CN102098608B

CN102098608B - 声参量阵音频重放***及其调制方法

Info

Publication number: CN102098608B
Application number: CN201010584960.9A
Authority: CN
Inventors: 冯声振; 张丽宏
Original assignee: AAC Acoustic Technologies Shenzhen Co Ltd; AAC Acoustic Technologies Nanjing Co Ltd; AAC Optoelectronic Changzhou Co Ltd
Current assignee: AAC Technologies Holdings Nanjing Co Ltd; AAC Technologies Pte Ltd
Priority date: 2010-12-13
Filing date: 2010-12-13
Publication date: 2014-03-05
Anticipated expiration: 2030-12-13
Also published as: CN102098608A

Abstract

本发明提供了一种声参量阵音频重放***，其中，所述声参量阵音频重放***包括用于接收音频模拟信号并将其转换成高频脉冲信号的快速调制器，接收所述高频脉冲信号并将其转换成超声信号的数字功率放大器和接收所述超声信号并将其转换成超声波的超声换能器阵，所述快速调制器包括用于接收音频模拟信号的接收装置、将所述音频模拟信号转换成音频数字信号的模数转换装置、将所述音频数字信号调制成高频脉冲信号的信号处理装置和将调频脉冲输出的输出装置。本发明还提供了一种基于本发明的声参量阵音频重放***的调制方法。本发明的声参量阵音频重放***及其调制方法的调制速度更快，精度更高，更能满足使用需求。

Description

声参量阵音频重放***及其调制方法

【技术领域】

本发明涉及一种参量阵音频重放***及其调制方法，尤其涉及一种声参量阵音频重放***及其调制方法。

【背景技术】

随着科技的进步，声音的数字信号领域越来越普遍，声参量阵音频重放***成为人们探讨的热门研究课题。相关技术的声参量阵音频重放***是通过参考信号和比较器共同作用获得脉冲波形。然而，由于信号要按时间顺序一一比较，这使得大量的信号需等待比较，从而导致声参量阵音频重放***的工作效率低。且相关技术的声参量阵音频重放***获得的脉冲精度也受音频采样率和计算量的限制。

因此，实有必要提出一种新的声参量阵音频重放***克服上述问题。

【发明内容】

本发明需解决的技术问题是提供一种调制速度更快、精度更高的声参量阵音频重放***及其调制方法。

本发明提供了一种基于本发明的声参量阵音频重放***的调制方法，其中，该调制方法包括如下步骤：

（1）提供一快速调制器，其包括：接收装置、模数转换装置、信号处理装置和输出装置；

提供一数字功率放大器；

提供一超声换能器阵；

提供一载波；

（2）A、通过所述接收装置采集音频模拟信号并将其加载到所述载波后传输给所述模数转换装置；

B、将所述模数转换装置设置与所述载波相同的频率作为采样频率，所述音频模拟信号经所述模数转换装置的采样和处理得到音频数字信号，并且所述模数转换装置将所述音频数字信号传输给所述信号处理装置；

C、所述信号处理装置将接收到的所述音频数字信号通过脉冲宽度调制方法的处理得到高频脉冲信号p(t)，所述高频脉冲信号的周期是预先确定的，其脉冲宽度和脉冲间隔是根据所述音频数字信号计算得到，先计算出所述高频脉冲信号的正脉冲p(t)₊：

{p (t)}_{+} = \{\begin{matrix} 0, & n T_{c} \leq t < (n + \frac{1}{4} - \frac{g (t)}{4}) T_{c} \\ 1, & (n + \frac{1}{4} - \frac{g (t)}{4}) T_{c} \leq t < (n + \frac{1}{4} + \frac{g (t)}{4}) \\ 0, & (n + \frac{1}{4} + \frac{g (t)}{4}) T_{c} \leq t < n T_{c} \end{matrix} T_{c}

