CN112544090B - 音频电路 - Google Patents

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Abstract

音频电路，包括：扬声器驱动器，所述扬声器驱动器能够操作来基于扬声器信号来驱动扬声器；电流监测单元，所述电流监测单元能够操作来监测流动通过所述扬声器的扬声器电流并且生成指示所述电流的监测信号；以及传声器信号发生器，所述传声器信号发生器能够操作来当外部声音入射在所述扬声器上时，基于所述监测信号和所述扬声器信号来生成表示所述外部声音的传声器信号。

Description

音频电路
技术领域
本公开总体涉及音频电路，具体地涉及用于在主机装置中使用的音频电路。更具体地，本公开涉及扬声器作为传声器的用途。
背景技术
音频电路可在主机装置内(至少部分地在IC上)实现，所述主机装置可被视为电气或电子装置，并且可以是移动装置。示例性装置包括便携式和/或电池供电的主机装置(诸如移动电话)、音频播放器、视频播放器、PDA、移动计算平台(诸如膝上型计算机或平板电脑)和/或游戏装置。
主机装置中的电池寿命通常是关键的设计约束。因此，主机装置能够处于低功率状态或“睡眠模式”。在此低功率状态下，通常只有最小限度的电路是活动的，此类最小限度的电路包括感测用于激活较高功率的操作模式的刺激所必需的部件。在一些情况下，保持活动的部件中的一者是电容性传声器，以便感测用于激活较高功率状态的语音激活命令。然而，此类传声器(连同支持性放大器电路和偏置电子器件)可能消耗显著量的功率，从而减少例如主机装置的电池寿命。
已知将扬声器(例如扩音器)用作传声器，这可能够减少设置在主机装置中的部件的数量或在低功率状态下保持活动的部件的数量。在此方面可参考US9008344，所述文献涉及用于在移动装置中将扬声器用作传声器的系统。然而，当考虑到功率性能和音频性能两者时，此类系统被视为有待改进。
期望提供改进的音频电路，其中功率性能和音频性能两者均达到可接受的水平。期望提供改进的音频电路，以使得能够在性能改进的情况下将扬声器(例如扩音器)(例如同时)用作扬声器和传声器。
发明内容
根据本公开的第一方面，提供了音频电路，其包括：扬声器驱动器，所述扬声器驱动器能够操作来基于扬声器信号来驱动扬声器；电流监测单元，所述电流监测单元能够操作来监测流动通过所述扬声器的扬声器电流并且生成指示所述电流的监测信号；以及传声器信号发生器，所述传声器信号发生器能够操作来当外部声音入射在所述扬声器上时，基于所述监测信号和所述扬声器信号来生成表示所述外部声音的传声器信号。
所述扬声器电流可包含由所述扬声器信号产生的扬声器分量和由入射在所述扬声器上的所述外部声音产生的传声器分量，其中根据所述扬声器信号和所述外部声音，所述分量是大量的或可忽略不计的。所述扬声器信号的那些分量将以良好的准确度表示任何意图的发出声音或任何传入的外部声音。这使得传声器信号也能够以良好的准确度表示外部声音，从而提高性能。
所述传声器信号发生器可包括转换器，所述转换器被配置为基于所述扬声器信号来将所述监测信号转换成所述传声器信号，所述转换器至少部分地由对至少所述扬声器进行建模的传递函数来限定。所述转换器可称为滤波器或信号处理单元。
所述传递函数还可对所述扬声器驱动器和所述电流监测单元中的至少一者或者所述扬声器驱动器和所述电流监测单元中的两者进行建模。所述传递函数可单独对所述扬声器进行建模。
所述扬声器驱动器可能够操作来当所述扬声器信号是发出扬声器信号时，驱动所述扬声器以使得所述扬声器发出对应的声音信号。在这种情况下，当所述外部声音在所述扬声器信号是发出扬声器信号时入射在所述扬声器上时，所述监测信号可包括由所述扬声器信号产生的扬声器分量和由所述外部声音产生的传声器分量。所述转换器可被限定成使得当所述外部声音在所述扬声器信号是发出扬声器信号时入射在所述扬声器上时，所述转换器在将所述监测信号转换成所述传声器信号时滤出所述扬声器分量并且/或者均衡和/或隔离所述传声器分量。
所述扬声器驱动器可能够操作来当所述扬声器信号是不发出扬声器信号时，驱动所述扬声器以使得所述扬声器基本上不发出声音信号。在这种情况下，当所述外部声音在所述扬声器信号是不发出扬声器信号时入射在所述扬声器上时，所述监测信号可包括由所述外部声音产生的传声器分量。所述转换器可被限定成使得当所述外部声音在所述扬声器信号是不发出扬声器信号时入射在所述扬声器上时，所述转换器在将所述监测信号转换成所述传声器信号时均衡和/或隔离所述传声器分量。
所述传声器信号发生器可被配置为当所述扬声器信号是驱动所述扬声器以使得所述扬声器发出对应的声音信号的发出扬声器信号时，基于所述监测信号和所述扬声器信号来确定或更新所述传递函数或所述传递函数的参数。所述传声器信号发生器可被配置为基于所述传声器信号来确定或更新所述传递函数或所述传递函数的参数。所述传声器信号发生器可被配置为在所述传递函数或所述传递函数的参数改变时重新限定所述转换器。也就是说，所述转换器可称为自适应滤波器。
所述转换器可被配置为执行转换以使得所述传声器信号作为声压级信号输出。所述转换器可被配置为执行转换以使得所述传声器信号作为另一种类型的音频信号输出。此类转换可以包括缩放和/或频率均衡。
所述传递函数和/或所述转换器可至少部分地由Thiele-Small参数限定。
所述扬声器信号可指示施加到所述扬声器的电压信号或与其相关或表示所述电压信号或与其成比例。所述扬声器信号可被视为电压模式信号，因为电压是所关注的自变量(并且电流取决于电压)。所述监测信号可与流动通过所述扬声器的所述扬声器电流相关、表示所述扬声器电流或与其成比例。所述监测信号可被视为电流模式信号，因为电流是所关注的自变量。所述扬声器驱动器可能够操作来控制施加到所述扬声器的所述电压信号，以便维持或趋于维持所述扬声器信号与所述电压信号之间的给定关系。例如，所述扬声器驱动器可被配置为根据需要向所述扬声器供应电流，以维持或趋于维持所述扬声器信号与所述电压信号之间的给定关系。
