波器1146的输出提供到左通道输出1148。
图11的系统根据低通滤波器1104的输出的零交点产生脉冲。这些脉冲提供到滤波器1118-1121，从而使滤波器“振铃(ring)”产生主要在100至300Hz频率范围内的谐波频率。由于脉冲是通过输入的低通滤波的输入信号的零交点产生，所以滤波器1118-1121产生的谐波是输入波形的低频分量的谐波。因此，图11的系统产生的谐波内容类似于假若低频信息被转换为声能时人耳所产生的谐波内容。产生的谐波通过加法器1140和1144与普通的左右通道信息混合，并被高通滤波以去掉剩下的低频信号，并在随后发送到扬声器。增加的谐波将由听众的大脑解释以作为对应于声波中的较低频内容的谐波。
在本发明的又一个实施例中，由带通滤波器驱动的放大器(如图8的放大器816-819)使用由输入音频信号的低频内容的幅度控制的自动增益控制块来代替。在检验用于实现所述增益控制的信号处理单元之前，有帮助地是，首先检验对输入和输出音频信号进行增益控制的效果以便更好地理解该处理。这个实施例以两种方式增强中低频谐波(例如约100Hz和250Hz之间的谐波)。在这个区域中的频谱将根据其频率低至使扬声器无法再现(如低于100Hz的频率)的输入信号的能量来提升和整平。当在低于100Hz频率时几乎没有什么能量时，频谱的变化非常小。当在低于100Hz频率时具有很多能量时，频谱将在中低频区域被明显地提升和整平。提升和整平是通过一个增强因数来实现的，该增强因数使用自动增益控制(AGC)电路而产生。应当指出，包括中低频区的频率将会变化，并且这里给出的频率范围是作为例子而不是作为限制来提供的。
图12A示出了在具有大低频分量的输入信号1202存在时，四个参差调谐的带通滤波器的增益控制被用于产生增强因数1220以实现此目的的方式。该频域内所示的作为例子的输入信号1202在接近40Hz处具有大峰值(例如，低音吉它的最低音)。1202的频谱振幅随着频率的增加而逐渐递减为越来越小的值。四个带通曲线1204、1206、1208和1210用于表示大概调谐至100Hz、150Hz、200Hz和250Hz的四个带通滤波器的传递函数。每个带通滤波器的增益(由每个曲线1204、1206、1208和1210的高度表示)假定由独立的AGC控制。每个AGC则由100Hz以下(次低音区域)的曲线1202的幅度控制。
在输入的音频频谱具有与该次低音区域几乎一样的振幅的频率范围内，AGC增益几乎为一，这从曲线1204中可以看出。在输入的音频频谱具有远小于该次低音区域的振幅时，AGC增益将增加，这可以从曲线1210中看出。增强因数1220实际上是由曲线1204、1206、1208和1210表示的复合传递函数。图12B表示把增强因数1220应用于输入波形1202以产生增强波形1240的效果。由于波形1202具有大的次低音振幅，所以增强波形1240与输入波形1202相比在中低频区域中被显著地提升和整平。
图12C和12D表示与图12A和12B相同的处理，其中增强因数1270通过输入波形1252产生。与波形1202不同，波形1252具有小低频能量，因而增强因数1270更小。因为增强因数1270太小，所以图12D所示的输出波形1280几乎与输入波形1252一样。
图13是使用AGC产生增强因数的低频增强信号处理系统的一个实施例的框图1300。图13也可用作描述一个程序的流程图，该程序在DSP或其它处理器上运行，用于执行本发明一个实施例的信号处理操作。图13示出了两个输入，一个左通道输入1302和一个右通道输入1304。与前面实施例的情况一样，左右通道的使用是为了便于描述本发明，而不是作为本发明的限制。输入1302和1304均被提供到加法器1306，加法器1306产生作为两个输入的组合的输出。
加法器1306的输出提供到增益为一的放大器1308的输入端。放大器1308的输出提供到截止频率约为400Hz的低通滤波器1310。低通滤波器1310的输出提供到电位计1352的第一端、第一带通滤波器1312、第二带通滤波器1313、第三带通滤波器1314和第四带通滤波器1315。每个带通滤波器1312-1315的输出分别提供到AGC1316-1319的音频信号输入端，这样，每个带通滤波器驱动一个AGC。每个AGC1316-1319的输出端与加法器1320连接，加法器1320产生作为放大器的输出之和的输出。
电位计1352的第二端接地，并且电位计的滑动刷连接峰值检测器1350。峰值检测器1350的输出提供到每个AGC1316-1319的控制输入端。
放大器1320的输出提供到左通道加法器1324的第一输入端，并且放大器1320的输出提供到右通道加法器1332的第一输入端。左通道输入1302提供到左通道加法器1324的第二输入端，并且右通道输入1304提供到右通道加法器1332的第二输入端。左通道加法器1324和右通道加法器1332的输出分别是信号处理块1300的左通道输出1323和右通道输出1333。在一个实施例中，带通滤波器1312-1315基本上与图9和表1所示的带通波滤器812-815一样。
AGC1316(以及AGC1317-1319)实质上是具有内部伺服反馈环路的线性放大器。该伺服环路自动调节输出信号的振幅以匹配控制输入端上的信号的振幅。因而是在控制输入端而不是在放大器的信号输入端来确定输出信号的平均振幅。如果输入信号振幅减小，则该伺服环路将增加AGC1316的前向增益以使输出信号电平保持恒定。
图14A是包括音频输入1403、控制输入1402和音频输出1404的AGC1318-1319的一个实施例的框图。音频输入1403提供到增益控制放大器1414的一个输入端。放大器1414的输出提供到音频输出端1404和负峰值检测器1412。负峰值检测器的输出提供到加法器1418的第一输入端，并且控制输入1402提供到加法器1418的第二输入端。加法器1418的输出提供到积分器1416的输入端，并且积分器1416的输出提供到放大器1414的增益控制输入端。加法器1418和积分器1416一起形成求和积分器1410。
