Brevet FR2587163A1 — publié le 19870313

SYSTEME NON RECURSIF POUR ETENDRE LA BASE STEREOPHONIQUE D'UN APPAREIL DE DIFFUSION ACOUSTIQUE STEREOPHONIQUE La présente invention concerne un système non ré- cursif pour étendre la base stéréophonique d'un appareil de diffusion acoustique stéréophonique. Comme on le sait, lorsque la distance entre les deux haut-parleurs d'un appareil de diffusion acoustique stéréophonique est relativement faible (par exemple 60-70 cm), l'effet stéréophonique est presque imperceptible, ou de toute manière insuffisant, pour des auditeurs placés à une certaine distance des haut-parleurs. Pour simuler l'ef- fet qu'on obtiendrait avec des haut-parleurs séparés mutuel- lement par une plus grande distance, on connait ainsi une technique consistant à appliquer un traitement aux signaux acoustiques d'entrée du système pour améliorer leurs carac- téristiques stéréophoniques, en réalisant ainsi ce qu'on appelle "l'extension de la base stéréophonique". Le procédé classique pour réaliser ce traitement consiste à utiliser une technique "récursive", dans laquelle on crée une diaphonie croisée avec un déphasage de 180 entre les deux canaux acoustiques (gauche et droit), habi- tuellement en soustrayant le signal de sortie de chaque canal par rapport au signal d'entrée de l'autre canal, avec une amplification ou une attenuation appropriée de ces si- gnaux soustraits. En pratique, on n'applique une telle dia- phonie que dans une partie de la bande totale du signal, pour éviter des inconvénients liés à la propagation des ondes acoustiques et à la physiologie de l'audition, qui sont bien connues de l'homme de l'art. Les chemins croisés des signaux renvoyés vers l'entrée comprennent donc des filtres passe-bande, et des filtres de correction sont généralement également incorporés dans les deux canaux directs. On peut donc considérer comme des filtres (actifs ou passifs) les deux canaux directs ainsi que les voies de diaphonie croisées, et lorsqu'il sera question d'amplificateurs dans la suite de la description, on devra toujours considérer que l'amplification produite peut également comprendre un filtrage désiré. Des systèmes du genre précité sont décrits par exemple dans le document "DIGIT 2000 - VLSI Digital TV System", ITT Semiconductors, Publication Order N . 6251-190- 2E, page 6.13, août 1982, ou dans l'article "The German 2-Carrier System for Terrestrial TV-Sound Transmission Sys- tems and Integrated Circuits for 'High-Quality' TV Recei- vers", par U. Bushe, paru dans IEEE Transactions on Consumer Electronics, Vol. CE-28, N .4, page 489, novembre 1982. Du fait que ces solutions connues sont toutes du type récursif, elles exigent une conception et un réglage délicats et elles peuvent donner naissance à des instabili- tés. Elles exigent en outre quatre blocs amplificateurs (et/ou de filtrage), parmi lesquels deux sont destinés aux canaux directs (c'est-àdire pour l'attaque des étages aval du système), et les deux autres sont destinés aux signaux qui sont renvoyés en réaction pour produire l'extension. La complexité de tels blocs dépend de la complexité des fonc- tions de filtrage qu'on désire obtenir. Le but principal de l'invention est de procurer un système pour l'extension de la base stéréophonique dans des signaux stéréophoniques, pour un appareil de diffusion acoustique stéréophonique, qui ne soit pas du type récursif, et qui soit plus économique à réaliser dans un circuit inté- gré. Un autre but est de procurer un tel système d'ex- tension non récursif dans lequel l'extension de la base stéréophonique soit programmable de façon plus simple que dans des circuits récursifs connus. Conformément à l'invention, on atteint les buts ci-dessus ainsi que d'autres qui apparaîtront mieux ci-après, au moyen d'un système destiné à étendre la base stéréophoni- que pour un appareil de diffusion acoustique stéréophonique, dans lequel un premier signal d'entrée et un second signal d'entrée, constituant une paire stéréophonique, sont ampli- fiés dans des moyens amplificateurs directs respectifs pour obtenir des