CN103167376A - 一种定向扬声器及其信号处理方法 - Google Patents

一种定向扬声器及其信号处理方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种定向扬声器及其信号处理方法，定向扬声器包括：预处理模块和信号调制模块，所述的预处理模块包括：无失真信号生成单元和逆滤波器；所述的信号调制模块包括：插零升采样处理单元、带通滤波器和DA转换单元；该方法在音频采样频率下进行预处理，再通过信号调制模块完成音频采样频率到超声采样频率的升采样和单边带调制，产生定向扬声器输入信号。本发明采用多速率采样技术，使得预处理模块在较低的音频采样下进行操作，从而大大减小了系统复杂度。

Description

一种定向扬声器及其信号处理方法
技术领域
本发明涉及声场控制技术领域，特别涉及一种定向扬声器及其信号处理方法，可用于需要进行定向声传输的场合。
背景技术
定向扬声器是基于参量阵原理，将音频信号调制到超声载波上，通过非线性作用下的自解调过程，产生具有高度指向性的可听声。近年来声学界对该领域的深入研究源于以下几个应用背景：(1)在公共场所单独享受音乐；如：在一个使用电脑的办公区，采用声束扬声器，电脑员就可以不用配戴耳机听音乐，同时又不会影响其他同事的工作。(2)带声音提示的自动设备。一些如ATM提款机、投票站等自动设备，可以为使用者提供高度保密的语音提示。(3)对博物馆陈列展品解说；在陈列中，声音宣传是必不可少的手段，但由于陈列展品数目众多而且地方空间有限，如果使用普通的音箱，各个声音之间必然会相互干扰嘈杂，而采用定向扬声器播放声音能使各区互不干扰。
定向扬声器系统包括预处理模块和信号调制模块两部分。影响定向扬声器性能的一个重要问题是其存在非线性失真。有研究表明，当定向扬声器中超声换能器阵的输入信号包络平方与原始信号相同时，非线性失真将大大减小。预处理模块就是根据这一原理计算出原始信号对应的无失真信号，使其调制后的信号包络满足无失真要求。而信号调制模块用于把音频信号调制到超声载波上。目前定向扬声器系统中预处理模块和信号调制模块都是在同一采样频率下进行。为了使得超声载波满足采样定理，采样频率通常需要选择较高，这使得预处理模块中的操作需要较大的存储空间和计算复杂度，提高了系统实现的硬件成本。
发明内容
本发明目的在于，提供一种定向扬声器及其信号处理方法，以解决现有技术方案存在问题，在减小系统复杂度的同时减低数据存储空间。
为实现上述的发明目的之一，本发明提供了一种定向扬声器，包括：预处理模块和信号调制模块，其特征在于，
所述的预处理模块包括：无失真信号生成单元和逆滤波器；
所述的无失真信号生成单元，用于通过迭代算法生成与音频输入信号对应的无失真信号；
所述的逆滤波器，在超声采样频率下，测量超声换能器阵的频率响应，将超声换能器阵的频率响应折叠为在音频采样率下的频率响应，并根据音频采样率下的频率响应设计逆滤波器系数；上述的无失真信号再经由逆滤波器在音频采样频率下进行滤波输出；
所述的信号调制模块包括：插零升采样处理单元、带通滤波器和DA转换单元；
所述的插零升采样处理单元，用于对预处理模块输出的信号进行插零升采样处理；所述的升采样率由超声采样率和音频采样率的比值M决定；
所述的带通滤波器，用于对升采样后的信号进行单边带调制处理；所述的带通滤波器的带宽与输入音频信号带宽相同；对于下边带调制，其中心频率为超声载波频率减去音频信号带宽；对于上边带调制，其中心频率为超声载波频率加上音频信号带宽；
所述的DA转换单元，用于对带通滤波器滤波输出的信号进行DA转换后输出到功率放大器馈给超声换能器发射。
作为上述技术方案的一种改进，所述的无失真信号生成单元采用FIR滤波器或者IIR滤波器实现。