再根据信号的对称性，负脉冲的波形函数p(t)-则无需计算，由正脉冲p(t)+反相并延迟1/2个周期得到，从而得到高频脉冲信号p(t)：

p (t) = \{\begin{matrix} 0, & n T_{c} \leq t < (n + \frac{1}{4} - \frac{g (t)}{4}) T_{c} \\ 1, & (n + \frac{1}{4} - \frac{g (t)}{4}) T_{c} \leq t < (n + \frac{1}{4} + \frac{g (t)}{4}) T_{c} \\ 0, & (n + \frac{1}{4} + \frac{g (t)}{4}) T_{c} \leq t < (n + \frac{3}{4} - \frac{g (t)}{4}) T_{c} \\ - 1, & (n + \frac{3}{4} - \frac{g (t)}{4}) T_{c} \leq t < (n + \frac{3}{4} + \frac{g (t)}{4}) T_{c} \\ 0, & (n + \frac{3}{4} + \frac{g (t)}{4}) T_{c} \leq t < (n + 1) T_{c} \end{matrix}

并将所述高频脉冲信号通过所述输出装置输出给所述数字功率放大器；

D、所述高频脉冲信号经所述数字功率放大器的放大处理后得到超声信号和驱动所述超声换能器阵工作驱动信号，所述超声信号经所述超声换能器阵的处理得到超声波。

优选的，该调制方法还设有对所述音频数字信号的频谱互调失真的修正方法，即对所述音频数字信号做预处理，所述预处理包括调整所述音频数字信号的调制系数和增加所述音频数字信号的直流偏值，从而得到调制信号，对所述调制信号的带宽进行扩展得到处理后的扩展调制信号。

优选的，该调制方法还设有对所述音频数字信号的频谱互调失真的修正方法，即对所述音频数字信号做相位移动处理，从而得到第一音频数字信号和第二音频数字信号，再使所述第一音频数字信号和第二音频数字信号分别通过所述信号处理装置做脉冲宽度调制处理，进而得到第一高频脉冲信号和第二高频脉冲信号，将所述第一高频脉冲信号和第二高频脉冲信号相加或相减，得到修正后的高频脉冲信号。

与相关技术相比，本发明的声参量阵音频重放***及其调制方法的调制速度更快，精度更高，更能满足使用需求。

【附图说明】

图1为本发明参量阵音频重放***一实施例的流程示意图。

图2为本发明参量阵音频重放***对音频信号调制后得到的脉冲波形图。

【具体实施方式】

下面结合附图和实施方式对本发明作进一步说明。

如图1所示，一种声参量阵音频重放***10，其中，声参量阵音频重放***10包括用于接收音频模拟信号并将其转换成高频脉冲信号的快速调制器1，接收高频脉冲信号并将其转换成超声信号的数字功率放大器6和接收超声信号并将其转换成超声波的超声换能器阵7。快速调制器包括用于接收音频模拟信号的接收装置2、将音频模拟信号转换成音频数字信号s(t)的模数转换装置3、将音频数字信号s(t)调制成高频脉冲信号的信号处理装置4和将所述高频脉冲信号输出的输出装置5。

在信号传输的过程中，并不是将信号直接进行传输，而是将信号与一个固定频率的波进行相互作用，这个过程称为加载。所述的固定频率的波称为载波。具体的，本实施方式中，声参量阵音频重放***10设置一个载波频率fc=48KHz，快速调制器1选用型号为ADSP21364EZKIT数字信号处理评估板，其能方便使用其它型号的数字信号处理器（Digital SignalProcessor，简称DSP），在其周围增加其它附属装置，从而形成能完成一定任务的综合电路。因为此装置设有浮点型数字信号处理器即信号处理装置4，其运算准确方便，且其包含了立体声RCA接口即接收装置1、AD1835音频模数转换器即模数转换装置3、DAI数字音频接口即输出装置5，而本发明中的快速调制器1的AD1835音频模数转换器即模数转换装置3还承担音频输入功能，DAI数字音频接口即输出装置5还承担脉冲输入接口功能。当然，信号处理装置4并非仅限于此，也可以为现场可编程门阵列（Field-Programmable Gate Array，简称FPGA）或专用集成电路（ApplicationSpecific Integrated Circuit，简称ASIC）等，但其原理一样。

输出装置5与数字功率放大器6相连。数字功率放大器6连接到的超声换能器阵7。载波频率fc设为48kHz。其实，载波频率fc只要在超声换能器7的工作频率范围内即可，一般可以为20KHz-80KHz。本实施方式中设置载波频率fc=48KHz是因为AD1835音频模数转换器即模数转换装置3可以用48KHZ频率采样而不用做其它处理，有利采样的快速性。而AD1835音频模数转换器的采样频率可设为48KHz、96KHz和192KHz。常用的AB类功率放大器效率不高，本实施方式中选用的数字功率放大器6则具有工作效率高的特点。

