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通過(guò)對(duì)電動(dòng)揚(yáng)聲器的總響應(yīng)建模來(lái)處理音頻信號(hào)的方法

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通過(guò)對(duì)電動(dòng)揚(yáng)聲器的總響應(yīng)建模來(lái)處理音頻信號(hào)的方法
【專利摘要】一種通過(guò)對(duì)電動(dòng)揚(yáng)聲器的總響應(yīng)建模來(lái)處理音頻信號(hào)的方法。該方法包括:確定觀察矢量,該觀察矢量?jī)H包括在揚(yáng)聲器端子處的電壓(Umes)以及流過(guò)揚(yáng)聲器的電流(i)的電氣測(cè)量;以及狀態(tài)矢量(X),其分量包括:揚(yáng)聲器響應(yīng)的線性參數(shù)的值,例如電氣(Re)和機(jī)械(Req)電阻;以及非線性參數(shù)的多項(xiàng)式系數(shù),例如力因數(shù)(BI)、等效剛度(Keq)和電感(Le)。將電壓和電流測(cè)量值施加至估計(jì)器,該估計(jì)器具有擴(kuò)展的Kalman濾波器的預(yù)測(cè)性濾波器,該擴(kuò)展的Kalman濾波器包括揚(yáng)聲器的動(dòng)態(tài)模型的表征。該濾波器執(zhí)行狀態(tài)矢量(X)的預(yù)測(cè)并通過(guò)基于所述狀態(tài)矢量和測(cè)得的電流計(jì)算電壓估計(jì)(Uest)并將該估計(jì)與所述電壓測(cè)量(Umes)比較來(lái)重新調(diào)整該預(yù)測(cè)。
【專利說(shuō)明】通過(guò)對(duì)電動(dòng)揚(yáng)聲器的總響應(yīng)建模來(lái)處理音頻信號(hào)的方法
發(fā)明領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及一種基于旨在再現(xiàn)音頻信號(hào)的揚(yáng)聲器的總響應(yīng)的估計(jì)處理該音頻信號(hào)的技術(shù),即將表征該響應(yīng)的所有電、機(jī)械和聲學(xué)參數(shù)考慮在內(nèi)。
【背景技術(shù)】
[0002]事項(xiàng)是當(dāng)將音頻信號(hào)放大后施加于揚(yáng)聲器時(shí)對(duì)揚(yáng)聲器的物理性質(zhì)建模以模擬其操作,由此可在上游對(duì)該音頻信號(hào)執(zhí)行各種校正處理操作以優(yōu)化被呈現(xiàn)給收聽(tīng)者的最終聲音再現(xiàn)的質(zhì)量。
[0003]尤其,目前要鞏固低頻以補(bǔ)償下面的事實(shí):專用于這種記錄器(register)的揚(yáng)聲器或低音擴(kuò)音器(一般被安裝在開(kāi)式(通氣系統(tǒng))或閉式隔音板內(nèi)),在呈現(xiàn)最低頻率時(shí)一直或多或少地受到限制,其下限(被稱為隔音板截止頻率)依賴于揚(yáng)聲器尺寸、隔音板的體積以及所使用的安裝類型。
[0004]然而,如果電信號(hào)的電平在低頻率下通過(guò)適當(dāng)?shù)哪M或數(shù)字濾波而增加,則揚(yáng)聲器隔膜的偏移一即其相對(duì)于平衡位置的位移幅度一很快變得過(guò)高,帶來(lái)了損壞揚(yáng)聲器的風(fēng)險(xiǎn),最低限度來(lái)說(shuō),對(duì)于過(guò)度的偏移值,會(huì)引入使音頻信號(hào)的呈現(xiàn)質(zhì)量快速惡化的失真、限幅和飽和。
[0005]已知揚(yáng)聲器的總響應(yīng)允許預(yù)期這種風(fēng)險(xiǎn),以在需要時(shí)限制要被再現(xiàn)的信號(hào)的電平,以避免產(chǎn)生失真的過(guò)度偏移或非線性。
