CN102404673A - 数字化扬声器系统通道均衡与声场控制方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于单一广义编码器的数字化扬声器系统通道均衡与声场控制方法和装置。该方法包括：1）数字格式转换；2）多通道均衡处理；3）声场控制处理；4）并串变换处理；5）广义编码处理；6）抽取选择处理；7）串并变换处理；8）对各通道的数字信号进行功率放大，驱动数字化扬声器负载发声。装置包括：一音源、一数字格式转换器、一通道均衡器、一声场控制器、一并串变换器、一广义编码器、一抽取选择器、一串并变换器、一多通道数字功放、一数字化扬声器负载；各单元依次顺序连接。本发明缩减了系统体积、功耗、成本和硬件实现资源，提高了系统电声转换效率和抗干扰能力，改善了系统带内频响平坦程度和声场控制能力。

Description

数字化扬声器系统通道均衡与声场控制方法和装置

技术领域

本发明涉及一种通道均衡与声场控制方法和装置，特别涉及一种基于单一广义编码器的数字化扬声器系统通道均衡与声场控制方法和装置。

 

背景技术

随着大规模集成电路和数字化产业的快速发展，电声产业的数字化趋势也日益明显，目前，扬声器系统的数字化进程已经推进到数字功放环节，但是扬声器单元的数字化仍旧是一个瓶颈问题。为了突破扬声器单元本身的数字化，近年来，许多学者开始研究基于∑-Δ调制技术的数字化扬声器系统。这种数字化扬声器系统，其各通道所传输信号为基于二元状态编码格式的数字信号，数字化系统所采用的这种新的编码格式，使得传统的基于PCM编码格式的通道均衡和声场控制算法并不能直接应用于数字化扬声器系统的均衡和声场控制。另外，目前基于二元状态编码格式的数字信号处理算法，仅局限于对二元状态编码信号的幅度滤波处理，对于二元状态编码信号进行幅度和相位联合处理的均衡和声场控制算法还没有出现。现有的数字化扬声器系统，都是采用失配整形技术和延时控制技术进行较为简单的通道均衡和声场控制处理，在复杂环境下，这些简单处理方法将无法达到期望效果。

目前，基于多比特∑-Δ调制的数字化扬声器系统，都是依赖于失配整形技术所采用的随机化选择输出通道的策略来消除多个数字传输通道之间的频响差异性，但是这种基于失配整形器的多通道频响差异校正方法，仅适用于微小量级的幅度响应偏差校正，对相位响应偏差的校正能力非常弱。这种基于失配整形技术的多通道频响校正方法仅消除通道间的少量频响差异而对各通道自身音频带内的频响起伏不能起到有效的均衡作用。这些数字传输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，难于保证声场的真实还原，因此需要考虑对多个数字通道进行频响均衡处理。中国专利CN 101803401A公开了一种基于失配整形的数字化扬声器系统通道偏差校正方法，但是该专利并没有考虑对各通道音频带内的频响起伏进行有效的均衡处理，从而造成系统还原信号频谱与音源信号真实频谱存在着较大偏差，使得数字系统重放声场不能真实的再现原来音源的真实声场效果。数字化扬声器系统所采用的电声转换装置为数字化扬声器阵列或者多音圈扬声器，但是由于受当前加工制作水平所限制，这些电声转换装置所涉及的多个扬声器单元之间或者多个音圈之间存在着非常大的频响差异性，单纯依赖于失配整形技术并不能很好的解决较大频响差异的校正问题，因此需要寻找适合于数字化扬声器系统的性能更好的多通道频响一致性及平坦性校正方法。

目前，数字化扬声器系统所采用的声场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自由声场环境下的数字系统单一波束的指向性控制，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。在通常应用场合，数字系统所处的声场环境会存在一些反射或散射效应，从而产生出较为丰富的多径干扰分量，在这种情况下基于时延控制的方法将不能取得正确的声场控制效果。针对复杂的声场控制需求，单纯依赖于时延控制并不能取得较好的控制效果，需要对多个通道的幅度和相位响应进行联合控制，以达到期望的声效要求。中国专利CN 101803401A所公开的基于通道延时调整的数字化系统波束导向方法，仅调整了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，属于一种较为简单声场控制方法，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。针对实际应用环境下数字化扬声器系统的复杂声场控制问题，需要寻找适合于数字扬声器系统的声场控制方法。

针对现有的基于多比特∑-Δ调制的数字化扬声器系统在通道均衡和声场控制方面存在的缺陷性，需要寻找更为有效的通道均衡与声场控制方法，以满足基于多比特∑-Δ调制的数字化扬声器系统在频带平坦性和波束指向性方面的应用需求，并制作具有通道均衡与声场控制功能的数字化扬声器系统装置。

