專利名稱：數(shù)字化揚(yáng)聲器陣列系統(tǒng)的通道均衡與波束控制方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種通道均衡與波束控制的方法和裝置，特別涉及一種數(shù)字化揚(yáng)聲器陣列系統(tǒng)的通道均衡與波束控制方法和裝置。
背景技術(shù)：
隨著大規(guī)模集成電路和數(shù)字化技術(shù)的蓬勃發(fā)展，傳統(tǒng)的模擬揚(yáng)聲器系統(tǒng)在功耗、體積、重量和信號傳輸、存儲、處理等方面的固有缺陷越來越明顯，為了克服這些缺陷，揚(yáng)聲器系統(tǒng)的研發(fā)逐漸向低功耗、小外形、數(shù)字化與集成化的方向發(fā)展。隨著基于 PWM調(diào)制技術(shù)的class-AD型數(shù)字功放的出現(xiàn)，揚(yáng)聲器系統(tǒng)的數(shù)字化進(jìn)程已經(jīng)推進(jìn)到功放環(huán)節(jié)，但是在數(shù)字功放后級仍然需要借助體積較大、成本較貴的高質(zhì)量電感和電容進(jìn)行無源的模擬低通濾波操作來消除高頻載波分量，以便解調(diào)出原模擬信號。為了縮減數(shù)字功放的體積和成本，實現(xiàn)更高程度的集成化，美國專利(專利號為US 20060049889A1、 US 20090161880A1)公開了基于PWM調(diào)制技術(shù)和class_BD功放技術(shù)的數(shù)字化揚(yáng)聲器系統(tǒng)的實現(xiàn)方法。但是這種基于PWM調(diào)制技術(shù)的數(shù)字化揚(yáng)聲器系統(tǒng)有兩個缺點(diǎn) ①基于PWM調(diào)制技術(shù)的編碼方式，因其調(diào)制結(jié)構(gòu)本身具有固有的非線性缺陷，這會造成編碼信號在期望頻帶內(nèi)產(chǎn)生非線性失真分量，如果進(jìn)一步采用線性化手段進(jìn)行改善的話，其調(diào)制方式的實現(xiàn)難度和復(fù)雜度將會大幅度提高。②鑒于硬件實現(xiàn)難度，PWM調(diào)制方式本身的過采樣頻率較低，一般在200 KHz 400 KHz的頻率范圍內(nèi)，這會使得編碼信號的信噪比因受過采樣率的限制而不能得到進(jìn)一步提升。針對PWM調(diào)制技術(shù)在數(shù)字化揚(yáng)聲器系統(tǒng)實現(xiàn)方面存在的非線性失真和過采樣速率較低的缺陷，并結(jié)合系統(tǒng)整個信號傳輸鏈路的全數(shù)字化要求，中國專利CN 101803401A 公開了一種基于多比特Σ -Δ調(diào)制的數(shù)字化揚(yáng)聲器系統(tǒng)，通過多比特Σ -Δ調(diào)制和溫度計編碼技術(shù)將高比特的PCM碼轉(zhuǎn)換為一元碼矢量，作為控制揚(yáng)聲器陣列開關(guān)動作的控制矢量，并通過動態(tài)失配整形技術(shù)，消除了由陣元頻響差異所引入的空域合成信號中的高次諧波分量；該專利雖然實現(xiàn)了系統(tǒng)整個信號傳輸鏈路的全數(shù)字化，并依靠動態(tài)失配整形技術(shù)， 減少了空域合成信號的總諧波失真比，但是這種動態(tài)失配整形技術(shù)對通道音頻帶內(nèi)的頻響起伏并沒有均衡作用，因此，這種各通道音頻帶內(nèi)頻響起伏會引起系統(tǒng)還原信號頻譜與音源信號真實頻譜存在較大偏差，從而造成還原聲場與真實聲場的較大差異，使得數(shù)字重放系統(tǒng)不能真實的再現(xiàn)原來音源的真實聲場效果。另外，這種各通道的音頻帶內(nèi)頻響起伏也會引起各種自適應(yīng)的陣列波束形成算法的穩(wěn)定性變差，收斂速度變慢，造成自適應(yīng)陣列波束形成算法的魯棒性變差。