專利名稱：一種數(shù)字化超指向性揚(yáng)聲器系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種數(shù)字化超指向性揚(yáng)聲器系統(tǒng)，特別涉及一種基于多比特Σ -Δ調(diào)制的全數(shù)字化超指向性揚(yáng)聲器系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
超指向性揚(yáng)聲器是通過幅度或頻率調(diào)制方式將音頻可聽聲信號加載到超聲載波的幅度或頻率參量上，從而形成調(diào)制波信號；再依靠功放電路驅(qū)動超聲換能器將這種調(diào)制波信號輻射到空氣中，依靠超聲波在空氣中傳播所產(chǎn)生的非線性自解調(diào)特性，產(chǎn)生超指向性的音頻可聽聲。
美國專利(US20040114770A1、US006052336A、US7596229B2)公開了基于幅度調(diào)制的超指向性揚(yáng)聲器的基本信號處理算法和系統(tǒng)的實現(xiàn)過程。美國專利(US7146011B2)提出了基于零階貝塞爾函數(shù)的加權(quán)方法，以合成出具有貝塞爾分布的聲源，并通過延時控制方式實現(xiàn)超指向性聲束的空間導(dǎo)向性。美國專利(US20050207590)提出了一種基于動態(tài)誤差補(bǔ)償和頻率特性線性化的超指向性揚(yáng)聲器系統(tǒng)實現(xiàn)方法，以改善音頻可聽聲的音質(zhì)水平。美國專利(US20020146138A1、US20050220311A1)公開了基于多子帶調(diào)制的超指向性揚(yáng)聲器系統(tǒng)的實現(xiàn)過程，將音頻可聽聲頻帶分割成多個子頻帶，在每個子帶上按照幅度或頻率調(diào)制方式進(jìn)行各自獨立的載波調(diào)制，然后，將各子帶上調(diào)制波通過其子帶對應(yīng)的換能器陣列輻射出來。
現(xiàn)有的這些關(guān)于超指向性揚(yáng)聲器系統(tǒng)的專利，都是針對超指向性揚(yáng)聲器系統(tǒng)在載波調(diào)制、通道頻響均衡和波束導(dǎo)向性方面，按照常規(guī)的PCM編碼方式實現(xiàn)相應(yīng)的數(shù)字信號處理算法；然后，將處理后PCM編碼信號直接或經(jīng)過數(shù)模轉(zhuǎn)換后送至基于PWM調(diào)制技術(shù)的class-D型數(shù)字功放進(jìn)行調(diào)制信號的功率放大；最后，經(jīng)過模擬低通LC濾波器，將PWM調(diào)制信號還原成模擬的調(diào)制波信號，以驅(qū)動超聲換能器陣列進(jìn)行聲波輻射。目前，這種基于PCM編碼的數(shù)字信號處理和基于PWM調(diào)制技術(shù)的功率放大過程，已經(jīng)將超指向性揚(yáng)聲器系統(tǒng)的數(shù)字化進(jìn)程推進(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、成本較高的高質(zhì)量電感和電容進(jìn)行模擬低通濾波操作來消除高頻的PWM載波分量，從而解調(diào)出調(diào)制波信號。
由于在數(shù)字功放后級仍然存在著模擬低通LC濾波處理，使得最終的換能器負(fù)載仍處于模擬工作狀態(tài)，系統(tǒng)整個信號傳輸鏈路中仍然存在著模擬信號成份，未能夠?qū)崿F(xiàn)整個系統(tǒng)的全數(shù)字化信號傳輸鏈路。而現(xiàn)有超指向性揚(yáng)聲器系統(tǒng)中所存在的模擬傳輸鏈路，會導(dǎo)致系統(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。
隨著大規(guī)模集成電路和數(shù)字化技術(shù)的蓬勃發(fā)展，超指向性揚(yáng)聲器系統(tǒng)也迫切需要向低功耗、小外形、數(shù)字化與集成化的方向發(fā)展，這迫切要求將超指向性揚(yáng)聲器系統(tǒng)數(shù)字化的進(jìn)程推進(jìn)到換能器環(huán)節(jié)，從而將超聲換能器陣列納入到信號編碼流程，實現(xiàn)換能器陣列的數(shù)字化，以便于整個系統(tǒng)完成全數(shù)字化的信號傳輸鏈路。
