TWI521981B - 聲音產生之控制方法、聲音產生裝置以及可攜式裝置 - Google Patents

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Description

聲音產生之控制方法、聲音產生裝置以及可攜式裝置
本發明有關聲音產生之控制方法、聲音產生裝置以及可攜式裝置。
用以產生可聽聲的揚聲器通常受到它的最大偏移、溫度上昇、換能器的非線性以及與它對應的放大器所引起的非線性的因素所限制。故此，製造廠商決定了驅動揚聲器的運作方式，一般來說，使揚聲器在較長時期中在額定功率下驅動，並使揚聲器在較短時期中在最高功率下驅動。此用以驅動的功率限制條件使揚聲器的最大偏移和溫度上昇限制在安全範圍內。為了重現具有大動態範圍的訊號而不失真，揚聲器的響度變小，此種情況尤其是發生在功率限制條件下運作的手持裝置上。故此，數十年來動態範圍壓縮(dynamic range compression)技術為揚聲器系統所利用，從而於功率限制條件下在失真與響度之間做出權衡。
本發明有關聲音產生之控制方法、聲音產生裝置以 及可攜式裝置。
本發明之一實施例提出一種聲音產生裝置，用於可攜式裝置。聲音產生裝置包括揚聲器、回授單元、補償單元、和增益單元。揚聲器用以產生可聽聲。回授單元，耦接至揚聲器，用以產生一第一偵測參數，第一偵測參數代表揚聲器的一偵測偏移。補償單元用以產生以一第一聲音訊號為基礎的一第二聲音訊號，其中第二聲音訊號是依據第一偵測參數進行補償而選擇性地產生。增益單元，耦接至補償單元和回授單元，用以依據第一偵測參數決定一增益值並且依據增益值產生以第二聲音訊號為基礎的一第三聲音訊號。
另一實施例提出一種聲音產生之控制方法，用於可攜式裝置。此控制方法包括以下步驟。(a)產生一第一偵測參數，第一偵測參數代表可攜式裝置的一揚聲器的一偵測偏移。(b)產生以一第一聲音訊號為基礎的一第二聲音訊號，其中第二聲音訊號是依據至少第一偵測參數進行補償而選擇性地產生。(c)依據至少第一偵測參數決定一增益值並且依據增益值產生以第二聲音訊號為基礎的一第三聲音訊號。
另一實施例提出一種可攜式裝置。可攜式裝置包括處理單元、揚聲器、耦接至揚聲器的放大器、控制裝置。處理單元輸出聲音輸入訊號。控制裝置，耦接於處理單元和放大器之間，用以依據第三聲音訊號利用放大器以驅動揚聲器。控制裝置包括回授單元、補償單元、增益單元。回授單元，耦接至揚聲器， 用以產生一第一偵測參數，第一偵測參數代表揚聲器的一偵測偏移。補償單元用以產生以聲音輸入訊號為基礎的一第二聲音訊號，其中第二聲音訊號是依據第一偵測參數進行補償而選擇性地產生。增益單元，耦接至補償單元和回授單元，用以依據第一偵測參數決定一增益值並且依據增益值產生以第二聲音訊號為基礎的第三聲音訊號。
為了對本發明之上述及其他方面有更佳的瞭解，下文舉實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下：
1、2、3‧‧‧控制裝置
4、11、21‧‧‧補償單元
5‧‧‧非線性補償裝置
6‧‧‧可攜式裝置
13、23‧‧‧增益單元
15、25‧‧‧回授單元
27、37‧‧‧偏壓調整單元
31‧‧‧訊號整節單元
51‧‧‧補償判斷裝置
52‧‧‧延遲單元
53‧‧‧補償計算模組
61‧‧‧處理單元
63‧‧‧控制單元
65‧‧‧通訊單元
67‧‧‧記憶單元
69‧‧‧揚聲器系統
211‧‧‧偏移預測裝置
213‧‧‧(第一)非線性補償裝置
215‧‧‧緩衝記憶體
231‧‧‧增益控制裝置
233‧‧‧數位類比轉換器(DAC)
251、351‧‧‧偏移偵測裝置
253‧‧‧溫度偵測裝置
255‧‧‧類比數位轉換器(ADC)
271、371‧‧‧位準偵測裝置
273‧‧‧升壓控制裝置
413‧‧‧第二非線性補償裝置
AMP‧‧‧放大器
SK‧‧‧揚聲器
Gc‧‧‧增益值
Sa0‧‧‧聲音輸入訊號
Sa1‧‧‧第一聲音訊號
Sa2‧‧‧第二聲音訊號
Sa3‧‧‧第三聲音訊號
Sa21‧‧‧處理後的聲音訊號
PF1‧‧‧第一偵測參數
PF2‧‧‧第二偵測參數
PF3‧‧‧第三偵測參數
Sfb‧‧‧回授訊號
Sfb1‧‧‧電流回授訊號
Sfb2‧‧‧電壓回授訊號
第1圖繪示依照一實施例之揚聲器系統的控制方法的流程圖。
第2圖繪示依照一實施例之揚聲器的控制裝置。
第3圖繪示依照另一實施例之揚聲器的控制裝置。
第4及5圖示意揚聲器特性曲線。
第6圖繪示動態提昇偏壓位準以回應聲音訊號的訊號位準之例子。
第7圖繪示依照另一實施例之揚聲器的控制裝置，其使用以訊號調節為基礎的共振頻率追蹤。
第8A圖繪示從一揚聲器偵測到的阻抗和頻道的對應關係圖。
第8B圖繪示依據第8A圖所示的關係之一訊號調節裝置的一轉換函數的示意圖。