发明内容

本发明的目的是克服现有数字化扬声器系统在通道均衡和声场控制方面的缺陷，提出了一种基于单一广义编码器的数字化扬声器系统通道均衡与声场控制方法以及具有通道均衡和声场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系统通道均衡与声场控制方法，包括如下步骤：    

1）数字格式转换，将音源信号转换为位宽为N和采样率为f _s 的PCM编码信号；

2）对转换后的信号进行多通道均衡处理, 对各通道的频响曲线进行平坦性校正；

3）声场控制处理, 控制数字化扬声器系统空域辐射波束的形状；

4）并串变换处理, 用于将L个传输通道、位宽为N、采样率为f _s 的并行传输数据转换为单个传输通道、位宽为N、采样率为                                                的串行输出数据序列；

5）广义编码处理，将单个传输通道、位宽为1、采样率为

的串行数据序列，经由∑-Δ调制器、温度计编码器和失配整形器转换为L个传输通道、位宽为1、采样率为

的并行传输数据矢量，将PCM编码信号转换为基于二元状态编码的数字开关控制信号；

6）抽取选择处理，对各通道经由广义编码器产生的L维二元编码矢量进行抽取选择，仅保留编码矢量中某一个维上的元素沿其所在通道继续向后传输，而将编码矢量的其余L-1维的元素舍弃掉；

7）串并变换处理，将抽取选择器输出的单个传输通道、位宽为1、采样率为

的串行数据序列重新转换为对应于L个并行传输通道、位宽为1、采样率为

的输出数据；

8）对各通道的数字信号进行功率放大，驱动数字化扬声器负载发声。

进一步地，步骤2）中所述多通道均衡处理，是对各通道的频响曲线进行平坦响应校正，其均衡器的参数设计可以按照传统的基于PCM编码格式的均衡器设计方法进行设计。 

进一步地，步骤3）中所述声场控制处理，其各通道的空域加权系数按照传统的基于PCM编码格式的声场控制算法进行设计。

进一步地，步骤4）中所述并串变换处理，其信号处理流程如下：假设在第K时刻，经均衡和声场控制处理后第i个传输通道输出的基于N比特PCM编码信号为

，这L个并行传输通道的输入信号矢量，经并串变换处理后，转换为单个输出通道的串行信号序列为：X₁(K)、X₂(K)、…、X _L (K)。为了保证数字化系统在并串变换前后的数据能够正确有效的传输，假设在并串变换处理前，各通道所传递数据的采样率为

，在并串变换处理后，各通道所传递数据的采样率应该保持为

。

进一步地，步骤5）中所述广义编码处理，其信号处理流程如下：如图3所示，首先，经并串变换处理后对应于第i个传输通道的位宽为N、采样率为

的PCM编码信号

，按照过采样因子

由∑-Δ调制器处理后，转换为位宽为M（M<N）、采样率为的PCM编码信号；然后，M比特PCM编码信号，经过温度计编码器处理后转换为对应于L个传输通道、位宽为1、采样率为

的基于二元状态编码的1比特编码信号矢量；最后，再经过失配整形器处理后，按照随机化的位序排列方式，对温度计编码器处理后所获得的L位、1比特编码信号矢量进行位序调整，从而在一定程度上消减由各通道间的频响差异所引起的L个通道所合成信号的谐波失真增加，并提高L个通道所合成信号的信噪比水平。

在广义编码处理中所包含的∑-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。

在广义编码处理中所包含的温度计编码器，用于将位宽为M的PCM编码信号转换为对应于L个通道的数字功放和数字化扬声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，单个数字化扬声器单元或者单个音圈单元被关断，在“1”状态时，单个数字化扬声器单元或者单个音圈单元被开通。温度计编码操作，用于将编码信息分配到多个数字化扬声器单元或者多个音圈单元所对应的数字传输通道上，从而将多个数字化扬声器单元或者多个音圈单元纳入到信号编码流程中，实现了对数字化扬声器负载的数字化编码和数字式开关控制。

在广义编码处理中所包含的失配整形器，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，消除了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。失配整形器的设计，可以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，步骤6）中所述抽取选择处理，其抽取选择的处理流程如下：如图4所示，假设经过广义编码处理后产生的对应于第i个传输通道的1比特编码矢量为：

