一种基于多比特△—σ调制的数字扬声器系统实现方法和装置制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于多比特Δ-∑调制的数字扬声器系统实现方法和装置。该方法包括：1）数字输入格式转换；2）过采样插值滤波；3）多比特Δ-∑调制；4）温度计编码；5）多通道失配整形；6）编码格式转换；7）多通道数字功放；8）驱动扬声器阵列或多音圈扬声器单元发声。该装置包括：一数字输入接口、一过采样插值滤波器、一多比特Δ-∑调制器、一温度计编码器、一多通道失配整形器、一编码格式转换器、一多通道数字功放、一扬声器阵列或者多音圈扬声器单元；各部分依次顺序连接。本发明能够实现低压供电下的大功率输出，节省电能消耗，实现多通道重放系统的单芯片集成，减少了系统体积重量和实现成本，提高了重放声品质。
【专利说明】—种基于多比特Λ—Σ调制的数字扬声器系统实现方法和装置
【技术领域】
[0001]本发明专利涉及声音重放领域中一种扬声器系统实现方法和装置，特别涉及一种基于多比特Λ-Σ调制的数字扬声器系统实现方法和装置。
【背景技术】
[0002]随着超大规模集成电路制造技术的迅速发展，电声产品的集成化与数字化趋势也越来越明显，作为电声产业的主导产品一扬声器系统的设计与制造也逐渐向低功耗、微型化、便携式的方向发展。回顾扬声器系统的发展历程，可以将其划分为三个阶段:模拟化扬声器系统、半数字化扬声器系统和数字化扬声器系统。传统的模拟化扬声器系统因其电声转换效率低，功耗和发热高，体积和重量大等问题，已经不再受大众消费者的欢迎；相反，近些年来，随数字化浪潮带动下产生的半数字化扬声器系统，因其采用脉冲宽度调制
(Pulse Width Modulation-PWM)或 Δ - Σ 调制(Delta-Sigma Modulation)和 D 类功
放驱动技术，成功解决了功耗和发热问题，大幅度提升了整个系统的电声转换效率，从而可以做到小型化的水平，这促使了半数字化扬声器系统在多媒体音响、手机、mp3播放器、数码照相机和笔记本电脑等领域内得到了广泛的应用。但是，半数字化扬声器系统的后级仍然需要依靠体积庞大的LC低通模拟滤波器，以滤除数字脉冲调制信号的带外高频分量，将被调制的低频包络信号解调出来，从而完成数模转换过程。这些半数字化扬声器系统，已经将系统的数字化推进到了功率放大环节，但是在功放与扬声器单元之间通常需要依赖于电感电容组成的模拟低通滤波器完成数字到模拟的转换，从而保证扬声器单元处于模拟输入状态；另外，目前市场上多家芯片公司也有推出不带模拟低通LC滤波器的数字功放芯片，但是这些功放芯片并没有考虑将多扬声器单元或多音圈作为一个整体进行统一的数字编码处理，而且在噪声和谐波失真抑制方面的性能较低，抑制能力较为有限，同时这些功放芯片仅限于驱动几瓦量级的小口径扬声器单元，对于大功率扬声器单元的数字化驱动，仍无法摆脱模拟LC滤波器的限制。
[0003]为了消除模拟LC滤波器的限制，突破扬声器单元的数字化瓶颈，提高扬声器系统的集成化水平，实现扬声器系统所有信号处理与传输环节的全部数字化，需要将扬声器单元纳入到数字编码环节中，真正实现扬声器单元的数字化编码，形成数字化扬声器系统，从而最终由扬声器单元及人耳自身结构的低通滤波特性，完成数字编码量到模拟振动量的转换，将数模转换环节移至电声转换的物理阶段予以实现，从而消除了传统系统中所包含的数模转换器件，避免了数模转换器所引入的各种电噪声。
[0004]数字化扬声器系统的数模转换过程不再是依赖于传统的数模转换芯片得以实现，而是借助于扬声器单元自身在电声转换中的实际物理作用过程完成数模转换。数字化系统
所使用的扬声器负载通常有两种:数字扬声器阵列(Digital Loudspeaker Array-DLA)
和多音圈数字扬声器(Multiple Voice Coil Digital Loudspeaker-MVCDL),对于 DLA
