CN102404672A - 数字化扬声器阵列系统的通道均衡与波束控制方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种数字化扬声器阵列系统的通道均衡与波束控制方法和装置。该方法包括：1）数字格式转换；2）通道均衡处理；3）波束形成控制；4）多比特∑-Δ调制；5）温度计编码转换；6）动态失配整形处理；7）通道信息抽取，送至数字功放驱动阵列发声。该装置包括：一音源、一数字转换器、一通道均衡器、一波束形成器、一∑-Δ调制器、一温度计编码器、一动态失配整形器、一抽取选择器、一多通道数字功放、一扬声器阵列；各单元依次顺序连接。本发明实现了系统的全数字化，缩减了其体积、功耗、成本，提高了其电声转换效率和抗干扰能力，改善了系统可听声频带内频响平坦程度，实现了数字阵列的波束指向控制，为特殊声效的生成提供了有效的实现途径。

Description

数字化扬声器阵列系统的通道均衡与波束控制方法和装置
技术领域
本发明涉及一种通道均衡与波束控制的方法和装置，特别涉及一种数字化扬声器阵列系统的通道均衡与波束控制方法和装置。
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、成本较贵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，美国专利（专利号为US 20060049889A1、US 20090161880A1）公开了基于PWM调制技术和class-BD功放技术的数字化扬声器系统的实现方法。但是这种基于PWM调制技术的数字化扬声器系统有两个缺点：                                                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。
Figure 132833DEST_PATH_IMAGE002
 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200 KHz ~ 400 KHz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调制技术在数字化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，并结合系统整个信号传输链路的全数字化要求，中国专利CN 101803401A公开了一种基于多比特∑-Δ调制的数字化扬声器系统，通过多比特∑-Δ调制和温度计编码技术将高比特的PCM码转换为一元码矢量，作为控制扬声器阵列开关动作的控制矢量，并通过动态失配整形技术，消除了由阵元频响差异所引入的空域合成信号中的高次谐波分量；该专利虽然实现了系统整个信号传输链路的全数字化，并依靠动态失配整形技术，减少了空域合成信号的总谐波失真比，但是这种动态失配整形技术对通道音频带内的频响起伏并没有均衡作用，因此，这种各通道音频带内频响起伏会引起系统还原信号频谱与音源信号真实频谱存在较大偏差，从而造成还原声场与真实声场的较大差异，使得数字重放系统不能真实的再现原来音源的真实声场效果。另外，这种各通道的音频带内频响起伏也会引起各种自适应的阵列波束形成算法的稳定性变差，收敛速度变慢，造成自适应阵列波束形成算法的鲁棒性变差。
目前中国专利CN 101803401A所公开的基于通道延时调整的波束导向方法，仅调整了阵列各通道传输信号的相位信息，并没有考虑各通道传输信号的幅度调整，属于一种较为简单的波束形成方法，其所产生的波束控制能力较弱，仅在接近自由场的环境中具有一定的波束导向能力，在某些应用场合，当需要数字系统产生多个指向性波束时，这种基于延时控制的方法将无法完成多个波束的导向控制。另外，在实际应用环境中，经常会存在较多的散射边界，使得传播信号除了直达声之外还包含有较为丰富的多径散射信号，在这种多径散射较为明显的混响环境中，仅依赖通道延时控制的导向方法，无法取得较好的波束指向控制，因此针对混响环境下数字扬声器阵列的波束指向性控制问题，需要寻找具有抗混响能力的复杂波束形成方法，对各通道的传输信号同时进行幅度和相位调整，从而达到期望的声场控制效果。
目前，基于多比特∑-Δ调制的数字化阵列系统，都是依赖于失配整形技术消除多通道之间的频响差异性，但是这种通道频响差异校正方法，仅适用于少量频响偏差的情况，并且对相位偏差的校正能力非常弱；另外，失配整形技术对各通道自身的音频带内频响起伏并不能起到均衡作用，而这些通道本身的频响起伏性会带来还原声场的音色成份发生改变，难于保证声场的完整恢复。传统的数字化扬声器阵列所采用波束控制方法是较为简单的通道延时控制方法，这种方法仅适用于理想的自由声场环境，而当声场因反射或散射效应出现较为丰富的多径干扰时，这种方法将不再适用。在某些应用场合，当需要阵列产生多个指向性波束，这种基于延时控制的方法将无法获得多个波束的声场控制效果。
针对现有的基于多比特∑-Δ调制的数字化扬声器阵列系统在通道均衡和波束控制方面存在的缺陷，需要寻找更为有效的通道均衡和波束控制方法，以满足基于多比特∑-Δ调制的数字化扬声器阵列系统在频带平坦和波束指向方面的应用需求，并制作具有通道均衡功能和波束控制功能的数字化扬声器阵列系统装置。
发明内容
本发明的目的是克服现有数字化系统在通道均衡方面的不足，提出了一种数字化扬声器阵列系统的通道均衡与波束控制方法以及具有通道均衡和波束控制功能的数字化扬声器系统装置。
为了达到上述目的，本发明一方面提供一种数字化扬声器阵列系统的通道均衡与波束控制方法，包括如下步骤：
    （1）数字格式转换,将信号转换为基于PCM编码的数字信号；
（2）通道均衡处理；