第8C圖繪示控制裝置的一實施例所輸出以作重現的聲音訊 號對應的偏移對頻率的特性曲線與在額定功率下運作的揚聲器的偏移對頻率的特性曲線相比較的示意圖。
第9圖繪示依據一實施例之補償單元，其包括針對不同非線性物理模型的兩個非線性補償裝置。
第10圖為非線性補償裝置的實施例的方塊圖。
第11圖為可攜式裝置的實施例的方塊圖，其具有用於揚聲器系統的控制單元。
以下提供控制方式、控制裝置，聲音產生裝置以及裝設有控制裝置的可攜式裝置的實施例。
如第1圖所示，其為依照一實施例之揚聲器系統的控制方法的流程圖。第2圖繪示依照一實施例之揚聲器SK的控制裝置之架構，其可用以執行如第1圖所示的方法。如第2圖所示的控制裝置1的架構包括補償單元11、增益單元13、回授單元15。在第2圖中，一輸入聲音訊號(或稱為一第一聲音訊號)Sa1是由放大器AMP所放大從而藉由揚聲器SK所重現。
此控制方法針對一或多個因子來增強聲音品質、補償藉由揚聲器系統重現為可聽聲所產生的失真、以及保護此揚聲器系統。例如，重現的可聽聲受到諸如揚聲器系統的最大偏移、轉能器和放大器的非線性、溫度上昇等因素的限制。又高溫及振膜振動超過最大偏移可能會損害揚聲器。此外，聲音品質由於以下情況可能會變劣：當振膜振動接近它的最大偏移時揚聲器單元 的非線性運作而導致失真；當採用切換功率放大器諸如D類放大器時放大器本身具有非線性。由此，針對聲音品質和硬體保護的不同應用和需求，可針對一或多個因子來實現不同的控制方法。
如第1圖所示，此方法藉由使用一揚聲器系統的一第一模型來對第一聲音訊號加以補償，其中第一模型代表揚聲器系統的一個物理模型。在步驟S10中，使用揚聲器例如揚聲器SK的一第一模型來決定與一第一聲音訊號(例如Sa1)對應的一第一預測參數，例如揚聲器SK對應的偏移。如步驟S20所示，判斷是否需要對第一聲音訊號進行預先補償。在步驟S20中，此判斷是依據第一預測參數(例如預測偏移)而進行。在另一例子中，此判斷是依據第一預測參數和一第一偵測參數(例如揚聲器SK的偵測偏移)而進行。若需要對第一聲音訊號(記作Sa1)進行補償，則執行步驟S30以依據第一模型、第一偵測參數(記作PF1)和第一聲音訊號Sa1進行補償從而產生一第二聲音訊號(記作Sa2)。若不需要進行補償，則如步驟S25所示，把第一聲音訊號Sa1視作第二聲音訊號Sa2並加以輸出(或可經過縮放而輸出)。
如第1圖所示，此方法更依據從揚聲器系統取得的一個或多個偵測參數以保護揚聲器系統。在步驟S40中，依據第二聲音訊號Sa2和增益值進行增益控制以產生一第三聲音訊號(記作Sa3)，其中增益值依據至少第一偵測參數(例如揚聲器SK的偵測偏移)或複數個偵測參數(例如揚聲器SK的偵測偏移和偵測溫度)而決定。在一些例子中，可利用來自揚聲器的回授訊號(記 作Sfb)(例如，輸入電壓、回授電流等)以產生一個或多個偵測參數。
在步驟S20中，可利用例如揚聲器的一個或多個物理參數，例如揚聲器力因子(force factor)Bl或揚聲器剛性(stiffness)K或其他物理參數，來進行判斷。例如，依據第一模型，若第一預測參數進入揚聲器的一物理參數(例如，揚聲器力因子Bl或揚聲器剛性K)之一非線性區域中時，則預期揚聲器所重現的第一聲音訊號將會失真故而需要進行對應的補償。反之，若第一預測參數處於揚聲器的物理參數之一線性區域時，則預期揚聲器所重現的第一聲音訊號不會失真故此不需進行補償。
在步驟S30中的補償可以利用非線性補償來進行。例如，依據第一模型和第一預測參數，若第一聲音訊號Sa1進入揚聲器的一第一物理參數之一非線性區域時，則預期由揚聲器所重現出來的是第一聲音訊號Sa1的一個失真版本，記作Sa1d。在一例子中，此失真版本可以第一聲音訊號Sa1和失真分量(記作disn)來表示：Sa1d(t)=m1*Sa1(t)+disn(t)，或可以用數位形式表示，其中m1代表一縮放系數。依此方式，步驟S30依據第一模型進行補償以產生一第二聲音訊號Sa2，使得第二聲音訊號Sa2包括此預期的失真分量對應的一逆分量(記取disn-1(t))。第二聲音訊號Sa2可表示為：Sa2(t)=m2*Sa1(t)+disn-1(t)，其中m2代表一系數。如此，此逆分量可以補償失真使揚聲器以較小的失真或無失真的方式重現此聲音訊號。然而，步驟S30的實現方式並 不以上述例子為限，其他的例子將討論在後。
在另一例子中，可利用有關揚聲器的實際參數例如利用第一偵測參數(例如，揚聲器的偵測偏移)於步驟S20或(及)步驟S30中。故此，當延遲第一聲音訊號以進行預見處理(looking ahead)時，亦可使用時間適應性非線性補償(time-adaptive non-linear compensation)。