。

经广义编码处理后，原来第i个传输通道位宽为N的PCM编码信号被重新编码成位宽为1、维数为L、并行输出的二元编码信号矢量。为了保证第i个传输通道经广义编码之后的数据能够正常输出，需要对维数为L的二元编码信号矢量进行抽取选择，仅保留编码矢量中某一个维上的元素继续沿第i个通道向后传输，而将编码矢量的其余L-1维的元素舍弃掉，在这一过程中，需要按照一定的抽取选择准则进行矢量元素的取舍操作。

假设集合S为

，并假设第i个传输通道选择其二元编码矢量的第m（）个维上的元素

，则由已经完成抽取选择的那些传输通道从其二元编码矢量中所选择的那些元素序列号所组成的集合S的子集A为

，那么第i+1个传输通道将从集合S中子集A的补集

中选择其编码矢量某一个维上的元素作为第i+1个通道后向传输的数据序列。假设第i+1个传输通道从其编码矢量中第n（

）个维上选择元素

作为该通道的后向传输数据序列，则由已经完成抽取选择的那些传输通道从其二元编码矢量中所选择的那些元素序列号组成的集合S的子集A更新为

。按照在集合S中子集A的补集

中选择某个序列号作为被抽取元素序列号的准则，第i+2个传输通道同样也从补集中选择元素序列号

（），那么该通道后向传输的数据序列为，则由已经完成抽取选择的那些传输通道从其二元编码矢量中所选择的那些元素序列号组成的集合S的子集A更新为，按照这一准则，依次类推可以选择出所有通道后向传输的数据序列。这样经广义编码和抽取选择处理后，原来的位宽为N、采样率为

串行输入的PCM编码信号转换为位宽为1、采样率为

、串行输出的二元状态编码信号。

基于从补集中抽取选择元素序列号的准则，能够保证系统传输信号在PCM编码阶段所预先设置的均衡和声场控制效果，经由广义编码和抽取选择处理后在输出的二元编码信号中得到有效的保持和继承，从而保证了传统的基于PCM编码格式的各种均衡和声场控制算法，能够继续在基于二元状态编码的数字化扬声器系统中得到有效使用，从而突破了直接对二元编码信号进行均衡和声场控制处理所存在的瓶颈及障碍。这种基于广义编码和抽取选择处理的方法为PCM编码信号格式和二元编码信号格式之间建立了互联桥梁，保证了传统的基于PCM编码的各种信号算法在基于二元编码格式的数字化扬声器系统中继续发挥作用，从而为数字化扬声器系统的均衡和声场控制处理提供了一种简便有效的实现途径。

进一步地，步骤7）中所述串并变换处理，其信号处理流程如下：假设在第K时刻，经过抽取选择处理后获得的对应于第i个传输通道后向传输的二元状态编码序列为

，经串并转换处理后，原来由单个传输通道输入的串行数据序列重新变换为对应于L个并行传输通道的输出矢量。为了保证数字化系统在串并变换前后的数据能够正确有效的传输，假设在串并变换处理前，各通道所传递数据的采样率为

，在串并变换处理后，各通道并行传输数据的采样率应该保持为

。

进一步地，步骤8）中所述数字化扬声器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数字化扬声器单元，还可以为多个多音圈扬声器单元组成的数字化多音圈扬声器阵列，或者由多个多音圈扬声器单元和单音圈扬声器单元混合组成的数字化扬声器阵列。

本发明另一方面提供一种具有通道均衡和声场控制功能的数字化扬声器系统装置，包括：

一音源，是系统待播放的信息；

一数字格式转换器，与所述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，用于对各通道的频响曲线进行平坦性校正处理，消除各通道期望带内的频响起伏特性；

一声场控制器，与通道均衡器的输出端相连接，用于控制数字化扬声器系统空域辐射波束的形状，以达到期望的声场控制效果；

一并串变换器，与声场控制器的输出端相连接，用于将L个传输通道、位宽为N、采样率为f _s 的并行传输数据转换为单个传输通道、位宽为N、采样率为的串行输出数据序列；

一广义编码器，与并串变换器的输出端相连接，用于将单个传输通道、位宽为1、采样率为

的串行数据序列，经由∑-Δ调制器、温度计编码器和失配整形器转换为L个传输通道、位宽为1、采样率为的并行传输数据矢量，从而将PCM编码信号转换为基于二元状态编码的数字开关控制信号；

一抽取选择器，与所述广义编码器的输出端相连接，用于对各通道经由广义编码器产生的L维二元编码矢量进行抽取选择，仅保留编码矢量中某一个维上的元素沿其所在通道继续向后传输，而将编码矢量的其余L-1维的元素舍弃掉，从而保证了经由广义编码处理之后的数据能够正常有效的向后传输；

