CN116847248A - 一种具备自适应声场调整能力的无线多路音频系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具备自适应声场调整能力的无线多路音频系统，包括中置音箱单元A，多个卫星音箱单元B和智能终端C；中置音箱单元A包括主音频处理DSP；中置音箱单元A通过光纤或HDMI从电视机或蓝光播放机上获取多声道的音频数据；系统还设有：空间关系检测模块，用于检测各个卫星音箱单元B与中置音箱单元A的空间关系、中置音箱单元A与智能终端C的空间关系和卫星音箱单元B与智能终端C的空间关系；音频调整模块，用于根据空间关系检测模块检测和计算得出的中置音箱单元A、卫星音箱单元B与智能终端C之间相互的空间关系计算最佳的空间音频参数，使得中置音箱单元A和卫星音箱单元B的声音到达用户的效果最佳。
Description
技术领域
本发明涉及音箱及音频数据处理技术领域，尤其是涉及一种具备自适应声场调整能力的无线多路音频系统。
背景技术
随着人们生活水平的提高，对家庭影音体验的要求也随之增高。高质量的影视节目通常搭配多声道的音频流，需要5.1或7.1环绕音响系统进行环原。目前多声道的音响系统主要为有线连接的方式，或者条形音箱(soundbar)。有线的方式安装麻烦，且需要专业的人员进行调音才能达到预期效果。条形音箱主要依靠算法实现环绕声，实际效果也不理想。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种具备自适应声场调整能力的无线多路音频系统，解决环绕音响布属难及布属后需要专业调音的问题。
为实现上述目的，本发明提供一种具备自适应声场调整能力的无线多路音频系统，所述系统包括中置音箱单元A，多个卫星音箱单元B和智能终端C；中置音箱单元A包括主音频处理DSP，带多天线及天线开关的RF模块及一个D类音频功率放大器；中置音箱单元A通过光纤或HDMI从电视机或蓝光播放机上获取多声道的音频数据，并在DSP上跟据需要进行处理后再通过RF模块发送给多个卫星音箱单元B的接收单元；系统还设有：
空间关系检测模块，用于检测各个卫星音箱单元B与中置音箱单元A的空间关系、中置音箱单元A与智能终端C的空间关系和卫星音箱单元B与智能终端C的空间关系；
音频调整模块，用于根据空间关系检测模块检测和计算得出的中置音箱单元A、卫星音箱单元B与智能终端C之间相互的空间关系计算最佳的空间音频参数，使得中置音箱单元A和卫星音箱单元B的声音到达用户的效果最佳。
进一步，卫星音箱单元B的接收单元包括音频处理MCU，RF收发模块，D类功率放大器及一个电源模块，其中MCU用于处理RF模块接收到的音频数据，并通过D类功放进行播放。
进一步，智能终端C可以为手机、电脑或平板等电子设备，通过安装配套的APP与中置音箱单元A进行通信并控制中置音箱单元A的各项功能。
进一步，卫星音箱单元B的数量设为2-8个。
进一步，中置音箱单元A与卫星音箱单元B之间采用UWB无线通信技术。
进一步，空间关系检测模块检测各个卫星音箱单元B与中置音箱单元A的空间相对关系的工作原理如下：
首先，检测中置音箱单元A与多个卫星音箱单元B之间的相对距离；中置音箱单元A与多个卫星音箱单元B分别发起通信，并利用UWB包测距测角的功能确认每个卫星音箱单元B与中置音箱单元A的空间相对关系；首先中置音箱单元A、卫星音箱单元B在开机的时候启动内部定时器，测距的时候中置音箱单元A发出一个1nS的数据包给卫星音箱单元B，卫星音箱单元B经过一个固定的时间后Tb后回复一个数据包给中置音箱单元A，中置音箱单元A收到数据包的时间减去中置音箱单元A发送数据包时的时间为Ta,中置音箱单元A在收到卫星音箱单元B的包后，经过一个固定的时间Ta’回复一个数据包给卫星音箱单元B，卫星音箱单元B收到中置音箱单元A发给它的数据包的时间减于卫星音箱单元B发给中置音箱单元A数据包的时间为Tb’，数据包从中置音箱单元A到卫星音箱单元B的飞行时间为tf；跟据飞行时间计算公式tf＝(Ta*T'b-Tb*Ta')/(Ta+Tb+Ta'+T'b)，中置音箱单元A到B的距离为d＝光速c*tf；
