CN110719555A - 用于压电扬声器的音频信号处理装置及其方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于压电扬声器的音频信号处理装置(1)和用于压电扬声器(2)的音频信号处理方法，以产生可听波长频谱的声波,其具有一数字音频信号(Vin)的信号输入端(3)、一用以校正压电扬声器(2)的非线性的数字校正单元(4)、一将数字校正单元(4)所校正的信号转换成一脉波宽度调制切换信号的数字PWM发生器(5)、一受该数字PWM发生器(5)所转换出的切换信号控制而使压电扬声器(2)的压电致动器受一电压(X)充电的功率级(6)以及一形成控制回路的反馈路径,该电压经由该反馈路径反馈作为一反馈信号(Y(z)，Ydig),而该反馈信号(Y(z)，Ydig)中具有由校正单元(4)、PWM生成器(5)、功率级(6)和/或压电扬声器(2)所造成的可听频率范围内的第一信号噪音(Qz)。
Description
【技术领域】
本发明涉及一种用于压电扬声器的音频信号处理装置，用于产生可听波长的声波。该装置包括用于一个将数字音频信号输入的信号输入端、一用于校正扬声器非线性的数字校正单元和一个将校正单元校正的信号转换成脉波宽度调制的切换信号的数字PWM产生器。此外，该装置包括一功率级，该功率级可以受PWM产生器转换的切换信号控制，使得扬声器的压电致动器可以受一电压充电以使振膜偏转。此外，该装置包括一个反馈控制回路，以将该电压回送作为反馈信号，该反馈信号中具有由数字校正单元、PWM生成器、功率级和/或压电扬声器所造成的可听频率范围内的第一信号噪音。本发明还涉及一种用于压电扬声器的音频信号处理方法，用于产生可听波长的声波。
【背景技术】
从US 2010/0271147 A1中已知一种用于操作压电扬声器的装置。这样做的缺点是扬声器音质不佳。
【发明内容】
因此，本发明的目的是改善压电扬声器输出声波的声音质量。
该目的是通过一种用于压电扬声器的音频信号处理装置和具有独立权利要求的特征的相关方法来实现。
本发明提出了一种用于压电扬声器的音频信号处理装置，用于产生可听波长的声波。对于人类来说，可听波长频谱大约自20Hz到20kHz是足够的，该范围可能因人而异，并且特别地可以取决于人的年龄。较低和较高的频率是人类听觉不可察觉的。
该装置具有用于输入数字音频信号的信号输入端。音频信号可以包括例如来自智能手机、MP3播放器或其他设备的音乐、声音和/或语音。音频信号是由输入端送到装置，再由压电扬声器输出。
此外，该装置包括用于一用以校正扬声器的非线性的数字校正单元。数字校正单元可以从信号输入端接收数字音频信号。因此，数字校正单元可以在信号流方向位于信号输入端的下游。非线性的事实会反映在数字音频信号的变化与压电扬声器的声音输出的变化不成线性比例。这可能主要是由于压电扬声器具有复杂的非线性状况。另外，装置和/或压电扬声器的温度变化可能导致非线性。借助于数字校正单元可以减小非线性，从而改善压电扬声器的音质。
此外，该装置包括一数字PWM产生器，利用该数字PWM产生器可将数字校正单元校正的信号转换成脉波宽度调制的切换信号。因此，数字PWM产生器可以在信号流方向位于数字校正单元的下游。
此外，该装置包括一功率级，该功率级可以由PWM产生器转换的切换信号所控制，使得扬声器的压电致动器可以受用于偏转振膜的电压予以充电。功率级可以在信号流方向连接在PWM产生器的下游。功率级可以包括放大器单元，该放大器单元可以用电压对扬声器的压电致动器充电和放电。功率级可以提供输出信号，使得扬声器可以输出对应于数字音频信号的声音，该声音可以包括音乐、声音和/或语音。功率级还可以具有至少一个开关，该开关可以处理PWM产生器的切换信号。
压电扬声器可以由功率级至少部分地充电，例如，利用电源的电能并且再次至少部分地放电，由此产生声波。电能可以由电源提供。压电扬声器具有压电特性，即压电扬声器可以根据其充电状态而偏转。具有电能的压电扬声器的电荷越高，压电扬声器的偏转越高。借助于压电扬声器的偏转，例如当偏转传送到振膜时可以产生声波。结果，位在振动振膜上方的空气可以振动，从而产生声波。此外，压电扬声器的偏转可以通过充电和放电来改变。如果压电扬声器继续充电，则可以增加偏转。另一方面，为了减小偏转，可以释放压电扬声器。因此，压电扬声器可以通过交替充电和放电而振动，例如，振动传送到振膜从而产生声波。压电扬声器可以逐步加载和/或卸除。
