CN104837092A - 用于电声通信设备的回声消除方法和总成 - Google Patents

Abstract

一种用于电声通信设备的反馈消除总成可包括：信号传输路径，其用于通过电动式扬声器产生并且发射输出声音信号至外部环境；和信号接受路径，其包括麦克风，所述麦克风用于产生对应于从所述外部环境接收的声音的麦克风输入信号。所述信号接受路径可产生数字麦克风信号。所述输出声音信号可声耦合至所述麦克风。电子反馈消除路径可耦合在分接节点与求和节点之间以产生反馈消除信号至所述求和节点。

Description

用于电声通信设备的回声消除方法和总成

技术领域

本发明涉及一种用于电声通信设备的反馈消除总成。所述反馈消除总成包括：信号传输路径，其通过电动式扬声器产生并且发射输出声音信号至外部环境；和信号接受路径，其包括麦克风，所述麦克风用于产生对应于从外部环境接收的声音的麦克风输入信号。信号接受路径在音频信号接受路径的求和节点上产生对应于麦克风输入信号的数字麦克风信号。输出声音信号经由具有不变或时变传递函数的外部反馈路径声耦合至麦克风。所述反馈消除总成的电子反馈消除路径耦合在信号传输路径的分接节点与音频信号接受路径的求和节点之间以产生反馈消除信号至求和节点。电子反馈消除路径包括非线性数字扬声器模型，其包括多个扬声器参数，包括导出自电动式扬声器的音圈电流和/或音圈电压的至少一个非线性扬声器参数。至少一个非线性扬声器参数由至少一个非线性扬声器参数与预定扬声器变量之间的非线性函数表示。电子反馈消除路径包括自适应数字滤波器，其与非线性数字扬声器模型串联耦合且被配置来至少对外部反馈路径的不变或时变传递函数进行建模。

背景技术

本发明涉及一种反馈或回声消除总成和方法，其可用于改进一系列电声通信设备中的反馈消除性能。反馈或回声消除总成可用于便携式通信装置(诸如智能电话、膝上型计算机、平板电脑或其它类型的支持音频的便携式计算装置)中。反馈或回声消除总成也可一体化在机动车辆(诸如汽车，即汽车应用)的电声通信设备中。在后一种情况下，电声通信设备可形成具有内置免提扬声器功能的车载音乐娱乐和通信系统的部分。反馈或回声消除总成通过确定相反相位反馈消除信号并且将其添加至电声通信设备的信号接受路径的求和节点而经由电声通信设备的扬声器与麦克风之间的外部反馈路径抑制声耦合。

在现有技术反馈或回声消除系统和方法中，反馈消除信号已通常由电子反馈消除路径的线性自适应数字滤波器产生。线性自适应数字滤波器对外部声反馈路径的固定和不变或时变频率响应特性进行建模或追踪并且产生相反的相位反馈消除信号。虽然适当配置的线性自适应数字滤波器本身可能够因外部声反馈路径通常表现为大体上线性而能够对所述外部声反馈路径的特性进行准确建模，但是线性自适应数字滤波器无法对在信号的所要运行范围内表现为非线性的电声通信设备的反馈或回声消除总成的电、声或电声分量准确建模。缺乏对电声通信设备的电、声或电声分量准确建模的能力导致不准确的反馈消除信号，因此劣化反馈消除总成的性能。劣化反馈消除性能可能导致重现声音的各种非预期伪音，诸如电声通信设备的回声或不稳定。

因此，需要一种改进的反馈或回声消除总成和方法，其能够对电声通信设备的反馈消除总成的电、声或电声分量的非线性表现准确建模。能够至少对反馈或回声消除总成(诸如扬声器)的主导非线性分量进行建模的改进的反馈或回声消除总成会特别有利。扬声器，尤其是电动式扬声器通常甚至在其公称声压输出范围内的高声压水平下是高度非线性的装置。因此，扬声器因此通常将构成反馈或回声消除总成的主导非线性分量。

本发明凭借电子反馈消除路径提供改进的反馈或回声消除总成，所述电子反馈消除路径包括非线性数字扬声器模型，所述非线性数字扬声器模型能够对扬声器的非线性表现准确建模，导致反馈消除性能的显著改进。非线性数字扬声器模型包括导出自扬声器的音圈电流和/或音圈电压的至少一个非线性扬声器参数。至少一个非线性扬声器参数由至少一个非线性扬声器参数(例如，B*l乘积)与预定扬声器变量(诸如振膜偏位)之间的非线性函数表示。技术人员将了解，非线性数字扬声器模型可包括由各自非线性函数表示的几个非线性扬声器参数以将其准确度改进至任意所要性能水平。

进一步有利地提供一种非线性数字扬声器模型，其可在无需在制造本反馈或回声消除总成期间对每个个别扬声器的非线性扬声器参数的表现进行耗时及耗成本的个别特征化的情况下校准。还需要使实施非线性数字扬声器模型的(多个)非线性函数的数字信号处理器的计算资源开支量最小化。

发明内容

本发明的第一方面涉及一种用于电声通信设备的反馈消除总成。反馈消除总成包括信号传输路径，其用于通过电动式扬声器产生和发射输出声音信号至外部环境。反馈消除总成包括信号接受路径，其包括麦克风，所述麦克风用于产生对应于从外部环境接收的声音的麦克风输入信号及在音频信号接受路径的求和节点上产生相应的数字麦克风信号。输出声音信号经由具有不变或时变传递函数的外部反馈路径声耦合至麦克风。反馈消除总成的电子反馈消除路径耦合在信号传输路径的分接节点与信号接受路径的求和节点之间以产生反馈消除信号至求和节点。电子反馈消除路径包括非线性数字扬声器模型，其包括多个扬声器参数，包括导出自电动式扬声器的音圈电流和/或音圈电压的至少一个非线性扬声器参数。至少一个非线性扬声器参数由至少一个非线性扬声器参数与预定扬声器变量之间的非线性函数表示。反馈消除总成的自适应数字滤波器与非线性数字扬声器模型串联耦合且被配置来至少对外部反馈路径的不变或时变传递函数进行建模。

本反馈消除总成可用于各种应用(诸如汽车或扩音装置应用)中的一系列电声通信设备中。反馈或回声消除总成可一体化在便携式通信装置(诸如智能电话、移动电话或支持音频的平板电脑)中。反馈或回声消除总成可一体化在机动车辆(诸如汽车，即汽车应用)的电声通信设备中。

本反馈消除总成凭借能够对电动式扬声器的非线性表现准确建模的电子反馈消除路径的非线性数字扬声器模型提供改进的反馈或回声消除。这种非线性建模能力导致回声消除性能的显著改进，因为电子反馈消除路径对来自信号传输路径的分接节点且穿过电动式扬声器和外部反馈路径回到麦克风的信号特性的信号特性更准确地建模。反馈消除信号优选地在信号接受路径的求和节点上从数字麦克风信号中减去以在求和节点的输出上产生反馈补偿的麦克风信号。反馈补偿的麦克风信号是数字信号，其可传输至电声通信设备的话音/语音输入通道。

技术人员将了解，非线性数字扬声器模型可包括由各自非线性函数表示的两个或更多个非线性扬声器参数以将其模型准确度改进至任意所要性能水平。通过各自非线性函数表示大量多个扬声器参数将大致改进非线性数字扬声器模型中的扬声器参数的计算值的准确度且因此改进回声消除的准确度。但是，这种改进的准确度可能以增大的计算负载为代价达成。因此，非线性扬声器参数的数量可有利地根据特定应用相关性能要求定制。在优选的实施方案中，非线性数字扬声器模型包括电动式扬声器的非线性状态空间模型。技术人员将了解，至少一个非线性函数可形成电动式扬声器的非线性状态空间模型的组成部分或可在应用于扬声器的非线性状态空间模型之前，通过单独的预处理块或步骤计算。在第一实施方案中，非线性函数可表达为非线性状态空间模型的非线性方程。在第二实施方案中，非线性函数可在单独的预处理块或步骤中应用于扬声器参数值以及预定扬声器变量(例如振膜位移或音圈电流)的相应值。在后一种情况下，非线性数字扬声器模型被配置来计算至少一个非线性扬声器参数的至少一个非线性补偿值。如下文参考附图更详细说明，这种非线性补偿的参数值随后可输入至电动式扬声器的线性状态空间模型。后一个实施方案减小与非线性状态空间模型的计算相关的计算负载。

