CN109257683B - 用于扬声器振幅控制的音频系统和方法 - Google Patents

用于扬声器振幅控制的音频系统和方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种用于扬声器振幅控制的音频系统和方法。该音频系统包括用于接收音频输入信号的输入节点；耦合至输入节点、用于接收音频输入信号的信号处理器；以及提供音频输出信号至扬声器的输出节点。此音频系统包括第一模糊逻辑控制器，其配置为接收与音频输入信号及信号处理器相关的采样信号，第一模糊逻辑控制器配置为决定音频输出信号的风险等级。此音频系统还包括第二模糊逻辑控制器，其配置为接收与音频输出信号相关的反馈信号，并决定校正因子。此外，此音频系统配置为基于风险等级及校正因子决定控制信号，以基于控制信号调整音频输出信号。本发明可以实现更逼真的声音品质，而不会损坏扬声器。

Description

用于扬声器振幅控制的音频系统和方法
技术领域
本发明涉及半导体技术领域。更具体地，本发明的实施例涉及用于扬声器振幅控制的音频系统和方法。
背景技术
为了在小尺寸的便携式设备中实现高音量的扬声器，驱动单元通常硬是驱动到它们的机械极限。因此，过大的振膜振幅(diaphragm excursion)和高音圈温度(high voicecoil temperature)是扬声器故障的两个主要原因。在传统扬声器装置中，通常采用高通滤波器(high pass filter)来降低低频分量(low-frequency component)，因为低频分量常会导致扬声器振膜的较大移动。然而，这种方式可能会降低声音品质，因为太多的低音被削去。
因此，解决一些上述限制的改进的方法和系统是被期望的。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供一种用于控制扬声器振幅的系统和方法，其所使用的模糊逻辑控制不仅基于音频系统参数，而且还包括音频输出信号的反馈信号。例如，在一些实施例中，基于反馈电流值、反馈电压值、低频内容(low-frequency content)和扬声器的增益，使用两个模糊逻辑控制器来控制音频输出信号。与使用高通滤波器的传统解决方案相比，此作法可以实现更逼真的声音品质，而不会损坏扬声器。
根据本发明的一些实施例中，扬声器振幅控制的音频系统包括：用于接收音频输入信号的输入节点；用于提供音频输出信号的输出节点，及接收音频输入信号并提供音频输出信号的信号处理器。信号处理器包括模拟数字转换器(ADC)、数字信号处理单元、数字模拟转换器(DAC)、音频放大器和扬声器。音频系统还具有低频和增益采样单元、用于提供音频输入信号的低频分量和音频系统的电流增益。音频系统还具有反馈采样单元，用于提供从输出节点导出的反馈电流信号和反馈电压信号。第一模糊逻辑控制器被配置为接收音频输入信号的低频分量和音频系统的电流增益，并决定音频输出信号相对于扬声器振幅的风险等级。第二模糊逻辑控制器被配置成接收反馈电压信号与反馈电流信号，并且决定一个校正因子。音频系统被配置为基于风险等级和校正因子决定控制信号，并将控制信号提供给信号处理器以用于调整音频输出信号。
根据本发明的一些实施例，音频系统包括：用于接收音频输入信号的输入节点，耦合到输入节点以接收音频输入信号的信号处理器，以及用于提供音频输出信号至扬声器的输出节点。音频系统包括第一模糊逻辑控制器，其被配置为接收与音频输入信号相关的采样信号和信号处理器的增益，第一模糊逻辑控制器被配置为决定音频输出信号的风险等级。音频系统还包括配置成接收与音频输出信号相关的反馈信号并决定校正因子的第二模糊逻辑控制器。此外，音频系统被配置为基于风险等级和校正因子来决定控制信号，并且基于控制信号调整音频输出信号。
根据本发明的一些实施例，提供了一种用于扬声器控制的方法，例如，扬声器振幅控制，适用在被配置为接收音频输入信号并提供音频输出信号输出到扬声器的音频系统。此方法包括向第一模糊逻辑控制器提供与音频输入信号相关的采样信号和音频系统的增益。采样信号在第一模糊逻辑控制器中被处理以提供与扬声器相关联的风险等级。此方法还包括向第二模糊逻辑控制器提供与音频输出信号相关的反馈信号。在第二模糊逻辑控制器中处理反馈信号以提供校正因子。此方法还包括基于风险等级和校正因子来决定控制信号。然后将控制信号提供给音频系统以调整音频输出信号。
