CN111556408B - 扬声器智能功率控制系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

一种扬声器智能功率控制系统及其控制方法，扬声器智能功率控制系统包括硬件电路单元、与硬件电路单元电性连接的平台演算器。平台演算器块判断在给定的间隔时延内，如果等效功率值的峰值功率持续的时延大于或等于时延门限，则将欲输出至硬件电路单元的输入信号的波形进行限幅控制在额定功率所对应的信号波形幅度以内。硬件电路单元包括依次连接的前馈处理部件、波形加法器、功率放大器及扬声器，前馈处理部件判断是否需要调整信号增益值，并将调整后的信号增益值输出至波形加法器。且扬声器智能功率控制方法可智能地将音频信号的输出质量理想化控制，以避免信号削波现象及信号失真。

Description

扬声器智能功率控制系统及其控制方法

技术领域

本发明为涉及扬声器技术领域，特别是一种适用于扬声器智能功率控制系统及其控制方法。

背景技术

移动电话扬声器和其他微型扬声器经常呈现大量失真，该大量失真限制了扬声器以舒适的方式为用户再现音频的最大音量。例如，当总谐波失真(THD)达到峰值功率(即，呈现局部最大值)的范围内的频率而过度驱动扬声器时，任何扬声器的输出都遭受失真。

智能功放芯片是扬声器的硬件电路，扬声器的功率控制计算都是通过硬件电路根据输出信号幅度实时调整输出增益来实现。现今的智能功放芯片在放大输入信号的同时，会检查信号是否有削波现象(clipping)，如图1所示的虚线圈指处表示有削波现象；或是检查信号是否超出额定功率，进而动态调整信号增益，避免由于信号超出范围使得音质变差或是长期超出喇叭的额定功率而损坏喇叭。

其中自动增益控制(agc)就是实现动态增益控制的最重要一环，一般模拟实现的方法是检测输出信号幅度，与门限电平比较，如果超过门限电平则进行限幅处理，但是如果反复出现削波现象会使得音质变差，这就需要自动增益控制的响应时间足够快，然而在额定功率附近，却不需要响应太快，否则会影响音质和听觉感受，因此自动增益控制的频率沦为拿捏不易，不可避免地出现信号削波现象、及不同程度的信号失真。

“背景技术”段落只是用来说明了解本发明内容，因此在“背景技术”段落所揭露的内容可能包含一些没有构成所属技术领域中普通技术人员所知道的已知技术。在“背景技术”段落所揭露的内容，不代表该内容或者本发明一个或多个实施例所要解决的问题，在本发明申请前已被所属技术领域中普通技术人员所知晓或认知。

发明内容

为解决上述问题，本发明的目的在于提供一种扬声器智能功率控制系统，对硬件电路辅以平台演算器进行计算，实现扬声器额定功率的持续时延可被调整的需求。

本发明的另一目的在于提供一种扬声器智能功率控制方法，通过对信号进行限幅处理，且根据信号波形幅度实时调整信号增益，以智能地将音频信号的输出质量理想化控制，以避免信号削波现象及信号失真。

承上所述，本发明披露一种扬声器智能功率控制系统，包括硬件电路单元、与硬件电路单元电性连接的平台演算器，平台演算器包括滤波检测模块、功率演算模块及限幅控制模块，其中，滤波检测模块对输入信号先进行滤除噪声，并对滤波后的信号进行包络跟踪得到信号包络值，并将信号包络值输出至功率演算模块。功率演算模块依据信号包络值计算出等效功率值，并将等效功率值输出至限幅控制模块。限幅控制模块判断在给定的间隔时延内，如果等效功率值的峰值功率持续的时延大于或等于时延门限，则将欲输出至硬件电路单元的输入信号的波形进行限幅控制以得到限幅信号，使得限幅信号的波形控制在额定功率所对应的信号波形幅度以内。硬件电路单元包括依次连接的前馈处理部件、波形加法器、功率放大器及扬声器，前馈处理部件包括依次连接的跟踪检测模块、及与波形加法器电性连接的增益控制模块，其中跟踪检测模块接收由所述平台演算器的所述限幅控制模块所传送的所述限幅信号，并对限幅信号进行跟踪计算得到信号检测值，并将信号检测值输出至增益控制模块。及增益控制模块根据信号检测值判断是否需要调整信号增益值，并将调整后的信号增益值输出至波形加法器。

