专利名称：全数字式扬声器装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种数字式扬声器，特别涉及一种基于多比特Σ -Δ调制的全数字式 扬声器系统装置。
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、成本较高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，目前国外多家芯片厂商已经出品了无需模拟LC滤波的class-BD型 数字功放芯片，以期望利用这些芯片实现真正的全数字式扬声器系统，但是这种功放芯片 所包含的PWM调制电路仍然属于模拟电路设计的范畴，仅通过高度集成化方式将原来模拟 元器件分离实现的PWM调制技术光刻在一块小尺寸硅片上，并没有达到真正意义上的全数 字化水平。除了 PWM调制技术的模拟实现外，美国专利(US 20060049889A1、 US20090161880A1)公开了 PWM调制技术的数字实现过程，并给出了基于PWM调制技术和 class-BD功放技术的全数字式扬声器系统的实现方法。但是这种基于PWM调制技术的全数 字式扬声器系统的实现方法有两个缺点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200KHz 400KHz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调制技术在全数字式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，并结合低功耗、小外形、数字化与集成化发展需求，因此，需要寻找性能优 异、实现简单的信号编码调制方式，以实现真正的全数字式扬声器系统装置。
发明内容
本发明的目的是克服现有PWM调制技术存在的非线性失真及过采样速率较低的 缺陷，并满足低功耗、小外形、数字化与集成化的发展需求，提出了基于多比特Σ -Δ调制 的全数字式扬声器系统装置。为了达到上述目的，本发明采取的技术方案如下一种全数字式扬声器装置，包括一 A/D转换器，用于将模拟输入音源信号转换为高比特PCM编码格式的数字信 号；
一插值滤波器，与所述A/D转换器的输出端连接，用于对输入的低采样率PCM编码 信号按照过采样率进行信号插值操作，同时通过低通滤波操作滤除插值处理后信号的周期 性延拓的频谱成份；一Σ-Δ调制器，与所述插值滤波器的输出端连接，用于完成多比特Σ-Δ编码调 制和噪声整形处理；一动态失配整形器，与Σ -Δ调制器的输出端连接，用于削减由阵元之间频响差 异引起的编码误差；一差分型缓冲器，与所述动态失配整形器的输出端连接，用于增强输出端的负载 驱 动能力；一扬声器阵列，与所述差分型缓冲器的输出端连接，用于实现电声转换。优选地，Σ -Δ调制器按照现有Σ -Δ调制算法的信号处理流程，对插值滤波器2 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，保证了系统具有足 够高的带内信噪比。具体地，在硬件实现过程中，为了节约硬件资源，降低其实现代价，Σ -Δ调制 器通常会采用移位加法运算来代替常数乘法运算，并将Σ -Δ调制器所使用的参数用 CSD (Canonical Signed Digit)编码表不。进一步地，Σ -Δ调制器将Σ -Δ调制产生的N比特编码信号转换成为对应于2Ν 个传输通道上的等位权二元编码信号。优选地，动态失配整形器通过采用现有各种方式的阵元选择算法——像 DffA (Data-Weighted Averaging,数据力口权平均)>VFMS (Vector-Feedbackmismatch-shapin g，向量反馈失配整形)和TSMS(Tree-Structure mismatchshaping，树形结构失配整形)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，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。具体地，差分型缓冲器将动态失配整形器送入的单通道数字信号转换成为双通道 差分输出信号，从而消除了通道上的共模噪声分量，提高了输出信号音质。优选地，扬声器阵列的阵元由动圈式扬声器或压电式扬声器单元按照一定的阵列 布放方式组成。