目前中國專利CN 101803401Α所公開的基于通道延時調(diào)整的波束導(dǎo)向方法，僅調(diào)整了陣列各通道傳輸信號的相位信息，并沒有考慮各通道傳輸信號的幅度調(diào)整，屬于一種較為簡單的波束形成方法，其所產(chǎn)生的波束控制能力較弱，僅在接近自由場的環(huán)境中具有一定的波束導(dǎo)向能力，在某些應(yīng)用場合，當(dāng)需要數(shù)字系統(tǒng)產(chǎn)生多個指向性波束時，這種基于延時控制的方法將無法完成多個波束的導(dǎo)向控制。另外，在實際應(yīng)用環(huán)境中，經(jīng)常會存在較多的散射邊界，使得傳播信號除了直達(dá)聲之外還包含有較為豐富的多徑散射信號，在這種多徑散射較為明顯的混響環(huán)境中，僅依賴通道延時控制的導(dǎo)向方法，無法取得較好的波束指向控制，因此針對混響環(huán)境下數(shù)字揚(yáng)聲器陣列的波束指向性控制問題，需要尋找具有抗混響能力的復(fù)雜波束形成方法，對各通道的傳輸信號同時進(jìn)行幅度和相位調(diào)整，從而達(dá)到期望的聲場控制效果。目前，基于多比特Σ -Δ調(diào)制的數(shù)字化陣列系統(tǒng)，都是依賴于失配整形技術(shù)消除多通道之間的頻響差異性，但是這種通道頻響差異校正方法，僅適用于少量頻響偏差的情況，并且對相位偏差的校正能力非常弱；另外，失配整形技術(shù)對各通道自身的音頻帶內(nèi)頻響起伏并不能起到均衡作用，而這些通道本身的頻響起伏性會帶來還原聲場的音色成份發(fā)生改變，難于保證聲場的完整恢復(fù)。傳統(tǒng)的數(shù)字化揚(yáng)聲器陣列所采用波束控制方法是較為簡單的通道延時控制方法，這種方法僅適用于理想的自由聲場環(huán)境，而當(dāng)聲場因反射或散射效應(yīng)出現(xiàn)較為豐富的多徑干擾時，這種方法將不再適用。在某些應(yīng)用場合，當(dāng)需要陣列產(chǎn)生多個指向性波束，這種基于延時控制的方法將無法獲得多個波束的聲場控制效果。針對現(xiàn)有的基于多比特Σ -Δ調(diào)制的數(shù)字化揚(yáng)聲器陣列系統(tǒng)在通道均衡和波束控制方面存在的缺陷，需要尋找更為有效的通道均衡和波束控制方法，以滿足基于多比特 Σ -Δ調(diào)制的數(shù)字化揚(yáng)聲器陣列系統(tǒng)在頻帶平坦和波束指向方面的應(yīng)用需求，并制作具有通道均衡功能和波束控制功能的數(shù)字化揚(yáng)聲器陣列系統(tǒng)裝置。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有數(shù)字化系統(tǒng)在通道均衡方面的不足，提出了一種數(shù)字化揚(yáng)聲器陣列系統(tǒng)的通道均衡與波束控制方法以及具有通道均衡和波束控制功能的數(shù)字化揚(yáng)聲器系統(tǒng)裝置。為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明一方面提供一種數(shù)字化揚(yáng)聲器陣列系統(tǒng)的通道均衡與波束控制方法，包括如下步驟
(1)數(shù)字格式轉(zhuǎn)換，將信號轉(zhuǎn)換為基于PCM編碼的數(shù)字信號；
(2)通道均衡處理；
(3)控制波束形成；
(4)多比特Σ-Δ調(diào)制；
(5)溫度計編碼轉(zhuǎn)換，將位寬為I的低比特PCM編碼信號轉(zhuǎn)換為對應(yīng)于個通道的數(shù)字功放和換能器負(fù)載的一元碼矢量；
(6)動態(tài)失配整形處理，對溫度計編碼矢量進(jìn)行重新排序；
