基于調(diào)幅和調(diào)相的數(shù)字揚(yáng)聲器驅(qū)動(dòng)裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本實(shí)用新型設(shè)及一種數(shù)字揚(yáng)聲器驅(qū)動(dòng)方法和裝置，特別設(shè)及一種基于調(diào)幅和調(diào)相 的數(shù)字揚(yáng)聲器驅(qū)動(dòng)裝置。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著超大規(guī)模集成電路制造技術(shù)的迅速發(fā)展，電聲產(chǎn)業(yè)的主導(dǎo)產(chǎn)品一-揚(yáng)聲器系 統(tǒng)的設(shè)計(jì)與制造逐漸向低功耗、微型化、便攜式的方向發(fā)展。近些年來(lái)，隨數(shù)字化浪潮帶 動(dòng)下產(chǎn)生的半數(shù)字化揚(yáng)聲器系統(tǒng)，因其采用脈沖寬度調(diào)制（PulseWi化hMo化Iation-- PWM)D類功放驅(qū)動(dòng)技術(shù)，成功解決了功耗和發(fā)熱問(wèn)題，大幅度提升了整個(gè)系統(tǒng)的電聲轉(zhuǎn)換效 率。但是，半數(shù)字化揚(yáng)聲器系統(tǒng)的后級(jí)仍然需要依靠體積龐大的LC低通模擬濾波器，W濾 除數(shù)字脈沖調(diào)制信號(hào)的帶外高頻分量，將被調(diào)制的低頻包絡(luò)信號(hào)解調(diào)出來(lái)，從而完成數(shù)模 轉(zhuǎn)換過(guò)程。為了消除模擬LC濾波器的限制，突破揚(yáng)聲器單元的數(shù)字化瓶頸，提高揚(yáng)聲器系 統(tǒng)的集成化水平，實(shí)現(xiàn)揚(yáng)聲器系統(tǒng)所有信號(hào)處理與傳輸環(huán)節(jié)的全部數(shù)字化，需要將揚(yáng)聲器 單元納入到數(shù)字編碼環(huán)節(jié)中，真正實(shí)現(xiàn)揚(yáng)聲器單元的數(shù)字化編碼，形成數(shù)字化揚(yáng)聲器系統(tǒng)， 從而最終由揚(yáng)聲器單元及人耳自身結(jié)構(gòu)的低通濾波特性，完成數(shù)字編碼量到模擬振動(dòng)量的 轉(zhuǎn)換，將數(shù)模轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)移至電聲轉(zhuǎn)換的物理階段予W實(shí)現(xiàn)，從而消除了傳統(tǒng)系統(tǒng)中所包含 的數(shù)模轉(zhuǎn)換器件，避免了數(shù)模轉(zhuǎn)換器所引入的各種電噪聲。圍繞著揚(yáng)聲器單元的數(shù)字化運(yùn) 一核屯、問(wèn)題，近年來(lái)國(guó)內(nèi)外多家研究機(jī)構(gòu)的學(xué)者們已經(jīng)開(kāi)展了關(guān)于數(shù)字化編碼調(diào)制、數(shù)字 化功率驅(qū)動(dòng)和數(shù)字化揚(yáng)聲器單元制作技術(shù)的較為廣泛而深入的理論和實(shí)踐研究，從而形成 了W數(shù)字化揚(yáng)聲器系統(tǒng)設(shè)計(jì)為研究方向的全新研究領(lǐng)域。
[0003] 具有指向性的揚(yáng)聲器可W應(yīng)用在各種聲學(xué)環(huán)境中，特別是在個(gè)人音頻領(lǐng)域，可W 為用戶在不打擾他人的前提下，創(chuàng)造個(gè)性化的聯(lián)聽(tīng)空間。而數(shù)字揚(yáng)聲器由多單元組成，具有 潛在的指向性能力。在文獻(xiàn)"數(shù)字化陣列通道均衡和波束形成算法"（電聲技術(shù)，2012年第 36卷第11期）中，作者采用的基于數(shù)據(jù)抽取的FIR濾波器均衡和波束算法可W較好的解決 此問(wèn)題，但是此方法資源占有量較大，A-E調(diào)制器數(shù)目等于通道數(shù)目，再加FIR濾波器，相 較于一般的數(shù)字揚(yáng)聲器單A-E調(diào)制器實(shí)現(xiàn)方法，其資源占有量至少提高一個(gè)量級(jí)，不適 合數(shù)字揚(yáng)聲器的實(shí)際應(yīng)用。在文獻(xiàn)"Anovelbeam-formingloudspeakersystemusing digitallydrivenspeakersystem"（AudioEng.Soc. 127thConvention,Convention Paper7950,October2009)中，作者提出了采用延遲寄存器來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)字揚(yáng)聲器的指向性， 此方法最大的優(yōu)點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，占有資源量較少，但是其最大的缺點(diǎn)是只有調(diào)相功能，但是 并沒(méi)有調(diào)幅功能，因此旁瓣較高，指向性較弱。