专利名称：数字化扬声器阵列系统的通道均衡与波束控制方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种通道均衡与波束控制的方法和装置，特别涉及一种数字化扬声器阵列系统的通道均衡与波束控制方法和装置。
背景技术：
随着大规模集成电路和数字化技术的蓬勃发展，传统的模拟扬声器系统在功耗、体积、重量和信号传输、存储、处理等方面的固有缺陷越来越明显，为了克服这些缺陷，扬声器系统的研发逐渐向低功耗、小外形、数字化与集成化的方向发展。随着基于 PWM调制技术的class-AD型数字功放的出现，扬声器系统的数字化进程已经推进到功放环节，但是在数字功放后级仍然需要借助体积较大、成本较贵的高质量电感和电容进行无源的模拟低通滤波操作来消除高频载波分量，以便解调出原模拟信号。为了缩减数字功放的体积和成本，实现更高程度的集成化，美国专利(专利号为US 20060049889A1、 US 20090161880A1)公开了基于PWM调制技术和class_BD功放技术的数字化扬声器系统的实现方法。但是这种基于PWM调制技术的数字化扬声器系统有两个缺点 ①基于PWM调制技术的编码方式，因其调制结构本身具有固有的非线性缺陷，这会造成编码信号在期望频带内产生非线性失真分量，如果进一步采用线性化手段进行改善的话，其调制方式的实现难度和复杂度将会大幅度提高。②鉴于硬件实现难度，PWM调制方式本身的过采样频率较低，一般在200 KHz 400 KHz的频率范围内，这会使得编码信号的信噪比因受过采样率的限制而不能得到进一步提升。针对PWM调制技术在数字化扬声器系统实现方面存在的非线性失真和过采样速率较低的缺陷，并结合系统整个信号传输链路的全数字化要求，中国专利CN 101803401A 公开了一种基于多比特Σ -Δ调制的数字化扬声器系统，通过多比特Σ -Δ调制和温度计编码技术将高比特的PCM码转换为一元码矢量，作为控制扬声器阵列开关动作的控制矢量，并通过动态失配整形技术，消除了由阵元频响差异所引入的空域合成信号中的高次谐波分量；该专利虽然实现了系统整个信号传输链路的全数字化，并依靠动态失配整形技术， 减少了空域合成信号的总谐波失真比，但是这种动态失配整形技术对通道音频带内的频响起伏并没有均衡作用，因此，这种各通道音频带内频响起伏会引起系统还原信号频谱与音源信号真实频谱存在较大偏差，从而造成还原声场与真实声场的较大差异，使得数字重放系统不能真实的再现原来音源的真实声场效果。另外，这种各通道的音频带内频响起伏也会引起各种自适应的阵列波束形成算法的稳定性变差，收敛速度变慢，造成自适应阵列波束形成算法的鲁棒性变差。目前中国专利CN 101803401Α所公开的基于通道延时调整的波束导向方法，仅调整了阵列各通道传输信号的相位信息，并没有考虑各通道传输信号的幅度调整，属于一种较为简单的波束形成方法，其所产生的波束控制能力较弱，仅在接近自由场的环境中具有一定的波束导向能力，在某些应用场合，当需要数字系统产生多个指向性波束时，这种基于延时控制的方法将无法完成多个波束的导向控制。另外，在实际应用环境中，经常会存在较多的散射边界，使得传播信号除了直达声之外还包含有较为丰富的多径散射信号，在这种多径散射较为明显的混响环境中，仅依赖通道延时控制的导向方法，无法取得较好的波束指向控制，因此针对混响环境下数字扬声器阵列的波束指向性控制问题，需要寻找具有抗混响能力的复杂波束形成方法，对各通道的传输信号同时进行幅度和相位调整，从而达到期望的声场控制效果。目前，基于多比特Σ -Δ调制的数字化阵列系统，都是依赖于失配整形技术消除多通道之间的频响差异性，但是这种通道频响差异校正方法，仅适用于少量频响偏差的情况，并且对相位偏差的校正能力非常弱；另外，失配整形技术对各通道自身的音频带内频响起伏并不能起到均衡作用，而这些通道本身的频响起伏性会带来还原声场的音色成份发生改变，难于保证声场的完整恢复。传统的数字化扬声器阵列所采用波束控制方法是较为简单的通道延时控制方法，这种方法仅适用于理想的自由声场环境，而当声场因反射或散射效应出现较为丰富的多径干扰时，这种方法将不再适用。在某些应用场合，当需要阵列产生多个指向性波束，这种基于延时控制的方法将无法获得多个波束的声场控制效果。针对现有的基于多比特Σ -Δ调制的数字化扬声器阵列系统在通道均衡和波束控制方面存在的缺陷，需要寻找更为有效的通道均衡和波束控制方法，以满足基于多比特 Σ -Δ调制的数字化扬声器阵列系统在频带平坦和波束指向方面的应用需求，并制作具有通道均衡功能和波束控制功能的数字化扬声器阵列系统装置。
