TW202007187A - 用於壓電揚聲器的音頻信號處理裝置及其方法 - Google Patents

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Abstract

本發明涉及一種用於壓電揚聲器的音頻信號處理裝置(1)和用於壓電揚聲器(2)的音頻信號處理方法，以產生可聽波長頻譜的聲波,其具有一數位音頻信號(Vin )的信號輸入端(3)、一用以校正壓電揚聲器(2)的非線性的數位校正單元(4)、一將數位校正單元(4)所校正的信號轉換成一脈波寬度調制切換信號的數位PWM發生器(5)、一受該數位PWM發生器(5)所轉換出的切換信號控制而使壓電揚聲器(2)的壓電致動器受一電壓(X)充電的功率級(6)以及一形成控制迴路的反饋路徑,該電壓經由該反饋路徑反饋作為一反饋信號(Y(z)，Ydig ),而該反饋信號(Y(z)，Ydig )中具有由校正單元(4)、PWM生成器(5)、功率級(6)和/或壓電揚聲器(2)所造成的可聽頻率範圍內的第一信號噪音(Qz )。根據本發明，音頻信號處理裝置(1)具有一噪音整形單元(16),其係設計和/或設置在控制迴路中,以使第一信號噪音(Qz )中的噪音能量移位到可聽頻率範圍之外。

Description

用於壓電揚聲器的音頻信號處理裝置及其方法
本發明涉及一種用於壓電揚聲器的音頻信號處理裝置，用於產生可聽波長的聲波。該裝置包括用於一個將數位音頻信號輸入的信號輸入端、一用於校正揚聲器非線性的數位校正單元和一個將校正單元校正的信號轉換成脈波寬度調制的切換信號的數位PWM產生器。此外，該裝置包括一功率級，該功率級可以受PWM產生器轉換的切換信號控制，使得揚聲器的壓電致動器可以受一電壓充電以使振膜偏轉。此外，該裝置包括一個反饋控制迴路，以將該電壓回送作為反饋信號，該反饋信號中具有由數位校正單元、PWM生成器、功率級和/或壓電揚聲器所造成的可聽頻率範圍內的第一信號噪音。本發明還涉及一種用於壓電揚聲器的音頻信號處理方法，用於產生可聽波長的聲波。
從US 2010/0271147 A1中已知一種用於操作壓電揚聲器的裝置。這樣做的缺點是揚聲器音質不佳。
因此，本發明的目的是改善壓電揚聲器輸出聲波的聲音質量。
該目的是通過一種用於壓電揚聲器的音頻信號處理裝置和具有獨立申請專利範圍的特徵的相關方法來實現。
本發明提出了一種用於壓電揚聲器的音頻信號處理裝置，用於產生可聽波長的聲波。對於人類來說，可聽波長頻譜大約自20Hz到20kHz是足夠的，該範圍可能因人而異，並且特別地可以取決於人的年齡。較低和較高的頻率是人類聽覺不可察覺的。
該裝置具有用於輸入數位音頻信號的信號輸入端。音頻信號可以包括例如來自智能手機、MP3播放器或其他設備的音樂、聲音和/或語音。音頻信號是由輸入端送到裝置，再由壓電揚聲器輸出。
此外，該裝置包括用於一用以校正揚聲器的非線性的數位校正單元。數位校正單元可以從信號輸入端接收數位音頻信號。因此，數位校正單元可以在信號流方向位於信號輸入端的下游。非線性的事實會反映在數位音頻信號的變化與壓電揚聲器的聲音輸出的變化不成線性比例。這可能主要是由於壓電揚聲器具有復雜的非線性狀況。另外，裝置和/或壓電揚聲器的溫度變化可能導致非線性。借助於數位校正單元可以減小非線性，從而改善壓電揚聲器的音質。
此外，該裝置包括一數位PWM產生器，利用該數位PWM產生器可將數位校正單元校正的信號轉換成脈波寬度調制的切換信號。因此，數位PWM產生器可以在信號流方向位於數位校正單元的下游。
此外，該裝置包括一功率級，該功率級可以由PWM產生器轉換的切換信號所控制，使得揚聲器的壓電致動器可以受用於偏轉振膜的電壓予以充電。功率級可以在信號流方向連接在PWM產生器的下游。功率級可以包括放大器單元，該放大器單元可以用電壓對揚聲器的壓電致動器充電和放電。功率級可以提供輸出信號，使得揚聲器可以輸出對應於數位音頻信號的聲音，該聲音可以包括音樂、聲音和/或語音。功率級還可以具有至少一個開關，該開關可以處理PWM產生器的切換信號。
壓電揚聲器可以由功率級至少部分地充電，例如，利用電源的電能並且再次至少部分地放電，由此產生聲波。電能可以由電源提供。壓電揚聲器具有壓電特性，即壓電揚聲器可以根據其充電狀態而偏轉。具有電能的壓電揚聲器的電荷越高，壓電揚聲器的偏轉越高。借助於壓電揚聲器的偏轉，例如當偏轉傳送到振膜時可以產生聲波。結果，位在振動振膜上方的空氣可以振動，從而產生聲波。此外，壓電揚聲器的偏轉可以通過充電和放電來改變。如果壓電揚聲器繼續充電，則可以增加偏轉。另一方面，為了減小偏轉，可以釋放壓電揚聲器。因此，壓電揚聲器可以通過交替充電和放電而振動，例如，振動傳送到振膜從而產生聲波。壓電揚聲器可以逐步加載和/或卸載。
