專利名稱：用于限制揚(yáng)聲器位移的系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及電聲轉(zhuǎn)換器(揚(yáng)聲器)，并且更特別地涉及用于限制所述揚(yáng)聲器中線圈膜片組(coil diaphragm assembly)的振動位移的信號處理。
背景技術(shù)：
驅(qū)動揚(yáng)聲器的信號必須保持低于某一限制。如果該信號太高，則揚(yáng)聲器將產(chǎn)生非線性失真或?qū)⒈徊豢尚迯?fù)地?fù)p壞。該非線性失真或損壞的一個(gè)原因是揚(yáng)聲器的膜片線圈組的過度的振動位移。為了防止非線性失真或損壞，必須限制該位移。
位移限制可以通過以下來實(shí)現(xiàn)由合適的振動傳感器連續(xù)地監(jiān)視位移，以及如果監(jiān)視的位移大于已知的安全限制，則衰減輸入信號。由于用于測量振動位移所需要的昂貴的裝備，該方法一般是不實(shí)用的。因而需要某種類型的預(yù)測的、基于模型的方法。
位移限制的現(xiàn)有技術(shù)可以分成三類1、由位移預(yù)測器驅(qū)動的可變截止頻率濾波器。
2、反饋回路衰減器。
3、多頻帶動態(tài)范圍控制器。
第一類現(xiàn)有技術(shù)具有最長的歷史。第一個(gè)這樣的系統(tǒng)由P.F.Steel在美國專利號4,113,983“Input Filtering Apparatus forLoudspeakers”中公開。進(jìn)一步的細(xì)化由D.R.von Recklinghausen在美國專利號4,327,250“Dynamic Speaker Equalizer”中以及由E.Bjerre在美國專利號5,481,617“Loudspeaker Arrangement with FrequencyDependent Amplitude Regulations”中公開。利用了具有針對所述位移限制的反饋控制的可變高通濾波器的第一類現(xiàn)有技術(shù)的原理如圖1a中所示。
在該類揚(yáng)聲器保護(hù)系統(tǒng)(如圖1a所示)中，信號處理器10的高通濾波器12對輸入電聲信號22進(jìn)行濾波。然后將所述高通濾波器12的濾波的輸出信號24發(fā)送到揚(yáng)聲器20(通常，經(jīng)過功率放大器18)，并且還供應(yīng)給反饋位移預(yù)測器塊14。如果位移的值超過某一預(yù)定義的閾值，則來自塊14的反饋位移預(yù)測信號26指示該情況，并且基于響應(yīng)于所述反饋位移預(yù)測信號26由反饋參數(shù)計(jì)算器16提供給高通濾波器12的反饋頻率參數(shù)信號28，該高通濾波器12的截止頻率提高。通過提高該高通濾波器12的截止頻率，通常作為過度位移的原因的輸入信號中的較低頻率被衰減，并且由此防止了過度位移。
第一類現(xiàn)有技術(shù)具有若干難點(diǎn)。高通濾波器12和反饋位移預(yù)測器塊14具有有限的反應(yīng)時(shí)間；該有限的反應(yīng)時(shí)間阻止位移預(yù)測器塊14以足夠的速度反應(yīng)快速瞬變。Bjerre在美國專利號5,481,617中提出了該問題的解決方案，以使位移限制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)顯著復(fù)雜化為代價(jià)。一個(gè)附加的問題來自揚(yáng)聲器的聲波響應(yīng)自然地具有高通響應(yīng)特征的事實(shí)在信號處理器10中的信號鏈中加入附加的高通濾波器提高了低頻滾降(roll-off)的階次?？梢酝ㄟ^在高通濾波器之后將低頻提升濾波器加入信號處理器來校正該問題，如由Steel在美國專利號4,113,983中所公開的。然而，這使信號處理的實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步復(fù)雜化。
第二類現(xiàn)有技術(shù)由W.Klippel在美國專利號5,577,126“OverloadProtection Circuit for Transducers”中公開。圖1b示出了描述該類的揚(yáng)聲器保護(hù)系統(tǒng)的原理。位移預(yù)測器的輸出根據(jù)由閾值計(jì)算器計(jì)算的反饋參數(shù)κ反饋到輸入信號中。該類振動位移保護(hù)比以上描述的第一類系統(tǒng)簡單，因?yàn)槠洳恍枰獑为?dú)的高通濾波器。
第二類現(xiàn)有技術(shù)對振動位移限制是有效的。然而，由于揚(yáng)聲器的Q-因子的改變以及低頻處的放大，反饋回路在閾值附近具有無規(guī)律的表現(xiàn)。這些效果可以主觀地引起不利的假象。在以上所述的美國專利號5,577,126中，Klippel描述了對于該問題的一個(gè)解決方案如果將純反饋信號路徑16進(jìn)行微分，則信號處理器的衰減表現(xiàn)得稍微更好，如美國專利號5,577,126的圖3中所示。然而，這引起較高頻帶的顯著的和不必要的衰減。因此，很可能衰減不引起過度位移的信號，降低了揚(yáng)聲器系統(tǒng)的性能。
