CN110636407A - 一种全数字扬声器系统及其工作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种全数字扬声器系统及其工作方法。所述系统包括数字信号处理模块、开关电路、数字扬声器和电源；数字信号处理模块、开关电路、数字扬声器顺次连接。本发明能够解决现有数字扬声器超声辐射、信号失真、频率响应差的问题。
Description
技术领域
本发明涉及扬声器技术领域，更具体地，涉及一种全数字扬声器系统及其工作方法。
背景技术
随着大规模集成电路制造技术的迅速发展和新材料的不断涌现，电声产品的集成化、数字化趋势也越来越明显。作为电声行业的主导器件之—的扬声器及其驱动系统的设计与制造也逐渐向低功耗、低噪音、微型化、高保真、数字化的方向发展。回顾扬声器及其驱动系统的发展历程，展望未来发展趋势，可以将其划分为三个阶段：模拟扬声器系统、半数字扬声器系统和全数字扬声器系统。传统的模拟扬声器系统因其电声转换效率低，功耗和发热高，噪声大,失真严重,已经不再受大众消费者的青睐；相反，近些年来，在数字化浪潮带动下产生的半数字扬声器系统，因其驱动采用脉宽调制和D类功放，降低了功耗和发热，大幅度提升了整个系统的电声转换效率，降低了噪音, 这促使半数字式扬声器系统在多媒体音响、手机、MP3播放器、便携式计算机等领域内得到了广泛应用。但是，半数字扬声器系统的驱动后级——D类功放以后仍然需要滤波和数模转换，扬声器本身依然是模拟状态,依然需要模拟信号驱动,依然存在效率、功耗、发热、噪声、失真等问题,只是比纯模拟系统有较大的改善，其末端(绝大部分均采用电动扬声器)依然呈现电感性，依然呈现频率特性差等问题。为了使扬声器系统实现真正的全数字化，需要改造扬声器单元的电声转换模式和物理结构。
目前的全数字式扬声器系统有两种结构模式:阵列式和多音圈式, 其技术并不成熟，主要缺点有：
(1)换能器阵列各阵元要求频率高，需要2倍音频以上(超声频段)的频率以适应数模转换的采样频率要求，实现困难。
(2)如果换能器负载的带宽能够覆盖超声频段，那么当其播放数字脉冲信号时，在空气中会存在超声辐射，对人体产生影响。
(3)换能器阵列各阵元到达空间位置点的传播路径延迟存在着一定差异，会导致各阵元辐射声场叠加后合成的模拟信号空域信噪比分布不均匀和失真
(4)多音圈数字扬声器由于音圈数量的急剧增加，使音圈的重量急剧增加，使得扬声器振动膜的响应频率急剧下降，使扬声器的频带变窄，高频特性变差。
如果能提供一种解决上述各个问题的全数字扬声器，将是十分有市场价值的。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供了一种全数字扬声器系统，包括数字信号处理模块、开关电路、数字扬声器和电源；数字信号处理模块、开关电路、数字扬声器顺次连接。
所述数字信号处理模块由信号预处理单元、时基电路、模数转换电路、延时单元、编码变换单元组成；信号预处理单元、时基电路、模数转换电路顺次连接，时基电路连接模数转换电路、延时单元，延时单元输出端连接编码变换单元。
所述模数转换电路用于将信号预处理单元输出的模拟信号转化为数字信号。
所述编码变换单元用于将模数转换电路的输出信号编码变换为控制开关电路的控制信号。
所述时基电路用于产生时钟脉冲，提供给模数转换电路进行采样、锁存，并经延时单元延时后提供给编码变换单元作为时基载波；
所述开关电路包含用于控制与各路激励线圈对应设置的子电路，通过子电路控制对应激励线圈的通断。