一串并变换器，与抽取选择器的输出端相连接，用于将抽取选择器输出的单个传输通道、位宽为1、采样率为

的串行数据序列重新转换为对应于L个并行传输通道、位宽为1、采样率为

的输出数据；

一多通道数字功放，与串并变换器的输出端相连接，用于将各通道输出的数字编码信号进行功率放大，驱动后级数字化扬声器负载进行开通/关断动作；

一数字化扬声器负载，与多通道数字功放的输出端相连接，用于完成电声转换，将数字化的开关电信号转换为模拟形式的空气振动信号。

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，数字格式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，经过数字格式转换器处理后，原来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传统的基于PCM编码格式的均衡器参数设计方法对各通道的频响曲线进行平坦性校正处理，消除各通道音频带内的频响起伏；同时，也能够完成各通道频响差异性的校正处理，使各通道频响趋于一致。

进一步地，声场控制器利用传统的基于PCM编码格式的声场控制算法，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扬声器系统的空域方向图达到期望的设计要求，以取得期望的声场控制效果。

进一步地，并串变换器为保证数字化系统编码信号的正确传输和处理，需要保持变换后串行数据的采样率为变换前并行数据采样率的L倍。

进一步地，广义编码器其信号处理过程如下：首先，将并串变换器输出的位宽为N、采样率为

的高比特PCM编码信号，按照过采样因子

由∑-Δ调制器进行编码处理获得位宽为M（M<N）、采样率为的低比特PCM编码信号；然后，将M比特低比特PCM编码信号，通过温度计编码器转换为对应于L个传输通道、位宽为1、采样率为

的1比特编码信号矢量；最后，再经过失配整形器处理，按照随机化的位序排列方式，对温度计编码器所获得的L维1比特编码矢量进行位序调整，从而在一定程度上消减由各通道间的频响差异所引起的L个通道所合成信号的谐波失真增加，并提高L个通道所合成信号的信噪比水平。

在广义编码器内部所包含的∑-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。

在广义编码器内部所包含的温度计编码器，用于将位宽为M的低比特PCM编码信号转换为对应于L个通道的数字功放和数字化扬声器负载的二元状态码信号矢量，该二元状态码信号矢量的每个数位编码信息用于分配到一个相应的数字化通道上，从而将数字化扬声器负载纳入到信号编码流程中，实现了对数字化扬声器负载的数字化编码和数字式开关控制。

在广义编码器内部所包含的失配整形器，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，按照从补集中抽取选择元素序列号的准则，从每个数字通道输出的L维整形矢量中，抽取一个元素用于该通道后向传输的数据序列。抽取选择器的一种较为简单的实现方式如下：通道1抽取其编码矢量的第1维上的元素

，通道2抽取其编码矢量的第2维上的元素

，依次类推，通道L抽取其编码矢量的第L维上的元素

。

进一步地，为保证数字化系统编码信号的正确传输和处理，串并变换器需要保持变换后并行输出数据的采样率为变换前串行输入数据采样率的倍。

进一步地，多通道数字功放将串并转换器输出的L个通道的并行传输信号送至多通道全桥式功放电路的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数字化扬声器负载供电的开通与关断，从而实现了对数字化扬声器负载的功率放大。

进一步地，所述数字化扬声器负载，可以根据扬声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数字化扬声器阵列形状。

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部数字化，整个系统完全由数字化的元器件组成，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社会的发展要求。

B. 本发明所提出的基于单一广义编码器的方法，通过并串变换和串并变换操作，将多个通道传输的数据序列仅通过单一的广义编码器就可以完成编码操作，从而节省了硬件资源的消耗，减少了硬件实现的复杂度，缩减了硬件体积和成本。

C. 本发明所采用的数字化系统实现方式，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. 本发明所采用的广义编码操作，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，同时对于负载单元之间的频响偏差具有很好的免疫力。另外，基于广义编码操作，能够将各种谐频分量的能量均匀扩散到整个频带内，从而有效降低了数字化系统的电磁辐射所带来的干扰。

E. 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数字化负载端，控制负载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。

F. 本发明所提出的通道均衡方法，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。

G. 本发明所提出的通道均衡方法，能够较好的抑制各通道的频响起伏，提高数字化扬声器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，阵元之间的频响差异性也得到了较好的校正，从而保证了各种基于阵元通道相干积累的阵列声场控制算法能够得以有效运行。这种基于单一广义编码和抽取选择的方法，能够有效提高数字化扬声器系统在复杂环境下的空域声场控制能力。