[0006]另一種能想到的處理在于,對(duì)音頻信號(hào)施加一特定濾波以補(bǔ)償由揚(yáng)聲器引入的非線性,由此減少音頻失真并提供更好的收聽(tīng)質(zhì)量。
[0007]事項(xiàng)因而獨(dú)立于最大偏移的任何限制通過(guò)在揚(yáng)聲器/隔音板單元的聲音截止頻率附近或之下補(bǔ)償這種記錄器中的揚(yáng)聲器響應(yīng)的物理限制而使揚(yáng)聲器隔膜位移更為線性,尤其是對(duì)最低的頻率。
[0008]已知對(duì)揚(yáng)聲器的總響應(yīng)建模的參數(shù)對(duì)執(zhí)行這些處理操作來(lái)說(shuō)是必要的。
[0009]這些參數(shù)是通常被稱為“Thiele和Small” (T/S)的參數(shù),它表述將信號(hào)再現(xiàn)涉及的各種電、機(jī)械和聲音現(xiàn)象以及機(jī)-電和機(jī)-聲轉(zhuǎn)換考慮在內(nèi)的電動(dòng)揚(yáng)聲器的建模。揚(yáng)聲器響應(yīng),尤其對(duì)于低頻來(lái)說(shuō),可通過(guò)一組參數(shù)描述,它們由揚(yáng)聲器制造者統(tǒng)一參考。
[0010]然而,這些τ/s參數(shù)既非時(shí)間恒定的,也非線性的。
[0011]-首先,它們?nèi)菀纂S著例如揚(yáng)聲器老化、使用期間的受熱等隨時(shí)間漂移;
[0012]-其次,如果想要具有揚(yáng)聲器性質(zhì)的精確和真實(shí)的建模,必須考慮到這些參數(shù)中的某些不是線性的,即它們的值不是固定的但隨著瞬時(shí)偏移而不斷地變化,即揚(yáng)聲器在給定時(shí)刻的位置相對(duì)于中央平衡位置移動(dòng)線圈和隔膜。尤其在電感的情形下,它是系統(tǒng)的總機(jī)械剛度(隔膜的剛度,其隨著隔膜遠(yuǎn)離其平衡位置而增大)和隔膜驅(qū)動(dòng)“力因數(shù)”(聯(lián)系于線圈間隙的磁場(chǎng),其隨著線圈遠(yuǎn)離平衡位置而減小)。
[0013]EP 1799013 Al描述了一種基于Τ/S參數(shù)預(yù)測(cè)揚(yáng)聲器性質(zhì)的技術(shù),從而補(bǔ)償揚(yáng)聲器的非線性并減少被呈現(xiàn)給用戶的聲音信號(hào)中引入的音頻失真。[0014]然而,Τ/S參數(shù)在這里被認(rèn)為是不變的,這是先驗(yàn)已知的,由此響應(yīng)建模是固定的并且無(wú)法將參數(shù)的緩慢演變考慮在內(nèi),例如由于它們因組件老化隨時(shí)間的漂移。
[0015]US 2003/0142832 Al描述了一種通過(guò)采用梯度下降算法基于流過(guò)該揚(yáng)聲器的電流測(cè)量適應(yīng)性地估計(jì)揚(yáng)聲器參數(shù)(包括非線性參數(shù))的技術(shù)。該方法需要在靜態(tài)校準(zhǔn)階段中參數(shù)的之前確定。在這種校準(zhǔn)中,通過(guò)阻抗的測(cè)量針對(duì)隔膜的各個(gè)位置值(相對(duì)于平衡位置的偏移)計(jì)算Τ/s參數(shù)。此后,將電流的測(cè)量值與該同一電流的估計(jì)(通過(guò)低通濾波器求平方和濾波)比較以計(jì)算誤差相對(duì)于每個(gè)參數(shù)的導(dǎo)數(shù)。該技術(shù)也采用最小均方(LSM)類型的梯度下降算法。