所述数字扬声器包括软磁芯、导磁环、华斯、弹波、若干组激励线圈、音圈、振动膜及振动膜支架；所述软磁芯一侧沿着朝外的方向依次设置多路激励线圈、华斯、弹波、振动膜支架、振动膜；音圈套在软磁芯中间的凸出部分的一端，且位于华斯与软磁芯形成的气隙中；所述导磁环套设在软磁芯外边缘处，防尘罩扣住振动膜盆底部分。
所述电源包含提供给数模转换、编码变换等电路需要的稳压电源和开关电路、音圈需要的稳流电源。
进一步的，激励线圈套设在软磁芯中间的凸出部上，且位于软磁芯、导磁环与华斯构成的内部空间处。
进一步的，所述软磁芯靠近外边缘的部分均匀分布有多个凸出部，每个凸出部上套设有激励线圈，各个激励磁路具有共同的唯一气隙。
进一步的，所述编码变换单元的工作流程为：
步骤一：将接收到的M位并行二进制代码(温度计式编码)中的最高位即权数最大位作为正负符号识别码；
步骤二：将正负符号识别码与剩余的M-1位二进制代码实现逻辑与得到正组位权二进制代码；剩余的M-1位二进制代码取非后与正负符号识别码逻辑与得到负组位权二进制代码。同时将M-1位二进制代码与时钟脉冲实现逻辑与得到带有时钟信息的正组位权二进制代码和负组位权二进制代码。
进一步的，所述振动膜为盆形或者球顶形(但不限于纸盆)。
进一步的，所述时钟脉冲为矩形脉冲(但不限于矩形脉冲)。
进一步的，所述编码变换单元的工作流程还可以为：
步骤一：将接收的脉冲宽度调制码与时间脉冲逻辑“与”，使脉冲宽度波形变为与时间脉冲个数相对应的脉冲波形。(如果接收的为PCM编码则应转换为串行码,并将最高位权数对应1bit位数)
步骤二：步骤二所得的脉冲波形输入至计数器。
步骤三：计数器输出端对应连接1字节位开关电路输入端。
进一步的，还包括若干路互感及续流处理电路，每路该电路与一路激励线圈对应设置，该电路由一个续流单元(本实施例采用续流二极管)及一个瞬态抑制单元(本实施例采用瞬态抑制二极管)串联组成，串联电路一端连接对应激励线圈与电源的连接点，另一端连接对应激励线圈与开关电路的连接点。
上述全数字扬声器系统的工作方法包括如下步骤：
步骤一：信号预处理电路接收模拟音频信号，信号预处理电路对其进行增益控制、低通滤波、双向限幅处理后输出到模数转换电路；
步骤二：模数转换电路将信号预处理电路输出的模拟信号转化为数字信号输出给编码变换单元。
步骤三：编码变换单元将输入信号转化为控制开关电路的控制信号。
步骤四：激励线圈被驱动开通或者关闭，形成数字脉冲电流，对应的磁路中获得脉冲电磁场，各个脉冲电磁场叠加，在磁路气隙中形成合成脉冲磁场。
步骤五：通电音圈在合成脉冲磁场中受到脉冲磁场力作用，推动振动膜前后双向振动。
步骤六：振动膜前后双向振动，还原出模拟信号声场。
进一步的，还包括互感及续流处理步骤，具体为：接通的激励线圈在断路瞬间产生反电势，并在没有接通的激励线圈中产生互感电势，有通过互感及续流处理电路形成感应电流的可能。对应互感及续流处理电路中的串联续流单元和瞬态抑制单元遏制互感电流和反电势幅值。
进一步的，步骤六具体为：振动膜利用其低通滤波特性滤除高于音频的超声载波信号后，带动空气振动还原出模拟音频信号声场。
本发明的优点为：
1.本发明工作在通断交替的数字状态，避免了阶梯噪声放大。也不会进入到过载工作状态和严重非线性区，减小了非线性失真，得到高的信噪比和效能。
2.本发明利用振动膜的低通滤波特性滤除高于音频的超声时钟信号，带动空气振动还原出模拟音频信号声场，避免了传统阵列式全数字扬声器系统在空气中的超声辐射问题。
3.阵列式数字扬声器中各阵元均是振动源，到达空间位置点的传播路径存在着一定差异，导致各阵元辐射声场叠加后合成的模拟信号空域信噪比分布不均匀和失真。本发明的音圈(振动源)只有一个，避免了该现象。