(7)抽取通道信息，送至數(shù)字功放驅(qū)動負(fù)載發(fā)聲。進(jìn)一步地，步驟1)中所述數(shù)字格式轉(zhuǎn)換分為模擬和數(shù)字信號兩種情況，針對模擬信號情況，首先需要經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換操作，轉(zhuǎn)換為基于PCM編碼的數(shù)字信號，然后按照指定位寬和采樣率的參數(shù)要求進(jìn)行變換，轉(zhuǎn)換為滿足參數(shù)要求的PCM編碼信號；針對數(shù)字信號情況，僅需要按照指定位寬和采樣率的參數(shù)要求進(jìn)行變換，轉(zhuǎn)換為滿足參數(shù)要求的PCM編碼信號。進(jìn)一步地，步驟2)中所述通道均衡處理，其均衡器的參數(shù)可以按照測量方法獲
取。假定陣元數(shù)量為N,期望位置區(qū)域的測量點(diǎn)數(shù)量為Μ,陣元發(fā)射白噪聲信號4)，通過在測量點(diǎn)獲取接收信號r幻，計算出陣元通道到期望測量位置點(diǎn)的沖激響應(yīng)hy，其中i為對第i個陣元的索引號，J·為期望區(qū)域內(nèi)第J·個測量點(diǎn)位置的索引號；假定第i個陣元到所
有測量點(diǎn)的沖激響應(yīng)！^‘.⑶都已經(jīng)計算出來，可以根據(jù)加權(quán)擬合的方法獲得第i個陣元
到期望區(qū)域的平均沖激響應(yīng)&,其中為第7個陣元到第J個測量點(diǎn)的頻響加
權(quán)矢量；然后再根據(jù)逆旅波器的估計算法，計算出平均沖激響應(yīng)Ili的逆濾波器響應(yīng)if1 ；最
后選取第一個陣元到期望位置區(qū)域的平均沖激響應(yīng)k與其逆濾波器響應(yīng)if1的卷積結(jié)果
作為參考矢量 , 二 Μ ^ 1，那么通過設(shè)置補(bǔ)償因子K ,使其他剩余陣元通道的逆濾波器響
應(yīng)Sf1 (2<I AV)在經(jīng)過補(bǔ)償后，其補(bǔ)償結(jié)果SiZ1 = Ii廣Sr1與平均沖激響應(yīng)^的卷積結(jié)果
hKr = hi 與參考矢量]^完全相同，從而獲得均衡器的響應(yīng)矢量為
權(quán)利要求
1.一種數(shù)字化揚(yáng)聲器陣列系統(tǒng)的通道均衡與波束控制方法，包括如下步驟1)數(shù)字格式轉(zhuǎn)換，將信號轉(zhuǎn)換為基于PCM編碼的數(shù)字信號；2)通道均衡處理；3)控制波束形成；4)多比特Σ-Δ調(diào)制；5)溫度計編碼轉(zhuǎn)換，將位寬為I的低比特PCM編碼信號轉(zhuǎn)換為對應(yīng)于個通道的數(shù)字功放和換能器負(fù)載的一元碼矢量；6)動態(tài)失配整形處理，對溫度計編碼矢量進(jìn)行重新排序；7)抽取通道信息，送至數(shù)字功放驅(qū)動負(fù)載發(fā)聲。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于當(dāng)步驟1)中所述的數(shù)字格式轉(zhuǎn)換針對模擬信號時，首先經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換操作，轉(zhuǎn)換為基于PCM編碼的數(shù)字信號，然后按照指定位寬和采樣率的參數(shù)要求進(jìn)行變換，轉(zhuǎn)換為滿足參數(shù)要求的PCM編碼信號。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于當(dāng)步驟1)中所述的數(shù)字格式轉(zhuǎn)換針對數(shù)字信號時，按照指定位寬和采樣率的參數(shù)要求進(jìn)行變換，轉(zhuǎn)換為滿足參數(shù)要求的PCM編碼信號。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于步驟2)中所述的通道均衡處理，其均衡器的參數(shù)按照測量和計算獲取。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于步驟3)中所述的控制波束形成，其波束形成器的通道權(quán)系數(shù)按照常規(guī)波束形成的設(shè)計方法進(jìn)行計算，計算公式為式(I )
