一種數字化超指向性揚聲器系統技術方案

本發明專利技術涉及一種基于多比特∑-Δ調制的全數字化超指向性揚聲器系統。該系統包括：一音源、一數字輸入接口、一載波調制器、一插值濾波器、一∑-Δ調制器、一溫度計編碼器、一動態失配整形器、一多通道數字功放和一超聲換能器陣列。本發明專利技術實現了系統信號傳輸鏈路的全數字化，便于進行高度集成化設計，縮減了系統體積、功耗，降低系統制作復雜度和成本，提高了系統電聲轉換效率，具有極低的電磁輻射水平同時也具有較好的抗干擾能力，系統能夠很好的降低解調聲源信號的諧波失真水平，大幅度提升傳送信息的可懂度及音質水平。本發明專利技術具有較好的聲場控制能力，為語音的私密傳輸提供了一種較好的實現方式，同時能夠更好的適合數字化網絡化的發展需求。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及一種數字化超指向性揚聲器系統，特別涉及一種基于多比特Σ -Δ調制的全數字化超指向性揚聲器系統。
技術介紹
超指向性揚聲器是通過幅度或頻率調制方式將音頻可聽聲信號加載到超聲載波的幅度或頻率參量上，從而形成調制波信號；再依靠功放電路驅動超聲換能器將這種調制波信號輻射到空氣中，依靠超聲波在空氣中傳播所產生的非線性自解調特性，產生超指向性的音頻可聽聲。美國專利(US20040114770A1、US006052336A、US7596229B2)公開了基于幅度調制的超指向性揚聲器的基本信號處理算法和系統的實現過程。美國專利(US7146011B2)提出了基于零階貝塞爾函數的加權方法，以合成出具有貝塞爾分布的聲源，并通過延時控制方式實現超指向性聲束的空間導向性。美國專利(US20050207590)提出了一種基于動態誤差補償和頻率特性線性化的超指向性揚聲器系統實現方法，以改善音頻可聽聲的音質水平。美國專利(US20020146138A1、US20050220311A1)公開了基于多子帶調制的超指向性揚聲器系統的實現過程，將音頻可聽聲頻帶分割成多個子頻帶，在每個子帶上按照幅度或頻率調制方式進行各自獨立的載波調制，然后，將各子帶上調制波通過其子帶對應的換能器陣列輻射出來?，F有的這些關于超指向性揚聲器系統的專利，都是針對超指向性揚聲器系統在載波調制、通道頻響均衡和波束導向性方面，按照常規的PCM編碼方式實現相應的數字信號處理算法；然后，將處理后PCM編碼信號直接或經過數模轉換后送至基于PWM調制技術的class-D型數字功放進行調制信號的功率放大；最后，經過模擬低通LC濾波器，將PWM調制信號還原成模擬的調制波信號，以驅動超聲換能器陣列進行聲波輻射。目前，這種基于PCM編碼的數字信號處理和基于PWM調制技術的功率放大過程，已經將超指向性揚聲器系統的數字化進程推進到功放環節，但是在數字功放后級仍然需要借助體積較大、成本較高的高質量電感和電容進行模擬低通濾波操作來消除高頻的PWM載波分量，從而解調出調制波信號。由于在數字功放后級仍然存在著模擬低通LC濾波處理，使得最終的換能器負載仍處于模擬工作狀態，系統整個信號傳輸鏈路中仍然存在著模擬信號成份，未能夠實現整個系統的全數字化信號傳輸鏈路。而現有超指向性揚聲器系統中所存在的模擬傳輸鏈路，會導致系統在功耗、體積、重量和信號傳輸、存儲、處理等方面的固有缺陷越來越明顯。隨著大規模集成電路和數字化技術的蓬勃發展，超指向性揚聲器系統也迫切需要向低功耗、小外形、數字化與集成化的方向發展，這迫切要求將超指向性揚聲器系統數字化的進程推進到換能器環節，從而將超聲換能器陣列納入到信號編碼流程，實現換能器陣列的數字化，以便于整個系統完成全數字化的信號傳輸鏈路。另外，現有超指向性揚聲器系統在功放環節所采用的PWM編碼調制方式本身存在著三個缺點:①基于PWM調制技術的編碼方式，因其調制結構本身具有固有的非線性缺陷，這會造成編碼信號在期望頻帶內產生非線性失真分量，如果進一步采用線性化手段進行改善的話，其調制方式的實現難度和復雜度將會大幅度提高鑒于硬件實現難度，PWM調制方式本身的過采樣頻率較低，一般在200KHz 400KHz的頻率范圍內，這會使得編碼信號的信噪比因受過采樣率的限制而不能得到進一步提升。