因此，可以產生壓電揚聲器的受控偏轉從而產生聲波。如果偏轉與數位音頻信號一致，該數位音頻信號可以包括例如音樂、聲音或語音，則藉助於壓電揚聲器產生相應的聲音，其同樣包括音樂、聲音或語音。例如，音頻信號可以是音樂檔的形式。在打電話時，呼叫者也可以發出音頻信號。
通過電能的充電和放電也可增加或減少壓電揚聲器的電壓。隨著壓電揚聲器上的電壓增加，使偏轉增加。此外，隨著壓電揚聲器上的電壓降低，使偏轉減小。此外，由於壓電揚聲器受到電能充電時，會隨著電壓而建立電場，故壓電揚聲器具有電容。壓電揚聲器因此可以具有電容器的特性。另外，壓電揚聲器的充電狀態或電壓及其偏轉彼此之間具有關聯性。
功率級可以是例如電壓轉換器。在功率級的幫助下，當僅由電源(例如電池)提供3V時，壓電致動器可以被充電到例如30V。功率級可以例如逐步或定時對壓電致動器充電。壓電致動器的充電取決於數位音頻信號。
附加地或替代地，功率級還可以使壓電致動器放電。如果要降低振膜的偏轉，則可以這樣做。壓電致動器的較小偏轉對應於振膜的較低偏轉。由放電電能釋放的電能可以再次儲存在電源中。
此外，該裝置具有形成反饋的反饋路徑，利用該迴路可以將壓電致動器的電壓反饋作為反饋信號，該反饋信號中具有由所述數位校正單元、所述PWM生成器、所述功率級和/或所述壓電揚聲器所造成的可聽頻率範圍內的第一信號噪音。因此反饋路徑構成一閉合迴路，從而可以改善揚聲器的音質。例如，反饋可以在數位校正單元之前傳送反饋信號，特別是在信號流方向上。
第一信號噪音導致壓電揚聲器的聲音質量降低。第一信號噪音中的噪音產生的一個原因可能是數位音頻信號由信號輸入端經過校正單元、PWM產生器、功率級轉換成類比電壓後傳送到壓電致動器而產生。然而，這也可能是精確度不足所造成，例如PWM產生器可能將校正單元校正的信號轉換成不精確的切換信號。PWM產生器可能例如具有量化噪音。另外或替代地，校正單元、功率級和/或壓電揚聲器也可能具有量化噪音。為了使裝置小型化，校正單元、PWM產生器和/或功率級的精確度可能是例如僅8位元。另一方面，這種解析度會導致上述量化誤差或量化噪音。另外，非線性降低了音頻信號的質量和/或揚聲器產生的聲音。
根據本發明，該裝置具有噪音整形單元，該噪音整形單元可內建或設置在控制迴路中，使得數位校正單元、PWM生成器、功率級和/或所述壓電揚聲器造成的第一信號噪音中的噪音能量移位在所述可聽頻率範圍之外。在可聽頻率範圍之外，人類不再能夠感知到第一信號噪音，從而提高了揚聲器的音質。
有利的是，第一信號噪音的噪音能量可通過噪音整形單元移位到高頻範圍內。例如，高頻範圍可以高於20kHz，在此人類不再能夠感知第一信號噪音。附加地或替代地，噪音整形單元可以將第一信號噪音的噪音能量移位到裝置的系統取樣頻率的範圍內。例如，系統取樣頻率可以在1MHz的範圍內。系統取樣頻率可以是設備的工作頻率。系統取樣頻率可以是設備操作的頻率，特別是設備處理音頻信號的時脈。
如此可以改善音質。當噪音能量轉移位到高頻範圍時，壓電致動器本身也衰減這些頻率。由於壓電致動器具有一定的質量，因此它具有相應的慣性。壓電致動器不再能夠跟隨高頻，因此這些高頻被壓電致動器本身抑制。壓電致動器本身可以用作低通濾波特性。
如果該裝置設計為控制電路則是有利的。其控制迴路可以以計算機予以實現。然後，控制電路可以由計算機程序執行。附加地或替代地，控制電路也可以是電子控制電路，使得控制電路例如設置在ASIC中。
附加地或替代地，控制迴路也可以具有傳送路徑。傳送路徑可以包括例如信號輸入端、數位校正單元、PWM產生器、功率級和/或壓電揚聲器。這些可以在信號流的信號流方向順序排列。
附加地或替代地，控制迴路可以具有至少一個反饋路徑。反饋路徑可以傳送反饋信號，其可以包括壓電致動器的電壓，以形成一封閉迴路。
如果噪音整形單元設置在校正單元的信號流方向的上游是有利的。因此，校正單元接收由噪音整形單元形成的信號，其中噪音能量在可聽波長之外偏移。噪音整形單元可以例如在校正單元的信號流方向上設置在傳送路徑的上游。
如果噪音整形單元具有用於移位第一信號噪音的噪音能量的噪音整形電路，則是有利的。可以優化噪音整形電路以將第一信號噪音的噪音能量移位到可聽波長之外。
附加地或替代地，噪音整形單元可以包括迴路濾波器，用於在校正單元和/或PWM產生器之後抑制量化噪音和/或剩餘非線性，從而可以改善聲音質量。
如果迴路濾波器在信號流方向上位於噪音整形電路的下游，則是有利的。附加地或替代地，迴路濾波器可以在校正單元的信號流方向的上游。