图14B是图14A所示AGC的电路图的一个实施例。如图14B所示，增益控制放大器1414包括NE572压扩器1439，它具有表2所列的信号引脚2-8。音频输入1403提供到输入电容器1442的第一端。该输入电容的第二端连接压扩器1439的引脚7。输入电容器1442包括2.2mf(微法)电容器和0.01mf电容器的并联组合。压扩器1439的引脚2经10.0mf电容器1443接地。压扩器1439的引脚4经1.0mf电容器1444接地。压扩器1439的引脚8接地。压扩器1439的引脚6连接1.0KΩ电阻器1445的第一端。电阻器1445的第二端连接2.2mf的电容器1446、运放1447的非倒相输入端和运放1452的非倒相输入端。电容器1446的第二端接地。压扩器1439的引脚5连接运放1447的倒相输入端、17.4KΩ的反馈电阻器1449的第一端和17.4KΩ输入电阻器1450的第一端。运放1447的输出端连接反馈电阻器1449的第二端和输出电容1448的第一端。运放1452的输出端连接输入电阻器1450的第二端。10.0KΩ反馈电阻器连接在运放1452的倒相输入端和输出端之间。10.0KΩ的输入电阻器把运放1452的倒相输入端接地。
放大器1414的增益控制输入提供到3.0KΩ输入电阻器1440的第一端。电阻器1440的第二端连接可以是2N2222的小信号晶体管1441的发射极。该晶体管的基极接地，晶体管1441的集电极连接压扩器1439的引脚3。
负峰值检测器1412包括运放1438和二极管1437。负峰值检测器1412的输入端连接on-amp1438的非倒相输入端。on-amp1438的输出端连接二极管1437的阴极。二极管1437的阳极连接on-amp1438的倒相输入端和峰值检测器1412的输出端。除了对于峰值检测器1350来说二极管1437是反相之外，图13所示的峰值检测器1350能够以类似于负峰值检测器1412的方式构建。
求和积分器1410的第一输入提供到100.0KΩ电阻器1431和4.7mf电容器1432的并联组合的第一端。求和积分器1410的第二输入提供到100.0KΩ电阻器1433和4.7mf电容器1434的并联组合的第一端。两个并联组合的第二端均连接运放1435的倒相输入端。运放1435的非倒相输入端接地，并且0.33mf的反馈电容器1436连接在运放1435的倒相输入端和运放1435的输出端之间。运放1435的输出是求和积分器1410的输出。
NE572是双沟道高性能的增益控制电路，其中任意一个沟道都可用于动态范围的压缩或扩展。每个沟道具有一个全波整流器来检测输入信号的平均值、一个线性化的温度补偿可变增益单元和一个动态时间常数缓冲器。该缓冲器允许利用最少的外部元件和改善的低频增益控制脉动失真独立控制动态增高和恢复时间。NE572的引脚在表2中列出(其中，n，m指示沟道A、B)。NE572在本发明的实施例中用作便宜、低噪声、低失真的增益控制放大器。本专业技术人员应当知道，其它的增益控制放大器也可以使用。
表2引脚 功能1，15跟踪微调2，14 恢复3，13整流器输入4，12 增高5，11 Vout6，10 THD微调7，9 Vin8 接地16Vcc图15是提供可选频率范围的低频增强系统的一个实施例的信号处理系统1500的框图。图15也可用作是描述一个程序的流程图，该程序在执行本发明一个实施例的信号处理操作的DSP或其它处理器上运行。在系统1500中体现的可选频带的特征适用于前面所有的实施例。但是，为了简便起见，系统1500示作是图13所示信号处理系统1300的改进，因而在此只描述系统1300和系统1500之间的不同。在系统1500中，带通滤波器1315的输出端没有象系统1300一样直接与AGC1319的输入端连接，而是带通滤波器1315的输出提供到单刀双掷(SPDT)开关1562的第一掷端。开关1562的刀杆提供给了AGC1319的信号输入端。带通滤波器1560的输入端与带通滤波器1315的输入端连接，这样，带通滤波器1560和1315接收相同的输入信号。带通滤波器1560的输出提供到SPDT开关1562的第二掷端。
带通滤波器1560按希望调谐至一个低于100Hz的频率，如60Hz。当开关1562处于对应于第一掷端的第一位置时，它选择带通滤波器1315并使系统1500与系统1300一样操作，从而使带通滤波器处于频率100、150、200和250Hz。当开关1562处于对应于第二掷端的第二位置时，它不选带通滤波器1315而选带通滤波器1560，从而使带通滤波器处于所说的60、100、150和200Hz。
因此，开关1562根据需要允许用户选择要增强的频率范围。配备诸如直径三到四英寸的低音扬声器的小型低音扬声器的扬声器系统的用户通常将选择由分别被调谐至100、150、200和250Hz的带通滤波器1312-1315提供的较高的频带。配备诸如直径约为五英寸或更大的低音扬声器的稍微大一些的低音扬声器的扬声器系统的用户通常选择由分别被调谐至60、100、150和200Hz的带通滤波器1560和1312-1314提供的较低的频带。本专业技术人员将认识到，可配备更多的开关，从而允许选择更多的带通滤波器和更多的频带。选择不同的带通滤波器以提供不同的频带是一种合乎需要的技术，因为带通滤波器便宜并且因为不同的带通滤波器可使用一个单掷开关来选择。
I.低音增强扩展器图16A是一个音响系统的框图，其中声音增强功能由低音增强单元1604提供。低音增强单元1604接收来自信号源1602的音频信号。信号源1602可以是任何信号源，包括图1所示的信号源102，或图5所示的声卡510。低音增强单元1604执行信号处理以修正接收的音频信号，从而产生音频输出信号。音频输出信号可提供到扬声器、放大器或其它信号处理设备。
图16B是具有第一输入1609、第二输入1611、第一输出1617和第二输出1619的双通道低音增强单元1644的布局结构框图。第一输入1609和第一输出1617对应于第一通道。第二输入1611和第二输出1619对应于第二通道。第一输入1609提供到组合器1610的第一输入端和信号处理块1613的输入端。信号处理块1613的输出提供到组合器1614的第一输入端。第二输入1611提供到组合器1610的第二输入端和信号处理块1615的输入端。信号处理块1615的输出提供到组合器1616的第一输入端。组合器1610的输出提供到信号处理块1612的输入端。信号处理块1612的输出提供到组合器1614的第二输入端和组合器1616的第二输入端。组合器1614的输出提供到第一输出端1617。第二组合器1616的输出提供到第二输出端1619。
来自第一和第二输入端1609和1611的信号由信号处理块1612组合并处理。信号处理块1612的输出是一个信号，当分别与信号处理块1613和1615的输出组合时，将产生低音增强的输出1617和1619。