第三類現(xiàn)有技術(shù)由R.Aarts在WO專利申請?zhí)朠CT/EP00/05962(國際公開號WO 01/03466 A2)“Loudspeaker Protection SystemHaving Frequency Band Selective Audio Power Control”中公開。圖1c表示第三類揚(yáng)聲器保護(hù)系統(tǒng)的原理。輸入信號被一組帶通濾波器分成N個(gè)頻帶。第n個(gè)頻帶中的信號電平由可變增益gn改變。將N個(gè)頻帶中的信號加在一起，并且發(fā)送給功率放大器和揚(yáng)聲器。信息處理器監(jiān)視每個(gè)頻帶中當(dāng)被每個(gè)可變增益g1，g2，...gn改變時(shí)的信號電平。該信息處理器改變可變增益g1，g2，...gn，使得防止揚(yáng)聲器中的過度位移。第三類方法的優(yōu)勢在于僅在易于引起過度的揚(yáng)聲器膜片線圈位移的那個(gè)頻帶中信號衰減。其余的頻帶未受影響，由此將位移限制對整個(gè)音頻信號的效果最小化。
第三類位移限制器的劣勢在于不存在描述信息處理器應(yīng)當(dāng)如何操作的正式(formal)規(guī)則。特別地，沒有可利用來描述信息處理器應(yīng)當(dāng)如何改變增益gn以阻止輸出信號驅(qū)動揚(yáng)聲器的膜片線圈組產(chǎn)生過度位移的正式方法。僅可以試探地即通過反復(fù)試驗(yàn)來設(shè)計(jì)和調(diào)整該信息處理器。這通常導(dǎo)致較長的開發(fā)時(shí)間和不可預(yù)測的性能。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種用于限制電聲轉(zhuǎn)換器(揚(yáng)聲器)中的線圈膜片組的振動位移的信號處理的新方法。
根據(jù)本發(fā)明的第一方面，用于限制電聲轉(zhuǎn)換器的振動位移的方法包括以下步驟將輸入電聲信號提供給低頻斜波(shelving)和陷波濾波器以及位移預(yù)測器塊；由所述位移預(yù)測器塊基于預(yù)先確定的準(zhǔn)則響應(yīng)于所述輸入電聲信號產(chǎn)生位移預(yù)測信號，并將所述位移預(yù)測信號提供給參數(shù)計(jì)算器；以及由所述參數(shù)計(jì)算器響應(yīng)于所述位移預(yù)測信號來產(chǎn)生參數(shù)信號，并將所述參數(shù)信號提供給所述低頻斜波和陷波濾波器用于產(chǎn)生輸出信號，以及進(jìn)一步將所述輸出信號提供給所述電聲轉(zhuǎn)換器從而限制所述振動位移。
進(jìn)一步根據(jù)本發(fā)明的第一方面，該電聲轉(zhuǎn)換器可以是揚(yáng)聲器。
進(jìn)一步根據(jù)本發(fā)明的第一方面，該低頻斜波和陷波濾波器可以是具有z-域傳遞函數(shù)的二階濾波器，該傳遞函數(shù)由下式給出Hc(z)=σc1+b1·cz-1+b2·cz-21+a1·tz-1+a2·tz-2,]]>其中σc是低頻斜波和陷波濾波器的特征靈敏度，b1·c和b2·c是定義目標(biāo)零點(diǎn)位置的前饋系數(shù)，且a1·t和a2·t是定義目標(biāo)極點(diǎn)位置的反饋系數(shù)。此外，所述參數(shù)信號可以包括所述特征靈敏度σc和所述反饋系數(shù)a1·t和a1·t。
更進(jìn)一步根據(jù)本發(fā)明的第一方面，該方法可以進(jìn)一步包括以下步驟由低頻斜波和陷波濾器產(chǎn)生所述輸出信號。此外，該方法可以進(jìn)一步包括以下步驟將輸出信號提供給所述電聲轉(zhuǎn)換器。此外，可以在將所述輸出信號提供給所述電聲轉(zhuǎn)換器之前使用功率放大器來放大該輸出信號。
進(jìn)一步根據(jù)本發(fā)明的第一方面，可以將位移預(yù)測信號提供給參數(shù)計(jì)算器的峰檢測器。更進(jìn)一步，在產(chǎn)生位移預(yù)測信號的步驟之后，該方法可以進(jìn)一步包括以下步驟由峰檢測器產(chǎn)生峰位移預(yù)測信號并且將所述峰位移預(yù)測信號提供給參數(shù)計(jì)算器的斜波頻率計(jì)算器。更進(jìn)一步，該方法可以進(jìn)一步包括以下步驟由斜波頻率計(jì)算器基于預(yù)先確定的準(zhǔn)則產(chǎn)生斜波頻率信號，并且將所述斜波頻率信號提供給該參數(shù)計(jì)算器的靈敏度和系數(shù)計(jì)算器，用于基于所述斜波頻率信號產(chǎn)生參數(shù)信號。
更進(jìn)一步根據(jù)本發(fā)明的第一方面，該輸入電聲信號可以是數(shù)字信號。
更進(jìn)一步根據(jù)本發(fā)明的第一方面，所述低頻斜波和陷波濾波器可以是具有s-域傳遞函數(shù)的二階濾波器，該傳遞函數(shù)由下式給出Hc(s)=s2+sωc/Qc+ωc2s2+sωt/Qt+ωt2,]]>其中Qc是對應(yīng)于電聲轉(zhuǎn)換器的Q-因子的系數(shù)，ωc是裝在外殼中的電聲轉(zhuǎn)換器的諧振頻率，Qt是對應(yīng)于目標(biāo)均衡的Q-因子的系數(shù)，ωt是目標(biāo)均衡的截止頻率。更進(jìn)一步，當(dāng)電聲轉(zhuǎn)換器為臨界阻尼時(shí)，Qc可以等于1/。更進(jìn)一步，當(dāng)電聲轉(zhuǎn)換器為欠阻尼時(shí)，Qc可以是大于1/的有限數(shù)。
根據(jù)本發(fā)明的第二方面，一種計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品包括計(jì)算機(jī)可讀取存儲結(jié)構(gòu)，在其上包含計(jì)算機(jī)程序代碼，用于由具有所述計(jì)算機(jī)程序代碼的計(jì)算機(jī)處理器執(zhí)行，其特征在于其包括用于執(zhí)行本發(fā)明的第一方面的步驟的指令，指示為由位移預(yù)測器塊、或由參數(shù)計(jì)算器、或由位移預(yù)測器塊和參數(shù)計(jì)算器二者執(zhí)行。
