CN111954122A - 扬声器系统及包含扬声器系统的通信装置和免提电话 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了扬声器系统及包含扬声器系统的通信装置和免提电话，其中扬声器系统包括：输入单元、均衡单元、扬声器单元、用户接口及I/O控制单元；其中，所述均衡单元配置成在所述音量级的所述多档V0,V1,…,VN的每一档中将特定均衡函数EQ0,EQ1,…,EQN应用于所述电输入音频信号；每一预定的特定均衡函数EQ0,EQ1,…,EQN指明在对应的音量V0,V1,…,VN被选择时将应用于所述电输入音频信号的预定的随频率而变的增益；所述扬声器系统配置成按至少两种运行模式即第一模式和第二模式运行，其中所述第一模式为按全带宽模式运行及所述第二模式为按有限带宽模式运行；及所述扬声器系统还配置成根据所监视的接口在按所述第一模式运行与按所述第二模式运行之间自动切换。

Description

扬声器系统及包含扬声器系统的通信装置和免提电话
本申请为2015年2月5日申请的、发明创造名称为“包括依赖于音量控制的均衡的扬声器系统”的中国专利申请201510062470.5的分案申请。
技术领域
本申请涉及扬声器系统，如在功率受限情形下工作的扬声器系统。本发明尤其涉及包括扬声器单元、均衡单元和用户接口的扬声器系统。
本申请还涉及包括扬声器系统的通信装置及扬声器系统的用途。
本发明的实施例如可用在下述应用中：免提电话系统、移动电话、远程会议系统(如免提电话)、广播系统、卡拉OK系统、教室放大系统等。
背景技术
通常，扬声器单元在其频率传递函数中展现低频下降。在音频系统中，已知通过在低频选择应用固定专用“额外增益”(“响度”按钮)而提升低频。WO9318626A1描述了低频增益的动态调节，其中所应用的增益取决于当前信号中低频信号分量的含量(量值)。
发明内容
本申请提出一种改善低频下或扬声器单元展现不足的其它频率下宽带信号的声音重放的备选策略(其它频率如在相当高的频率或中频，其中特定扬声器单元或特定类型的扬声器在其否则应为平坦的频率传递函数中具有可观的偏离)。
本申请的目标在于提供改进的扬声器系统。
本申请的目标由所附权利要求及下面描述的发明实现。
扬声器系统
在本申请的一方面，本申请的目标由扬声器系统实现，其包括：
a)提供电输入音频信号的输入单元；
b)均衡单元，用于根据频率修改电输入音频信号或其处理后的版本并根据预定均衡函数提供均衡电音频信号；
c)扬声器单元，用于将均衡电音频信号或其处理后的版本转换为声学输出声音信号；及
d)用户接口，用于按多档V0,V1,…,VN更改所述输出声音信号的音量级，其中均衡单元配置成在所述音量级的所述多档V0,V1,…,VN的每一档中将特定均衡函数EQ0,EQ1,…,EQN应用于电输入音频信号。
这具有使均衡能适应特定用户选择的扬声器单元音量级的优点。
在实施例中，均衡单元配置成使得至少两个或大部分或所有所述特定均衡函数EQ0,EQ1,…,EQN不同。
在实施例中，均衡单元配置成使得每一特定均衡函数定义电输入音频信号的随频率而变的衰减。
在实施例中，每一特定均衡函数定义低频阈频率f2及高频阈频率f3，形成相应的低、中和高频区，其中在低频和高频阈频率之间的中频区中的衰减比在低于低频阈频率的低频区中的衰减大。
在实施例中，扬声器系统配置成使得：
-当音量级的对应的相应档Vi,i＝0,1,2,…,N被选择时，每一特定均衡函数EQi,i＝0,1,2,…,N应用于电音频信号，其中增大i对应于增大音量；
-每一均衡函数EQi(f)表示随特定频率而变的衰减EQi(f)；及
-对于从LF频率fLF到HF频率fHF的范围中的所有频率，如果i大于j，则均衡函数EQi(f)的衰减比均衡函数EQj(f)的衰减小。
在实施例中，LF频率fLF小于低频阈频率f2。在实施例中，HF频率fHF大于高频阈频率f3。在实施例中，扬声器系统配置成在最小频率fmin和最大频率fmax之间的音频频率范围中运行。在实施例中，最小频率fmin小于100Hz，如小于50Hz。在实施例中，最大频率fmax大于4kHz，如大于8kHz。因此，在实施例中，fmin≤fLF<f2及f3<fHF≤fmax。
典型的扬声器单元具有中频，其中对于第一频率(fLFcut)和第二频率(fHFcut)(fLFcut<fHFcut)之间的中频范围中的频率可提供实质上平坦的传递函数H(f)。在低于低频截止频率(fLFcut)时，扬声器单元的频率响应下降。换言之，在其它条件均一样的情形下，扬声器单元将以比中频范围中的声音低的输出电平播放低频声音(低于fLFcut)。对于高于高频截止频率(fHFcut)的声音信号，一定程度上同样如此。这些截止频率取决于扬声器类型、大小等。在实施例中，低频截止频率(fLFcut)小于500Hz，或小于400Hz，如在从200Hz到400Hz的范围中。在实施例中，高频截止频率(fHFcut)大于4kHz，如大于8kHz，如大于12kHz，例如在从4kHz到10kHz的范围中。
在实施例中，扬声器系统配置成使得特定均衡函数的低频阈频率f2取决于扬声器单元的低频截止频率fLFcut。在实施例中，每一特定均衡函数EQi(f),i＝0,1,2,…,N的低频阈频率f2(i)在彼此的50Hz内，或相邻均衡函数(EQi+1(f)或EQi-1(f))的25Hz内。在实施例中，每一特定均衡函数EQi(f),i＝0,1,2,…,N的低频阈频率f2(i)相等。在实施例中，各个特定均衡函数EQi(f),i＝0,1,2,…,N的平均值(实质上)等于扬声器单元的低频截止频率(fLFcut)。在实施例中，每一特定均衡函数EQi(f),i＝0,1,2,…,N的低频阈频率f2(i)相等或等于扬声器单元的低频截止频率(fLFcut)。假定在每一特定均衡函数EQi(f),i＝0,1,2,…,N的f3(i)和扬声器单元的高频截止频率(fHFcut)之间存在同样的关系。