（3）控制波束形成；
（4）多比特∑-Δ调制；
（5）温度计编码转换，将位宽为M的低比特PCM编码信号转换为对应于
Figure 467999DEST_PATH_IMAGE003
个通道的数字功放和换能器负载的一元码矢量；
（6）动态失配整形处理，对温度计编码矢量进行重新排序；
（7）抽取通道信息，送至数字功放驱动负载发声。
进一步地，步骤1）中所述数字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。
进一步地，步骤2）中所述通道均衡处理，其均衡器的参数可以按照测量方法获取。假定阵元数量为N，期望位置区域的测量点数量为M，阵元发射白噪声信号
Figure 259238DEST_PATH_IMAGE004
，通过在测量点获取接收信号，计算出阵元通道到期望测量位置点的冲激响应
Figure 649079DEST_PATH_IMAGE006
，其中i为对第i个阵元的索引号，j为期望区域内第j个测量点位置的索引号；假定第i个阵元到所有测量点的冲激响应
Figure 155146DEST_PATH_IMAGE007
都已经计算出来，可以根据加权拟合的方法获得第i个阵元到期望区域的平均冲激响应
Figure 371364DEST_PATH_IMAGE008
，其中
Figure 316186DEST_PATH_IMAGE009
为第i个阵元到第j个测量点的频响加权矢量；然后再根据逆旅波器的估计算法，计算出平均冲激响应
Figure 668670DEST_PATH_IMAGE010
的逆滤波器响应
Figure 611219DEST_PATH_IMAGE011
；最后选取第一个阵元到期望位置区域的平均冲激响应
Figure 360738DEST_PATH_IMAGE012
与其逆滤波器响应
Figure 781355DEST_PATH_IMAGE013
的卷积结果作为参考矢量
Figure 253924DEST_PATH_IMAGE014
，那么通过设置补偿因子
Figure 164111DEST_PATH_IMAGE015
，使其他剩余阵元通道的逆滤波器响应
Figure 89342DEST_PATH_IMAGE016
（
Figure 313650DEST_PATH_IMAGE017
）在经过补偿后，其补偿结果与平均冲激响应的卷积结果
Figure 150653DEST_PATH_IMAGE019
与参考矢量
Figure 975390DEST_PATH_IMAGE020
完全相同，从而获得均衡器的响应矢量为： 
  
Figure 156972DEST_PATH_IMAGE021
进一步地，步骤3）中所述波束形成控制，其波束形成器的通道权系数可以按照常规波束形成的设计方法进行通道权系数的计算。假定阵列的阵元数量为N，其空域的导向矢量为：
Figure 612224DEST_PATH_IMAGE022
，                
期望的空域波束形状为：
Figure 820702DEST_PATH_IMAGE023
.                     
假定待求的阵列权系数矢量为：
Figure 386813DEST_PATH_IMAGE024
，按照最小二乘准则，可以获得阵列权系数的计算公式如下：
Figure 422902DEST_PATH_IMAGE025
.
利用阵列加权矢量对各通道传输信号进行幅度和相位调整，从而将阵列的空域辐射声束导向的期望的区域内。
进一步地，步骤4）中所述多比特∑-Δ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∑-Δ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∑-Δ调制处理后，原高比特PCM码变换为低比特PCM码，其PCM编码的比特位数得到了缩减。
进一步地，步骤4）中所述多比特∑-Δ调制，其所采用的∑-Δ调制方法，是按照现有各种∑-Δ调制方法——像高阶单级（Higher-Order Single-Stage）串行调制方法或者多级（Multi-Stage (Cascade,MASH) )并行调制方法，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，保证了系统具有足够高的带内信噪比。
进一步地，步骤5）中所述温度计编码转换，用于将位宽为M的低比特PCM编码信号转换为对应于
Figure 111372DEST_PATH_IMAGE003
个通道的数字功放和换能器负载的一元码矢量。该一元码矢量的每个数位上的编码会送到相应的数字通道上，其各数位上的编码，在任意时刻仅有“0”和“1”两种电平状态，在“0”状态时，换能器负载被关断，在“1”状态时，换能器负载被开通。温度计编码操作，用于将编码信息分配到多个换能器负载通道，从而将换能器负载纳入到信号编码流程中，实现了对换能器阵列的数字化编码和数字式开关控制。
进一步地，步骤6）中所述动态失配整形处理，用于对温度计编码矢量进行重新排序，进一步优化一元码矢量的数据分配方案，消除由阵元之间频响差异引起的空域合成信号中的非线性高次谐波失真分量。
进一步地，步骤6）中所述动态失配整形处理，通过采用现有各种方式的整形算法——像DWA(Data-Weighted Averaging)、VFMS(Vector-Feedback mismatch-shaping ) 和TSMS(Tree-Structure mismatch shaping) 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∑-Δ编码信号的音质水平。