有利的是，該裝置具有類比至數位轉換器，通過該類比至數位轉換器可以將反饋信號數位化，轉換的數位反饋信號具有由類比至數位轉換器在按預期使用時引起的第二信號噪音。類比至數位轉換器可縮寫為A/D轉換器。借助於A/D轉換器，可以將反饋信號數位化，使得它可以在電子和/或邏輯電路中處理。由於每個A/D轉換器具有有限的解析度，因此在數位化期間也會出現誤差，特別是量化誤差或量化噪音。因此，A/D轉換器產生第二信號噪音。
如果A/D轉換器設置在反饋路徑中是有利的。A/D轉換器沿信號流方向設置在壓電揚聲器的下游。
如果噪音整形電路設計成僅處理第一信號噪音是有利的。因此，噪音整形電路不處理第二信號噪音。例如，第一信號噪音可能大於第二信號噪音，因此僅處理第一信號噪音更有效。如果A/D轉換器具有相應高的解析度，則第二信號噪音也可以由此減小並忽略。例如，A/D轉換器可以具有12、14或16位元的解析度。
有利的是，噪音整形單元包括信號傳輸功能，借助於該信號傳輸功能，可以基於數位音頻信號和數位反饋信號之間的控制誤差來確定用於驅動揚聲器的控制變量。操作變量可以是用於驅動揚聲器的電壓。操作變量也可以是壓電揚聲器充電或放電的電壓差。控制誤差表示壓電致動器的電壓的實際值即數位反饋信號與壓電致動器的目標值之間存在的誤差，其取決於數位音頻信號。如果控制誤差為零，則壓電致動器具有根據數位音頻信號應具有的電壓。因此，壓電致動器無錯誤地輸出音頻信號。然而，壓電致動器具有第一和/或第二信號噪音。特別地，第一信號噪音會導致控制誤差所能確定的誤差。控制誤差可以例如形成為數位音頻信號和數位反饋信號之間的差異。借助於信號傳送功能，可以由此確定用於驅動揚聲器的控制變量，從而減小誤差。操作變量可以是電壓。控制誤差是輸入信號，操作變量是輸出信號。
有利的是，信號傳輸功能被設計成使控制誤差延遲一個週期。該週期可以有利地是系統取樣頻率的周期或設備的工作頻率。結果，可以實現例如對反饋信號的反饋、後續週期的控制。
如果信號傳輸函數STFd 由以下第一公式定義，則是有利的：
Figure 02_image001
其中H(z)是系統函數，I(z)是揚聲器函數，K(z)是I(z)的倒數，d是控制誤差，X是揚聲器的操作變量。信號傳輸函數是由d定義為輸入變量或信號，X定義為輸出變量或信號。對於系統函數H(z)，信號傳輸函數STFd 可以是例如z-1 。對於其他系統功能H(z)，信號傳輸函數STFd 可能根據需要看起來不同。例如，信號傳輸函數STFd 也可以具有更高的階數。
如果噪音整形單元包括噪音整形傳輸函數是有利的，借助於該噪音整形傳輸函數，第一信號噪音的噪音能量是可移位的。噪音整形傳輸函數可以設計成使得它將第一信號噪音的噪音能量轉換為聽不見的波長頻譜，特別是高於20kHz的頻率，優選地轉換到系統取樣頻率的範圍。
如果噪音整形傳輸函數被設計成可低頻衰減，則是有利的。特別地，具有第一信號噪音的噪音能量的頻率範圍被衰減，從而改善了聲音質量。 如果噪音整形傳輸函數NTFd 由以下第二公式定義，則是有利的：
Figure 02_image003
其中H(z)是系統函數，I(z)是揚聲器函數，K(z)是I(z)的倒數，d是控制誤差，X是揚聲器的操作變量。Qz 可以是數位校正單元、PWM產生器、功率級和/或壓電揚聲器的干擾信號。例如，Qz 描述了由PWM產生器引起的量化誤差。例如，通過Qz ，可以定義第一信號噪音。例如，Qz 可以包括在處理數位音頻信號期間發生的任何錯誤，直到它驅動輸出信號至壓電致動器。Qz 可以包括第一信號噪音。Qz 對應於噪音整形傳輸函數中的輸入信號，X對應於輸出信號。對於系統函數H(z)，噪音整形傳輸函數NTFd 可以是例如1-z-1 。對於其他系統功能H(z)，噪音整形傳輸函數NTFd 可能根據需要看起來不同。例如，噪音整形傳輸函數NTFd 也可以具有更高的階數。
如果控制變量傳輸函數由以下第三公式定義，則是有利的：
Figure 02_image006
該第三公式包括作為STFd 的信號傳輸函數和具有NTFd 的噪音整形傳輸函數。d是控制誤差，Qz 是第一信號噪音或量化誤差。對於系統函數H(z)，X(z)= z-1 *d + Qz *(1-z-1 )。對於其他系統函數H(z)，X(z)的表達式可以根據需要而有所不同。
如果控制變量傳輸函數由以下第四公式定義，則是有利的：
Figure 02_image007
在其中，Vin 是數位音頻信號。對於系統函數H(z)，Y(z)= z-1 *Vin + Qz *(1-z-1 )。對於其他系統函數H(z)，Y(z)的表達式可以根據需要而有所不同。
有利的是，噪音整形單元的設計係藉由傳輸函數的零、極點和/或至少一個的階數，從而增加信號雜訊比。附加地或替代地，噪音整形單元被設計成藉由傳輸函數的零、極點和/或至少一個的階數，使得諧波失真減小。如此即改善了音質。