本发明可以实现更逼真的声音品质，而不会损坏扬声器。
可以通过参考说明书和附图的其余部分来进一步理解本发明的性质和优点。
附图说明
图1是示出传统的音频系统的方块示意图；
图2是示出根据本发明实施例的扬声器的方块示意图；
图3A是示出用于控制根据本发明实施例的扬声器的音频系统的方块示意图；
图3B是示出在根据本发明的实施例的图3A的音频系统的某些功能单元的方块示意图；
图4是用于图3的根据本发明的实施例的音频系统的某些输入语言变数(linguistic variable)的模糊逻辑隶属函数(fuzzy logic membership function)的图；
图5是用于图3的根据本发明的实施例的音频系统的输入语言变数的模糊逻辑隶属函数另一个图；
图6是用于图3的根据本发明的实施例的音频系统的输出语言变数的模糊逻辑隶属函数的图；
图7是用于图3的根据本发明的实施例的音频系统的输出语言变数的模糊逻辑去模糊化函数的图；
图8是用于图3的根据本发明的实施例的音频系统的某些输入语言变数的模糊逻辑隶属函数的另一个图；
图9是用于图3的根据本发明的实施例的音频系统的另一个输出语言变数的模糊逻辑隶属函数的图；以及
图10是示出根据本发明的一些实施例中的扬声器控制方法的简化流程图。
附图标号
100、300：音频系统
101、302、Vin：音频输入信号
103、303：模拟数字转换器
104、305：数字信号处理单元
105、306：数字模拟转换器
106：音频放大器单元
109、309、Vout：音频输出信号
110、200、360：扬声器
202：音圈
204：磁路单元
206：振膜
301：输入节点
307：音频放大器
308：输出节点
310：信号处理器
320：低频和增益采样单元
321：输入信号的低频分量
322：电流增益值
323：低频采样单元
324：增益采样单元
325：低通滤波器
326：信号
327：DAC的增益
328、329：处理单元
330：反馈采样单元
331：反馈电流信号
332：反馈电压信号
333：电压感测区块
334：电流感测区块
335：电压感测电路
338：电流感测电路
341：第一模糊逻辑控制器
342：第二模糊逻辑控制器
343：风险等级
345：校正因子
347：调整单元
1000：方法
1010、1020、1030、1040、1050、1060：步骤
具体实施方式
下面的描述参考了上面列举的一系列附图。这些图仅仅是实施例，并且不应该不适当地限制本文的权利要求。关于所示出和描述的各个态样，本领域具有通常知识的技术人员将认识到其他变化、修改和替代方案。
图1是示出传统的音频系统的方块示意图。如图1所示，音频系统100被配置为接收音频输入信号Vin(101)并且向扬声器110提供音频输出信号Vout(109)。音频系统100包括一模拟数字转换器(ADC)103、一数字信号处理单元104、一数字模拟转换器105和一音频放大器单元106。这些部件的功能在此不作详细说明。
图2是示出根据本发明实施例的扬声器200的方区块图。扬声器200可以如同图1中音频系统100中的扬声器110使用。扬声器200包括多个音圈202、多个磁路单元204和一振膜206。音圈202附接到振膜206。通过磁路单元204，永久磁铁产生穿过音圈202的磁场。如果音圈202被过度推抵，可能会导致振膜振幅过大，而导致扬声器故障。扬声器故障也可能由音圈过热引起。例如，当为了获得高音量而强行驱动振膜时，扬声器内部的温度会迅速上升并且使得音圈中的胶水熔化。
在本发明的实施例中，提供了采用模糊逻辑来控制扬声器振幅的系统和方法，其不仅基于音频系统参数，也包括从音频输出信号的反馈信号。例如，在一些实施例中，两个模糊逻辑控制器用于基于反馈电流值、反馈电压值、低频内容和扬声器的增益来控制音频输出信号。与使用高通滤波器的传统解决方案相比，此方法可以实现更逼真的声音品质，而不会损坏扬声器。