本发明还披露一种用于扬声器智能功率控制系统的扬声器智能功率控制方法，扬声器智能功率控制系统包括硬件电路单元、与硬件电路单元电性连接的平台演算器，硬件电路单元包括依次连接的前馈处理部件、波形加法器、功率放大器及扬声器，扬声器智能功率控制方法包括通过平台演算器对输入信号进行包络跟踪得到信号包络值；依据信号包络值计算出等效功率值；判断在给定的间隔时延内，如果等效功率值的峰值功率持续的时延大于或等于时延门限，则将欲输出至硬件电路单元的输入信号的波形进行限幅控制以得到限幅信号，使得限幅信号的波形控制在额定功率所对应的信号波形幅度以内；通过前馈处理部件对限幅信号进行跟踪计算得到信号检测值；根据信号检测值判断是否需要调整信号增益值，并将调整后的信号增益值实时输出至波形加法器；通过波形加法器根据信号增益值进行加法运算以形成相加信号并输出至功率放大器；及通过功率放大器将相加信号进行放大处理并输出至扬声器。

附图说明

图1为现有技术中采用固定频率的自动增益控制，输出信号波形示意图；

图2为本发明的扬声器智能功率控制系统的方块图；

图3为本发明的扬声器智能功率控制系统的电路连接图；

图4为本发明的扬声器智能功率控制系统的增益控制模块的作用示意图；

图5为本发明的扬声器智能功率控制方法的流程图；

图6为本发明的扬声器智能功率控制系统的输出信号波形示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术特征及优点，能更为相关技术领域人员所了解，并得以实施本发明，在此配合所附的图式、具体阐明本发明的技术特征与实施方式，并列举较佳实施例进步说明。以下文中所对照的图式，为表达与本发明特征有关的示意，并未亦不需要依据实际情形完整绘制。而关于本案实施方式的说明中涉及本领域技术人员所熟知的技术内容，亦不再加以陈述。

请参照图2，图2表示本发明的扬声器智能功率控制系统的方块图。如图2所示，将例如是手机、个人数字助理(PAD)、笔记本电脑等可发出音讯控制信号的装置的硬件电路单元2与平台演算器1电性连接，平台演算器1可以是安装于智能播放设备的应用程序(APP)，用于透过算法对信号进行限幅处理，使要输出至硬件电路单元2的信号不会出现明显的削波与失真。平台演算器1包括滤波检测模块11、功率演算模块12及限幅控制模块10。硬件电路单元2可以是设置于可发出音讯控制信号的装置的智能功放芯片，硬件电路单元2包括依次连接的前馈处理部件200、波形加法器20、功率放大器30及扬声器40。波形加法器20用于将输入信号与信号增益值相加以形成相加信号；功率放大器30用于放大要输入到扬声器40的信号的增益；扬声器40用于发出音频信号；前馈处理部件200用于基于预设的滤波器系数对输入信号进行前馈处理，并可跟踪电压的变化而对输出增益进行柔性调整，以便消除扬声器40产生的非线性失真。

请参照图3，图3表示本发明的扬声器智能功率控制系统的电路图。于硬件电路单元2中的信号要输入至波形加法器20与前馈处理部件200之前，先利用智能功放芯片搭载平台演算器1对输入信号进行限幅处理，限幅处理的用意是通过计算缓冲区的时延、及限幅控制信号的功率，可以彻底避免信号削波并尽可能降低信号处理后的失真。因此平台演算器1内的电路设计为将限幅控制模块10与滤波检测模块11、功率演算模块12前馈式耦接；滤波检测模块11用于滤除信号的噪声并对信号进行检测跟踪；功率演算模块12用于通过算法模拟算出等效于扬声器40实际输出的功率值；限幅控制模块10用于将欲输出的信号限制在额定功率所对应的幅度以内。滤波检测模块11基于滤波器系数对输入信号先进行滤除噪声以得到滤波后的数字信号，滤波器系数被设置成消除扬声器40每个参数的非线性分量，因此可以消除非线性失真。滤波检测模块11滤除平台演算器1引入的噪声之后，对滤波后的数字信号进行包络跟踪以得到对应跟踪结果的信号包络值，并将信号包络值输出至功率演算模块12。

