声参量阵扬声器系统及其调制方法

1.一种声参量阵扬声器系统，其包括：载波调制处理装置、与载波调制处理装置相连的功率放大装置及与功率放大装置相连的超声换能器阵列，其特征在于：所述载波调制处理装置包括：
载波幅度调制单元，用于接收数字音频信号s，将数字音频信号与载波信号c相乘，以得到调制后的载波信号cA；
脉冲密度调制单元，用于接收载波幅度调制单元的输出信号cA，并按下式对其进行脉冲密度调制PDM，而得到由n个单比特载波信号bn组成的单比特流载波信号cAP， cAP＝[b1 b2 b3 ...bn]＝PDM{cA}；
分组和方向调整单元，用于接收脉冲密度调制单元输出的单比特流载波信号cAP，并按框架矩阵FRAME对信号cAP分成K个分组，得到K个分组信号Gk，再将通过STEER调整对Gk进行方向调整，进而得到方向调整后的信号Wk，
其中，m为框架矩阵的列数，bk为第K路信号的第一个单比特载波信号的表达式，bmk为第K组信号的第m个单比特载波信号的表达式，D1至Dk为K组Gk信号的方向参数； 多方向脉冲信号叠加单元，接收方向调整后的信号Wk，并按下式对其进行预设方向为P的各个方向的脉冲信号Wk的叠加处理，得到P个方向叠加后的综合载波信号TK， 其中，W11至Wk1的矩阵为第一个方向的K路载波信号Wk，W1P至WkP为第P个方向的K路载波信号Wk。
2.根据权利要求1所述的声参量阵扬声器系统，其特征在于：所述功率放大装置和超声换能器阵列之间还设有连接二者并用以滤除高频噪声的低通滤波器。
3.根据权利要求2所述的声参量阵扬声器系统，其特征在于：低通滤波器滤除的高频噪声频率大于fc+20KHz，其中，fc为载波频率。
4.根据权利要求3所述的声参量阵扬声器系统，其特征在于：所述低通滤波器包括8阶模拟电路。
5.根据权利要求1至4任意一项所述的声参量阵扬声器系统，其特征在于：所述功率放大装置采用D类数字功率放大器。
6.一种基于权利要求1所述的声参量阵扬声器系统的调制方法，其特征在于：该调制方法包括如下步骤：
步骤S001：提供数字音频信号s，提供设有载波c的载波调制处理装置，通过载波幅度调制，将载波c和数字音频信号s相乘，得到幅度调制后的载波cA，即： cA＝c·s＝[c1s1 c2s2 c3s3 ...cnsn]
其中，n为数字音频信号S的采样周期长度；
步骤S002：对幅度调制后的载波cA进行脉冲密度调制，得到由n个单比特载波信号bn组成的单比特流载波cAP，则：
cAP＝[b1 b2 b3 ...bn]＝PDM{cA}；
步骤S003：信号分组，将脉冲密度调制信号的单比特流载波cAP按下式分解为K路信号Gk：
其中，m为该矩阵的列数；
步骤S004：预设Dk为方向参数，将K路信号Gk分别独立地与方向参数Dk卷积，以得到方向调整的K路载波Wk；
步骤S005：预设存在P个方向进行放音，将每个方向对应的Wk矩阵进行叠加，最终得到K路综合后的载波TK；
1 1 P P
其中，W1 至Wk 的矩阵为第一个方向的K路载波信号Wk，W1 至Wk 为第P个方向的K路载波信号Wk；
步骤S006：将K路载波TK通过功率放大装置放大后送至超声换能器阵列进行发射，最终在调整后的P个方向上解调并还原音频信号s。
7.根据权利要求6所述的声参量阵扬声器系统的调制方法，其特征在于：所述步骤S006中，载波TK经功率放大装置处理后，再经过用以滤除高频噪声的低通滤波器处理，而后传给超声换能器阵列。
8.根据权利要求7所述的声参量阵扬声器系统的调制方法，其特征在于：低通滤波器滤除的高频噪声频率大于fc+20KHz，其中，fc为载波频率。
9.根据权利要求8所述的声参量阵扬声器系统的调制方法，其特征在于：所述低通滤波器包括8阶模拟电路。
10.根据权利要求6至9任意一项所述的声参量阵扬声器系统的调制方法，其特征在于：所述功率放大装置为D类数字功率放大器。

声参量阵扬声器系统及其调制方法\n【技术领域】\n[0001] 本发明涉及一种扬声器系统，尤其涉及一种通过数字方式进行载波调制的声参量阵扬声器系统及其调制方法。\n【背景技术】\n[0002] 随着声学技术的快速发展，高品质的扬声器系统已普遍应用于各个领域及场合，而带有指向性的声参量阵扬声器以其高指向性、超声传播的方式而广为人们欢迎，其为远距离传播、无音箱及磁铁线圈的超薄扬声器结构开辟了一个新的应用领域，其应用场合有：\n会议厅、展览馆、博物馆及保密通讯等场合。人们不但要求其有定向传声的功能，更加要求该声参量阵扬声器具有多个方向传音的特点，能满足客户在多个方向都能接收到声音的需求。