因此，可以产生压电扬声器的受控偏转从而产生声波。如果偏转与数字音频信号一致，该数字音频信号可以包括例如音乐、声音或语音，则藉助于压电扬声器产生相应的声音，其同样包括音乐、声音或语音。例如，音频信号可以是音乐文件的形式。在打电话时，呼叫者也可以发出音频信号。
通过电能的充电和放电也可增加或减少压电扬声器的电压。随着压电扬声器上的电压增加，使偏转增加。此外，随着压电扬声器上的电压降低，使偏转减小。此外，由于压电扬声器受到电能充电时，会随着电压而建立电场，故压电扬声器具有电容。压电扬声器因此可以具有电容器的特性。另外，压电扬声器的充电状态或电压及其偏转彼此之间具有关联性。
功率级可以是例如电压转换器。在功率级的帮助下，当仅由电源(例如电池)提供3V时，压电致动器可以被充电到例如30V。功率级可以例如逐步或定时对压电致动器充电。压电致动器的充电取决于数字音频信号。
附加地或替代地，功率级还可以使压电致动器放电。如果要降低振膜的偏转，则可以这样做。压电致动器的较小偏转对应于振膜的较低偏转。由放电电能释放的电能可以再次储存在电源中。
此外，该装置具有形成反馈的反馈路径，利用该回路可以将压电致动器的电压反馈作为反馈信号，该反馈信号中具有由所述数字校正单元、所述PWM生成器、所述功率级和/或所述压电扬声器所造成的可听频率范围内的第一信号噪音。因此反馈路径构成一闭合回路，从而可以改善扬声器的音质。例如，反馈可以在数字校正单元之前传送反馈信号，特别是在信号流方向上。
第一信号噪音导致压电扬声器的声音质量降低。第一信号噪音中的噪音产生的一个原因可能是数字音频信号由信号输入端经过校正单元、PWM产生器、功率级转换成模拟电压后传送到压电致动器而产生。然而，这也可能是精确度不足所造成，例如PWM产生器可能将校正单元校正的信号转换成不精确的切换信号。PWM产生器可能例如具有量化噪音。另外或替代地，校正单元、功率级和/或压电扬声器也可能具有量化噪音。为了使装置小型化，校正单元、PWM产生器和/或功率级的精确度可能是例如仅8位。另一方面，这种分辨率会导致上述量化误差或量化噪音。另外，非线性降低了音频信号的质量和/或扬声器产生的声音。
根据本发明，该装置具有噪音整形单元，该噪音整形单元可内建或设置在控制回路中，使得数字校正单元、PWM生成器、功率级和/或所述压电扬声器造成的第一信号噪音中的噪音能量移位在所述可听频率范围之外。在可听频率范围之外，人类不再能够感知到第一信号噪音，从而提高了扬声器的音质。
有利的是，第一信号噪音的噪音能量可通过噪音整形单元移位到高频范围内。例如，高频范围可以高于20kHz，在此人类不再能够感知第一信号噪音。附加地或替代地，噪音整形单元可以将第一信号噪音的噪音能量移位到装置的系统取样频率的范围内。例如，系统取样频率可以在1MHz的范围内。系统取样频率可以是设备的工作频率。系统取样频率可以是设备操作的频率，特别是设备处理音频信号的频率。
如此可以改善音质。当噪音能量转移位到高频范围时，压电致动器本身也衰减这些频率。由于压电致动器具有一定的质量，因此它具有相应的惯性。压电致动器不再能够跟随高频，因此这些高频被压电致动器本身抑制。压电致动器本身可以用作低通滤波特性。
如果该装置设计为控制电路则是有利的。其控制回路可以以计算器予以实现。然后，控制电路可以由计算器程序执行。附加地或替代地，控制电路也可以是电子控制电路，使得控制电路例如设置在ASIC中。
附加地或替代地，控制回路也可以具有传送路径。传送路径可以包括例如信号输入端、数字校正单元、PWM产生器、功率级和/或压电扬声器。这些可以在信号流的信号流方向顺序排列。
附加地或替代地，控制回路可以具有至少一个反馈路径。反馈路径可以传送反馈信号，其可以包括压电致动器的电压，以形成一封闭回路。
如果噪音整形单元设置在校正单元的信号流方向的上游是有利的。因此，校正单元接收由噪音整形单元形成的信号，其中噪音能量在可听波长之外偏移。噪音整形单元可以例如在校正单元的信号流方向上设置在传送路径的上游。
如果噪音整形单元具有用于移位第一信号噪音的噪音能量的噪音整形电路，则是有利的。可以优化噪音整形电路以将第一信号噪音的噪音能量移位到可听波长之外。
附加地或替代地，噪音整形单元可以包括回路滤波器，用于在校正单元和/或PWM产生器之后抑制量化噪音和/或剩余非线性，从而可以改善声音质量。
如果回路滤波器在信号流方向上位于噪音整形电路的下游，则是有利的。附加地或替代地，回路滤波器可以在校正单元的信号流方向的上游。
