Brevet FR2590757A1 — publié le 19870529

SYSTEME POUR LA CREATION D'UN EFFET PSEUDO-STEREOPHONIQUE DANS LA REPRODUCTION DE SON MONOPHONIQUE La présente invention concerne un système pour la création d'un effet pseudo-stéréophonique (en abrégé, pseudostéréo) dans la reproduction de son monophonique au moyen d'un appareil de reproduction et de diffusion stéréophonique. Lorsque l'on reproduit un son monophonique au moyen d'un appareil stéréophonique, il est souvent souhaitable pour une écoute plus agréable de traiter les signaux audio de façon à donner à l'auditeur une sensation similaire à celle offerte par la reproduction d'un son stéréophonique. Il est évident que le traitement d'un signal audio monophonique ne peut pas donner au son lui-même un contenu réellement stéréophonique, mais, en agissant d'une façon appropriée, il est possible d'obtenir à partir d'un tel signal deux signaux audio différents tels qu'ils simulent ceux composant un son stéréophonique, à envoyer aux hautparleurs des deux canaux de l'appareil de reproduction et de diffusion. Ce traitement produit ce que'on appelle "l'image pseudo-stéréophonique" ou I'effet pseudo-stéréophonique". Une technique couramment utilisée pour créer l'effet pseudo-stéréophonique dans la reproduction d'un son monophonique est celle qui consiste à diviser en bandes le spectre du signal audio monophonique à reproduire, et à obtenir à partir de celles-ci les signaux à envoyer aux haut-parleurs des deux canaux audio de l'appareil de reproduction et de diffusion (en abrégé, appareil de reproduction). Selon une solution basée sur cette technique, une partie du spectre est envoyée dans l'un des deux canaux de l'appareil de reproduction, tandis que la partie complémentaire de celui-ci est envoyée dans l'autre canal. Les signaux acoustiques diffusés par les hautpar leurs des deux canaux seront par conséquent différents l'un de l'autre, et, si la division du spectre des fréquences audio en bandes est faite selon des critères appropriés, cela donnera à l'auditeur l'impression d'être en présence de la reproduction d'un son stéréophonique. Un système basé sur ce type de technique est décrit, par exemple, dans la publication :-"DIGIT 2000 - VLSI Digital TV System", ITT Semiconductors, Numéro d'ordre de la publication : 6251-190-2E, p. 6.13, aoflt 1982. Le schéma général d'un système de ce type est montré dans la Fig. 1, dans laquelle le bloc indiqué par le symbole FIL représente le filtre dont l'objet est de subdiviser le spectre du signal audio comme souhaité. La sortie du filtre est envoyée au canal 1. La partie complémentaire du spectre est obtenue au moyen du bloc additionneur 1, qui délivre comme sortie la différence entre les deux signaux d'entrée, qui est ensuite envoyée au canal 2. Un inconvénient de ce genre de solution technique est que, spécialement lorsque le nombre de bandes en lesquelles le spectre des fréquences audio est subdivisé est très réduit (jusqu'au cas limite où une bande unique, par exemple celle des fréquences correspondant aux tonalités moyennes, est envoyée dans un canal et où la partie restante du spectre est envoyée dans l'autre canal, comme ctest le cas, par exemple, dans ledit système "DIGIT 2000"), les puissances acoustiques envoyées aux deux canaux peuvent se trouver très différentes l'une par rapport à l'autre, spécialement lorsque des sons présentant des contenus musicaux et/ou acoustiques particuliers sont reproduits, ce qui constitue un fait pouvant rendre l'écoute moins agréable. Naturellement, à un plus grand nombre de bandes en lesquelles le spectre des fréquences audio est subdivisé correspond, si la sélection des bandes est appropriée, un effet pseudo-stéréophonique de meilleure qualité. Par contre, cela accroît la complexité de l'appareil de reproduction, et, par conséquent, son coût, et, d'une manière générale, la difficulté de son réglage également. Selon une autre proposition, les bandes en lesquelles le spectre du signal audio ést subdivisé sont mélangées ensemble avec une relation de phase appropriée, puis envoyées