H. 本发明所提出的声场控制方法，能够保证数字化扬声器系统在复杂环境下取得期望的声场控制效果，同时能够保证系统实现多个指向性波束的控制。

I． 本发明所提出的基于单一广义编码器的数字化扬声器系统信号处理方法，能够将传统的基于PCM编码格式的各种信号处理算法，直接扩展应用于基于多比特∑-Δ调制的数字化扬声器系统中，从而为传统的基于PCM编码格式的信号处理算法与基于多比特∑-Δ调制的数字化阵列系统之间建立了桥梁，保证了传统的基于PCM编码格式的各种算法能够在基于多比特∑-Δ调制的数字化扬声器系统中继续发挥其有效作用。另外，这种基于单一广义编码器的方法，突破了直接对二元编码信号进行各种通道均衡和声场控制算法处理所带来的瓶颈和困难，避免了二元编码信号直接处理所带来的复杂性。

附图说明

图1表示根据本发明的一种基于单一广义编码器的数字化扬声器系统通道均衡与声场控制方法的信号处理流程图；

图2表示并串变换处理过程中的信号处理流程图；

图3表示广义编码过程中所采用广义编码器的内部各组成模块示意图；

图4表示在抽取选择过程中信号处理流程图；

图5表示在串并变换处理过程中信号处理流程图；

图6表示根据本发明的一种具有通道均衡和声场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7表示本发明在抽取选择操作过程中所采用的一种较为简单的抽取选择准则示意图；

图8表示本发明一实施例在通道均衡过程中所测量的逆滤波器幅度谱响应曲线图；

图9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10表示本发明一实施例的温度计编码操作和失配整形操作的示意图；

图11本发明一实施例的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12表示本发明一实施例的8元线性扬声器阵列的位置布放示意图；

图13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14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15 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16表示本发明一实施例的∑-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。

如图1所示，本发明提供的通道均衡与声场控制方法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、采样率为

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；再利用波束形成技术，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。

在完成通道均衡和波束指向性加权操作之后，将L个通道、位宽为N、采样率为

的并行传输矢量经由并串变换处理转换为单个通道、位宽为1、采样率为

的串行数据流，如图2所示，假设在第K时刻，经均衡和声场控制处理后第i个传输通道输出的基于N比特PCM编码信号为，这L个并行传输通道的输入信号矢量，经并串变换处理后，转换为单个输出通道的串行信号序列为：X₁(K)、X₂(K)、…、X _L (K)。为了保证数字化系统在并串变换前后的数据能够正确有效的传输，假设在并串变换处理前，各通道所传递数据的采样率为

，在并串变换处理后，各通道所传递数据的采样率应该保持为

。

然后再通过单一广义编码器将串行数据流重新编码为L个通道、位宽为1、采样率为的二元状态编码矢量。参见图3所示，广义编码处理过程如下：首先，将并串变换器输出的位宽为N、采样率为

的高比特PCM编码信号，按照过采样因子

由∑-Δ调制器进行编码处理获得位宽为M（M<N）、采样率为

的低比特PCM编码信号；然后，将M比特低比特PCM编码信号，通过温度计编码器转换为对应于L个传输通道、位宽为1、采样率为

的1比特编码信号矢量；最后，再经过失配整形器处理，按照随机化的位序排列方式，对温度计编码器所获得的L维1比特编码矢量进行位序调整。

如图4所示，假设经过广义编码处理后产生的对应于第i个传输通道的1比特编码矢量为：

。

经广义编码处理后，原来第i个传输通道位宽为N的PCM编码信号被重新编码成位宽为1、维数为L、并行输出的二元编码信号矢量。

为了保证数据后向传输的正确性，需要按照本发明所提出的数据抽取选择准则，从二元状态矢量中抽取某一维元素用于后向输出，而将矢量的其余L-1维元素舍弃。如图4所示，抽取选择器按照从补集中抽取选择元素序列号的准则，从每个数字通道输出的L维整形矢量中，抽取一个元素用于该通道后向传输的数据序列。

在经过广义编码和抽取选择处理后，位宽为1、采样率为

的单个通道串行数据流，需要经过串并变换处理操作，重新转换为对应于L个传输通道、位宽为1、采样率为

的并行传输矢量。

假设将第K时刻经过抽取选择处理后获得的对应于第i个传输通道后向传输的二元状态编码序列定义为

，经图5所示的串并转换处理后，原来由单个传输通道输入的串行数据序列重新变换为对应于L个并行传输通道的输出矢量。

最后，各通道传输信号再通过数字功放进行功率放大，从而用于驱动数字化扬声器负载进行开通或关断操作，同时数字化扬声器负载通过电声变换，将数字形式的电信号还原为模拟形式的音源信号。

