數字化揚聲器陣列系統的通道均衡與波束控制方法和裝置的制作方法

專利名稱：數字化揚聲器陣列系統的通道均衡與波束控制方法和裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種通道均衡與波束控制的方法和裝置，特別涉及一種數字化揚聲器陣列系統的通道均衡與波束控制方法和裝置。
背景技術：
隨著大規模集成電路和數字化技術的蓬勃發展，傳統的模擬揚聲器系統在功耗、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，揚聲器系統的研發逐漸向低功耗、小外形、數字化與集成化的方向發展。隨著基于 PWM調制技術的class-AD型數字功放的出現，揚聲器系統的數字化進程已經推進到功放環節，但是在數字功放后級仍然需要借助體積較大、成本較貴的高質量電感和電容進行無源的模擬低通濾波操作來消除高頻載波分量，以便解調出原模擬信號。為了縮減數字功放的體積和成本，實現更高程度的集成化，美國專利(專利號為US 20060049889A1、 US 20090161880A1)公開了基于PWM調制技術和class_BD功放技術的數字化揚聲器系統的實現方法。但是這種基于PWM調制技術的數字化揚聲器系統有兩個缺點 ①基于PWM調制技術的編碼方式，因其調制結構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產生非線性失真分量，如果進一步采用線性化手段進行改善的話，其調制方式的實現難度和復雜度將會大幅度提高。②鑒于硬件實現難度，PWM調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，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一步提升。針對PWM調制技術在數字化揚聲器系統實現方面存在的非線性失真和過采樣速率較低的缺陷，并結合系統整個信號傳輸鏈路的全數字化要求，中國專利CN 101803401A 公開了一種基于多比特Σ -Δ調制的數字化揚聲器系統，通過多比特Σ -Δ調制和溫度計編碼技術將高比特的PCM碼轉換為一元碼矢量，作為控制揚聲器陣列開關動作的控制矢量，并通過動態失配整形技術，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；該專利雖然實現了系統整個信號傳輸鏈路的全數字化，并依靠動態失配整形技術， 減少了空域合成信號的總諧波失真比，但是這種動態失配整形技術對通道音頻帶內的頻響起伏并沒有均衡作用，因此，這種各通道音頻帶內頻響起伏會引起系統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，使得數字重放系統不能真實的再現原來音源的真實聲場效果。另外，這種各通道的音頻帶內頻響起伏也會引起各種自適應的陣列波束形成算法的穩定性變差，收斂速度變慢，造成自適應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整的波束導向方法，僅調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整，屬于一種較為簡單的波束形成方法，其所產生的波束控制能力較弱，僅在接近自由場的環境中具有一定的波束導向能力，在某些應用場合，當需要數字系統產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向控制。另外，在實際應用環境中，經常會存在較多的散射邊界，使得傳播信號除了直達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境中，僅依賴通道延時控制的導向方法，無法取得較好的波束指向控制，因此針對混響環境下數字揚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雜波束形成方法，對各通道的傳輸信號同時進行幅度和相位調整，從而達到期望的聲場控制效果。目前，基于多比特Σ -Δ調制的數字化陣列系統，都是依賴于失配整形技術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，失配整形技術對各通道自身的音頻帶內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生改變，難于保證聲場的完整恢復。傳統的數字化揚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境，而當聲場因反射或散射效應出現較為豐富的多徑干擾時，這種方法將不再適用。在某些應用場合，當需要陣列產生多個指向性波束，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。針對現有的基于多比特Σ -Δ調制的數字化揚聲器陣列系統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調制的數字化揚聲器陣列系統在頻帶平坦和波束指向方面的應用需求，并制作具有通道均衡功能和波束控制功能的數字化揚聲器陣列系統裝置。

發明內容
本發明的目的是克服現有數字化系統在通道均衡方面的不足，提出了一種數字化揚聲器陣列系統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字化揚聲器系統裝置。為了達到上述目的，本發明一方面提供一種數字化揚聲器陣列系統的通道均衡與波束控制方法，包括如下步驟