dans un canal. On envoie à la place dans l'autre canal le signal monophonique original. Un système de ce type est décrit, par exemple, dans la publication : The German 2-Carrier System for Terrestrial TV-Sound Transmission System and Integrated Circuits for "High Quality" TV-Receivers, par U. Buhse, dans IEEE Transactions on Consumer Electronics, Vol. CE-28, NO 4, p. 489, novembre 1982. Le schéma général de ce système est montré en Fig. 2. Les deux blocs FIL I et FIL 2 représentent deux filtres avec des types de réponse d'amplitude en fréquence complémentaires. Plus exactement, ce sont, respectivement, un filtre passe-bande et un filtre de réfection de bande ayant leurs fréquences centrales fO et leurs largeurs de bande BW substantiellement identiques. La fréquence centrale et la largeur de bande sont ici entendues comme étant la fréquence et la largeur centrales (à - 3 dB) de la bande passante pour le filtre passe-bande et comme étant la fréquence et la largeur centrales (à - 3 dB) de la bande éliminée pour le filtre de réjection de bande. Les deux filtres sont d'ordre deux et ne sont formés que de résistances et de condensateurs (ce qui signifie que ce sont tous deux des filtres RC passifs). Les blocs 1 et 2, indiqués par le symbole INV, représentent simplement des blocs inverseurs, et sont constitués chacun par un amplificateur opérationnel. En plus d'assurer l'attaque des lignes des deux canaux sonores, ils sont également nécessaires, respectivement, pour obtenir l'inversion de phase entre les signaux entrant dans les deux filtres FIL 1 et FIL 2 et pour effectuer la fonction d'addition sur le canal 2. La valeur de fO est environ de 1kHz. Par conséquent, en plus de l'inversion de phase introduite dans les deux canaux, alors que le signal monophonique original non modifié est envoyé vers un canal, le même signal monophonique, après avoir été modifié par les deux filtres et par le bloc additionneur, est envoyé vers l'autre canal. Plus précisément, les composantes sonores appartenant à la bande intermédiaire de fréquence (c'està-dire les composantes de fréquence autour de fO, qui vont de fO - BW/2 à fO + BW/2) sont supprimées par le filtre FIL 2 du signal monophonique envoye à ce deuxième canal. Toutefois, sont également envoyées à ce dernier canal, en opposition de phase par rapport aux autres composantes, les composantes appartenant à la même bande intermédiaire que celle obtenue grâce au filtrage par le bloc FIL 1. De cette façon, les composantes du signal quelleque soit leur fréquence ont une amplitude substantiellement similaire dans les deux canaux. Magré cela, bien que les composantes du signal ayant une fréquence située à ltexté- rieur de la bande intermédiaire aient la même phase dans les deux canaux (l'inversion introduite par le bloc 2 compense en fait l'inversion introduite par le bloc 1), les composantes du signal avec des fréquences intermédiaires ont, dans les deux canaux, des phases substantiellement différentes. La relation de phase entre les composantes de fréquence identiques envoyées aux deux canaux dans la bande intermédiaire varie avec la fréquence; en particulier, à la fréquence fO, les composantes envoyées aux deux canaux sont en opposition de phase. Gracie à cela, la proposition technique montrée en Fig. 2 produit une bonne impression d'écoute pseudostéréophonique. En pratique, la perception de l'effet directionnel dans l'écoute n'existe pas pour des fréquences inférieures à quelques centaines de Hz. De plus, la présence è des fréquences élevées également d'une opposition de phase entre les signaux acoustiques dans les deux canaux diminuerait la qualité effective de l'écoute. Pour obtenir un bon effet pseudo-stéréophonique, il est donc souhaitable qu'il n'y ait différence de phase substantielle entre les composantes du signal envoyées aux deux canaux que dans la bande intermédiaire des fréquences. Pour faire un système basé sur cette proposition technique, deux filtres audio sont nécessaires. De plus, seule une concordance précise des caractéristiques des deux filtres (en