所述电流监测单元可包括阻抗，所述阻抗连接以使得所述扬声器电流流动通过所述阻抗，其中所述监测信号基于跨所述阻抗的电压来生成。所述阻抗可以是电阻器或者包括电阻器。
所述电流监测单元可包括晶体管的电流镜布置，所述晶体管连接以镜像(mirror)所述扬声器电流来生成镜像电流，其中所述监测信号基于所述镜像电流来生成。
所述音频电路可包括所述扬声器，或者可被提供用于连接到所述扬声器。
所述音频电路可包括：扬声器信号发生器，所述扬声器信号发生器能够操作来生成所述扬声器信号；和/或传声器信号分析器，所述传声器信号分析器能够操作来分析所述传声器信号。
根据本公开的第二方面，提供了一种音频处理系统，其包括：根据本公开的前述第一方面所述的音频电路；以及处理器，所述处理器被配置为处理所述传声器信号。
所述处理器可被配置为基于所述传声器信号而从低功率状态转变至较高功率状态。所述处理器可被配置为：将所述传声器信号与至少一个环境特征(例如模板)进行比较，并且基于所述比较来分析所述扬声器曾经或正在其中操作的环境。
根据本公开的第三方面，提供了一种主机装置，其包括：根据本公开的前述第一方面所述的音频电路或根据本公开的前述第二方面所述的音频处理系统。
附图说明
现在将仅以举例的方式参考附图，在附图中：
图1是主机装置的示意图；
图2是用于在图1主机装置中使用的音频电路的示意图；
图3A是图2的传声器信号发生器的一个实现方式的示意图；
图3B是图2的传声器信号发生器的另一个实现方式的示意图；
图4是作为图2的电流监测单元的实现方式的示例性电流监测单元的示意图；
图5是作为图2的电流监测单元的实现方式的另一个示例性电流监测单元的示意图；并且
图6是另一个主机装置的示意图。
具体实施方式
图1是可被视为电气或电子装置的主机装置100的示意图。主机装置100包括如将结合图2更详细地说明的音频电路200(未具体示出)。
如图1所示，移动装置102包括：控制器102、存储器104、无线电收发器106、用户接口108、至少一个传声器110和至少一个扬声器单元112。
主机装置可包括壳体，即用于容纳主机装置100的各种部件的任何合适的外壳、套壳或其他壳体。所述壳体可由塑料、金属和/或任何其他合适的材料构造。此外，壳体可被适配成(例如，其大小和形状被设定成)使得主机装置100易于被主机装置100的用户运输。因此，主机装置100包括但不限于：移动电话(诸如智能电话)、音频播放器、视频播放器、PDA、移动计算平台(诸如膝上型计算机或平板计算装置)、手持式计算装置、游戏装置或可易于被用户运输的任何其他装置。
控制器102容纳在壳体内并且包括被配置为解译和/或执行程序指令和/或处理数据的任何系统、装置或设备，并且可包括但不限于微处理器、微控制器、数字信号处理器(DSP)、专用集成电路(ASIC)或被配置为解译和/或执行程序指令和/或处理数据的任何其他数字或模拟电路。在一些布置中，控制器102解译和/或执行程序指令和/或处理存储在存储器104和/或控制器102可访问的其他计算机可读介质中的数据。
存储器104可容纳在壳体内、可通信地耦接到控制器102，并且包括被配置为保留程序指令和/或数据达一定时间段的任何系统、装置或设备(例如，计算机可读介质)。存储器104可包括随机存取存储器(RAM)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)、个人计算机储存卡国际协会(PCMCIA)卡、闪存存储器、磁存储装置、光磁存储装置或在对主机装置100的供电被切断之后保留数据的易失性或非易失性存储器的任何合适的选择和/或阵列。
用户接口108可至少部分地容纳在壳体内、可通信地耦接到控制器102，并且包括用户可通过其与用户主机装置100进行交互的任何工具或工具的集合。例如，用户接口108可允许用户(例如，通过小键盘和/或触摸屏)将数据和/或指令输入到用户主机装置100中，和/或以其他方式操纵主机装置100及其相关联的部件。用户接口108还可以允许主机装置100例如通过显示装置(例如触摸屏)将数据传送给用户。
电容性传声器110可至少部分地容纳在壳体101内，可通信地耦接到控制器102，并且包括被配置为将入射在传声器110处的声音转换为可由控制器102处理的电信号的任何系统、装置或设备，其中使用膜片或薄膜将此类声音转换为电信号，所述膜片或薄膜具有如基于在膜片或薄膜处接收的声振动而变化的电容。电容性传声器110可包括静电传声器、电容式传声器、驻极体传声器、微机电系统(MEM)传声器或任何其他合适的电容性传声器。在一些布置中，可选择性地或一起提供和采用多个电容性传声器110。在一些布置中，可不提供电容性传声器110，依赖扬声器单元112来用作传声器，如稍后所说明的。
无线电收发器106可容纳在壳体内、可通信地耦接到控制器102，并且包括被配置为借助于天线而生成和发射射频信号以及接收射频信号并且将由此类所接收的信号所携载的信息转换为控制器102可使用的形式的任何系统、装置或设备。当然，在一些布置中，无线电收发器106可用仅发射器或仅接收器替换。无线电收发器106可被配置为发射和/或接收各种类型的射频信号，包括但不限于蜂窝通信(例如，2G、3G、4G、LTE等)、短距离无线通信(例如，蓝牙)、商业无线电信号、电视信号、卫星无线电信号(例如，GPS)、无线保真等。
扬声器单元112包括扬声器(可能连同支持性电路)，并且可至少部分地容纳在壳体内或可在壳体外部(例如，在头戴式耳机的情况下可附接到壳体)。如稍后将说明的，可将结合图2描述的音频电路200对应于扬声器单元112或对应于扬声器单元112和控制器102的组合。将了解，在一些布置中，可选择性地或一起提供和采用多个扬声器单元112。这样，可将结合图2描述的音频电路200多次提供，以分别对应于多个扬声器单元112，但不必为那些扬声器单元112中的每一个提供音频电路。将相应地理解本公开。