有利的是，該裝置包括計算機控制單元，以執行所述信號傳輸函數、噪音整形傳輸函數、操作變量傳輸函數和/或控制變量傳輸函數。該裝置還可以包括微控制器，以執行信號傳輸函數、噪音整形傳輸函數、操作變量傳輸函數和/或控制變量傳輸函數。
有利的是，在數位校正單元中儲存一個反映非線性的標準化壓電揚聲器的測量數據。測量數據可以儲存在例如列表中。此外，測量數據可以包括例如壓電揚聲器的電容量，其優選地儲存了壓電揚聲器的充電函數。測量數據可以包含表徵壓電揚聲器特徴的數據。然而，測量數據還可以包括校正單元、PWM產生器和/或功率的數值。測量數據可包括例如電容、電感和/或特性曲線的數值。如此可以用於確定壓電揚聲器或壓電致動器需充電的時間，以便得知對應於音頻信號的壓電揚聲器的振膜的偏轉程度。測量數據也可以包括設備的系統參數。
此外，有利的是，校正單元若可考慮這些測量數據，以校正揚聲器的至少一部分非線性。如此改善了壓電揚聲器的音質。
本發明還提出了一種用於壓電揚聲器的音頻信號處理方法，用於產生可聽波長中的聲波。在這種情況下，可以藉助於該方法操作該裝置，該裝置係根據前述和/或後述說明的一個或多個特徵來設計。
該方法處理通過信號輸入端送入的數位音頻信號。揚聲器基於該數位音頻信號而產生聲音。數位音頻信號中包括要由揚聲器播放的音樂、聲音和/或語音的信息。該方法處理數位音頻信號，使得揚聲器可以將儲存在音頻信號中的信息轉換為相應於該聲音的音樂、音調和/或語音。
在該方法中，揚聲器的非線性係由一數位校正單元校正。由於揚聲器不能線性地響應音頻信號，因此借助於校正單元校正該非線性。這些可能是由於例如揚聲器在不同狀態下有不同的反應。例如，壓電揚聲器具有依存於該壓電揚聲器的當前充電狀態的電容。校正單元可以包括壓電揚聲器的當前狀態，例如充電狀態，以便校正非線性。另外，壓電揚聲器的溫度可能導致非線性。不同的溫度會導致不同的狀況。此外，壓電揚聲器的使用年限也會導致非線性。較舊的揚聲器可能以不同於新揚聲器的方式響應信號。
此外，校正單元所校正的信號會由數位PWM產生器轉換成脈波寬度調制的切換信號。
功率級由PWM產生器轉換的切換信號驅動，使得揚聲器的壓電致動器受到用於使振膜片偏轉的電壓充電。當振膜偏轉時，振膜上的空氣會響應於傳送該聲音、音樂和/或語音的聲波而振動。結果，振膜的正確偏轉是重要的。振膜的不適當偏轉將導致聲波傳輸的聲音、音樂和/或語音失真。為了實現高音質，有利的是，偏轉盡可能地響應於數位音頻信號。
當壓電致動器逐步充電時，振膜可以逐步偏轉。例如，當電池的電源具有3V的供電電壓，但壓電致動器以高達30V的電壓放電時，即可實現。
舉例來說，功率級可以包括至少一個開關，該開關由PWM產生器的脈波寬度調制的切換信號致動。由此，壓電致動器被充電，該電壓可以具有類比值。因此，校正單元、PWM產生器和/或功率級可以將數位音頻信號轉換為壓電致動器的電壓，其中電壓具有類比值。因此，校正單元、PWM產生器和/或功率級可以作為數位至類比轉換器。
此外，壓電致動器的電壓通過控制迴路的反饋作為反饋信號。該反饋信號中具有由數位校正單元、PWM生成器、功率級和/或壓電揚聲器所造成的可聽頻率範圍內的第一信號噪音。因此反饋路徑構成一閉合迴路。在控制迴路的幫助下，壓電揚聲器的音質得到改善。借助於控制迴路可以減少輸出聲音中例如由校正單元、PWM產生器、壓電揚聲器和/或功率級在信號處理中引起的誤差。
根據本發明，所述校正單元、PWM產生器、功率級和/或壓電揚聲器將噪音整形單元的第一噪音信號的噪音能量移出可聽頻率範圍外。噪音能量可以移位到可聽頻率範圍之上的範圍內。例如，噪音能量可以移位到20kHz的頻率上。在這樣的頻率範圍，人耳無法感知該第一噪音信號，使得由揚聲器輸出的聲音質量得以改善。或者，噪音能量也可以移位到系統取樣頻率的範圍。系統取樣頻率也可以是音頻信號處理方法的工作頻率，例如在1MHz的範圍內。在這樣的頻率範圍，由於壓電致動器或揚聲器的慣性，使得壓電致動器或揚聲器可以不再跟隨該頻率。結果，第一信號噪音的噪音能量受到衰減。壓電致動器或揚聲器具有低通濾波器的特性。
在以下示例性實施例中描述了本發明的其他優點。
圖1顯示用於壓電揚聲器2的音頻信號處理裝置1的方塊圖。通過壓電揚聲器2可以產生被人耳感知的可聽波長的聲波。聲波可以包括聲音、音樂和/或語音，故可借助於揚聲器2，例如可聽到或聽取電話中的聲音。因此，音頻信號處理裝置1和揚聲器2可以設置在例如智能手機、MP3播放器或其他設備中，尤其是便攜式設備中。
壓電揚聲器2包括這裡未示出的壓電致動器，揚聲器2的振膜(也未示)可以利用該壓電致動器偏轉，以振盪振膜上方的空氣，從而產生聲波、音樂和/或語音。
為了使壓電致動器偏轉，可以用電壓對其充電。如果壓電致動器的電壓增加或減小，則其自身的偏轉也增大或減小。通過對壓電致動器充電可以在壓電致動器中儲存電能，使得致動器具有電容器的特性並具有電容量。