信号处理装置4使用了幅度调制方法中的脉冲宽度调制方法处理信号。具体的，脉冲宽度调制分为单脉冲宽度调制、多脉冲宽度调制、正弦脉冲宽度调制SPWM、谐波消除技术调制等。本实施方式选用单脉冲宽度调制，单脉冲宽度调制是在半周期内仅有一个脉冲，改变脉冲的宽度来调整被调制信号对应的幅值。单脉冲宽度调制的优点是开关损耗小，调制简单，缺点是载波的谐波失真较大。但在参量阵应用中，超声换能器阵7的频率响应具有带通效应，且数字功率放大器6包括有低通滤波模块，带通效应和低通滤波模块使载波的谐波已被极大程度的抑制。

本发明还提供了一种基于本发明的声参量阵音频重放***10的调制方法，其中，该调制方法包括如下步骤：

（1）提供一用于接收音频模拟信号并将其转换成高频脉冲信号的快速调制器1，具体是型号为ADSP21364EZKIT数字信号处理评估板，包括：用于采集音频模拟信号的立体声RCA接口即接收装置2、将所述音频模拟信号转换成音频数字信号s(t)的AD1835音频模数转换器即模数转换装置3、将所述音频数字信号s(t)调制成高频脉冲信号的信号处理装置4和将所述高频脉冲信号输出的DAI数字音频接口即输出装置5

提供一数字功率放大器6；

提供一超声换能器阵7；

提供一载波；

（2）A、通过接收装置2采集音频模拟信号并将其加载到所述载波后传输给所述模数转换装置。以MP3播放器为音频源产生音频模拟信号，当然其它的扬声器等都可行的，通过立体声RCA接口即接收装置2采集音频模拟信号并将其传输给模数转换装置3。

B、将模数转换装置3设置与载波相同的频率作为采样频率，本实施方式中载波频率设为fc=48KHz。音频模拟信号经模数转换装置3即AD1835音频模数转换器处理，以48KHz的采样频率采样得到音频数字信号s(t)并将此音频数字信号s(t)传输给信号处理装置4。当然，AD1835音频模数转换器即模数转换装置3的采样频率还可以设为96KHz和192KHz等。本实施方式中设置模数转换装置3的采样频率与载波频率一样，这就使得音频数字信号s(t)与载波加载时不用做其它的处理，从而可以加快本发明的声参量阵音频重放***的处理速度。当然，载波频率也可以设为其它值，但其原理一样。

C、信号处理装置4将接收到的所述音频数字信号s(t)通过脉冲宽度调制方法计算其脉冲宽度和脉冲间隔，再依据窄脉冲的冲量面积等效原理利用脉冲宽度调制实现脉冲的幅度调制，从而得到对应幅值的高频脉冲信号，并将所述高频脉冲信号通过所述输出装置5输出给所述数字功率放大器6。

D、高频脉冲信号经所述数字功率放大器6的放大处理得后得到超声信号和驱动超声换能器阵7工作的驱动信号，超声信号经超声换能器阵7的处理便得到超声波，超声波经空气的自解调成为可听见的声音。

本实施方式中信号处理装置4为数字信号处理器（Digital SignalProcessor，简称DSP），其实也可为现场可编程门阵列Field-ProgrammableGate Array，简称FPGA）或专用集成电路（Application Specific IntegratedCircuit，简称ASIC）等，但其原理都一样。

调制方法选用脉宽调制中的单脉宽调制，即对音频数字信号s(t)做单脉冲宽度调制得到的高频脉冲信号。高频脉冲信号的周期是预先确定的，其脉冲宽度和脉冲间隔是根据音频数字信号s(t)的大小计算得到。具体的，令所述信号处理装置4接收到的音频数字信号s(t)，满足-1≤s(t)≤1，t为任一时刻。为了防止过调制，需将数字音频信号s(t)加入直流偏置d，从而得到调制信号g(t)，使调制信号g(t)始终大于0。

g(t)=d+m.s(t),m≤d (1)

其中，d为直流偏值，m为调制系数。

g(t)为调制信号，由音频数字信号s(t)做特定处理后得到，如调整音频数字信号的调制系数和增加音频数字信号的直流偏值等。

本实施方式中，因为0＜g(t)＜1，为了充分利用g(t)的动态范围，首先增加直流偏置d，其值设为g(t)/2，即0.5；再在直流偏置d上叠加信号s(t)。由于-1≤s(t)≤1，其动态范围过大，需乘以调制系数m，使得-1≤d+m·s(t)≤1，m＜min(d，1-d)，所以当d=0.5时可得到m＜0.5，本实施方式中设m=0.4。当然，直流偏置d和调制系数m也可以设为其它值，只要满足要求都是可行的，但其原理一样。由公式（1）代入具体值后得到：

g(t)=0.5+0.4.s(t)

期望得到的幅度调制后的超声信号c(t)的表达式为：

c(t)=g(t)·sin(2π·f_c·t)

其中，f_c为超声信号的频率，t为任一时间。

如图2所示，经调制后的超声信号c(t)是一个频率为f_c＝48KHz，幅值变化的正弦信号。对于超声信号c(t)的每一个周期，幅值为正的上半周期用一个占空比为g(t)/2，正值对称轴在1/4周期处的正脉冲去拟合；幅值为负的下半周期用一个占空比为g(t)/2，负值对称轴在3/4周期处的负脉冲去拟合。其中，正脉冲的波形函数p(t)₊可以通过下式计算得到：

{p (t)}_{+} = \{\begin{matrix} 0, & n T_{c} \leq t < (n + \frac{1}{4} - \frac{g (t)}{4}) T_{c} \\ 1, & (n + \frac{1}{4} - \frac{g (t)}{4}) T_{c} \leq t < (n + \frac{1}{4} + \frac{g (t)}{4}) \\ 0, & (n + \frac{1}{4} + \frac{g (t)}{4}) T_{c} \leq t < n T_{c} \end{matrix} T_{c}

其中，T_c为周期长度，T_c=1/f_c，n=0，1，2，3，……。

根据信号的对称性，负脉冲的波形函数p(t)_-可以无需计算，由正脉冲反相并延迟1/2个周期得到。

根据上述原理可知，所述音频数字信号s(t))经所述数字信号处理装置调制后得到高频脉冲信号p(t)，所得到的高频脉冲信号p(t)为三电平脉冲信号，也是准周期信号，其信号幅值用-1、0、1表示，则可得出高频脉冲信号p(t)任一周期的表达式：

P (t) = \{\begin{matrix} 0, & n T_{c} \leq t < (n + \frac{1}{4} - \frac{g (t)}{4}) T_{c} \\ 1, & (n + \frac{1}{4} - \frac{g (t)}{4}) T_{c} \leq t < (n + \frac{1}{4} + \frac{g (t)}{4}) T_{c} \\ 0, & (n + \frac{1}{4} + \frac{g (t)}{4}) T_{c} \leq t < (n + \frac{3}{4} - \frac{g (t)}{4}) T_{c} \\ - 1, & (n + \frac{3}{4} - \frac{g (t)}{4}) T_{c} \leq t < (n + \frac{3}{4} + \frac{g (t)}{4}) T_{c} \\ 0, & (n + \frac{3}{4} + \frac{g (t)}{4}) T_{c} \leq t < (n + 1) T_{c} \end{matrix}

其中，t为任一时间，T_c为周期长度，T_c=1/f_c，f_c＝48KHz，g(t)为调制信号，n=0，1，2，3，……。

更优的，脉宽调制实现的声参量阵***可能存在频谱间的互调失真，因此，本发明声参量阵音频重放***的调制方法还设有对频谱间的互调失真的修正方法。具体的，对音频数字信号s(t)做预处理，所述预处理包括调整音频数字信号的调制系数和增加所述音频数字信号的直流偏值，从而得到调制信号g(t)。对所述调制信号g(t)的带宽进行扩展得到处理后的扩展调制信号g’(t)。

g^{,} (t) = \sqrt{d + m^{2} {g (t)}^{2}}

通过这样扩展带宽的方法对音频数字信号频谱间的互调失真进行渐进式地补偿，进而减小音频数字信号的频谱失真，提高声参量阵音频重放***调制精度。

本实施方式还提供了另一种修正频谱间的互调失真的方法，即对所述音频数字信号s(t)做90°相位移动，从而得到第一音频数字信号和第二音频数字信号。当然并非仅限于90°，但原理一样。再使所述第一音频数字信号和第二音频数字信号分别通过所述信号处理装置做脉冲宽度调制处理，进而得到第一高频脉冲信号和第二高频脉冲信号，将所述第一高频脉冲信号和第二高频脉冲信号相加或相减，得到修正后的高频脉冲信号，修正后的高频脉冲信号只有双边带的上边带或下边带，进而避免了上边带和下边带的互调失真。

