CN102638736A - 扬声器输出的控制 - Google Patents

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Abstract

一种扬声器驱动电路包括：输入端，用于接收音频信号；以及信号处理器，用于在施加至所述扬声器之前处理所述音频信号。所述信号处理器处理所述音频信号以得出扬声器驱动信号，所述扬声器驱动信号引起所述扬声器振动膜沿振动膜位移的两个方向都达到其最大位移。

Description

扬声器输出的控制
技术领域
本发明涉及扬声器输出的控制，并且涉及一种扬声器电路和一种信号处理方法。
背景技术
扬声器故障的一个重要原因是当扬声器振动膜位移超于一定限制时出现的机械缺陷，所述限制通常是由制造商提供的。超过这种位移限制会立即损坏扬声器，或者可能相当大地减少其预期寿命。
另外，小扬声器的使用和高声学输出需求的组合导致需要响度(loudness)最大化方法，但是增加了超过振动膜位移限制的风险，也称作“圆锥体偏移”限制。小扬声器也不能有效地再现低频，使得所谓的扬声器线性化方法通常用于低效率地对其进行校正。然而，这也增加了超出位移限制的风险。
存在几种方法来限制扬声器振动膜的位移以提供扬声器保护。
一种方法包括利用可变截止滤波器(高通或其他)对输入信号进行处理，所述方法的特征在于经由反馈回路控制所述可变截止滤波器的特性。位移预测器用于控制所述滤波器。另一种方法使用前馈策略，其中按照以下方式利用具有可调增益的带通滤波器组来(通过只对引起大多数偏移的频带进行衰减来)处理信号，使得防止过度偏移。
已经在前馈方法(在US7,372,966)中提出了低频倾斜和陷波滤波器的使用，按照前馈方式经由位移预测器控制所述滤波器，使用扬声器的模型在将信号发送至放大器/扬声器之前预处理所述信号。
US6,201,873描述了一种装置，用于抵抗(主要由圆锥体偏移引起的)过度音频失真，或者将所述扬声器驱动到其最大量(最大圆锥体偏移)。所述装置使用圆锥体偏移传递函数(或者最大电压传递函数)模块，其输出用于控制对于输入的可变增益。US6,201,873建议了使用传递函数来给出最大电压，所述最大电压导致恰好可接受的失真，所述最大电压是在不引起过度失真的情况下每个频率可施加的最大电压。所考虑的失真是由过度圆锥***移产生的(考虑在转换器和放大器中没有失真)。
该发明是基于这样的认识：在许多扬声器中，当将扬声器驱动至其位移限制时，正(向外移动)和负(向内移动)振动膜位移峰值不是对称的。在以下描述中，任意假设当将扬声器驱动至其位移限制时，负振动膜位移的绝对值比正位移更大，但是相反的情况也适用。这通常是由于扬声器相对于振动膜位移的非线性行为的不对称性导致的。
如果通过保护方案限制了(测量的或预测的)振动膜位移，可能只限制了负位移峰值，而正峰值从没有达到位移限制。因此，保护方案将阻止了达到的最大声音。
发明内容
根据本发明，提出了一种扬声器驱动电路，包括：
输入端，用于接收音频信号；
信号处理器，用于在施加至所述扬声器之前处理所述音频信号，并且适用于处理所述音频信号以得出扬声器驱动信号，所述扬声器驱动信号引起所述扬声器振动膜沿振动膜位移的两个方向都达到其最大位移。
这样，本发明提出了一种处理音频输入信号(可以用于驱动扬声器)的方法，使得正和负位移峰值是对称的，并且使得两者均达到其相应的位移限制。结果，可以增加峰值-谷值位移，导致扬声器输出增加的声音级别。
应该注意的是“用于接收音频信号的输入”是对于所述信号处理器的输入，并且在扬声器驱动电路的输入和外部输入之间可以存在其他部件。
