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CN111741409A - 扬声器的非线性补偿方法、扬声器设备、装置和存储介质 - Google Patents

扬声器的非线性补偿方法、扬声器设备、装置和存储介质 Download PDF

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CN111741409A CN202010537957.5A CN202010537957A CN111741409A CN 111741409 A CN111741409 A CN 111741409A CN 202010537957 A CN202010537957 A CN 202010537957A CN 111741409 A CN111741409 A CN 111741409A
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吴锐兴
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Abstract

本发明实施例公开了一种扬声器的非线性补偿方法，应用于包括智能功放的扬声器设备，扬声器的非线性补偿方法包括：对当前时刻的原始输入信号进行位移压缩滤波处理，生成处理输入信号；获取当前时刻的扬声器状态变量和扬声器系统参数，根据扬声器状态变量和扬声器系统参数计算对应于处理输入信号的预失真信号；获取智能功放的系统响应参数和频域响应参数，根据系统响应参数和频域响应参数计算对应于预失真信号的补偿信号；将补偿信号输入智能功放，获取播放信号，将播放信号输入扬声器。本发明还提供了扬声器设备、装置和存储介质。本发明可以能够对包括智能功放的扬声器设备进行非线性补偿，提升扬声器的播放音质。

Description

扬声器的非线性补偿方法、扬声器设备、装置和存储介质
技术领域
本发明涉及智能功放技术领域，尤其涉及扬声器的非线性补偿方法、扬声器设备、装置和存储介质。
背景技术
便携式智能终端设备的快速发展和普及，影音娱乐等多媒体应用越来越受到关注。良好的声重放是多媒体应用用户体验重要部分。大振幅微型扬声器和智能功放的广泛使用极大提高了便携式智能终端的声重放效果。但是，由于微型扬声器的尺寸限制，在大振幅情况下，其非线性失真十分明显。所以需要对大振幅微型扬声器进行非线性补偿。一般的非线性补偿只适用于固定功放，而智能功放由于存在扬声器保护(例如，振幅保护、温度保护)、电路升压等处理，会让非线性补偿的效果变差，甚至完全失效。
发明内容
基于此，有必要针对上述问题，提出了扬声器的非线性补偿方法、扬声器设备、装置和存储介质。
一种扬声器的非线性补偿方法，应用于包括智能功放的扬声器设备，所述扬声器的非线性补偿方法包括：对当前时刻的原始输入信号进行衰减处理，生成处理输入信号；获取当前时刻的扬声器状态参数和扬声器系统参数，根据所述扬声器状态参数和所述扬声器系统参数计算对应于所述处理输入信号的预失真信号；获取所述智能功放的系统响应参数和频域响应参数，根据所述系统响应参数对所述预失真信号进行滤波，获取补偿信号；将所述补偿信号输入所述智能功放，获取播放信号，将所述播放信号输入扬声器。
一种扬声器装置，用于包括智能功放的扬声器设备，包括：偏移处理模块，用于对当前时刻的原始输入信号进行衰减处理，生成处理输入信号；非线性模块，用于获取当前时刻的扬声器状态参数和扬声器系统参数，根据所述扬声器状态参数和所述扬声器系统参数计算对应于所述处理输入信号的预失真信号；功放均衡模块，用于获取所述智能功放的系统响应参数和频域响应参数，根据所述系统响应参数对所述预失真信号进行滤波，获取补偿信号；智能功放模块，用于将所述补偿信号输入所述智能功放，获取播放信号，将所述播放信号输入扬声器。
一种扬声器设备，包括：处理器和存储器，所述处理器耦接所述存储器，所述存储器中存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序以实现如上所述的方法。
一种可读存储介质，存储有计算机程序，所述计算机程序能够被处理器执行以实现如上所述的方法。
