基于四元码动态失配整形的数字扬声器驱动方法和装置制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种基于四元码动态失配整形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)通道数据合并和映射编码；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：一音源(1)、一数字格式转换器(2)、一多比特∑-Δ调制器(3)、一温度计编码器(4)、一动态失配整形器(5)、一通道数据合并器(6)、一映射编码器(7)、一多通道数字功放器(8)、一数字化扬声器负载(9)；各单元依次顺序连接。本发明专利技术提高了功放管及负载的使用效率，节约了其开发周期和硬件实现成本，对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基于动态失配整形的数字扬声器驱动方法和装置，特别涉及一种基于四元码动态失配整形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，形成了以扬声器系统的数字化为研究核心的全新研究领域。数字化扬声器系统的研究重点包括:数字化编码调制技术、数字化功率驱动技术和数字化扬声器制作技术。其中，数字化编码调制技术包括两类:基于PWM和基于Σ -Δ的编码调制技术；数字化功率驱动技术包括两类:基于半桥式和全桥式功率驱动技术；数字化扬声器包括两类:基于多个扬声器单元的数字化扬声器阵列和基于多个绕组的多音圈扬声器。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，但是，基于此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，这会造成编码信号在期望频带内产生非线性失真，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闻。为了克服PWM调制技术存在的非线性失真缺陷，许多学者致力于研究基于Σ -Δ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Σ -Δ调制技术的数字化扬声器系统主要分为两类:1比特Σ -Δ调制的数字化系统和多比特Σ -Δ调制的数字化系统。其中，I比特Σ -Δ调制的数字化系统电路实现较为简单，但是，该系统本身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；③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。因此，为了解决I比特Σ -Δ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Σ -Δ调制的数字化系统。但是，多比特Σ -Δ调制技术在克服上述I比特Σ -Δ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Σ -Δ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40dB，同时还会引入较多的谐波失真分量。针对多比特Σ -Δ调制的数字化扬声器系统，需要着重研究用于消除扬声器单元(或音圈单元)频响差异影响的算法一动态失配整形算法，通过整形滤波操作，消除各扬声器单元(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。中国专利CN101803401A公开了一种基于二元码动态失配整形的数字驱动方法，如图1所示，通过对二元状态的编码信号进行动态失配整形处理后，再送至全桥网络驱动数字扬声器单元发声。该动态失配整形方法仅对“O”和“I”两种状态进行整形处理，以消除扬声器阵列负载的各阵元频响差异性，提高阵列合成信号的质量。由于全桥驱动网络具有四个输入端口，能够最多支持四元状态编码的输入，而二元状态码输入方式并没有达到高效使用全桥驱动网络的目的，因此，针对4输入端口的全桥驱动网络，仍然可以增大输入信号的编码比特位，以提升驱动电路的使用效率。目前，已有文献资料提出了基于和“+I”的三元状态编码和“_1”、“0H”、“0L”和“+I”的四元状态编码的数字扬声器驱动方法，并针对“-1”、“O”和“+I”的三元码情况，提出了基于三元码的动态失配整形方法，但是在多通道数字扬声器阵列的驱动过程中，这些现有的方法并没有很好解决扬声器单元之间的频响不一致问题，尤其在基于“-1”、“O”和“+I”三种状态的动态失配整形方法中，由于其将“0H”和“0L”这两种状态合并起来等同为“O”状态，并没有研究“0H”和“0L”这两种状态切换过程中的动态失配整形处理，因此，与二元码动态失配方法相比，这种三元码动态失配方法因忽略了“O”状态的切换并没有取得较好的音质水平，其整形处理结果比二元码的整形处理结果要差一些。针对现有全桥驱动网络所采用动态失配整形方法在“0H”和“0L”状态切换过程存在的缺陷和不足，有待于研究基于“_1”、“0H”、“0L”和“+I”的四元状态编码的动态失配整形方法，消除“0H”和“0L”状态切换过程中因多个数字化负载的不一致性所产生的谐波及噪声，以提高多通道数字扬声器阵列负载的合成信号质量。