音頻信號處理裝置1還具有一數位音頻信號的信號輸入端3。該數位音頻信號包括欲由揚聲器2產生的相應音樂、聲音和/或語音的聲音信息。一般而言，音頻信號包括和揚聲器2所產生的聲波有關的信息。揚聲器2所產生的聲波質量，特別是聲音質量，可能取決於音頻信號處理裝置1偏轉壓電致動器以匹配數位音頻信號。
根據本實施例，音頻信號處理裝置1具有一數位校正單元4，該數位校正單元可以校正壓電揚聲器2的非線性。非線性的問題例如可能會因為壓電致動器的偏轉變化時產生，取決於壓電致動器本身的瞬時偏轉。此外，壓電致動器的電容可能受到偏轉的影響，而產生非線性的來源。當決定壓電致動器的充電電壓時，例如必須考慮當時的電壓。非線性的產生仍然可能有幾個因素。因此，壓電致動器的尺寸、溫度或老化都應考慮。然而，附加地或替代地，音頻信號處理裝置1本身也可能導致揚聲器2的非線性。
數位校正單元4可以接收數位音頻信號並輸出一校正信號。
音頻信號處理裝置1還包括一PWM產生器5，利用該PWM產生器5可將校正單元4所校正的信號轉換成一脈波寬度調制的切換信號。
此外，音頻信號處理裝置1包括一功率級6，其可以受PWM產生器5所轉換的切換信號所控制，使得壓電揚聲器2的壓電致動器可以受一電壓充電以使振膜偏轉。功率級6例如可以是放大器單元，其例如可將電壓從3V增加到30V。功率級6可以處理脈波寬度調制的切換信號，使得揚聲器2的壓電致動器受充電。在這種情況下，壓電致動器充電的電壓取決於脈波寬度調制的切換信號。致動器的電壓可以由脈寬調制切換信號予以調節。在這種情況下，設定的電壓向壓電致動器充電，使得振膜偏轉，而產生與數位音頻信號相匹配的聲音。
功率級6可以由電源8提供電能以對壓電致動器或壓電揚聲器2充電。電源8可以是例如智能手機的電池。
為了形成一控制迴路，音頻信號處理裝置1具有一反饋線7，利用該反饋線可以將壓電致動器的電壓回送作為一反饋信號。
反饋線7可以反饋到一第一相加點10。第一相加點10的設計可將反饋信號與數位音頻信號進行比較。例如，第一相加點10可以依據反饋信號和數位音頻信號之間的差異產生一差異值。由於第一相加點10產生差異值，因此也可以是相減點。結果，可以確定音頻信號和壓電致動器上的電壓之間的誤差或誤差，其係相對應於表示數位音頻信號的期望值與表示位在壓電致動器的電壓實際值之間的誤差值。
在反饋信號被反饋到第一相加點10之前，它可以被饋送到一類比至數位轉換器9(簡稱A/D轉換器)。通過A/D轉換器9，可以將反饋信號數位化成可在電子或邏輯電路中處理的信號。
反饋信號可用於由壓電揚聲器2所產生的音頻範圍內的聲波和由校正單元4、PWM產生器5、功率級6和/或壓電揚聲器2所造成的第一信號噪音。
該第一信號噪音會因為例如量化噪音或量化誤差而產生。校正單元4、PWM產生器5、功率級6和/或壓電揚聲器2可以被描述為一數位至類比轉換器(或簡稱D/A轉換器)，因為這些組件將信號輸入端3的數位音頻信號轉換成壓電致動器的類比型式的電壓。在這種情況下，由於校正單元4、PWM產生器5和功率級6將數位音頻信號轉換為壓電揚聲器2所需的輸出信號，故它們可以組合成一D/A轉換器。致動器中的電壓或揚聲器2的輸出信號中的數位音頻信號在轉換時，可能會產生第一信號噪音，而降低可聽頻率範圍內的聲音質量。
音頻信號處理裝置1還具有一傳送路徑13。本實施例中的傳送路徑13包括信號輸入端3、數位校正單元4、PWM產生器5和功率級6。另外，傳送路徑13仍包含壓電揚聲器2，儘管它在圖1中並沒有和傳送路徑13的其他元件對齊。電源8也可以是傳送路徑13的一部分。
音頻信號處理裝置1附加地或替代地具有一反饋路徑14。此反饋路徑14包含A/D轉換器9，其接收來自壓電揚聲器2的反饋信號，再予以數位化並反饋。
傳送路徑13和反饋路徑14可以形成一控制迴路。
音頻信號處理裝置1或控制迴路還具有一信號流15，圖中的箭頭指示該信號流的方向。信號流15從信號輸入端3經由第一相加點10、校正單元4、PWM產生器5、功率級6引導到壓電揚聲器2，壓電揚聲器2，而形成傳送路徑13。信號流15還從壓電揚聲器2經由A/D轉換器9返回到信號輸入端3並且到達第一相加點10，如此形成反饋路徑14。因此，信號流15在控制迴路中流動。
圖2顯示用於壓電揚聲器2中作為音頻信號處理的音頻信號處理裝置1的方塊圖。音頻信號處理裝置1中包括一噪音整形單元16，該噪音整形單元16的設計係可將校正單元4、PWM產生器5、功率級6和/或壓電揚聲器2所產生的第一信號噪音的噪音能量移位到可聽頻率範圍之外。例如，第一信號噪音的噪音能量可以移位到可聽頻率範圍之上的範圍。可聽頻率範圍大約在20kHz以下，如此使得第一信號噪音被移位後，其噪音能量不再能被人耳感知。例如，噪音能量可以移位到高於20kHz或高於100kHz的頻率範圍。
