数字滤波器及使用数字滤波器的声音重放装置

本发明涉及数字滤波器，更具体地说，涉及一种具有有限脉冲响应型滤波器、用来对脉冲响应进行卷积的数字滤波器以及通过该种数字滤波器的作用重放声音的装置。

人们已经提出许多种图1所示的具有有限脉冲响应型滤波器(称为FIR滤波器)构成信号处理装置的电子仪器。这些电子仪器用来测量一个系统的脉冲响应，并通过FIR滤波器的作用重现这种响应。

在图1中，从输入端81加入的信号被送到许多个串联在一起的延时装置82。被这些延时装置82延时的信号由一个用采样周期同步的时钟信号依次转移。这些延时装置82设有通往它们的I/O端子的分接头。从这些分接头引出的信号送到系数乘法器83上，信号在这里乘上系数。乘后的值用加法器84依次相加，然后输出到输出端85。这样，在FIR滤波器中，给每个乘法器83设定脉冲响应系数，就可以完成这个脉冲响应的卷积操作。

用来加入混响、采用上述FIR滤波器的装置，例如，具有测量一个房间内的脉冲响应，并用FIR滤波器重现该响应的功能。利用这个功能，可以听到具有与在实际测量声音的房间内听到重放声音相同混响特性的重放的声音。就是说，重放的声音具有与该房间内实际测量/的声音相同的混响特性。

一种类型具有FIR滤波器用来测定头外声象的头戴耳机系统，用来测量代表扬声器到听者两耳传递特性的脉冲响应，并通过FIR滤波器的作用重现该响应。这样，这个耳机系统可以产生与扬声器系统相同的声象定位效果。

如果FIR滤波器用来精确地实现准确地与实际测量的脉冲响应相对应的会聚时间和频率响应，则要求FIR滤波器具有长的分接头长度，这使总成本提高，规模加大。

在所述条件下，人们提出了一种分接头长度短的FIR滤波器。这种FIR滤波器可以产生接近实际声音的频率特性的特性。但是，这种类型的FIR滤波器不向听者提供头部以外足够高的听声灵敏度。或者这种类型的FIR滤波器不产生清晰的声象，结果所得的重放信号不具有高质量的声象定位。

另外，具有长延迟时间的延时装置只可以用来重现混响时间特性和初始反射特性。这种类型的延时装置包括一个用来只从脉冲响应提取有代表性的脉冲的滤波器。图2表示处理加入混响的信号用的这样一种装置的代表性配置。

如图2所示，在输入端子91上的信号输入，是延时装置92的输入端子W上的输入。这个延时装置92通过输出端子R1，R2和R3在不同的延迟时间输出信号SR1，SR2和SR3。信号SR1，SR2和SR3被系数乘法器93，94和95衰减。然后这些信号在加法器96上相加。加法器96提供信号SR0作为输出。信号SR0作为图3所示的脉冲响应中相当于初始反射的部分中具有粗脉冲周期的脉冲响应。

接着，延时装置92输出端子R4提供的信号SR4通过加法器提供给延时装置98，作为延时信号被延时装置98延时。延时信号被系数乘法器99衰减。衰减后的信号由加法器97加到信号SR4上。延时信号还被系数乘法器100衰减，然后送到加法器109上。另外，延时装置92通过加法器101提供给延时装置102的信号SR4，作为延时信号被延时装置102延时。该延时信号还被系数乘法器103衰减，然后通过加法器101加到信号SR4上。该延时信号还被系数乘法器104衰减，然后送到加法器109上。另外，由延时装置92通过加法器105提供给延时装置106的信号SR4被这个延时装置106延时。然后，该延时信号还被系数乘法器107衰减，接着被加法器105加到信号SR4上。延时信号还被系数乘法器108衰减，然后加到加法器109上。

加法器109的相加后的输出信号通过加法器110提供给延时装置111。延时信号还被系数乘法器114衰减，然后送回到加法器110上。另外，加法器109的相加后的输出信号通过加法器110提供给系数乘法器112。由乘法器112衰减后的信号提供给加法器113。加法器113的相加后的输出通过加法器115提供给延时装置116。延时后的输出被系数乘法器119衰减，然后送回到加法器115上。另外，加法器113相加后的输出通过加法器115提供给系数乘法器117，使得输出被系数乘法器117衰减。衰减后的信号提供给加法器118。

