CN104581589A - 基于三态编码的通道状态选取方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于三态编码的通道状态选取方法和装置。该方法包括：音源信号经调制处理生成(2L+1)个电平级的量化信号x，量化信号x经映射变换后生成控制信号p、m和z，控制信号p、m和z以及M通道反馈信号b经选择处理后输出M通道状态矢量信号y，状态矢量信号y经整形处理后生成M通道反馈信号b，状态矢量信号y经由多通道功放和换能器单元完成电声转换。该装置包括：一调制器模块、一映射模块、一选择模块、一整形模块、一多通道数字功放和扬声器阵列或多音圈扬声器单元模块，各部分依次连接。本发明能够有效降低硬件资源开销，节省硬件电力消耗，增强系统的稳定性，进一步提高输出信号幅度，提升转换效率，同时具有较高的信噪比输出能力。

Description

基于三态编码的通道状态选取方法和装置

技术领域

本发明涉及一种数字扬声器编码方法和装置，特别涉及一种基于三态编码的通道状态选取方法和装置。

背景技术

随着超大规模集成电路制造技术的迅速发展，电声产业的主导产品——扬声器系统的设计与制造逐渐向低功耗、微型化、便携式的方向发展。近些年来，随数字化浪潮带动下产生的半数字化扬声器系统，因其采用脉冲宽度调制(Pulse Width Modulation——PWM)D类功放驱动技术，成功解决了功耗和发热问题，大幅度提升了整个系统的电声转换效率。但是，半数字化扬声器系统的后级仍然需要依靠体积庞大的LC低通模拟滤波器，以滤除数字脉冲调制信号的带外高频分量，将被调制的低频包络信号解调出来，从而完成数模转换过程。为了消除模拟LC滤波器的限制，突破扬声器单元的数字化瓶颈，提高扬声器系统的集成化水平，实现扬声器系统所有信号处理与传输环节的全部数字化，需要将扬声器单元纳入到数字编码环节中，真正实现扬声器单元的数字化编码，形成数字化扬声器系统，从而最终由扬声器单元及人耳自身结构的低通滤波特性，完成数字编码量到模拟振动量的转换，将数模转换环节移至电声转换的物理阶段予以实现，从而消除了传统系统中所包含的数模转换器件，避免了数模转换器所引入的各种电噪声。围绕着扬声器单元的数字化这一核心问题，近年来国内外多家研究机构的学者们已经开展了关于数字化编码调制、数字化功率驱动和数字化扬声器单元制作技术的较为广泛而深入的理论和实践研究，从而形成了以数字化扬声器系统设计为研究方向的全新研究领域。

为了克服PWM编码引入的失真，保证数字扬声器的高保真重放效果，许多专家学者和工程师们开始研发基于1比特Δ-∑编码的数字化扬声器系统，期望通过Δ-∑调制所使用的过采样和噪声整形技术，将系统量化噪声功率推挤到带外高频区域，提升数字化系统的音质水平。这些基于1比特Δ-∑编码的数字扬声器系统，仅需要一个简单的低通滤波器即可完成数模转换，硬件实现简单；同时系统通过过采样和噪声整形技术能将期望音频带内噪声转移到高频区域，保证了高保真的还原音质。基于1比特Δ-∑调制的数字化系统，在具有上述诸多优点的同时本身也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。

为了解决1比特Δ-∑编码的数字化系统所存在的缺陷，许多学者又转向研究基于多比特Δ-∑编码的数字化系统。多比特Δ-∑调制技术在克服上述1比特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)频响之间的不一致性以及多个扬声器单元的空间位置分离程度具有较高的敏感度，容易因多个单元频响的不一致性或者空间位置的分离性而引入较大的编码误差。

为了克服多比特Δ-∑调制技术所具有的偏差敏感性缺陷，自1997年开始，日本法政大学的安田彰教授和Trigence Semiconductor的冈村淳一工程师一直合作研发基于多比特Δ-∑编码的数字化系统，他们提出了基于动态失配整形的系统偏差(频响和空间位置偏差)校正方法，并将系统所用的Δ-∑调制和动态失配技术合并称为“Dnote”技术；他们将“Dnote”技术的实现电路封装成IC芯片——“Dnote”芯片，利用“Dnote”样片制作了多款数字化扬声器系统样机——8元压电式线阵扬声器系统、7元压电式环形阵列系统和6音圈扬声器系统，并于2008年的数字音响视听会展出，这些系统无需功率放大器、LC滤波器，能够以1.5V的低电压驱动，并具有方向控制能力。

基于多比特Δ-∑调制的数字化系统所使用的动态失配整形器本质上是一个基于各种状态选择策略的多通道输出状态选择分配器。动态失配整形技术的核心思想是通过快速的平均选取使用每个通道，将系统因各通道偏差所引入的信号误差推向高频，从而提升可听声频带内的信噪比。常用的三种常见的动态失配整形策略为DWA(Data-Weighted Averaging)、VFMS(Vector-Feedbackmismatch-shaping)和TSMS(Tree-Structure mismatch shaping)，其中DWA选择策略的性能最差，其整形处理后的频谱在高频处仍会含有较明显的谐波成份，并且DWA只能实现一阶整形，TSMS和VFMS的整形效果要优于DWA的整形效果，并且TSMS和VFMS都可以实现二阶及二阶以上的整形，在同阶情况下VFMS的噪声抑制能力要优于TSMS。传统的动态失配整形器(专利CN101803401A、专利CN102684700A、专利CN102239706A、专利CN102647191A)都是针对二元状态编码所设计的，这些传统整形器仅能对包含“0”和“1”两种电平状态的二元编码信号进行整形处理，对包含“-1”、“0”、“1”三种电平状态的三态编码信号不能直接进行整形处理。与二态编码相比，三态编码的最大优点在于可以节省通道数量，降低资源占有量，进一步提高系统集成度。美国专利US2014169577中提出了一种三态驱动方法，但是该专利并没有阐述如何进行多通道的三态编码选取，因此无法避免多通道之间的偏差对系统信噪比劣化的影响。