进一步地，步骤7）中所述通道信息抽取，对各通道执行编码信息分配操作，其信号处理过程如下：如图4所示，首先，各通道的动态失配器进行动态失配整形处理，经整形处理后，获得了位序更新的整形矢量；然后按照特定的抽取选择准则，从每个通道的整形矢量的2 M 个数位中，选取一个指定的数位编码作为该通道的输出编码，为保证信息的完整还原，各通道选取的数位位次不能存在重复，且所有的2 M 个通道选取的数位位次完全包含了1到2 M 个数位位次。在通道信息抽取选择过程中，一般可以按照第i个通道从其整形矢量中选取第i个数位编码信息的简单准则进行数位选取操作。经过多个通道的比特位抽取选择及合并操作之后，多个阵元通道上的预先设置的均衡和波束加权处理操作得到了有效的继承，从而为数字化阵列的均衡和指向性控制操作提供了一种有效的实现途径。
进一步地，步骤7）中所述负载可以为多个扬声器单元组成的数字化扬声器阵列，也可以为具有多个音圈绕组的扬声器单元，还可以为多个多音圈扬声器单元组成的数字扬声器阵列。
本发明另一方面提供一种具有通道均衡和波束控制功能的数字化扬声器阵列系统装置，包括：
一音源，是系统待播放的信息；
一数字转换器，与音源的输出端相连接，用于将输入信号转换为位宽为N、采样率为f s 的高比特PCM编码信号；
一通道均衡器，与数字转换器的输出端相连接，用于对各通道频响进行逆滤波均衡操作，消除通道频响的带内起伏；
一波束形成器，与通道均衡器的输出端相连接，用于控制扬声器阵列波束的空域辐射形状，产生像3D立体声场、虚拟环绕声场、指向性声场等声场分布特性，从而达到特殊声效播放的目的；
一∑-Δ调制器，与波束形成器的输出端相连接，用于完成过采样插值滤波和多比特∑-Δ编码调制处理，获得位宽缩减的低比特PCM编码信号；
一温度计编码器，与∑-Δ调制器的输出端相连接，用于将低比特PCM编码信号转换为与系统数字通道数相等的一元码矢量，从而用于数字化通道开关的控制矢量；
一动态失配整形器，与温度计编码器的输出端相连接，用于消除由阵元之间频响差异引入的空域合成信号的非线性谐波失真分量，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挤到带外高频段，从而降低了带内的谐波失真强度，提高了∑-Δ编码信号的音质水平；
一抽取选择器，与动态失配整形器的输出端相连接，用于从各通道的整形矢量中，抽取特定的数位编码信息，用于控制该通道进行开通/关断动作的控制信息；
一多通道数字功放，与抽取选择器的输出端相连接，用于将各通道的控制编码信号进行功率放大，用于驱动后级数字化负载进行开通/关断；
一数字化阵列负载1，与多通道数字功放9的输出端相连接，用于完成电声转换操作，将数字化的开关电信号转换为模拟格式的空气振动信号。
进一步地，音源可以为模拟信号或者数字编码信号，可以来自于各种模拟装置所产生的模拟音源信号，也可以是各种数字装置所产生的数字编码信号。
进一步地，数字转换器，可以包含模数转换器、USB、LAN、COM等数字接口电路和接口协议程序，能够与现有的数字接口格式相兼容，通过这些接口电路和协议程序，数字化扬声器阵列系统装置，能够灵活方便的与其他装置设备进行信息的交互与传递；同时，经过数字转换器（2）处理后，原来的输入的模拟或者数字音源信号转换为位宽为N、采样率为f s 的高比特PCM编码信号。
进一步地，通道均衡器可以在时域或者频域内按照逆滤波的响应参数进行均衡操作，消除各通道音频带内的频响起伏；同时，也校正了各通道的频响差异，使各通道频响趋于一致。
进一步地，波束形成器利用所设计的加权矢量，对各通道传输信号进行加权处理，调整其幅度和相位信息，从而使复杂环境下数字化阵列的空域方向图达到期望的设计要求。
进一步地，∑-Δ调制器，其信号处理过程如下：首先，将原来位宽为N、采样率为f s 的PCM编码按过采样因子
Figure 498491DEST_PATH_IMAGE026
进行过采样的插值滤波处理，获得位宽为N、采样率为
Figure 602713DEST_PATH_IMAGE027
的PCM编码信号；然后按照多比特∑-Δ调制方式，将位宽为N的过采样PCM编码信号转换成位宽为M（M<N）的低比特PCM编码信号，从而缩减了PCM编码信号的位宽。
进一步地，∑-Δ调制器，可以按照现有各种∑-Δ调制器的信号处理结构——像高阶单级串行调制器结构或者多级并行的调制器结构，对插值滤波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。
进一步地温度计编码器用于将位宽为M的低比特PCM编码信号转换为对应于
Figure 571938DEST_PATH_IMAGE003
个通道的数字功放和换能器负载的一元码信号矢量，该一元码矢量的每个数位编码信息分配到一个对应的数字化通道上，从而将换能器负载纳入到信号编码流程中，实现了对换能器负载的数字化编码和数字式开关控制。
进一步地，动态失配整形器，通过采用现有的各种整形算法——像DWA(Data-Weighted Averaging)、VFMS(Vector-Feedback mismatch-shaping ) 和TSMS(Tree-Structure mismatch shaping) 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∑-Δ编码信号的音质水平。
进一步地，抽取选择器按照特定的抽取准则，将从
Figure 368992DEST_PATH_IMAGE003
个数字通道的每个通道整形矢量中，抽取一个数位信息，作为该通道的输出编码信息，用于控制后级的换能器负载进行开通/关断动作。经过抽取选择器的比特抽取与合并操作之后，原来多个通道的均衡器响应和通道指向性加权矢量的操作都得到了有效的实现，保证了数字化阵列的频响平坦性和波束方向的可控性。