具体地，扬声器阵列所产生的空间辐射声场的分布情况受不同的阵列空间布放方 式、不同的Σ -Δ调制比特位数所影响，随着阵列孔径加大以及由调制比特位数增大所带 来的阵元数增多，其所产生空域辐射声场的方向性会变明显，在阵列对称轴附近的局部区 域内具有最好的音质和最大声压，逐渐偏离最佳区域，其辐射声场的音质会逐渐变差、声压 会逐渐变小。在阵列具有较大孔径尺度的情况下，该阵列具有较为明显的声场控制效果， 并且其声场控制效果与常规的线阵列波束形成不同，因为该系统的各阵元通道所辐射的信 号都是音源信号的部分比特位信息，而常规波束形成的各阵元辐射信号都是音源信号的副 本，正因为该系统各阵元辐射信号的信息量不同，使得该系统所产生的声场在空间上不仅 仅存在声压幅度的大小变化，而且还存在着谐波失真、可懂度及音质水平方面的大小变化。与现有技术相比，本发明的优点在于采用多比特Σ -Δ调制技术将高比特的PCM 编码的音源信号转换为低比特的Σ -Δ编码信号，有效降低了扬声器系统的硬件实现成本和复杂度，并实现了整个音频传输链路的全数字化，便于进行系统的集成化，缩减了系统的 体积和功耗；同时，通过采用动态失配整形算法，消减了因阵元之间频响差异引入的非线性 谐波失真强度，提升了系统音质水平；此外，还可以通过安排合理的阵列布放方式，来使扬 声器系统装置具有较好的局部声场控制能力，并且其所产生的声场控制效果与常规的阵列 波束形成不同，其所产生的声场在空间上不仅仅存在声压幅度的大小变化，而且还存在着 谐波失真、可懂度及音质水平方面的大小变化，这为语音的私密传输提供了一种较好的实 现方式。
图1表示本发明的全数字扬声器系统装置各组成模块的示意图；图2表示本发明的Σ -Δ调制器的信号处理流程图；图3表示本发明的动态失配整形器的信号处理流程图；图4表示本发明的扬声器阵列尺寸图；图5表示本发明的扬声器阵列与传声器的位置布放示意图；图6表示本发明的动态失配整形器的测试效果图；图7表示本发明的制作系统装置的幅频响应曲线图；图8表示本发明所作系统装置的总谐波失真曲线图；图9表示本发明的8元线阵列布放示意图；图10表示本发明的8元线阵列产生的空域声场幅度分布图；图11表示本发明的8元线阵列在θ = 0度、φ从-90度到+90度变化各方位上 的声场幅度变化曲线；图12表示本发明的8元线阵列所产生声场信号在空间各位置上的总谐波失真分 布图；图11表示本发明的8元线阵列在θ = 0度、φ从-90度到+90度变化时，各方 位上声场信号的总谐波失真变化曲线。
具体实施例方式下面结合附图和具体实施方式
对本发明作进一步详细描述本发明利用Σ -Δ调制技术将传统的高比特的PCM编码信号转换成为低比特的 Σ -Δ编码信号，然后再将这些N比特的Σ -Δ编码信号转换成为对应于2Ν个传输通道上 的等位权二元编码信号，并通过2Ν个扬声器单元辐射出去，这些扬声器辐射声场在空间线 性叠加合成出原模拟音源信号。如图1所示，制作一个依据本发明的基于多比特Σ -Δ调制的全数字式扬声器系 统装置，其主体由A/D转换器1、插值滤波器2、Σ -Δ调制器3、动态失配整形器4、差分型 缓冲器5以及扬声器阵列6等组成。A/D转换器1可由PCM1804芯片及外围差分模拟缓冲电路组成，通过A/D转换器1 将音频带内的模拟音源信号转换为24比特、48ΚΗζ的PCM编码信号，并通过I2S接口读入到 型号为 Cyclone III EP3C25Q240C8 的FPGA(Field-Programmable Gate Array，现场可编程 门阵列)芯片内。
插值滤波器2的输入端与A/D转换器1的输出端相连接，其工作原理为在FPGA 芯片内部，将48KHz、24比特的PCM编码信号，按三级进行升采样插值处理，其中，第一级插 值因子为4，采样率升为192KHz ；第二级插值因子为4，采样率升为768KHz ；第三级插值因 子为2，采样率升为1536KHZ。在经过32倍插值处理后，原48KHz、24比特的PCM信号即转 换为1. 536MHz,24比特的过采样PCM信号。Σ -Δ调制器3的输入端与所述插值滤波器2的输出端相连接，其将过采样的 1. 536MHz,24比特的PCM编码信号转换成为1. 536MHz、3比特的Σ -Δ调制信号。如图2所 示，在本实施例中，Σ -Δ 调制器采用 5 阶 CIFB(Cascadedlntegrators with Distributed Feedback)的拓扑结构。假定调制器的过采样率因子为64，其拓扑结构的系数如表1所示， 表1表示本发明的Σ -Δ调制器所使用的各参数值。为了节约硬件资源，降低其实现代价， 在FPGA芯片内部，通常会采用移位加法运算来代替常数乘法运算，并将Σ -Δ调制器所使 用的参数用CSD编码表示。