\n[0003] 声参量阵扬声器一般分为模拟系统和数字系统两种，其模拟系统是通过模拟器件进行载波调制，使用AB类功率放大装置进行功率放大，再由一组超声换能器阵发射超声；\n其数字系统是通过数字方式进行载波调制，输出脉冲宽度调制(Pulse Width Modulation，PWM)信号，经过D类数字功率放大装置进行功率放大，再由一组超声换能器阵发射超声。然而，数字系统的高度集成性和D类数字功率放大装置的高效性比传统的模拟系统更优越。\n[0004] 由于相关技术的声参量阵扬声器数字系统将信号经过载波调制后，输出脉冲宽度调制信号，而脉冲宽度调制信号不具有后续信号处理的功能，不易实现方向可控的功能，只能单一地向发射阵正面发射超声。而很多商家通过机械装置来实现声音方向的可控性，不仅增加了系统的体积和复杂度，而且使用和维护都不方便。同时，采用机械装置实现方向的可控性需要一定的启动时间和停止时间，而且方向精度有限，声音的传播方向不能连续变化，通常该扬声器的指向性方向只有一个。很不符合客户对有多方向传音功能的扬声器的需求。\n[0005] 因此，实有必要提出一种新的声参量阵音频重放系统克服上述问题。\n【发明内容】\n[0006] 本发明需解决的技术问题是提供一种能实现多个方向同时放音且可任意调整其放音方向的声参量阵扬声器系统及其方法。\n[0007] 本发明是通过这样的技术方案实现的：\n[0008] 一种声参量阵扬声器系统，其包括：载波调制处理装置、与载波调制处理装置相连的功率放大装置及与功率放大装置相连的超声换能器阵列，其特征在于：所述载波调制处理装置包括：\n[0009] 载波幅度调制单元，用于接收数字音频信号s，将数字音频信号与载波信号c相乘，以得到调制后的载波信号cA；\n[0010] 脉冲密度调制单元，用于接收载波幅度调制单元的输出信号cA，并按下式对其进行脉冲密度调制PDM，而得到由n个单比特载波信号bn组成的单比特流载波信号cAP，[0011] cAP＝[b1 b2 b3 ...bn]＝PDM{cA}；\n[0012] 分组和方向调整单元，用于接收脉冲密度调制单元输出的单比特流载波信号cAP，并按框架矩阵FRAME对信号cAP进行K个分组，得到K个分组信号Gk，再将通过STEER调整对Gk进行方向调整，进而得到方向调整后的信号Wk，\n[0013] \n[0014] \n[0015] 其中，m为框架矩阵的列数，bk为第K路信号的第一个单比特载波信号的表达式，bmk为第K组信号的第m个单比特载波信号的表达式，D1至Dk为K组Gk信号的方向参数；\n[0016] 多方向脉冲信号叠加单元，接收方向调整后的信号Wk，并按下式对其进行预设方向为P的各个方向的脉冲信号Wk的叠加处理，得到P个方向叠加后的综合载波信号TK，[0017] \n[0018] 作为本发明的一种改进，所述功率放大装置和超声换能器阵列之间还设有连接二者并用以滤除高频噪声的低通滤波器。\n[0019] 作为本发明的一种改进，低通滤波器滤除的高频噪声频率大于fc+20KHz，其中，fc为载波频率。\n[0020] 作为本发明的一种改进，所述低通滤波器包括8阶模拟电路。\n[0021] 作为本发明的一种改进，所述功率放大模块采用D类数字功率放大器。\n[0022] 一种声参量阵扬声器系统的调制方法，其调制方法包括如下步骤：\n[0023] 步骤S001：提供数字音频信号s，提供设有载波c的载波调制处理装置，通过载波幅度调制，将载波c和数字音频信号s相乘，得到幅度调制后的载波cA，即：\n[0024] cA＝c·s＝[c1s1 c2s2 c3s3...cnsn]\n[0025] 其中，n为数字音频信号S的采样周期长度；\n[0026] 步骤S002：对幅度调制后的载波cA进行脉冲密度调制，得到由n个单比特载波信号bn组成的单比特流载波cAP，则：\n[0027] cAP＝[b1 b2 b3...bn]＝PDM{cA}；\n[0028] 步骤S003：信号分组，将脉冲密度调制信号的单比特流载波cAP按下式分解为K路信号Gk：\n[0029] \n[0030] 其中，m为该矩阵的列数；\n[0031] 步骤S004：预设Dk为方向参数，将K路信号Gk分别独立地与方向参数Dk卷积，以得到方向调整的K路载波Wk；\n[0032] \n[0033] 步骤S005：预设存在P个方向进行放音，将每个方向对应的Wk矩阵进行叠加，最终得到K路综合后的载波TK；\n[0034] \n[0035] 步骤S006：将K路载波TK通过功率放大装置放大后送至超声换能器阵列进行发射，最终在调整后的P个方向上解调并还原音频信号s。\n[0036] 作为本发明的一种改进，步骤006中，载波TK经功率放大装置处理后，再经过用以滤除高频噪声的低通滤波器处理，而后传给超声换能器阵列。