在实施例中，特定均衡函数通过滤波器实施，如IIR(无限冲激响应)滤波器，如模拟滤波器或数字IIR滤波器。在特定实施例中，均衡函数通过数字滤波器如数字FIR(有限冲激响应)滤波器实施。在优选实施例中，均衡函数通过数字IIR滤波器实施，如使用一个或多个双二阶滤波器(其传递函数可写为两个二次函数(二阶前馈和二阶反馈滤波器函数)的比)。滤波器尤其是自适应滤波器的多个不同方面例如在[Haykin；2001]中描述。
在实施例中，扬声器系统包括存储器，用于实施(如逼近)特定均衡函数的预定滤波器系数集保存于其中。在实施例中，当特定音量级Vi经用户接口被选择时，对应于特定均衡函数EQi的一组特定滤波器系数(bip,aiq)应用于滤波器(如数字IIR滤波器)。
在实施例中，音量级的多档V0,V1,…,VN包括至少两档，如至少三档(N≥2)，如至少五档(N≥4)，如至少七档(N≥6)。
在实施例中，扬声器系统配置成按固定模式运行。在实施例中，扬声器系统配置成按两个以上模式运行。在实施例中，扬声器系统配置成按两个以上模式运行，其中每一模式具有单独的一组随音量而变的均衡函数。
在实施例中，扬声器系统配置成按至少两种运行模式即第一模式和第二模式运行。在实施例中，第一模式为全带宽模式，其中以(考虑系统限制条件高质量)重放音乐或其它宽带音频信号为目标。在实施例中，第二模式为有限带宽模式，其中以重放语音或其它有限带宽音频信号(如电话信号)为目标。在实施例中，运行模式可通过当前电源限定或受其影响(对相对较低的电源电压(如来自电池)和对相对较高的电源电压(如来自干线供电或来自单独的装置如经(音频)接口)，确定不同的均衡函数)。在实施例中，通过当前连接的装置类型如移动电话、耳机、PC等，可确定单独的运行模式(具有其特定的随音量而变的均衡函数)。
在实施例中，当扬声器系统处于第一、全带宽模式时，每一特定均衡函数EQi,i＝0,1,2,…,N将其衰减从中频范围中的最大衰减值L(f2)(在低频阈频率f2时)减小到在第一较低频率f1(f1<f2)时的最小衰减值(L(f1)，如等于0)(例如参见图3a-3c)。在实施例中，从L(f2)到L(f1)的衰减减小在对数标度上近似线性。在实施例中，对于所有特定均衡函数EQi,i＝0,1,2,…,N，第一较低频率f1实质上相等。在实施例中，对于至少部分特定均衡函数EQi,i＝0,1,2,…,N，第一较低频率f1不同。
在实施例中，扬声器系统配置成使当前运行模式能经用户接口进行改变(如优先于自动模式选择)。在实施例中，用户接口包括启动元件，如按钮或选择轮。在实施例中，用户接口包括触敏显示器。在实施例中，用户接口经通信接口实施在遥控装置中。在实施例中，遥控装置包括PC或蜂窝电话如智能电话。在实施例中，用户接口实施为智能电话上的APP。
在实施例中，扬声器系统在功率受限条件下工作。可应用于扬声器单元的最大电压摆动例如可受限于扬声器系统中的可用功率(其由另一装置或本机能源提供)、最大放大器输出、扬声器单元的规格(如最大位移限制、和/或最大功率输入或额定值)。在实施例中，扬声器系统配置成在功率受限条件下工作，其中可应用于扬声器单元的最大电压摆动受下述之一或多个限制：a)扬声器系统中的可用功率；b)最大放大器输出；及c)扬声器单元的规格。
在实施例中，扬声器系统由提供其处理的音频信号(如从另一装置或从扬声器系统的另一部分接收的电输入音频信号或者馈给扬声器单元的电输出音频信号)的有限最大电压摆动的电源供电。在实施例中，扬声器系统从另一装置或系统(如PC或移动电话或另一娱乐装置)供电，如经线缆连接，例如包括USB(通用串行总线)接口(或经同时向扬声器系统通过电能的无线连接)。在实施例中，音频接口的最大电压小于或等于5V。在实施例中，经音频接口的最大电流消耗小于或等于500mA。在实施例中，扬声器系统包括本机能源如电池，例如可再充电电池(如NiMH或Li离子或Li聚合物电池)或不可再充电的(常规)电池，用于对扬声器系统的部件供电一定时间。在实施例中，电池的最大电压小于4V。
在实施例中，扬声器单元具有小于或等于1m的最大尺寸，如小于或等于0.5m，如小于或等于0.2m，或小于或等于0.15m，例如0.1m或更小级的尺寸，例如在从0.002m到0.1m的范围中。
在实施例中，扬声器单元具有小于或等于30W的最大额定功率(峰值功率)，如小于或等于15W，如小于或等于5W，如小于或等于2W，其指可应用于扬声器但没有损害(或实质的失真)的最大功率。
在实施例中，扬声器系统包括到另一装置的(有线或无线)音频接口。在实施例中，扬声器系统包括到其它装置(这些其它装置能够接收(汇集)和/或传输/转发(获得)音频信号)的多个(有线或无线)音频接口。在实施例中，“其它装置”包括如无线电话(如移动电话，例如智能电话)、计算机(如PC)、耳机、听力仪器等。在实施例中，扬声器系统包括至少两个(有线或无线)音频接口。在实施例中，扬声器系统包括至少一个有线音频接口(包括(线缆及)电连接器如任何电话接头、USB连接器(如标准或迷你或微USB连接器)、电话连接器、音频插口连接器等)。在实施例中，扬声器系统包括至少一个无线音频接口(例如基于蓝牙如蓝牙低功率、DECT、ZigBee、或其它专用或标准化音频接口)。
