专利名称：扬声器输出的控制的制作方法
技术领域：
本发明涉及扬声器输出的控制。
背景技术：
扬声器是一种将电信号转换成声信号的设备。对于小的电信号，即振动膜位移小，可以在所述输入电压信号与所述声压之间定义精确的线性传递函数(transferfunction)。然而，对于导致较大位移的输入信号，由于所述扬声器的非线性行为所述线性模型是无效的，并且使得所述声输出失真。存在许多针对扬声器失真起源和建模的研究。当将扬声器驱动至其非线性行为时，发生听得见的失真，并且对于严重的非线性，扬声器的预期使用寿命会缩短。扬声器故障的一个重要原因是当扬声器振动膜位移超过某个极限时出现的机械缺陷，所述极限通常由制造商提供。超过这个位移极限或者会立即损坏扬声器或者会大大降低其预期使用寿命。此外，小扬声器的使用和 对高的声输出需求的组合表明需要响度最大化方法，但是这些增加了超过所述振动膜位移极限的风险，也称作“圆锥偏移”(cone excursion)极限。在一种扬声器响度最大化方法中，当没有达到所述位移极限时，可以通过增强声输出同时保持在所述扬声器的位移极限之内的方式处理输入信号来获得扬声器响度最大化。这种基于扬声器的处理过程可以由滤波操作或者动态范围压缩算法组成，其中可以通过必要时减小由过度的扬声器偏移引起的失真的方式来调整所述动态范围压缩器的参数。存在几种方法来限制/最大化所述扬声器振动膜的位移，并且它们可被分成三类。(I)第一类包括利用(高通或者其他的)可变截止滤波器处理所述输入信号的方法，经由反馈回路控制其特性。所述测量的控制信号称作位移预测器(predictor)。(2)第二类包括同样使用位移预测器的方法，但是将其反馈个所述输入信号。(3)第三类包括利用一组具有可调节增益的带通滤波器通过防止过度偏移(通过只衰减造成最大偏移的频带)的方式处理所述信号的方法。第三类方法使用前馈策略。倾斜型滤波器(shelving filter)的使用也已经在这种前馈方法(US 7372966)中提出，经由所述位移预测器以前馈方式控制所述方法，使用在将信号发送至所述放大器/扬声器之前预处理所述信号的扬声器模型。这些方法通常需要附加传感器来监测扬声器的行为或者它们使用扬声器的固定模型。如果使用附加传感器，传统上是没有包括在所述设备中的，诸如用于测量所述振动膜位移信号的移动传感器(motion sensor)或者用于测量流入所述扬声器音圈电流的电流传感器。当使用扬声器的固定模型来执行扬声器保护时，需要估计所述模型，通常对设备的某种类型或者模型估计一次。因此，这些方法既没有考虑设备样本上的可变性，也不考虑扬声器加热和老化的影响。
发明内容
根据本发明，提供了一种扬声器驱动电路，包括扬声器驱动器；输入，用于从麦克风接收信号，所述麦克风检测所述扬声器的声音输出；用于检测所述扬声器的驱动信号与麦克风信号之间非线性的装置；以及处理器，用于在将输入信号施加至所述扬声器驱动器之前处理输入信号，其中所述处理器适用于依赖于已检测的非线性来控制所述处理器，诸如控制将扬声器驱动进入非线性工作区域的程度。本发明是基于使用麦克风来间接地监测所述振动膜位移，即经由(在扬声器与麦克风之间的)回波路径中非线性的存在。这调节了所述输入信号的处理，使得减小所述非线性。这样，本发明可以提供所述声输出的最大化，同时保证所述扬声器不被驱动超过其位移极限。麦克风是一种在许多设备中均可用的传感器，诸如移动电话、笔记本电脑和PDA。可以在这些设备中实现本发明，并且因此能够在不需要附加传感器的情况下执行机械扬声器保护。可以使用声回波消除系统，其中用于检测所述扬声器的驱动信号与所述麦克风信号之间非线性的装置包括用于确定所述回波消除系统的性能的装置。