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于步驟4)中所述的多比特Σ-△調(diào)制，其處理過程如下首先，通過插值濾波器，將均衡處理后的高比特PCM編碼按照指定的過采樣因數(shù)進(jìn)行插值濾波處理，獲得過采樣的PCM編碼信號；然后，進(jìn)行Σ-Δ調(diào)制處理，將音頻帶寬范圍內(nèi)的噪聲能量推擠到音頻帶之外，原高比特PCM碼變換為低比特PCM碼。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于步驟4)中所述的多比特Σ-Δ調(diào)制采用高階單級串行調(diào)制方法或者多級并行調(diào)制方法，對插值濾波器輸出的過采樣信號進(jìn)行噪聲整形處理，將噪聲能量推擠到音頻帶之外。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于步驟5)中所述的一元碼矢量的每個數(shù)位上的編碼會送到相應(yīng)的數(shù)字通道上，其各數(shù)位上的編碼，在任意時刻僅有“0”和“ 1 ”兩種電平狀態(tài)，在“0”狀態(tài)時，換能器負(fù)載被關(guān)斷，在“ 1”狀態(tài)時，換能器負(fù)載被開通。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，步驟6)中所述的動態(tài)失配整形處理，采用包括 DWA (Data-Weighted Averaging) > VFMS (Vector-Feedback mismatch-shaping )禾口 / 或TSMS(Tree-Structure mismatch shaping)整形算法，將由陣元之間頻響差異引入的非線性諧波失真頻譜進(jìn)行整形操作，壓低帶內(nèi)諧波失真成份的強(qiáng)度，將其功率推擠到帶外高頻段。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于步驟7)中所述的通道信息抽取，對各通道執(zhí)行編碼信息分配操作，其信號處理過程如下，首先，各通道的動態(tài)失配器進(jìn)行動態(tài)失配整形處理，經(jīng)整形處理后，獲得了位序更新的整形矢量；然后按照特定的抽取選擇準(zhǔn)則， 從每個通道的整形矢量的夕個數(shù)位中，選取一個指定的數(shù)位編碼作為該通道的輸出編碼， 為保證信息的完整還原，各通道選取的數(shù)位位次不能存在重復(fù)，且所有的夕個通道選取的數(shù)位位次完全包含了 1到夕個數(shù)位位次。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其特征在于在通道信息抽取選擇過程中，按照第i 個通道從其整形矢量中選取第i個數(shù)位編碼信息的簡單準(zhǔn)則進(jìn)行數(shù)位選取操作。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于步驟7)中所述的負(fù)載為多個揚(yáng)聲器單元組成的數(shù)字化揚(yáng)聲器陣列，或者為具有多個音圈繞組的揚(yáng)聲器單元，或者為多個多音圈揚(yáng)聲器單元組成的數(shù)字揚(yáng)聲器陣列。