\n[0037] 作为本发明的一种改进，低通滤波器滤除的高频噪声频率大于fc+20KHz，其中，fc为载波频率。\n[0038] 作为本发明的一种改进，所述低通滤波器包括8阶模拟电路。\n[0039] 作为本发明的一种改进，所述功率放大器为D类数字功率放大器。\n[0040] 与相关技术相比，本发明的声参量阵扬声器系统利用脉冲密度调制信号的高速率、单比特的特性，对数字载波信号调制，而经脉冲密度调制后的信号具备可分解多路并能实现方向调整和多方向叠加的优点，从而使该系统输出的声音信号具备方向实时任意调整，多个强指向性方向同时放音的功能。\n【附图说明】\n[0041] 图1为本发明声参量阵扬声器系统一实施例的主要工作流程示意图。\n【具体实施方式】\n[0042] 下面结合附图和实施方式对本发明作进一步说明。\n[0043] 如图1所示，一种声参量阵扬声器系统10，其中，声参量阵扬声器系统10包括用于接收数字音频信号并对该数字音频信号依次进行处理而输出方向不同的多路脉冲信号的载波调制处理装置11、接收经载波调制处理模块输出的方向调整后的多路脉冲信号并对各路脉冲信号进行功率放大使其转化成各路超声信号的功率放大装置12、及接收自功率放大模块输出的各路超声信号并将各路超声信号转化为超声波而输出至外界的超声换能器阵列13。其中，载波调制处理装置包括载波幅度调制单元110、脉冲密度调制单元111、分组和方向调整单元112、多方向脉冲信号叠加单元113，功率放大装置12中包括有多个数字功率放大器120，本实施例中，采用转换效率较高的D类数字功率放大器。\n[0044] 脉冲密度调制(Pulse Density Modulation，PDM)是通过过采样和高阶噪声整形算法将一般的数字信号转化为高速率的单比特流。本发明中，通过对数字载波信号进行脉冲密度调制，就可以得到具备可分解和多方向调整功能的信号，再依次经过分组和方向调整单元112及多方向脉冲信号叠加单元113处理，并经过D类数字功率放大装置放大，最后由多组超声换能器阵向多个任意方向发出超声，就可以得到方向可即时调整、多个强指向性方向同时放音的声音信号，从而达到了用户的需求。\n[0045] 声参量阵扬声器系统10的调制方法包括如下步骤：\n[0046] 步骤S001：提供数字音频信号，将待调制的声音信号通过模数转换器转换为数字音频信号s；\n[0047] 步骤S002：提供设有载波c的载波调制处理装置11，将载波c和数字音频信号s相乘，得到幅度调制后的载波cA，即：\n[0048] cA＝c·s＝[c1s1 c2s2 c3s3...cnsn]\n[0049] 其中，n为数字音频信号S的采样周期长度；\n[0050] 步骤S003：脉冲密度调制，将幅度调制后的载波cA传给脉冲密度调制装置111，进行脉冲密度调制，得到由n个单比特载波信号bn组成的单比特流载波cAP，则：\n[0051] cAP＝[b1 b2 b3...bn]＝PDM{cA}；\n[0052] 步骤S004：将脉冲密度调制信号的单比特流载波cAP传递给分组和方向调整模块\n112，先进行信号分组，即按照下列框架矩阵FRAME对信号cAP进行K路分组，得到K个分组信号Gk：\n[0053] \n[0054] 其中，m为该矩阵的列数，bk表示为第K路信号的第一个单比特载波，bmk为第K组信号的第n个单比特载波信号的表达式；\n[0055] 步骤S005：通过STEER调整对Gk进行方向调整，预设Dk为方向参数，将K路信号Gk分别独立地与方向参数Dk卷积，以得到方向调整的K路载波Wk；\n[0056] \n[0057] 步骤S006：将方向调整后的信号传递给多方向脉冲信号叠加单元113，预设存在P个方向进行放音，将每个方向对应的Wk矩阵进行叠加，最终得到K路综合后的载波TK；\n[0058] \n[0059] 其中，W11至Wk1的矩阵为第一个方向的K路载波信号Wk，W1P至WkP为第P个方向的K路载波信号Wk。\n[0060] 步骤S007：将K路载波TK传递给数字功率放大装置12进行放大，后送至超声换能器阵列13进行发射。在本实施例中，为了去除更高频段的噪声，可以在数字功率放大模块\n12和超声换能器阵列13之间设置一个低通滤波装置14，该低通滤波装置14可以选用8阶模拟电路，将载波频率fc+20KHz以上的噪声滤除，再将滤波后的信号传给超声换能器阵列\n13的阵列进行发射，最终在调整后的P个方向上进行超声非线性解调，从而还原音频信号s。\n[0061] 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。