CN105191346B - 在音频系统中减小音频失真 - Google Patents

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Abstract

一种音频系统包括：音频驱动器，被配置为接收目标音频信号和反馈信号，并且响应于所述目标音频信号和所述反馈信号来生成调整音频信号。扬声器被配置为将所述调整音频信号转换为声学声音。测试信号发生器被配置为生成比所述目标音频信号具有更高频率的测试信号。所述测试信号使得测试电流流经所述扬声器。电流感测电路被配置为测量流经所述扬声器的测试电流，并且生成指示所述测试电流的电流感测信号。反馈电路被配置为响应于所述电流感测信号来生成所述反馈信号。

Description

在音频系统中减小音频失真
技术领域
在这里公开的实施例涉及音频系统，且更具体地，涉及一种用于减小扬声器的音频失真的音频系统。
背景技术
扬声器是用于接收电信号并且将该电信号转换为可听声音的装置。扬声器可以包括音圈(voice coil)，其位于磁铁的内部并且还附着于振膜(diaphragm)(例如，锥盆(cone))。当将电信号施加到该音圈时，该音圈产生使得音圈及其附着的振膜运动的磁场。振膜的运动推动周围的空气，并且产生声波。
为了更好的声音保真度，扬声器所产生的声波应该与向扬声器施加的电信号成正比。然而，在实际的扬声器中，振膜的运动与所施加的电信号并非精确成正比，并且这种偏差导致声学保真度的损失。对于诸如在移动电话、平板电脑、笔记本计算机、和其它便携式装置中发现的那些小型扬声器之类的小型扬声器而言，声学保真度的损失特别明显。
存在几种原因会导致电信号与振膜的运动之间的偏差。第一，音圈及其相关联的寄生效应是反应性的(reactive)，并且音圈所创建的磁场取决于所施加电信号的频率而变化。这导致音圈的非平坦频率响应。第二，随着音圈的位置在磁铁内部改变，磁铁的磁场对于音圈的作用不是恒定的。当音圈响应于所施加的电信号而往复运动时，其相对于磁铁的位置改变。这改变了音圈的磁场与磁铁的磁场相互作用的量，导致了振膜的运动，该振膜运动的程度取决于音圈的当前位置。第三，支撑振膜的盆架(suspension)的弹性不是恒定的，而是取决于该振膜从其标称位置位移了多远而变化。所有这些因素导致了扬声器所产生的声音中的增加的失真。
发明内容
在这里公开的实施例描述了一种音频系统，其测量通过扬声器的测试电流，作为用于测量该扬声器的电容的一种途径。将测试电流用作反馈，以生成反馈信号，该反馈信号代表扬声器振膜的实际位移。然后，可以将该反馈信号使用在反馈环路中，以调整目标音频信号，从而得到增加的音频保真度。
在一个实施例中，所述音频系统包括：音频驱动器，被配置为接收目标音频信号和反馈信号，并且响应于所述目标音频信号和所述反馈信号来生成调整音频信号。扬声器被配置为将所述调整音频信号转换为声学声音。测试信号发生器被配置为生成比所述目标音频信号具有更高频率的测试信号。所述测试信号还使得测试电流流经所述扬声器。电流感测电路被配置为测量流经所述扬声器的测试电流，并且生成指示所述测试电流的电流感测信号。反馈电路被配置为响应于所述电流感测信号来生成所述反馈信号。例如，所述反馈电路可以是查找表或非线性电路，其生成反馈信号，使得它代表所述扬声器的实际位移。
在一个实施例中，公开了一种音频系统中的操作方法。所述方法包括：响应于目标音频信号和反馈信号来生成调整音频信号；利用扬声器来将所述调整音频信号转换为声学声音；生成比所述目标音频信号具有更高频率的测试信号，所述测试信号使得测试电流流经所述扬声器；测量流经所述扬声器的测试电流；生成指示所述测试电流的电流感测信号；以及响应于所述电流感测信号来生成所述反馈信号。
附图说明
通过结合附图考虑接下来的详细描述，可以容易地理解在这里所公开的实施例的教导。
图1是根据一个实施例的扬声器的物理结构图。
图2是根据一个实施例的来自图1的扬声器10的电模型。
图3是根据一个实施例的处于高频的来自图2的电模型的简化版本。