4.传统电动扬声器由于是感性负载，随着频率的增加阻抗变大，高频声音被削弱，频带窄，高频特性差。本发明抗特性曲线平坦，频带宽，即在整个声频段阻抗不变。
5.传统扬声器系统在低频段(20---100HZ)电路实现起来往往很困难，本发明则可实现。
6.阵列式数字扬声器各阵元要求工作频率高(2倍音频以上)，难以实现，本发明只需要激励线圈工作在超声波状态，振动膜则不需要，更容易实现。
附图说明
图1为本发明的结构框图。
图2为数字扬声器的剖视图。
图3为图2为激励线圈不处于同一磁路时，软磁芯的侧视图。
图中：1：软磁芯、2：激励线圈、3：音圈、4：华斯、5：导磁环、 6：弹波、7：振动膜、8：振动膜支架。
具体实施方式
如图1所示，本发明的全数字扬声器系统包括电源、数字信号处理模块、开关电路、数字扬声器。数字信号处理模块与开关电路、数字扬声器顺次连接。下面详细介绍。
一：数字信号处理模块
所述数字信号处理模块由信号预处理单元、时基电路、模数转换电路、延时单元、编码变换单元组成。信号预处理单元、模数转换电路、编码变换单元顺次连接，时基电路连接模数转换电路、延时单元，延时单元输出端连接编码变换单元。
1.信号预处理电路
所述信号预处理单元由自动增益控制电路、滤波电路、限幅电路串联组成，用于对输入的模拟信号进行增益控制、低通滤波、双向限幅的预处理。各个电路可采用现有电路。
2.时基电路
所述时基电路用于产生时钟脉冲(优选矩形脉冲)，提供给模数转换电路，且经延时单元延时后提供给编码变换单元形成时基载波。可采用现有电路。
3.模数转换电路
用于将信号预处理电路输出的模拟信号采样、锁存后转化为数字信号输出给编码变换单元。可采用现有电路。
模数转换电路可采用PCM编码、基于ΔΣ的PCM编码、PWM调制编码。
PCM编码原理：PCM编码需要经过取样、量化、编码三个步骤，以获得二进制格式的编码来表示信号的幅值。为了减少量化比特数，并同时保证编码信号的高信噪比特性。
基于△∑的PCM调制编码的工作原理：当模拟量进入转换器后，先在调制器中做求积处理，并将模拟量转为数字量，再将转换过的数字量转化为模拟量反馈给输入端，与输入信号相减，形成差分信号。实际上模数转换就是对差分信号进行数字化。因而可以大大减少量化 bit数,同时,也可理解为是一个深度闭环负反馈环节,可以大大削弱输入噪音,提高信噪比.同时在后面加一级数字滤波器，可进一步将量化噪音滤掉，从而得到一组精确的数字量.即基于△∑的PCM编码。
PWM调制编码原理:输入信号到比较器,同时将时钟脉冲输入到循环计数器,随着时钟脉冲数的增加,N位计数器的输出增加,与输入比较,小于输入,则寄存器输出为高(1),大于输入,则输出为低(0)。这样一个字节(N位)内寄存器输出为高的时间长短(脉冲宽度)就与输入的幅值对应,形成脉冲宽度调制波(PWM波形)。
采用△∑调制编码的优点是：通过将源信号与参考信号进行差值比较，将差值信号进行二元编码，因误差信号的信息量小，仅需要较少的比特位数即可表示，从而缩减了量化比特位数。
4.编码变换单元
所述编码变换单元用于将并行二进制代码数字信号转换为开关信号(即开关电路的控制信号)。所述开关信号的脉冲频率为时基电路产生的时钟脉冲频率，开关信号的编码代表声音信息。
转换的方法有多种，以下举例说明。
转换方法1：位组编码方式:
将数字扬声器振动膜7的双向运动对应于音频信号的正、负。因此，编码转换为正、负两组二进制代码。
