CN110121133A - 通过监测扬声器失真来动态校正输出电平以最小化失真 - Google Patents
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Abstract
具有自动音量调节以避免过度失真的扬声器系统包括用于将输入信号转换为输入频域信号的第一转换器；以及用于将麦克风信号转换为环境频域信号的第二转换器。失真分析器接收第一转换器和第二转换器的输出并确定至少一个失真水平并提供至少一个增益调节信号，以用于控制校正器来调节扬声器驱动器的增益。该系统执行通过自动调节多个频带中的每个频带中的音量来减少失真的方法，该方法包括将输入信号转换为频域输入信号；将麦克风信号转换为环境频域信号；确定失真水平；产生增益调节信号；以及调节提供给扬声器驱动器的信号的增益。
Description
背景技术
许多放大器和扬声器系统在低于音量失真阈值的音量下提供相当好的音质再现，而在明显高于音量失真阈值的音量下提供严重失真的声音。
高于音量失真阈值的失真可能是由放大器削波或饱和以及扬声器本身的非线性引起的。例如，虽然许多扬声器具有扬声器锥体悬架系统(其作用类似于用于小锥体位移的近线性弹簧)，但是在大的锥体位移处返回力是非线性的，比线性弹簧的预期强。其他非线性是由音圈在扬声器的磁场中移动时的电感变化，以及扬声器锥体移动时扬声器箱体积的变化引起的。然而，更多的非线性是由胶水松动或失效、摩擦扬声器部件、污垢和其他与年份相关的影响引起的。
扬声器壳体通常兼作蜂窝电话、电视、计算机或对讲机的其他电子设备的外壳，当壳体部件和壳体内容物振动时(包括相互振动)，扬声器壳体也可能在高音量下引入非线性。
放大器和扬声器中的所有这些非线性导致放大器-扬声器系统失真。
扬声器失真通常包括谐波失真，其中会出现大信号的二次和三次谐波。除了谐波之外，扬声器失真还可以包括互调产物，其中第一和第二输入频率混合以在扬声器输出中产生和频和差频。许多人可以听到这些谐波和互调产物，发现它们令人反感并发现它们会损害语音清晰度。
通过使用具有更高失真阈值的更大、更高功率的扬声器系统，可以减少高音量下的扬声器系统失真-这增加了系统的成本。
还可以通过使用动态压缩来减少明显的扬声器系统失真，在动态压缩中大声信号被检测到并且被自动减小音量。这种系统通常需要仔细设计用于每个扬声器系统、放大器和应用的压缩参数。
发明内容
在实施例中，具有自动音量调节功能以避免过度失真的扬声器系统包括：第一转换器，用于将输入信号转换为输入频域信号；和第二转换器，用于将麦克风信号转换为环境频域信号。失真分析器接收第一转换器和第二转换器的输出，并确定至少一个失真水平并提供至少一个增益调节信号，以用于控制校正器调节扬声器驱动器的增益。
在另一实施例中，扬声器系统执行通过自动调节多个频带中的每个频带中的音量来减少失真的方法，该方法包括：将输入信号转换为频域输入信号；将麦克风信号转换为环境频域信号；确定失真水平；产生增益调节信号；以及调节提供给扬声器驱动器的信号的增益。
附图说明
图1是用于自动检测扬声器系统失真并相应地调节音量的系统的实施例的概念框图。
图2是用于自动检测扬声器系统失真并相应地调节特定音量带中的音量的系统的实施例的概念框图。
图3是用于如图2所示的多通道音量校正的失真分析器的概念框图。
图4是示出系统的操作的流程图。
具体实施方式
单通道校正
具有对扬声器系统失真进行自动检测和补偿的单声道扬声器系统100在图1中示出。在该系统中，输入信号102被馈送到频带和幅度检测子系统，借助于数字时域到频域转换或者在一些实施例中借助于模拟滤波器组104来实施。在特定实施例中，数字时域到频域转换由快速傅里叶变换(FFT)单元、离散傅里叶变换(DFT)单元，或通过离散余弦变换(DCT)来执行，这些单元中的每个均提供输入信号的频域表示。麦克风106被放置以观察由扬声器108产生的声音107，且麦克风106联接到另一频带和幅度检测子系统，同样借助于数字FFT、DFT或DCT单元或模拟滤波器组110来实施。每个数字FFT、DFT或DCT单元或滤波器组104、110产生频域输出112、114，频域输出112、114包括其相应输入信号(输入信号102或麦克风106)的幅度与频率分布图。幅度与频率图或频域信号112、114被输入到失真分析器116，所述失真分析器116确定扬声器108产生的声音107是否具有不可接受的失真。如果失真是不可接受的，则失真分析器116将调节信号118提供到校正器120，所述校正器120在最终的放大器和扬声器驱动电路122中在放大之前调节输入信号102的音量，所述放大器和扬声器驱动电路122继而驱动扬声器108。