图4是根据一个实施例的具有减小音频失真的音频系统的框图。
图5是根据一个实施例的具有减小音频失真的音频系统的电路图。
图6图示了根据一个实施例的音频系统的信号波形。
图7是根据另一实施例的具有减小音频失真的音频系统的电路图。
图8是根据又一实施例的具有减小音频失真的音频系统的电路图。
图9是根据另一实施例的扬声器的物理结构图。
图10是根据另一实施例的处于高频的来自图9的扬声器的简化电模型。
图11是根据又一实施例的具有减小音频失真的音频系统的电路图。
具体实施方式
仅仅借助于说明，附图和接下来的描述涉及各种实施例。应该注意，根据接下来的讨论，将容易地把在这里公开的结构和方法的替换实施例认为是可以采用的可行替换方案，而不脱离在这里讨论的原理。
现在，将对于几个实施例详细地做出参考，在附图中图示了所述实施例的示例。注意到，只要可行，相似的或同样的附图标记可以使用在附图中，并且可以指示相似的或同样的功能。仅仅为了说明的目的，附图描绘了各种实施例。根据接下来的描述，本领域技术人员将容易地认识到，可以采用在这里所说明的结构和方法的替换实施例，而没有脱离在这里所描述的原理。
在这里公开的实施例描述了一种音频系统，其测量通过扬声器的测试电流，作为用于扬声器的电容的指标(proxy)。将测试电流用作反馈，以生成反馈信号，该反馈信号代表扬声器振膜的实际位移。然后，在反馈环路中使用反馈信号，以调整目标音频信号，导致了与目标音频信号更加准确匹配的扬声器的位移，这增加了音频保真度。
图1是根据一个实施例的扬声器10的物理结构图。扬声器10包括磁铁12、音圈(coil)14、和附着到该音圈14的振膜16。当将电信号施加到音圈14时，它使得音圈14产生与磁铁12的磁场相互作用的磁场。音圈14和振膜16来回运动，以产生声波。如果音圈14更接近于磁铁12的中心，则磁场之间的相互作用更强。如果音圈14更远离于磁铁12的中心，则该相互作用更弱。这个改变的磁场导致了产生声学失真的非恒定力。
音圈14还产生与磁铁12相互作用的电场18。电场18根据音圈14相对于磁铁12的位置而改变。与磁场相似地，如果音圈处于磁铁12的中心，则音圈14与磁铁12之间的电场18相互作用更强。如果音圈14移动远离磁铁12，则该电场18减小。
图2是根据一个实施例的来自图1的扬声器10的电模型。电阻器R1和电感器L1模拟对扬声器10内部的运动音圈14。电容器C2、电感器L2和电阻器R2模拟空气、振膜16的弹性、和音圈14的运动所导致的感应电动势(EMF)的组合惯量(intertia)。扬声器10还包括两个扬声器端子，可以通过所述两个扬声器端子向扬声器提供电音频信号。
电容器C1代表由扬声器10内部的电场18所引起的扬声器10的自电容。C1随着音圈14的运动而变化。当向音圈14施加正电压时，它远离磁场12移动，减小了电场18与磁铁12的相互作用，并且还减小了电容器C1的电容。当向音圈14施加负电压时，它朝向磁场12移动，增大了电场18与磁铁12的相互作用，并且还增大了电容器C1的电容。因而，C1的值取决于音圈14和振膜16的位置，并且直接关联到扬声器10所产生的声学声音(acoustical sound)。在一些实施例中，C1在10pF与100pF之间变化。
图3是根据一个实施例的处于高频的来自图2的电模型的简化版本。在诸如10MHz之类的音频频率范围以外的高频处，将C2假定为短路，并且由此，可以从电路模型中去除全部的C2、L2和R2。电阻器Rs代表扬声器10的高频电阻，并且对应于来自图2的电阻器R1。电感器Ls代表扬声器10的高频电感，并且对应于来自图2的电感器L1。电容器Cs代表扬声器10的自电容，并且对应于来自图2的电容器C1。
本申请的各实施例使用音圈14的电容Cs，作为用于振膜16位移的指标。可以对电容Cs进行测量，并且使用它作为反馈，以调整向扬声器10提供的电信号的电平，由此补偿电信号与音圈14和振膜16的位移之间的偏差。作为结果，扬声器10具有减小的失真和更好的频率响应。