第一信號噪音的噪音能量也可以被移位到音頻信號處理裝置1所使用的系統取樣頻率的頻率範圍內。系統取樣頻率可以是例如音頻信號處理裝置1的工作頻率。例如，可以是在1MHz的範圍內。在這樣的高頻率下，因為壓電致動器不能跟上這樣的高頻，故第一信號噪音的噪音能量也可以被衰減。結果，壓電致動器可以具有低通濾波器的特性。
根據本實施例，噪音整形單元16在信號流15的信號流方向係設置在校正單元4的上游。例如，噪音整形單元16可以設置在傳送路徑13中和/或反饋路徑14中。此外，噪音整形單元16在信號流15的信號流方向係設置在A/D轉換器9的下游。
此外，根據本實施例的噪音整形單元16可以包括一噪音整形電路11和/或特別是數位的迴路濾波器12。借助於噪音整形電路11，第一信號噪音的噪音能量可以移出可聽頻率範圍。噪音整形電路11在此設置在反饋路徑14中。此外，噪音整形電路11在信號流15的信號流方向上係設置在A/D轉換器9的下游。噪音整形電路11在信號流15的信號流方向上係設置在信號輸入端3的上游。因此，噪音整形電路11以此方式可將噪音能量移出可聽頻率範圍。然後，在此過程中，噪音整形電路11和/或噪音整形單元16形成的信號即可傳送到第一相加點10。
迴路濾波器12是設置在傳送路徑13中。迴路濾波器12在信號流15的信號流方向上係位於信號輸入端3的下游。迴路濾波器12在信號流15的信號流方向係設置在校正單元4的的上游。
圖3顯示壓電揚聲器2的音頻信號處理的流程圖。
數位音頻信號Vin 可以由信號輸入端3送入。在信號流15的信號流方向，信號輸入端3的下游即是第一相加點10。在第一相加點10處，數位音頻信號Vin 可以與數位反饋信號Ydig 進行比較。例如，由兩個信號可以形成差值。例如，可以形成d = Vin -Ydig 。在這種情況下，有利地，可以將音頻信號處理裝置1的系統時脈的數位反饋信號Ydig 與目前數位音頻信號Vin 進行比較。例如，可以確定d = Vin (n)-Ydig (n-1)。因此，d可以控制誤差。d也是壓電揚聲器2必須調節的電壓值。如果能依據數位音頻信號Vin 產生相應的聲音施加一必要的電壓至揚聲器2的壓電致動器的話，則該d值可以為零。然而，由於例如壓電揚聲器2的非線性所造成的誤差，第一信號噪音Qz 和/或第二信號噪音ed 即可能發生非零的控制誤差d。
控制誤差d在信號流15的信號流方向上係被引導到第二相加點17。在第二相加點17中，可以將控制誤差d與壓電揚聲器2的電壓變化dy進行比較。dy可以定義壓電揚聲器2的連續電壓的差異。例如，第二相加點17可以形成控制誤差d和電壓變化dy之間的差值。例如，根據本實施例，可以形成P = d-dy。
輸入信號P可以在信號流15的信號流方向上提供給噪音整形單元16。噪音整形單元16可以具有系統函數H(z)。此外，噪音整形單元可以具有根據第一公式定義的信號傳輸函數STFd ：
Figure 02_image010
信號傳輸函數STFd 可以描述控制誤差d如何變化到操作變量X的型式，優選地用於線性系統。在公式中，H(z)是系統函數，I(z)是揚聲器函數，K(z)是I(z)的倒數，d是控制誤差，X是揚聲器的操作變量。因此，X可以是揚聲器2充電的電壓，並且這可以是類比型式。
此外，借助於信號傳輸函數STFd ，控制誤差d可以移位系統掃描頻率或工作頻率的一個週期。控制誤差d可以延遲一個週期。不同的系統功能H(z)可以導致不同的信號傳輸函數STFd 。
在噪音整形單元16的信號流15的信號流方向上，設有一數位至類比轉換器Q，其可包括數位校正單元4、PWM轉換器5和功率級6。輸入信號R可以送到數位至類比轉換器Q。輸入信號R可以定義為R =(d-dy)H(z)=P*H(z)。數位至類比轉換器Q還具有一干擾信號Qz ，其在圖3中示意性地對應於數位至類比轉換器Q。干擾信號Qz 在此係作為第一信號噪音Qz ，其可以由校正單元4、PWM產生器5、功率級6和/或壓電揚聲器2形成。
可以藉助於噪音整形傳輸函數NTFd 來描述第一信號噪音Qz 的處理，該處理可以由噪音整形單元16執行。噪音整形傳輸函數NTFd 可以根據如下第二公式定義：
Figure 02_image012
還可以根據示例性系統函數H(z)的如下第三公式來定義操作變量傳輸函數X(z)：
Figure 02_image014
其中，STFd 是信號傳輸函數，NTFd 是噪音整形傳輸函數。X(z)取決於系統函數H(z)的選擇。
將根據以下第四公式為示例性系統函數H(z)來定義Y(z)：
Figure 02_image016