进一步地，多通道数字功放将抽取选择器输出的开关信号送至全桥式功放电路的MOSFET管栅极端，通过控制MOSFET管的导通与关断来控制功率电源到负载供电的开通与关断，从而实现了对数字负载的功率放大。
进一步地，数字化阵列负载可以为多个扬声器单元组成的数字化阵列，也可以为多个音圈的扬声器单元，还可以为多音圈扬声器组成的阵列。数字化负载的每个数字通道可以由单个或者多个扬声器单元组成；也可以由单个或者多个音圈组成；还可以由多个音圈和多个扬声器单元组合而成。数字化负载的阵列形状，可以根据换能器单元数量和实际应用需求进行排列，组成适合于实际应用需求的各种阵列形状。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
A. 实现了系统整个信号传输链路的全数字化，整个系统完全由数字化器件组成，便于进行高度的集成化电路设计，提高了系统的工作稳定性，降低了系统的功耗、体积和重量；同时，数字化扬声器阵列系统，能够灵活方便的与其他数字化系统设备进行数据交互，能够更好的适应于数字化的发展要求。
B. 本发明所采用的多比特∑-Δ调制技术——通过噪声整形方法，将音频带内的噪声功率推挤到带外高频区域，从而保证了音频带内的高信噪比要求。这种调制技术的硬件实现电路简单廉价，同时对电路器件制作过程中所产生的参数偏差具有很好的免疫力。
C. 本发明所采用的全数子化系统实现方式，其抗干扰能力更强，在复杂的电磁干扰环境中能够保证稳定可靠的工作。
D. 本发明所采用的动态失配整形算法，能够有效地消减因阵元之间频响差异引入的非线性谐波失真强度，提高系统的音质水平，因此该系统对于换能器单元之间的频响偏差具有很好的免疫力。
E. 本发明通过温度计编码方法，给各换能器单元分配相应的一元码信号，使得各扬声器单元（或者各音圈）工作在开通或关断状态，这种交替开关工作的状态，有效地避免了各扬声器单元（或者各音圈）出现过载失真现象，从而延长了各扬声器单元（或者各音圈）的使用寿命；同时，换能器采用开关工作方式，其电声转换效率更高，换能器的发热更少。
F. 本发明所采用的数字功放电路，直接将放大后的开关信号送到扬声器端，控制扬声器进行开通与关断操作，不需要在数字功放后级加入体积较大、价格昂贵的电感电容进行模拟低通处理，缩减了系统体积与成本；同时，对于呈容性特性的压电换能器负载来讲，通常需要加电感进行阻抗匹配，以增加压电扬声器的输出声功率，而在换能器端施加数字信号时，其阻抗匹配效果要优于传统的在换能器端施加模拟信号的阻抗匹配效果。
G. 本发明所采用的温度计编码方式，使得每组阵元所分配的一元码信号，仅包含原有音源信号的部分信息成份，单纯依赖单组阵元所辐射的信息不能完成音源信息的完整还原，只有联合所有分组阵元空域辐射声场的合成作用，才能完整的还原出音源信息；这种联合多组阵元空域辐射声场的合成作用完成信息还原的工作方式，其还原信息具有空域指向性，在阵列对称轴线上具有最大信噪比，偏离轴线越远，其信噪比越低。
H. 本发明所采用的通道均衡方法，能够保持各通道音频带内频响平坦，并校正了通道之间的频响差异，保证了系统还原音源信号频谱与原始音源信号的真实频谱趋于一致，从而保证了数字重放系统真实的再现原来音源的声场效果；同时，这种均衡方法所带来的各通道音频带内频响平坦性和通道间频响一致性，为各种自适应算法具有较好的稳定性、较快的收敛速度、较好的鲁棒性提供了有利的支撑。
I．  本发明所提出的基于数据抽取选择的通道均衡方法，能够较好的抑制各通道的频响起伏，提高了数字化系统的声场还原质量，并且能够消除通道之间较大的频响差异性，因此经过多通道均衡处理后，通道间的频响偏差得到了较大程度的补偿，仅剩下了少量的残留偏差，这些残留偏差能够进一步依靠失配整形算法进行较好的校正处理，从而将失配整形算法去除少量偏差的能力也得以有效发挥。经通道均衡处理后，阵元的频响差异性得到了较好的校正，从而保证了各种基于阵元通道相干积累的阵列波束控制算法能够得以有效运行。这种基于数据抽取选择的数字化阵列波束形成方法，能够有效提高数字化阵列在复杂环境下的空域声场控制能力。
J. 本发明所采用的波束控制方法，保证了数字化扬声器阵列在复杂环境下具有较好的波束指向性，通过抽取选择的信息合并方式，使得常规的波束控制方法，可以很好的应用于数字化阵列的波束控制，为实用环境中特殊声场（如3D立体声场、虚拟环绕声场、指向性声场等）效果的生成提供了有效的实现途径。
K. 本发明所采用的数据抽取选择方法，能够将传统的基于PCM编码格式的通道均衡和波束形成算法，直接扩展应用于基于多比特∑-Δ调制的数字化阵列系统中，从而为传统通道均衡和波束控制算法与基于多比特∑-Δ调制的数字化阵列系统之间建立了桥梁，保证了传统算法能够继续在基于多比特∑-Δ调制的阵列系统中发挥有效通道均衡和波束导向作用。
 
附图说明
图1表示根据本发明的一种具有通道均衡和波束控制功能的数字化扬声器系统装置的各组成模块示意图；
图2表示本发明在通道均衡参数估计过程中通道参数测量示意图；
图3表示本发明在波束控制过程中的通道权矢量加载示意图；
图4表示本发明在通道信息抽取过程中所采用的抽取规则示意图；
图5表示本发明一实施例在通道均衡过程中所采用逆滤波器的幅度谱曲线图；
图6表示本发明一实施例的∑-Δ调制器所采用的5阶CIFB调制结构的信号处理流程图；
图7表示本发明一实施例的温度计编码矢量的开光控制示意图；
图8表示本发明一实施例的动态失配整形器所采用的VFMS失配整形算法的信号处理流程图；
图9表示本发明一实施例的抽取选择器所采用的抽取准则示意图；
图10表示本发明一实施例的8元扬声器阵列布放示意图；