[0016]然而,該方法的缺陷是:它需要具有阻抗測(cè)量和預(yù)定信號(hào)的施加的之前校準(zhǔn)階段,這排除了由公眾用戶無(wú)論以何方式作出對(duì)后繼參數(shù)的重新估計(jì)。另一方面,梯度下降的LMS類型的簡(jiǎn)單算法不將無(wú)法避免的測(cè)量噪聲考慮在內(nèi),因此估計(jì)器在實(shí)際使用情形下相當(dāng)?shù)托А?br> [0017]US 2008/0189087 Al描述了另一種估計(jì)揚(yáng)聲器參數(shù)的技術(shù),它也是梯度下降LMS類型的。更具體地,該方法獨(dú)立地處理線性部分和非線性部分的估計(jì)。為了這個(gè)目的,由LMS算法使用的誤差信號(hào)(測(cè)得信號(hào)和預(yù)測(cè)的信號(hào)之間的差)被處理以使線性部分與非線性部分解除關(guān)聯(lián)。該文件也推薦通過(guò)在輸入處施加一特定的音頻信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)估計(jì)器,該特定的音頻信號(hào)由梳狀濾波器修正,該梳狀濾波器選擇性地去除某些選定頻率。
[0018]這種技術(shù)具有與前面一種相同的缺陷,尤其是基于經(jīng)修正的輸入信號(hào)進(jìn)行校準(zhǔn)的必要性容易損害用戶收聽(tīng)的舒適感,它不允許以對(duì)用戶而言透明的方式在音樂(lè)收聽(tīng)期間執(zhí)行估計(jì)。
[0019]Linkopings 大學(xué)(SE)的電氣工程部的 Marcus Arvidsson 和 DanielKarlsson2012 年 6 月 18 日的大學(xué)論文 “Attenuation of Harmonic Distorsion inLoudspeakers Using Non-Linear Control (使用非線性控制的揚(yáng)聲器中的諧波失真的衰減)”(XP055053802)中描述了又一種方法。該方法基于一觀察矢量,該觀察矢量?jī)H包括電氣參數(shù)(電壓和電流)的測(cè)量,這些測(cè)量被應(yīng)用于擴(kuò)展的Kalman預(yù)測(cè)性濾波器估計(jì)器。該估計(jì)器執(zhí)行狀態(tài)矢量的預(yù)測(cè),該狀態(tài)矢量的分量包括偏移值和揚(yáng)聲器中的電流的值。但這種方法不允許在飛行中估計(jì)揚(yáng)聲器響應(yīng)的線性參數(shù)和非線性參數(shù)兩者以在之后施加合適的校正音頻處理。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0020]本發(fā)明的問(wèn)題是可自由處置地具有電動(dòng)揚(yáng)聲器的總響應(yīng)的估計(jì)器。
[0021]-它通過(guò)對(duì)這些參數(shù)的周期性重新評(píng)價(jià)以更可靠和更精確的方式將這種響應(yīng)的全部非線性以及參數(shù)的可能漂移考慮在內(nèi);
[0022]-它既不引入輸入信號(hào)的修正也不引入輸入信號(hào)的劣化,這兩者均會(huì)損害用戶的收聽(tīng)舒適度;
[0023]-其實(shí)現(xiàn)不需要之前的校準(zhǔn)也不需要施加特定的信號(hào)(白噪聲等);
[0024]-它即刻地從任何類型的音樂(lè)信號(hào)作用,通過(guò)使用這種信號(hào)“在飛行中”以重新調(diào)整估計(jì)器的參數(shù)——換句話說(shuō),它可對(duì)用戶透明地工作,估計(jì)器在播放音樂(lè)的同時(shí)工作并基于該音樂(lè),無(wú)需請(qǐng)求用戶播放特定類型的信號(hào)以實(shí)現(xiàn)揚(yáng)聲器參數(shù)估計(jì)算法;以及[0025]-為了適應(yīng)一般的公眾產(chǎn)品,它僅需要可即刻訪問(wèn)的電氣參數(shù)的測(cè)量(在揚(yáng)聲器端子處的電壓以及線圈中的強(qiáng)度),并可用于缺乏發(fā)機(jī)電傳感器(位移傳感器、聲壓傳感器等)的傳統(tǒng)揚(yáng)聲器——換句話說(shuō),隔膜的機(jī)械位移(偏移)保持估計(jì)器的一未測(cè)得的“隱藏
變量”。
[0026]為了那個(gè)目的,本發(fā)明提出一種用于處理由Arvidsson和Karlsson的前述大學(xué)論文中公開(kāi)的一般類型數(shù)字音頻信號(hào)的方法,即一種方法,包括:
[0027]a)觀察矢量的確定僅包括電氣參數(shù)的測(cè)量,通過(guò):揚(yáng)聲器端子處的電壓的測(cè)量以及流過(guò)揚(yáng)聲器的電流的測(cè)量;
[0028]b)通過(guò)將電壓和電流測(cè)量施加至包含揚(yáng)聲器的動(dòng)態(tài)模型表征的預(yù)測(cè)性濾波器估計(jì)器來(lái)確定狀態(tài)矢量,
[0029]該預(yù)測(cè)性濾波器是擴(kuò)展的Kalman濾波器,其適于:基于電壓和強(qiáng)度測(cè)量運(yùn)作狀態(tài)矢量的預(yù)測(cè),并通過(guò)計(jì)算電壓估計(jì)并將該估計(jì)與電壓測(cè)量比較來(lái)重新調(diào)整這種預(yù)測(cè);以及
[0030]c)將因變于所述狀態(tài)矢量的處理施加至音頻信號(hào)。
[0031]作為本發(fā)明特征地,狀態(tài)矢量的分量包括:
[0032].包含在下組中的揚(yáng)聲器響應(yīng)的線性參數(shù)值:電阻和機(jī)械強(qiáng)度,以及
[0033]?包含在下組中的揚(yáng)聲器響應(yīng)的非線性參數(shù)的多項(xiàng)式系數(shù):力因數(shù)、等效剛度和電感。
[0034]施加至音頻信號(hào)的處理特別地可以是對(duì)揚(yáng)聲器響應(yīng)的非線性的補(bǔ)償?shù)奶幚恚缁谟深A(yù)測(cè)性濾波器估計(jì)器傳遞的狀態(tài)矢量確定的那樣。
`[0035]作為變例或附加,被施加至音頻信號(hào)的處理可包括:cl)因變于⑴音頻信號(hào)的放大增益、(ii )基于由預(yù)測(cè)性濾波器估計(jì)器傳遞的狀態(tài)矢量確定的揚(yáng)聲器響應(yīng),計(jì)算揚(yáng)聲器的偏移的當(dāng)前值;c2)將如此計(jì)算出的當(dāng)前偏移值與最大偏移值比較;以及c3)在當(dāng)前偏移值超出最大偏移值的情形下計(jì)算放大增益的可能衰減。
[0036]此外,狀態(tài)矢量的分量可包括表示與設(shè)有減壓通氣口的后音腔關(guān)聯(lián)的揚(yáng)聲器響應(yīng)的附加聲學(xué)參數(shù)的值。
[0037]非常有利地,步驟(b)的狀態(tài)矢量的確定是基于步驟(C)處理的當(dāng)前音頻信號(hào)對(duì)象在飛行中進(jìn)行的并在該音頻信號(hào)再現(xiàn)期間通過(guò)揚(yáng)聲器端子處的電氣參數(shù)的收集由揚(yáng)聲器再現(xiàn)。
[0038]該方法則可包括以下步驟:記住預(yù)定期間內(nèi)音頻信號(hào)的采樣的序列;分析該序列以計(jì)算所記住的音頻信號(hào)的能量的參數(shù);如果計(jì)算出的能量參數(shù)高于預(yù)定閾值,則激活通過(guò)預(yù)測(cè)性濾波器的估計(jì);在相反的情形下,抑制由預(yù)測(cè)性濾波器的估計(jì)并保持狀態(tài)矢量的之前估計(jì)的值。
[0039]附圖簡(jiǎn)述
[0040]現(xiàn)在將參考附圖描述本發(fā)明的實(shí)現(xiàn)的示例,在所有附圖中,相同的附圖標(biāo)記指示相同或功能上相似的元素。
[0041]圖1是利用對(duì)揚(yáng)聲器的總響應(yīng)建模的各種Τ/S參數(shù)的電動(dòng)揚(yáng)聲器的等效圖。
[0042]圖2以方框圖示出本發(fā)明的方法的主要處理步驟。
[0043]圖3更準(zhǔn)確地示出擴(kuò)展的Kalman濾波器估計(jì)器的操作?!揪唧w實(shí)施方式】
[0044]對(duì)揚(yáng)聲器的總響應(yīng)的建模
[0045](Thiele 和 Small 參數(shù))
[0046]我們首先參照?qǐng)D1披露各種參數(shù)和方程,它們表述了電動(dòng)揚(yáng)聲器HP的響應(yīng),這些響應(yīng)受發(fā)電機(jī)G的電激勵(lì)作用并傳遞關(guān)于聲負(fù)載CH的壓力信號(hào)。