有利的是，该装置具有模拟至数字转换器，通过该模拟至数字转换器可以将反馈信号数字化，转换的数字反馈信号具有由模拟至数字转换器在按预期使用时引起的第二信号噪音。模拟至数字转换器可缩写为A/D转换器。借助于A/D转换器，可以将反馈信号数字化，使得它可以在电子和/或逻辑电路中处理。由于每个A/D转换器具有有限的分辨率，因此在数字化期间也会出现误差，特别是量化误差或量化噪音。因此，A/D转换器产生第二信号噪音。
如果A/D转换器设置在反馈路径中是有利的。A/D转换器沿信号流方向设置在压电扬声器的下游。
如果噪音整形电路设计成仅处理第一信号噪音是有利的。因此，噪音整形电路不处理第二信号噪音。例如，第一信号噪音可能大于第二信号噪音，因此仅处理第一信号噪音更有效。如果A/D转换器具有相应高的分辨率，则第二信号噪音也可以由此减小并忽略。例如，A/D转换器可以具有12、14或16位的分辨率。
有利的是，噪音整形单元包括信号传输功能，借助于该信号传输功能，可以基于数字音频信号和数字反馈信号之间的控制误差来确定用于驱动扬声器的控制变量。操作变量可以是用于驱动扬声器的电压。操作变量也可以是压电扬声器充电或放电的电压差。控制误差表示压电致动器的电压的实际值即数字反馈信号与压电致动器的目标值之间存在的误差，其取决于数字音频信号。如果控制误差为零，则压电致动器具有根据数字音频信号应具有的电压。因此，压电致动器无错误地输出音频信号。然而，压电致动器具有第一和/或第二信号噪音。特别地，第一信号噪音会导致控制误差所能确定的误差。控制误差可以例如形成为数字音频信号和数字反馈信号之间的差异。借助于信号传送功能，可以由此确定用于驱动扬声器的控制变量，从而减小误差。操作变量可以是电压。控制误差是输入信号，操作变量是输出信号。
有利的是，信号传输功能被设计成使控制误差延迟一个周期。该周期可以有利地是系统取样频率的周期或设备的工作频率。结果，可以实现例如对反馈信号的反馈、后续周期的控制。
如果信号传输函数STFd由以下第一公式定义，则是有利的：
其中H(z)是系统函数，I(z)是扬声器函数，K(z)是I(z)的倒数，d是控制误差，X是扬声器的操作变量。信号传输函数是由d定义为输入变量或信号，X定义为输出变量或信号。对于系统函数H(z)，信号传输函数STFd可以是例如z-1。对于其他系统功能H(z)，信号传输函数STFd可能根据需要看起来不同。例如，信号传输函数STFd也可以具有更高的阶数。
如果噪音整形单元包括噪音整形传输函数是有利的，借助于该噪音整形传输函数，第一信号噪音的噪音能量是可移位的。噪音整形传输函数可以设计成使得它将第一信号噪音的噪音能量转换为听不见的波长频谱，特别是高于20kHz的频率，优选地转换到系统取样频率的范围。
如果噪音整形传输函数被设计成可低频衰减，则是有利的。特别地，具有第一信号噪音的噪音能量的频率范围被衰减，从而改善了声音质量。
如果噪音整形传输函数NTFd由以下第二公式定义，则是有利的：
其中H(z)是系统函数，I(z)是扬声器函数，K(z)是I(z)的倒数，d是控制误差，X是扬声器的操作变量。Qz可以是数字校正单元、PWM产生器、功率级和/或压电扬声器的干扰信号。例如，Qz描述了由PWM产生器引起的量化误差。例如，通过Qz，可以定义第一信号噪音。例如，Qz可以包括在处理数字音频信号期间发生的任何错误，直到它驱动输出信号至压电致动器。Qz可以包括第一信号噪音。Qz对应于噪音整形传输函数中的输入信号，X对应于输出信号。对于系统函数H(z)，噪音整形传输函数NTFd可以是例如1-z-1。对于其他系统功能H(z)，噪音整形传输函数NTFd可能根据需要看起来不同。例如，噪音整形传输函数NTFd也可以具有更高的阶数。
如果控制变量传输函数由以下第三公式定义，则是有利的：
X(z)＝d*STFd+Qz*NTFd
该第三公式包括作为STFd的信号传输函数和具有NTFd的噪音整形传输函数。d是控制误差，Qz是第一信号噪音或量化误差。对于系统函数H(z)，X(z)＝z-1*d+Qz*(1-z-1)。对于其他系统函数H(z)，X(z)的表达式可以根据需要而有所不同。
如果控制变量传输函数由以下第四公式定义，则是有利的：
在其中，Vin是数字音频信号。对于系统函数H(z)，Y(z)＝z-1*Vin+Qz*(1-z-1)。对于其他系统函数H(z)，Y(z)的表达式可以根据需要而有所不同。
有利的是，噪音整形单元的设计藉由传输函数的零、极点和/或至少一个的阶数，从而增加信号噪声比。附加地或替代地，噪音整形单元被设计成藉由传输函数的零、极点和/或至少一个的阶数，使得谐波失真减小。如此即改善了音质。