从延时装置92的输出端子R4提供给加法器97，101及105的信号SR4，在达到加法器118之前，乃是信号SR4对应于图3所示的散射声音的脉冲响应。每个延时装置可以具有几毫秒的选作延迟时间的值。散射声音，特别是散射声音的起始部分，其脉冲响应与作为信号处理装置为了保证声音频带一般都要选择的20几秒采样周期相比要粗得多。因此，即使在频率轴上，重放特性也比实际传输特性大。

本发明的一个目的是提供一种用来高精度地重现长脉冲响应的数字滤波器，而同时可以利用分接头长度短的FIR滤波器来减小尺寸，降低成本。

本发明的另一目的是提供一种声音重放装置，它具有上述数字滤波器，因而大大改善头部以外声象定位的灵敏度，或声象前向定位灵敏度，而同时保持装置的尺寸小，成本低。

为了实现这个目的，按照本发明的一个方面，采用具有有限分接头长度的FIR滤波器的数字滤波器，以便合成从预先测定的声源到测量点的脉冲响应，该FIR滤波器具有延时装置，所述数字滤波器包括具有系数乘法器和加法器的反馈装置，系数乘法器用来衰减任何一个延时装置的输出，衰减后的输出反馈到位于该任何一个延时装置之前的两个延时装置之间的加法器。这里可以设置多个反馈装置。

反馈装置允许分接头长度短的FIR滤波器以高的保真度重现长的脉冲响应。这可以大大减小信号处理装置的规模。如果信号处理装置是由数字信号处理芯片组成的，则芯片数目可以大大减少。结果安装面积和芯片的功率消耗都减小了，整个装置的成本和尺寸都减小了。另外，两个或更多反馈装置使以高的保真度重现较长的脉冲响应成为可能。

为了实现这个目的，按照本发明的另一个方面，包括一个数字滤波器的声音重放装置具有有限分接头长度短的FIR滤波器，以便合成从预先测定的声源到测量点的脉冲响应，该FIR滤波器具有延时装置，数字滤波器包括具有系数乘法器和加法器的反馈装置，系数乘法器用来衰减任何一个延时装置的输出，衰减后的输出反馈到位于该任何一个延时装置之前的两个延时装置之间的加法器。可以设置多个反馈装置。

因此，尽管声音重放装置只需要一个简单的配置，并以低的成本制造，但在保持采样频率不变、具有相同分接头数和总的分接头长度相同的情况下，该装置与传统的FIR滤波器相比，大大改善头部以外声象定位的灵敏度、声象前向定位的灵敏度、声象的质量，或声象定位灵敏度。

图1是说明FIR滤波器的简图。

图2是说明传统的处理混响加入信号用的装置的电路图。

图3是说明传统处理混响加入信号用的装置的脉冲响应的特性图。

图4是说明按本发明一个实施例的数字滤波器电路安排的电路图。

图5是说明用图4所示数字滤波器实现的脉冲响应的特性图。

图6是说明无反馈的传统数字滤波器的脉冲响应的特性图。

图7是说明按本发明另一个实施例的数字滤波器电路配置的电路图。

图8是说明按本发明重播声音的装置的一个实施例头部以外声象定位用耳机系统电路配置的方框图。

图9是说明利用头部以外声象定位用耳机系统的信号处理电路配置的方框图。

图10是用于说明作为本发明的声音重放装置的另一个实施例的扬声器系统的原理的模型图。

后面将要描述数字滤波器及按本发明一个实施例的声音重放用的装置。

首先，将参照图4至7描述本发明一个实施例的数字滤波器。本实施例涉及数字滤波器1，它能够通过具有有限的分接头长度的FIR滤波器的作用合成从一预测声源到测量点的脉冲响应，该脉冲响应是对数字语音输入信号进行卷积，并且将所得信号输出。数字滤波器1包括反馈段6。在反馈段6中，任意一个延时装置3n的输出由系数乘法器4衰减。衰减后的输出反馈到位于延时装置3n之前的延时装置32和延时装置33之间的加法器5上。

在图4中，输入端子2上的输入信号通过延时装置31，32，33，..3n-2，3n-1及3n，系数乘法器71，72，73，74，…，7m-3，7m-2，7m-1，7m和加法器81，82，83，…，8n-3，8n-2，8n-1，8n，其中对应于全部延时装置总延迟时间的脉冲响应是该信号的卷积。

