CN1592491A - 用于对扬声器系统的非线性失真补偿的方法和装置 - Google Patents

用于对扬声器系统的非线性失真补偿的方法和装置 Download PDF

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CN1592491A CN200410074065.7A CN200410074065A CN1592491A CN 1592491 A CN1592491 A CN 1592491A CN 200410074065 A CN200410074065 A CN 200410074065A CN 1592491 A CN1592491 A CN 1592491A
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张成哲
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Abstract

提供一种用于对非线性失真补偿的方法和装置，以在时域和频域中将非线性扬声器系统中再现的音频信号分成线性和非线性分量，然后根据逆滤波方案生成反转校正信号，以便有可能进一步考虑多种非线性失真特性，例如在传统的集总参数方法中未被考虑的粘性阻尼和结构阻尼，由此以获得更好的声音质量。

Description

用于对扬声器系统的非线性失真补偿的方法和装置
本申请要求于2003年9月3日在韩国知识产权局提交的2003-61371号韩国专利申请的优先权，该申请全部公开于此以资参考。
                        技术领域
本发明涉及一种用于对非线性失真补偿的方法和装置，更具体地说，涉及一种用于对将非线性扬声器系统中再现的音频信号分成时域和频域中的线性和非线性分量，然后通过逆滤波方案生成反转校正信号的非线性失真补偿的方法和装置。
                        背景技术
多种音频/视频(AV)器件，例如电视机和音频录音机生成音频信号作为它们的最终输出。音频信号通常由将电音频信号转换成声音压力波的扬声器生成。扬声器系统通常包括：音圈；磁铁单元，由音圈环绕；和振动膜，从电信号产生通过空间传播的物理信号。然而，安装在扬声器系统中的振动膜由于其内部的物理特征不产生其与输入信号的幅度成线性比例的位移X。这是因为振动膜的韧性与振动膜的位移不成线性比例。所以，根据非线性的声音压力波输出包含非线性分量，这将引起多种音频输出的声音质量的降低。
图1示出用于降低非线性失真的传统方法。
输入信号Ugl是经过傅立叶频率变换的信号，并且输入到位移滤波器101。位移滤波器101具有作为频率函数的振动位移，从而可计算韧性k2。这种用于位移滤波器101的参数信息通常可从由扬声器生产商提供的表来获得。如果韧性k2和对应的位移x被确定，则可计算出函数f(k，x)＝k2x3，并且所得的信号和输入信号Ugl在加法器103中求和以生成作为最终信号输入到扬声器的反转校正信号Ugn。
根据以上描述的传统方法，因为扬声器系统通过使用集总参数的方法建模，所以可用的频带被限制在其中波长比扬声器的大小要大的500Hz或更小的范围内，因此在500Hz或更大的范围内不可能分析任何非线性失真。考虑到作为严重地降低声音质量的非线性分量的第二和第三谐波分量在500Hz或更大的范围内被生成，即使音频信号的频带是500Hz或更小，集总参数方法也不适于非线性失真分析。
在传统的方法中，质量M、韧性k0、和粘性阻尼系数R被用于表示扬声器系统，并且非线性韧性和力的因素被假设为那些引起非线性特征以获得非线性运动的平衡。然而，存在各种能实际上引起扬声器系统的非线性特性的其他的因素，例如非线性粘性阻尼和结构阻尼。而且，在传统的方法中，基于时间关系曲线的磁滞现象不能被考虑。
另外，在传统的方法中，有必要测量由扬声器本身的位移引起的非线性失真。这实际上需要特殊的设备，从而在实现中引起许多困难。此外，不可能反映对应其频率的输入信号的相位信息。