外部反馈路径的传递函数可依据其中一体化反馈消除总成的特定类型的电声通信设备显著地变化。外部反馈路径可包括声传递函数或振动传递函数或两者的组合。在反馈消除总成一体化在便携式通信装置(诸如智能电话、平板电脑和其它类型的支持音频的便携式计算装置)中的情况下，传递函数通常因外部环境的时变声音(例如来自用户的头部和身体的反射)而将是时变的。在反馈消除总成一体化在耳机或听力仪器中的情况下，情况是相同的。自适应数字滤波器对外部反馈路径的这种时变性质进行建模及追踪。在其它类型的设备中，外部反馈路径的传递函数可能大体上固定但事先未知。在这种情况下，自适应数字滤波器能够对外部反馈路径的传递函数进行识别及建模并且抑制从扬声器行进至麦克风的反馈声音或振动信号。

多个扬声器参数优选地包括选自一组{力因子(B*l)、悬吊系统柔度或刚度、音圈电阻、总机械阻尼、总移动质量、音圈电感}的一个或更多个扬声器参数。此外，至少一个扬声器参数优选地是自适应的以允许非线性数字扬声器模型对相关扬声器参数的值的缓慢地时变变动进行追踪或建模。扬声器参数值的这种缓慢地时变变动通常由变化的环境条件和/或扬声器中的机制诸如材料老化和/或扬声器的声负载的变化(例如，外壳泄漏)导致。为了确定或计算(多个)自适应扬声器参数，非线性数字扬声器模型优选地包括线性自适应数字扬声器模型。线性自适应数字扬声器模型可包括二阶或更高阶的自适应IIR滤波器，其包括多个可调适模型参数，从中导出自适应扬声器参数的参数值。自适应IIR滤波器对跨预定音频范围(例如，10Hz与10kHz之间)的扬声器的随时间变化及频率相关阻抗进行建模或追踪。如下文参考附图更详细说明，探测到的音圈电流和探测到的音圈电压优选地分别由数字音圈电流信号和数字音圈电压表示。为了协助线性自适应数字扬声器模型的适当调适，除一个或更多个可调适或自由模型参数外，后者优选地包括至少一个固定扬声器参数，诸如扬声器的总移动质量。

在反馈消除总成的一个实施方案中，非线性函数表示至少一个非线性扬声器参数与预定扬声器变量之间的电动式扬声器的个别测量的非线性函数。个别测量的非线性函数可在反馈消除总成安装在电声通信设备中时进行出厂校准期间测量或确定。非线性函数因此可由个别校准测量确定，其揭示反馈消除总成的特定电动式扬声器中扬声器参数的非线性表现。非线性函数过程的这种个别测量可以高准确度提供非线性数字扬声器模型。但是，个别校准测量对于特定类型的批量生产及成本敏感的电声通信设备而言可能是复杂且耗时的。

根据反馈消除总成的若干替代实施方案，非线性函数表示至少一个非线性扬声器参数与从有关多个代表性电动式扬声器的非线性测量确定的预定扬声器变量之间的平均非线性关系。这可包括5个与50个之间的与反馈消除总成中所利用的相同型号的代表性电动式扬声器。本发明者已了解至少一个扬声器参数与预定扬声器变量之间的非线性关系是针对特定扬声器型号的相对准确界定及不时变关系。但是，这通常是多个扬声器参数的各自线性参数值的随时间和温度的显著变化且通常是相同参数值的大的样本间变化。

表示至少一个非线性扬声器参数与预定扬声器变量之间的平均非线性关系的非线性函数的使用允许相同非线性函数在并入相同扬声器型号的多个反馈消除总成中使用。因此，免除对每个总成的扬声器的非线性函数的复杂和耗时的个别测量的需要。

平均非线性函数可通过不同的方法确定。在一个实施方案中，确定上述5个至50个相同型号的代表性电动式扬声器的每一个的非线性函数。随后在适当的计算机化分析工具(例如，MATLAB)中通过如下文参考图更详细描述，对预定扬声器变量的每个值的所有测量到的非线性扬声器参数值求简单平均数或加权平均数而确定平均非线性函数。在另一个实施方案中，平均非线性函数被确定为预定扬声器变量的每个值的所有测量到的非线性扬声器参数值的中值。在又一个实施方案中，平均非线性函数可由从代表性扬声器的集合中挑选的单个但典型的扬声器的非线性函数表示。集合可包括介于5个至50个之间的代表性电动式扬声器，针对其确定各自非线性函数且可手动或通过适当算法识别单个典型扬声器。下文伴随图7的描述更详细描述可如何针对表示代表性扬声器的集合的力因子对振膜位移的具体非线性函数确定平均非线性函数。

鉴于电动式扬声器的大量复杂的非线性，各种扬声器变量可被选择作为非线性函数或每个非线性函数的预定扬声器变量。自然地，预定扬声器变量优选地是极大贡献相关扬声器参数的非线性表现的变量。因此，预定扬声器变量优选地包括振膜偏位或位移，使得预定非线性函数表示电动式扬声器的偏位相关非线性表现，因为振膜位移通常极大贡献不同扬声器参数的非线性表现，尤其是诸如力因子(B*l或Bl乘积)、总机械柔度或刚度、音圈电感等的参数。

替代地或此外，预定扬声器变量可包括音圈电流，因此至这个变量的是特定扬声器参数(诸如力因子)的显著非线性源。

根据另一个实施方案，多个扬声器参数包括振膜的总机械柔度或刚度且预定非线性函数表示测量到的总机械柔度或刚度的偏位相关性以在电动式扬声器的非线性状态空间模型中提供非线性补偿的振膜悬吊系统柔度或刚度。技术人员应了解，多个扬声器参数可包括由表示其各自测量到的偏位相关性的各自非线性函数表示的力因子和总机械柔度或刚度。

反馈消除总成的信号传输路径可包括数字模拟转换器和输出放大器，其被配置来在分接接点处从音频信号施加电动式扬声器的音圈电流和电压；和/或信号接受路径可包括第一A/D(模拟数字)转换器，其被配置来对麦克风输入信号进行取样和数字化以产生数字麦克风信号。反馈消除总成可包括第二A/D转换器，其被配置来对音圈电压和/或音圈电流进行取样和数字化。因此，技术人员应了解，分接节点上的麦克风输入信号、音圈电压、音圈电流、反馈消除信号和音频信号可由数字信号表示，例如按适当取样频率或速率和分辨率以二进制格式编码的取样信号。数字信号可具有相同的取样频率或不同的取样频率。每个数字信号的取样频率可介于16kHz与96kHz之间，诸如，32、44.1或48kHz等。这些数字信号的每一个的分辨率可介于16位与32位之间。

输出放大器可包括切换型或D类放大器，诸如脉冲密度调制(PDM)或脉宽调制(PWM)输出放大器，两者都具有高功率转换频率。这是用于电池供电设备中特别有利的特征。在替代例中，输出放大器可包括如A类或AB类的传统非切换功率放大器拓扑。音圈电压的探测可通过经由产生数字音圈信号的第二A/D转换器的直接测量或通过间接确定(其中音圈信号从至信号传输路径的已知水平的音频输入信号(例如，数字表示的)和输出放大器的已知DC供应电压确定或估计)实现。