扬声器单元112可通信地耦接到控制器102，并且可包括被配置为响应于电音频信号输入而产生声音的任何系统、装置或设备。在一些布置中，扬声器单元112可包括动态扩音器作为其扬声器。
可使动态扩音器采用通过柔性悬挂件机械地耦接到刚性框架的轻质膜片，所述柔性悬挂件约束音圈轴向移动通过圆柱形磁隙。当将电信号施加到音圈时，音圈中的电流形成磁场，使其成为可变的电磁体。所述线圈和驱动器的磁系统相互作用，生成使线圈(以及因此，附接的锥体)来回移动的机械力，从而在来自放大器的所施加电信号的控制下重现声音。
扬声器单元112可被视为包括任何音频换能器作为其扬声器，所述音频换能器除其他之外包括微型扬声器、扩音器、听筒扬声器、头戴式耳机、耳塞式耳机或入耳式换能器、压电扬声器和静电扬声器。
在其中主机装置100包括多个扬声器单元112的布置中，此类扬声器单元112可发挥不同的功能。例如，在一些布置中，第一扬声器单元112可播放铃声和/或其他警报，而第二扬声器单元112可播放语音数据(例如，由无线电收发器106从另一方接收到此方与主机装置100的用户之间的电话呼叫的语音数据)。作为另一个实例，在一些布置中，第一扬声器单元112可在主机装置100的“扬声电话”模式下播放语音数据，而第二扬声器单元112可在扬声电话模式被禁用时播放语音数据。
尽管上面在图1中将具体示例性部件(例如，控制器102、存储器104、用户接口108、传声器110、无线电收发器106、一个或多个扬声器单元112)描绘为与主机装置100成一整体，但是在一些布置中，主机装置100可包括未在上面具体枚举的一个或多个部件。在其他布置中，主机装置100可包括上面具体枚举的部件的子集，例如它可能不包括无线电收发器106和/或传声器110。
如上所提及，可将一个或多个扬声器单元112用作传声器。例如，入射在扬声器单元112的锥体或其他产生声音的部件上的声音可引起此类锥体中的运动，由此引起此类扬声器单元112的音圈的运动(所述运动在音圈上感应出可被感测并且传输到控制器102和/或其他电路以用于处理的电压)，从而实际上操作为传声器。由用作传声器的扬声器单元112所检测到的声音可用于许多目的。
例如，在一些布置中，扬声器单元112可用作传声器来感测语音命令和/或其他音频刺激。这些可用于进行预定义的动作(例如预定义的语音命令可用于触发对应的预定义的动作)。
语音命令和/或其他音频刺激可用于将主机装置100从低功率状态“唤醒”并将其转变至较高功率状态。在此类布置中，当主机装置100处于低功率状态时，扬声器单元112可将电子信号(传声器信号)传送到控制器102以用于处理。控制器102可处理此类信号并且确定此类信号是否对应于用于将主机装置100转变至较高功率状态的语音命令和/或其他刺激。如果控制器102确定此类信号对应于用于将主机装置100转变至较高功率状态的语音命令和/或其他刺激，则控制器102可激活主机装置100的可能已经在低功率状态下停用的一个或多个部件(例如，电容性传声器110、用户接口108、形成控制器102一部分的应用处理器)。
在一些情况下，例如针对高于特定水平的声压级或音量(诸如现场演唱会的录音)，可将扬声器单元112用作传声器。在此类较高声级下，与电容性传声器110相比，扬声器单元112可对声音具有更可靠的信号响应。当将扬声器单元112用作传声器时，控制器102和/或主机装置100的其他部件可执行频率均衡，因为用作传声器的扬声器单元112的频率响应可能不同于电容性传声器110。如本领域中已知的，此类频率均衡可使用滤波器(例如，滤波器组)来实现。在特定的布置中，此类滤波和频率均衡可以是自适应的，其中在电容性传声器110是活动的(但不因入射的声音量过载)并且扬声器单元112被用作传声器的时间段期间，控制器102执行自适应滤波算法。一旦频率响应被均衡，控制器102可通过在电容性传声器110和扬声器单元112两者之间的交替淡变在从两者接收的信号之间平滑地转变。
在一些情况下，可将扬声器单元112用作传声器以使得能够识别主机装置100的用户。例如，扬声器单元112(例如实现为头戴式耳机、听筒或耳塞式扬声器)可用作传声器，同时向扬声器提供扬声器信号(例如以播放诸如音乐的声音)或基于噪声向扬声器提供扬声器信号。在那种情况下，传声器信号可包含关于用户的耳道的信息，使得能够通过分析传声器信号来识别用户。例如，传声器信号可指示所播放的声音或噪声如何在耳道中共振，这可能特定于有关耳道。由于每个人的耳道的形状和大小是唯一的，因此可将所得的数据用于区分特定(例如“授权”)用户与其他用户。因此，主机装置100(包括扬声器单元112)可以此方式被配置为执行生物识别检查，类似于指纹传感器或眼睛扫描仪。
将显而易见的是，在一些布置中，在其中扬声器单元112原本未用于发出声音的那些情况下，可将扬声器单元112用作传声器。例如，当主机装置100处于低功率状态时，扬声器单元112可能不发出声音，并因此可用作传声器(例如,以响应于语音激活命令而帮助将主机装置100从低功率状态唤醒，如上所述)。作为另一个实例，当主机装置100处于扬声电话模式时，通常用于在主机装置100不处于扬声电话模式时向用户播放语音数据的扬声器单元112(例如，用户在电话会话期间通常握持在他或她的耳边的扬声器单元112)可能停止发出声音并且在这种情况下可用作传声器。
然而，在其他布置中(例如，在上文描述的生物识别检查的情况下)，扬声器单元112可同时用作扬声器和传声器，使得扬声器单元112可在捕获声音时同时发出声音。在此类布置中，扬声器单元112的锥体和音圈可响应于施加到音圈的电压信号和入射在扬声器单元112上的其他声音而振动。如从图2将变得显而易见，控制器102和/或扬声器单元112可确定流动通过音圈的电流，所述电流将表现出以下项的效果：用于(例如，基于来自控制器102的信号)驱动扬声器的电压信号；以及由入射在扬声器单元112上的外部声音所感应出的电压。从图2将变得显而易见的是，音频电路200如何在这种情况下使传声器信号(归因于入射在扬声器单元112的扬声器上的外部声音)能够恢复。