传统的三态单元选择策略是将输入信号分为正数输入和非正数输入，然后对两种输入分别采用传统的基于二态单元的动态失配整形选择策略，此种策略可在继承原有设计的基础上做微小改动，结构简单，但是其整形后输出信号的信噪比较低，且随着频率变化而改变。这种传统三态选择策略虽然降低硬件实现的资源占有量，但是同时也牺牲了输出信噪比性能。美国专利US20120057727提出了一种利用通道平均和时间平均的策略去选择三态单元，但是这种策略存在两个缺陷：(1)此方法只给出了在输入信号趋近于0情况下的选择策略，并没有给出其它输入条件下的选择策略；(2)时间平均策略方法会破坏原有信号，容易引入谐波失真。

针对三态选择策略所存在的缺陷性，并结合低功耗、数字化与集成化发展需求，需要寻找性能优异、实现简单的三态选择方法，以实现性能优异的通道偏差整形效果。

发明内容

本发明的目的是克服现有数字扬声器系统中通道状态选择策略所存在的缺陷性，并结合低功耗、数字化与集成化发展需求，提出了一种基于三态编码的通道状态选取方法和装置。

为了达到上述目的，本发明采取的技术方案如下：

一种基于三态编码的通道状态选取方法，如图1所示，包括如下步骤：

1)音源信号经调制处理后生成(2L+1)个电平级的量化信号x；

2)量化信号x经映射变换后生成控制信号p、m和z；

3)控制信号p、m、z和M通道反馈信号b经选择处理后生成M通道状态矢量信号y；

4)状态矢量信号y经整形处理后生成M通道更新的反馈信号b；

5)状态矢量信号y经由三态编码的多声道功放放大后驱动扬声器阵列中的多个扬声器单元或多音圈扬声器中的多个音圈，由扬声器阵列或多音圈扬声器自动完成数模转换和低通滤波处理，从而将数字编码信号转换为模拟声场信号。

在上述技术方案中，进一步地，步骤1)中所述(2L+1)个电平级的量化信号x，量化信号x取值为[-L,L]区间范围内的任一整数，其中L为整数且L≥1。

在上述技术方案中，进一步地，步骤1)中所述调制处理的步骤如下：

a)将音源信号转化为采样率为f_s、位宽为N的PCM编码信号；

b)将采样率为f_s、位宽为N的PCM编码信号通过升采样的插值低通滤波器处理，产生采样率为f_o、位宽仍为N的过采样的PCM编码信号，其中f_o＝O_sr×f_s，O_sr为过采样因子；

c)将过采样的PCM编码信号，经多比特△-∑调制处理后生成采样率仍为f_o、量化电平等级数为(2L+1)的PCM编码信号x，其中量化电平等级的数量满足条件：(2L+1)<2^N。多比特△-∑调制处理是按照各种多比特△-∑调制器的设计方法——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——进行调制器结构和参数设计，实现对插值滤波器输出的过采样信号进行噪声整形处理，将噪声能量推挤到可听频带之外的区域，保证了调制后信号在可听声频带内具有有足够高的信噪比。

在上述技术方案中，进一步地，步骤2)中所述控制信号p、m和z满足条件：p+m+z＝M,M≥L，其中p代表通道编码状态为“1”的通道数量，m代表通道编码状态为“-1”的通道数量，z代表通道编码状态为“0”的通道数量。

在上述技术方案中，进一步地，步骤2)中所述映射变换的处理如下：

当量化信号x≥0时，控制信号p、m和z的取值如下：p＝x+floor((M-x)/2)，m＝M-p-z,z＝(M-x)％2；当量化信号x<0时，控制信号p、m和z的取值如下：p＝M-m-z，m＝-x+floor((M+x)/2)，z＝(M+x)％2。其中floor代表取最接近的最小整数，％代表取余数。

在上述技术方案中，进一步地，步骤3)中所述选择处理后生成M通道状态矢量信号y的表达式如下：

y＝[y₁,y₂,L,y_M]，

其中第i个通道的状态信号为y_i,i∈{1,2,L,M}，y_i的状态取值从“-1”、“0”、“1”三个状态值中选取且满足

在上述技术方案中，进一步地，步骤3)中所述选择处理的步骤如下：

a)设定M通道的反馈信号矢量为b＝[b₁,b₂,L,b_M]，其中b_i代表第i个通道被选择的权重系数，对反馈信号矢量b按照从大到小的顺序进行排序，生成排序后的反馈信号矢量

b)如图2所示，根据各通道权重系数所处的位次，将排序后的反馈信号矢量的前面p个较大值元素所对应通道的输出状态置为“1”，将后面m个较小值元素所对应通道的输出状态置为“-1”，将中间z个剩余元素所对应通道的输出状态置为“0”；

c)将经选择处理后所有通道所设置的输出状态按照从1到M的顺序排列生成M通道状态矢量信号y。

在上述技术方案中，进一步地，步骤4)中所述整形处理为多通道滤波处理，各通道所使用滤波器的传递函数均为其中H(z)是指阶数大于1的高通滤波器的传递函数。

在上述技术方案中，进一步地，步骤2)所述映射变换、步骤3)所述选择处理和步骤4)所述整形处理，这三个步骤联合完成了基于三态编码的整形处理，通过对调制器模块的输出信号进行失配整形操作，降低了后级通道之间因频响偏差所引起的输出信噪比劣化效应。基于本发明所提出的通道状态选取方法，由通道偏差所引入的合成信号的非线性失真分量，得到了白化处理，将其特定频点处的谐频功率散布到整个频带内从而转化为噪声成分，消除了谐波分量引入的合成信号非线性失真。

基于三态编码的整形处理是针对三电平状态编码信号所设计的，能够节约算法硬件资源，节省硬件电力消耗。三态编码的整形处理是根据以往记录的各通道参与工作的次数性能来裁定当前时刻应该选择哪些通道参与到声信号还原工作中。三态编码的整形处理能够对参与信号还原工作的通道进行优化组合，保证合成声信号的总谐波失真最小。三态编码的整形处理是按照合成声信号总谐波失真最小的准则对通道进行状态切换控制，保证各通道按照几率均等的原则参与合成声信号工作，每个通道都是在自身响应最佳的状态下参与合成声信号工作，从而保证了合成声信号的性能。基于三态编码的整形处理通过尽量平均使用每一个通道，相当于对合成声信号的总谐波成份进行白化处理，将这些谐波功率打散在整个声频带内，同时通过尽量快速使用每个单元，将白化后以噪声推向高频，提高了带内信噪比，提高了合成声信号性能。