                          发明内容
本发明提供一种对非线性失真补偿的方法，通过考虑在传统的集总参数方法中未被考虑的诸如谐波失真、粘性阻尼、结构阻尼、和磁滞现象等因素，能提高输出信号的质量。
本发明也提供一种用于对非线性失真补偿的方法，其能被容易地实现并且不需要测量扬声器振动膜的位移。
本发明还提供一种用于对非线性失真补偿的方法，其还可通过考虑引起扬声器非线性特性的更多因素提高输出信号的质量。
根据本发明的另一方面，提供一种用于在频域中对扬声器系统的非线性失真补偿的方法，该方法包括下述步骤：(a)从音频源接收音频信号并将音频信号转换为频域信号；(b)通过使用扬声器系统的线性频率特性和总的频域特性来预先校正频域信号；和(c)将预先校正的信号转换为时域信号以生成音频信号的时域信号。可以通过使用传递函数Mf(w)＝[2HL(w)-HT(w)]/HL(w)来执行操作(b)，其中，HL(w)是扬声器系统的线性频率特性；和HT(w)是扬声器系统的总的频率特性。
在这种情况下，扬声器系统的线性频率特性HL(w)可通过ARX模型或ARMAX模型来生成。
另外，扬声器系统的总的频率特性HT(w)可通过使用非线性响应测量来生成。
根据本发明的另一方面，提供一种用于在时域中对扬声器系统的非线性失真补偿的方法，该方法包括下述步骤：(a)通过使用扬声器系统的线性时域特性和非线性时域特性来预先校正来自音频源的音频信号；和(b)将预先校正的信号转换为模拟信号。可以通过使用传递函数Mt(t)＝GL(q)/[GL(q)+GNL(q)]来执行操作(a)，其中，GL(q)是扬声器系统的线性时域特性；GNL(q)是扬声器系统的非线性时域特性；和q是延迟算子。
在这种情况下，线性时域特性GL(q)可通过ARX模型或ARMAX模型来生成，并且非线性时域特性GNL(q)可通过非线性响应测量来生成。
根据本发明的另一方面，提供一种用于对扬声器系统的非线性失真补偿的装置，该装置包括：频域转换器，用于接收来自音频源的音频信号并将音频信号转换为频域信号；预先校正器，用于通过使用扬声器系统的线性频率特性和非线性频率特性来预先校正频域信号；和时域转换器，用于将预先校正的信号转换为时域信号以生成音频信号的时域信号。
可以通过使用方程MF(w)＝[2HL(w)-HT(w)]/HL(w)来生成预先校正器的传递函数M(w)，其中HL(w)是扬声器系统的线性频率特性；和HT(w)是扬声器系统的总的频率特性。
根据本发明的另一方面，提供一种用于在时域中对与扬声器系统的非线性失真补偿的装置，该装置包括：时域预先校正器，用于通过使用扬声器系统的线性时域特性和非线性时域特性来预先校正来自音频源的音频信号；和数模转换器，将预先校正的信号转换为模拟信号。可以通过使用方程Mt(t)＝GL(q)/[GL(q)+GNL(q)]来生成时域预先校正器的传递函数，其中，GL(q)是扬声器系统的线性时域特性；GNL(q)是扬声器系统的非线性时域特性；和q是延迟算子。
                        附图说明
通过下面结合附图对其示例性的实施例进行详细的描述，本发明的上述及其他特点和优点将会变得更加清楚，其中：
图1示出了示例性说明用于减小非线性失真的传统装置的概念上的图解；
图2是根据本发明实施例的示例性说明非线性失真补偿器的方框图；
图3是根据本发明另一实施例的示例性说明非线性失真补偿器的方框图；
图4A示出了当不提供根据本发明的非线性失真补偿器时扬声器系统的输入和输出信号；
图4B示出了当提供根据本发明的非线性失真补偿器时扬声器系统的输入和输出信号；
图5示出了根据本发明的方法和传统的方法对于测试信号的总谐波失真(THD)因数；和
图6示出了扬声器系统的输入/输出关系。
                          具体实施方式