图11表示本发明一实施例的扬声器阵列和传声器单元的布放位置示意图；
图12表示本发明一实施例的阵列轴线1 米处位置点在均衡前后其系统频响的幅度谱曲线对比图；
图13 表示本发明一实施例在-60 度、0 度和+30 度三种预定方向上产生的波束方向图曲线；
图14表示本本发明一实施例的∑-Δ调制器所采用的参数值。
具体实施方式
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：
本发明首先通过数字转换接口，将可听声范围内的音源信号转换成位宽为N的高比特PCM编码信号；然后利用通道均衡技术，对各通道的数字音源信号进行逆滤波均衡处理，消除各通道音频带内频响起伏，同时消除通道间频响差异性；然后利用波束形成技术，对均衡后的各通道信号进行加权处理，使阵列能够导向到期望的空间方向上；然后再利用多比特∑-Δ调制技术将位宽为N的高比特PCM编码信号转换成为位宽为M（M<N）的低比特PCM编码信号；然后再通过温度计编码方法将位宽为M的 PCM编码信号转换为位宽为
Figure 977828DEST_PATH_IMAGE003
的温度计编码，形成分配到
Figure 213637DEST_PATH_IMAGE003
组换能器阵元的一元码信号；然后再经过动态失配整形技术，对分配到各组阵元的一元码信号进行动态失配整形处理，消除因各组阵元频响差异所引入的高次谐波分量，降低系统的总谐波失真，提升系统的音质水平；最后通过抽取选择技术，从每个通道的失配整形矢量中，抽取一个数位上的比特信息，送至该通道的数字功放形成功率信号，驱动该通道的数字化负载进行开通或关断操作，所有通道的数字化负载所辐射的空域声场进行叠加后在空间某预定区域内还原出源信号。
 如图1所示，制作一个依据本发明的具有通道均衡和波束控制功能的数字化扬声器系统装置，其主体由音源1、数字转换器２、通道均衡器３、波束形成器4、∑-Δ调制器5、温度计编码器6、动态失配整形器7、抽取选择器8、多通道数字功放9以及数字化阵列负载10等组成。
音源１，可以选用在PC机硬盘内存储的MP３格式的音源文件，可以通过USB端口按数字格式输出；也可以选用MP３播放器内存储的音源文件，通过模拟格式输出；还可以利用信号源产生音频范围内的测试信号，也通过模拟格式输出。
数字转换器２，与所述音源1的输出端连接，包含数字输入格式和模拟输入格式两种输入接口，针对数字输入格式，采用Ti公司的一款型号为PCM2706的USB接口芯片，能够将PC机内存储的MP3类型文件经由USB端口按照16比特位宽、44.1 KHz采样率通过I2S接口协议实时读入到型号为Cyclone III EP3C80F484C8的FPGA芯片内；针对模拟输入格式，采用Analog Devices公司的一款型号为AD1877的模数转换芯片，将模拟音源信号转换为16比特、44.1 KHz的PCM编码信号，也通过I2S接口协议实时读入到FPGA芯片内。
通道均衡器3，与所述数字转换器2的输出端相连接，按照测量方式，计算出各通道的逆滤波器参数，图5给出了通道1到8的逆滤波器幅度谱曲线，按照逆滤波器参数对各通道进行均衡处理，获得均衡后的16比特、44.1 KHz采样率的PCM信号。
波束形成器4，与所述通道均衡器3的输出端相连接，按照期望的波束方向图计算8元阵列的权值矢量，然后在FPGA内部，通过乘法器单元将计算的权值矢量加载到各阵元通道的传输信号——均衡后的16比特、44.1 KHz采样率的PCM信号，从而形成带有方向加权调整的多通道PCM信号。
∑-Δ调制器5，与所述波束形成器4的输出端相连接，首先，在FPGA芯片内部，进行过采样的插值滤波操作，将44.1 KHz、16比特的PCM编码信号，按三级进行升采样插值处理，第一级插值因子为4，采样率升为176.4 KHz，第二级插值因子为4，采样率升为705.6 KHz，第三级插值因子为2，采样率升为1411.2 KHz。在经过32倍插值处理后，原44.1 KHz、16 比特的PCM信号转换为1.4112 MHz、16 比特的过采样PCM信号；然后按照3比特的∑-Δ调制方式，将过采样的1.4112 MHz、16 比特的PCM编码信号转换成为1.4112 MHz 、3比特的PCMb编码信号。如图6所示，在本实施例中，∑-Δ调制器采用5阶CIFB(Cascaded Integrators with Distributed Feedback)的拓扑结构。该调制器的系数如表1所示。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∑-Δ调制器所使用的参数用CSD编码表示。
温度计编码器6，与所述∑-Δ调制器5的输出端相连接，将1.4112 MHz 、3比特的∑-Δ调制信号按照温度计编码方式转换为1.4112 MHz、位宽为8的一元码。如图7所示，当3比特PCM编码为“001”，其转换的温度计编码为“00000001”，该编码用于控制换能器阵列的1个阵元开通，其余7个阵元都关闭；当3比特PCM编码为“100”时，其转换的温度计编码为“00001111”，该编码用于控制换能器阵列的4个阵元开通，其余4个阵元关闭；当3比特PCM编码为“111”，其转换的温度计编码为“01111111”，该编码用于控制换能器阵列的7个阵元开通，仅留下1个阵元关闭。