至信号传输路径的音频输入信号，在如上文讨论的本发明的一些实施方案中，可提供为数字音频输入信号及在其它实施方案中可提供为在接受之后取样和数字化的模拟音频输入信号。根据本发明的有利实施方案，分接节点上音频信号的取样频率在应用至非线性数字扬声器模型之前被减小至较低取样频率。取样频率可例如减小达2与8之间的整数倍。减小的取样频率减小由非线性数字扬声器模型引致的计算负载以减小信号处理器的功率消耗。技术人员将了解，反馈消除总成的非线性数字扬声器模型和其它信号处理函数可通过信号处理器实施。信号处理器可包括专用数字硬件或软件可编程微处理器核心或DSP核心。在后一种情况下，非线性数字扬声器模型和其它信号处理函数可通过在微处理器核心或DSP核心上执行的多组可执行程序指令或例行程序实施。在本发明的一些实施方案中，信号处理器可形成电声通信设备的应用程序处理器的组成部分，而在本发明的其它实施方案中，信号处理器可为总成的专用微处理器或DSP。

本发明的第二方面涉及一种抑制电声通信设备的扬声器与扬声器的麦克风之间的反馈信号的方法。方法包括以下步骤：

a)通过信号传输路径施加音频信号至扬声器以发射声音信号至外部环境，

b)通过扬声器与麦克风之间的电声通信设备的外部反馈路径传输所发射的声音信号以在麦克风上产生经滤波的声音信号，

c)在麦克风上接收经滤波的声音信号并且在信号接受路径中产生相应的数字麦克风信号，

d)将来自信号传输路径的音频信号分接，

e)确定扬声器的音圈电流和音圈电压之一，

f)通过非线性数字扬声器模型对分接的音频信号进行滤波，所述非线性数字扬声器模型包括多个扬声器参数，包括导出自音圈电流和/或音圈电压的至少一个非线性扬声器参数，

其中至少一个非线性扬声器参数由至少一个非线性扬声器参数与预定扬声器变量之间的非线性函数表示以产生估计扬声器声压的第一反馈补偿信号，

g)通过至少对外部反馈路径的不变或时变传递函数进行建模的自适应数字滤波器对第一反馈补偿信号进行滤波以产生第二反馈补偿信号，

h)减去第二反馈补偿信号和数字麦克风信号以产生反馈补偿的麦克风信号，

i)在信号接受路径中处理反馈补偿的麦克风信号。

所述方法可包括以下额外步骤：

j)基于扬声器的音圈电流和/或音圈电压随时间调适多个扬声器参数的至少一个扬声器参数的值。

至少一个非线性扬声器参数选自一组{力因子(B*l)、悬吊系统柔度或刚度、音圈电阻、总机械阻尼、总移动质量、音圈电感}。

如上所述，非线性函数可表示至少一个非线性扬声器参数与从有关优选地相同型号的多个代表性电动式扬声器或其集合的测量确定的预定扬声器变量之间的平均非线性函数。

平均非线性函数的确定可包括以下步骤：

a1)施加测试信号至多个代表性扬声器的每个扬声器，其中测试信号被配置来跨扬声器变量的预定范围激发至少一个非线性扬声器参数与预定扬声器变量之间的特定关系，

b1)跨多个代表性扬声器的每个扬声器的扬声器变量的预定范围记录至少一个非线性扬声器参数的多个参数值，

c1)在预定扬声器变量的共同参考值下，将每个扬声器的至少一个非线性扬声器参数的多个记录参数值归一化，

d1)跨用于表示至少一个非线性扬声器参数与扬声器变量之间的平均非线性函数的扬声器变量的预定范围计算多个代表性扬声器的扬声器变量的多个归一化参数值的平均值。

根据步骤c1)将多个记录参数值归一化可包括：

在扬声器变量的共同参考值下增大或减小每个扬声器的多个记录参数值的每一个，使得扬声器参数的所有参数值在共同参数值下大体上相等。预定扬声器变量的参考值优选地为零振膜偏位。

至少一个非线性扬声器参数可包括多个代表性扬声器的力因子(B*l)和悬吊系统柔度或刚度之一；和

预定扬声器变量包括多个代表性扬声器的振膜偏位或位移。

本发明的第三方面涉及上述便携式通信装置，其包括根据其任意上述实施方案的反馈消除总成。

本发明的第四方面涉及一种包括乘员舱的机动车辆，所述乘员舱在其中安装根据本发明的任意上述实施方案的反馈消除总成。

附图说明

现将参考附图更详细描述本发明的优选实施方案，其中：

图1A)是根据本发明的适用于反馈消除总成中的示例性微型电动式扬声器的示意截面图，

图1B)是安装在典型外壳中的示例性微型电动式扬声器的示意截面图，

图2示出根据本发明的第一实施方案的反馈消除总成的示意方块图，

图3示出图2上描绘的反馈消除总成的非线性数字扬声器模型的选定信号处理函数和处理块的详细示意方块图，

图4示出用于确定多个自适应扬声器参数的电动式扬声器的基于自适应IIR滤波器的阻抗模型，

图5是力因子(B*l)对振膜位移的实验测量的平均非线性表现的曲线图，其中相应计算得到的多项式系数表示力因子(B*l)与振膜位移之间的多项式曲线拟合，

图6是总机械柔度(C_MS)对振膜位移的实验测量的平均非线性表现，及表示总机械柔度与振膜位移之间的多项式曲线拟合的相应计算的多项式系数的曲线图，

图7示出在非归一化和归一化表示中的多个代表性电动式扬声器的力因子(B*l)与振膜位移之间的个别测量到的非线性关系的曲线图；和

图8示出图7上描绘的多个代表性电动式扬声器的归一化表示中的力因子(B*l)与振膜偏位之间的计算得到的相应平均非线性关系的曲线图。

具体实施方式

图1A)是用于密封盒安装及用于便携式音频应用(诸如移动电话和智能电话)中的典型微型电动式扬声器1的示意截面图，其中扬声器1提供各种类型应用的声音重现，诸如汽车声音重现、免提电话和音乐回放。技术人员将了解，电动式扬声器依据预期应用存在许多形状和大小。用于下文描述的估计振膜偏位的方法的电动式扬声器1和用于估计振膜偏位的相应总成具有矩形形状，其具有大约15mm的最大外尺寸D和在横向方向上大约11mm的外尺寸。但是，技术人员将了解，用于估计电动式扬声器的振膜偏位的本方法实际上适用于所有类型的电动式扬声器。微型电动式扬声器1包括紧固至音圈的上边缘表面的振膜10。振膜10也通过弹性边缘或外悬吊系统12机械紧固至扬声器盆架22。环形永久磁铁结构18产生磁通量，其传导穿过具有圆形气隙24在配置其中的导磁结构16。圆形通风管19配置在盆架结构22中且可用于将热从形成于振膜10下方的另外密封的腔室结构传导走。弹性边缘悬吊系统12提供相对精确界定柔度的可移动振膜总成(音圈20和振膜10)。弹性边缘悬吊系统12的柔度和振膜10的移动质量确定微型扬声器的大气基频谐振频率。弹性边缘悬吊系统12可被构造来限制可移动振膜总成的最大偏位或最大位移。在微型扬声器1运行期间，音圈电压或驱动电压通过电连接至适当输出放大器或功率放大器的一对扬声器端子(未示出)施加至扬声器100的音圈20。作为响应，相应音圈电流流动穿过音圈20，在速度箭头V所指示的方向上导致振膜总成在扬声器的活塞范围中的大体上均匀的振动运动。因此，通过扬声器1产生相应声压。音圈20和振膜10响应于音圈电流流动的振动运动由气隙24中的径向定向磁场的存在导致。所施加音圈电流和电压导致音圈20中的功率耗散，其在运行期间加热音圈20。因此，长时间施加过高驱动电压和电流可能导致音圈20的过度加热，其是电动式扬声器中故障的另一个常见原因。

