CN111294018A - 一种基于Kaiser窗的LRA驱动脉冲波形设计方法 - Google Patents

一种基于Kaiser窗的LRA驱动脉冲波形设计方法 Download PDF

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Abstract

本申请公开了一种基于Kaiser窗的LRA驱动脉冲波形设计方法及装置。其优点表现在：可有效抑制由驱动脉冲信号过零点抖动引起的高频噪声和脉冲信号本身的高次谐波，从而改善对手持设备音频系统的干扰。可用于截短任意非因果、无限长的理想脉冲响应，满足LRA驱动脉冲信号宽度的半周期限制要求。具有对称性，满足线性相位系统脉冲响应要求，从而使LRA驱动信号过零点对应的基频相位不受高次谐波影响。具有可调参数β，方便在主瓣宽度和旁瓣衰减之间进行折衷。根据不同应用场合(LRA长振或短振)的需求不同，调节β可对噪声，效率和响应速度进行优化。

Description

一种基于Kaiser窗的LRA驱动脉冲波形设计方法
技术领域
本申请涉及电子技术领域，尤其是涉及一种LRA驱动脉冲波形设计方法。
背景技术
线性谐振马达(LRA)驱动芯片通常采用在驱动信号过零点处检测反向电动势(BEMF)的方式获取LRA振子的加速度和相位信息，从而通过反馈进行驱动信号频率和幅度的控制，以达到快速精准的振动反馈效果。现有的驱动脉冲波形图如图1所示。
图1中，1为LRA驱动芯片的输出信号波形，2为LRA驱动芯片的正向驱动脉冲信号，3为LRA驱动芯片的反向驱动脉冲信号，4、5、6为驱动信号过零点，7为LRA振子的BEMF波形。
其工作原理是，在2处，驱动芯片产生正向脉冲信号，为LRA线圈提供励磁电流，推动LRA振子往正方向移动。在4处，断开驱动芯片的输出管，使LRA线圈电流为零，从而使线圈上的压降等于LRA振子的BEMF。此时LRA振子的BEMF信号正比于振子速度，其斜率正比于振子加速度。BEMF过零点与驱动信号过零点的延迟可用于表示LRA励磁电流与振子速度的相移。在下一半周期(图1中的3处)，LRA驱动芯片施加反向的驱动信号，并在下一过零点(图1中的5处)通过测量BEMF得到反向加速度。LRA驱动芯片在每个周期重复上述过程从而实时监测振子的加速度与相位。
定义振子的峰值加速度与驱动芯片向LRA提供的平均功率之比为LRA的振动效率。当LRA励磁电流与振子速度相位一致时，驱动信号频率与LRA谐振频率相等，振动效率最高。LRA驱动芯片可利用BEMF的过零点相对驱动信号过零点的超前或者滞后时间作为反馈信号，调整下一周期驱动信号脉冲宽度，以使下一BEMF过零点与LRA驱动信号过零点对齐，从而获得相位一致的效果。此过程称为F0跟踪功能。
此类LRA驱动控制方法对驱动脉冲信号有以下要求：
1、驱动脉冲信号宽度必须小于LRA谐振周期的一半，半边剩余时间为BEMF检测窗口，此时间内励磁电流为零，以等待BEMF信号的建立和采集。
2、驱动脉冲信号需具有对称性。此对称性满足I类或II类FIR线性相位系统脉冲响应的特点，从而保证驱动脉冲信号的过零点与信号基频分量的过零点相同，过零点基频分量相位不受脉冲信号高次谐波分量的影响。
3、对于长振等应用场景，LRA驱动脉冲信号需具有尽可能少的高次谐波分量，以避免非谐振点处的高频能量在LRA线圈电阻上的额外损耗；同时也可避免高次谐波分量过多地落入音频带宽内从而通过振动或电子线路对手持设备的音频系统造成干扰。
4、对于短振等对响应速度要求较高的场景，LRA驱动脉冲信号需具有尽可能高的基频及中低频谐波能量，以使短时间瞬态响应达到最佳。
5、当LRA的F0跟踪功能开启时，其每个驱动脉冲的延迟依赖于前一周期BEMF过零点位置，由于BEMF检测电路噪声、LRA外部环境的随机变化，驱动脉冲信号也会因此出现抖动。抖动引起的高频噪声分量同样会造成额外的损耗和干扰，需要通过一些手段抑制。
6、每个驱动脉冲幅度须与LRA振动效果库中预存的幅度序列一致。