失真分析器116基于以下事实：非线性装置(例如被驱动到饱和的放大器和过载的扬声器)产生第二、第三和更高次谐波和互调产物，所有这些都可能出现在设备输入可能是无声的频带中。基本失真分析器116可以通过检查输入幅度-频率图112和麦克风幅度-频率图114的频带中的幅度来操作。当输入幅度-频率图112的频带A具有可忽略的信号或没有信号，但是输出幅度-频率图114的相同频带A示出了显著的信号时(当频率A的一半处的频带A/2、频率A的三分之一处的频带A/3、频率A的四分之一处的频带A/4中的一个或多个具有显著的信号时)，可认为失真产物存在于A频率的频带中。当检测到频带A中的失真产物时，失真分析器116断定存在于频带A/2、A/3或A/4中的任何或所有高音量信号都是失真的。
当失真分析器116确定存在高于阈值的失真时，失真分析器116改变调节信号118以减小校正器120中的增益，从而减少到扬声器驱动器122的输入并减小扬声器108处的幅度以减少失真。
多频带校正
一个或若干频带中的大信号可能导致许多频率上的相当大的失真，从而产生令人讨厌的噪音并损害语音信号的可懂度。
尽管某些频段的音量减小，但语音的可懂度通常会得到保持。例如，在低频(例如低于300Hz)下具有减小的音量，同时在较高频率下保持全音量的语音会保持很大的可懂度。我们提出了一种扬声器系统200(图2)，其识别具有高音量并且导致失真的语音的特定频带，然后调节这些频带中的音量，同时保持其他频带不变。
在该系统中，输入信号202被馈送到模拟域或时域到频域转换器204，以便转换为频域输入206，转换器204执行频带和幅度检测，并且通常借助于模拟到数字转换器(如果信号是模拟的)和数字快速傅里叶变换(FFT)单元204(尽管在一些实施例中模拟滤波器组可以代替FFT)来实施。频域输入206被馈送到多频带校正器208，所述多频带校正器208适于单独控制频域输入的每个频带的增益。在使用带宽为80到8000Hz的FFT、使用12毫秒FFT时间片和24khz采样的实施例中，可能有288个这样的频带；在大多数系统中，频域输入信号中至少有100个频带。
校正器208具有输出210；校正器输出210表示具有应用于一些但不是所有频带的增益调节的时域输入206。校正器输出210被馈送到频域到模拟域转换器212，模拟域转换器212通常包括数字逆FFT单元和数字到模拟转换器，以向扬声器驱动器214提供模拟信号，扬声器驱动器214继而驱动扬声器216；扬声器216是音频系统领域中已知的扬声器。
麦克风218感测由扬声器216发射到环境中的音频220，提供环境音频信号222，该环境音频信号222被提供给另一个模拟域或时域到频域转换器224，用于转换为频域环境音频信号226。频域环境音频信号226和校正器输出210两者被输入到失真分析器228，失真分析器228向多频带校正器208提供各增益调节信号230。
在该实施例中，仅仅识别正在发生失真是不够的，有必要识别具有引起失真的大音量信号的频域输入信号的特定频带，从而可以调节这些频带，同时不改变其他频带。
为了分析失真并确定适当的校正，在我们的失真分析器228、300(图3)中，我们在执行FFT和逆FFT功能的相同数字信号处理器中使用自适应滤波器304来构造扬声器驱动器214、扬声器216和音频220至麦克风218的路径的模型。校正器输出210、302被输入到自适应滤波器304，并且在最小二乘差值检测器308中将每个时间片的自适应滤波器输出306与频域环境音频信号310、226进行比较。差值检测器308的最小二乘输出被馈送到系数适配器312，系数适配器312调节自适应滤波器304的系数以最小化每个时间片中差值检测器308的最小二乘输出，从而拟合自适应滤波器的系数使得它正确地模拟扬声器驱动器214、扬声器216和音频220到麦克风218的路径的失真。
自适应滤波器包括非线性项，并且包括多个乘法器，每个乘法器将自适应滤波器的系数乘以从自适应滤波器的输入或延迟输入导出的项。
在特定实施例中，自适应滤波器实施
其中q＝2,3,...表示第q个谐波，q＝1表示每个基带
