專利名稱：揚聲器輸出控制的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及對揚聲器輸出的控制。
背景技術(shù)：
揚聲器發(fā)生故障的一個重要原因是在揚聲器隔膜(diaphragm)位移超出一定極限時產(chǎn)生的機(jī)械缺陷，該極限通常由制造商提供。超出該位移極限或者立即破壞揚聲器，或者可能極大地縮短揚聲器的預(yù)期壽命。此外，既使用小揚聲器又需要高聲音輸出意味著需要響度(loudness)最大化方法，但是提高了超過隔膜位移極限(也稱作“錐形行程(cone excursion)”極限)的風(fēng)險。存在若干限制揚聲器隔膜位移的方法，這些方法可以分為三類。(i)第一類包括用可變截止(cut-off)濾波器(高通濾波器或其他濾波器)來處理輸入信號的方法，其中經(jīng)由反饋回路來控制這些可變截止濾波器的特性。所測量的控制信號稱作位移預(yù)測值。(ii)第二類包括也使用位移預(yù)測值但是將該位移預(yù)測值反饋到輸入信號中的方法。(iii)第三類包括用具有可調(diào)節(jié)增益的帶通濾波器組對信號進(jìn)行處理使得可以 (通過僅使引起最多行程的頻段衰減)防止過度行程的方法。第三類方法使用前饋策略。在這種前饋方法中還提出了對傾斜(shelving)濾波器的使用(在US 737^66中)，其中，以前饋的方式經(jīng)由位移預(yù)測值來控制所述傾斜濾波器，使用揚聲器模型對信號進(jìn)行預(yù)處理然后將信號發(fā)送至放大器/揚聲器。US 6201873描述了一種用于防止過度音頻失真(主要由錐形行程引起)或?qū)P聲器驅(qū)動到最大值(驅(qū)動到最大錐形行程)的裝置。該裝置使用錐形行程傳遞函數(shù)(或最大電壓傳遞函數(shù))模塊，該模塊的輸出用于控制輸入處的可變增益。US 6，201，873建議使用傳遞函數(shù)來給出引起剛好可接受的失真的最大電壓，這是在不引起過度失真的情況下每頻率可施加的最大電壓。所考慮的失真是由于過度錐形位移而引起的失真(不考慮轉(zhuǎn)換器和放大器中的失真)。這是前饋系統(tǒng)的另一示例，該前饋系統(tǒng)使用濾波器，所述濾波器具有與揚聲器的行程對頻率關(guān)系相匹配的頻率響應(yīng)。因此，這還實現(xiàn)了錐形位移預(yù)測。壓縮器被控制為基于濾波器所作的頻率分析來提供所需量的衰減，使得以頻率相關(guān)的方式來控制增益。針對給定頻率的增益控制是線性函數(shù)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明涉及一種前饋處理方法，該方法具有的優(yōu)點是不需要反饋測量信號，并且與由于反饋網(wǎng)絡(luò)而具有少量延遲的情況相反，揚聲器預(yù)測是即時的。本發(fā)明的目的是增強揚聲器輸出信號，而同時保持揚聲器輸出與數(shù)字輸入信號相類似(但不一定相同)。因此，本發(fā)明基于以下認(rèn)識揚聲器保護(hù)應(yīng)當(dāng)考慮音頻質(zhì)量，而不是僅僅防止過度錐形行程。根據(jù)本發(fā)明，提供了一種揚聲器驅(qū)動電路，包括信號路徑壓縮器/限制器，用于在時域中實現(xiàn)對峰均幅度比的改變；前饋控制回路，包括與信號路徑壓縮器/限制器相對應(yīng)的控制回路壓縮器/限制器；用于對控制回路壓縮器/限制器的輸出處信號的質(zhì)量度量進(jìn)行計算的單元；用于基于控制回路壓縮器/限制器的輸出處的信號來估計揚聲器行程的錐形行程預(yù)測單元；用于基于質(zhì)量度量和錐形行程估計來控制信號路徑壓縮器/限制器的控制器。