图4是根据一个实施例的具有减小音频失真的音频系统的框图。该音频系统包括音频驱动器410，该音频驱动器410在其正输入处接收目标音频信号402并且在其负输入处接收反馈信号408。在一个实施例中，目标音频信号402处于20到20,000Hz之间的可听频率范围，并且代表扬声器10要产生的声音。音频驱动器比较目标音频信号402与反馈信号408，以生成调整音频信号404。在一个实施例中，音频驱动器410可以是音频放大器或包括放大级。
补偿电路406耦接到音频驱动器410的输出和扬声器10的端子430。补偿电路406将调整音频信号404传递到扬声器10上，该扬声器10将调整音频信号404转换为声学声音。当扬声器10将调整音频信号404转换为声学声音时，电容器Cs的电容变化。补偿电路406还包括测试信号发生器(未示出)，其将高频测试电流注入到电容器Cs中。对高频测试电流的电流大小进行测试，并且将它用作电容器Cs的瞬时值的指示。将所测量的电流转换为与振膜16的位移成正比的电压，该电压被作为反馈信号408发送到音频驱动器410。音频驱动器410的环路增益使得目标音频402和反馈信号408最终彼此趋同(converge)。由于反馈信号408可以是扬声器10所产生的实际声学声音的准确表现，所以这确保所产生的声学声音相似于目标音频信号402，由此增加了扬声器10所产生的声音的保真度。
扬声器432的底部端子432耦接到地，以向经由顶部端子430输入到扬声器的信号提供放电路径。在其它实施例中，补偿电路406还可以耦接到扬声器12的底部端子432或音频驱动器410的电源输入，如在这里将解释的那样。在其它实施例中，音频驱动器410可以是差分驱动器，而不是单端驱动器。
图5是根据一个实施例的具有减小音频失真的音频系统的电路图。补偿电路406包括测试信号发生器506，其生成交流电(AC)测试信号508。测试信号508以比目标音频信号402的音频频率范围更高的频率进行振荡。例如，测试信号508可以具有10MHz的频率，其远远高于目标音频信号402的20hz-20khz范围。在一个实施例中，测试信号508可以具有基本上固定的电压幅度和基本上固定的频率。然而，当扬声器10产生声学声音时，测试信号508的电流可以变化。
组合器电路510耦接到音频驱动器410的输出和扬声器10的端子430。组合器电路510对测试信号508与调整音频信号404进行组合，以生成向扬声器10提供的组合信号502。组合器电路510可以包括电感器L3和电容器C3。选择电感器L3，以通过音频频率，但是阻止测试信号508的频率。L3防止测试信号508的电流流经音频驱动器410的输出。选择电容器C3，以阻止音频频率，但是通过测试信号508的频率。电容器C3防止调整音频信号404影响测试信号508的电流测量。
向扬声器10的顶部端子430提供包括调整音频信号部分和测试信号部分两者的组合信号502。调整音频信号部分使得扬声器10的音圈14来回运动，由此产生听众可听的声学声音。组合信号502的测试信号部分生成通过电容Cs的测试电流，但是不使扬声器产生声学声音。用于测试信号部分的基本上所有的测试电流流经电容器Cs，而不是电感器Ls。这是因为测试信号部分以高频进行操作，而电感器Ls在高频处是开路。
当音圈14来回运动以产生声学声音时，电容Cs随时间改变。因为Cs改变并且测试信号508的测试电流流经Cs，所以测试信号508的电流大小取决于Cs，并且随着Cs的值改变而改变。因而，当音圈14远离磁铁移动时，电容Cs降低，并且测试信号508的电流大小也是如此。当音圈14朝向磁铁移动时，电容Cs增加，并且测试信号508的电流大小也是如此。
电流测试电路520耦接在测试信号发生器506与信号组合器510之间。电流测试电路520测量测试信号508(其可以具有固定的电压幅度和变化的电流)的电流大小，并且生成电流感测信号512，其指示测试信号508的测试电流大小。例如，电流测试电路520可以包括：串联电阻器，耦接在测试电压发生器506与信号组合器510之间；以及差分放大器，用于放大电阻器两端的电压差。