图16C是双通道低音增强单元1604的另一个布局结构的框图。在图16C中，第一输入1609提供到信号处理块1621的输入端和信号处理块1622的输入端。信号处理块1621的输出提供到组合器1625的第一输入端，并且信号处理块1622的输出提供到组合器1625的第二输入端。第二输入1611提供到信号处理决1623的输入端和信号处理块1624的输入端。信号处理块1623的输出提供到组合器1626的第一输入端并且信号处理块1624的输出提供到组合器1626的第二输入端。组合器1625的输出提供到第一输出端1617并且第二组合器1626的输出提供到第二输出端1619。
与图16B所示的布局结构不同，图16C所示的布局结构没有组合两个输入信号1609和1611，而是两个通道保持独立，并且在每个通道上执行低音增强处理。
图17是图16A所示低音增强系统1604的一个实施例的框图1700。低音增强系统1700使用低音加力单元1720产生与时间有关的增强因数。图17也可用作描述一个程序的流程图，该程序在执行本发明一个实施例的信号处理操作的DSP或其它处理器上运行。图17示出了两个输入，一个左通道输入1702和一个右通道输入1704。与前面实施例的情况相同，左与右只是为了便于说明而不是作为本发明的限制。输入1702和1704均提供到加法器1706，加法器1706产生作为两个输入的组合的输出。
加法器1706的输出提供到第一带通滤波器1712、第二带通滤波器1713、第三带通滤波器1714、第四带通滤波器1715和第五带通滤波器1711。带通滤波器1715的输出提供到单刀双掷(SPDT)开关1716的第一掷端。带通滤波器1711的输出提供到SPDT开关1716的第二掷端。开关1716的刀杆提供到了加法器1718的输入端。每个带通滤波器1712-1714的输出提供到加法器1718的相应输入端。
加法器1718的输出提供到低音加力单元1720的输入端。低音加力单元1720的输出提供到单刀双掷(SPDT)开关1722的第一掷端。SPDT开关1722的第二掷端接地。SPDT开关1722的该掷端连接左通道加法器1724的第一输入端和右通道加法器1732的第一输入端。左通道输入1702提供到左通道加法器1724的第二输入端，并且右通道输入1704提供到右通道加法器1732的第二输入端。左通道加法器1724和右通道加法器1732的输出端分别提供到信号处理块1700的左通道输出端1730和右通道输出端1733。开关1722和1716是任选的，并且可由固定的连接来代替。
滤波器1711-1715和组合器1718提供的滤波操作可被组合到图17所示的复合滤波器1707中。例如，在另一个可选实施例中，滤波器1711-1715被组合成为一个单个带通滤波器，它具有从约40Hz延伸到250Hz的通带。为了处理低音频率，复合滤波器1707的通带最好在下限是从约20Hz到100Hz，且在上限是约从150到350Hz。复合滤波器1707也可具有其它滤波器传递函数，例如包括高通滤波器、屏蔽滤波器(shelving filter)等。复合滤波器还可配置用于以类似于图形均衡器的方式操作，并且在其通带内相对于通带内的其它频率而衰减一些频率。
如图所示，图17大体对应于图16B所示的布局结构，其中信号处理块1613和1615具有为一的传递函数并且信号处理块1612包括复合滤波器1707和低音加力单元1720。但是，图17所示的信号处理单元并不限于图16B所示的布局结构。图17的元件也还用于图16C所示的布局结构中，在图16C中，信号处理块1621和1623具有为一的传递函数，并且信号处理块1622和1624包括复合滤波器1707和低音加力单元1720。虽然在图17中没有未出，但信号处理块1613、1615、1621和1623可提供其它信号处理，如，用于消除低音频率的高通滤波，用于消除由低音加力单元1702处理的频率的高通滤波，用于增强高频声音的高频加重，用于补充低音加力电路的附加中低音频率处理。也可以考虑其它的组合。
图18是表示带通滤波器1711-1715的传递函数的一般波形的频域图。图18表示分别对应于带通滤波器1711-1715的带通传递函数1801-1805。传递函数1801-1805被表示为分别以50、100、150、200和250Hz为中心的带通函数。
在一个实施例中，带通滤波器1711被调谐至低于100Hz的频率，如50Hz。当开关1716位于对应于第一掷端的第一位置时，它选择带通滤波器1711并且不选择带通滤波器1715，从而使带通滤波器处于频率50、100、150和200Hz。当开关1716位于对应于第二掷端的第二位置时，它不选择带通滤波器1711而是选择带通滤波器1715，从而使带通滤波器处于100、150、200和250Hz。
因此，开关1716根据需要允许用户选择要加强的频带。配备诸如直径三到四英寸的低音扬声器的小型低音扬声器的扬声器系统的用户通常将选择由分别被调谐至100、150、200和250Hz的带通滤波器1712-1715提供的较高的频带。配备诸如直径约为五英寸或更大的音扬声器的稍微大一些的低音扬声器的扬声器系统的用户通常选择由分别被调谐至50、100、150和200Hz的带通滤波器1711-1714提供的较低的频带。本专业技术人员将认识到，可配备更多的开关，从而允许选择更多的带通滤波器和更多的频带。选择不同的带通滤波器以提供不同的频带是一种合乎需要的技术，因为带通滤波器便宜并且因为不同的带通滤波器可使用一个单掷开关来选择。
在一个实施例中，低音加力单元1720使用一种自动增益控制(AGC)，它包括具有内部伺服反馈环路的线性放大器。该伺服环路自动调节输出信号的平均振幅以匹配控制输入端上的信号的乎均振幅。控制输入的平均振幅通常通过检测控制信号的包络来得到。控制信号还可通过其它方法获得，包括低通滤波，带通滤波，峰值检测，RMS平均，平均值平均等。
通过响应提供到低音加力单元1720输入端的信号的包络的振幅增加，该伺服环路增加低音加力单元1720的前向增益。反之，通过响应提供到低音加力单元1720输入端的信号的包络的振幅减小，该伺服环路增加低音加力单元1720的前向增益。在一个实施例中，低音加力单元1720的增益增加比增益减少要快。图19是表示响应单位步骤输入的低音加力单元1720的增益的时域曲线图。本专业技术人员将认识到，图19是作为时间函数的增益曲线图，而不是作为时间函数的输出信号。大多数放大器具有固定的增益，所以很少描绘增益。但是，在低音加力单元1720中的自动增益控制(AGC)通过响应输入信号的包络改变低音加力单元1720的增益。