迫使可移动振膜总成超过其最大允许偏位限值的过大音圈电流的施加是电动式扬声器中导致各种不可逆机械损伤的另一种常见故障机制。一种类型的机械损伤可例如由音圈20的最下边缘和导磁结构16的环形相向部分17之间的碰撞导致。特定类型的电动式扬声器的最大偏位依据其尺寸和构造细节。对于具有大约11mm×15mm的外尺寸的上述微型扬声器1，最大允许振膜偏位通常为大约+/-0.45mm。

图1B)是安装在具有预定内部体积30的外壳、盒或腔室31中的微型电动式扬声器1的示意截面图。外壳或腔室31配置在扬声器1的振膜10下方。扬声器1的盆架结构22的外周壁牢固附接至密封盒31的匹配壁表面以形成将体积30内的滞留空气与周围环境声隔离的大体上气密耦合。密封体积30可介于0.5与2.0cm³之间，诸如对于典型的便携式通信装置或终端应用(如移动电话和智能电话)大约1cm³。技术人员将了解，本发明可用于使用用于不同类型的应用和声安装配置中的声音重现的扬声器改进反馈消除总成的准确度。

扬声器1安装在密封外壳30中由于腔室30内滞留空气的柔度而导致微型扬声器比其上述大气基频谐振频率高的基频谐振频率。腔室30内滞留空气的柔度与弹性边缘悬吊系统12的柔度并行协作以减小作用在扬声器的移动质量上的总柔度(即，增大刚度)。因此，外壳安装的扬声器1的基频谐振频率比大气谐振高。基频谐振频率的增大量依据外壳30的体积。围绕密封外壳31的壁结构可通过具有有限冲击强度的成型弹性体化合物形成。

图2是可用于改进一系列电声通信设备中的反馈消除性能的反馈或回声消除总成200的简化示意方块图。反馈或回声消除总成200可用于便携式通信装置(诸如智能电话、平板电脑或其它类型的支持音频的便携式计算装置)中。反馈或回声消除总成也可一体化在机动车辆(诸如汽车，即汽车应用)的电声通信设备中。在后一种情况下，电声通信设备可形成具有内置免提扬声器功能的车载音乐娱乐和电信系统的部分。所图示的麦克风212可相应地配置在车辆车厢中用于电信系统中的语音拾取。回声消除总成200可例如一体化在车载音乐娱乐和电信系统的机头单元中，其中一个或更多个电动式扬声器的音圈电流和/或音圈电压可通过回声消除总成200监控或取样。

技术人员将了解，除本电动式扬声器以外的其它类型的扬声器，例如压电或移动电枢扬声器可用在本回声消除总成以及其相应非线性数字扬声器模型中。

回声消除总成200包括信号传输路径，其用于从电动式扬声器1产生及传输输出声音信号。信号传输路径包括功率放大器206，其通过一对外部可接达扬声器端子211a、211b耦合至电动式扬声器1。功率放大器206可包括脉冲调制D类输出放大器，其基于H桥输出级通过扬声器端子211a、211b跨扬声器的音圈供应脉冲调制格式的音频输出信号。D类输出放大器在放大器输入205上接收模拟音频信号，其导出自供应于总成200的数字音频信号输入201上的数字音频输入信号。数字音频输入信号可按第一取样频率(例如介于16kHz与96kHz之间的取样频率)由外部数字音频源供应。外部数字音频源可包括其中一体化本发明总成200的便携式通信装置的应用程序处理器的数字音频端口或接口。外部产生的数字音频信号可根据标准化串行数据通信协议，诸如I²C或SPI格式化或根据数字音频协议，诸如I²S、SPDIF等格式化。信号传输路径还包括信号处理块202，其包括在输入201上应用至数字音频输入信号的一个或更多个数字信号处理算法。这些数字信号处理算法可实施函数，诸如频率响应成形、动态范围压缩、降噪等。经处理的数字音频信号由信号处理块202供应至信号传输路径的分接点或节点203。经处理的数字音频信号被同时施加至数字模拟转换器204和非线性数字扬声器模型218。数字模拟转换器204将经处理数字音频信号转换为相应的模拟音频信号并且将后者供应至如上所述的功率放大器206的输入。技术人员将了解，在本发明的其它实施方案中，数字模拟转换器204和功率放大器206可一体化形成为数字功率放大器的形式。

反馈或回声消除总成200进一步包括形成总成200的信号接受路径的前端的麦克风212。麦克风212可包括电容式麦克风，诸如用于电信装置的低成本微型驻极体或MEMS麦克风。由扬声器1产生的输出声音信号经由如由图上的虚线箭头示意图示的外部反馈路径H_f(s)声耦合至麦克风212。外部反馈路径H_f(s)的特性将依据其中一体化本反馈或回声消除总成200的类型的电声通信设备显著地变化。如果电声通信设备是智能电话，那么扬声器1与麦克风212之间的距离或更准确地各自声音端口之间的距离可介于5cm与15cm之间且沿着智能电话的相对较硬外表面延伸。如果电声通信设备被安装在上述车厢内，那么扬声器1与麦克风212之间的外部反馈路径可能长得多且大致包括车厢结构的大部分反射表面。但是，在两种情况下，外部反馈路径将具有不变但未知的传递函数或时变传递函数。在两种情况下，传递函数受诸如当用户运动时来自用户头部、手部或身体的不同反射的因素影响。麦克风212上的声音信号因此包括扬声器1的输出声音信号的经滤波分量，即，通过外部反馈路径的时变传递函数进行滤波。此外，麦克风212上的声音信号可包括由电声通信设备的用户产生的语音和/或噪音声音分量。

外部反馈路径还可包括来自扬声器1与麦克风212之间的各种类型的机械耦合和/或电耦合的贡献。后者可例如是振动敏感的，使得扬声器在发声条件下的机械振动经由外部反馈路径的机械耦合路径耦合至麦克风。外部反馈路径的存在通常是非所要的，因为其在经由麦克风接收的直接声音分量中引入回声且可能导致电声通信设备自振荡，前提是环路增益和相移足够大。

为了消除或至少衰减扬声器1与麦克风212之间的非所要声/机械/电耦合，反馈或回声消除总成200进一步包括电子反馈消除或抑制路径，其产生反馈消除信号，所述反馈消除信号在其求和节点215上注入信号接受路径。电子反馈消除路径从信号传输路径的分接节点203和求和节点延伸。电子反馈消除路径包括前述非线性数字扬声器模型218和与非线性数字扬声器模型串联耦合的自适应数字滤波器210的级联。自适应数字滤波器是被配置来至少对外部反馈路径H_f(s)的时变传递函数进行建模或追踪的线性滤波器。自适应数字滤波器210可额外对分接节点203与求和节点215(诸如功率放大器206、麦克风212、模拟数字转换器214等)之间的信号接受路径和信号传输路径的电路和组件的特定线性传递函数进行建模。自适应数字滤波器优选地包括FIR型滤波器，其可方便地通过LMS算法控制。误差信号可被带通滤波以改进引导将FIR滤波器调适为带通滤波器的通带，其中存在回声/反馈问题。在特定应用中，自适应IIR滤波器的使用具有好的结果，前提是适当注意其稳定性。在两种情况下，自适应滤波器试图使求和节点215的输出上的误差信号值e(n)最小化。

但是，自适应数字滤波器210的线性性质使得后者无法对分接节点203与求和节点215之间的信号接受路径和信号传输路径的任意电路和组件的非线性性质进行准确建模。虽然这些电路和组件的一些可能表现为在反馈消除总成200的各种音频信号的正常遭遇水平内大体上线性，但是扬声器1通常无法在这些情况下表现为大体上线性。扬声器在其预期运行输出范围内的高声压水平下通常高度非线性。这种非线性表现无法通过线性自适应数字滤波器210准确建模，其具有在线性自适应数字滤波器210的输出上供应至求和节点215的反馈补偿信号不准确的效果。因此，反馈或回声消除总成200的反馈消除性能快速劣化且可能引致可听见的回声或自振荡。