有利的是，该装置包括计算器控制单元，以执行所述信号传输函数、噪音整形传输函数、操作变量传输函数和/或控制变量传输函数。该装置还可以包括微控制器，以执行信号传输函数、噪音整形传输函数、操作变量传输函数和/或控制变量传输函数。
有利的是，在数字校正单元中储存一个反映非线性的标准化压电扬声器的测量数据。测量数据可以储存在例如列表中。此外，测量数据可以包括例如压电扬声器的电容量，其优选地储存了压电扬声器的充电函数。测量数据可以包含表征压电扬声器特征的数据。然而，测量数据还可以包括校正单元、PWM产生器和/或功率的数值。测量数据可包括例如电容、电感和/或特性曲线的数值。如此可以用于确定压电扬声器或压电致动器需充电的时间，以便得知对应于音频信号的压电扬声器的振膜的偏转程度。测量数据也可以包括设备的系统参数。
此外，有利的是，校正单元若可考虑这些测量数据，以校正扬声器的至少一部分非线性。如此改善了压电扬声器的音质。
本发明还提出了一种用于压电扬声器的音频信号处理方法，用于产生可听波长中的声波。在这种情况下，可以藉助于该方法操作该装置，该装置根据前述和/或后述说明的一个或多个特征来设计。
该方法处理通过信号输入端送入的数字音频信号。扬声器基于该数字音频信号而产生声音。数字音频信号中包括要由扬声器播放的音乐、声音和/或语音的信息。该方法处理数字音频信号，使得扬声器可以将储存在音频信号中的信息转换为相应于该声音的音乐、音调和/或语音。
在该方法中，扬声器的非线性由一数字校正单元校正。由于扬声器不能线性地响应音频信号，因此借助于校正单元校正该非线性。这些可能是由于例如扬声器在不同状态下有不同的反应。例如，压电扬声器具有依存于该压电扬声器的当前充电状态的电容。校正单元可以包括压电扬声器的当前状态，例如充电状态，以便校正非线性。另外，压电扬声器的温度可能导致非线性。不同的温度会导致不同的状况。此外，压电扬声器的使用年限也会导致非线性。较旧的扬声器可能以不同于新扬声器的方式响应信号。
此外，校正单元所校正的信号会由数字PWM产生器转换成脉波宽度调制的切换信号。
功率级由PWM产生器转换的切换信号驱动，使得扬声器的压电致动器受到用于使振膜片偏转的电压充电。当振膜偏转时，振膜上的空气会响应于传送该声音、音乐和/或语音的声波而振动。结果，振膜的正确偏转是重要的。振膜的不适当偏转将导致声波传输的声音、音乐和/或语音失真。为了实现高音质，有利的是，偏转尽可能地响应于数字音频信号。
当压电致动器逐步充电时，振膜可以逐步偏转。例如，当电池的电源具有3V的供电电压，但压电致动器以高达30V的电压放电时，即可实现。
举例来说，功率级可以包括至少一个开关，该开关由PWM产生器的脉波宽度调制的切换信号致动。由此，压电致动器被充电，该电压可以具有模拟值。因此，校正单元、PWM产生器和/或功率级可以将数字音频信号转换为压电致动器的电压，其中电压具有模拟值。因此，校正单元、PWM产生器和/或功率级可以作为数字至模拟转换器。
此外，压电致动器的电压通过控制回路的反馈作为反馈信号。该反馈信号中具有由数字校正单元、PWM生成器、功率级和/或压电扬声器所造成的可听频率范围内的第一信号噪音。因此反馈路径构成一闭合回路。在控制回路的帮助下，压电扬声器的音质得到改善。借助于控制回路可以减少输出声音中例如由校正单元、PWM产生器、压电扬声器和/或功率级在信号处理中引起的误差。
根据本发明，所述校正单元、PWM产生器、功率级和/或压电扬声器将噪音整形单元的第一噪音信号的噪音能量移出可听频率范围外。噪音能量可以移位到可听频率范围之上的范围内。例如，噪音能量可以移位到20kHz的频率上。在这样的频率范围，人耳无法感知该第一噪音信号，使得由扬声器输出的声音质量得以改善。或者，噪音能量也可以移位到系统取样频率的范围。系统取样频率也可以是音频信号处理方法的工作频率，例如在1MHz的范围内。在这样的频率范围，由于压电致动器或扬声器的惯性，使得压电致动器或扬声器可以不再跟随该频率。结果，第一信号噪音的噪音能量受到衰减。压电致动器或扬声器具有低通滤波器的特性。
在以下示例性实施例中描述了本发明的其他优点。
【附图说明】
图1是压电扬声器的音频信号处理装置的方块图。
图2是具有噪音整形单元的压电扬声器的音频信号处理装置的方块图。
图3是压电扬声器的信号处理线性模型的流程图。
【具体实施方式】