在上述技术方案中，进一步地，步骤5)中所述三态编码，是指通道在任意时刻的输出状态仅在“1”、“0”、“-1”这三种状态之间进行切换。当通道输出状态为“1”时，扬声器负载端线上的输入电压为V_c，当通道输出状态为“-1”时，扬声器负载端线上的输入电压为-V_c，当通道输出状态为“0”时，扬声器负载端线上的输入电压为0，其中V_c是指功放的供电电源电压值。通过基于三态编码的多通道输出状态选取完成了对多通道扬声器负载的编码分配，实现了对扬声器阵列的各阵元或者多音圈扬声器的各音圈的数字化编码和数字化驱动。

本发明还提供一种基于三态编码的通道状态选取装置，如图3所示，其特征在于，包括：

一调制器模块，对音源信号进行调制编码，生成采样率为f_o、量化电平级为2L+1的PCM编码信号x；

一映射模块，与所述调制器模块的输出端相连接,生成控制信号p、m和z；

一选择模块，与所述映射模块的输出端相连接，同时也与整形模块的输入端和输出端相连接，生成M通道状态矢量信号y；

一整形模块，与所述选择模块的输入端和输出端相连接，生成M通道反馈信号b；

一多通道数字功放和扬声器阵列或多音圈扬声器单元模块，与所述选择模块的输出端相连，通过多通道数字功放完成对选择模块所输出M通道状态矢量信号y的功率放大，用于驱动扬声器阵列中的多个扬声器单元或多音圈扬声器中的多个音圈，由扬声器阵列或多音圈扬声器自动完成数模转换和低通滤波处理，从而将数字编码信号转换为模拟声场信号。

在上述技术方案中，所述调制器模块，如图4所示，是由格式转化器模块、插值滤波器模块和多比特△-∑调制器模块这三个模块组成。格式转化器模块对音源信号进行编码格式转换，将音源信号转换为采样率为f_s、位宽为N的PCM编码信号。插值滤波器模块对格式转化器模块的输出信号进行升采样插值低通滤波处理，生成采样率为f_o、位宽仍为N的过采样的PCM编码信号，其中f_o＝O_sr×f_s，O_sr为过采样因子。多比特△-∑调制器模块对插值滤波器模块的输出信号进行多比特△-∑调制处理生成采样率仍为f_o、量化电平级为(2L+1)的PCM编码信号x。

插值滤波器模块，如图5所示，包含至少1级以上FIR过采样插值滤波器和1级CIC过采样插值滤波器，FIR过采样插值滤波器用于较小过采样率的插值处理，CIC过采样插值滤波器用于大过采样率的插值处理。第一级采用FIR过采样插值滤波器，最后一级采用CIC过采样插值滤波器。

在上述技术方案中，所述映射模块按照离线计算控制信号和在线计算控制信号可以划分为离线和在线两种实现方式。离线实现方式的处理速度快，但是需要占用ROM资源；在线实现方式占用的硬件资源少，但是处理速度比离线方式稍慢。

所述映射模块的一种优选的实现方式——离线实现方式的具体流程如下：

在离线实现方式下，如图6所示，所述映射模块由只读储存器ROM1模块、只读储存器ROM2模块和只读储存器ROM3模块组成，控制信号p、m和z的数值可以通过离线程序预先计算并预先填写到只读储存器ROM1模块、只读储存器ROM2模块和只读储存器ROM3模块中。储存器ROM1模块存储控制信号p，地址索引为映射模块的输入信号x；储存器ROM2模块存储控制信号m，地址索引为映射模块的输入信号x；储存器ROM3模块存储控制信号z，地址索引为映射模块的输入信号x。

只读储存器ROM1模块、只读储存器ROM2模块和只读储存器ROM3模块中的存储内容由下列公式计算获得：

当x≥0时，p＝x+floor((M-x)/2)，m＝M-p-z，z＝(M-x)％2；

当x<0时，p＝M-m-z，m＝-x+floor((M+x)/2)，z＝(M+x)％2。

所述映射模块的一种优选的实现方式——在线实现方式的具体流程如下：

在在线实现方式下，如图7所示，所述映射模块由取符号模块、取绝对值模块、减法A1模块、取末位模块、移位模块、加法模块、减法A2模块、选择器C1模块和选择器C2模块组成。

取符号模块输出映射模块输入信号x的符号位；

取绝对值模块输出映射模块输入信号x的幅值；

减法A1模块将通道常数M减去取绝对值模块的输出，将差值输出；

取末位模块获取减法A1模块输出二进制编码信号的末位码，作为输出控制信号z；

移位模块对减法A1模块的输出进行右移一位，并输出移位后信号；

加法模块对取绝对值模块的输出和移位模块的输出相加，并输出相加信号；

减法A2模块将通道常数M减去取末位模块的输出，再减去加法模块的输出；

选择器C1模块的第一路输入信号为加法模块的输出，第二路输入信号为减法A2模块的输出，第三路输入信号为取符号模块的输出，选择器C1模块的输出为控制信号p；

选择器C2模块的第一路输入信号为减法A2模块的输出，第二路输入信号为加法模块的输出，第三路输入信号为取符号模块的输出，选择器C2模块的输出为控制信号m。

在上述技术方案中，所述选择模块如图8所示，由排序模块、正选择模块、负选择模块、加法模块组成。其中：

排序模块是对选择模块的输入反馈信号b按照从大到小的顺序进行排序并输出。

正选择模块将排序模块输出矢量的前面p个较大值元素所对应通道的输出状态置为“1”，将输出矢量剩余元素所对应通道的输出状态置为“0”，将所有通道所设置的输出状态按照从1到M的顺序排列生成M通道状态矢量信号并输出。