hqk(n,k)＝[hqk(n,k),hqk(n-1,k),…hqk(n-P,k)]T (2)
是包含阶数为P的自适应滤波器系数的向量。
so(n,k)＝[so(n,k)so(n-1,k),…so(n-P,k)]T是输出音频的历史，而hH表示向量h的共轭转置。
一旦针对每个时间片完成拟合，我们从自适应滤波器中提取非线性系数，然后在非线性系数加法器320中针对每个第k个频带的所有谐波失真分量对自适应滤波器的系数的功率进行求和。
为了计算谐波失真，基带被忽略，因此i从2开始。通常，Q的范围是2到5，且从6开始的谐波失真通常相当小且可忽略不计。
一旦拟合，在比较器324中比较每个频带k的失真项，以限制Tk326，从而识别导致扬声器系统中的失真的频带k。当相应的失真项Dk超过该频段Tk.326的允许失真阈值时，对于每个频带k，时间片增益寄存器328中的先前时间片增益设置gk(n)328在增益调节器330中被减小，以提供下一个时间片增益设置gk(n+1)332、230。在调节之后，该增益寄存器用于针对下一个时间片控制多频带校正器208中的相应频带的增益。在一个特定实施例中，对于每个时间片，增益设置g(k)被减小一个常数，其中失真项Dk超过该频带Tk的可允许失真阈值，在另一个动态增益调节实施例中，增益设置g(k)被减小一个量
其中Pk(n)是第k个输入音频带的瞬时功率。当Pk(n)增加时，该实施例的增益以大功率抑制信号。类似地，它也随着Dk(n)变大而减小，意味着高非线性。常数Ck是预定义的常量。当第k个输入音频频带接近动态范围的最大值时，它用于将Dk(n)和Pk(n)的乘积缩放到与1相当的水平。
在导致失真大于阈值的频带上的恒定增益减小和动态增益调节实施例中，增益调节器330将小的返回因子加到小于标准增益Gs的g(k)的每个增益，以促使经调节的增益在恢复时间内回到标准增益，恢复时间通常至少为几秒到几分钟。在替代的快速响应实施例中，平滑因子(而非返回因子)被应用于Dk(n)，以促使增益回到标准增益。
参考图2描述的系统应用图4中所示的方法400。
在系统启动时，在一个实施例中每个通道的增益设置被初始化402为初始化常数(诸如统一的)，并且在另一个实施例中被初始化为在系统关闭之前使用的最后增益。输入信号202从时域或模拟域转换404到频域，并且在校正器208中应用406增益设置以提供频域中校正的音频210。经校正的音频210被转换408到模拟域并用于驱动扬声器216。
来自扬声器216的音频由反馈麦克风218接收并转换410到频域。经校正的音频210和频域麦克风音频被分析412以确定失真水平，这些失真水平用于确定414下一个时间片的新增益设置。该方法重复地将多个输入从时间或模拟域转换到频域
组合
本文描述的自动失真减小扬声器系统的特征可以以多种方式组合，如随附的权利要求和以下提出的组合中所描述的：
具有自动音量调节功能以避免过度失真的标记为A的扬声器系统包括：第一转换器，适于将输入信号转换为输入频域信号；第二转换器，适于将麦克风信号转换为环境频域信号；失真分析器，联接以接收所述输入频域信号和所述环境频域信号，所述失真分析器被配置为确定至少一个失真水平并提供至少一个增益调节信号；以及校正器，适于控制提供给扬声器驱动器的信号的增益，所述扬声器驱动器被联接以驱动扬声器。
标记为AA的扬声器系统包括标记为A的扬声器系统，其中，所述至少一个失真水平是多个失真水平，每个失真水平对应于多个频带的不同频带中的失真，并且所述至少一个增益调节信号是多个增益调节信号，每个增益调节信号被联接以控制提供给所述扬声器驱动器的信号的频带的增益。
标记为AB的扬声器系统包括标记为A或AA的扬声器系统，其中，所述第一转换器和所述第二转换器执行快速傅里叶变换(FFT)，所述第一转换器的输出作为所述校正器的输入，并且所述校正器通过逆傅里叶变换(I-FFT)联接到所述扬声器驱动器。
标记为AC的扬声器系统包括标记为A、AA或AB的扬声器系统，其中，所述失真分析器包括自适应滤波器，所述自适应滤波器被联接以接收所述校正器的输出，所述自适应滤波器由系数配置，自适应滤波器系数重复地拟合以提供接近环境频域信号的自适应滤波器输出。
标记为AD的扬声器系统包括标记为A、AA、AB或AC的扬声器系统，其中，在所述自适应滤波器系数拟合到所述环境频域信号之后，根据所述自适应滤波器系数确定所述至少一个失真水平，并且其中，根据所述至少一个失真水平调节所述增益调节信号。