在这些和其他布置中，主机装置100可包括至少两个扬声器单元112，其可以选择性地用于发射声音或用作传声器。在此类布置中，每个扬声器单元112可针对处于特定的音量级范围和/或频率范围的性能进行优化，并且控制器102可基于检测到的音量级和/或频率范围来选择将哪个(哪些)扬声器单元112用于发射声音以及将哪个(哪些)扬声器单元112用于接收声音。
图2是音频电路200的示意图。音频电路包括扬声器驱动器210、扬声器220、电流监测单元230和传声器信号发生器240。
为便于说明，音频电路200(包括扬声器220)在下文中将被视为对应于图1的扬声器单元112，其中图2中的信号SP和MI(稍后描述)实际上在音频电路200与控制器102之间传送。
扬声器驱动器210被配置为基于扬声器信号SP来驱动扬声器220，具体地驱动在扬声器220连接到其的信号线上的给定扬声器电压信号VS。扬声器220连接在信号线与接地端之间，其中连接电流监测单元230，使得电流监测单元230监测流动通过扬声器220的扬声器电流IS。
当然，此布置是一个实例，并且在另一个布置中，扬声器220可以连接在信号线与电源之间，再次其中连接电流监测单元230，使得电流监测单元230监测流动通过扬声器220的扬声器电流IS。在又一布置中，扬声器驱动器210可以是H桥扬声器驱动器，其中然后连接扬声器220以在两端处例如反相驱动。再次，将连接电流监测单元230，使得电流监测单元230监测流动通过扬声器220的扬声器电流IS。将相应地理解本公开。
返回图2，扬声器驱动器210可以是放大器，诸如功率放大器。在一些布置中，扬声器信号SP可以是数字信号，其中扬声器驱动器210是数字控制的。电压信号VS(实际上，在扬声器220和电流监测单元230的组合上维持的电势差，指示在扬声器220上维持的电位差)可以是基于扬声器信号SP控制的模拟电压信号。当然，扬声器信号SP也可以是模拟信号。无论如何，扬声器信号SP指示施加到扬声器的电压信号。也就是说，扬声器驱动器210可被配置为针对扬声器信号SP的给定值维持电压信号VS的给定电压水平，使得电压信号VS的值由扬声器信号SP的值控制或与其相关(例如至少在线性操作范围内与其成比例)。
扬声器220可包括如上所提及的动态扩音器。同样如上所提及的，扬声器220可被视为任何音频换能器，所述音频换能器除其他之外包括微型扬声器、扩音器、听筒扬声器、头戴式耳机、耳塞式耳机或入耳式换能器、压电扬声器和静电扬声器。
电流监测单元230被配置为监测流动通过扬声器的扬声器电流IS并且生成指示该电流的监测信号MO。监测信号MO可以是电流信号，或者可以是指示扬声器电流IS(例如与其相关或与其成比例)的电压信号或数字信号。
连接传声器信号发生器240以接收扬声器信号SP和监测信号MO。传声器信号发生器240可操作来当外部声音入射在扬声器220上时，基于监测信号MO和扬声器信号SP来生成表示外部声音的传声器信号MI。当然，扬声器电压信号VS与扬声器信号SP相关，并因此可连接传声器信号发生器240以接收扬声器电压信号VS而不是(或以及)扬声器信号SP，并且传声器信号发生器240可操作来基于此来生成传声器信号MI。将相应地理解本公开。
如上，在主机装置100的背景下，可从控制器102接收扬声器信号SP，并且可将传声器信号MI提供给控制器102。然而，将了解，音频电路200可被设置为不同于作为主机装置100的一部分的情况，在这种情况下，可例如在耦接附件(例如头戴式装置或耳塞式耳机装置)中提供其他控制或处理电路来供应扬声器信号SP并且接收传声器信号MI。
图3A是图2的传声器信号发生器240的一个实现方式的示意图。图3A实现方式中的传声器信号发生器240包括传递函数单元250和转换器260。
传递函数单元250连接以接收扬声器信号SP和监测信号MO，并且限定和实现对至少扬声器220进行建模(或者表示或模拟至少扬声器220)的传递函数。传递函数可另外对扬声器驱动器210和/或电流监测单元230进行建模。
这样，传递函数具体地对扬声器的性能进行建模。具体地，传递函数(换能器模型)对
预期扬声器电流IS如何基于扬声器信号SP(或扬声器电压信号VS)和入射在扬声器220上的任何声音而变化进行建模。当然，这涉及监测信号MO将如何基于相同的影响因素而变化。
通过接收扬声器信号SP和监测信号MO，传递函数单元250能够自适应地限定传递函数。也就是说传递函数单元250被配置为基于监测信号MO和扬声器信号SP来确定传递函数或传递函数的参数。例如，传递函数单元250可被配置为随时间推移限定、重新限定或更新传递函数或传递函数的参数。相比于扬声器信号SP，(使得转换器260的操作能够如下进行适应的)此类自适应传递函数可缓慢地适应并且还补偿施加到扬声器的电压信号中的延迟和频率响应。
作为一个实例，可(通过对应的扬声器信号SP)使用显著低于扬声器共振的导频音来适应或训练传递函数。这对于低频响应或总增益可能是有用的。显著高于扬声器共振的导频音(例如超声波)可类似地用于高频响应，并且低水平鼻信号可用于可听频带。当然，可例如在初始设置或校准阶段(例如在工厂校准中)使用可听声音来适应或训练传递函数。
当不存在入射在扬声器220上的(传入)声音时，传递函数单元250的这种自适应更新可最容易地操作。然而，随时间推移，即使当声音(例如偶尔)入射在扬声器220上时，传递函数也可能朝向“最佳”传递函数迭代。当然，传递函数单元250可设置有对应于“标准”扬声器220的(例如来自存储器的)初始传递函数或传递函数的初始参数，作为此类自适应更新的起始点。
