CN103167380A

CN103167380A - 一种数字化超指向性扬声器系统

Info

Publication number: CN103167380A
Application number: CN2011104150019A
Authority: CN
Inventors: 马登永; 蔡野锋; 杨军
Original assignee: Institute of Acoustics CAS
Current assignee: Institute of Acoustics CAS
Priority date: 2011-12-13
Filing date: 2011-12-13
Publication date: 2013-06-19
Anticipated expiration: 2031-12-13
Also published as: CN103167380B

Abstract

本发明涉及一种基于多比特∑-Δ调制的全数字化超指向性扬声器系统。该系统包括：一音源、一数字输入接口、一载波调制器、一插值滤波器、一∑-Δ调制器、一温度计编码器、一动态失配整形器、一多通道数字功放和一超声换能器阵列。本发明实现了系统信号传输链路的全数字化，便于进行高度集成化设计，缩减了系统体积、功耗，降低系统制作复杂度和成本，提高了系统电声转换效率，具有极低的电磁辐射水平同时也具有较好的抗干扰能力，系统能够很好的降低解调声源信号的谐波失真水平，大幅度提升传送信息的可懂度及音质水平。本发明具有较好的声场控制能力，为语音的私密传输提供了一种较好的实现方式，同时能够更好的适合数字化网络化的发展需求。

Description

一种数字化超指向性扬声器系统

技术领域

本发明涉及一种数字化超指向性扬声器系统，特别涉及一种基于多比特∑-Δ调制的全数字化超指向性扬声器系统。

背景技术

超指向性扬声器是通过幅度或频率调制方式将音频可听声信号加载到超声载波的幅度或频率参量上，从而形成调制波信号；再依靠功放电路驱动超声换能器将这种调制波信号辐射到空气中，依靠超声波在空气中传播所产生的非线性自解调特性，产生超指向性的音频可听声。

美国专利(US20040114770A1、US006052336A、US7596229B2)公开了基于幅度调制的超指向性扬声器的基本信号处理算法和系统的实现过程。美国专利(US7146011B2)提出了基于零阶贝塞尔函数的加权方法，以合成出具有贝塞尔分布的声源，并通过延时控制方式实现超指向性声束的空间导向性。美国专利(US20050207590)提出了一种基于动态误差补偿和频率特性线性化的超指向性扬声器系统实现方法，以改善音频可听声的音质水平。美国专利(US20020146138A1、US20050220311A1)公开了基于多子带调制的超指向性扬声器系统的实现过程，将音频可听声频带分割成多个子频带，在每个子带上按照幅度或频率调制方式进行各自独立的载波调制，然后，将各子带上调制波通过其子带对应的换能器阵列辐射出来。

现有的这些关于超指向性扬声器系统的专利，都是针对超指向性扬声器系统在载波调制、通道频响均衡和波束导向性方面，按照常规的PCM编码方式实现相应的数字信号处理算法；然后，将处理后PCM编码信号直接或经过数模转换后送至基于PWM调制技术的class-D型数字功放进行调制信号的功率放大；最后，经过模拟低通LC滤波器，将PWM调制信号还原成模拟的调制波信号，以驱动超声换能器阵列进行声波辐射。目前，这种基于PCM编码的数字信号处理和基于PWM调制技术的功率放大过程，已经将超指向性扬声器系统的数字化进程推进到功放环节，但是在数字功放后级仍然需要借助体积较大、成本较高的高质量电感和电容进行模拟低通滤波操作来消除高频的PWM载波分量，从而解调出调制波信号。

由于在数字功放后级仍然存在着模拟低通LC滤波处理，使得最终的换能器负载仍处于模拟工作状态，系统整个信号传输链路中仍然存在着模拟信号成份，未能够实现整个系统的全数字化信号传输链路。而现有超指向性扬声器系统中所存在的模拟传输链路，会导致系统在功耗、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。

随着大规模集成电路和数字化技术的蓬勃发展，超指向性扬声器系统也迫切需要向低功耗、小外形、数字化与集成化的方向发展，这迫切要求将超指向性扬声器系统数字化的进程推进到换能器环节，从而将超声换能器阵列纳入到信号编码流程，实现换能器阵列的数字化，以便于整个系统完成全数字化的信号传输链路。