单位步骤输入描绘为曲线1909，而增益描绘为曲线1902。通过响应输入脉冲1909的前沿，增益在对应于增高时间常数的周期1904期间增加。在时间周期1904的结尾，增益1902达到稳态增益A0。通过响应输入脉冲1909的后沿，增益在对应于衰减时间常数1906的周期1906期间降至零。
增高时间常数1904和衰减时间常数1906根据需要进行选择以在不过激励系统的其它元件如放大器和扬声器的情况下提供低频增强。图20是由诸如低音吉他、低音鼓、合成器等乐器发出的典型低音的时域曲线图2000。曲线图2000示出了由具有调制包络2042的较低频部分调幅的较高频部分2004。包络2042具有增高部分2046，之后是衰减部分2047，之后是持续部分2048，最后是释放部分2049。曲线图2000的最大振幅是峰值2050，它出现在增高部分2046和衰减部分2047间的时间上。
如上所述，波形2044尽管不是大多数但也是许多乐器的典型波形。例如，在被拉动并放开时，吉它弦最初将进行一些大的振幅振动，并在随后落下来是一些稳态振动，它会慢慢衰减一个长周期。吉它弦最初的大偏移振动对应于增高部分2046和衰减部分2047。缓慢衰减振动对应于持续部分2048和释放部分2049。当被连接钢琴键的音锤敲击时，琴弦也以类似的方式作用。
钢琴弦可具有从持续部分2048到释放部分2049的更明显的转换，这是因为音锤不会返回到琴弦上，直到放开琴键为止。尽管琴键被按下，但在持续周期2048期间，琴弦在较小衰减的情况下自由振动。当放开琴键时，感觉被包住的音锤落在了琴键上，并且在释放部分2049期间快速减小琴弦的振动。
类似地，当被敲击时，鼓面将产生对应于增高部分2046和衰减部分2047的最初的一组大偏移振动。在大偏移振动逐渐减小后(对应于衰减部分2017的结尾)，鼓面将继续振动一个时间周期，该时间周期对应于持续部分2048和释放部分2049。许多乐器声仅仅是通过控制周期2046-2049的长度来产生的。
正如结合图4C所述的，较高频信号的振幅由较低频音(包络)调制，因此，较高频信号的振幅随着较低频音而变化。耳朵的非线性将部分地解调信号，这样耳朵将检测到较高频信号的低频包络，因此，尽管在较低频率时没有产生实际的声能，但仍然可以产生低频音的感觉。检测器效应可通过中低频带中的信号的适当的信号处理得到加强，该中低频带通常在频带下限为50-150Hz且频带上限为200-500Hz之间。通过利用适当的信号处理，可以设计一种声音增强系统，即使在使用不能再现低频声能的扬声器时，该系统也能产生这种声能的感觉。
扬声器产生的声能中存在的实际频率的感觉被认为是初级效应。实际声频中不存在的附加谐波的感觉，不管这种谐波是由互调失真或是检测效应产生，都被认为是次级效应。
但是，如果峰值2050的幅度太大，则扬声器(以及可能的功率放大器)将被过激励。过激励扬声器将会引起很大的失真并且可能会损害扬声器。
低音加力单元1720根据需要在中低音频率区域提供增强的低音，同时降低峰值2050的过激励效应。低音加力单元1720提供的增高时间常数1904限制经过低音加力单元1720的增益的上升时间。低音加力单元1720的增高时间常数对具有长增高周期2046(缓慢包络上升时间)的波形具有较小的影响，并且对具有短增高周期2046(快速包络上升时间)的波形具有较大的影响。
图21A表示与具有长增高周期2046的输入波形的包络2104相关的低音加力单元1720的增益的时域曲线图。本专业技术人员将认识到，在图21A中描绘的仅是输入波形的包络2104，并没有实际的波形(实际波形与其包络之间的关系已结合图4C和20进行了讨论)。具有包络2104的输入波形提供到低音加力单元1720并且低音加力单元1720产生具有包络2106的输出波形。举例来说，图21C是低音加力单元1720的增益的时域曲线图。图21A的时间轴与图21C的时间轴对齐，以进一步显示出包络2104的增高周期比低音加力单元1720的增高时间要长。
因为由增高时间控制的低音加力单元1720的增益增加可以“跟得上”输入包络2104的增高部分，所以低音加力单元1720对包络2104的上升时间具有较小的整形作用，而是提供某种增益。因此，输出包络2106类似于输入包络2104但具有增加的增益。结果，对应于输出包络2106的实际输出信号类似于对应于输入包络2104的实际输入信号，但具有增加的增益。
图21B表示具有短增高周期的输入包络2114的时域曲线图。输入包络2114提供到低音加力单元1720并且低音加力单元1720产生输出包络2116。图21C的时间轴与图21A和21B的时间轴对齐，以进一步表示出包络2104的增高周期比低音加力单元1720的增高时间要短。
因为由增高时间控制的低音加力单元1720的增益增加不能“跟得上”输入包络2114的增高部分，所以输出包络2116的上升时间类似于输入波形2114的上升时间。因此，输出波形2116的最大振幅类似于输入包络2114的最大振幅。由增高时间限制的输出包络2116根据需要不包括通过加力单元1720增加的增益，因为输入波形的增高周期对于低音加力单元1720来说快得难以跟踪。这样就尽可能减小了由加力单元1720提供的增加的增益将会过激励放大器或扬声器的可能性。但是，到输入包络2116到达近乎稳态值的时间为止，在持续周期2048期间，加力单元1720的增益已经“赶上了”输入包络，因此在持续周期期间，输出包络2116的振幅大于输入包络2114的振幅。
如图21B所示，为了减少将会过激励扬声器的过分放大输入信号中的瞬态和脉冲的机会，低音加力单元1720的动作在长期增益中将提供较高的增益，同时根据需要在短期增益中将提供较低的增益。图21B表示对应于将会过激励扬声器(和/或功率放大器)的振幅的振幅线2118。输入包络2114的峰值振幅类似于线2118，这是因为在增高时间周期期间，低音加力单元1720的增益还没有达到其最大值。
图21D示出了低音增强电路1700的振幅响应的频域曲线图。滤波器1711-1715提供的频率选择把低音加力单元1720的动作限制在了主要由下限频率fL和上限频率fH限定的加力频率范围内。fL之下的频率区域是滚降区。在滚降区中，低音增强电路1700提供一个接近一的传递函数。这被称作滚降区是因为典型的小型扬声器在这个区域中几乎不产生声输出。上限频率fH之上的区域是通带区，在该区域中，低音增强电路提供一个接近一的传递函数。
在加力区中，低音增强电路1700提供归因于低音加力电路1720的与时间有关的增益的与时间有关的增益。图21D表示了对应于具有不同包络上升时间的输入信号的加力频带中的一族增益曲线。对于具有较快包络上升时间的输入信号来说，加力频带中的低音增强电路1700的增益小于具有较慢变化(近似为稳态)包络的信号的增益。
