专利名称：用于补偿音频换能器的无记忆非线性失真的系统和方法
技术领域：
本发明涉及音频换能器补偿，更确切地说，涉及补偿诸如扬声器、 耳机或传声器的音频换能器的非线性失真的方法。
背景技术：
优选地，音频换能器呈现出均匀和可预测的输入/输出(I/O)响
应特征。在扬声器中，耦合到扬声器输入的模拟音频信号是理想地在 收听者耳边提供的信号。事实上，到达收听者耳朵的音频信号是原始 的音频信号再加上由扬声器本身(例如，其构造和其内部的组件的相 互作用)和由音频信号必须在其中穿行以到达收听者耳朵的收听环境 (例如，收听者的位置、房间的声学特征等)造成的某种失真。在制 造扬声器的过程中，采用了许多技术以便使扬声器本身造成的失真最 小化，从而提供所需的扬声器响应。此外，还存在用于机械地手工调 谐扬声器以便进一 步减小失真的技术。
失真既包括线性分量，也包括非线性分量。非线性失真(例如"削
波，，)是输入音频信号振幅的函数，而线性失真则不是。Klippel等人 在'Loudspeaker Nonlinearities — Causes, Parameters, Symptoms' AES Oct 7-10 2005中描述了非线性失真度量与非线性之间的关系，所 述非线性是扬声器和其他换能器中信号失真的物理原因。
存在用于解决该问题的线性部分的许多方法。最筒单的方法是一 种均衡器，其提供带有独立增益控制的一组带通滤波器。用于补偿非 线性失真的技术被开发得较少。
Bard 等人在'Compensation of nonlinearities of horn loudspeakers', AES Oct 7-10 2005中使用基于频域Volterra核的逆变换来估计扬声器的非线性。通过从正向频域核分析计算出反演的
Volterra核来获得该反演。这种方法对于平稳信号(如一组正弦波) 较好，但是在音频信号的瞬态非平稳区可能出现显著的非线性。
发明内容
本发明为补偿音频换能器中的无记忆非线性失真提供了低成本 的实时解决方案。
利用这样的音频系统来实现这个目标估计音频信号的信号振幅 和速度，从所定义的(振幅-速度)对的查找表(LUT)中查找比例因 子，并且对所述信号振幅应用所述比例因子。所述比例因子是对所述 换能器在其由(振幅-速度)给出的相平面中的点处的非线性失真的估 计。通过对所述换能器施加具有已知信号振幅和速度的测试信号，测 量记录信号振幅并将所述比例因子设置为等于测试信号振幅与记录信 号振幅之比，来找到所述相平面之上的换能器非线性失真。所述测试 信号应当具有跨越所述相平面的振幅和速度。这种方法假设非线性失 真的源是"无记忆的，，，对于大多数的换能器来说，这是合理准确的假 设。可以使用比例调整来预补偿或者后补偿所述音频信号，其取决于 所述音频换能器。所述补偿后的音频信号将呈现出较低的谐波失真 (HD)和互调失真(IMD)，谐波失真和互调失真是扬声器非线性失 真的典型规格。
结合附图，阅读下面的优选实施例的详细说明之后，本发明的这 些和其他的特点、优点对于本领域技术人员将变得显而易见，其中
图l是音频换能器的示意图2a和图2b是用于计算相平面LUT以便预补偿音频信号从而 在音频换能器上回放的框图和流程图3a、图3b、图3c和图3d是例证的测试信号及其相平面的绘
图；图4是包括扬声器的HD和IMD的记录信号的绘图； 图5是映射到LUT的相平面的图6a和图6b是被配置为使用相平面LUT来补偿扬声器的非线 性失真的音频系统的框图7是补偿后的记录信号的图。
具体实施例方式
本发明描述了一种用于补偿诸如扬声器、耳机或传声器的音频换 能器中的非线性失真的低成本实时解决方案。如本文所使用的，术语 "音频换能器，，是指被来自 一个系统的能量激励并且以另 一种形式向另 一个系统供应能量的任何设备，其中，所述能量的一种形式是电能， 而另一种形式是声能或电能，并且其再现音频信号。所述换能器可以 是诸如扬声器或耳机的输出换能器，也可以是诸如传声器的输入换能 器。现在将针对扩音扬声器介绍本发明的例证实施例，所述扩音扬声 器将电输入音频信号变换成可听见的声信号。