請參考第2圖，控制裝置1可用以執行如第1圖所示的方法。補償單元11可用以執行步驟S10、S20、S25、S30。增益單元13可用以執行S40。補償單元11輸出一第二聲音訊號Sa2以回應第一聲音訊號Sa1和一第一偵測參數PF1。增益單元13輸出一第三聲音訊號Sa3以回應第二聲音訊號Sa2和至少一偵測參數(諸如第一偵測參數PF1或(及)第二偵測參數PF2等等)。回授單元15依據來自揚聲器SK的回授訊號Sfb(諸如輸入電壓、回授電流等等)以產生至少一偵測參數。此外，為了讓補償單元11能依據目前的增益值來調整補償方式，增益單元13將一參數輸出至補償單元11，此參數例如為一數值Gc，其可代表增益單元13目前所使用的增益值。
於一實施例中，控制裝置1包括補償單元11、增益單元13以及回授單元15。回授單元15用以產生至少一偵測參數，例如PF1和PF2，以回應來自揚聲器SK的至少一回授訊號(例如由Sfb所代表)。補償單元11用以產生一第二聲音訊號Sa2以回應一第一聲音訊號Sa1，其中第二聲音訊號Sa2是依據揚聲器 SK的一第一模型、此至少一偵測參數中之一第一偵測參數PF1、第一聲音訊號Sa1和一增益值例如數值Gc。增益單元13耦接至補償單元11以接收第二聲音訊號Sa2，並耦接至回授單元15以接收此至少一偵測參數中之一或多者；增益單元13用以輸出增益值和用以依據增益產生一第三聲音訊號Sa3。
如以上實施例所述的控制裝置的單元可以藉由如以下和其他實施例所舉例的對應的單元或模組或元件所實現或替代。
第3圖繪示依照另一實施例之揚聲器的控制裝置。第3圖繪示依據一實施例之揚聲器SK之控制裝置之架構，其可用以執行如第1圖所示的方法。如第3圖所示的控制裝置2的架構包括補償單元21、增益單元23及回授單元25。在第3圖中，輸入聲音訊號(或稱為一第一聲音訊號)Sa1是由放大器AMP所放大並且由揚聲器SK所重現。
在第3圖中，補償單元21包括用以計算偏移的偏移預測裝置211、非線性補償裝置213以及緩衝記憶體215。例如，補償單元21執行以補償為基礎的預見處理。例如使用緩衝記憶體215來對譬如以數位訊號形式表示的第一聲音訊號Sa1進行預見處理。在實際應用中，第一聲音訊號Sa1可能需要經過調節(conditioned)或可預設為已調節的訊號；或控制裝置2可選擇性的包括一訊號調節電路級以產生已調節的訊號來供後級電路處理。而為了解說方便，在本實施例中，第一聲音訊號Sa1可視為 已調節的訊號。偏移預測裝置211透過揚聲器SK的第一模型來預測或評估與第一聲音訊號Sa1對應的偏移。非線性補償裝置213判斷是否需要依據來自緩衝記憶體215的延遲的第一聲音訊號和由偏移預測裝置211所輸出的預測偏移以進行補償。此外，例如步驟S30所示，非線性補償裝置213依據第一模型、第一偵測參數(記作PF1)、來自增益單元23的數值Gc和延遲的第一聲音訊號Sa1以進行補償從而產生一第二聲音訊號Sa2。若不需要對第一聲音訊號Sa1進行補償，則比如步驟S25所示，非線性補償裝置213把第一聲音訊號Sa1視作第二聲音訊號Sa2並加以輸出(或可經過縮放而輸出)。
為了判斷是否需要補償，非線性補償裝置213可利用揚聲器SK的一個或多個物理參數來判斷第一預測參數是否進入物理參數之一非線性區域中，例如第4及5圖所示。請參考第4圖，曲線CV1示意揚聲器剛性K與偏移X之關係，其中一預測偏移x1是對應到曲線CV1上一個大於門檻值TH1的數值，故此進入了非線性區域。請參考第5圖，曲線CV2示意揚聲器力因子Bl與偏移X之關係，其中一預測偏移x1是對應到曲線CV2上一個大於門檻值TH2的數值，故此進入了非線性區域。而上述的判斷方式亦只是舉例說明而已，其更可用其他方式實現。有關補償，非線性補償裝置213可利用如前述針對步驟S30的例子。此外，譬如可利用描述由控制裝置2所控制的揚聲器SK的物理特性之方程式來作為第一模型。
在第3圖中，增益單元23包括增益控制裝置231和數位類比轉換器(DAC)233。增益控制裝置231輸出一輸出聲音訊號以回應第二聲音訊號Sa2和至少一偵測參數(諸如第一偵測參數PF1或(及)第二偵測參數PF2等等)。例如，此輸出聲音訊號可藉由數位類比轉換器233轉換以輸出一第三聲音訊號Sa3給放大器AMP。此外，增益控制裝置231輸出一參數，例如代表增益單元13正在使用的增益值的數值Gc，至非線性補償裝置213從而使非線性補償裝置213依據目前的增益值來調整非線性補償。