动态失配整形器7，与温度计编码器6的输出端相连接，用于消除阵元之间频响差异引起的非线性谐波失真分量。动态失配整形器7按照非线性谐波失真分量最少的优化准则，对8位温度计编码进行排序，从而决定出给8个换能器阵元的编码分配方式，如图7所示，当温度计编码为“00001111”，通过动态失配整形器进行次序排列后，将决定换能器阵元1、4、5、7上分配编码“1”，换能器阵元2、3、6、8上分配编码“0”，从而按照这一分配方式，换能器阵元1、4、5、7将开通而换能器阵元2、3、6、8将关闭，按照这一编码分配方式进行换能器阵列的开关控制，将会使阵列辐射声场所合成的信号中包含最少的谐波失真分量。在本实施例中，动态失配整形器采用了VFMS (Vector-Feedback mismatch-shaping)算法，其信号处理流程如图8所示，其中粗线代表N维矢量，细线代表标量，输入信号
Figure 224319DEST_PATH_IMAGE028
是经∑-Δ调制器和温度计编码器处理后的N维编码矢量，该编码矢量中包含
Figure 192275DEST_PATH_IMAGE029
个“1”状态和
Figure 599991DEST_PATH_IMAGE030
个“0”状态，输出信号
Figure 46016DEST_PATH_IMAGE031
是经过失配整形处理后的N维列矢量，通过失配整形处理，输出矢量的“1”状态和“0”状态在矢量中的排列顺序得到了调整，但是 “1”状态和 “0”状态的数量仍保持不变，并且矢量中的每个元素控制着阵列中相应的一个阵元通道按照其状态进行通断操作。单元选择模块通过某种选择策略保证由频响差异引入的误差在频谱上能够得到较好的整形效果，
Figure 176783DEST_PATH_IMAGE032
模块表示在N维矢量中选取数值最小的元素同时对其取负，经
Figure 377957DEST_PATH_IMAGE032
模块操作所获得的标量元素为
Figure 961385DEST_PATH_IMAGE033
，
Figure 211101DEST_PATH_IMAGE034
是失配整形函数，其一般形式为
Figure 196375DEST_PATH_IMAGE035
，M为阶数，本实施例中所采用的失配整形器阶数为2阶。按照图8的信号处理流图，可以获得失配整形处理后的输出矢量表达式为：
Figure 319183DEST_PATH_IMAGE036
，
其中
Figure 389907DEST_PATH_IMAGE037
。假设N维行矢量表示阵列各单元之间的不一致误差，且假设
Figure 345410DEST_PATH_IMAGE038
中所有元素之和为0，则扬声器阵列在空间任意位置点上由各阵元输出声场进行叠加合成后所获得的阵列输出声信号表达式为：
。
从阵列输出声信号的表达式可以看出，整形函数能够对阵列误差
Figure 290123DEST_PATH_IMAGE038
进行整形处理，只要选择较好的失配整形函数mtf，就可以取得对阵列误差
Figure 984410DEST_PATH_IMAGE038
的较好整形效果。在FPGA芯片内部，通过动态失配整形器处理后，原∑-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。
抽取选择器8，与动态失配整形器7的输出端相连接，用于从各通道的整形矢量中进行数位抽取操作，送给后级功放和数字负载。如图9所示，每个通道经失配整形处理都产生了一个8元的一元码矢量，抽取选择器7将会按照第i个通道抽取整形矢量第i个数位的原则，为每个通道抽取一个相应数位的一元码信号,作为后级数字功放的输入信号。
多通道数字功放9，与抽取选择器8的输出端相连接。本实施例中，数字功放芯片选用Ti公司的一款型号为TAS5121的数字功放芯片，该芯片的响应时间在100 ns量级，能够无失真响应1.4112 MHz的一元码流信号。在功放的输入端，采用差分输入格式，在FPGA内部，将动态失配整形送来的输出数据一路直接输出，另一路经反相后输出，形成了两路差分信号，送到TAS5121芯片的差分输入端；在功放的输出端，同样采用差分输出格式，将两路差分信号直接施加到单个换能器阵元通道的正负极引线上。
数字化阵列负载 10，与多通道数字功放9的输出端相连接。本实施例中，数字化负载单元采用惠威公司生产的型号为B2S的全频带扬声器单元，该单元的频带范围为270 Hz~20 KHz，灵敏度(2.83V/1m)为79 dB，最大功率为2 W，额定阻抗为8 欧姆。如图10所示，数字化负载为8元扬声器阵列，该阵列由8个上述扬声器单元按照线性阵列方式摆放，阵元间距为4 cm，每个扬声器单元对应一个数字化通道。
在自由空间中，假设扬声器阵列和传声器单元的布放如图11所示，按照仿真实验方法，假设给数字化扬声器系统装置输入频率范围为100 Hz~20 KHz的扫频信号，在扬声器阵列轴线上1米远位置点处观察系统的频响特性。图12给出了在均衡器施加前后，轴线1米远位置点处系统频响的幅度谱曲线对比图，在未施加均衡器时，系统频响的幅度谱在2 KHz~20 KHz的频率范围内存在着非常明显的下降趋势，随着频率从2 KHz增加到20 KHz，系统频响的幅度谱从65 dB下降到45 dB，存在着20 dB的幅度差异；在施加均衡器之后，系统频响的幅度谱在2 KHz~20 KHz的频率范围内一直维持在57 dB附近，呈现出非常平坦的频谱特性，从而保证了系统合成信号的真实还原。根据均衡结果可知，采用抽取选择的多通道比特信息合成方式，能够有效的继承各通道的均衡器响应信息，保证了各通道的频响平坦性。
基于通道均衡的数字化扬声器阵列系统，能够有效地消除各通道声频带内的频响起伏，并校正通道之间的频响差异，保证了系统在期望的空间区域内具有非常平坦的时域频响特性，从而保证了所有通道在空间合成信号的频谱能够还原出原始音源信号的真实频谱，保证了数字重放系统真实再现原来音源的声场效果。另外，通过消除各通道音频带内频响起伏也保证了各种自适应空域阵列波束形成算法具有较快的收敛速度和较好的鲁棒性。