particulier entre les fréquences centrales et la largeur de bande des deux filtres ainsi qu'entre leurs gains dans la bande passante) rend possible l'optimisation de l'effet pseudo-stéréophonique. Cela peut nécessiter une sélection sévère des composants des filtres eux-mêmes afin d'optimiser les caractéristiques du système. De plus, il faut se souvenir que dans un filtre RC passif d'ordre deux, du fait que ses pâles sont toujours réels, ce que l'on appelle "le facteur de surtension" Q est toujours plutôt bas (Q FIL 2, il n'est pas possible de faire un système dans lequel, une fois que la valeur de fO est fixée, la bande de fréquences affectée par le traitement (ctest-à-dire celle à l'intérieur de laquelle une différence de phase substantielle est introduite entre les composantes des signaux envoyés aux deux canaux) soit de largeur réduite ou puisse être d'une façon ou d'une autre susceptible d'être fixée par le concepteur du système à l'intérieur d'un intervalle suffisamment grand, par exemple pour permettre un réglage substantiel de effet pseudo-stéréophonique par 1 'opérateur. D'autre part, en utilisant deux filtres RC actifs d'ordre deux qui peuvent avoir des pôles avec des parties imaginaires différentes de zéro, et, par conséquent, un "facteur de surtension" Q supérieur à celui qui peut être obtenu avec des filtres RC passifs pour faire les blocs FIL 1 et FIL 2, on rendrait cette proposition technique plutôt compliquée et coûteuse. L'utilisation de filtres RC passifs d'ordre plus élevé que l'ordre deux, en plus d'accroStre la la complexité et le cott du système, rendrait encore plus critique la sélection des composants pour obtenir une concordance optimale entre les caractéristiques des blocs FIL 1 et FIL 2. De plus, des considérations de coût et d'encombrement rendent peu souhaitable l'utilisation de filtres passifs d'ordre deux formés également avec des bobines de self induction (filtres passifs RLC), qui peuvent avoir des valeurs Q supérieures à celles des filtres passifs RC. Une proposition technique du dernier type se prête très mal à une intégration totale dans un circuit intégré monolithique. L'objet principal de la présente invention est de procurer un système, utilisable dans un appareil stéréophonique pour la reproduction et la diffusion acoustiques, générant un effet d'écoute pseudo-stéréophonique lorsqu'un son monophonique est reproduit; le système maintenant substantiellement égales les puissances acoustiques diffusées par les deux canaux quelle que soit la fréquence, étant réalisé avec un filtre audio unique, autorisant la détermination de la magnitude de l'effet lui-même d'une façon aisée et étant facilement intégré dans un circuit monolithique sans nécessiter l'emploi de composants extérieurs au circuit lui-même. Un tel objectif est atteint, selon l'invention décrite ici, par un système qui envoie dans un canal le signal monophonique à reproduire sans aucun traitement, et qui envoie dans l'autre canal le même signal monophonique traité au moyen d'un filtre actif unique substantiellement du type pour toutes les fréquences. Dans le but de rendre l'invention plus facilement compréhensible, la description va continuer avec l'illustra tion de quelques réalisations de celle-ci qui sont préférées actuellement et avec référence aux dessins joints, dans lesquels les Figures 1 et 2, comme il a déjà été mentionné dans la description de la technique existante, représentent deux systèmes connus pour la création d'un effet pseudostéréophonique; la Figure 3 est un schéma général du systeme de la présente invention; les Figures 4a et 4b sont, respectivement, le graphique de réponse en amplitude et le graphique de phase du filtre audio actif du type passe-tout d'ordre deux (FILPT) utilisable dans le schéma de la Figure 3; la Figure 5 est un schéma du circuit du filtre (FILPT) de la Figure 3, selon une réalisation préférée;; la Figure 6 est une autre réalisation du filtre (FILPT) de la Figure 3, particulièrement préférée dans le cas de l'intégration du système de l'invention dans un circuit