负载情况，其数模转换过程如下:首先各扬声器单元独立完成电声转换——将由数字编码送来的开关电信号转换为模拟声信号并独立的辐射到空气中，各扬声器单元的电声转换过程类似于低通滤波处理，其在独立完成数字编码信号滤波的过程中也对量化噪声进行了滤波处理，然后各单元所独立辐射的模拟声场在空气中完成耦合叠加，从而在保证多个单元所辐射模拟量化噪声分量对消的基础上精确地合成出模拟信源分量；对于MVCDL负载情况，其数模转换过程如下:首先各绕组接收由数字编码送来的数字电流信号的过程中，会独立发生电力转换，将数字电流信号转换为驱动各绕组的脉冲形式电磁驱动力信号；然后多个音圈在粘结作用的约束下会将自身所承受的脉冲形式的电磁驱动分力进行耦合叠加，形成用于驱动多个绕组及纸盆运动的模拟形式的电磁驱动合力，从而推动空气振动还原出模拟声场。这两种负载情况下所还原的模拟声场会通过人耳的低通滤波作用，得到进一步的改善提高。围绕着扬声器单元的数字化这一核心问题，近年来国内外多家研究机构的学者们已经开展了关于数字化编码调制、数字化功率驱动和数字化扬声器单元制作技术的较为广泛而深入的理论和实践研究，从而形成了以数字化扬声器系统设计为研究方向的全新研究领域。
[0005]自上世纪20年代开始，国外多家研究机构的专家学者们纷纷开展关于数字扬声器系统的理论和实验研究，并取得了较为广泛的研究成果。这些研究工作主要体现在对系统所采用的数字化编码调制技术、数字化功放驱动技术和数字化扬声器制作技术这三大核心技术的创新性研究。按照所采用的数字编码体制的不同，数字扬声器系统可以划分为三类:基于PCM (Pulse Code Mouldation)编码的数字化扬声器系统、基于I比特PWM (Pulse
Width Mouldation)或 Δ - Σ (Delta-Sigma Mouldation-DSM)编码的数字化扬声器系
统、基于多比特Λ - Σ编码的数字化扬声器系统。
[0006]在1963年，C.Roberts申请了世界上第一个基于PCM编码方式的数字激振器发明专利(专利US3153229)。在1979年，Flanagan提出了面向电话和耳机应用需求的驻极体扬声器的数字化设计以及与之相关的声学低通滤波器的设计方法(文献——J.L.Flanagan.Direct digital conversion in acoustic transducers[J].J.Acoust.Soc.Am.Supp1.1, 1979, 66:S54.)。在1977年，日本Sony公司就通过控制各绕组单元绕线匝数按2的指数倍增长的设计方法，制作了世界上第一款数字式多音圈扬声器，并研制了与之相关的驱动装置(专利JP52121316)。在1986年，U.S.Philips公司的Nieuwendijk等人对早期Sony公司提出的多音圈扬声器的音圈绕制方法进行了改进，提出在保持各音圈绕线匝数相同的情况下，按照2的指数倍依次增加各音圈绕制导线的数量，通过多根导线并行绕制的方法制作各音圈单元(专利US4612421)。
[0007]这些基于PCM编码的数字扬声器系统，其设计成果主要关注于改变扬声器负载结构使之满足数字化要求——设计各振动单元辐射面积或各绕组的绕线匝数以保持2的指数倍关系，这种设计思路所存在的致命缺陷在于单纯依赖于增加振动单元面积或线圈匝数来实现数字化系统，会造成振动元件质量加重、扬声器灵敏度降低、功放驱动功率加大、电声转换效率降低；兀件的加工制作难度和成本加大、扬声器的成品率降低；扬声器和功放的体积、重量较大，难于满足便携性需求。随着电子技术的飞速发展，在1997年开始，日本Sony公司的Kishigami等人(专利US5862237)和日本信州大学(Shinshu University)
的 Kenji 等人(文献-A.Hayama and K.Furihata.Acoustic characteristics of an
