本发明专利技术公开了一种基于多比特∑－Δ调制的全数字式扬声器系统装置。该装置包括：一Ａ／Ｄ转换器、一插值滤波器、一∑－Δ调制器、一动态失配整形器、一缓冲器和一扬声器阵列。本发明专利技术采用多比特∑－Δ调制技术实现了整个音频传输链路的全数字化，有效降低了扬声器系统的硬件实现成本和复杂度，便于实现系统的集成化，缩减系统体积和功耗，且本发明专利技术具有较好的局部声场控制能力，为语音的私密传输提供了一种较好的实现方式。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种数字式扬声器，特别涉及一种基于多比特Σ -Δ调制的全数字式 扬声器系统装置。
技术介绍
随着大规模集成电路和数字化技术的蓬勃发展，传统的模拟扬声器系统在功耗、 体积、重量和信号传输、存储、处理等方面的固有缺陷越来越明显，为了克服这些缺陷，扬声 器系统的研发逐渐向低功耗、小外形、数字化与集成化的方向发展。随着基于PWM调制技术 的class-AD型数字功放的出现，扬声器系统的数字化进程已经推进到功放环节，但是在数 字功放后级仍然需要借助体积较大、成本较高的高质量电感和电容进行无源的模拟低通滤 波操作来消除高频载波分量，以便解调出原模拟信号。为了缩减数字功放的体积和成本，实 现更高程度的集成化，目前国外多家芯片厂商已经出品了无需模拟LC滤波的class-BD型 数字功放芯片，以期望利用这些芯片实现真正的全数字式扬声器系统，但是这种功放芯片 所包含的PWM调制电路仍然属于模拟电路设计的范畴，仅通过高度集成化方式将原来模拟 元器件分离实现的PWM调制技术光刻在一块小尺寸硅片上，并没有达到真正意义上的全数 字化水平。除了 PWM调制技术的模拟实现外，美国专利(US 20060049889A1、 US20090161880A1)公开了 PWM调制技术的数字实现过程，并给出了基于PWM调制技术和 class-BD功放技术的全数字式扬声器系统的实现方法。但是这种基于PWM调制技术的全数 字式扬声器系统的实现方法有两个缺点①基于PWM调制技术的编码方式，因其调制结构 本身具有固有的非线性缺陷，这会造成编码信号在期望频带内产生非线性失真分量，如果 进一步采用线性化手段进行改善的话，其调制方式的实现难度和复杂度将会大幅度提高； ②鉴于硬件实现难度，PWM调制方式本身的过采样频率较低，一般在200KHz 400KHz的频 率范围内，这会使得编码信号的信噪比因受过采样率的限制而不能得到进一步提升。针对PWM调制技术在全数字式扬声器系统实现方面存在的非线性失真和过采样 速率较低的缺陷，并结合低功耗、小外形、数字化与集成化发展需求，因此，需要寻找性能优 异、实现简单的信号编码调制方式，以实现真正的全数字式扬声器系统装置。
技术实现思路
本专利技术的目的是克服现有PWM调制技术存在的非线性失真及过采样速率较低的 缺陷，并满足低功耗、小外形、数字化与集成化的发展需求，提出了基于多比特Σ -Δ调制 的全数字式扬声器系统装置。为了达到上述目的，本专利技术采取的技术方案如下一种全数字式扬声器装置，包括一 A/D转换器，用于将模拟输入音源信号转换为高比特PCM编码格式的数字信 号；一插值滤波器，与所述A/D转换器的输出端连接，用于对输入的低采样率PCM编码 信号按照过采样率进行信号插值操作，同时通过低通滤波操作滤除插值处理后信号的周期 性延拓的频谱成份；一Σ-Δ调制器，与所述插值滤波器的输出端连接，用于完成多比特Σ-Δ编码调 制和噪声整形处理；一动态失配整形器，与Σ -Δ调制器的输出端连接，用于削减由阵元之间频响差 异引起的编码误差；一差分型缓冲器，与所述动态失配整形器的输出端连接，用于增强输出端的负载 驱 动能力；一扬声器阵列，与所述差分型缓冲器的输出端连接，用于实现电声转换。优选地，Σ -Δ调制器按照现有Σ -Δ调制算法的信号处理流程，对插值滤波器2 输出的过采样信号进行噪声整形处理，将噪声能量推挤到音频带之外，保证了系统具有足 够高的带内信噪比。具体地，在硬件实现过程中，为了节约硬件资源，降低其实现代价，Σ -Δ调制 器通常会采用移位加法运算来代替常数乘法运算，并将Σ -Δ调制器所使用的参数用 CSD (Canonical Signed Digit)编码表不。进一步地，Σ -Δ调制器将Σ -Δ调制产生的N比特编码信号转换成为对应于2Ν 个传输通道上的等位权二元编码信号。优选地，动态失配整形器通过采用现有各种方式的阵元选择算法——像 DffA (Data-Weighted Averaging,数据力口权平均)>VFMS (Vector-Feedbackmismatch-shapin g，向量反馈失配整形)和TSMS(Tree-Structure mismatchshaping，树形结构失配整形)算 法，将由阵元之间频响差异引入的非线性谐波失真频谱进行整形操作，压低带内谐波失真 成份的强度，将其功率推挤到带外高频段，从而降低了带内的谐波失真强度，提高了 Σ -Δ 编码信号的音质。具体地，差分型缓冲器将动态失配整形器送入的单通道数字信号转换成为双通道 差分输出信号，从而消除了通道上的共模噪声分量，提高了输出信号音质。