СИСТЕМА И СПОСОБ ДЛЯ КОМПЕНСАЦИИ БЕЗЫНЕРЦИОННОГО НЕЛИНЕЙНОГО ИСКАЖЕНИЯ В АУДИОПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕ
SYSTEM AND METHOD FOR COMPENSATING FOR NON-INERTIAL NONLINEAR DISTORTION IN AUDIO CONVERTER

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к компенсации в аудиопреобразователе, а более конкретно к способу компенсации нелинейного искажения в аудиопреобразователе, таком как динамик, наушник или микрофон.
Описание предшествующего уровня техники
Аудиопреобразователи предпочтительно демонстрируют равномерную и прогнозируемую характеристику чувствительности ввода-вывода (I/O). В динамике, аналоговый аудиосигнал, подаваемый на вход динамика, - это то, что идеально подается в ухо слушателя. В действительности, аудиосигнал, который достигает уха слушателя, является первоначальным аудиосигналом плюс некоторое искажение, вызванное самим динамиком (например, его конструкцией и взаимодействием компонентов) и окружением прослушивания (например, местоположением слушателя, акустическими характеристиками помещения и т.д.), в котором аудиосигнал должен перемещаться, чтобы достичь уха слушателя. Существует множество методик, выполняемых во время изготовления динамика, чтобы минимизировать искажение, вызванное посредством самого динамика, чтобы обеспечить требуемую характеристику динамика. Помимо этого, предусмотрены методики для механической настройки динамика вручную, чтобы дополнительно уменьшить искажение.
Искажение включает в себя и линейные и нелинейные компоненты. Нелинейное искажение, такое как "отсечение", является функцией от амплитуды входного аудиосигнала, тогда как линейное искажение не является функцией амплитуды. В статье Klippel и др. "Loudspeaker Nonlinearities - Causes, Parameters, Symptoms", AES, 7-10 октября 2005 года, описывается зависимость между измерением нелинейных искажений и нелинейностью, которая является физической причиной искажения сигнала в динамиках и других преобразователях.
Предусмотрено множество подходов, чтобы решать линейную часть проблемы. Самый простой способ - это компенсатор, который предоставляет гребенку полосовых фильтров с независимым регулированием усиления. Методики для компенсации нелинейных искажений разрабатываются в меньшей степени.
В статье Bard и др. "Compensation of nonlinearities of horn loudspeakers", AES, 7-10 октября 2005 года, раскрыто использование обратного преобразования на основе ядер Вольтерра частотной области, чтобы оценивать нелинейность динамика. Инверсия получается посредством аналитического вычисления инвертированных ядер Вольтерра из прямых ядер частотной области. Этот подход хорошо применим для постоянных сигналов (например, набора синусоид), но значительная нелинейность может возникать в неустановившихся нестационарных областях аудиосигнала.
Сущность изобретения
Задачей настоящего изобретения является создание недорогого способа и устройства компенсации в режиме реального времени безынерционного (не имеющего памяти) нелинейного искажения в аудиопреобразователе.
Поставленная задача решена путем создания аудиосистемы, которая оценивает амплитуду сигнала и скорость аудиосигнала, находит масштабный коэффициент из таблицы поиска (LUT) для заданной пары (амплитуда, скорость) и применяет масштабный коэффициент к амплитуде сигнала. Масштабный коэффициент - это оценка нелинейного искажения преобразователя в точке ее фазовой плоскости, заданной посредством амплитуды, скорости. Нелинейное искажение преобразователя по фазовой плоскости находится посредством применения испытательного сигнала, имеющего известную амплитуду и скорость сигнала, к преобразователю, измерения амплитуды записанного сигнала и задания масштабного коэффициента равным отношению амплитуды испытательного сигнала к амплитуде записанного сигнала. Испытательный сигнал(ы) должен иметь амплитуды и скорости, которые охватывают фазовую плоскость. Этот подход предполагает, что источники нелинейного искажения имеют "безынерционный" тип, что для большинства преобразователей является достаточно точным предположением. Масштабирование может быть использовано для того, чтобы пред- или посткомпенсировать звуковой сигнал в зависимости от аудиопреобразователя. Компенсированный аудиосигнал должен демонстрировать более низкое гармоническое искажение (HD) и интермодуляционное искажение (IMD), которые являются типичными техническими требованиями для нелинейного искажения динамика.