处理以得出扬声器的对称位移限制驱动的信号可以包括已经进行了响度最大化的信号。然而，可以代替地所述信号可以是已经针对扬声器保护而处理(例如修剪)的信号。在这两种情况下，所述信号是处理以确保沿两个方向都达到扬声器位移限制的峰值音频信号。在本发明的处理之前，音频信号(或者最大化或者针对保护进行处理)不会导致沿两个方向的最大位移。典型地，最大位移只沿振动膜位移的一个方向增加。
所述电路可以包括最大化单元，用于产生驱动所述扬声器的扬声器驱动信号，使得沿振动膜位移的一个方向达到最大位移。这可以包括传统的响度最大化单元，其没有考虑扬声器的非对称性。
可选地，本发明可以应用于来自扬声器保护单元的音频信号。
加法器可以提供用于将dc偏移与最大化单元/扬声器保护单元的输出相加。该dc偏移然后偏移所述扬声器驱动信号以提供所要求的对称性，所述对称性考虑了扬声器的非线性和非对称特性。
为了得出非对称特性，可以使用振动膜位移预测模块，并且然后所述dc偏移是通过所述振动膜位移预测模块可调的。
增益元件可以用于向加法器的输出施加增益。这然后可以确保达到位移限制。所述增益也可以是通过所述振动膜位移预测模块可调的。
代替加法器和增益元件，非对称限幅单元可以提供用于向所述最大化单元的输出施加增益和非对称限幅。再次，所述非对称限幅单元可以通过振动膜位移预测模块控制。
优选地，所述电路包括扬声器，并且所述电路可以是诸如移动电话之类的便携设备的一部分。所述扬声器包括扬声器振动膜，所述扬声器振动膜可以沿两个(相反的)方向从平衡位置偏移。
本发明也提出了一种处理音频输入信号以得出扬声器驱动信号的方法，包括：
处理所述音频信号以得出扬声器驱动信号，所述扬声器驱动信号引起所述扬声器振动膜沿振动膜位移的两个方向都达到其最大位移。
附图说明
现在将参考附图详细描述本发明的示例，其中：
图1示出了本发明的***和方法采用的信号处理；
图2示出了本发明的扬声器驱动电路的第一示例；
图3示出了本发明的扬声器驱动电路的第二示例；
图4示出了本发明的扬声器驱动电路的第三示例；
图5示出了本发明的扬声器驱动电路的第四示例；以及
图6示出了其中可以实现扬声器***的移动电话。
具体实施方式
本发明提出了一种扬声器驱动电路，其中在将音频信号施加至扬声器之前修改音频信号。所述修改是使得当这种音频信号用于驱动设计电路所针对的扬声器时，所述音频信号导致扬声器振动膜沿振动膜位移的两个方向都达到其最大位移。这样，所述扬声器提供了最大可能的声压，例如当将其驱动至最大响度时。
基于数字实现(要求数模转换器)来描述本发明的示例。也可以在模拟域实现本发明的示例。
本发明可以应用于相对最大化***或扬声器保护***。以下示例是基于本发明所应用的合并了响度最大化的***。
对于以下描述，假设响度最大化模块按照这样的方式处理输入信号，使得所处理的信号将扬声器驱动到其负峰值位置，但是不超过其负峰值位移，并且使得正峰值位移没有达到限制值。替代地可以是依赖于扬声器使得限制了正峰值并且使得负峰值没有达到限制值。
正和负位移峰值可以具有不同的值，并且所提出的方法可以用于将正和负峰值与相应的位移限制对齐。
在图1中示出了基本原理。
在图1A中，将振动膜位移示出为针对任意声轨的时间函数，按照这样的方式处理所述声轨，使得最大(负)位移位于1mm处，这是扬声器的位移限制。由于扬声器非线性行为的不对称性，正峰值小得多(近似0.49mm)。
通过将DC-值与音频信号相加，可以将振动膜位移向上或向下偏移，并且可以选择所述振动膜位移，使得正和负峰值位移是对称的，如图1B所示。
可以根据扬声器模型来预测为此目的而要求的DC值，或者可以在测量振动膜位移的同时迭代地确定所述DC值。结果，正和负峰值位于±0.74mm处，小于位移限制。
可以施加附加的增益，使得正和负位移峰值与相应的位移限制一致(在该示例中是+1mm和-1mm)。
图1C示出了将DC-值和附加增益相加的效果。