electrodynamic planar digital loudspeaker using noise shaping technology[J].J.Acoust.Soc.Am.，2005，117(6): 3636-3644.)开始关注数字化系统的另一个实现途径一控制各振动单元(平板电极、压电片或者音圈)的功率放大电路驱动电流呈2的指数倍关系增加，从功放驱动电路的数字化角度来考虑数字扬声器的设计问题，从而弥补了扬声器单元的数字化设计缺陷。
[0008]基于PCM编码的数字系统需要结合编码位权高低相应的进行扬声器振膜面积或音圈匝数的结构设计或者控制功放驱动电流的数值大小，以保证多个比特位所合成的模拟信号具有较好的还原质量，这明显增加了扬声器或者功放设计的复杂度，由于振膜面积、音圈匝数以及功放电流量的比例关系及数值大小很难做到精确控制，从而造成基于PCM编码的数字系统很难取得较好的声还原效果。
[0009]基于PCM编码的数字化扬声器系统所存在的难点问题在于数字化扬声器单元的加工制作和驱动电流强度很难精确控制，由于受上述问题的制约，基于PCM编码的数字系统一直未能取得较为满意的音质水平。为了克服PCM编码在数字扬声器系统加工制作和驱动控制方面存在的缺陷与不足，近年来，许多学者开始研究采用I比特PWM或I比特Λ - Σ调制技术的数字化扬声器系统，并取得了一系列突出的研究成果。
[0010]自从1994年开始，英国ILimited公司总裁Tony Hooley博士领导的开发小组申请了一系列关于I比特PWM编码的数字化扬声器系统专利(专利W001/23104A2和GB2373956A)。这种基于PWM技 术的数字化扬声器系统的实现方法有两个缺点:①基于PWM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。
[0011]随着新一代超宽频数字编码音源——SA⑶(Super Audio⑶)的出现，基于PWM编码方式的数字功放已经不能满足这种数字音源所要求的2Hz~IOOKHz的频响平坦性。为了保证SA⑶的高保真重放效果，许多专家学者和工程师们开始转向研发基于I比特Λ- Σ编码的数字化扬声器系统，期望通过△_ Σ调制所使用的过采样和噪声整形技术，将系统量化噪声功率推挤到带外高频区域，提升数字化系统的音质水平。日本夏普(SHARP)公司经过多年的研发积累，成功突破了 I比特数字放大器的技术瓶颈，自1998年开始，陆续在多个电声消费领域广泛推出了一系列基于I比特Λ-Σ编码的数字化扬声器产品。
[0012]这些基于I比特Λ- Σ编码的数字扬声器系统，仅需要一个简单的低通滤波器即可完成数模转换，硬件实现简单；系统通过高速开关速率和7阶Λ - Σ调制器，将期望音频带内噪声转移到高频区域，保证了高保真的还原音质。基于I比特Λ-Σ调制的数字化系统，在具有上述诸多优点的同时本身也存在着以下几个缺陷:①对时钟抖动较为敏感，容易因时钟抖动引入非线性失真；②为了保持调制结构的稳定性，允许的输入信号动态范围较小需要较高的开关速率，而功率型MOSFET管在驱动扬声器负载进行高速开关切换的过程中会产生较多的非线性失真成份，同时也会引起MOSFET管发热增加、温度升高和效率降低。
[0013]为了解决I比特Λ- Σ编码的数字化系统所存在的缺陷，许多学者又转向研究基于多比特Λ-Σ编码的数字化系统。多比特Λ-Σ调制技术在克服上述I比特Λ-Σ调制缺点的同时，自身也存在着一个较为致命的缺陷——其调制结构对多个扬声器单元(或者音圈单元)频响之间的不一致性以及多个扬声器单元的空间位置分离程度具有较高的敏感度，容易因多个单元频响的不一致性或者空间位置的分离性而引入较大的编码误差。另外，数字功放电路容易受较明显的电源紊波以及较快的开关速率影响而引入较大的非线性失真。
