基于調(diào)幅和調(diào)相的數(shù)字揚聲器驅(qū)動方法和裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種數(shù)字揚聲器驅(qū)動方法和裝置，特別涉及一種基于調(diào)幅和調(diào)相的數(shù) 字揚聲器驅(qū)動方法和裝置。
【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)品一一揚聲器系 統(tǒng)的設(shè)計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，隨數(shù)字化浪潮帶 動下產(chǎn)生的半數(shù)字化揚聲器系統(tǒng)，因其采用脈沖寬度調(diào)制（PulseWidthModulation-- PWM)D類功放驅(qū)動技術(shù)，成功解決了功耗和發(fā)熱問題，大幅度提升了整個系統(tǒng)的電聲轉(zhuǎn)換效 率。但是，半數(shù)字化揚聲器系統(tǒng)的后級仍然需要依靠體積龐大的LC低通模擬濾波器，以濾 除數(shù)字脈沖調(diào)制信號的帶外高頻分量，將被調(diào)制的低頻包絡(luò)信號解調(diào)出來，從而完成數(shù)模 轉(zhuǎn)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(shù)字化瓶頸，提高揚聲器系 統(tǒng)的集成化水平，實現(xiàn)揚聲器系統(tǒng)所有信號處理與傳輸環(huán)節(jié)的全部數(shù)字化，需要將揚聲器 單元納入到數(shù)字編碼環(huán)節(jié)中，真正實現(xiàn)揚聲器單元的數(shù)字化編碼，形成數(shù)字化揚聲器系統(tǒng)， 從而最終由揚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)換的物理階段予以實現(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。圍繞著揚聲器單元的數(shù)字化這 一核心問題，近年來國內(nèi)外多家研宄機構(gòu)的學(xué)者們已經(jīng)開展了關(guān)于數(shù)字化編碼調(diào)制、數(shù)字 化功率驅(qū)動和數(shù)字化揚聲器單元制作技術(shù)的較為廣泛而深入的理論和實踐研宄，從而形成 了以數(shù)字化揚聲器系統(tǒng)設(shè)計為研宄方向的全新研宄領(lǐng)域。
[0003] 具有指向性的揚聲器可以應(yīng)用在各種聲學(xué)環(huán)境中，特別是在個人音頻領(lǐng)域，可以 為用戶在不打擾他人的前提下，創(chuàng)造個性化的聆聽空間。而數(shù)字揚聲器由多單元組成，具有 潛在的指向性能力。在文獻"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以較好的解決 此問題，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)字揚聲器單A-E調(diào)制器實現(xiàn)方法，其資源占有量至少提高一個量級，不適 合數(shù)字揚聲器的實際應(yīng)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(xiàn)數(shù)字揚聲器的指向性， 此方法最大的優(yōu)點是實現(xiàn)簡單，占有資源量較少，但是其最大的缺點是只有調(diào)相功能，但是 并沒有調(diào)幅功能，因此旁瓣較高，指向性較弱。在文獻"AHighlyDirectionalSpeaker 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)相功能可以取得更好的指向性。作者的調(diào)幅功能實現(xiàn) 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(shù)的小脈沖，比如第一通道調(diào)幅系數(shù)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，這會突破 功率開關(guān)管的開關(guān)速率上限，從而會使開關(guān)管處于飽和狀態(tài)，引入非線性失真，降低信號質(zhì) 量；（2)、對幅度系數(shù)大小有限制，首先幅度系數(shù)不能過大，否則開關(guān)管失真會過大，其次幅 度系數(shù)只能為整數(shù)，無法實現(xiàn)任意幅度調(diào)相，因此此方法在實際中并不適用。
[0004] 針對現(xiàn)有數(shù)字揚聲器調(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、實現(xiàn)簡單的數(shù)字揚聲器調(diào)幅調(diào)相方法，以實現(xiàn)性能優(yōu)異的指向性效 果，同時資源占有量少。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有數(shù)字揚聲器系統(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] 為了達到上述目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案如下：
[0007] 一種基于調(diào)幅和調(diào)相的數(shù)字揚聲器驅(qū)動方法，如圖1所示，包括如下步驟：
[0008] 1)音源信號經(jīng)調(diào)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(jīng)選擇處理后生成M通道的狀態(tài)矢量信號s；
[0010] 3)狀態(tài)矢量信號S經(jīng)調(diào)幅處理后生成M通道的調(diào)幅矢量信號a;
[0011] 4)調(diào)幅矢量信號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b;
[0012] 5)狀態(tài)矢量信號S經(jīng)調(diào)相處理后生成M通道的驅(qū)動矢量信號P;
[0013] 6)驅(qū)動矢量信號p經(jīng)功率放大驅(qū)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(shù)字編碼信號轉(zhuǎn)換為模擬聲信號。 [0014] 在上述技術(shù)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(qū)間[_L，L]范圍內(nèi)的任一整數(shù)，其中L為整數(shù)且L彡1。
[0015] 在上述技術(shù)方案中，進一步地，步驟1)中所述調(diào)制處理的步驟如下：
[0016] a)將音源信號轉(zhuǎn)化為采樣率為fs、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(chǎn)生采樣率為f。、位寬仍 為N的過采樣的PCM編碼信號，其中f。=OotXfs，OJ%過采樣因子；
[0018] c)將過采樣的PCM編碼信號，經(jīng)多比特A-E調(diào)制處理后生成采樣率仍為f。、量 化電平等級數(shù)為（2L+1)的PCM編碼信號X，其中量化電平等級的數(shù)量滿足條件：（2L+1)〈2n。 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)計方法一一像高階單級 (Higher-OrderSingle-Stage)串行調(diào)制方法或者多級（Multi-Stage(Cascade、MASH))并 行調(diào)制方法一一進行調(diào)制器結(jié)構(gòu)和參數(shù)設(shè)計，實現(xiàn)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(qū)域，保證了調(diào)制后信號在可聽聲頻帶內(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s的表達式如下：
[0020] s= [S1,S2,…，sM]，
[0021] 其中M彡L，第i個通道的狀態(tài)信號為Si,iG{1，2,…，Mhsi的狀態(tài)取值從"-1"、
[0022] 在上述技術(shù)方案中，進一步地，步驟2)中所述選擇處理步驟如下：
[0023]a)設(shè)定M通道的反饋信號矢量為b= [bi，b2，…，bM]，其中h代表第i個通道被 選擇的權(quán)重系數(shù)，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
[0024]b)根據(jù)各通道權(quán)重系數(shù)所處的位次，如果X彡0,將排序后的反饋信號矢量H的 前面X個較大值元素所對應(yīng)通道的輸出狀態(tài)置為"1"，剩余元素所對應(yīng)通道的輸出狀態(tài)置 為如果x〈0,將排序后的反饋信號矢量6的后面-X個較小值元素所對應(yīng)通道的輸出狀 態(tài)置為"-1"，剩余元素所對應(yīng)通道的輸出狀態(tài)置為"0" ；
[0025] 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s。