采用本发明实施例，具有如下有益效果：
通过对原始输入信号进行衰减处理，获取处理输入信号，根据原始输入信号以及接受的反馈信号，计算当前时刻的扬声器状态参数，根据当前扬声器状态参数计算扬声器的非线性失真，并产生相应的预失真信号，对预失真信号进行频响均衡，补偿智能功放的频响失真，能够对包括智能功放的扬声器设备进行非线性补偿，提升扬声器的播放音质。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
其中：
图1是本发明提供的扬声器的非线性补偿方法的第一实施例的流程示意图；
图2a是本发明提供的智能功放的系统响应的波形示意图；
图2b是本发明提供的智能功放的逆系统响应的波形示意图。
图3是本发明提供的扬声器的非线性补偿方法的第二实施例的流程示意图；
图4a是采用本实施例所述方法的SPL(Sound Pressure Level，声压级)波形示意图；
图4b是采用本实施例所述方法的THD(Total Harmonic Distortion，总谐波失真)波形示意图；
图5是本发明提供的扬声器装置的一实施例的结构示意图；
图6是本发明提供的扬声器设备的一实施例的结构示意图；
图7是本申请提供的存储介质的一实施例的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
由于微型扬声器的尺寸限制，在大振幅情况下，其非线性失真十分明显。所以需要对大振幅微型扬声器进行非线性补偿。一般的非线性补偿只适用于固定功放，而智能功放由于存在扬声器保护(例如，振幅保护、温度保护)、电压Boost等处理，会让非线性补偿的效果变差，甚至完全失效。
为了解决上述问题，本发明提供了一种扬声器的非线性补偿方法，能够对包括智能功放的扬声器设备进行非线性补偿，提升扬声器的播放音质。
请参阅图1，图1是本发明提供的扬声器的非线性补偿方法的第一实施例的流程示意图。本发明提供的扬声器的非线性补偿方法包括如下步骤：
S101：对当前时刻的原始输入信号进行衰减处理，生成处理输入信号。
在一个具体的实施场景中，对原始输入信号进行衰减处理，调整扬声器位移响应，限制扬声器的输出位移，获取处理输入信号。这样可以使得输入扬声器的信号保持低于某一限制。如果该信号振幅过大，则扬声器将产生非线性失真或将被不可修复地损坏。该非线性失真或损坏的一个原因是扬声器的膜片线圈组的过度的振动位移。通过对原始输入信号进行衰减处理，可以有效将信号振幅限制在预设范围内，且保留原始信号的至少部分特征。
S102：获取当前时刻的扬声器状态参数和扬声器系统参数，根据扬声器状态参数和扬声器系统参数计算对应于处理输入信号的预失真信号。
在本实施场景中，可以获取当前时刻的原始输入信号和当前时刻的扬声器输出反馈信号，根据当前时刻的原始输入信号和当前时刻的扬声器输出反馈信号获取当前时刻的扬声器状态参数。根据当前时刻的扬声器状态参数和扬声器系统参数计算处理输入信号的预失真信号。
扬声器系统参数可以由用户设置或者为对应于每个扬声器的固定值。扬声器系统参数包括线性参数和非线性参数；线性参数包括音圈振动等效质量、音圈直流电阻、音圈电感、音圈因数线性想、劲度系数线性项和力阻线性项中的至少一项；非线性参数包括力因数、劲度系数和力阻中的至少一项。
S103：获取智能功放的系统响应参数和频域响应参数，根据系统响应参数对预失真信号进行滤波，获取补偿信号。
在本实施场景中，对预失真信号进行频响均衡，补偿智能功放的频响失真。具体地说，在一目标频率范围内，例如100HZ-1000HZ，智能功放的频响不理想，且不同的频率的增益不同，若直接采用预失真信号进行补偿则有可能影响补偿的效果。因此，使用构造出来的系统逆响应对预失真信号进行FIR(Finite Impulse Response，有限长单位冲激响应)滤波操作，获取补偿信号，该补偿信号可以解决智能功放非线性处理导致非线性补偿失效的问题。
假设智能功放的系统响应参数为h，则该智能功放的频域响应参数H可以根据以下公式计算：
Figure BDA0002537715950000041