[0014]为了克服多比特Λ- Σ调制技术所具有的偏差敏感性缺陷，自1997年开始，日本法政大学的安田彰教授和Trigence Semiconductor的R村淳一工程师一直合作研发基于多比特△_ Σ编码的数字化系统，他们提出了基于动态失配整形的系统偏差(频响和空间位置偏差)校正方法以及基于延时调整的数字化阵列的波束导向方法，并将系统所用的Δ- Σ调制和动态失配技术合并称为“Dnote”技术；他们将“Dnote”技术的实现电路封装成IC芯片一“Dnote”芯片，利用“Dnote”样片制作了多款数字化扬声器系统样机——8兀压电式线阵扬声器系统、7兀压电式环形阵列系统和6音圈扬声器系统,并于2008年的数字音响视听会展出，这些系统无需功率放大器、LC滤波器，能够以1.5V的低电压驱动，并具有方向控制能力。另外，日本三菱公司三井章仁和山田信一也在2010年3月10日申请了关于Λ - Σ调制数字扬声器的专利(专利号:CN102422650A)。
[0015]“Dnote”技术所申请专利CN102647191A中使用了模拟FIR滤波器和后置滤波器，这些滤波器采用开关电容滤波器(Switched Capacitor Filter)来实现,这种基于开关电容的模拟滤波器，容易受外界环境影响，会存在电压漂移、温度漂移和噪声等问题，很难做到高的稳定度和精度。
[0016]“Dnote” 技术所申请专利 CN101803401A、CN102684700A、CN102239706A、CN102647191A和三菱公司所申请专利CN102422650A所提到的驱动电路(或开关放大器)，是按照Δ Σ调制和失配整形处理后所获得的PDM (Pulse Density Modulation)编码格式的数字信号进行开关切换操作，而为了获得较高的信噪比水平，△ Σ调制和失配整形处理后的数字信号的开关切换速率往往非常高，一般都需要大于IOMHz的开关切换速率，才能取得较为理想的信噪比水平，例如12.5MHz开关切换速率下，信噪比能达到IOOdB的水平，这一过高的开关切换速率造成了驱动电路的效率严重降低，同时过高切换速率也带来驱动电路在稍微大点的输出功率情况下就会产生不稳定性，造成驱动电路无法正常工作，为了保证高速切换情况下驱动电路的稳定性就需要严格限制驱动电路的输出功率，通常为使驱动电路满足IOMHz量级的开关切换速率，需要将驱动电路的输出功率限定在IW量级才能保证驱动电路的信噪比和谐波失真达到较为理想的水平，同时驱动电路保持稳定工作。这些专利所提到的驱动电路，由于受高速开关切换速率的限制，不能实现大功率输出，仅能局限在IW量级的功率输出水平。
[0017]“Dnote” 技术所申请专利 CN101803401A、CN102684700A、CN102239706A、CN102647191A和三菱公司所申请专利CN102422650A所提到的失配整形处理，并没有考虑到输入信号幅度与其失配整形通道数量直接的关联，并没有根据信号输入幅度对参与整形的通道数量进行优化处理，这一 缺陷性会造成失配整形器全部通道都参与到整形处理工作中，会消耗更多的电能，在低功耗处理上还有进一步优化的空间。这些专利所提到的失配整形处理并没有考虑对整形器进行提高整形阶数和优化零极点所带来的信噪比提高。
[0018]专利CN101409560A提到将从SDATA、BCLK, LRCK管脚接收的多种格式的串行音频信号，经过串并变换后，送至去加重/插值滤波器、多位Σ -Δ调节器(DSM)与动态元件匹配单元(DEM)进行联合处理，从而将高分辨率(典型值是16位到24位)、低采样率(典型值是8ΚΗζ到200ΚΗz)的输入数据转化为低分辨率(典型值是I位到6位)、高采样频率(典型值是输入频率的32倍到128倍)的数字信号；然后再经过低通滤波器SCF将这一低分辨率、高采样频率的数字信号转化为模拟信号送至混音器，通过混音器将这一数模转换器输出的模拟音频信号与其他模拟音频信号进行混音处理，最后将混音器输出的模拟音频信号进行功率放大，驱动外部耳机或者扬声器发声。