参数名理想参数CSD变换CSD值al、bl0.20650.2031a2、b20.2109T2-Tb-T10.2305a3、b30.22892-2_2-8_2-60. 3594a4、b40.28380.2832a5、b50.46560. 4648b61cl0.12052-3_2-8_2-ll0.1206c20.29040. 2891c30.59260. 5938c41. 37461. 3750c53. 85543. 8594 表 1 动态失配整形器4的输入端与Σ -Δ调制器3的输出端连接，其用于消除 阵元之间频响差异引起的非线性谐波失真。在本实施例中，动态失配整形器采用了 VFMS (Vector-Feedback mismatch-shaping,向量反馈失配整形)算法，其信号处理流程如
6图3所示。在FPGA芯片内部，通过动态失配整形器处理后，原Σ -Δ编码信号中存在的谐 波分量被推挤到带外高频段，从而提高了带内音源信号的音质水平。差分型缓冲器5的输入端与动态失配整形器4的输出端相连接。本实施例中，差 分型缓冲器5是由两部分组成的，首先，在FPGA内部，将动态失配整形器4送来的输出数据 一路直接输出，另一路反相输出，形成了两路差分信号通道；然后，在FPGA之外，两路信号 都通过型号为74HC126的高速缓冲芯片，实现两个差分通道的缓冲处理。扬声器阵列6的输入端与动态失配整形器4的输出端相连接。在图4所示的实施 例中，扬声器单元采用尺寸为43. 5mmX39mmX2mm的扬声器，该阵列由8个扬声器单元组 成，其排列结构可参照图4所示。在全消声室内，对依据本发明制作的全数字式扬声器系统装置进行了性能测试。 图5给出了扬声器装置10和传声器20的位置布放图，其中扬声器装置10的中心到传声 器20之间的距离A是1米，传声器到地面的距离B是1米。在播放IKHz单频正弦信号时， 图6给出了动态失配整形器在消除非线性谐波失真方面的效果图，从图中可以看出，在添 加VFMS动态失配整形算法后，装置在输出IKHz信号时，其谐波成分明显减少，这说明动态 失配整形器具有消除非线性谐波失真的能力。图7给出了扬声器系统装置按1V、2V、3V有效值输入扫频信号时，在1米处获得的 系统幅频响应曲线。从图中能够看出，在频率大于SKHz以后，系统频响幅度下降较为严重， 这与所选用扬声器单元本身的频响性能有关，由于本实施例中所选用扬声器单元本身在高 于SKHz以后幅频响应有较大衰减，造成了 8元阵列系统的幅频响应也有较大衰减；另外，随 着输入电压的升高，扬声器系统输出声压幅度也会逐渐升高。图8给出了系统的总谐波失 真曲线，从图中可以看出，在IKHz附近的低频区域，总谐波失真较大，说明系统在低频段输 出信号的音质水平较差，而在远离低频段之后，系统输出信号的谐波失真较小，一般情况下 都在以下；另外，随着输入信号电压幅度的升高，系统谐波失真逐渐变大，在个别频点 上，谐波失真变化较严重。为了说明依据本发明实施的扬声器系统装置所具有的空域局部声场控制能力，我 们仿真了在阵元间距较大时8元线阵列的声场分布情况。如图9所示，我们按0. 1米阵列间 距在空间位置上布放了 8个扬声器单元组成线阵列；然后，将IKHz单频正弦信号送到系统 中，由Σ -Δ调制器产生出3比特Σ -Δ编码信号后，再转换为8个通道的2元数据码流， 并送至这8个扬声器单元进行空间辐射，通过线性叠加这些单元的辐射声场，我们获得了 8 元阵列的空域声场分布和总谐波失真曲线，如图10、11和12、13所示。图10给出了在辐射半径r为5米处，该系统在空间位置上所辐射声场的幅度分布 图，图11给出了在θ =0度、Φ从-90度到+90度变化的过程中系统辐射声场的幅度变 化曲线。从这些曲线上可以看出，在线阵列的对称轴附近区域内声压分布较平坦，变化较为 缓慢，在偏离线阵列对称轴较远的空间区域内，声压衰减较大，约有25dB的声压衰减，这说 明系统装置具有一定的空域声场控制能力，通过选择较大的阵列孔径和较多调制的比特位 数，本装置能够在阵列的轴向对称区域内保持较大的声压分布，在偏离对称区域后，声压分 布有明显的衰减。图12给出了在辐射半径r为5米处，扬声器系统在空间位置上所辐射声场信号的 总谐波失真分布图，图13给出了在θ =0度、Φ从-90度到+90度变化的过程中系统在各方位上所辐射声场信号的总谐波失真变化曲线。