这样，本发明 可被实现为一种自适应方法，所述方法基于当前的回波消除性能连续地更新，并且因此考虑所述可变性以及加热和老化的影响。所述处理器可以包括以下装置中的一个或者多个用于利用可变阈值实现动态范围压缩的装置，所述动态范围压缩函数中在所述阈值处存在拐点(knee)；用于实现可变增益的装置；以及用于利用可变截止频率实现滤波功能的装置。当需要防止对于所述扬声器的损坏时，这些措施使得能够处理所述输入信号，以便降低所述振动膜位移。所述声回波消除系统可以包括延迟元件，用于延迟所述扬声器的驱动信号；滤波器，用于实现可变的传递函数；以及比较器，用于将所述麦克风信号与已延迟和已滤波的驱动信号进行比较，并且响应于比较结果控制所述可变传递函数。这是一种已知的用于提供回波消除的系统，其中所述滤波器产生已估计回波信号，从所述已记录回波信号中减去所述已估计回波信号。所述减法结果可以用作所述回波消除性能的度量并且因此可以用作所述处理器的输入。所述声回波消除系统的回波损耗增强(ERLE)性能可以用作所述处理器的输入。在一个示例中，不允许所述回波损耗增强降至阈值水平以下。当需要时，这限制了所述振动膜位移。在另一个示例中，将所述回波损耗增强维持在阈值水平。这可以用于提供响度最大化。
扬声器电路包括本发明的驱动电路以及通过所述驱动电路驱动的扬声器。本发明还提供了一种控制扬声器的方法，包括使用麦克风检测所述扬声器的声音输出；检测所述扬声器的驱动信号与所述麦克风信号之间的非线性；以及在施加至所述扬声器驱动器之前处理输入信号，以依赖于已检测的非线性来控制所述处理器，诸如控制将所述扬声器驱动进入非线性工作区域的程度。
现在将参考附图详细地描述本发明的示例，其中图1以示意的形式示出了本发明的扬声器系统；图2示出了传统的声回波消除器(AEC)；图3示出了本发明的扬声器系统；图4用于示出增益对最大位移(图4A)和ERLE(图4B)的影响；图5用于示出动态范围压缩器的影响；图6用于示出DRC压缩阈值对最大扬声器位移(图6A)和ERLE (图6B)的影响；图7用于示出高通滤波器的截止频率对最大扬声器位移(图7A)和ERLE (图7B)的影响；图8用于示出所述AEC性能与所述振动膜位移之间的关系是所述增益(图8A)、所述DRC压缩阈值(图SB)和所述高通滤波器的截止频率(图SC)的函数；图9示出了所述ERLE是时间的函数；以及图10示出了移动电话包括本发明的扬声器系统在内的移动电话。
具体实施例方式
本发明提供了一种具有麦克风的扬声器驱动电路，所述麦克风形成了声回波消除系统的一部分。在施加至扬声器驱动器之前处理输入信号，并且依赖于所述回波消除系统设置来控制所述处理过程，诸如控制将扬声器驱动进入非线性工作区域的程度。这样，在不需要扬声器模型或者附加的专用传感器的情况下，可以控制所述线性度以便提供偏移极限。本发明的驱动电路使得能够以在所述设备的声输出上可观察到的失真叫小的方式处理输入信号。它可以在设备中实现，所述设备具有一个或者多个用于再现音频的扬声器、用于捕捉声音的传感器(诸如一个或者多个麦克风)以及DSP或者微控制器，其产生所述数字输出信号并且接收所述数字输入传感器信号。图1以示意的形式示出了本发明系统的部件。数字信号处理器(DSP) 10执行所述系统的处理过程。来自DSP的所述输出信号x[k]经由数字/模拟转换器(DAC) 14和放大器16发送至一个或者多个扬声器12。所述数字源信号可以从存储器获得或者从不同的模块接收(诸如语音通信系统的已接收信号)。所述DSP的输入信号z [k]经由放大器20和模拟/数字转换器(ADC) 22从一个或者多个传感器获得，所述传感器以至少一个麦克风18的形式。这些信号典型地包含由所述扬声器12再现的所述声信号的“声回波”、环境噪声和其他外部信号(例如说话)。
所述“声回波路径”滤波器h(t)的特征在于从所述扬声器的声输出至所述麦克风输入的转移。图2示出了一种已知的声回波消除器(AEC)。所述数字输入信号XMt[k](可选地)被固定处理模块24( “fixed proc”)处理，产生x[k]。这个处理过程可以包括增益、固定的动态范围压缩操作、滤波操作，甚至例如提高语音可识度的自适应处理过程(在当前的语境下，它仍然被称作“固定的”，因为它不回实现下文所述本发明的自适应控制)。将所述输出信号x[k]发送至所述扬声器，并且也可以经由延迟线26(A)发送至自适应滤波器28w[k]，产生所述滤波器输出y[k]。从所述麦克风信号z[k]中减去所述滤波器输出7[幻，产生所述剩余信号1~[10。当然可以将所述减法功能可以视为是比较功能。所述信号y[k]包括回波估计。例如按照在最小二乘法的意义下使所述剩余信号中的信号功率最小的方式调整所述自适应滤波器28的系数。所述滤波器输出y[k]代表x[k]与z[k]之间的线性相关部分。因此，在z[k]中与x[k]不线性相关的源(诸如说话和环境噪声)仍然出现在回波消除之后的信号r[k]中。这个系统是公知公用的，并且已经示出了当从x[k]至z[k]的信号路径是线性的，即当所述声回波路径h(t)是线性的并且所述输出放大器和扬声器按照线性方式运转时，能够产生良好的性能。可以用所述回波损耗增强(ERLE)测量性能，所述ERLE是当通过回波消除器的发送路径时所述回波信号的衰减。另一种措施可以从所述滤波器系数的“稳定性”中获得非线性引起所述系数的抖动(jitter)。在图3中示出了本发明的系统 。图2的模块24已经被自适应处理模块30“adaptproc”代替并且控制模块32控制所施加 的处理过程。这个模块30可能包括增益、动态范围压缩操作、滤波操作或者它们的组合(这种列举不是详尽的，其他类型的处理过程也是可能的)。这些操作的参数由所述控制模块调整。所述控制模块以不会驱动所述扬声器进入其非线性行为太多的方式调节所述处理模块30的参数。如下所述，所述扬声器非线性工作的评估基于所述回波消除系统的性能。如图1所示设备中的非线性可以具有许多原因，其中所述放大器的饱和、所述ADC的饱和以及所述扬声器的非线性行为。由所述ADC和所述传感器放大器造成的非线性与当前语境是不相关的，因为它们可以通过仔细的设计规避。剩余非线性(所述输出放大器的饱和以及所述扬声器的非线性行为)中的每一个均以非线性方式影响x[k]与z[k]之间的信号路径。扬声器非线性行为的主要原因与所述振动膜位移有关。对于所述位移较小的小信号，所述扬声器线性地表现，并且随着所述位移增加非线性变得更加突出。因此，可以通过限制非线性的存在来限制所述振动膜位移。在一个示例中，本发明基于麦克风信号使用所述声回波消除系统作为测量非线性程度的手段。可以使用已知的声回波消除器(诸如图2所示的)估计从x[k]至z[k]的所述信号路径的非线性。更具体地，所述回波消除器的性能和/或稳定性响应于非线性信号路径变化，使得所述性能和/或稳定性可以用作非线性的度量。尽管本发明也应用于多通道，图2只示出了单个输入通道和单个输出通道。所述回波消除的线性自适应滤波器方法假定在x[k]与z[k]之间的信号路径是线性的。在这个信号路径中的任何非线性将导致降低的性能(例如降低的ERLE)，所述路径包括所述声回波路径h(t)、所述放大器、所述传感器和所述扬声器。