 如图6所示，制作一个依据本发明的具有通道均衡和声场控制功能的数字化扬声器系统装置，其主体由音源1、数字格式转换器2、通道均衡器3、声场控制器4、并串变换器5、广义编码器6、抽取选择器7、串并变换器8、多通道数字功放9以及数字化扬声器负载10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。

数字格式转换器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比特位宽、44.1 KHz采样率的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，可以获得通道1到通道8的逆滤波器的频响数据，图8给出了8个传输通道的逆滤波器幅度谱响应曲线，基于这些逆滤波器的频响数据可以设计出逆滤波器的时域响应参数，利用所设计的逆滤波器对各通道传输信号进行均衡处理，从而获得均衡后的16比特位宽、44.1 KHz采样率的PCM信号。

声场控制器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比特位宽、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。

并串变换器5，与所述声场控制器4的输出端相连接。在FPGA芯片内部，将均衡和波束加权处理后所获得的8个传输通道、16比特位宽、44.1 KHz采样率的PCM信号，送至并串变换器转换为单个传输通道、16比特位宽、352.8 KHz采样率的串行数据流。

广义编码器6，与所述并串变换器5的输出端相连接。广义编码器6的操作流程如下：

（1）将并串变换操作后获得的串行数据流送至广义编码器中的∑-Δ调制器进行低比特PCM编码操作。首先，通过过采样的插值滤波操作，将16比特位宽、352.8 KHz采样率的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1.4112 MHz，第二级插值因子为4，采样率升为5.6448 MHz，第三级插值因子为2，采样率升为11.2896 MHz。在经过32倍插值滤波处理后，原来16比特位宽、352.8 KHz采样率的PCM信号转换为16比特位宽、11.2896 MHz采样率的过采样信号；然后按照3比特的∑-Δ调制方式，将过采样的16比特位宽、11.2896 MHz采样率的PCM编码信号转换成为3比特位宽、11.2896 MHz采样率的PCM编码信号。如图9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。该调制器的系数如图16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。

（2）将∑-Δ调制器输出的低比特PCM编码信号送至温度计编码器，从而将3比特位宽、11.2896 MHz采样率的∑-Δ调制信号按照温度计编码方式转换为1比特位宽、11.2896 MHz采样率、8维的二元状态码矢量。如图10所示，当3比特PCM编码为“001”，其转换的温度计编码矢量为“00000001”，该编码用于控制扬声器负载的1个单元开通，其余7个单元都关闭；当3比特PCM编码为“100”时，其转换的温度计编码矢量为“00001111”，该编码用于控制扬声器负载的4个单元开通，其余4个单元关闭；当3比特PCM编码为“111”，其转换的温度计编码矢量为“01111111”，该编码用于控制扬声器负载的7个单元开通，仅留下1个单元关闭。

（3）将温度计编码器输出的二元码状态矢量送至失配整形器，用于消除阵元之间频响差异所引起的非线性谐波失真分量。失配整形器按照非线性谐波失真分量最少的优化准则，对温度计编码器输出的8维矢量进行排序，从而决定出给8个扬声器负载单元的编码分配方式。如图10所示，当温度计编码为“00001111”，通过失配整形器进行次序排列后，将决定第1、4、5、7号扬声器单元上分配编码“1”，第2、3、6、8号扬声器单元上分配编码“0”，从而按照这一分配方式，第1、4、5、7号扬声器单元将开通而第2、3、6、8号扬声器单元将关闭，按照这一编码分配方式进行数字化扬声器负载的开关控制，将会使数字化扬声器系统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，失配整形器采用了VFMS (Vector-Feedback mismatch-shaping)算法，其信号处理流程如图11所示。在FPGA芯片内部，通过失配整形器处理后，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7，与广义编码器6的输出端相连接，用于将对应于各通道由广义编码器输出的二元状态码矢量进行数位抽取操作，选择该矢量的某一个数位上的元素作为该通道的后向传输数据序列，而将矢量的其余各维数据舍弃。如图7所示，按照第i个通道抽取二元状态码矢量第i个数位的原则，抽取选择器7将会为每个通道抽取一个相应数位的元素作为该通道的后向传输数据序列。经抽取选择器7处理后，原来经广义编码器6产生的1比特位宽、11.2896 MHz采样率、8维并行输出的二元状态码矢量，被重新缩减为1比特位宽、11.2896 MHz采样率、1维串行输出的数据流。

串并变换器8，与抽取选择器7的输出端相连接，用于将抽取选择器输出的1比特位宽、11.2896 MHz采样率、1维串行输出的数据流，转换为1比特位宽、1.4112 MHz采样率、8维并行输出的二元状态码矢量。