阅读Klippel的论文使我们了解到，造成HD和IMD的主要非线 性失真是"无记忆的"。音频换能器的势能和动能的l阶近似可以完全 地描述这种失真的物理原因。为了良好的近似，可以由信号振幅和信 号速度分别唯一地描述势能和动能，从而唯一地描述无记忆非线性失 真。
如图1中所示，音频扬声器100包括振动膜102,振动膜102推 动空气以产生声波。振动膜悬挂在支承圏104和边缘106上，支承圈 104和边缘106连接至扬声器框架(未示出)。音圏108与振动膜相 连接并接收电流(输入信号)。通过永久磁体110的磁场与线圏108 的磁场的相互作用112,发生振动膜移动。典型地，永久磁体与扬声 器中的金属构架114相连接，以提供恰当的磁场结构以及音圏在其中 移动的间隙116的几何形状。
扬声器的总能量由下式给出其中
b:2t /2 =——+丄一 2 2國势能
2-动能
A:-悬架(边缘+支承l蜀)的刚度
-振动膜的位移
-线圈的电感
-通过线圏的电流，与信号振幅成正比
附-振动膜的质量
V-振动膜的速度
似，而其没有考虑扬声器由许多部件构成或者将需要更高阶非线性项
以完全地描述该系统的参数(A:、 /、 Z...)的相互依赖性。
了解到非线性失真在很大程度上是"无记忆"的并且音频换能器
能量可以由信号振幅和速度良好近似地表示，使得能够实现用于补偿 音频换能器中的非线性失真的低成本、实时的解决方案。音频回;^丈系 统估计信号振幅和速度，从查找表(LUT)中查找用于所测量的(振 幅-速度)对的最接近比例因子，优选地内插到所测对的比例因子，并 且对信号振幅应用所述比例因子。所述比例因子是对换能器在由振幅、 速度给出的其相平面中的点处的非线性失真的估计。通过对所述换能 器施加具有已知信号振幅和速度的测试信号，测量记录信号振幅并且 将所述比例因子设置为等于测试信号振幅与记录信号振幅之比，来找 到所述换能器在所述相平面上的非线性失真。所述补偿后的音频信号 将呈现出较低的谐波失真(HD)和互调失真(IMD)，谐波失真和互 调失真是扬声器非线性失真的典型规格。
相平面特征化
图2至图5示出了用于特征化扬声器的无记忆非线性失真特性的 测试装置和产生LUT的方法。测试装置适当地包括计算机10、声卡 12、受测试扬声器14和传声器16。计算机产生数字音频测试信号18并向声卡12传送，声卡12再驱动扬声器。传声器16拾取可听见的信 号并将其变换回电信号。声卡将记录的数字音频信号20传送回计算机 进行分析。适当地使用了全双工声卡，以便参考共享的时钟信号来回 放和记录测试信号，从而使得数字信号被时间对准为在单个采样周期 内，因此数字信号是完全同步的。
本发明的技术将特征化和补偿从回放至记录的信号路径中的非 线性失真的任何无记忆源。所以，使用了高质量的传声器，以便可以 忽略由传声器引入的任何失真。注意，如果受测试换能器是传声器，
则将使用高质量的扬声器以排除不希望的失真源。为了仅对扬声器进 行特征化，"收听环境"应当配置为使得任何反射或其他失真源最小化。 作为替代，这些相同的技术可以用于对例如客户家庭影院中的扬声器 进行特征化。在这种情况下，客户的接收机或扬声器系统将不得不配 置为针对回放进行测试，分析数据并且配置扬声器。
如图2b中所述，为了产生LUT，计算机产生测试信号，其谱内 容应当覆盖相平面，即扬声器的信号振幅和速度的整个范围(步骤 30)。图3a和图3b中分别示出了包括两个同时正弦波42 (0-6kHz， 振幅为-6db)和44 (0-5kHz，振幅为-3db)的例证测试4言号41以及 对应的相位46。如所示，具有变化的频率和振幅的两个正弦波提供对 相平面的良好覆盖。图3c是具有渐增频率的单个正弦波的相平面47， 其没有提供中心处的覆盖。图3d是具有变化的振幅和频率的单个正弦 波的相平面48，其提供了较好的覆盖，但仍未提供完全的覆盖。