根據(jù)本發(fā)明的第三方面，一種用于限制電聲轉(zhuǎn)換器的振動位移的信號處理器包括低頻斜波和陷波濾波器，響應(yīng)于輸入電聲信號并響應(yīng)于參數(shù)信號，用于向所述揚(yáng)聲器提供輸出信號，從而限制所述電聲轉(zhuǎn)換器的所述振動位移；位移預(yù)測器塊，響應(yīng)于所述輸入電聲信號，用于提供位移預(yù)測信號；以及參數(shù)計(jì)算器，響應(yīng)于所述位移預(yù)測信號，用于提供參數(shù)信號。
進(jìn)一步根據(jù)本發(fā)明的第三方面，該參數(shù)計(jì)算器塊可以包括峰檢測器，響應(yīng)于位移預(yù)測信號，用于提供峰位移預(yù)測信號；斜波頻率計(jì)算器，響應(yīng)于該峰位移預(yù)測信號，用于提供斜波頻率信號；以及靈敏度和系數(shù)計(jì)算器，響應(yīng)于所述斜波頻率信號，用于提供參數(shù)信號。更進(jìn)一步，所述低頻斜波和陷波濾波器可以是具有z-域傳遞函數(shù)的二階數(shù)字濾波器，該傳遞函數(shù)由下式給出Hc(z)=σc1+b1·cz-1+b2·cz-21+a1·tz-1+a2·tz-2,]]>
其中σc是低頻斜波和陷波濾波器的特征靈敏度，b1·c和b2·c是定義目標(biāo)零點(diǎn)位置的前饋系數(shù)，且a1·t和a2·t是定義目標(biāo)極點(diǎn)位置的反饋系數(shù)。更進(jìn)一步，所述參數(shù)信號可以包括所述特征靈敏度σc和所述反饋系數(shù)a1·t和a1·t。
進(jìn)一步根據(jù)本發(fā)明的第三方面，可以將輸出信號提供給所述電聲轉(zhuǎn)換器，或在將所述輸出信號提供給所述電聲轉(zhuǎn)換器之前使用功率放大器來放大所述輸出信號。
更進(jìn)一步根據(jù)本發(fā)明的第三方面，該輸入電聲信號可以是數(shù)字信號。
進(jìn)一步根據(jù)本發(fā)明的第三方面，該低頻斜波和陷波濾波器可以是具有s-域傳遞函數(shù)的二階濾波器，該傳遞函數(shù)由下式給出Hc(s)=s2+sωc/Qc+ωc2s2+sωt/Qt+ωt2,]]>其中Qc是對應(yīng)于電聲轉(zhuǎn)換器的Q-因子的系數(shù)，ωc是安裝在外殼中的電聲轉(zhuǎn)換器的諧振頻率，Qt是對應(yīng)于目標(biāo)均衡的Q-因子的系數(shù)，ωt是目標(biāo)均衡的截止頻率。此外，當(dāng)電聲轉(zhuǎn)換器為臨界阻尼時(shí)，Qc可以等于1/。更進(jìn)一步，當(dāng)電聲轉(zhuǎn)換器為欠阻尼時(shí)，Qc可以是大于1/的有限數(shù)。
更進(jìn)一步根據(jù)本發(fā)明的第三方面，該電聲轉(zhuǎn)換器可以是揚(yáng)聲器。


為了更好的理解本發(fā)明的本質(zhì)和目的，參考結(jié)合以下附圖的以下詳細(xì)描述，其中圖1a、1b和1c分別示出了根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的用于揚(yáng)聲器保護(hù)(振動位移限制)的第一、第二和第三類信號處理系統(tǒng)的信號處理器和揚(yáng)聲器布局的例子；圖2a示出了根據(jù)本發(fā)明的具有利用了由使用位移預(yù)測器塊的前饋控制驅(qū)動的可變低頻斜波和陷波濾波器的揚(yáng)聲器布局的信號處理器的例子；圖2b示出了根據(jù)本發(fā)明的圖2a的例子中使用的參數(shù)計(jì)算器的例子；圖3示出了根據(jù)本發(fā)明的用于臨界阻尼揚(yáng)聲器的低頻斜波和陷波濾波器(沒有陷波并且Qc＝0.707)的響應(yīng)曲線的例子；圖4a和4b分別示出了根據(jù)本發(fā)明的通過利用圖3的低頻斜波和陷波濾波器的用于臨界阻尼和欠阻尼揚(yáng)聲器的位移響應(yīng)曲線的例子；圖5a示出了根據(jù)本發(fā)明的用于欠阻尼揚(yáng)聲器的低頻斜波和陷波濾波器(具有陷波并且Qc＝6.4)的響應(yīng)曲線的例子；圖5b示出了根據(jù)本發(fā)明的通過利用圖5a的低頻斜波和陷波濾波器的用于欠阻尼揚(yáng)聲器的位移響應(yīng)曲線的例子；以及圖6是說明根據(jù)本發(fā)明的具有利用了由使用位移預(yù)測器塊的前饋控制驅(qū)動的可變低頻斜波和陷波濾波器的揚(yáng)聲器布局的信號處理器的性能的流程圖。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明提供了一種用于信號處理限制和控制電聲轉(zhuǎn)換器(揚(yáng)聲器)中線圈膜片組的振動位移的新方法。電聲轉(zhuǎn)換器是用于將電或數(shù)字音頻信號轉(zhuǎn)換為聲信號的設(shè)備。例如，本發(fā)明特別涉及揚(yáng)聲器的移動線圈。
以上描述的用于位移限制的現(xiàn)有技術(shù)方法的問題可以通過以第一類方法開始并做以下改變來解決·用可變低頻斜波和陷波(LFSN)濾波器代替可變高通濾波器12(見圖1a)；·由位移預(yù)測器塊使用濾波器12的前饋而不是反饋控制；·采用數(shù)字實(shí)現(xiàn)；·由有限多項(xiàng)式級數(shù)來近似用于計(jì)算需要的系數(shù)的精確式。