多通道数字功放9，与串并变换器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的二元状态编码信号。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。

数字化扬声器负载 10，与多通道数字功放9的输出端相连接。本实施例中，数字化扬声器负载采用8元线性阵列，其中扬声器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12所示，线性扬声器阵列的阵元间距为4 cm，每个扬声器单元对应一个数字化传输通道。

在自由空间中，假设扬声器阵列和传声器单元的布放如图13所示。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14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，采用本发明所提出的方法，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。

在自由空间中，仍然按图13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，进行阵列波束控制实验，设定三种情况的阵列波瓣宽度都为20度。图15给出了三种预定方向上阵列波束控制的空域方向图，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，采用本发明所提出的方法，能够有效的继承声场控制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。基于本发明所提出的方法，能够有效提高数字化扬声器系统在复杂环境下的空域声场控制能力，从而为数字化系统的声效控制提供了一条有效的实现途径。

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 (16)

1.一种数字化扬声器系统通道均衡与声场控制方法，包括如下步骤：

    1）数字格式转换，将音源信号转换为位宽为N和采样率为f _s 的PCM编码信号；

2）对转换后的信号进行多通道均衡处理, 对各通道的频响曲线进行平坦性校正；

3）声场控制处理, 控制数字化扬声器系统空域辐射波束的形状；

4）并串变换处理, 用于将L个传输通道、位宽为N、采样率为f _s 的并行传输数据转换为单个传输通道、位宽为N、采样率为                                                

的串行输出数据序列；

5）广义编码处理，将单个传输通道、位宽为1、采样率为的串行数据序列，经由∑-Δ调制器、温度计编码器和失配整形器转换为L个传输通道、位宽为1、采样率为

的并行传输数据矢量，将PCM编码信号转换为基于二元状态编码的数字开关控制信号；

6）抽取选择处理，对各通道经由广义编码器产生的L维二元编码矢量进行抽取选择，仅保留编码矢量中某一个维上的元素沿其所在通道继续向后传输，而将编码矢量的其余L-1维的元素舍弃掉；

7）串并变换处理，将抽取选择器输出的单个传输通道、位宽为1、采样率为

的串行数据序列重新转换为对应于L个并行传输通道、位宽为1、采样率为

的输出数据；

8）对各通道的数字信号进行功率放大，驱动数字化扬声器负载发声。

2.根据权利要求1所述的通道均衡与声场控制方法，其特征在于：步骤2）中所述的多通道均衡处理，其均衡器的参数按照基于PCM编码格式的均衡器设计方法进行设计。

3.根据权利要求1所述的通道均衡与声场控制方法，其特征在于：步骤3）中所述的声场控制处理，针对各通道的空域加权系数按照基于PCM编码格式的声场控制算法进行设计。

4.根据权利要求1所述的通道均衡与声场控制方法，其特征在于：其信号处理方法是：将第K时刻经步骤2）的均衡和步骤3）的声场控制处理后第i个传输通道输出的基于N比特PCM编码信号定义为，L个并行传输通道的输入信号矢量，经步骤4）中所述的并串变换处理后转换为单个输出通道的串行信号序列为X₁(K)、X₂(K)、…、X _L (K)。

5.根据权利要求1所述的通道均衡与声场控制方法，其特征在于：步骤5）中所述的广义编码处理，其信号处理流程为：首先，经并串变换处理后对应于第i个传输通道的位宽为N、采样率为

的PCM编码信号

，按照过采样因子

由∑-Δ调制器处理后，转换为位宽为M（M<N）、采样率为

的PCM编码信号；然后，M比特PCM编码信号，经过温度计编码器处理后转换为对应于L个传输通道、位宽为1、采样率为

的基于二元状态编码的1比特编码信号矢量；最后，再经过失配整形器处理后，按照随机化的位序排列方式，对温度计编码器处理后所获得的L位、1比特编码信号矢量进行位序调整，消减由各通道间的频响差异所引起的L个通道所合成信号的谐波失真增加，提高L个通道所合成信号的信噪比水平。

6.根据权利要求1所述的通道均衡与声场控制方法，其特征在于：将第K时刻经过抽取选择处理后获得的对应于第i个传输通道后向传输的二元状态编码序列定义为

，经步骤7）中所述的串并转换处理后，原来由单个传输通道输入的串行数据序列重新变换为对应于L个并行传输通道的输出矢量，各通道并行传输数据的采样率由串并变换处理前的

变为

。

7.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于：步骤8）中所述的数字化扬声器负载为多个扬声器单元组成的数字化扬声器阵列，或具有多个音圈绕组的数字化扬声器单元，或多个多音圈扬声器单元组成的数字化多音圈扬声器阵列，或者由多个多音圈扬声器单元和多个单音圈扬声器单元混合组成的数字化扬声器阵列。