(1)數字格式轉換，將信號轉換為基于PCM編碼的數字信號；
(2)通道均衡處理；
(3)控制波束形成；
(4)多比特Σ-Δ調制；
(5)溫度計編碼轉換，將位寬為I的低比特PCM編碼信號轉換為對應于個通道的數字功放和換能器負載的一元碼矢量；
(6)動態失配整形處理，對溫度計編碼矢量進行重新排序；
(7)抽取通道信息，送至數字功放驅動負載發聲。進一步地，步驟1)中所述數字格式轉換分為模擬和數字信號兩種情況，針對模擬信號情況，首先需要經過模數轉換操作，轉換為基于PCM編碼的數字信號，然后按照指定位寬和采樣率的參數要求進行變換，轉換為滿足參數要求的PCM編碼信號；針對數字信號情況，僅需要按照指定位寬和采樣率的參數要求進行變換，轉換為滿足參數要求的PCM編碼信號。進一步地，步驟2)中所述通道均衡處理，其均衡器的參數可以按照測量方法獲
取。假定陣元數量為N,期望位置區域的測量點數量為Μ,陣元發射白噪聲信號4)，通過在測量點獲取接收信號r幻，計算出陣元通道到期望測量位置點的沖激響應hy，其中i為對第i個陣元的索引號，J·為期望區域內第J·個測量點位置的索引號；假定第i個陣元到所
有測量點的沖激響應！^‘.⑶都已經計算出來，可以根據加權擬合的方法獲得第i個陣元
到期望區域的平均沖激響應&,其中為第7個陣元到第J個測量點的頻響加
權矢量；然后再根據逆旅波器的估計算法，計算出平均沖激響應Ili的逆濾波器響應if1 ；最
后選取第一個陣元到期望位置區域的平均沖激響應k與其逆濾波器響應if1的卷積結果
作為參考矢量 , 二 Μ ^ 1，那么通過設置補償因子K ,使其他剩余陣元通道的逆濾波器響
應Sf1 (2<I AV)在經過補償后，其補償結果SiZ1 = Ii廣Sr1與平均沖激響應^的卷積結果
hKr = hi 與參考矢量]^完全相同，從而獲得均衡器的響應矢量為
權利要求
1.一種數字化揚聲器陣列系統的通道均衡與波束控制方法，包括如下步驟1)數字格式轉換，將信號轉換為基于PCM編碼的數字信號；2)通道均衡處理；3)控制波束形成；4)多比特Σ-Δ調制；5)溫度計編碼轉換，將位寬為I的低比特PCM編碼信號轉換為對應于個通道的數字功放和換能器負載的一元碼矢量；6)動態失配整形處理，對溫度計編碼矢量進行重新排序；7)抽取通道信息，送至數字功放驅動負載發聲。
2.根據權利要求1所述的方法，其特征在于當步驟1)中所述的數字格式轉換針對模擬信號時，首先經過模數轉換操作，轉換為基于PCM編碼的數字信號，然后按照指定位寬和采樣率的參數要求進行變換，轉換為滿足參數要求的PCM編碼信號。
3.根據權利要求1所述的方法，其特征在于當步驟1)中所述的數字格式轉換針對數字信號時，按照指定位寬和采樣率的參數要求進行變換，轉換為滿足參數要求的PCM編碼信號。
4.根據權利要求1所述的方法，其特征在于步驟2)中所述的通道均衡處理，其均衡器的參數按照測量和計算獲取。
5.根據權利要求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系數按照常規波束形成的設計方法進行計算，計算公式為式(I )
6.根據權利要求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進行插值濾波處理，獲得過采樣的PCM編碼信號；然后，進行Σ-Δ調制處理，將音頻帶寬范圍內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.根據權利要求1所述的方法，其特征在于步驟4)中所述的多比特Σ-Δ調制采用高階單級串行調制方法或者多級并行調制方法，對插值濾波器輸出的過采樣信號進行噪聲整形處理，將噪聲能量推擠到音頻帶之外。
8.根據權利要求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位上的編碼會送到相應的數字通道上，其各數位上的編碼，在任意時刻僅有“0”和“ 1 ”兩種電平狀態，在“0”狀態時，換能器負載被關斷，在“ 1”狀態時，換能器負載被開通。
9.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，步驟6)中所述的動態失配整形處理，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行整形操作，壓低帶內諧波失真成份的強度，將其功率推擠到帶外高頻段。
10.根據權利要求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，各通道的動態失配器進行動態失配整形處理，經整形處理后，獲得了位序更新的整形矢量；然后按照特定的抽取選擇準則， 從每個通道的整形矢量的夕個數位中，選取一個指定的數位編碼作為該通道的輸出編碼， 為保證信息的完整還原，各通道選取的數位位次不能存在重復，且所有的夕個通道選取的數位位次完全包含了 1到夕個數位位次。
11.根據權利要求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個數位編碼信息的簡單準則進行數位選取操作。
12.根據權利要求1所述的方法，其特征在于步驟7)中所述的負載為多個揚聲器單元組成的數字化揚聲器陣列，或者為具有多個音圈繞組的揚聲器單元，或者為多個多音圈揚聲器單元組成的數字揚聲器陣列。