观察这些曲线可以看出，在阵列的对称 轴附近区域内，总谐波失真较小，说明信号音质水平较好，在偏离阵列对称轴较远的空间区 域内，总谐波失真迅速上升，说明信号音质水平明显变差。通过这些仿真曲线能够看出，依 据本发明实施的扬声器系统装置，在阵列具有较大孔径尺度的情况下具有较为明显的声场 控制效果，该声场控制效果与常规的线阵列波束形成不同，因为系统的各阵元通道所辐射 的信号都是音源信号的部分比特位信息，而常规波束形成的各阵元辐射信号都是音源信号 的副本，正因为系统各阵元辐射信号的信息量不同，使其所产生的声场在空间上不仅仅存 在声压幅度的大小变化，而且还存在着谐波失真、可懂度及音质水平方面的大小变化，这说 明依据本发明实施的系统装置，具有较好的局部声场控制能力，从而为语音的私密传输提 供了一种较好的实现方式。 以上对本发明的特定实施例结合图示进行了说明，但本发明的保护内容不仅仅限 定于以上实施例，在本发明的所属技术领域中，只要掌握通常知识，就可以在其技术要旨范 围内，进行多种多样的变更。
权利要求
一种全数字式扬声器装置，其特征在于包括一用于将模拟输入音源信号转换为高比特PCM编码格式数字信号的A/D转换器(1)；一用于升采样操作的插值滤波器(2)，该插值滤波器的输入端与所述A/D转换器(1)的输出端连接；一用于完成多比特∑ Δ编码调制和噪声整形的∑ Δ调制器(3)，该∑ Δ调制器(3)的输入端与所述插值滤波器(2)的输出端连接；一用于削减由阵元之间频响一致性差异所引起的非线性失真的动态失配整形器(4)，该动态失配整形器(4)的输入端与∑ Δ调制器(3)的输出端连接；一用于增强输出端负载驱动能力的差分型缓冲器(5)，该差分型缓冲器(5)的输入端与所述动态失配整形器(4)的输出端连接；一用于实现电声转换的扬声器阵列(6)，所述扬声器阵列(6)与所述差分型缓冲器(5)的输出端连接。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于所述插值滤波器(2)按照过采样率对A/ D转换器(1)输出的数字信号进行内部插值处理后，再进行滤波操作，将其带外周期性延拓 部分的频谱滤除。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于所述Σ-Δ调制器(3)按照现有Σ-Δ调 制算法的信号处理流程，对插值滤波器(2)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。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于所述Σ-Δ调制器(3)采用移位加法运 算，其使用的参数用CSD编码表示。
5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于所述Σ-Δ调制器(3)将Σ -Δ调制产 生的N比特编码信号转换成为对应于2Ν个传输通道上的等位权二元编码信号。
6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于所述动态失配整形器(4)通过采用阵元 选择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。
7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于所述差分型缓冲器(5)将动态失配整形 器(4)送入的单通道数字信号转换成为双通道差分输出信号。
8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于所述扬声器阵列(6)的阵元由动圈式扬 声器或压电式扬声器单元按照一定的阵列布放方式组成。
全文摘要
本发明公开了一种基于多比特∑-Δ调制的全数字式扬声器系统装置。该装置包括一A/D转换器、一插值滤波器、一∑-Δ调制器、一动态失配整形器、一缓冲器和一扬声器阵列。本发明采用多比特∑-Δ调制技术实现了整个音频传输链路的全数字化，有效降低了扬声器系统的硬件实现成本和复杂度，便于实现系统的集成化，缩减系统体积和功耗，且本发明具有较好的局部声场控制能力，为语音的私密传输提供了一种较好的实现方式。
文档编号H04R3/00GK101986721SQ20101051542
公开日2011年3月16日 申请日期2010年10月22日 优先权日2010年10月22日
发明者周建明, 杨军, 柴国强, 马登永 申请人:苏州上声电子有限公司