专利CN101409560A所提到的去加重/插值滤波器、多位Σ -Δ调节器(DSM)与动态元件匹配单元(DEM)、低通滤波器SCF是典型的数模转换器的信号处理流程，这一工作流程并没有涉及到针对扬声器阵列的多个单元或者多音圈扬声器的多个音圈进行编码及分配处理过程，仅是用于对输入的串行音频数字信号进行数模变换处理获得模拟音频输出信号，其模拟输出信号送至功放放大后驱动扬声器单元或者耳机发声，这一功率放大至扬声器输出过程仍然属于模拟信号传输过程，其功率放大和扬声器电声转换所组成系统的集成度比较低、电声转换效率也比较低，没有考虑对扬声器阵列多个单元或者多音圈扬声器的多个音圈进行统一的数字编码处理。
[0019]针对现有数字扬声器系统装置所存在的缺陷，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、实现简单的信号调制及编解码方式，以实现性能优异的数字扬声器系统装置。
【发明内容】
[0020]本发明的目的是克服现有数字扬声器系统装置所存在的缺陷，并结合低功耗、小外形、数字化与集成化发展需求，提出了一种基于多比特△_ Σ调制的数字扬声器系统实现方法和装置。
[0021]为了达到上述目的，本发明采取的技术方案如下:
[0022]一种基于多比特Λ-Σ调制的数字扬声器系统实现方法，如图1所示，包括如下步骤:
[0023]1、一种基于多比特Λ— Σ调制的数字扬声器系统实现方法，依次包括如下步骤:
[0024]1)对输入的声源文件进行数字输入格式转换，生成位宽为N、采样率为f。的PCM编码信号；
[0025]2)对所述位宽为N、采样率为f。的PCM编码信号按照指定的过采样率0SK。进行过采样插值滤波，获得位宽为N、采样率为f^=0SKXf。的PCM编码信号；
[0026]3)对所述位宽为N、采样率为^ot=OskX f。的PCM编码信号进行多比特Λ — Σ调制，生成位宽为Μ、采样率为的PCM编码信号:所述M〈N;
[0027]4)将所述位宽为M、采样率为的PCM编码信号进行温度计编码，转换为采样率为f_，对应于2"个数字通道的数字功放和扬声器负载的一元码信号；
[0028]5)多通道失配整形，在算法实现上采用基于输入信号幅值优化的DEM整形
算法-1SAO-DEM (Input Signal Amplitude Optimization-Dynamic Element
Mismatched)整形算法，该算法根据输入信号幅值大小，动态调整参与失配整形的通道数量，将剩余未参与整形的通道进行关闭或休眠处理，ISAO-DEM整形算法通过一定的随机排序方法对采样率为f^，对应于2M个数字通道的一元码信号所形成的并行编码码流的输出顺序进行调整，以随机选择输出通道；
[0029]6)将采样率为f_，对应于2"个数字通道的一元码信号进行编码格式转换，转换为采样率为f^=f；syDSK，对应于2m个通道的I比特PWM编码数据流；所述DSK>1 ；
[0030]7)对所述采样率为f^=f；syDSK，对应于2m个通道的I比特PWM编码数据流进行数字功放，生成功放数字开关电信号；
[0031]8)扬声器阵列中的多个扬声器单兀或多音圈扬声器中的多个音圈协同完成电声转换操作，将数字开关电信号转换为模拟声信号，
[0032]其中，32≥N≥16，6≥M≥I。
[0033]所述步骤I)中所述的声源文件的格式为模拟格式，所述对输入的声源文件进行数字输入格式转换，生成位宽为N(典型值为16比特到24比特)、采样率为f。(典型值为:44.1KHz至192KHz)的PCM编码信号具体为:将所述声源文件经过，转换为基于PCM编码格式的数字信号，然后按照系统指定的采样率f。和指定的位宽N转换为位宽为N、采样率为f。的PCM编码信号；
[0034]或；
[0035]所述步骤I)中的声源文件的格式为数字格式，所述对输入的声源文件进行数字输入格式转换，生成位宽为N、采样率为f。的PCM编码信号具体为:将所述声源文件按照系统指定的采样率f。和指定的位宽N转换为位宽为N、采样率为f。的PCM编码信号。