在一些实施例中，音频系统包括：用于接收音频输入信号的输入节点，耦合到输入节点接收音频输入信号的信号处理器，以及用于提供音频输出信号到扬声器的输出节点。音频系统包括第一模糊逻辑控制器，其被配置为接收与音频输入信号相关的采样信号和信号处理器的增益，第一模糊逻辑控制器被配置为决定音频输出信号的风险等级。音频系统还包括第二模糊逻辑控制器，其被配置为接收与音频输出信号相关的反馈信号并决定校正因子。此外，音频系统被配置为基于风险等级和校正因子来决定控制信号，并且基于控制信号来调整音频输出信号。
图3A是示出根据本发明的实施例的用于控制扬声器的音频系统的方块示意图。图3B是示出根据本发明的实施例的图3A的音频系统中的某些功能单元的方块示意图。如图3A所示，音频系统300包括用于接收音频输入信号302的输入节点301，用于向扬声器360提供音频输出信号309的输出节点308，以及用于接收音频输入信号302并提供音频输出信号309的信号处理器310。信号处理器可以包括模拟数字转换器(ADC)303、数字信号处理单元305、数字模拟转换器(DAC)306、及音频放大器307。
音频系统300还包括一个低频和增益采样单元320，用于提供音频输入信号的低频分量321和音频系统的电流增益值322。在一个实施例中，低频和增益采样单元320可以包括低频采样单元323和增益采样单元324。如图3B所示，低频采样单元323可以包括低通滤波器325和处理单元328，以从ADC303接收信号326并决定音频输入信号的低频分量321。在低频采样单元323中，处理单元328被配置为计算输入信号的低频分量321，其可以包括低频分量的短期功率、低频分量的长期功率、以及低频分量的短期功率和长期功率之间的偏差。增益采样单元324耦合到信号处理器中的DAC(数字模拟转换器)306，以接收DAC306的增益327。增益采样单元324包括处理单元329、且被配置为决定DAC306的电流增益值322。例如，处理单元329配置为计算电流增益值322，其包括增益值的短期功率、增益值的长期功率和增益值的短期功率与长期功率之间的偏差。
音频系统300还包括一个反馈采样单元330，用于提供从输出节点308导出的反馈电流信号331以及反馈电压信号332。如图3B所示，反馈采样单元330还包括电压感测电路335，其被配置为测量在输出节点308处提供给扬声器的电压。反馈采样单元330还包括电流感测电路338，其被配置为测量在输出节点308处提供给扬声器的电流。
如图3A中所示，音频系统300还具有第一模糊逻辑控制器341，其被配置为接收音频输入信号的低频分量321和音频系统的电流增益值322，并决定相对于扬声器振幅的音频输出信号的风险等级343。第一模糊逻辑控制器341是预测和调节系统(predicative andregulates system)，其监视音频流和硬件设置的内容以避免扬声器被过度驱动(overdriven)。音频系统300还具有被配置为接收反馈电流信号331和反馈电压信号332并决定校正因子345的第二模糊逻辑控制器342。第二模糊逻辑控制器342是一个误差校正系统(error correction system)，其监测扬声器上感测电压和电流的测量值，然后对系统进行适当的调整。音频系统300还具有调整单元347，其被配置为基于风险等级343和校正因子345来决定控制信号349。控制信号349被提供给信号处理器310以调整音频输出信号309。
在本发明的实施例中，模糊逻辑系统包括语言变数作为系统的输入或输出变数，其值以自然语言的单词或句子而不是以数值表示。例如，在第一模糊逻辑控制器341中，输入向量N[i]可以包括长期低频能量(LTLFE)，长期低频能量和短期低频能量之间的低频能量偏差(LFEDEV)，长期平均DAC增益值(LTAVDAC)、及长期平均DAC增益值与短期平均DAC增益值的之间的DAC增益值偏差(DACDEV)。第一模糊逻辑控制器341还在输出向量M[j]中具有语言变数：风险等级(RL)，其与导致扬声器的损坏的扬声器振幅的风险等级相关。输入向量N[i]和输出向量M[j]如下列。
N[i]＝[LTLFE、LFEDEV、LTAVDAC、DACDEV]
M[j]＝[RL]
关于上述语言变数时，术语“长期(long-term)”用于与“短期(short-term)”比较，它表示信号如何在短时间内变化。例如，在一些实施例中，长期意味着信号并且可以在1-5毫秒内测量并进行平均，并且短期意味着信号并且可能在1-50微秒内测量并进行平均等等。在一些实施例中，短期可以意味着48K位字节的音频样本，其可以持续约20微秒，并且长期可以意味着可以持续大约2毫秒的10个音频样本。
