基于調幅和調相的數字揚聲器驅動裝置的制造方法
【技術領域】
[0001] 本實用新型設及一種數字揚聲器驅動方法和裝置，特別設及一種基于調幅和調相 的數字揚聲器驅動裝置。
【背景技術】
[0002] 隨著超大規模集成電路制造技術的迅速發展，電聲產業的主導產品一-揚聲器系 統的設計與制造逐漸向低功耗、微型化、便攜式的方向發展。近些年來，隨數字化浪潮帶 動下產生的半數字化揚聲器系統，因其采用脈沖寬度調制（PulseWi化hMo化Iation-- PWM)D類功放驅動技術，成功解決了功耗和發熱問題，大幅度提升了整個系統的電聲轉換效 率。但是，半數字化揚聲器系統的后級仍然需要依靠體積龐大的LC低通模擬濾波器，W濾 除數字脈沖調制信號的帶外高頻分量，將被調制的低頻包絡信號解調出來，從而完成數模 轉換過程。為了消除模擬LC濾波器的限制，突破揚聲器單元的數字化瓶頸，提高揚聲器系 統的集成化水平，實現揚聲器系統所有信號處理與傳輸環節的全部數字化，需要將揚聲器 單元納入到數字編碼環節中，真正實現揚聲器單元的數字化編碼，形成數字化揚聲器系統， 從而最終由揚聲器單元及人耳自身結構的低通濾波特性，完成數字編碼量到模擬振動量的 轉換，將數模轉換環節移至電聲轉換的物理階段予W實現，從而消除了傳統系統中所包含 的數模轉換器件，避免了數模轉換器所引入的各種電噪聲。圍繞著揚聲器單元的數字化運 一核屯、問題，近年來國內外多家研究機構的學者們已經開展了關于數字化編碼調制、數字 化功率驅動和數字化揚聲器單元制作技術的較為廣泛而深入的理論和實踐研究，從而形成 了W數字化揚聲器系統設計為研究方向的全新研究領域。
[0003] 具有指向性的揚聲器可W應用在各種聲學環境中，特別是在個人音頻領域，可W 為用戶在不打擾他人的前提下，創造個性化的聯聽空間。而數字揚聲器由多單元組成，具有 潛在的指向性能力。在文獻"數字化陣列通道均衡和波束形成算法"（電聲技術，2012年第 36卷第11期）中，作者采用的基于數據抽取的FIR濾波器均衡和波束算法可W較好的解決 此問題，但是此方法資源占有量較大，A-E調制器數目等于通道數目，再加FIR濾波器，相 較于一般的數字揚聲器單A-E調制器實現方法，其資源占有量至少提高一個量級，不適 合數字揚聲器的實際應用。在文獻"Anovelbeam-formingloudspeakersystemusing digitallydrivenspeakersystem"（AudioEng.Soc. 127thConvention,Convention Paper7950,October2009)中，作者提出了采用延遲寄存器來實現數字揚聲器的指向性， 此方法最大的優點是實現簡單，占有資源量較少，但是其最大的缺點是只有調相功能，但是 并沒有調幅功能，因此旁瓣較高，指向性較弱。在文獻"A化曲IyDirectionalSpeaker withAmplitude-PhaseControlUsingaDigitallyDirect-DrivenSystem" （2014IEEE InternationalConferenceonConsumerElectronics(ICCE))中，作者在調相功能的基 礎上加入了調幅功能，相比于只有調相功能可W取得更好的指向性。作者的調幅功能實現 方式為將單脈沖寬度均分為N個等寬度的小脈沖，對于每個通道不同的幅度大小，選擇不 同個數的小脈沖，比如第一通道調幅系數為4,則選取4個小脈沖。此方法最主要的缺陷有 兩個：（I)、將原有脈沖均分為N個等寬度的小脈沖會進一步提高時鐘采樣頻率，運會突破 功率開關管的開關速率上限，從而會使開關管處于飽和狀態，引入非線性失真，降低信號質 量；（2)、對幅度系數大小有限制，首先幅度系數不能過大，否則開關管失真會過大，其次幅 度系數只能為整數，無法實現任意幅度調相，因此此方法在實際中并不適用。
[0004] 針對現有數字揚聲器調幅調相的缺陷性，并結合低功耗、數字化與集成化發展需 求，需要尋找性能優異、實現簡單的數字揚聲器調幅調相方法，W實現性能優異的指向性效 果，同時資源占有量少。
【發明內容】
[0005] 本實用新型的目的是克服現有數字揚聲器系統中調幅調相存在的缺陷性，在基本 不增加資源占有量和不降低基本性能的前提下，取得較好的指向性效果。
[0006] 為了達到上述目的，本實用新型采取的技術方案如下：
[0007] -種基于調幅和調相的數字揚聲器驅動方法，如圖1所示，包括如下步驟：
[0008] 1)音源信號經調制處理后生成（2L+1)個電平級的編碼信號X;
[0009] 2)量化信號X和M通道反饋矢量信號b經選擇處理后生成M通道的狀態矢量信號 S；
[0010] 3)狀態矢量信號S經調幅處理后生成M通道的調幅矢量信號a;
[0011] 4)調幅矢量信號a經整形處理后生成M通道的與步驟2中屬性相同的下一反饋矢 量信號b;
[0012] 5)狀態矢量信號S經調相處理后生成M通道的驅動矢量信號P;
[0013] 6)驅動矢量信號P經功率放大驅動多音圈揚聲器中的多個音圈或揚聲器陣列中 的多個揚聲器單元，由多音圈揚聲器或揚聲器陣列將數字編碼信號轉換為模擬聲信號。
[0014] 在上述技術方案中，進一步地，步驟1)中所述（2L+1)個電平級的量化信號X，其取 值為區間[-LL]范圍內的任一整數，其中L為整數且L> 1。
[0015] 在上述技術方案中，進一步地，步驟1)中所述調制處理的步驟如下：
[0016] a)將音源信號轉化為采樣率為fg、位寬為N的PCM編碼信號；
[0017] b)將PCM編碼信號通過升采樣的插值低通濾波器處理，產生采樣率為f。、位寬仍 為N的過采樣的PCM編碼信號，其中f。= 0Xf,，0J%過采樣因子；
[0018] C)將過采樣的PCM編碼信號，經多比特A-E調制處理后生成采樣率仍為f。、量 化電平等級數為（2L+1)的PCM編碼信號X，其中量化電平等級的數量滿足條件：（2L+1)<2W。 多比特A-E調制處理是按照各種多比特A-E調制器的設計方法一一像高階單級 (Hi曲er-Order Single-Stage)串行調制方法或者多級（Multi-Stage Kascade、MASH))并 行調制方法一一進行調制器結構和參數設計，實現對插值濾波器輸出的過采樣信號進行噪 聲整形處理，將噪聲能量推擠到可聽頻帶之外的區域，保證了調制后信號在可聽聲頻帶內 具有有足夠高的信噪比。
[0019] 在上述技術方案中，進一步地，步驟2)中所述選擇處理后生成M通道狀態矢量信 號S的表達式如下：
[0020] S= [Si,S2,…，SjJ，
[002。 其中M^L，第i個通道的狀態信號為Si,iG(1，2,…，M}，Si的狀態取值從"-1"、 "O"、"I"S個狀態值中選取且滿足乏>,二.V,. ].=1
[0022] 在上述技術方案中，進一步地，步驟2)中所述選擇處理步驟如下：
[002引 a)設定M通道的反饋信號矢量為b=比i，b2,…，bM]，其中bi代表第i個通道被 選擇的權重系數，對反饋信號矢量b按照從大到小的順序進行排序，生成排序后的反饋信 號矢量6 = |^1兵.。.,茲1;
[0024]b)根據各通道權重系數霉所處的位次，如果X> 0,將排序后的反饋信號矢量I的 前面X個較大值元素所對應通道的輸出狀態置為"1"，剩余元素所對應通道的輸出狀態置 為"0";如果x<0,將排序后的反饋信號矢量常的后面-X個較小值元素所對應通道的輸出狀 態置為"-1"，剩余元素所對應通道的輸出狀態置為"0";
[00巧]C)將經選擇處理后所有通道所設置的輸出狀態按照從1到M的順序排列生成M通 道狀態矢量信號S。
[0026] 在上述技術方案中，進一步地，步驟3)中所述調幅處理步驟如下：
[0027] a)設定各通道的幅度向量系數為C= [Cl,C2,…Cm];
[0028] b)將M通道狀態矢量信號S與幅度向量系數C進行標量相除，生成調幅矢量信號 a= [si/ci,S2/C2, ---Sm/cm]O
[0029] 在上述技術方案中，進一步地，步驟4)中所述整形處理為多通道濾波處理，各通 道所使用濾波器的傳遞函數均為
，其中H(Z)是指階數大于1的高通濾波器的傳遞 函數。
[0030] 在上述技術方案中，進一步地，步驟5)中所述調相處理的步驟如下：
[003。a)設定各個通道的息延遲時間為t=扣，t2,…tM];
[00礎 6)轉化為整數延遲為(1 = [^,*/」心2*又」，...山*./:」]，其中1」取最接近的最小 整數。
[0033] 在上述技術方案中，進一步地，步驟6)中所述功率放大驅動，是指當通道輸出狀 態為"1"時，揚聲器負載端線上的輸入電壓為V。，當通道輸出狀態為"-1"時，揚聲器負載端 線上的輸入電壓為-V。，當通道輸出狀態為"0"時，揚聲器負載端線上的輸入電壓為0,其中 V。是指