回授單元15用以依據回授訊號Sfb產生至少一偵測參數，回授訊號Sfb代表來自揚聲器SK的諸如一電流回授訊號Sfb1和一電壓回授訊號Sfb2。回授單元25包括偏移偵測裝置251、溫度偵測裝置253和類比數位轉換器(ADC)255。電流回授訊號Sfb1和電壓回授訊號Sfb2是分別藉由偏移偵測裝置251和溫度偵測裝置253而得以估算，從而分別產生第一偵測參數PF1(例如揚聲器的偵測偏移)及第二偵測參數PF2(例如揚聲器的溫度)。增益控制裝置231依據一個或多個偵測參數諸如PF1和PF2以及第二聲音訊號Sa2以調整其增益值。而由偏移偵測裝置251所產生的第一偵測參數PF1(如偵測偏移)可適應性地回授至非線性補償裝置213。
例如，偏移偵測裝置251輸出第一偵測參數PF1，其代表依據一阻抗模型而得的揚聲器的偵測偏移。此阻抗模型例 如可表示為：，其中是偏移對時間的導數；i是電流，其可由電流回授訊號Sfb1所代表；v代表電壓，其可由電壓回授訊號Sfb2所代表；Bl(x)是有關偏移x的揚聲器力因子；Ze是揚聲器SK的阻抗。又例如，方程式1可以離散微分方程式表示並據以解出偏移x[n]。在用以保護揚聲器的一實施例中，當第一偵測參數PF1表示揚聲器的偏移在增加時，增益控制裝置231可減少增益值以控制揚聲器的偏移在最大偏移以下並且避免揚聲器受到損害。
例如，溫度偵測裝置253，耦接至類比數位轉換器255，依據揚聲器的溫度與電阻之間的關係以輸出代表揚聲器的溫度的第二偵測參數PF2。揚聲器的溫度與電阻之間的關係，例如可表示為：R=R0[1+α(T-T∞)](方程式2)，其中參數T∞是環境溫度，R0，參數α是常數。故此，揚聲器溫度的變化是與電阻變化成正比，並且可依據偵測到的電阻而得以決定。在用以保護揚聲器的一實施例中，當第二偵測參數PF2表示揚聲器的溫度在增加時，增益控制裝置231可減少增益值以控制揚聲器的溫度並且避免揚聲器受到損害。
如第3圖所示，控制裝置2更可包括偏壓調整單元27。偏壓調整單元27包括位準偵測裝置271和升壓控制裝置273。位準偵測裝置271偵測第一聲音訊號Sa1的位準以決定是否需要提升放大器AMP的偏壓。升壓控制裝置273依據來自位準偵測裝置271的偵測結果以調整供應給放大器AMP的偏壓位 準。
請參考第6圖，其繪示動態提昇偏壓位準以回應第一聲音訊號的訊號位準之例子。在第6圖中，波形Sa代表一放大的聲音訊號；當此聲音訊號是一較小的訊號時，供應給放大器AMP的偏壓位準M1亦較小；當放大的聲音訊號變大之前，供應給放大器AMP的偏壓位準M2亦變大。
依據第3圖之控制裝置之一實施例，應用針對揚聲器偏移的非線性補償的上述例子以改善聲音品質，以及應用針對至少此偵測偏移進行增益控制的上述例子以保護揚聲器。
依據第3圖之控制裝置之另一實施例，應用針對揚聲器偏移的非線性補償的上述例子以改善聲音品質，以及應用針對至少此偵測偏移及此偵測溫度進行增益控制的上述例子以保護揚聲器。
依據第3圖之控制裝置之又一實施例，應用針對揚聲器偏移的非線性補償的上述例子以改善聲音品質，以及應用針對至少此偵測偏移及此偵測溫度進行增益控制的上述例子以保護揚聲器，並且更利用偏壓調整單元27。
針對聲音品質和硬體保護之不同應用和需求，可使用一個或多個參數於非線性補償和增益控制之中，以實現不用的控制方法和控制裝置。
在實際應用中，可攜式裝置例如行動裝置諸如智慧型手機、大螢幕智慧型手機、平板電腦等等，都重視聲音品質以 及揚聲器的保護。但由揚聲器所重現的可聽聲通常受到它的最大偏移、溫度上昇、換能器的非線性的因素所限制。若按照揚聲器廠商所提供的額定功率規格來驅動揚聲器，則整體的效能將會為了保護揚聲器而受到局限。揚聲器的響度(或音量)因此較小。而依據第2及3圖的控制裝置的實施例可應用到上述的實際應用中，以助其獲得比起受到額定功率限制下之實作的響度更大的優化響度(或音量)，又能對不同水準或需求的揚聲器作出保護。例如可針對於不同的應用、產品需求、不同種類的揚聲器，選擇和改變非線性補償和增益控制的參數。故此，實施方式並不受限於上述實施例。此外，使用前饋(feed forward)、回授的控制方法及裝置，其包括非線性補償、揚聲器的回授控制，亦可作為實施例。而將前饋、回授結合以對由揚聲器系統重現的輸入聲音訊號之失真進行補償、以及用於增益控制和訊號調節(signal conditioning)的揚聲器的回授控制，亦可作為實施例。
請參考第7圖，其繪示依照另一實施例之揚聲器系統的控制裝置，其採用以訊號調節為基礎的共振頻率追蹤。第7圖的控制裝置3，與第3圖的控制裝置相比，更包括採用以訊號調節為基礎的共振頻率追蹤的訊號整節單元31。訊號整節單元31採用共振頻率追蹤以及逆補償的訊號調節。也就是說，可在訊號整節單元31中實現一訊號處理操作從而對一聲音輸入訊號Sa0(例如以數位訊號方式表示)進行訊號調節，其中訊號處理操作例如是一訊號濾波器以依據一逆補償特性諸如無限脈衝回應 (Infinite impulse response，IIR)數位濾波器對聲音輸入訊號進行濾波。此濾波器具有針對揚聲器偏移的共振尖峰之逆補償及動態補償的特性，並藉由電流回授訊號Sfb1和電壓回授訊號Sfb2以及對應的阻抗分析而進行。