技术实现思路
本专利技术的目的是克服现有全桥驱动网络所采用动态失配整形方法在“0H”和“0L”状态切换过程存在的缺陷和不足，从而提出了一种基于四元码动态失配整形的数字扬声器驱动方法和装置。为了达到上述专利技术目的之一，本专利技术提供了一种基于四元码动态失配整形的数字扬声器驱动方法，该方法通过通道数据合并和映射编码，将基于二元状态码的动态失配整形方法推广成基于四元状态码的动态失配整形方法，包括如下步骤:I)输入信号格式转换的步骤，通过数字格式转换器(2)将接收到的音源(I)产生的输入信号转换为位宽为N、采样率为fs的高比特PCM编码信号；步骤I)中所述输入格式转换分为模拟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。2)多比特Σ -Δ调制的步骤，通过多比特Σ -Δ调制器(3)将所述数字格式转换器⑵的输出的N比特PCM编码信号转换为位宽为M、采样率为f。的低比特PCM编码信号；3)温度计编码转换的步骤，通过温度计编码器(4)将多比特Σ -Δ调制器(3)输出的位宽为M的低比特PCM编码信号转换为对应于2M个数字通道的、位宽为1、采样率为f。的二元状态码矢量；温度计编码操作，实现了将M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“ 1 ”两种编码状态。4)动态失配整形处理的步骤，基于“0”和“1” 二元状态码的动态失配整形器(5)，将所述温度计编码器(4)的输出的2M个通道的单比特信号矢量进行整形处理，消除由数字化扬声器负载各阵元通道之间频响差异引入的空域合成信号的非线性谐波失真频谱分量，压低音频带内谐波失真成份的强度，将这些谐频成份的功率推到带外高频段，从而降低了带内的谐波失真强度，提高Σ -Δ编码信号的音质水平；5)通道数据合并和映射编码的步骤，通过通道数据合并器(6)将所述动态失配整形器(5)的输出的2M个数字通道的二元状态码数据流，按照通道顺序依次进行两两合并成一个2比特位宽、四个编码状态的新数据流，形成2M—1个数字通道的四元状态码，原来2个数字通道上的“0”和“1”状态编码经合并后转换为2^1个数字通道上的“11”、“01”、“10”和“00”状态编码；再通过映射编码器(7)将所述通道数据合并器(6)输出的2M_1个本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于四元码动态失配整形的数字扬声器驱动方法，该方法通过通道数据合并和映射编码，将基于二元状态码的动态失配整形方法推广成基于四元状态码的动态失配整形方法，包括如下步骤：1)输入信号格式转换的步骤，通过数字格式转换器(2)将接收到的音源(1)产生的输入信号转换为位宽为N、采样率为fs的高比特PCM编码信号；2)多比特∑?Δ调制的步骤，通过多比特∑?Δ调制器(3)将所述数字格式转换器(2)输出的N比特PCM编码信号转换为位宽为M、采样率为fo的低比特PCM编码信号；3)温度计编码转换的步骤，通过温度计编码器(4)将所述多比特∑?Δ调制器(3)输出的位宽为M的低比特PCM编码信号转换为对应于2M个数字通道的、位宽为1、采样率为fo的二元状态码矢量；4)动态失配整形处理的步骤，基于“0”和“1”二元状态码的动态失配整形器(5)，将所述温度计编码器(4)输出的2M个通道的单比特信号矢量进行整形处理，消除由数字化扬声器负载各阵元通道之间频响差异引入的空域合成信号的非线性谐波失真频谱分量，压低音频带内谐波失真成份的强度，将这些谐频成份的功率推到带外高频段，从而降低了带内的谐波失真强度，提高∑?Δ编码信号的音质水平；5)通道数据合并和映射编码的步骤，通过通道数据合并器(6)将所述动态失配整形器(5)输出的2M个数字通道的二元状态码数据流，按照通道顺序依次进行两两合并成一个2比特位宽、四个编码状态的新数据流，形成2M?1个数字通道的四元状态码，原来2M个数字通道上的“0”和“1”状态编码经合并后转换为2M?1个数字通道上的“11”、“01”、“10”和“00”状态编码；再通过映射编码器(7)将所述通道数据合并器(6)输出的2M?1个数字通道上的“11”、“01”、“10”和“00”状态编码，重新映射为“10”、“00”、“11”和“01”状态编码；6)功率放大的步骤，通过多通道数字功放器(8)将所述映射编码器(7)输出的2M?1个数字通道的编码信号进行功率放大，以驱动后级数字化扬声器负载进行开通/关断操作；最后，通过数字化扬声器负载(9)完成电声转换操作，将所述多通道数字功放器(8)输出的数字化的开关电信号转换为模拟格式的空气振动信号。...