为了解决及免除这个问题，电子反馈消除路径包括非线性数字扬声器模型218，其能够有效及准确地对扬声器1的上述非线性表现进行建模。非线性数字扬声器模型218包括多个扬声器参数，其如图2上示意图示导出自电动式扬声器1的音圈电流Icoil和/或音圈电压Vcoil。多个扬声器参数可包括一个或更多个扬声器参数，如导出自电动式扬声器的音圈电流和/或音圈电压的力因子(B*l)、悬吊系统柔度或刚度、音圈电阻、总机械阻尼、总移动质量、音圈电感等。非线性数字扬声器模型218进一步包括导出自电动式扬声器的音圈电流和/或音圈电压的非线性扬声器参数。非线性扬声器参数由非线性扬声器参数与预定扬声器变量之间的非线性函数表示。非线性扬声器参数优选地是上述多个扬声器参数之一；尤其是事先已知对于选定类型的扬声器变量表现为高度非线性的扬声器参数。选定的非线性扬声器参数因此可构成扬声器1的主导非线性失真机制。

其余扬声器参数可为线性扬声器参数且固定或自适应的，即，如下文进一步详细讨论随时间变化。非线性扬声器参数可例如为扬声器的力因子(B*l)或悬吊系统柔度/刚度且扬声器变量可为振膜偏位或位移。这两种扬声器参数展现显著的偏位相关表现或性质，使得对于典型的扬声器设计或构造而言，力因子的值通常随振膜偏位位移的增大而减小。同样地，对于典型的扬声器构造而言，悬吊系统柔度的值通常随振膜偏位增大而减小。非线性数字扬声器模型218的输出是第一反馈补偿信号Pout，其在适当考虑扬声器的非线性表现的情况下对扬声器1发射的输出声音信号或声压进行建模、表示或估计。因此，非线性数字扬声器模型218提供由扬声器1产生的输出声音信号的专门和高度准确模型(包括线性和非线性扬声器特性)至电子反馈消除路径。因此，电子反馈消除路径甚至当扬声器例如由于高声压水平而表现为非线性时，仍能够在分接节点203与求和节点215之间的总成的外部反馈路径的准确模型。

从正电源电压V_DD为反馈消除总成200供应运行电力。接地(未示出)或负DC电压可形成反馈消除总成200的负供应电压。DC电压V_DD可介于1.5伏与100伏之间且因此可依据反馈消除总成200的特定应用而显著变化。

在非线性数字扬声器模型218的进一步细化实施方案中，多个扬声器参数的一个或更多个是自适应的，允许后者如下文参考图3上的非线性数字扬声器模型218的选定信号处理函数和处理块的详细示意方块图进一步详细说明追踪扬声器参数随时间的缓慢变化。

图3示出图2上描绘的反馈消除总成200的非线性数字扬声器模型218的信号处理函数和处理块的详细示意方块图。非线性数字扬声器模型218包括电动式扬声器1的非线性状态空间模型314。非线性状态空间模型314如下文详细说明包括线性状态空间模型302与非线性函数块304的组合。非线性数字扬声器模型218进一步包括电动式扬声器1的线性自适应数字扬声器模型306，其包括响应于数字音圈电流信号Im[n]和数字音圈电压Vm[n]调整的多个可调适或自适应模型参数。线性自适应数字扬声器模型306计算多个扬声器参数的上述一个或更多个可调适扬声器参数并且将这些/这个参数供应至非线性函数块304，前提是非线性函数应用至相关扬声器参数。替代地，扬声器参数的当前值可直接从线性自适应数字扬声器模型306传递至线性状态空间模型302，前提是不存在与相关扬声器参数相关的非线性函数。

扬声器的线性自适应数字扬声器模型306优选地包括自适应滤波器，其基于如由数字音圈电流信号Im[n]和数字音圈电压Vm[n]表示的探测到或测量到的音圈电流和音圈电压，跨预定音频范围(例如介于10Hz与10kHz)之间对扬声器1的频率相关阻抗进行建模。线性自适应数字扬声器模型306包括多个自适应参数。线性自适应数字扬声器模型306被配置来计算线性扬声器参数的多个各自参数值。自适应线性数字扬声器模型306的功能的细节在下文参考图4进一步详细讨论。自适应线性数字扬声器模型306可例如被配置来计算或追踪电动式扬声器1的时变阻抗对频率函数。各种重要的线性扬声器参数的各自参数值可导出自追踪扬声器1的阻抗函数或曲线的时变模型参数的值。线性自适应数字扬声器模型306的输出包括各自线性但时变自适应扬声器参数(例如扬声器的力因子或悬吊系统柔度)的多个参数值。因此，自适应扬声器参数的参数值表示或估计各自自适应扬声器参数的各自当前参数值，使得每个这些自适应扬声器参数的上文讨论的随时间变化和随温度变化的性质在扬声器的非线性状态空间模型314中被适当追踪。

为了将数字音圈电流信号Im[n]和数字音圈电压信号Vm[n]输送至线性自适应数字扬声器模型306的目的，非线性数字扬声器模型218包括至少一个A/D转换器308，其通过对跨扬声器端子(图2项目211a、211b)的瞬时音圈电压进行取样及数字化而产生数字音圈电流信号Im[n]和数字音圈电压信号Vm[n]。A/D转换器308此外包括第二输入，其被配置来对在转换器308的第二输入上传输的模拟音圈电流Icoil进行取样及数字化。数字音圈电流信号Im[n]和数字音圈电压信号Vm[n]优选地在相同取样频率下取样，所述取样频率与数字音频输入信号的第一取样频率(诸如16kHz、32kHz、44.1kHz、48kHz或96kHz等)相同。数字音圈电流信号Im[n]和数字音圈电压信号Vm[n]的取样频率可替代地低于第一取样频率，例如比其小一半以减小在非线性数字扬声器模型218中实施自适应线性数字模型306的数字信号处理器上的计算负载。技术人员将了解，至少一个A/D转换器308可包括多工型转换器，其交替地对音圈电压和模拟音圈电流信号进行取样。替代地，至少一个A/D转换器308可包括两个单独的A/D转换器，其分别固定地耦合至音圈电压和音圈电流信号。技术人员将了解，音圈电流信号可由各种类型的电流传感器产生，所述电流传感器产生与在音圈中流动的瞬时音圈电流成比例的电压、电流或电荷信号。

在非线性函数块304中，各自非线性函数优选地应用至自适应扬声器参数的一个或更多个输入参数值以计算一个或更多个相应的非线性补偿的参数值。非线性补偿的参数值考虑先前相对于特定扬声器变量讨论的扬声器参数的非线性表现或性质。这可能例如是扬声器的力因子(B*l)与振膜位移之间的非线性函数或音圈电感(L_e)与音圈电流之间的非线性关系等。明显地，只有一些或单个由自适应线性数字模型306供应的自适应扬声器参数的输入参数值可能经历非线性函数及作为响应计算的各自非线性补偿的参数值。其余自适应扬声器参数的其余输入参数值可被留下而未进行非线性补偿且在实际上绕过如上所述的非线性参数块304而直接在线性状态空间模型302中传输。技术人员将了解，在非线性函数块304利用大量非线性函数将大致改进非线性状态空间模型314中的计算得到的扬声器参数值的准确度。但是这种改进的准确度可能以增大的计算负载为代价达成。因此，扬声器声压的估计的准确度要求将在不同类型的应用和用户要求之间变化，使得在非线性函数块304中应用的非线性函数的数量可根据应用特定要求而定制。线性状态空间模型302计算位移信号x，其估计瞬时振膜位移以及前述第一反馈补偿信号Pout，表示由扬声器1发射的输出声音信号或声压。位移信号x被反馈回非线性函数块304的第二输入以允许后者基于先前x值计算更新的非线性补偿的参数值。