13.一種具有通道均衡和波束控制功能的數(shù)字化揚(yáng)聲器陣列系統(tǒng)裝置，其特征在于包括一音源(1)，是系統(tǒng)待播放的信息；一數(shù)字轉(zhuǎn)換器(2)，其與所述的音源(1)的輸出端相連接，用于將輸入信號轉(zhuǎn)換為位寬為從采樣率為/；的高比特PCM編碼信號；一通道均衡器(3)，其與所述的數(shù)字轉(zhuǎn)換器(2)的輸出端相連接，用于對各通道頻響進(jìn)行逆濾波均衡操作，消除通道頻響的帶內(nèi)起伏；一波束形成器(4)，其與所述的通道均衡器(3)的輸出端相連接，用于控制揚(yáng)聲器陣列波束的空域輻射形狀，產(chǎn)生如3D立體聲場、虛擬環(huán)繞聲場、指向性聲場等聲場分布特性，以達(dá)到特殊聲效播放的目的；一Σ -Δ調(diào)制器(5)，其與所述的波束形成器(4)的輸出端相連接，用于完成過采樣插值濾波和多比特Σ -Δ編碼調(diào)制處理，獲得位寬縮減的低比特PCM編碼信號；一溫度計編碼器(6)，其與所述的Σ-Δ調(diào)制器(5)的輸出端相連接，用于將低比特PCM 編碼信號轉(zhuǎn)換為與系統(tǒng)數(shù)字通道數(shù)相等的一元碼矢量，以用于數(shù)字化通道開關(guān)的控制矢量；一動態(tài)失配整形器(7)，其與所述的溫度計編碼器(6)的輸出端相連接，用于消除由陣元之間頻響差異引入的空域合成信號的非線性諧波失真分量，壓低音頻帶內(nèi)諧波失真成份的強(qiáng)度，將這些諧頻成份的功率推擠到帶外高頻段，從而降低了帶內(nèi)的諧波失真強(qiáng)度，提高了Σ-Δ編碼信號的音質(zhì)水平；一抽取選擇器(8)，其與所述的動態(tài)失配整形器(7)的輸出端相連接，用于從各通道的整形矢量中，抽取特定的數(shù)位編碼信息，用于控制該通道進(jìn)行開通/關(guān)斷動作的控制信息；一多通道數(shù)字功放(9)，其與所述的抽取選擇器(8)的輸出端相連接，用于將各通道的控制編碼信號進(jìn)行功率放大，用于驅(qū)動后級數(shù)字化負(fù)載進(jìn)行開通/關(guān)斷；一數(shù)字化陣列負(fù)載(10)，其與所述的多通道數(shù)字功放(9)的輸出端相連接，用于完成電聲轉(zhuǎn)換，將數(shù)字化的開關(guān)電信號轉(zhuǎn)換為模擬格式的空氣振動信號。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的裝置，其特征在于所述的音源(1)為模擬信號或者數(shù)字編碼信號。
15.根據(jù)權(quán)利要求13所述的裝置，其特征在于所述的數(shù)字轉(zhuǎn)換器(2)包含模數(shù)轉(zhuǎn)換器、USB、LAN、COM等數(shù)字接口電路和接口協(xié)議程序。
16.根據(jù)權(quán)利要求13所述的裝置，其特征在于所述通道均衡器(3)在時域或者頻域內(nèi)按照逆濾波的響應(yīng)參數(shù)進(jìn)行均衡操作，消除各通道音頻帶內(nèi)的頻響起伏，并校正各通道的頻響差異。
17.根據(jù)權(quán)利要求13所述的裝置，其特征在于所述的波束形成器(4)利用所設(shè)計的加權(quán)矢量，對各通道傳輸信號進(jìn)行加權(quán)處理，調(diào)整其幅度和相位信息。
18.根據(jù)權(quán)利要求13所述的裝置，其特征在于所述的Σ-Δ調(diào)制器(5)，其信號處理過程如下首先，將原來位寬為#、采樣率為/；的PCM編碼按過采樣因子 > 進(jìn)行過采樣的插值濾波處理，獲得位寬為從采樣率為㈱乂,的PCM編碼信號；然后按照多比特Σ -Δ調(diào)制方式，將位寬為#的過采樣PCM編碼信號轉(zhuǎn)換成位寬為if i.M<N)的低比特PCM編碼信號。
19.根據(jù)權(quán)利要求12所述一種具有通道均衡和波束控制功能的數(shù)字化揚(yáng)聲器陣列系統(tǒng)裝置，其特征在于，所述的Σ -Δ調(diào)制器(5)，按照高階單級串行調(diào)制器結(jié)構(gòu)或者多級并行的調(diào)制器結(jié)構(gòu)，對插值濾波輸出的過采樣信號進(jìn)行噪聲整形處理，將噪聲能量推擠到音頻帶之外。