图1显示用于压电扬声器2的音频信号处理装置1的方块图。通过压电扬声器2可以产生被人耳感知的可听波长的声波。声波可以包括声音、音乐和/或语音，故可借助于扬声器2，例如可听到或听取电话中的声音。因此，音频信号处理装置1和扬声器2可以设置在例如智能手机、MP3播放器或其他设备中，尤其是便携式设备中。
压电扬声器2包括这里未示出的压电致动器，扬声器2的振膜(也未示)可以利用该压电致动器偏转，以振荡振膜上方的空气，从而产生声波、音乐和/或语音。
为了使压电致动器偏转，可以用电压对其充电。如果压电致动器的电压增加或减小，则其自身的偏转也增大或减小。通过对压电致动器充电可以在压电致动器中储存电能，使得致动器具有电容器的特性并具有电容量。
音频信号处理装置1还具有一数字音频信号的信号输入端3。该数字音频信号包括欲由扬声器2产生的相应音乐、声音和/或语音的声音信息。一般而言，音频信号包括和扬声器2所产生的声波有关的信息。扬声器2所产生的声波质量，特别是声音质量，可能取决于音频信号处理装置1偏转压电致动器以匹配数字音频信号。
根据本实施例，音频信号处理装置1具有一数字校正单元4，该数字校正单元可以校正压电扬声器2的非线性。非线性的问题例如可能会因为压电致动器的偏转变化时产生，取决于压电致动器本身的瞬时偏转。此外，压电致动器的电容可能受到偏转的影响，而产生非线性的来源。当决定压电致动器的充电电压时，例如必须考虑当时的电压。非线性的产生仍然可能有几个因素。因此，压电致动器的尺寸、温度或老化都应考虑。然而，附加地或替代地，音频信号处理装置1本身也可能导致扬声器2的非线性。
数字校正单元4可以接收数字音频信号并输出一校正信号。
音频信号处理装置1还包括一PWM产生器5，利用该PWM产生器5可将校正单元4所校正的信号转换成一脉波宽度调制的切换信号。
此外，音频信号处理装置1包括一功率级6，其可以受PWM产生器5所转换的切换信号所控制，使得压电扬声器2的压电致动器可以受一电压充电以使振膜偏转。功率级6例如可以是放大器单元，其例如可将电压从3V增加到30V。功率级6可以处理脉波宽度调制的切换信号，使得扬声器2的压电致动器受充电。在这种情况下，压电致动器充电的电压取决于脉波宽度调制的切换信号。致动器的电压可以由脉宽调制切换信号予以调节。在这种情况下，设定的电压向压电致动器充电，使得振膜偏转，而产生与数字音频信号相匹配的声音。
功率级6可以由电源8提供电能以对压电致动器或压电扬声器2充电。电源8可以是例如智能手机的电池。
为了形成一控制回路，音频信号处理装置1具有一反馈线7，利用该反馈线可以将压电致动器的电压回送作为一反馈信号。
反馈线7可以反馈到一第一相加点10。第一相加点10的设计可将反馈信号与数字音频信号进行比较。例如，第一相加点10可以依据反馈信号和数字音频信号之间的差异产生一差异值。由于第一相加点10产生差异值，因此也可以是相减点。结果，可以确定音频信号和压电致动器上的电压之间的误差或误差，其相对应于表示数字音频信号的期望值与表示位在压电致动器的电压实际值之间的误差值。
在反馈信号被反馈到第一相加点10之前，它可以被馈送到一模拟至数字转换器9(简称A/D转换器)。通过A/D转换器9，可以将反馈信号数字化成可在电子或逻辑电路中处理的信号。
反馈信号可用于由压电扬声器2所产生的音频范围内的声波和由校正单元4、PWM产生器5、功率级6和/或压电扬声器2所造成的第一信号噪音。
该第一信号噪音会因为例如量化噪音或量化误差而产生。校正单元4、PWM产生器5、功率级6和/或压电扬声器2可以被描述为一数字至模拟转换器(或简称D/A转换器)，因为这些组件将信号输入端3的数字音频信号转换成压电致动器的模拟型式的电压。在这种情况下，由于校正单元4、PWM产生器5和功率级6将数字音频信号转换为压电扬声器2所需的输出信号，故它们可以组合成一D/A转换器。致动器中的电压或扬声器2的输出信号中的数字音频信号在转换时，可能会产生第一信号噪音，而降低可听频率范围内的声音质量。
音频信号处理装置1还具有一传送路径13。本实施例中的传送路径13包括信号输入端3、数字校正单元4、PWM产生器5和功率级6。另外，传送路径13仍包含压电扬声器2，尽管它在图1中并没有和传送路径13的其他组件对齐。电源8也可以是传送路径13的一部分。
音频信号处理装置1附加地或替代地具有一反馈路径14。此反馈路径14包含A/D转换器9，其接收来自压电扬声器2的反馈信号，再予以数字化并反馈。
传送路径13和反馈路径14可以形成一控制回路。