在文獻(xiàn)"A化曲IyDirectionalSpeaker withAmplitude-PhaseControlUsingaDigitallyDirect-DrivenSystem" （2014IEEE InternationalConferenceonConsumerElectronics(ICCE))中，作者在調(diào)相功能的基 礎(chǔ)上加入了調(diào)幅功能，相比于只有調(diào)相功能可W取得更好的指向性。作者的調(diào)幅功能實(shí)現(xiàn) 方式為將單脈沖寬度均分為N個(gè)等寬度的小脈沖，對(duì)于每個(gè)通道不同的幅度大小，選擇不 同個(gè)數(shù)的小脈沖，比如第一通道調(diào)幅系數(shù)為4,則選取4個(gè)小脈沖。此方法最主要的缺陷有 兩個(gè)：（I)、將原有脈沖均分為N個(gè)等寬度的小脈沖會(huì)進(jìn)一步提高時(shí)鐘采樣頻率，運(yùn)會(huì)突破 功率開(kāi)關(guān)管的開(kāi)關(guān)速率上限，從而會(huì)使開(kāi)關(guān)管處于飽和狀態(tài)，引入非線性失真，降低信號(hào)質(zhì) 量；（2)、對(duì)幅度系數(shù)大小有限制，首先幅度系數(shù)不能過(guò)大，否則開(kāi)關(guān)管失真會(huì)過(guò)大，其次幅 度系數(shù)只能為整數(shù)，無(wú)法實(shí)現(xiàn)任意幅度調(diào)相，因此此方法在實(shí)際中并不適用。
[0004] 針對(duì)現(xiàn)有數(shù)字揚(yáng)聲器調(diào)幅調(diào)相的缺陷性，并結(jié)合低功耗、數(shù)字化與集成化發(fā)展需 求，需要尋找性能優(yōu)異、實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的數(shù)字揚(yáng)聲器調(diào)幅調(diào)相方法，W實(shí)現(xiàn)性能優(yōu)異的指向性效 果，同時(shí)資源占有量少。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本實(shí)用新型的目的是克服現(xiàn)有數(shù)字揚(yáng)聲器系統(tǒng)中調(diào)幅調(diào)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(dá)到上述目的，本實(shí)用新型采取的技術(shù)方案如下：
[0007] -種基于調(diào)幅和調(diào)相的數(shù)字揚(yáng)聲器驅(qū)動(dòng)方法，如圖1所示，包括如下步驟：
[0008] 1)音源信號(hào)經(jīng)調(diào)制處理后生成（2L+1)個(gè)電平級(jí)的編碼信號(hào)X;
[0009] 2)量化信號(hào)X和M通道反饋矢量信號(hào)b經(jīng)選擇處理后生成M通道的狀態(tài)矢量信號(hào) S；
[0010] 3)狀態(tài)矢量信號(hào)S經(jīng)調(diào)幅處理后生成M通道的調(diào)幅矢量信號(hào)a;
[0011] 4)調(diào)幅矢量信號(hào)a經(jīng)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(hào)b;
[0012] 5)狀態(tài)矢量信號(hào)S經(jīng)調(diào)相處理后生成M通道的驅(qū)動(dòng)矢量信號(hào)P;
[0013] 6)驅(qū)動(dòng)矢量信號(hào)P經(jīng)功率放大驅(qū)動(dòng)多音圈揚(yáng)聲器中的多個(gè)音圈或揚(yáng)聲器陣列中 的多個(gè)揚(yáng)聲器單元，由多音圈揚(yáng)聲器或揚(yáng)聲器陣列將數(shù)字編碼信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬聲信號(hào)。
[0014] 在上述技術(shù)方案中，進(jìn)一步地，步驟1)中所述（2L+1)個(gè)電平級(jí)的量化信號(hào)X，其取 值為區(qū)間[-LL]范圍內(nèi)的任一整數(shù)，其中L為整數(shù)且L> 1。
[0015] 在上述技術(shù)方案中，進(jìn)一步地，步驟1)中所述調(diào)制處理的步驟如下：