根據該第四公式，可聽波長頻譜中的第一信號噪音Qz 的噪音能量得以受到衰減。第一信號噪音Qz 的噪音能量可以移位到人耳不能感知第一信號噪音Qz 的噪音能量的高頻範圍，以使聲音質量得到改善。Y(z)取決於系統函數H(z)的選擇。
壓電揚聲器2的電壓形式的控制變量Y(z)可以由A/D轉換器9予以數位化。由於數位化，可能會在第二信號噪音中發生量化誤差或量化噪音。如果A/D轉換器9的解析度足夠高，例如12位元、14位元或16位元，則可以忽略第二信號噪音ed 。借助於噪音整形單元16，例如，只有第一信號噪音Qz 可以移出可聽頻率範圍。
本發明不限於圖示和描述的實施例。其它不同實施例所示出和描述的特徵組合，也同樣屬於申請專利範圍內的變化範圍內。
1‧‧‧音頻信號處理裝置 2‧‧‧壓電揚聲器 3‧‧‧信號輸入端 4‧‧‧數位校正單元 5‧‧‧PWM產生器 6‧‧‧功率級 7‧‧‧反饋線 8‧‧‧電源 9‧‧‧類比至數位轉換器 10‧‧‧第一相加點 11‧‧‧噪音整形電路 12‧‧‧迴路濾波器 13‧‧‧傳送路徑 14‧‧‧反饋路徑 15‧‧‧信號流 16‧‧‧噪音整形單元 17‧‧‧第二相加點 Vin‧‧‧數位音頻信號 d‧‧‧誤差 dy‧‧‧電壓變化 P‧‧‧噪音整形單元的輸入信號 R‧‧‧數位/類比轉換器的輸入信號 Qz‧‧‧第一信號噪音 Q‧‧‧數位至類比轉換器 ‧‧‧操作變量 I(z)‧‧‧揚聲器函數 Y(z)‧‧‧控制變量 H(z)‧‧‧系統函數 K(z)‧‧‧I(z)的倒數 ed‧‧‧第二信號噪音 Ydig‧‧‧數位反饋信號 STFd‧‧‧信號傳輸函數 NTF‧‧‧噪音整形傳輸函數
圖1是壓電揚聲器的音頻信號處理裝置的方塊圖; 圖2是具有噪音整形單元的壓電揚聲器的音頻信號處理裝置的方塊圖; 圖3是壓電揚聲器的信號處理線性模型的流程圖。
1‧‧‧音頻信號處理裝置
2‧‧‧壓電揚聲器
3‧‧‧信號輸入端
4‧‧‧數位校正單元
5‧‧‧PWM產生器
6‧‧‧功率級
7‧‧‧反饋線
8‧‧‧電源
9‧‧‧類比至數位轉換器
10‧‧‧第一相加點
11‧‧‧噪音整形電路
12‧‧‧迴路濾波器
13‧‧‧傳送路徑
14‧‧‧反饋路徑
15‧‧‧信號流
16‧‧‧噪音整形單元

Claims (19)

  1. 一種用於壓電揚聲器的音頻信號處理裝置(1)，用於產生一可聽波長譜的聲波，包括: 一信號輸入端(3)，用於輸入一數位音頻信號(Vin ); 一數位校正單元(4)，用以校正一揚聲器(2)的非線性; 一數位PWM發生器(5)，用以將所述數位校正單元(4)校正的信號轉換成一脈波寬度調制的切換信號; 一功率級(6)，可以受所述PWM產生器5所轉換的切換信號所控制，使得所述壓電揚聲器(2)的壓電致動器可以受一電壓(X)充電而使一振膜偏轉; 一控制迴路，利用所述控制迴路可將所述電壓回送作為一反饋信號(Y(z)，Ydig ); 其中所述反饋信號(Y(z)，Ydig )中具有由所述數位校正單元(4)、所述PWM生成器(5)、所述功率級(6)和/或所述壓電揚聲器(2)所造成的可聽頻率範圍內的第一信號噪音(Qz ); 其特徵在於： 所述音頻信號處理裝置(1)包括一內建和/或設置在所述控制迴路的噪音整形單元(16)，所述噪音整形單元(16)將所述數位校正單元(4)、所述PWM生成器(5)、所述功率級(6)和/或所述壓電揚聲器(2)造成的所述第一信號噪音(Qz )中的噪音能量移位在所述可聽頻率範圍之外。
  2. 依據前述申請專利範圍的一項或多項的用於壓電揚聲器的音頻信號處理裝置，其特徵在於: 所述第一信號噪音(Qz )中的噪音能量係通過所述噪音整形單元(16)移位至一高頻範圍和/或移位至所述音頻信號處理裝置(1)的系統取樣頻率範圍，特別是1MHz。
  3. 依據前述申請專利範圍的一項或多項的用於壓電揚聲器的音頻信號處理裝置，其特徵在於:所述音頻信號處理裝置(1)被設計為具有一傳送路徑(13)和至少一反饋路徑(14)的一控制電路和/或控制迴路。
  4. 依據前述申請專利範圍的一項或多項的用於壓電揚聲器的音頻信號處理裝置，其特徵在於:在校正單元(4)的信號流動方向上的噪音整形單元(16)在上游。所述噪音整形單元(16)在一信號流方向係位在所述數位校正單元(4)的上游。
  5. 依據前述申請專利範圍的一項或多項的用於壓電揚聲器的音頻信號處理裝置，其特徵在於:所述噪音整形單元(16)具有一將所述第一信號噪音(Qz )的噪音能量移位的噪音整形電路(11)和/或一用於抑制迴路振動的迴路濾波器(12)。
  6. 依據前述申請專利範圍的一項或多項的用於壓電揚聲器的音頻信號處理裝置，其特徵在於:所述音頻信號處理裝置(1)包括一類比至數位轉換器(9)，通過所述類比至數位轉換器將所述反饋信號(Y)予以數位化，其中經數位化後的所述數位反饋信號(Ydig )中具有由所述類比至數位轉換器(9)所造成的第二信號噪音(ed )。