在实施例中，扬声器系统包括至少一个到(交换)网络(如到PSTN(公用交换电话网络)的固定陆地线电话连接或到因特网(如用于基于数字包交换的VoIP连接建立因特网电话))的(音频)接口，如至少两个、如两个以上音频网络接口，从而能够在扬声器系统和另一通信装置之间交换音频信号。在实施例中，扬声器系统配置成连接到包括软电话的计算机(如PC或平板，例如经USB接口)，其适于运行软件以建立到交换网络(如PSTN)的电话连接。在实施例中，扬声器系统配置成连接到耳机或无线电话/移动电话(如智能电话，例如经适于使能扬声器系统和另一装置之间的音频数据双向交换从而获得和汇集音频信号的电话连接器(音频插口))。
在实施例中，扬声器系统配置成，当经提供电能的音频接口连接到另一装置或系统时，自动由另一装置或系统供电。在实施例中，扬声器系统配置成在未经提供电能的音频接口连接到其它装置或系统时自动由本机能源供电。
在实施例中，扬声器系统配置成根据当前连接的音频接口自动进入特定运行模式。在实施例中，扬声器系统配置成在检测到经扬声器系统的音频接口的(入局或出局)电话连接时进入第二(有限频带)运行模式。在实施例中，扬声器系统包括适于监视当前连接的接口(连接器)及(可能)接口信号的I/O控制单元。在实施例中，扬声器系统配置成在不处于第二(有限频带)运行模式时进入第一(宽带)运行模式。在实施例中，扬声器系统配置成使当前运行模式能经用户接口进行改变(如优先于自动模式选择)。
扬声器单元可以是任何类型，如动态扬声器(使用永磁体和连接到膜片或纸盆的(话音)线圈；当变化极性的(AC)电流施加到该线圈时，该线圈(因而膜片)在永磁体磁场中轴向移动)。也可使用其它扬声器类型，如基于压电或静电原理。包围扬声器单元的腔室可开放或封闭。可使用扬声器单元和周围的腔室的多种不同类型的声学耦合(驱动器和声学谐振器及传输通路)，如通带、低声频反射、喇叭等。
在实施例中，扬声器系统包括多个扬声器，如两个以上。
在实施例中，扬声器系统还包括边带压缩器单元(例如在中描述)，用于根据低频范围中目前的含量(如能量或功率谱密度)动态提升该频率范围，从而使得低频含量被较小程度地放大，在特定时间点的低频含量较大。
在实施例中，扬声器系统还包括响度均衡单元，配置成在随频率感知特定声压级时补偿心理声学差异(如果可能)。
通信装置
本发明还提供包括上面描述的、“具体实施方式”中详细描述的、附图图示的和权利要求中限定的扬声器系统的通信装置。
在实施例中，通信装置包括：
-第一传声器信号通路，包括
--传声器单元；
--第一信号处理单元；及
--发射器单元；
上述单元彼此连接并配置成传输源自传声器单元拾取的输入声音的处理后的信号；及
-第二扬声器信号通路，包括
--接收器单元；
--第二信号处理单元；及
--扬声器单元；
这些单元彼此连接并配置成提供源自接收器单元接收的信号的声学声音信号。
从而可实施包括根据本发明的扬声器系统的免提电话。
在实施例中，通信装置包括到交换网络的至少一音频接口及到音频传输装置的至少一音频接口。在实施例中，(单向)音频传输装置为音乐播放器或提供音频信号的任何其它娱乐装置。在实施例中，通信装置(的扬声器系统)配置成在经音频接口连接到(单向)音频传输装置时进入或处于第一全带宽模式。在实施例中，通信装置(的扬声器系统)配置成在经音频接口连接到通信装置以经交换网络建立到另一通信装置的(双向)连接时进入或处于第二有线带宽模式。作为备选，这样的模式变化可经通信装置的用户接口启动。
用途
此外，本发明提供上面描述的、“具体实施方式”中详细描述的及附图图示的扬声器系统的用途。在实施例中，提供在免提电话或移动(如蜂窝)电话(如智能电话)或耳机或助听器中的用途。
在实施例中，通信装置为便携式装置，如包括本机能源如电池例如可再充电电池的装置。在实施例中，助听装置为低功率装置。在本说明书中，术语“低功率装置”指其能量预算受限的装置，例如由于其为便携装置，例如包括能源，在不进行更换或再充电的情形下，其持续时间有限(有限持续时间例如为几小时或几天级)。
在实施例中，通信装置包括模数转换器(ADC)以按预定采样速率如20kHz使模拟输入数字化。在实施例中，通信装置包括数模转换器(DAC)以将数字信号转换为模拟输出信号，例如用于经输出变换器呈现给用户。
在实施例中，通信装置考虑的从最小频率fmin到最大频率fmax的频率范围包括从20Hz到20kHz的典型人听频范围的一部分，如从20Hz到12kHz的范围的一部分。
在特定实施例中，通信装置包括话音检测器(VD)，用于确定输入信号是否包括话音信号(在特定时间点)。该检测器可帮助确定扬声器系统的适当运行模式。
在实施例中，通信装置包括声学(和/或机械)反馈抑制系统。在实施例中，通信装置还包括用于所涉及应用的其它有关功能，如压缩、降噪等。
在实施例中，通信装置包括移动电话或免提电话。在实施例中，通信装置包括听音装置，如娱乐装置、音乐播放器、助听器、听力仪器、耳机、耳麦、耳朵保护装置或其组合。
本发明的进一步的目标由从属权利要求和本发明的详细描述中限定的实施方式实现。
除非明确指出，在此所用的单数形式“一”、“该”的含义均包括复数形式(即具有“至少一”的意思)。应当进一步理解，说明书中使用的术语“具有”、“包括”和/或“包含”表明存在所述的特征、整数、步骤、操作、元件和/或部件，但不排除存在或增加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、部件和/或其组合。应当理解，除非明确指出，当元件被称为“连接”或“耦合”到另一元件时，可以是直接连接或耦合到其他元件，也可以存在中间插入元件。如在此所用的术语“和/或”包括一个或多个列举的相关项目的任何及所有组合。除非明确指出，在此公开的任何方法的步骤不必须精确按所公开的顺序执行。
附图说明
本发明将在下面参考附图、结合优选实施方式进行更完全地说明。
图1a-1c示出了根据本发明的扬声器系统的三个示例性实施例。