然后，计算机执行测试信号的同步回放和记录(步骤32)。对 于 每个采样n,计算机计算作为测试信号s(n)的振幅与记录信号r(n)的 振幅之比的比例因子，例如SF = s(n)/r(n)(步骤34)。作为替代，SF(n) =1og(s(n)/r(n))，在这种情况下，LUT为对数。可以对分母r(n)添加"偏 置，，常数，以便防止当r(n)=0时除以0或者以便降低噪声的影响。无 论在哪种情况下，在比例因子计算中计算的仅有的独立变量是s(n)和 r(n)。然后，计算机计算测试信号s(n)的速度v(n)(步骤36 )。这可 以根据用于产生测试信号的等式分析来完成或者根据测试信号采样以经验为主地完成。经验计算可以简单到从前一个采样到当前采样的振 幅变化除以采样间隔、从前一个釆样到后一个采样的振幅变化除以两
倍釆样间隔或者通过计算通过5点或7点FIR滤波器的梯度。对于每 个采样，以(s(n)， v(n))为索引将比例因子存储在表中(步骤38)。比 例因子表示当以给定的信号振幅和速度驱动扬声器时，与扬声器相关 联的无记忆非线性失真的量。
计算机对测试信号中的每个釆样执行步骤34、 36和38，并使用 该数据来构建以(s(n)，v(n))为索引的比例因子查找表(LUT)(步骤 39)。如果对于给定的索引(s(n)，v(n))计算出多个比例因子，那么对所 述比例因子取平均或滤波以便将单个数值分配给该索引。所述比例因 子可以被内插和重新釆样，以产生具有所需索引(例如沿着振幅和速 度轴的均匀间隔)和每一个索引的数值的表。如果测试信号没有完全 地跨越振幅和速度的范围，则可以对数据进行外插以便分配这些数值。 作为替代，可以将数值l分配给这些点。振幅和速度范围越大和/或索 引的分辨率越精细，LUT的尺寸越大。这些参数的选择将取决于具体 的应用。
在某些实施方案中，可期望以其中仅有的独立变量为振幅和速度 的多项式方程来近似LUT，例如SF-f(振幅，速度)(步骤40)。 在回放期间，在对存储器覆盖区具有非常严格要求的系统中多项式估 值可能是优选的，例如，多项式比LUT小得多。回放时的多项式估值 可能慢于也可能快于LUT,这取决于诸如下述因素的因素多项式中 的项数和结合LUT使用的内插算法。双线性内插相当快，而双三次内 插有些慢。可以使用标准的2D多项式拟合算法来找到多项式的恰当 阶数和系数。
对于例证的扬声器，图3a中所示的测试信号的记录信号的语内 容50除了复制的测试信号41以外，既包括IMD52，还包括HD54， 如图4中所示。IMD和HD是针对扬声器或其他音频换能器所规定的 主要失真值。所以，降低HMD和HD尤为重要。
对于例证的扬声器和测试信号，图5示出了相平面60，即用于构成LUT的数据。该数据可以被内插和/或外插以及重新采样以产生具 有规定索引和分辨率的LUT。对于这种具体的扬声器，失真在振幅和 速度的中间范围附近达到顶峰，并在所有方向上滚降。其他扬声器或 音频换能器将具有不同的特性，并且将呈现不同的失真。
所述的方法具体地可应用于耳机，其中耳机的整个尺寸小于(或 可比于)波长(从而该系统可以由瞬时值来更好地近似)。假设平均 耳机尺寸是lcm,而最高音频频率是16 kHz。 16kHz的声波在空气 中的波长是330m/sec/16kHz-2cm。在耳机内部，声波将传播得比 在空气中快，但是最高频率的波长仍然可比于耳机尺寸。从系统的一 端到另 一端的波传播时间可能近似为零。所以将可以忽略记忆效应。
失真补偿和再现
为了补偿扬声器的无记忆非线性失真特征，具有振幅a(n)的音频 数据采样d(n)必须在其通过扬声器回放之前调整比例。可以以多种不 同的硬件配置来完成这一点，图6a-6b中示出了其中两种。
如图6a中所示，具有用于低音、中间范围和高频的三个放大器 152和换能器154组件的扬声器150也配备了处理能力156和存储器 158，以便预补偿输入音频信号来抵偿或至少降低无记忆非线性扬声器 失真。在标准扬声器中，将音频信号施加给跨接网络，其将音频信号 映射到用于低音、中间范围和高频输出换能器。在这个例证实施例中， 将扬声器的低音、中间范围和高频部件中的每一个分别针对其无记忆 非线性失真特性进行特征化。针对每个扬声器部件，在存储器158中 存储LUT160。 LUT可以在制造时被存储在存储器中，作为特征化特 定扬声器所执行的服务，也可以由终端用户通过从网站下栽它们并将 它们送入存储器中而被存储在存储器中。处理器156执行滤波器164， 滤波器164测量信号振幅a(n)，计算速度v(n)并提取最接近于索引 a(n)、 v(n)的比例因子。滤波器164 ^f吏用例如双线性或双三次算法，对 所提取的比例因子适当地内插以获得比例因子。双线性内插需要四个 最接近的比例因子，而双三次内插需要十六个。滤波器将数据采样d(n)乘以该比例因子。将比例调整后的数据采样d(n)转发到处理器的D/A 然后到放大器152。