负选择模块将排序模块输出矢量的后面m个较小值元素所对应通道的输出状态置为“-1”，将输出矢量剩余元素所对应通道的输出状态置为“0”，将所有通道所设置的输出状态按照从1到M的顺序排列生成M通道状态矢量信号并输出；

加法模块将正选择模块和负选择模块的通道状态矢量信号相加并输出y。

在上述技术方案中，所述整形模块如图9所示，由减法模块、滤波处理模块、最小值搜索模块、加法模块组成。

减法模块将整形模块的多通道输入信号矢量y减去整形模块的多通道输出反馈信号矢量b，并将减法处理后的多通道信号矢量输出；

滤波处理模块将减法模块的输出信号矢量进行多通道滤波处理后输出，各通道所使用滤波器的传递函数均为H(z)-1，其中H(z)为阶数大于1的高通滤波器的传递函数。

最小值搜索模块接收滤波处理模块处理后的信号，并通过多次比较处理搜索出这些通道上所传送数据的最小值，并将最小值的负数输出；

加法模块将最小值搜索模块的输出与滤波处理模块的输出进行相加并输出，加法模块的输出为反馈控制信号b。

在上述技术方案中，所述多通道数字功放和扬声器阵列或多音圈扬声器单元模块,由具有三态驱动能力的多通道数字功放和换能器单元模块组成。

具有三态驱动能力的多通道数字功放接收选择模块输出的M通道状态矢量信号y并进行多通道功率放大处理，将各通道所送出的状态信号“-1”、“0”和“1”放大形成带有驱动能力的功率信号-V_c、0和V_c。

换能器单元模块接收具有三态驱动能力的多通道数字功放的输出信号并驱动扬声器阵列中的多个扬声器单元或多音圈扬声器中的多个音圈，由扬声器阵列或多音圈扬声器自动完成数模转换和低通滤波处理，从而将数字编码信号转换为模拟声场信号。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

A.本发明所采用的是三态编码，包含“-1”、“0”和“1”三种电平格式，在同等输入条件下，与仅包含“0”和“1”两种电平状态的传统二态编码相比，三态编码方式可以减少一半的通道数量，从而有效节约算法占用的硬件资源，降低硬件资源开销，节省硬件电力消耗，具有很好的节约电能特点，特别适合便携式消费类电子产品，能够明显提高锂电池供电产品的电池续航能力。

B.本发明所采用的基于三态编码的通道状态选取策略，在同等通道数的条件下，相比于传统的基于二态编码的通道状态选取策略，本发明所提出方法能够有效提高前端输入信号的调制深度，增强系统的稳定性，进一步提高输出信号幅度，提升转换效率。

C.本发明所采用的基于三态编码的通道状态选取策略,对合成信号的总谐波成份进行了白化处理，将这些谐波功率打散在整个声频带内，并通过整形手段将噪声推向高频,提高带内信噪比，同时也减少了单元分配器装置的谐波干扰水平，降低了系统的电磁辐射水平，减少了电磁辐射所带来的对其他周围电子产品的干扰性。相比于传统的基于三态编码的通道状态选取策略，本发明所提出方法能够对多通道的三态编码进行有效的优化组合，保证合成信号的总谐波失真最小，同时能够明显提高系统的谐波和噪声衰减抑制能力，提升系统信噪比水平。

附图说明

图1表示本发明提出的基于三态编码的通道状态选取方法的信号流程图；

图2表示本发明所提出方法中针对排序后的反馈信号矢量b％的通道状态选取示意图；

图3表示本发明提出的基于三态编码的通道状态选取装置的实现框图；

图4表示本发明提出的基于三态编码的通道状态选取方法中调制器模块的信号处理流程图；

图5表示本发明提出的基于三态编码的通道状态选取方法中插值滤波器的信号处理流程图；

图6表示本发明提出的基于三态编码的通道状态选取方法中映射模块的离线实现方式结构示意图；

图7表示本发明提出的基于三态编码的通道状态选取方法中映射模块的在线实现方式结构示意图；

图8表示本发明提出的基于三态编码的通道状态选取方法中选择模块的结构图；

图9表示本发明提出的基于三态编码的通道状态选取方法中整形模块的结构图；

图10给出了本发明提出的基于三态编码的通道状态选取方法中调制器模块所使用多比特△-∑调制器的结构图；

图11给出了本发明提出的基于三态编码的通道状态选取方法中具有三态驱动能力的多通道数字功放的驱动示意图；

图12给出了本发明所提出的基于三态编码的通道状态选取方法与传统的基于VFMS改进算法的通道状态选取方法的单通道输出信噪比随输入信号频率和幅度变化的对应关系曲线，(a)输出信噪比随输入信号频率变化的曲线图，(b)输出信噪比随归一化的输入信号幅度变化的曲线图，其中输入信号频率为5KHz；

图13给出了所提出的基于三态编码的通道状态选取方法与传统的基于VFMS改进算法的通道状态选取方法的单通道输出信号频谱图，其中输入频率为1KHz。

具体实施方式

以下结合具体实施例对本发明做进一步详细说明。应理解，这些实施例是用于说明本发明的基本原理、主要特征和优点，而本发明不受以下实施例的范围限制。实施例中采用的实施条件可以根据具体要求做进一步调整，未注明的实施条件通常为常规实验中的条件。

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：

本发明所提出的一种基于三态编码的通道状态选取方法和装置，通过使用本发明提出的通道状态选取方法，有效降低了算法硬件资源占有量，增强了系统稳定性，提高了谐波和噪声抑制能力，同时也提高了输出信号最大幅度和转化效率。