在如第7圖之實施例中，為了進行共振頻率追蹤，訊號整節單元31接收參數PF3，參數PF3代表揚聲器的共振頻率的目前變化的資訊。參數PF3例如由接收來自揚聲器的回授訊號的偏移偵測裝置351所產生。例如，訊號整節單元31得知共振頻率的初始值，並且依據如第8B圖所示的逆補償特性曲線，或稱為轉換函數HF，以執行訊號調節。如第8B圖所示的轉換函數HF是藉由將阻抗分析的結果(如第8A圖所示的結果)進行逆運算而得。轉換函數HF稱為逆補償的特性曲線，其具有與揚聲器的共振頻率對應的最小值。在第8A圖中，顯示了從揚聲器所偵測到的阻抗和頻率之間的關係，其中具有共振頻率f0。如此，當聲音輸入訊號Sa0具有與揚聲器的共振頻率接近的頻率分量時，聲音輸入訊號Sa0可被調整和特別地降低。對於數位訊號數值來說，已調節的訊號Sa1比聲音輸入訊號Sa0在位元數上實質地具有較大的動態餘量(headroom)。藉由控制裝置的增益控制以及後續階段的其他處理之幫助，得以利用超越其特性曲線的增益位準來提昇由揚聲器所重現的聲音訊號。請參考第8C圖，其中控制裝置的一實施例所輸出以作重現的聲音訊號對應的偏移對頻率的特性曲線(記作XC)，與在額定功率下揚聲器的偏移對頻率的特性曲 線(記作XR)相比較的示意圖。在第8C圖中，實線XC對應的偏移在此頻率範圍下相對地比虛線XR對應的偏移來得大。故此，揚聲器受到保護，而揚聲器的響度亦得以增強。
再者，若因為環境因素影響或揚聲器老化而導致揚聲器的共振頻率改變，訊號調節單元31可藉由回授控制來調整其具有受到追蹤之共振頻率的轉換函數，亦即例如利用來自回授單元35的參數PF3。
此外，所有功能方塊(包括使用軟體模組、硬體元件、裝置、或單元之實作)具有各自的初始控制參數，例如在增益單元中諸如最大增益、起始時間(attack time)、釋放時間(release time)等參數。在一些實施例中，當偵測到聲學條件起了激烈的變化時(例如藉由回授單元偵測)，應該把初始參數切換到另一組參數以確保能穩健地進行控制。例如，增益控制裝置231偵測到第一偵測參數PF1和第二偵測參數PF2分別代表偏移和溫度。當溫度初始時接近一溫度門檻值時，增益控制裝置231將目標增益值切換為一較小的數值。當偏移遠離一偏移門檻值時，增益控制裝置231將目標增益值切換為一適合的數值。若聲學條件改變導致共振頻率亦改變，則應將溫度門檻值和偏移門檻值切換到另一組門檻值以確保能穩健地進行增益控制。此外，其他參數例如揚聲器的彈性亦可納入作為判斷條件從而用以切換參數組。
第7圖的控制裝置3與第3圖的控制裝置2之差異在於前者具有的偏壓調整單元37回應來自增益單元23的訊號。 例如，位準偵測裝置371偵測已調節的輸入聲音訊號Sa1和由增益控制裝置231所輸出的處理後的聲音訊號Sa21的訊號位準。若訊號Sa1和Sa21的訊號位準中之一者超過一門檻值時，位準偵測裝置371觸發升壓控制裝置273。此外，起始和釋放以至其他處理方式可實現於偏壓調整單元37之中從而確保能做出適當的偏壓調整。例如，可依據從增益控制裝置231輸出的處理後的聲音訊號Sa21的最新數值以調整偏壓提昇的位準。
請參考第9圖之一實施例，補償單元4包括針對不同非線性物理模型的兩個非線性補償裝置。補償單元4可應用於第7圖或其他實施例。補償單元4與第3圖的補償單元21相比之下，更包括耦接至一第一非線性補償裝置213的一第二非線性補償裝置413。
在某些情況下，應該考量使用兩個或更多個不同的非線性物理模型於非線性補償之中。例如，對於使用切換式功率放大器系統(諸如D類放大器)的揚聲器系統可實現涵蓋揚聲器非線性和放大器非線性的適應性非線性補償。由於D類放大器的高頻調變特性會導致頻疊(aliasing)而造成頻帶外雜訊(即失真)，此類特殊的放大器需要搭配非線性補償。在此情況下，譬如第一非線性補償裝置213用作揚聲器的非線性補償，而第二非線性補償裝置413用作放大器的非線性補償。例如，放大器非線性特性是一既定轉換函數；即一旦決定了要使用的放大器，對應的非線性轉換函數亦隨之而能決定。若採用了切換式功率放大器，例如可 於ADC 255之後採用濾波器以將調變回授訊號的高頻分量過濾。
請參考第10圖，其為非線性補償裝置的一實施例的方塊圖。第10圖的非線性補償裝置5例如用以針對揚聲器來進行補償。已補償的聲音訊號，記作Scomp，可以表示如：，又程式4)。其中p lin (t)代表輸入聲音訊號S(t)與增益函數G(t)與揚聲器的線性轉換函數h spk,lin (t)的卷積；代表揚聲器的非線性轉換函數的逆函數；增益函數G(t)表示在後續電路級中增益單元的特性；G(t)-1代表逆增益函數。如第10圖所示，可依據方程式1和2以實現揚聲器的非線性補償。