如图6b中所示，音频接收机180可以配置为对具有跨接网络184 和用于低音、中间范围和高频放大器/换能器组件186的常规扬声器 182执行预补偿。尽管将用于存储LUT 190的存储器188以及用于实 现滤波器196的处理器194示为音频解码器200的分离的或附加的组 件，但是将该功能性设计成在音频解码器中也是相当可行的。音频解 码器从TV广播或DVD接收编码的音频信号、将其解码并分离到立体 声(L、 R)或多通道的(L、 R、 C、 Ls、 Rs、 LFE)通道，这些通道 通往各自的扬声器。如所示，对于每个通道，处理器对音频信号应用 滤波器并将预补偿后的信号引向各自的扬声器182。滤波器按照和如 上所述相同的方式执行。
在替代实施例中，扬声器或应用仅需要对低频波段进行补偿。在 这种情况下，音频采样d(n)可被向下采样到该低频波段，将滤波器应 用于每个采样，然后向上釆样到全频波段。这就以每个采样较低的 CPU负载实现了所需补偿。
使用LUT的预补偿将可用于任何输出音频换能器，例如所述的 扬声器或头戴受话器。不过，在诸如传声器的任何输入换能器的情况 下，必须在例如从可听见的信号转换成电信号"之后"进行任何补偿。 用于构建LUT的分析略有改变。相对于记录信号而不是测试信号的 (振幅，速度)来索引比例因子。再现或回放的合成非常相似，除了 其发生在变换之后之外。
测试与结果
为典型扬声器测量的输出音频信号的语响应210验证了所阐述的 用于特征化和补偿无记忆非线性失真分量的一般方法，如图7中所示。 如所示，分别包括高、低频正弦波42和44的输入信号得到真实地再 现，IMD 52和HD 54受到显著衰减。失真补偿并不完美，因为系统 的能量方程仅是近似的，并且因为比例因子中的内插误差以及存在具有记忆的非线性失真。但是，用于补偿音频换能器中的无记忆非线性 失真的所述解决方案是快速、低成本并且高度有效的。
尽管已经示出和介绍了本发明的几个示例性实施例，但是本领域 的技术人员将会想到大量的变形和替代实施例。这样的变形和替代实 施例是能够想到的，并且能够在不脱离所附权利要求中限定的本发明 的精神和范围的情况下作出。
权利要求
1.一种用于补偿音频换能器的数字音频信号d(n)的方法，包括测量数字音频信号d(n)的振幅a(n)；估计数字音频信号的速度v(n)；使用振幅、速度对(a(n)，v(n))从音频换能器的相平面表示中提取比例因子，所述相平面表示将相平面上的换能器无记忆非线性失真的比例因子具体表达为振幅和速度的函数；以及按照比例因子对数字音频信号的振幅a(n)进行比例调整。
2. 根据权利要求l的方法，其中，所述相平面表示是通过振幅、 速度对进行索引的比例因子查找表(LUT)。
3. 根据权利要求2的方法，进一步包括提取最接近于(a(n)，v(n)) 的多个比例因子，并且对所述多个比例因子进行内插以产生用于所测 量的(a(n)， v(n))对的比例因子。
4. 根据权利要求2的方法，其中，由施加给音频换能器的测试 信号s(n)的振幅与由音频换能器再现的记录信号r(n)的振幅之比来确 定每个比例因子。
5. 根据权利要求4的方法，其中，所述LUT通过测试信号的振 幅、速度对进行索引，按照比例因子对所述数字音频信号进行比例调 整以便预补偿数字音频信号。
6. 根据权利要求5的方法，其中，音频换能器是耳机，进一步包括在所述耳机上回放预补偿后的数字音频信号。
7. 根据权利要求4的方法，其中，所述LUT通过记录信号的振 幅、速度对进行索引，按照比例因子对所述数字音频信号进行比例调 整以便后补偿所述音频信号。
8. 根据权利要求1的方法，其中，相平面表示是多项式方程， 所述多项式方程仅有的独立变量是所测量的信号振幅和信号速度。
9. 根据权利要求1的方法，其中，数字音频信号d(n)向下釆样到提取比例因子并对所述采样进行比例调整的低频波段，然后向上采 样到所述全频波段。