根據(jù)本發(fā)明，具有以上特征或這些特征中的一些的組合的信號處理器針對所述位移限制提供了直接的和有效的系統(tǒng)?？梢则?qū)動揚(yáng)聲器過度位移的較大信號在低頻被衰減。不過度驅(qū)動揚(yáng)聲器的較高頻信號可以同時(shí)不受影響地復(fù)制。限制系統(tǒng)的表現(xiàn)可以從其基本操作參數(shù)知道，并且因此可以基于揚(yáng)聲器的已知屬性來調(diào)整。
圖2示出了其他根據(jù)本發(fā)明的信號處理器中的一個(gè)例子，該信號處理器具有利用了由使用位移預(yù)測器塊14a的前饋控制所驅(qū)動的低頻斜波和陷波(LFSN)濾波器11的揚(yáng)聲器布局，用于限制電聲轉(zhuǎn)換器(揚(yáng)聲器)20的振動位移。振動位移的限制通過基于位移預(yù)測器塊14a的輸出改變LFSN濾波器11的傳遞函數(shù)來完成。
如圖1a中所示，信號處理器10a的LFSN濾波器11對輸入電聲信號22進(jìn)行濾波。根據(jù)本發(fā)明，所述輸入電聲信號22可以是數(shù)字信號。然后將所述高通濾波器11的濾波的輸出信號24a發(fā)送到揚(yáng)聲器20(通常，經(jīng)過功率放大器18)。但是，根據(jù)本發(fā)明，輸入電聲信號22也供應(yīng)給位移預(yù)測器塊14a。如果振動位移的值超過預(yù)定義的閾值(其是預(yù)先確定的準(zhǔn)則)，則來自塊14a的位移預(yù)測器信號26a產(chǎn)生并提供給響應(yīng)于該信號26a而產(chǎn)生參數(shù)信號28a的參數(shù)計(jì)算器16，并且然后將所述參數(shù)信號28a提供給LFSN濾波器11。基于所述參數(shù)信號28a，所述LFSN濾波器11的傳遞函數(shù)被適當(dāng)?shù)男薷牟⑶宜鯨FSN濾波器11的輸出信號24a具有基于所述預(yù)先確定的準(zhǔn)則而衰減的振動位移分量。
LFSN濾波器11僅衰減低頻，低頻是大振動位移的主要來源。膜片線圈位移可以通過實(shí)現(xiàn)為數(shù)字濾波器的位移預(yù)測器塊14a從輸入信號22來預(yù)測。一般地，所述數(shù)字濾波器所需要的階次為揚(yáng)聲器20中的機(jī)械(mechanical)自由度數(shù)目的二倍。該濾波器的輸出是揚(yáng)聲器20的膜片線圈組的瞬時(shí)位移。位移預(yù)測器塊14a的性能在本領(lǐng)域中是已知的，并且例如等同于由D.R.von Recklinghausen在美國專利號4,327,250“Dynamic Speaker Equalizer”的圖2中所示的部分9的性能。參數(shù)計(jì)算器1a的詳細(xì)描述在圖2b的例子中示出并在下文中詳細(xì)討論。
根據(jù)本發(fā)明，LFSN濾波器11可以設(shè)計(jì)為具有s-域傳遞函數(shù)的二階濾波器，該傳遞函數(shù)由下式給出Hc(s)=s2+sωc/Qc+ωc2s2+sωt/Qt+ωt2---(1),]]>其中Qc是對應(yīng)于(揚(yáng)聲器20的)Q-因子的系數(shù)，ωc是裝在機(jī)殼(外殼)中的揚(yáng)聲器20的諧振頻率，單位為rad/s，Qt是對應(yīng)于目標(biāo)均衡的Q-因子的系數(shù)，ωt是目標(biāo)均衡的截止頻率(斜波頻率)，單位為rad/s。濾波器11的頻率響應(yīng)的幅度，低頻增益，等于ωc2/ωt2。圖3中示出了具有Qc＝Qt＝1/的該低頻斜波和陷波濾波器11(揚(yáng)聲器20為臨界阻尼并且LFSN濾波器11沒有陷波)針對五個(gè)ωc2/ωt2比值的典型增益曲線。LFSN濾波器11限制位移的能力在圖4a中闡明。
圖4a示出了根據(jù)本發(fā)明的其他通過利用圖3的LFSN濾波器11的用于臨界阻尼揚(yáng)聲器20的位移響應(yīng)曲線中的一個(gè)例子。隨著ωt的值增大，如圖4a所示，位移響應(yīng)衰減。在低頻限制中，衰減的量隨ωt2變化。其后的數(shù)學(xué)細(xì)節(jié)在下面討論。這些位移響應(yīng)曲線用于“臨界阻尼”揚(yáng)聲器，即，調(diào)整到巴特沃思(Butterworth)校準(zhǔn)(Qc＝Qt＝1/)的揚(yáng)聲器。
廉價(jià)的揚(yáng)聲器通常具有欠阻尼響應(yīng)，即，具有大于1/的Qc和Qt值。圖4b示出了根據(jù)本發(fā)明的通過利用圖3的LFSN濾波器11的用于欠阻尼揚(yáng)聲器20的位移響應(yīng)曲線的例子。揚(yáng)聲器20的較高的Qc和Qt值使得位移響應(yīng)的降低與ωt的增加之間的關(guān)系不成直線(straightforward)，特別是在共振頻率ωc附近。為了解決這個(gè)問題，可以“人為地”降低Qc的值。這通過將式1中Qc的值設(shè)置為Qc≈6.4(而不是1/)來完成。圖5a示出了根據(jù)本發(fā)明的其他用于欠阻尼揚(yáng)聲器20的低頻斜波和陷波濾波器11(通過設(shè)置QC≈6.4而在ωc具有陷波)的響應(yīng)曲線的中的一個(gè)例子。如圖5a可以看到，得到的響應(yīng)在共振頻率ωc處具有陷波，該陷波來自將式1中的分子Q-因子設(shè)置為高于1/的值。為此原因，濾波器11稱作低頻斜波和陷波(LFSN)濾波器。
圖5b中說明了LFSN濾波器11在欠阻尼揚(yáng)聲器20的位移響應(yīng)上的效果。虛線示出了沒有LFSN濾波器的揚(yáng)聲器的位移響應(yīng)。