一种通过自动调节多个频带中的每个频带中的音量来减少扬声器系统失真的标记为B的方法包括：将输入信号转换为频域输入信号；将麦克风信号转换为环境频域信号；确定至少一个失真水平；产生至少一个增益调节信号；以及控制提供给扬声器驱动器的信号的增益，所述扬声器驱动器被联接以驱动扬声器。
标记为BA的方法包括标记为B的方法，其中，所述至少一个失真水平是多个失真水平，所述多个失真水平中的每个失真水平对应于多个频带的不同频带中的失真，并且所述至少一个增益调节信号是多个增益调节信号，每个增益调节信号联接以控制提供给所述扬声器驱动器的信号的频带的增益。
标记为BB的方法包括标记为B或BA的方法，其中，通过执行快速傅里叶变换(FFT)将所述输入信号转换为频域输入信号以及将麦克风信号转换为环境频域信号。
标记为BC的方法包括标记为B、BA或BB的方法，其中，确定至少一个失真水平的步骤包括：重复拟合自适应滤波器的系数以提供接近所述环境频域信号的自适应滤波器输出。
标记为BD的方法包括标记为B、BA、BB或BC的方法，其中，确定至少一个失真水平还包括：根据自适应滤波器系数确定所述至少一个失真水平，并且其中根据所述至少一个失真水平调节至少一个增益。
在不脱离本发明的范围的情况下，可以对上述方法和系统进行改变。因此应该注意，包含在上面的描述中或者在附图中示出的内容应该被解释为说明性的而非限制性的。随附的权利要求旨在涵盖本文描述的所有通用和特定特征，以及本公开的方法和系统的范围的所有陈述在语言上落入其中。
Claims (10)
1.一种具有自动音量调节功能以避免过度失真的扬声器系统，包括：
第一转换器，适于将输入信号转换为输入频域信号；
第二转换器，适于将麦克风信号转换为环境频域信号；
失真分析器，联接以接收所述输入频域信号和所述环境频域信号，所述失真分析器被配置为确定至少一个失真水平并提供至少一个增益调节信号；以及
校正器，适于控制提供给扬声器驱动器的信号的增益，所述扬声器驱动器被联接以根据所述至少一个增益调节信号来驱动扬声器。
2.如权利要求1所述的扬声器系统，其中，所述至少一个失真水平是多个失真水平，每个失真水平对应于多个频带中的不同频带中的失真，并且所述至少一个增益调节信号是多个增益调节信号，每个增益调节信号被联接以控制提供给所述扬声器驱动器的信号的频带的增益。
3.如权利要求2所述的扬声器系统，其中，所述第一转换器和所述第二转换器执行快速傅里叶变换(FFT)，所述第一转换器的输出作为所述校正器的输入，并且所述校正器通过逆傅里叶变换(I-FFT)联接到所述扬声器驱动器。
4.如权利要求3所述的扬声器系统，其中，所述失真分析器包括自适应滤波器，所述自适应滤波器被联接以接收所述校正器的输出，所述自适应滤波器由自适应滤波器系数配置，所述自适应滤波器系数重复地拟合以提供接近所述环境频域信号的自适应滤波器输出。
5.如权利要求4所述的扬声器系统，其中，在所述自适应滤波器系数拟合到所述环境频域信号之后，根据所述自适应滤波器系数确定所述至少一个失真水平，并且，根据所述至少一个失真水平调节所述增益调节信号。
6.一种通过自动调节多个频带中的每个频带中的音量来减少扬声器系统失真的方法，包括：
将输入信号转换为频域输入信号；
将麦克风信号转换为环境频域信号；
确定至少一个失真水平；
产生至少一个增益调节信号；以及
控制提供给扬声器驱动器的信号的增益，所述扬声器驱动器被联接以根据所述至少一个增益调节信号来驱动扬声器。
7.如权利要求6所述的方法，其中，所述至少一个失真水平是多个失真水平，所述多个失真水平中的每个失真水平对应于多个频带中的不同频带中的失真，并且所述至少一个增益调节信号是多个增益调节信号，每个增益调节信号联接以控制提供给所述扬声器驱动器的信号的频带的增益。
8.如权利要求7所述的方法，其中，通过执行快速傅里叶变换(FFT)将所述输入信号转换为频域输入信号以及将麦克风信号转换为环境频域信号。
9.如权利要求8所述的方法，其中，确定至少一个失真水平的步骤包括：重复拟合自适应滤波器的自适应滤波器系数以提供接近所述环境频域信号的自适应滤波器输出。
10.如权利要求9所述的方法，其中，确定至少一个失真水平还包括：根据所述自适应滤波器系数确定所述至少一个失真水平，并且根据所述至少一个失真水平调节至少一个增益。
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