MARKUS LEMBERG

KAIUTTIMEN ALGORITMINEN SUOJAUS

Kandidaatintyö

Tarkastaja: yliopistonlehtori Heikki Huttunen Jätetty tarkastettavaksi 14.12.2015

i

TIIVISTELMÄ

MARKUS LEMBERG: Kaiuttimen algoritminen suojaus Tampereen teknillinen yliopisto Kandidaatintyö, 19 sivua Joulukuu 2015 Sähkötekniikan diplomi-insinöörin tutkinto-ohjelma Pääaine: Signaalinkäsittely Tarkastaja: Heikki Huttunen Avainsanat: kaiutin, suojaus, algoritmi

Tässä työssä tarkastellaan matkapuhelimen kaiuttimen suojausmenetelmiä. Matkapuheli-

men pienillä kaiuttimilla pitää tuottaa voimakas ja laadukas ääni. Kaiuttimia joudutaan

ajamaan äärirajoilla ja siksi tarvitaan luotettava suojausmenetelmä estämään kaiuttimien

rikkoontumisen. Aluksi työssä esitellään aiheeseen liittyvä teoria, kaiuttimen toimintape-

riaate ja mallinnus. Seuraavaksi käsitellään perinteiset passiiviset suojausalgoritmit ja esi-

tellään uudemmat aktiiviset kaiutinsuojausmenetelmät. Lopuksi yhteenvedon yhteydessä

kirjoittaja kertoo kokemuksia kaiuttimen algoritmisesta suojaamisesta.

ii

ABSTRACT

Markus Lemberg: Loudspeaker protection algorithms Tampere University of Technology Bachelor of Science Thesis, 19 pages December 2015 Master’s Degree Programme in Information Technology Major: Signal Processing Examiner: Heikki Huttunen Keywords: loudspeaker, protection, algorithm

This study presents methods for mobile phone loudspeaker protection. In order to fulfill

loudness requirements, small sized mobile phone loudspeakers are driven near to their

tolerance limits. Therefore, there is a need for a reliable loudspeaker protection method.

Typical loudspeaker failure causes are diaphragm-voice coil assembly excessive dis-

placement and overheating of voice coil. In this study first loudspeaker and its modelling

is discussed. Then traditional protection algorithms are presented and finally a more ad-

vanced active control algorithms are studied.

iii

SISÄLLYSLUETTELO

1. JOHDANTO ............................................................................................................. 1

2. KAIUTTIMEN SUOJAUSPERIAATTEET ............................................................ 2

2.1 Matkapuhelimen kaiuttimen erityispiirteet .................................................... 2

2.2 Kaiuttimen toimintaperiaate ........................................................................... 3

2.3 Kaiuttimen mallintaminen .............................................................................. 5

2.4 Liikepoikkeama .............................................................................................. 7

2.5 Lämpeneminen ............................................................................................... 8

3. ALGORITMINEN SUOJAUS ............................................................................... 10

3.1 Lineaarinen ekvalisointi ............................................................................... 10

3.2 Limitointi ...................................................................................................... 12

3.3 Monikaista-kompressointi ............................................................................ 13

3.4 Liikepoikkeaman adaptiivinen suojaus ........................................................ 13

3.5 Kehittyneet algoritmit .................................................................................. 16

4. JOHTOPÄÄTÖS .................................................................................................... 17

iv

LYHENTEET JA MERKINNÄT (KESKEN)

AGC engl. Automatic Gain Control, automaattinen tasonsäätö

buzzer pietsoelektrinen kaiutin

crest factor signaalin huippuarvo jaettuna signaalin RMS-arvolla. Mitä pienempi

crest-factor, sitä suuremman tehon signaali.

DC engl. direct current, tasavirta

ETSI engl. European Telecommunications Standards Institute, eurooppa-

lainen telealan standardoimisjärjestö

Faradayn laki Faradayn lain mukaan virtasilmukkaan indusoituu jännite, kun sil-

mukan läpi kulkeva magneettivuo muuttuu.

handsfree kädet vapaa, esim. puhelu siten että luuri ei ole korvalla

Q-arvo Hyvyysluku. Kaiuttimen bassoresonassin voimakkuus ilmaistaan hy-

vyysluvun avulla.

