CN100367826C - 具有向后兼容性混频的分立式多声道音响 - Google Patents

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Abstract

一种多声道音频格式为电影院、家庭影院、或音乐环境的环绕声、前置或其他分立音频声道提供真正分立和向后兼容性混频。这些附加分立音频信号与现有分立音频声道混频成一预定格式，如5.1音频格式。另外，对这些附加分立音频声道编码，并使这些声道作为比特流(124)的扩展比特(120)加到预定格式中。用多声道译码器(140)的现有基础与混频译码器(144)结合，可重放真正分立N.1多声道音频。

Description

具有向后兼容性混频的分立式多声道音响
技术领域
本发明涉及多声道音频，具体地说，涉及一种多声道音频格式，它为电影院、家庭影院、或音乐环境的环绕声、前置或其它分立音频声道提供真正分立及向后兼容性混频。
背景技术
多声道音频已经成为电影院和家庭影院的标准，而且很快就被音乐、汽车、计算机、游戏及其他音频的应用所接受。多声道音频提供环绕声环境，大大提高了任何一个音频-视频系统的聆听效果和整体影像质量。早期多声道系统包括左、右、中央和环绕(L，R，C，S)声道。消费者设备的现有标准是5.1声道音频，将环绕声道分成左和右环绕声道，并增加超低频声道(L，R，C，Ls，Rs，Sub)。
从立体声到多声道音频的转变是由许多主要因素所驱动，其中最重要因素是消费者希望音质好和影像清晰。音质好意味着不仅声道要多，而且声道的保真度高、声道之间的分隔或“分离度”好。在一真正分立环境中，分立声道将分立音频信号传送到分立音箱。
为了满足这个要求，音响工业必须提供多声道混频，来自演播厅或音频内容的提供者、多声道编码/译码技术、能够支持多声道音频的媒体以及多声道音箱配置。很自然，多声道音频所包含的数据比立体声多很多，故必须将多声道音频压缩以适应现有格式和现有媒体。随着如DVD等媒体的出现，专门为多声道音频研制了如5.1等的新格式，提高聆听音效。
扩展高于5.1标准的多声道音频再一次遇到挑战，这就是在研制新编码/译码技术时，该技术既要推动现有技术向前，又要保持与5.1标准的向后兼容性。消费者习惯了分立音频，当增加更多声道时要求保持同样的性能。由于消费者和专业人员在5.1设备的投资很大，所以向后兼容性显得至关重要。
Dolby PrologicTM 提供其中一种早期多声道系统。Prologic通过引入移相环绕声概念，将4声道(L，R，C，S)压缩成2声道(Lt，Rt)。这些2声道再被编码成现有2声道格式。译码过程有两步：现有译码器接收Lt、Rt，以及Prologic译码器再将Lt、Rt扩展为L、R、C、S。因为4个信号(未知)都由仅有的2个声道传送(方程式)，所以Prologic的译码操作只能算是近似，无法提供真正分立多声道音频。如图1所示，一演播厅10将几个，如48，音频信号源混频，得到4声道混频(L，R，C，S)。(这种混频可通过矩阵编码和译码过程监控。)Prologic编码器12对这种混频作如下矩阵编码：
Lt＝L+.707C+S(+90°)，及    (1)
Rt＝R+.707C+S(-90°)，      (2)
这种混频由2个分立声道传送，被编码成现有2声道格式并记录在如胶片等媒体14上。
矩阵译码器16对2个分立声道Lt，Rt译码，并且使它们扩展成4个分立重构声道Lr、Rr、Cr和Sr。无源矩阵译码器对音频数据作如下译码：
Lr＝Lt，
Rr＝Rt，
Cr＝(Lt+Rt)/2，及
Sr＝(Lt-Rt)/2
通常，Lr和Rr声道拥有中央和环绕分量很大，而Cr和Sr声道拥有左和右分量。尽管这些重放音频信号被分立声道传送到音箱配置18的分立音箱，但该信号是不分立的，实际上会产生明显的串音干扰和相位畸变。故很少用无源译码器。
有源矩阵译码器可减少串音干扰和相位畸变，但最好亦只能得到近似分立音频图像。使用很多不同的专有算法来进行有源译码，所有算法都根据测量Lt+Rt、Lt-Rt、Lt、Rt的乘积，通过下列一些方程式计算增益因子Gi，
Lr＝G1*Lt+G2*Rt，
Rr＝G3*Lt+G4*Rt，
Cr＝G5*Lt+G6*Rt，及
Sr＝G7*Lt+G8*Rt
有源译码根据信号的乘积提供更好的补偿，但分量之间的串音干扰仍然存在，而且不可能做到真正分立重放。
5.1格式的出现表示多声道音频的根本转变，从将多声道压缩成现有立体声格式及与矩阵编码相关的相位畸变和串音干扰，到真正分立多声道格式，这种5.1格式的保真度高、分离和方向性好。而且，增加了两个附加声道。超低频(“Sub”)(.1声道)提高低频容量。环绕声道S由左声道Ls和右声道Rs组成，表明消费者即使在环绕声道中也强烈感受到有真正分立的音频。独立地压缩每个信号(L，C，R，Ls，Rs，Sub)，然后将它们在5.1格式中混频在一起，从而保持每个信号的分离度。Dol by AC-3TM、Sony SDDSTM及DTS CoherentAcousticsTM都是5.1系统的例子。