制作一个依据本发明的一种基于三态编码的通道状态选取装置，其主体由调制器模块、映射模块、选择模块、整形模块和多通道数字功放和扬声器阵列或多音圈扬声器单元模块组成。

1)调制器模块包含格式转化器模块、插值滤波器模块和多比特△-∑调制器模块，其中格式转化器模块将音源信号转换为16比特、48KHz的PCM编码信号输出；插值滤波器模块按2级FIR插值滤波器和1级CIC插值滤波器共3级滤波将格式转化器输出的16比特、48KHz的PCM编码信号转变为16比特、3.072MHz(48KHz x 64)的PCM编码信号输出，第一级采用128阶FIR插值滤波器，过采样插值因子为2，第二级采用32阶FIR插值滤波器，过采样插值因子为2，第三级采用CIC插值滤波器，过采样因子为16；多比特△-∑调制器模块将插值滤波器输出的16比特、3.072MHz的PCM编码信号转化为17等级、3.072MHz的PCM编码信号x输出，如图10所示，△-∑调制器采用的是7阶CIFB(Cascaded Integrators withDistributed Feedback)的拓扑结构,其系数如表1所示。表1表示本发明提出的基于三态编码的通道状态选取方法中调制器模块所使用的多比特△-∑调制器的参数名与相应参数值。

表1

2)映射模块将调制器模块输出的信号x转化成为控制信号z、p和m输出。x与z、p、m之间的关系如下，其中通道数M为8：

当x≥0时，p＝x+floor((M-x)/2)，m＝M-p-z，z＝(M-x)％2；

当x<0时，p＝M-m-z，m＝-x+floor((M+x)/2)，z＝(M+x)％2，

映射模块实现方式主要有两种，当速度为首要考虑因素时，其实现结构如图6所示,只读储存器ROM1、ROM2和ROM3中的存储内容与输入信号x之间关系如表2所示。当资源占有率为首要考虑因素时，其实现结构如图7所示。

表2表示当通道数为8时，只读储存器ROM1模块、只读储存器ROM2模块和只读储存器ROM3模块中的存储内容。

表2

x	z	p	m
				8	0	8	0

7	1	7	0
				6	0	7	1
5	1	6	1
				4	0	6	2
3	1	5	2
				2	0	5	3
1	1	4	3
				0	0	4	4
-1	1	3	4
				-2	0	3	5
-3	1	2	5
				-4	0	2	6
-5	1	1	6
				-6	0	1	7
-7	1	0	7
				-8	0	0	8

3)选择模块结构如图8所示，主要包括：排序模块、正选择模块、负选择模块和加法模块。假设信号x为5，则z、p和m分别为1、6、1，同时假设b值为[10，6，7，5，4，8，9，2]，则经过排序模块，其按从大到小的顺序下标为[1，5，4，6，7，3，2，8]，正选择模块根据从大到小的顺序下标和控制信号p，对b中前p个最大的数对应的通道置1，其它通道置0，则输出为[1，1，1，1，0，1，1，0]，负选择模块根据从大到小的顺序下标和控制信号m，对b中后m个最小的数对应的通道置-1，其它通道置0，则输出为[0，0，0，0，0，0，0，-1]，加法模块对正选择模块和负选择模块输出相加，其输出信号y为[1，1，1，1，0，1，1，-1]。

4)整形模块结构如图9所示，主要包括：减法模块、滤波处理模块、最小值搜索模块、加法模块。滤波器的传递函数为H(z)-1，其中H(z)采用二阶滤波器结构，其表达式为(1-z^-1)²。

5)多通道数字功放和扬声器阵列或多音圈扬声器单元模块主要包括具有三态驱动能力的多通道数字功放和换能器单元模块组成，其具有三态驱动能力的多通道数字功放如图11所示。

实施例1：

在本实施例中，表3(a)给出了本发明所提出基于三态编码的通道状态选取方法在8通道时输出与输入的关系，同时表3(b)也给出了传统的基于VFMS改进算法的通道状态选取方法的输出与输入的关系。传统的基于VFMS改进算法的通道状态选取方法的通道选择策略为：(1)对M通道反馈信号b＝[b₁,b₂,L,b_M]进行推序；(2)当x≥0时，将反馈信号b最大的前x个元素对应的通道置“1”，其它剩余元素所对应通道置“0”；(3)当x<0时，将反馈信号b最小的后-x个元素对应的通道置“-1”，其它剩余元素所对应通道置“0”；(4)将所有通道的输出信号按照从1到M的顺序排列组成M通道输出信号y。假设反馈信号b的取值为[10，6，7，5，4，8，9，2]，从表3中可以看出相比于传统的基于VFMS改进算法的通道状态选取方法，本发明所提出的基于三态编码的通道状态选取方法在相同的时间内会使用更多的通道，“0”编码状态出现的次数大大减少，同时在同一时间内可以同时出现“-1”或“1”两种编码状态，因此可以更加快速平均的使用每一个输出通道，从而将噪声推向高频，提高带内信噪比。

表3表示本发明实施例1中，当通道数为8，反馈信号b值为[10,6,7,5,4,8,9,2]时，本发明提出的基于三态编码的通道状态选取方法和传统的基于VFMS改进算法的通道状态选取方法的输出状态矢量y与输入信号x之间的关系。

表3

(a)

(b)

实施例2：

在本实施例中，给出了本发明所提出的基于三态编码的通道状态选取方法与传统的基于VFMS改进算法的通道状态选取方法的单通道信噪比随输入信号频率和幅度变化的对应关系，如图12所示，同时也给出了输入信号为1KHz时，输入信号幅度为归一化幅度-6dB时两种方法所产生的单通道信号整形后的频谱图，如图13所示。从图12(a)中可以看出，传统的基于VFMS改进算法的通道状态选取方法的单通道信噪比随输入信号频率增加而增加，但在所有频点上，其信噪比水平都低于本发明所提出的基于三态编码的通道状态选取方法的信噪比，同样从图13的频谱图曲线上也可以看出本发明所提出的基于三态编码的通道状态选取方法，其噪声整形和衰减能力要优于传统的基于VFMS改进算法的通道状态选取方法。从图12(a)也可以看出本发明所提出方法的输出信噪比基本不随频率变化，是一个恒定值。从图12(b)中可以看出，传统的基于VFMS改进算法的通道状态选取方法的输出信噪比并不与输入信号幅度成线性变化关系，而本发明所提出方法的输出信噪比与输入信号幅度成线性变化关系，本发明所提出方法在输入信号幅度过大时，信噪比出现下降是因为整形处理发生了饱和作用，不过区域十分狭小，且信噪比降幅较小。