在自由空间中，仍然按图11所示的扬声器阵列布放方式，按照-60 度、0 度和+30 度三种预定的波束主瓣方向，进行阵列波束控制的仿真实验，设定三种情况的阵列波瓣宽度都为20度。图13给出了三种预定方向情况下阵列的空域方向图，观察这些曲线可以看出，阵列的波束主瓣指向到预定方向，波束宽度达到了期望的要求，主副瓣幅度差值达到了15 dB，根据这些阵列波束控制结果可知，采用抽取选择的多通道信息合成方式，能够有效的继承波束形成器所加载在各通道上的幅度和相位调整信息，从而实现了阵列的波束指向性控制。这种基于抽取选择方式的数字化阵列波束形成方法，能够有效提高数字化阵列在复杂环境下的空域指向性能力，为数字化阵列特殊声场（如3D立体声场、虚拟环绕声场、指向性声场等）效果的生成提供了可靠的实现途径。
最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (25)

1.一种数字化扬声器阵列系统的通道均衡与波束控制方法，包括如下步骤：
    1）数字格式转换,将信号转换为基于PCM编码的数字信号；
2）通道均衡处理；
3）控制波束形成；
4）多比特∑-Δ调制；
5）温度计编码转换，将位宽为M的低比特PCM编码信号转换为对应于                                                
Figure 601885DEST_PATH_IMAGE001
个通道的数字功放和换能器负载的一元码矢量；
6）动态失配整形处理，对温度计编码矢量进行重新排序；
7）抽取通道信息，送至数字功放驱动负载发声。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：当步骤1）中所述的数字格式转换针对模拟信号时，首先经过模数转换操作，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。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：当步骤1）中所述的数字格式转换针对数字信号时，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。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤2）中所述的通道均衡处理，其均衡器的参数按照测量和计算获取。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤3）中所述的控制波束形成，其波束形成器的通道权系数按照常规波束形成的设计方法进行计算，计算公式为式（Ⅰ）：
Figure 867299DEST_PATH_IMAGE002
.          式（Ⅰ）
其中，a(θ)为空域的导向矢量，
Figure 536177DEST_PATH_IMAGE003
，N表示阵列的阵元数量，D(θ)为期望的空域波束形状，
Figure 857437DEST_PATH_IMAGE004
。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤4）中所述的多比特∑-Δ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∑-Δ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，原高比特PCM码变换为低比特PCM码。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤4）中所述的多比特∑-Δ调制采用高阶单级串行调制方法或者多级并行调制方法，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。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤5）中所述的一元码矢量的每个数位上的编码会送到相应的数字通道上，其各数位上的编码，在任意时刻仅有“0”和“1”两种电平状态，在“0”状态时，换能器负载被关断，在“1”状态时，换能器负载被开通。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤6）中所述的动态失配整形处理，采用包括DWA(Data-Weighted Averaging)、VFMS(Vector-Feedback mismatch-shaping ) 和/或TSMS(Tree-Structure mismatch shaping)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。
10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤7）中所述的通道信息抽取，对各通道执行编码信息分配操作，其信号处理过程如下：，首先，各通道的动态失配器进行动态失配整形处理，经整形处理后，获得了位序更新的整形矢量；然后按照特定的抽取选择准则，从每个通道的整形矢量的2 M 个数位中，选取一个指定的数位编码作为该通道的输出编码，为保证信息的完整还原，各通道选取的数位位次不能存在重复，且所有的2 M 个通道选取的数位位次完全包含了1到2 M 个数位位次。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于：在通道信息抽取选择过程中，按照第i个通道从其整形矢量中选取第i个数位编码信息的简单准则进行数位选取操作。