幅度检测器514接收电流感测信号512，并且检测电流感测信号512的幅度。然后，幅度检测器514生成电流幅度信号516，其代表电流感测信号512的时变幅度。由于测试信号508的电流大小与扬声器10的电容Cs相关，所以电流幅度信号516的瞬时大小也代表扬声器10的瞬时电容Cs。在一个实施例中，幅度检测器514包括二极管D1和耦接到二极管D1的输出的电容器C4。二极管D1充当半波整流器，并且电容器C4对半波整流后的信号进行平滑化，以生成电流幅度信号516。
反馈电路518耦接到幅度检测器514的输出，并且接收电流幅度信号516。反馈电路518将电流幅度信号516转换为反馈信号408，该反馈信号408代表振膜16的位移的程度。在一个实施例中，反馈电路518包括查找表，其将用于电流幅度信号516的值映射为代表振膜16的位移程度的位移值。然后，将位移值转换为被输出为反馈信号408的电压。在一个实施例中，可以通过振膜16位移和电流幅度信号516的实际测量，预先地确定电流幅度信号516和振膜16位移之间的映射，该振膜16位移和电流幅度信号516的实际测量然后被存储到查找表中。
在其它实施例中，反馈电路518可以是非线性电路，其将电流幅度信号516转换为代表振膜16位移的近似程度的反馈信号408。
音频驱动器410接收反馈信号408，并且比较反馈信号408与目标音频信号402，以调整该调整音频信号404的电平。音频驱动器410的环路增益使得目标音频信号402和反馈信号408最终彼此趋同，由此确保扬声器10的声学输出与目标音频信号402的声学输出匹配。
图6图示了根据一个实施例的来自图5的音频系统的信号波形。示出了用于调整音频信号404、测试信号508、电流感测信号512、和电流幅度信号516的信号波形。调整音频信号404是时变电压信号，其使得音圈14来回运动，以产生声学声音。音圈14的运动产生扬声器10的电容Cs上的变化。测试信号508具有基本上恒定的频率和电压幅度。然而，由测试感测信号512所代表的测试信号508的电流大小随着电容Cs改变而改变。在电流感测信号512的电压电平中捕捉测试信号的改变电流。最终，电流幅度信号516是电流感测信号512的时变幅度，并指示测试信号508的改变电流幅度，并且跟踪扬声器10的改变电容Cs。
图7是根据另一实施例的具有减小音频失真的音频系统的电路图。图7的音频系统与图6的音频系统相似，除了现在电流检测器电路520被耦接到扬声器10的另一端子432。电流检测器电路520仍然检测流经电容器Cs的测试电流的大小，但是以稍微不同的方式来执行该测量。
具体地，电流检测器电路520检测组合信号502的电流。组合信号502的电流包括调整音频信号404的音频频率分量、以及测试信号508的高频分量。为了从测试信号508的高频分量分离所述音频频率分量，电流检测器电路520包括串联电容器C5。电容器C5充当高通滤波器，其滤除所检测电流的音频频率分量，但是通过测试信号506的频率分量。作为结果，电流感测信号512指示测试信号508、而不是调整音频信号404的电流大小。在其它实施例中，可以将电容器C5布置在电流检测器电路520与扬声器10之间，以在检测到测试信号508的电流大小之前，滤除音频频率分量。
图8是根据又一实施例的具有减小音频失真的音频系统的电路图。图8的音频系统相似于图7的音频系统，除了现在信号发生器506被耦接到音频驱动器410的电源输入，并且通过改变给音频驱动器410的电源输入来间接地使高频测试电流流经扬声器10。
如所示出的，通过诸如电池或其它电力来源之类的DC电源802来对音频驱动器410供电。测试信号发生器506生成经由电容器C6而与DC电源802组合的测试信号508，以生成调整电源电压804。调整电源电压804具有来自DC供给电压802的DC分量和来自测试信号发生器506的AC分量两者。电源信号804的AC分量改变音频驱动器410的输出，并且使得调整音频信号404具有与测试信号508的频率匹配的高频AC分量。