本发明还提供一种基于三态编码的通道状态选取装置，如图3所示，其特征在于，包括：

一调制器模块，对音源信号进行调制编码，生成采样率为f_o、量化电平级为2L+1的PCM编码信号x；

一映射模块，与所述调制器模块的输出端相连接,生成控制信号p、m和z；

一选择模块，与所述映射模块的输出端相连接，同时也与整形模块的输入端和输出端相连接，生成M通道状态矢量信号y；

一整形模块，与所述选择模块的输入端和输出端相连接，生成M通道反馈信号b；

一多通道数字功放和扬声器阵列或多音圈扬声器单元模块，与所述选择模块的输出端相连，通过多通道数字功放完成对选择模块所输出M通道状态矢量信号y的功率放大，用于驱动扬声器阵列中的多个扬声器单元或多音圈扬声器中的多个音圈，由扬声器阵列或多音圈扬声器自动完成数模转换和低通滤波处理，从而将数字编码信号转换为模拟声场信号。

在上述技术方案中，所述调制器模块，如图4所示，是由格式转化器模块、插值滤波器模块和多比特△-∑调制器模块这三个模块组成。格式转化器模块对音源信号进行编码格式转换，将音源信号转换为采样率为f_s、位宽为N的PCM编码信号。插值滤波器模块对格式转化器模块的输出信号进行升采样插值低通滤波处理，生成采样率为f_o、位宽仍为N的过采样的PCM编码信号，其中f_o＝O_sr×f_s，O_sr为过采样因子。多比特△-∑调制器模块对插值滤波器模块的输出信号进行多比特△-∑调制处理生成采样率仍为f_o、量化电平级为(2L+1)的PCM编码信号x。

插值滤波器模块，如图5所示，包含至少1级以上FIR过采样插值滤波器和1级CIC过采样插值滤波器，FIR过采样插值滤波器用于较小过采样率的插值处理，CIC过采样插值滤波器用于大过采样率的插值处理。第一级采用FIR过采样插值滤波器，最后一级采用CIC过采样插值滤波器。

在上述技术方案中，所述映射模块按照离线计算控制信号和在线计算控制信号可以划分为离线和在线两种实现方式。离线实现方式的处理速度快，但是需要占用ROM资源；在线实现方式占用的硬件资源少，但是处理速度比离线方式稍慢。

所述映射模块的一种优选的实现方式——离线实现方式的具体流程如下：

在离线实现方式下，如图6所示，所述映射模块由只读储存器ROM1模块、只读储存器ROM2模块和只读储存器ROM3模块组成，控制信号p、m和z的数值可以通过离线程序预先计算并预先填写到只读储存器ROM1模块、只读储存器ROM2模块和只读储存器ROM3模块中。储存器ROM1模块存储控制信号p，地址索引为映射模块的输入信号x；储存器ROM2模块存储控制信号m，地址索引为映射模块的输入信号x；储存器ROM3模块存储控制信号z，地址索引为映射模块的输入信号x。

只读储存器ROM1模块、只读储存器ROM2模块和只读储存器ROM3模块中的存储内容由下列公式计算获得：

当x≥0时，p＝x+floor((M-x)/2)，m＝M-p-z，z＝(M-x)％2；

当x<0时，p＝M-m-z，m＝-x+floor((M+x)/2)，z＝(M+x)％2。

所述映射模块的一种优选的实现方式——在线实现方式的具体流程如下：

在在线实现方式下，如图7所示，所述映射模块由取符号模块、取绝对值模块、减法A1模块、取末位模块、移位模块、加法模块、减法A2模块、选择器C1模块和选择器C2模块组成。

取符号模块输出映射模块输入信号x的符号位；

取绝对值模块输出映射模块输入信号x的幅值；

减法A1模块将通道常数M减去取绝对值模块的输出，将差值输出；

取末位模块获取减法A1模块输出二进制编码信号的末位码，作为输出控制信号z；

移位模块对减法A1模块的输出进行右移一位，并输出移位后信号；

加法模块对取绝对值模块的输出和移位模块的输出相加，并输出相加信号；

减法A2模块将通道常数M减去取末位模块的输出，再减去加法模块的输出；

选择器C1模块的第一路输入信号为加法模块的输出，第二路输入信号为减法A2模块的输出，第三路输入信号为取符号模块的输出，选择器C1模块的输出为控制信号p；

选择器C2模块的第一路输入信号为减法A2模块的输出，第二路输入信号为加法模块的输出，第三路输入信号为取符号模块的输出，选择器C2模块的输出为控制信号m。

在上述技术方案中，所述选择模块如图8所示，由排序模块、正选择模块、负选择模块、加法模块组成。其中：

排序模块是对选择模块的输入反馈信号b按照从大到小的顺序进行排序并输出。

正选择模块将排序模块输出矢量的前面p个较大值元素所对应通道的输出状态置为“1”，将输出矢量剩余元素所对应通道的输出状态置为“0”，将所有通道所设置的输出状态按照从1到M的顺序排列生成M通道状态矢量信号并输出。

负选择模块将排序模块输出矢量的后面m个较小值元素所对应通道的输出状态置为“-1”，将输出矢量剩余元素所对应通道的输出状态置为“0”，将所有通道所设置的输出状态按照从1到M的顺序排列生成M通道状态矢量信号并输出；

加法模块将正选择模块和负选择模块的通道状态矢量信号相加并输出y。

在上述技术方案中，所述整形模块如图9所示，由减法模块、滤波处理模块、最小值搜索模块、加法模块组成。

减法模块将整形模块的多通道输入信号矢量y减去整形模块的多通道输出反馈信号矢量b，并将减法处理后的多通道信号矢量输出；

滤波处理模块将减法模块的输出信号矢量进行多通道滤波处理后输出，各通道所使用滤波器的传递函数均为H(z)-1，其中H(z)为阶数大于1的高通滤波器的传递函数。

最小值搜索模块接收滤波处理模块处理后的信号，并通过多次比较处理搜索出这些通道上所传送数据的最小值，并将最小值的负数输出；

加法模块将最小值搜索模块的输出与滤波处理模块的输出进行相加并输出，加法模块的输出为反馈控制信号b。

在上述技术方案中，所述多通道数字功放和扬声器阵列或多音圈扬声器单元模块,由具有三态驱动能力的多通道数字功放和换能器单元模块组成。

具有三态驱动能力的多通道数字功放接收选择模块输出的M通道状态矢量信号y并进行多通道功率放大处理，将各通道所送出的状态信号“-1”、“0”和“1”放大形成带有驱动能力的功率信号-V_c、0和V_c。