图22是表示低音增强电路1700的一个实施例的电路示意图。输入1702和1704提供到加法器1706的第一和第二端。隔直流电容器可与输入端1702和1704串联在一起以在低音增强电路1700的输入端提供隔直流。
加法器1706的第一端对应于电阻器2202的第一端，并且加法器1706的第二端对应于电阻器2204的第一端。电阻器2202的第二端和电阻器2204的第二端连接运放2208的倒相输入端。运放2208的非倒相输入端接地。该运放的输出提供到反馈电阻器2206的第一端。反馈电阻器2206的第二端连接运放2208的倒相输入端。运放2206的输出对应于加法器1706的输出。
在一个实施例中，隔直流电容器是4.7μF的电容器，并且电阻器2202、2204和2206是100KΩ的电阻器。
滤波器1711-1715使用图9所示的布局结构，使用TexasInstruments Inc.公司生产的TL074运放，并且表3给出了电阻器元件的值。
表3滤波器 中心频率R1R2 R3(Hz) KΩ KΩ KΩ1711 50 53.6.0 7.5105.01712 100 31.64.53 63.41713 150 21.03.09 42.461714 200 15.82.26 31.61715 250 12.71.82 25.5带通滤波器1711的输出提供到电阻器2210的第一端。带通滤波器1715的输出提供到电阻器2211的第一端。电阻器2210的第二端连接到SPDT开关1716的第一掷端，并且电阻器2211的第二端连接开关1716的第二掷端。SPDT开关1716的刀杆提供给加法器1718的第一端。加法器1718的第一端连接运放2220的倒相输入端。
带通滤波器1712-1714的输出分别提供到加法器1718的第二、第三和第四输入端。加法器1718的第一输入端对应于电阻器2210的第一端。加法器1718的第二输入端对应于电阻器2212的第一端。加法器1718的第三输入端对应于电阻器2214的第一端。加法器1718的第四输入端对应于电阻器2216的第一端。每个电阻器2210、2212、2214和2216的第二端均连接运放2220的倒相输入端。运放2220的输出提供到反馈电阻器2218的第一端。反馈电阻器2218的第二端连接运放2220的倒相输入端。运放2220的非倒相输入端接地。运放2220的输出对应于加法器1718的输出。加法器1718还可使用诸如数字信号处理器、晶体管等来实施。带通滤波器1711-1715和加法器1718也可通过向滤波器(例如带通波器)提供类似于对带通滤波器1711-1715的响应求和而实现的传递函数的传递函数进行组合。
在一个实施例中，电阻器2211、2212、2213和2214是100KΩ的电阻器，并且电阻器2210是69.8KΩ的电阻器。运放2220是TL074并且反馈电阻器2218是13.0KΩ的电阻器。本专业技术人员将认识到，加法器1718提供加权求和，其中滤波器1712-1715的输出均具有约0.13的加权，并且滤波器1711的输出具有约0.186的加权。来自滤波器1711的具有50Hz中心频率的频率以较小的振幅提供，以避免以大低频信号过激励小型扬声器。其它加权函数也可以使用，例如包括非均匀加权函数、均匀加权函数等。加权函数也可通过使用与加法器组合的具有加权传递函数的带通或其它滤波器来实现。
SPDT开关1722的刀杆提供给左通道加法器1724的第一输入端和右通道加法器1732的第一输入端。左通道加法器的第一输入对应于电阻器2230的第一端。左通道加法器的第二输入对应于电阻器2232的第一端。电阻器2230的第二端和电阻器2232的第二端连接运放2236的倒相输入端。运放2236的非倒相输入端接地。运放2236的输出提供到电容器2238的第一端、电容器2240的第一端和反馈电阻器2234的第一端。反馈电阻器2234的第二端连接运放2236的倒相输入端。电容器2238的第二端和电容器2240的第二端连接输出电阻器2242的第一端。该输出电阻器的第一端连接左通道输入端1730。输出电阻器2242的第二端接地。
左通道加法器的第一输入对应于电阻器2250的第一端。右通道加法器的第二输入对应于电阻器2252的第一端。电阻器2250的第二端和电阻器2252的第二端连接运放2256的倒相输入端。运放2256的非倒相输入端接地。运放2256的输出提供到电容器2258的第一端、电容器2260的第一端和反馈电阻器2254的第一端。反馈电阻器2254的第二端连接运放2256的倒相输入端。电容器2258的第二端和电容器2260的第二端连接输出电阻器2262的第一端。输出电阻器2262的第一端连接右通道输出端1733。输出电阻器2262的第二端接地。
在一个实施例中，电阻器2232、2234、2252和2254是100KΩ的电阻器，电阻器2230和2250是33.2KΩ的电阻器，并且电阻器2242和2262是10KΩ的电阻器。电容器2238和2258是4.7μF的电容器并且电容器2240和2260是0.01μF的电容器。运放2236和2256是TL074。本专业技术人员将认识到，加法器1724和1732均产生加权和，其中每个加法器的第一输入(由低音加力单元1720提供的输入)具有约3.01的加权，并且每个加法器的第二输入具有约1.0的加权。
低音加力单元1720的一个实施例的框图在图23中示出以作为框图2300，并且相应的电路图在图24中示出。在图23中，输入2303提供到固定增益放大器2306的第一输入端、可变增益放大器2305的第一输入端和电位计2308的第一固定端。电位计2308的第二固定端接地，并且电位计2308的滑动刷连接包络检测器2312的输入端。包络检测器2312的输出提供到增高/衰减缓冲器2310。增高/衰减缓冲器2310的输出提供到增益控制放大器2305的增益控制输入端。固定增益放大器2306的输出提供到输出加法器2307的第一输入端，并且可变增益放大器2305的输出提供到输出加法器2307的第二输入端。输出加法器2307的输出提供到低音加力输出2304。
固定增益放大器2306向输出加法器2307提供单位增益前馈路径。因此，即使增益控制2308的增益是零，前馈路径也将向低音加力电路2300提供1.0的最小增益。电位计2308作为分压器连接以选择输入信号的一部分。所选部分提供到包络检测器2312。包络检测器2312的输出是接近输入信号的包络的信号。包络信号提供到增高/衰减缓冲器。当包络信号具有正斜率(前沿)时，增高/衰减缓冲器提供一个信号以便以增高时间常数所给出的速率增加增益控制放大器的增益。当包络信号具有负斜率(后沿)时，增高/衰减缓冲器提供一个信号以便以衰减时间常数所给出的速率降低增益控制放大器的增益。
