[发明专利]一种扬声器系统的非线性测量与音质调谐方法

说明书

本发明涉及一种扬声器系统的非线性失真测量与音质调谐方法，探究扬声器系统的谐波失真特性与器乐声/语音声的谐波特征在物理层面和听觉心理层面之间的共通性，依据声音谐和性理论基础，通过创新性的音频信号处理算法，对扬声器系统的输入音频流信号进行实时的非线性预调控，使输入音频信号的谐波特征与扬声器系统的非线性特性之间进行调谐，实现扬声器系统输出声信号的谐和性改变，从而提升扬声器系统重放声音的悦耳感。本发明在不改变扬声器系统物理结构和工艺的前提下，实现对扬声器系统的非线性音质调谐，既控制了扬声器制作的成本，又有效地改善扬声器系统的失真听感，同时还能充分发挥数字音频信号处理平台的灵活性与多功能性。

技术领域

本发明涉及音响系统的非线性失真测量与音质听感补偿创新技术领域，尤其涉及一种扬声器系统非线性失真测量与音质调谐方法。

背景技术

如图1所示，扬声器系统的低频和高频非线性失真是一个非常普遍的现象，这也是导致其音质不好的本质原因。传统的扬声器音质改善手段是在扬声器的材料、结构和工艺上进行改善，但是这种方法达到一定程度后会受到其它技术领域和经济成本的制约。而随着DSP技术的广泛应用，通过音频信号处理的方式进行扬声器音质补偿是一个必然趋势。

目前关于扬声器非线性失真问题的讨论大都处于理论研究层面，实际的应用解决方案和相关产品非常少见，常见的扬声器非线性失真数字补偿技术可归纳为以下三种：

(1)基于Volterra建模的预失真补偿；

该方法需要首先求得扬声器系统的N阶Volterra模型的逆系统，用来构建一个N阶的预失真滤波器，把它串联到系统的输入回路中对输入信号进行预失真处理后再馈给放大器，使得扬声器系统的输出信号中不包含2—N阶非线性失真成分，从而实现扬声器系统的非线性预失真补偿。根据Weierstrass准则，只有在系统的输入信号足够小时，才能保证Volterra级数的收敛性，所以，Volterra逆滤波器总是插在功率放大器的前面。另外，要取得对扬声器系统非线性的精确建模，需要估计足够多的Volterra阶数才能实现，而高阶的Volterra滤波器在实际应用中很难实现，所以，通常都会假定待测系统可由前两阶或三阶volterra核进行近似，如图1所示，即假定系统为弱非线性的情形，这样Volterra级数模型的实际应用范围就被大大限制了。

(2)Klippel镜像滤波的补偿方法；

从一个待测扬声器系统的非线性微分方程中得出描述其传输特性的滤波器结构，创建一个非线性特性与该扬声器系统非线性特性相反的滤波器系统，用来补偿该扬声器的非线性失真。这种滤波器的结构跟某个具体的扬声器系统非常密切，它有一个修正子系统，可根据扬声器系统等效电路的非线性元件的镜像对称结构进行设计，所以称之为“镜像滤波器”，如图2所示。这个滤波器由最少量的线性和非线性子系统构成，也可通过数字信号处理来实现。对扬声器特性的模拟精度是受测量精度限制的。镜像滤波器的优点是它对大信号、小信号以及高阶失真均有一定的补偿效果。与前面利用Volterra级数的补偿方法相比，该方法实现所用的元件更少，成本更低。

(3)自适应逆滤波补偿方法；

前面所述的两种补偿方法都属于前馈式补偿，都无法解决实际扬声器系统和其模型之间的不一致性问题，以及扬声器在发热等因素作用下的参数变化，这些问题只能由自适应技术来解决。自适应系统从期待输出信号与实际输出信号之间的差值出发，按照某种算法来调整系统结构。Klippel(1998)提出了一种扬声器非线性自适应控制方法，其处理流程如图3所示，它把输入信号分成两路：一路经过被控系统(扬声器、传声器以及外来噪声)及其逆模型到达比较器；另一路经延时后径送比较器得出误差。利用误差来修正逆模型和控制器的相关参数。当误差函数的期望值达到其最小均方值时，就认为系统已经实现最佳控制，这就是自适应滤波算法中的最小均方误差(Least Mean Square，LMS)方法。