專利名稱：一種定向揚聲器及其信號處理方法
技術領域：
本發(fā)明涉及聲場控制技術領域，特別涉及一種定向揚聲器及其信號處理方法，可用于需要進行定向聲傳輸?shù)膱龊稀?br> 背景技術：
定向揚聲器是基于參量陣原理，將音頻信號調(diào)制到超聲載波上，通過非線性作用下的自解調(diào)過程，產(chǎn)生具有高度指向性的可聽聲。近年來聲學界對該領域的深入研究源于以下幾個應用背景:(I)在公共場所單獨享受音樂；如:在一個使用電腦的辦公區(qū)，采用聲束揚聲器，電腦員就可以不用配戴耳機聽音樂，同時又不會影響其他同事的工作。(2)帶聲音提示的自動設備。一些如ATM提款機、投票站等自動設備，可以為使用者提供高度保密的語音提示。(3)對博物館陳列展品解說；在陳列中，聲音宣傳是必不可少的手段，但由于陳列展品數(shù)目眾多而且地方空間有限，如果使用普通的音箱，各個聲音之間必然會相互干擾嘈雜，而采用定向揚聲器播放聲音能使各區(qū)互不干擾。定向揚聲器系統(tǒng)包括預處理模塊和信號調(diào)制模塊兩部分。影響定向揚聲器性能的一個重要問題是其存在非線性失真。有研究表明，當定向揚聲器中超聲換能器陣的輸入信號包絡平方與原始信號相同時，非線性失真將大大減小。預處理模塊就是根據(jù)這一原理計算出原始信號對應的無失真信號，使其調(diào)制后的信號包絡滿足無失真要求。而信號調(diào)制模塊用于把音頻信號調(diào)制到超聲載波上。目前定向揚聲器系統(tǒng)中預處理模塊和信號調(diào)制模塊都是在同一采樣頻率下進行。為了使得超聲載波滿足采樣定理，采樣頻率通常需要選擇較高，這使得預處理模塊中的操作需要較大的存儲空間和計算復雜度，提高了系統(tǒng)實現(xiàn)的硬件成本。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的在于，提供一種定向揚聲器及其信號處理方法，以解決現(xiàn)有技術方案存在問題，在減小系統(tǒng)復雜度的同時減低數(shù)據(jù)存儲空間。為實現(xiàn)上述的發(fā)明目的之一，本發(fā)明提供了一種定向揚聲器，包括:預處理模塊和信號調(diào)制模塊，其特征在于，所述的預處理模塊包括:無失真信號生成單元和逆濾波器；所述的無失真信號生成單元，用于通過迭代算法生成與音頻輸入信號對應的無失
真號；所述的逆濾波器，在超聲采樣頻率下，測量超聲換能器陣的頻率響應，將超聲換能器陣的頻率響應折疊為在音頻采樣率下的頻率響應，并根據(jù)音頻采樣率下的頻率響應設計逆濾波器系數(shù)；上述的無失真信號再經(jīng)由逆濾波器在音頻采樣頻率下進行濾波輸出；所述的信號調(diào)制模塊包括:插零升采樣處理單元、帶通濾波器和DA轉(zhuǎn)換單元；所述的插零升采樣處理單元，用于對預處理模塊輸出的信號進行插零升采樣處理；所述的升采樣率由超聲采樣率和音頻采樣率的比值M決定；
所述的帶通濾波器，用于對升采樣后的信號進行單邊帶調(diào)制處理；所述的帶通濾波器的帶寬與輸入音頻信號帶寬相同；對于下邊帶調(diào)制，其中心頻率為超聲載波頻率減去音頻信號帶寬；對于上邊帶調(diào)制，其中心頻率為超聲載波頻率加上音頻信號帶寬；所述的DA轉(zhuǎn)換單元，用于對帶通濾波器濾波輸出的信號進行DA轉(zhuǎn)換后輸出到功率放大器饋給超聲換能器發(fā)射。作為上述技術方案的一種改進，所述的無失真信號生成單元采用FIR濾波器或者IIR濾波器實現(xiàn)。為實現(xiàn)上述的發(fā)明目的之一，一種定向揚聲器的信號處理方法，該方法在音頻米樣頻率下進行預處理，再通過信號調(diào)制模塊完成音頻采樣頻率到超聲采樣頻率的升采樣和單邊帶調(diào)制，產(chǎn)生定向揚聲器輸入信號。作為上述技術方案的一種改進，所述的方法包括步驟:預處理的步驟:(I)輸入端語音信號首先經(jīng)由迭代計算，使輸出的信號滿足無失真條件；(2)處理后的信號經(jīng)由逆濾波器彌補換能器頻率響應的影響；信號調(diào)制的步驟:(3)對預處理模塊的輸出數(shù)據(jù)進行插零升采樣；(4)升采樣后信號經(jīng)由帶通濾波器濾波輸出；(5)濾波輸出信號經(jīng)由DA轉(zhuǎn)換、功率放大器饋給超聲換能器陣作為輸入信號。