为了完全理解本发明的优点和由本发明的实施例获得的其操作和目的，应该参考说明本发明示例性的实施例的附图和在附图中描述的内容。
以下，将通过参考附图对本发明实施例进行描述以详细解释本发明。附图中同样的部件由相同的标号来表示。
根据本发明用于对非线性失真补偿的方法和装置根据预先校正方法按照频域预先校正和时域预先校正来分类。
频域预先校正
图2是示例性说明根据本发明实施例的非线性失真补偿器的方框图。
根据本发明的非线性失真补偿器200包括：使用快速傅立叶变换(FFT)的频域转换器210、预先校正器220、时域转换器230、和数模转换器240。在本实施例中，对频域信号执行预先校正。
假设扬声器系统260具有线性频率响应HL(w)和包括非线性频率响应的总频率响应Ht(w)。
由频域转换器210将来自音频源(未示出)的音频信号x(t)转换为频域信号。频域转换是将时域中的变量转换为频域的数学表示。就硬件而言，在频率转换后，可能实现多种能数学地表示频率转换后的波形和转换系数的转换器模型。对于本实施例，使用快速傅立叶变换。频率转换后的信号X(w)对每一频率具有放大功能。频率转换后的信号X(w)也被转换为输入信号的新的形式，该输入信号由预先校正器220预先校正以便最终的输出y(t)能仅仅具有线性分量。
使用快速傅立叶逆变换(IFFT)由时域转换器230还将输入信号的新的形式Z(w)转换为时域信号z(t)，然后由数模转换器(D/A)240还将时域信号z(t)转换为模拟信号。随后，由放大器(Amp)250放大来自D/A 240的模拟信号，然后将其输入到扬声器系统260。最终，扬声器260输出仅仅具有线性分量的输出信号的新的形式y(t)。
现在，将描述在时域中如何生成预先校正器220的传递函数。
通常，将被再现的音频信号由线性分量和非线性分量组成。非线性分量是由扬声器系统的固有的非线性特性生成的失真分量。因此，用于一般的扬声器系统的非线性模型可表示如下为：
[方程1]
Yt(w)＝Ht(w)X(w)
＝YL(w)+YNL(w)
＝HL(w)X(w)+YNL(w)，
其中，Yt(w)是扬声器输出信号的总频率响应；
Ht(w)是扬声器系统的总传递函数；
X(w)是输入信号x(t)的频域表示；
YL(w)是扬声器输出信号的线性频率响应；
YNL(w)是扬声器输出信号的非线性频率响应；和
HL(w)是扬声器系统的线性传递函数。
如上所述，本发明获得使不会输出非线性分量成为可能的扬声器输入信号。因此，如果向扬声器260输入预先校正的信号，则来自扬声器260的总输出信号将仅包括线性分量。其结果是，YL(w)能被表示如下为：
[方程2]
YL(w)＝HL(w)Z(w)+YNL(w)，
其中，Z(w)是预先校正后的输入信号。
同时，参照方程1，扬声器输出的非线性频率响应YNL(w)能被表示为如下：
[方程3]
YNL(w)＝[Ht(w)-HL(w)]X(w).
通过参照方程2和方程3，得到方程4如下：
[方程4]
YL(w)＝HL(w)Z(w)+YNL(w)
∴Z(w)＝[YL(w)-YNL(w)]/HL(w)＝[HL(w)X(w)-YNL(w)]/HL(w)
      ＝[HL(w)X(w)-[Ht(w)-HL(w)]X(w)]/HL(w)
      ＝[[2HL(w)-Ht(w)]/HL(w)]X(w)
其结果是，预先校正器220的频域传递函数Mf(w)将是适宜使扬声器260仅仅输出线性分量的[2HL(w)-Ht(w)]/HL(w)]。换句话说，预先校正器220的频域传递函数能通过确定扬声器系统的线性传递函数HL(w)和总传递函数Ht(w)而被确定。
例如，能够通过系统识别，如外因输入的自回归(AutoRegressive witheXogeneous input)(ARX)模型或外因输入的自回归滑动平均(AutoRegressiveMoving Average with eXogeneous input)(ARMAX)模型来确定扬声器系统的线性传递函数HL(w)。