步骤一：将接收到的M位并行二进制代码(温度计式编码)中的最高位即权数最大位DM作为正负符号识别码。M位整数。
也可以在模数转换时就已经将正负信号分开处理。
步骤二：将正负符号识别码与剩余的M-1位二进制代码中的实现逻辑“与”得到正组位权二进制代码；剩余的M-1位二进制代码取非后与正负符号识别码逻辑“与”得到负组位权二进制代码。在正、负识别的同时与时钟脉冲实现逻辑“与”，以给转换后的代码添加时基载波。
具体而言，DM与D1、D2、、、、DM-1实现逻辑“与”得到正组位权二进制代码；将DM与取非后的D1、D2、、、、DM-1实现逻辑“与”得到负组位权二进制代码。正、负组位权二进制代码的位数均为M-1位。同时，为使激励线圈2任何时候都工作在同一固定频率下，编码变化还必须引入时钟脉冲，即在正、负识别的同时与时钟脉冲实现逻辑“与”，相当于用二进制代码对时钟脉冲进行幅度调制。
转换方法2：1bit数据流编码方式
步骤一：将接收的脉冲宽度调制码与时间脉冲逻辑“与”’使脉冲宽度波形变为与时间脉冲个数相对应的脉冲波形。(如果接收的为 PCM编码则应转换为串行码,并将最高位权数对应1bit位数)
步骤二：步骤二所得的脉冲波形输入至计数器(1字节位)。
步骤三：计数器输出端对应连接1字节位开关电路输入端,进而控制激励线圈2的通断。
二：开关电路
所述开关电路包含用于控制与各路激励线圈2对应设置的子电路，通过子电路控制对应激励线圈2的通断。
当用前述编码转换方法1时，所述开关电路包含对应于正组位权二进制代码的N路正组子电路、对应于负组位权二进制代码的N路负组子电路。正组子电路、负组子电路通过开关控制N路激励线圈2的通断。每组的N个子电路按照位权值大小依顺序排列，N的取值取决于模数转换后数字信号位数、编码及编码变换方式。每路激励线圈2 对应连接一路正组子电路及一路负组子电路。
当用前述编码转换方法2时，开关电路的设计与方法1相同,只是N路对应1bit位。
本实施例中为模数转换后数字信号位数为M位，且采用PCM编码、位组变换，所以N＝2M-2+2M-3+、、、+20。各比特位的数字信号输入到其相应分组的所有开关器件上，控制对应激励线圈2的通断。
四：电源
电源所述电源由稳压模块和稳流模块组成。用于提供给数字处理模块稳定电压、提供给开关电路2N路稳定电流(如果有缓冲电路则应同时提供稳定电压)、提供给音圈3稳定电流。
给开关电路提供稳定电流是为了适应激励线圈2由于不同路同时导通时相互间的互感而产生的等效阻抗的变化，保证通过激励线圈 2的电流不变，亦即保证激励线圈2的安匝数不变。
给音圈3提供稳定的电流的作用是：根据安培力公式F＝BIL可知普通电动扬声器的原理是磁感应强度B不变，线圈长度L不变，安培力F跟随音圈3电流I变化，音圈3电流与声音的幅值相关，还原声音信号。本发明的数字扬声器是线圈长度L不变，音圈3电流I不变，安培力F跟随磁感应强度B变化，磁感应强度与声音的幅值相关，还原声音信号。
优选的，本发明还设置有互感与续流处理电路。
互感及续流处理电路具有多路，每路该电路与一路激励线圈2对应设置，该电路由一个续流单元(本实施例利用续流二极管)及一个瞬态抑制单元(本实施例采用瞬态抑制二极管)串联组成，串联电路一端连接对应激励线圈2与电源的连接点，另一端连接对应激励线圈 2与开关电路的连接点。
设置互感及续流处理电路的原因是：激励线圈2属电感负载，在断路瞬间会产生大的反电势，为了遏制反电势的峰值，必须续流(采用续流单元)，遏制反电势。同时，接通的激励线圈2会在没有接通的激励线圈2中产生互感电势，有通过续流回路形成电流的可能，干扰脉冲磁场的逻辑叠加，需要限制互感电流的产生采用瞬态抑制单元，将其击穿电压设计在略大于互感电势，使其与续流单元串联后既能起到一定的续流作用，又能遏制互感电流。