构造逆系统响应hinv，使其对应的频域响应Hinv＝H-1，根据逆系统响应hinv获取对应于预失真信号的补偿信号。请结合参阅图2a和图2b，图2a为本发明提供的智能功放的系统响应的波形示意图，图2b为本发明提供的智能功放的逆系统响应的波形示意图。
S104：将补偿信号输入智能功放，获取播放信号，将播放信号输入扬声器。
在本实施场景中，将补偿信号输入智能功放，智能功放根据预设的保护规则，例如振幅保护、温度保护等，或者根据预设的处理规则，例如改变电压、改变电流等，对补偿信号进行调节，获取播放信号，将播放信号输入扬声器，从而扬声器输出的音频质量得到有效提升。
通过上述描述可知，在本实施例中通过对原始输入信号进行衰减处理，获取处理输入信号，根据原始输入信号以及接受的反馈信号，计算当前时刻的扬声器状态参数，根据当前扬声器状态参数计算扬声器的非线性失真，并产生相应的预失真信号，对预失真信号进行频响均衡，补偿智能功放的频响失真，能够解决智能功放非线性处理导致非线性补偿失效的问题，提升扬声器的播放音质。
请参阅图3，图3是本发明提供的扬声器的非线性补偿方法的第二实施例的流程示意图。本发明提供的扬声器的非线性补偿方法包括如下步骤：
S201：获取原始输入信号对应的扬声器振膜位移，判断扬声器振膜位移是否超过预设最大位移。
在本实施场景中，根据非线性扬声器振膜位移响应函数获取原始输入信号对应的扬声器振膜位移，其中，非线性扬声器振膜位移响应函数是是根据扬声器系统参数中的线性参数音圈振动等效质量mt，音圈直流电阻Re，音圈力因数线性项b0，劲度系数线性项k0和非线性参数因数Bl(x)，劲度系数kt(x)和力阻Rm(v)计算得到。能够对非线性扬声器在特定音频信号下的振膜位移做出准确预测。
获取扬声器的预设最大位移，判断扬声器振膜位移是否超过预设最大位移，若超过，则需要对对当前时刻的原始输入信号进行压缩滤波处理，避免降低音质以及避免对扬声器造成损伤。
S202：获取当前时刻的衰减系数，根据衰减系数对当前时刻的原始输入信号进行压缩滤波处理，调整扬声器位移响应。
在一个具体的实施场景中，当前时刻的信号传输特性为二阶的IIR(InfiniteImpulse Response，无限脉冲响应)滤波器，在z域的传输函数如下列公式：
Figure BDA0002537715950000061
其中，σt是滤波器的特性增益，b1和b2为扬声器前馈系数，a1和a2是扬声器反馈系数。σt、b1、b2、a1、a2均可根据当前扬声器状态参数计算获取。
扬声器位移响应可以根据经过衰减处理后的信号与扬声器的振膜位移幅度相匹配，可以有效提升扬声器输出音频的质量。
S203：获取当前时刻的上一时刻扬声器两端加载的信号，根据信号和扬声器系统参数计算当前时刻的扬声器状态参数。
在本实施场景中，获取当前时刻的上一时刻扬声器两端加载的信号，例如在智能功放上配置电压传感器，通过电压传感器获取扬声器两端的电压信号。在其他实施场景中，获取当前时刻的上一时刻的预失真信号和智能功放的功放增益，根据当前时刻的上一时刻的预失真信号和智能功放的功放增益估算当前时刻的上一时刻扬声器两端加载的信号。具体地说，根据以下公式计算当前时刻的上一时刻扬声器两端加载的电压信号：
ve(t)＝u(t)*g(t)
其中，u(t)为当前时刻的上一时刻的预失真信号，g(t)为智能功放的功放增益，ve(t)为当前时刻的上一时刻扬声器两端加载的电压信号。
S204：根据扬声器状态参数和扬声器系统参数计算对应于处理输入信号的预失真信号。
在本实施场景中，扬声器状态参数为x＝[i,x,v]T，其中，i为音圈电流，x为振膜位移，v为振膜速度。扬声器系统参数包括线性参数和非线性参数。线性参数包括音圈振动等效质量mt，音圈直流电阻Re，音圈电感Le，音圈力因数线性项b0，劲度系数线性项k0和力阻线性项r0。非线性参数包括力因数Bl(x)，劲度系数kt(x)和力阻Rm(v)。
根据以下公式计算预失真信号：
Figure BDA0002537715950000071
S205：获取智能功放的系统响应参数和频域响应参数，根据系统响应参数和频域响应参数计算对应于预失真信号的补偿信号。
S206：将补偿信号输入智能功放，获取播放信号，将播放信号输入扬声器。
在本实施场景中，步骤S204-S205与本发明提供的扬声器的非线性补偿方法的第一实施例中的步骤S103-S104基本一致，此处不再进行赘述。