图23所示的低音加力单元2300是一个扩展器，这是因为单元2300的增益以及由此的输出电平是由输入信号控制的。随着输入信号平均振幅的增加，增益也增加，反之，随着平均输入信号电平的下降，增益也下降。输入信号的最大扩展在电位计2308被定位以使输入信号全部被选并被提供到包络检测器2312时产生。当电位计被定位使得没有输入信号被选时(即，至包络检测器2312的输入端接地)，最小扩展发生，并且增益降至一。增加扩展量将增加低音的感觉，但也将增加过激励扬声器的机会。电位计2308根据需要被定位以便使提供的输入信号扩展足以增强低音的感觉，同时不会过度增加过激励扬声器的机会。
图24是表示低音加力单元2300的一个实施例的电路图。在图24中，输入2303提供到电容器2442的第一端和电位计2308的第一固定端。电位计2308的第二固定端接地，并且电位计2308的滑动刷提供到电容器2406的第一端。电容器2406的第二端连接电阻器2408的第一端，并且电阻器2408的第二端连接增益控制电路2449的包络检测器的输入端(引脚3)。在一个实施例中，增益控制电路2449是结合图14和表2讨论的NE572。增高定时电容器2443的第一端连接增益控制电路2449的增高控制输入端(引脚4)，并且增高定时电容器2443的第二端接地。衰减定时电容器2444的第一端连接到增益控制电路2449的衰减控制输入端(引脚2)，并且衰减定时电容器2444的第二端接地。
电容器2442的第二端提供到增益控制电路2449的Vin端(引脚7)和电阻器2410的第一端。电阻器2410的第二端连接增益控制电路2449的Vout端(引脚5)和运放2447的倒相输入端。运放2447的非倒相输入提供到接地电容器2446的一端、运放2452的非倒相输入端和电阻器2445的第一端。电阻器2445的第二端连接增益控制电路2449的THD端(引脚6)。
运放2447的输出提供到输出端2304和反馈电阻器2449的第一端。反馈电阻器2449的第二端连接运放2447的倒相输入端。
运放2452的倒相输入提供到接地电容器2453的一端和反馈电阻器2451的第一端。反馈电阻器2451的第二端连接运放2452的输出端和电阻器2450的第一端。电阻器2450的第二端连接运放2447的倒相输入端。
在一个实施例中，电位计2308是1.0KΩ的线性电位计。电容器2442、2406和2446是2.2μF的电容器。增高定时电容器是1.0μF的电容器并且衰减定时电容器2444是10μF的电容器。电阻器2408是3.1KΩ的电阻器，并且电阻器2445是1.0KΩ的电阻器。电阻器2453和2451是10KΩ的电阻器，并且电阻器2410、2449和2450是17.4KΩ的电阻器。
增益控制电路2449包括包络检测器2461、增高/衰减缓冲器2462和增益元件2463。如图23的框图所示，包络检测器2461的输出提供到增高/衰减缓冲器2462，并且增高/衰减缓冲器2462的输出控制增益元件2463。增高和衰减时间常数由阻容(RC)网络控制。增高/衰减缓冲器2462为增高RC网络提供内部的10KΩ电阻器，并且为衰减RC网络提供内部的10KΩ电阻器。1.0μF的增高电容器2443产生约为40ms(毫秒)的增高时间常数。10μF的衰减电容器2444产生400ms的衰减时间常数。在另一个实施例中，增高时间常数范围可从5ms到400ms，且衰减时间常数范围可从100ms到1000ms。
增益元件2463类似于一个可变电阻器并且结合运放2447的反馈电路使用，以改变运放2447的增益。运放2452提供一个DV偏压。单位增益前馈路径由电阻器2410提供。
通过增强一些低频声音的谐波并且通过增强其它低频声音的基波，低音加力单元1720还用于修正和增强音频波形。通过增强一些低频声音的谐波，低音加力单元1720利用人耳处理低频声音的泛音及和音的方式来产生低频声音正在从扬声器发出的感觉。低音加力单元1720产生扬声器正在产生许多低频声音，甚至是由扬声器不良再现的低频声音的感觉。另外，低音加力单元1720的动作在长期增益中提供较高的增益，同时在短期的增益中提供较低的增益，目的是减少将会过激励扬声器的过分放大输入信号中的瞬态和脉冲的机会。通过响应随着时间的输入信号的增加，低音加力单元1720的增益将随着增高时间常数而增加。通过响应随着时间的输入信号的减小，低音加力单元的增益随着衰减时间常数而减小。增高时间常数和衰减时间常数的动作可用于减小输入信号短期增加的放大率，并因此减少过激励扬声器的机会。
II。具有峰值压缩的低音加力如图20和21B所示，低音乐器(如低音吉他)发出的音的增高部分常常开始于较高振幅的初始脉冲。在某些情况下，这个峰值可能会过激励放大器或扬声器，从而产生失真的声音并且可能会损害扬声器或放大器。低音增强处理器提供低音信号的峰值整平，同时增加低音信号的能量，从而增加低音的整体感觉。
信号能量是信号振幅和信号持续时间的函数。换句话说，该能量正比于信号包络下面的面积。尽管低音的初始脉冲可能具有较大的振幅，但通常由于该脉冲持续时间短而几乎不包含什么能量。因此，没有多少能量的初始脉冲常常不能对低音感觉起到明显的作用。相应地，通常不会明显地影响低音感觉就可以减小该初始脉冲的振幅。
图25是低音增强系统2500的信号处理框图，它通过使用峰值压缩器来控制脉冲如初始脉冲、低音的振幅，从而提供低音增强。在系统2500中，峰值压缩器2502置于组合器1718和加力单元1720之间。组合器1718的输出提供到峰值压缩器2502的输入端，并且峰值压缩器2502的输出提供到低音加力单元1720的输入端。
对上述相关的图17到图16B和16C的评述也应用到了图25所示的布局结构中。举例来说，图25大体对应于图16B所示的布局结构，其中信号处理块1613和1615具有为一的传递函数并且信号处理块1612包括复合滤波器1707、峰值压缩器2502和低音加力单元1720。但是，图25所示的信号处理并不限于图16B所示的布局结构。图25的元件也可用于图16C所示的布局结构中。尽管在图25中未示出，但信号处理块1613、1615、1621和1623可提供其它信号处理，如用于消除低音频的高通滤波，用于消除由低音加力单元1702和压缩器2502处理的频率的高通滤波，用于增强高频声音的高频加重，用于补充低音加力电路1720和峰值压缩器2502的附加的中低频处理。其它的组合也可以考虑。