对于LTLFE(长期低频能量)，输入信号由低通滤波器的采样，然后信号的长期功率可基于冲击时间设置(attack time setting)来计算。此计算可以在数字信号处理单元中使用迭代法(iterative method)来进行。例如，在具体实施例中，可以使用以下公式计算长期功率，
Pa，long＝Pa，long·(1-2VD_LTC-16)+|Arin|·2VD_LTC-16+Th_Pa，long·2VD_LTC-17
其中Pa,long是长期功率，VD_LTC是长期的冲击时间，Arin是输入信号，Th_Pa,long是长时间能量的阈值。在本文所使用的“冲击”用于指示声音的发生。VD_LTC的值大则表示长期，VD_LTC的值小表示短期。
LFEDEV(低频能量的偏差)可被计算为长期低频能量和短期低频能量之间的偏差或差值的绝对值。对于LTACDAC(长期平均DAC增益值)，可以使用与上述相似的公式计算，以根据每个测量样本中系统的电流增益来计算长期增益变化。DACDEV(增益值的偏差)可由长期平均DAC增益值和短期平均DAC增益值之间的偏差的绝对值来计算。当然，也可以使用其他已知的计算信号功率的方法。
在一些实施例中，风险等级可以用于改变音频输出信号来控制扬声器振幅。例如，信号处理器310中的等化器(equalizer)可以被配置用于调整电子信号中的频率分量之间的平衡，例如在声音记录和再生(reproduction)中。等化器可以增强或削弱特定频带或“频率范围”的能量，提升和截止频率参数等。参考图3A，音频系统300具有被配置为接收风险等级343并且向信号处理器310中的数字信号处理单元305提供控制信号349以调整音频输出信号309的调整单元347。
在一些实施例中，对于输入语言变数，长期低频能量(LTLFE)和低频能量(LFEDEV)的偏差，使用三个语言标签“高、中、低”描述隶属函数。对于长期平均DAC增益值(LTAVDAC)和增益值的偏差(DACDEV)，使用两个语言标签“高、低”来描述隶属函数。在这些实施例中，LTLFE和LFEDEV被认为对于扬声器的风险等级比其他输入变数更为关键。对于输出语言变数，风险等级(RL)，使用三种语言标签“高、中、低”来描述隶属函数。
在一些实施例中，明确输入值(crisp input value)被标准化，并映射到使用隶属函数的模糊语言用语(fuzzy linguistic term)。例如，低频能量(LFEDEV)的偏差可以定义为15位无符号数(unsigned number)。然后根据以下公式将输入信号的低频能量的偏差的每个样本标准化为0和1之间的值：
Figure GDA0002658135500000081
其中LFEDEVN是标准化的LFEDEV值，其他隶属函数也可以类似地定义。
图4是根据本发明的一些实施例用于输入语言变数(LFEDEV)的模糊逻辑隶属函数的图，其表示低频能量的(LTLFE)的偏差和长期低频能量。在图4中，横轴表示低频能量的标准化偏差，纵轴表示隶属度(degree of membership)。三种语言标签“高、中、低”是用于描述该语言变数的隶属函数。例如，LFEDEV的值在0-0.25之间时可以视为100％的“低”。LFEDEV的值在0.75-1时视为100％的“高”。LFEDEV的值在0.25-0.75之间时，可以视为一定百分比的“低”和一定百分比的“中”的组合，或是一定百分比的“中”和一定百分比的“高”的组合。例如，0.25-0.50之间的输入语言变数的标准化值可以视为一定百分比的“低”和一定百分比的“中”的组合。类似地，在0.50-0.75之间的输入语言变数的标准化值可以视为一定百分比的“中”和一定百分比的“高”的组合。
图5是根据本发明的一些实施例中为输入语言变数长期平均DAC增益值(LTAVDAC)和增益值的偏差(DACDEV)的模糊逻辑隶属函数的图。在图5中，横轴表示标准化的LTAVDAC或DACDEV，纵轴表示隶属度。两个语言标签“高”和“低”用于描述语言变数的隶属函数。例如，LTAVDAC或DACDEV的标准化的值介于0-0.33之间时，可以视为100％的“低”。LTAVDAC或DACDEV的标准化的值在0.67-1之间时可以视为100％的“高”。LTAVDAC或DACDEV标准化的值介于0.33-0.67之间时可以视为一定百分比的“低”和一定百分比的“高”的组合。
