TW202325045A - 信號發射系統、信號處理系統及其方法 - Google Patents

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Abstract

一種信號發射系統、信號處理系統及其方法。頻率相關的動態範圍控制方法使用於在高頻區域具有較低阻抗的信號發射系統中，藉此動態估計電流頻譜和調節參數以降低高頻區域中的電流。此方法有利地避免了電流過載而不需使用串聯電阻器作為電流限制器。

Description

信號發射系統、信號處理系統及其方法
本發明涉及信號處理裝置、系統和方法。更具體地，本發明的實施例在信號發射系統中使用頻率相關的動態範圍控制技術，以避免電流過載。在一些實施例中，該技術應用於壓電揚聲器(piezo speaker)系統。
壓電揚聲器的特徵在於高頻區域中的阻抗較小，代表電容性負載。因此，較高頻率的信號會導致電流過載。習知的動態範圍控制方法通常使用串聯電阻作為限流器，但是會導致所有頻率的信號衰減。
因此，需要解決上述一些問題的改進方法和系統。
在本發明的實施例中，頻率相關的動態範圍控制方法被用在信號發射系統，其高頻區域中有較低阻抗。本發明實施一種有效的技術來動態估計電流頻譜和調節參數以降低高頻區域中的電流。本發明的方法有利地避免了電流過載，且不需使用串聯電阻器作為電流限制器。
本發明的實施例提供了一種信號發射系統，其包含信號發射器、放大器和處理器。信號發射器具有隨信號頻率增加的導納，該信號發射器用以基於放大信號發射輸出信號。放大器耦接到該信號發射器，該放大器用以接收動態調節的來源信號，並基於該動態調節的來源信號產生該放大信號，以及將該放大信號傳輸至該信號發射器。
處理器耦接到該放大器並用以接收來源信號並產生該動態調節的來源信號給該放大器，該處理器包含頻率轉換模組、頻譜-電壓轉移函數模組、導納特性模組、參數提取模組、動態調節濾波器模組、逆轉換模組以及後處理模組。頻率轉換模組用以將該來源信號轉換為頻域表示，其中該頻域表示包含多個頻率區間。頻譜-電壓轉移函數模組用以將該頻域表示轉換為電壓表示。導納特性模組用以將該電壓表示轉換為電流頻譜。參數提取模組用以確定擊穿頻率區間索引和滾降因子，其中該擊穿頻率區間索引是累積電流不超過電流限制的最高頻率區間索引，並且使用該滾降因子以指數方式衰減該頻域表示，其中該滾降因子是動態確定的數值，範圍從0到1，迭代確定使得總電流低於該電流限制。動態調節濾波器模組用以為該多個頻率區間構建調節增益向量，其中該調節增益向量包含具有單位增益的平帶部分以及具有衰減增益的滾降部分，其中基於該擊穿頻率區間索引，該平帶部分的該頻率區間的區間索引低於平帶區間索引，該滾降部分的該頻率區間的區間索引高於該平帶區間索引，以及將該調節增益向量應用於該頻域表示，以產生經調節的頻域表示。逆轉換模組用以將該經調節的頻域表示逆轉換為中間時域信號。後處理模組用以對該中間時域信號進行梯度控制，以限制該中間時域信號的連續樣本之間的差異，以產生該動態調節的來源信號，並將該動態調節的來源信號發送到該放大器。
在上述信號發射系統的一些實施例中，該參數提取模組被配置為使用二分搜索來迭代地確定該滾降因子，並且其中該滾降部分中的第一區間的該增益會通過該滾降因子而減小，並且該滾降部分中剩餘區間的增益通過該滾降因子的指數減小。
在一些實施例中，該信號發射器為壓電揚聲器，該輸出信號為音訊信號。
在一些實施例中，該頻域表示包含快速傅里葉轉換(FFT)、離散傅里葉轉換(DFT)、修正型離散餘弦轉換(MDCT)、修正型離散正弦轉換(MDST)、常數Q轉換(CQT)、和使用根據等效矩形帶寬(ERB)或巴克尺度的濾波器通道分佈的變數Q轉換(VQT)。
在一些實施例中，電流頻譜根據膨脹因子修改，該膨脹因子大於1。
在一些實施例中，後處理模組基於該來源信號以及該中間時域信號的特性確定梯度控制的差閾值，該來源信號以及該中間時域信號的特性包含波峰因數、平均值、標準偏差、均方根、最大幅度、平均幅度、波峰因數、頻譜質心、以及頻譜擴展中的至少一個。
本發明的一些實施例提供了一種信號處理方法，包含以下步驟:提供來源信號的頻域表示，其中該頻域表示包含多個頻率區間；動態確定擊穿頻率區間索引和滾降因子，其中該擊穿頻率區間索引是累積電流低於電流限制的最高頻率區間索引，該滾降因子定義該頻域表示的指數衰減，其中該滾降因子是一個從0到1的數值，且迭代確定使得總電流低於該電流限制；為多個頻率區間構建調節增益向量，其中該調節增益向量包含具有單位增益的平帶部分和具有衰減增益的滾降部分，其中基於該擊穿頻率區間索引，該平帶部分的該頻率區間的區間索引低於平帶區間索引，該滾降部分的該頻率區間的區間索引高於該平帶區間索引；將該調節增益向量應用於該頻域表示以產生經調節的頻域表示，使得總電流低於該電流限制。
在一些實施例中，上述信號處理方法還包含: 在時域中接收該來源信號；將該來源信號轉換為該頻域表示；將該頻域表示轉換為電壓表示；將該電壓表示轉換為電流頻譜；使用該電流頻譜估計電流；將該經調節的頻域表示逆轉換為中間時域信號；對該中間時域信號進行梯度控制，以限制該中間時域信號的連續樣本之間的差異，從而產生動態調節的來源信號；將該動態調節的來源信號發送到放大器。
第1圖繪示根據本發明的各種實施例的信號發射系統100的示意圖。如第1圖所示，信號發射系統100包含信號發射器110、耦接到信號發射器110的放大器120、以及耦接到放大器120的處理器130。信號發射器110被配置為基於放大信號122發射輸出信號112(圖中亦標示為SOUT)。放大器120被配置為接收動態調節的來源信號132，以基於動態調節的源信號132產生放大信號122，並將放大信號122傳送到信號發射器110。處理器130耦接到放大器120。處理器130被配置為接收來源信號101(圖中亦標示為SIN)並處理來源信號101以產生動態調節的來源信號132並將動態調節的來源信號132發送到放大器120。
在各種實施例中，信號發射器110可以是發射信號的任何系統，例如，在一些實施例中，信號發射器110是音頻揚聲器、耳機或音訊信號發射器等。在一些實施例中，信號發射器110是發射電磁信號的天線。例如，信號發射器110可以是無線電信號發射器或光信號發射器等。
在各種實施例中，放大器120是電子放大器電路，其放大信號或增加信號的功率，其中信號通常是隨時間變化的電壓或電流。放大器120的示例包含音頻放大器、射頻(RF)放大器、運算放大器或開關模式(switched-mode)放大器。放大器120可用CMOS電晶體或雙載子(bipolar)電晶體電路來實現。放大器120的輸出格式適合信號發射器110。例如，信號發射器110可包含信號轉換器或轉換器，其將來源信號轉換為可由信號發射器110處理的類比或數位電子信號。例如，信號發射器110可以包含類比數位轉換器(Analog-to-Digital Convertor, ADC)和數位類比轉換器(Digital-to-Analog Convertor, DAC)等。
根據實施例，處理器130可以是任何信號處理裝置。例如，處理器130可以包含類比濾波器電路、通用數位計算機或數位信號處理器(DSP)等。對於給定的處理器130，來源信號132的形式適合處理器。例如，信號發射器110可包含信號轉換器或轉換器，其將來源信號轉換為可由處理器130處理的類比或數位電子信號。例如，信號發射器110可包含類比數位轉換器和數位類比轉換器。下面以音頻系統200為例來描述信號發射器110的進一步細節。
第2圖繪示根據本發明的各種實施例的音頻系統200的簡化方塊圖。如第2圖所示，音頻系統200被配置為接收音頻輸入信號Vin201並向揚聲器210提供音頻輸出信號Vout209。音頻系統200包含類比數位轉換器202、數位信號處理器204、數位類比轉換器206和音頻放大器208。來自類比數位轉換器202的輸出信號是饋入數位信號處理器204的數位信號203，數位信號處理器204產生處理後的輸出信號205給數位類比轉換器206。來自數位類比轉換器206的輸出信號是類比信號207(圖中亦標示為Va)，其饋入音頻放大器208；音頻放大器208將音頻輸出信號209(圖中亦標示為Vout)提供給揚聲器210。這些組件的功能在此不再詳述。
在音頻系統200中，數位信號處理器204是第1圖的信號發射系統100中的處理器130的示例。音頻放大器208是第1圖的信號發射系統100中的放大器120的示例，揚聲器210是第1圖的信號發射系統100中的信號發射器110的示例。輸入至數位信號處理器204的數位信號203對應於第1圖的信號發射系統100中的來源信號101。來自數位信號處理器204的輸出信號205是數位信號，也稱為z[n]，其中n是整數。
在一些實施例中，音頻系統200是壓電揚聲器系統，其中揚聲器210是壓電揚聲器。第3圖繪示代表性壓電揚聲器的阻抗與頻率曲線圖，其特徵在於隨著信號頻率的增加而阻抗會降低。在第3圖中，曲線310是對數-對數曲線，曲線320是線性-對數曲線，曲線330是線性-線性曲線。在所有三幅圖中，圓圈代表測量特性，虛線是內插/外插曲線，虛線顯示電容為440nf的電容器的理論阻抗與頻率曲線。所有三幅圖都繪示壓電揚聲器的阻抗隨著頻率的增加而降低，代表電容負載裝置。
第4圖繪示示例放大器的轉移函數圖。可以看出，揚聲器系統不具有平坦的轉移函數，增益在較高頻率處下降。第4圖可以是D類放大器的代表性轉移函數。
已知壓電揚聲器由於高頻區域中的低阻抗而遭受高電流過載。規格中通常會列出最大電流限制，當電流超過最大電流限制時，可能會發生擊穿(breakdown)。
此外，揚聲器系統可能由於諧波失真而具有非線性特性，如第5A圖和第5B圖所示，第5A圖繪示壓電揚聲器的電流頻譜圖，橫軸是幀索引(frame index)，縱軸是頻率，第5A圖顯示了隨著性掃描音(linear sweeping tone)的諧波和諧波混疊(harmonics aliasing)。第5B圖繪示壓電揚聲器的諧波幅度分佈。在第5B圖中，橫軸是諧波索引，縱軸是幅度；上述缺陷妨礙了可靠的電流估計，並使其難以實現動態範圍控制。
一種限制壓電揚聲器系統的電流的習知方式揚聲器系統是將壓電揚聲器與串聯電阻(a series resistor)級聯(cascade)。然而，即使內容不會觸發電流過載，這種方法也會不利地降低高頻區域的增益，從而導致高頻內容的永久衰減。因此，僅在需要將電流保持在電流限制以下並保持平滑感知(smooth perception)時才需要修改信號內容。
第6圖繪示根據本發明一些實施例的處理器600的簡化方塊圖。過程600是可以用作第1圖的信號發射系統100中的處理器130或是第2圖的音頻系統200中的數位信號處理器204的處理器的示例。在第1圖之信號發射系統100以及第2圖的音頻系統200中，負載裝置的特點是阻抗隨頻率的增加而降低，代表電容負載裝置。換句話說，負載裝置的特點是導納隨著信號頻率的增加而增加。這種負載裝置的示例包含壓電揚聲器。
在第6圖的實施例中，處理器600包含頻率轉換模組610、轉移函數模組620、導納特性模組630、參數提取模組640、動態調節濾波器模組650、逆轉換模組660以及後處理模組670。在一些實施例中，處理器600被配置為接收來源信號x[n]，處理來源信號x[n]，並產生動態調節的來源信號z[n]，其中n是整數。
在一些實施例中，處理器(例如，第1圖中的處理器130和第6圖中的處理器600)耦接到放大器(例如，第1圖中的放大器120或第2圖中的音頻放大器208)，並且被配置為接收來源信號x[n]並產生動態調節的來源信號z[n]到放大器120。在一些實施例中，處理器包含頻率轉換模組610，其被配置為將來源信號x[n]轉換為可重構的頻域表示(frequency domain representation)X[k]，其中頻域表示包含多個頻率區間。轉移函數模組620將頻域表示X[k]轉換為電壓表示V[k]，導納特性模組630將電壓表示V[k]轉換為電流頻譜I[k]。例如，帶寬為24K的音訊信號可以分為512個區間(bin)。
在一些實施例中，可重構頻域表示可選自快速傅里葉轉換(FFT)、離散傅里葉轉換(DFT)、修正型離散餘弦轉換(MDCT)、修正型離散正弦轉換(MDST)、常數Q轉換(CQT)、或是根據等效矩形帶寬(ERB)或巴克尺度使用濾波器通道分佈的變數Q轉換(VQT)。
處理器600還包含參數提取模塊640，其被配置為確定擊穿頻率區間(breakdown frequency bin)索引kb和滾降(roll-off)因子r，其中擊穿頻率區間索引kb是累積電流不超過預設電流限制的最高頻率區間索引，滾降因子r用於以指數衰減(rn)頻域表示，其中滾降因子是動態確定的數值，範圍從0到1，迭代確定，使得整體電流是預設電流限制。例如，在實施例中，選擇滾降因子r使得總電流等於或小於電流限制的95%並且大於90%。
處理器600還包含動態調節濾波器模組650，其被配置為構造用於多個頻率區間的調節增益向量Q[k]，其中調節增益向量包含具有單位增益的平帶(flat-band)部分以及具有衰減增益的滾降部分。平帶部分和滾降部分的例子示於第7A圖和第7B圖。
第7A圖是根據本發明的各種實施例的以對數-線性標度的增益對頻率的轉移函數。如第7A圖所示，基於擊穿頻率區間索引，平帶部分702-1包含具有低於平帶區間索引(f1、f2或f3)的區間索引的頻率區間，並且滾降部分702-2包區間索引高於上述平帶區間索引的頻率區間。動態調節濾波器模組650配置為將調節增益向量Q[k]應用於頻域表示以產生經調節的頻域表示Y[k]。第7B圖顯示以線性-線性標度(720)和對數分貝標度(730)增益對頻率的轉移函數圖。
處理器600還包含逆轉換模組660，其被配置為進行逆轉換(F-1)將調節的頻域表示Y[k]轉換為中間時域信號y[n]。在一些實施例中，處理器600還包含後處理模組670，其將梯度控制應用於中間時域信號y[n]以限制中間時域信號y[n]的連續樣本之間的差異，藉此產生動態調節的來源信號z[n]，並將動態調節的來源信號發送到放大器(例如，第1圖中的放大器120或第2圖中的音頻放大器208)。下面描述處理器600的進一步細節。
在一些實施例中，數位採樣信號s[n;m](例如，在48kHz)的通道是基於幀的(例如，512個樣本，即1.6667ms)，其中m是幀的索引。一個窗口函數w[n](例如，Hanning窗，1024個點)用於調變幀信號及其記憶(例如，前一幀)，以產生窗口信號x[n;m]。
Figure 02_image001
(1)
為簡單起見，第6圖繪示單個信號幀以進行說明，並且省略了幀索引“m”。例如，在第6圖中，信號x[n;m]顯示為x[n]。類似地，信號X[k;m]、V[k;m]、I[k;m]、Y[k;m]、y[n;m]以及z[n;m]顯示為X[k]、V[k]、I[k]、Y[k]、y[m]以及z[n]。
在頻率轉換模組610中，窗口信號x[n;m]通過諸如傅立葉轉換(例如FFT)。轉換成頻率表現X[k;m] (k=1 … 1024)。
Figure 02_image003
頻域表示可以通過第一個K/2+1值，即某些上下文中的區間(bin)來表徵。在一些實施例中，針對第一個K/2+1個值執行該轉換操作。
轉移函數模組620透過頻譜-電壓轉移函數H[k]將頻域表示轉換為電壓頻譜V[k;m]。
Figure 02_image005
頻譜-電壓轉移函數H[k]的一個例子在第4圖中示出。頻譜-電壓轉移函數H[k]定義了頻域表示和電壓頻譜之間的映射。
在導納特性模組630中，導納函數G[k](例如，第2圖)將電壓頻譜轉換為電流頻譜I[k;m]。
Figure 02_image007
導納函數G[k]的一個例子示於第3圖。導納函數G[k](第3圖中的圖330)可以直接從阻抗函數(例如，第3圖中的圖310或圖320)導出。
參數提取模組640用以確定通道的總電流，即判斷任一通道的總電流是否超過預定電流限制Ilmt。例如，預定電流限制可以是在信號發射器(例如壓電揚聲器)的規格中列出的最大電流限制。如果任何通道的總電流超過預定電流限制Ilmt，則確定動態調節濾波器函數Q[k;m]的兩個參數。在一些實施例中，滾降因子是一指數函數，用以減少高頻信號以避免擊穿。下面參考第7A圖和第7B圖更詳細地描述動態調節濾波器函數Q[k;m]。
在動態調節濾波器模組650中，動態調節濾波器函數Q[k;m]應用在頻域表示的動態衰減部分，從而使總電流保持控制。應用動態調節濾波器函數Q[k;m]用以修改頻域表示以產生衰減頻域表示Y[k;m]，使得總電流低於預定電流限制Ilmt。
Figure 02_image009
請參考第6圖，在逆轉換模組660中，衰減的頻域表示Y[k;m]通過傅里葉逆轉換(例如，IFFT)被轉換回中間時域信號y[n;m]。
Figure 02_image011
接下來，在後處理模組670中，動態調節的來源信號z[n;m]可以通過重疊和相加方法以及梯度控制從中間時域信號合成。
當電流頻譜可以有利地通過膨脹因子(＞1)來縮放。第5A圖顯示從50Hz到24kHz的線性掃描音調的輸出電流的頻譜圖。淺色虛線510突出了掃描音調的基頻。系統的非線性產生諧波520。截取諧波的跡線是超過測量裝置的奈奎斯特(Nyquist)頻率(即，採樣率的一半)的諧波的混疊圖像530。所有的諧波和混疊能量都被考慮在總電流中。根據觀察，不同基頻的諧波表現出相似的行為。第5B圖顯示了相對諧波幅度的分佈(即，基頻幅度正規化)。可以看到奇次諧波(odd harmonic)(以奇次諧波指數為特徵)突出。偶次諧波(以偶次諧波指數為特徵)更可能是超過奈奎斯特頻率的奇次諧波的混疊圖像。膨脹因子可以根據收集的諧波幅度中最大諧波幅度的均方根來確定。
在動態調節濾波器模組650中，濾波器函數Q[k;m]動態地衰減頻域表示的一部分，以使總電流保持控制。當估計電流超過電流限制時，單邊帶(K/2+1個區間)被分成兩個頻段：一個由前第一個K0區間組成的平帶(flat band)和一個由剩餘K1區間組成的衰減帶(即K/2+1–K0)。平帶區間的數值都是1，滾降帶區間的數值小於1，最好隨著頻率的升高單向遞減。第一個剩餘區間的值可以由滾降因子r定義，第二個剩餘區間的值可以是r 2，而第i個剩餘區間的值可以是r i。
Figure 02_image013
在參數提取模組640中，確定擊穿頻率區間索引kb和滾降因子r。由於總電流是以均方根(root mean square, rms)方式計算的，因此使用平方和(sum-square)可以更方便地檢查累積電流是否超過電流限制。
Figure 02_image015
為了正確定義數值K0，從第一個區間計算累積平方電流S[k]。
Figure 02_image017
其中I[i]是第一個區間中第i個分量的電流。
基於累積電流第一次剛剛超過電流限制的位置來確定擊穿頻率區間索引kb。換句話說，擊穿頻率區間索引是累積電流不超過電流限制的最高頻率區間索引。
Figure 02_image019
將平帶因子b(例如0.8)應用於擊穿頻率區間索引kb以獲得平帶區間的數量。
Figure 02_image021
然後選擇滾降因子r來控制電流。
Figure 02_image023
Figure 02_image025
Figure 02_image027
Figure 02_image029
Figure 02_image031
其中S lmt 表示電流限制，S thrt 表示滾降部分的閾值電流限制。
令s=r 2且0＜s＜1，以將問題簡化為數學上更易於處理的多項式。
Figure 02_image033
給定
Figure 02_image035
作為已知係數，可以通過MAC (Multiply/Accumulate，乘法/累加)操作有效地評估左側項。在0到1的範圍內進行二分搜索或梯度搜索，以縮小s的範圍。接下來，滾降因子r可以如下確定。
Figure 02_image037
如上所述，設置兩個參數K0和r足以將電流保持在限制之下。在一些實施例中，一旦觸發條件消失就調整參數以減輕感知中斷是相當合乎需要的。對每個參數有利地應用適應(或遺忘)因子α和β。
Figure 02_image039
Figure 02_image041
其中m是幀索引。
第7A圖描繪了根據本發明的一些實施例的用於特定測試向量的動態確定的轉移函數(Q[k])。在第7A圖中，橫軸是線性標度的以kHz為單位的頻率，縱軸是對數標度的增益。第7A圖示出了測試向量的每一幀的轉移函數。例如，轉移函數701-m1、701-m2和701-m3繪示了用於具有多個音頻信號幀的信號的幀索引號m1、m2和m3的轉移函數。每一幀信號的轉移函數是動態確定的，幀索引值m1、m2和m3不一定代表幀的順序。
每個轉移函數(701)由兩部分組成：由恆定增益表示的第一部分702-1和由滾降增益函數表示的第二部分702-2。在一些實施例中，第一部分702-1是單位增益的平帶部分，而第二部分702-2是衰減增益的滾降部分。在第7A圖的對數-線性圖中，第一部分702-1和第二部分702-2均顯示為直線，第一部分702-1是平的，而第二部分702-2向下傾斜。取決於每幀的頻譜，每幀的斜率和過渡頻率(transition frequency)K0可以不同。例如，針對幀索引值m1、m2和m3分別顯示了過渡頻率f1、f2和f3。
如第7A圖所示，所有轉移函數的下限值顯示為粗黑線705，其代表所有幀的每個頻率區間的最小增益。在不動態確定平帶的寬度(由過渡頻率確定)和滾降帶的斜率的情況下，可以應用具有由705表示的轉移函數的固定濾波器來避免電流擊穿。另一方面，針對每一幀確定動態調節濾波器。此動態方法有利地以允許的增益保持高頻內容，同時保持電流受到控制。
在後處理模組670中，添加梯度控制以檢查/調節樣本之間的差異(delta)以防止短期電流浪湧(surge)。對於每個樣本，首先計算連續樣本之間的差異d[n]，如果差值大於閾值dthr，則差值將限制在閾值內；換句話說，下一個樣本z[n]被設置為前一個樣本y[n-1]加上或減去閾值dthr。另一方面，如果差值不大於閾值dthr，則將下一個樣本y[n]作為最終的條件樣本。
Figure 02_image043
Figure 02_image045
在一些實施例中，閾值dthr可以是系統的常數。但是，它可能會不利地施加過多的限制，從而導致不必要的失真。在一些實施例中，閾值可以基於來源信號和/或經調節的來源信號的特性來確定，包含均值、標準偏差、均方根、最大幅度、平均幅度、波峰因數、頻譜質心(spectral centroid)和頻譜擴展等。
第8圖繪示圖示根據本發明的各個實施例的用於信號處理的方法的簡化流程圖。在第8圖中，方法800包含以下步驟。
在步驟810，接收來源信號。
在步驟820，將來源信號轉換為可重構頻域表示，其中頻域表示包含多個頻率區間。
在步驟830，將頻域表示轉換為電壓表示。
在步驟840，將電壓表示轉換為電流頻譜。
在步驟850，確定擊穿頻率區間索引和滾降因子，其中擊穿頻率區間索引是累積電流不超過電流限制的最高頻率區間索引，並且滾降因子用於指數衰減該頻域表示，其中滾降因子是動態確定的數值，其範圍從0到1，迭代確定使得總電流在電流限制之下。
在步驟860，為多個頻率區間構建調節增益向量，其中調節增益向量包含單位增益的平帶部分和衰減增益的滾降部分，其中基於擊穿頻率區間索引，平帶部分的頻率區間的區間索引低於平帶區間索引，而滾降部分的頻率區間的區間索引高於平帶區間索引。
在步驟870，將調節增益向量應用於頻域表示以產生經調節的頻域表示。
在步驟880，將經調節的頻域表示逆轉換成中間時域信號。
在步驟890，對中間時域信號應用梯度控制以限制中間時域信號的連續樣本之間的差異，從而產生動態調節的來源信號。
在一些實施例中，方法800還包含將動態調節的來源信號發送到放大器。
在一些實施例中，該方法還包含使用二分搜索(binary search)來迭代地確定滾降因子，其中滾降部分中的第一個區間的增益被滾降因子減小，並且滾降部分中剩餘的區間通過滾降因子的指數(exponents)來減少。
在一些實施例中，該方法係為信號發射器產生動態調節的來源信號，該信號發射器的特徵在於導納隨信號頻率增加。
在一些實施例中，該方法係為壓電揚聲器產生動態調節的來源信號以產生音訊輸出。
在一些實施例中，其中可重構頻域表示選自快速傅里葉轉換(FFT)、離散傅里葉轉換(DFT)、修正型離散餘弦轉換(MDCT)、修正型離散正弦轉換(MDST)、常數Q轉換(CQT)、或是使用根據等效矩形帶寬(ERB)或巴克尺度的濾波器通道分佈的變數Q轉換(VQT)。
在一些實施例中，該方法還包含通過大於1的膨脹因子來修改電流頻譜。
在一些實施例中，該方法還包含基於來源信號和中間時域信號的特徵確定梯度控制的差異閾值，包含波峰因數、以及平均值與標準偏差中的至少一個；均方根；最大幅度；平均幅度；波峰因數；頻譜質心；以及頻譜擴展。
在一些實施例中，上面總結的方法800由在上面參照第1圖至第7B圖描述的信號發射系統100和200中的信號處理系統600執行。
本發明的方法和過程可以部分或完全由存儲在計算機可讀存儲介質或裝置中的代碼和/或數據來實現，使得當計算機系統讀取並執行代碼和/或數據時，計算機系統執行相關的方法和過程。這些方法和流程也可以部分或全部在硬件模模組或裝置中實現，以便在硬體模組或硬體裝置被激活時執行相關的方法和流程。本文公開的方法和過程可以使用代碼、數據、硬體模組或硬體裝置的組合來實現。
根據一些實施例，本文描述的技術可由一個或多個專用計算裝置或通用計算機實現。專用計算裝置可以硬連線以執行這些技術，或者可以包含數位電子裝置，例如一個或多個特殊應用積體電路(ASIC)或現場可編程邏輯閘陣列(FPGA)，其可持久編程以執行技術，或者可以包含一個或多個通用硬體處理器，該處理器被編程為根據韌體、記憶體、其他存儲或組合中的程序指令執行這些技術。這種專用計算裝置還可以將定制的硬連線邏輯、類比或混合信號電路、ASIC或FPGA與定制編程相結合以完成這些技術。專用計算裝置可以是桌上型計算機系統、便攜式計算機系統、手持裝置、網絡裝置或結合硬連線和/或程序邏輯以實現這些技術的任何其他裝置。
第9圖繪示根據本發明的可用於實現各種實施例的裝置的簡化方塊圖。第9圖僅說明結合本發明的實施例，並不限制如本發明的權利要求的範圍。本領域普通技術人員將認識到其他變化、修改和替代。在一個實施例中，計算機系統900通常包含監視器910、計算機920、用戶輸出裝置930、用戶輸入裝置940、通信介面950。
第9圖繪示能夠體現本公開的計算機系統。例如，第1圖中的處理器130、第2圖中的數位信號處理器204、第6圖中的處理器600可以使用類似於第9圖中描繪的系統900的系統來實現。處理器的功能可以由第9圖中描繪的一個或多個處理器來執行。可以使用標準類比和混合信號技術來實現放大器120和音頻放大器208、ADC 202和DAC 206。包含揚聲器210的信號發射器110通常由各自的裝置供應商提供。
如第9圖所示，計算機920可以包含處理器960，其通過匯流排子系統990與多個周邊裝置通信。這些周邊裝置可以包含用戶輸出裝置930、用戶輸入裝置940、通信介面950和存儲子系統，例如隨機存取記憶體(RAM)970和磁碟驅動器980。
用戶輸入裝置940可以包含用於向計算機920輸入信息的所有可能類型的裝置和機構。這些可以包含鍵盤；鍵板；集成在顯示器中的觸摸屏；音頻輸入裝置，例如語音識別系統；麥克風；以及其他類型的輸入裝置。在各種實施例中，用戶輸入裝置940通常體現為計算機滑鼠、軌跡球、軌跡板、操縱桿、無線遙控器、繪圖板、語音命令系統、眼睛跟踪系統等。用戶輸入裝置940通常允許用戶通過諸如點擊按鈕等的命令來選擇出現在監視器910上的物件、圖標、文字等。
用戶輸出裝置930包含用於從計算機920輸出信息的所有可能類型的裝置和機構，例如顯示器(例如，監視器910)、非視覺顯示器(例如音頻輸出裝置等)。
通信介面950提供到其他通信網絡和裝置的介面。通信介面950可以用作用於從其他系統接收數據和向其他系統傳輸數據的介面。通信介面950的實施例通常包含乙太網卡、數據機(電話、衛星、電纜、ISDN)、(異步)數字用戶線(DSL)單元、火線介面、USB介面等。例如，通信介面950可以耦接到計算機網絡、火線(FireWire)匯流排等。在其他實施例中，通信介面950可以實體地集成在計算機920的主板上，並且可以是軟件程式，例如軟件DSL等。
在各種實施例中，計算機系統900還可以包含能夠通過網絡進行通信的軟件，例如超文本傳輸協議(HTTP)、傳輸控制協議和互聯網協議(TCP/IP)、即時串流協議和即時傳輸協議(RTSP/RTP)協議等。在本公開的另一實施例中，也可以使用其他通信軟件和傳輸協議，例如，網路封包交換(IPX)、用戶數據包協議(UDP)等。在一些實施例中，計算機920包含一個或多個來自英特爾的Xeon微處理器作為處理器960。此外，在一個實施例中，計算機920可包含基於UNIX的操作系統。處理器960還可以包含專用處理器，例如數位信號處理器(DSP)和/或精簡指令集計算機(RISC)。
RAM 970和磁碟驅動器980配置為存儲數據的有形存儲介質的示例，例如本發明的實施例，包含可執行計算機代碼、人可讀代碼等。其他類型的實體存儲介質包含軟性磁碟、可移動硬盤、光存儲介質(如CD-ROM、DVD和條碼)、半導體記憶體(如閃存)、唯讀記憶體(ROMS)、電池支持的揮發性記憶體、網絡存儲裝置等。RAM 970和磁碟驅動器980可配置為存儲提供本發明的功能的基本編程和數據結構。
提供本發明的功能的軟件代碼模組和指令可以存儲在RAM 970和磁碟驅動器980中。這些軟件模組可以由處理器960執行。RAM 970和磁碟驅動器980還可以提供存儲庫，用於存儲本發明使用的數據。
RAM 970和磁碟驅動器980可以包含多個記憶體，包含用於在程序執行期間存儲指令和數據的主隨機存取記憶體(RAM)以及固存非暫態指令的唯讀記憶體(ROM)。RAM 970和磁碟驅動器980可包含文件存儲子系統，其為程序和數據文件提供持久(非揮發性)存儲。RAM 970和磁碟驅動器980還可以包含可移動存儲系統，例如可移式快閃記憶體。
匯流排子系統990提供了一種機制，用於讓計算機920的各種組件和子系統按預期相互通信。儘管匯流排子系統990示意性地顯示為單個匯流排，匯流排子系統的替代實施例可以利用多個匯流排。
第9圖繪示能夠實現本發明的計算機系統。對於本領域的普通技術人員來說，很明顯許多其他硬件和軟件配置適用於本發明。例如，計算機可以是桌上式計算機、便攜式計算機、機架安裝計算機或平板計算機。此外，該計算機可以是一系列聯網計算機。此外，考慮使用其他微處理器，例如Pentium TM或Itanium TM微處理器、Opteron TM或來自Advanced Micro Devices, Inc.的AthlonXP TM微處理器等。此外，考慮其他類型的操作系統，例如Windows®、WindowsXP®、WindowsNT®或其他來自Microsoft Corporation的操作系統、來自Sun Microsystems的Solaris、LINUX、UNIX等。在其他實施例中，上述技術可以在晶片或輔助處理板上實現。
本發明的各種實施例可以以軟件、硬件或兩者的組合中的邏輯的形式來實現。該邏輯可以作為一組指令存儲在計算機可讀或機器可讀的非暫時性存儲介質中，該指令集適於指導計算機系統的處理器執行在本公開的實施例中公開的一組步驟。該邏輯可以形成計算機程序產品的一部分，該計算機程序產品適用於指導信息處理裝置執行公開的一組步驟。本公開的實施例。基於本文提供的公開和教導，本領域普通技術人員將理解實現本公開的其他方式和/或方法。
本文描述的數據結構和代碼可以部分或全部存儲在計算機可讀存儲介質和/或硬件模組和/或硬件裝置上。計算機可讀存儲介質包含但不限於揮發性記憶體、非揮發性記憶體、磁和光存儲裝置，例如磁碟驅動器、磁帶、CD(光碟片)、DVD(數位影音光碟或是數位視頻光碟)或其他現在已知或以後開發的能夠存儲代碼和/或數據的媒體。本文描述的硬件模組或裝置包含但不限於專用集成電路(ASIC)、現場可程式邏輯閘陣列(FPGA)、專用或共享處理器和/或現在已知或以後開發的其他硬件模組或裝置。
本文的方法和過程可以部分或完全體現為存儲在計算機可讀存儲介質或裝置中的代碼及/或數據，使得當計算機系統讀取和執行代碼和/或數據時，計算機系統執行相關的方法和過程。這些方法和流程也可以部分或全部實現在硬件模組或裝置中，以便在硬件模組或裝置被激活時，執行相關的方法和流程。本文公開的方法和過程可以使用代碼、數據和硬件模組或裝置的組合來體現。
100、200:信號發射系統 101、132、 SIN、 x[n]、 z[n]:來源信號 110:信號發射器 112、205:輸出信號 120:放大器 122:放大信號 130、600、 960:處理器 200:音頻系統 201、Vin:輸入信號 202:ADC 203:數位信號 204:數位信號處理器 206:DAC 208:音頻放大器 209、Vout:音頻輸出信號 210:揚聲器 310、 320、 330:曲線 520:諧波 610:頻率轉換模組 620:轉移函數模組 630:導納特性模組 640:參數提取模組 650:動態調節濾波器模組 660:逆轉換模組 670:後處理模組 701-m1、701-m2、701-m3:轉移函數 702-1:平帶部分 702-1:第一部分 702-2:第二部分 702-2:滾降部分 810~890:步驟 900:計算機系統 910:監視器 920:計算機 930:用戶輸出裝置 940:用戶輸入裝置 950:通信介面 970:RAM 980:磁碟驅動器 990:匯流排子系統 G[k]:導納函數 H[k]:頻譜-電壓轉移函數 I[k]:電流頻譜 Q[k]:調節增益向量 V[k]:電壓表示 X[k]、 Y[k]:頻域表示 y[n]:中間時域信號
第1圖繪示本發明的各個實施例的信號發射系統100的示意圖。
第2圖繪示本發明的各個實施例的音頻系統200的示意方塊圖。
第3圖繪示代表性壓電揚聲器的阻抗與頻率曲線圖，其特徵在於隨著信號頻率的增加而阻抗降低。
第4圖繪示示例放大器的轉移函數圖。
第5A圖繪示壓電揚聲器的電流頻譜圖。
第5B圖繪示壓電揚聲器的諧波幅度分佈。
第6圖繪示本發明一些實施例的處理器600的示意方塊圖。
第7A圖是根據本發明的各種實施例的以對數線性標度的增益對頻率的轉移函數圖。
第7B圖繪示根據本發明的各種實施例的以線性-線性標度和對數分貝標度的增益對頻率的轉移函數圖。
第8圖繪示根據本發明的各個實施例的用於信號處理方法的簡化流程圖。
第9圖繪示根據本發明的可用於實現各種實施例的裝置的簡化方塊圖。
610:頻率轉換模組
620:轉移函數模組
630:導納特性模組
640:參數提取模組
650:動態調節濾波器模組
660:逆轉換模組
670:後處理模組

Claims (20)

  1. 一種信號發射系統，包含： 信號發射器，具有隨信號頻率增加的導納，該信號發射器用以基於放大信號發射輸出信號； 放大器，耦接到該信號發射器，該放大器用以： 接收動態調節的來源信號； 基於該動態調節的來源信號產生該放大信號；以及 將該放大信號傳輸至該信號發射器；以及 處理器，耦接到該放大器並用以接收來源信號並產生該動態調節的來源信號給該放大器，該處理器包含： 頻率轉換模組，用以將該來源信號轉換為頻域表示，其中該頻域表示包含多個頻率區間； 頻譜-電壓轉移函數模組，用以將該頻域表示轉換為電壓表示； 導納特性模組，用以將該電壓表示轉換為電流頻譜； 參數提取模組，用以確定擊穿頻率區間索引和滾降因子，其中該擊穿頻率區間索引是累積電流不超過電流限制的最高頻率區間索引，並且使用該滾降因子以指數方式衰減該頻域表示，其中該滾降因子是動態確定的數值，範圍從0到1，迭代確定使得總電流低於該電流限制； 動態調節濾波器模組，用以： 為該多個頻率區間構建調節增益向量，其中該調節增益向量包含具有單位增益的平帶部分以及具有衰減增益的滾降部分，其中基於該擊穿頻率區間索引，該平帶部分的該頻率區間的區間索引低於平帶區間索引，該滾降部分的該頻率區間的區間索引高於該平帶區間索引；以及 將該調節增益向量應用於該頻域表示，以產生經調節的頻域表示； 逆轉換模組，用以將該經調節的頻域表示逆轉換為中間時域信號；以及 後處理模組，用以對該中間時域信號進行梯度控制，以限制該中間時域信號的連續樣本之間的差異，以產生該動態調節的來源信號，並將該動態調節的來源信號發送到該放大器。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的信號發射系統，其中，該參數提取模組被配置為使用二分搜索來迭代地確定該滾降因子，並且其中該滾降部分中的第一區間的該增益會通過該滾降因子而減小，並且該滾降部分中剩餘區間的增益通過該滾降因子的指數減小。
  3. 如申請專利範圍第1項所述的信號發射系統，其中該信號發射器為壓電揚聲器，該輸出信號為音訊信號。
  4. 如申請專利範圍第1項所述的信號發射系統，其中該頻域表示包含快速傅里葉轉換(FFT)、離散傅里葉轉換(DFT)、修正型離散餘弦轉換(MDCT)、修正型離散正弦轉換(MDST)、常數Q轉換(CQT)、和使用根據等效矩形帶寬(ERB)或巴克尺度的濾波器通道分佈的變數Q轉換(VQT)。
  5. 如申請專利範圍第1項所述的信號發射系統，其中該電流頻譜根據膨脹因子修改，該膨脹因子大於1。
  6. 如申請專利範圍第1項所述的信號發射系統，其中該後處理模組基於該來源信號以及該中間時域信號的特性確定梯度控制的差閾值，該來源信號以及該中間時域信號的特性包含波峰因數、平均值、標準偏差、均方根、最大幅度、平均幅度、波峰因數、頻譜質心、以及頻譜擴展中的至少一個。
  7. 一種信號處理系統，包含: 處理器，耦接到放大器並被配置為接收來源信號，並向該放大器產生動態調節的來源信號，該處理器包含： 頻率轉換模組，用以將該來源信號轉換為頻域表示，其中該頻域表示包含多個頻率區間； 頻譜-電壓轉移函數模組，用以將該頻域表示轉換為電壓表示； 導納特性模組，用以將該電壓表示轉換為電流頻譜； 參數提取模組，用以確定擊穿頻率區間索引和滾降因子，其中該擊穿頻率區間索引是累積電流不超過電流限制的最高頻率區間索引，並且使用該滾降因子以指數方式衰減該頻域表示，其中該滾降因子是動態確定的數值，範圍從0到1，且迭代確定使得總電流低於該電流限制； 動態調節濾波器模組用以： 為該多個頻率區間構建調節增益向量，其中該調節增益向量包含具有單位增益的平帶部分以及具有衰減增益的滾降部分，其中基於該擊穿頻率區間索引，該平帶部分的該頻率區間的區間索引低於平帶區間索引，該滾降部分的該頻率區間的區間索引高於該平帶區間索引；以及 將該調節增益向量應用於該頻域表示，以產生經調節的頻域表示； 逆轉換模組，用以將該經調節的頻域表示逆轉換為中間時域信號；以及 後處理模組，用以對該中間時域信號進行梯度控制，以限制該中間時域信號的連續樣本之間的差異，以產生該動態調節的來源信號，並將該動態調節的來源信號發送到該放大器。
  8. 如申請專利範圍第7項所述的信號處理系統，其中該參數提取模組被配置為使用二分搜索來迭代地確定該滾降因子，並且其中該滾降部分中的該第一區間的該增益會通過該滾降因子而減小，並且該滾降部分中剩餘區間的增益通過該滾降因子的指數減小。
  9. 如申請專利範圍第7項所述的信號處理系統，其中該處理器產生用於信號發射器的該動態調節的來源信號，該信號發射器的導納隨信號頻率增加。
  10. 如申請專利範圍第7項所述的信號處理系統，其中該處理器產生該動態調節的來源信號，用於壓電揚聲器以產生音訊輸出信號。
  11. 如申請專利範圍第7項所述的信號處理系統，其中該頻域表示包含快速傅里葉轉換(FFT)、離散傅里葉轉換(DFT)、修正型離散餘弦轉換(MDCT)、修正型離散正弦轉換(MDST)、常數Q轉換(CQT)、和使用根據等效矩形帶寬(ERB)或巴克尺度的濾波器通道分佈的變數Q轉換(VQT)。
  12. 如申請專利範圍第7項所述的信號處理系統，其中該電流頻譜根據膨脹因子修改，該膨脹因子大於1。
  13. 如申請專利範圍第7項所述的信號處理系統，其中該後處理模組基於該來源信號以及該中間時域信號的特性確定該梯度控制的差閾值，該來源信號以及中間時域信號的特性包含波峰因數、平均值、標準偏差、均方根、最大幅度、平均幅度、波峰因數、頻譜質心、以及頻譜擴展中的至少一個。
  14. 一種信號處理方法，包含： 提供來源信號的頻域表示，其中該頻域表示包含多個頻率區間； 動態確定擊穿頻率區間索引和滾降因子，其中該擊穿頻率區間索引是累積電流低於電流限制的最高頻率區間索引，該滾降因子定義該頻域表示的指數衰減，其中該滾降因子是一個從0到1的數值，且迭代確定使得總電流低於該電流限制； 為多個頻率區間構建調節增益向量，其中該調節增益向量包含具有單位增益的平帶部分和具有衰減增益的滾降部分，其中基於該擊穿頻率區間索引，該平帶部分的該頻率區間的區間索引低於平帶區間索引，該滾降部分的該頻率區間的區間索引高於該平帶區間索引；以及 將該調節增益向量應用於該頻域表示以產生經調節的頻域表示，使得總電流低於該電流限制。
  15. 如申請專利範圍第14項所述的信號處理方法，更包含: 在時域中接收該來源信號； 將該來源信號轉換為該頻域表示； 將該頻域表示轉換為電壓表示； 將該電壓表示轉換為電流頻譜； 使用該電流頻譜估計電流； 將該經調節的頻域表示逆轉換為中間時域信號； 對該中間時域信號進行梯度控制，以限制該中間時域信號的連續樣本之間的差異，從而產生動態調節的來源信號；以及 將該動態調節的來源信號發送到放大器。
  16. 如申請專利範圍第15項所述的信號處理方法，更包含: 使用二分搜索來迭代地確定該滾降因子，其中該滾降部分中的第一區間的增益基於該滾降因子減小，該滾降部分中剩餘區間通過該滾降因子的指數來減少。
  17. 如申請專利範圍第15項所述的信號處理方法，更包含: 為信號發射器產生該動態調節來源信號，其中該信號發射器的導納隨信號頻率增加。
  18. 如申請專利範圍第15項所述的信號處理方法，其中該動態調節的來源信號用於壓電揚聲器，以產生音訊輸出信號。
  19. 如申請專利範圍第15項所述的信號處理方法，其中該頻域表示包含快速傅里葉轉換(FFT)、離散傅里葉轉換(DFT)、修正型離散餘弦轉換(MDCT)、修正型離散正弦轉換(MDST)、常數Q轉換(CQT)、和使用根據等效矩形帶寬(ERB)或巴克尺度的濾波器通道分佈的變數Q轉換(VQT)。
  20. 如申請專利範圍第15項所述的信號處理方法，更包含: 基於膨脹因子修改該電流頻譜，其中該膨脹因子大於1。
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