因此，所述AEC的低性能表明在所述信号路径中存在非线性，所述非线性可以归因于所述输出放大器或者所述扬声器，但是也可以归因于所述设备外壳的振动。现在讨论所述处理模块30对所述非线性存在的影响。对于可以应用于所述处理模块30 (增益、DRC和高通滤波器)的三种类型的处理过程，改变控制所述处理过程的参数，并且对于两个不同的音乐片段评估了所述效果(图中的实线和虚线)。对于在具有扬声器和麦克风的设备上的10秒音乐重放片段,对于不同的参数数值，已经使用激光位移计测量出所述最大振动膜位移。这给出了所述扬声器的非线性行为的指示(在这些实验中所述放大器没有表示出任何非线性行为)，因为所述扬声器非线性与所述振动膜位移紧密相关。对于较大的位移，所述扬声器非线性是更加突出的。对于每一个10秒片段，所述ERLE均已经计算为所述麦克风信号与所述剩余信号之间的信号功率比。这是一种用于评估所述非线性从而间接地评估所述振动膜位移的可能手段(正如本发明所认识到的)。对于两个音乐片段，增益的影响如图4所示。图4A示出了当所述增益增加时所述最大位移增加。由制造商提供的最大允许位移由水平虚线40表示。图4B示出了所述ERLE作为所述增益的函数而减小，表明了随着所述增益增加所述扬声器的非线性行为变得更加突出。在图5中阐释了动态范围压缩器的影响。动态范围压缩模块旨在减小音频信号的动态范围，即它使高的与低的幅 度水平或者音量之间差异减小。动态范围压缩类型部分地以所述压缩曲线为特征，所述压缩曲线的一个示例如图5所示。如果所述信号水平(功率或者振幅)超过压缩阈值，所述增益减小一定数量，定义了所述输入-输出函数中的拐点。将所述信号水平计算为所述信号功率或者幅度的不对称平滑版本，具有“上升”(attack)时间常数(当所述信号水平增加时使用)和“释放”(release)时间常数(当所述信号水平降低时使用)。所述增益减小从所述压缩曲线中计算并且通常被表示为压缩比。例如，3 I的压缩比意味着如果所述输入信号水平超过所述压缩阈值3dB，那么所述输出信号水平将超过ldB。图6示出了对于两个音乐片段DRC压缩阈值对所述最大扬声器位移(图6A)和所述ERLE (图6B)的影响。图6A示出了当所述DRC压缩阈值的数值增加时所述最大位移增加。由制造商提供的最大允许位移再次由水平虚线40表示。当所述DRC压缩阈值超过某个极限时所述振动膜位移超过这个数值，并且这将对所述扬声器的使用寿命具有负面影响。图6B示出了所述ERLE作为DRC压缩阈值的函数而减小，表明了当所述DRC压缩阈值增加时所述扬声器的非线性行为变得更加突出。图7示出了对于两个音乐片段高通滤波器的截止频率对所述最大扬声器位移(图7A)和所述ERLE (图7B)的影响。图7A示出了当所述截止频率增加时所述最大位移减小。由制造商提供的最大允许位移再次由水平虚线40表示。
图7B示出了所述ERLE作为所述截止频率的函数而增加，表明了当所述高通滤波器的截止频率降低时所述扬声器的非线性行为变得更加突出。总之，当所述增益和所述DRC压缩阈值增加时以及当所述高通滤波器的截止频率降低时，所述扬声器的非线性行为变得更加突出。由于大多数的扬声器非线性与所述振动膜位移紧密相关，这意味着可以利用所述处理过程参数(DRC压缩阈值、截止频率、增益)(间接地)控制所述振动膜位移。在没有附加传感器的情况下不能测量所述振动膜位移，但是可以测量所述AEC性能，并且所述AEC性能可用作控制变量，因为它是所述位移的间接度量。为了阐释所述AEC性能与所述振动膜位移之间的关系，示出了对于两个音乐片段(实线和虚线曲线)的最大振动膜位移和ERLE的散点图，两者都是所述增益的函数(图8A)、所述DRC压缩阈值的函数(图SB)和所述高通滤波器的截止频率的函数(图SC)。