[0036]在上述技术方案中，进一步地，步骤2)中所述过采样插值滤波，如图2所示，完全采用数字电路实现，并按照FIR (Finite Impulse Response)插值滤波器结构和CIC(Cascaded Integrator Comb)插值滤波器相结合的结构进行多级级联产生指定过采样倍数Osk的过采样数字信号，该信号的采样率为f_=0SKXf。，位宽为N。FIR插值滤波器仅使用在过采样倍数Osk较小、过采样率较低的情况，在更高采样率情况下，FIR插值滤波器的乘加操作所要求的时钟频率过高，且对硬件资源消耗过大，因而在过采样倍数Osk较大、过采样率较高的情况下采用CIC插值滤波器实现，以节省硬件资源消耗。优选地，步骤2)中所述过采样插值滤波，除最后一级采用CIC插值滤波器外，前面其他各级均采用FIR插值滤波器实现。如图3所示，FIR滤波器的系数需要根据过采样倍数、转折频率、带内频响幅度起伏、带外频响幅度衰减量等参数进行设计。如图4所示，CIC滤波器包括梳状滤波器和积分滤波器两部分组成，由梳状滤波器和积分滤波器的多次级联完成插值滤波处理。
[0037]在上述技术方案中，进一步地，步骤3)中所述多比特Λ- Σ调制，用于将过采样插值滤波处理获得的采样率为位宽为N的高位宽PCM编码信号转化为采样率为?._、位宽为Μ(Μ〈Ν)的低位宽PCM编码信号。如图5所示，所述多比特Λ-Σ调制的信号处理过程如下:
[0038]假设量化噪声e(n)服从白噪声分布特性，那么在激励为u(η)的情况下可以推出系统输出V (η)的ζ域表达式为:
【权利要求】
1.一种基于多比特Λ— Σ调制的数字扬声器系统实现方法，依次包括如下步骤: 1)对输入的声源文件进行数字输入格式转换，生成位宽为N、采样率为f。的PCM编码信号; 2)对所述位宽为N、采样率为f。的PCM编码信号按照指定的过采样率Osk进行过采样插值滤波，获得位宽为N、采样率为f^=0SKX f。的PCM编码信号； 3)对所述位宽为N、采样率为f^=0SKXf。的PCM编码信号进行多比特Λ—Σ调制，生成位宽为M、采样率为的PCM编码信号，其中M〈N; 4)将所述位宽为M、采样率为的PCM编码信号进行温度计编码，转换为采样率为 ，对应于2"个数字通道的数字功放和扬声器负载的并行的一元码信号； 5)多通道失配整形:通过随机排序方法对采样率为f_，对应于2M个数字通道的一元码信号所形成的并行编码流的输出顺序进行调整，以随机选择输出通道； 6)将采样率为，对应于2"个数字通道的一元码信号进行编码格式转换，转换为采样率为f^=f^/DSK，对应于2m个通道的I比特PWM编码数据流，其中DSK>1 ； 7)对所述采样率为fto=f，对应于2"个通道的I比特PWM编码数据流进行数字功放，生成功放数字开关电信号； 8)扬声器阵列中的多个扬声器单兀或多音圈扬声器中的多个音圈协同完成电声转换操作，将数字开关电信号转换为模拟声信号， 其中，32≥N≥16,6≥M≥I。
2.根据权利要求1所述的数字扬声器系统实现方法，其特征在于，所述步骤I)中所述的声源文件的格式为模拟格式，所述对输入的声源文件进行数字输入格式转换，生成位宽为N、采样率为f。的PCM编码信号具体为:将所述声源文件经过，转换为基于PCM编码格式的数字信号，然后按照系统指定的采样率f。和指定的位宽N转换为位宽为N、采样率为f。的PCM编码信号； 或 所述步骤I)中的声源文件的格式为数字格式，所述对输入的声源文件进行数字输入格式转换，生成位宽为N、采样率为f。的PCM编码信号具体为:将所述声源文件按照系统指定的采样率f。和指定的位宽N转换为位宽为N、采样率为f。的PCM编码信号。