非线性函数块304的每个非线性函数的特性已优选地结合有关与主动扬声器1相同品牌和型号的适当一组代表性电动式扬声器或其集合的特定实验测量确定。已在校准测量期间针对每个扬声器样本测量选定扬声器变量与相关扬声器参数之间的个别确定的非线性关系。已如下文更详细描述确定跨一批代表性电动式扬声器的平均非线性函数关系。这种平均非线性函数关系可由各种类型的非线性函数界定，诸如表示选定扬声器变量与相关扬声器参数之间的多项式曲线拟合的一个或更多个多项式系数。在另一个实施方案中，平均非线性函数关系可通过查找表界定，所述查找表将扬声器变量映射至扬声器参数的相应非线性补偿值中。因此，非线性函数可包括用于映射扬声器变量与扬声器参数的各自非线性补偿的参数值之间的计算得到的平均非线性函数关系。查找表可存储在声音重现总成的适当的非易失性存储器地址空间或至少可由声音重现总成的DSP访问读取的非易失性存储器地址空间中。在后一情况下，技术人员将了解，非易失性存储器地址空间可位于便携式通信装置的应用程序处理器的数据存储器装置中。在两种情况下，查找表的内容优选地例如结合非线性数字扬声器模型218的初始化从合适的非易失性存储器地址空间被读取至非线性函数块304中。

在非线性数字扬声器模型218中使用表示选定扬声器变量与相关扬声器参数之间的各自平均非线性关系的这些非线性函数是有利的，因为其免除在电声通信设备的制造期间进行复杂的个别校准测量以确定有关每个个别扬声器的扬声器参数的非线性表现。

由自适应线性数字模型306计算得到的多个线性扬声器参数的各自参数值的自适应或追踪性质的有利效应在于线性但时变扬声器模型随时间而保持准确，而不管由变化环境运行条件(诸如湿度和温度)导致的线性扬声器参数的变化。同样地，由其它机制(诸如扬声器中的材料老化和/或其声运行条件的变化(例如，外壳泄漏))导致的线性扬声器参数的变化可被准确建模。自适应线性数字扬声器模型306能够追踪自适应扬声器参数的参数值的这种相对缓慢变化的变动。另一方面，为了在不管如上所述的大的信号非线性表现的情况下进行扬声器振膜的瞬时声压的准确确定，保持高度有利地使用根据本发明的扬声器的非线性模型。后一种特征使得可准确预测或估计在电子反馈消除路径中的扬声器振膜上发射的瞬时声压及因此确定供应至求和节点的第一补偿信号是反馈路径的线性和非线性效应的准确表示，使得反馈抑制保持有效，而不管相关扬声器参数的显著非线性。

数字音频输入信号203被施加至非线性状态空间模型314的第三输入，且状态空间模型302基于数字音频输入信号、自适应扬声器参数的参数值和非线性补偿的参数值估计瞬时振膜偏位x和振膜加速度或声压Pout。数字音频输入信号203可根据功率放大器206的DC供应电压按比例调整，使得数字音频信号准确地表示实际音圈电压。这种按比例调整可由于数字音频输入信号的量值与音圈电压的量值之间的已知关系而实现。状态空间模型302可供应瞬时振膜偏位x至反馈消除总成200的可选的振幅或水平限制函数，其被配置来避免来自过大的音圈电压和电流的扬声器的机械损伤。水平限制函数可比较估计的瞬时振膜偏位x与预定偏位限值或阈值，其指示针对特定类型的扬声器的最大允许或推荐的振膜位移或偏位。因此，最大允许或推荐振膜位移可根据扬声器制造商的推荐设定。如果瞬时振膜偏位x小于预定偏位限值，那么水平限制函数可在无衰减或水平限制的情况下，将数字音频输入信号传输至输出放大器206。另一方面，如果瞬时振膜偏位x超过预定偏位限值，那么水平限制函数被调适来在传输至功率放大器之前衰减或限制数字音频输入信号。衰减优选地通过选择性地衰减延迟的数字音频输入信号的低频子带，诸如低于800Hz或500Hz的低频带实现，同时较高频率保持未衰减。这通常非常有效地用于保护目的，因为低频音频信号分量最可能将扬声器振膜驱动出其最大允许偏位限值。低频带可包括低于阈值频率(诸如800Hz或500Hz)的所有频率或仅包括单个低频带，诸如围绕低频范围中的中心频率(诸如400Hz或300Hz)的三分之一倍频带。低频带依据扬声器类型且更特定地依据扬声器的谐振频率。

技术人员将了解，每个上述信号处理电路、函数或模型202、210、218、302、304和306可实施为在软件可编程微处理器核心或DSP核心上执行的一组可执行程序指令或常规程序。技术人员将了解，可编程DSP核心可与便携式通信端子的前述应用程序处理器一起一体化或可实施为单独的可编程DSP核心，其被配置来执行上述信号处理函数或模型。技术人员将了解，信号处理电路、功能或模型202、210、218、302、304或306的一个或更多个可实施为各自一组可执行程序指令，而任意其余信号处理电路、功能或模型可实施为单独的硬接线数字逻辑电路，其包括适当配置的顺序和组合数字逻辑。硬接线数字逻辑电路可一体化在专用集成电路(ASIC)上或由可编程逻辑或其任意组合配置。

图4是图3上描绘的前述自适应线性数字扬声器模型306(或简称扬声器模型306)的自适应数字阻抗模型306的内部信号处理组件或计算块的详细示意方块图。自适应数字阻抗模型306包括自适应数字阻抗模型，其被配置来自适应地计算并且输出五个自适应模型参数R_DC(音圈的DC电阻)；B*l(力因子)、L_e(音圈电感)和a1及a2，a1及a2是如下文上所述的z域阻抗模型参数。五个自适应模型参数的每一个参数值可选地针对特定预设参数限值检查以验证自适应数字阻抗模型表现为正确工作，例如阻抗模型未发散且输出明显的参数值。五个自适应模型参数的计算值随后被传输至转换块，其将五个自适应模型参数转换为由扬声器模型306输出的前述多个自适应扬声器参数。在本实施方案中，扬声器模型306已被配置来计算下列五个自适应扬声器参数：R_DC(音圈的DC电阻)；B*l(力因子)；R_MS(总机械阻尼)；K_MS(总机械刚度)和L_e(音圈电感)。技术人员将了解，在本发明的其它实施方案中可选择其它自适应扬声器参数，前提是参数选择给出足够详细的扬声器信息至扬声器的状态空间模型302。

在自适应数字阻抗模型306中，数字音圈电流信号Im[n]和数字音圈电压信号Vm[n]被施加至阻抗模型的各自输入。Im[n]和Vm[n]信号的每一个可通过数字低通滤波器301低通滤波并且施加至可选的抽取器(现示出)，所述抽取器将Im[n]和Vm[n]信号的每一个从数字音频输入信号的第一取样频率降频取样为低得多的取样频率，诸如小于第一取样频率的0.5、0.25或0.125倍。这种组合的低通滤波和降频取样操作减小总成的扬声器模型306及其它信号处理函数中信号的取样率，导致减小计算负载及减小功率消耗。扬声器的自适应数字阻抗或导纳模型306包括自适应二阶IIR滤波器401，其自适应地对尤其反映扬声器的基频谐振频率的扬声器的音圈的时变阻抗进行追踪或建模。上述数字音圈电流信号Im[n]施加至自适应数字扬声器模型210的第一输入且数字音圈电压信号Vm[n]施加至自适应数字阻抗模型306的第二输入。自适应数字阻抗或导纳模型306的参数输出(未示出)是上述四个自适应模型参数：R_DC(音圈的DC电阻)；B*l(力因子)；Le(音圈电感)和a1及a2。这五个自适应模型参数在各自内部计算块401、403、405及407中描绘。