现有技术中的脉冲信号波形通常为方波、正弦波、以及经一阶IIR滤波后的方波信号(如图2所示)。方波信号具有较高的高频谐波能量和抖动产生的高频噪声。正弦波具有较低高频谐波能量，但由于低频谐波能量更高，峰值电压需要更高才能达到相同振子加速度。经一阶IIR滤波后的方波由于脉冲的非对称性，其高频分量会造成过零点处基频信号额外的相位误差。
发明内容
本申请提供一种基于Kaiser窗的LRA驱动脉冲波形设计方法及装置。
本申请采用下述技术方案：
一种LRA驱动脉冲波形的生成方法，所述生成方法使用Kaiser窗函数。
进一步的，所述Kaiser窗为：
Figure BDA0002414365160000031
式中α＝M/2,M为窗长，I0(·)是第一类零阶修正贝塞尔函数，β为用于贝塞尔函数的调制系数，用于对Kaiser窗的主瓣宽度和旁瓣抑制进行调节。
进一步的，LRA驱动脉冲串信号表示为：
Figure BDA0002414365160000032
式中n为脉冲串信号序数，T为LRA的谐振周期的一半，{ai}为正负相邻的脉冲幅度序列，{di}为脉冲延迟序列，其中|a2k|，d2k为第k个谐振周期产生的正脉冲幅度和抖动，|a2k+1|，d2k+1为第k个谐振周期产生的负脉冲幅度和抖动。
进一步的，所述生成方法使用Kaiser窗抑制抖动噪声和/或调节脉冲信号高次谐波能量。
进一步的，LRA驱动脉冲波形分为加速、保持、刹车三个阶段，不同阶段选择不同的振动效果幅度序列{an}和Kaiser窗参数序列{βn}。
进一步的，加速阶段选择an为满幅，βn为0～2.35；保持阶段选择an为期望振幅所对应的电压，βn为2～10；刹车阶段选择an为70％～100％的满幅，相位相反，βn为0～2.35。
一种LRA驱动脉冲波形的生成装置，所述生成装置设有存储振动效果幅度序列{an}和Kaiser窗参数序列{βn}的第一存储元件和存储多组不同β值的Kaiser窗函数波形的第二存储元件。
进一步的，所述生成装置为LRA驱动芯片，第一存储元件为RAM，第二存储元件为ROM。
进一步的，所述生成装置基于Kaiser窗生成LRA驱动脉冲波形。
本申请采用的上述至少一个技术方案能够达到以下有益效果：
1、Kaiser窗可有效抑制由驱动脉冲信号过零点抖动引起的高频噪声和脉冲信号本身的高次谐波，从而改善对手持设备音频系统的干扰。
2、Kaiser窗函数可用于截短任意非因果、无限长的理想脉冲响应，满足LRA驱动脉冲信号宽度的半周期限制要求。
3、Kaiser窗函数具有对称性，满足线性相位系统脉冲响应要求，从而使LRA驱动信号过零点对应的基频相位不受高次谐波影响。
4、Kaiser窗具有可调参数β，方便在主瓣宽度和旁瓣衰减之间进行折衷。根据不同应用场合(LRA长振或短振)的需求不同，调节β可对噪声，效率和响应速度进行优化。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
图1为LRA控制方法示意图。
图2为现有LRA驱动脉冲波形示意图。
图3为基于Kaiser窗设计的LRA脉冲波形示意图。
图4为Kaiser窗对高频抖动噪声抑制原理图。
图5为Kaiser窗对高频谐波能量调节原理图。
图6为传统LRA驱动脉冲生成方法与基于Kaiser窗的LRA驱动脉冲生成方法对比图。
图7为连续(长振)脉冲抖动对功率谱密度的影响图。
图8为连续(长振)信号脉冲波形图。
图9为连续(长振)信号脉冲频谱图。
图10为不同β下LRA加速度及驱动电流波形图。
图11为不同β下LRA驱动芯片所需功耗图。
图12为起振阶段LRA加速度及驱动电流波形图。
图13为实施例中的LRA驱动脉冲波形图。
图14为实施例中的LRA线圈电阻损耗波形图。
图15为实施例中的LRA启动加速度波形图。
具体实施方式
为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请具体实施例及相应的附图对本申请技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
LRA驱动信号模型
Kaiser窗定义如下：
Figure BDA0002414365160000061