8.一种具有通道均衡和声场控制功能的数字化扬声器系统装置，包括：

一音源（1），是系统待播放的信息；

一数字格式转换器（2），与所述音源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），与所述数字转换器（2）的输出端相连接，用于对各通道的频响曲线进行平坦性校正处理，消除各通道期望带内的频响起伏特性；

一声场控制器（4），与所述通道均衡器（3）的输出端相连接，用于控制数字化扬声器系统空域辐射波束的形状；

一并串变换器（5），与所述声场控制器（4）的输出端相连接，用于将L个传输通道、位宽为N、采样率为f _s 的并行传输数据转换为单个传输通道、位宽为N、采样率为

的串行输出数据序列；

一广义编码器（6），与所述并串变换器（5）的输出端相连接，用于将单个传输通道、位宽为1、采样率为

的串行数据序列，经由∑-Δ调制器、温度计编码器和失配整形器转换为L个传输通道、位宽为1、采样率为的并行传输数据矢量，从而将PCM编码信号转换为基于二元状态编码的数字开关控制信号；

一抽取选择器（7），与所述广义编码器（6）的输出端相连接，用于对各通道经由广义编码器产生的L维二元编码矢量进行抽取选择，仅保留编码矢量中某一个维上的元素沿其所在通道继续向后传输，而将编码矢量的其余L-1维的元素舍弃掉；

一串并变换器（8），与所述抽取选择器（7）的输出端相连接，用于将抽取选择器（7）输出的单个传输通道、位宽为1、采样率为

的串行数据序列重新转换为对应于L个并行传输通道、位宽为1、采样率为

的输出数据；

一多通道数字功放（9），与所述串并变换器（8）的输出端相连接，用于将各通道输出的数字编码信号进行功率放大，驱动后级数字化扬声器负载进行开通/关断动作；

一数字化扬声器负载（10），与所述多通道数字功放（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形式的空气振动信号。

9.根据权利要求8所述的数字化扬声器系统装置，其特征在于：所述音源（1）为来自于模拟装置所产生的模拟音源信号，或者是数字装置所产生的数字编码信号。

10.根据权利要求8所述的数字化扬声器系统装置，其特征在于，所述数字格式转换器（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，其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，所述数字化扬声器系统装置与其他装置设备进行信息的交互与传递；经过数字格式转换器（2）处理后，原来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。

11.根据权利要求8所述的数字化扬声器系统装置，其特征在于：所述通道均衡器（3），用于在时域或者频域内按照传统的基于PCM编码格式的均衡器参数设计方法对各通道的频响曲线进行平坦性校正处理，消除各通道音频带内的频响起伏；还用于完成各通道频响差异性的校正处理，使各通道频响趋于一致。

12.根据权利要求8所述的数字化扬声器系统装置，其特征在于：所述声场控制器（4），利用传统的基于PCM编码格式的声场控制算法，对各通道传输信号进行加权处理，调整其幅度和相位信息。

13.根据权利要求8所述的数字化扬声器系统装置，其特征在于：所述广义编码器（6），其信号处理过程如下：首先，将并串变换器输出的位宽为N、采样率为

的高比特PCM编码信号，按照过采样因子由∑-Δ调制器进行编码处理获得位宽为M（M<N）、采样率为

的低比特PCM编码信号；然后，将M比特低比特PCM编码信号，通过温度计编码器转换为对应于L个传输通道、位宽为1、采样率为

的1比特编码信号矢量；最后，再经过失配整形器处理，按照随机化的位序排列方式，对温度计编码器所获得的L维1比特编码矢量进行位序调整。

14.根据权利要求8所述的数字化扬声器系统装置，其特征在于：所述抽取选择器（7），按照从补集中抽取选择元素序列号的准则，从每个数字通道输出的L维整形矢量中，抽取一个元素用于该通道后向传输的数据序列。

15.根据权利要求8所述的数字化扬声器系统装置，其特征在于：所述多通道数字功放（9）将串并转换器（8）输出的L个通道的并行传输信号送至多通道全桥式功放电路的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数字化扬声器负载供电的开通与关断。

16.根据权利要求8所述的数字化扬声器系统装置，其特征在于：所述数字化扬声器负载（10）根据扬声器单元数量和实际应用需求进行排列组成各种数字化扬声器阵列形状。

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