自适应阻抗模型306包括扬声器的下列模型参数：

V_e[n]：音圈电压或驱动电压的估计值；

R_DC：音圈的DC电阻；

Bl：扬声器的力因子(B·l乘积)；

M_MS：总机械移动质量(包括声负载)；

K_MS：总机械刚度；

R_MS：总机械阻尼。

L_e：音圈电感

自适应IIR滤波器401是二阶滤波器且为方便起见优选地由其在z域中的机械导纳传递函数Y_m(z)表示，如下方导纳方程式所示。自适应数字阻抗模型306的总体运行是参数追踪算法试图基于音圈电流Im[n]的测量和扬声器的预选阻抗模型预测音圈电压V_e[n]。技术人员将了解，本自适应数字阻抗模型306适用于密封外壳安装的电动式扬声器。误差信号V_ERR[n]从测量到的实际音圈电压信号Vm[n]与由模型产生的其估计值V_e[n]之间的差异获得。技术人员将了解，各种自适应滤波方法(诸如LMS)可用于调适所选扬声器阻抗模型中的自由模型参数以使误差信号V_ERR[n]最小化。自由模型参数优选地连续传输至DSP且当误差信号变得足够小时，例如符合预定误差标准时，经调适的模型参数被假设为正确的。通过保持图4的方块401中描绘的五个参数Bl、M_MS、K_MS、R_MS和L_e之一固定，其余四个参数可通过识别Im[n]与Vm[n]之间的关系而确定。数学上，这四个参数的哪个固定并不重要，但是总移动质量M_MS通常是好的选择。这是因为后一参数通常在随时间及温度的制造散布和变化方面相对稳定。

图5包括一组代表性扬声器的如曲线511所指示的力因子(B*l)对振膜位移的实验测量的平均非线性表现的曲线图501。镜像曲线513是简单的帮助曲线，其通过测量系统计算及显示以允许视觉评估所描绘非线性关系的对称度。图6的镜像曲线613情况相同。平均曲线501可以不同方式获得。在本实施方案中，平均曲线501已通过从与图2上描绘的电动式扬声器1相同品牌和型号的所测量的代表性扬声器的集合中识别并且选择具有平均特性的单个扬声器而获得。在替代实施方案中，平均曲线可通过针对与图2上描绘的电动式扬声器1相同品牌和型号的5个至10个代表性扬声器样本测量个别力因子对振膜位移特性并且计算其平均值而获得。5个至10个代表性扬声器样本可例如选自不同生产批次以包括在制造过程中扬声器参数的变化。单个平均扬声器样本的个别力因子对振膜位移特性已通过激光位移传感器测量，其是用于扬声器特性化的所利用KLIPPEL R&DSYSTEM的组件。

单个平均扬声器样本的个别力因子对振膜位移特性的结果被输出至专用软件分析程序，例如，基于由发明者开发的MATLAB。软件分析程序计算并且在如曲线图501上所示的适当图示上显示测量到的力因子对振膜位移曲线。Y轴以无量纲相对标度描绘测量到的平均力因子且X轴描绘向外和向内方向上的振膜偏位或位移x(单位：mm)。力因子(B*l)已相应地针对+/-0.45mm的振膜位移范围测量。如平均力因子对振膜位移曲线511所示，存在测量到的平均力因子跨所描绘位移范围的40％的数量级的显著变化。与平均力因子对振膜位移曲线511的多项式曲线拟合已计算且结果显示在方框503中。计算得到的从零阶至四阶的相应多项式系数已分别被显示为Bl0、Bl1、Bl2、Bl3和Bl4。Bl0表示扬声器振膜的零位移的归一化力因子且这个值如下文所述被自适应地确定。力因子对振膜位移曲线511展现围绕零位移(x＝0)的显著不对称，所述不对称由相关扬声器的磁及机械构造细节导致。如果使用超过单个平均扬声器样本，那么每一个个别力因子对振膜位移特性的结果可从所利用的KLIPPEL R&D SYSTEM输出至基于MATLAB的专用软件分析程序。软件分析程序可被配置来针对5个至10个代表性扬声器样本计算平均测量的力因子并且提供类似于曲线图501的结果图示。与这个平均力因子对振膜位移曲线的相应多项式曲线拟合和多项式系数可以类似于上文所述的方式计算。

图6示出曲线图601，其描绘由曲线611所示的总机械柔度(C_MS)对振膜位移的实验测量的平均非线性表现。扬声器的总机械柔度(C_MS)是上述扬声器参数总机械刚度K_MS的倒数量。平均曲线601已通过从如上文参考图5所述的一批测量的代表性扬声器中识别并且选择具有平均特性的单个扬声器而获得。取而代之可利用替代程序，其中测量几个代表性扬声器样本的总机械柔度对隔膜位移特性。曲线图601的Y轴描绘测量到的平均总机械柔度(单位：mm/N)且X轴描绘向外和向内方向上的振膜偏位或位移x(单位：mm)。总机械柔度已相应地在+/-0.45mm的振膜位移范围内测量。如曲线611所示，存在跨所描绘位移范围的20％的数量级的测量到的总机械柔度的显著变化。与平均总机械柔度对隔膜位移曲线611的多项式曲线拟合可以类似于前文所述的方式计算。

图7的曲线图701示出以非归一化表示的针对多个代表性电动式扬声器的力因子(B*l)对振膜位移的多个个别测量曲线。Y轴以无量纲相对标度描绘测量到的平均力因子且X轴描绘向外和向内方向上的振膜偏位或位移x(单位：mm)。在这个实例中，代表性电动式扬声器的数量为大约20个，但是可使用更少或更多扬声器，如上文实例所示，仅使用5个代表性电动式扬声器以导出力因子的所要平均非线性表现。个别力因子对振膜位移曲线或特性通过上述激光位移传感器测量用于扬声器特性化。从曲线图701上的所描绘曲线的曲率了解针对每个所测试代表性电动式扬声器的力因子与振膜位移之间的非线性关系或函数。已相应地跨+/-0.20mm的振膜位移范围测量并且记录力因子(B*l)。为了导出或确定力因子与振膜位移之间的所要平均非线性函数，执行下列步骤：针对每个代表性扬声器，在适当的计算装置中记录如由曲线图701的所描绘力因子曲线图示的多个力因子值对振膜位移值。针对每个代表性扬声器的测量到的力因子曲线随后通过在振膜位移(即，在本实施方案中选定的扬声器变量)的任意参考值(诸如如曲线图703上描绘的零振膜位移)下垂直，即沿着力因子轴向上或向下偏移或拖动力因子曲线而归一化。每个测量到的力因子曲线根据需要被向上或向下拖，直至零振膜位移下的值达到任意参考值，由此所有移位的力因子曲线707与如曲线图703的参考数字705指示的零振膜位移下的相同任意力因子值相交。在后一步骤中，如曲线图703的力因素曲线所表示及描绘的归一化力因子值的平均值被计算并且可通过图8的曲线图801上描绘的单个平均归一化力因子曲线803图示。因此，平均归一化力因子曲线803在零振膜位移下被设定为零且仅示出位移内的变化。在本实施方案中，归一化力因子值的平均值通过每个振膜位移值加上所有代表性扬声器的归一化力因子值且除以代表性扬声器的数量而计算，即本质上计算力因子的算数平均数。技术人员将了解，其它计算方法可应用于计算归一化力因子值的平均值。在一个替代实施方案中，每个振膜位移值下的归一化力因子值的中值可用于表示平均值。

如上文结合图5讨论的多项式函数最后可应用于如曲线图801上的曲线803表示的平均归一化力因子值以表示代表性扬声器集合的力因子与振膜位移之间的平均非线性关系。相应的多项式系数可通过如上文讨论的适当多项式曲线拟合确定。因此由上述线性自适应数字扬声器模型306输出的Bl乘积的自适应值被应用至非线性状态空间模型314内的非线性函数块304的多项式函数以进行Bl乘积的相应非线性补偿值的计算。Bl乘积的这种非线性补偿参数值应用至状态空间模型302以改进计算得到的声压输出Pout与振膜位移x的准确度。