图6是根据本发明一些实施例的输出语言变数风险等级(RL)模糊逻辑隶属函数的图。在图6中，横轴表示标准化风险等级(RL)，纵轴表示隶属度。三种语言标签“高、中、低”用于描述语言变数的隶属函数。例如，风险等级(RL)值介于0-0.25之间时可以视为100％的“低”。RL值介于0.75-1之间时可以视为100％的“高”。RL值介于0.25-0.75之间时，可以视为一定百分比的“低”和一定百分比的“中”的组合，或一定百分比的“中”和一定百分比的“高”的组合。
如上所述，图6示出了输出语言变数和风险等级(RL)的隶属函数。通过了解风险等级，音频系统，例如系统中的等化器，可以降低风险等级或设置更高的音量。例如，如果风险等级非常高，那么系统应该降低增益，并削去更多的低频项目以降低风险等级。但是，如果风险等级很低，等化器应该增加增益，并提高低音部分的声音品质。
在第一模糊逻辑控制器中，输入的语言变数为LTLFE、LFEDEV、LTAVDAC、DACDEV，而输出语言变数是RL(风险等级)。如上所述，LTLFE和LFEDEV具有三个语言标签值，LTAVDAC和DACDEV具有两个语言标签值。因此，输入语言标签值有36[3*3*2*2]个组合。因此，建构一组36[3*3*2*2]的模糊规则来控制输出变量风险等级(RL)。下面列出了第一模糊逻辑控制器341的模糊规则的部分列表。
如LTLFE为“高”、LFEDEV为“高”、LTAVDAC为“高”、DACDEV为“高”，则RL为“高”。
如LTLFE为“高”、LFEDEV为“高”、LTAVDAC为“高”、DACDEV为“低”，则RL为“高”。
如LTLFE为“中”、LFEDEV为“中”、LTAVDAC为“高”、DACDEV为“低”，则RL为“中”。
如LTLFE为“中”、LFEDEV为“中”、LTAVDAC为“低”、DACDEV为“高”，则RL为“中”。
如LTLFE为“低”、LFEDEV为“低”、LTAVDAC为“高”、DACDEV为“低”，则RL为“低”。
如LTLFE为“低”、LFEDEV为“低”、LTAVDAC为“低”、DACDEV为“低”，则RL为“低”。
表I列出了根据一些实施例中第一模糊逻辑控制器341的模糊规则。
表I-第一模糊逻辑控制器中的模糊规则
Figure GDA0002658135500000091
Figure GDA0002658135500000101
Figure GDA0002658135500000111
考虑到模糊规则和相应的隶属度、或隶属函数值，可以生成以隶属函数来描述的模糊结果。接着需要去模糊化来将模糊集合的隶属度解释为一个真正的值。在本发明的一些实施例中，使用重心法来去模糊化以获得明确输出，即控制信号的特定值。例如，作为模糊输出，风险等级为“中”为60％，“高”为40％，则“中”三角形将从底部向上削减60％，“高”三角形将从三角形向上削减40％。其结果形成梯形。图7示出了去模糊化解决方案的实施例。该区域的重心可以计算如下：
Figure GDA0002658135500000112
其中x表示横轴的风险等级，u(x)表示垂直轴的隶属度，c表示对应x值的风险等级(RL)。
如上所述，在一些实施例中，风险等级可以用于改变音频输出信号来控制扬声器振幅。在图3A中，音频系统300具有被配置为接收风险等级343并且向信号处理器310中的数字信号处理单元305提供控制信号349以调整音频输出信号309的调整单元347。
返回参照图3A，在第二模糊逻辑控制器342，监测输出电压和电流以进一步调整系统，进而保护扬声器。在一些实施例中，这两个值可以由电压感测区块333或电流感测区块334中的低通滤波器来处理，以避免定义为短期值(Vsavg、Isavg)的频率突变(glitch)。对于感测到的电流，提取同样从短期值中提取的长期平均值(Ilavg)，以指示电流变化的趋势。第二模糊逻辑控制器342在输出向量中具有语言变数校正因子，也称为预测误差(Predictionerror，PE)。