另外，現(xiàn)有超指向性揚(yáng)聲器系統(tǒng)在功放環(huán)節(jié)所采用的PWM編碼調(diào)制方式本身存在著三個缺點: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200KHz 400KHz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。③現(xiàn)有的基于PWM調(diào)制的數(shù)字化超指向性揚(yáng)聲器系統(tǒng)，在空氣所解調(diào)出的聲源信號中具有十分豐富的諧波失真分量，造成聲源信號的音質(zhì)水平較差、傳送信息的可懂度明顯下降。另外，這種基于200KHZ 400KHZ采樣頻率的PWM調(diào)制方式，其本身也存在著較高頻率的高次諧波分量，這些高次諧波分量會對其周圍的其他電氣設(shè)備產(chǎn)生電磁干擾影響。
針對PWM調(diào)制技術(shù)本身所存在的非線性失真和過采樣速率較低的缺陷，并結(jié)合超指向性揚(yáng)聲器系統(tǒng)全數(shù)字化信號傳輸鏈路的發(fā)展需求，因此，需要尋找性能優(yōu)異、實現(xiàn)簡單的信號編碼調(diào)制方式，以實現(xiàn)全數(shù)字化超指向性揚(yáng)聲器系統(tǒng)。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是，克服現(xiàn)有PWM調(diào)制技術(shù)存在的非線性失真及過采樣速率較低的缺陷，并滿足超指向性揚(yáng)聲器系統(tǒng)全數(shù)字化信號傳輸鏈路的發(fā)展需求，提出了基于多比特Σ -Δ調(diào)制的全數(shù)字化超指向性揚(yáng)聲器系統(tǒng)。
為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案如下:
一種全數(shù)字化超指向性揚(yáng)聲器系統(tǒng)，包括:
一音源，與所述數(shù)字輸入接口的輸入端連接，包含了用戶所需要播放的聲音信息；
一數(shù)字輸入接口，與所述音源的輸出端連接，用于將原始音源信號轉(zhuǎn)換成位寬為N的高比特PCM編碼格式的數(shù)字信號；
一載波調(diào)制器，與所述數(shù)字輸入接口的輸出端連接，用于將音源信號按照幅度或者頻率調(diào)制方式加載到超聲載波上，形成調(diào)制波信號；
一插值濾波器，與載波調(diào)制器的輸出端連接，用于對輸入的低采樣率PCM編碼信號按照過采樣因數(shù)進(jìn)行信號插值操作，同時通過低通濾波操作濾除插值處理后信號的周期性延拓的頻譜成份；
一Σ -Δ調(diào)制器，與所述插值濾波器的輸出端連接，用于完成多比特Σ -Δ編碼調(diào)制和噪聲整形處理，將原來字長為N的高比特PCM編碼信號轉(zhuǎn)換成位寬為M (M < N)的低比特PCM編碼信號，從而將調(diào)制波信號編碼為M位的PCM碼；
一溫度計編碼器，與所述Σ -Δ調(diào)制器的輸出端連接，用于將字長為M的低比特PCM編碼信號轉(zhuǎn)換成字長為2M的溫度計編碼，從而將調(diào)制波信號又變換為字長為2M的溫度計編碼；
一動態(tài)失配整形器，與所述溫度計編碼器的輸出端連接，用于消除由陣元之間頻響差異產(chǎn)生的高次諧波失真分量，經(jīng)過動態(tài)失配整形器后，編碼信號中存在的高次諧波失真分量得到了很大程度的消減抑制；
一多通道數(shù)字功放，與所述動態(tài)失配整形器的輸出端連接，用于對動態(tài)失配整形處理后的溫度計編碼進(jìn)行功率放大，從而達(dá)到驅(qū)動多路換能器負(fù)載的能力；
一超聲換能器陣列，與所述多通道數(shù)字功放的輸出端連接，用于實現(xiàn)電聲轉(zhuǎn)換，將調(diào)制波信號輻射到空氣中。