20.根據(jù)權(quán)利要求13所述的裝置，其特征在于所述的溫度計編碼器(6)將位寬為I 的低比特PCM編碼信號轉(zhuǎn)換為對應(yīng)于2μ個通道的數(shù)字功放和換能器負(fù)載的一元碼信號矢量，該一元碼矢量的每個數(shù)位編碼信息分配到一個對應(yīng)的數(shù)字化通道上，以將換能器負(fù)載納入到信號編碼流程中，對換能器負(fù)載的數(shù)字化編碼和數(shù)字式開關(guān)控制。
21.根據(jù)權(quán)利要求13所述的裝置，其特征在于所述的動態(tài)失配整形器(7)采用 DWA(Data-Weighted Averaging) > VFMS (Vector-Feedback mismatch-shaping )禾口 / 或 TSMS(Tree-Structure mismatch shaping)整形算法，將由陣元之間頻響差異引入的非線性諧波失真頻譜進(jìn)行整形操作，壓低帶內(nèi)諧波失真成份的強(qiáng)度，將其功率推擠到帶外高頻段，降低帶內(nèi)的諧波失真強(qiáng)度。
22.根據(jù)權(quán)利要求13所述的裝置，其特征在于所述的抽取選擇器(8)按照特定的抽取準(zhǔn)則，將從個數(shù)字通道的每個通道整形矢量中，抽取一個數(shù)位信息，作為該通道的輸出編碼信息，用于控制后級的換能器負(fù)載進(jìn)行開通/關(guān)斷動作。
23.根據(jù)權(quán)利要求13所述的裝置，其特征在于，所述的多通道數(shù)字功放(9)將抽取選擇器(8)輸出的開關(guān)信號送至全橋式功放電路的MOSFET管柵極端，通過控制MOSFET管的導(dǎo)通與關(guān)斷來控制功率電源到負(fù)載供電的開通與關(guān)斷。
24.根據(jù)權(quán)利要求13所述的裝置，其特征在于所述的數(shù)字化陣列負(fù)載(10)，為多個揚(yáng)聲器單元組成的數(shù)字化陣列，其每個數(shù)字通道由單個或者多個揚(yáng)聲器單元組成；或者為多個音圈的揚(yáng)聲器單元，其每個數(shù)字通道由單個或者多個音圈組成；或者為多音圈揚(yáng)聲器組成的陣列其每個數(shù)字通道由多個音圈和多個揚(yáng)聲器單元組合而成。
25.根據(jù)權(quán)利要求13或M所述的裝置，其特征在于所述的數(shù)字化陣列負(fù)載(10)的陣列形狀，根據(jù)換能器單元數(shù)量和實際應(yīng)用需求進(jìn)行排列。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種數(shù)字化揚(yáng)聲器陣列系統(tǒng)的通道均衡與波束控制方法和裝置。該方法包括1)數(shù)字格式轉(zhuǎn)換；2)通道均衡處理；3)波束形成控制；4)多比特∑-Δ調(diào)制；5)溫度計編碼轉(zhuǎn)換；6)動態(tài)失配整形處理；7)通道信息抽取，送至數(shù)字功放驅(qū)動陣列發(fā)聲。該裝置包括一音源、一數(shù)字轉(zhuǎn)換器、一通道均衡器、一波束形成器、一∑-Δ調(diào)制器、一溫度計編碼器、一動態(tài)失配整形器、一抽取選擇器、一多通道數(shù)字功放、一揚(yáng)聲器陣列；各單元依次順序連接。本發(fā)明實現(xiàn)了系統(tǒng)的全數(shù)字化，縮減了其體積、功耗、成本，提高了其電聲轉(zhuǎn)換效率和抗干擾能力，改善了系統(tǒng)可聽聲頻帶內(nèi)頻響平坦程度，實現(xiàn)了數(shù)字陣列的波束指向控制，為特殊聲效的生成提供了有效的實現(xiàn)途徑。
文檔編號H04R1/00GK102404672SQ201110331100
公開日2012年4月4日 申請日期2011年10月27日 優(yōu)先權(quán)日2011年10月27日
發(fā)明者馬登永 申請人:蘇州上聲電子有限公司