如图2所示，演播厅20提供5.1声道混频。5.1编码器22独立地压缩每个信号或每个声道，使它们多路复用在一起，并将音频数据压缩成给定5.1格式，记录在如DVD等适当媒体24上。5.1译码器26通过提取音频数据，将它多路分解成5.1声道，再使每个声道解压缩以重放这些信号(Lr，Rr，Cr，Lsr，Rsr，Sub)，就可以一次一帧地对比特流译码。这些传送5.1分立音频信号的5.1分立声道直接到达音箱配置28中的适当分立音箱(超低频音箱未图示)。
在DTS电影院产品中，DTS利用环绕声和超低频声道的频谱特性以5个单声道APT-X编码器实现其5.1系统，但性能并没有降低。使用5个而不是6个处理器是为了降低系统的成本。如图3所示，用混频器32将5.1信号重新格式化成5声道信号，而混频器32利用标准演播厅混频技术，即将Sub(超低频)减去3dB，并加到左和右环绕声道，使Ls、Sub和Rs混频成2声道。具体地说，使左和右环绕声道Ls、Rs高通滤波，超低频声道Sub低通滤波，然后将它们混频在一起。Sub声道传送低频，频宽小于150Hz，而Ls和Rs信号只有极小低频内容。APT-X译码器34对5个声道译码，将Lts和Rts传送到解混频器36，该解混频器使它们高通滤波以重放Lrs和Rrs，以及使它们低通滤波和求和以重放超低频声道Sub。
扩展至分立6.1和更高多声道格式受媒体可用空间、可靠性及保持与现有5.1译码器向后兼容性的强烈要求所限制。多声道音频占去媒体的大量空间。提供者想延长播放时间，包括多种不同的音频格式，如2声道PCM、DolbyAC-3和DTS Coherent Acoustics，增加其他内容，如指挥的评论、摘录等。
Dolby在PCT申请WO/00/57941中叙述了研制出来的Dolby EX，它在现有5.1格式中提供超过2个环绕声声道，这样也不需要增加空间(比特数或胶片空间)。Dolby EX在设计成只提供2个环绕声声道的数字声迹系统格式内有超过2个环绕声声道。3个主要声道记录在分立声迹声道内，对3、4或5环绕声声道是矩阵编码，并记录在2个分立环绕声声迹声道上。使设计成只提供两个环绕声声道的数字声迹系统的数字音频流保持不变，从而与现有重放设备保持兼容性。另外，传送数字声迹的媒体格式也保持不变。Dolby宣称将矩阵技术应用在环绕声声道上，特别是采用有源矩阵译码，不会降低数字声迹系统的音频“分离度”。
Dolby EX引入移相环绕声概念，将3、4或5环绕音频信号矩阵编码成2个声道，有利于将2个声道译码成3、4或5音频声道。引入移相概念对DolbyEX非常必要，就如它对于Dolby Prologic一样。编码过程由下列通用方程式给出：
Lts＝Ls+∑Gi*Si(φi)， i＝0，1，2，及
Rts＝Rs+∑Hi*Si(-φi)，i＝0，1，2
式中Gi和Hi是增益系数，S i是附加环绕声声道，φi是相位畸变分量。译码过程由下列通用方程式给出：
Lrs＝G1*Lts+G2*Rts
Rrs＝G3*Lts+G4*Rts
Crs＝G5*Lts+G6*Rts
在3个环绕声声道(Ls，Rs，Cs)的具体实施例中，这些通用方程式缺省为公知混频方程式，其中Cs声道减少3dB，并被加到Ls和Rs声道，如下式所示：
Lts＝Ls+.707Cs，及
Rts＝Rs+.707Cs.
一般认为实际Dolby EX系统通过分别加上或减去45度使Ls和Rs移相，从而使环绕声的深度更深。PCT申请所引用的QS和SQ矩阵系统揭示了这种技术。
如图4所示，在Dolby EX系统40中演播厅42提供6.1声道混频(L，R，C，Ls，Rs，Cs，Sub)，其中Cs是附加中央环绕声道。矩阵编码器44将Prologic编码算法应用在3个环绕声声道(Ls，Cs，Rs)上，将它们矩阵编码成Lts和Rts。用AC-3、Sony或DTS编码器46对5.1声道L、R、C、Sub、Lts、Rts编码，并记录在媒体48上。5.1译码器50对音频数据译码以重放分立L、R、C和Sub音频声道，并将矩阵编码过的Lts和Rts声道传送到矩阵译码器52，其采用与Pro Logic译码器相同的有源矩阵技术将声道矩阵译码成Lrs、Crs和Rrs。将6.1分立声道直接传送到分立音箱54重放音频。
必须要注意，3个分立环绕声道并不传送分立信号。与ProLogic相关的同样的串音干扰和相位畸变限制现在重新出现在真正分立多声道系统中。它适用于听众对后方信号的位置和方向的感觉要求不高的情况，而真正分立音频重放将使声音具有更好的分离和方向性。因此，消费者过去宁愿选择2声道环绕而不要单声道环绕声，他们将来也宁愿选择3声道分立环绕声而不要矩阵2声道环绕声。
Dolby EX表示向增强多声道音频迈出的第一步。Dolby EX利用现有5.1格式提供附加环绕声声道，但不会增加比特率。Dolby EX还保留了L、R、C和Sub音频信号的分立编码。然而，Dolby EX实现了这些理想的结果，却牺牲了环绕声声道的真正分离度。3∶2∶2系统与ProLogic一样受串音干扰制约。4∶2∶4和更大系统由于矩阵译码也同样存在相位畸变的问题。
因为音质和/或可靠性都会受到破坏，所以Dolby无法提供真正分立的N.1音频。PCT申请仔细考虑后放弃了真正分立音频的新N.1格式，解释说”虽然在理论上，减少符号大小可以提供更多比特，以及使同一物理区域储存更多数据以传送附加声道，但这样减少在打印过程遇到意想不到的困难，需要作实质上的改动，或者使录音机和播放机在现场组合。”真正N.1格式与现有硬件不兼容，如果不全部替换也至少需要作实质上的改动。
因此，本工业仍然需要提供具有超过2个环绕声道的真正分立多声道环绕声环境，在不牺牲音质和可靠性的情况下，保持与现有5.1译码器的向后兼容性。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供具有附加分立音频信号的真正分立多声道音响环境，同时保持与现有译码器的向后兼容性。
将附加分立音频信号与现有分立音频声道混频成预定格式，如5.1音频格式，为电影院、家庭影院、或音乐的环绕声、前置或其他分立音频声道提供真正分立和具有向后兼容性的混频。分别地对这些附加分立音频声道编码，并作为比特流的扩展比特加到预定格式中。
在5.1声道环境中，使超过2个分立环绕声音频信号(Ls，Rs，Cs......)混频成2个分立环绕声声道(Lts，Rts)。用标准5.1编码器对前置声道(L，R， C，Sub)和混频后的环绕声声道(Lts，Rts)编码。独立地对附加分立环绕声音频信号(Cs，...)编码，并由一作为扩展比特加到5.1比特流的分立扩展环绕声声道传送。比特流与各种译码器配置兼容，包括现有5.1译码器、5.1译码器加现有矩阵译码器、5.1译码器加混频译码器及N.1译码器。在比特流中包含附加分立环绕声音频信号，当与5.1译码器加混频译码器或N.1译码器一起使用时就可以重放真正分立多声道音频。
5.1译码器读取5.1比特流而忽略扩展比特。5.1译码器对Lts和Rts环绕声声道译码，并直接将混频音频信号传送到分立左和右环绕声音箱。重放可以产生分立的左和右环绕声信号和“幻象”(phantom)环绕声信号，它们来自中央环绕声(Cs)音频信号及所有声音出现在左和右环绕音箱中央的其他附加环绕信号。幻象环绕信号完全避免了任何相位畸变。
包含在5.1译码器中的矩阵译码器将Lts和Rts声道译码成附加Lrs、Rrs和Crs矩阵音频信号，这些信号由分立声道传送到左、右和中央环绕音箱。Lrs、Rrs和Crs音频信号不是分立的，展示与矩阵编码相关的串音干扰。
包含在5.1译码器中的混频译码器读取扩展比特，并对附加环绕声音频信号(Crs，...)译码。混频译码器从左和右总环绕声信号(Lrts，Rrts)减去加权后的环绕声音频信号(Crs，...)，产生真正分立环绕声音频信号(Lrs，Rrs，Crs，...)，这些信号由分立声道传送到分立音箱。真正N.1译码器将5.1译码器和混频译码器合并在单个盒中。重放产生真正分立(分立信号由分立声道传送到分立音箱)的环绕声环境，在这些环境中，环绕声部分显示其音频分离和方向性都有改善。与矩阵编码环绕声音频不同，混频编码N.1声道音频的重放是分立的，没有串音干扰。
结合附图和以下对优选实施例的叙述，本发明的这些和其他特点和优点对本领域技术人员将会变得更明显。
附图说明
图1所示为以上所述的已知Dolby Prologic环绕声系统和剧院的框图及原理平面图，其显示重放左(L)、中央(C)、右(R)及环绕(S)电影声带声道的理想音箱位置。
图2所示为以上所述的已知5.1环绕声系统和剧院的框图及原理平面图，其显示重放左(L)、中央(C)、右(R)、超低频(Sub)及环绕声(S)电影声迹声道的理想音箱位置。
图3所示为以上所述使用5声道APT-X编码器的已知DTS 5.1环绕声系统和剧院的框图及原理平面图。
图4所示为以上所述的已知Dolby EX环绕声系统和剧院的框图及原理平面图，其显示重放左(L)、中央(C)、右(R)、超低频(Sub)、左环绕声(Ls)、右环绕声(Rs)及环绕声(S)电影声迹声道的理想音箱位置。
图5所示为本发明环绕声编码器的框图，该编码器提供与5.1声道音频向后兼容性的分立N.1声道音频。
图6所示为本发明N.1声道比特流的原理示意图。
图7所示为已知5.1译码器的框图及原理平面图，该译码器具有基于本发明的3∶2混频而重放左(L)、中央(C)、右(R)、左环绕(Ls)、右环绕(Rs)及”幻象”中央环绕(Cs)音频声道的音箱排列。
图8所示为5.1译码器和矩阵译码器的框图及原理平面图，这些译码器具有重放左(L)、中央(C)、右(R)、左环绕(Ls)、右环绕(Rs)及中央环绕(Cs)音频声道的音箱排列。
图9所示为含有混频译码器的5.1译码器的框图及原理平面图，该译码器具有重放本发明的左(L)、中央(C)、右(R)、左环绕(Ls)、右环绕(Rs)及中央环绕(Cs)音频声道的音箱排列。
图10所示为6.1译码器的框图及原理平面图，该译码器具有重放左(L)、中央(C)、右(R)、左环绕(Ls)、右环绕(Rs)及中央环绕(Cs)音频声道的音箱排列。
图11所示为图9所示与图10的6.1译码器合并的混频译码器的原理图。
图12所示为另一个N.1声道编码器的实施例的框图，该编码器提高了混频容量，但需要有来自演播厅和附加扩展比特的5.1和N.1混频；及
图13所示为多声道音频编码器的框图，该编码器提供真正分立，并用于环绕声、前置或其他分立声道的向后兼容性混频。
具体实施方式
本发明为电影院、家庭影院、或音乐环境的环绕声、前置或其他分立音频声道提供真正分立和具有向后兼容性混频的多声道音频格式。附加分立音频信号与现有分立音频声道混频成预定格式，如5.1音频格式。另外，对这些附加分立音频声道编码，并作为比特流的扩展比特被加到预定格式中。将现有多声道译码器基础与混频译码器结合使用以重放真正分立N.1多声道音频。这使消费者或专业人员可选择是否保留他们现有的音频系统，实现附加环绕声声道的一些音效或通过增加混频译码器将他们的系统升级，实现真正分立多声道音频，以改善最终的聆听音效。
应该懂得，本方法适用于扩展任何预定多声道音频格式，其中5.1是现有标准，扩展至更多分立音频声道，同时保持与预定格式的向后兼容性。例如，某些非常特殊的音频系统可采用真正10.2格式。在某种意义上说，采用这种10.2格式后，可能又希望将这种格式扩展至更多声道。为了清楚起见，参考5.1声道系统的一般情况叙述本发明。
为了清楚起见，现在结合5.1声道系统上下文的附图来叙述本发明。图5是本发明N.1声道环绕声编码器100的框图。演播厅110提供N.1声道混频，其中L、R、C及Sub声道直接传送到5.1编码器112，如DTS CoherentAcoustics、Dolby AC-3及Sony SDDS。Ls、Rs、Cs及其他附加环绕声声道首先被传送到混频编码器114，其使三个或以上声道混频成Lts和Rts声道，再传送到5.1编码器112。5.1编码器112对5.1声道编码，而声道编码器116a、116b、...分别对附加环绕声声道编码。声道编码器可使用同一个5.1编码器，其缺省为对单声道编码，或其他单声道编码器。帧格式器118在比特流124中一次一帧地将每个环绕声声道的扩展比特120a、120b、...加到5.1格式比特122中，如图6所示。比特流124以数字格式记录在媒体126上，如DVD、CD、DVT、或胶片。在胶片上光学记录的符号表示数字信息，数字信息反过来又表示分立音频声道。诸如CD或DVD等光盘具有刻在光盘表面上表示数字信息的凹坑，数字信息反过来又表示所述分立音频声道。另外，可将比特流1 24编码在载波信号上，对消费者广播。由于现有译码器只读取5.1比特而忽略扩展比特，所以可保持向后兼容性。用读取5.1和扩展比特的新混频译码器就可以实现真正分立多声道音频。
使2声道混频和分立声道都包含附加环绕声音频信号对3个或以上音频声道译码就不必引入移相。这样，混频编码器114在混频环绕声声道时具有更大的灵活性。例如，相关混频不会有移相或延迟。这样的好处是既无需产生”幻象”环绕声道的直接5.1译码也不需要造成相位畸变的2∶3矩阵译码。此外，混频编码器114可使Ls和Rs信号移相以改善矩阵编码环绕声音频的0深度。关键是译码不必用到相概念，而且在比特流中包含附加声道使得混频译码器可重放其中一种混频方法的分立音频。
假设有相关混频，通用混频方程式表示如下：
Lts＝Ls+∑GiSi，i＝0，1，2，...
Rts＝Rs+∑HiSi，i＝0，1，2，...
式中Gi和Hi是增益系数，S i是附加环绕声声道。
在3个环绕声声道(Ls，Rs，Cs)的具体实施例中，这些通用方程式缺省为公知混频方程式，其中Cs声道减少3dB，并被加到Ls和Rs声道中，如下式所示：
Lts＝Ls+.707Cs，及
Rts＝Rs+.707Cs.
在这一点上，中央环绕声道的3∶2混频、Dolby EX系统的矩阵编码方程式及本发明的混频编码方程式，每一个都缺省为使中央声道与左右声道混频的标准技术。虽然混频方程式在这一点上是相同的，但本发明的系统与Dolby EX或标准混频技术基本上是不同的。在那些情况中，附加信号只会混频到左和右信号中，因而牺牲了重放分立多声道音频的能力。本发明具体叙述了一种既产生分立多声道音频，又保留了向后兼容性的方法。与Dolby EX不同，这种方法要求附加比特(空间)以便对比特流编码。然而，如早期采用左/右环绕声代替单环绕声所证明的一样，真正分立环绕声音频将代替矩阵译码环绕声音频。
比特流与各种译码器配置兼容，包括现有5.1译码器、5.1译码器加现有矩阵译码器、5.1译码器加混频译码器及N.1译码器。将附加环绕声信号与左和右环绕信号混频可提供向后兼容性。在比特流中包含附加分立环绕声音频信号，当与5.1译码器加混频译码器或与N.1译码器一起使用时就可以重现真正分立多声道音频。
如图7所示，常用5.1译码器130通过检测同步比特，读取5.1格式化的比特122，及忽略扩展流120a、120b、...就可以一次一帧地对比特流124译码。译码器130对5.1比特译码以重放左(Lr)、中央(Cr)、右(Rr)、超低频(Sub)、左环绕(Lrts)、及右环绕(Rrts)分立音频声道。这些左、中央、右和超低频分立声道传送各自的音频信号，直接到达音箱配置132的分立音箱L、C、R及Sub(未图示)以作重放。左和右环绕声道传送3个声道混频，直接到达分立音箱Ls和Rs。这就产生一种”幻象”中央环绕(Crs)音频信号，其声音出现在左和右环绕音箱之间，对实际音箱没有好处。调节混频可改变幻象环绕声信号的位置，但它通常是中央环绕声。拥有现有5.1译码器的消费者可选择不作升级，仍然接收兼容性混频。
由于常用5.1译码器含有Dolby EX编码的音频数据(Dolby EX中的Ls和Rs信号没有移相45度)，所以当它用于3∶2∶3系统时可重放与图5和6所述编码技术相同的多声道音频的音效。然而，对于N∶2∶3系统，其中N＞3或N＝3，Ls和Rs信号移相，音频效果会不一样。本发明的编码技术不存在与Dolby EX相关的相位畸变问题。
如图8所示，图7描述的基本重放配置可通过增加矩阵译码器134和中央声道音箱Cs而得到增强。矩阵译码器134将左和右环绕声声道Lrts和Rrts矩阵译码成3个分立音频声道Rrs、Crs和Lrs，它们直接到达各自的音箱Ls、Cs和Rs以作重放。虽然这些声道是分立的，但它们所传送的信号却不是。如上所述，解矩阵的音频信号同样存在与Dolby Prologic系统相关的串音干扰和相位畸变的缺点。
如以上结合图4所讨论那样，Dolby EX系统设计成与具有相同配置的5.1译码器和矩阵译码器一起使用。另外，3∶2∶3系统可能与之相当，但N∶2∶N系统由于在Dolby EX编码中有相移分量而与之不同。实际上，即使当N＝3时，Ls和Rs信号就有45度相移。
如图7和8所示，本发明的混频编码技术保持与5.1译码器和矩阵译码器的向后兼容性。3∶2∶3系统音频性能与DolbyEX相当，当对附加环绕声声道编码时还有提高。
如图9-11所示，本发明的编码和格式化技术超过Dolby EX的明显优点是重放真正分立N.1声道音频的能力；由分立声道传送到分立音箱的分立信号。如早期本工业从矩阵编码/译码多声道音频转为分立5.1音频所证明的一样，消费者将选择分立5.1声道音频而不会选择矩阵译码N.1声道音频。
如图9所示，5.1译码器140从比特流124读取5.1音频122，忽略扩展比特120a、120b、...，对L、C、R和Sub信号译码，并将他们传送到各自在音箱配置142中的音箱。译码器140对Lts和Rts信号译码，将他们传送到混频译码器144，其忽略5.1音频比特而读取扩展比特。混频译码器144对每个附加环绕信号译码，并利用它们从Lts和Rts分离3个或以上环绕声信号Lrs、Crs和Lrs(Rrs)，后者被传送到分立音箱Ls、Cs和Rs。如图10所示，N.1译码器145将5.1译码器和混频译码器的功能合并在一个盒子中。
如图11所示，混频译码器144包括一声道译码器146，其对来自扩展比特的附加环绕声声道Crs译码，并直接将它传送到中央环绕声音箱Cs。混频译码器144加权Crs(148a，148b)，例如，使Crs减少3dB，从Ltrs和Rtrs信号减去(150a，150b)Crs，以使中央环绕声声道Cs消除所有Crs信号(量化噪声除外)，只剩下分立Lrs和Rrs，直接传送到左和右环绕声音箱Ls和Rs。具体地说，2∶3译码器的译码方程式表示如下：
Lsr＝Lts-.707Csr，及
Rsr＝Rts-.707Csr
利用附加声道译码器、乘法器和求和节点就很容易对电路进行扩展，以适应超过3个环绕声信号。
如图9-11所示，在混频译码器144上合并附加环绕信号提供N个方程式，其用于求解在Lts和Rts上传送的混频音频信号中的N个未知数。因此，除了量化噪声外，分离音频信号的过程非常精确，即，不会出现串音干扰或相位畸变。故想升级的消费者，不论是购买混频译码器与他们的5.1译码器一起使用，还是购买新N.1译码器，都能获得真正分立(信号、声道和音箱)系统及N.1比特流格式的优点。
必须要注意，将3个或以上环绕声声道混频成5.1格式，增加作为扩展比特的附加环绕声信号，以及如上所述那样分离音频信号所得到的音质基本上和用不具有与5.1系统向后兼容性的真正N.1格式所得到的音质一样。轻微的差别在于前者要提供向后兼容性而容易过重。
虽然所述音频混频/分离技术和改进比特流格式通常都适用于所有5.1格式，包括Dolby-AC3和Sony SDDS，但它们特别适用于DTS Coherent Acoustics，这种音响具有改变帧尺寸的能力，具体参见美国专利号5,978,762的叙述。通过a)减少帧尺寸或b)适应性地改变帧尺寸的可变帧尺寸，可用以适应附加环绕声声道，即扩展比特。Dolby-AC-3具有固定帧尺寸，在不牺牲重构音频信号保真度的情况下，其比特不足以适应扩展比特。
DTS Coherent Acoustics编码器/译码器以一次一比特的方式改变其帧尺寸。DTS Coherent Acoustics可灵活地减少帧尺寸来增加比特率以适应N.1系统，特别是附加扩展比特。减少帧尺寸使分配到附加声道的比特百分比提高和使比特分配的灵活性降低，但可提供真正分立N.1声道音频，其重放的音质非常好。
图12所示为另一个对N．1声道音频编码的实施例(所述实施例N＝3)。这种方法提高了混频容量，但需要来自演播厅和附加扩展比特的5.1和6.1混频。演播厅150提供5.1混频152和6.1混频154，其中只使用Ls，Cs和Rs声道。5.1混频的Lts和Rts声道已经被演播厅混频成包括Cs声道。这种5.1混频被传送到5.1编码器156，其使多声道信号编码成标准5.1音频格式。
Lts和Rts音频声道由系数C1和C2加权，而且分别从6.1混频1 54的Ls和Rs音频声道中减去，产生差值信号dLs和dRs。编码器158对Cs、dLs和dRs编码，将它们传送到帧格式器160，而帧格式器160将它们作为扩展比特加到比特流的5.1音频格式中。每个加在6.1后的附加声道将一个新声道加到扩展比特。该方法使得信号混频时不受简单线性方程式的约束，但需要2个附加声道dLs和dRs来对音频数据编码。
在这个意义上说，本发明描述的是一种将3个或以上环绕声声道混频成左和右环绕声声道的技术。尽管这些技术目前只有这方面的应用，但同样的技术可用于为附加前置声道、侧声道、超低频或任何其他分立声道提供真正分立和向后兼容性混频。
如图13所示，N∶M混频器170将N个分立输入信号混频成M个传送N声道混频的声道。编码器172将M声道音频信号编码成预定格式。声道编码器174a、174b、...对L＝N-M的每个附加分立音频信号编码。帧格式器176将编码后的附加信号作为扩展比特加到比特流的预定格式中，再记录在媒体178上。以上叙述了将预定多声道音频格式扩展成更多数目分立声道，而保留与使用预定格式译码器的向后兼容性的一般方法。
虽然显示和描述了本发明的若干说明性实施例，对于本领域技术人员来说可以有许多变化和替换的实施例。这些变化和替换实施例可以构想出并能被制作，而不脱离由所附权利要求书限制的本发明的精神和范围。

Claims (35)

1.一种以扩展多声道音频格式在媒体上记录多声道音频的方法，它通过配置成读取以预定多声道音频格式记录的媒体的现有基础音频译码器或通过配置成读取以扩展多声道音频格式记录的媒体的音频译码器，来重放声音，其特征在于：所述方法包括：
将多个音频信号和N个环绕声音频信号的声音信息混频；
使N个环绕声音频信号混频成M个混频环绕声音频信号，其中M小于N；
将所述M个混频环绕声音频信号和在分立环绕声音频声道中的所述多个音频信号以预定多声道音频格式记录在媒体上；以及
将在各自分立扩展环绕声音频声道内的N个环绕声音频信号中的至少一个音频信号作为加到预定多声道音频格式的扩展比特记录在媒体上，其也包括扩展多声道音频格式。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述分立环绕声音频声道和分立扩展环绕声声道作为音频帧序列记录在所述媒体上，该方法还包括一帧一帧地改变音频帧尺寸以适应分立扩展环绕声声道。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于：N减去M个环绕声音频信号记录在各自分立扩展环绕声音频声道内。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述环绕声音频信号包括左、右及中央环绕声信号，进一步包括3个前置音频信号及1个超低频音频信号的声音信息，并以5.1声道音频格式用M＝2个分立环绕声音频声道混频并记录。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述N和M环绕声音频信号分别表示N-声道和M-声道混频，所述方法还包括：
计算在M-声道混频和N-声道混频中相应M分立音频信号之间的加权差值信号，以及
将加权差值信号记录在各自分立扩展声道上。
6.一种重放多声道音频的方法，其特征在于：所述方法包括：
接收记录比特流，所述比特流包括M个分立环绕声音频声道，其以预定分立多声道音频格式传送N个环绕声音频信号混频，其中N＞M，及至少一个分立扩展环绕声声道，每个分立环绕声扩展声道传送N个环绕声音频信号中的一个，将其作为加到所述预定分立多声道音频格式的扩展比特；
读取在预定分立多声道音频格式中的比特，忽略扩展比特；
对以预定分立多声道音频格式中的比特译码以重放所述M个分立音频声道；以及
将M个分立环绕声音频声道应用到各自分立音箱声道以重放M个环绕声音频信号及至少一个幻象环绕声音频信号。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于：所述M个分立环绕声音频声道是左和右环绕声声道，所述N个分立环绕声音频信号包括左、右及中央环绕声信号，所述分立扩展环绕声声道传送所述中央环绕声信号，虽然该信号读取时被忽略，但会作为幻象中央环绕声信号重放。
8.如权利要求6所述的方法，其特征在于：所述分立环绕声音频声道和分立扩展环绕声声道作为音频帧序列记录，所述音频帧以一次一帧的方式读取，记录的音频帧尺寸可以一帧一帧地改变以适应分立扩展环绕声声道。
9.一种重放多声道音频的方法，其特征在于：所述方法包括：
接收具有记录比特流的媒体，所述比特流包括以预定多声道音频格式传送N个混频音频信号的M个分立音频声道，其中N＞M，以及至少一个分立扩展声道，每个分立扩展声道传送N个音频信号中之一，其作为加到所述预定多声道音频格式的扩展比特；
读取在预定多声道音频格式中的比特，忽略扩展比特；
对在预定多声道音频格式中的比特译码以重放所述M个分立音频声道；
对M个音频声道矩阵译码以提供N个分立音频声道，所述分立音频声道传送表示N个混频音频信号的矩阵译码音频；以及
将N个分立音频声道应用到各自分立音箱声道以重放矩阵译码的多声道音频。
10.如权利要求9所述的方法，其特征在于：所述M个分立音频声道是左和右环绕声声道，所述N个分立音频信号包括左、右及中央环绕声信号，所述分立扩展声道传送所述中央环绕声信号，因为它在读取时被忽略，所以作为矩阵译码音频重放。
11.如权利要求9所述的方法，其特征在于：所述分立音频声道和分立扩展声道作为音频帧序列记录在所述媒体上，所述音频帧以一次一帧的方式读取，记录在所述媒体上的音频帧尺寸可以一帧一帧地改变以适应分立扩展声道。
12.一种重放多声道音频的方法，其特征在于，所述方法包括：
接收记录比特流，所述比特流包括以预定分立多声道音频格式传送N个环绕声音频信号混频的M个分立环绕声音频声道，其中N＞M，及至少一个分立环绕声扩展声道，每个分立环绕声扩展声道传送N个环绕声音频信号中之一，将其作为加到所述预定分立多声道音频格式的扩展比特；
读取在预定分立多声道音频格式中的比特；
对在预定分立多声道音频格式中的比特译码以重放所述M个分立环绕声音频声道；
读取扩展比特；
对扩展比特译码以提供至少一个分立环绕声扩展声道；
用环绕声扩展声道对M个分立环绕声音频声道混频译码以提供M个分立环绕声音频声道，每个分立环绕声音频声道传送一分立环绕声音频信号；以及
将M个分立环绕声音频声道和至少一个扩展环绕声声道应用到各自分立的音箱声道以重放N个分立环绕声音频信号。
13.如权利要求12所述的方法，其特征在于：所述M个分立环绕声音频声道是左和右环绕声声道，所述N个分立环绕声音频信号包括左、右及中央环绕声信号，所述分立扩展环绕声声道传送所述中央环绕声信号，该信号被读取并作为分立中央环绕声信号重放。
14.如权利要求12所述的方法，其特征在于：所述分立环绕声音频声道和分立扩展环绕声声道作为音频帧序列记录，所述音频帧以一次一帧的方式读取，记录的音频帧尺寸可以一帧一帧地改变以适应分立扩展环绕声声道。
15.如权利要求12所述的方法，其特征在于：对N减去M个分立扩展环绕声声道译码。
16.一种从记录比特流重放环绕声音频的设备，所述比特流包括M个分立环绕声音频声道，以预定分立多声道音频格式传送N个环绕声音频信号混频，及至少一个分立扩展环绕声声道，每个分立扩展环绕声声道传送一个作为加到所述预定分立多声道音频格式的扩展比特的环绕声音频信号，其特征在于，所述设备包括：
一多声道音频译码器，其读取在预定分立多声道音频格式中的比特，而忽略扩展比特，对所述比特译码以重放所述M个分立环绕声音频声道，以及
一混频译码器，其接收M个分立环绕声音频声道和读取扩展比特，对扩展比特译码以重放至少一个分立扩展环绕声声道，用环绕声扩展声道分离在M个分立环绕声声道上传送的N个环绕声音频信号，以提供由M个分立环绕声音频声道传送的M个分立环绕声音频信号，以及将M个分立环绕声音频声道和至少一个分立扩展环绕声声道应用到各自分立音箱声道以重放N个分立环绕声音频信号。
17.如权利要求16所述的设备，其特征在于：所述M个分立环绕声音频声道是传送混频左、右及中央环绕声信号的左和右环绕声声道，所述分立扩展环绕声声道传送所述中央环绕声信号，该信号被混频译码器读取并作为分立中央环绕声信号重放。
18.如权利要求17所述的设备，其特征在于：所述比特流还有三个传送各自分立前置音频信号的分立前置声道，及一个传送超低频信号的超低频声道，所述三个前置声道、M＝2个所述环绕声声道及一个超低频声道以分立5.1音频格式记录，所述多声道音频译码器包括一个5.1声道译码器。
19.如权利要求16所述的设备，其特征在于：所述分立环绕声音频声道和分立扩展环绕声声道作为比特流中音频帧序列记录在所述媒体上，记录在所述媒体上的音频帧尺寸可以一帧一帧地改变以适应分立扩展环绕声声道，所述多声道音频编码器和所述混频译码器根据帧尺寸一次一帧地读取所述序列。
20.如权利要求1所述的方法，其特征在于，N个环绕声音频信号混频到M个分立环绕声音频声道，以与矩阵译码器的现有基础兼容，所述矩阵译码器产生N个环绕声声道，用于传送N个混频音频信号的矩阵译码音频表示。
21.如权利要求20所述的方法，其特征在于，所述环绕声音频信号包括左、右及中央环绕声音频信号，所述中央环绕声音频信号减小大约3dB，并与所述左和右环绕声音频信号一起同相混频到分立的左和右环绕声音频声道上。
22.一种记录多声道音频的方法，其特征在于，包括：
将多个前置音频信号的声音信息混频，所述多个前置音频信号包括至少左、右、中央和超低频音频信号，以及左、右和中央环绕声音频信号；
使左、右和中央环绕声音频信号混频成左和右环绕声音频信号；
以预定分立多声道音频格式记录多个分立前置音频声道中的所述前置音频信号和分立左和右环绕声音频声道中的所述混频左和右环绕声音频信号；以及
记录分立扩展环绕声音频声道中的中央环绕声音频信号作为加到预定分立多声道音频格式的扩展比特，其也包括扩展多声道声道音频格式。
23.如权利要求22所述的方法，其特征在于，所述中央环绕声音频信号减小大约3dB，并与所述左和右环绕声音频信号一起同相混频。
24.如权利要求23所述的方法，其特征在于，所述预定分立多声道音频格式是分立5.1声道格式，中央环绕声音频信号的减小和混频使得扩展5.1声道音频格式与以下任何一个的重放兼容：(a)5.1音频译码器的现有基础，它忽略扩展比特并重放中央环绕声音频信号作为幻象中央环绕，(b)5.1音频编码器加矩阵译码器的现有基础，它忽略扩展比特并重放分立左、右和中央环绕声声道，这些声道传送左、右和中央环绕声音频信号的矩阵译码表示，或(c)被配置成读取扩展5.1声道音频格式的译码器的基础，所述扩展5.1声道音频格式重放传送分立左、右和中央环绕声音频信号的分立左、右和中央环绕声声道。
25.如权利要求24所述的方法，其特征在于，所述被配置成读取扩展5.1声道音频格式的译码器的基础包括现有5.1译码器和混频译码器。
26.如权利要求22所述的方法，其特征在于，将所述分立前置音频声道、分立环绕声音频声道和分立扩展环绕声声道记录为音频帧序列，还包括一帧一帧地改变音频帧尺寸以与分立扩展环绕声声道兼容。
27.一种重放多声道音频的方法，其特征在于，还包括：