[0047]左半部分概略表示揚(yáng)聲器的電氣部分,對(duì)其施加可測(cè)的激勵(lì)電壓Umes,該激勵(lì)電壓Umes來(lái)自產(chǎn)生電流i的放大器,該電流i也是可測(cè)的并經(jīng)過(guò)揚(yáng)聲器線圈。第一比率變壓器BI概略表被施加至線圈的電氣-機(jī)械力轉(zhuǎn)換。最后,比率回轉(zhuǎn)器Sd概略表機(jī)械(揚(yáng)聲器隔膜的位移)-聲壓轉(zhuǎn)換。
[0048]該等效圖的各個(gè)分量(電阻、電感和電容)對(duì)電氣、機(jī)械(例如線圈/隔膜移動(dòng)電樞的質(zhì)量)或聲(揚(yáng)聲器后音腔內(nèi)的空氣體積)現(xiàn)象進(jìn)行建模。
[0049]該系統(tǒng)受下列聯(lián)系方程控制(對(duì)于在戶外或安裝在靠近后音腔中的揚(yáng)聲器):
[0050]u (t) =Re*i (t) +BI (X) *dx/dt+d (Le (x (t)) *i (t))) /dt
[0051 ] BI (X) *i (t) +dLe (x (t)) /dx*i2 (t) =Mms*d2x/dt2+Req*dx/dt+Keq (x) *x
[0052] U是被施加至揚(yáng)聲器端子的電壓,
[0053]i是流過(guò)線圈的電流,
[0054]X是隔膜的位移,
[0055]Re是系統(tǒng)的電阻,
[0056]Mms是對(duì)系統(tǒng)的移動(dòng)電樞的總質(zhì)量建模的等效質(zhì)量,
[0057]Req是對(duì)系統(tǒng)的摩擦和機(jī)械損失建模的等效電阻,
[0058]Le是系統(tǒng)的電感,
[0059]BI是驅(qū)動(dòng)力因數(shù)(間隙中的磁場(chǎng)與線圈長(zhǎng)度之積),以及
[0060]Keq是對(duì)懸置物(三腳架、外部懸置物和音腔)的總剛度建模的等效剛度。
[0061]前面三個(gè)參數(shù)(Re,Mms和Rrai)是線性參數(shù),等效質(zhì)量Mms甚至是不變的,根據(jù)制造商的規(guī)范被假設(shè)為已知的。另一方面,在短時(shí)間內(nèi)(其估計(jì)時(shí)間)可認(rèn)為是常數(shù)的Re和R^1是容易因變于移動(dòng)線圈的溫度上升、組件的老化等逐漸地隨時(shí)間漂移的參數(shù),并且它們因此必須以規(guī)則間隔進(jìn)行重新評(píng)價(jià)。
[0062]后面三個(gè)參數(shù)(Le、BI和Keq)是非線性參數(shù),它們依賴于隔膜的位移X的瞬時(shí)值。它們可由多項(xiàng)式模型逼近:
[0063]BI (x) =B10+B11x+B12x2
[0064]Keq (X) =Keq0+Keqlx+Keq2x2
[0065]Le (X) =Le0+Lelx+Le2x2+Le3x3+Le4x4
[0066]模型的完全知曉因此需要確定線性參數(shù)Re和Req以及確定非線性參數(shù)B1、Keq和Le的多項(xiàng)式系數(shù)。
[0067]這些參數(shù)的集合在下文中將被稱為“狀態(tài)矢量”X,其中X=[Re,Req, Bl0, Bl1, Bl2, Keq0,Keqi, Keq2, Le0, Lel, Le2, Le3, Le4]。
[0068]位移X,作為未被測(cè)量的參數(shù),將是估計(jì)器的隱藏變量。
[0069]前面的方程是在連續(xù)時(shí)間下寫出的,如果希望切換至離散模式(對(duì)應(yīng)于數(shù)字采樣),則使用歐拉變換,其表示為:[0070]un=Re*in+Le,(xn)*vn*in+Le(xn)*jn+Bl(xn)*vn 方程(I)
[0071 ] BI (xn) *in+Le’ (xn) *in2=Mms*Fs* (vn+1 - vn) +Req*vn+Keq (xn) *xn