另外，现有超指向性扬声器系统在功放环节所采用的PWM编码调制方式本身存在着三个缺点：①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；②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200KHz～400KHz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。③现有的基于PWM调制的数字化超指向性扬声器系统，在空气所解调出的声源信号中具有十分丰富的谐波失真分量，造成声源信号的音质水平较差、传送信息的可懂度明显下降。另外，这种基于200KHz～400KHz采样频率的PWM调制方式，其本身也存在着较高频率的高次谐波分量，这些高次谐波分量会对其周围的其他电气设备产生电磁干扰影响。

针对PWM调制技术本身所存在的非线性失真和过采样速率较低的缺陷，并结合超指向性扬声器系统全数字化信号传输链路的发展需求，因此，需要寻找性能优异、实现简单的信号编码调制方式，以实现全数字化超指向性扬声器系统。

发明内容

本发明的目的是，克服现有PWM调制技术存在的非线性失真及过采样速率较低的缺陷，并满足超指向性扬声器系统全数字化信号传输链路的发展需求，提出了基于多比特∑-Δ调制的全数字化超指向性扬声器系统。

为了达到上述目的，本发明采取的技术方案如下：

一种全数字化超指向性扬声器系统，包括：

一音源，与所述数字输入接口的输入端连接，包含了用户所需要播放的声音信息；

一数字输入接口，与所述音源的输出端连接，用于将原始音源信号转换成位宽为N的高比特PCM编码格式的数字信号；

一载波调制器，与所述数字输入接口的输出端连接，用于将音源信号按照幅度或者频率调制方式加载到超声载波上，形成调制波信号；

一插值滤波器，与载波调制器的输出端连接，用于对输入的低采样率PCM编码信号按照过采样因数进行信号插值操作，同时通过低通滤波操作滤除插值处理后信号的周期性延拓的频谱成份；

一∑-Δ调制器，与所述插值滤波器的输出端连接，用于完成多比特∑-Δ编码调制和噪声整形处理，将原来字长为N的高比特PCM编码信号转换成位宽为M(M＜N)的低比特PCM编码信号，从而将调制波信号编码为M位的PCM码；

一温度计编码器，与所述∑-Δ调制器的输出端连接，用于将字长为M的低比特PCM编码信号转换成字长为2^M的温度计编码，从而将调制波信号又变换为字长为2^M的温度计编码；

一动态失配整形器，与所述温度计编码器的输出端连接，用于消除由阵元之间频响差异产生的高次谐波失真分量，经过动态失配整形器后，编码信号中存在的高次谐波失真分量得到了很大程度的消减抑制；

一多通道数字功放，与所述动态失配整形器的输出端连接，用于对动态失配整形处理后的温度计编码进行功率放大，从而达到驱动多路换能器负载的能力；

一超声换能器阵列，与所述多通道数字功放的输出端连接，用于实现电声转换，将调制波信号辐射到空气中。

在上述技术方案中，所述音源1，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。

在上述技术方案中，所述数字输入接口2，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，所述全数字化超指向性扬声器系统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，经过数字输入接口2处理后，原来的输入的模拟或者数字音源信号转换为字长为N的高比特PCM编码信号。

在上述技术方案中，所述载波调制器3，可以按照幅度调制方式，产生双边带或者单边带调幅波；也可以按照频率调制方式，产生全频带或者各子带的调频波，从而将音源信息加载到超声载波的幅度或者频率参量上，完成了音源信息的调制处理。

在上述技术方案中，所述∑-Δ调制器5，按照现有各种∑-Δ调制器的信号处理结构——像高阶单级(Higher-Order Single-Stage)调制器结构或者多级(Multi-Stage(Cascade，MASH))并行的调制器结构，对插值滤波器4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。

在上述技术方案中，所述∑-Δ调制器5，在硬件实现过程中，为了节约硬件资源，降低其实现代价，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(Canonical Signed Digit)编码表示。