其次，确定中置音箱单元A与卫星音箱单元B的水平方位角跟垂直方位角；中置音箱单元A上面设有三个天线ANT0-2，分别呈等边三角型放置，天线的间距为d，再通过切换不同的天线可以测出卫星音箱单元B到不同天线的距离d1,d2,d3，利用几何原理求解出卫星音箱单元B相对中置音箱单元A的位置关系。
进一步，空间关系检测模块检测中置音箱单元A与智能终端C的空间关系的工作原理如下：智能终端C打开APP，APP利用智能终端UWB定位功能确认中置音箱单元A与智能终端C的空间关系，并将空间关系传给中置音箱单元A。
进一步，确认中置音箱单元A与卫星音箱单元B的空间关系及中置音箱单元A与智能终端C的空间关系之后，利用DSP在处理音频的时候跟据不同的空间关系在不同的声道上增加对应的延时，以补尝不同的空间距离对延时造成的影响。
进一步，处理音频的方法为中置音箱单元A通过HDMI或SPDIF从播放源获得音源，并对音源进行解码；在中置音箱单元A里对每个声道的延时进行补尝；在中置音箱单元A中，程序跟据不同卫星音箱单元B位置到智能设备C的距离，调整DELAY BUF的大小，以保证每个声道的声音到达人耳后跟音源里的设定保持一致。
进一步，最佳的空间音频参数包括每个声道的延时和音量。
本发明的有益效果如下：本系统采用UWB的无线传输技术，即解决了主音箱与环绕音箱之前音频传输的问题，又可以利用UWB对音箱进行方位测量，跟据测量的方案主动调整声场，使用户获得最佳听音体验。无线的音频传输也简化了环绕音箱布置的难度，环绕音箱只要有电源或用内置电池即可。
附图说明
图1示出了根据本发明实施例具备自适应声场调整能力的无线多路音频系统架构图；
图2示出了根据本发明实施例中置音箱单元A与卫星音箱单元B测距的原理示意图；
图3示出了根据本发明实施例中置音箱单元A天线位置和计算原理示意图；
图4示出了根据本发明实施例中空间位置关系设置示意图；
图5示出了根据本发明实施例中调整音频流程示意图。
具体实施方式
下面将结合附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
以下结合图1-图5对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
如图1和图4所示，本发明提供一种具备自适应声场调整能力的无线多路音频系统，所述系统包括中置音箱单元A，若干个卫星音箱单元，智能终端C；一般设置有2-8个卫星音箱单元，本实施例中设置7个卫星音箱单元B1-B7(如图4所示具体标记为B1-B7)。中置音箱单元A包括主音频处理DSP，带多天线及天线开关的RF模块及一个D类音频功率放大器。中置音箱单元A通过光纤或HDMI从电视机或蓝光播放机上获取多声道的音频数据，并在DSP上跟据需要进行处理后再通过RF模块发送给7个卫星音箱单元B的各个接收单元。
系统中进一步包括：
空间关系检测模块，用于检测各个卫星音箱单元B与中置音箱单元A的空间关系、中置音箱单元A与智能终端C的空间关系和卫星音箱单元B与智能终端C的空间关系；
音频调整模块，用于根据空间关系检测模块检测和计算得出的中置音箱单元A、卫星音箱单元B与智能终端C之间相互的空间关系计算最佳的空间音频参数，使得中置音箱单元A和卫星音箱单元B的声音到达用户的效果最佳。
卫星音箱单元B的接收单元包括音频处理MCU，RF收发模块，D类功率放大器及一个电源模块，其中MCU主要用于处理RF模块接收到的音频数据，并通过D类功放进行播放。
智能终端C可以为手机、电脑或平板等电子设备，手机可以为IPHONE或安卓手机，通过安装配套的APP与中置音箱单元A进行通信并控制中置音箱单元A的各项功能。