优选地，扬声器阵列的阵元由动圈式扬声器或压电式扬声器单元按照一定的阵列 布放方式组成。具体地，扬声器阵列所产生的空间辐射声场的分布情况受不同的阵列空间布放方 式、不同的Σ -Δ调制比特位数所影响，随着阵列孔径加大以及由调制比特位数增大所带 来的阵元数增多，其所产生空域辐射声场的方向性会变明显，在阵列对称轴附近的局部区 域内具有最好的音质和最大声压，逐渐偏离最佳区域，其辐射声场的音质会逐渐变差、声压 会逐渐变小。在阵列具有较大孔径尺度的情况下，该阵列具有较为明显的声场控制效果， 并且其声场控制效果与常规的线阵列波束形成不同，因为该系统的各阵元通道所辐射的信 号都是音源信号的部分比特位信息，而常规波束形成的各阵元辐射信号都是音源信号的副 本，正因为该系统各阵元辐射信号的信息量不同，使得该系统所产生的声场在空间上不仅 仅存在声压幅度的大小变化，而且还存在着谐波失真、可懂度及音质水平方面的大小变化。与现有技术相比，本专利技术的优点在于采用多比特Σ -Δ调制技术将高比特的PCM 编码的音源信号转换为低比特的Σ -Δ编码信号，有效降低了扬声器系统的硬件实现成本和复杂度，并实现了整个音频传输链路的全数字化，便于进行系统的集成化，缩减了系统的 体积和功耗；同时，通过采用动态失配整形算法，消减了因阵元之间频响差异引入的非线性 谐波失真强度，提升了系统音质水平；此外，还可以通过安排合理的阵列布放方式，来使扬 声器系统装置具有较好的局部声场控制能力，并且其所产生的声场控制效果与常规的阵列 波束形成不同，其所产生的声场在空间上不仅仅存在声压幅度的大小变化，而且还存在着 谐波失真、可懂度及音质水平方面的大小变化，这为语音的私密传输提供了一种较好的实 现方式。附图说明图1表示本专利技术的全数字扬声器系统装置各组成模块的示意图；图2表示本专利技术的Σ -Δ调制器的信号处理流程图；图3表示本专利技术的动态失配整形器的信号处理流程图；图4表示本专利技术的扬声器阵列尺寸图；图5表示本专利技术的扬声器阵列与传声器的位置布放示意图；图6表示本专利技术的动态失配整形器的测试效果图；图7表示本专利技术的制作系统装置的幅频响应曲线图；图8表示本专利技术所作系统装置的总谐波失真曲线图；图9表示本专利技术的8元线阵列布放示意图；图10表示本专利技术的8元线阵列产生的空域声场幅度分布图；图11表示本专利技术的8元线阵列在θ = 0度、φ从-90度到+90度变化各方位上 的声场幅度变化曲线；图12表示本专利技术的8元线阵列所产生声场信号在空间各位置上的总谐波失真分 布图；图11表示本专利技术的8元线阵列在θ = 0本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种全数字式扬声器装置，其特征在于包括：一用于将模拟输入音源信号转换为高比特ＰＣＭ编码格式数字信号的Ａ／Ｄ转换器（１）；一用于升采样操作的插值滤波器（２），该插值滤波器的输入端与所述Ａ／Ｄ转换器（１）的输出端连接；一用于完成多比特∑－Δ编码调制和噪声整形的∑－Δ调制器（３），该∑－Δ调制器（３）的输入端与所述插值滤波器（２）的输出端连接；一用于削减由阵元之间频响一致性差异所引起的非线性失真的动态失配整形器（４），该动态失配整形器（４）的输入端与∑－Δ调制器（３）的输出端连接；一用于增强输出端负载驱动能力的差分型缓冲器（５），该差分型缓冲器（５）的输入端与所述动态失配整形器（４）的输出端连接；一用于实现电声转换的扬声器阵列（６），所述扬声器阵列（６）与所述差分型缓冲器（５）的输出端连接。
【技术特征摘要】
一种全数字式扬声器装置，其特征在于包括一用于将模拟输入音源信号转换为高比特PCM编码格式数字信号的A/D转换器(1)；一用于升采样操作的插值滤波器(2)，该插值滤波器的输入端与所述A/D转换器(1)的输出端连接；一用于完成多比特∑ Δ编码调制和噪声整形的∑ Δ调制器(3)，该∑ Δ调制器(3)的输入端与所述插值滤波器(2)的输出端连接；一用于削减由阵元之间频响一致性差异所引起的非线性失真的动态失配整形器(4)，该动态失配整形器(4)的输入端与∑ Δ调制器(3)的输出端连接；一用于增强输出端负载驱动能力的差分型缓冲器(5)，该差分型缓冲器(5)的输入端与所述动态失配整形器(4)的输出端连接；一用于实现电声转换的扬声器阵列(6)，所述扬声器阵列(6)与所述差分型缓冲器(5)的输出端连接。2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于所述插值滤波器(2)按照过采样率对A/ D转换器(1)输出的数字信号进行内部插值处理后，再进行滤波操作，将其带外周期性延拓 部分的频谱滤除。3.根据权利要求1...
【专利技术属性】
技术研发人员：马登永，杨军，周建明，柴国强，
申请(专利权)人：苏州上声电子有限公司，
类型：发明
国别省市：32[中国|江苏]
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