为实现上述的发明目的之一，一种定向扬声器的信号处理方法，该方法在音频采样频率下进行预处理，再通过信号调制模块完成音频采样频率到超声采样频率的升采样和单边带调制，产生定向扬声器输入信号。
作为上述技术方案的一种改进，所述的方法包括步骤：
预处理的步骤：
(1)输入端语音信号首先经由迭代计算，使输出的信号满足无失真条件；
(2)处理后的信号经由逆滤波器弥补换能器频率响应的影响；
信号调制的步骤：
(3)对预处理模块的输出数据进行插零升采样；
(4)升采样后信号经由带通滤波器滤波输出；
(5)滤波输出信号经由DA转换、功率放大器馈给超声换能器阵作为输入信号。
作为上述技术方案的一种改进，所述的步骤(1)中，假设原始语音信号为s(n)，通过无失真信号生成单元采用不动点迭代法得到无失真信号v(n)。
作为上述技术方案的一种改进，所述的步骤(2)包括：
(21)逆滤波器在超声采样频率下，测量超声换能器阵的频率响应H(f)，
(22)将超声换能器阵的频率响应H(f)折叠为在音频采样率下的频率响应：
H′(f)＝H(fa-f)0＜f＜fa/2，其中fa为音频采样率
(23)并根据音频采样率下的频率响应设计逆滤波器系数w(n)：
即根据逆滤波器的频率响应：
W(f)＝1/H′(f)e-1i*2πfΔ 0＜f＜fa
其中，Δ为固定延迟，通常取值为0.5；
采用滤波器设计技术得到在音频采样频率下的逆滤波器系数w(n)；
最终，无失真信号v(n)经由逆滤波器w(n)在较低的音频采样频率下进行滤波，得到预处理模块的输出信号x(n)。
作为上述技术方案的一种改进，所述的步骤(3)对预处理模块的输出信号x(n)进行补零插值升采样：
式中，x′(m)为输出后的高采样信号，m，n分别表示超声采用率和音频采样率下的采样点。
作为上述技术方案的一种改进，所述的步骤(4)通过带通滤波器把升采样后的信号x′(m)进行单边带调制处理后，输出信号d(m)；所述的带通滤波器的带宽与输入音频信号带宽相同；对于下边带调制，其中心频率为超声载波频率减去音频信号带宽；对于上边带调制，其中心频率为超声载波频率加上音频信号带宽。
本发明的优点在于，本发明的定向扬声器及其信号处理方法，采用多速率采样技术，使得预处理模块在较低的音频采样下进行操作，从而大大减小了系统复杂度。具有如下优点：
对于预处理模块通过离线方式完成的系统，无失真信号生成单元直接通过离线方式完成，生成数据存入媒质。信号调制模块实时完成。对于以往的无失真信号生成单元，其输出信号工作在超声采样频率。而本发明提出的无失真信号生成单元，其输出信号工作在音频采样频率。因此，本发明所需的数据存储量仅为以往方法的1/M；
对于预处理模块通过实时方式完成的系统，由于无失真信号生成单元工作在音频采样频率，所需希尔伯特变换和逆滤波器阶数仅为以往方法的1/M，因此大大减小了系统复杂度和硬件成本。
附图说明
图1是本发明的定向扬声器的一具体实施例的示意框图；
图2是本发明定向扬声器信号处理方法的一实施例中的原始信号频谱；
图3是本发明定向扬声器信号处理方法的一实施例中的无失真信号频谱；
图4是本发明定向扬声器信号处理方法的实施例中的超声换能器阵的频率响应；
图5是本发明的定向扬声器信号处理方法的一实施例中的折叠后对应的音频采样频率下的频率响应；
图6是本发明的定向扬声器信号处理方法的一实施例中的逆滤波器的频率响应；
图7是本发明的定向扬声器信号处理方法的一实施例中的预处理模块输出信号频谱；
图8是本发明的定向扬声器信号处理方法的一实施例中的预处理模块输出信号经由插零升采样后的频谱；
图9是本发明的定向扬声器信号处理方法的一实施例中的信号调制模块输出信号频谱；
图10是本发明的定向扬声器信号处理方法的一实施例中的在目标区域接收到信号频谱。
具体实施方式