RLR engl. Receiving Loudness Rating, ETSI-standardin määrittämä ää-

nenpaineen mittayksikkö.

SOC engl. System On a Chip, kokonainen järjestelmä samalla mikropii-

rillä.

Xd Kaiuttimen kalvon liikepoikkeama (millimetrejä)

φ0 engl. transduction coefficient tai force factor. Kuvaa kaiuttimen mag-

neettikentän voiman suhdetta sähkövirtaan. φ0 = B*l, missä B on

magneettivuon voimakkuus ja l kelan pituus.

1

1. JOHDANTO

Tässä kandidaatintyössä perehdytään matkapuhelimissa käytettävien elektrodynaamisien

mikrokaiuttimien suojausmenetelmiin. Matkapuhelimiin integroidut handsfree-kaiutti-

met yleistyivät 2000-luvun alussa. Aluksi kaiuttimia käytettiin kädet vapaa puheluissa ja

sittemmin myös radion, musiikin ja median toistossa. Aiemmin puhelimien monotoniset

soittoäänet ja merkkiäänet tuotettiin pietsoelektrisillä kaiuttimilla (engl. buzzer). Niiden

etuina olivat muun muassa suuri herkkyys ja tehonkesto, mutta haittapuolena oli heikko

äänenlaatu ja kapea taajuuskaista. Ne korvattiinkin elektrodynaamisilla kaiuttimilla, kun

melodiset soittoäänet yleistyivät. Kuulokekaiutinta (engl. earpiece speaker), jota käyte-

tään luuri korvalla puhumiseen, ei tässä käsitellä, vaikka sen suojausperiaatteet ovatkin

periaatteessa samankaltaiset. Tässä työssä kaiutin sanalla tarkoitetaan mikrokaiutinta.

Matkapuhelimien kutistumisen myötä myös kaiuttimet ovat pienentyneet. Samalla yhä

pienemmistä kaiuttimista pitää saada mahdollisimman paljon ääntä ulos. Kaiuttimia jou-

dutaan ajamaan äärirajoilla ja siksi tarvitaan suojausmenetelmä ehkäisemään kaiuttimien

rikkoontumista. Varsinkin massatuotannossa kaiuttimien suojaus on ensiarvoisen tärkeää

koko elinkaaren ajalta. Vikaantuminen voi ilmetä vasta ensimmäisten kuukausien aikana

ja silloin puhelimien korjauskustannukset voivat nousta merkittäviksi.

Yleisesti tiedetään, että kaiuttimia pitää suojata ylikuumenemiselta, liialliselta liikepoik-

keamalta, sekä tasavirtajännitteeltä (engl. DC voltage). Suojaus on perinteisesti toteutettu

ns. passiivisten suojausmenetelmillä, joiden ongelmana on se, että ne vaimentavat kaiut-

timen ulostuloa liikaa tai heikentävät äänenlaatua tarpeettomasti.

Kaiuttimen lineaarisen mallin pohjalta voidaan suunnitella aktiivinen suojausalgoritmi,

joka ennustaa kaiuttimen liikepoikkeaman ja lämpenemisen. Näin voidaan aktiivisesti

hallita kaiuttimen toimintaa, siten ettei suurin sallittu liikepoikkeama tai lämpötila ylity

missään tilanteessa. Aktiivinen toimintaperiaate mahdollistaa kaiuttimen äänenpaineen ja

äänenlaadun maksimoimisen.

Tässä työssä esitellään kaiuttimen suojausperiaatteet, perinteiset suojausalgoritmit ja yk-

sinkertaistettu teoria aktiivisesta kaiuttimen suojausalgoritmista. Viimeisessä luvussa

luodaan katsaus kaiuttimen suojausalgoritmin elinkaareen ja sen tuotteistamisen keskei-

siin haasteisiin.

2

2. KAIUTTIMEN SUOJAUSPERIAATTEET

Aluksi käsitellään matkapuhelimen kaiuttimiin liittyvät vaatimukset ja haasteet. Luvuissa

2.2 ja 2.3 esitellään kaiuttimen toimintaperiaate, sekä kaiuttimen mallintaminen. Ylioh-

jatun kaiuttimen yleisimmät rikkoutumissyyt, liiallinen liikepoikkeama ja lämpeneminen

käsitellään tarkemmin luvuissa 2.4 ja 2.5.