在第10圖中，補償判斷裝置(或模組)51(或以軟體控制模組實現)以判斷是否要致能或禁能依據計算得來的偏移x(t)和偵測偏移(PF1)來進行的補償。若不需要補償，聲音訊號S(t)(例如以數位形式表示)可走旁路如透過延遲單元52並輸出到後續的電路級。若需要補償，聲音訊號S(t)將由補償計算模組53來作處理，例如其中的數個模塊(以軟體處理或硬體電路來加以實現)，從而實現如前述的方程式3和4的例子。
在另一實施例中，亦可依據方程式3和4來推導出針對揚聲器的非線性補償裝置，其中方程式3和4中針對揚聲器的線性和逆非線性轉換函數是為針對放大器(例如切換式功率放大器)的線性和逆非線性轉換函數所取代。
再者，第11圖為具有可用於揚聲器系統的控制單元 的可攜式裝置6的實施例的方塊圖。例如智慧型手機、平板電腦、筆記型電腦、遊戲機、多媒體播放器等等之可攜式裝置6，包括處理單元61、控制單元63、放大器AMP和揚聲器系統69。當可攜式裝置6運作時，處理單元61可輸出一聲音輸入訊號(例如以數位形式表示)。而可攜式裝置6運作的例子：譬如以可攜式裝置6打電話或接電話、播放聲音檔案諸如音樂、演講或儲存於記憶單元67的聲音、或者是播放由通訊單元65所接收的聲音或視訊資料串流。當中通訊單元65可支援一個或多個行動或(及)無線通訊模式諸如2G,3G、Wimax、LTE、4G、Wi-Fi等等、或(及)數位電視或收音機廣播。控制單元63，耦接於處理單元61和放大器AMP之間，用以依據一第三聲音訊號Sa3並使用放大器AMP以驅動揚聲器系統69，其中揚聲器系統69可包括一個或多個單聲道或立體聲道的揚聲器，而放大器AMP可包括一個或多個通道對應的一個或多個放大器。
控制單元63例如包括回授單元、補償單元和增益單元，如上述實施例所示。回授單元，耦接至揚聲器，用以產生一第一偵測參數，第一偵測參數代表揚聲器的一偵測偏移。補償單元產生以聲音輸入訊號(即聲音輸入訊號Sa0或輸入聲音訊號Sa1，如前所述)為基礎的一第二聲音訊號，其中第二聲音訊號是依據第一偵測參數進行補償而選擇性地產生。增益單元，耦接至補償單元和回授單元，用以依據第一偵測參數決定一增益值並且依據增益值產生以第二聲音訊號為基礎的第三聲音訊號Sa3。
在其他實施例中，可利用依據如第1、2、3、7、9或10所示的一實施例的控制裝置為基礎來實現控制單元63。此外，控制單元63例如可藉由諸如處理器、數位訊號處理器、或特定應用積體電路來實現，或是利用可程式化積體電路如微控制器、元件可程式邏輯閘陣列(FPGA，Field Programmable Gate Array)之類的電路來實現，其中例如使用硬體描述語言(HDL，Hardware description language)來進行設計。
在其他實施例中，提出一種聲音產生裝置，用於可攜式裝置。聲音產生裝置包括用以產生可聽聲的揚聲器(例如揚聲器SK)、耦接至揚聲器的回授單元(例如回授單元15)、補償單元(例如補償單元11)、耦接至補償單元和回授單元的增益單元(例如增益單元13)。回授單元用以產生一第一偵測參數，第一偵測參數代表揚聲器的一偵測偏移。補償單元用以產生以一第一聲音訊號為基礎的一第二聲音訊號，其中第二聲音訊號是依據第一偵測參數進行補償而選擇性地產生。增益單元用以依據第一偵測參數決定一增益值並且依據增益值產生以第二聲音訊號為基礎的一第三聲音訊號。聲音產生裝置亦可：藉由用以實現與回授單元、補償單元、增益單元對應的操作或動作的迴路，或(及)包括如第2、3、7、9、10或11圖所示之前述實施例的其他單元或模組或元件，從而得到實現。
在其他實施例中，提出一種聲音產生的控制方法，用於可攜式裝置。此控制方法包括以下。在步驟(a)中，(例如利 用回授單元15)產生一第一偵測參數，第一偵測參數代表可攜式裝置的一揚聲器的一偵測偏移。在步驟(b)中，(例如利用補償單元11)產生以一第一聲音訊號為基礎的一第二聲音訊號，其中第二聲音訊號是依據至少第一偵測參數進行補償而選擇性地產生。在步驟(c)中，(例如利用增益單元13)依據至少第一偵測參數決定一增益值並且依據增益值產生以第二聲音訊號為基礎的一第三聲音訊號。在其他實施例中，此控制方法亦可利用以下步驟實現或取代：如用以實現與回授單元、補償單元、增益單元對應的操作或動作的步驟，或(及)包括由例如以上舉例的其他單元或模組或元件所執行的步驟。
綜上所述，雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明。本發明所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾。因此，本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