音频信号处理装置1或控制回路还具有一信号流15，图中的箭头指示该信号流的方向。信号流15从信号输入端3经由第一相加点10、校正单元4、PWM产生器5、功率级6引导到压电扬声器2，压电扬声器2，而形成传送路径13。信号流15还从压电扬声器2经由A/D转换器9返回到信号输入端3并且到达第一相加点10，如此形成反馈路径14。因此，信号流15在控制回路中流动。
图2显示用于压电扬声器2中作为音频信号处理的音频信号处理装置1的方块图。音频信号处理装置1中包括一噪音整形单元16，该噪音整形单元16的设计可将校正单元4、PWM产生器5、功率级6和/或压电扬声器2所产生的第一信号噪音的噪音能量移位到可听频率范围之外。例如，第一信号噪音的噪音能量可以移位到可听频率范围之上的范围。可听频率范围大约在20kHz以下，如此使得第一信号噪音被移位后，其噪音能量不再能被人耳感知。例如，噪音能量可以移位到高于20kHz或高于100kHz的频率范围。
第一信号噪音的噪音能量也可以被移位到音频信号处理装置1所使用的系统取样频率的频率范围内。系统取样频率可以是例如音频信号处理装置1的工作频率。例如，可以是在1MHz的范围内。在这样的高频率下，因为压电致动器不能跟上这样的高频，故第一信号噪音的噪音能量也可以被衰减。结果，压电致动器可以具有低通滤波器的特性。
根据本实施例，噪音整形单元16在信号流15的信号流方向设置在校正单元4的上游。例如，噪音整形单元16可以设置在传送路径13中和/或反馈路径14中。此外，噪音整形单元16在信号流15的信号流方向设置在A/D转换器9的下游。
此外，根据本实施例的噪音整形单元16可以包括一噪音整形电路11和/或特别是数字的回路滤波器12。借助于噪音整形电路11，第一信号噪音的噪音能量可以移出可听频率范围。噪音整形电路11在此设置在反馈路径14中。此外，噪音整形电路11在信号流15的信号流方向上设置在A/D转换器9的下游。噪音整形电路11在信号流15的信号流方向上设置在信号输入端3的上游。因此，噪音整形电路11以此方式可将噪音能量移出可听频率范围。然后，在此过程中，噪音整形电路11和/或噪音整形单元16形成的信号即可传送到第一相加点10。
回路滤波器12是设置在传送路径13中。回路滤波器12在信号流15的信号流方向上位于信号输入端3的下游。回路滤波器12在信号流15的信号流方向设置在校正单元4的的上游。
图3显示压电扬声器2的音频信号处理的流程图。
数字音频信号Vin可以由信号输入端3送入。在信号流15的信号流方向，信号输入端3的下游即是第一相加点10。在第一相加点10处，数字音频信号Vin可以与数字反馈信号Ydig进行比较。例如，由两个信号可以形成差值。例如，可以形成d＝Vin-Ydig。在这种情况下，有利地，可以将音频信号处理装置1的系统频率的数字反馈信号Ydig与目前数字音频信号Vin进行比较。例如，可以确定d＝Vin(n)-Ydig(n-1)。因此，d可以控制误差。d也是压电扬声器2必须调节的电压值。如果能依据数字音频信号Vin产生相应的声音施加一必要的电压至扬声器2的压电致动器的话，则该d值可以为零。然而，由于例如压电扬声器2的非线性所造成的误差，第一信号噪音Qz和/或第二信号噪音ed即可能发生非零的控制误差d。
控制误差d在信号流15的信号流方向上被引导到第二相加点17。在第二相加点17中，可以将控制误差d与压电扬声器2的电压变化dy进行比较。dy可以定义压电扬声器2的连续电压的差异。例如，第二相加点17可以形成控制误差d和电压变化dy之间的差值。例如，根据本实施例，可以形成P＝d-dy。
输入信号P可以在信号流15的信号流方向上提供给噪音整形单元16。噪音整形单元16可以具有系统函数H(z)。此外，噪音整形单元可以具有根据第一公式定义的信号传输函数STFd：
信号传输函数STFd可以描述控制误差d如何变化到操作变量X的型式，优选地用于线性系统。在公式中，H(z)是系统函数，I(z)是扬声器函数，K(z)是I(z)的倒数，d是控制误差，X是扬声器的操作变量。因此，X可以是扬声器2充电的电压，并且这可以是模拟型式。
此外，借助于信号传输函数STFd，控制误差d可以移位系统扫描频率或工作频率的一个周期。控制误差d可以延迟一个周期。不同的系统功能H(z)可以导致不同的信号传输函数STFd。
在噪音整形单元16的信号流15的信号流方向上，设有一数字至模拟转换器Q，其可包括数字校正单元4、PWM转换器5和功率级6。输入信号R可以送到数字至模拟转换器Q。输入信号R可以定义为R＝(d-dy)H(z)＝P*H(z)。数字至模拟转换器Q还具有一干扰信号Qz，其在图3中示意性地对应于数字至模拟转换器Q。干扰信号Qz在此作为第一信号噪音Qz，其可以由校正单元4、PWM产生器5、功率级6和/或压电扬声器2形成。