2.1 Matkapuhelimen kaiuttimen erityispiirteet

Matkapuhelimissa kaiuttimia käytetään soittoäänien soittamiseen, musiikin kuunteluun,

videoiden katseluun, merkkiäänien toistamiseen ja handsfree-puheluihin. Joissakin

maissa kaiuttimia käytetään ympäristön kovan melun takia kuulokekaiuttimen korvaa-

jana. Uusia käyttötapoja keksitään koko ajan.

Matkapuhelimen kaiuttimelta vaaditaan suurta äänenpainetta: soittoäänien tulee tavoittaa

käyttäjänsä voimakkaassa taustamelussa, puhelin voi sijaita kaukana käyttäjästään tai pu-

helin voi olla esimerkiksi laukussa tai taskussa. Siksi monet puhelinoperaattorit ovat mää-

ritelleet minimirajat puhelimen soittoäänien voimakkuudelle ja handsfree-puheluille. Li-

säksi viimeisimmissä standardeissa [4] on määritelty handsfree-kaiuttimen äänenpaine-

vaatimukset (Receiving Loudness Rating, RLR) handsfree-puheluille.

Kaiuttimen äänenlaatua on alettu arvostamaan vasta viime vuosina. Äänenlaadun määrit-

täminen on edelleen varsin subjektiivinen asia, mutta joitakin äänenlaadun mittareita voi-

daan käyttää matkapuhelimien tuotekehityksessä. Kaiuttimen taajuusvaste-mittauksen tu-

lee mahtua annettuun taajuusmaskiin, tavoitteena hyvä puheen laatu, ymmärrettävyys ja

tasapainoisuus. Korvin kuultavaa säröä ei voida hyväksyä, ja puhelimien handsfree-kaiut-

timien tulee läpäistä ETSI-standardin määrittelemät särömittausvaatimukset [5]. Toi-

saalta äärirajoille ajetun kaiuttimen aiheuttama epälineaarinen särö saattaa haitata hands-

free-puhelujen kaiunpoistoa. Hyvin toimiva lineaarinen adaptiivinen kaiunpoistoalgo-

ritmi perustuu siihen, että kaikutie on lineaarinen. Pahimmillaan puhelin ei säröjen takia

läpäise kaiunpoiston tyyppihyväksyntätestejä, ja tämä taas voi estää puhelimen massa-

tuotannon aloittamisen.

Kaiuttimien tulisi kestää oletetun puhelimen käyttöiän vaativissakin olosuhteissa. Kaiut-

timien ja vahvistimien komponenttivalmistajat ovat asettaneet rajat ja vaatimukset, joiden

puitteissa komponenttien luvataan toimivan. Myös komponenttien tilaajan, eli puhelimen

valmistajan, tulee osata määritellä valmistajille sellaiset testit ja reunaehdot, jotka täyttä-

mällä voidaan olettaa, että puhelin täyttää asiakkaiden vaatimukset. Kaiuttimen rikkoon-

tumiseen voivat vaikuttaa lisäksi ulkoiset tekijät kuten akustiikka, mekaniikka, elektro-

niikka ja ohjelmisto.

3

Käytännössä on todettu, että kaiuttimien yleisimmät rikkoutumissyyt ovat: liian suuri

amplitudi tai teho, tasajännite, valmistusvirheet, komponenttien laatuongelmat, ikäänty-

minen, pöly ja käyttäjän aiheuttamat mekaaniset virheet. Perusongelmana on se että, epä-

herkkää kaiutinta joudutaan ajamaan suuritehoisella vahvistimella, joka voi rikkoa kaiut-

timen ilman asianmukaista suojausmenetelmää.

On tunnettua, että suhteellisen pieni tasavirtajännite (engl. DC voltage) voi tuhota kaiut-

timen hyvinkin nopeasti. Siksi on tärkeää estää liiallinen tasavirtajännite, sekä signaali-

lähteessä että elektroniikkakomponentein. Tyypillisesti tämä tehdään ylipäästösuodatti-

mella, joko ohjelmistolla tai elektroniikkakomponentein. Monesti vahvistimissa on tasa-

jännitesuojaus sisäänrakennettuna.