Краткое описание чертежей
Эти и другие признаки и преимущества изобретения должны стать очевидными для специалистов в данной области техники из последующего подробного описания предпочтительных вариантов осуществления, рассматриваемого вместе с прилагаемыми чертежами, на которых:
Фиг. 1 изображает схему аудиопреобразователя, согласно изобретению;
Фиг. 2a и 2b - блок-схемы последовательности операций способа вычисления LUT фазовой плоскости для предкомпенсации аудиосигнала для воспроизведения в аудиопреобразователе, согласно изобретению;
Фиг. 3a, 3b, 3c и 3d - диаграммы примерного испытательного сигнала и его фазовой плоскости, согласно изобретению;
Фиг. 4 - диаграмму записанного сигнала, включающего в себя HD и IMD динамика, согласно изобретению;
Фиг. 5 - схему фазовой плоскости, которая преобразуется в LUT, согласно изобретению;
Фиг. 6a и 6b - блок-схемы аудиосистемы, выполненной с возможностью использовать LUT фазовой плоскости, чтобы компенсировать нелинейное искажение динамика, согласно изобретению; и
Фиг. 7 - схему компенсированного записанного сигнала, согласно изобретению.
Подробное описание предпочтительных вариантов воплощения изобретения
Согласно настоящему изобретению предложено недорогое решение для компенсации в режиме реального времени нелинейного искажения в аудиопреобразователе, таком как динамик, наушник или микрофон. В данном описании, термин "аудиопреобразователь" обозначает как любое устройство, которое приводится в действие посредством энергии от одной системы и предоставляет энергию в другой форме в другую систему, при этом одна форма энергии является электрической, а другая - является акустической или электрической, и которое воспроизводит аудиосигнал. Преобразователь может быть выходным преобразователем, таким как динамик или наушник, или входным преобразователем, таким как микрофон. Примерный вариант осуществления изобретения описывается далее для громкоговорителя, который преобразует электрический входной аудиосигнал в слышимый акустический сигнал.
Как следует из публикации Klippel, основное нелинейное искажение, которое способствует HD и IMD, имеет "безынерционный" тип. Физические причины этого искажения могут быть описаны полностью посредством приближения первого порядка потенциальной и кинетической энергии аудиопреобразователя. Для хорошего приближения потенциальная и кинетическая энергия, а следовательно, безынерционное нелинейное искажение могут быть описаны посредством амплитуды сигнала и скорости сигнала соответственно.
Звуковой динамик 100 (фиг. 1) содержит мембрану 102, которая толкает воздух для того, чтобы создавать звуковые волны. Мембрана подвешена на паукообразной опоре 104 и кромке 106, которые соединены с корпусом динамика (не показан). Звуковая катушка 108 соединена с мембраной и принимает электрический ток (входной сигнал). Движение мембраны возникает через взаимодействие 112 магнитного поля постоянного магнита 110 с магнитным полем катушки 108. Постоянный магнит типично соединен с металлической конструкцией 114 в динамике, чтобы обеспечить надлежащую конфигурацию магнитного поля и геометрию зазора 116, в котором перемещается звуковая катушка.
Полная энергия динамика задается посредством следующего:
где:
- потенциальная энергия;
- кинетическая энергия;
k
- жесткость подвеса (кромка + паукообразная опора);
x
- смещение мембраны;
L
- индуктивность катушки;
I
- ток через катушку, пропорциональный амплитуде сигнала;
m
- масса мембраны;
v
- скорость мембраны.
k, I, L
Эти упрощенные формулы не учитывают то, что динамик состоит из множества деталей, а также имеется взаимозависимость параметров (...), которые должны требовать нелинейных членов более высокого порядка, чтобы полностью описать систему, но обеспечивают хорошее приближение системы и устраняют безынерционное нелинейное искажение.
То, что нелинейное искажение в значительной степени имеет "безынерционный" тип и что энергия аудиопреобразователя может иметь хорошее приближение посредством амплитуды и скорости сигнала, обеспечивает недорогое решение для компенсации в режиме реального времени нелинейного искажения в аудиопреобразователе. Система воспроизведения аудио оценивает амплитуду и скорость сигнала, находит ближайший масштабный коэффициент(ы) из таблицы поиска (LUT) для измеренной пары (амплитуда, скорость), предпочтительно интерполирует к масштабному коэффициенту измеренную пару и применяет масштабный коэффициент к амплитуде сигнала. Масштабный коэффициент - это оценка нелинейного искажения преобразователя в точке ее фазовой плоскости, заданной посредством амплитуды, скорости. Нелинейное искажение преобразователя по фазовой плоскости находится посредством применения испытательного сигнала, имеющего известную амплитуду и скорость сигнала, к преобразователю, измерения амплитуды записанного сигнала и задания масштабного коэффициента равным отношению амплитуды испытательного сигнала к амплитуде записанного сигнала. Компенсированный аудиосигнал должен демонстрировать более низкое гармоническое искажение (HD) и интермодуляционное искажение (IMD), которые являются типичными техническими требованиями для нелинейного искажения динамика.
