扬声器输出控制

摘要

一种扬声器驱动电路，包括：信号路径压缩器/限制器(12)，用于在时域中实现对峰均幅度比的改变。前馈控制回路测量控制回路压缩器/限制器(20)或信号路径压缩器/限制器(12)的输出处信号的声音质量，并且还基于基于控制回路压缩器/限制器(20)的输出处的信号来估计扬声器行程。基于声音质量度量和行程估计来控制信号路径压缩器/限制器。本发明提供了一种通过调节压缩器/限制器的特性来使扬声器的声音输出最大化的方法，约束条件是音频质量保持可接受并且隔膜移位不超过一定阈值。

权利要求

1.一种扬声器驱动电路，包括：

信号路径压缩器/限制器（12），用于在时域中实现对峰均幅度比的改变；

前馈控制回路，包括：

与信号路径压缩器/限制器相对应的控制回路压缩器/限制器（20）；

用于对控制回路压缩器/限制器（20）或信号路径压缩器/限制器（12）的输出处信号的质量度量进行计算的单元（18）；

用于基于控制回路压缩器/限制器（20）的输出处的信号来估计扬声器行程的行程预测单元（22）；

用于基于质量度量和行程估计来控制信号路径压缩器/限制器（12）的控制器（28）。

2.根据权利要求1所述的电路，其中，信号路径压缩器/限制器（12）被适配为施加可变增益并实现可控动态范围限制功能。

3.根据权利要求1所述的电路，其中，信号路径压缩器/限制器（12）包括可变增益单元和限幅单元。

4.根据任一前述权利要求所述的电路，还包括输入滤波器（11）。

5.根据权利要求4所述的电路，其中，输入滤波器（11）实现以下操作中的一个或多个操作：在扬声器的声音输出中去除与一个或多个谐振峰值相对应的频率分量；

高通滤波；

增强较低的频率；

校正预期的低效率，其中扬声器以所述低效率来再现低频。

6.根据权利要求4所述的电路，其中，输入滤波器（11）由控制器（28）来控制。

7.根据权利要求1所述的电路，其中，用于计算质量度量的单元（18）包括：用于将控制回路压缩器/限制器或信号路径压缩器/限制器（20，12）之前的信号与控制回路压缩器/限制器或信号路径压缩器/限制器（20，12）之后的信号相比较的装置。

8.根据权利要求1所述的电路，其中，用于计算质量度量的单元（18）包括：用于对信号路径中存在的非线性效应进行建模的模块。

9.一种扬声器系统，包括如任一前述权利要求所述的电路以及扬声器（16）。

10.一种便携式设备，包括如权利要求9所述的扬声器系统。

11.根据权利要求10所述的便携式设备，包括移动电话（30）。

12.一种处理音频输入信号以得到扬声器驱动信号的方法，包括：使用信号路径压缩器/限制器（12）在时域中实现对音频输入信号的峰均幅度比的改变；

在前馈控制回路内执行以下操作，所述前馈控制回路包括与信号路径压缩器/限制器相对应的控制回路压缩器/限制器（20）：计算控制回路压缩器/限制器（20）或信号路径压缩器/限制器（12）的输出处信号的质量度量；

基于控制回路压缩器/限制器（20）的输出处的信号来估计扬声器行程；以及基于质量度量和行程估计来控制信号路径压缩器/限制器（12）。

13.根据权利要求12所述的方法，其中，使用信号路径压缩器/限制器（12）包括：施加可变增益并实现可控动态范围限制功能。

14.根据权利要求12或13所述的方法，还包括在将音频输入信号施加到信号路径压缩器/限制器之前对音频输入信号进行滤波，以执行以下操作：在扬声器的声音输出中去除与一个或多个谐振峰值相对应的频率分量，和/或执行高通滤波，和/或增强较低的频率，和/或