例如，可在工厂校准步骤中设置或者可基于设计/原型特性预设此类初始传递函数或初始参数(即参数值)。例如，传递函数单元250可被实现为此类参数(例如系数)的存储装置。另外的可能性在于，可基于以下来设置初始传递函数或初始参数：在用于扬声器保护目的的单独过程中提取参数；以及然后基于那些所提取的参数来推导初始传递函数或初始参数。
转换器260连接以从传递函数单元250接收控制信号C，所述控制信号C反映传递函数或传递函数的参数，使得其限定转换器260的操作。因此，传递函数单元250被配置为通过控制信号C在传递函数或传递函数的参数改变时限定、重新限定或更新转换器260的操作。例如，传递函数单元250的传递函数可超时适应以更好地对至少扬声器220进行建模。
转换器260(例如滤波器)被配置为将监测信号MO转换为传声器信号MI，从而实际上生成传声器信号MI。如图3中的点划信号路径所指示的，转换器260(如由控制信号C所限定)可被配置为基于扬声器信号SP和监测信号MO来生成传声器信号MI。
需注意，转换器260在图3A中被示出为还向传递函数单元250供应反馈信号F。以此方式使用反馈信号F是任选的。将理解，传递函数单元250可从转换器260接收反馈信号F，使得可基于反馈信号F(例如基于从转换器单元260接收的误差信号F)来自适应地更新或调整由传递函数单元250建模的传递函数。代替监测信号MO或除了监测信号MO之外，可将反馈信号F供应到传递函数单元250。就这一点而言，稍后将结合图3B探究传声器信号发生器240的详细实现方式。
将了解，关于扬声器220发出声音和接收传入声音，存在四种基本可能性。这些将依次进行考虑。为方便起见，当扬声器意图发出声音(例如以播放音乐)时，扬声器信号SP将被表示为“发出”扬声器信号，而当扬声器意图不发出或基本上不发出声音(对应于扬声器处于静音状态或似乎处于关闭状态)时，扬声器信号SP将被表示为“不发出”扬声器信号。发出扬声器信号可称作“扬声器开启”或“活动的”扬声器信号，并且具有使扬声器发出声音(例如播放音乐)的值。不发出扬声器信号可称作“扬声器关闭”、“不活动的”或“休眠的”扬声器信号，并且具有使扬声器不发出或基本上不发出声音(对应于扬声器处于静音状态或似乎处于关闭状态)的一个或多个值。
第一种可能性是扬声器信号SP是发出扬声器信号，并且(即使基于反射或回响的发出声音)不存在入射在扬声器220上的显著的(传入)声音。在这种情况下，扬声器驱动器210可操作来驱动扬声器220，使得扬声器发出对应的声音信号，并且可预期监测信号MO包括由扬声器信号产生(可归因于扬声器信号)的扬声器分量但不包括由外部声音产生的传声器分量(在理想情况下)。当然，可能存在例如可归因于电路噪声的其他分量。鉴于不存在由外部声音产生的传声器分量，此第一种可能性可能特别适合于传递函数单元250以基于扬声器信号SP和监测信号MO来限定/重新限定/更新传递函数。此处，转换器260(在理想情况下)输出传声器信号MI，使得其指示没有(传入)声音入射在扬声器上，即静音。当然，实际上可能会一直存在传声器分量，即使是小的、可忽略的分量。
第二种可能性是扬声器信号SP是发出扬声器信号，并且(也许基于反射或回响的发出声音)存在入射在扬声器220上的显著的(传入)声音。在这种情况下，扬声器驱动器210再次可操作来驱动扬声器220，使得扬声器220发出对应的声音信号。然而，此处，可预期监测信号MO包括由扬声器信号产生(可归因于扬声器信号)的扬声器分量，并且还包括由外部声音产生(实际上由于因入射声音向扬声器薄膜施加力而引起的反EMF产生)的显著的传声器分量。当然，可能存在例如可归因于电路噪声的其他分量。在此第二种可能性中，转换器260输出传声器信号MI，使得其表示(传入)声音入射在扬声器上。也就是说，转换器260在将监测信号MO转换成传声器信号MI时实际上滤出扬声器分量并且/或者均衡和/或隔离传声器分量。
第三种可能性是扬声器信号SP是不发出扬声器信号，并且存在入射在扬声器220上的显著的(传入)声音。在这种情况下，扬声器驱动器210可操作来驱动扬声器220，使得扬声器220基本上不发出声音信号。例如，扬声器驱动器210可用扬声器电压信号VS来驱动扬声器220，所述扬声器电压信号VS基本上是例如相对于接地端为0V的DC信号。此处，可预期监测信号MO包括由外部声音产生的显著的传声器分量，但是不包括扬声器分量。当然，可能存在例如可归因于电路噪声的其他分量。在此第三种可能性中，转换器260再次输出传声器信号MI，使得其表示(传入)声音入射在扬声器上。在这种情况下，转换器在将监测信号MO转换成传声器信号MI时实际上隔离传声器分量。
第四种可能性是扬声器信号SP是不发出扬声器信号，并且不存在入射在扬声器220上的显著的(传入)声音。在这种情况下，扬声器驱动器210再次可操作来驱动扬声器220，使得扬声器220基本上不发出声音信号。此处，可预期监测信号MO既不包括显著的传声器分量也不包括扬声器分量。当然，可能存在例如可归因于电路噪声的其他分量。在第四种可能性中，转换器260输出传声器信号MI，使得其指示没有(传入)声音入射在扬声器上，即静音。
在此时，需注意监测信号MO指示扬声器电流IS而不是诸如扬声器电压信号VS的电压。尽管在扬声器驱动器210实际上断开连接(使得扬声器220未驱动)并且用感测电路(诸如模数转换器)替换的情况下，监测信号MO可能指示诸如扬声器电压信号VS的电压，但是在扬声器220由扬声器驱动器210驱动(同时扬声器信号SP是不发出扬声器信号和发出扬声器信号)并且存在入射在扬声器220上的显著的声音的情况下，此操作模式可能不合适或不正确。