与相关技术相比，本发明的声参量阵音频重放***及其使用方法根据声参量阵音频重放***中载波信号的频率固定性和信号对称性，直接通过数学关系准确计算出脉冲宽度调制波形的各脉冲宽度和间隔，极大提高了脉冲的精度和生成速度，从而使得本发明的声参量阵音频重放***及其调制方法的调制速度更快，精度更高，更能满足使用需求。

以上所述的仅是本发明的实施方式，在此应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出改进，但这些均属于本发明的保护范围。

Claims

1.一种声参量阵音频重放***的调制方法，其特征在于：该调制方法包括如下步骤：

提供一数字功率放大器；

提供一超声换能器阵；

提供一载波；

C、所述信号处理装置将接收到的所述音频数字信号通过脉冲宽度调制方法的处理得到高频脉冲信号p(t)，所述高频脉冲信号p(t)的周期是预先确定的，其脉冲宽度和脉冲间隔是根据所述音频数字信号计算得到，先计算出所述高频脉冲信号的正脉冲p(t)₊：

{p (t)}_{+} = \{\begin{matrix} 0, & {nT}_{C} \leq t < (n + \frac{1}{4} - \frac{g (t)}{4}) T_{C} \\ 1, & (n + \frac{1}{4} - \frac{g (t)}{4}) T_{C} \leq t < (n + \frac{1}{4} - \frac{g (t)}{4}) T_{C} \\ 0, & (n + \frac{1}{4} + \frac{g (t)}{4}) T_{C} \leq t < {nT}_{C} \end{matrix}

其中，T_C为周期长度，所述g(t)为调制信号，所述n=0，1，2，3，……，再根据信号的对称性，负脉冲的波形函数p(t)-则无需计算，由正脉冲p(t)+反相并延迟1/2个周期得到，从而得到高频脉冲信号p(t)：

p (t) = \{\begin{matrix} 0, & {nT}_{C} \leq t < (n + \frac{1}{4} - \frac{g (t)}{4}) T_{C} \\ 1, & (n + \frac{1}{4} - \frac{g (t)}{4}) T_{C} \leq t < (n + \frac{1}{4} + \frac{g (t)}{4}) T_{C} \\ 0, & (n + \frac{1}{4} + \frac{g (t)}{4}) T_{C} \leq t < (n + \frac{3}{4} - \frac{g (t)}{4}) T_{C} \\ - 1, & (n + \frac{3}{4} - \frac{g (t)}{4}) T_{C} \leq t < (n + \frac{3}{4} + \frac{g (t)}{4}) T_{C} \\ 0, & (n + \frac{3}{4} + \frac{g (t)}{4}) T_{C} \leq t < (n + 1) T_{C} \end{matrix}

其中，T_C为周期长度，所述g(t)为调制信号，所述n=0，1，2，3，……，并将所述高频脉冲信号通过所述输出装置输出给所述数字功率放大器；

D、所述高频脉冲信号经所述数字功率放大器的放大处理后得到超声信号和驱动所述超声换能器阵工作的驱动信号，所述超声信号经所述超声换能器阵的处理得到超声波。

2.根据权利要求1所述的声参量阵音频重放***的调制方法，其特征在于：该调制方法还设有对所述音频数字信号的频谱互调失真的修正方法，即对所述音频数字信号做预处理，所述预处理包括调整所述音频数字信号的调制系数和增加所述音频数字信号的直流偏值，从而得到调制信号，对所述调制信号的带宽进行扩展得到处理后的扩展调制信号。

3.根据权利要求1所述的声参量阵音频重放***的调制方法，其特征在于：该调制方法还设有对所述音频数字信号的频谱互调失真的修正方法，即对所述音频数字信号做相位移动处理，从而得到第一音频数字信号和第二音频数字信号，再使所述第一音频数字信号和第二音频数字信号分别通过所述信号处理装置做脉冲宽度调制处理，进而得到第一高频脉冲信号和第二高频脉冲信号，将所述第一高频脉冲信号和第二高频脉冲信号相加或相减，得到修正后的高频脉冲信号。