为了更好地理解本发明的技术方案，以下结合附图对本发明的实施步骤做进一步的描述。
本发明的定向扬声器的信号处理方法，包括以下步骤：
1、预处理模块，用于减小定向扬声器非线性失真，在低的音频采样频率下完成；
2、信号调制模块，完成音频采样频率到超声采样频率转换和单边带调制，产生定向扬声器输入信号。
所述步骤1中的预处理模块具体包括如下的步骤：
11、通过不动点迭代法求解音频输入信号对应的无失真信号；
12、无失真信号再经由逆滤波器滤波输出；
所述步骤12中，逆滤波器系数获取具体包括以下步骤：
121、在超声采样频率下，测量超声换能器阵的频率响应；
122、将位于超声载波附近的频率响应折叠为在音频采样率下的频率响应；
123、根据音频采样率下的频率响应设计逆滤波器系数。
所述步骤2中的信号调制模块具体包括如下的步骤：
21、预处理模块输出信号进行插零升采样操作，升采样率由音频采样率和超声采样率关系决定；
22、升采样后的信号经由带通滤波器滤波，滤波输出信号经由DA转换、功率放大器馈给超声换能器发射。
所述步骤22中带通滤波器带宽与输入音频信号带宽相同；对于下边带调制，其中心频率为超声载波频率减去音频信号带宽；对于上边带调制，其中心频率为超声载波频率加上音频信号带宽。
本发明的总体实现是使得预处理模块和信号调制模块在不同采样频率下完成。预处理模块在较低的音频采样频率下进行，以减小系统所需存储量及算法复杂度。信号调制模块完成升采样和单边带调制。
以下将参考附图1对本发明的一实施例进行说明。在如下的具体实施例介绍中，原始语音的采样频率为40KHz，超声信号的采样频率为160kHz，采用下边带调制。假设原始语音信号为s(n)，工作在40KHZ频率下，采用不动点迭代法求解出无失真信号：
Figure BDA0000119179970000051
其中，hilbert(q(n))表示序列，q(n)的希尔伯特变换，可采用FIR滤波器或者IIR滤波器实现，m＝0.9为单边带调制系数，N＝20表示迭代次数。v(n)为得到的无失真信号，假设原始语音信号为1KHz和4KHz的两单频信号，频谱如图2所示，其对应的无失真信号v(n)的功率谱如图3所示。
在超声采样频率160KHZ下，测得超声换能器阵的在20KHz到40KHz频率响应为H(f)，如图4所示，折叠至音频采样频率为：
H′(f)＝H(40000-f)0＜f＜20000；
如图5所示，计算出逆滤波器的频率响应为：
W(f)＝1/H′(f)e-1i*2πfΔ 0＜f＜20000；
其中，Δ＝0.05为固定延迟，如图6所示。根据逆滤波器频率响应，采用滤波器设计技术得到在音频采样频率下的逆滤波器系数w(n)，可采用matlab函数invfreqz实现，逆滤波器为2000阶FIR滤波器。
把无失真信号v(n)经由逆滤波器w(n)滤波得到预处理模块输出信号x(n)，信号频谱如图7所示。
对预处理模块输出信号x(n)进行补零插值升采样
Figure BDA0000119179970000061
其频谱如图8所示。
把x′(m)经由中心频率位于40KHz带宽为20KHz的带通滤波器滤波输出，其中带通滤波器系数为256阶FIR滤波器，可采用如下Matlab程序获取：
p＝fir1(255，0.125)；
p＝real(p.*exp(1i*2*pi*3*(0：255)/16))；
滤波输出信号信号d(m)频谱如图9所示。
最后把d(m)经由DA转换、功率放大器馈给超声换能器阵发射。采用传声器在距离超声换能器阵5米处测量得到的音频信号频谱如图10所示，对比原始信号功率谱图2，可以发现原始信号被很好的重建出来了，其非线性失真2KHz和3KHz都得到了很好抑制。
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 (8)