请结合参阅图4a和图4b，图4a是采用本实施例方法的SPL(Sound PressureLevel，声压级)波形示意图，图4b是采用本实施例方法的THD(Total HarmonicDistortion，总谐波失真)波形示意图。
通过上述描述可知，在本实施例中根据当前扬声器状态参数计算获取当前时刻的衰减系数，根据所当前时刻的上一时刻扬声器两端加载的信号和扬声器系统参数计算当前时刻的扬声器状态参数，根据扬声器状态参数和扬声器系统参数计算对应于处理输入信号的预失真信号，根据智能功放的系统响应参数和频域响应参数计算对应于预失真信号的补偿信号，能够对包括智能功放的扬声器设备进行非线性补偿，提升扬声器的播放音质。
请参阅图6，图6是本发明提供的扬声器装置的一实施例的结构示意图。扬声器装置10应用于包括智能功放的扬声器设备，包括：偏移处理模块11、非线性模块12、功放均衡模块13和智能功放模块14。
偏移处理模块11用于对当前时刻的原始输入信号进行衰减处理，生成处理输入信号。非线性模块12用于获取当前时刻的扬声器状态参数和扬声器系统参数，根据扬声器状态参数和扬声器系统参数计算对应于处理输入信号的预失真信号。功放均衡模块13用于获取智能功放的系统响应参数和频域响应参数，根据系统响应参数对预失真信号进行滤波，获取补偿信号。智能功放模块14用于将补偿信号输入智能功放，获取播放信号，将播放信号输入扬声器。
扬声器装置10还包括偏移预测模块15，用于获取原始输入信号对应的扬声器振膜位移，判断扬声器振膜位移是否超过预设最大位移；若扬声器振膜位移超过预设最大位移，则获取当前时刻的衰减系数，对当前时刻的原始输入信号进行衰减处理。
偏移处理模块11用于获取当前时刻的衰减系数，根据衰减系数对当前时刻的原始输入信号进行压缩滤波处理，并调整扬声器位移响应。
功放均衡模块13还用于对预失真信号进行有限长单位冲激响应滤波。
扬声器装置10还包括扬声器模型模块16，用于获取当前时刻的上一时刻扬声器两端加载的信号，根据信号和扬声器系统参数计算当前时刻的扬声器状态参数。
扬声器模型模块16还用于获取当前时刻的上一时刻的预失真信号和智能功放的功放增益，根据当前时刻的上一时刻的预失真信号和智能功放的功放增益估算当前时刻的上一时刻扬声器两端加载的信号。
其中，扬声器系统参数包括线性参数和非线性参数；线性参数包括音圈振动等效质量、音圈直流电阻、音圈电感、音圈因数线性想、劲度系数线性项和力阻线性项中的至少一项；非线性参数包括力因数、劲度系数和力阻中的至少一项；扬声器状态参数包括音圈电流、振膜位移和振膜速度中的至少一项。
通过上述描述可知，本实施例中扬声器装置通过对原始输入信号进行衰减处理，获取处理输入信号，根据原始输入信号以及接受的反馈信号，计算当前时刻的扬声器状态参数，根据当前扬声器状态参数计算扬声器的非线性失真，并产生相应的预失真信号，对预失真信号进行频响均衡，补偿智能功放的频响失真，能够对包括智能功放的扬声器设备进行非线性补偿，提升扬声器的播放音质。
请参阅图6，图6是本申请提供的扬声器设备的一实施例的结构示意图。触控终端20包括处理器21、存储器22。处理器21耦接存储器22。存储器22中存储有计算机程序，处理器21在工作时执行该计算机程序以实现如图1和图3所示的方法。详细的方法可参见上述，在此不再赘述。
通过上述描述可知，本实施例中扬声器设备通过对原始输入信号进行衰减处理，获取处理输入信号，根据原始输入信号以及接受的反馈信号，计算当前时刻的扬声器状态参数，根据当前扬声器状态参数计算扬声器的非线性失真，并产生相应的预失真信号，对预失真信号进行频响均衡，补偿智能功放的频响失真，能够对包括智能功放的扬声器设备进行非线性补偿，提升扬声器的播放音质。
请参阅图7，图7是本申请提供的存储介质的一实施例的结构示意图。存储介质30中存储有至少一个计算机程序31，计算机程序31用于被处理器执行以实现如图1和图3所示的方法，详细的方法可参见上述，在此不再赘述。在一个实施例中，存储介质30可以是终端中的存储芯片、硬盘或者是移动硬盘或者优盘、光盘等其他写存储的工具，还可以是服务器等等。