1‧‧‧控制裝置
11‧‧‧補償單元
13‧‧‧增益單元
15‧‧‧回授單元
AMP‧‧‧放大器
SK‧‧‧揚聲器
Gc‧‧‧增益值
Sa1‧‧‧第一聲音訊號
Sa2‧‧‧第二聲音訊號
Sa3‧‧‧第三聲音訊號
PF1‧‧‧第一偵測參數
PF2‧‧‧第二偵測參數
Sfb‧‧‧回授訊號

Claims (20)

  1. 一種聲音產生裝置，用於一可攜式裝置，該聲音產生裝置包括：一揚聲器，用以產生可聽聲；一回授單元，耦接至該揚聲器，用以產生一第一偵測參數，該第一偵測參數代表該揚聲器的一偵測偏移；一補償單元，用以產生以一第一聲音訊號為基礎的一第二聲音訊號，其中該第二聲音訊號是依據該第一偵測參數進行補償而選擇性地產生；以及一增益單元，耦接至該補償單元和該回授單元，用以依據該第一偵測參數決定一增益值並且依據該增益值產生以該第二聲音訊號為基礎的一第三聲音訊號。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之聲音產生裝置，其中該補償單元用以決定一第一預測參數，該第一預測參數表示與該第一聲音訊號對應的該揚聲器的一預測偏移；並且當該第一預測參數進入該揚聲器力因子或該揚聲器剛性之一非線性區域中，該補償單元更用以藉由補償以產生該第二聲音訊號。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之聲音產生裝置，其中該補償單元包括：一緩衝記憶體，用以延遲該第一聲音訊號以進行預見處理；一偏移預測裝置，用以預測與該第一聲音訊號對應的揚聲器偏移，以作為該第一預測參數；以及 一非線性補償裝置，用以決定該第一預測參數是否進入該揚聲器力因子或該揚聲器剛性之該非線性區域中，以回應來自該緩衝記憶體的該延遲的第一聲音訊號和來自該偏移預測裝置的該第一預測參數，並且當該第一預測參數進入該揚聲器力因子或該揚聲器剛性之該非線性區域中，該非線性補償裝置更用以基於該延遲的第一聲音訊號、該第一預測參數和該第一偵測參數產生該第二聲音訊號，以回應該延遲的第一聲音訊號和該增益值。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之聲音產生裝置，其中該回授單元更用以產生一第二偵測參數，該第二偵測參數代表該揚聲器的一偵測溫度，其中當該第二偵測參數表示該揚聲器的溫度增加，該增益單元減少該增益值以控制該揚聲器的溫度。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之聲音產生裝置，其中該回授單元包括：一類比數位轉換器，耦接至該揚聲器以接收至少一回授訊號；一偏移偵測裝置，耦接至該類比數位轉換器，用以依據該揚聲器之一阻抗模型輸出該第一偵測參數，以回應由該類比數位轉換器以數位形式所輸出的該至少一回授訊號；以及一溫度偵測裝置，耦接至該類比數位轉換器，用以依據該揚聲器的溫度與電阻之間的關係輸出一第二偵測參數，以回應該至少一回授訊號；其中該增益單元用以依據該第一偵測參數和該第二偵測參 數決定該增益值。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之聲音產生裝置，其中若該第一偵測參數代表該揚聲器的偏移增加，該增益單元減少該增益值以控制該揚聲器的偏移於該揚聲器的一最大偏移之下。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之聲音產生裝置，更包括：一偏壓調整單元，用以：偵測該第一聲音訊號的訊號位準和來自該增益單元的一處理後的聲音訊號的訊號位準；以及當該些訊號位準之一超過一門檻值時，調整一偏壓訊號的位準，其中該偏壓訊號用以供應給一放大器使用，該放大器耦接至用來重現聲音以回應該第三聲音訊號之該揚聲器。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之聲音產生裝置，更包括：一訊號整節單元，耦接至該回授單元，用以：接收來自該回授單元的一參數，該參數代表與該揚聲器的一共振頻率對應的資訊；依據一逆補償特徵對一聲音輸入訊號進行濾波，其中該逆補償特徵代表以該揚聲器的一偏移轉換函數之逆轉換為基礎之一轉換函數，該轉換函數具有該揚聲器的該共振頻率；輸出以該濾過之聲音輸入訊號為基礎的該第一聲音訊號，其中該逆補償特徵具有與該揚聲器的該共振頻率對應的一最小值，又該第一聲音訊號比起該聲音輸入訊號在位元數上實質地具有較大的動態餘量(headroom)；以及 使用代表與該揚聲器的該共振頻率對應的資訊的該參數以修改代表該逆補償特徵之該轉換函數。