图2a-2b示出了用于根据本发明的扬声器系统的均衡器单元的两个示例性实施例。
图3a-3c示意性地示出了与本发明有关的、涉及扬声器单元的均衡曲线和传递函数的多个不同频率。
图4示意性地示出了根据本发明的不同音量档的示例性均衡曲线。
图5示出了根据本发明的扬声器系统的示例性合成频率响应曲线。
图6a-6b示出了包括根据本发明的扬声器系统的免提电话实施例的两个应用场合。
图7示出了包括根据本发明的扬声器系统的免提电话的第二实施例。
图8a-8b示出了可有利地包括根据本发明的扬声器系统的免提电话的截面图。
为清晰起见，这些附图均为示意性及简化的图，它们只给出了对于理解本发明所必要的细节，而省略其他细节。
通过下面给出的详细描述，本发明进一步的适用范围将显而易见。然而，应当理解，在详细描述和具体例子表明本发明优选实施例的同时，它们仅为说明目的给出。对于本领域的技术人员来说，从下面的详细描述可显而易见地得出其它实施方式。
具体实施方式
图1a-1c示出了根据本发明的扬声器系统LSS的三个示例性实施例。图1a示出了扬声器系统LSS，其包括基于输入信号IN提供电输入音频信号eIN的输入单元IU。输入信号IN例如可以是来自环境的声信号(在该情形下，输入单元IU包括传声器)或者从扬声器系统的部件或从另一装置接收的电信号或者其组合。输入单元IU包括音频接口。输入信号IN(在其为电信号的情形下)可以是模拟信号(如来自音频插口接口的音频信号)或数字信号(如来自USB音频接口的音频信号)。输入单元IU例如可包括模数转换器(ADC)以将模拟电信号转换为数字电信号(使用适当的音频采样频率，如20kHz)。扬声器系统LSS还包括均衡单元EQ，用于根据频率修改电输入音频信号eIN(或其处理后的版本，例如参见图1b、1c)并根据预定均衡函数提供均衡电音频信号eINeq。均衡单元EQ在图1b和1c中描述为在数字域工作(参见数字信号eIN2/eINeq/eINeq1/eINeq2)。然而，在实施例中，均衡单元可在模拟域工作。扬声器系统LSS还包括扬声器单元SPK，用于将均衡电音频信号eINeq(或其处理后的版本，例如参见图1b、1c)转换为声学输出声音信号OUT。作为备选，扬声器单元SPK可以是骨锚式助听器的机械振动器。扬声器系统LSS还包括用户接口，用于按多档V0,V1,…,VN更改输出声音信号OUT的音量级，特定的档由控制信号VOL指明。在扬声器系统LSS的特定运行模式下，均衡单元EQ配置成在音量级的多档V0,V1,…,VN中的经用户接口UI请求的每一档中将特定均衡函数EQ0,EQ1,…,EQN应用于电输入音频信号。扬声器系统LSS包括预定均衡函数EQ0,EQ1,…,EQN，每一函数指明在对应的音量V0,V1,…,VN被请求时将应用于输入音频信号的预定随频率而变的增益(如衰减)。换言之，对应组的音量设置和均衡函数(Vi,EQi)可用于扬声器系统LSS。扬声器系统LSS配置成按至少两种运行模式即第一模式和第二模式运行，其中第一模式为全带宽模式，其以重放音乐或其它宽带音频信号为目标。全带宽模式为与图4中的均衡曲线(记为EQ0-EQ8)及图5中的合成频率响应曲线(记为VOL0-VOL8)相关联的模式。
图1b示出了扬声器系统LSS的另一实施例。图1b的实施例包含结合图1a所示和所述一样的元件。图1b的实施例还包括输入单元IU和均衡单元EQ之间的中间“其它”处理单元OP1。处理单元OP1配置成提供数字输入音频信号eIN1的归一化并提供归一化输入音频信号eIN2。该功能在实践中例如可形成输入单元IU的一部分。数字化输入音频信号eIN1可以多种电压电平提供。处理单元OP1将这些电压电平“归一化”到扬声器系统的适当电平(考虑其电源电压、部件规格等)。均衡单元EQ的作用通常是变化程度地(取决于频率和音量级(及运行模式))衰减归一化输入信号。其它处理可包括在OP1中。均衡单元EQ接收归一化(及非必须地，进一步处理的)输入音频信号并将归一化信号eINeq提供为输出(根据从用户接口UI接收的音量控制信号VOL和从控制单元CNT接收的模式控制信号MOD)。控制单元CNT配置成监视输入单元IU并基于其决定扬声器系统LSS计划按哪一运行模式运行(如基于输入单元IU接收的信号IN的类型或通过经输入单元IU的音频接口接收的控制信号)。相应模式由模式控制信号MOD指明。图1b的实施例还包括均衡单元EQ和扬声器单元SPK之间的、另外的中间“其它”处理单元OP2、数模转换器DAC和放大器单元AMP。处理单元OP2配置成提供均衡音频输入信号eINeq的非必需的另外的处理(如应用数字增益、降噪或压缩，如果有关的话)及提供处理后的数字输出信号dO。数模转换器DAC(如Σ-δ转换器)将数字输出信号dO转换为模拟输出信号aO1。放大器单元AMP放大模拟输出信号aO1并将放大的模拟输出信号aO2提供给扬声器单元SPK。
图1c示出了扬声器系统LSS的另一实施例。图1c的实施例包含结合图1b所示和所述一样的元件。图1c的实施例示出了其中输入单元IU包括两个不同音频接口的实施例：a)数字音频接口(如音频USB接口)，其中数字电输入音频信号dIN可从另一装置(如计算机，例如参见图6b中的PC)接收；及b)模拟音频接口(如音频插口接口)，其中模拟电输入音频信号aIN可从另一装置(如娱乐装置，例如参见图6b中的音乐播放器)接收。扬声器系统LSS还包括模数转换器ADC以在模拟电输入音频信号aIN进入输入单元IU之前使其数字化。在图1c的实施例中，用户接口和控制单元(分别为图1b实施例的UI和CNT)集成在用户接口-控制单元UI-CNT中，其配置成从用户接收输入并从输入单元IU的音频接口提取有关信息，及基于这些(信号MON)产生控制均衡单元EQV的控制信号MOD和VOL。图1b实施例的均衡单元EQ在图1c的实施例中分为两个功能单元EQV和EQS。EQV提供归一化输入音频信号eIN2的随音量(和模式)而变的均衡并将第一均衡输入信号eINeq1提供给“静态”均衡单元EQS。均衡单元EQS配置成提供输入信号的与音量无关的均衡，即其对所有均衡函数EQi,i＝0,1,2,…,N均一样。这样的与音量无关的均衡例如可消除(“清除”)频率响应曲线与中频范围中的理想响应(通常相当平坦)的(较小)偏离。“静态”均衡单元EQS将第二均衡输入信号eINeq2提供给处理单元OP2。均衡模块EQV和EQS的顺序可交换。