描述振動位移與輸入信號22的比的傳遞函數(shù)是LFSN濾波器11的響應(yīng)(傳遞函數(shù))與揚(yáng)聲器20位移響應(yīng)的乘積。這是s-域中的均衡的位移響應(yīng)，由下式給出HDP·E(s)=Hc(s)Xm·vc(s)]]>=φ0m1Rebs2+sωc/Qc+ωc2s2+sωt/Qt+ωt21s2+sωc/Qc+ωc2---(2),]]>其簡化為HDP·E(s)=φ0mtReb1s2+sωt/Qt+ωt2---(3),]]>其中φ0為揚(yáng)聲器的傳導(dǎo)系數(shù)(B·1因子)，Red是揚(yáng)聲器20的音圈的DC阻抗，且mt為總移動質(zhì)量。
式2到式3的簡化對于操作圖2a的位移預(yù)測器塊14a是重要的結(jié)果。位移預(yù)測器塊14a的輸入是輸入信號22，而不是來自LFSN濾波器11(如現(xiàn)有技術(shù)中的，見圖1a)的輸出信號24a。因而位移預(yù)測器塊14a必須說明LFSN濾波器11的效果。起初，位移預(yù)測器看似需要說明由揚(yáng)聲器位移響應(yīng)Xmvc(s)描述的二階系統(tǒng)和二階LFSN濾波器11，總共得到一個(gè)四階系統(tǒng)。然而，由式2到由式3所描述的單個(gè)二階傳遞函數(shù)的簡化表示位移預(yù)測器塊14a僅需要是一個(gè)二階系統(tǒng)。
可以對描述均衡的位移響應(yīng)的數(shù)字處理實(shí)現(xiàn)的z-域傳遞函數(shù)進(jìn)行相同的簡化。揚(yáng)聲器20位移的數(shù)字模型和LFSN濾波器11的數(shù)字處理版本的z-域傳遞函數(shù)之乘積由下式給出HDP·E(z)=σcσx·vc1+b1·cz-1+b2·cz-21+a1·tz-1+a2·tz-2z-11+a1·cz-1+a2·cz-2---(4),]]>
其中σc是LFSN濾波器的特征靈敏度，σx·vc是數(shù)字位移預(yù)測器塊14a的特征靈敏度，b1·c和b2·c是定義目標(biāo)零點(diǎn)位置的前饋系數(shù)，a1·t和a2·t是定義目標(biāo)極點(diǎn)位置的反饋系數(shù)，且a1·c和a2·c是定義揚(yáng)聲器的極點(diǎn)位置的反饋系數(shù)。
注意系數(shù)b1·c和b2·c分別可以具有與a1·c和a2·c相同的值。因此式4簡化為HDP·E(z)=σcσx·vcz-11+a1·tz-1+a2·tz-2---(5).]]>式5可以通過以下定義寫為具有單個(gè)特征靈敏度σdp_m=σcσx·vc---(6),]]>其中σdp_m為度量正確的特征靈敏度，由下式給出σdp_m=agφ0Rebkt(1+a1·c+a2·c)1-a1·t+a2·t1-b1·c+b2·c---(7),]]>其中ag是功率放大器18a和D/A轉(zhuǎn)換器(圖2a中未示出但在數(shù)字實(shí)現(xiàn)的情況下使用)的增益，且kt是揚(yáng)聲器20懸掛的總剛度(揚(yáng)聲器的懸掛剛度)，其包括來自任何外殼的聲負(fù)載。
LFSN濾波器11通過提高頻率ωt來完成限制振動位移。如圖3和5a中所示，提高該頻率ωt降低較低頻率處的增益，而較高頻率處的增益保持不變。如圖4a和5b所示，通過改變位移響應(yīng)，提供了希望的限制效果。
圖2b中更詳細(xì)地示出了位移限制算法。響應(yīng)于來自位移預(yù)測器塊14a的位移預(yù)測信號26a，峰檢測器16a-1向斜波頻率計(jì)算器16a-2提供峰位移預(yù)測信號21。峰檢測器提供位移的絕對值。它還為位移估計(jì)提供有限的釋放時(shí)間(release time)(衰減速率)。
如上文所討論，在低頻處，濾波器的增益根據(jù)斜波頻率的平方變化。由于揚(yáng)聲器20的位移響應(yīng)的本質(zhì)，假設(shè)引起過度位移的信號在低頻處。根據(jù)該假設(shè)，根據(jù)過度位移計(jì)算所需要的斜波頻率，如下如果(xpn[n]＞xlm)fr=ft1+xpn[n]-xlmxlm---(8),]]>否則fr＝ft其中fr是限制位移所需要的斜波頻率，ft是目標(biāo)截止頻率，xlm和xpn[n]是由位移預(yù)測器塊14a預(yù)測的位移，并歸一化到最大可能位移xmp。
該最大可能位移xmp可以由位移預(yù)測器塊20的分析來確定。它可以如下計(jì)算xmp=gRXφ0F(Qc)ktReb---(8a),]]>其中g(shù)RX是D/A和功率放大器(D/A轉(zhuǎn)換用于數(shù)字實(shí)現(xiàn))可以產(chǎn)生的最大可能電壓，且F(Qc)是揚(yáng)聲器的Q-因子的函數(shù)，由下式給出F(Qe)=1Qc≤1/211Qc2-14Qc4Qc>1/2---(8b).]]>峰值根據(jù)下式確定如果(|xin[n]|＞xpn[n-1])xpn[n]＝|xin[n]|則xpn[n]＝trxpn[n-1](8c)，其中xin[n]是瞬時(shí)統(tǒng)一(unity)歸一化的預(yù)測的位移，xpn[n]是單位歸一化的預(yù)測的位移的峰值，且tr是釋放時(shí)間常數(shù)。該釋放時(shí)間常數(shù)tr由規(guī)定的單位為dB/s的釋放速率d根據(jù)以下計(jì)算，tr=10-d/20Fs---(8d),]]>其中Fs是采樣速率。