图8是根据本发明的一些实施例的输入语言变数Vsavg、Isavg、Ilavg的模糊逻辑隶属函数的图。在图8中，横轴表示输入语言变数的标准化值，纵轴表示隶属度。三种语言标签“高、中、低”用于描述语言变数的隶属函数。例如，介于0-0.25之间的语言变数的值可以视为100％的“低”。介于0.75-1之间的语言变数的值可以视为100％的“高”。介于0.25-0.75之间的语言变数的值可以视为一定百分比的“低”和一定百分比的“中”的组合、或一定百分比的“中”和一定百分比的“高”的组合。例如，介于0.25-0.50之间的输入语言变数的标准化值可以视为一定百分比的“低”和一定百分比的“中”组合。类似地，介于0.50-0.75之间的输入语言变数的标准化值可以视为一定百分比的“中”和一定百分比的“高”的组合。
图9是根据本发明的一些实施例的用于输出语言变数校正因子的模糊逻辑隶属函数(CF)，也被称为预测误差(PE)的图。在图9中，横轴表示从-1.0到1.0的标准化校正因子(CF)，纵轴表示从0到1的隶属度。三种语言标签“高、中、低”用于描述语言变数的隶属函数。例如，介于-1.0至-0.5之间的校正因子(CF)的值可以视为100％的“低”。介于0.5-1.0的PE值视为100％的“高”。介于-0.5至0.5之间的校正因子(CF)值可以视为一定百分比的“低”和一定百分比的“中”的组合，或一定百分比的“中”和一定百分比的“高”的组合。
在第二模糊逻辑控制器342中，输入语言变数为Vsavg、Isavg、Ilavg，而输出语言变数是PE(预测误差)。如上所述，每个输入语言变数具有三个语言标签值。因此，输入语言标签值有27[3*3*3]个组合。因此，建构一组27个模糊规则来控制输出语言变数是校正因子(CF)或PE(预测误差)。下面列出了第二模糊逻辑控制器342的模糊规则的部分列表。
如Vsavg为“高”、且Isavg为“高”、且Ilavg为“高”，则PE为“高”。
如Vsavg为“中”、且Isavg为“高”、且Ilavg为“高”，则PE为“高”。
如Vsavg为“高”、且Isavg为“中”、且Ilavg为“低”，则PE为“中”。
如Vsavg为“中”、且Isavg为“中”、且Ilavg为“中”，则PE为“中”。
如Vsavg为“中”、且Isavg为“低”、且Ilavg为“低”，则PE为“低”。
如Vsavg为“中”、且Isavg为“低”、且Ilavg为“低”，则PE为“低”。
表II列出了根据一些实施例的第一模糊逻辑控制器的模糊规则部分。
表II-第二模糊逻辑控制器中的模糊规则
V<sub>savg</sub> I<sub>savg</sub> I<sub>lavg</sub> 校正因子
高 高 高 高
高 高 中 高
高 高 低 高
高 中 高 高
高 中 中 高
高 中 低 中
高 低 高 高
高 低 中 中
高 低 低 低
中 高 高 高
中 高 中 高
中 高 低 中
中 中 高 中
中 中 中 中
中 中 低 中
中 低 高 中
中 低 中 低
中 低 低 低
低 高 高 高
低 高 中 中
低 高 低 低
低 中 高 中
低 中 中 低
低 中 低 低
低 低 高 低
低 低 中 低
低 低 低 低
鉴于上述模糊规则和对应的隶属度，生成以隶属函数来描述的模糊结果。然后可以使用类似于上面结合图7描述的去模糊化解决方案将模糊集合的隶属度转换成实际值。例如，作为模糊输出，校正因子或预测误差为“中”为60％、“高”为40％，那么“中”三角形将从底部向上削减60％，“高”三角形将从三角形向上削减40％，然后形成梯形。该区域的重心将计算如下：
Figure GDA0002658135500000141
其中x表示水平轴中的校正因子，u(x)表示垂直轴的隶属度，c表示对应x值的校正因子(CF)或预测误差(PE)。
在本发明的一些实施例中，校正因子(CF)或预测误差(PE)可用于调整风险等级。如果校正因子的符号为负，则意味着第一模糊逻辑控制器341中的风险等级预测值高于实际情况，即更多低频内容被削去。如果校正因子的符号为正，则意味着在第一模糊逻辑控制器341中预测的风险等级低于实际情况，即应该减少更多的低频内容，以保持扬声器偏离远离危险极限。风险等级可以调整如下：
RL＝RL+N*PE
其中N是可以在系统中选择的系数或作为系统的输入。
