CN105120414B - 智能音频管理系统 - Google Patents

Abstract

本发明的智能音频管理系统，包括自适应滤波器，喇叭参数评估和预估单元，自动增益控制单元，数模转换单元，电流模数转换单元；自适应滤波器，用于接受喇叭输入的电压值和电流模数转换单元反馈的喇叭电流值，并将喇叭的电压和电流输出给喇叭参数评估和预估单元；喇叭参数评估和预估单元，根据喇叭的电压，电流预估出喇叭的膜位移；自动增益控制单元，根据喇叭输入的电压值和喇叭参数评估和预估单元的输出，来控制输出信号的幅度；当预测的膜位移超出设定值时，降低增益；电流模数转换单元，用于将喇叭的工作电流转换成数字信号并输出给自适应滤波器；数模转换单元，将自动增益控制单元输出的数字信号转换成模拟信号并输出。

Description

智能音频管理系统

【技术领域】

本发明涉及电子技术领域，具体设计一种喇叭的管理系统。

【背景技术】

随着科技的进步，手持设备变得越薄越小，而其中的喇叭随之也需要越来越小，从而影响了音频播放的音量的大小和品质。为了保证喇叭不受损坏，只能通过降低音频的品质和音量，或者过滤掉某些频率成分，来保护喇叭。

如果降低喇叭的最大音量，可以保护喇叭不受膜偏移过大而被损坏，但是由于喇叭的效率低,能量主要消耗在音圈上，有可能喇叭音圈的温度升高，要么损坏喇叭，要么减少喇叭的寿命。

由于在喇叭的谐振频率处，膜偏移比较大，所以现有的技术方案是通过滤除小于谐振频率的音频成分来保护喇叭，但同样不能解决因喇叭体积减小，喇叭散热慢，温度影响喇叭的问题，并且损坏了音频成分。

【发明内容】

有鉴于此，本发明提供一种智能音频管理系统。

本发明采用如下技术方案，构造智能音频管理系统，包括自适应滤波器，喇叭参数评估和预估单元，自动增益控制单元，数模转换单元，电流模数转换单元；自适应滤波器，用于接受喇叭输入的电压值和电流模数转换单元反馈的喇叭电流值，并将喇叭的电压和电流输出给喇叭参数评估和预估单元；喇叭参数评估和预估单元，根据喇叭的电压，电流预估出喇叭的膜位移；自动增益控制单元，根据喇叭输入的电压值和喇叭参数评估和预估单元的输出，来控制输出信号的幅度；当预测的膜位移超出设定值时，降低增益；电流模数转换单元，用于将喇叭的工作电流转换成数字信号并输出给自适应滤波器；数模转换单元，将自动增益控制单元输出的数字信号转换成模拟信号并输出。

优选的，自适应滤波器，根据喇叭输入的电压值和电流模数转换单元反馈的喇叭电流值，识别出喇叭的阻抗或跨导特性，并将阻抗或跨导特性输出给喇叭参数评估和预估单元；喇叭参数评估和预估单元，对输入的阻抗或跨导特性进行运算，评估出喇叭的温度；自动增益控制单元，当喇叭参数评估和预估单元输出的喇叭音圈温度超过设定值时，降低增益。

优选的，所述喇叭参数评估和预估单元，根据输入的阻抗或跨导特性进行运算，还评估出喇叭的谐振频率,品质因子,直流阻抗,最高增益。

优选的，它还包括电压抬升控制单元，电压抬升DC-DC单元和功率放大器；电压抬升控制单元，根据喇叭参数评估和预估单元的计算结果，输出电压抬升控制信号给电压抬升DC-DC单元；电压抬升DC-DC单元，根据电压抬升控制单元的输出，抬升功率放大器的电源电压，以便喇叭能获得更大的功率，同时相除信号的消波；功率放大器，放大数模转换单元输出的电流信号和电压抬升DC-DC单元的输出的电压信号，并将放大后的信号输出给喇叭。