本發(fā)明提供了一種通過調(diào)節(jié)壓縮器/限制器的特性來使揚聲器的聲音輸出最大化的方法，約束條件是音頻質(zhì)量保持可接受并且隔膜位移不超過一定閾值。壓縮器/限制器改變信號的波峰因數(shù)(峰均幅度比)，從而可以提高響度而不增大峰值幅度。本發(fā)明使用自適應(yīng)壓縮器/限制器來使揚聲器的聲音輸出最大化并限制隔膜位移，而不是進(jìn)行線性濾波。本發(fā)明的目的在于使聲音輸出最大化并限制隔膜位移，而不是僅僅限制隔膜位移。本發(fā)明使用壓縮器和限制器的組合(例如，具有包括增益和限幅等級在內(nèi)的控制參數(shù))。在錐形位移的估計中考慮該壓縮器/限制器的傳遞函數(shù)，使得在前饋控制回路中考慮該非線性操作?？刂苹芈钒▽σ纛l質(zhì)量的評估，其中基于對數(shù)字信號的數(shù)字操作所引起的失真而不是僅基于行程來計算所述音頻質(zhì)量的評估。質(zhì)量度量可以考慮數(shù)字路徑中存在的預(yù)期或測量的非線性效應(yīng)(如，由于放大器或揚聲器而引起的非線性效應(yīng))。壓縮器/限制器具有在時域起作用的非線性傳遞函數(shù)(不能僅使用濾波來實現(xiàn))。 該函數(shù)的自適應(yīng)性限制了失真的量并防止對揚聲器造成破壞。這樣，可以使揚聲器的聲音輸出最大化而同時保持可接受的音頻質(zhì)量，同時將隔膜位移限制到安全限。信號路徑壓縮器/限制器優(yōu)選地被適配為施加可變增益并實現(xiàn)可控動態(tài)范圍限制功能。例如，路徑壓縮器/限制器可以包括可變增益單元和限幅單元?？梢曰谫|(zhì)量分析和行程分析來(可能地，以不同的響應(yīng)時間)改變可變增益單元和限幅單元這兩者。該電路還可以包括輸入濾波器，例如用于實現(xiàn)以下操作中的一個或更多個操作在揚聲器的聲音輸出中去除與諧振峰值相對應(yīng)的頻率分量；高通濾波；增強較低的頻率；校正低效率，其中揚聲器以所述低效率來再現(xiàn)低頻。 控制器可以控制輸入濾波器以基于前饋控制回路來提供自適應(yīng)濾波。用于計算質(zhì)量度量的單元可以包括用于將控制回路壓縮器/限制器之前的信號與控制回路壓縮器/限制器之后的信號相比較的裝置。用于計算質(zhì)量度量的單元還可以包括用于將信號路徑壓縮器/限制器之前的信號與信號路徑壓縮器/限制器之后的信號相比較的裝置。用于計算的單元可以包括用于對信號路徑中存在的可能非線性效應(yīng)(如，由于放大器或揚聲器而引起的非線性效應(yīng))進(jìn)行建模的模塊。本發(fā)明還提供了一種便攜式設(shè)備，包括本發(fā)明的揚聲器和控制電路。該便攜式設(shè)
5備可以例如包括移動電話。本發(fā)明還提供了一種處理音頻輸入信號以得到揚聲器驅(qū)動信號的方法，包括使用信號路徑壓縮器/限制器在時域中實現(xiàn)對音頻輸入信號的峰均幅度比或波峰因數(shù)的改變；在前饋回路內(nèi)執(zhí)行以下操作使用與信號路徑壓縮器/限制器相對應(yīng)的控制回路壓縮器/限制器；計算控制回路壓縮器/限制器或信號路徑壓縮器/限制器的輸出處信號的質(zhì)量度量；基于控制回路壓縮器/限制器的輸出處的信號來估計揚聲器錐形行程；以及基于質(zhì)量度量和行程估計來控制信號路徑壓縮器/限制器。


現(xiàn)在將參考附圖詳細(xì)地描述本發(fā)明的示例，附圖中圖1示出了本發(fā)明的揚聲器系統(tǒng)；以及圖2示出了移動電話，在該移動電話中可以實現(xiàn)揚聲器系統(tǒng)。