换能器单元模块接收具有三态驱动能力的多通道数字功放的输出信号并驱动扬声器阵列中的多个扬声器单元或多音圈扬声器中的多个音圈，由扬声器阵列或多音圈扬声器自动完成数模转换和低通滤波处理，从而将数字编码信号转换为模拟声场信号。

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)

1.一种基于三态编码的通道状态选取方法，包括如下步骤：

1)音源信号经调制处理后生成(2L+1)个电平级的量化信号x；

2)量化信号x经映射变换后生成控制信号p、m和z；

3)控制信号p、m、z和M通道反馈信号b经选择处理后生成M通道状态矢量信号y；

4)状态矢量信号y经整形处理后生成M通道的反馈信号b；

5)状态矢量信号y经由三态编码的多声道功放放大后驱动扬声器阵列中的多个扬声器单元或多音圈扬声器中的多个音圈，由扬声器阵列或多音圈扬声器自动完成数模转换和低通滤波处理，将数字编码信号转换为模拟声场信号。

2.根据权利要求1所述一种基于三态编码的通道状态选取方法，其特征在于，所述步骤1)中所述(2L+1)个电平级的量化信号x，所述的量化信号x的取值为区间[-L,L]范围内的任一整数，其中L为整数且L≥1。

3.根据权利要求1所述一种基于三态编码的通道状态选取方法，其特征在于，所述步骤1)中所述调制处理的步骤如下：

a)将音源信号转化为采样率为f_s、位宽为N的PCM编码信号；

b)将采样率为f_s、位宽为N的PCM编码信号通过升采样的插值低通滤波器处理，产生采样率为f_o、位宽为N的过采样的PCM编码信号，其中f_o＝O_sr×f_s，O_sr为过采样因子；

c)将过采样的PCM编码信号，经多比特△-∑调制处理后生成采样率为f_o、量化电平等级数为(2L+1)的PCM编码信号x，所述的量化电平等级的数量(2L+1)<2^N，所述的多比特△-∑调制处理是按照各种多比特△-∑调制器的设计方法进行调制器结构和参数设计，实现对插值滤波器输出的过采样信号进行噪声整形处理，将噪声能量推挤到可听频带之外的区域，保证调制后信号在可听声频带内具有有足够高的信噪比。

4.根据权利要求1所述一种基于三态编码的通道状态选取方法，其特征在于，所述步骤2)中所述控制信号p、m和z满足条件：p+m+z＝M,M≥L，其中p代表通道编码状态为“1”的通道数量，m代表通道编码状态为“-1”的通道数量，z代表通道编码状态为“0”的通道数量。

5.根据权利要求1所述一种基于三态编码的通道状态选取方法，其特征在于，所述步骤2)中所述映射变换的处理如下：

当量化信号x≥0时，控制信号p、m和z的取值为：p＝x+floor((M-x)/2)，m＝M-p-z，z＝(M-x)％2；当量化信号x<0时，控制信号p、m和z为：p＝M-m-z，m＝-x+floor((M+x)/2)，z＝(M+x)％2，其中floor代表取最接近的最小整数，％代表取余数。

6.根据权利要求1所述一种基于三态编码的通道状态选取方法，其特征在于，所述步骤3)中所述选择处理后生成M通道状态矢量信号y的表达式如下：y＝[y₁,y₂,…,y_M]，

其中第i个通道的状态信号为y_i,i∈{1,2,…,M}，y_i的状态取值从“-1”、“0”、“1”三个状态值中选取且满足

7.根据权利要求1所述一种基于三态编码的通道状态选取方法，其特征在于，所述步骤3)中所述选择处理的步骤如下：

a)设定M通道的反馈信号矢量为b＝[b₁,b₂,…,b_M]，其中bi代表第i个通道被选择的权重系数，对反馈信号矢量b按照从大到小的顺序进行排序，生成排序后的反馈信号矢量

b)根据各通道权重系数所处的位次，将排序后的反馈信号矢量的前面p个较大值元素所对应通道的输出状态置为“1”，将后面m个较小值元素所对应通道的输出状态置为“-1”，将中间z个剩余元素所对应通道的输出状态置为“0”；

c)将经选择处理后所有通道所设置的输出状态按照从1到M的顺序排列生成M通道状态矢量信号y。

8.根据权利要求1所述一种基于三态编码的通道状态选取方法，其特征在于，所述步骤4)中所述整形处理为多通道滤波处理，各通道所使用滤波器的传递函数均为其中H(z)是指阶数大于1的高通滤波器的传递函数。

9.根据权利要求1所述一种基于三态编码的通道状态选取方法，其特征在于，所述步骤5)中所述三态编码，是指通道在任意时刻的输出状态仅在“1”、“0”、“-1”这三种状态之间进行切换，当通道输出状态为“1”时，扬声器负载端线上的输入电压为V_c，当通道输出状态为“-1”时，扬声器负载端线上的输入电压为-V_c，当通道输出状态为“0”时，扬声器负载端线上的输入电压为0，其中V_c是指功放的供电电源电压值，通过基于三态编码的多通道输出状态选取完成了对多通道扬声器负载的编码分配，实现了对扬声器阵列的各阵元或者多音圈扬声器的各音圈的数字化编码和数字化驱动。