在一些实施例中，如上所述的经调整的风险等级可以用于改变音频输出信号以控制扬声器偏移。参考图3A，音频系统300具有被配置为接收风险等级343和校正因子345的调整单元347，以向信号处理器310中的数字信号处理单元305提供控制信号349，以调整音频输出信号309。
在一个扬声器振幅控制系统中，低频内容损失率(low-frequency content lossratio，LFLR)和信号到扬声器的噪声和失真率(signal to the noise and distortionratio，SNDR)是控制系统的性能的两个主要的考虑因素。这些数量可以定义如下。假定通过200Hz截止频率(cut off frequency)的低通滤波器的输入信号的平均功率为Pa，且通过具有200Hz截止频率的低通滤波器的输出信号的平均功率为Pb。低频内容损失率(LFLR)可以定义为：
LFLR＝100％*(Pa-Pb)/Pa
噪声和失真率(SNDR)的信号可以定义为：
SNDR＝P(信号)+P(噪声)+P(失真)/(P(噪声)+P(失真))
进行一种模拟测试，以验证在上述的扬声器振幅控制模型中使用的模糊逻辑的有效性。在模拟测试中，随着音乐片段通过扬声器播放，音乐的频谱被记录在三种不同的条件下：
A.没有保护方法，
B.用简单的高通滤波器保护，以及
C.用本发明的扬声器振幅控制演算法。
比较三个案例的情况。结果表明，尽管简单的高通滤波器可以使扬声器的振幅远离危险极限，但由于过多的低频内容被削去，所以音乐的失真很严重。当将原始输入的频谱图与受保护的输入进行比较时，由本发明的演算法造成的失真是最小的。
图10是示出根据本发明的一些实施例中的扬声器控制方法的简化流程图。如图10所示，方法1000是用于在被配置为接收音频输入信号并且向扬声器提供音频输出信号的音频系统中的扬声器控制(例如扬声器偏移控制)的方法。此方法包括向第一模糊逻辑控制器提供与音频输入信号和音频系统的增益相关的采样信号(1010)。采样信号在第一模糊逻辑控制器中被处理以提供与扬声器相关联的风险等级(1020)。该方法还包括向第二模糊逻辑控制器提供与音频输出信号有关的反馈信号(1030)。在第二模糊逻辑控制器中处理反馈信号以提供校正因子(1040)。该方法还包括基于风险等级和校正因子来决定控制信号(1050)。然后将控制信号提供给音频系统以调整音频输出信号(1060)。在一些实施例中，图10中的方法1000可以利用上面结合图3A、图3B至图9描述的音频系统来实现。
虽然本发明的具体实施例如上所述，该描述不应被视为限制本发明的范围。应当理解，本文所述的示例和实施例仅用于说明目的，并且可以根据其进行各种修改或改变。

Claims (20)

1.一种用于扬声器振幅控制的音频系统，其特征在于，包括：
一输入节点，用于接收一音频输入信号；
一输出节点，用于提供一音频输出信号；
一信号处理器，用于接收该音频输入信号并提供该音频输出信号，该信号处理器包括：
一模拟数字转换器；
一数字信号处理单元；
一数字模拟转换器；
一音频放大器；以及
一扬声器；
一低频和增益采样单元，用于提供该音频输入信号的一低频分量和该音频系统的一电流增益；
一反馈采样单元，用于提供从该输出节点导出的一反馈电流信号和一反馈电压信号；
一第一模糊逻辑控制器，被配置为接收该音频输入信号的该低频分量和该音频系统的该电流增益，并且决定该音频输出信号相对于扬声器振幅的一风险等级；
一第二模糊逻辑控制器，被配置为接收该反馈电压信号和该反馈电流信号，并且决定一校正因子；
其中该音频系统被配置为：
根据该风险等级和该校正因子决定一控制信号；以及
向该信号处理器提供该控制信号以调整该音频输出信号。
2.如权利要求1所述的音频系统，其特征在于，该低频和增益采样单元包括一低频采样单元和一增益采样单元。
3.如权利要求2所述的音频系统，其特征在于，该低频采样单元包括用于决定该音频输入信号的该低频分量的一低通滤波器，并且该低频采样单元被配置为计算该低频采样单元的一短期功率、该低频分量的一长期功率、以及该低频分量的一偏差值，其中该低频分量的该偏差值为该低频分量的该短期功率与该长期功率之间的差值。
4.如权利要求2所述的音频系统，其特征在于，该增益采样单元被配置为：
决定该信号处理器中的该数字模拟转换器的多个增益值；及