具體實施例方式本發(fā)明提供了一種使用壓縮器(compressor)/限制器(Iimiter)的揚聲器驅(qū)動電路。前饋控制回路具有與信號路徑壓縮器/限制器相對應(yīng)的控制回路壓縮器/限制器。確定控制回路或信號路徑壓縮器/限制器的輸出處信號的質(zhì)量度量以及所估計的揚聲器行程(excursion)，其中，所述信號路徑壓縮器/限制器后面可以跟隨用于對信號路徑中的非線性效應(yīng)(如，由于放大器或揚聲器而引起的非線性效應(yīng))進(jìn)行建模的模塊?；诼曇糍|(zhì)量測量和錐形行程估計來控制信號路徑壓縮器/限制器。本發(fā)明的系統(tǒng)基于音頻質(zhì)量和隔膜位移來調(diào)節(jié)壓縮器/限制器的特性以及可以調(diào)節(jié)濾波操作的特性?？梢哉J(rèn)為該系統(tǒng)的目的是在揚聲器的輸出處獲得盡可能大的聲壓級(sound pressure level, SPL)，而同時保持可接受的音頻質(zhì)量而不破壞揚聲器。圖1中示出了本發(fā)明的系統(tǒng)。(數(shù)字)輸入信號10由濾波器11進(jìn)行濾波，并發(fā)送至壓縮器/限制器12。將該信號(在轉(zhuǎn)換到模擬域之后)發(fā)送至與揚聲器16相連的放大器14。系統(tǒng)具有前饋控制回路，所述前饋控制回路包括與信號路徑壓縮器/限制器12相對應(yīng)的控制回路壓縮器/限制器20。這是指壓縮器/限制器20實現(xiàn)了非線性函數(shù)，該非線性函數(shù)可以用于確定壓縮器/限制器12的函數(shù)的效應(yīng)。壓縮器/限制器12和20可以是相同的部件，但這并不是必須的。例如，可以利用壓縮器/限制器12的簡化形式來預(yù)測信號路徑壓縮器/限制器12對前饋路徑中正在監(jiān)控的參數(shù)(音頻質(zhì)量和錐形行程)的效應(yīng)。壓縮器/限制器將以下將說明的兩個功能相結(jié)合。壓縮涉及使用可變增益來限制動態(tài)范圍(這可以是慢效應(yīng)(sloweffect))，可以認(rèn)為這與自動音量控制相類似。限制動態(tài)范圍涉及例如通過硬或軟限幅(clipping)來即時地(或非常快速地) 限制幅度。
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壓縮器與限制器之間的區(qū)別并不明確，但是與效應(yīng)的快慢和嚴(yán)重程度有關(guān)。因此，壓縮器/限制器可以包括可變增益元件(前面可以連接線性濾波器)及其后面連接的用于限制信號幅度的快速或瞬時限制器。限制器實現(xiàn)了時域中的非線性操作 (如，限幅)。監(jiān)控兩個標(biāo)準(zhǔn)以適配壓縮器/限制器的特性，這兩個標(biāo)準(zhǔn)均以前饋的方式來計算 (即，都是從輸入信號得到的)(i)音頻質(zhì)量(Q)應(yīng)當(dāng)是可接受的；(ii)揚聲器隔膜位移或錐形行程(X)不應(yīng)超過最大允許水平。可以以緩慢適配結(jié)合快速適配為基礎(chǔ)，來調(diào)節(jié)壓縮器/限制器的特性(以及可以調(diào)節(jié)濾波操作)，其中，緩慢適配用于確保足夠的音頻質(zhì)量和用戶定義的平均錐形行程，快速適配用于確保不超過最大可允許隔膜位移。濾波器11的濾波操作用于去除揚聲器聲音輸出中不期望的諧振峰值，然而這種前置濾波不是必須的。由于揚聲器和/或箱體(enclosure)的諧振頻率，揚聲器的傳遞函數(shù)(從輸入信號傳遞到聲音輸出，是頻率的函數(shù))可以呈現(xiàn)出一個或多個幅度峰值。