在上述技術(shù)方案中，所述音源1，可以為模擬信號或者數(shù)字編碼信號，可以來自于各種模擬裝置所產(chǎn)生的模擬音源信號，也可以是各種數(shù)字裝置所產(chǎn)生的數(shù)字編碼信號。
在上述技術(shù)方案中，所述數(shù)字輸入接口 2，可以包含模數(shù)轉(zhuǎn)換器、USB、LAN、COM等數(shù)字接口電路和接口協(xié)議程序，能夠與現(xiàn)有的數(shù)字接口格式相兼容，通過這些接口電路和協(xié)議程序，所述全數(shù)字化超指向性揚(yáng)聲器系統(tǒng)能夠靈活方便的與其他裝置設(shè)備進(jìn)行信息的交互與傳遞；同時，經(jīng)過數(shù)字輸入接口 2處理后，原來的輸入的模擬或者數(shù)字音源信號轉(zhuǎn)換為字長為N的高比特PCM編碼信號。
在上述技術(shù)方案中，所述載波調(diào)制器3，可以按照幅度調(diào)制方式，產(chǎn)生雙邊帶或者單邊帶調(diào)幅波；也可以按照頻率調(diào)制方式，產(chǎn)生全頻帶或者各子帶的調(diào)頻波，從而將音源信息加載到超聲載波的幅度或者頻率參量上，完成了音源信息的調(diào)制處理。
在上述技術(shù)方案中，所述Σ -Δ調(diào)制器5，按照現(xiàn)有各種Σ -Δ調(diào)制器的信號處理結(jié)構(gòu)-像高階單級(Higher-Order Single-Stage)調(diào)制器結(jié)構(gòu)或者多級(Mult1-Stage (Cascade, MASH))并行的調(diào)制器結(jié)構(gòu),對插值濾波器4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，保證了系統(tǒng)具有足夠高的帶內(nèi)信噪比。
在上述技術(shù)方案中，所述Σ -Δ調(diào)制器5，在硬件實現(xiàn)過程中，為了節(jié)約硬件資源，降低其實現(xiàn)代價，通常會采用移位加法運(yùn)算來代替常數(shù)乘法運(yùn)算，并將Σ -Δ調(diào)制器所使用的參數(shù)用CSD(Canonical Signed Digit)編碼表示。
在上述技術(shù)方案中，所述溫度計編碼器6，用于將字長為M的低比特PCM編碼信號轉(zhuǎn)換為對應(yīng)于2M個通道的數(shù)字功放和換能器負(fù)載的一元碼信號，對應(yīng)于各通道的一元碼信號，在任意時刻僅有“O”和“ I”兩種電平狀態(tài)，在“O”狀態(tài)時，換能器負(fù)載被關(guān)斷，在“ I”狀態(tài)時，換能器負(fù)載被開通，通過溫度計編碼器6完成了對多通道換能器負(fù)載的編碼分配，從而將換能器負(fù)載納入到信號編碼流程中，實現(xiàn)了對換能器陣列的數(shù)字化編碼和數(shù)字式開關(guān)控制。
在上述技術(shù)方案中，所述動態(tài)失配整形器7，通過采用現(xiàn)有各種方式的陣元選擇算法-像 DWA (Data-Weighted Averaging) > VFMS (Vector-Feedbackmi smatch-shaping)和TSMS(Tree-Structure mismatch shaping)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，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。
在上述技術(shù)方案中，所述多通道數(shù)字功放8，能夠?qū)討B(tài)失配整形器7送入的一元碼開關(guān)信號放大為功率信號，從而達(dá)到驅(qū)動換能器負(fù)載的能力。