式中α＝M/2,M为窗长，I0(·)是第一类零阶修正贝塞尔函数。β为用于贝塞尔函数的调制系数，可用于对Kaiser窗的主瓣宽度和旁瓣抑制进行调节。
以w(t)作为半周期内LRA驱动信号的单向脉冲波形，则完整的LRA驱动脉冲串信号可表示成：
Figure BDA0002414365160000062
式中n为脉冲串信号序数，T为LRA的谐振周期的一半。{ai}为正负相邻的脉冲幅度序列，{di}为脉冲延迟序列。其中|a2k|，d2k为第k个谐振周期产生的正脉冲幅度和抖动，|a2k+1|，d2k+1为第k个谐振周期产生的负脉冲幅度和抖动。当LRA驱动控制环路建立后，由于BEMF检测通路的噪声影响，{dn}可假设为零均值高斯白噪声随机序列，其均方根误差为Δ，而{|an|}为一组由软件预设的振动幅度效果确定的一组低通序列。为避免LRA长时间振动后振子往一个方向偏移，通常设计{an}均值为零。
相同幅度不同的β值对应的LRA驱动脉冲如图3所示。
为分析存在随机抖动{dn}情况下的脉冲信号频谱，定义零均值随机过程
Figure BDA0002414365160000063
其自相关函数可表示为：
Figure BDA0002414365160000064
Figure BDA0002414365160000071
其中
Figure BDA0002414365160000072
为s(t)在t时刻的期望：
Figure BDA0002414365160000073
上述推导将随机过程s(t)可分解为两个互不相关的过程
Figure BDA0002414365160000074
和
Figure BDA0002414365160000075
之和。
Figure BDA0002414365160000076
为一不可预测过程，利用其自相关函数
Figure BDA0002414365160000077
可描述驱动信号脉冲延迟序列{di}对脉冲信号噪声功率谱的影响。
Figure BDA0002414365160000078
为一确定信号，利用
Figure BDA0002414365160000079
可描述振动效果幅度序列{|an|}对脉冲信号频谱的影响。
使用Kaiser窗抑制抖动噪声
以下对
Figure BDA00024143651600000710
的功率谱密度进行推导。
式(3)两边对τ求傅利叶变换可得的
Figure BDA00024143651600000711
功率谱密度
Figure BDA00024143651600000712
为:
Figure BDA00024143651600000713
其中W(f)为窗函数w(t)的傅利叶变换，Ka，d(n；l，f)定义如下：
Figure BDA00024143651600000714
由高斯白噪声序列{dn}的概率密度函数(PDF)：
Figure BDA00024143651600000715
可知
Figure BDA0002414365160000081
Figure BDA0002414365160000082
将式(8),(9)代入(6)可得：
Figure BDA0002414365160000083
将(10)代入(5)可得：
Figure BDA0002414365160000084
令
Figure BDA0002414365160000085
为序列{an}的平均功率，则
Figure BDA0002414365160000086
可表示为：
Figure BDA0002414365160000087
由式(12)可知，不可预测过程
Figure BDA00024143651600000811
的功率谱密度与序列{an}的频谱形状无关，只与{an}的平均功率成正比。由
Figure BDA00024143651600000812
的表达式可知，
Figure BDA00024143651600000813
由
Figure BDA0002414365160000088
和|W(f)|2两部分组成。
Figure BDA0002414365160000089