校正预期的低效率，其中扬声器以所述低效率来再现低频。

15.根据权利要求14所述的方法，其中，由前馈控制回路来控制滤波。

说明书

扬声器输出控制

技术领域

[0001] 本发明涉及对扬声器输出的控制。

背景技术

[0002] 扬声器发生故障的一个重要原因是在扬声器隔膜(diaphragm)位移超出一定极限时产生的机械缺陷，该极限通常由制造商提供。超出该位移极限或者立即破坏扬声器，或者可能极大地缩短扬声器的预期寿命。

[0003] 此外，既使用小扬声器又需要高声音输出意味着需要响度(loudness)最大化方法，但是提高了超过隔膜位移极限(也称作“锥形行程(cone excursion)”极限)的风险。

[0004] 存在若干限制扬声器隔膜位移的方法，这些方法可以分为三类。

[0005] (i)第一类包括用可变截止(cut-off)滤波器(高通滤波器或其他滤波器)来处理输入信号的方法，其中经由反馈回路来控制这些可变截止滤波器的特性。所测量的控制信号称作位移预测值。

[0006] (ii)第二类包括也使用位移预测值但是将该位移预测值反馈到输入信号中的方法。

[0007] (iii)第三类包括用具有可调节增益的带通滤波器组对信号进行处理使得可以(通过仅使引起最多行程的频段衰减)防止过度行程的方法。

[0008] 第三类方法使用前馈策略。在这种前馈方法中还提出了对倾斜(shelving)滤波器的使用(在US 7372966中)，其中，以前馈的方式经由位移预测值来控制所述倾斜滤波器，使用扬声器模型对信号进行预处理然后将信号发送至放大器/扬声器。

[0009] US 6201873描述了一种用于防止过度音频失真(主要由锥形行程引起)或将扬声器驱动到最大值(驱动到最大锥形行程)的装置。该装置使用锥形行程传递函数(或最大电压传递函数)模块，该模块的输出用于控制输入处的可变增益。US 6,201,873建议使用传递函数来给出引起刚好可接受的失真的最大电压，这是在不引起过度失真的情况下每频率可施加的最大电压。所考虑的失真是由于过度锥形位移而引起的失真(不考虑转换器和放大器中的失真)。

[0010] 这是前馈系统的另一示例，该前馈系统使用滤波器，所述滤波器具有与扬声器的行程对频率关系相匹配的频率响应。因此，这还实现了锥形位移预测。压缩器被控制为基于滤波器所作的频率分析来提供所需量的衰减，使得以频率相关的方式来控制增益。针对给定频率的增益控制是线性函数。

发明内容

[0011] 本发明涉及一种前馈处理方法，该方法具有的优点是：不需要反馈测量信号，并且与由于反馈网络而具有少量延迟的情况相反，扬声器预测是即时的。

[0012] 本发明的目的是增强扬声器输出信号，而同时保持扬声器输出与数字输入信号相类似(但不一定相同)。因此，本发明基于以下认识：扬声器保护应当考虑音频质量，而不是仅仅防止过度锥形行程。

[0013] 根据本发明，提供了一种扬声器驱动电路，包括：

[0014] 信号路径压缩器/限制器，用于在时域中实现对峰均幅度比的改变；

[0015] 前馈控制回路，包括：

[0016] 与信号路径压缩器/限制器相对应的控制回路压缩器/限制器；

[0017] 用于对控制回路压缩器/限制器的输出处信号的质量度量进行计算的单元；

[0018] 用于基于控制回路压缩器/限制器的输出处的信号来估计扬声器行程的锥形行程预测单元；

[0019] 用于基于质量度量和锥形行程估计来控制信号路径压缩器/限制器的控制器。

[0020] 本发明提供了一种通过调节压缩器/限制器的特性来使扬声器的声音输出最大化的方法，约束条件是音频质量保持可接受并且隔膜位移不超过一定阈值。压缩器/限制器改变信号的波峰因数(峰均幅度比)，从而可以提高响度而不增大峰值幅度。

[0021] 本发明使用自适应压缩器/限制器来使扬声器的声音输出最大化并限制隔膜位移，而不是进行线性滤波。本发明的目的在于使声音输出最大化并限制隔膜位移，而不是仅仅限制隔膜位移。