在上述技術(shù)方案中，所述超聲換能器陣列9，將所有的換能器單元按照一定的分組方式，劃分成2M個分組，分別對應(yīng)于2m個數(shù)字功放電路；同時，需要將這2M個分組與溫度計編碼的2M個比特位相對應(yīng)，每個分組內(nèi)的所有換能器單元受溫度計編碼的一個相應(yīng)比特位上的一元碼信號來控制開通與關(guān)斷，各分組的陣元僅獲得了調(diào)制波信號的部分編碼信息，因此，單純依賴于單個分組輻射聲場不足以還原出完整的調(diào)制波信息，整個調(diào)制波信息的完整還原，需要依賴于所有分組的陣元同時按照其分配的開關(guān)控制信號，進(jìn)行聯(lián)合的開通/關(guān)斷操作才能夠?qū)崿F(xiàn)。由于多組陣元處于空間分離位置點處，各組陣元的空域輻射信息能夠在陣列的對稱軸線上取得最優(yōu)的信息合成效果，使得對稱軸線上能夠得到最大的輸出信噪比，而在偏離對稱軸線越遠(yuǎn)的位置上，其空域合成信號的信噪比則越低。這種聯(lián)合多組陣元空域輻射聲場的合成作用完成信息還原的工作方式，其還原信息具有空域指向性，在陣列對稱軸線上具有最大信噪比，偏離軸線越遠(yuǎn)，其信噪比越低。
在上述技術(shù)方案中，所述超聲換能器陣列9，可以由相同頻響性能的換能器單元組陣，也可以將音頻頻帶劃分成多個子帶，按照各子帶的頻率范圍選擇適合的換能器單元實現(xiàn)各子帶上的組陣；同時，可以根據(jù)換能器單元數(shù)量和實際應(yīng)用需求，進(jìn)行換能器單元的排列，組成適合于實際應(yīng)用需求的陣列形狀。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點:
A.實現(xiàn)了超指向性揚(yáng)聲器系統(tǒng)整個信號傳輸鏈路的全數(shù)字化，整個系統(tǒng)完全由數(shù)字化器件組成，便于進(jìn)行高度的集成化電路設(shè)計，提高了系統(tǒng)的工作穩(wěn)定性，降低了系統(tǒng)的功耗、體積和重量；同時，全數(shù)字化的超指向性揚(yáng)聲器系統(tǒng)，能夠靈活方便的與其他數(shù)字化系統(tǒng)設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，能夠更好的適應(yīng)于數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)化的發(fā)展要求。
B.本發(fā)明所采用的多比特Σ -Δ調(diào)制技術(shù)——通過噪聲整形方法，將音頻帶內(nèi)的噪聲功率推擠到帶外高頻區(qū)域，從而保證了音頻帶內(nèi)的高信噪比要求。這種調(diào)制技術(shù)的硬件實現(xiàn)電路簡單廉價，同時對電路器件制作過程中所產(chǎn)生的參數(shù)偏差具有很好的免疫力。
C.本發(fā)明所采用的全數(shù)字化系統(tǒng)實現(xiàn)方式，其抗干擾能力更強(qiáng)，在復(fù)雜的電磁干擾環(huán)境中能夠保證穩(wěn)定可靠的工作。
D.本發(fā)明所采用的過采樣及動態(tài)失配整形算法，對諧波失真分量進(jìn)行了白化處理，將其功率均勻分散在MHz的帶寬范圍內(nèi)，降低了諧波分量的電磁輻射強(qiáng)度，保證了系統(tǒng)具有較小的電磁輻射強(qiáng)度，避免了該系統(tǒng)對周圍其他系統(tǒng)裝置的干擾影響。
E.本發(fā)明所采用的動態(tài)失配整形算法，能夠有效地消減因陣元之間頻響差異引入的非線性諧波失真強(qiáng)度，提高系統(tǒng)的音質(zhì)水平，因此該系統(tǒng)對于換能器單元之間的頻響偏差具有很好的免疫力。
F.本發(fā)明通過溫度計編碼方法，給各換能器單元分配相應(yīng)的一元碼信號，使得各換能器單元都工作在開通或關(guān)斷狀態(tài)，這種交替開關(guān)工作的狀態(tài)，有效地避免了換能器單元出現(xiàn)過載失真現(xiàn)象，從而延長了換能器的使用壽命；同時，采用開關(guān)工作方式的壓電換能器，其電聲轉(zhuǎn)換效率更高，換能器的發(fā)熱更少。