在上述技术方案中，所述温度计编码器6，用于将字长为M的低比特PCM编码信号转换为对应于2^M个通道的数字功放和换能器负载的一元码信号，对应于各通道的一元码信号，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，通过温度计编码器6完成了对多通道换能器负载的编码分配，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。

在上述技术方案中，所述动态失配整形器7，通过采用现有各种方式的阵元选择算法——像DWA(Data-Weighted Averaging)、VFMS(Vector-Feedbackmismatch-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。

在上述技术方案中，所述多通道数字功放8，能够将动态失配整形器7送入的一元码开关信号放大为功率信号，从而达到驱动换能器负载的能力。

在上述技术方案中，所述超声换能器阵列9，将所有的换能器单元按照一定的分组方式，划分成2^M个分组，分别对应于2^M个数字功放电路；同时，需要将这2^M个分组与温度计编码的2^M个比特位相对应，每个分组内的所有换能器单元受温度计编码的一个相应比特位上的一元码信号来控制开通与关断，各分组的阵元仅获得了调制波信号的部分编码信息，因此，单纯依赖于单个分组辐射声场不足以还原出完整的调制波信息，整个调制波信息的完整还原，需要依赖于所有分组的阵元同时按照其分配的开关控制信号，进行联合的开通/关断操作才能够实现。由于多组阵元处于空间分离位置点处，各组阵元的空域辐射信息能够在阵列的对称轴线上取得最优的信息合成效果，使得对称轴线上能够得到最大的输出信噪比，而在偏离对称轴线越远的位置上，其空域合成信号的信噪比则越低。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。

在上述技术方案中，所述超声换能器阵列9，可以由相同频响性能的换能器单元组阵，也可以将音频频带划分成多个子带，按照各子带的频率范围选择适合的换能器单元实现各子带上的组阵；同时，可以根据换能器单元数量和实际应用需求，进行换能器单元的排列，组成适合于实际应用需求的阵列形状。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

A.实现了超指向性扬声器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，全数字化的超指向性扬声器系统，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网络化的发展要求。

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.本发明所采用的过采样及动态失配整形算法，对谐波失真分量进行了白化处理，将其功率均匀分散在MHz的带宽范围内，降低了谐波分量的电磁辐射强度，保证了系统具有较小的电磁辐射强度，避免了该系统对周围其他系统装置的干扰影响。

E.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。

F.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，使得各换能器单元都工作在开通或关断状态，这种交替开关工作的状态，有效地避免了换能器单元出现过载失真现象，从而延长了换能器的使用寿命；同时，采用开关工作方式的压电换能器，其电声转换效率更高，换能器的发热更少。

G.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。

H.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。

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，但是换能器单元的数字化仍旧是一个瓶颈问题。针对现有数字功放所采用的PWM调制技术本身存在非线性失真缺陷，并结合超指向性扬声器系统的换能器单元数字化发展需求，本发明公开了一种基于多比特∑-Δ调制的全数字化超指向性扬声器系统。该装置包括：一音源、一数字输入接口、一载波调制器、一插值滤波器、一∑-Δ调制器、一温度计编码器、一动态失配整形器、一多通道数字功放和一超声换能器阵列。本发明实现了系统信号传输链路的全数字化，便于进行高度集成化设计，缩减了系统体积、功耗和制作成本，提高了系统电声转换效率，并且具有较好的抗干扰能力，对元器件制作过程中产生的参数偏差具有很好的免疫力。本发明具有较好的声场控制能力，为语音的私密传输提供了一种较好的实现方式。

附图说明

图1表示本发明的全数字化超指向性扬声器系统各组成模块的示意图；

图2表示本发明一实施例的载波调制器所采用单边带调制方式的信号处理流程图；

图3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4表示本发明一实施例的温度计编码器的编码原理示意图；

图5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6表示本发明一实施例的8通道阵列布放示意图。

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输入接口，将音频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；然后利用数字载波调制技术，将字长为N的数字音源信号调制到超声载波信号上，形成携带音源信息的字长为N的调制波信号；然后再利用多比特∑-Δ调制技术将字长为N的高比特PCM编码信号转换成为字长为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字长为M的PCM编码信号转换为字长为2^M的温度计编码，形成分配到2^M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，将失配整形处理后携带着音源信息的调制波编码信号(一元码)送到相应通道的数字功放形成功率信号，驱动相应分组的换能器单元进行开通或关断操作，所有的换能器分组所辐射的空域声场进行叠加后在空间合成出原调制波信号，再依靠空气的非线性传播特性，对调制波信号进行自解调，还原出具有超指向特性的音源声束。