峰值压缩单元2502“整平”在其输入端提供的信号的包络。对于具有大振幅的输入信号来说，压缩单元2502的视在增益被降低。对于具有小振幅的输入信号来说，压缩单元2502的视在增益被增加。因此，压缩单元降低输入信号的包络的峰值(并且暂代输入信号的包络中的波谷)。无论在压缩单元2502的输入端提供什么信号，来自压缩单元2502的输出信号的包络(例如平均振幅)都具有较均匀的振幅。
图26是表示峰值压缩器对振幅较大的初始脉冲的作用的时域曲线图。图26表示具有大初始振幅脉冲且之后是较长周期的较低振幅信号的输入包络2614的时域曲线图。输出包络2616表示低音加力单元1720对输入包络的作用(无峰值压缩器2502)。输出包络2617表示使输入信号2614经过峰值压缩器2502和加力单元1720这二者的效果。
如图26所示，假定输入信号2614的振幅足以过激励扬声器或放大器，则低音加力单元并不限制输入信号2614的最大振幅，因而输出信号2616也足以过激励放大器或扬声器。
然而，结合信号2617使用的脉冲压缩单元2502压缩大振幅脉冲(减小其振幅)。压缩单元2502检测输入信号2614的大振幅偏移，并压缩(减小)最大振幅，使得输出信号2617不可能过激励放大器或扬声器。
由于压缩单元2502减小信号的最大振幅，因此，在不显著减小输出信号2617将过激励放大器或扬声器的可能性的情况下，就可以增加由加力单元1720提供的增益。信号2617对应于一个低音加力单元1720的增益已经被增加的实施例。因此，在长衰减部分期间，信号2617具有比曲线1616大的振幅。
如上所述，信号2614、2616和2617中的能量正比于用于表示每个信号的曲线之下的面积。信号2617具有更多的能量，这是因为，即使它具有较小的最大振幅，表示信号2617的曲线之下的面积也比表示信号2614或2616的曲线之下的面积要大。由于信号2617包含更多的能量，所以听众将感觉到信号2617中的更多低音。
因此，结合低音加力单元1720使用峰值压缩器可以允许低音增强系统在低音信号中提供更多的能量，同时减少增强的低音信号将过激励放大器或扬声器的可能性。
峰值压缩器在本领域中是已知的。例如，上述讨论的NE572的数据表公开了一种压缩电路(尽管是一种相当复杂的电路)。
图27是具有输入2703和输出2704的峰值压缩电路2700的一个实施例的框图。在输出端2704的信号是在输入端2703的信号的压缩类型。在一个新颖的组合中，峰值压缩器2700通过使用一个扩展器提供压缩。在压缩器2700中使用的扩展电路类似于用于低音加力电路2300的扩展器。
在一个扩展器中，如图24所示的扩展器中，总(即扩展的)输出信号是输入信号加扩展信号之和。随着输入信号振幅的增加，扩展信号的振幅也增加，从而使输出(两信号之和)增加。相反，压缩器2700的输出信号是输入信号减扩展信号。由于输入信号变大，所以扩展信号也变大，但是两个信号间的差值(压缩器输出)变小。这是压缩器的性质，由于输入信号变大，所以压缩器的视在增益减小。对于振幅较小的输入信号来说，压缩器具有较大增益。但是，对于振幅较大的输入信号来说，压缩器具有较小的增益。
在图27中，输入2703提供到倒相扩展器2708的输入端和电阻器2716的第一端。倒相扩展器2708的输出提供到电阻器2718的第一端。
电阻器2716的第二端和电阻器2718的第二端均连接运放2720的倒相输入端。反馈电阻器2722连接在运放2720的倒相输入端和运放2720的输出端之间。运放2720的非倒相输入端接地。运放2720的输出提供到输出端2704。
倒相扩展器2708是具有一个扩展器输入和一个与扩展器输入反相(负)的扩展器输出的扩展器。非倒相扩展器也可通过使扩展器输入(或输出)经过倒相放大器来使用。增高和衰减时间常数最好类似于低音加力单元1720的增高和衰减时间常数。在一个实施例中，扩展器2708包括图24所示的扩展器2300。
运放2720的倒相输入端实际上是一个求和结点，在该结点中，输入信号(通过电阻器2716提供)被“加到”扩展的信号(通过电阻器2718提供)上。在该求和结点出现相减是因为扩展器2708的输出与扩展器的输入正负相反。因此，压缩器2700的输出是输入信号的加权和(通过电阻器2716加权)减去扩展信号(通过电阻器2718加权)。需要指出，将电阻器2716注为R1，电阻器2718注为R2，那么R1通常大于R2。
其它实施例尽管已经描述了本发明的某些特定实施例，但这些实施例仅仅是以实例的形式示出，并不是要限制本发明的范围。举例来说，本发明并不限于输入通道被组合产生组合通道，接着被修正产生增强的低音的实施例。不必要求通道组合，并且增强信号处理也可在独立的输入通道上执行。各种实施例使用双二次和契比雪夫滤波器，但是，本发明并不限于这些滤波器调整。因此，其它的滤波器调整也可以使用。进而，滤波处理也可通过使用低通和高通滤波器的组合取代所述的带通滤波器来实现。相应地，本发明的范围和广度应当只能由下面的权利要求以及它们的等效项来定义。
权利要求
1.一种音频系统，用于处理包含要由左右扬声器再现的音频信息的左右立体声信号，所述左右扬声器再现中低音频率和较高频要比再现低频更准确，所述音频系统配置用于增强由所述左右扬声器再现的低音信息，所述音频系统包括左音频信号和右音频信号；第一电子加法器，它组合所述左右音频信号以产生一个单信号，所述单信号具有一组低音频率和一组中低音频率；与所述第一电子加法器通信的第一滤波器，所述第一滤波器配置用于选择所述中低音频率；与所述第一滤波器通信的压缩器，所述压缩器配置用于控制所述中低音频率的振幅；与所述压缩器通信的低音加力单元，所述低音加力单元配置用于对所述中低音频率整形以产生修正的单信号，所述修正的单信号配置用于在所述中低音频率在左右扬声器上再现时增强所述系统的感觉到的低音；第二电子加法器，它组合所述修正的单信号与所述左音频信号以产生修正的左输出信号；和第三电子加法器，它组合所述修正的单信号与所述右音频信号以产生修正的右输出信号，其中所述修正的右输出信号和所述修正的左输出信号驱动所述左和右扬声器。
2.根据权利要求1的音频增强系统，其中所述第一滤波器包括多个带通滤波器。
3.根据权利要求2的音频增强系统，其中两个或多个所述带通滤波器的输出被组合。
4.根据权利要求2的音频增强系统，其中所述低音加力单元包括自动增益控制。
5.根据权利要求1的音频增强系统，其中所述低音加力单元的增益响应所述中低音频率的包络。
6.根据权利要求5的音频增强系统，其中所述低音加力单元通过响应所述包络修正所述中低音频率。
7.一种用于增强音频的设备，包括输入信号；用于选择所述输入信号的所选部分的滤波器，所述所选部分具有一个包络部分和一个调制部分；信号处理器，配置用于通过响应所述包络部分修正所述调制部分以产生修正的信号；和组合器，组合所述修正的信号和所述输入信号以产生输出信号。
8.一种用于增强音频的设备，包括第一组合器，组合第一信号的至少一部分与第二信号的至少一部分以产生组合信号；第一信号处理器，配置用于选择所述组合信号的一部分以产生选择的信号；第二信号处理器，配置用于通过响应所述选择信号的包络修正所述选择信号以产生修正的信号；和第二组合器，组合所述修正的组合信号与所述第一信号以产生输出信号。
9.根据权利要求8的设备，其中所述第二信号处理器包括自动增益控制。
10.根据权利要求8的设备，其中所述第二信号处理器相对于第一频带中的频率增强第二频带中的频率。
11.根据权利要求8的设备，其中所述第一信号处理器包括多个滤波器。
12.根据权利要求8的设备，其中所述第一信号处理器包括多个带通滤波器。
13.根据权利要求8的设备，其中所述第二信号处理器包括一个扩展器，该扩展器的增益以与增高时间常数有关的速率增加。
14.根据权利要求13的设备，其中所述增益以与衰减时间常数有关的速率减小。
15.根据权利要求14的设备，其中所述增高时间常数比所述衰减时间常数要长。
16.根据权利要求14的设备，其中所述增高时间常数约为5-50毫秒。
17.根据权利要求8的设备，其中所述第二信号处理器包括扩展器。
18.根据权利要求8的设备，其中所述第二信号处理器包括压缩器。
19.根据权利要求18的设备，其中所述压缩器包括扩展器。
20.根据权利要求19的设备，其中所述压缩器还包括一个组合器，所述组合器配置用于组合所述扩展器的输出和所述扩展器的输入以产生压缩信号。
21.根据权利要求8的设备，其中所述第二信号处理器包括压缩器和扩展器。
22.根据权利要求8的设备，其中所述第一信号处理器包括一个开关，所述开关具有第一部分和第二部分，所述第一部分配置用于选择所述组合信号的至少第一部分以产生所述选择的信号，所述第二部分配置用于选择所述组合信号的至少第二部分以产生所述选择的信号。
23.根据权利要求8的设备，其中所述第一信号处理器包括一个开关，所述开关配置用于选择一个或多个带通滤波器的输出以产生所述选择信号的一部分。
24.一种用于增强音频数据的设备，包括第一组合器模块，用于组合第一音频数据流的至少一部分和第二音频数据流的至少一部分以产生组合数据流，该组合数据流具有第一组频率和第二组频率；第一处理模块，配置用于处理所述组合数据流以产生第一处理数据流；低音处理模块，配置用于修正所述第一处理数据流以产生低音增强的数据流；和第二组合器模块，用于组合所述低音增强的数据流和所述第一音频数据流以产生输出数据流。
25.根据权利要求24的设备，还包括第二处理模块，配置用于在组合所述第一音频数据流和所述低音增强的数据流之前处理所述第一音频数据流。
26.根据权利要求25的设备，其中所述第二处理模块包括高通滤波器。
27.根据权利要求25的设备，其中所述第二处理模块包括低通滤波器。
28.根据权利要求25的设备，其中所述第二处理模块包括带通滤波器。
29.根据权利要求24的设备，其中所述第一处理模块包括高通滤波器。
30.根据权利要求24的设备，其中所述第一处理模块包括低通滤波器。
31.根据权利要求24的设备，其中所述第一处理模块包括带通滤波器。
32.根据权利要求24的设备，其中所述第一处理模块包括模拟滤波器。
33.根据权利要求24的设备，其中所述第一处理模块包括数字滤波器。
34.根据权利要求24的设备，其中所述第一音频数据流包括模拟信号。
35.一种用于增强音频的设备，包括第一组合器，配置用于组合第一信号的至少一部分和第二信号的至少一部分以产生组合信号，该组合信号具有第一组频率和第二组频率；信号处理器，配置用于修正所述组合信号中的所述第二组频率以产生修正的组合信号，该修正的组合信号能够产生所述第二组频率至少包含一些所述第一组频率的感觉，所述信号处理器包括驱动增益控制放大器的多个带通滤波器，所述增益控制放大器响应所述组合信号的包络；和第二组合器，用于组合所述修正的组合信号和所述第一信号以产生输出信号。
36.一种用于增强音频信号中的低音的方法，包括的步骤是提供音频信号；隔离所述音频信号的低频内容；过滤所述低频内容以产生滤波信号；在增益控制放大器中放大所述滤波信号以产生放大的信号，其中所述放大器的增益与所述滤波信号的包络有关；以及通过把所述音频信号和所述放大信号组合在一起产生模拟的低频信号。
37.根据权利要求36的方法，其中所述滤波步骤包括在多个带通滤波器中过滤所述低频内容。
38.根据权利要求37的方法，其中所述滤波步骤还包括加权每个所述带通滤波器的输出。
39.根据权利要求37的方法，其中所述放大步骤包括压缩所述滤波信号。
40.根据权利要求39的方法，其中所述放大步骤还包括扩展所述滤波信号。
41.一种用于增强音频信号中的低音的方法，包括的步骤是提供音频信号；选择所述音频信号的低频内容以产生滤波信号；压缩所述滤波信号以产生压缩信号；扩展所述压缩信号以产生扩展信号；以及通过把所述音频信号和所述扩展信号组合在一起产生模拟的低频信号。
42.一种低音增强系统，包括选择装置，用于选择音频信号的低频内容以产生滤波信号；扩展装置，用于扩展所述滤波信号以产生扩展信号；以及组合装置，用于通过把所述音频信号和所述扩展信号组合在一起产生模拟的低频信号。
全文摘要
本发明提供一种音频增强设备(1604)和方法,它能够对一对音频信号中的低频信息的谐波进行频谱整形,这样,当由扬声器(1606,1608)再现时,听众感觉到扬声器(1606,1608)就好象具有比扬声器(1606,1608)实际提供的要多的声带宽。额外带宽的感觉主要是在低频,尤其是在扬声器(1606,1608)几乎不产生声输出能的频率。在一个实施倒中,本发明还从一个音频信号转换到了另一个音频信号以减少限幅。在一个实施例中,本发明还提供了一个用于希望谐波的频谱整形的组合信号路径和用于每对音频信号的前馈信号路径。
文档编号H04S1/00GK1342386SQ99813033
公开日2002年3月27日 申请日期1999年9月2日 优先权日1998年9月4日
发明者A·I·克莱曼 申请人:Srs实验室公司