③現有的基于PWM調制的數字化超指向性揚聲器系統，在空氣所解調出的聲源信號中具有十分豐富的諧波失真分量，造成聲源信號的音質水平較差、傳送信息的可懂度明顯下降。另外，這種基于200KHZ 400KHZ采樣頻率的PWM調制方式，其本身也存在著較高頻率的高次諧波分量，這些高次諧波分量會對其周圍的其他電氣設備產生電磁干擾影響。針對PWM調制技術本身所存在的非線性失真和過采樣速率較低的缺陷，并結合超指向性揚聲器系統全數字化信號傳輸鏈路的發展需求，因此，需要尋找性能優異、實現簡單的信號編碼調制方式，以實現全數字化超指向性揚聲器系統。
技術實現思路
本專利技術的目的是，克服現有PWM調制技術存在的非線性失真及過采樣速率較低的缺陷，并滿足超指向性揚聲器系統全數字化信號傳輸鏈路的發展需求，提出了基于多比特Σ -Δ調制的全數字化超指向性揚聲器系統。為了達到上述目的，本專利技術采取的技術方案如下:一種全數字化超指向性揚聲器系統，包括:一音源，與所述數字輸入接口的輸入端連接，包含了用戶所需要播放的聲音信息；一數字輸入接口，與所述音源的輸出端連接，用于將原始音源信號轉換成位寬為N的高比特PCM編碼格式的數字信號；一載波調制器，與所述數字輸入接口的輸出端連接，用于將音源信號按照幅度或者頻率調制方式加載到超聲載波上，形成調制波信號；一插值濾波器，與載波調制器的輸出端連接，用于對輸入的低采樣率PCM編碼信號按照過采樣因數進行信號插值操作，同時通過低通濾波操作濾除插值處理后信號的周期性延拓的頻譜成份；一Σ -Δ調制器，與所述插值濾波器的輸出端連接，用于完成多比特Σ -Δ編碼調制和噪聲整形處理，將原來字長為N的高比特PCM編碼信號轉換成位寬為M (M < N)的低比特PCM編碼信號，從而將調制波信號編碼為M位的PCM碼；一溫度計編碼器，與所述Σ -Δ調制器的輸出端連接，用于將字長為M的低比特PCM編碼信號轉換成字長為2M的溫度計編碼，從而將調制波信號又變換為字長為2M的溫度計編碼；一動態失配整形器，與所述溫度計編碼器的輸出端連接，用于消除由陣元之間頻響差異產生的高次諧波失真分量，經過動態失配整形器后，編碼信號中存在的高次諧波失真分量得到了很大程度的消減抑制；一多通道數字功放，與所述動態失配整形器的輸出端連接，用于對動態失配整形處理后的溫度計編碼進行功率放大，從而達到驅動多路換能器負載的能力；一超聲換能器陣列，與所述多通道數字功放的輸出端連接，用于實現電聲轉換，將調制波信號輻射到空氣中。在上述技術方案中，所述音源1，可以為模擬信號或者數字編碼信號，可以來自于各種模擬裝置所產生的模擬音源信號，也可以是各種數字裝置所產生的數字編碼信號。在上述技術方案中，所述數字輸入接口 2，可以包含模數轉換器、USB、LAN、COM等數字接口電路和接口協議程序，能夠與現有的數字接口格式相兼容，通過這些接口電路和協議程序，所述全數字化超指向性揚聲器系統能夠靈活方便的與其他裝置設備進行信息的交互與傳遞；同時，經過數字輸入接口 2處理后，原來的輸入的模擬或者數字音源信號轉換為字長為N的高比特PCM編碼信號。在上述技術方案中，所述載波調制器3，可以按照幅度調制方式，產生雙邊帶或者單邊帶調幅波；也可以按照頻率調制方式，產生全頻帶或者各子帶的調頻波，從而將音源信息加載到超聲載波的幅度或者頻率參量上，完成了音源信息的調制處理。在上述技術方案中，所述Σ -Δ調制器5，按照現有各種Σ -Δ調制器的信號處理結構-像高階單級(Higher-Order Single-Stage)調制器結構或者多級(Mult1-Stage (Cascade, MASH))并行的調制器結構,對插值濾波器4輸出的過采樣信號進行噪聲整形處理，將噪聲能量推擠到音頻帶之外，保證了系統具有足夠高的帶內信噪比。