所需要的斜波頻率fr由式8的算法給出。如果預(yù)測的位移高于位移限制(根據(jù)預(yù)先確定的準(zhǔn)則)，則根據(jù)式8的第一表達(dá)式從目標(biāo)斜波頻率ft提高該需要的斜波頻率。否則(如果預(yù)測的位移低于所述限制)，則所需要的斜波頻率保持目標(biāo)斜波頻率(見式8)。如果所需要的斜波頻率改變，則需要通過靈敏度和系數(shù)計(jì)算器16a-3來計(jì)算系數(shù)a1·t，a2·t和σc的新值，因此向可變LFSN濾波器11提供所述參數(shù)信號28a。理論上，這些參數(shù)可以通過用于數(shù)字濾波器校準(zhǔn)的式來計(jì)算。然而，這些方法一般不適合于實(shí)時(shí)、固定點(diǎn)計(jì)算。下面提出用于利用適合于固定點(diǎn)計(jì)算的多項(xiàng)式近似來計(jì)算這些系數(shù)的方法。
通過將xlmg定義為成比例的(scaled)位移限制的倒數(shù)，可以有利于對使用式8的fr計(jì)算進(jìn)行初始的簡化，所述xlmg定義為xlmg＝1/xlm(9)。
該xlmg值是位移限制需要的最大衰減。將xlmg代替式8的第一表達(dá)式得到以下用于計(jì)算fr的表達(dá)式fr=ftxlmgxpn[n]---(10).]]>該fr值用于計(jì)算位移限制所需要的頻率ωr·z，單位為rad/s，如下歸一化到采樣速率ωr·z=2πFsfr---(11),]]>
其中Fs為采樣速率。
聯(lián)立式11和12得到ωr·z=2πFsftxlmgxpn[n]---(12).]]>通過關(guān)于式11中的ft來定義ωt·z，并且式12簡化為ωr·z=ωt·z2xlmgxpn[n]---(13).]]>根據(jù)該ωr·z的值，可以按照如下計(jì)算a1·r和a2·r的新值a1·r=-2e-ωr·zζrcos(ωr·z1-ζr2)]]>a2·r=e-2ωr·zζr---(14),]]>其中ζr是阻尼比。
通過聯(lián)立式10至14，系數(shù)a1·r和a2·r可以直接由xpn[n]計(jì)算，所述xpn[n]定義為在時(shí)間采樣n處歸一化為最大可能位移(xmp)的位移。此外，這些系數(shù)可以由這些xpn[n]的多項(xiàng)式級數(shù)近似。
a^1·r(xpn[n])=pa1·0+pa1·1xpn[n]+pa1·2xpn2[n]+pa1·3xpn3[n]+pa1·4xpn4[n]---(15)]]>以及a^2·r(xpn[n])=pa2·0+pa2·1xpn[n]+pa2·2xpn2[n]+pa2·3xpn3[n]+pa2·4xpn4[n]---(16).]]>特征靈敏度σc可以根據(jù)以下而從1·r和2·r計(jì)算σc＝bd(1-a1·r+a2·r) (17)，
其中bd=11-b1·c+b2·c---(18).]]>變量b1·c和b2·c從揚(yáng)聲器20的屬性而知。
由于b1·c和b2·c僅隨揚(yáng)聲器20的特征而變化，并因此僅偶爾變化，所以計(jì)算bd并且將其存儲存儲器中在用于計(jì)算σc是更有效的。因此，根據(jù)本發(fā)明，bd的值可以僅計(jì)算一次(并且實(shí)時(shí)地不連續(xù))。
針對ωr·z理論上的有效值的整個(gè)范圍，利用較短的多項(xiàng)式級數(shù)以適當(dāng)?shù)木鹊亟芶1·r和a2·r的完整式子是困難的。潛在地，近似精度可以通過提高多項(xiàng)式級數(shù)的階次而提高。沒有發(fā)現(xiàn)這是可行的，因?yàn)檫@不僅顯著提高了計(jì)算的復(fù)雜性，而且導(dǎo)致系數(shù)不成比例，使得其不適合于固定點(diǎn)計(jì)算。
該問題的解決方案是優(yōu)化多項(xiàng)式系數(shù)的精度，這可以意味著不同的多項(xiàng)式系數(shù)將必須用于不同的硬件和采樣速率，由于后者對于給定的產(chǎn)品是可知的，因此這種系數(shù)可以存儲在該產(chǎn)品的固定ROM中。
使用xpn[n]作為多項(xiàng)式近似的輸入具有附加的優(yōu)勢。由于所有xpn、a1·r/2、a2·r和σc都限于(0，1)范圍內(nèi)，因此多項(xiàng)式近似中多項(xiàng)式系數(shù)的值比如果例如將所需要的截止頻率用作多項(xiàng)式近似的輸入將更好地成比例。使用所述xpn[n]簡化了使用固定點(diǎn)數(shù)字信號處理器的多項(xiàng)式近似的實(shí)現(xiàn)。因此，多項(xiàng)式級數(shù)對于根據(jù)xpn計(jì)算a1·r和a2·r可以是一個(gè)很好的近似a1·r/2=-e-ζrπafxpncos(πafxpn1-ζr2)]]>a2·r=e-2ζrπafxpn---(19),]]>其中af由下式給出
af=1π2ωt·z2xlmg---(20),]]>并且其中xpn可能的值的范圍是xpn∈(xlm，1) (21)。
這對應(yīng)于以下的ωr·z值的可能范圍ωr·z∈(ωt·z,ωt·zxlmg)---(22).]]>式7至式22僅說明了用于由參數(shù)計(jì)算器16a計(jì)算特征靈敏a1·r和a2·r的許多其他可能的情況中的幾個(gè)例子。
最后，圖6是說明根據(jù)本發(fā)明的用于限制電聲轉(zhuǎn)換器(揚(yáng)聲器)20的振動位移的具有利用了由使用位移預(yù)測器塊14a的前饋控制驅(qū)動的可變低頻斜波和陷波濾波器11的揚(yáng)聲器布局的信號處理器的性能的流程圖。