3.根据权利要求1所述一种基于多比特Λ-Σ调制的数字扬声器系统实现方法，其特征在于，所述步骤2)中所述的过采样插值滤波，采用数字电路实现，通过FIR插值滤波器结构和CIC插值滤波器多级级联的结构产生指定过采样率Osk的过采样数字信号，所述指定的过采样率Osk由至少一个FIR插值滤波器和至少一个CIC插值滤波器依次级联产生。
4.根据权利要求3所述一种基于多比特Λ-Σ调制的数字扬声器系统实现方法，其特征在于，所述过采样插值滤波采用多级级联结构中，最后一级采用CIC插值滤波器，其他各级均采用FIR插值滤波器，所述CIC滤波器由梳状滤波器和积分滤波器组成，所述梳状滤波器和所述积分滤波器的多次级联完成插值滤波处理。
5.根据权利要求1所述一种基于多比特Λ-Σ调制的数字扬声器系统实现方法，其特征在于，所述步骤4)中所述的一元码信号，在任意时刻仅有“O”和“ I ”两种电平状态，在“O”状态时,扬声器负载被关断，在“ I ”状态时，扬声器负载被开通。
6.根据权利要求1所述的数字扬声器系统实现方法，其特征在于，所述步骤5)的多通道失配整形采用DWA、二阶VFMS、二阶TSMS中的任一种失配整形算法实现。
7.根据权利要求1所述的数字扬声器系统实现方法，其特征在于，所述步骤5)的多通道失配整形采用VFMS失配整形算法，其表达式为
8.根据权利要求1所述的数字扬声器系统实现方法，其特征在于，所述步骤5)中所述的多通道失配整形通过ISAO-DEM失配整形算法实现，所述ISAO-DEM根据输入信号幅值大小，动态调整参与失配整形的通道数量，将剩余未参与整形的通道进行关闭或休眠处理，所述ISAO-DEM算法根据输入信号幅值大小，动态调整参与失配整形的通道数量，将剩余未参与整形的通道进行关闭或休眠处理。
9.根据权利要求8述的数字扬声器系统实现方法，其特征在于，所述ISAO-DEM失配整形算法按照叠加声场谐波失真尽量白化的原则进行动态调整参与失配整形的扬声器单元或者扬声器音圈。
10.根据权利要求9述的数字扬声器系统实现方法，其特征在于，所述ISAO-DEM控制扬声器单元或音圈按时钟节拍进行平均化使用。
11.根据权利要求1所述的数字扬声器系统实现方法，其特征在于，所述步骤7)中所述多通道数字功放，是指每个通道上经过编码格式转换后的采样率为f^=f；syDSK，对应于2m个通道的I比特PWM编码数据流以及与其反相信号组成差分的开关控制信号，去控制全桥功放电路进行开关动作。
12.一种基于多比特Λ-Σ调制的数字扬声器系统装置，其特征在于，包括: 一数字输入接口(1)，对输入的声源文件进行数字输入格式转换，生成位宽为N、采样率为f。的PCM编码信号； 一过采样插值滤波器(2)，与所述数字输入接口(I)的输出端相连接，用于对所述位宽为N、采样率为f。的PCM编码信号按照指定的过采样率0SK。进行过采样插值滤波，获得位宽为N、采样率为f；Sr=0SKX f。的PCM编码信号；； 一多比特Λ- Σ调制器(3)，其输入端与所述过采样插值滤波器(2)的输出端相连接，用于所述位宽为N、采样率为f_=0SKXf。的PCM编码信号进行多比特Λ—Σ调制，生成位宽为M、采样率为的PCM编码信号，其中M〈N ; 一温度计编码器(4)，其输入端与所述多比特Λ- Σ调制器(3)的输出端相连接，用于将所述位宽为M、采样率为的PCM编码信号进行温度计编码，转换为采样率为，对应于2"个数字通道的数字功放和扬声器负载的并行的一元码信号； 一多通道失配整形器(5)，其输入端与所述温度计编码器(4)的输出端相连接，用于通过一定的随机排序方法对采样率为对应于2M个数字通道的一元码信号所形成的并行编码码流的输出顺序进行调整，以随机选择输出通道； 一编码格式转换器(6)，与所述多通道失配整形器(5)的输出端相连接，用于将采样率为f_，对应于2"个数字通道的一元码信号进行编码格式转换，转换为采样率为fto=f_/Dse,对应于2M个通道的I比特PWM编码数据流；其中DSK>1 ；； 一多通道数字功放(7)，其输入端与所述编码格式转换器(6)的输出端相连接，用于对所述采样率为f^=f；syDSK，对应于2m个通道的I比特PWM编码数据流进行数字功放，生成功放数字开关电信号； 一扬声器阵列或者多音圈扬声器单兀(8),其输入端与所述多通道数字功放(7)的输出端相连接，用于扬声器阵列中的多个扬声器单兀或多音圈扬声器中的多个音圈协同完成电声转换操作，将数字开关电信号转换为模拟声信号， 其中，32≥N≥16,6≥M≥I。