在上述技術方案中，所述Σ -Δ調制器5，在硬件實現過程中，為了節約硬件資源，降低其實現代價，本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種基于多比特∑?Δ調制的全數字化超指向性揚聲器系統，其特征在于，包括：一音源(1)，用于提供用戶所需要播放的聲音信息；一數字輸入接口(2)，與所述音源(1)的輸出端連接，將原始的音源信號轉換成字長為N的高比特PCM編碼格式的數字信號；一載波調制器(3)，與所述數字輸入接口(2)的輸出端連接，用于將音源信號按照幅度或者頻率調制方式加載到超聲載波上，形成調制波信號；一插值濾波器(4)，與載波調制器(3)的輸出端連接，用于對輸入的低采樣率PCM編碼信號按照過采樣因數進行信號插值操作，同時，通過低通濾波操作濾除插值處理后信號的周期性延拓的頻譜成份；一∑?Δ調制器(5)，與所述插值濾波器(4)的輸出端連接，用于完成多比特∑?Δ編碼調制和噪聲整形處理，將原來字長為N的高比特PCM編碼信號轉換成字長為M(M＜N)的低比特PCM編碼信號；一溫度計編碼器(6)，與所述∑?Δ調制器(5)的輸出端連接，用于將字長為M的低比特PCM編碼信號轉換成字長為2M的溫度計編碼；一動態失配整形器(7)，與所述溫度計編碼器(6)的輸出端連接，用于消除由陣元之間頻響差異產生的高次諧波失真分量；一多通道數字功放(8)，與所述動態失配整形器(7)的輸出端連接，用于對動態失配整形處理后的溫度計編碼進行功率放大，達到驅動多路換能器負載的能力；一超聲換能器陣列(9)，與所述多通道數字功放(8)的輸出端連接，用于實現電聲轉換，將調制波信號輻射到空氣中。...

【技術特征摘要】
1.一種基于多比特Σ -Δ調制的全數字化超指向性揚聲器系統，其特征在于，包括: 一音源(I)，用于提供用戶所需要播放的聲音信息； 一數字輸入接口(2)，與所述音源(I)的輸出端連接，將原始的音源信號轉換成字長為N的高比特PCM編碼格式的數字信號； 一載波調制器(3)，與所述數字輸入接口(2)的輸出端連接，用于將音源信號按照幅度或者頻率調制方式加載到超聲載波上，形成調制波信號； 一插值濾波器(4)，與載波調制器(3)的輸出端連接，用于對輸入的低采樣率PCM編碼信號按照過采樣因數進行信號插值操作，同時，通過低通濾波操作濾除插值處理后信號的周期性延拓的頻譜成份； 一Σ -Δ調制器(5)，與所述插值濾波器(4)的輸出端連接，用于完成多比特Σ -Δ編碼調制和噪聲整形處理，將原來字長為N的高比特PCM編碼信號轉換成字長為M (Μ < N)的低比特PCM編碼信號； 一溫度計編碼器(6)，與所述Σ -Δ調制器(5)的輸出端連接，用于將字長為M的低比特PCM編碼信號轉換成字長為2Μ的溫度計編碼； 一動態失配整形器(7)，與所述溫度計編碼器(6)的輸出端連接，用于消除由陣元之間頻響差異產生的高次諧波失真分量； 一多通道數字功放(8)，與所述動態失配整形器(7)的輸出端連接，用于對動態失配整形處理后的溫度計編碼進行功率放大，達到驅動多路換能器負載的能力； 一超聲換能器陣列(9)，與所述多通道數字功放(8)的輸出端連接，用于實現電聲轉換，將調制波信號輻射到空氣中。2.根據權利要求1所述的全數字化超指向性揚聲器系統，其特征在于，所述音源(I)為模擬信號或者數字編碼信號。3.根據權利要求1所述的全數字化超指向性揚聲器系統，其特征在于，所述數字輸入接口(2)，包含:模數轉換器、USB、LAN和COM，與現有的數字接口格式相兼容，并將原始音源信號轉換為字長為N的高比特PCM編碼信號。4.根據權利要求1所述的全數字化超指向性揚聲器系統，其特征在于，所述載波調制器(3)按照幅度調制方式產生雙邊帶或者單邊帶調幅波、或按照頻率調制方式產生全頻帶或者各子帶的調頻波，并將音源信息加載到超聲載波的幅...

【專利技術屬性】
技術研發人員：馬登永，蔡野鋒，楊軍，
申請(專利權)人：中國科學院聲學研究所，
類型：發明
國別省市：