作為上述技術方案的一種改進，所述的步驟(I)中，假設原始語音信號為s (η)，通過無失真信號生成單元采用不動點迭代法得到無失真信號V (η)。作為上述技術方案的一種改進，所述的步驟(2)包括:(21)逆濾波器在超聲采樣頻率下，測量超聲換能器陣的頻率響應H(f)，(22)將超聲換能器陣的頻率響應H (f)折疊為在音頻采樣率下的頻率響應:H' (f) = H(fa-f)0 < f < fa/2，其中 fa 為音頻采樣率(23)并根據(jù)音頻采樣率下的頻率響應設計逆濾波器系數(shù)w (η):即根據(jù)逆濾波器的頻率響應:ff(f) = 1/H' (f) θ- *2^ Δ ο < f < fa其中，Δ為固定延遲，通常取值為0.5 ;采用濾波器設計技術得到在音頻采樣頻率下的逆濾波器系數(shù)w (η)；最終，無失真信號ν(η)經(jīng)由逆濾波器w(n)在較低的音頻采樣頻率下進行濾波，得到預處理模塊的輸出信號X (η)。作為上述技術方案的一種改進，所述的步驟(3)對預處理模塊的輸出信號X (η)進
行補零插值升采樣:
m-An
H。其他；式中，(m)為輸出后的高采樣信號，m，η分別表示超聲采用率和音頻采樣率下的采樣點。作為上述技術方案的一種改進，所述的步驟(4)通過帶通濾波器把升采樣后的信號V (m)進行單邊帶調(diào)制處理后，輸出信號d(m);所述的帶通濾波器的帶寬與輸入音頻信號帶寬相同；對于下邊帶調(diào)制，其中心頻率為超聲載波頻率減去音頻信號帶寬；對于上邊帶調(diào)制，其中心頻率為超聲載波頻率加上音頻信號帶寬。本發(fā)明的優(yōu)點在于，本發(fā)明的定向揚聲器及其信號處理方法，采用多速率采樣技術，使得預處理模塊在較低的音頻采樣下進行操作，從而大大減小了系統(tǒng)復雜度。具有如下優(yōu)點:對于預處理模塊通過離線方式完成的系統(tǒng)，無失真信號生成單元直接通過離線方式完成，生成數(shù)據(jù)存入媒質(zhì)。信號調(diào)制模塊實時完成。對于以往的無失真信號生成單元，其輸出信號工作在超聲采樣頻率。而本發(fā)明提出的無失真信號生成單元，其輸出信號工作在音頻采樣頻率。因此，本發(fā)明所需的數(shù)據(jù)存儲量僅為以往方法的1/M;對于預處理模塊通過實時方式完成的系統(tǒng)，由于無失真信號生成單元工作在音頻采樣頻率，所需希爾伯特變換和逆濾波器階數(shù)僅為以往方法的1/M，因此大大減小了系統(tǒng)復雜度和硬件成本。


圖1是本發(fā)明的定向揚聲器的一具體實施例的示意框圖；圖2是本發(fā)明定向揚聲器信號處理方法的一實施例中的原始信號頻譜；圖3是本發(fā)明定向揚聲器信號處理方法的一實施例中的無失真信號頻譜；圖4是本發(fā)明定向揚聲器信號處理方法的實施例中的超聲換能器陣的頻率響應；圖5是本發(fā)明的定向揚聲器信號處理方法的一實施例中的折疊后對應的音頻采樣頻率下的頻率響應；圖6是本發(fā)明的定向揚聲器信號處理方法的一實施例中的逆濾波器的頻率響應；圖7是本發(fā)明的定向揚聲器信號處理方法的一實施例中的預處理模塊輸出信號頻譜；圖8是本發(fā)明的定向揚聲器信號處理方法的一實施例中的預處理模塊輸出信號經(jīng)由插零升采樣后的頻譜；圖9是本發(fā)明的定向揚聲器信號處理方法的一實施例中的信號調(diào)制模塊輸出信號頻譜；圖10是本發(fā)明的定向揚聲器信號處理方法的一實施例中的在目標區(qū)域接收到信號頻譜。