这是因为，扬声器驱动器210实际上迫使扬声器电压信号VS具有一定值，所述值基于扬声器信号SP的值，如上所提及的。因此，鉴于扬声器驱动器210的可能的驱动能力，入射在扬声器220上的显著的声音的任何感应电压效应(由于薄膜位移而造成的Vemf)将在例如扬声器电压信号VS中在很大程度上或完全消失。然而，在这种情况下扬声器电流IS将表现出可归因于扬声器信号以及任何显著的入射外部声音的分量，所述分量转化成监测信号MO(其中所述监测信号指示扬声器电流IS)中的对应分量，如上所讨论的。这样，具有如上所讨论的指示扬声器电流IS的监测信号MO使得能够针对上文所提及的全部四种可能性采用通用架构。
尽管在图3A中未明确示出，但是转换器260可被配置为执行转换，使得传声器信号MI被输出为更有用地表示外部声音的信号(例如输出为声压级信号)。例如，此类转换可能涉及一定程度的缩放，并且可能涉及某种频率的均衡。监测信号MO指示电流信号IS，并且甚至可以是电流信号本身。然而，诸如控制器102的接收传声器信号MI的电路可要求该信号MI为声压级(SPL)信号。转换器260可被配置为根据对应的转换函数来执行转换。这样，转换器260可包括转换函数单元(未示出)，其等同于传递函数单元250，并且被类似地配置为例如基于监测信号MO、扬声器信号SP、传声器信号MI、反馈信号F和控制信号C中的任一者或全部来以自适应方式更新、限定或重新限定正在实现的转换函数。
本领域技术人员将了解，在扬声器220的背景下，传递函数和/或转换函数可至少部分地由Thiele-Small参数限定。此类参数可通过扬声器保护或其他处理重新使用。因此，传递函数单元250、转换器260和/或转换函数单元(未示出)的操作可至少部分地由这种Thiele-Small参数限定。众所周知，Thiele-Small参数(Thiele/Small参数、TS参数或TSP)是限定扬声器的指定低频性能的一组机电参数。这些参数可用于模拟膜片的位置、速度和加速度、包括扬声器及其壳体的系统的输入阻抗和声音输出或对其进行建模。
图3B是图2的传声器信号发生器240(此处表示为240')的一种实现方式的示意图。图3B实现方式中的传声器信号发生器240'包括第一传递函数单元252、加法器/减法器262、第二传递函数单元264和TS参数单元254。
第一传递函数单元252被配置为限定和实现第一传递函数T1。第二传递函数单元264被配置为限定和实现第二传递函数T2。TS参数单元254被配置为存储从第一传递函数T1提取的有待应用于第二传递函数T2的TS(Thiele-Small)参数或系数。
第一传递函数T1可被视为对至少扬声器220进行建模。第一传递函数单元252连接以接收扬声器信号SP(此处将称为Vin)，并且基于所述扬声器信号SP输出指示预期或预测(建模)的扬声器电流的扬声器电流信号SPC。
加法器/减法器262连接以接收(指示实际扬声器电流IS的)监测信号MO和扬声器电流信号SPC，并且输出误差信号E，所述误差信号E指示表示入射在扬声器220上的外部声音的残余电流。如图3B所指示，第一传递函数单元252以及因此第一传递函数T1被配置为基于供应到第一传递函数单元252的误差信号E而自适应。可将图3B中的误差信号E与图3A中的反馈信号F进行比较。
第二传递函数T2可适合于将由加法器/减法器262输出的误差信号转换成(形成传声器信号MI的)合适的SPL信号，如上所提及的。可将第一传递函数T1的参数或系数存储在TS参数单元254中，并将其应用于第二传递函数T2。
第一传递函数T1可称为自适应滤波器。可通过可以是存储单元的TS参数单元254来提取第一传递函数T1的参数或系数(在这种情况下，为Thiele-Small系数TS)并将其应用于第二传递函数T2。第二传递函数T2可被视为均衡滤波器。
例如，参见图3B，T2是在E与MI之间应用的传递函数，因此T2＝(MI/E)或MI＝T2*E，其中E＝(MO-SPC)。类似地，T1＝(SPC/SP)或SPC＝T1*SP。
从Thiele-Small建模导出的示例性传递函数T1和T2可包括：
Figure BDA0002900101570000191
Figure BDA0002900101570000192
其中：
·Vin是扬声器信号SP(或由其指示)的电压水平；
·R等同于Re，是音圈的DC电阻(DCR)，其以欧姆(Ω)为单位进行测量，并且最好在阻止或防止扬声器锥体移动或振动的情况下进行测量；
·L等同于Le，是音圈的电感，其以毫亨(mH)为单位进行测量；
·Bl称为力因数，并且是对由流动通过扬声器的音圈的给定电流生成的力的量度，并且以特斯拉米(Tm)为单位进行测量；
·Cms描述扬声器悬挂件的顺度，并且以米每牛顿(m/N)为单位进行测量；
·Rms是扬声器悬挂件和移动系统中的损耗或阻尼的测量结果。通常没有给出单位，但是以机械‘欧姆’为单位；
·Mms是驱动器的锥体、线圈和其他移动零件的质量，包括与驱动器锥体接触的空气所施加的声负载，并且以克(g)或千克(kg)为单位进行测量；
·s是拉普拉斯变量；并且
·一般来说，关于Thiele-Small参数，可参考纽约麦格劳希尔集团1954年出版的Beranek,Leo L.的《声学》(Beranek,Leo L.(1954).Acoustics.NY:McGraw-Hill)。
图4是可被视为图2的电流监测单元230的实现方式的示例性电流监测单元230A的示意图。因此，可代替电流监测单元230使用电流监测单元230A。
电流监测单元230A包括阻抗270和模数转换器(ADC)280。阻抗270在本发明布置中是具有监测电阻RMO的电阻器，并且串联连接在携载扬声器电流IS的电流路径中。因此，在电阻器270上产生了监测电压VMO，使得：
VMO＝IS×RMO
因此，鉴于电阻器270的固定监测电阻RMO，监测电压VMO与扬声器电流IS成比例。实际上，从以上方程将了解，鉴于已知RMO，可容易地从监测电压VMO获得扬声器电流IS。
ADC 280连接以将监测电压VMO作为模拟输入信号接收并且将监测信号MO作为数字信号输出。传声器信号发生器240(包括传递函数单元250和转换器260)可以数字方式实现，使得扬声器信号SP、监测信号MO和传声器信号MI是数字信号。
图5是可被视为图2的电流监测单元230的实现方式的示例性电流监测单元230B的示意图。因此，可代替电流监测单元230(并且如将变得显而易见，实际上连同电流监测单元230A的元件一起)使用电流监测单元230B。可使用其他已知的主动感测技术，诸如具有漏源电压匹配的电流镜。
电流监测单元230B包括以电流镜布置连接的第一晶体管290和第二晶体管300。第一晶体管290串联连接在携载扬声器电流IS的电流路径中，使得在第二晶体管300中产生镜像电流IMIR。镜像电流IMIR可根据电流镜布置(例如，第一晶体管290和第二晶体管300的相对大小)与扬声器电流IS成比例。例如，电流镜布置可被配置成使得镜像电流IMIR等于扬声器电流IS。在图5中，第一晶体管290和第二晶体管300示出为MOSFET，然而将了解，可使用其他类型的晶体管(诸如双极结型晶体管)。
电流监测单元230B被配置为基于镜像电流IMIR生成监测信号MO。例如，镜像电流IMIR的路径中的阻抗连同ADC(等同于图4的阻抗270和ADC 280)可用于基于镜像电流IMIR生成监测信号MO，并且省略了重复的描述。
从图2将了解，音频电路200可未设置有扬声器220，以连接到此类扬声器220。音频电路220还可设置有控制器102或连接以供应扬声器信号SP和/或接收传声器信号MI的其他处理电路。此类处理电路可以充当可操作来生成扬声器信号SP的扬声器信号发生器。此类处理电路可以充当可操作来分析传声器信号MI的传声器信号分析器。
图6是可被描述为(或描述为包括)音频处理系统的主机装置400的示意图。主机装置400对应于主机装置100，并且因此主机装置100也可被描述为(或描述为包括)音频处理系统。然而，为了简单起见，图6中明确示出的主机装置400的元件仅对应于主机装置100的元件的子集。
主机装置400被组织成“永远开启”域401A和“主”域401M。“永远开启”控制器402A设置在域401A中，并且“主”控制器402M设置在域401M中。控制器402A和402M可被视为单独地或共同地等同于图1的控制器102。
如前所述，主机装置400可能够在低功率状态下操作，其中“永远开启”域401A的元件是活动的，而“主”域401M的元件是不活动的(例如关闭或处于低功率状态)。主机400可被“唤醒”，将其转变至较高功率状态，在较高功率状态下，“主”域401M的元件是活动的。
主机装置400包括输入/输出单元420，所述输入/输出单元420可包括对应于图1的元件106、108、110和112的一个或多个元件。具体地，输入/输出单元420包括如所指示的至少一组音频电路200，其对应于图1的扬声器单元112。
如图6所示，可在“永远开启”控制器402A与“主”控制器402M之间交换音频和/或控制信号。而且，控制器402A和402M中的一者或两者可连接以接收来自音频电路200的传声器信号MI。尽管未示出，但是控制器402A和402M中的一者或两者可连接以将扬声器信号SP供应到音频电路200。
例如，“永远开启”控制器402A可被配置为基于对传声器信号MI进行分析或处理来操作语音活动检测算法，并且被配置为在接收到合适的传声器信号MI时如图所示通过控制信号来唤醒“主”控制器402M。作为实例，传声器信号MI最初可以由“永远开启”控制器402A处理，并通过该控制器路由到“主”控制器402M，直到诸如“主”控制器402M能够直接接收传声器信号MI时为止。在一个示例性用例中，主机装置400可位于桌子上，并且可能期望将扬声器220用作传声器(以及装置400的任何其他传声器)以检测语音。可能期望在通过扬声器220播放音乐时检测语音。
作为另一个实例，“主”控制器402M一旦被唤醒，就可被配置为基于对传声器信号MI进行分析或处理来操作生物识别算法以检测用户的耳道(其中扬声器220是例如如前所述的耳塞式耳机)是否对应于“授权”用户的耳道。当然，这可同样地由“永远开启”控制器402A进行。生物识别算法可能涉及将传声器信号MI或其分量与一个或多个预定义模板或特征进行比较。此类模板或特征可被视为“环境”模板或特征，因为它们表示扬声器220处于其中或可能在其中使用的环境，并且实际上有关环境不必是耳道。例如，环境可以是房间或扬声器220可接收传入声音(其不必是反射的扬声器声音)其他空间，其中控制器402A和/或402M基于与此类模板或特征的比较来分析(评估/确定/判断)扬声器220曾经或正在其中操作的环境。
当然，这些只是主机装置400(以及类似地，主机设装置100)的示例性用例。基于本公开，技术人员将想到其他示例性用例。
技术人员将认识到，上文描述的设备(电路)和方法的一些方面可体现为例如以下介质上的处理器控制代码：非易失性载体介质(诸如磁盘、CD-ROM或DVD-ROM)、编程存储器(诸如只读存储器(固件))或者数据载体(诸如光或电信号载体)。例如，传声器信号发生器240(及其子单元250、260)可被实现为基于处理器控制代码进行操作的处理器。作为另一个实例，控制器102、402A、402B可被实现为基于处理器控制代码进行操作的处理器。
对于一些应用，此类方面将在DSP(数字信号处理器)、ASIC(专用集成电路)或FPGA(现场可编程门阵列)上实现。因此，所述代码可包括常规程序代码或微代码或例如用于设置或控制ASIC或FPGA的代码。所述代码还可包括用于动态配置可重配置设备(诸如可重复编程逻辑门阵列)的代码。类似地，所述代码可包括用于诸如Verilog TM或VHDL的硬件描述语言的代码。如技术人员将了解，代码可分布在彼此通信的多个耦接部件之间。在适当情况下，也可使用在现场可(重复)编程模拟阵列或类似装置上运行以便配置模拟硬件的代码来实现此类方面。
本发明的一些实施方案可以被布置为音频处理电路的一部分，例如可设置在如上所讨论的主机装置中的音频电路(诸如编解码器等)。根据本发明的实施方案的电路或电路系统可(至少部分地)实现为例如集成电路芯片上的集成电路(IC)。一个或多个输入或输出换能器(诸如扬声器220)可在使用中连接到集成电路。
应当注意，上文提及的实施方案说明本发明而不是限制本发明，并且本领域技术人员将能够设计许多替代实施方案而不脱离所附权利要求的范围。单词“包括”不排除权利要求中列出的那些元件或步骤之外的元件或步骤的存在，“一个(a)”或“一个(an)”不排除多个，并且单个特征或其他单元可满足权利要求中所述的若干单元的功能。权利要求中的任何附图标记或标签不应被解释为限制其范围。

Claims (21)

1.一种音频电路，其包括：
扬声器驱动器，所述扬声器驱动器能够操作来基于扬声器信号来驱动扬声器；
电流监测单元，所述电流监测单元能够操作以在所述扬声器驱动器迫使施加到所述扬声器的电压信号具有基于所述扬声器信号的值的一个值时来监测流动通过所述扬声器的扬声器电流并且生成指示所述电流的监测信号；以及
传声器信号发生器，所述传声器信号发生器能够操作来当外部声音入射在所述扬声器上时，基于所述监测信号和所述扬声器信号来生成表示所述外部声音的传声器信号。
2.如权利要求1所述的音频电路，其中所述传声器信号发生器包括转换器，所述转换器被配置为基于所述扬声器信号来将所述监测信号转换成所述传声器信号，所述转换器至少部分地由对至少所述扬声器进行建模的传递函数来限定。
3.如权利要求2所述的音频电路，其中所述传递函数还对所述扬声器驱动器和所述电流监测单元中的至少一者或者所述扬声器驱动器和所述电流监测单元中的两者进行建模。
4.如权利要求2或3所述的音频电路，其中：
所述扬声器驱动器能够操作来当所述扬声器信号是发出扬声器信号时，驱动所述扬声器以使得所述扬声器发出对应的声音信号；
当所述外部声音在所述扬声器信号是发出扬声器信号时入射在所述扬声器上时，所述监测信号包括由所述扬声器信号产生的扬声器分量和由所述外部声音产生的传声器分量；并且
所述转换器被限定成使得当所述外部声音在所述扬声器信号是发出扬声器信号时入射在所述扬声器上时，所述转换器在将所述监测信号转换成所述传声器信号时滤出所述扬声器分量，或者均衡和/或隔离所述传声器分量，或者滤出所述扬声器分量以及均衡和/或隔离所述传声器分量。
5.如权利要求2或3所述的音频电路，其中：
所述扬声器驱动器能够操作来当所述扬声器信号是不发出扬声器信号时，驱动所述扬声器以使得所述扬声器不发出声音信号；
当所述外部声音在所述扬声器信号是不发出扬声器信号时入射在所述扬声器上时，所述监测信号包括由所述外部声音产生的传声器分量；并且
所述转换器被限定成使得当所述外部声音在所述扬声器信号是不发出扬声器信号时入射在所述扬声器上时，所述转换器在将所述监测信号转换成所述传声器信号时均衡和/或隔离所述传声器分量。
6.如权利要求2或3所述的音频电路，其中所述传声器信号发生器被配置为当所述扬声器信号是驱动所述扬声器以使得所述扬声器发出对应的声音信号的发出扬声器信号时，基于所述监测信号和所述扬声器信号来确定或更新所述传递函数或所述传递函数的参数。
7.如权利要求2或3所述的音频电路，其中所述传声器信号发生器被配置为基于所述传声器信号来确定或更新所述传递函数或所述传递函数的参数。
8.如权利要求6所述的音频电路，其中所述传声器信号发生器被配置为在所述传递函数或所述传递函数的参数改变时重新限定所述转换器。
9.如权利要求2或3所述的音频电路，其中所述转换器被配置为执行转换以使得所述传声器信号作为声压级信号输出。
10.如权利要求2或3所述的音频电路，其中所述传递函数和/或所述转换器至少部分地由Thiele-Small参数限定。
11.如前述权利要求1-3中任一项所述的音频电路，其中：
所述扬声器信号指示施加到所述扬声器的电压信号或与其相关或与其成比例；并且/或者
所述监测信号与流动通过所述扬声器的所述扬声器电流相关或与其成比例。
12.如权利要求11所述的音频电路，其中所述扬声器驱动器能够操作来控制施加到所述扬声器的所述电压信号，以便维持或趋于维持所述扬声器信号与所述电压信号之间的给定关系。
13.如前述权利要求1-3中任一项所述的音频电路，其中所述电流监测单元包括阻抗，所述阻抗连接以使得所述扬声器电流流动通过所述阻抗，并且其中所述监测信号基于跨所述阻抗的电压来生成。
14.如权利要求13所述的音频电路，其中所述阻抗是电阻器。
15.如前述权利要求1-3中任一项所述的音频电路，其中所述电流监测单元包括晶体管的电流镜布置，所述晶体管连接以镜像所述扬声器电流来生成镜像电流，并且其中所述监测信号基于所述镜像电流来生成。
16.如前述权利要求1-3中任一项所述的音频电路，其包括所述扬声器。
17.如前述权利要求1-3中任一项所述的音频电路，其包括：扬声器信号发生器，所述扬声器信号发生器能够操作来生成所述扬声器信号；和/或传声器信号分析器，所述传声器信号分析器能够操作来分析所述传声器信号。
18.一种音频处理系统，其包括：
如前述权利要求中任一项所述的音频电路；以及
处理器，所述处理器被配置为处理传声器信号。
19.如权利要求18所述的音频处理系统，其中所述处理器被配置为基于所述传声器信号而从低功率状态转变至较高功率状态。
20.如权利要求18或19所述的音频处理系统，其中所述处理器被配置为：将所述传声器信号与至少一个环境特征进行比较，并且基于所述比较来分析所述扬声器曾经或正在其中操作的环境。
21.一种主机装置，其包括：如权利要求1至17中任一项所述的音频电路或如权利要求18至20中任一项所述的音频处理系统。
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