premier et second signaux de sortie, caractérisé en ce que ces signaux d'entrée sont additionnés par des moyens additionneurs, avec une relation de phase choisie entre la coincidence de phase complète et le déphasage de , le signal de somme provenant des moyens additionneurs étant traité par un bloc de transfert ayant une fonction de transfert donnée, et étant superposé au premier signal de sortie avec une phase opposée, et étant superposé ensuite au second signal de sortie avec un déphasage de 180 ou en phase avec lui, selon que les signaux d'entrée sont respec- tivement additionnés en phase ou avec un déphasage de 180 . L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre d'un mode de réalisation pré- féré, donné à titre d'exemple non limitatif. La suite de la description se réfère aux dessins annexés sur lesquels: La figure 1 est un schéma synoptique d'un premier mode de réalisation d'un système d'extension de base stéréo- phonique conforme à l'invention; La figure 2 est un schéma synoptique d'un second mode de réalisation d'un système d'extension de base stéréo- phonique conforme à l'invention; La figure 3 est un schéma synoptique d'un troisiè- me mode de réalisation d'un système d'extension de base sté- réophonique conforme à l'invention; La figure 4 est un schéma de circuit d'une mise en oeuvre pratique du mode de réalisation de la figure 3, convenant spécialement à l'incorporation dans un circuit intégré; et La figure 5 est un schéma de circuit plus spéci- fique de la réalisation de la figure 4. L'invention résulte de l'observation du fait que l'information stéréophonique d'un signal acoustique est en- tièrement contenue dans la partie différentielle des signaux des deux canaux, tandis que leur partie commune ne contient qu'une information monaurale. Ainsi, à titre d'exemple, dans le cas d'un signal acoustique monaural (par exemple la voie d'un présentateur placé au centre du plateau d'émission), les deux signaux, c'est-à-dire le signal gauche VL et le signal droit VR, sont tous deux identiques à une môme valeur V. i - V VL = Vi VR = Vi, tandis que dans le cas d'un signal acoustique présentant le caractère stéréophonique maximal (par exemple le son d'un instrument situé à une extrémité du plateau), les deux si- gnaux seront théoriquement: VL = Vi VR = O, c'est-à-dire: VL = Vi/2 + Vi/2 (la) VR = Vi/2 - Vi/2 (lb) Les équations (la), (lb) montrent donc qu'un signal ayant un contenu stéréophonique maximal comprend une première composante commune, dont l'amplitude et la phase sont égales dans les deux canaux, et une seconde composante, dite diffé- rentielle, dont l'amplitude est égale à celle de la première, mais dont la phase est opposée dans les deux canaux. Le fait d'étendre la base stéréophonique du signal stéréophonique revient donc à renforcer la partie différentielle par rapport à la partie commune. On a utilisé ce principe dans un premier mode de réalisation d'un système non récursif destiné à étendre la base stéréophonique, conformément à l'invention, qui est re- présenté sur la figure 1. Le système comprend des entrées respectives 10 et 12 pour les signaux d'entrée droit et gauche Ri et Li, constituant une paire stéréophonique, et des sorties respectives 14 et 16 pour les signaux de sortie droit et gauche Ro et Lo. Dans les canaux droit et gauche définis respectivement entre les entrées droite et gauche et les sor- ties droite et gauche, sont connectés des amplificateurs respectifs 18 et 20, mutuellement identiques, ayant chacun un gain B au centre de la bande. Comme on l'a déjà indiqué ci- dessus, les amplificateurs 18 et 20 peuvent comprendre des fonctions de filtrage, par exemple du type passe-bas, pour atténuer les fréquences élevées. Les signaux d'entrée droit et gauche Ri et Li sont appliqués à des moyens de combinaison linéaires 22, capables de fournir la différence entre ces signaux d'entrée, et cette différence est appliquée à un bloc de transfert 24, qui com- prend un amplificateur passe-bande, et qui a un gain À au centre de la bande. Du fait que la valeur du gain A du bloc 24 peut