基于编码转换的数字扬声器驱动方法和装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种基于编码转换的数字扬声器驱动方法和装置，该方法包括：（1）输入格式转换；（2）多比特∑-Δ调制；（3）温度计编码转换；（4）动态失配整形处理；（5）脉冲宽度调制编码转换；（6）控制全桥功放网络的MOSFET管进行开关状态切换，驱动数字化扬声器负载发声。该装置包括：音源、输入格式转换器、多比特∑-Δ调制器、温度计编码器、动态失配整形器、编码转换器、多通道数字功放器、数字化扬声器负载；各单元依次顺序连接。本发明专利技术降低了功率管的开关切换速率和切换过程中其产生的功耗和发热，提高了电声还原的声质量和效率，减少了系统体积重量和实现成本，降低了电磁辐射水平，对多数字通道的频响偏差具有较好的免疫力。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种数字扬声器驱动方法和装置，特别涉及一种基于编码转换的数字扬声器驱动方法和装置。
技术介绍
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，形成了以扬声器负载的数字化为研究核心的全新研究领域。 目前，美国专利(专利号为US 20060049889A1、US 20090161880A1)公开了基于PWM调制技术的数字化扬声器系统实现过程，如图I所示。首先字长为#比特、采样率为/；的PCM编码信号，经过脉冲宽度调制(Pulse Width Modulation——PWM)方式，转换为字长为7比特、采样率为/；的PWM编码信号；然后PWM信号经过数字功放放大后，转换为字长为I比特、采样率为/；的功率开关信号；最后这种功率开关信号经过低通滤波器处理后，转换为模拟的功率信号驱动扬声器负载发声。这种基于PWM调制技术的数字扬声器系统所存在的缺点是其调制结构本身具有非线性缺陷，这会造成系统还原信号的总谐波失真水平较高，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。另外，系统所使用的调制载波会对周围环境产生较高的电磁辐射干扰，影响其他设备的运行。为了克服PWM调制技术存在的非线性失真和电磁干扰缺陷，许多学者致力于研究基于E -A调制技术的数字化扬声器系统实现方法，以提高调制技术自身的线性度，消除调制环节引入的非线性失真成份。基于E -A调制技术的数字化扬声器系统主要分为两类1比特E -A调制的数字化系统和多比特E -A调制的数字化系统。I比特E -A调制的数字化系统，如图2所示，其电路实现较为简单，但是该系统本身存在着以下几个缺陷I、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；3、需要较高的开关速率，而功率型MOSFET (Metal OxideSemiconductor Field Effect Transistor)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。为了解决I比特E -A调制的数字化系统存在的缺陷，许多学者又转向研究基于多比特E -A调制的数字化系统，如图3所示。多比特E -A调制技术在克服上述I比特E - △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)之间的不一致性具有较高的敏感度，容易因多个单元的不一致性而引入较大的编码误差。例如一个5阶3比特的E -A调制器，其过采样因子为32，当数模转换单元之间有1%的误差时，理论上其信噪比会下降40 dB,同时还会引入较多的谐波失真分量。针对多比特E -A调制的数字化扬声器系统，需要引入动态失配整形算法(Mismatch-Shaping Dynamic Element Matching-DEM)用于消除扬声器单兀(或音圈单元)频响差异影响，通过环路整形滤波操作，消除了各扬声器单元(或各音圈单元)的频响差异所造成的信噪比降低和谐波失真增加。