具體實施例方式為了更好地理解本發(fā)明的技術方案，以下結(jié)合附圖對本發(fā)明的實施步驟做進一步的描述。本發(fā)明的定向揚聲器的信號處理方法，包括以下步驟:1、預處理模塊，用于減小定向揚聲器非線性失真，在低的音頻采樣頻率下完成；2、信號調(diào)制模塊，完成音頻采樣頻率到超聲采樣頻率轉(zhuǎn)換和單邊帶調(diào)制，產(chǎn)生定向揚聲器輸入信號。所述步驟I中的預處理模塊具體包括如下的步驟:
11、通過不動點迭代法求解音頻輸入信號對應的無失真信號；12、無失真信號再經(jīng)由逆濾波器濾波輸出；所述步驟12中，逆濾波器系數(shù)獲取具體包括以下步驟:121、在超聲采樣頻率下，測量超聲換能器陣的頻率響應；122、將位于超聲載波附近的頻率響應折疊為在音頻采樣率下的頻率響應；123、根據(jù)音頻采樣率下的頻率響應設計逆濾波器系數(shù)。所述步驟2中的信號調(diào)制模塊具體包括如下的步驟:21、預處理模塊輸出信號進行插零升采樣操作，升采樣率由音頻采樣率和超聲采樣率關系決定；22、升采樣后的信號經(jīng)由帶通濾波器濾波，濾波輸出信號經(jīng)由DA轉(zhuǎn)換、功率放大器饋給超聲換能器發(fā)射。所述步驟22中帶通濾波器帶寬與輸入音頻信號帶寬相同；對于下邊帶調(diào)制，其中心頻率為超聲載波頻率減去音頻信號帶寬；對于上邊帶調(diào)制，其中心頻率為超聲載波頻率加上音頻信號帶寬。

本發(fā)明的總體實現(xiàn)是使得預處理模塊和信號調(diào)制模塊在不同采樣頻率下完成。預處理模塊在較低的音頻采樣頻率下進行，以減小系統(tǒng)所需存儲量及算法復雜度。信號調(diào)制模塊完成升采樣和單邊帶調(diào)制。以下將參考附圖1對本發(fā)明的一實施例進行說明。在如下的具體實施例介紹中，原始語音的采樣頻率為40KHz，超聲信號的采樣頻率為160kHz，采用下邊帶調(diào)制。假設原始語音信號為s (η)，工作在40ΚΗΖ頻率下，采用不動點迭代法求解出無失真信號:
for( k=l;k<N;k++)
{
y(n)=hilbert(q(n)); e(n)=-m/2 * ab s(y (η)).A2+s(n); q(n)=e(n);
}
v(n)=l+mq(n);其中，hilbert(q(n))表示序列，q(n)的希爾伯特變換,可采用FIR濾波器或者IIR濾波器實現(xiàn)，m = 0.9為單邊帶調(diào)制系數(shù)，N= 20表示迭代次數(shù)。V (η)為得到的無失真信號，假設原始語音信號為IKHz和4ΚΗζ的兩單頻信號，頻譜如圖2所示，其對應的無失真信號V (η)的功率譜如圖3所示。在超聲采樣頻率160ΚΗΖ下，測得超聲換能器陣的在20ΚΗζ到40ΚΗζ頻率響應為H(f)，如圖4所示，折疊至音頻采樣頻率為:H' (f) = H(40000-f)0 < f < 20000 ；
如圖5所示，計算出逆濾波器的頻率響應為:ff(f) = 1/H' (f) θ- *2^ Δ ο < f < 20000 ；其中，Λ =0.05為固定延遲，如圖6所示。根據(jù)逆濾波器頻率響應，采用濾波器設計技術得到在音頻采樣頻率下的逆濾波器系數(shù)w (η),可采用matlab函數(shù)invfreqz實現(xiàn)，逆濾波器為2000階FIR濾波器。把無失真信號v(n)經(jīng)由逆濾波器w(n)濾波得到預處理模塊輸出信號χ(η)，信號頻譜如圖7所示。對預處理模塊輸出信號χ (η)進行補零插值升采樣
權利要求