可以看出，所述ERLE作为所述最大振动膜位移的函数而减小(由于当所述振动膜位移增加时所述扬声器增加的非线性行为)。所述最大允许位移由垂直虚线50表示。此夕卜，对于不同的音迹测量的所述ERLE与振动膜位移曲线是类似的，即使对于两个音迹所述处理过程参数(增益、DRC压缩阈值和截止频率)对所述ERLE和振动膜位移的影响是不同的。对于所述DRC压缩阈值固定数值的一个10秒的片段，所述ERLE在图9中标绘为时间的函数(先前的图表使用10秒片段上的平均值)。所述最大允许位移可被转变为所述ERLE的下限，所述ERLE使用如散点图(图8A-C)所示的关系。在图9中这个下限由水平虚线60表不。本发明可实现为一种控制方案，以平均来说所述ERLE与所述ERLE下限60重合的方式控制所述处理过程的参数。这样，将以所述声输出最大而所述非线性在界限之内(由于所述振动膜位移是有限的)的方式调节所述参数。例如，当所述ERLE高于所述下限时，可以通过增加所述增益和/或DRC压缩阈值和/或降低所述高通滤波器的截止频率来实现，而当所述ERLE低于所述下限时，可以通过降低所述增益和/或DRC压缩阈值和/或增加所述高通滤波器的截止频率来实现。可以实现一种替代的控制方案，如果所述ERLE在所述下限以下，那么所述方案只改变所述处理过程的参数。这样，在没有使所述声输出最大化的情况下，机械地保护了所述扬声器。由于本发明监测线性AEC的性能，预期改进所述回波消除和/或抑制，所述回波消除和/或抑制对于诸如语音通信的应用是必须的。实际上，如果所述回波路径是近似线性的，那么用于回波消除和抑制的算法会更好地执行。此外，本发明可以集成到回波抑制系统中，所述系统可以包括线性AEC，随后是光谱后处理。为了实现本发明，可以使用如图3所示的以下部件-与一个或者多个扬声器相连的一个或者多个输出放大器；-与一个或者多个麦克风相连的一个或者多个麦克风放大器；-数字/模拟转换器和模拟/数字转换器；-实现本发明所述方法的DSP或者微控制器。在优选的实施方法中，在所述DSP或者微控制器上执行的软件包括以下部件
-声回波消除(AEC)算法，诸如自适应滤波器；-自适应处理模块；-控制模块，评估所述AEC并且控制所述自适应处理模块。本发明可被用于(机械的)扬声器保护的应用，来提高音频设备中扬声器的预期使用寿命，其中麦克风是可获得的，例如在移动电话中。本发明还可以用于使所述响度最大化，同时仍然保护所述扬声器。这再次是移动电话感兴趣的，其中通常采用较低质量的扬声器，但是需要高的声输出。在输入处的源信号可以从存储器中找到，或者可以经由模拟/数字转换器(ADC)输入至所述DSP或者微控制。图10示出了一个移动电话70，所述移动电话包括本发明所述的扬声器系统72，所述扬声器系统包括麦克风74。上面只给出了回波消除方法的一个示例。可以采用其他回波消除系统，并且所述性能可以再次用作所 述输出中非线性程度的度量。同样，还可以使用其他方法取代回波消除系统，所述方法对两个(组)信号之间的非线性程度进行量化。例如，可以将非线性函数映射至从待比较信号得出的信号，并且非线性项的系数可以看作是非线性的度量。当然，当存在所述回波消除系统时使用所述系统的优势是存在现有硬件/软件的再利用。所述麦克风可以是用于所述设备其他功能的相同的麦克风，并且不一定是用于所述系统的专用麦克风。本领域普通技术人员将会理解各种修改。
权利要求