在图2中示出了本发明电路的第一实施例。
所述扬声器驱动电路包括输入10，用于接收音频信号。该音频信号可以是适用于驱动扬声器的(数模转换之后的)数字信号，或者该音频信号可以是模拟信号。通过本发明的附加电路元件实现的处理提供了对于音频信号的最终调节。
所述电路包括信号处理器，用于在施加至扬声器之前处理所述音频信号。在图2的示例中，所述信号处理器包括：加法器13，用于加上由dc偏移单元14提供的dc值，以及增益元件16，用于施加增益。这些单元在(传统的)响度最大化单元12之后处理所述音频信号。Dc偏移和增益的目的是为了得出扬声器驱动信号，所述扬声器驱动信号导致当提供最大响度驱动信号时，扬声器振动膜沿两个振动膜位移的方向都达到其最大位移。
最大化模块12执行输入信号10的(固定或自适应)处理。将DC-值14和附加缩放16与处理的信号相加，并且将其发送至模数转换器18和扬声器20。
设置DC值和增益值，使得正和负峰值振动膜位移都达到其相应的限制。这些值是固定的，并且例如可以通过施加给定的测试序列来确定这些值。
所述测试序列包括与增益相乘的驱动信号。在偏移的负峰值达到最大允许偏移之前(假设首先达到负偏移峰值)增加所述增益。
在已经达到偏移的负峰值时的那一点的正和负偏移峰值分别用x+和x-表示。接下来，针对正峰值偏移值等于(x+-x-)/2来确定DC值。这样，在正和负偏移值相等之前偏移所述响应(即从图1A到图1B的偏移)。
然后将针对所述增益元件的值确定作为增益因子，要求所述增益因子将峰值偏移值增加至最大允许值(即从图1B到图1C的偏移)。
可以将所述测试序列施加至给定扬声器设计的一个扬声器，假设所述扬声器非线性在相同设计的采样上是均匀的。激光位移计可以用于测量偏移点，并且从而(通过与制造商提供的值进行比较)确定沿一个方向已经达到偏移限制的时间，并且测量在其他方向达到的偏移。
为了在扬声器保护***中实现本发明，通过保护单元代替所述响度最大化单元12。这受到了相同的问题：其增加了驱动信号，使得扬声器只沿一个方向达到其位移限制。
在图3中示出了第二实施例。通过非对称限幅单元22实现的非对称限幅器来代替DC偏移和增益。所述限幅器施加增益，并且将正和负峰值限制到不同值。设置非对称限幅器的参数，使得正和负峰值振动膜位移两者都达到其相应的限制。可以按照与上述相同的方式确定这些值。
在图4中示出了第三实施例。第三实施例是第一实施例的扩展。最大化模块12包括处理模块24，上述处理模块由偏移模块26控制，所述偏移模块包括振动膜位移预测模块，所述振动膜位移预测模块获得振动膜位移的测量或预测。可以从这种测量或预测中得出多个控制信号，包括用于dc偏移单元14的控制参数。这一模块可以用于控制展现对称并且与其相应的限制值相对应的的峰值位移所要求的DC值和增益值。
例如，可以将所述增益设置为固定值，并且如果所期待的峰值振动膜位移小于阈值则将所述DC值设置为零，否则将所述DC值设置为固定值。如果偏移模块能够预测非对称的偏移峰值(例如，如果所述偏移模块考虑扬声器的非线性行为的非对称性)，可以在偏移模块中估计所要求的DC值。
例如，所述自适应处理(最大化和/或保护)可以使用滤波器、自适应增益元件和动态范围压缩模块。典型地，按照以下方式控制所述处理块的参数，使得振动膜位移的期待峰值与最大允许值(最大化)相一致，和/或使得所述振动膜位移不会超过最大允许的值(保护)。因此，自适应增益可以是响应于实际的音频信号而依赖于预测的振动膜位移。
在图5中示出了第四实施例。第四实施例是第二实施例的扩展。最大化模块12包括处理模块，通过偏移模块26控制所述处理模块，所述偏移模块再次包括振动膜位移的测量或预测。该模块然后用于控制非对称限幅函数的参数。例如，可以再次将所述增益设置为固定值，并且如果期待的峰值振动膜超过了阈值则将所述正和负限制级别设置为预定级别。如果偏移模块能够预测所述非对称偏移峰值(例如，如果偏移模块考虑扬声器的非线性行为的非对称性)，可以在偏移模块中估计所要求的限制级别。