13.根据权利要求12所述的数字扬声器系统装置，其特征在于，当所述的声源文件的格式为模拟格式时，所述数字输入接口(I)将所述声源文件经过模数转换，转换为基于PCM编码格式的数字信号，然后按照系统指定的采样率f。和指定的位宽N转换为位宽为N、采样率为f。的PCM编码信号； 或 当所述的声源文件的格式为数字格式时，所述数字输入接口( I)将所述声源文件按照系统指定的采样率f。和指定的位宽N转换为位宽为N、采样率为f。的PCM编码信号。
14.根据权利要求12所述的数字扬声器系统装置，其特征在于，所述的过采样插值滤波器(2)由至少一个FIR插值滤波器和至少一个CIC插值滤波器多级级联。。
15.根据权利要求12所述的数字扬声器系统装置，其特征在于，所述多通道失配整形器(5)包括:误差生成模块(21)、整 形处理模块(22)、最小值搜索模块(23)、减法运算模块(24)和量化器模块(25)； 误差生成模块(21)用于比较所述温度计编码器(4)的输入编码信号与输出编码信号之间的编码误差，并输出2?个通道的编码误差值； 整形处理模块(22)，对误差生成模块(21)送入的编码误差值按照设计的失配整形函数进行整形处理，输出整形后的编码误差信号； 最小值搜索模块(23)接收整形处理模块(22)送入的整形后的多通道误差信号，并通过多次比较处理搜索出这些通道上所传送数据的最小值，并将最小值输出； 减法运算模块(24 )，从整形处理模块(22 )接收整形处理后的多通道编码误差信号，并从最小值搜索模块(23)接收经过排序处理所得到的多通道数据中的最小值，通过减法运算，从多通道编码误差信号中减去多通道编码误差信号的最小值，并将减法处理后的多通道信号输出； 量化器模块(25)，所述量化器模块包括多组比较器，通过多组比较器产生2m个量化电平级，并将这些量化电平级送至温度计编码器(4)，通过温度计编码器(4)完成单通道、M比特PCM编码到2m个通道、I比特PDM编码的转换。
16.根据权利要求12所述的数字扬声器系统装置，其特征在于，所述编码格式转换器(6)，包括:Λ-Σ调制器(26)和PWM调制器(27)； Δ - Σ调制器(26)用于完成I比特PDM编码信号到位宽为L的低位宽PCM编码信号的转换； PWM调制器(27)用于完成位宽为L的低位宽PCM编码信号到PWM编码信号的转换。
17.根据权利要求12所述的数字扬声器系统装置，其特征在于，所述多通道数字功放(7)包括:栅极驱动(28)、MOSFET功率管(29)和反馈网络(30)； 栅极驱动(28)用于将编码格式转换器(6)产生的PWM编码信号转换为驱动MOSFET功率管进行开通/关断操作的开关控制信号； MOSFET功率管(29)用于按照栅极驱动(28)的开关控制信号进行高速的开通/关断操作，从而驱动扬声器发声； 反馈网络(30)用于将扬声器引线上的功率信号转换为小幅度信号并送至PWM调制器(27)，实现反馈校正功能，降低功放谐波和噪声，提高功放的性能水平。
18.根据权利要求12所述的数字扬声器系统装置，其特征在于，所述扬声器阵列或者多音圈扬声器单元(8)，各扬声器单元或者各音圈接入数字功放(7)，通过多个单元或者多个音圈的协同工作，完成音源信`号的完整合成和重放。
【文档编号】H03M3/04GK103701465SQ201310636558
【公开日】2014年4月2日 申请日期:2013年12月2日 优先权日:2013年12月2日
【发明者】马登永, 杨军, 周建明, 柴国强, 蔡野锋, 沐永生 申请人:苏州上声电子有限公司