2.2 Kaiuttimen toimintaperiaate

Äänen tuottamiseen tarvitaan yksinkertaistettuna signaalilähde, vahvistin ja kaiutin. Sig-

naalilähteenä toimii yleensä signaaliprosessori, jossa media eli digitaalinen signaali käsi-

tellään sopivaan muotoon. Seuraavaksi digitaalinen signaali muunnetaan niin sanotulla

D/A-muuntimella (Digital/Analog) analogiseksi. Sitten signaali vahvistetaan vahvisti-

mella siten, että sen voi kaiuttimella muuntaa riittävän voimakkaaksi äänenpaineeksi.

Kuva 2.1. Äänentoiston komponentit.

Matkapuhelimissa käytetään yleensä ns. D-luokan vahvistimia. D-luokan vahvistimessa

transistorit toimivat kytkimien tapaan, eli kytkimet ovat joko päällä tai pois päältä. Näin

vahvistimen häviöt saadaan minimoitua ja saavutetaan korkea hyötysuhde (jopa 95 %).

D-luokan vahvistimessa audiosignaalilla moduloidaan pulssin leveyttä (pulse-width mo-

dulation, PWM) korkealla kantoaaltotaajuudella, jonka taajuus voi olla jopa 2 MHz. Vah-

vistimen ulostulossa korkeataajuinen kantoaalto suodatetaan pois alipäästösuodattimella.

D-luokan vahvistimen etuna on suuren hyötysuhteen ansiosta keveys ja vähäinen läm-

möntuotto. [3] [15]. Niin sanotussa tehostetussa (engl. boosted) D-luokan vahvistimessa

tehostuskonvertteri tuottaa ulostuloon akkujännitettä suurempaa jännitettä. Näistä kerro-

taan tarkemmin eri valmistajien tuotesivuilla [10,17,18]. Tehostetun D-luokan vahvisti-

men teholuokka voi olla jopa 4 W, kun tavallisella D-luokan vahvistimella saavutetaan

maksimissaan vain 1 W:n ulostuloteho. Tehokkaan vahvistimen avulla voidaan epäher-

kästä kaiuttimesta saada riittävä äänenpaine, ja tehoreservistä on hyötyä myös matalien

taajuuksien toistossa. Haittapuolena on se, että vahvistimet ovat kalliita ja kuluttavat

enemmän virtaa. Lisäksi kaiuttimen suojauksen tulee olla todella varmatoiminen. Vah-

vistimet on toteutettu joko erilliskomponentteja tai integroituna SOC piirille.

DSPD/A

muunnin

Vahvistin Kaiutin

4

Kaiutin on sähköakustinen laite, joka muuntaa vahvistimelta tulevan sähköisen analogi-

sen signaalin korvinkuultavaksi ääneksi [1]. Mikrokaiutin poikkeaa tavallisesta Hifi-

kaiuttimesta pienemmän kokonsa ja muotonsa lisäksi siinä, miten kaiuttimen ripustukset

(engl. suspension) ja puhekela (engl. voice coil) on toteutettu. Pienen kokonsa takia mik-

rokaiuttimien hyötysuhde on huomattavasti heikompi. Matkapuhelimessa käytettävän

elektrodynaamisen mikrokaiuttimen yleinen rakenne on esitetty alla olevassa poikkileik-

kauskuvassa (Kuva 2.22). Kuvassa oleva kaiutin on sijoitettu suljettuun koteloon. [2]

Kaiuttimen toimintaperiaatetta voidaan selvittää edellä mainittua kuvaa tarkastelemalla.

Magneettikentässä olevaan kaiuttimen puhekelaan johdetaan vaihtovirtaa, audiosignaa-

lia, joka fysiikan lakien mukaan kohdistaa puhekelaan ja siinä kiinni olevan kaiuttimen

kalvoon voiman, mikä saa kalvon liikkumaan edestakaisin. Liikkuva kaiuttimen kalvo

tuottaa kovin kuultavia ääniaaltoja. Liikepoikkeamalla, Xd, kuvataan kalvon liikkeen laa-

juutta. Liiallinen kalvon liikepoikkeama on yleinen kaiuttimen rikkoutumisen syy. Lu-

vussa 2.2. käsitellään liikepoikkeaman käsitettä ja sen mallinnusta tarkemmin.