[0072]方程(2)
[0073]其中,vn=Fs* (xn+「xn)代表隔膜的位移速度,F(xiàn)s是采樣頻率而jn=Fs* (in+「in)是電流的導(dǎo)數(shù)。
[0074]要注意,該方程系也可被擴(kuò)展至對(duì)安裝有后音腔的揚(yáng)聲器的響應(yīng)的估計(jì),該后音腔包括向外的通風(fēng)口,例如“貝司反射”型。第三方程應(yīng)當(dāng)被添加至模型:
[0075]xpn=2*xpn_! - xpn_2+ (_FS* (Rboxm+Rpm) * (Xplri _ xpn_2)
[0076]- Kboxm* (xpn+xn) - Rb_*Fs* (xn+「xn)) / (F>Mpm)方程(3)
[0077]其中xp (這將是估計(jì)器的第二隱藏變量)表示通氣口中包含的空氣質(zhì)量的位移,而M_、Rboxm> Kboxm和Rpni是已知參數(shù),這依賴于通氣口和后音腔的尺寸。
[0078]將擴(kuò)展的Kalman濾波器應(yīng)用至對(duì)揚(yáng)聲器響應(yīng)的估計(jì)
[0079]參見(jiàn)圖2和圖3,我們現(xiàn)在將要描述本發(fā)明的方法,該方法允許估計(jì)揚(yáng)聲器的多個(gè)參數(shù)以將適當(dāng)?shù)奶幚聿僮髯饔糜谝纛l信號(hào),它將后者的響應(yīng)建??紤]在內(nèi)。
[0080]要注意,盡管這些圖被呈現(xiàn)為互連電路,但多種功能基本是軟件實(shí)現(xiàn)的,這種表示不具有解說(shuō)性特征。該軟件可特別地實(shí)現(xiàn)在DSP類型的專用數(shù)字信號(hào)處理芯片中。
`[0081]具體來(lái)說(shuō),將被描述的處理操作是在之前經(jīng)數(shù)字化的信號(hào)上執(zhí)行的,該算法針對(duì)連續(xù)信號(hào)幀(例如1024個(gè)采樣的幀)以采樣頻率重復(fù)執(zhí)行。
[0082]特別地,本發(fā)明實(shí)現(xiàn)Kalman濾波,更準(zhǔn)確地說(shuō)是擴(kuò)展的Kalman濾波(EKF),其主線將在下文中進(jìn)一步披露。
[0083]擴(kuò)展的Kalman濾波器的基本原理
[0084]基于廣泛知曉的算法的“Kalman濾波器”是包括無(wú)限脈沖響應(yīng)(IIR)濾波器的狀態(tài)估計(jì)器,該狀態(tài)估計(jì)器基于描述系統(tǒng)性質(zhì)的一組方程和基于一系列觀察到的測(cè)量值來(lái)估計(jì)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的狀態(tài)。
[0085]這種濾波器尤其允許確定“隱藏狀態(tài)”,該“隱藏狀態(tài)”是不被觀察到但對(duì)估計(jì)而言屬必要的參數(shù)。
[0086]在當(dāng)前情形中:
[0087]-動(dòng)態(tài)系統(tǒng)是揚(yáng)聲器響應(yīng);
[0088]-描述系統(tǒng)性質(zhì)的方程是前面的方程(I)、(2)以及可能是(3);
[0089]-在濾波器輸入處施加的觀察測(cè)量值是被施加至揚(yáng)聲器端子的電壓以及流過(guò)后者的線圈的電流;以及
[0090]-隱藏狀態(tài)是瞬時(shí)偏移,即隔膜相對(duì)于其平衡位置的物理位移,它是用于估計(jì)揚(yáng)聲器響應(yīng)的非線性參數(shù)的必要參數(shù),如前面披露的那樣。
[0091]Kalman濾波器工作在兩個(gè)階段,相繼是:
[0092]1° )在濾波器的每次重復(fù)時(shí)執(zhí)行的預(yù)測(cè)階段:該階段在于根據(jù)演進(jìn)方程相對(duì)于之前的時(shí)刻預(yù)測(cè)當(dāng)前時(shí)刻揚(yáng)聲器的響應(yīng);以及