包括扬声器系统的固有的非线性特性的总传递函数Ht(w)可通过非线性响应测量来确定。对于线性响应测量，最大长度序列(maximum lengthsequence)、峰值噪声、和白噪声被用作输入信号。同时，对于非线性响应测量，正弦扫描信号被用作输入信号，因为需要一段特定时间来足够地产生非线性分量。换句话说，通过使用具有20Hz到20Khz的音频频率的正弦信号作为输入信号来执行测量。另外，根据10Hz的间隔或任何想要的分辨率来输入提纯的正弦波音(sine tone)。通过使用，例如，麦克风，来测量来自扬声器的输出信号，以获得输出输入率(ratio)。麦克风可以是高敏感的麦克风，例如B&K麦克风。对整个频率范围执行输出输入率的测量。最终，对整个频率范围的结果求和以确定对整个频率范围的频率特性。
另外，对于线性系统，频率特性不取决于输入信号的幅度。同时，对于非线性系统，频率特性取决于输入信号的幅度。因为这个原因，如果非线性系统使用在线性系统的频率响应分析中已经使用的信号作为输入信号，则可获得不正确的频率或时间特性。另外，非线性系统应使用变动的输入信号，并且对每一水平建立的正弦扫描应被用于对每一水平测量其非线性频率特性。考虑到在通常的扬声器系统中可听到的声压水平是60和80dB之间，在80dB或60dB测量的非线性频率特性可以被当作扬声器系统的代表性的非线性频率特性曲线以被测量。这是因为非线性频率特性在60到80dB的范围之间不发生重大变化。
以上描述的线性模型和非线性响应测量是为本领域的技术人员所知的。
其结果是，如果确定了预先校正器200的传递函数，则能通过使用FIR滤波器、IIR滤波器、或诸如此类来实现预先校正器220。
时域预先校正
图3是根据本发明另一实施例的示例性说明非线性失真补偿器的方框图。
根据本实施例的非线性失真补偿器300包括：时域预先校正器310和数模转换器(D/A)320。在本实施例中，直接在时域中执行预先校正，而不需要转换为频域。因此，预先校正器310具有时域中的传递函数。
与非线性频域模型相似，非线性时域模型具有分类为非线性分量和线性分量的输出音频信号。输出信号Yt(t)可被表示为如下：
[方程5]
Yt(t)＝[GL(q)+GNL(q)]x(t)+[JL(q)+JNL(q)]e(t)
＝[GL(q)x(t)+JL(q)e(t)]线性+[GNL(q)x(t)+JNL(q)e(t)]非线性
＝YL(t)+YNL(t)，
其中，Yt(t)是时域中总的扬声器输出信号；GL(q)是时域中扬声器系统的线性传递函数；GNL(q)是时域中扬声器系统的非线性传递函数；e(t)是误差信号；JL(q)是由误差信号产生的线性扰动函数；JNL(q)是由误差信号产生的非线性扰动函数；q是延迟算子；YL(t)是时域中的线性扬声器输出信号；和YNL(t)是时域中的非线性扬声器输出信号。
假设输入信号z(t)的新形式输入扬声器系统，并且输入信号z(t)仅产生不具有非线性分量的扬声器输出信号，则方程5能被修改为如下：
[方程6]
YL(t)＝[GL(q)+GNL(q)]z(t)+[JL(q)+JNL(q)]e(t).
通过参考方程5和方程6，输入信号z(t)的预先校正的形式可表示如下：
[方程7]
z(t)＝[GL(q)x(t)-JNL(q)e(t)]/[GL(q)+GNL(q)]
    ＝GL(q)x(t)/[GL(q)+GNL(q)]-JNL(q)e(t)/[GL(q)+GNL(q)]
    ＝Mt(t)x(t)-Me(t)e(t)，
其中，Mt(t)是时域中预先校正器310的传递函数；和Me(t)是时域中误差信号的传递函数。通常，由外部环境引起的误差信号的影响关于非线性失真可被忽略。因此，方程7可被简化如下：
[方程8]
z(t)＝Mt(t)x(t)
    ＝[GL(q)/[GL(q)+GNL(q)]]x(t).