1.一种扬声器驱动电路,包括 扬声器驱动器(16)； 输入，用于从麦克风(18)接收信号，所述麦克风检测所述扬声器(12)的声音输出； 用于检测所述扬声器的驱动信号与麦克风信号之间非线性的装置；以及 用于在将输入信号施加至所述扬声器驱动器之前处理输入信号的处理器(30)，其中所述处理器适用于依赖于已检测的非线性来控制所述处理器，诸如控制将扬声器驱动进入非线性工作区域的程度。
2.根据权利要求1所述的电路，包括声回波消除系统(26、28)，其中用于检测所述扬声器的驱动信号与所述麦克风信号之间非线性的装置包括用于确定所述回波消除系统的性能的装置。
3.根据权利要求2所述的电路，其中所述声回波消除系统包括延迟元件(26)，用于延迟所述扬声器(12)的驱动信号(x[k]);滤波器(28)，用于实现可变的传递函数；以及比较器，用于将所述麦克风信号(z[k])与已延迟和已滤波驱动信号(y[k])进行比较，并且响应于比较结果控制所述可变传递函数。
4.根据权利要求3所述的电路，其中所述比较结果(r[k])用作所述处理器的输入。
5.根据权利要求2、3或4所述的电路，其中所述声回波消除系统(26、28)的回波损耗增强性能用作所述处理器的输入。
6.根据权利要求5所述的电路，其中所述处理器适用于处理所述输入信号，使得不允许所述回波损耗增强下降至阈值水平以下或者使得将所述回波损耗增强维持在阈值水平。
7.根据前述权利要求中任一项所述的电路，其中所述处理器(30)包括用于利用可变阈值实现动态范围压缩的装置，所述动态范围压缩函数在所述阈值处存在拐点。
8.根据前述权利要求中任一项所述的电路，其中所述处理器(30)包括用于实现可变增益的装置。
9.根据前述权利要求中任一项所述的电路，其中所述处理器(30)包括用于利用可变截止频率实现滤波功能的装置。
10.一种扬声器电路，包括根据前述权利要求中任一项所述的驱动电路、麦克风(18)和由所述驱动电路驱动的扬声器(12)。
11.一种控制扬声器的方法,包括 使用麦克风(18)检测所述扬声器的声音输出； 检测所述扬声器(12)的驱动信号与麦克风信号之间的非线性；以及 在将输入信号(xref [k])施加至所述扬声器驱动器(16)之前处理输入信号(xref[k])，以依赖于已检测的非线性来控制所述处理器，诸如控制将扬声器(12)驱动进入非线性工作区域的程度。
12.根据权利要求11所述的方法，其中所述处理包括利用可变阈值实现动态范围压缩，和/或实现可变增益功能和/或利用可变截止频率实现滤波功能，其中动态范围压缩函数在所述阈值处存在拐点。
13.根据权利要求11或12所述的方法，其中检测非线性包括通过延迟所述扬声器的驱动信号来实现声回波消除；实现可变滤波器传递函数；将所述麦克风信号与已延迟和已滤波的驱动信号进行比较；并且响应于比较结果控制所述可变传递函数，其中所述比较结果用于检测所述非线性。
14.根据权利要求13所述的方法，其中在所述处理中使用所述声回波消除的回波损耗增强性能。
15.根据权利要求14所述的方法，包括处理所述输入信号，使得不允许所述回波损耗增强下降至阈值以下或者将所述回波损耗增强维持在阈值水平。
全文摘要
一种扬声器驱动电路具有麦克风，所述麦克风形成了声回波消除系统的一部分。在施加至扬声器驱动器之前处理输入信号，并且依赖于所述回波消除系统性能来控制所述处理过程，诸如控制将扬声器驱动进入非线性工作区域的程度。这样，在不需要扬声器模型或者附加的专用传感器的情况下，可以控制所述线性度以提供偏移极限。
文档编号H04R3/04GK103037289SQ20121036398
公开日2013年4月10日 申请日期2012年9月26日 优先权日2011年9月28日
发明者泰穆金·高塔马 申请人:Nxp股份有限公司