[0022] 本发明使用压缩器和限制器的组合(例如，具有包括增益和限幅等级在内的控制参数)。在锥形位移的估计中考虑该压缩器/限制器的传递函数，使得在前馈控制回路中考虑该非线性操作。控制回路包括对音频质量的评估，其中基于对数字信号的数字操作所引起的失真而不是仅基于行程来计算所述音频质量的评估。质量度量可以考虑数字路径中存在的预期或测量的非线性效应(如，由于放大器或扬声器而引起的非线性效应)。

[0023] 压缩器/限制器具有在时域起作用的非线性传递函数(不能仅使用滤波来实现)。该函数的自适应性限制了失真的量并防止对扬声器造成破坏。

[0024] 这样，可以使扬声器的声音输出最大化而同时保持可接受的音频质量，同时将隔膜位移限制到安全限。

[0025] 信号路径压缩器/限制器优选地被适配为施加可变增益并实现可控动态范围限制功能。例如，路径压缩器/限制器可以包括可变增益单元和限幅单元。可以基于质量分析和行程分析来(可能地，以不同的响应时间)改变可变增益单元和限幅单元这两者。

[0026] 该电路还可以包括输入滤波器，例如用于实现以下操作中的一个或更多个操作：

[0027] 在扬声器的声音输出中去除与谐振峰值相对应的频率分量；

[0028] 高通滤波；

[0029] 增强较低的频率；

[0030] 校正低效率，其中扬声器以所述低效率来再现低频。

[0031] 控制器可以控制输入滤波器以基于前馈控制回路来提供自适应滤波。

[0032] 用于计算质量度量的单元可以包括：用于将控制回路压缩器/限制器之前的信号与控制回路压缩器/限制器之后的信号相比较的装置。用于计算质量度量的单元还可以包括：用于将信号路径压缩器/限制器之前的信号与信号路径压缩器/限制器之后的信号相比较的装置。用于计算的单元可以包括：用于对信号路径中存在的可能非线性效应(如，由于放大器或扬声器而引起的非线性效应)进行建模的模块。

[0033] 本发明还提供了一种便携式设备，包括本发明的扬声器和控制电路。该便携式设备可以例如包括移动电话。

[0034] 本发明还提供了一种处理音频输入信号以得到扬声器驱动信号的方法，包括：

[0035] 使用信号路径压缩器/限制器在时域中实现对音频输入信号的峰均幅度比或波峰因数的改变；

[0036] 在前馈回路内执行以下操作：

[0037] 使用与信号路径压缩器/限制器相对应的控制回路压缩器/限制器；

[0038] 计算控制回路压缩器/限制器或信号路径压缩器/限制器的输出处信号的质量度量；

[0039] 基于控制回路压缩器/限制器的输出处的信号来估计扬声器锥形行程；以及[0040] 基于质量度量和行程估计来控制信号路径压缩器/限制器。

附图说明

[0041] 现在将参考附图详细地描述本发明的示例，附图中：

[0042] 图1示出了本发明的扬声器系统；以及

[0043] 图2示出了移动电话，在该移动电话中可以实现扬声器系统。

具体实施方式

[0044] 本发明提供了一种使用压缩器(compressor)/限制器(limiter)的扬声器驱动电路。前馈控制回路具有与信号路径压缩器/限制器相对应的控制回路压缩器/限制器。确定控制回路或信号路径压缩器/限制器的输出处信号的质量度量以及所估计的扬声器行程(excursion)，其中，所述信号路径压缩器/限制器后面可以跟随用于对信号路径中的非线性效应(如，由于放大器或扬声器而引起的非线性效应)进行建模的模块。基于声音质量测量和锥形行程估计来控制信号路径压缩器/限制器。

[0045] 本发明的系统基于音频质量和隔膜位移来调节压缩器/限制器的特性以及可以调节滤波操作的特性。

[0046] 可以认为该系统的目的是在扬声器的输出处获得尽可能大的声压级(sound pressure level，SPL)，而同时保持可接受的音频质量而不破坏扬声器。