通过上述描述可知，本实施例中存储介质中的计算机程序可以用于通过对原始输入信号进行衰减处理，获取处理输入信号，根据原始输入信号以及接受的反馈信号，计算当前时刻的扬声器状态参数，根据当前扬声器状态参数计算扬声器的非线性失真，并产生相应的预失真信号，对预失真信号进行频响均衡，补偿智能功放的频响失真，能够对包括智能功放的扬声器设备进行非线性补偿，提升扬声器的播放音质。
区别于现有技术，本发明中除了考虑扬声器实际工作中的非线性失真，也考虑了智能功放处理的非线性问题，合理预测补偿信号，能够对包括智能功放的扬声器设备进行非线性补偿，提升扬声器的播放音质。
以上所揭露的仅为本发明较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。

Claims (10)

1.一种扬声器的非线性补偿方法，其特征在于，应用于包括智能功放的扬声器设备，所述扬声器的非线性补偿方法包括：
对当前时刻的原始输入信号进行衰减处理，生成处理输入信号；
获取当前时刻的扬声器状态参数和扬声器系统参数，根据所述扬声器状态参数和所述扬声器系统参数计算对应于所述处理输入信号的预失真信号；
获取所述智能功放的系统响应参数和频域响应参数，根据所述系统响应参数对所述预失真信号进行滤波，获取补偿信号；
将所述补偿信号输入所述智能功放，获取播放信号，将所述播放信号输入扬声器。
2.根据权利要求1所述的扬声器的非线性补偿方法，其特征在于，所述对当前时刻的原始输入信号进行衰减处理的步骤，包括：
获取所述原始输入信号对应的扬声器振膜位移，判断所述扬声器振膜位移是否超过预设最大位移；
若所述扬声器振膜位移超过所述预设最大位移，则获取当前时刻的衰减系数，对当前时刻的原始输入信号进行衰减处理。
3.根据权利要求2所述的扬声器的非线性补偿方法，其特征在于，所述获取当前时刻的衰减系数的步骤，包括：
根据所述扬声器的滤波增益特性、扬声器前馈系数和扬声器反馈系数获取当前时刻的衰减系数。
4.根据权利要求1所述的扬声器的非线性补偿方法，其特征在于，所述对所述预失真信号进行滤波的步骤，包括：
对所述预失真信号进行有限长单位冲激响应滤波。
5.根据权利要求1所述的扬声器的非线性补偿方法，其特征在于，所述扬声器系统参数包括线性参数和非线性参数；
所述线性参数包括音圈振动等效质量、音圈直流电阻、音圈电感、音圈因数线性想、劲度系数线性项和力阻线性项中的至少一项；
所述非线性参数包括力因数、劲度系数和力阻中的至少一项；
所述扬声器状态参数包括音圈电流、振膜位移和振膜速度中的至少一项。
6.根据权利要求1所述的扬声器的非线性补偿方法，其特征在于，所述当前时刻的扬声器状态参数的步骤包括：
获取当前时刻的上一时刻扬声器两端加载的信号，根据所述信号和所述扬声器系统参数计算所述当前时刻的扬声器状态参数。
7.根据权利要求6所述的扬声器的非线性补偿方法，其特征在于，所述获取当前时刻的上一时刻扬声器两端加载的信号的步骤，包括：
获取当前时刻的上一时刻的预失真信号和所述智能功放的功放增益，根据所述当前时刻的上一时刻的预失真信号和所述智能功放的功放增益估算所述当前时刻的上一时刻扬声器两端加载的信号。
8.一种扬声器装置，其特征在于，用于包括智能功放的扬声器设备，包括：
偏移处理模块，用于对当前时刻的原始输入信号进行衰减处理，生成处理输入信号；
非线性模块，用于获取当前时刻的扬声器状态参数和扬声器系统参数，根据所述扬声器状态参数和所述扬声器系统参数计算对应于所述处理输入信号的预失真信号；
功放均衡模块，用于获取所述智能功放的系统响应参数和频域响应参数，根据所述系统响应参数对所述预失真信号进行滤波，获取补偿信号；
智能功放模块，用于将所述补偿信号输入所述智能功放，获取播放信号，将所述播放信号输入扬声器。
9.一种扬声器设备，其特征在于，包括：处理器和存储器，所述处理器耦接所述存储器，所述存储器中存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序以实现如权利要求1-7任一项所述的方法。
10.一种可读存储介质，其特征在于，存储有计算机程序，所述计算机程序能够被处理器执行以实现如权利要求1-7任一项所述的方法。
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