功率演算模块12依据信号包络值透过算法计算出等效功率值，并将多个等效功率值输出至限幅控制模块10。其中等效功率值的算法是根据实时的每个信号包络值计算均方根值X_rms，均方根值X_rms可作为模拟扬声器40的实际输出功率值的依据，因此均方根值X_rms可代表等效功率值。举例来说，算法可以是执行下列式(1)的演算而获得均方根值X_rms。

其中，X_i是从滤波检测模块11接收的信号包络值，对应不同时延会接收到总共N个信号包络值，即X₁、X₂、X₃、…、X_N等N个信号包络值。

限幅控制模块10实时对信号记录额定功率的持续时延及峰值功率的持续时延。额定功率是指在此功率状态下可长期使用扬声器40不会损坏。峰值功率是指扬声器40在10毫秒的时延以内所能承受的最大的强脉冲。峰值功率通常是额定功率的8至10倍，由于扬声器40对峰值功率的承受是有限的，若承受时延设定为1秒钟，扬声器4至多只能承受10次的峰值功率，如果超过10次，扬声器4就可能损坏。为避免扬声器4损坏或输出的音频信号失真，限幅控制模块10从功率演算模块12接收不同时间的等效功率值后，判断在给定的间隔时延内，如果等效功率值的峰值功率持续的时延大于或等于时延门限，则将欲输出至硬件电路单元2的输入信号的波形进行限幅控制以得到限幅信号，使得限幅信号的波形控制在额定功率所对应的信号波形幅度以内。另外，限幅控制模块10判断如果输入信号的峰值功率持续的时延小于时延门限，则不必对输入信号的波形进行限幅控制，同样也是以限幅信号的形式输出至硬件电路单元2，限幅信号的形式是数字信号值，可达量化精度到8位(bit)。此处所指时延门限为扬声器40对峰值功率的承受时延，例如可为1秒钟。也就是说，在输入信号输入硬件电路单元2之前先进行限幅处理以降低扬声器4损坏或输出的音频信号失真的风险。

请继续参照图3，硬件电路单元2接收由平台演算器1限幅处理后的限幅信号，限幅信号先由前馈处理部件200与波形加法器20一同执行自动增益控制。前馈处理部件200包括依次连接的跟踪检测模块220、及与波形加法器电性连接的增益控制模块230。跟踪检测模块220接收自平台演算器1的限幅控制模块10所传送的限幅信号后对限幅信号进行跟踪计算得到信号检测值，并将信号检测值输出至增益控制模块230；信号检测值是利用数字算法进行包络检测而得，可以有效跟踪信号幅度变化及硬件电路单元2的电压值变化，减少不必要调整，更好地保持信号质量。

增益控制模块230接收自跟踪检测模块220输入的信号检测值后，根据信号检测值判断是否需要调整信号增益值，并实时输出调整后的信号增益值至波形加法器20。调整信号增益值的主要手段为如图4所示，判断是否需要快速响应，需要快速响应时则选择快时钟(fast_clock)作为增益控制的主钟；而不需要快速响应时则选择慢时钟(slow_clock)作为增益控制的主钟。本实施例中，举例设置两个阈值(threshold)，其一为削波门限(vth_h)，另一为额定功率门限(vth_l)，也可以视需要设置多个阈值。当信号检测值大于vth_h时，增益控制模块230的主钟切换到快时钟，将信号幅度快速衰减到vth_h，在信号过零点把模拟运放(波形加法器20)的增益更新；而当信号幅度为vth_h以下但是大于vth_l时，增益控制模块230的主钟切换到慢时钟,增益衰减幅度放慢，且将信号增益值调整为0。当波形加法器20所输出的信号小于增益恢复门限(vth_rec，取值低于额定功率门限)时，增益控制模块230进入恢复时间(release time)，增益衰减慢慢恢复，既能符合安全使用规格又能满足音质需求，还可以降低功耗。增益控制模块230的主钟切换到快时钟或慢时钟的时钟切换方法为本领域技术人员悉知，于此不赘述。