[0047] 图1中示出了本发明的系统。(数字)输入信号10由滤波器11进行滤波，并发送至压缩器/限制器12。将该信号(在转换到模拟域之后)发送至与扬声器16相连的放大器14。系统具有前馈控制回路，所述前馈控制回路包括与信号路径压缩器/限制器12相对应的控制回路压缩器/限制器20。这是指压缩器/限制器20实现了非线性函数，该非线性函数可以用于确定压缩器/限制器12的函数的效应。压缩器/限制器12和20可以是相同的部件，但这并不是必须的。例如，可以利用压缩器/限制器12的简化形式来预测信号路径压缩器/限制器12对前馈路径中正在监控的参数(音频质量和锥形行程)的效应。

[0048] 压缩器/限制器将以下将说明的两个功能相结合。

[0049] 压缩涉及使用可变增益来限制动态范围(这可以是慢效应(sloweffect))，可以认为这与自动音量控制相类似。

[0050] 限制动态范围涉及例如通过硬或软限幅(clipping)来即时地(或非常快速地)限制幅度。

[0051] 压缩器与限制器之间的区别并不明确，但是与效应的快慢和严重程度有关。

[0052] 因此，压缩器/限制器可以包括可变增益元件(前面可以连接线性滤波器)及其后面连接的用于限制信号幅度的快速或瞬时限制器。限制器实现了时域中的非线性操作(如，限幅)。

[0053] 监控两个标准以适配压缩器/限制器的特性，这两个标准均以前馈的方式来计算(即，都是从输入信号得到的)：

[0054] (i)音频质量(Q)应当是可接受的；

[0055] (ii)扬声器隔膜位移或锥形行程(X)不应超过最大允许水平。

[0056] 可以以缓慢适配结合快速适配为基础，来调节压缩器/限制器的特性(以及可以调节滤波操作)，其中，缓慢适配用于确保足够的音频质量和用户定义的平均锥形行程，快速适配用于确保不超过最大可允许隔膜位移。

[0057] 滤波器11的滤波操作用于去除扬声器声音输出中不期望的谐振峰值，然而这种前置滤波不是必须的。由于扬声器和/或箱体(enclosure)的谐振频率，扬声器的传递函数(从输入信号传递到声音输出，是频率的函数)可以呈现出一个或多个幅度峰值。减小这些谐振峰值可以使频率响应“平坦”并创建可以用于增大输入信号的净空。

[0058] 滤波操作还可以包括高通滤波器，用于去除由扬声器以非常低的效率再现的频率。

[0059] 滤波操作可以包括增强(boost)或校正较低频率以补偿扬声器的声音输出的高通特性，所述高通特性是由于扬声器再现低频的低效率而引起的。实际上，在典型的扬声器中，扬声器谐振频率以下的频率的声音输出低于谐振频率以上的频率的声音输出。例如，对于闭箱式扬声器(closed-box speaker)配置，声音输出具有低频滚降(roll-off)，所述低频滚降对于谐振频率以下的频率遵循二次高通滤波器特性。可以将该低频滚降向下校正至用户定义的频率下限，代价是附加的隔膜位移。

[0060] 校正所需的操作(不限于闭箱式配置)可以被公式化为如下滤波操作：

[0061] s(t)＝x(t)*hcorrection(t)(1)

[0062] ＝x(t)*(1+γadd·hadd (t))，(2)

[0063] 其中x(t)是输入信号，*表示表示卷积，hcorrcction(t)是校正所需的滤波器的冲激响应，γadd是控制校正量的增益。hadd(t)是产生“校正”信号的滤波器的冲激响应，所述“校正”信号即是与原始信号x(t)相加以获得已校正信号s(t)的信号。可以利用hadd(t)和γadd、校正的特性(例如，将校正执行到下至哪个频率)及其增益来控制校正操作。