Характеристика фазовой плоскости
Испытательная установка для описания свойств безынерционного нелинейного искажения динамика и способ формирования LUT проиллюстрированы на фиг. 2-5. Испытательная установка, соответственно, содержит компьютер 10, звуковую плату 12, испытываемый динамик 14 и микрофон 16. Компьютер формирует и передает испытательный цифровой аудиосигнал 18 в звуковую плату 12, которая в свою очередь активирует динамик. Микрофон 16 снимает слышимый сигнал и преобразует его обратно в электрический сигнал. Звуковая плата передает записанный цифровой аудиосигнал 20 обратно в компьютер для анализа. Полнодуплексная звуковая плата надлежащим образом используется с тем, чтобы воспроизведение и запись испытательного сигнала выполнялись со ссылкой на совместно используемый синхросигнал, с тем чтобы цифровые сигналы совмещались по времени так, чтобы находиться в пределах одного периода дискретизации, и таким образом полностью синхронизировались.
Методики настоящего изобретения характеризуют и компенсируют любой источник безынерционного нелинейного искажения в тракте передачи сигналов от воспроизведения до записи. Соответственно, высококачественный микрофон используется для того, чтобы любое искажение, наводимое микрофоном, было незначительным. Отметим, что если испытываемым преобразователем является микрофон, то высококачественный динамик должен использоваться для того, чтобы нивелировать нежелательные источники искажения. Чтобы характеризовать только динамик, "окружение прослушивания" должно быть выполнено с возможностью минимизировать любые отражения или другие источники искажения. Альтернативно, те же методики могут использоваться для того, чтобы характеризовать динамик, например, в домашнем кинотеатре потребителя. В последнем случае, приемное устройство или акустическая система потребителя должны быть выполнены с возможностью выполнять испытание, анализировать данные и конфигурировать динамик для воспроизведения.
Как показано на фиг. 1b, чтобы сформировать LUT, компьютер формирует испытательный сигнал, спектральное содержимое которого должно покрывать фазовую плоскость, т.е. полный диапазон амплитуд и скоростей сигнала для динамика (этап 30). Примерный текстовый сигнал 41, состоящий из двух одновременных синусоидальных волн 42 (0-6 кГц с амплитудой -6 дБ) и 44 (0-5 кГц с амплитудой -3 дБ) и соответствующей фазой 46, показан на фиг. 3a и 3b, соответственно. Две синусоидальных волны с изменяющейся частотой и амплитудой обеспечивают хорошее покрытие фазовой плоскости. Фиг. 4c - это фазовая плоскость 47 для одной синусоидальной волны с возрастающей частотой, которая не обеспечивает покрытия в центре. Фиг. 4d - это фазовая плоскость 48 для одной синусоидальной волны с изменяющейся амплитудой и частотой, которая обеспечивает лучшее покрытие, но по-прежнему неполное.
Компьютер затем выполняет синхронизированное воспроизведение и запись испытательного сигнала (этап 32). Для каждой выборки n, компьютер вычисляет масштабный коэффициент как отношение амплитуды испытательного сигнала s(n) к амплитуде записанного сигнала r(n), к примеру, SF=s(n)/r(n) (этап 34). Альтернативно, SF(n)=log(s(n)/r(n)), когда таблица поиска LUT является логарифмической. Константа bias может быть прибавлена к знаменателю r(n), чтобы не допустить деления на 0, когда r(n)=0, или для того, чтобы уменьшить влияние шума. Так или иначе, единственные независимые переменные в вычислении масштабного коэффициента вычисляются как s(n) и r(n). Компьютер затем вычисляет скорость v(n) испытательного сигнала s(n) (этап 36). Это может быть сделано аналитически из уравнений, используемых для того, чтобы формировать испытательный сигнал, или эмпирически из выборок испытательных сигналов. Эмпирическое вычисление может быть столь же простым, как изменение в амплитуде от предыдущей до текущей выборки, деленное на интервал дискретизации, изменение в амплитуде от предыдущей до последующей выборки, деленное на двукратный интервал дискретизации, или посредством вычисления градиента через 5- или 7-точечный FIR-фильтр. Для каждой выборки, масштабный коэффициент сохраняется в таблице с индексом (s(n), v(n)) (этап 38). Масштабный коэффициент представляет величину безынерционного нелинейного искажения, связанного с динамиком, когда управляется при данной амплитуде и скорости сигнала.