图2a-2b示出了用于根据本发明的扬声器系统的均衡器单元的两个示例性实施例。图2a示出了结合图1a-1c所述的均衡单元EQ，例如如图1c中所示，基于归一化输入音频信号eIN2提供第一均衡输入信号eINeq1的随音量(和模式)而变的均衡单元EQV。图2a-2b的均衡单元可以也可不包括结合图1c所述的静态部分(单元EQS)。图2a示出了均衡单元EQV的实施例，其中对于每一均衡函数(EQi-Mx,i＝0,1,2,…,N及x＝1,2，其中N+1为音量档数和2为运行模式数(其可以是1或大于2))存在单独的通路，及适当的通路在选择器单元SEL中基于控制输入信号MOD(当前检测到的或请求的运行模式)和VOL(当前请求的音量设置)进行选择。模块EQi-Mx可实施为分开的固定滤波器，每一滤波器作用于同一输入信号eIN2并根据i,x(音量和模式)提供输入信号的独特均衡(衰减)，对应的信号基于控制输入MOD、VOL选择为输出eINeq1。
图2b示出了均衡单元EQ的备选实施例。在图2b的实施例中，均衡单元EQV包括存储器，其保存将由所涉及扬声器系统LSS实施的2N个均衡函数中的每一个(EQi-Mx,i＝0,1,2,…,N及x＝1,2)的均衡函数(如可变滤波器的滤波器系数的形式)。归一化输入音频信号eIN2馈给可变滤波器，在此为数字IIR滤波器，及适当的滤波器系数从存储器取回并根据当前请求的音量设置和运行模式应用于可变滤波器。从而提供所得的(第一)均衡(输入)信号eINeq1。也可使用不同于数字IIR滤波器的其它滤波器(如数字FIR滤波器或模拟滤波器)。
图3a-3c示意性地示出了与本发明有关的、涉及扬声器单元的均衡曲线和传递函数的多个不同频率。
图3a示出了扬声器系统(或其形成为一部分的通信装置)的工作频率范围。该系统配置成在最小频率fmin和最大频率fmax之间的音频频率范围中运行。在实施例中，最小频率fmin小于50Hz。在实施例中，最大频率fmax大于4kHz，如大于8kHz。工作频率分为低频区、中频区和高频区，由阈频率fLF,th和fHF,th分隔。
图3b示出了定义有关频率的示例性(示意性)均衡曲线。频率f2和f3原则上对应于上面定义的阈频率fLF,th和fHF,th。在本发明的均衡函数EQ0-EQN中，频率f2和f3对于不同函数可以不同(因而与相应的阈频率fLF,th和fHF,th不一样)，但通常将不偏差太多且接近阈频率。频率f1可基于主观准则和/或功耗准则和/或放大器电压和/或扬声器位移进行确定。频率f1可因均衡函数不同而不同，并可(对于一些均衡函数，如果可能)与最小工作频率fmin一致。对于频率f4，同样如此。
每一特定均衡函数确定形成(对于该均衡函数的)相应低、中和高频区的低频阈频率f2(～fLF,th)和高频阈频率f3(～fHF,th)，其中低频和高频阈频率(f2,f3)之间的中频区中的衰减大于在低于低频阈频率(f2)的低频区中的衰减。频率f1小于低频阈频率f2。对应地，频率f4大于高频阈频率f3。扬声器系统配置成在最小频率fmin(如≤50Hz)和最大频率fmax(如≥4kHz)之间的音频频率范围中运行。
均衡曲线在频率范围f1-f2和f3-f4中的进程用于分别补偿扬声器单元的频率响应在低和高频的偏差(分别低于fLFcut和高于fHFcut，参见图3c)。图3b的示例性均衡函数的衰减被示为在f1和f2之间的低频区中从在f2的中频范围电平L(f2)增加到在f1的最小衰减电平L(f1)。对应地，图3b的示例性均衡函数的衰减被示为在f3和f4之间的高频区中从在f3的中频范围电平L(f3)增加到在f4的衰减电平L(f4)。在示意性曲线EQapp(f)中，所指明的相邻频率fp,fq(如f1和f2之间)之间的进程为线性。在实践中，其可能偏离线性，或故意地，或由于有限滤波器大小及部件的非线性(如曲线EQ(f)示意性所示)。
图3c示意性地示出了扬声器单元的频率传递函数(振幅dB对频率f)。典型的扬声器单元具有中频范围，其对于第一频率fLFcut和第二频率fHFcut(fLFcut<fHFcut)之间的中频范围中的频率提供实质上平坦的传递函数H(f)。在低于低频截止频率fLFcut时，扬声器单元的频率响应下降(如～12dB/倍频程)。换言之，在其它条件均一样的情形下，扬声器单元以比中频范围中的声音低的输出电平播放低频声音(低于fLFcut)。对于高于高频截止频率fHFcut的声音信号，一定程度上同样如此。根据所涉及的扬声器单元，低频截止频率fLFcut小于500Hz，如小于400Hz，例如在从200Hz到400Hz的范围中。对应地，高频截止频率fHFcut取决于所涉及的扬声器单元。优选地，其大于4kHz，如大于8kHz，如大于12kHz，例如在从4kHz到10kHz的范围中。理想化的曲线Happ(f)和(示意性的)真实传递函数曲线H(f)在图3c中示出。理想化的(分段线性的)曲线Happ(f)例如可以是真实传递函数H(f)的预成形(参见静态均衡单元EQS)的结果，如上面结合图1c所述。