  9. 如申請專利範圍第8項所述之聲音產生裝置，其中若該聲音輸入訊號具有與該揚聲器的該共振頻率接近的頻率分量時，該訊號整節單元更用以降低該聲音輸入訊號以輸出該第一聲音訊號。
  10. 如申請專利範圍第1項所述之聲音產生裝置，其中該增益單元包括：一增益控制裝置，用以輸出該增益值和用以依據該增益產生一處理後的聲音訊號；以及一類比數位轉換器，用以輸出該第三聲音訊號以回應該處理後的聲音訊號。
  11. 一種聲音產生的控制方法，用於一可攜式裝置，該方法包括：(a)產生一第一偵測參數，該第一偵測參數代表該可攜式裝置的一揚聲器的一偵測偏移；(b)產生以一第一聲音訊號為基礎的一第二聲音訊號，其中該第二聲音訊號是依據至少該第一偵測參數進行補償而選擇性地產生；以及(c)依據至少該第一偵測參數決定一增益值並且依據該增益值產生以該第二聲音訊號為基礎的一第三聲音訊號。
  12. 如申請專利範圍第11項所述之聲音產生的控制方法，其 中該步驟(b)包括：決定一第一預測參數，其中該第一預測參數表示與該第一聲音訊號對應的該揚聲器的一預測偏移；並且當該第一預測參數進入該揚聲器力因子或該揚聲器剛性之一非線性區域中，藉由補償以產生該第二聲音訊號。
  13. 如申請專利範圍第11項所述之聲音產生的控制方法，其中該步驟(b)包括：延遲該第一聲音訊號以進行預見處理；預測與該第一聲音訊號對應的揚聲器偏移，以作為一第一預測參數，該第一預測參數表示與該第一聲音訊號對應的該揚聲器的一預測偏移；決定該第一預測參數是否進入該揚聲器力因子或該揚聲器剛性之一非線性區域中，以回應該延遲的第一聲音訊號和該第一預測參數；以及當該第一預測參數進入該揚聲器力因子或該揚聲器剛性之該非線性區域中，產生以該延遲的第一聲音訊號、該第一預測參數和該第一偵測參數為基礎的該第二聲音訊號，以回應該延遲的第一聲音訊號和該增益值。
  14. 如申請專利範圍第11項所述之聲音產生的控制方法，更包括：產生一第二偵測參數，其中該第二偵測參數代表該揚聲器的一偵測溫度；以及 當該第二偵測參數表示該揚聲器的溫度增加，減少該增益值以控制該揚聲器的溫度。
  15. 如申請專利範圍第11項所述之聲音產生的控制方法，其中該步驟(a)包括：接收來自該揚聲器的至少一回授訊號並以數位形式輸出該至少一回授訊號；依據該揚聲器之一阻抗模型輸出該第一偵測參數，以回應以數位形式所輸出的該至少一回授訊號；以及依據該揚聲器的溫度與電阻之間的關係輸出一第二偵測參數，以回應該至少一回授訊號；其中在該步驟(c)中，依據該第一偵測參數和該第二偵測參數決定該增益值。
  16. 如申請專利範圍第11項所述之聲音產生的控制方法，其中若該第一偵測參數代表該揚聲器的偏移增加，減少該增益值以控制該揚聲器的偏移於該揚聲器的一最大偏移之下。
  17. 如申請專利範圍第11項所述之聲音產生的控制方法，更包括：偵測該第一聲音訊號的訊號位準和來自一增益單元的一處理後的聲音訊號的訊號位準；以及若該些訊號位準之一超過一門檻值時，調整一偏壓訊號的位準，其中該偏壓訊號用以供應給一放大器使用，該放大器耦接至用來重現聲音以回應該第三聲音訊號之該揚聲器。
  18. 如申請專利範圍第11項所述之聲音產生的控制方法，更包括：接收一參數，其中該參數代表與該揚聲器的一共振頻率對應的資訊；依據一逆補償特徵對一聲音輸入訊號進行濾波，其中該逆補償特徵代表以該揚聲器的一偏移轉換函數之逆轉換為基礎之一轉換函數，該轉換函數具有該揚聲器的該共振頻率；輸出以該濾過之聲音輸入訊號為基礎的該第一聲音訊號，其中該逆補償特徵具有與該揚聲器的該共振頻率對應的一最小值，又該第一聲音訊號就位元數來說比起該聲音輸入訊號實質上具有較大的動態餘量(headroom)；以及當該聲音輸入訊號具有與該揚聲器的該共振頻率接近的頻率分量時，降低該聲音輸入訊號以輸出該第一聲音訊號。
  19. 如申請專利範圍第18項所述之聲音產生的控制方法，更包括：使用代表與該揚聲器的該共振頻率對應的資訊的該參數以修改代表該逆補償特徵之該轉換函數。
  20. 一種可攜式裝置，包括：一處理單元，其中該處理單元輸出一聲音輸入訊號；一揚聲器；一放大器，耦接至該揚聲器；一控制裝置，耦接於該處理單元和該放大器之間，用以依據 該一第三聲音訊號利用該放大器以驅動該揚聲器，該控制裝置包括：一回授單元，耦接至該揚聲器，用以產生一第一偵測參數，該第一偵測參數代表該揚聲器的一偵測偏移；一補償單元，用以產生以該聲音輸入訊號為基礎的一第二聲音訊號，其中該第二聲音訊號是依據該第一偵測參數進行補償而選擇性地產生；以及一增益單元，耦接至該補償單元和該回授單元，用以依據該第一偵測參數決定一增益值並且依據該增益值產生以該第二聲音訊號為基礎的該第三聲音訊號。
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