Компьютер выполняет этапы 34, 36 и 38 для каждой выборки в испытательном сигнале и использует данные для того, чтобы составлять таблицу поиска (LUT) масштабных коэффициентов, индексированных посредством (s(n), v(n)) (этап 39). Если несколько масштабных коэффициентов вычисляются для данного индекса (s(n), v(n)), масштабные коэффициенты усредняются или фильтруются, чтобы назначать одно значение индексу. Масштабные коэффициенты могут быть интерполированы и повторно дискретизированы для того, чтобы сформировать таблицу, имеющую требуемую индексацию, к примеру, равномерное разнесение по оси амплитуды и скорости, и значения для каждого индекса. Если испытательный сигнал не полностью охватывает диапазон амплитуд и скоростей, данные могут экстраполироваться для того, чтобы назначать эти значения. Альтернативно, этим точкам может быть назначено значение в единицу. Чем больше варьируется амплитуда и скорость и/или чем точнее разрешение индексации, тем больше размер LUT. Выбор этих параметров должен зависеть от конкретного приложения.
В определенных реализациях, желательно аппроксимировать таблицу поиска LUT с помощью полиномиального уравнения, в котором единственными независимыми переменными являются амплитуда и скорость, к примеру, SF=f(амплитуда, скорость) (этап 40). Во время воспроизведения, полиномиальная оценка может быть предпочтительная в системах с очень строгими требованиями по объему потребляемой памяти, к примеру, полином намного меньше, чем LUT. Оценка полинома при воспроизведении может быть медленнее или быстрее, чем LUT, в зависимости от таких факторов, как число членов в полиноме и алгоритм интерполяции, используемый в связи с LUT. Билинейная интерполяция является достаточно быстрой, тогда как бикубическая интерполяция выполняется несколько медленнее. Стандартный алгоритм двумерного полиномиального приближения может использоваться для того, чтобы находить надлежащий порядок и коэффициенты полинома.
Для примерного динамика, спектральное содержимое 50 записанного сигнала для испытательного сигнала (фиг. 3a) включает в себя IMD 52 и HD 54 в дополнение к реплицированному испытательному сигналу 41 (фиг. 4), IMD и HD - это основные значения искажения, которые задаются для динамика или другого аудиопреобразователя. Следовательно, уменьшение IMD и HD имеет первостепенное значение.
Для примерного динамика и испытательного сигнала, фазовая плоскость 60, т.е. данные для составления таблицы поиска LUT, проиллюстрирована на фиг. 5. Данные могут быть интерполированы и/или экстраполированы и повторно дискретизированы для того, чтобы сформировать LUT, имеющую заданную индексацию и разрешение. Для этого конкретного динамика искажение достигает максимума около среднего размаха амплитуды и скорости и спадает во всех направлениях. Другие динамики или аудиопреобразователи имеют другие свойства и демонстрируют другое искажение.
Описанный подход особенно применим к наушникам, когда полный размер наушника меньше, чем (или сопоставим) длина волны, и поэтому система может быть лучше аппроксимирована посредством мгновенных значений. Допустим, что средний размер наушников составляет 1 см, а самая высокая звуковая частота составляет 16 кГц. Длина звуковой волны в 16 кГц в воздухе равна 33 Ом/с / 16 кГц = 2 см. В наушнике звуковые волны распространяются быстрее, чем в воздухе, но длина волны самой высокой частоты остается сопоставимой с размером наушников. Время волнового распространения от одного конца системы до другого может быть аппроксимировано так, чтобы равняться нулю. Следовательно, эффект памяти будет незначительным.
Компенсация искажения и воспроизведение
Чтобы компенсировать характеристики безынерционного нелинейного искажения динамика, выборки аудиоданных d(n), имеющие амплитуду a(n), должны быть масштабированы до их воспроизведения через динамик. Это может быть выполнено рядом различных аппаратных конфигураций, две из которых проиллюстрированы на фиг. 6a-6b.