优选地，特定均衡函数EQi的低频阈频率f2(i)取决于扬声器单元的低频截止频率fLFcut。对应地，特定均衡函数EQi的高频阈频率f3(i)取决于扬声器单元的高频截止频率fHFcut。
应注意，本随音量(和模式)而变的均衡方案也可应用于扬声器传递函数与理想的其它(非理想)偏差，例如该传递函数中在中频的下降。
图4示出了根据本发明的对于不同音量档(V0,V1,…,V8)，对频率f的示例性均衡曲线EQ(f)(EQ0,EQ1,…,EQ8，在此音量档数为9)。均衡曲线通常具有结合图3b所述的形式。这些曲线示出了不同音量级Vi下的衰减量值(dB)。在f2和f3之间的中间范围中的两个均衡曲线之间的距离被示为一样(各个音量档之间的阶跃高度(dB)一样、恒定，如3dB或4dB级)。然而，并不必须如此。根据应用，档可变化(如随音量级增加而减少，反之亦然)。对每一均衡曲线EQi和音量档Vi均指明了(频率f2和f3之间的)中频范围的(最大)衰减电平(最小电平Lmin(EQi))。在频率f1和f2之间的低频区中，对于相应最大衰减电平Lmin(EQi)之间的频率递减，每一均衡曲线EQi的衰减线性(按对数表示)减小到最小衰减电平Lmax，例如对应于无衰减(0dB)，即最大程度地利用扬声器单元的传递函数。在实施例中，中频范围(f2-f3)中的最小和最大衰减之间的差小于或等于40dB，如小于或等于30dB。均衡曲线EQi通常被示为分别在fmin和f1之间及f4和fmax之间的最低和最高频率范围中以恒定衰减电平结束。然而，并不必须如此，如图所示，在对应于最低音量设置V0,V1,V2的均衡函数EQ0,EQ1,EQ2的高频区中，随着f4和fmax之间的高频区中的频率增加，衰减减小(以不同速率)。
对于所有均衡曲线，低和高频阈频率f1和f2在此假定一样，并分别等于图4中频率轴下面示出的、扬声器单元的低和高频截止频率(fLFcut和fHFcut)。还示出了低和高频阈频率f1和f2与图3a的相应低和高频阈频率(fLF,th和fHF,th)一样，其形成扬声器系统的最小(音频)频率fmin和最大(音频)频率fmax之间的工作频率范围的3个频区。
图5示出了根据本发明的扬声器系统的示例性合成频率响应曲线RFR(f,VOL)。这些曲线示意性地示出了对于多个音量设置VOLi(i＝0,1,…,8)，量值(dB)与频率f之间的关系。合成频率响应曲线假设源自图4的均衡曲线和(图3c中例示的)扬声器单元的频率响应曲线。
对每一音量档VOLi均指明中频范围(频率f2和f3之间)的(最大)输出电平L(VOLi)。
本发明的随音量档而变的均衡器可解决两个问题：
-首先，当音量随频率线性减小时，错过以低回放电平在低频(LF)区完全开发扬声器能力的机会；
-其次，当音量随频率线性减小时，因众所周知的心理声学响度效应，音调平衡被感知发生变化。
该方案通过对每一音量档使用单独的EQ曲线而主要解决第一问题，但一定程度上也可解决第二问题。例如这是最低级时LF提升和3个最低音量级时HF提升的原因，如图5中所示。
上部曲线VOL8描述了平坦扬声器响应，具有在f2的LF截止点(例如对应于约325Hz)。其它曲线VOL2-VOL7展现了同样的进程，除了在低于截止频率fc(如约75Hz)时跟随对应于最大音量(无衰减，VOL8)的曲线的衰变。然而，作为备选，随着音量级减小，在f2的截止点频率可逐渐降低，直到其在最低音量档达到fc为止。这可通过扩展在低于f2的频率范围中的中频区的电平L(VOLi),i＝1-7直到其达到对应于VOL8(粗线)的边界曲线为止。
在最最低的档VOL0时，应用另外的低音提升，使得响应峰值约为fc(如75-100Hz)。这可视为小响度补偿。
为使可用最大电压摆动内的回放尽可能地大声，在最高音量档，不应用高频提升(参见图4)。该提升在次最高音量档引入，并下至最低音量档一直保持(参见图4中的范围f3-f4)。在三个最低音量档(VOL0,VOL1,VOL2)，实施另外的逐渐的HF提升(参见图4中的范围f4-fmax)。这可视为小响度补偿。
在实施例中，上面的方案在数字域实施。优选地，提供满刻度输入(通过归一化)。在实施例中，没有动态处理用于提升小信号输入电平(如WO9318626A1中提出的)。
该方案优选按第一运行模式使用，其中音乐或多媒体回放将由扬声器系统(如形成免提电话的一部分)重放。类似功能可用于第二运行模式期间的回放，其中通信被强调(如经电话线)，但具有不同的均衡函数。总的来说，在电话会话中，预计从低音提升并没有实质上的受益。
图6a-6b示出了包括根据本发明的扬声器系统的通信装置CD(在此为免提电话)实施例的两个应用场合。通信装置CD配置成单独或同时连接到计算机PC和移动电话CellPh。
图6a-6b示出了包括到其它装置的两个有线音频接口的通信装置CD的实施例，其它装置为：a)无线电话CellPh(如移动电话，例如智能电话，图6a)或单向音频传输装置(图6b中的音乐播放器)；及b)计算机PC(如个人计算机)。到计算机PC的音频接口包括USB(音频)接口，其包含用于将通信装置直接连接到计算机并使双向音频能在通信装置CD和计算机之间交换的线缆和USB连接器PC-Con。到无线电话CellPh的音频接口包括用于将通信装置直接连接到无线电话并使双向音频能在通信装置和无线电话之间交换的线缆和电话连接器PhCon。优选地，电话连接器具有耳机连接的功能，以将无线电话的音频输入能力传给通信装置的传声器MIC及将无线电话的音频输出传给通信装置的扬声器SPK。通信装置CD包括多个启动元件(B1,B2,B3)如按钮(或作为备选，触敏显示器)，从而使能控制通信装置和/或与通信装置连接的装置的功能。优选地，启动元件之一如B1配置成使无线电话CellPh经电话连接器PhCon连接到通信装置(摘机、应答呼叫)和/或与其断开连接(挂机、结束呼叫)。优选地，启动元件之一如B2配置成使用户能控制扬声器输出的音量。优选地，启动元件之一如B3配置成使用户能控制通信装置的扬声器系统的运行模式。