本发明的中置音箱单元A与卫星音箱单元B之间采用UWB无线通信技术，UWB具有高带宽低延时的传输特性，可以同时多声道的音频流数据。
本发明的空间关系检测模块工作的时候，首先中置音箱单元A与多个卫星音箱单元B分别发起通信，并利用UWB包测距测角的功能确认每个卫星音箱单元B与中置音箱单元A的空间相对关系，如果此间用户手上有智能终端C，并且打开了APP(该APP为产品配套的应用软件，可以通过APP可以调用手机的UWB定位服务并计算A与C的位置关系。另外手机可以控制A处于不同的工作模式。包括固定甜点位置模式，或者运态甜点位置模式。)APP会利用手机UWB定位功能确认中置音箱单元A与C的空间关系，并将空间关系传给中置音箱单元A。音频调整模块在中置音箱单元A的DSP接收到卫星音箱单元B与智能终端C的空间关系后会计算最佳的空间音频参数，使得中置音箱单元A跟卫星音箱单元B的声音到达用户的效果最理想法。参数主要包括每个声道的延时跟音量。延迟的计算方法从定位关系求的A与C的距离dA-C,及每个B与C的距离dB(1-7)-C,取距离最近一个设备为时间基准，该设备的延时不需要额外的补尝，其余设备的补尝方法为DeltaSamples＝((dx-dmin)/340)*SampleRate,其中dx为每个设备与C的距离，dmin为设备与C的最小距离，SampleRate为音频的采样率，DeltaSample即为每个声道需要补尝的样点数。
如图2所示，中置音箱单元A与卫星音箱单元B测距的原理为TOF原理，首先中置音箱单元A、卫星音箱单元B在开机的时候启动内部定时器，测距的时候中置音箱单元A发出一个1nS的数据包给卫星音箱单元B，卫星音箱单元B经过一个固定的时间后Tb后回复一个数据包给中置音箱单元A，中置音箱单元A收到数据包的时间减去中置音箱单元A发送数据包时的时间为Ta,中置音箱单元A在收到卫星音箱单元B的包后，经过一个固定的时间Ta’回复一个数据包给卫星音箱单元B，卫星音箱单元B收到中置音箱单元A发给它的数据包的时间减于卫星音箱单元B发给中置音箱单元A数据包的时间为Tb’，数据包从中置音箱单元A到卫星音箱单元B的飞行时间为tf。
根据飞行时间计算公式tf＝(Ta*T'b-Tb*Ta')/(Ta+Tb+Ta'+T'b)，中置音箱单元A到B的距离为d＝光速c*tf。
为了进一步确认中置音箱单元A与卫星音箱单元B的空间关系，除了距离，还需要确定中置音箱单元A与卫星音箱单元B的水平方位角跟垂直方位角。本装置采用如下方案确定A与卫星音箱单元B的方位角关系，如图3所示，中置音箱单元A上面有三个天线ANT0-2，分别呈等边三角型放置，天线的间距为d，卫星音箱单元B上有一个天线ANT3，利用本案描述的TOF测距的方法，通过依次切换天线ANT0-2与ANT3进行通信并测距，可以得到ANT0-2与ANT3的距离分别为d0-2，跟据几何原理，已知d,d0,d1,d2，可以求解出B相对A的位置关系(x,y,z)，具体求解方法为：
ANT0的坐标为ANT1的坐标为/>ANT2的坐标为
求解三元二次方程组可以得到：
用同样的方法可以测得卫星音箱单元B1-B7及智能终端C相对A的位置。
通过以上方法，在打开设备的时候分别确认了中置音箱单元A与卫星音箱单元B的空间关系及中置音箱单元A与智能终端C的空间关系，可以利用DSP在处理音频的时候跟据不同的空间关系在不同的声道上增加对应的延时，以补尝不同的空间距离对延时造成的影响。如图5所示，具体的操作方法为A通过HDMI或SPDIF从播放源或得音源，并对音源进行解码。解码后的声音数据每声道的延时参数是默认的，未考虑不同用户不同的空间布置带来的差异，需要在中置音箱单元A里对每个声道的延时进行补尝。在中置音箱单元A里，程序跟据不同音箱(B)位置到人耳(默认为等同于智能设备C的位置)的距离，调整A的每个通道的缓存数据区大小，以保证每个声道的声音到达人耳后跟音源里的设定保持一至。