12.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤7）中所述的负载为多个扬声器单元组成的数字化扬声器阵列，或者为具有多个音圈绕组的扬声器单元，或者为多个多音圈扬声器单元组成的数字扬声器阵列。
13.一种具有通道均衡和波束控制功能的数字化扬声器阵列系统装置，其特征在于包括：
一音源（1），是系统待播放的信息；
一数字转换器（2），其与所述的音源（1）的输出端相连接，用于将输入信号转换为位宽为N、采样率为f s 的高比特PCM编码信号；
一通道均衡器（3），其与所述的数字转换器（2）的输出端相连接，用于对各通道频响进行逆滤波均衡操作，消除通道频响的带内起伏；
一波束形成器（4），其与所述的通道均衡器（3）的输出端相连接，用于控制扬声器阵列波束的空域辐射形状，产生如3D立体声场、虚拟环绕声场、指向性声场等声场分布特性，以达到特殊声效播放的目的；
一∑-Δ调制器（5），其与所述的波束形成器（4）的输出端相连接，用于完成过采样插值滤波和多比特∑-Δ编码调制处理，获得位宽缩减的低比特PCM编码信号；
一温度计编码器（6），其与所述的∑-Δ调制器（5）的输出端相连接，用于将低比特PCM编码信号转换为与系统数字通道数相等的一元码矢量，以用于数字化通道开关的控制矢量；
一动态失配整形器（7），其与所述的温度计编码器（6）的输出端相连接，用于消除由阵元之间频响差异引入的空域合成信号的非线性谐波失真分量，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挤到带外高频段，从而降低了带内的谐波失真强度，提高了∑-Δ编码信号的音质水平；
一抽取选择器（8），其与所述的动态失配整形器（7）的输出端相连接，用于从各通道的整形矢量中，抽取特定的数位编码信息，用于控制该通道进行开通/关断动作的控制信息；
一多通道数字功放（9），其与所述的抽取选择器（8）的输出端相连接，用于将各通道的控制编码信号进行功率放大，用于驱动后级数字化负载进行开通/关断；
一数字化阵列负载（10），其与所述的多通道数字功放（9）的输出端相连接，用于完成电声转换，将数字化的开关电信号转换为模拟格式的空气振动信号。
14.根据权利要求13所述的装置，其特征在于：所述的音源（1）为模拟信号或者数字编码信号。
15.根据权利要求13所述的装置，其特征在于：所述的数字转换器（2）包含模数转换器、USB、LAN、COM等数字接口电路和接口协议程序。
16.根据权利要求13所述的装置，其特征在于：所述通道均衡器（3）在时域或者频域内按照逆滤波的响应参数进行均衡操作，消除各通道音频带内的频响起伏，并校正各通道的频响差异。
17.根据权利要求13所述的装置，其特征在于：所述的波束形成器（4）利用所设计的加权矢量，对各通道传输信号进行加权处理，调整其幅度和相位信息。
18.根据权利要求13所述的装置，其特征在于：所述的∑-Δ调制器（5），其信号处理过程如下：首先，将原来位宽为N、采样率为f s 的PCM编码按过采样因子
Figure 346187DEST_PATH_IMAGE005
进行过采样的插值滤波处理，获得位宽为N、采样率为的PCM编码信号；然后按照多比特∑-Δ调制方式，将位宽为N的过采样PCM编码信号转换成位宽为M（M<N）的低比特PCM编码信号。
19.根据权利要求12所述一种具有通道均衡和波束控制功能的数字化扬声器阵列系统装置，其特征在于，所述的∑-Δ调制器（5），按照高阶单级串行调制器结构或者多级并行的调制器结构，对插值滤波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。
20.根据权利要求13所述的装置，其特征在于：所述的温度计编码器（6）将位宽为M的低比特PCM编码信号转换为对应于个通道的数字功放和换能器负载的一元码信号矢量，该一元码矢量的每个数位编码信息分配到一个对应的数字化通道上，以将换能器负载纳入到信号编码流程中，对换能器负载的数字化编码和数字式开关控制。
21.根据权利要求13所述的装置，其特征在于：所述的动态失配整形器（7）采用DWA(Data-Weighted Averaging)、VFMS(Vector-Feedback mismatch-shaping ) 和/或TSMS(Tree-Structure mismatch shaping) 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，降低带内的谐波失真强度。
22.根据权利要求13所述的装置，其特征在于：所述的抽取选择器（8）按照特定的抽取准则，将从
Figure 849478DEST_PATH_IMAGE001
个数字通道的每个通道整形矢量中，抽取一个数位信息，作为该通道的输出编码信息，用于控制后级的换能器负载进行开通/关断动作。
23.根据权利要求13所述的装置，其特征在于，所述的多通道数字功放（9）将抽取选择器（8）输出的开关信号送至全桥式功放电路的MOSFET管栅极端，通过控制MOSFET管的导通与关断来控制功率电源到负载供电的开通与关断。
24.根据权利要求13所述的装置，其特征在于：所述的数字化阵列负载（10），为多个扬声器单元组成的数字化阵列，其每个数字通道由单个或者多个扬声器单元组成；或者为多个音圈的扬声器单元，其每个数字通道由单个或者多个音圈组成；或者为多音圈扬声器组成的阵列其每个数字通道由多个音圈和多个扬声器单元组合而成。
25.根据权利要求13或24所述的装置，其特征在于：所述的数字化阵列负载（10）的阵列形状，根据换能器单元数量和实际应用需求进行排列。
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