本发明的有益技术效果是：

1.本发明的智能音频管理系统可预测喇叭的膜偏移，保护喇叭膜位移不会超过设定的幅度。

2.本发明的智能音频管理系统可检测喇叭音圈温度，保护喇叭不会发生过温。

3.本发明的智能音频管理系统可跟踪喇叭参数随使用时间，环境的变化，比如直流电阻，谐振频率等；

4.本发明的智能音频管理系统集成电压抬升电路，功率放大器，使用户在保持音质和保护喇叭情况，可以听到更大的音乐。

【附图说明】

图1实施例一中的智能音频管理系统组成框图；

图2实施例一中的智能音频管理系统中喇叭的自适应识别原理图；

图3实施例一中的智能音频管理系统中喇叭阻抗的频率特性图；

图4实施例一中的智能音频管理系统中喇叭模型图；

图5实施例一中的智能音频管理系统中喇叭模型图。

【具体实施方式】

为了使本专利的技术方案和技术效果更加清楚，下面结合附图和实施例对本专利的具体实施方式进行详细描述。

实施例一：

如图1，本实施例中的智能音频管理系统，包括自适应滤波器，喇叭参数评估和预估单元，电压抬升控制单元，自动增益控制单元，电压抬升DC-DC单元，数模转换单元，功率放大器，电流模数转换单元。

自适应滤波器，用于接受喇叭输入的电压值和电流模数转换单元反馈的喇叭电流值，识别出喇叭的阻抗或跨导特性并将喇叭的电压，电流，阻抗或跨导特性输出给喇叭参数评估和预估单元；其输入端连接喇叭的负载电压和电流模数转换单元的输出端，其输出端连接喇叭参数评估和预估单元的输入端。

喇叭参数评估和预估单元，对输入的阻抗或跨导特性进行运算，评估出喇叭的谐振频率(以下简称Fres),品质因子(以下简称Q),直流阻抗(以下简称Res),喇叭的温度以及根据喇叭的电压，电流预估出喇叭的膜位移。

喇叭的自适应识别原理如下：

把喇叭等效成一个黑盒子，如图2所示，如果误差信号E(n)趋近于0，那么可认为喇叭电流I(n)与喇叭评估电流I_pre(n)相等，那么评估出来的模型就是喇叭。喇叭阻抗的频率特性如图3所示。

喇叭的频率特性分析：

依据图3，可以多种方法计算阻抗的几个参数，例如通过FFT运算得出直流点的值，即直流阻抗Res；或者在谐振频率到高频处的最小值，也可以近似为直流阻抗Res。

谐振频率：Fres就是在音频带内，阻抗最大时(此时阻抗为Rmax)的频率(说明：该定义来自文献：Linearization of mirco loudspeakers using adaptive controlStockholm,November 2013)，如图3所示。

谐振因子：阻抗为最大值Rmax时，对应的频率为Fres,阻抗为最小值Re时，对应的频率为f0。Rx阻抗，品质因子Q的计算如下(其中，f1,f2为阻抗值为Rx对应的频率)：

喇叭机械部分的谐振因子：

喇叭电气部分的谐振因子：

喇叭总的谐振因子：

音圈温度的预测

通过直流电阻Re与温度的关系：

说明，该公式来自文献：

loudspeaker voice-coil temperature estimate

Authors:Ronny Andersson

Publication Date:March 8，2008

Measuring the Loudspeaker’s Impedance During Operation for theEvaluation of Voice-Coil Temperature

Authors:Behler,Gottfried；U.；Arimont,T.

Publication Date:February 1,1995

注：忽略二次效应

可计算出温度：

α为一次温度系数，一般的为0.39％/℃。这种计算方法关键是在本实施例中的智能音频管理系统所集成的芯片启动的时候，要确定参考温度(T0)和对应的直流电阻(Re0)。

膜偏移的预测

喇叭模型如图4所示。分为电气部分和机械部分。

膜位移推导如下，定义：

v(t):输入电压

i(t):音圈电流

x(t):膜位移

电压

根据牛顿第二定律：物体加速度的大小跟作用力成正比，跟物体的质量成反比，且与物体质量的倒数成正比；加速度的方向跟作用力的方向相同；电能转机械能：力跟电流成正比，比例因子就是力因子。可得：