发明内容
本发明的目的是克服现有数字化系统在通道均衡方面的不足，提出了一种数字化扬声器阵列系统的通道均衡与波束控制方法以及具有通道均衡和波束控制功能的数字化扬声器系统装置。为了达到上述目的，本发明一方面提供一种数字化扬声器阵列系统的通道均衡与波束控制方法，包括如下步骤
(1)数字格式转换，将信号转换为基于PCM编码的数字信号；
(2)通道均衡处理；
(3)控制波束形成；
(4)多比特Σ-Δ调制；
(5)温度计编码转换，将位宽为I的低比特PCM编码信号转换为对应于个通道的数字功放和换能器负载的一元码矢量；
(6)动态失配整形处理，对温度计编码矢量进行重新排序；
(7)抽取通道信息，送至数字功放驱动负载发声。进一步地，步骤1)中所述数字格式转换分为模拟和数字信号两种情况，针对模拟信号情况，首先需要经过模数转换操作，转换为基于PCM编码的数字信号，然后按照指定位宽和采样率的参数要求进行变换，转换为满足参数要求的PCM编码信号；针对数字信号情况，仅需要按照指定位宽和采样率的参数要求进行变换，转换为满足参数要求的PCM编码信号。进一步地，步骤2)中所述通道均衡处理，其均衡器的参数可以按照测量方法获
取。假定阵元数量为N,期望位置区域的测量点数量为Μ,阵元发射白噪声信号4)，通过在测量点获取接收信号r幻，计算出阵元通道到期望测量位置点的冲激响应hy，其中i为对第i个阵元的索引号，J·为期望区域内第J·个测量点位置的索引号；假定第i个阵元到所
有测量点的冲激响应！^‘.⑶都已经计算出来，可以根据加权拟合的方法获得第i个阵元
到期望区域的平均冲激响应&,其中为第7个阵元到第J个测量点的频响加
权矢量；然后再根据逆旅波器的估计算法，计算出平均冲激响应Ili的逆滤波器响应if1 ；最
后选取第一个阵元到期望位置区域的平均冲激响应k与其逆滤波器响应if1的卷积结果
作为参考矢量 , 二 Μ ^ 1，那么通过设置补偿因子K ,使其他剩余阵元通道的逆滤波器响
应Sf1 (2<I AV)在经过补偿后，其补偿结果SiZ1 = Ii广Sr1与平均冲激响应^的卷积结果
hKr = hi 与参考矢量]^完全相同，从而获得均衡器的响应矢量为
权利要求
1.一种数字化扬声器阵列系统的通道均衡与波束控制方法，包括如下步骤1)数字格式转换，将信号转换为基于PCM编码的数字信号；2)通道均衡处理；3)控制波束形成；4)多比特Σ-Δ调制；5)温度计编码转换，将位宽为I的低比特PCM编码信号转换为对应于个通道的数字功放和换能器负载的一元码矢量；6)动态失配整形处理，对温度计编码矢量进行重新排序；7)抽取通道信息，送至数字功放驱动负载发声。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于当步骤1)中所述的数字格式转换针对模拟信号时，首先经过模数转换操作，转换为基于PCM编码的数字信号，然后按照指定位宽和采样率的参数要求进行变换，转换为满足参数要求的PCM编码信号。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于当步骤1)中所述的数字格式转换针对数字信号时，按照指定位宽和采样率的参数要求进行变换，转换为满足参数要求的PCM编码信号。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于步骤2)中所述的通道均衡处理，其均衡器的参数按照测量和计算获取。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于步骤3)中所述的控制波束形成，其波束形成器的通道权系数按照常规波束形成的设计方法进行计算，计算公式为式(I )
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于步骤4)中所述的多比特Σ-△调制，其处理过程如下首先，通过插值滤波器，将均衡处理后的高比特PCM编码按照指定的过采样因数进行插值滤波处理，获得过采样的PCM编码信号；然后，进行Σ-Δ调制处理，将音频带宽范围内的噪声能量推挤到音频带之外，原高比特PCM码变换为低比特PCM码。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于步骤4)中所述的多比特Σ-Δ调制采用高阶单级串行调制方法或者多级并行调制方法，对插值滤波器输出的过采样信号进行噪声整形处理，将噪声能量推挤到音频带之外。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于步骤5)中所述的一元码矢量的每个数位上的编码会送到相应的数字通道上，其各数位上的编码，在任意时刻仅有“0”和“ 1 ”两种电平状态，在“0”状态时，换能器负载被关断，在“ 1”状态时，换能器负载被开通。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤6)中所述的动态失配整形处理，采用包括 DWA (Data-Weighted Averaging) > VFMS (Vector-Feedback mismatch-shaping )禾口 / 或TSMS(Tree-Structure mismatch shaping)整形算法，将由阵元之间频响差异引入的非线性谐波失真频谱进行整形操作，压低带内谐波失真成份的强度，将其功率推挤到带外高频段。
10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于步骤7)中所述的通道信息抽取，对各通道执行编码信息分配操作，其信号处理过程如下，首先，各通道的动态失配器进行动态失配整形处理，经整形处理后，获得了位序更新的整形矢量；然后按照特定的抽取选择准则， 从每个通道的整形矢量的夕个数位中，选取一个指定的数位编码作为该通道的输出编码， 为保证信息的完整还原，各通道选取的数位位次不能存在重复，且所有的夕个通道选取的数位位次完全包含了 1到夕个数位位次。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于在通道信息抽取选择过程中，按照第i 个通道从其整形矢量中选取第i个数位编码信息的简单准则进行数位选取操作。
12.根据权利要求1所述的方法，其特征在于步骤7)中所述的负载为多个扬声器单元组成的数字化扬声器阵列，或者为具有多个音圈绕组的扬声器单元，或者为多个多音圈扬声器单元组成的数字扬声器阵列。
13.一种具有通道均衡和波束控制功能的数字化扬声器阵列系统装置，其特征在于包括一音源(1)，是系统待播放的信息；一数字转换器(2)，其与所述的音源(1)的输出端相连接，用于将输入信号转换为位宽为从采样率为/；的高比特PCM编码信号；一通道均衡器(3)，其与所述的数字转换器(2)的输出端相连接，用于对各通道频响进行逆滤波均衡操作，消除通道频响的带内起伏；一波束形成器(4)，其与所述的通道均衡器(3)的输出端相连接，用于控制扬声器阵列波束的空域辐射形状，产生如3D立体声场、虚拟环绕声场、指向性声场等声场分布特性，以达到特殊声效播放的目的；一Σ -Δ调制器(5)，其与所述的波束形成器(4)的输出端相连接，用于完成过采样插值滤波和多比特Σ -Δ编码调制处理，获得位宽缩减的低比特PCM编码信号；一温度计编码器(6)，其与所述的Σ-Δ调制器(5)的输出端相连接，用于将低比特PCM 编码信号转换为与系统数字通道数相等的一元码矢量，以用于数字化通道开关的控制矢量；一动态失配整形器(7)，其与所述的温度计编码器(6)的输出端相连接，用于消除由阵元之间频响差异引入的空域合成信号的非线性谐波失真分量，压低音频带内谐波失真成份的强度，将这些谐频成份的功率推挤到带外高频段，从而降低了带内的谐波失真强度，提高了Σ-Δ编码信号的音质水平；一抽取选择器(8)，其与所述的动态失配整形器(7)的输出端相连接，用于从各通道的整形矢量中，抽取特定的数位编码信息，用于控制该通道进行开通/关断动作的控制信息；一多通道数字功放(9)，其与所述的抽取选择器(8)的输出端相连接，用于将各通道的控制编码信号进行功率放大，用于驱动后级数字化负载进行开通/关断；一数字化阵列负载(10)，其与所述的多通道数字功放(9)的输出端相连接，用于完成电声转换，将数字化的开关电信号转换为模拟格式的空气振动信号。
14.根据权利要求13所述的装置，其特征在于所述的音源(1)为模拟信号或者数字编码信号。
15.根据权利要求13所述的装置，其特征在于所述的数字转换器(2)包含模数转换器、USB、LAN、COM等数字接口电路和接口协议程序。
16.根据权利要求13所述的装置，其特征在于所述通道均衡器(3)在时域或者频域内按照逆滤波的响应参数进行均衡操作，消除各通道音频带内的频响起伏，并校正各通道的频响差异。
17.根据权利要求13所述的装置，其特征在于所述的波束形成器(4)利用所设计的加权矢量，对各通道传输信号进行加权处理，调整其幅度和相位信息。
18.根据权利要求13所述的装置，其特征在于所述的Σ-Δ调制器(5)，其信号处理过程如下首先，将原来位宽为#、采样率为/；的PCM编码按过采样因子 > 进行过采样的插值滤波处理，获得位宽为从采样率为㈱乂,的PCM编码信号；然后按照多比特Σ -Δ调制方式，将位宽为#的过采样PCM编码信号转换成位宽为if i.M<N)的低比特PCM编码信号。
19.根据权利要求12所述一种具有通道均衡和波束控制功能的数字化扬声器阵列系统装置，其特征在于，所述的Σ -Δ调制器(5)，按照高阶单级串行调制器结构或者多级并行的调制器结构，对插值滤波输出的过采样信号进行噪声整形处理，将噪声能量推挤到音频带之外。
20.根据权利要求13所述的装置，其特征在于所述的温度计编码器(6)将位宽为I 的低比特PCM编码信号转换为对应于2μ个通道的数字功放和换能器负载的一元码信号矢量，该一元码矢量的每个数位编码信息分配到一个对应的数字化通道上，以将换能器负载纳入到信号编码流程中，对换能器负载的数字化编码和数字式开关控制。
21.根据权利要求13所述的装置，其特征在于所述的动态失配整形器(7)采用 DWA(Data-Weighted Averaging) > VFMS (Vector-Feedback mismatch-shaping )禾口 / 或 TSMS(Tree-Structure mismatch shaping)整形算法，将由阵元之间频响差异引入的非线性谐波失真频谱进行整形操作，压低带内谐波失真成份的强度，将其功率推挤到带外高频段，降低带内的谐波失真强度。
22.根据权利要求13所述的装置，其特征在于所述的抽取选择器(8)按照特定的抽取准则，将从个数字通道的每个通道整形矢量中，抽取一个数位信息，作为该通道的输出编码信息，用于控制后级的换能器负载进行开通/关断动作。
23.根据权利要求13所述的装置，其特征在于，所述的多通道数字功放(9)将抽取选择器(8)输出的开关信号送至全桥式功放电路的MOSFET管栅极端，通过控制MOSFET管的导通与关断来控制功率电源到负载供电的开通与关断。
24.根据权利要求13所述的装置，其特征在于所述的数字化阵列负载(10)，为多个扬声器单元组成的数字化阵列，其每个数字通道由单个或者多个扬声器单元组成；或者为多个音圈的扬声器单元，其每个数字通道由单个或者多个音圈组成；或者为多音圈扬声器组成的阵列其每个数字通道由多个音圈和多个扬声器单元组合而成。
25.根据权利要求13或M所述的装置，其特征在于所述的数字化阵列负载(10)的阵列形状，根据换能器单元数量和实际应用需求进行排列。
全文摘要
本发明公开了一种数字化扬声器阵列系统的通道均衡与波束控制方法和装置。该方法包括1)数字格式转换；2)通道均衡处理；3)波束形成控制；4)多比特∑-Δ调制；5)温度计编码转换；6)动态失配整形处理；7)通道信息抽取，送至数字功放驱动阵列发声。该装置包括一音源、一数字转换器、一通道均衡器、一波束形成器、一∑-Δ调制器、一温度计编码器、一动态失配整形器、一抽取选择器、一多通道数字功放、一扬声器阵列；各单元依次顺序连接。本发明实现了系统的全数字化，缩减了其体积、功耗、成本，提高了其电声转换效率和抗干扰能力，改善了系统可听声频带内频响平坦程度，实现了数字阵列的波束指向控制，为特殊声效的生成提供了有效的实现途径。
文档编号H04R1/00GK102404672SQ201110331100
公开日2012年4月4日 申请日期2011年10月27日 优先权日2011年10月27日
发明者马登永 申请人:苏州上声电子有限公司