可以藉助于噪音整形传输函数NTFd来描述第一信号噪音Qz的处理，该处理可以由噪音整形单元16执行。噪音整形传输函数NTFd可以根据如下第二公式定义：
还可以根据示例性系统函数H(z)的如下第三公式来定义操作变量传输函数X(z)：
X(z)＝d*STFd+Qz*NTFd＝z-1*d+Qz*(1-z-1)
其中，STFd是信号传输函数，NTFd是噪音整形传输函数。X(z)取决于系统函数H(z)的选择。
将根据以下第四公式为示例性系统函数H(z)来定义Y(z)：
根据该第四公式，可听波长频谱中的第一信号噪音Qz的噪音能量得以受到衰减。第一信号噪音Qz的噪音能量可以移位到人耳不能感知第一信号噪音Qz的噪音能量的高频范围，以使声音质量得到改善。Y(z)取决于系统函数H(z)的选择。
压电扬声器2的电压形式的控制变量Y(z)可以由A/D转换器9予以数字化。由于数字化，可能会在第二信号噪音中发生量化误差或量化噪音。如果A/D转换器9的分辨率足够高，例如12位、14位或16位，则可以忽略第二信号噪音ed。借助于噪音整形单元16，例如，只有第一信号噪音Qz可以移出可听频率范围。
本发明不限于图示和描述的实施例。其它不同实施例所示出和描述的特征组合，也同样属于本申请变化范围内。
【符号说明】
1 音频信号处理装置
2 压电扬声器
3 信号输入端
4 数字校正单元
5 PWM产生器
6 功率级
7 反馈线
8 电源
9 模拟至数字转换器
10 第一相加点
11 噪音整形电路
12 回路滤波器
13 传送路径
14 反馈路径
15 信号流
16 噪音整形单元
17 第二相加点
Vin 数字音频信号
d 误差
dy 电压变化
P 噪音整形单元的输入信号
R 数位/模拟转换器的输入信号
Qz 第一信号噪音
Q 数字至模拟转换器
X 操作变量
I(z) 扬声器函数
Y(z) 控制变量
H(z) 系统函数
K(z) I(z)的倒数
ed 第二信号噪音
Ydig 数字反馈信号
STFd 信号传输函数
NTFd 噪音整形传输函数
Claims (19)
1.一种用于压电扬声器的音频信号处理装置(1)，用于产生一可听波长谱的声波，包括:
一信号输入端(3)，用于输入一数字音频信号(Vin)；
一数字校正单元(4)，用以校正扬声器(2)的非线性；
一数字PWM发生器(5)，用以将所述数字校正单元(4)校正的信号转换成一脉波宽度调制的切换信号；
一功率级(6)，可以受所述PWM产生器5所转换的切换信号所控制，使得所述压电扬声器(2)的压电致动器可以受一电压(X)充电而使一振膜偏转；
一控制回路，利用所述控制回路可将所述电压回送作为一反馈信号(Y(z)，Ydig)；其中所述反馈信号(Y(z)，Ydig)中具有由所述数字校正单元(4)、所述PWM生成器(5)、所述功率级(6)和/或所述压电扬声器(2)所造成的可听频率范围内的第一信号噪音(Qz)；
其特征在于：
所述音频信号处理装置(1)包括一内建和/或设置在所述控制回路的噪音整形单元(16)，所述噪音整形单元(16)将所述数字校正单元(4)、所述PWM生成器(5)、所述功率级(6)和/或所述压电扬声器(2)造成的所述第一信号噪音(Qz)中的噪音能量移位在所述可听频率范围之外。
2.根据权利要求1所述的用于压电扬声器的音频信号处理装置，其特征在于:所述第一信号噪音(Qz)中的噪音能量通过所述噪音整形单元(16)移位至一高频范围和/或移位至所述音频信号处理装置(1)的系统取样频率范围，特别是1MHz。
3.根据前述权利要求任一项所述的用于压电扬声器的音频信号处理装置，其特征在于:所述音频信号处理装置(1)被设计为具有一传送路径(13)和至少一反馈路径(14)的一控制电路和/或控制回路。
4.根据前述权利要求任一项所述的用于压电扬声器的音频信号处理装置，其特征在于:在校正单元(4)的信号流动方向上的噪音整形单元(16)位于所述数字校正单元(4)的上游。
5.根据前述权利要求任一项所述的用于压电扬声器的音频信号处理装置，其特征在于:所述噪音整形单元(16)具有一将所述第一信号噪音(Qz)的噪音能量移位的噪音整形电路(11)和/或一用于抑制回路振动的回路滤波器(12)。
6.根据前述权利要求任一项所述的用于压电扬声器的音频信号处理装置，其特征在于:所述音频信号处理装置(1)包括一模拟至数字转换器(9)，通过所述模拟至数字转换器将所述反馈信号(Y)予以数字化，其中经数字化后的所述数字反馈信号(Ydig)中具有由所述模拟至数字转换器(9)所造成的第二信号噪音(ed)。