五：数字扬声器
如图2所示，所述数字扬声器包括软磁芯1、导磁环5、华斯4、若干组激励线圈2、音圈3、弹波6、盆形的振动膜7及盆形的振动膜支架8。所述软磁芯1一侧沿着朝外的方向依次设置N路激励线圈 2、华斯4、弹波6、振动膜支架8、振动膜7；音圈3套在软磁芯1 中间的凸出部分的一端，且位于华斯4与软磁芯1形成的气隙中；所述导磁环5套设在软磁芯1外边缘处，防尘罩扣住振动膜7盆底部分。
振动膜7采用的是现有的纸盆，但是不仅限于盆形，还可以采用球顶型。
为了结构简单，体积小巧,N路激励线圈2绕制在同一磁路，当然也可以是性能与结构相同的不同磁路,但有共同的气隙，以便实现单一音圈3模式。根据激励线圈2的设置，软磁芯1可以为不同形态。本实施例中，激励线圈2有两种设置方式。
方式一：激励线圈2套设在软磁芯1中间的凸出部上，且位于软磁芯1华斯4、导磁环5所围成的空间内。
此时，如图所示，软磁芯1外轮廓呈圆形，剖面成T型，中间朝一侧凸出。
方式二：软磁芯1靠近外边缘的部分均匀分布有若干个凸出部 (如图3所示)，每个凸出部上套设有激励线圈2，各个激励磁路具有共同的气缝。
如图所示，为激励线圈2绕制在不同磁路上的示意图。软磁体沿着圆周方向均匀设置有4个磁芯，各个磁芯上套设有激励线圈2。
各路激励线圈2在开关控制模块的驱动下开通和关断，形成数字脉冲电流，对应在磁路中会获得脉冲电磁场。
下面对本发明的工作过程进行阐述。包括如下步骤：
步骤一：信号预处理电路接收模拟音频信号，信号预处理电路对其进行增益控制、低通滤波、双向限幅处理后输出到模数转换电路。
步骤二：模数转换电路将信号预处理电路输出的模拟信号转化为数字信号输出给编码变换单元。
步骤三：编码变换单元将输入信号转化为控制开关电路的控制信号。
步骤四：激励线圈2被驱动开通或者关闭，形成数字脉冲电路，对应的磁路中获得脉冲电磁场，各个脉冲电磁场叠加，在磁路气隙中形成合成脉冲磁场。
步骤五：处在气隙中的、通有恒定电流的音圈3在合成脉冲磁场中会受到安培力的作用----脉冲电磁力作用，从而推动振动膜7前后双向振动。
步骤六：振动膜7前后双向振动，还原出模拟信号声场。
振动膜7固有的低通滤波特性能够滤除高于音频的超声载波信号，还原出模拟信号声场。
当然，上述工作过程中还包括互感及续流处理步骤，具体为：接通的激励线圈2在断路瞬间产生反电势，并在没有接通的激励线圈2 中产生互感电势,有通过互感及续流处理电路形成感应电流的可能，对应互感及续流处理电路中的串联续流单元和瞬态抑制单元遏制互感电流和反电势幅值。
Claims (10)
1.一种全数字扬声器系统，其特征在于，包括数字信号处理模块、开关电路、数字扬声器和电源；数字信号处理模块、开关电路、数字扬声器顺次连接；
所述数字信号处理模块由信号预处理单元、时基电路、模数转换电路、延时单元、编码变换单元组成；信号预处理单元、模数转换电路顺次连接，时基电路连接模数转换电路、延时单元，延时单元输出端连接编码变换单元；
所述模数转换电路用于将信号预处理单元输出的模拟信号转化为数字信号；
所述编码变换单元用于将模数转换电路的输出信号编码变换为控制开关电路的控制信号；
所述时基电路用于产生时钟脉冲，提供给模数转换电路进行采样、锁存，并经延时单元延时后提供给编码变换单元作为时基载波；
所述开关电路包含用于控制与各路激励线圈对应设置的子电路，通过子电路控制对应激励线圈的通断；