为延迟序列{dn}引起的高频噪声功率谱，为一高通函数，|W(f)|2为Kaiser窗的功率谱，为一低通函数，其旁瓣的抑制能力可由β的选取进行调节。由于
Figure BDA00024143651600000814
是两者相乘，选取较大的β可对延迟序列{dn}引起的高频噪声有很好的抑制。如图4所示。
使用Kaiser窗调节脉冲信号高次谐波能量
下对确定性信号
Figure BDA00024143651600000815
的频谱进行推导。式(4)两边对t求傅利叶变换可得
Figure BDA00024143651600000810
Figure BDA0002414365160000091
将式(8)代入式(13)可得：
Figure BDA0002414365160000092
式中，W(f)为Kaiser窗的傅利叶变换，Δ为随机延迟序列{dn}的均方根误差，AT(f)为振动幅度效果序列{an}构成的连续时间脉冲函数aT(t)的傅利叶变换。其中
Figure BDA0002414365160000093
Figure BDA0002414365160000094
由式(16)可知AT(f)＝A(fT),AT(f)为序列{an}的离散时间傅利叶变换。所以AT(f)可看做{an}的离散时间傅利叶变换以2π为周期延拓后对f压缩T倍后的波形。由于{an}为正负相邻序列而{|an|}为低通序列，则AT(f)可认为是将{|an|的窄带频谱搬移到
Figure BDA0002414365160000095
…处之后的频谱。如图5所示。
由(14)可知，这一系列谐波分量最终会被
Figure BDA0002414365160000096
再次整形。此时，Kaiser窗的β选取较大值，可对LRA驱动脉冲信号的高次谐波进行有效衰减；而选取较小的β值，可对低次谐波进行衰减。选取较大的β可使Kaiser窗的主瓣宽度增加，使低次谐波能量(3次,5次)通过，从而提高响应速度；选取较小的β，可以更低的峰值驱动电压产生相同的基频能量。
与现有技术区别
本申请的基于Kaiser窗的LRA驱动脉冲波形生成方法与传统的LRA驱动脉冲波形生成方法区别如图6所示。在LRA驱动芯片的ROM中预存几组不同β值的Kaiser窗函数波形。通过读取预存于RAM中的Kaiser窗参数序列{βn}选择相应的Kaiser窗函数波形，通过读取预存于RAM中的振动效果幅度序列{an}调整脉冲信号幅度。根据BEMF过零点相位信息自动调整脉冲串延迟{dn}。与现有技术相比，增加了Kaiser窗参数序列{βn}，因此可针对手持设备不同应用场合自适应调整脉冲形状(如长振、短振、加速、刹车、电池欠压、听筒模式、游戏等)，以优化高频噪声、效率、响应速度等性能。
仿真结果
原始脉冲信号抖动的功率谱密度及高次谐波能量
以β＝0为例，观察脉冲抖动对驱动脉冲信号频谱的影响。取LRA谐振频率为175Hz，脉冲抖动均方根误差为Δ＝156us。得到图7深色曲线所示的功率谱密度，浅色曲线为不加抖动的功率谱密度。
Kaiser窗对高频噪声及能量的抑制
考虑到Kaiser窗函数增益随β变化，为了保证相同的谐振频率处驱动信号幅度，需要对不同脉冲β下信号增益进行补偿。图8是β＝0,2,4,6,8下补偿后的连续信号(长振)脉冲波形。图9是β＝0,2,4,6,8下补偿后的连续信号(长振)脉冲功率谱密度。
由图8和图9可看出，较高的β值对高频噪声以及谐波抑制更明显，但由于主瓣宽度的增加，需要更大的驱动信号幅度才能保证基频能量相同。
Kaiser窗对实际LRA加速度及驱动电流的影响
对LRA建立电学模型(Re＝6ohm，Le＝10uH，Q＝5，Fc＝175Hz)。在LRA两端施加不同β的Kaiser窗驱动脉冲信号。
1、长振应用通常指在振动波形中间时段施加的较长时间的波形，用以维持振子的震动。图10为不同β下长振的振子加速度及驱动电流波形。较小的β只需要很小的峰值电流就能维持相同的加速度，而较高的β可以消除加速度波形顶峰和谷点的异常毛刺，从而避免噪音和异常的震感。图11为不同β下的长振功耗，当β为2.3左右，功耗最优。