如图1所示，制作一个依据本发明的基于多比特∑-Δ调制的全数字化超指向性扬声器系统，其主体由音源1、数字输入接口2、载波调制器3、插值滤波器4、∑-Δ调制器5、温度计编码器6、动态失配整形器7、多通道数字功放8、以及超声换能器阵列9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。

数字输入接口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比特字长、44.1KHz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、44.1KHz的PCM编码信号，也通过I2S接口协议实时读入到FPGA芯片内。

载波调制器3，与所述数字输入接口2的输出端相连接，首先将44.1KHz的PCM信号通过内插滤波操作，升采样为100KHz采样率的PCM信号。然后在FPGA内部对16比特位宽、100KHz采样率的音源编码信号进行数字载波调制处理。如图2所示，首先将音源信号s(nT)10变换为1+ms(t)11，然后再与40KHz的超声载波信号12相乘，得到双边带调制波13，再通过通带为40KHz、阻带为41KHz、过渡带衰减20dB的低通滤波器14，滤掉双边带调制波的上调制边带，获得16比特字长、100KHz采样率的数字单边带调制波信号15。

插值滤波器4，与所述载波调制器3的输出端相连接，在FPGA芯片内部，将100KHz、16比特的PCM编码信号，按二级进行升采样插值处理，第一级插值因子为2，采样率升为200KHz，第二级插值因子为8，采样率升为1600KHz。在经过8倍插值处理后，原100KHz、16比特的PCM信号转换为1.6MHz、16比特的过采样PCM信号。

∑-Δ调制器5，与所述插值滤波器4的输出端相连接，将过采样的1.6MHz、16比特的PCM编码信号转换成为1.6MHz、3比特的∑-Δ调制信号。如图3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。假定调制器的过采样率因子为16，其拓扑结构的系数如表1所示。

表1(3比特∑-Δ调制器的系数值)

参数名	理想参数	CSD变换	CSD值
				a1、b1	0.2494	2^-2-2^-11-2^-13	0.2494
a2、b2	0.2564	2^-2+2^-7-2^-10	0.2568
				a3、b3	0.2844	2^-2+2^-8+2^-5	0.2852
a4、b4	0.3117	2^-2+2^-4-2^-10	0.3115
				a5、b5	0.4920	2^-1-2^-7-2^-12	0.4919
b6	1
				c1	0.1336	2^-3+2^-10+2^-7	0.1338
c2	0.2816	2^-2+2^-5+2^-12	0.2815
				c3	0.5288	2^-1+2^-5-2^-9	0.5293
c4	1.2997	2⁰+2^-2+2^-4	1.3125
				c5	3.6893	2²-2^-2-2^-4	3.6875
g1	0.0396	2^-5+2^-7+2^-11	0.0396
				g2	0.0241	2^-5-2^-7+2^-11	0.0239

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1.6MHz、3比特的∑-Δ调制信号按照温度计编码方式转换为1.6MHz、字长为8的一元码。如图4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4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5所示。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。

多通道数字功放8，与动态失配整形器7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100ns量级，能够无失真响应1.6MHz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。

超声换能器阵列9，与多通道数字功放8的输出端相连接。本实施例中，超声换能器单元采用MURATA公司生产的型号为MA40S4S的超声换能器，其中心频率在40KHz、带宽在6KHz。如图6所示，整个阵列由32个换能器单元紧密排列而成，每个阵元通道由4个换能器单元组成，总共有8个阵元通道，其阵列的长宽尺寸为：40mm×80mm。