波形加法器20接收输入信号与来自增益控制模块230的信号增益值，信号增益值代表快时钟或慢时钟情形下的增益衰减，因此输入信号与信号增益值是通过全加法运算以形成相加信号并输出至功率放大器30。功率放大器30接收来自波形加法器20的相加信号，进行放大处理并输出至扬声器40。当硬件电路单元2中存在不能内部进行处理的高电压组件时，在扬声器40的紧前方提供功率放大器30，通过对高电压组件的参数进行增益倍数的放大，即为调节每个参数大小的所谓缩放处理，可以改善原有的信号失真水平。

以下根据前述本发明的扬声器智能功率控制系统，说明本发明的扬声器智能功率控制方法，流程步骤请参照图5，图5中扬声器智能功率控制方法包括步骤S10至S70，首先于平台演算器1执行步骤S10至步骤S30：

步骤S10：对输入信号进行包络跟踪得到信号包络值；滤波检测模块11对输入信号先进行滤除噪声，滤除平台演算器1引入的噪声而得到滤波后的信号。之后对滤波后的信号进行包络跟踪以得到对应跟踪结果的信号包络值，并将信号包络值输出至功率演算模块12。

步骤S20：将信号包络值透过算法计算出等效功率值；功率演算模块12透过前述式(1)的算法根据实时的每个信号包络值计算可代表等效功率值的均方根值。然后将多个等效功率值输出至限幅控制模块10。

步骤S30：限幅控制模块10判断是否进行限幅控制；即判断在给定的间隔时延内，如果等效功率值的峰值功率持续的时延大于或等于时延门限，则将欲输出至硬件电路单元2的输入信号的波形进行限幅控制以得到限幅信号，使得限幅信号的波形控制在额定功率所对应的信号波形幅度以内；如果输入信号的峰值功率持续的时延小于时延门限，则欲输出的限幅信号不必对输入信号的波形进行限幅控制。

接着于硬件电路单元2执行步骤S40至步骤S80：

步骤S40：对限幅信号进行跟踪计算得到信号检测值；跟踪检测模块220接收由平台演算器1的限幅控制模块10所传送的限幅信号，并对限幅信号进行跟踪计算得到信号检测值，并将信号检测值输出至增益控制模块230。

步骤S50：增益控制模块230根据信号检测值判断是否需要调整信号增益值，并将调整后的信号增益值实时输出至波形加法器20；调整信号增益值的主要手段为如图4所示，判断是否需要快速响应，需要快速响应时则选择快时钟作为增益控制的主钟；而不需要快速响应时则选择慢时钟作为增益控制的主钟。

步骤S60：形成相加信号并输出至功率放大器30；相加信号是由波形加法器20接收输入信号与来自增益控制模块230的信号增益值通过全加法运算而形成。

步骤S70：将相加信号进行放大处理并输出至扬声器40；功率放大器30接收来自波形加法器20的相加信号，进行放大处理并输出至扬声器40，可以改善原有的信号失真水平。

优选地，采用变频自动增益控制后，输出至扬声器40的信号波形如图6所示，明显地已未见削波现象，且减少信号失真；可有效改善信号质量，使音质稳定。

本说明书所述内容仅为举例性，而非为限制性者。任何未脱离本发明之精神与范畴，对其进行之等效修改或变更，均应包含于后附之申请专利范围中。

Claims (10)

1.一种扬声器智能功率控制系统，其特征在于，包括硬件电路单元、与所述硬件电路单元电性连接的平台演算器，所述平台演算器包括滤波检测模块、功率演算模块及限幅控制模块，其中：

所述滤波检测模块对输入信号先进行滤除噪声，并对滤波后的信号进行包络跟踪得到信号包络值，并将所述信号包络值输出至所述功率演算模块；

所述功率演算模块依据所述信号包络值计算出等效功率值，并将所述等效功率值输出至所述限幅控制模块；

所述限幅控制模块判断在给定的间隔时延内，如果所述等效功率值的峰值功率持续的时延大于或等于时延门限，则将欲输出至所述硬件电路单元的所述输入信号的波形进行限幅控制以得到限幅信号，使得所述限幅信号的波形控制在额定功率所对应的信号波形幅度以内；