1.一種定向揚聲器，包括:預處理模塊和信號調(diào)制模塊，其特征在于， 所述的預處理模塊包括:無失真信號生成單元和逆濾波器； 所述的無失真信號生成單元，用于通過迭代算法生成與音頻輸入信號對應的無失真信號; 所述的逆濾波器，在超聲采樣頻率下，測量超聲換能器陣的頻率響應，將超聲換能器陣的頻率響應折疊為在音頻采樣率下的頻率響應，并根據(jù)音頻采樣率下的頻率響應設計逆濾波器系數(shù)；上述的無失真信號再經(jīng)由逆濾波器在音頻采樣頻率下進行濾波輸出； 所述的信號調(diào)制模塊包括:插零升采樣處理單元、帶通濾波器和DA轉(zhuǎn)換單元； 所述的插零升采樣處理單元，用于對預處理模塊輸出的信號進行插零升采樣處理；所述的升采樣率為超聲采樣率和音頻采樣率的比值M ; 所述的帶通濾波器，用于對升采樣后的信號進行單邊帶調(diào)制處理；所述的帶通濾波器的帶寬與輸入音頻信號帶寬相同；對于下邊帶調(diào)制，其中心頻率為超聲載波頻率減去音頻信號帶寬；對于上邊帶調(diào)制，其中心頻率為超聲載波頻率加上音頻信號帶寬； 所述的DA轉(zhuǎn)換單元，用于對帶通濾波器濾波輸出的信號進行DA轉(zhuǎn)換后輸出到功率放大器饋給超聲換能器發(fā)射。
2.根據(jù)權利要求1所述的定向揚聲器，其特征在于，所述的無失真信號生成單元采用FIR濾波器或者IIR濾波器實現(xiàn)。
3.一種定向揚聲器的信號處理方法，該方法在音頻采樣頻率下進行預處理，再通過信號調(diào)制模塊完成音頻采樣頻率到超聲采樣頻率的升采樣和單邊帶調(diào)制，產(chǎn)生定向揚聲器輸入信號。
4.根據(jù)權利要求3所述的定向揚聲器的信號處理方法，其特征在于，所述的方法包括步驟: 預處理的步驟: (1)輸入端語音信號首先經(jīng)由迭代計算，使輸出的信號滿足無失真條件； (2)處理后的信號經(jīng)由逆濾波器彌補換能器頻率響應的影響； 信號調(diào)制的步驟: (3)對預處理模塊的輸出數(shù)據(jù)進行插零升采樣； (4)升采樣后信號經(jīng)由帶通濾波器濾波輸出； (5)濾波輸出信號經(jīng)由DA轉(zhuǎn)換、功率放大器饋給超聲換能器陣作為輸入信號。
5.根據(jù)權利要求4所述的定向揚聲器的信號處理方法，其特征在于，所述的步驟(I)中，假設原始語音信號為s (η)，通過無失真信號生成單元采用不動點迭代法得到無失真信號 V (η)。
6.根據(jù)權利要求5所述的定向揚聲器的信號處理方法，其特征在于，所述的步驟(2)包括: (21)逆濾波器在超聲采樣頻率下，測量超聲換能器陣的頻率響應H(f)， (22)將超聲換能器陣的頻率響應H(f)折疊為在音頻采樣率下的頻率響應:Η'(f)=H(fa-f)0 <f < fa/2，其中fa為音頻采樣率； (23)并根據(jù)音頻采樣率下的頻率響應設計逆濾波器系數(shù)w(η): 即根據(jù)逆濾波器的頻率響應:
7.根據(jù)權利要求6所述的定向揚聲器的信號處理方法，其特征在于，所述的步驟(3)對預處理模塊的輸出信號X (η)進行補零插值升采樣:
8.根據(jù)權利要求7所述的定向揚聲器的信號處理方法，其特征在于，所述的步驟(4)通過帶通濾波器把升采樣后的信號V (m)進行單邊帶調(diào)制處理后，輸出信號d(m);所述的帶通濾波器的帶寬與輸入音頻信號帶寬相同；對于下邊帶調(diào)制，其中心頻率為超聲載波頻率減去音頻信號帶寬；對于上邊帶調(diào)制，其中心頻率為超聲載波頻率加上音頻信號帶寬。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種定向揚聲器及其信號處理方法，定向揚聲器包括預處理模塊和信號調(diào)制模塊，所述的預處理模塊包括無失真信號生成單元和逆濾波器；所述的信號調(diào)制模塊包括插零升采樣處理單元、帶通濾波器和DA轉(zhuǎn)換單元；該方法在音頻采樣頻率下進行預處理，再通過信號調(diào)制模塊完成音頻采樣頻率到超聲采樣頻率的升采樣和單邊帶調(diào)制，產(chǎn)生定向揚聲器輸入信號。本發(fā)明采用多速率采樣技術，使得預處理模塊在較低的音頻采樣下進行操作，從而大大減小了系統(tǒng)復雜度。
文檔編號H04R1/32GK103167376SQ20111041410
公開日2013年6月19日 申請日期2011年12月13日 優(yōu)先權日2011年12月13日
發(fā)明者吳鳴, 楊軍 申請人:中國科學院聲學研究所