图6a中所示的场合为通信装置CD附近的用户U1,U2与两个(不同)远程位置处的用户RU1,RU2,RU3之间的远程会议。远程用户RU1经无线电话CellPh和到网络NET的无线连接WL1连接到通信装置CD。远程用户RU2,RU3经计算机PC和到网络NET的有线连接WI1连接到通信装置CD。图6a中所示的场合对应于扬声器系统的第二有限带宽运行模式。
图6b示出了稍微不同于图6a的场合。图6b示出了来自连接到通信装置CD的多个不同音频传输装置(音乐播放器和PC)的音频信号的接收(及非必须地，混合)。图6b中所示的场合对应于扬声器系统的第一全带宽运行模式。通信装置CD包括分别体现在I/O单元IU1/OU1和IU2/OU2中的两个(双向)音频接口。
图6b的通信装置包括扬声器信号通路SSP、传声器信号通路MSP、和用于动态控制两个信号通路的信号处理的控制单元CONT。扬声器信号通路SSP包括用于从连接的装置接收电信号并将其提供为电接收的输入信号S-IN1,SIN2的接收器单元IU1,IU2、用于处理(包括均衡)电接收的输入信号S-IN1,SIN2并提供处理后的输出信号S-OUT的SSP信号处理单元G1、及在运行时彼此连接并配置成将处理后的输出信号S-OUT转换为源自接收器单元IU1,IU2接收的信号的声学声音信号OS的扬声器单元SPK。传声器信号通路MSP还包括用于选择两个输入音频信号之一(或将它们进行混合)并将所得信号S-IN提供给SSP信号处理单元G1的选择器-混合单元SEL-MIX。传声器信号通路MSP包括用于将声学输入声音IS转换为电传声器输入信号M-IN的传声器单元MIC、用于处理电传声器输入信号M-IN并提供处理后的输出信号M-OUT的MSP信号处理单元G2、及在运行时彼此连接并配置成将源自传声器单元MIC拾取的输入声音IS的处理后的信号M-OUT传给连接的装置(如果切实可能)的相应发射器单元OU1,OU2。控制单元CONT配置成动态控制SSP信号处理单元和MSP信号处理单元(分别为G1和G2)的处理，包括模式选择、SSP通路中的均衡、及非必须地使MSP通路的传声器单元MIC静音(分别经控制输出信号G1c,G2c和MUTE，基于来自用户接口UI的控制输入信号MOD和VOL和/或分别来自音频接口IU1/OU1,IU2/OU2的控制输入信号mod1和mod2)。
扬声器信号通路SSP分为两个IU1,IU2，用于从相应音频装置(音乐播放器和PC)接收输入信号。同样，传声器信号通路MSP分为两个OU1,OU2，用于将输出信号传给相应音频装置(音乐播放器(不紧密相关)和PC)。通信装置(单元IU1,IU2和OU1,OU2)和两个音频装置(在此为音乐播放器和PC)之间的单向和双向音频连接可分别经插口连接器JckCon、线缆Jck-I-O、USB连接器PC-Con和线缆PC-I-O建立。
图7示出了包括根据本发明的扬声器系统的通信装置CD(在此为免提电话)的第二实施例，其单元和功能与结合图6b所述的一样(因而可表示相应运行模式，其中有利地应用根据本发明的随音量而变的均衡)。在图7的实施例中，音频接口包括在I/O控制单元I/O-CNT中，其从连接到相应音频接口的装置接收输入信号并将输出信号传给连接的装置，如果适宜。在听音模式下，其中音乐或其它宽带音频信号从音频传输装置(音乐播放器和PC)之一或两个接收，假设没有音频信号从通信装置CD传到连接的音频传输装置。该听音模式因此可等同于先前描述的“全带宽模式”。I/O控制单元I/O-CNT连接到功率控制单元PWR-C和电池BAT。功率控制单元PWR-C从I/O控制单元I/O-CNT接收信号，从而使能检测来自音频接口的可能电源信号，如果这样的电源存在，开始可再充电电池BAT的再充电，如果适宜。其还将控制信号CHc提供给控制单元，从而表明当前电源是否基于远程源(如经音频接口或经干线供电接收)或者当前是否使用本机能源BAT。前述信息可在控制单元CONT中用于决定适当的运行模式，也关于随音量而变的均衡。对于电池模式和对于外部电源模式，可定义特定的一组随音量而变的均衡函数，及用于实施相应均衡函数的适当参数集(如滤波器系数，参见图2b)可保存在通信装置中。
图8a-8b示出了可有利地包括根据本发明的扬声器系统的免提电话CD的(透视)截面图。图8a和图8b一样，除了图8a为阴影版和图8b为线图之外。免提电话包括居中定位的扬声器单元SPK，其具有直径为SPK-DIM的扬声器纸盆SPK-CON。扬声器直径可具有适合所涉及应用的任何大小。优选地，该直径小于1m。在图8a-8b所示的免提电话中，小于0.2m的直径适宜，如小于0.15m。图8a-8b的通信装置CD(在此为免提电话)的最大尺寸称为CD-DIM(参见图8b)。在图8a-8b所示的免提电话中，小于0.4m的最大装置尺寸适宜，如小于0.25m。通信装置包括居中定位的启动元件(按钮)形式的用户接口UI，例如用于改变装置的运行模式(或用于启动开或关状态等)。
本发明由独立权利要求的特征限定。从属权利要求限定优选实施方式。权利要求中的任何附图标记不用于限定其范围。
一些优选实施方式已经在前面进行了说明，但是应当强调的是，本发明不受这些实施方式的限制，而是可以权利要求限定的主题内的其它方式实现。
参考文献
·[Haykin；2001]S.Haykin,Adaptive filter theory(Fourth Edition),Prentice Hall International Inc.,2001.