圖3的流程圖僅代表了許多其他情況中的一種可能的情況。在根據(jù)本發(fā)明的方法中，在第一步驟30中，輸入電聲信號22由信號處理器10a接收并提供給所述信號處理器10的LFSN濾波器11以及所述信號處理器10的位移預(yù)測器塊14a。在下一步驟32中，位移預(yù)測器塊14a產(chǎn)生位移預(yù)測信號26a并將所述信號26a提供給所述信號處理器10的參數(shù)計(jì)算器16a的峰檢測器16a-1。在下一步驟34中，峰位移預(yù)測信號23由峰檢測器16a-1產(chǎn)生并提供給所述參數(shù)計(jì)算器16a的斜波頻率計(jì)算器16a-2。在下一步驟36中，斜波頻率信號23由斜波頻率計(jì)算器16a-2產(chǎn)生并提供給參數(shù)計(jì)算器16a的靈敏度和系數(shù)計(jì)算器16a-3。在下一步驟38中，參數(shù)信號28a(例如，其包括特征靈敏度和多項(xiàng)式系數(shù))由靈敏度和系數(shù)計(jì)算器16a-3產(chǎn)生并被提供給LFSN濾波器11。在下一步驟40中，輸出信號24a由LFSN濾波器11產(chǎn)生。最后，在最后的步驟42中，將輸出信號24a提供給功率放大器18并進(jìn)一步提供給揚(yáng)聲器20。
如以上所闡明，本發(fā)明提供了一種方法和相應(yīng)的設(shè)備，包括提供用于執(zhí)行該方法的步驟的功能的各個(gè)模塊?？梢詫⑦@些模塊實(shí)現(xiàn)為硬件，或者可以實(shí)現(xiàn)為用于由處理器執(zhí)行的軟件或固件。特別地，在固件或軟件的情況下，可以提供本發(fā)明作為包括包含計(jì)算機(jī)程序代碼的計(jì)算機(jī)可讀存儲結(jié)構(gòu)的計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品，即，其上的軟件或程序包用于由計(jì)算機(jī)處理器(例如，設(shè)置有位移預(yù)測器塊14a或設(shè)置有參數(shù)計(jì)算器16a或設(shè)置有位移處理器塊14a和參數(shù)計(jì)算器16a二者)執(zhí)行。
權(quán)利要求
1.一種用于限制電聲轉(zhuǎn)換器的振動位移的方法，包括以下步驟將輸入電聲信號提供給低頻斜波和陷波濾波器以及位移預(yù)測器塊；由所述位移預(yù)測器塊基于預(yù)先確定的準(zhǔn)則響應(yīng)于所述輸入電聲信號產(chǎn)生位移預(yù)測信號，并將所述位移預(yù)測信號提供給參數(shù)計(jì)算器；以及由所述參數(shù)計(jì)算器響應(yīng)于所述位移預(yù)測信號產(chǎn)生參數(shù)信號，并將所述參數(shù)信號提供給所述低頻斜波和陷波濾波器用于產(chǎn)生輸出信號，以及進(jìn)一步將所述輸出信號提供給所述電聲轉(zhuǎn)換器從而限制所述振動位移。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述電聲轉(zhuǎn)換器是揚(yáng)聲器。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述低頻斜波和陷波濾波器是具有z-域傳遞函數(shù)的二階濾波器，該傳遞函數(shù)由下式給出Hc(z)=σc1+b1·cz-1+b2·cz-21+a1·tz-1+a2·tz-2,]]>其中σc是低頻斜波和陷波濾波器的特征靈敏度，b1·c和b2·c是定義目標(biāo)零點(diǎn)位置的前饋系數(shù)，且a1·t和a2·t是定義目標(biāo)極點(diǎn)位置的反饋系數(shù)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其中所述參數(shù)信號包括所述特征靈敏度σc和所述反饋系數(shù)a1·t和a1·t。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，還包括以下步驟由低頻斜波和陷波濾波器產(chǎn)生所述輸出信號。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，還包括以下步驟將該輸出信號提供給所述電聲轉(zhuǎn)換器。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其中在將所述輸出信號提供給所述電聲轉(zhuǎn)換器之前使用功率放大器來放大該輸出信號。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中將該位移預(yù)測信號提供給該參數(shù)計(jì)算器的峰檢測器。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中在產(chǎn)生位移預(yù)測信號的步驟之后，該方法還包括以下步驟由峰檢測器產(chǎn)生峰位移預(yù)測信號，并將所述峰位移預(yù)測信號提供給該參數(shù)計(jì)算器的斜波頻率計(jì)算器。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，還包括以下步驟基于預(yù)先確定的準(zhǔn)則由斜波頻率計(jì)算器產(chǎn)生斜波頻率信號，并將所述斜波頻率信號提供給該參數(shù)計(jì)算器的靈敏度和系數(shù)計(jì)算器，用于基于所述斜波頻率信號產(chǎn)生該參數(shù)信號。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中該輸入電聲信號是數(shù)字信號。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述低頻斜波和陷波濾波器是具有s-域傳遞函數(shù)的二階濾波器，該傳遞函數(shù)由下式給出Hc(s)=s2+sωc/Qc+ωc2s2+sωt/Qt+ωt2,]]>其中Qc是對應(yīng)于電聲轉(zhuǎn)換器的Q-因子的系數(shù)，ωc是裝在外殼中的電聲轉(zhuǎn)換器的諧振頻率，Qt是對應(yīng)于目標(biāo)均衡的Q-因子的系數(shù)，ωt是目標(biāo)均衡的截止頻率。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中當(dāng)該電聲轉(zhuǎn)換器為臨界阻尼時(shí)，Qc＝1/。