10. —种用于补偿音频换能器的数字音频信号d(n)的系统，包括 存储器，用于存储音频换能器的相平面表示，所述相平面表示将相平面上的换能器无记忆非线性失真的比例因子具体表达为振幅和速 度的函数；处理器，其测量数字音频信号d(n)的振幅a(n)，估计速度v(n)， 使用测量的(a(n)， v(n))对从相平面表示中提取比例因子，并且按照比 例因子对数字音频信号的振幅a(n)进行比例调整。
11. 根据权利要求10的系统，其中，相平面表示是通过振幅、 速度对进行索引的比例因子查找表(LUT)。
12. 根据权利要求11的系统，其中，处理器提取最接近于所测 量的(a(n)， v(n))对的多个比例因子，并对所述多个比例因子进行内插 以产生用于所测量的(a(n)， v(n))对的比例因子。
13. 根据权利要求11的系统，其中，由施加给音频换能器的测 试信号s(n)的振幅与由音频换能器再现的记录信号r(n)的振幅之比来 确定每个比例因子。
14. 根据权利要求ll的系统，其中，所述LUT通过测试信号的 振幅、速度对进行索引，按照比例因子对所述数字音频信号进行比例 调整以便预补偿音频信号。
15. 根据权利要求14的系统，其中，音频换能器是耳机，所述 处理器引导预补偿后的数字音频信号以便在耳机上回放。
16. 根据权利要求ll的系统，其中，所述LUT通过记录信号的 振幅、速度对进行索引，按照比例因子对所述数字音频信号进行比例 调整以便后补偿音频信号。
17. 根据权利要求10的系统，其中，相平面表示是多项式方程， 所述多项式方程仅有的独立变量是所测量的信号振幅和信号速度。
18. 根据权利要求10的系统，其中，处理器向下采样数字音频 信号d(n)到提取比例因子并对采样进行比例调整的低频波段，然后向上采样比例调整后的采样到所述全频波段。
19. 一种确定比例因子的相平面表示以便补偿音频换能器的无 记忆非线性失真的方法，包括通过音频换能器同步回放和记录非线性测试信号；以及 在通过信号振幅、信号速度对进行索引的查找表(LUT)中存储 测试信号振幅s(n)与记录信号振幅r(n)之比作为比例因子。
20. 根据权利要求19的方法，其中，测试信号的振幅和速度至 少跨越相平面的所需范围。
21. 根据权利要求20的方法，其中，测试信号包括具有改变的 频率和振幅的第一和第二正弦波。
22. 根据权利要求19的方法，进一步包括外插LUT中的比例因子以覆盖整个相平面。
23. 根据权利要求19的方法，进一步包括内插和重新采样LUT中的比例因子至所需的振幅、速度索引。
24. 根据权利要求19的方法，其中，由测试信号振幅s(n)与记录 信号振幅r(n)之比来确定每个比例因子。
25. 根据权利要求19的方法，其中，LUT通过测试信号的振幅、 速度对进行索引，以便用于预补偿音频信号，从而在音频换能器上回 放。
26. 根据权利要求19的方法，其中，LUT通过记录信号的振幅、 速度对进行索引，以便用于后补偿从音频换能器重构的音频信号。
27. 根据权利要求19的方法，进一步包括 以多项式方程来近似LUT，所述多项式方程仅有的独立变量是信号振幅和信号速度。
全文摘要
为了补偿音频换能器(154)中的无记忆非线性失真，本发明提供了低成本的实时解决方案。回放音频系统估计信号振幅和速度，从所定义的(振幅，速度)对的查找表(LUT)(158)中查找比例因子(或者对LUT的多项式近似计算比例因子)，并且对所述信号振幅应用所述比例因子。所述比例因子是对所述换能器在由(振幅，速度)给出的其相平面中某点处的无记忆非线性失真的估计，其通过对所述换能器施加具有已知信号振幅和速度的测试信号，测量记录信号振幅并且将所述比例因子设置为等于测试信号振幅与记录信号振幅之比来找到。可以使用比例调整来根据所述音频换能器预补偿或后补偿所述音频信号。
文档编号H04R3/00GK101529926SQ200780038676
公开日2009年9月9日 申请日期2007年9月25日 优先权日2006年10月18日
发明者D·V·施芒克 申请人:Dts(英属维尔京群岛)有限公司