【技术特征摘要】
1.一种基于四元码动态失配整形的数字扬声器驱动方法，该方法通过通道数据合并和映射编码，将基于二元状态码的动态失配整形方法推广成基于四元状态码的动态失配整形方法，包括如下步骤: 1)输入信号格式转换的步骤，通过数字格式转换器(2)将接收到的音源(I)产生的输入信号转换为位宽为N、采样率为fs的高比特PCM编码信号； 2)多比特Σ-Δ调制的步骤，通过多比特Σ-Δ调制器(3)将所述数字格式转换器(2)输出的N比特PCM编码信号转换为位宽为M、采样率为f。的低比特PCM编码信号； 3)温度计编码转换的步骤，通过温度计编码器(4)将所述多比特Σ-Δ调制器(3)输出的位宽为M的低比特PCM编码信号转换为对应于2M个数字通道的、位宽为1、采样率为f。的二元状态码矢量； 4)动态失配整形处理的步骤，基于“O”和“I”二元状态码的动态失配整形器(5)，将所述温度计编码器(4)输出的2M个通道的单比特信号矢量进行整形处理，消除由数字化扬声器负载各阵元通道之间频响差异引入的空域合成信号的非线性谐波失真频谱分量，压低音频带内谐波失真成份的强度，将这些谐频成份的功率推到带外高频段，从而降低了带内的谐波失真强度，提闻Σ - Δ编码/[目号的首质水平； 5)通道数据合并和映射编码的步骤，通过通道数据合并器(6)将所述动态失配整形器(5)输出的2M个数字通道的二元状态码数据流，按照通道顺序依次进行两两合并成一个2比特位宽、四个编码状态的新数据流，形成2M—1个数字通道的四元状态码，原来2个数字通道上的“ O ”和“ I ”状态编码经合并后转换为2^1个数字通道上的“ 11 ”、“ OI ”、“ 10 ”和“ 00 ”状态编码； 再通过映射编码器(7)将所述通道数据合并器(6)输出的2s1-1个数字通道上的“11”、“ OI ”、“ 10 ”和“ 00 ”状态编码，重新映射为“ 10，，、“ 00 ”、“ 11 ”和“ OI ”状态编码； 6)功率放大的步骤，通过多通道数字功放器(8)将所述映射编码器(7)输出的2M_i个数字通道的编码信号进行功率放大，以驱动后级数字化扬声器负载进行开通/关断操作； 最后，通过数字化扬声器负载(9)完成电声转换操作，将所述多通道数字功放器(8)输出的数字化的开关电信号转换为模拟格式的空气振动信号。2.根据权利要求1所述的基于四元码动态失配整形的数字扬声器驱动方法，其特征在于，所述的步骤4)中的动态失配整形处理，采用的动态失配整形算法包括:数据加权平均法DWA、向量反馈失配整形法VFMS和树结构失配整形法TSMS ;这些算法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噪声化和整形处理，压低带内谐波失真成份的强度，将其功率推到带外高频段，从而消除带内谐波失真同时提升带内信噪比强度。3.根据权利要求1所述的基于四元码动态失配整形的数字扬声器驱动方法，其特征在于，所述的步骤6)是根据2个通道中每相邻两通道进行数据合并和映射编码后形成的2M_i个数字通道的输出状态码分别去控制2M—1个全桥功放网络进行开关操作。4.根据权利要求1所述的基于四元码动态失配整形的数字扬声器驱动方法，其特征在于，所述步骤2)中的多比特Σ -Δ调制的步骤包括: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子f。进行插值滤波处理，获得过采样的PCM编码信号；然后，进行多比特Σ - Δ调制处理，将音频带宽范围内的噪声能量推到音频带之外，并将原来的高比特PCM码变换为低比特PCM码。5.根据权利要求1所述的基于四元码动态失配整形的数字扬声器驱动方法，其特征在于，所述步骤2)中所述的多比特Σ -Δ调制处理采用的结构为高阶单级串行调制结构或者多级并彳了调制结构。6.一种基于四元码动态失配整形的数字扬声器驱动装置，该装置包括:音源(I)、数字格式转换器(2)、多比特Σ -Δ调制器(3)、温度计编码器(4)、动态失配整形器(5)、多通道数字功放器(8)和数字化扬声器负载(9)，其特征在于，还包括: 一通道数据合并器￠)，与所述动态失配整形器(5)的输出端相连接，用于将2M个数字通道的二元状态码数据流，按照通道顺序依次进行两两合并，形成2M—1个数字通道的四元状态码，原来2个数字通道上的“O”和“I”状态编码经合并后转换为2M—1个数字通道上的“ 11”、“ OI ”、“ 10 ” 和 “00 ” 状态编码； 一映射编码器(7)，与所述通道数据合并器￠)的输出端相连接，用于将2M—1个数字通道上...

【专利技术属性】
技术研发人员：蔡野锋，马登永，沐永生，杨军，
申请(专利权)人：中国科学院声学研究所，
类型：发明
国别省市：