所述硬件电路单元包括依次连接的前馈处理部件、波形加法器、功率放大器及扬声器，所述前馈处理部件包括依次连接的跟踪检测模块、及与所述波形加法器电性连接的增益控制模块，其中：

所述跟踪检测模块接收由所述平台演算器的所述限幅控制模块所传送的所述限幅信号，并对所述限幅信号进行跟踪计算得到信号检测值，并将所述信号检测值输出至所述增益控制模块；

所述增益控制模块根据所述信号检测值判断是否需要调整信号增益值，并将调整后的所述信号增益值输出至所述波形加法器，据此所述波形加法器根据所述信号增益值进行加法运算以形成相加信号并输出至所述功率放大器；所述功率放大器将所述相加信号进行放大处理并输出至所述扬声器。

2.如权利要求1所述的扬声器智能功率控制系统，其特征在于，所述平台演算器的所述限幅控制模块更判断如果所述输入信号的所述峰值功率持续的所述时延小于所述时延门限，则不必对所述输入信号的波形进行所述限幅控制。

3.如权利要求1所述的扬声器智能功率控制系统，其特征在于，所述信号检测值包括跟踪所述硬件电路单元的电压值。

4.如权利要求1所述的扬声器智能功率控制系统，其特征在于，所述功率演算模块是透过算法计算出所述等效功率值，所述算法是执行以下式(1)的演算而获得均方根值：

其中，X_i是从所述滤波检测模块接收的多个所述信号包络值，i为1至N的自然数；X_rms为所述均方根值，所述均方根值代表所述等效功率值。

5.一种扬声器智能功率控制方法，用于扬声器智能功率控制系统，所述扬声器智能功率控制系统包括硬件电路单元、与所述硬件电路单元电性连接的平台演算器，所述硬件电路单元包括依次连接的前馈处理部件、波形加法器、功率放大器及扬声器，其特征在于，所述扬声器智能功率控制方法包括：

通过所述平台演算器对输入信号进行包络跟踪得到信号包络值；

依据所述信号包络值计算出等效功率值；

判断在给定的间隔时延内，如果所述等效功率值的峰值功率持续的时延大于或等于时延门限，则将欲输出至所述硬件电路单元的所述输入信号的波形进行限幅控制以得到限幅信号，使得所述限幅信号的波形控制在额定功率所对应的信号波形幅度以内；

通过所述前馈处理部件对所述限幅信号进行跟踪计算得到信号检测值；

根据所述信号检测值判断是否需要调整信号增益值，并将调整后的所述信号增益值实时输出至所述波形加法器；

通过所述波形加法器根据所述信号增益值进行加法运算以形成相加信号并输出至所述功率放大器；及

通过所述功率放大器将所述相加信号进行放大处理并输出至所述扬声器。

6.如权利要求5所述的扬声器智能功率控制方法，其特征在于，所述判断包括判断如果所述输入信号的所述峰值功率持续的时延小于时延门限，则不必对所述输入信号的波形进行所述限幅控制。

7.如权利要求5所述的扬声器智能功率控制方法，其特征在于，所述对所述限幅信号进行跟踪计算得到所述信号检测值包括跟踪所述硬件电路单元的电压值。

8.如权利要求5所述的扬声器智能功率控制方法，其特征在于，所述调整信号增益值包括判断选择快时钟或慢时钟。

9.如权利要求5所述的扬声器智能功率控制方法，其特征在于，所述计算出所述等效功率值是透过算法来计算，所述算法是执行以下式(1)的演算而获得均方根值：

其中，X_i是从滤波检测模块接收的多个所述信号包络值，i为1至N的自然数；X_rms为所述均方根值，所述均方根值代表所述等效功率值。

10.如权利要求5所述的扬声器智能功率控制方法，其特征在于，所述平台演算器对所述输入信号进行包络跟踪得到所述信号包络值之前，更包括进行对所述输入信号进行滤除噪声。

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