结合扬声器参数的平均非线性函数的确定进行的归一化过程是抑制反馈信号的本发明的优点，因为其利用如结合图3描述的电动式扬声器的线性自适应数字扬声器模型306的自适应本质。线性自适应数字扬声器模型306随时间维持零振膜位移下力因子或任意其它选定扬声器参数的值的准确估计，使得相关扬声器参数值保持准确，而不管上述重要扬声器参数随时间的缓慢变化的变动。因此，非线性函数可用于通过插入如由线性自适应数字扬声器模型提供的Bl乘积的当前值作为图5的多项式函数503的常数部分Bl＝0而确定Bl乘积的非线性补偿值。将应用至状态空间模型302的Bl乘积的所要非线性补偿值可从表示扬声器参数的平均非线性函数的已确定多项式系数与振膜位移x的先前值直接计算。

Claims (20)

1.一种用于电声通信设备的反馈消除总成，其包括：

信号传输路径，其用于通过电动式扬声器产生和发射输出声音信号至外部环境，

信号接受路径，其包括麦克风，所述麦克风用于产生对应于从所述外部环境接收的声音的麦克风输入信号及在所述音频信号接受路径的求和节点上产生相应数字麦克风信号，

其中所述输出声音信号经由具有不变或时变传递函数的外部反馈路径声耦合至所述麦克风，

电子反馈消除路径，其耦合在所述信号传输路径的分接节点与所述信号接受路径的所述求和节点之间以产生反馈消除信号至所述求和节点；

其中所述电子反馈消除路径包括：

非线性数字扬声器模型，其包括多个扬声器参数，包括导出自所述电动式扬声器的音圈电流和/或音圈电压的至少一个非线性扬声器参数，其中所述至少一个非线性扬声器参数由所述至少一个非线性扬声器参数与预定扬声器变量之间的非线性函数表示，

自适应数字滤波器，其与所述非线性数字扬声器模型串联耦合且被配置来至少对所述外部反馈路径的所述不变或时变传递函数进行建模。

2.根据权利要求1所述的反馈消除总成，其中所述多个扬声器参数优选地包括选自一组{力因子(B*l)、悬吊系统柔度或刚度、音圈电阻、总机械阻尼、总移动质量、音圈电感}的至少一个自适应扬声器参数。

3.根据权利要求1或2所述的反馈消除总成，其中所述非线性数字扬声器模型包括所述电动式扬声器的非线性状态空间模型。

4.根据权利要求1或2所述的反馈消除总成，其中所述非线性数字扬声器模型被配置来计算所述至少一个非线性扬声器参数的至少一个非线性补偿值。

5.根据权利要求1或2所述的反馈消除总成，其中所述非线性函数表示所述至少一个非线性扬声器参数与从有关多个代表性电动式扬声器的非线性测量中确定的预定扬声器变量之间的平均非线性关系。

6.根据权利要求1或2所述的反馈消除总成，其中所述非线性函数表示所述至少一个非线性扬声器参数与所述预定扬声器变量之间的所述电动式扬声器的个别测量的非线性函数。

7.根据权利要求6所述的反馈消除总成，其中所述个别测量的非线性函数在所述反馈消除总成在被安装于所述电声通信设备中时的出厂校准期间测量。

8.根据权利要求1或2所述的反馈消除总成，其中所述至少一个非线性扬声器参数包括力因子(B*l)和悬吊系统柔度或刚度之一；且所述预定扬声器变量包括所述电动式扬声器的振膜偏位或位移。

9.根据权利要求1或2所述的反馈消除总成，其中所述信号传输路径包括数字模拟转换器和输出放大器，其被配置来在所述分接节点处施加来自所述音频信号的所述电动式扬声器的所述音圈电流和电压；及

所述信号接受路径包括第一A/D转换器，其被配置来对所述麦克风输入信号进行取样及数字化以产生所述数字麦克风信号。

10.根据权利要求9所述的反馈消除总成，其包括第二A/D转换器，其被配置来对所述音圈电压和/或所述音圈电流进行取样和数字化。

11.一种抑制电声通信设备的扬声器与麦克风之间的反馈信号的方法，所述方法包括以下步骤：

a)通过信号传输路径施加音频信号至所述扬声器以发射声音信号至外部环境，

b)通过所述扬声器与所述麦克风之间的所述电声通信设备的外部反馈路径传输所述所发射的声音信号以在所述麦克风上产生经滤波的声音信号，

c)在所述麦克风上接收经滤波的声音信号并且在信号接受路径中产生相应的数字麦克风信号，

d)将来自所述信号传输路径的所述音频信号分接，

e)确定所述扬声器的音圈电流和/或音圈电压，

f)通过非线性数字扬声器模型对所述分接的音频信号进行滤波，所述非线性数字扬声器模型包括多个扬声器参数，包括导出自所述音圈电流和/或音圈电压的至少一个非线性扬声器参数，

其中所述至少一个非线性扬声器参数由所述至少一个非线性扬声器参数与预定扬声器变量之间的非线性函数表示以产生估计所述扬声器声压的第一反馈补偿信号，

g)通过至少对所述外部反馈路径的不变或时变传递函数进行建模的自适应数字滤波器对所述第一反馈补偿信号进行滤波以产生第二反馈补偿信号，

h)减去所述第二反馈补偿信号和所述数字麦克风信号以产生反馈补偿的麦克风信号，

i)在所述信号接受路径中处理所述反馈补偿的麦克风信号。

12.根据权利要求11所述的抑制反馈信号的方法，其包括以下步骤：

j)基于所述扬声器的所述音圈电流和/或音圈电压随时间调适所述多个扬声器参数的至少一个扬声器参数的值。

13.根据权利要求11或12所述的抑制反馈信号的方法，其中所述至少一个非线性扬声器参数选自一组{力因子(B*l)、悬吊系统柔度或刚度、音圈电阻、总机械阻尼、总移动质量、音圈电感}。

14.根据权利要求11或12所述的抑制反馈信号的方法，其中所述非线性函数表示所述至少一个非线性扬声器参数与从有关多个代表性电动式扬声器的测量确定的所述预定扬声器变量之间的平均非线性函数。

15.根据权利要求14所述的抑制反馈信号的方法，其中所述平均非线性函数的所述确定包括以下步骤：

a1)施加测试信号至多个代表性扬声器的每个扬声器，其中所述测试信号被配置来跨所述扬声器变量的预定范围激发所述至少一个非线性扬声器参数与所述预定扬声器变量之间的特定关系，

b1)跨所述多个代表性扬声器的每个扬声器的所述扬声器变量的预定范围记录所述至少一个非线性扬声器参数的多个参数值，

c1)在所述预定扬声器变量的共同参考值下将每个扬声器的所述至少一个非线性扬声器参数的所述多个记录参数值归一化，

d1)跨用于表示所述至少一个非线性扬声器参数与所述扬声器变量之间的所述平均非线性函数的所述扬声器变量的预定范围计算所述多个代表性扬声器的所述扬声器变量的所述多个归一化参数值的平均值。

16.根据权利要求11或12所述的抑制反馈信号的方法，其中所述至少一个非线性扬声器参数包括所述多个代表性扬声器的力因子(B*l)和悬吊系统柔度或刚度之一；及

所述预定扬声器变量包括所述多个代表性扬声器的振膜偏位或位移。

17.根据权利要求15所述的抑制反馈信号的方法，其中根据步骤c1)归一化所述多个所记录参数值包括：

在所述扬声器变量的所述共同参考值下增大或减小每个扬声器的所述多个记录参数值的每一个，使得所述扬声器参数的所有参数值在所述共同参考值下大体上相等。

18.根据权利要求17所述的抑制反馈信号的方法，其中所述预定扬声器变量的所述参考值是零振膜偏位。

19.一种包括根据权利要求1所述的反馈消除总成的便携式通信装置。

20.一种包括在其中安装根据权利要求1所述的反馈消除总成的乘客车厢的机动车辆。