基于多比特E -A调制的数字化系统，虽然通过引入失配整形算法解决了通道频响偏差的影响，但是这一数字系统的采样速率仍然很高，一般在MHz的量级，这一过高的采样速率造成了后级功率MOSFET管的开关频率过高，从而造成系统最终输出的方波信号在上升沿和下降沿处出现很多幅度较高的尖毛刺，这些尖毛刺会造成系统还原声音信号中存在较大量级的噪声，同时后级MOSFET管过高的开关频率，也会造成MOSFET管的发热严重，功耗增大，输出效率明显降低。目前功率MOSFET管的开关频率仅有几百KHz，无法满足基于多比特E -A调制的数字化系统的开关速率要求，从而造成了这种数字系统的物理实现仍 然十分困难。为了解决E -A调制方式所具有的开关速率过高的缺陷，如图4所示，传统的基于E -A调制的Class-D放大器，都是直接将开关速率过高的I比特或者多比特E -A调制按照PWM方式，转换开关速率较低的PWM调制信号，从而经过数字功放的功率MOSFET管放大后转换为功率信号并经过低通滤波后，以模拟驱动方式驱动扬声器发声。这种将E -A调制和PWM调制结合形成的基于E -A调制的Class-D系统，保留了 E -A调制所具有的谐波抑制能力，同时也降低了功率MOSFET管的开关速率，减少了开关切换过程中的尖毛刺数量和幅度，降低了功率MOSFET管的开关损耗。这种传统的基于E -A调制的Class-D系统并没有考虑由多个扬声器单元或者多个音圈绕组所分别组成的扬声器阵列或多音圈扬声器所涉及的多个输入通道的数字化问题，没有考虑对多个输入通道进行统一的数字编码，仅停留在单个输入通道的数字化阶段，没有引入动态失配整形算法所具有的多通道频响偏差校正功能。针对多比特E -A调制的数字化系统所存在的开关速率过高缺陷，同时针对传统的基于E -A调制的Class-D系统所未涉及的多个输入通道统一进行数字化编码问题，有待于研究降低数字化系统开关速率的方法，以保留多比特E -A调制和动态失配整形算法所具有的谐波抑制和通道频响偏差校正功能，同时提高系统的还原声音质量，减少系统功耗和发热。
技术实现思路
本专利技术的目的是克服多比特E -A调制的数字化系统所存在的开关速率过高的缺陷并解决传统的基于E -A调制的Class-D系统所未涉及的多通道统一综合编码问题，提出了一种基于编码转换的数字扬声器驱动方法和装置。为了达到上述目的，本专利技术采用的技术方案如下一种基于编码转换的数字扬声器驱动方法，如图5所示，包括如下步骤 (1)输入格式转换； (2)多比特E-A调制； (3)温度计编码转换； (4)动态失配整形处理； (5)脉冲宽度调制编码转换；(6)控制全桥功放网络的MOSFET管进行开关状态切换，驱动数字化扬声器负载发声。进一步地，步骤I中所述输入格式转换分为模拟信号和数字信号两种情况，针对模拟输入信号情况，首先需要经过模数转换操作，转换为基于PCM编码的数字信号，然后按照指定的位宽和采样率的参数要求进行变换，转换为满足参数要求的PCM编码信号；针对数字输入信号情况，仅需要按照指定的位宽和采样率的参数要求进行变换，转换为满足参数要求的PCM编码信号。进一步地，步骤2中所述多比特E-A调制，其处理过程如下首先，通过插值滤波器，将均衡处理后的高比特PCM编码按照指定的过采样因数进行插值滤波处理，获得过采样的PCM编码信号；然后，进行多E -A调制处理，将音频带宽范围内的噪声能量推挤到音频带之外，保证了系统在音频带内具有足够高的信噪比，同时经多E -A调制处理后，原来高比特PCM码变换为低比特PCM码，编码比特位数得到了缩减。·更进一步地，步骤2中所述多比特E -A调制，其所采用的多比特E -A调制器结构,可以按照现有各种多比特E -A调制器的设计方法-像高阶单级(Higher-OrderSingle-Stage)串行调制方法或者多级(Multi-Stage (Cascade、MAS本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于编码转换的数字扬声器驱动方法，包括如下步骤 (1)输入格式转换； (2)多比特E-A调制； (3)温度计编码转换； (4)动态失配整形处理； (5)脉冲宽度调制编码转换； (6)控制全桥功放网络的MOSFET管进行开关状态切换，驱动数字化扬声器负载发声。