même être inférieure à 1 (en fonction des paramètres de conception du système global), le bloc de transfert 24 est un élément générique qui peut éventuellement se réduire à un simple réseau de filtrage passif. Le signal de sortie du bloc 24 est appliqué d'une part à des moyens de soustraction 26 intercalés en série dans le canal droit, pour être soustrait (ou additionné en opposition de phase) du signal de sortie droit Ro. D'autre part, le signal de sortie du bloc 24 est appliqué aux moyens additionneurs 28 intercalés en série, pour être ajouté (en phase) au signal de sortie gauche L. o En représentant de façon mathématique les rela- tions que le système de la figure 1 impose entre les signaux d'entrée et de sortie, on obtient finalement les expressions suivantes, dans lesquelles les divers symboles ont les si- gnifications indiquées ci-dessus: Lo = BLi + A(Li - Ri) (2a) Ro = BRi A(Li - Ri) (2b) Si, sur la base de ce qui a été décrit en relation avec les équations (la), (lb), on exprime les signaux Ri et L. de la manière suivante: i L. = C + D (3a) i Ri = C - D (3b) en désignant par C la partie commune et par D la partie différentielle des deux signaux, on peut exprimer les équa- tions (2a), (2b) de la manière suivante: Lo = BC + (2A + B)D (4a) R = BC (2A + B)D (4b) o Du fait que A et B ont le même signe, au moins au centre de la bande, la partie différentielle D est amplifiée davantage que la partie commune, ce qui produit l'extension désirée de la base stéréophonique. Dans le mode de réalisation pratique, la valeur du gain A du bloc 24 est de préférence programmable, de façon à permettre l'utilisation du même circuit dans diffé- rentes applications, dans lesquelles des extensions diffé- rentes sont nécessaires. Ceci n'empêche pas de rendre éga- lement programmable les gains des blocs 18, 20. Le mode de réalisation de l'invention qui est re- présenté sur la figure 2, similaire dans une large mesure à celui de la figure 1, porte pour les parties correspondan- tes les mêmes numéros de référence augmentés de 100. Le second mode de réalisation diffère du premier par le fait que les moyens de soustraction 22 sont rempla- cés par des moyens additionneurs 122, et que les moyens additionneurs 28 du canal gauche Li sont remplacés par des moyens de soustraction 128. Tous les autres éléments sont pratiquement identiques aux éléments correspondants de la figure 1, et les remarques concernant l'amplificateur et les fonctions de filtrage sont également valides. En exprimant les équations qui lient les signaux de sortie aux parties différentielle et commune des signaux d'entrée, on obtient dans ce cas: Lo = BLi - A(Li + Ri) Ro = BRi - A(Li + Ri) d'o on déduit, avec les mêmes substitutions que précédem- ment: L = (B - 2A)C + BD o R = (B - 2A)C - BD o De façon similaire au mode de réalisation de la figure 1, du fait que A et B ont le même signe (au centre de la bande), l'amplification de la partie différentielle est supérieure à celle de la partie commune (à condition que lAI 4IBI), et la base stéréophonique est donc étendue. Dans ce cas également, on peut rendre l'extension programmable d'une manière particulièrement efficace, en programmant le gain du bloc de transfert 124. Le mode de réalisation de la figure 3, qui est également constitué par des éléments similaires à ceux de la figure 1, qui portent donc les mêmes numéros de référence augmentés de 200, est applicable lorsque l'un au moins des signaux d'entrée est disponible sous forme inversée, et lorsqu'il est en outre acceptable d'obtenir l'un des signaux de sortie également sous forme inversée. Dans des circuits intégrés du type "tout différentiel", cette condition est souvent satisfaite sans inconvénients. Dans ce mode de réalisation, le signal d'entrée droit Ri est appliqué sous forme inversée, tandis que le signal gauche L. est appliqué sous forme non inversée. Outre le fait qu'ils sont amplifiés (et/ou filtrés) dans les ca- naux respectifs 218 et 220, les deux signaux d'entrée sont additionnés en phase dans un additionneur 222, pour donner un signal de somme qui, après