调整音频信号404的高频AC分量使得高频测试电流流经扬声器10的电容Cs。电流检测电路520测量测试电流的电流大小。该测试电流的大小反映在电流感测信号中，通过幅度检测器电路514来进行幅度检测，以生成电流幅度信号516，并然后，由反馈电路518用来生成反馈信号408。与图5和图7的先前实施例相比，图8的实施例可能更易于实施，这是由于缺少组合器电路510及其相关联的分立部件。
图9是根据另一实施例的扬声器10的物理结构图。图9的物理结构图相似于图1的物理结构图，但是现在，包括印刷电路板(PCB)接地平面902。例如，PCB接地平面902可以用于安装了扬声器10的PCB。在其它实施例中，可以利用与扬声器10相邻的另一接地对象来代替PCB接地平面902。音圈14还具有与PCB的接地平面902相互作用的电场904。当音圈14和振膜16来回运动以产生声学声音时，电场904的强度改变。
图10是根据一个实施例的处于高频的来自图9的扬声器10的简化电模型。来自图10的扬声器模型相似于来自图3的扬声器模型，但是现在，该模型包括电容器Cg来代替电容器Cs。电容器Cg连接到地，并且代表音圈14与PCB接地平面902之间的电场904。当音圈14和振膜16来回运动以产生声学声音时，电容器Cg的电容也改变。
图11是根据又一实施例的具有减小音频失真的音频系统的电路图。在功能级别上，图11的音频系统使用电容Cg作为用于振膜16的位移的指标。音频系统测量通过电容Cg的电流，并且使用该电流来生成反馈信号408，以用于调整该调整音频信号404的电平，由此补偿目标音频信号402与振膜16的实际位移之间的偏差。
在电路级别上，图11的音频系统相似于图5的音频系统，但是现在，包括差分音频驱动器1110，其输出差分的调整音频信号1104。信号组合器1112也是不同的，并且现在，包括在音频驱动器1110的输出与扬声器10之间耦接的电感器L3和L4。电感器L3和L4是阻流器(choke)，其阻止测试信号506向回流经音频驱动器1110的输出。
信号组合器510将测试信号508与差分的调整音频信号1104组合，以生成差分的组合信号1102。扬声器10将组合信号1102的调整音频信号部分转换为声学声音。当扬声器10产生声学声音时，电容器Cg改变。电感器L4和L3阻止测试信号506，并所以，测试信号506可用的唯一放电路径是通过电容器Cg。电流感测电路520测量测试信号506的电流大小，其代表流经电容器Cg的测试电流的量。然后，电流感测电路520生成电流感测信号512，以指示测试信号506的电流大小。
幅度检测器514检测电流感测信号512的幅度，并且生成电流幅度信号516。反馈电路518接收电流幅度信号516，并且使用该电流幅度信号516来生成反馈信号408。在一个实施例中，反馈电路518使用查找表，该查找表将电流幅度信号516的大小映射为用于生成反馈信号408的位移值。用于图11中的反馈电路518的查找表可以与用于图5中的反馈电路518的查找表具有不同的值。
音频驱动器1110接收目标音频信号402和反馈信号408，并且通过比较其两个输入信号来生成差分的调整音频信号1104。所得到的调整音频信号1104补偿目标音频信号402与扬声器振膜16的实际运动之间的偏差。作为结果，扬声器振膜16的位移与目标音频信号402的位移匹配，从而增加音频系统的音频保真度。
一旦阅读了本申请，本领域技术人员将领会到用于在音频系统中减小音频失真的另外的替换设计。因而，尽管已经图示并描述了具体实施例和应用，但是要理解，在这里讨论的实施例不限于这里公开的确切结构和组件，并且可以在公开于此的方法和设备的安排、操作和细节上做出对于本领域技术人员将是明显的各种修改、改变和变化，而没有脱离本申请的精神和范围。

Claims (25)

1.一种音频系统，包括：
音频驱动器，被配置为接收目标音频信号和反馈信号，并且响应于所述目标音频信号和所述反馈信号来生成调整音频信号；
扬声器，被配置为将所述调整音频信号转换为声学声音；
测试信号发生器，被耦接到所述音频驱动器的电源输入，所述测试信号发生器被配置为生成比所述目标音频信号具有更高频率的测试信号，并且利用所述测试信号来调整所述音频驱动器的电源，以生成用于所述音频驱动器的调整电源，所述调整电源引入变化到调整音频信号中，使得测试电流流经所述扬声器；