2、短振应用中通常需要起振速度尽可能快，以得到短促震感。较小的β有助于更快起振，而较大的β更有助于消除高频毛刺。仿真波形如图12所示。
基于Kaiser窗的LRA驱动脉冲生成方法实施例
LRA驱动脉冲波形可分为加速、保持、刹车三个阶段。本申请的设计方法可在上述不同阶段不同的振动效果幅度序列{an}和Kaiser窗参数序列{βn}。以一段250ms的振动波形为实施例：
加速阶段：为达到短促强烈的震感，需要LRA振子起振速度越快越好。所以在前4个脉冲选择an为满幅，βn取0，以使LRA在最短时间内达到预定的加速度。
保持阶段：该阶段持续时间最长，应优先考虑功耗和高频噪声等因素。所以在第5～40个脉冲选择an为期望振幅所对应的电压，βn为2.35。
刹车阶段：为达到短促强烈的震感，刹车速度也应越快越好，同时应避免刹车驱动信号过大或过小产生余震。所以最后两个脉冲的an取100％和70％的满幅，相位相反，βn取0。
根据以上参数获得的基于Kaiser窗的LRA驱动脉冲信号波形如图13灰线所示。同时将方波波形和正弦波波形作为对比，分别是黑色实线和虚线。
根据以上参数获得的基于Kaiser窗的LRA驱动脉冲的线圈损耗波形如图14灰线所示。同时将方波波形和正弦波波形作为对比，分别是黑色实线和虚线。
根据以上参数获得的基于Kaiser窗的LRA驱动脉冲启动阶段振子加速度波形如图15灰线所示。同时将方波波形和正弦波波形作为对比，分别是黑色实线和虚线。
由图14，15可见，通过设计合理的Kaiser窗参数序列{βn}，可解决现有方法在加速度和损耗之间矛盾，在同一段振动波形中同时获得最快的起振速度和最小的线圈损耗。
以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。

Claims (9)

1.一种LRA驱动脉冲波形的生成方法，其特征在于，所述生成方法使用Kaiser窗函数。
2.如权利要求1所述的生成方法，其特征在于，所述Kaiser窗为：
Figure FDA0002414365150000011
式中α＝M/2,M为窗长，I0(·)是第一类零阶修正贝塞尔函数，β为用于贝塞尔函数的调制系数，用于对Kaiser窗的主瓣宽度和旁瓣抑制进行调节。
3.如权利要求1所述的生成方法，其特征在于，LRA驱动脉冲串信号表示为：
Figure FDA0002414365150000012
式中n为脉冲串信号序数，T为LRA的谐振周期的一半，{ai}为正负相邻的脉冲幅度序列，{di}为脉冲延迟序列，其中|a2k|，d2k为第k个谐振周期产生的正脉冲幅度和抖动，|a2k+1|，d2k+1为第k个谐振周期产生的负脉冲幅度和抖动。
4.如权利要求1所述的生成方法，其特征在于，所述生成方法使用Kaiser窗抑制抖动噪声和/或调节脉冲信号高次谐波能量。
5.如权利要求1所述的生成方法，其特征在于，LRA驱动脉冲波形分为加速、保持、刹车三个阶段，不同阶段选择不同的振动效果幅度序列{an}和Kaiser窗参数序列{βn}。
6.如权利要求5所述的生成方法，其特征在于，加速阶段选择an为满幅，βn为0～2.35；保持阶段选择an为期望振幅所对应的电压，βn为2～10；刹车阶段选择an为70％～100％的满幅，相位相反，βn为0～2.35。
7.一种LRA驱动脉冲波形的生成装置，其特征在于，所述生成装置设有存储振动效果幅度序列{an}和Kaiser窗参数序列{βn}的第一存储元件和存储多组不同β值的Kaiser窗函数波形的第二存储元件。
8.如权利要求7所述的生成装置，其特征在于，所述生成装置为LRA驱动芯片，第一存储元件为RAM，第二存储元件为ROM。
9.如权利要求7所述的生成装置，其特征在于，所述生成装置基于Kaiser窗生成LRA驱动脉冲波形。
CN202010186443.XA 2020-03-17 2020-03-17 一种基于Kaiser窗的LRA驱动脉冲波形设计方法 Active CN111294018B (zh)

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