[0064] 滤波操作可以实现上述任何功能的组合。

[0065] 术语压缩器/限制器是指改变信号的波峰(crest)因数(即，峰均幅度比(peak-to-mean amplitude ratio))的任何模块。示例是放大之后使非线性度饱和(例如，sigmoid函数或硬限制器)。这可以引起信号功率的提高而不增大最大信号幅度，进而可以在扬声器的输出处产生增大的声压级。

[0066] 压缩器/限制器的特性是自适应的。

[0067] 在图1中的控制回路压缩器/限制器20或信号路径压缩器/限制器12的输出处已压缩信号的音频质量可以通过将已压缩信号与未压缩的信号相比较来估计。因此，如图1所示，将未压缩的音频信号s提供给质量监控模块18。在图1中，质量监控模块以控制回路压缩器/限制器的输出作为输入，但是也可以使用信号路径压缩器/限制器的输出作为输入。这两种布置仍然是前馈方法，因为已压缩的信号用于对输出的适配加以控制，而不是用于计算当时的输出。

[0068] 质量度量可以基于心理声学模型或简单的基于失真的模型。其可以包括用于对信号路径中存在的可能非线性效应(例如，由于放大器或扬声器而引起的非线性效应)进行建模的模块。本领域技术人员已知多种可能性。

[0069] 质量度量的示例是原始信号(以来自压缩器/限制器的预期增益进行缩放)与已压缩信号之间的均方误差。

[0070] 可以根据扬声器来定义音频质量阈值。实际上，较低质量的扬声器在音频质量变得不可接受之前可以允许较高程度的失真。

[0071] 可以根据扬声器的模型来确定隔膜位移(也称作锥形行程)，所述扬声器模型的参数可以在线或离线方式来估计，或者所述参数可从设计中获知。

[0072] 使用由控制模块提供的特性，针对压缩器/限制器之后的信号来预测行程。

[0073] 为此，前馈路径包括与信号路径压缩器/限制器相对应的压缩器/限制器20，所述压缩器/限制器20在锥形行程预测单元22之前。这样，在锥形行程预测中考虑了压缩器/限制器的影响。因此，针对当前(已压缩)输入信号预测锥形行程，使得可以以前馈的方式没有延迟地执行控制。行程的计算可以是迭代的过程(由于非线性)，控制回路压缩器/限制器用于该迭代过程，使得信号路径不受该过程干扰。

[0074] 控制机制可以将缓慢适配与快速适配相结合。

[0075] 如果音频质量在一定阈值以上，则缓慢适配可以提高压缩等级，否则缓慢适配可以降低压缩等级。如果预期的锥形行程超过了最大允许限制，则快速适配可以快速地改变压缩函数。确定所需的压缩特性以限制所需的锥形行程可以包括迭代过程，这是因为压缩器/限制器实现了非线性操作。该迭代过程由从控制模块28到压缩器/限制器20的虚线24来表示，其中压缩器/限制器20在行程预测器22之前。

[0076] 控制机制可以可选地控制滤波操作，同样如图1所示(虚线26)。这可以通过改变高通滤波器的截止频率来允许更大的带宽。在这种情况下，选择在提高的带宽和提高的压缩等级之间的权衡。

[0077] 控制机制可以可选地控制低频校正，使得通过修改hadd(t)来增大或减小带宽。

[0078] 控制机制可以可选地控制固定低频校正的增益γadd。在这种情况下，可以在第一步骤中限制低频校正，如果这是不够的，就限制压缩等级。

[0079] 系统还包括图1中未示出的数模转换器，作为扬声器驱动系统的一部分。可以在DSP或微控制器上实现主要处理。

[0080] 可以从存储器中获取输入10处的源信号，或者可以将源信号经由模数转换器(ADC)输入至DSP或微控制器中。

[0081] 本发明可以用于使声音再现系统的响度最大化，而同时保护扬声器。一种重要的应用在通常采用低质量的扬声器但是需要高声音输出的移动电话中。

[0082] 图2示出了移动电话30，该移动电话30包括本发明的扬声器系统32。

[0083] 本领域技术人员可以想到各种修改。