计算该多个增益值的一短期功率、该多个增益值的一长期功率，以及该多个增益值的一偏差值，其中该偏差值为该多个增益值的该短期功率与该长期功率之间的差值。
5.如权利要求1所述的音频系统，其特征在于，该反馈采样单元还包括：
一电压检测电路，被配置为测量提供给该扬声器的电压；和
一电流感测电路，被配置为测量提供给该扬声器的电流。
6.如权利要求1所述的音频系统，其特征在于，该控制信号与该风险等级和由一加权因子加权的该校正因子的总和相关。
7.一种音频系统，其特征在于，包括：
一输入节点，用于接收一音频输入信号；
一信号处理器，耦合到该输入节点以接收该音频输入信号；
一输出节点，用于向一扬声器提供一音频输出信号；
一第一模糊逻辑控制器，被配置为接收与该音频输入信号相关的一采样信号和该信号处理器的一增益，该第一模糊逻辑控制器被配置为决定该音频输出信号的一风险等级；
一第二模糊逻辑控制器，被配置为接收与该音频输出信号相关的一反馈信号并决定一校正因子；
其中该音频系统被配置为：
根据该风险等级和该校正因子决定一控制信号；及
提供用于调节该音频输出信号的该控制信号。
8.如权利要求7所述的音频系统，其特征在于，其更进一步包括一低频和增益采样单元，其包括一低频采样单元和一增益采样单元。
9.如权利要求8所述的音频系统，其特征在于，该低频采样单元包括用于决定该音频输入信号的一低频分量的一低通滤波器，并且该低频采样单元被配置为计算该低频采样单元的一短期功率、该低频分量的一长期功率，以及该低频分量的一偏差值，其中该低频分量的该偏差值为该低频分量的该短期功率与该长期功率之间的差值。
10.如权利要求8所述的音频系统，其特征在于，该增益采样单元被配置为：
决定该信号处理器中的一数字模拟转换器的多个增益值；及
计算该多个增益值的一短期功率、该多个增益值的一长期功率，以及该多个增益值的一偏差值，其中该偏差值为该多个增益值的该短期功率与该长期功率之间的差值。
11.如权利要求7所述的音频系统，其特征在于，该反馈信号包括与一反馈电压和一反馈电流相关的信号。
12.如权利要求11所述的音频系统，其特征在于，其更进一步包括一电流感测电路，其被配置为测量提供给该扬声器的电流。
13.如权利要求11所述的音频系统，其特征在于，还包括被配置为测量提供给该扬声器的电压的一电压感测电路。
14.如权利要求7所述的音频系统，其特征在于，该控制信号与该风险等级和由一加权因子加权的该校正因子的总和相关。
15.一种用于音频系统中的扬声器控制方法，其特征在于，该音频系统接收一音频输入信号并向一扬声器提供一音频输出信号，该扬声器控制方法包括：
将与该音频输入信号相关的一采样信号和该音频系统的一增益提供给一第一模糊逻辑控制器；
处理该第一模糊逻辑控制器中的该采样信号和该音频系统的该增益以提供与该扬声器相关联的一风险等级；
向一第二模糊逻辑控制器提供与该音频输出信号相关的一反馈信号；
处理该第二模糊逻辑控制器中的该反馈信号以提供一校正因子；
基于该风险等级和该校正因子来决定一控制信号；及
向该音频系统提供该控制信号以调整该音频输出信号。
16.如权利要求15所述的扬声器控制方法，其特征在于，提供该采样信号的步骤包括：
使用一低通滤波器决定该音频输入信号的一低频分量；及
计算该低频分量的一短期功率、该低频分量的一长期功率，以及该低频分量的一偏差值，其中该偏差值为该低频分量的该短期功率与该长期功率之间的差值。
17.如权利要求15所述的扬声器控制方法，其特征在于，提供该采样信号的步骤包括：
决定该音频系统中的一数字模拟转换器的一增益；及
计算该增益的一短期功率、该增益的一长期功率，以及该增益的一偏差值，其中该偏差值为该增益的该短期功率与该长期功率之间的差值。
18.如权利要求15所述的扬声器控制方法，其特征在于，提供该反馈信号的步骤包括提供与一反馈电压和一反馈电流相关的一信号。
19.如权利要求18所述的扬声器控制方法，其特征在于，还包括使用一电流感测电路来测量到该扬声器的该音频输出信号中的一电流。
20.如权利要求18所述的扬声器控制方法，其特征在于，还包括使用一电压感测电路来测量到该扬声器的该音频输出信号中的一电压。
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