[0093]2° )調(diào)整階段,其在于使用當(dāng)前測(cè)量值(電壓、電流)校正預(yù)測(cè):然后調(diào)整并更新對(duì)響應(yīng)的建模以將測(cè)量的具體系統(tǒng)誤差考慮在內(nèi)。
[0094]將擴(kuò)展的Kalman濾波器應(yīng)用至揚(yáng)聲器響應(yīng)的估計(jì)[0095]一般,如果采納這種狀態(tài)表征形式,則Kalman過(guò)程的第一方程是模型的“演進(jìn)方
? 口 ”
[0096]Xk=FkXk^1+Bkuk+wk
[0097]xk是狀態(tài)矢量,其代表在時(shí)刻k的狀態(tài),
[0098]Fk是躍遷矩陣(在濾波器設(shè)計(jì)時(shí)被定義),它確定狀態(tài)k-Ι至新?tīng)顟B(tài)k的演進(jìn),
[0099]Bk是噪聲矢量(由傳感器產(chǎn)生的高斯噪聲),
[0100]Uk是控制矢量(在濾波器輸入處的參數(shù)),以及
[0101]Wk是表征在時(shí)刻k的噪聲的狀態(tài)。
[0102]在當(dāng)前情形下,狀態(tài)矢量Xk是由揚(yáng)聲器模型的參數(shù)構(gòu)成的矢量:
[0103]Xk= [Re,R叫,Bl0,Bl1, BI


2,Keq0 Keqi,Keq2,LeQj Le^j Le2,Le3j Le^]
[0104]Kalman過(guò)程的第二方程是“測(cè)量方程”:
[0105]z k=Hkxk+Vk
[0106]Zk是在時(shí)刻k的觀察矢量(電壓和電流測(cè)量值),
[0107]Hk是在時(shí)刻k的測(cè)量矩陣,即將該狀態(tài)聯(lián)系于測(cè)量值的觀察矩陣,這是在濾波器設(shè)計(jì)時(shí)確定的,以及
[0108]Vk是在時(shí)刻k的測(cè)量值的噪聲矢量。
[0109]第一步驟是在時(shí)刻k基于時(shí)刻k_l的狀態(tài)預(yù)測(cè)模型,這通過(guò)下面方程給出:
[0110]估計(jì)狀態(tài)的預(yù)測(cè)(先驗(yàn))It = Ffci*—奉―i + BfcUfc
[。川]預(yù)測(cè)協(xié)方差(先驗(yàn))Pfcin =iiF'f + Qfc
[0112]第二步驟是通過(guò)以下方程系借助在時(shí)刻k的測(cè)量值的觀察更新模型:
[0113]革新或測(cè)量值殘余 Syfc = Zk — Η*1_—I
[0114]革新協(xié)方差Sf.= HfcPfc|fc_iHj + B*
[0115]最佳Kalman 增益 Kfi =HXt1
[0116]估計(jì)狀態(tài)的更新(先驗(yàn))=灸m-1 + Kfejfe
[0117]協(xié)方差的更新(先驗(yàn))Pklk=(1-KkHk) Pkllri
[0118]在線性系統(tǒng)的情形下,Kalman估計(jì)是在隱藏模型的最小平方的意義中最佳的。
[0119]然而,在上文中已看到所使用的揚(yáng)聲器響應(yīng)的動(dòng)態(tài)模型不是線性模型,由此剛才披露的Kalman濾波器不適用于本發(fā)明。
[0120]因?yàn)檫@個(gè)原因,所使用的方法將是以“擴(kuò)展的Kalman濾波”或EKF為名已知的方法。
[0121]模型的演進(jìn)方程和測(cè)量方程以下列形式出現(xiàn):
[0122]xk=f (xk_1; uk) +wk
[0123]zk=h (xk) +vk
[0124]f和h是非線性的但它們是可微分的函數(shù)。
[0125]擴(kuò)展的Kalman濾波在于:在協(xié)方差矩陣(預(yù)測(cè)矩陣和更新矩陣)的計(jì)算期間通過(guò)其偏導(dǎo)數(shù)逼近這些函 數(shù)f、h,以局部地線性化該模型并在預(yù)測(cè)系統(tǒng)的每個(gè)點(diǎn)應(yīng)用于此并更新之前披露的Kalman濾波器的方程。這些方程系分別變?yōu)?