接收比特流，所述比特流包括多个分立前置音频声道，用于传送至少左、右和中央前置音频信号，分立左和右环绕声音频声道，用于传送预定分立多声道音频格式的左、右和中央环绕声音频信号的混频，和分立环绕声扩展声道，用于传送中央环绕声音频信号作为加到所述预定分立多声道音频格式的扩展比特；
读取在预定分立多声道音频格式中的比特，忽略扩展比特；
对在预定分立多声道音频格式中的比特译码以重放所述分立前置音频声道和所述分立左和右环绕声音频声道；以及
将分立前置音频声道和分立左和右环绕声音频声道应用到各自音箱声道以重放前置音频信号，左和右环绕声音频信号和幻象中央环绕声音频信号。
28.如权利要求27所述的方法，其特征在于，所述中央环绕声音频信号减小大约3dB，并与所述左和右环绕声音频信号一起同相混频到分立左和右环绕声音频声道。
29.如权利要求27所述的方法，其特征在于，将所述分立前置音频声道、分立环绕声音频声道和分立扩展环绕声声道记录在比特流中作为音频帧序列，音频帧尺寸可以一帧一帧地改变以与分立扩展环绕声声道兼容，根据所述帧尺寸以一次一帧的方式从所述序列读取所述比特。
30.一种重放多声道音频的方法，其特征在于，包括：
接收比特流，所述比特流包括多个分立前置音频声道，用于传送至少左、右和中央前置音频信号，分立左和右环绕声音频声道，其中中央环绕声音频信号减小大约3dB并与左和右环绕声音频信号同相混频，所述前置和环绕声音频声道以预定分立多声道音频格式混频，以及分立环绕声扩展声道，用于传送中央环绕声音频信号作为加到所述预定分立多声道音频格式的扩展比特；
读取在预定分立多声道音频格式中的比特，忽略扩展比特；
对在预定分立多声道音频格式中的比特译码以重放所述分立前置音频声道和左和右分立环绕声音频声道；
将左和右环绕声音频声道矩阵译码，以提供左、右和中央分立音频声道，用于传送混频音频信号的矩阵译码音频表示；以及
将前置音频声道和左、右和中央分立环绕声音频声道应用到各自分立音箱声道以重放前置音频信号和矩阵译码环绕声音频。
31.如权利要求30所述的方法，其特征在于，将所述分立前置音频声道、分立环绕声音频声道和分立扩展环绕声声道记录在比特流中作为音频帧序列，音频帧尺寸可以一帧一帧地改变以与分立扩展环绕声声道兼容，根据所述帧尺寸以一次一帧的方式从所述序列读取所述比特。
32.一种重放多声道音频的方法，其特征在于，包括：
接收比特流，所述比特流包括多个分立前置音频声道，用于传送至少左、右和中央前置音频信号，分立左和右环绕声音频声道，用于传送预定分立多声道音频格式的左、右和中央环绕声音频信号的混频，以及分立环绕声扩展声道，用于传送中央环绕声音频信号作为加到所述预定分立多声道音频格式的扩展比特；
读取在预定分立多声道音频格式中的比特；
对在预定分立多声道音频格式中的比特译码以重放所述分立前置音频声道和所述分立左和右环绕声音频声道；
读取所述扩展比特；
将扩展比特译码，以提供分立环绕声扩展声道；
使用环绕声扩展声道将分立左和右环绕声音频声道混频译码，以提供分立左、右和中央环绕声音频声道，用于分别传送左、右和中央环绕声音频信号；
将分立前置音频声道和分立左、右和中央环绕声音频声道应用到各自音箱声道以重放前置音频信号和分立左、右和中央环绕声音频信号。
33.如权利要求32所述的方法，其特征在于，所述中央环绕声音频信号减小大约3dB，并与所述左和右环绕声音频信号一起同相混频到分立左和右环绕声音频声道。
34.如权利要求32所述的方法，其特征在于，将所述分立前置音频声道、分立环绕声音频声道和分立扩展环绕声声道记录在比特流中作为音频帧序列，音频帧尺寸可以一帧一帧地改变以与分立扩展环绕声声道兼容，根据所述帧尺寸以一次一帧的方式从所述序列读取所述比特。
35.一种重放多声道音频的方法，其特征在于，包括：
接收比特流，所述比特流包括多个分立前置音频声道，用于传送至少左、右和中央前置音频信号，分立左和右环绕声音频声道，其中中央环绕声音频信号减小大约3dB并与左和右环绕声音频信号同相混频，所述前置和环绕声音频声道以预定分立多声道音频格式混频，以及分立环绕声扩展声道，用于传送中央环绕声音频信号作为加到所述预定分立多声道音频格式的扩展比特；
读取在预定分立多声道音频格式中的比特；
对在预定分立多声道音频格式中的比特译码以重放所述分立前置音频声道和所述分立左和右环绕声音频声道；以及以下任一步骤
(a)将左和右分立环绕声音频声道应用到各自分立音箱声道以重放左和右环绕声音频信号和幻象中央环绕声音频信号，或
(b)将左和右分立环绕声音频声道矩阵译码，以提供分立左、右和中央环绕声音频声道，用于传送混频音频信号的矩阵译码音频表示，并将这些音频声道应用到各自分立音箱声道以重放左、右和中央矩阵译码环绕声音频信号，或
(c)使用扩展比特将左和右分立环绕声音频声道混频译码，以提供左、右和中央分立环绕声音频声道，用于分别传送分立左、右和中央环绕声音频信号，并将这些音频声道应用到各自分立音箱声道以重放分立左、右和中央环绕声音频信号。
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Granted publication date: 20080206

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