[0016] a)將音源信號(hào)轉(zhuǎn)化為采樣率為fg、位寬為N的PCM編碼信號(hào)；
[0017] b)將PCM編碼信號(hào)通過(guò)升采樣的插值低通濾波器處理，產(chǎn)生采樣率為f。、位寬仍 為N的過(guò)采樣的PCM編碼信號(hào)，其中f。= 0Xf,，0J%過(guò)采樣因子；
[0018] C)將過(guò)采樣的PCM編碼信號(hào)，經(jīng)多比特A-E調(diào)制處理后生成采樣率仍為f。、量 化電平等級(jí)數(shù)為（2L+1)的PCM編碼信號(hào)X，其中量化電平等級(jí)的數(shù)量滿足條件：（2L+1)<2W。 多比特A-E調(diào)制處理是按照各種多比特A-E調(diào)制器的設(shè)計(jì)方法一一像高階單級(jí) (Hi曲er-Order Single-Stage)串行調(diào)制方法或者多級(jí)（Multi-Stage Kascade、MASH))并 行調(diào)制方法一一進(jìn)行調(diào)制器結(jié)構(gòu)和參數(shù)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)插值濾波器輸出的過(guò)采樣信號(hào)進(jìn)行噪 聲整形處理，將噪聲能量推擠到可聽(tīng)頻帶之外的區(qū)域，保證了調(diào)制后信號(hào)在可聽(tīng)聲頻帶內(nèi) 具有有足夠高的信噪比。
[0019] 在上述技術(shù)方案中，進(jìn)一步地，步驟2)中所述選擇處理后生成M通道狀態(tài)矢量信 號(hào)S的表達(dá)式如下：
[0020] S= [Si,S2,…，SjJ，
[002。 其中M^L，第i個(gè)通道的狀態(tài)信號(hào)為Si,iG(1，2,…，M}，Si的狀態(tài)取值從"-1"、 "O"、"I"S個(gè)狀態(tài)值中選取且滿足乏>,二.V,. ].=1
[0022] 在上述技術(shù)方案中，進(jìn)一步地，步驟2)中所述選擇處理步驟如下：
[002引 a)設(shè)定M通道的反饋信號(hào)矢量為b=比i，b2,…，bM]，其中bi代表第i個(gè)通道被 選擇的權(quán)重系數(shù)，對(duì)反饋信號(hào)矢量b按照從大到小的順序進(jìn)行排序，生成排序后的反饋信 號(hào)矢量6 = |^1兵.。.,茲1;
[0024]b)根據(jù)各通道權(quán)重系數(shù)霉所處的位次，如果X> 0,將排序后的反饋信號(hào)矢量I的 前面X個(gè)較大值元素所對(duì)應(yīng)通道的輸出狀態(tài)置為"1"，剩余元素所對(duì)應(yīng)通道的輸出狀態(tài)置 為"0";如果x<0,將排序后的反饋信號(hào)矢量常的后面-X個(gè)較小值元素所對(duì)應(yīng)通道的輸出狀 態(tài)置為"-1"，剩余元素所對(duì)應(yīng)通道的輸出狀態(tài)置為"0";
[00巧]C)將經(jīng)選擇處理后所有通道所設(shè)置的輸出狀態(tài)按照從1到M的順序排列生成M通 道狀態(tài)矢量信號(hào)S。
[0026] 在上述技術(shù)方案中，進(jìn)一步地，步驟3)中所述調(diào)幅處理步驟如下：
[0027] a)設(shè)定各通道的幅度向量系數(shù)為C= [Cl,C2,…Cm];
[0028] b)將M通道狀態(tài)矢量信號(hào)S與幅度向量系數(shù)C進(jìn)行標(biāo)量相除，生成調(diào)幅矢量信號(hào) a= [si/ci,S2/C2, ---Sm/cm]O
[0029] 在上述技術(shù)方案中，進(jìn)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(shù)均為
，其中H(Z)是指階數(shù)大于1的高通濾波器的傳遞 函數(shù)。
[0030] 在上述技術(shù)方案中，進(jìn)一步地，步驟5)中所述調(diào)相處理的步驟如下：
[003。a)設(shè)定各個(gè)通道的息延遲時(shí)間為t=扣，t2,…tM];
[00礎(chǔ) 6)轉(zhuǎn)化為整數(shù)延遲為(1 = [^,*/」心2*又」，...山*./:」]，其中1」取最接近的最小 整數(shù)。
[0033] 在上述技術(shù)方案中，進(jìn)一步地，步驟6)中所述功率放大驅(qū)動(dòng)，是指當(dāng)通道輸出狀 態(tài)為"1"時(shí)，揚(yáng)聲器負(fù)載端線上的輸入電壓為V。，當(dāng)通道輸出狀態(tài)為"-1"時(shí)，揚(yáng)聲器負(fù)載端 線上的輸入電壓為-V。，當(dāng)通道輸出狀態(tài)為"0"時(shí)，揚(yáng)聲器負(fù)載端線上的輸入電壓為0,其中 V。是指