另一方面，在反馈段6中，从最后一级延时装置3n拾出的信号被系数乘法器4衰减，然后反馈到位于延时装置32和33之间的加法器5。这个信号经过由延时装置31，32，33，..3n-2，3n-1及3n组成的一组延时装置延时。然后，通过系数乘法器71，72，73，74，…，7m-3，7m-2，7m-1，7m的作用信号对系数进行卷积。在这个数字滤波器1中，反馈段6重复上述反馈过程，以产生无限连续的脉冲响应。然后，如图5所示，一个相当于脉冲响应特性的语音信号，就是输出端子9上的输出。在图5中，重复部分是由反馈段6形成的。该图显示第一和第二重复的波形。实际上，波形是被无穷尽地衰减重复的。另一方面，为了对比，图6显示不设置反馈段的情况下的脉冲响应特性。按照图6的配置，准备加入的响应部分是去掉上升沿周围响应部分之后的脉冲响应。在一个房间的混响特性中，例如，上升沿周围的部分是由初始反射占据的。但是，脉冲响应的第二半由于FIR滤波器分接头长度引起的限制而被去掉了。脉冲响应的第二半主要基于散射声波，后者的特性不同于脉冲响应上升沿周围的部分。因此，加上去掉了脉冲响应上升沿周围的部分的脉冲响应，表明加入接近于散射声波的脉冲响应部分。所得响应变得听起来更自然。

因此，这种数字滤波器1，即使采用分接头长度短的FIR滤波器也能模拟长的脉冲响应。这可以大大减小信号处理的规模。如果信号处理是由数字信号芯片组成，则所需的芯片数大大减少。显然，结果是安装面积和功率消耗减小，整个系统的成本降低。

现参照图7，描述本发明另一实施例的数字滤波器。本实施例涉及数字滤波器20，它适配得能通过具有有限分接头长度的FIR滤波器的作用合成从预先测定的声源到一个测量点的脉冲响应。该脉冲响应是数字语音输入信号的卷积，然后将所得信号输出。类似前一实施例，这里设置两个反馈段25和28。在反馈段25中，任意一个延时装置22n-1的输出被系数乘法器23衰减。衰减后的输出反馈到安排在延时装置22n-1之前的相邻两个延时装置之间的加法器24。在反馈段28中，任意一个延时装置22n的输出被系数乘法器26衰减。衰减后的输出反馈到安排在延时装置22n之前的延时装置222和223之间的加法器27。

在图7中，输入端子21上的输入信号通过构成FIR滤波器的延时装置221，222，223，..22n-2，22n-1及22n、系数乘法器291，292，293，294，…，29m-3，29m-2，29m-1，29m和加法器301，302，303，…，30n-3，30n-2，30n-1，30n。通过FIR滤波器，对应于全部延时装置总延迟时间的脉冲响应是输入信号的卷积。

另一方面，在反馈段25中，从延时装置22n-1拾出的信号被系数乘法器23衰减，然后将该信号加到加法器24上。在反馈段28中，从延时装置22n拾出的信号被系数乘法器26衰减，然后将衰减后的信号加到加法器27上。

经过从信号由输入端输入时起到信号从反馈段25和28拾出为止的延迟时间之后，位于加法器24和27之后的系数乘法器完成系数对这些信号的卷积。然后，将被系数卷积之后的信号输出。因此，在脉冲响应中，重复的部分由反馈段25和28的叠加信号构成。重复部分的内容，是无限重复的，因为不同的脉冲响应是交替衰减的。

按照图7的配置，准备加上的响应部分是去掉了上升沿周围响应部分之后的脉冲响应。这里，在一个房间的混响特性中，例如，上升沿周围的部分是由初始反射占据的。但是，脉冲响应的第二半由于FIR滤波器分接头长度引起的限制而被去掉了，这主要是基于散射声波的。加上去掉了脉冲响应上升沿周围的部分的脉冲响应，表明加入接近于散射声波的脉冲响应部分。所得响应变得听起来更加自然。