  7. 依據前述申請專利範圍的一項或多項的用於壓電揚聲器的音頻信號處理裝置，其特徵在於: 所述噪音整形電路(11)係被設計成僅處理所述第一信號噪音(Qz )。
  8. 依據前述申請專利範圍的一項或多項的用於壓電揚聲器的音頻信號處理裝置，其特徵在於: 所述噪音整形單元(16)包括一信號傳輸函數(STFd )，借助於所述數位音頻信號(Vin )和所述數位反饋信號(Ydig )之間的一控制誤差(d)，可以決定驅動所述揚聲器(2)的一操作變量(X)，特別是電壓。
  9. 依據前述申請專利範圍的一項或多項的用於壓電揚聲器的音頻信號處理裝置，其特徵在於:所述信號傳輸函數(STFd )被設計成可以將所述控制誤差(d)延遲一個週期。
  10. 依據前述申請專利範圍的一項或多項的用於壓電揚聲器的音頻信號處理裝置，其特徵在於: 所述信號傳輸函數(STFd )由以下第一公式定義:
    Figure 03_image001
    其中所述H(z)是系統函數，所述I(z)是揚聲器函數，K(z)是所述I(z)的倒數，d是控制誤差，X是所述揚聲器(2)的操作變量。
  11. 依據前述申請專利範圍的一項或多項的用於壓電揚聲器的音頻信號處理裝置，其特徵在於:所述噪音整形單元(16)包括一噪音整形傳輸函數(NTFd )，所述噪音整形傳輸函數可將所述第一信號噪音(Qz )的所述噪音能量予以移位。
  12. 依據前述申請專利範圍的一項或多項的用於壓電揚聲器的音頻信號處理裝置，其特徵在於:所述噪音整形傳輸函數(NTFd )係被設計成用以將低頻予以衰減。
  13. 依據前述申請專利範圍的一項或多項的用於壓電揚聲器的音頻信號處理裝置，其特徵在於: 所述噪音整形傳輸函數(NTFd )由以下第二公式定義:
    Figure 03_image007
    其中所述H(z)是系統函數，所述I(z)是揚聲器函數，K(z)是所述I(z)的倒數，d是控制誤差，X是所述揚聲器(2)的操作變量。
  14. 依據前述申請專利範圍的一項或多項的用於壓電揚聲器的音頻信號處理裝置，其特徵在於: 所述操作變量傳輸函數(X(z))由以下第三公式定義:
    Figure 03_image012
    。
  15. 依據前述申請專利範圍的一項或多項的用於壓電揚聲器的音頻信號處理裝置，其特徵在於: 所述控制變量傳輸函數(Y(z))由以下第四公式定義:
    Figure 03_image014
    。
  16. 依據前述申請專利範圍的一項或多項的用於壓電揚聲器的音頻信號處理裝置，其特徵在於: 所述噪音整形單元(16)被設計成可以決定是零、極點和/或至少一個傳輸函數的階數，以增加信號雜訊比和/或減少諧波失真。
  17. 依據前述申請專利範圍的一項或多項的用於壓電揚聲器的音頻信號處理裝置，其特徵在於:所述音頻信號處理裝置(1)包括一計算/控制單元，特別是微控制器，以執行所述信號傳輸函數(STFd )、所述噪音整形傳輸函數(NTFd )、所述操作變量傳輸函數(X(z))和/或所述控制變量傳輸函數(Y(z))。
  18. 依據前述申請專利範圍的一項或多項的用於壓電揚聲器的音頻信號處理裝置，其特徵在於:在所述校正單元(4)中儲存一標準化壓電揚聲器(2)的測量數據，所述測量數據係反映非線性狀況，所述校正單元(4)在計入考慮所述測量數據後，可校正所述揚聲器(2)的一部分非線性。
  19. 一種用於壓電揚聲器的音頻信號處理方法，用以產生可聽波長頻譜的聲波，特別是用於前述一個或多個申請專利範圍中所述的壓電揚聲器(2)的音頻信號處理裝置(1)，所述方法包括: 將一數位音頻信號(Vin )送入一信號輸入端(3); 以一數位校正單元(4)校正所述壓電揚聲器(2)的非線性; 將所述數位校正單元(4)所校正的信號以一數位PWM發生器(5)轉換成一脈波寬度調制的切換信號; 以所述數位PWM發生器(5)所轉換出的所述切換信號驅動一功率級(6)，使所述壓電揚聲器(2)的一壓電致動器受一電壓(X)充電而使一振膜偏轉; 將所述電壓通過一控制迴路反饋作為一反饋信號(Ydig ); 其中所述反饋信號(Ydig )中具有由所述數位校正單元(4)、所述PWM生成器(5)、所述功率級(6)和/或所述壓電揚聲器(2)所造成的可聽頻率範圍內的第一信號噪音(Qz ); 其特徵在於： 所述數位校正單元(4)、所述PWM生成器(5)、所述功率級(6)和/或所述壓電揚聲器(2)造成的所述第一信號噪音(Qz )的噪音能量通過一噪音整形單元(16)移位在所述可聽頻率範圍之外。
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