电流感测电路，被配置为测量流经所述扬声器的测试电流，并且生成指示所述测试电流的电流感测信号；以及
反馈电路，被配置为响应于所述电流感测信号来生成所述反馈信号。
2.根据权利要求1的音频系统，还包括：幅度检测器，被耦接到所述电流感测电路，并且被配置为生成指示所述电流感测信号的幅度的电流幅度信号。
3.根据权利要求2的音频系统，其中，所述反馈电路被配置为响应于所述电流幅度信号来生成所述反馈信号。
4.根据权利要求2或3的音频系统，其中，所述反馈电路包括查找表，所述查找表将用于所述电流幅度信号的值映射为用于所述反馈信号的值。
5.根据权利要求2或3的音频系统，其中，所述反馈电路生成所述反馈信号，使得所述反馈信号与所述电流幅度信号具有非线性关系。
6.根据权利要求1的音频系统，其中，所述测试信号具有基本上恒定的峰峰电压幅度。
7.根据权利要求1或6的音频系统，其中，当所述扬声器的振膜被移位以将所述调整音频信号转换为声学声音时，所述测试电流随时间改变。
8.根据权利要求1的音频系统，还包括：信号组合器电路，被配置为通过组合所述调整音频信号和所述测试信号来生成组合信号，所述扬声器将与所述调整音频信号对应的所述组合信号的一部分转换为声学声音。
9.根据权利要求8的音频系统，其中，与所述测试信号对应的所述组合信号的一部分使得所述测试电流流经所述扬声器。
10.根据权利要求1的音频系统，其中，所述音频驱动器比较所述目标音频信号与所述反馈信号，以生成所述调整音频信号。
11.根据权利要求1的音频系统，其中，所属音频驱动器是单端驱动器。
12.根据权利要求1的音频系统，其中，所述音频驱动器是差分驱动器。
13.根据权利要求1的音频系统，其中，所述电流感测电路包括电容器，被配置为阻止音频频率，并且通过所述测试信号的频率。
14.一种包括扬声器的音频系统中的操作方法，包括：
通过音频驱动器响应于目标音频信号和反馈信号来生成调整音频信号，所述反馈信号代表所述扬声器的振膜的近似位移；
利用所述扬声器来将所述调整音频信号转换为声学声音；
生成比所述目标音频信号具有更高频率的测试信号；
利用所述测试信号来调整所述音频驱动器的电源，以生成调整电源，所述调整电源引入变化到调整音频信号中，使得测试电流流经所述扬声器；
测量流经所述扬声器的测试电流；
生成指示所述测试电流的电流感测信号；以及
响应于所述电流感测信号来生成所述反馈信号。
15.根据权利要求14的方法，还包括：生成指示所述电流感测信号的幅度的电流幅度信号。
16.根据权利要求15的方法，其中，生成所述反馈信号的步骤包括：响应于所述电流幅度信号来生成所述反馈信号。
17.根据权利要求15或16的方法，其中，生成所述反馈信号的步骤包括：利用查找表将用于所述电流幅度信号的值映射为用于所述反馈信号的值。
18.根据权利要求15或16的方法，其中，生成所述反馈信号，使得所述反馈信号与所述电流幅度信号具有非线性关系。
19.根据权利要求14的方法，其中，所述测试信号具有基本上恒定的峰峰电压幅度。
20.根据权利要求14或19的方法，其中，当所述振膜被移位以将所述调整音频信号转换为声学声音时，所述测试电流随时间改变。
21.根据权利要求14的方法，还包括：
通过组合所述调整音频信号和所述测试信号来生成组合信号；以及
将与所述调整音频信号对应的所述组合信号的一部分转换为声学声音。
22.根据权利要求21的方法，其中，与所述测试信号对应的所述组合信号的一部分使得所述测试电流流经所述扬声器。
23.根据权利要求14的方法，其中，通过比较所述目标音频信号与所述反馈信号来生成所述调整音频信号，以生成所述调整音频信号。
24.根据权利要求14的方法，其中，利用单端音频驱动器来生成所述调整音频信号。
25.根据权利要求14的方法，其中，利用差分音频驱动器来生成所述调整音频信号。
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