Kuva 2.2. Mikrokaiuttimen poikkileikkaus [2].

Kaiuttimien koko ja muoto vaihtelevat, tyypillisesti paksuus on noin 2–5 mm ja halkaisija

6–23 mm. Halvemmissa puhelimissa voidaan myös käyttää niin sanottuja multifunction

device (MFD) -kaiuttimia, joissa samalla komponentilla tuotetaan handsfree-kaiuttimen,

kuulokekaiuttimen ja värinämoottorin toiminnollisuudet.

Kaiutinkomponentin ja vahvistimen lisäksi äänenlaatua määrittelee akustiikka, eli kotelo

johon kaiutin on sijoitettu. Kotelo voi olla suljettu, avoin tai bassorefleksikotelo. Basso-

refleksikotelolla tarkoittaan koteloa jonka takatila on yhdistetty ilmatilaan putkella. So-

pivalla bassorefleksiputkella voidaan korostaa matalia taajuuksia. Kaiutin voi sijaita pu-

5

helimen edessä, sivulla tai pohjassa. Joissakin puhelimissa käytetään kahta kaiutinta ste-

reoäänen tuottamiseen ja äänenpaineen maksimoimiseen. Kotelon vaikutusta äänenlaa-

tuun määrittelevät kaiuttimen takatilan ja etutilan tilavuudet, kotelon tiiveys, pölyverkon

ominaisuudet ja ulosmenoaukko. Ideaalisessa tapauksessa puhelimen akustiikkasuunnit-

telijan käytettävissä on laadukas vahvistin ja kaiutin, jonka kotelo on tiivis, takatila on

riittävän suuri. Luonnollisesti kaiuttimen ulostuloaukot on suunnattu kuuntelijaa, eikä

pöytää kohti.

2.3 Kaiuttimen mallintaminen

Tässä luvussa esitellään kaiuttimen mallintamiseen liittyvää teoriaa, jonka perusteella

voidaan suunnitella signaalinkäsittelyn menetelmiä kaiuttimen aktiiviseen ohjaamiseen.

Yksinkertaistettu kaiuttimen lineaarinen sähköinen malli on esitetty alla kuvassa 2.3.

Kuva 2.3. Kaiuttimen sähköinen malli [2].

Jännitelähteenä toimii vahvistimen ulostulo vc(t), kaiuttimen puhekelan resistanssia ku-

vaa Reb ja puhekelan induktanssia Leb. Sähkömekaanista muunnosta sähköstä ilmanpai-

neeksi kuvataan kuvan 2.2 keskellä olevalla niin sanotulla gyraattorilla. Kuvan oikealla

reunalla olevassa piirissä termi ud(t) kuvaa kaiuttimen kalvon (ja puhekelan) liikkeen no-

peutta ja näin ollen gyraattorin aiheuttamaa jännitepudotusta fc(t) voidaan kuvata nopeu-

den ja gyraattorin vakion tulona φ0*ud(t). Gyraattorin vakio tunnetaan alan kirjallisuu-

dessa paremmin nimellä engl. force factor. Kaiuttimen mekaanista impedanssia kuvaa

termi Zm, joka koostuu kaiuttimen sähkömekaanisista ja akustisista impedansseista [2].

Puhekelan aiheuttamaa jännitteen pudotusta vc(s) taajuustasossa kuvaa seuraava yhtälö:

𝑣𝑐(𝑠) = (𝑅𝑒𝑏 + 𝑠𝐿𝑒𝑏)𝑖𝑐(𝑠) + 𝜑0𝑢𝑑(𝑠)

(2.1)

Kaiuttimen mekaanista mallia [2] voidaan kuvata esimerkiksi seuraavalla yhtälöllä

𝑚𝑑𝑥�̈�(𝑡) + 𝑐𝑑𝑥�̇�(𝑡) + 𝑘𝑑𝑥𝑑(𝑡) = 𝑓𝑐(𝑡)

(2.2)

Leb

Reb

vc(t)

ic(t)

vu(t) fc(t)

vu(t)=φ0ud(t)

φ0ic(t)=fc(t)

Zm(s)

ud(t)