通过如下的方法对缓存数据区进行调整，假设某个Bn需补偿的延时为Tn,当前音频的采样率为S，则对应换算为缓存区里的音频样点缓存数量为Sn＝Tn*S。当缓存数量S小于Sn时，需对音频流进行插值处理，当S大于Sn时需对音频进行抽值处理，当S等于Sn时，音频不做处理。插值处理的方法为以一个固定的长度做窗，假设长度为Lw，当插值时我们对每个一窗里面的数据增加一个样点，则每个写入数据缓冲区的数据为Lw+1,当输出速率保持不变的情况下，数据缓冲区的数据就会变多达到目标值Sn。抽值的处理方法为对每个窗里的数据减小一个样点，写入数据缓冲区的数据为Lw-1，当输出速率不变时缓冲区的数据慢慢变到目标值Sn。
用户通过智能手机C来控制中置音箱单元A，C可以辅助用来确认人的位置。本方案有两种工作模式，一种为固定“甜点”模式(甜点是指最佳听音点)，一种为声场追踪模式。固定模式时DSP里的延迟BUF及音箱增益控制采用初始校准的参数。追踪模式是指在影音播放的过程中，如果智能终端C的位置发声变化，系统自动跟据智能终端C的变化调整声场，保证智能终端C处于“甜点”位置。追踪模式的工作原理为，用户在使用本产品的时候保持智能终端C位于身边，且产品配套的APP处于打开状态。APP利用智能终端实时更新C的位置(位置测量方法已描述)，并利用新的C点位置重新计算与每个B的位置关系，若位置关系发声变化，则重新计算每个B的缓冲区数据量，并进行调整。
本方案采用UWB的无线传输技术，即解决了中置音箱单元与环绕音箱之前音频传输的问题，又可以利用UWB对音箱进行方位测量，跟据测量的方案主动调整声场，使用户获得最佳听音体验。无线的音频传输也简化了环绕音箱布置的难度，环绕音箱只要有电源或用内置电池即可。
本发明流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为表示包括一个或多个用于实现特定逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，可以实现在任何计算机刻度介质中，以供指令执行系统、装置或设备，所述计算机可读介质可以是任何包含存储、通信、传播或传输程序以供执行系统、装置或设备使用。包括只读存储器、磁盘或光盘等。
在本说明书的描述中，参考术语“实施例”、“示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。此外，本领域的技术人员可以在不产生矛盾的情况下，将本说明书中描述的不同实施例或示例以及其中的特征进行结合或组合。
上述内容虽然已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型等更新操作。
Claims (10)
1.一种具备自适应声场调整能力的无线多路音频系统，其特征在于，所述系统包括中置音箱单元A，多个卫星音箱单元B和智能终端C；中置音箱单元A包括主音频处理DSP，带多天线及天线开关的RF模块及一个D类音频功率放大器；中置音箱单元A通过光纤或HDMI从电视机或蓝光播放机上获取多声道的音频数据，并在DSP上跟据需要进行处理后再通过RF模块发送给多个卫星音箱单元B的接收单元；系统还设有：
空间关系检测模块，用于检测各个卫星音箱单元B与中置音箱单元A的空间关系、中置音箱单元A与智能终端C的空间关系和卫星音箱单元B与智能终端C的空间关系；
音频调整模块，用于根据空间关系检测模块检测和计算得出的中置音箱单元A、卫星音箱单元B与智能终端C之间相互的空间关系计算最佳的空间音频参数，使得中置音箱单元A和卫星音箱单元B的声音到达用户的效果最佳。
2.根据权利要求1所述的一种具备自适应声场调整能力的无线多路音频系统，其特征在于，卫星音箱单元B的接收单元包括音频处理MCU，RF收发模块，D类功率放大器及一个电源模块，其中MCU用于处理RF模块接收到的音频数据，并通过D类功放进行播放。