traitement dans un bloc de transfert 224, est à nouveau additionné en phase aux deux canaux, au moyen des additionneurs 226 et 228. En d'autres termes, ce mode de réalisation n'utilise que des moyens additionneurs, sans moyens de soustraction. A la sortie, on obtient les signaux R et Lo respectivement sous forme in- versée et sous forme non inversée. Les relations qui lient les deux signaux de sor- tie aux signaux d'entrée sont alors: Lo = BLi + A(Li - Ri) (5a) - Ro = BRi + A(Li - Ri) (5b) En effectuant dans les équations ci-dessus les substitutions définies par les équations (3a), (3b), on obtient des rela- tions identiques aux relations (4a), (4b) qui sont valides pour le premier mode de réalisation. On peut donc voir que le troisième mode de réalisation est entièrement équivalent au premier, la fonction des entrées de soustraction étant simplement remplacée par l'utilisation du signal R. sous forme inversée. Le troisième mode de réalisation est mis en oeuvre de façon pratique dans le circuit de la figure 4. Ce circuit comprend deux amplificateurs opérationnels 300, 302 dont les entrées inverseuses reçoivent les signaux respectifs -Ri et J Li, par l'intermédiaire d'impédances d'entrée respectives 304, 306 ayant une valeur identique Z1. A chacun des ampli- ficateurs opérationnels 300, 302 sont connectées en paral- lèle des impédances respectives 308, 310 ayant une valeur identique Z2. Les entrées des signaux L. et -R. sont mutuelle- i 1. ment connectées par deux impédances 312, 314, connectées en série, ayant une valeur égale Z3, dont le noeud central est connecté, par l'intermédiaire d'une impédance supplémentaire 316 ayant une valeur Z5, au noeud central de deux autres impédances 318, 320, connectées en série, qui sont également identiques et ont une valeur Z4, ces deux dernières impé- dances connectant mutuellement les noeuds situés entre les impédances 304, 306 et les amplificateurs opérationnels respectifs. Dans le mode de réalisation de la figure 4, qui est particulièrement bien adapté pour l'incorporation dans un circuit intégré, les fonctions des blocs 218, 220 de la figure 3 ont été respectivement affectées aux groupes 300, 304, 308, d'une part et 302, 306, 310 d'autre part. Le réseau symétrique comprenant les impédances 312, 314, 316, 318, 320 est équivalent au bloc de transfert 224 associé aux moyens additionneurs 222, 226, 228. Chacune des impédances Z1... Z5 sera généralement complexe et sera par exemple constituée par un condensateur, une résistance, un condensateur et une résistance en paral- lèle, ou d'autres combinaisons, de façon à procurer les fonctions de transfert A et B nécessaires pour obtenir le filtrage désiré, conformément à des procedures de conception connues de l'homme de l'art. De toute manière, toutes les impédances peuvent être intégrées dans le circuit, sans utiliser de composants externes séparés, à moins qu'il soit nécessaire de pouvoir programmer la base d'extension, auquel cas l'impédance 316 peut être réalisée de façon externe, et dans ce cas elle est constituée de préférence par une résis- tance variable, ou tout au moins remplaçable, pour permettre la programmation de la valeur de l'extension. Si une telle possibilité de programmation n'est pas nécessaire, l'impé- dance 316 peut être un simple court-circuit, du fait que ses fonctions peuvent être remplies par les quatre impédances adjacentes 312, 314, 318, 320. La figure 5 représente un exemple d'un mode de réalisation plus spécifique du circuit de la figure 4, dans lequel on a donné des structures préférées aux impédances individuelles. De cette manière, les impédances 304, 306, 308, 310 sont constituées par des couplages en parallèle respectifs d'une résistance R et d'un condensateur C; les impédances 312, 314 sont des condensateurs respectifs C; les impédances 318, 320 sont des résistances respectives R; et l'impédance 316 est devenue un court-circuit. En utilisant des valeurs appropriées, comme il est connu de l'homme de l'art, pour les condensateurs et les résistances individuelles, on obtient les fonctions de filtrage passe- bas et passe-bande mentionnées ci-dessus. Le circuit de la figure 5 comporte un circuit in- tégré MOS dans lequel on peut obtenir.de façon relativement aisée des condensateurs dont les valeurs ont une relation définie avec précision, alors qu'il est difficile d'obtenir des résistances ayant une précision acceptable; toutes les résistances constituant les impédances 304... 