Как показано на фиг. 6a, динамик 150 имеет три узла из усилителя 152 и преобразователя 154 для низких, средних и высоких частот, а также оснащен модулем 156 обработки и памятью 158, чтобы предкомпенсировать входной аудиосигнал с тем, чтобы нейтрализовать или, по меньшей мере, уменьшить безынерционное нелинейное искажение динамика. В стандартном динамике аудиосигнал применяется к разделительному фильтру, который привязывает аудиосигнал к низкочастотным, среднечастотным и высокочастотным выходным преобразователям. В этом примерном варианте осуществления каждый из низкочастотных, среднечастотных и высокочастотных компонентов динамика по отдельности характеризуется на предмет свойств безынерционного нелинейного искажения. LUT 160 сохраняется в памяти 158 для каждого компонента динамика. LUT может быть сохранена в памяти во время изготовления в качестве услуги, выполняемой для того, чтобы характеризовать конкретный динамик, или конечным пользователем посредством ее загрузки с веб-узла и переносе в память. Процессор(ы) 156 воспроизводят фильтр 164, который измеряет амплитуду сигнала a(n), вычисляет скорость v(n) и извлекает масштабный коэффициент(ы), ближайший к индексу a(n), v(n). Фильтр 164, соответственно, интерполирует извлеченный масштабный коэффициент(ов), например, с помощью билинейного или бикубического алгоритма, чтобы получать масштабный коэффициент. Билинейная интерполяция требует четырех ближайших масштабных коэффициентов, тогда как бикубическая интерполяция требует ближайших шестнадцати. Фильтр умножает выборку данных d(n) на масштабный коэффициент. Масштабированные выборки данных d(n) перенаправляются в D/A процессора и затем в усилитель 152.
Как показано на фиг. 6b, звуковое приемное устройство 180 может быть выполнено с возможностью выполнять предкомпенсацию для традиционного динамика 182, имеющего разделительный фильтр 184 и компоненты 186 усилителя/преобразователя для низких, средних и высоких частот. Хотя память 188 для сохранения LUT 190 и процессор 194 для реализации фильтра 196 показаны как отдельные или дополнительные компоненты для аудиодекодера 200, достаточно приемлемым является то, чтобы эта функциональность была запроектирована в аудиодекодере. Аудиодекодер принимает кодированный аудиосигнал из телевизионной широковещательной передачи или DVD, декодирует его и разделяет на стерео (L, R) или многоканальные (L, R, C, Ls, Rs, LFE) каналы, которые направлены на соответствующие динамики. Для каждого канала процессор применяет фильтр к аудиосигналу и направляет предкомпенсированный сигнал в соответствующий динамик 182. Фильтр работает так, как описано выше.
В альтернативном варианте осуществления, динамик или приложение требует только того, чтобы компенсировалась полоса низких частот. В этом случае, аудиовыборки d(n) могут быть дискретизированы с понижением частоты до этой полосы низких частот, фильтр может быть применен к каждой выборке и затем они могут быть дискретизированы с повышением частоты до полной полосы частот. Это достигает требуемой компенсации при более низкой загрузке CPU в расчете на выборку.
Предварительная компенсация с помощью LUT должна работать для любого выходного аудиопреобразователя, такого как описанный динамик или стереонаушники. Тем не менее, в случае любого входного преобразователя, такого как микрофон, любая компенсация должна быть выполнена после преобразования из звукового сигнала в электрический сигнал, например. Анализ для составления таблицы поиска LUT немного изменяется. Масштабные коэффициенты индексируются согласно амплитуде, скорости записанного сигнала вместо испытательного сигнала. Синтез для воспроизведения или проигрывания очень похож, за исключением того, что он выполняется после преобразования.
Испытание и результаты
Изложенный выше общий подход к описанию и компенсации компонентов безынерционного нелинейного искажения подтверждается посредством спектральной характеристики 210 выходного аудиосигнала, измеренной для типичного динамика (фиг. 7). Как показано, входной сигнал, включающий в себя высоко- и низкочастотные синусоидальные волны 42 и 44 соответственно, точно воспроизводится, и IMD 52 и HD 54 значительно ослабляются. Компенсация искажения не является идеальной, поскольку энергетические уравнения для системы являются только приближениями, вследствие ошибки интерполяции в масштабных коэффициентах и наличия нелинейного искажения, имеющего память. Тем не менее, описанное решение для компенсации безынерционного нелинейного искажения в аудиопреобразователе является быстрым, недорогим и очень эффективным.
Хотя несколько иллюстративных вариантов осуществления изобретения показано и описано, множество изменений и альтернативных вариантов осуществления должно быть очевидным для специалистов в данной области техники. Такие изменения и альтернативные варианты осуществления допускаются и могут осуществляться без отступления от сущности и объема изобретения, заданных в прилагаемой формуле изобретения.