[0126]估計(jì)狀態(tài)的預(yù)測(cè)(先驗(yàn))
【權(quán)利要求】
1.一種處理旨在由包括電動(dòng)揚(yáng)聲器的設(shè)備再現(xiàn)的數(shù)字音頻信號(hào)的方法,因變于施加于其端子的電信號(hào)的所述電動(dòng)揚(yáng)聲器的總響應(yīng)由一組電氣、機(jī)械和聲學(xué)參數(shù)定義, 所述方法包括: a)觀察矢量的確定僅包括電氣參數(shù)的測(cè)量,通過(guò):.在所述揚(yáng)聲器端子處的電壓(U)的測(cè)量,以及.流過(guò)揚(yáng)聲器的電流⑴的測(cè)量; b)通過(guò)將電壓和電流測(cè)量施加至包含揚(yáng)聲器的動(dòng)態(tài)模型表征的預(yù)測(cè)性濾波器估計(jì)器來(lái)確定狀態(tài)矢量(X), 該預(yù)測(cè)性濾波器是擴(kuò)展的Kalman濾波器,其適于:.運(yùn)行所述狀態(tài)矢量(X)的預(yù)測(cè),以及 ?通過(guò)基于所述狀態(tài)矢量和測(cè)得的電流計(jì)算電壓(Uest)估計(jì)并將該估計(jì)與所述電壓測(cè)量(Umes)比較來(lái)重新調(diào)整該預(yù)測(cè);以及 c)將因變于所述狀態(tài)矢量(X)的處理應(yīng)用至所述音頻信號(hào),其特征在于,所述狀態(tài)矢量的分量包括: ?包含在下組中的揚(yáng)聲器響應(yīng)的線性參數(shù)值:電阻(?)和機(jī)械強(qiáng)度(RJ,以及.包含在下組中的揚(yáng)聲器響應(yīng)的非線性參數(shù)的多項(xiàng)式系數(shù):力因數(shù)(BItl, BI1, BI2)、等效剛度(Keq。,Keql, Keq2)以及電感(LeQ,Lel, Le2, Le3, Le4)。
2.如權(quán)利要求1所述的方法,其特征在于,施加至所述音頻信號(hào)的所述處理是對(duì)揚(yáng)聲器響應(yīng)的非線性進(jìn)行補(bǔ)償?shù)奶幚恚缁谟伤鲱A(yù)測(cè)性濾波器估計(jì)器傳遞的狀態(tài)矢量確定的那樣。
3.如權(quán)利要求1所述`的方法,其特征在于,所述施加至音頻信號(hào)的處理包括: Cl)因變于(i)所述音頻信號(hào)的放大增益和(? )基于由所述預(yù)測(cè)性濾波器估計(jì)器傳遞的狀態(tài)矢量確定的揚(yáng)聲器響應(yīng)來(lái)計(jì)算所述揚(yáng)聲器的當(dāng)前偏移值(X);c2)將如此計(jì)算出的當(dāng)前偏移值與最大偏移值進(jìn)行比較;以及c3)在所述當(dāng)前偏移值超出所述最大偏移值的情形下計(jì)算所述放大增益的可能衰減。
4.如權(quán)利要求1所述的方法,其特征在于,所述狀態(tài)矢量(X)的分量進(jìn)一步包括表示與設(shè)有減壓通氣口的后音腔關(guān)聯(lián)的揚(yáng)聲器響應(yīng)的附加聲學(xué)參數(shù)的值。
5.如權(quán)利要求1所述的方法,其特征在于,步驟(b)的狀態(tài)矢量的確定是基于步驟(c)的處理的當(dāng)前音頻信號(hào)對(duì)象在飛行中進(jìn)行的并在該音頻信號(hào)再現(xiàn)期間通過(guò)揚(yáng)聲器端子處的電氣參數(shù)的收集由所述揚(yáng)聲器再現(xiàn)。
6.如權(quán)利要求5所述的方法,其特征在于,包括下列步驟: -記住預(yù)定期間內(nèi)音頻信號(hào)的采樣的序列; -分析所述序列以計(jì)算所記住的音頻信號(hào)的能量的參數(shù); -如果計(jì)算出的能量參數(shù)高于預(yù)定閾值,則激活通過(guò)所述預(yù)測(cè)性濾波器的估計(jì); -在相反的情形下,抑制由所述預(yù)測(cè)性濾波器作出的估計(jì)并保持所述狀態(tài)矢量的之前估計(jì)的值。
【文檔編號(hào)】H04R3/00GK103686530SQ201310315155
【公開(kāi)日】2014年3月26日 申請(qǐng)日期:2013年7月24日 優(yōu)先權(quán)日:2012年8月30日
【發(fā)明者】V·翁珂推 申請(qǐng)人:鸚鵡股份有限公司
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