14.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中當(dāng)該電聲轉(zhuǎn)換器為欠阻尼時(shí)，Qc為大于1的有限數(shù)。
15.一種計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品包括計(jì)算機(jī)可讀取存儲結(jié)構(gòu)，在其上包含計(jì)算機(jī)程序代碼，用于由具有所述計(jì)算機(jī)程序代碼的計(jì)算機(jī)處理器執(zhí)行，其特征在于其包括用于執(zhí)行根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法的步驟的指令，指示為由該位移預(yù)測器塊、或由該參數(shù)計(jì)算器、或由該位移預(yù)測器塊和參數(shù)計(jì)算器二者所執(zhí)行。
16.一種用于限制電聲轉(zhuǎn)換器的振動位移的信號處理器，包括低頻斜波和陷波濾波器，響應(yīng)于輸入電聲信號和參數(shù)信號，用于向所述揚(yáng)聲器提供輸出信號，從而限制所述電聲轉(zhuǎn)換器的所述振動位移；位移預(yù)測器塊，響應(yīng)于所述輸入電聲信號，用于提供位移預(yù)測信號；以及參數(shù)計(jì)算器，響應(yīng)于所述位移預(yù)測信號，用于提供該參數(shù)信號。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的信號處理器，其中該參數(shù)計(jì)算器塊包括峰檢測器，響應(yīng)于該位移預(yù)測信號，用于提供峰位移預(yù)測信號；斜波頻率計(jì)算器，響應(yīng)于峰位移預(yù)測信號，用于提供斜波頻率信號；以及靈敏度和系數(shù)計(jì)算器，響應(yīng)于所述斜波頻率信號，用于提供該參數(shù)信號。
18.根據(jù)權(quán)利要求16所述的信號處理器，其中所述低頻斜波和陷波濾波器是具有z-域傳遞函數(shù)的二階數(shù)字濾波器，該傳遞函數(shù)由下式給出Hc(z)=σc1+b1·cz-1+b2·cz-21+a1·tz-1+a2·tz-2,]]>其中σc是低頻斜波和陷波濾波器的特征靈敏度，b1·c和b2·c是定義目標(biāo)零點(diǎn)位置的前饋系數(shù)，且a1·t和a2·t是定義目標(biāo)極點(diǎn)位置的反饋系數(shù)。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的信號處理器，其中所述參數(shù)信號包括所述特征靈敏度σc和所述反饋系數(shù)a1·t和a1·t。
20.根據(jù)權(quán)利要求16所述的信號處理器，其中將輸出信號提供給所述電聲轉(zhuǎn)換器，或在將所述輸出信號提供給所述電聲轉(zhuǎn)換器之前使用功率放大器來放大所述輸出信號。
21.根據(jù)權(quán)利要求16所述的信號處理器，其中該輸入電聲信號是數(shù)字信號。
22.根據(jù)權(quán)利要求16所述的信號處理器，其中所述低頻斜波和陷波濾波器是具有s-域傳遞函數(shù)的二階濾波器，該傳遞函數(shù)由下式給出Hc(s)=s2+sωc/Qc+ωc2s2+sωt/Qt+ωt2,]]>其中Qc是對應(yīng)于電聲轉(zhuǎn)換器的Q-因子的系數(shù)，ωc是安裝在外殼中的電聲轉(zhuǎn)換器的諧振頻率，Qt是對應(yīng)于目標(biāo)均衡的Q-因子的系數(shù)，ωt是目標(biāo)均衡的截止頻率。
23.根據(jù)權(quán)利要求22所述的信號處理器，其中當(dāng)該電聲轉(zhuǎn)換器為臨界阻尼時(shí)，Qc＝1/。
24.根據(jù)權(quán)利要求22所述的信號處理器，其中當(dāng)該電聲轉(zhuǎn)換器為欠阻尼時(shí)，Qc是大于1/的有限數(shù)。
25.根據(jù)權(quán)利要求16所述的信號處理器，其中所述電聲轉(zhuǎn)換器是揚(yáng)聲器。
全文摘要
高的驅(qū)動信號可以損壞揚(yáng)聲器。該損壞的一個(gè)原因是線圈膜片組的過度的振動位移。本發(fā)明描述了一種用于用信號處理器來限制該位移的新方法。在本發(fā)明中，低頻斜波和陷波濾波器用于根據(jù)揚(yáng)聲器位移的預(yù)測來衰減低頻。描述了一種用于根據(jù)預(yù)測的位移為低頻斜波和陷波濾波器的數(shù)字實(shí)現(xiàn)計(jì)算系數(shù)值的新方法。
文檔編號H04R3/00GK1951148SQ200580013980
公開日2007年4月18日 申請日期2005年3月10日 優(yōu)先權(quán)日2004年3月19日
發(fā)明者安德魯·布賴特 申請人:諾基亞公司