G.本發(fā)明所采用的數(shù)字功放電路，直接將放大后的開關(guān)信號送到揚(yáng)聲器端，控制揚(yáng)聲器進(jìn)行開通與關(guān)斷操作，不需要在數(shù)字功放后級加入體積較大、價格昂貴的電感電容進(jìn)行模擬低通處理，縮減了系統(tǒng)體積與成本；同時，對于呈容性特性的壓電換能器負(fù)載來講，通常需要加電感進(jìn)行阻抗匹配，以增加壓電揚(yáng)聲器的輸出聲功率，而在換能器端施加數(shù)字信號時，其阻抗匹配效果要優(yōu)于傳統(tǒng)的在換能器端施加模擬信號的阻抗匹配效果。
H.本發(fā)明所采用的溫度計編碼方式，使得每組陣元所分配的一元碼信號，僅包含原有音源信號的部分信息成份，單純依賴單組陣元所輻射的信息不能完成音源信息的完整還原，只有聯(lián)合所有分組陣元空域輻射聲場的合成作用，才能完整的還原出音源信息；這種聯(lián)合多組陣元空域輻射聲場的合成作用完成信息還原的工作方式，其還原信息具有空域指向性，在陣列對稱軸線上具有最大信噪比，偏離軸線越遠(yuǎn)，其信噪比越低。
隨著大規(guī)模集成電路和數(shù)字化產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，電聲產(chǎn)業(yè)的數(shù)字化趨勢也日益明顯，目前，揚(yáng)聲器系統(tǒng)的數(shù)字化進(jìn)程已經(jīng)推進(jìn)到數(shù)字功放環(huán)節(jié)，但是換能器單元的數(shù)字化仍舊是一個瓶頸問題。針對現(xiàn)有數(shù)字功放所采用的PWM調(diào)制技術(shù)本身存在非線性失真缺陷，并結(jié)合超指向性揚(yáng)聲器系統(tǒng)的換能器單元數(shù)字化發(fā)展需求，本發(fā)明公開了一種基于多比特Σ -Δ調(diào)制的全數(shù)字化超指向性揚(yáng)聲器系統(tǒng)。該裝置包括:一音源、一數(shù)字輸入接口、一載波調(diào)制器、一插值濾波器、一Σ -Δ調(diào)制器、一溫度計編碼器、一動態(tài)失配整形器、一多通道數(shù)字功放和一超聲換能器陣列。本發(fā)明實現(xiàn)了系統(tǒng)信號傳輸鏈路的全數(shù)字化，便于進(jìn)行高度集成化設(shè)計，縮減了系統(tǒng)體積、功耗和制作成本，提高了系統(tǒng)電聲轉(zhuǎn)換效率，并且具有較好的抗干擾能力，對元器件制作過程中產(chǎn)生的參數(shù)偏差具有很好的免疫力。本發(fā)明具有較好的聲場控制能力，為語音的私密傳輸提供了一種較好的實現(xiàn)方式。


圖1表示本發(fā)明的全數(shù)字化超指向性揚(yáng)聲器系統(tǒng)各組成模塊的示意圖2表示本發(fā)明一實施例的載波調(diào)制器所采用單邊帶調(diào)制方式的信號處理流程圖3表示本發(fā)明一實施例的Σ -Δ調(diào)制器所采用的5階CIFB調(diào)制結(jié)構(gòu)的信號處理流程圖4表示本發(fā)明一實施例的溫度計編碼器的編碼原理示意圖5表示本發(fā)明一實施例的動態(tài)失配整形器所采用的VFMS失配整形算法的信號處理流程圖6表不本發(fā)明一實施例的8通道陣列布放不意圖。
具體實施方式
下面結(jié)合附圖和具體實施方式
對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述:
本發(fā)明首先通過數(shù)字輸入接口，將音頻可聽聲范圍內(nèi)的音源信號轉(zhuǎn)換成位寬為N的高比特PCM編碼信號；然后利用數(shù)字載波調(diào)制技術(shù)，將字長為N的數(shù)字音源信號調(diào)制到超聲載波信號上，形成攜帶音源信息的字長為N的調(diào)制波信號；然后再利用多比特Σ -Δ調(diào)制技術(shù)將字長為N的高比特PCM編碼信號轉(zhuǎn)換成為字長為M(M < N)的低比特PCM編碼信號；然后再通過溫度計編碼方法將字長為M的PCM編碼信號轉(zhuǎn)換為字長為2"的溫度計編碼，形成分配到2M組換能器陣元的一元碼信號；然后再經(jīng)過動態(tài)失配整形技術(shù)，對分配到各組陣元的一元碼信號進(jìn)行動態(tài)失配整形處理，消除因各組陣元頻響差異所引入的高次諧波分量，降低系統(tǒng)的總諧波失真，提升系統(tǒng)的音質(zhì)水平；最后，將失配整形處理后攜帶著音源信息的調(diào)制波編碼信號(一元碼)送到相應(yīng)通道的數(shù)字功放形成功率信號，驅(qū)動相應(yīng)分組的換能器單元進(jìn)行開通或關(guān)斷操作，所有的換能器分組所輻射的空域聲場進(jìn)行疊加后在空間合成出原調(diào)制波信號，再依靠空氣的非線性傳播特性，對調(diào)制波信號進(jìn)行自解調(diào)，還原出具有超指向特性的音源聲束。
如圖1所示，制作一個依據(jù)本發(fā)明的基于多比特Σ -Δ調(diào)制的全數(shù)字化超指向性揚(yáng)聲器系統(tǒng)，其主體由音源1、數(shù)字輸入接口 2、載波調(diào)制器3、插值濾波器4、Σ -Δ調(diào)制器5、溫度計編碼器6、動態(tài)失配整形器7、多通道數(shù)字功放8、以及超聲換能器陣列9等組成。
音源I，可以選用在PC機(jī)硬盤內(nèi)存儲的MP3格式的音源文件，可以通過USB端口按數(shù)字格式輸出；也可以選用MP3播放器內(nèi)存儲的音源文件，通過模擬格式輸出；還可以利用信號源產(chǎn)生音頻范圍內(nèi)的測試信號，也通過模擬格式輸出。
數(shù)字輸入接口 2，與所述音源I的輸出端連接，包含數(shù)字輸入格式和模擬輸入格式兩種輸入接口，針對數(shù)字輸入格式，采用Ti公司的一款型號為PCM2706的USB接口芯片，能夠?qū)C機(jī)內(nèi)存儲的MP3類型文件經(jīng)由USB端口按照16比特字長、44.1KHz采樣率通過I2S接口協(xié)議實時讀入到型號為Cyclone III EP3C80F484C8的FPGA芯片內(nèi)；針對模擬輸入格式，采用Analog Devices公司的一款型號為AD1877的模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，將模擬音源信號轉(zhuǎn)換為16比特、44.1KHz的PCM編碼信號，也通過I2S接口協(xié)議實時讀入到FPGA芯片內(nèi)。
載波調(diào)制器3，與所述數(shù)字輸入接口 2的輸出端相連接，首先將44.1KHz的PCM信號通過內(nèi)插濾波操作，升采樣為IOOKHz采樣率的PCM信號。然后在FPGA內(nèi)部對16比特位寬、IOOKHz采樣率的音源編碼信號進(jìn)行數(shù)字載波調(diào)制處理。如圖2所示，首先將音源信號s (nT) 10變換為l+ms(t)ll，然后再與40ΚΗζ的超聲載波信號12相乘，得到雙邊帶調(diào)制波13，再通過通帶為40KHz、阻帶為411(取、過渡帶衰減20(^的低通濾波器14，濾掉雙邊帶調(diào)制波的上調(diào)制邊帶，獲得16比特字長、IOOKHz采樣率的數(shù)字單邊帶調(diào)制波信號15。
插值濾波器4，與所述載波調(diào)制器3的輸出端相連接，在FPGA芯片內(nèi)部，將IOOKHz,16比特的PCM編碼信號，按二級進(jìn)行升采樣插值處理，第一級插值因子為2，采樣率升為200KHz，第二級插值因子為8，采樣率升為1600KHZ。在經(jīng)過8倍插值處理后，原IOOKHz,16比特的PCM信號轉(zhuǎn)換為1.6MHz、16比特的過采樣PCM信號。
Σ -Δ調(diào)制器5，與所述插值濾波器4的輸出端相連接，將過采樣的1.6MHz、16比特的PCM編碼信號轉(zhuǎn)換成為1.6MHz,3比特的Σ -Δ調(diào)制信號。如圖3所示，在本實施例中，Σ - Δ 調(diào)制器米用 5 階 CIFB (Cascaded Integrators with Distributed Feedback)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。假定調(diào)制器的過采樣率因子為16，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的系數(shù)如表I所示。
表I (3比特Σ -Δ調(diào)制器的系數(shù)值)
權(quán)利要求
1.一種基于多比特Σ -Δ調(diào)制的全數(shù)字化超指向性揚(yáng)聲器系統(tǒng)，其特征在于，包括: 一音源(I)，用于提供用戶所需要播放的聲音信息； 一數(shù)字輸入接口(2)，與所述音源(I)的輸出端連接，將原始的音源信號轉(zhuǎn)換成字長為N的高比特PCM編碼格式的數(shù)字信號； 一載波調(diào)制器(3)，與所述數(shù)字輸入接口(2)的輸出端連接，用于將音源信號按照幅度或者頻率調(diào)制方式加載到超聲載波上，形成調(diào)制波信號； 一插值濾波器(4)，與載波調(diào)制器(3)的輸出端連接，用于對輸入的低采樣率PCM編碼信號按照過采樣因數(shù)進(jìn)行信號插值操作，同時，通過低通濾波操作濾除插值處理后信號的周期性延拓的頻譜成份； 一Σ -Δ調(diào)制器(5)，與所述插值濾波器(4)的輸出端連接，用于完成多比特Σ -Δ編碼調(diào)制和噪聲整形處理，將原來字長為N的高比特PCM編碼信號轉(zhuǎn)換成字長為M (Μ < N)的低比特PCM編碼信號； 一溫度計編碼器(6)，與所述Σ -Δ調(diào)制器(5)的輸出端連接，用于將字長為M的低比特PCM編碼信號轉(zhuǎn)換成字長為2Μ的溫度計編碼； 一動態(tài)失配整形器(7)，與所述溫度計編碼器(6)的輸出端連接，用于消除由陣元之間頻響差異產(chǎn)生的高次諧波失真分量； 一多通道數(shù)字功放(8)，與所述動態(tài)失配整形器(7)的輸出端連接，用于對動態(tài)失配整形處理后的溫度計編碼進(jìn)行功率放大，達(dá)到驅(qū)動多路換能器負(fù)載的能力； 一超聲換能器陣列(9)，與所述多通道數(shù)字功放(8)的輸出端連接，用于實現(xiàn)電聲轉(zhuǎn)換，將調(diào)制波信號輻射到空氣中。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的全數(shù)字化超指向性揚(yáng)聲器系統(tǒng)，其特征在于，所述音源(I)為模擬信號或者數(shù)字編碼信號。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的全數(shù)字化超指向性揚(yáng)聲器系統(tǒng)，其特征在于，所述數(shù)字輸入接口(2)，包含:模數(shù)轉(zhuǎn)換器、USB、LAN和COM，與現(xiàn)有的數(shù)字接口格式相兼容，并將原始音源信號轉(zhuǎn)換為字長為N的高比特PCM編碼信號。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的全數(shù)字化超指向性揚(yáng)聲器系統(tǒng)，其特征在于，所述載波調(diào)制器(3)按照幅度調(diào)制方式產(chǎn)生雙邊帶或者單邊帶調(diào)幅波、或按照頻率調(diào)制方式產(chǎn)生全頻帶或者各子帶的調(diào)頻波，并將音源信息加載到超聲載波的幅度或者頻率參量上，完成音源信息的調(diào)制處理。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的全數(shù)字化超指向性揚(yáng)聲器系統(tǒng)，其特征在于，所述Σ-Δ調(diào)制器(5)，按照Σ _△調(diào)制器的信號處理結(jié)構(gòu)對插值濾波器(4)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，保證系統(tǒng)具有足夠高的帶內(nèi)信噪比。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的全數(shù)字化超指向性揚(yáng)聲器系統(tǒng)，其特征在于，所述的Σ-Δ調(diào)制器(5)的信號處理結(jié)構(gòu)包括:高階單級調(diào)制器結(jié)構(gòu)、或者多級并行的調(diào)制器結(jié)構(gòu)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的全數(shù)字化超指向性揚(yáng)聲器系統(tǒng)，其特征在于，所述Σ-Λ調(diào)制器(5)采用移位加法運(yùn)算來代替常數(shù)乘法運(yùn)算，并將Σ -Δ調(diào)制器所使用的參數(shù)用CSD編碼表示。