13.一種具有通道均衡和波束控制功能的數字化揚聲器陣列系統裝置，其特征在于包括一音源(1)，是系統待播放的信息；一數字轉換器(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)，其與所述的數字轉換器(2)的輸出端相連接，用于對各通道頻響進行逆濾波均衡操作，消除通道頻響的帶內起伏；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，用于控制揚聲器陣列波束的空域輻射形狀，產生如3D立體聲場、虛擬環繞聲場、指向性聲場等聲場分布特性，以達到特殊聲效播放的目的；一Σ -Δ調制器(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調制器(5)的輸出端相連接，用于將低比特PCM 編碼信號轉換為與系統數字通道數相等的一元碼矢量，以用于數字化通道開關的控制矢量；一動態失配整形器(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，壓低音頻帶內諧波失真成份的強度，將這些諧頻成份的功率推擠到帶外高頻段，從而降低了帶內的諧波失真強度，提高了Σ-Δ編碼信號的音質水平；一抽取選擇器(8)，其與所述的動態失配整形器(7)的輸出端相連接，用于從各通道的整形矢量中，抽取特定的數位編碼信息，用于控制該通道進行開通/關斷動作的控制信息；一多通道數字功放(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行功率放大，用于驅動后級數字化負載進行開通/關斷；一數字化陣列負載(10)，其與所述的多通道數字功放(9)的輸出端相連接，用于完成電聲轉換，將數字化的開關電信號轉換為模擬格式的空氣振動信號。
14.根據權利要求13所述的裝置，其特征在于所述的音源(1)為模擬信號或者數字編碼信號。
15.根據權利要求13所述的裝置，其特征在于所述的數字轉換器(2)包含模數轉換器、USB、LAN、COM等數字接口電路和接口協議程序。
16.根據權利要求13所述的裝置，其特征在于所述通道均衡器(3)在時域或者頻域內按照逆濾波的響應參數進行均衡操作，消除各通道音頻帶內的頻響起伏，并校正各通道的頻響差異。
17.根據權利要求13所述的裝置，其特征在于所述的波束形成器(4)利用所設計的加權矢量，對各通道傳輸信號進行加權處理，調整其幅度和相位信息。
18.根據權利要求13所述的裝置，其特征在于所述的Σ-Δ調制器(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調制方式，將位寬為#的過采樣PCM編碼信號轉換成位寬為if i.M<N)的低比特PCM編碼信號。
19.根據權利要求12所述一種具有通道均衡和波束控制功能的數字化揚聲器陣列系統裝置，其特征在于，所述的Σ -Δ調制器(5)，按照高階單級串行調制器結構或者多級并行的調制器結構，對插值濾波輸出的過采樣信號進行噪聲整形處理，將噪聲能量推擠到音頻帶之外。
20.根據權利要求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編碼信號轉換為對應于2μ個通道的數字功放和換能器負載的一元碼信號矢量，該一元碼矢量的每個數位編碼信息分配到一個對應的數字化通道上，以將換能器負載納入到信號編碼流程中，對換能器負載的數字化編碼和數字式開關控制。
21.根據權利要求13所述的裝置，其特征在于所述的動態失配整形器(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行整形操作，壓低帶內諧波失真成份的強度，將其功率推擠到帶外高頻段，降低帶內的諧波失真強度。
22.根據權利要求13所述的裝置，其特征在于所述的抽取選擇器(8)按照特定的抽取準則，將從個數字通道的每個通道整形矢量中，抽取一個數位信息，作為該通道的輸出編碼信息，用于控制后級的換能器負載進行開通/關斷動作。
23.根據權利要求13所述的裝置，其特征在于，所述的多通道數字功放(9)將抽取選擇器(8)輸出的開關信號送至全橋式功放電路的MOSFET管柵極端，通過控制MOSFET管的導通與關斷來控制功率電源到負載供電的開通與關斷。
24.根據權利要求13所述的裝置，其特征在于所述的數字化陣列負載(10)，為多個揚聲器單元組成的數字化陣列，其每個數字通道由單個或者多個揚聲器單元組成；或者為多個音圈的揚聲器單元，其每個數字通道由單個或者多個音圈組成；或者為多音圈揚聲器組成的陣列其每個數字通道由多個音圈和多個揚聲器單元組合而成。
25.根據權利要求13或M所述的裝置，其特征在于所述的數字化陣列負載(10)的陣列形狀，根據換能器單元數量和實際應用需求進行排列。
全文摘要
本發明公開了一種數字化揚聲器陣列系統的通道均衡與波束控制方法和裝置。該方法包括1)數字格式轉換；2)通道均衡處理；3)波束形成控制；4)多比特∑-Δ調制；5)溫度計編碼轉換；6)動態失配整形處理；7)通道信息抽取，送至數字功放驅動陣列發聲。該裝置包括一音源、一數字轉換器、一通道均衡器、一波束形成器、一∑-Δ調制器、一溫度計編碼器、一動態失配整形器、一抽取選擇器、一多通道數字功放、一揚聲器陣列；各單元依次順序連接。本發明實現了系統的全數字化，縮減了其體積、功耗、成本，提高了其電聲轉換效率和抗干擾能力，改善了系統可聽聲頻帶內頻響平坦程度，實現了數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 優先權日2011年10月27日
發明者馬登永 申請人:蘇州上聲電子有限公司