1.一种定向扬声器，包括：预处理模块和信号调制模块，其特征在于，
所述的预处理模块包括：无失真信号生成单元和逆滤波器；
所述的无失真信号生成单元，用于通过迭代算法生成与音频输入信号对应的无失真信号；
所述的逆滤波器，在超声采样频率下，测量超声换能器阵的频率响应，将超声换能器阵的频率响应折叠为在音频采样率下的频率响应，并根据音频采样率下的频率响应设计逆滤波器系数；上述的无失真信号再经由逆滤波器在音频采样频率下进行滤波输出；
所述的信号调制模块包括：插零升采样处理单元、带通滤波器和DA转换单元；
所述的插零升采样处理单元，用于对预处理模块输出的信号进行插零升采样处理；所述的升采样率为超声采样率和音频采样率的比值M；
所述的带通滤波器，用于对升采样后的信号进行单边带调制处理；所述的带通滤波器的带宽与输入音频信号带宽相同；对于下边带调制，其中心频率为超声载波频率减去音频信号带宽；对于上边带调制，其中心频率为超声载波频率加上音频信号带宽；
所述的DA转换单元，用于对带通滤波器滤波输出的信号进行DA转换后输出到功率放大器馈给超声换能器发射。
2.根据权利要求1所述的定向扬声器，其特征在于，所述的无失真信号生成单元采用FIR滤波器或者IIR滤波器实现。
3.一种定向扬声器的信号处理方法，该方法在音频采样频率下进行预处理，再通过信号调制模块完成音频采样频率到超声采样频率的升采样和单边带调制，产生定向扬声器输入信号。
4.根据权利要求3所述的定向扬声器的信号处理方法，其特征在于，所述的方法包括步骤：
预处理的步骤：
(1)输入端语音信号首先经由迭代计算，使输出的信号满足无失真条件；
(2)处理后的信号经由逆滤波器弥补换能器频率响应的影响；
信号调制的步骤：
(3)对预处理模块的输出数据进行插零升采样；
(4)升采样后信号经由带通滤波器滤波输出；
(5)滤波输出信号经由DA转换、功率放大器馈给超声换能器阵作为输入信号。
5.根据权利要求4所述的定向扬声器的信号处理方法，其特征在于，所述的步骤(1)中，假设原始语音信号为s(n)，通过无失真信号生成单元采用不动点迭代法得到无失真信号v(n)。
6.根据权利要求5所述的定向扬声器的信号处理方法，其特征在于，所述的步骤(2)包括：
(21)逆滤波器在超声采样频率下，测量超声换能器阵的频率响应H(f)，
(22)将超声换能器阵的频率响应H(f)折叠为在音频采样率下的频率响应：H′(f)＝H(fa-f)0＜f＜fa/2，其中fa为音频采样率；
(23)并根据音频采样率下的频率响应设计逆滤波器系数w(n)：
即根据逆滤波器的频率响应：
W(f)＝1/H′(f)e-1i*2πfΔ 0＜f＜fa；
其中，Δ为固定延迟，通常取值为0.5；
采用滤波器设计技术得到在音频采样频率下的逆滤波器系数w(n)；
最终，无失真信号v(n)经由逆滤波器w(n)在较低的音频采样频率下进行滤波，得到预处理模块的输出信号x(n)。
7.根据权利要求6所述的定向扬声器的信号处理方法，其特征在于，所述的步骤(3)对预处理模块的输出信号x(n)进行补零插值升采样：
Figure FDA0000119179960000021
式中，x′(m)为输出后的高采样信号，m，n分别表示超声采用率和音频采样率下的采样点。
8.根据权利要求7所述的定向扬声器的信号处理方法，其特征在于，所述的步骤(4)通过带通滤波器把升采样后的信号x′(m)进行单边带调制处理后，输出信号d(m)；所述的带通滤波器的带宽与输入音频信号带宽相同；对于下边带调制，其中心频率为超声载波频率减去音频信号带宽；对于上边带调制，其中心频率为超声载波频率加上音频信号带宽。
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