本发明可以与响度最大化算法组合使用，所述响度最大化算法通过限制振动膜位移而结合了扬声器保护。效果是在不超过位移限制的情况下可以施加的增益的增加。
所述最大化单元可以是传统的，例如在US6,201,873中概述了已知的方法。响度最大化单元可以总是使响度最大化，或者其只在存在施加至扬声器的最大音量设置时才起作用。例如，最高音量可以与最大化相对应，而较低音量使用固定的增益。另一种可能性是从最大化的信号得出音量级别，使得音量控制提供最大化信号的衰减。
如上所述，本发明可以应用于模拟域而不是数字域。
本发明可以用于最大化声音再现***中的响度，同时保护扬声器。一种重要的应用是在移动电话，其中通常采用低质量扬声器、但是需要高声学输出。
图6示出了包括本发明的扬声器***32的移动电话30。
各种修改对于本领域普通技术人员而言是清楚明白的。

Claims (15)

1.一种扬声器驱动电路，包括：
输入端，用于接收音频信号；
信号处理器(13，14，16)，用于在施加至所述扬声器之前处理所述音频信号，并且适用于处理所述音频信号以得出扬声器驱动信号，所述扬声器驱动信号引起所述扬声器振动膜沿振动膜位移的两个方向都达到其最大位移。
2.根据权利要求1所述的电路，包括：
最大化单元(12)，用于产生所述音频信号作为扬声器驱动信号，所述扬声器驱动信号驱动所述扬声器，使得沿振动膜位移的一个方向达到最大位移；或者
扬声器保护单元，用于产生所述音频信号作为受保护的扬声器驱动信号。
3.根据权利要求2所述的电路，包括加法器(13)，用于将dc偏移(14)与最大化单元(12)或扬声器保护单元的输出相加。
4.根据权利要求3所述的电路，包括振动膜位移预测模块(26)，并且其中所述dc偏移(14)是通过所述振动膜位移预测模块可调的。
5.根据权利要求3或4所述的电路，包括增益元件(16)，用于向加法器(13)的输出施加增益。
6.根据权利要求5所述的电路，包括振动膜位移预测模块(26)，并且其中所述增益是通过所述振动膜位移预测模块(26)可调的。
7.根据权利要求2所述的电路，包括非对称限幅单元(22)，用于向所述最大化单元(12)或扬声器保护单元的输出施加增益和非对称限幅。
8.根据权利要求7所述的电路，包括振动膜位移预测模块(26)，并且其中通过所述振动膜位移预测模块(26)来控制所述非对称限幅单元。
9.一种扬声器***，包括根据权利要求1所述的电路，并且还包括扬声器(20)。
10.一种便携设备(30)，包括根据权利要求9所述的扬声器***。
11.根据权利要求10所述的便携设备(30)，包括移动电话。
12.一种处理音频输入信号以得出扬声器驱动信号的方法，包括：
处理所述音频信号以得出扬声器驱动信号，所述扬声器驱动信号引起所述扬声器振动膜沿振动膜位移的两个方向都达到其最大位移。
13.根据权利要求12所述的方法，包括：
产生扬声器驱动信号，所述扬声器驱动信号将驱动所述扬声器，使得沿振动膜位移的一个方向达到最大位移；
将dc偏移与所述扬声器驱动信号相加；以及
施加增益。
14.根据权利要求12所述的方法，包括：
产生扬声器驱动信号，所述扬声器驱动信号将驱动所述扬声器，使得沿振动膜位移的一个方向达到最大位移；以及
向所述扬声器驱动信号施加非对称限幅。
15.根据权利要求13或14所述的方法，其中所述dc偏移和/或所述增益和/或所述限幅是通过振动膜位移预测模块可调的。
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