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的全數(shù)字化超指向性揚(yáng)聲器系統(tǒng)，其特征在于，所述溫度計編碼器(6)，用于將字長為M的低比特PCM編碼信號轉(zhuǎn)換為對應(yīng)于2"個通道的數(shù)字功放和換能器負(fù)載的一元碼信號，完成對多通道換能器負(fù)載的編碼分配和數(shù)字式開關(guān)控制。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的全數(shù)字化超指向性揚(yáng)聲器系統(tǒng)，其特征在于，所述動態(tài)失配整形器(7)采用陣元選擇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8所述的全數(shù)字化超指向性揚(yáng)聲器系統(tǒng)，其特征在于，所述多通道數(shù)字功放(8)，用于將動態(tài)失配整形器(7)送入的一元碼開關(guān)信號放大為功率信號，達(dá)到驅(qū)動換能器負(fù)載的能力。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的全數(shù)字化超指向性揚(yáng)聲器系統(tǒng)，其特征在于，所述超聲換能器陣列(9)中的換能器單元按照一定的分組方式，劃分成2M個分組，分別對應(yīng)于2M個數(shù)字功放電路；同時，將這2"個分組與溫度計編碼的2M個比特位相對應(yīng)，每個分組內(nèi)的所有換能器單元受溫度計編碼的一個相應(yīng)比特位上的一元碼信號來控制開通與關(guān)斷。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的全數(shù)字化超指向性揚(yáng)聲器系統(tǒng)，其特征在于，所述超聲換能器陣列(9)，為由相同頻響性能的換能器單元組陣，或為將音頻頻帶劃分成多個子帶，按照各子帶的頻率范圍選擇適合的換能器單元實現(xiàn)各子帶上的組陣； 換能器單元組陣的排列為適合于實際應(yīng)用 需求的陣列形狀。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于多比特∑-Δ調(diào)制的全數(shù)字化超指向性揚(yáng)聲器系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括一音源、一數(shù)字輸入接口、一載波調(diào)制器、一插值濾波器、一∑-Δ調(diào)制器、一溫度計編碼器、一動態(tài)失配整形器、一多通道數(shù)字功放和一超聲換能器陣列。本發(fā)明實現(xiàn)了系統(tǒng)信號傳輸鏈路的全數(shù)字化，便于進(jìn)行高度集成化設(shè)計，縮減了系統(tǒng)體積、功耗，降低系統(tǒng)制作復(fù)雜度和成本，提高了系統(tǒng)電聲轉(zhuǎn)換效率，具有極低的電磁輻射水平同時也具有較好的抗干擾能力，系統(tǒng)能夠很好的降低解調(diào)聲源信號的諧波失真水平，大幅度提升傳送信息的可懂度及音質(zhì)水平。本發(fā)明具有較好的聲場控制能力，為語音的私密傳輸提供了一種較好的實現(xiàn)方式，同時能夠更好的適合數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)化的發(fā)展需求。
文檔編號H04R3/00GK103167380SQ20111041500
公開日2013年6月19日 申請日期2011年12月13日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月13日
發(fā)明者馬登永, 蔡野鋒, 楊軍 申請人:中國科學(xué)院聲學(xué)研究所