力因子

力函数s域：

定义机械阻抗：

则F(s)＝Bl*I(s)＝Zm(s)*s*X(s)；

电压函数s域：

定义电气阻抗：Ze(s)＝Re+Le*s

定义总的阻抗：

则机械阻抗

位移与电流的传输函数HXI(s)(如知传输函数，根据输入的电流就可计算出膜位移)：

表示记分器；转化为离散域，上面的表达式可以得到图5的电路。

自动增益控制单元，根据喇叭输入的电压值和喇叭参数评估和预估单元的输出，来控制输出信号的幅度。当预测的膜位移超出设定值时，快速把增益降低；当预测的音圈温度超出设定值时，增益减少。跟基于电压的自动增益控制(以下简称AGC)类似，设定一定的膜位移，根据这个膜位移来设定增益，使输出的膜位移跟设定的膜位移一致。当膜位移超过一定的值时，需要对AGC增益快速减小。当预测的稳定到达一定的值后，AGC增益要减小。

电压抬升控制单元，根据喇叭参数评估和预估单元的计算结果，输出电压抬升控制信号给电压抬升DC-DC单元。

电压抬升DC-DC单元，根据电压抬升控制单元的输出，抬升功率放大器的电源电压，以便喇叭能获得更大的功率，同时相除信号的消波，保持信号的品质。增加这个模块为的是使输出功率够大，同时不会使信号产生消波。最大可以达到10V。分几个台阶，比如信号幅度达到3.3V时，电源电压抬升到6V；信号幅度到达5V时，电源电压抬升到8V等。

数模转换单元，将自动增益控制单元输出的数字信号转换成模拟信号输出给功率放大器。

功率放大器，放大数模转换单元输出的信号和电压抬升DC-DC单元的输出的电压信号，并将放大后的信号输出给喇叭，以便喇叭能获得更大的功率。如本实施例中的智能音频管理系统未集成功率放大器，数模转换单元输出的信号直接输出给喇叭，也能实现喇叭膜位移不超过设定幅度的目的。

电流模数转换单元，用于将喇叭的工作电流转换成数字信号并输出给自适应滤波器。

以上所述仅为本专利的优选实施例而已，并不用于限制本专利，对于本领域的技术人员来说，本专利可以有各种更改和变化。凡在本专利的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本专利的保护范围之内。

Claims (3)

1.智能音频管理系统，其特征在于：包括自适应滤波器，喇叭参数评估和预估单元，自动增益控制单元，数模转换单元，电流模数转换单元；

自适应滤波器，用于接受喇叭输入的电压值和电流模数转换单元反馈的喇叭电流值，并将喇叭的电压和电流输出给喇叭参数评估和预估单元；

喇叭参数评估和预估单元，根据喇叭的电压，电流预估出喇叭的膜位移；

自动增益控制单元，根据喇叭输入的电压值和喇叭参数评估和预估单元的输出，来控制输出信号的幅度；当预测的膜位移超出设定值时，降低增益；

电流模数转换单元，用于将喇叭的工作电流转换成数字信号并输出给自适应滤波器；

数模转换单元，将自动增益控制单元输出的数字信号转换成模拟信号并输出；

还包括电压抬升控制单元，电压抬升DC-DC单元和功率放大器；

电压抬升控制单元，根据喇叭参数评估和预估单元的计算结果，输出电压抬升控制信号给电压抬升DC-DC单元；

电压抬升DC-DC单元，根据电压抬升控制单元的输出，抬升功率放大器的电源电压，以便喇叭能获得更大的功率，同时相除信号的消波；

功率放大器，放大数模转换单元输出的电流信号和电压抬升DC-DC单元的输出的电压信号，并将放大后的信号输出给喇叭。

2.如权利要求1所述的智能音频管理系统，其特征在于：自适应滤波器，根据喇叭输入的电压值和电流模数转换单元反馈的喇叭电流值，识别出喇叭的阻抗或跨导特性，并将阻抗或跨导特性输出给喇叭参数评估和预估单元；

喇叭参数评估和预估单元，对输入的阻抗或跨导特性进行运算，评估出喇叭的温度；

自动增益控制单元，当喇叭参数评估和预估单元输出的喇叭音圈温度超过设定值时，降低增益。

3.如权利要求1所述的智能音频管理系统，其特征在于：所述喇叭参数评估和预估单元，根据输入的阻抗或跨导特性进行运算，还评估出喇叭的谐振频率,品质因子,直流阻抗,最高增益。