·WO9318626A1

Claims (11)

1.一种扬声器系统，包括：
-提供电输入音频信号的输入单元；
-均衡单元，用于根据频率修改所述电输入音频信号或其处理后的版本并根据预定的均衡函数提供均衡电音频信号；
-扬声器单元，用于将所述均衡电音频信号或其处理后的版本转换为声学输出声音信号；
-用户接口，用于按多档V0,V1,…,VN更改所述输出声音信号的音量级；及
-I/O控制单元，用于监视连接到所述扬声器系统的接口；
其中，
所述均衡单元配置成在所述音量级的所述多档V0,V1,…,VN的每一档中将特定均衡函数EQ0,EQ1,…,EQN应用于所述电输入音频信号；
每一预定的特定均衡函数EQ0,EQ1,…,EQN指明在对应的音量V0,V1,…,VN被选择时将应用于所述电输入音频信号的预定的随频率而变的增益；
所述扬声器系统配置成按至少两种运行模式即第一模式和第二模式运行，其中所述第一模式为按全带宽模式运行及所述第二模式为按有限带宽模式运行；及
所述扬声器系统还配置成根据所监视的接口在按所述第一模式运行与按所述第二模式运行之间自动切换。
2.根据权利要求1所述的扬声器系统，其中所述均衡单元配置成使得所述特定均衡函数EQ0,EQ1,…,EQN中的至少两个不同。
3.根据权利要求1所述的扬声器系统，其中所述均衡单元配置成使得每一特定均衡函数定义所述电输入音频信号的随频率而变的衰减。
4.根据权利要求1所述的扬声器系统，其中每一特定均衡函数定义低频阈频率f2及高频阈频率f3，从而形成相应的低、中和高频区，其中在低频阈频率和高频阈频率之间的中频区中的衰减比在低于低频阈频率的低频区中的衰减大。
5.根据权利要求1所述的扬声器系统，配置成使得
-当所述音量级的对应的相应档Vi,i＝0,1,2,…,N被选择时，每一特定均衡函数EQi,i＝0,1,2,…,N应用于电音频信号，其中增大i对应于增大音量；
-每一均衡函数EQi(f)表示随特定频率而变的衰减EQi(f)；及
-对于从LF频率fLF到HF频率fHF的范围中的所有频率，如果i大于j，则均衡函数EQi(f)的衰减比均衡函数EQj(f)的衰减小。
6.根据权利要求4所述的扬声器系统，配置成使得特定均衡函数的低频阈频率f2取决于所述扬声器单元的低频截止频率fLFcut。
7.根据权利要求1-6任一所述的扬声器系统，配置成在功率受限条件下工作，其中可应用于所述扬声器单元的最大电压摆动受下述之一或多个限制：a)所述扬声器系统中的可用功率；b)最大放大器输出；及c)所述扬声器单元的规格。
8.根据权利要求1-6任一所述的扬声器系统，配置成在经提供功率的音频接口连接到另一装置或系统时自动由所述另一装置或系统供电。
9.一种通信装置，包括根据权利要求1所述的扬声器系统。
10.根据权利要求9所述的通信装置，还包括：
-第一传声器信号通路，包括
--传声器单元；
--第一信号处理单元；及
--发射器单元；
所述传声器单元、所述第一信号处理单元和所述发射器单元在工作时彼此连接并配置成传输源自所述传声器单元拾取的输入声音的处理后的信号；及
-第二扬声器信号通路，包括
--接收器单元；
--第二信号处理单元；及
--第二扬声器单元；
所述接收器单元、所述第二信号处理单元和所述第二扬声器单元在工作时彼此连接并配置成提供源自所述接收器单元接收的信号的声学声音信号。
11.一种免提电话，包括扬声器系统，所述扬声器系统包括：
-提供电输入音频信号的输入单元；
-均衡单元，用于根据频率修改所述电输入音频信号或其处理后的版本并根据预定的均衡函数提供均衡电音频信号；
-扬声器单元，用于将所述均衡电音频信号或其处理后的版本转换为声学输出声音信号；
-用户接口，用于按多档V0,V1,…,VN更改所述输出声音信号的音量级；及
-I/O控制单元，用于监视连接到所述扬声器系统的接口；
其中，
所述均衡单元配置成在所述音量级的所述多档V0,V1,…,VN的每一档中将特定均衡函数EQ0,EQ1,…,EQN应用于所述电输入音频信号；
每一预定的特定均衡函数EQ0,EQ1,…,EQN指明在对应的音量V0,V1,…,VN被选择时将应用于所述电输入音频信号的预定的随频率而变的增益；
所述扬声器系统配置成按至少两种运行模式即第一模式和第二模式运行，其中所述第一模式为按全带宽模式运行及所述第二模式为按有限带宽模式运行；及
所述扬声器系统还配置成根据所监视的接口在按所述第一模式运行与按所述第二模式运行之间自动切换。
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