其结果是，预先校正器310的传递函数在时域中能被简化为Mt(t)＝GL(q)/[GL(q)+GNL(q)]。换句话说，能够通过确定时域中的扬声器系统的线性传递函数GL(q)和非线性传递函数GNL(q)来确定预先校正器310的传递函数。
与以上描述的频域的情况相似，能够通过系统识别，例如ARX或ARMAX模型和非线性响应测量来确定时域中的扬声器系统的线性传递函数GL(q)和非线性传递函数GNL(q)。如上所述，因为这样的方法对本领域的技术人员是可知的，所以不给出详细地描述。
如果获得了预先校正器310的传递函数，则能通过使用FIR滤波器、IIR滤波器、或诸如此类来实现预先校正器310。
图4A示出当不提供根据本发明的非线性失真补偿器200或300时扬声器系统260或340的输入或输出信号。图4B示出当提供根据本发明的非线性失真补偿器200或300时扬声器系统260或340的输入或输出信号。
在图4A中，非线性扬声器系统260接收包括失真的分量的输入信号X(w)和输出信号Yt(w)。输出信号Yt(t)包括由谐波引起的失真的信号分量。
同时，在图4B中提供失真补偿器200，非线性失真补偿器200的预先校正器220被安排在非线性扬声器系统260之前，输入到扬声器系统260的信号不是来自音频源的输入信号X(w)而是通过预先校正器220的输入信号的新形式Z(w)。已经被预先校正的输入信号的新形式Z(w)也具有如附图所示的失真的波形。然而，当失真的信号Z(w)被施加到扬声器系统260中时，因为非线性分量已经被去掉，所以扬声器系统260的最终的输出信号Yt’(w)不具有失真的分量而具有线性分量。
图5示出根据本发明的方法和传统的方法的对测试信号的总的谐波失真(THD)因数。
如附图中所示，根据本发明，通过使用预先校正器来较大地减小谐波失真应该被认识到。具体地说，在100Hz或更小的频率中这样的效果可能是显著的。例如，当音频信号的频率被设置为10Hz时，失真因数从3.76％减小到0.7％。
图6示出扬声器系统的输入/输出关系。当音频信号X(w)没有预先校正而直接施加到扬声器系统时，非线性信号输出610对应于输出信号Yt(w)。预先校正的信号输出630通过预先校正器220对应于输入信号的新的形式Z(w)。当输入信号的新的形式Z(w)输入到扬声器系统时线性信号输出620对应于输出信号Yt’(w)。
如图6所示，非线性信号输出610包括：由第二和第三谐波引起的失真部分650和660和对应于欲得到的信号输出的部分640。然而，应该认识到通过预先校正器220在线性信号输出620中由这样的谐波引起的失真部分显著减小。
如上所述，根据本发明，可能考虑多种非线性失真特性，例如粘性阻尼和在传统的集总参数方法中未被考虑的结构阻尼，从而获得更好的声音质量。
另外，根据本发明，可能对由第二或第三谐波引起的失真进行补偿，谐波的作用作为非线性因素严重的降低声音质量。
另外，根据本发明，不必测量扬声器振动膜的位移，从而容易实现失真补偿器。
另外，根据本发明，可能基于音频信号的时间关系曲线图来考虑相位移动和磁滞现象的信息，从而获得更好的声音质量。
如上所述，本发明示例性的实施例公开于附图和说明书中。另外，尽管详细的条款已用于此，但是条款的目的在于解释本发明，而不在于限制意图或约束在下列权利要求中所写的本发明的范围。因此，本领域的普通技术人员应该理解，在不脱离由所附权利要求限定的本发明的精神和范围的情况下，可以对其进行形式和细节的各种修改。

Claims (24)

1、一种用于在频域中对扬声器系统的非线性失真补偿的方法，该方法包括下述步骤：
(a)从音频源接收音频信号并将音频信号转换为频域信号；
(b)通过使用扬声器系统的线性频率特性和总的频域特性来预先校正频域信号；和
(c)将预先校正的信号转换为时域信号以生成音频信号的时域信号。
2、如权利要求1所述的方法，其中，步骤(b)通过使用下述传递函数被执行：
Mf(w)＝[2HL(w)-HT(w)]/HL(w)，
其中，HL(w)是扬声器系统的线性频率特性；和HT(w)是扬声器系统的总的频率特性。
3、如权利要求1所述的方法，其中，扬声器系统的线性频率特性HL(w)通过外因输入的自回归(ARX)模型或外因输入的自回归滑动平均(ARMAX)模型生成。
4、如权利要求1所述的方法，其中，扬声器系统的总的频率特性通过使用非线性响应测量来生成。
5、如权利要求1所述的方法，还包括步骤(d)将时域信号转换为模拟信号。