所述数字扬声器包括软磁芯、导磁环、华斯、弹波、若干组激励线圈、音圈、振动膜及振动膜支架；所述软磁芯一侧沿着朝外的方向依次设置若干组激励线圈、华斯、弹波、振动膜支架、振动膜；音圈套在软磁芯中间的凸出部分的一端，且位于华斯与软磁芯形成的气隙中；所述导磁环套设在软磁芯外边缘处，防尘罩扣住振动膜盆底部分。
所述电源包含提供给模数转换电路、编码变换单元的稳压电源和提供给开关电路、音圈的稳流电源。
2.如权利要求1所述的一种全数字扬声器系统，其特征在于，若干组激励线圈套设在软磁芯中间的凸出部上，且位于软磁芯、导磁环与华斯围成的空间。
3.如权利要求1所述的一种全数字扬声器系统，其特征在于，所述软磁芯靠近外边缘的部分均匀分布有若干个凸出部，每个凸出部上套设有激励线圈，各个激励磁路具有共同的、唯一的气隙。
4.如权利要求1所述的一种全数字扬声器系统，其特征在于，所述编码变换单元的工作流程为：
步骤一：将接收到的并行二进制代码中的最高位即权数最大位作为正负符号识别码；
步骤二：将正负符号识别码与剩余的各位二进制代码实现逻辑与得到正组位权二进制代码；剩余的各位二进制代码取非后与正负符号识别码逻辑与得到负组位权二进制代码。同时将剩余的各位二进制代码与时钟脉冲实现逻辑与得到带有时钟信息的正组位权二进制代码和负组位权二进制代码。
5.如权利要求1所述的一种全数字扬声器系统，其特征在于，所述编码变换单元的工作流程为：
步骤一：将接收到的脉冲宽度调制码与时间脉冲逻辑与，使脉冲宽度波形变为与时间脉冲个数相对应的脉冲波形；
步骤二：步骤一所得的脉冲波形输入至计数器；
步骤三：计数器输出端对应连接1字节位开关电路输入端。
6.如权利要求1所述的一种全数字扬声器系统，其特征在于，所述时钟脉冲为矩形脉冲。
7.一种如权利要求1～6任一项所述的一种全数字扬声器系统，其特征在于，还包括若干路互感及续流处理电路，每路该电路与一路激励线圈对应设置，该电路由一个续流单元及一个瞬态抑制单元串联组成，串联电路一端连接对应激励线圈与电源的连接点，另一端连接对应激励线圈与开关电路的连接点。
8.一种如权利要求1-7任一项所述的全数字扬声器系统的工作方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一：信号预处理电路接收模拟音频信号，信号预处理电路对其进行增益控制、低通滤波、双向限幅处理后输出到模数转换电路；
步骤二：模数转换电路将信号预处理电路输出的模拟信号转化为数字信号输出给编码变换单元；
步骤三：编码变换单元将输入信号转化为控制开关电路的控制信号；
步骤四：激励线圈被驱动开通或者关闭，开通时稳流电源提供电流，形成数字脉冲电流，对应的磁路中获得脉冲电磁场，各个脉冲电磁场叠加，在磁路气隙中形成合成脉冲磁场；
步骤五：通有恒定电流的音圈在合成脉冲磁场中受到脉冲磁场力作用，推动振动膜前后双向振动；
步骤六：振动膜前后双向振动，还原出模拟信号声场。
9.如权利要求8所述的全数字扬声器系统的工作方法，其特征在于，还包括互感及续流处理步骤，具体为：接通的激励线圈在断路瞬间产生反电势，并在没有接通的激励线圈中产生互感电势,通过互感及续流处理电路形成感应电流，对应互感及续流处理电路中的串联续流单元和瞬态抑制单元遏制互感电流和反电势幅值。
10.如权利要求8所述的全数字扬声器系统的工作方法，其特征在于，步骤六具体为：振动膜利用其低通滤波特性滤除高于音频的超声时基载波信号后，带动空气振动还原出模拟音频信号声场。
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