320 sont donc de préférence simulées par la technique connue des condensateurs commutés. Il va de soi que de nombreuses modifications peu- vent être apportées au dispositif décrit et représenté, sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Système d'extension de la base stéréophonique - pour un appareil de diffusion acoustique stéréophonique, dans lequel des premier et second signaux d'entrée (Ri, Li), constituant une paire stéréophonique, sont amplifiés dans des moyens amplificateurs directs respectifs (18, 20; 118, ; 218, 220) pour obtenir des premier et second signaux de sortie, caractérisé en ce que les signaux d'entrée sont additionnés par des moyens additionneurs (22, 122, 222), avec une relation de phase choisie entre la coincidence de phase complète et le déphasage de 180 , le signal de somme provenant des moyens additionneurs (22) étant traité par un bloc de transfert (24, 124, 224) ayant une fonction de transfert donnée, et étant superposé au premier signal de sortie avec une phase opposée, et étant ensuite superposé au second signal de sortie avec un déphasage de 180 ou en phase par rapport à ce dernier, selon que les signaux d'en- trée sont respectivement additionnés en phase ou avec un déphasage de 180 . 2. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que le bloc de transfert (24, 124, 224) consiste en un filtre passe-bande. 3. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que les canaux correspondant aux moyens amplifica- teurs directs (18, 20; 118, 120; 218, 220) comprennent des filtres passe-bas respectifs. 4. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que la fonction de transfert au centre de la bande du bloc de transfert (24, 124, 224) est programmable. 5. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il est réalisé conformément à la technique "tout différentiel". 6. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que chacun des canaux comprend un amplificateur opé- rationnel inverseur (300, 302) ayant une première impédan- ce (304, 306) connectée en série à son entrée et une se- conde impédance, ou impédance de réaction (308, 310),connec- tant sa sortie à son entrée. 7. Système selon la revendication 6, caractérisé en ce que les moyens additionneurs (22, 122, 222) et le bloc de transfert (24, 124, 224) sont constitués par un réseau d'impédances symétrique en H (312, 314, 316, 318, 320), et deux extrémités externes de ce réseau en H sont connectées de façon à recevoir les signaux d'entrée respectifs (Ri, Li), tandis que les deux autres extrémités du réseau en H sont connectées aux noeuds respectifs entre les impédances connectées en série (304, 306) et les entrées des amplifi- cateurs opérationnels (300, 302). 8. Système selon la revendication 7, caractérisé en ce que l'impédance (316) qui se trouve dans la branche commune du réseau en H est un court-circuit. 9. Système selon la revendication 8, caractérisé en ce que les branches du réseau en.H qui reçoivent les signaux d'entrée sont constituées par des condensateurs (C). 10. Système selon la revendication 9, caractérisé en ce que les branches du réseau en H qui sont connectées aux entrées des amplificateurs opérationnels (300, 302) sont des résistances (R). 11. Système selon la revendication 10, caractérisé en ce que les impédances série et de réaction des amplifi- cateurs opérationnels (300, 302) sont constituées par des combinaisons en parallèle respectives d'une résistance et d'un condensateur (R, C). 12. Système d'extension de base stéréophonique selon la revendication 10, intégré dans un circuit intégré de type MOS, caractérisé en ce que les résistances sont simulées par la technique des condensateurs commutés.