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

1.一种基于多比特∑-Δ调制的全数字化超指向性扬声器系统，其特征在于，包括：

一音源(1)，用于提供用户所需要播放的声音信息；

一数字输入接口(2)，与所述音源(1)的输出端连接，将原始的音源信号转换成字长为N的高比特PCM编码格式的数字信号；

一载波调制器(3)，与所述数字输入接口(2)的输出端连接，用于将音源信号按照幅度或者频率调制方式加载到超声载波上，形成调制波信号；

一插值滤波器(4)，与载波调制器(3)的输出端连接，用于对输入的低采样率PCM编码信号按照过采样因数进行信号插值操作，同时，通过低通滤波操作滤除插值处理后信号的周期性延拓的频谱成份；

一∑-Δ调制器(5)，与所述插值滤波器(4)的输出端连接，用于完成多比特∑-Δ编码调制和噪声整形处理，将原来字长为N的高比特PCM编码信号转换成字长为M(M＜N)的低比特PCM编码信号；

一温度计编码器(6)，与所述∑-Δ调制器(5)的输出端连接，用于将字长为M的低比特PCM编码信号转换成字长为2^M的温度计编码；

一动态失配整形器(7)，与所述温度计编码器(6)的输出端连接，用于消除由阵元之间频响差异产生的高次谐波失真分量；

一多通道数字功放(8)，与所述动态失配整形器(7)的输出端连接，用于对动态失配整形处理后的温度计编码进行功率放大，达到驱动多路换能器负载的能力；

一超声换能器阵列(9)，与所述多通道数字功放(8)的输出端连接，用于实现电声转换，将调制波信号辐射到空气中。

2.根据权利要求1所述的全数字化超指向性扬声器系统，其特征在于，所述音源(1)为模拟信号或者数字编码信号。

3.根据权利要求1所述的全数字化超指向性扬声器系统，其特征在于，所述数字输入接口(2)，包含：模数转换器、USB、LAN和COM，与现有的数字接口格式相兼容，并将原始音源信号转换为字长为N的高比特PCM编码信号。

4.根据权利要求1所述的全数字化超指向性扬声器系统，其特征在于，所述载波调制器(3)按照幅度调制方式产生双边带或者单边带调幅波、或按照频率调制方式产生全频带或者各子带的调频波，并将音源信息加载到超声载波的幅度或者频率参量上，完成音源信息的调制处理。

5.根据权利要求1所述的全数字化超指向性扬声器系统，其特征在于，所述∑-Δ调制器(5)，按照∑-Δ调制器的信号处理结构对插值滤波器(4)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，保证系统具有足够高的带内信噪比。

6.根据权利要求5所述的全数字化超指向性扬声器系统，其特征在于，所述的∑-Δ调制器(5)的信号处理结构包括：高阶单级调制器结构、或者多级并行的调制器结构。

7.根据权利要求1所述的全数字化超指向性扬声器系统，其特征在于，所述∑-Δ调制器(5)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。

8.根据权利要求1所述的全数字化超指向性扬声器系统，其特征在于，所述温度计编码器(6)，用于将字长为M的低比特PCM编码信号转换为对应于2^M个通道的数字功放和换能器负载的一元码信号，完成对多通道换能器负载的编码分配和数字式开关控制。

9.根据权利要求1所述的全数字化超指向性扬声器系统，其特征在于，所述动态失配整形器(7)采用阵元选择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8所述的全数字化超指向性扬声器系统，其特征在于，所述多通道数字功放(8)，用于将动态失配整形器(7)送入的一元码开关信号放大为功率信号，达到驱动换能器负载的能力。

11.根据权利要求1所述的全数字化超指向性扬声器系统，其特征在于，所述超声换能器阵列(9)中的换能器单元按照一定的分组方式，划分成2^M个分组，分别对应于2^M个数字功放电路；同时，将这2^M个分组与温度计编码的2^M个比特位相对应，每个分组内的所有换能器单元受温度计编码的一个相应比特位上的一元码信号来控制开通与关断。

12.根据权利要求1所述的全数字化超指向性扬声器系统，其特征在于，所述超声换能器阵列(9)，为由相同频响性能的换能器单元组阵，或为将音频频带划分成多个子带，按照各子带的频率范围选择适合的换能器单元实现各子带上的组阵；

换能器单元组阵的排列为适合于实际应用需求的阵列形状。