intégré monolithique fabriqué selon la technologie MOS (métal-oxyde-semiconducteur); la Figure 7 est une illustration graphique d'un signal d'horloge caractéristique. Le schéma général d'un système préfére produisant l'effet pseudo-stéréophonique selon la présente invention est montré dans la Figure 3, dans laquelle le bloc indiqué par FILPT représente un filtre actif du type passetout. La fonction de transfert f(s) d'un filtre non-inverseur passe-tout d'ordre deux est donnée par f(s) = - (wo/Q)s + wo2 s2 + (wn/Q)s + wg2 où s est la variable complexe s = 6 + jw. Q et fO = w0/2tr sont communément définies, respectivement, comme le facteur de surtension et la fréquence centrale du filtre. La réponse en fréquence, en amplitude (A) aussi bien qu'en phase (P), de ce filtre, est montrée en Figure 4. En particulier, la caractéristique de phase en fonction de la fréquence dépend de la valeur Q. Pour le système proposé ici, une valeur caractéristique de f0 se situe, par exemple, entre 800 Hz et 1 kHz environ. On peut déduire de l'observation des Figures 3 et 4 que, gracie au système décrit ici, les composantes de fréquence faible et élevée des signaux envoyés aux deux canaux 1 et 2 sont substantiellement égales entre elles (et avec le signal monophonique original) en termes d'amplitude aussi bien qu'en termes de phase (on doit se souvenir qu'un déphasage de 3600 est équivalent à un déphasage nul). Les composantes situées dans la plage des fréquences moyennes des signaux envoyes aux deux canaux, par contre, bien qu'ayant des amplitudes équivalentes, ont des phases substantiellement différentes. La différence de phase entre ces composantes augmente progressivement avec la fréquence de 0 à 3600, et, à la fréquence centrale fO, les composantes des signaux sur les deux canaux sont en opposition de phase, procurant ainsi le déphasage efficace maximal entre les signaux audio dans les deux canaux, comme il est nécessaire pour que le système produise une bonne impression d'écoute pseudo-stéréophonique. La fréquence centrale fo et la caractéristique de la variation du déphasage introduite par le filtre en fonction de la fréquence dépendent de la manière dont le filtre passe-tout est réalisé, lequel peut avoir différentes caractéristiques dépendant d'exigences spécifiques. En faisant varier la valeur Q du filtre, il est possible de faire varier la largeur de bande des composantes des signaux qui sont déphasées par le filtre, et, par conséquent, on peut obtenir un réglage de l'ampleur de l'effet pseudo-stéréophonique. En particulier, des filtres avec une valeur Q élevée peuvent être réalisés, auxquels correspond une caractéristique de variation abrupte de la phase avec la fréquence à l'intérieur de la bande des fréquences moyennes. Dans ce cas uniquement, les composantes d'une bande étroite de fréquences ont un déphasage substantiel entre les deux canaux et contribuent à la création de l'effet pseudo-stéréophonique perçu par l'auditeur. Selon une réalisation particulièrement sophistiquée du système de la présente invention, la fréquence centrale du filtre aussi bien que la loi de variation du déphasage introduit par le filtre en fonction de la fréquence peuvent être toutes deux programmables séparément ou conjointement, c'est-à-dire réglables à l'intérieur d'une certaine plage de réglage, soit lors d'opérations de mise au point, soit même à l'aide de moyens de commande appropriés accessibles à l'opérateur de l'appareil de reproduction sonore, dans le but d'offrir la possibilité d'adapter le système à différentes exigences de reproduction. Les manières dont de telles possibilités de réglage des caractéristiques d'un filtre audio actif du type pour toutes les frequences peuvent être réalisées sont bien connues par l'homme du métier et ne seront pas l'objet ici d'une description détaillée. Une réalisation pratique d'un filtre actif passe-tout de l'ordre deux approprié pour être utilisé dans le système de la présente invention est montré dans la Figure 5, dans laquelle le filtre audio actif du type passe-tout est composé à