6、如权利要求1所述的方法，其中，在步骤(a)中，通过使用快速傅立叶变换将音频信号转换为频域信号，并且在步骤(c)中，通过使用快速傅立叶逆变换将预先校正的信号转换为时域信号。
7、如权利要求1所述的方法，其中，在步骤(b)中，通过使用有限冲激响应(FIR)滤波器来预先校正频域信号。
8、一种用于在时域中对扬声器系统的非线性失真补偿的方法，该方法包括下述步骤：
(a)通过使用扬声器系统的线性时域特性和非线性时域特性预先校正来自音频源的音频信号；和
(b)将预先校正的信号转换为模拟信号。
9、如权利要求8所述的方法，其中，步骤(a)通过使用下述传递函数被
执行：Mt(t)＝GL(q)/[GL(q)+GNL(q)]，
其中，GL(q)是扬声器系统的线性时域特性；GNL(q)是扬声器系统的非线性时域特性；和q是延迟算子。
10、如权利要求9所述的方法，其中，线性时域特性GL(q)通过ARX模型或ARMAX模型生成，并且非线性时域特性GNL(q)通过非线性响应测量生成。
11、如权利要求9所述的方法，其中，当输入外部误差信号e(t)时，在步骤(a)中，通过使用下述方程生成预先校正的信号Z(t)：
Z(t)＝Mt(t)x(t)-Me(t)e(t)，
其中，x(t)是来自音频源的音频信号；Me(t)是误差信号的传递函数，其通过使用方程Me(t)＝JL(q)/[JL(q)+JNL(q)]生成；JL(q)是扬声器系统的线性时域扰动函数；和JNL(q)是扬声器系统的非线性时域扰动函数。
12、如权利要求9所述的方法，其中，在步骤(a)中，通过使用有限冲激响应(FIR)滤波器来预先校正音频信号。
13、一种用于对扬声器系统的非线性失真补偿的装置，该装置包括：
频域转换器，用于接收来自音频源的音频信号并将音频信号转换为频域信号；
预先校正器，用于通过使用扬声器系统的线性频率特性和非线性频率特性预先校正频域信号；和
时域转换器，用于将预先校正的信号转换为时域信号以生成音频信号的时域信号。
14、如权利要求13所述的装置，其中，通过使用下述方程来生成预先校正器的传递函数Mf(w)：
Mf(w)＝[2HL(w)-HT(w)]/HL(w)，
其中，HL(w)是扬声器系统的线性频率特性；和HT(w)是扬声器系统的总的频率特性。
15、如权利要求14所述的装置，其中，扬声器系统的线性频率特性HL(w)通过使用外因输入的自回归(ARX)模型或外因输入的自回归滑动平均(ARMAX)模型生成。
16、如权利要求15所述的装置，其中，扬声器系统的总的频率特性HT(w)通过使用非线性响应测量生成。
17、如权利要求15所述的装置，还包括将时域信号转换为模拟信号的数模转换器。
18、如权利要求15所述的装置，其中，频域转换器执行快速傅立叶变换，并且时域转换器执行快速傅立叶逆变换。
19、如权利要求15所述的装置，其中，预先校正器包括有限冲激响应(FIR)滤波器。
20、一种用于在时域中对扬声器系统的非线性失真补偿的装置，该装置包括：
时域预先校正器，用于通过使用扬声器系统的线性时域特性和非线性时域特性来预先校正来自音频源的音频信号；和
数模转换器，用于将预先校正的信号转换为模拟信号。
21、如权利要求20所述的装置，其中，时域预先校正器的传递函数通过使用下述方程生成：
Mt(t)＝GL(q)/[GL(q)+GNL(q)]，
其中，GL(q)是扬声器系统的线性时域特性；GNL(q)是扬声器系统的非线性时域特性；和q是延迟算子。
22、如权利要求21所述的装置，其中，线性时域特性GL(q)通过使用外因输入的自回归(ARX)模型或外因输入的自回归滑动平均(ARMAX)模型生成，并且非线性时域特性GNL(q)通过使用非线性响应测量生成。
23、如权利要求21所述的装置，其中，当外部误差信号e(t)输入到时域预先校正器时，预先校正的信号Z(t)通过使用下述方程生成：
Z(t)＝Mt(t)x(t)-Me(t)e(t)，
其中，x(t)是来自音频源的音频信号；Me(t)是误差信号的传递函数，其通过使用方程Me(t)＝JL(q)/[JL(q)+JNL(q)]生成；JL(q)是扬声器系统的线性时域扰动函数；和JNL(q)是扬声器系统的非线性时域扰动函数。
24、如权利要求21所述的装置，其中，时域预先校正器包括有限冲激响应(FIR)滤波器。
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