3.根据权利要求1所述的一种具备自适应声场调整能力的无线多路音频系统，其特征在于，智能终端C可以为手机、电脑或平板，通过安装配套的APP与中置音箱单元A进行通信并控制中置音箱单元A的各项功能。
4.根据权利要求1所述的一种具备自适应声场调整能力的无线多路音频系统，其特征在于，卫星音箱单元B的数量设为2-8个。
5.根据权利要求1所述的一种具备自适应声场调整能力的无线多路音频系统，其特征在于，中置音箱单元A与卫星音箱单元B之间采用UWB无线通信技术。
6.根据权利要求1所述的一种具备自适应声场调整能力的无线多路音频系统，其特征在于，空间关系检测模块检测各个卫星音箱单元B与中置音箱单元A的空间相对关系的工作原理如下：
首先，检测中置音箱单元A与多个卫星音箱单元B之间的相对距离；中置音箱单元A与多个卫星音箱单元B分别发起通信，并利用UWB包测距测角的功能确认每个卫星音箱单元B与中置音箱单元A的空间相对关系；首先中置音箱单元A、卫星音箱单元B在开机的时候启动内部定时器，测距的时候中置音箱单元A发出一个1nS的数据包给卫星音箱单元B，卫星音箱单元B经过一个固定的时间后Tb后回复一个数据包给中置音箱单元A，中置音箱单元A收到数据包的时间减去中置音箱单元A发送数据包时的时间为Ta,中置音箱单元A在收到卫星音箱单元B的包后，经过一个固定的时间Ta’回复一个数据包给卫星音箱单元B，卫星音箱单元B收到中置音箱单元A发给它的数据包的时间减于卫星音箱单元B发给中置音箱单元A数据包的时间为Tb’，数据包从中置音箱单元A到卫星音箱单元B的飞行时间为tf；跟据飞行时间计算公式tf＝(Ta*T'b-Tb*Ta')/(Ta+Tb+Ta'+T'b)，中置音箱单元A到B的距离为d＝光速c*tf；
其次，确定中置音箱单元A与卫星音箱单元B的水平方位角跟垂直方位角；中置音箱单元A上面设有三个天线ANT0-2，分别呈等边三角型放置，天线的间距为d，再通过切换不同的天线可以测出卫星音箱单元B到不同天线的距离d1,d2,d3，利用几何原理求解出卫星音箱单元B相对中置音箱单元A的位置关系。
7.根据权利要求6所述的一种具备自适应声场调整能力的无线多路音频系统，其特征在于，空间关系检测模块检测中置音箱单元A与智能终端C的空间关系的工作原理如下：智能终端C打开APP，APP利用智能终端UWB定位功能确认中置音箱单元A与智能终端C的空间关系，并将空间关系传给中置音箱单元A。
8.根据权利要求7所述的一种具备自适应声场调整能力的无线多路音频系统，其特征在于，确认中置音箱单元A与卫星音箱单元B的空间关系及中置音箱单元A与智能终端C的空间关系之后，利用DSP在处理音频的时候跟据不同的空间关系在不同的声道上增加对应的延时，以补尝不同的空间距离对延时造成的影响。
9.根据权利要求8所述的一种具备自适应声场调整能力的无线多路音频系统，其特征在于，处理音频的方法为中置音箱单元A通过HDMI或SPDIF从播放源获得音源，并对音源进行解码；在中置音箱单元A里对每个声道的延时进行补尝；在中置音箱单元A中，程序跟据不同卫星音箱单元B位置到智能设备C的距离，调整DELAY BUF的大小，以保证每个声道的声音到达人耳后跟音源里的设定保持一致。
10.根据权利要求1-9任一项所述的一种具备自适应声场调整能力的无线多路音频系统，其特征在于，最佳的空间音频参数包括每个声道的延时和音量。
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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 | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination |