[发明专利]基于编码转换的数字扬声器驱动方法和装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种数字扬声器驱动方法和装置，特别涉及一种基于编码转换的数字扬声器驱动方法和装置。

背景技术

随着大规模集成电路和数字化技术的蓬勃发展，传统的模拟扬声器系统在功耗、体积、重量和信号传输、存储、处理等方面的固有缺陷越来越明显，为了克服这些缺陷，扬声器系统的研发逐渐向低功耗、小外形、数字化与集成化的方向发展，形成了以扬声器负载的数字化为研究核心的全新研究领域。

目前，美国专利（专利号为US 20060049889A1、US 20090161880A1）公开了基于PWM调制技术的数字化扬声器系统实现过程，如图1所示。首先字长为M比特、采样率为f_s的PCM编码信号，经过脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation —— PWM）方式，转换为字长为1比特、采样率为f_o的PWM编码信号；然后PWM信号经过数字功放放大后，转换为字长为1比特、采样率为f_o的功率开关信号；最后这种功率开关信号经过低通滤波器处理后，转换为模拟的功率信号驱动扬声器负载发声。这种基于PWM调制技术的数字扬声器系统所存在的缺点是其调制结构本身具有非线性缺陷，这会造成系统还原信号的总谐波失真水平较高，如果进一步采用线性化手段进行改善的话，其调制方式的实现难度和复杂度将会大幅度提高。另外，系统所使用的调制载波会对周围环境产生较高的电磁辐射干扰，影响其他设备的运行。

为了克服PWM调制技术存在的非线性失真和电磁干扰缺陷，许多学者致力于研究基于∑-Δ调制技术的数字化扬声器系统实现方法，以提高调制技术自身的线性度，消除调制环节引入的非线性失真成份。基于∑-Δ调制技术的数字化扬声器系统主要分为两类：1比特∑-Δ调制的数字化系统和多比特∑-Δ调制的数字化系统。1比特∑-Δ调制的数字化系统，如图2所示，其电路实现较为简单，但是该系统本身存在着以下几个缺陷： 1、对时钟抖动较为敏感，容易因时钟抖动引入非线性失真；2、为了保持调制结构的稳定性，允许的输入信号动态范围较小；3、需要较高的开关速率，而功率型MOSFET（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）管在驱动扬声器负载进行高速开关切换的过程中会产生较多的非线性失真成份，同时也会引起MOSFET管发热增加、温度升高和效率降低。

为了解决1比特∑-Δ调制的数字化系统存在的缺陷，许多学者又转向研究基于多比特∑-Δ调制的数字化系统，如图3所示。多比特∑-Δ调制技术在克服上述1比特∑-Δ调制缺点的同时，自身也存在着一个较为致命的缺陷——其调制结构对多个扬声器单元（或者音圈单元）之间的不一致性具有较高的敏感度，容易因多个单元的不一致性而引入较大的编码误差。例如一个5阶3比特的∑-Δ调制器，其过采样因子为32，当数模转换单元之间有1%的误差时，理论上其信噪比会下降40 dB，同时还会引入较多的谐波失真分量。针对多比特∑-Δ调制的数字化扬声器系统，需要引入动态失配整形算法（Mismatch-Shaping Dynamic Element Matching——DEM）用于消除扬声器单元（或音圈单元）频响差异影响，通过环路整形滤波操作，消除了各扬声器单元（或各音圈单元）的频响差异所造成的信噪比降低和谐波失真增加。

基于多比特∑-Δ调制的数字化系统，虽然通过引入失配整形算法解决了通道频响偏差的影响，但是这一数字系统的采样速率仍然很高，一般在MHz的量级，这一过高的采样速率造成了后级功率MOSFET管的开关频率过高，从而造成系统最终输出的方波信号在上升沿和下降沿处出现很多幅度较高的尖毛刺，这些尖毛刺会造成系统还原声音信号中存在较大量级的噪声，同时后级MOSFET管过高的开关频率，也会造成MOSFET管的发热严重，功耗增大，输出效率明显降低。目前功率MOSFET管的开关频率仅有几百KHz，无法满足基于多比特∑-Δ调制的数字化系统的开关速率要求，从而造成了这种数字系统的物理实现仍然十分困难。