2.根据权利要求I所述基于编码转换的数字扬声器驱动方法，其特征在于所述步骤I中所述输入格式转换分为模拟信号和数字信号两种情况，针对模拟信号情况，首先需要经过模数转换操作，转换为基于PCM编码的数字信号，然后按照指定位宽和采样率的参数要求进行变换，转换为满足参数要求的PCM编码信号；针对数字信号情况，仅需要按照指定位宽和采样率的参数要求进行变换，转换为满足参数要求的PCM编码信号。3.根据权利要求I所述基于编码转换的数字扬声器驱动方法，其特征在于所述步骤2中所述多比特E -A调制，其处理过程如下首先，通过插值滤波器，将均衡处理后的高比特PCM编码按照指定的过采样因数进行插值滤波处理，获得过采样的PCM编码信号；然后，进行多E -A调制处理，将音频带宽范围内的噪声能量推挤到音频带之外。4.根据权利要求I所述基于编码转换的数字扬声器驱动方法，其特征在于所述步骤2中所述多比特E -A调制，其所采用的多比特E -A调制器结构，是按照高阶单级串行调制方法或者多级并行调制方法进行调制器结构和参数设计，对插值滤波器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。5.根据权利要求I所述基于编码转换的数字扬声器驱动方法，其特征在于所述步骤3中所述温度计编码转换，将位宽为#的低比特PCM编码信号转换为对应于2M个通道的数字功放和扬声器负载的I比特编码信号，将#比特编码信号按照同等权重分配给2个数字通道，各通道上的数字信号仅有“0”和“ I ”两种编码状态。6.根据权利要求I所述基于编码转换的数字扬声器驱动方法，其特征在于所述步骤4中所述动态失配整形处理，将温度计编码获得的2M个通道的二元状态码矢量，进行基于0和I 二元状态码的动态失配整形处理，消除2个通道后级数模转换负载之间频响差异所造成的谐波失真分量，降低噪声幅度。7.根据权利要求I所述基于编码转换的数字扬声器驱动方法，其特征在于所述步骤4中所述动态失配整形处理，采用DWA、VFMS和TSMS算法之一进行动态失配整形器的结构和参数设计，将由多个数字通道频响差异引入的非线性谐波失真频谱进行白化和整形处理，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，消除带内谐波失真同时提升带内信噪比强度。8.根据权利要求I所述基于编码转换的数字扬声器驱动方法，其特征在于所述步骤5中所述脉冲宽度调制编码转换，将动态失配整形器获得的2M个通道、开关速率为/；的I比特数据流，按照PWM的编码方式转换为2M个通道、开关速率为/#的I比特数据流，将每个通道上原来开关速率过高的PDM编码信号转换为开关速率较低的PWM编码信号。9.根据权利要求I所述基于编码转换的数字扬声器驱动方法，其特征在于步骤5中所述脉冲宽度调制编码转换，是将多比特E -A调制器和动态失配整形器处理后所获得的每个传输通道上PDM格式的编码信号转换为PWM编码信号，其具体转换流程如下PDM格式编码向PWM格式编码的转换，是按照数据帧长度相等的原则进行的，在一个数据帧长度内，PDM编码信号包含多个高电平，在转换为PWM编码时，仍然保留相同数量的高电平，在PWM编码信号中，高电平的脉冲宽度等于PDM编码信号中所有高电平的脉冲宽度之和；在进行PDM编码到PWM编码的转换过程中，两者之间的每个数据帧在时间上对齐。10.根据权利要求I所述基于编码转换的数字扬声器驱动方法，其特征在于所述步骤6中所述开关状态切换，是指每个数据传输通道通过转换后的PWM编码信号以及与其反相信号组成差分PWM的控制信号，去控制全桥功放电路进行开关动作。11.根据权利要求10所述基于编码转换的数字扬声器驱动方法，其特征在于在“0”和“ I ” 二元状态码控制全桥功放电路开关动作时，设“HA”和“LA”分别为A侧高边和低边、MOSFET管的标号，“HB”和“LB”分别为B侧高边和低边MOSFET管的标号，在“ I ”状态输入时，HA和LB同时关闭，HB和LA同时...

【专利技术属性】
技术研发人员：马登永，
申请(专利权)人：苏州上声电子有限公司，
类型：发明
国别省市：