減小這些諧振峰值可以使頻率 響應(yīng)“平坦”并創(chuàng)建可以用于增大輸入信號的凈空。濾波操作還可以包括高通濾波器，用于去除由揚聲器以非常低的效率再現(xiàn)的頻率。濾波操作可以包括增強(boost)或校正較低頻率以補償揚聲器的聲音輸出的高通特性，所述高通特性是由于揚聲器再現(xiàn)低頻的低效率而引起的。實際上，在典型的揚聲器中，揚聲器諧振頻率以下的頻率的聲音輸出低于諧振頻率以上的頻率的聲音輸出。例如，對于閉箱式揚聲器(closed-box speaker)配置，聲音輸出具有低頻滾降(roll-off)，所述低頻滾降對于諧振頻率以下的頻率遵循二次高通濾波器特性。可以將該低頻滾降向下校正至用戶定義的頻率下限，代價是附加的隔膜位移。校正所需的操作(不限于閉箱式配置)可以被公式化為如下濾波操作s(t) = X (t) ^hcorrection (t) (1)=x(t)*(l+Yadd.hadd ⑴)，(2)其中X(t)是輸入信號，*表示表示卷積，hcorrcction(t)是校正所需的濾波器的沖激響應(yīng)，Yadd是控制校正量的增益。hadd(t)是產(chǎn)生“校正”信號的濾波器的沖激響應(yīng)，所述“校正”信號即是與原始信號x(t)相加以獲得已校正信號s(t)的信號。可以利用hadd(t)和 Yadd、校正的特性(例如，將校正執(zhí)行到下至哪個頻率)及其增益來控制校正操作。濾波操作可以實現(xiàn)上述任何功能的組合。術(shù)語壓縮器/限制器是指改變信號的波峰(crest)因數(shù)(即，峰均幅度比 (peak-to-mean amplitude ratio))的任何模塊。示例是放大之后使非線性度飽和(例如， sigmoid函數(shù)或硬限制器)。這可以引起信號功率的提高而不增大最大信號幅度，進(jìn)而可以在揚聲器的輸出處產(chǎn)生增大的聲壓級。壓縮器/限制器的特性是自適應(yīng)的。在圖1中的控制回路壓縮器/限制器20或信號路徑壓縮器/限制器12的輸出處已壓縮信號的音頻質(zhì)量可以通過將已壓縮信號與未壓縮的信號相比較來估計。因此，如圖 1所示，將未壓縮的音頻信號s提供給質(zhì)量監(jiān)控模塊18。在圖1中，質(zhì)量監(jiān)控模塊以控制回
7路壓縮器/限制器的輸出作為輸入，但是也可以使用信號路徑壓縮器/限制器的輸出作為輸入。這兩種布置仍然是前饋方法，因為已壓縮的信號用于對輸出的適配加以控制，而不是用于計算當(dāng)時的輸出。質(zhì)量度量可以基于心理聲學(xué)模型或簡單的基于失真的模型。其可以包括用于對信號路徑中存在的可能非線性效應(yīng)(例如，由于放大器或揚聲器而引起的非線性效應(yīng))進(jìn)行建模的模塊。本領(lǐng)域技術(shù)人員已知多種可能性。質(zhì)量度量的示例是原始信號(以來自壓縮器/限制器的預(yù)期增益進(jìn)行縮放)與已壓縮信號之間的均方誤差。可以根據(jù)揚聲器來定義音頻質(zhì)量閾值。實際上，較低質(zhì)量的揚聲器在音頻質(zhì)量變得不可接受之前可以允許較高程度的失真?？梢愿鶕?jù)揚聲器的模型來確定隔膜位移(也稱作錐形行程)，所述揚聲器模型的參數(shù)可以在線或離線方式來估計，或者所述參數(shù)可從設(shè)計中獲知。使用由控制模塊提供的特性，針對壓縮器/限制器之后的信號來預(yù)測行程。為此，前饋路徑包括與信號路徑壓縮器/限制器相對應(yīng)的壓縮器/限制器20，所述壓縮器/限制器20在錐形行程預(yù)測單元22之前。這樣，在錐形行程預(yù)測中考慮了壓縮器 /限制器的影響。因此，針對當(dāng)前(已壓縮)輸入信號預(yù)測錐形行程，使得可以以前饋的方式?jīng)]有延遲地執(zhí)行控制。行程的計算可以是迭代的過程(由于非線性)，控制回路壓縮器/ 限制器用于該迭代過程，使得信號路徑不受該過程干擾。控制機(jī)制可以將緩慢適配與快速適配相結(jié)合。如果音頻質(zhì)量在一定閾值以上，則緩慢適配可以提高壓縮等級，否則緩慢適配可以降低壓縮等級。如果預(yù)期的錐形行程超過了最大允許限制，則快速適配可以快速地改變壓縮函數(shù)。確定所需的壓縮特性以限制所需的錐形行程可以包括迭代過程，這是因為壓縮器/限制器實現(xiàn)了非線性操作。該迭代過程由從控制模塊觀到壓縮器/限制器20的虛線 24來表示，其中壓縮器/限制器20在行程預(yù)測器22之前。控制機(jī)制可以可選地控制濾波操作，同樣如圖1所示(虛線沈)。這可以通過改變高通濾波器的截止頻率來允許更大的帶寬。在這種情況下，選擇在提高的帶寬和提高的壓縮等級之間的權(quán)衡?？刂茩C(jī)制可以可選地控制低頻校正，使得通過修改hadd(t)來增大或減小帶寬?？刂茩C(jī)制可以可選地控制固定低頻校正的增益Yadd。在這種情況下，可以在第一步驟中限制低頻校正，如果這是不夠的，就限制壓縮等級。系統(tǒng)還包括圖1中未示出的數(shù)模轉(zhuǎn)換器，作為揚聲器驅(qū)動系統(tǒng)的一部分?？梢栽?DSP或微控制器上實現(xiàn)主要處理?？梢詮拇鎯ζ髦蝎@取輸入10處的源信號，或者可以將源信號經(jīng)由模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC)輸入至DSP或微控制器中。本發(fā)明可以用于使聲音再現(xiàn)系統(tǒng)的響度最大化，而同時保護(hù)揚聲器。一種重要的應(yīng)用在通常采用低質(zhì)量的揚聲器但是需要高聲音輸出的移動電話中。圖2示出了移動電話30，該移動電話30包括本發(fā)明的揚聲器系統(tǒng)32。本領(lǐng)域技術(shù)人員可以想到各種修改。
權(quán)利要求
1.一種揚聲器驅(qū)動電路，包括信號路徑壓縮器/限制器(12)，用于在時域中實現(xiàn)對峰均幅度比的改變； 前饋控制回路，包括與信號路徑壓縮器/限制器相對應(yīng)的控制回路壓縮器/限制器00)； 用于對控制回路壓縮器/限制器OO)或信號路徑壓縮器/限制器(1 的輸出處信號的質(zhì)量度量進(jìn)行計算的單元(18)；用于基于控制回路壓縮器/限制器OO)的輸出處的信號來估計揚聲器行程的行程預(yù)測單元(22)；用于基于質(zhì)量度量和行程估計來控制信號路徑壓縮器/限制器(1 的控制器08)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電路，其中，信號路徑壓縮器/限制器(1 被適配為施加可變增益并實現(xiàn)可控動態(tài)范圍限制功能。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電路，其中，信號路徑壓縮器/限制器(1 包括可變增益單元和限幅單元。
4.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的電路，還包括輸入濾波器(11)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的電路，其中，輸入濾波器(11)實現(xiàn)以下操作中的一個或多個操作在揚聲器的聲音輸出中去除與一個或多個諧振峰值相對應(yīng)的頻率分量； 高通濾波； 增強較低的頻率；校正預(yù)期的低效率，其中揚聲器以所述低效率來再現(xiàn)低頻。
6.根據(jù)權(quán)利要求4或5所述的電路，其中，輸入濾波器(11)由控制器08)來控制。
7.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的電路，其中，用于計算質(zhì)量度量的單元(18)包括用于將控制回路壓縮器/限制器或信號路徑壓縮器/限制器00，12)之前的信號與控制回路壓縮器/限制器或信號路徑壓縮器/限制器00，12)之后的信號相比較的裝置。
8.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的電路，其中，用于計算的單元(18)包括用于對信號路徑中存在的非線性效應(yīng)進(jìn)行建模的模塊。
9.一種揚聲器系統(tǒng)，包括如任一前述權(quán)利要求所述的電路以及揚聲器(16)。
10.一種便攜式設(shè)備，包括如權(quán)利要求9所述的揚聲器系統(tǒng)。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的便攜式設(shè)備，包括移動電話(30)。
12.一種處理音頻輸入信號以得到揚聲器驅(qū)動信號的方法，包括使用信號路徑壓縮器/限制器(1 在時域中實現(xiàn)對音頻輸入信號的峰均幅度比的改變；在前饋回路內(nèi)執(zhí)行以下操作使用與信號路徑壓縮器/限制器相對應(yīng)的控制回路壓縮器/限制器OO)； 計算控制回路壓縮器/限制器OO)或信號路徑壓縮器/限制器(1 的輸出處信號的質(zhì)量度量；基于控制回路壓縮器/限制器OO)的輸出處的信號來估計揚聲器行程；以及基于質(zhì)量度量和行程估計來控制信號路徑壓縮器/限制器(12)。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中，使用信號路徑壓縮器/限制器(1 包括施加可變增益并實現(xiàn)可控動態(tài)范圍限制功能。
14.根據(jù)權(quán)利要求12或13所述的方法，還包括在將音頻輸入信號施加到信號路徑壓縮器/限制器之前對音頻輸入信號進(jìn)行濾波，以執(zhí)行以下操作在揚聲器的聲音輸出中去除與一個或多個諧振峰值相對應(yīng)的頻率分量，和/或執(zhí)行高通濾波，和/或增強較低的頻率，和/或校正預(yù)期的低效率，其中揚聲器以所述低效率來再現(xiàn)低頻。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其中，由前饋控制回路來控制濾波。
全文摘要
一種揚聲器驅(qū)動電路，包括信號路徑壓縮器/限制器(12)，用于在時域中實現(xiàn)對峰均幅度比的改變。前饋控制回路測量控制回路壓縮器/限制器(20)或信號路徑壓縮器/限制器(12)的輸出處信號的聲音質(zhì)量，并且還基于控制回路壓縮器/限制器(20)的輸出處的信號來估計揚聲器行程。基于聲音質(zhì)量度量和行程估計來控制信號路徑壓縮器/限制器。本發(fā)明提供了一種通過調(diào)節(jié)壓縮器/限制器的特性來使揚聲器的聲音輸出最大化的方法，約束條件是音頻質(zhì)量保持可接受并且隔膜移位不超過一定閾值。
文檔編號H04R1/04GK102158774SQ201110029330
公開日2011年8月17日 申請日期2011年1月24日 優(yōu)先權(quán)日2010年1月25日
發(fā)明者泰穆金·高塔馬 申請人:Nxp股份有限公司