7.根据前述权利要求任一项所述的用于压电扬声器的音频信号处理装置，其特征在于:所述噪音整形电路(11)被设计成仅处理所述第一信号噪音(Qz)。
8.根据前述权利要求任一项所述的用于压电扬声器的音频信号处理装置，其特征在于:所述噪音整形单元(16)包括一信号传输函数(STFd)，借助于所述数字音频信号(Vin)和所述数字反馈信号(Ydig)之间的一控制误差(d)，可以决定驱动所述扬声器(2)的一操作变量(X)，特别是电压。
9.根据前述权利要求任一项所述的用于压电扬声器的音频信号处理装置，其特征在于:所述信号传输函数(STFd)被设计成可以将所述控制误差(d)延迟一个周期。
10.根据前述权利要求任一项所述的用于压电扬声器的音频信号处理装置，其特征在于:所述信号传输函数(STFd)由以下第一公式定义:
其中所述H(z)是系统函数，所述I(z)是扬声器函数，K(z)是所述I(z)的倒数，d是控制误差，X是所述扬声器(2)的操作变量。
11.根据前述权利要求任一项所述的用于压电扬声器的音频信号处理装置，其特征在于:所述噪音整形单元(16)包括一噪音整形传输函数(NTFd)，所述噪音整形传输函数可将所述第一信号噪音(Qz)的所述噪音能量予以移位。
12.根据前述权利要求任一项所述的用于压电扬声器的音频信号处理装置，其特征在于:所述噪音整形传输函数(NTFd)被设计成用以将低频予以衰减。
13.根据前述权利要求任一项所述的用于压电扬声器的音频信号处理装置，其特征在于:所述噪音整形传输函数(NTFd)由以下第二公式定义:
其中所述H(z)是系统函数，所述I(z)是扬声器函数，K(z)是所述I(z)的倒数，d是控制误差，X是所述扬声器(2)的操作变量。
14.根据前述权利要求任一项所述的用于压电扬声器的音频信号处理装置，其特征在于:所述操作变量传输函数(X(z))由以下第三公式定义:
X(z)＝d*STFd+Qz*NTFd。
15.根据前述权利要求任一项所述的用于压电扬声器的音频信号处理装置，其特征在于:所述控制变量传输函数(Y(z))由以下第四公式定义:
16.根据前述权利要求任一项所述的用于压电扬声器的音频信号处理装置，其特征在于:所述噪音整形单元(16)被设计成可以决定是零、极点和/或至少一个传输函数的阶数，以增加信号噪声比和/或减少谐波失真。
17.根据前述权利要求任一项所述的用于压电扬声器的音频信号处理装置，其特征在于:所述音频信号处理装置(1)包括一计算/控制单元，特别是微控制器，以执行所述信号传输函数(STFd)、所述噪音整形传输函数(NTFd)、所述操作变量传输函数(X(z))和/或所述控制变量传输函数(Y(z))。
18.根据前述权利要求任一项所述的用于压电扬声器的音频信号处理装置，其特征在于:在所述校正单元(4)中储存一标准化压电扬声器(2)的测量数据，所述测量数据反映非线性状况，所述校正单元(4)在计入考虑所述测量数据后，可校正所述扬声器(2)的一部分非线性。
19.一种用于压电扬声器的音频信号处理方法，用以产生可听波长频谱的声波，特别是用于前述权利要求的任一项所述的压电扬声器(2)的音频信号处理装置(1)，所述方法包括:
将一数字音频信号(Vin)送入一信号输入端(3)；
以一数字校正单元(4)校正所述压电扬声器(2)的非线性；
将所述数字校正单元(4)所校正的信号以一数字PWM发生器(5)转换成一脉波宽度调制的切换信号；
以所述数位PWM发生器(5)所转换出的所述切换信号驱动一功率级(6)，使所述压电扬声器(2)的一压电致动器受一电压(X)充电而使一振膜偏转；
将所述电压通过一控制回路反馈作为一反馈信号(Ydig)；
其中所述反馈信号(Ydig)中具有由所述数字校正单元(4)、所述PWM生成器(5)、所述功率级(6)和/或所述压电扬声器(2)所造成的可听频率范围内的第一信号噪音(Qz)；
其特征在于：
所述数字校正单元(4)、所述PWM生成器(5)、所述功率级(6)和/或所述压电扬声器(2)造成的所述第一信号噪音(Qz)的噪音能量通过一噪音整形单元(16)移位在所述可听频率范围之外。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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