10.一种基于三态编码的通道状态选取装置，其特征在于，包括：

一调制器模块，对音源信号进行调制编码，生成采样率为f_o、量化电平级为2L+1的PCM编码信号x；

一映射模块，与所述调制器模块的输出端相连接,生成控制信号p、m和z；

一选择模块，与所述映射模块的输出端相连接，同时也与整形模块的输入端和输出端相连接，生成M通道状态矢量信号y；

一整形模块，与所述选择模块的输入端和输出端相连接，生成M通道反馈信号b；

一多通道数字功放和扬声器阵列或多音圈扬声器单元模块，与所述选择模块的输出端相连，通过多通道数字功放完成对选择模块所输出M通道状态矢量信号y的功率放大，用于驱动扬声器阵列中的多个扬声器单元或多音圈扬声器中的多个音圈，由扬声器阵列或多音圈扬声器自动完成数模转换和低通滤波处理，从而将数字编码信号转换为模拟声场信号。

11.根据权利要求10所述的一种基于三态编码的通道状态选取装置，其特征在于，所述调制器模块，是由格式转化器模块、插值滤波器模块和多比特△-∑调制器模块这三个模块组成，

格式转化器模块对音源信号进行编码格式转换，将音源信号转换为采样率为f_s、位宽为N的PCM编码信号，

插值滤波器模块对格式转化器模块的输出信号进行升采样插值低通滤波处理，生成采样率为f_o、位宽为N的过采样的PCM编码信号，其中f_o＝O_sr×f_s，O_sr为过采样因子，

多比特△-∑调制器模块对插值滤波器模块的输出信号进行多比特△-∑调制处理生成采样率为f_o、量化电平级为(2L+1)的PCM编码信号x。

12.根据权利要求10所述的一种基于三态编码的通道状态选取装置，其特征在于，所述映射模块的离线实现方式的流程如下：

在离线实现方式下，所述映射模块由只读储存器ROM1模块、只读储存器ROM2模块和只读储存器ROM3模块组成，控制信号p、m和z的数值通过离线程序预先计算并预先填写到只读储存器ROM1模块、只读储存器ROM2模块和只读储存器ROM3模块中。储存器ROM1模块存储控制信号p，地址索引为映射模块的输入信号x；储存器ROM2模块存储控制信号m，地址索引为映射模块的输入信号x；储存器ROM3模块存储控制信号z，地址索引为映射模块的输入信号x，

只读储存器ROM1模块、只读储存器ROM2模块和只读储存器ROM3模块中的存储内容由下列公式计算获得：

当x≥0时，p＝x+floor((M-x)/2)，m＝M-p-z，z＝(M-x)％2；

当x<0时，p＝M-m-z，m＝-x+floor((M+x)/2)，z＝(M+x)％2。

13.根据权利要求10所述的一种基于三态编码的通道状态选取装置，其特征在于，所述映射模块的在线实现方式的流程如下：

在线实现方式下，所述映射模块由取符号模块、取绝对值模块、减法A1模块、取末位模块、移位模块、加法模块、减法A2模块、选择器C1模块和选择器C2模块组成，

取符号模块输出映射模块输入信号x的符号位；

取绝对值模块输出映射模块输入信号x的幅值；

减法A1模块将通道常数M减去取绝对值模块的输出，将差值输出；

取末位模块获取减法A1模块输出二进制编码信号的末位码，作为输出控制信号z；

移位模块对减法A1模块的输出进行右移一位，并输出移位后信号；

加法模块对取绝对值模块的输出和移位模块的输出相加，并输出相加信号；

减法A2模块将通道常数M减去取末位模块的输出，再减去加法模块的输出；

选择器C1模块的第一路输入信号为加法模块的输出，第二路输入信号为减法A2模块的输出，第三路输入信号为取符号模块的输出，选择器C1模块的输出为控制信号p；

选择器C2模块的第一路输入信号为减法A2模块的输出，第二路输入信号为加法模块的输出，第三路输入信号为取符号模块的输出，选择器C2模块的输出为控制信号m。

14.根据权利要求10所述的一种基于三态编码的通道状态选取装置，其特征在于，所述选择模块由排序模块、正选择模块、负选择模块、加法模块组成，其中：

排序模块是对选择模块的输入反馈信号b按照从大到小的顺序进行排序并输出；

正选择模块将排序模块输出矢量的前面p个较大值元素所对应通道的输出状态置为“1”，将输出矢量剩余元素所对应通道的输出状态置为“0”，将所有通道所设置的输出状态按照从1到M的顺序排列生成M通道状态矢量信号并输出；

负选择模块将排序模块输出矢量的后面m个较小值元素所对应通道的输出状态置为“-1”，将输出矢量剩余元素所对应通道的输出状态置为“0”，将所有通道所设置的输出状态按照从1到M的顺序排列生成M通道状态矢量信号并输出；

加法模块将正选择模块和负选择模块的通道状态矢量信号相加并输出y。

15.根据权利要求10所述的一种基于三态编码的通道状态选取装置，其特征在于，所述整形模块由减法模块、滤波处理模块、最小值搜索模块、加法模块组成，

减法模块将整形模块的多通道输入信号矢量y减去整形模块的多通道输出反馈信号矢量b，并将减法处理后的多通道信号矢量输出；

滤波处理模块将减法模块的输出信号矢量进行多通道滤波处理后输出，各通道所使用滤波器的传递函数均为H(z)-1，其中H(z)为阶数大于1的高通滤波器的传递函数；

最小值搜索模块接收滤波处理模块处理后的信号，并通过多次比较处理搜索出这些通道上所传送数据的最小值，并将最小值的负数输出；

加法模块将最小值搜索模块的输出与滤波处理模块的输出进行相加并输出，加法模块的输出为反馈控制信号b。

16.根据权利要求10所述的一种基于三态编码的通道状态选取装置，其特征在于，所述多通道数字功放和扬声器阵列或多音圈扬声器单元模块,由具有三态驱动能力的多通道数字功放和换能器单元模块组成；

具有三态驱动能力的多通道数字功放接收选择模块输出的M通道状态矢量信号y并进行多通道功率放大处理，将各通道所送出的状态信号“-1”、“0”和“1”放大形成带有驱动能力的功率信号-V_c、0和V_c；

换能器单元模块接收具有三态驱动能力的多通道数字功放的输出信号并驱动扬声器阵列中的多个扬声器单元或多音圈扬声器中的多个音圈，由扬声器阵列或多音圈扬声器自动完成数模转换和低通滤波处理，从而将数字编码信号转换为模拟声场信号。