l'intérieur du rectangle dessiné en tirets (correspondant au bloc FILPT de la Figure 3). Les blocs indiqués par le symbole INV et désignés respectivement par les numéros 3, 4 et 5, sont des blocs d'inversion à gain unitaire, et les blocs 6 et 7 indiqués également par le symbole AMP sont des amplificateurs opérationnels inverseurs. La configuration du filtre actif de l'ordre deux du type passe-tout montré en Figure 5 se prête à la réalisation an un circuit intégré monolithique, et d'une façon encore plus efficace si les résistances R1, R2, R3 et R4 sont réalisées grâce à ce que l'on appelle la technique des "condensateurs commutés". De plus, dans une réalisation de ce type, la nécessité des blocs d'inversion 3 et 4 est éliminée grace au fait que l'inversion du signal réalisée par ces derniers peut être effectuée simplement en utilisant une structure de condensateur commuté du type inverseuse, respectivement, pour les deux résistances R2 et R3 de la Figure 5. Le schéma du circuit du filtre passe-tout pour la création de l'effet pseudo-stéréophonique réalisé avec cette technique est montré dans la Figure 6, dans laquelle à chaque résistance (R1, R2, R3 et R4) du circuit de la Figure 5 a été substituée une structure de condensateur commuté équivalente, respectivement CR1, CR2, CR3 et CR4, suivant une méthode bien connue, familière à l'homme du métier. Comme on peut l'observer en Figure 6, les deux structures CR1 et CR4 sont du type "non-inverseur", tandis que les structures CR2 et CR3 sont du type "inverseur", et réalisent par conséquent également l'inversion de phase qui, dans le schéma de la Figure 5, était effectuée, respectivement, par les blocs d'inversion 3 et 4. Les commutateurs des structures de condensateurs commutés sont tous synchrones les uns par rapport aux autres, et sont conçus, par exemple, pour être à l'origine dans leur condition de repos, et dans la condition opposée (indiquée par les lignes de tirets en Figure 6) durant la période de leur actionnement. La commande des commutateurs est effectuée au moyen de signaux d'horloge appropriés. Ces signaux ont de façon caractéristique une forme d'onde carrée avec un facteur d'utilisation de 50%, comme montré à titre indicatif sur le graphique de la Figure 7. Les commutateurs du réseau de la Figure 6, par exemple, sont supposés être dans leur condition de repos lorsque le signal d'horloge de commande est à un niveau haut, et dans leur condition actionnée lorsque ce signal est à un niveau bas. La réalisation du système montré en Figure 6 est particulièrement appropriée lorsqu'un tel système est réalisé sous la forme d'un circuit intégré monolithique selon la technologie MOS. Dans une telle technologie et dans ses diverses formes dérivées (N-MOS, C-MOS, etc), en fait, comme cela est bien connu, les amplificateurs opérationnels (6 et 7 dans les Figure 5 et 6) aussi bien que les commutateurs (qui sont simplement réalisés au moyen de transistors MOS dont l'électrode de grille est attaquée par des signaux d'horloge appropriés), ainsi que les condensateurs C1, C?, C3 et C4 ou que les condensateurs des structures CR1, CR2, CR3 et CR4 sont tous facilement réalisables.En ce qui concerne les condensateurs, la technologie MOS d'intégration monolithique permet, de plus, d'obtenir une précision très élevée du rapport entre les valeurs des condensateurs du réseau, ce qui est une exigence essentielle pour pouvoir optimiser les caractéristiques du système. De plus, les condensateurs nécessaires pour faire un filtre passetout avec une fréquence centrale de la valeur requise (de l'ordre de 1 kHz), utilisant un signal d'horloge avec une fréquence caractéristique (par exemple, 125 kHz), ne sont pas excessivement grands, ce qui fait que le système peut être intégré sans nécessiter une surface excessive sur la pastille. De plus, dans un circuit intégré de type MOS, on réalise également facilement la génération des signaux d'horloge nécessaires, qui sont obtenus, de façon caractéristique, à partir de signaux de synchronisation généraux existant à l'intérieur du