如上所述，这种数字滤波器20，即使采用分接头长度短的FIR滤波器也能模拟长的脉冲响应。滤波器20使大大减小信号处理的规模成为可能。如果信号处理由数字信号芯片组成，则所需的芯片数大大减少。显然，结果是安装面积和功率消耗减小，整个系统的成本降低。

现参照图8和9，描述本发明一个实施例的声音重放装置。本实施例涉及耳机系统40，用于头部以外声象的定位，在信号处理装置内包括数字滤波器51L，51R，52L及52R。这些数字滤波器51L，51R，52L及52R与上述数字滤波器1相同。

在图8中，模拟语音信号在语音输入端41的输入通过模—数转换器(A/D)42的作用转换成数字信号。数字信号加在信号处理线路43上，信号在这里进行滤波，以便给头部以外的声象定位。语音数字信号由信号处理线路43滤波以便给头部以外的声象定位之后，作为立体声分成左、右两个系统。数字信号通过数—模转换器(D/A)44L和44R的作用转换成模拟信号。模拟信号用放大器45L及45R进行功率放大，然后送入装在头夹上的音响器46L和46R。

例如，信号处理线路43完成从位于听者前方的两个发声源到听者两耳总共4个系统脉冲响应的预测量过程，并卷积出脉冲响应特性。这个处理用图9所示的配置实现。

在图9中，在第一和第二输入端子501和502上的信号输入，分别送入数字滤波器51L，51R，52L和52R。数字滤波器51L和52L的输出用加法器53L相加。数字滤波器51R和52R的输出用加法器53R相加。经加法器53L相加后的输出是输出端54L的输出。经加法器53R相加后的输出是输出端54R的输出。

如上所述，每个数字滤波器51L，51R，52L和52R都是包括与前面的数字滤波器1相同的FIR滤波器。这些数字滤波器包括反馈段，反馈段中任意一个延时装置的输出由一个系数乘法器衰减，衰减后的输出反馈到安排在从其中取出输出的延时装置之前的相邻两个延时装置之间的一个加法器上。

既然FIR滤波器可以简化，而且尺寸减小，头部以外声象定位用的耳机系统40的尺寸也减小，成本降低。

另外，每个数字滤波器51L，51R，52L和52R都可以采用如同图7所示数字滤波器相同的配置。

如前所述，耳机系统适配得使卷积从声源伸展到两耳的脉冲响应的卷积用的数字滤波器，包括通过系数乘法器的作用对任意一个延时装置的输出用的衰减段，并将衰减后的输出反馈到安排在从其中取出输出的延时装置之前的相邻两个延时装置之间的一个加法器上。因此，这就可能以低的成本、简单的装置改善头部以外声象定位的灵敏度，或者声象前向定位的灵敏度。

现将描述按照本发明的另一实施例的声音重放装置。本实施例涉及一个包括两个扬声器以便在不同位置固定声象用的扬声器系统。

现参照图10对这种扬声器系统的原理进行描述。在声源Sl和Sr用来重现与声源S0对听者两耳等效的声象的情况下，声源Sl和Sr表达如下：S1＝{(Hol×Hrr)-(Hor×Hrl)}/{(Hll×Hrr)-(Hlr×Hrl)}.S

Sr＝{(Hor×Hll)-(Hol×Hlr)}/{(Hll×Hrr)-(Hlr×Hrl)}.S0式中Hll和Hlr是从声源S1到听者M两耳的传递函数，Hrl和Hrr是从声源Sr到听者M两耳的传递函数，Hol和Hor是从声源So到听者M两耳的传递函数。

若把传递函数转换成时间轴而得出的脉冲响应是信号输出对声源Sl和Sr的卷积，则声象位于声源So的位置。若这个脉冲响应是通过数字滤波器组成的，则该数字滤波器应该是具有长的分接头长度的FIR数字滤波器。按照本实施例的扬声器系统包括与前述数字滤波器1和20相同的数字滤波器。因此，有可能以低的成本、简单的配置对两个扬声器以外的声象进行定位。

如果将该数字滤波器应用于声场模拟系统，则可以用少量的分接头重现长的响应时间。因此，混响一般都采取在脉冲响应透视图上捕捉特性脉冲的步骤，并采用比采样时间更粗的时间间隔。另一方面，在这个实施例中，混响是通过采用分布在每个采样时间内更密的脉冲而产生的。这使以高的保真度重现声场成为可能。