circuit intégré MOS. Bien que l'on ait décrit, dans un souci de simplicité, une réalisation pratique du système de l'invention dans une configuration à une sortie, il est clair que le système de l'invention peut également être implanté dans des systèmes qui utilisent un traitement "totalement différentiel" du signal audio. Dans ce dernier cas, les signaux originaux, ainsi que leurs inverses, étant toujours disponibles dans le réseau, la réalisation du filtre passetout selon les configurations décrites dans les Figures 5 et 6 devient encore plus simplifiée et compacte. Dans ce cas, en fait, la nécessité du bloc d'inversion 5 peut être également éliminée puisque l'inverse du signal B (ou S) est lui-même déjà disponible à l'intérieur du système. Diverses modifications peuvent facilement être faites par l'homme du métier dans les schémas des circuits décrits ci-dessus uniquement à-des fins d'illustration, tout en restant à l'intérieur de l'étendue de l'applicabilitd de la présente invention. Par exemple, lorsque, pour des raisons d'égalisation ambiante, le meilleur effet d'écoute pseudo-stéréophonique est obtenu en envoyant dans les deux canaux de l'appareil de reproduction et de diffusion deux signaux audio dont les amplitudes présentent des caractéristiques légèrement différentes entre elles en fonction de la fréquence, le système de l'invention peut être fait en suivant substantiellement le même principe mais en faisant varier légèrement la réponse en amplitude en fonction de la fréquence du filtre pour toutes les fréquences de telle maniere qu?il introduise, dans le signal envoyé à l'un des deux canaux de l'appareil stéréophonique, une distorsion (modification) d'amplitude de façon à fournir la différence d'amplitude désirée en fonction de la fréquence entre les signaux présents sur les deux canaux de l'appareil de reproduction sonore. Enfin, cette 2'distorsion" d'amplitude peut même être programmable afin de donner au système une plus grande souplesse de réglage. Revendications 1. Système pour créer un effet pseudo-stéréophonique dans la reproduction de signaux acoustiques monophoniques au moyen d'un appareil stéréophonique, caractérisé en ce que le signal monophonique à reproduire est envoyé substantiellement non modifié à l'un des deux canaux (1, 2) de l'appareil stéréophonique, et qu'à l'autre desdits canaux est envoyé le même signal monophonique traité au moyen d'un filtre audio actif unique (FILPT) substantiellement du type passe-tout qui introduit dans les composantes du signal appartenant à une bande intermédiaire de fréquence un déphasage qui varie progressivement avec la fréquence. 2. Système de la revendication 1 caractérisé en ce que ledit filtre actif du type passe-tout a une réponse en fréquence telle qu'il n'introduit aucune variation d'amplitude dans le signal audio. 3. Système de la revendication 1, caractérisé en ce que la réponse en fréquence dudit filtre actif du type passe-tout est telle qu'elle introduise une modification d'amplitude du signal audio en fonctIon de la fréquence permettant de rendre plus marqué l'effet pseudo-stéréophonique. 4. Système de la revendication 1, caractérisé en ce que la fréquence centrale dudit filtre actif du type passetout est réglable. 5. Système de la revendication 1, caractérisé en ce que la loi de variation du déphasage en fonction de la fréquence dudit filtre actif du type passe-tout est réglable. 6. Système de la revendication 3 dans lequel ladite modification d'amplitude du signal audio en fonction de la fréquence introduite par le filtre est réglable. 7. Système de la revendication 1 caractérisé en ce que ledit filtre actif du type passe-tout est un filtre d'ordre deux. 8. Système de la revendication 1 caractérisé en ce que le système utilise un traitement simple du signal audio. 9. Système de la revendication 1 caractérisé en ce que le système utilise un traitement totalement différentiel du signal audio. 10. Système de la revendication 1 caractérisé en ce que ledit filtre passe-tout est réalisé avec une technique de condensateurs commutés.