6

, missä

md Kalvon massa

xd(t) Kalvon liikepoikkeama

cd Ripustuksen vaimennus

kd Jäykkyys eli ripustuksen palautusvoima

fc(t) Puhekelaan kohdistuva magneettinen voima

Mekaaninen impedanssi Zmo saadaan ottamalla edellisestä yhtälöstä Laplace-muunnos

𝑍𝑚𝑜 =𝑓𝑐(𝑠)

𝑢𝑑(𝑠)= 𝑠𝑚𝑑 + 𝑐𝑑 + 𝑘𝑑/𝑠

(2.3)

, kun ic(s) = 0 eli puhekela on irroitettu piiristä ja kaiutin sijaitsee tyhjiössä. Kaavassa

ud(s) kuvaa kalvon nopeutta.

Knudsenin [8] mukaan kaiuttimen liikepoikkeamaa xd voidaan mallintaa oheisen yhtälön

perusteella:

𝑥𝑑(𝑠)

𝑣𝑐(𝑠)=

𝜑0

𝑅𝑒𝑏

1

𝑠2𝑚𝑡 + 𝑠 (𝑐𝑡 +𝜑0

2

𝑅𝑒𝑏) + 𝑘𝑡

(2.4)

, missä seuraavat termit:

xd(s) liikepoikkeama

vc(s) sisääntulo jännite

φ0 force factor

Reb Puhekelan DC-resistanssi

mt kalvon ja puhekelan massa

ct mekaaninen ja akustisen vaimennus

kt mekaaninen ja akustinen jäykkyys

Kaiuttimen elektromekaaniset parametrit [16] [19] eli ns. Thiele/Small parametrit ovat

saatavissa kaiutinvalmistajien datalehdistä. Niiden perusteella akustiikkasuunnittelija voi

suunnitella kaiuttimelle sopiva kotelon ja niitä käytetään myös suojausalgoritmien tunaa-

misessa.

Pienillä tehoilla kaiuttimen toiminta on melko lineaarista, mutta suuremmilla signaalite-

hoilla kaiutin ei toimi enää täysin lineaarisesti, vaan sen epälineaarisen toiminta voi ai-

heuttaa korvin kuultavia epälineaarisia säröjä. Epälineaarisuuksia aiheuttavat kaiuttimen

sähkömagneettiset, mekaaniset ja akustiset komponentit. Suurin yksittäinen syy epäline-

aarisuuksille on kaiuttimen liikepoikkeaman muutoksista riippuva force factor φ0. Lisäksi

kaiuttimen ripustusten jäykkyys vaihtelee liikepoikkeaman, lämpötilan ja ikääntymisen

7

funktiona. Myös kaiuttimen kalvon pinta-ala ja massa muuttuvat ripustusten venymisen

seurauksena.

Epälineaarisuuden aiheuttamat lähteet tunnetaan varsin hyvin, mutta niiden mallintami-

nen vaatii kompleksista laskentaa ja sen toteuttaminen riittävän tarkasti, reaaliaikaisesti

ja kustannustehokkaasti on haastavaa.

2.4 Liikepoikkeama

Suojausta tarvitaan estämään kaiuttimen kalvon liian suuri liikepoikkeama. Liiallinen lii-

kepoikkeama voi aiheuttaa kaiuttimen kalvon kosketuksen kaiuttimen kotelon tai mag-

neetin seinämiin, mikä aiheuttaa ääneen korvinkuultavaa säröä ja voi rikkoa kaiuttimen

kalvon aikanaan. Toisaalta puhekela voi irrota kotelosta liiallisen liikepoikkeaman seu-

rauksena.

Kaiutinvalmistajat määrittelevät sallitun maksimiliikepoikkeaman. Kaiuttimen liikepoik-

keama voidaan laboratoriossa mitata laserilla taajuuden funktiona [12], mikäli puhelimen

mekaniikka (pölyverkko, kuori, tms.) ei estä lasersäteen kulkua kaiuttimen kalvolle. Jos

lasermittaus ei onnistu voidaan liikepoikkeaman ylitykset todentaa särömittauksilla.

Erään matkapuhelinkaiuttimen liikepoikkeaman vaste on esitetty kuvassa 2.

Kuva 2.4. Kaiuttimen liikepoikkeamavaste. Paksulla punaisella on piirretty kaiutti-

men todellinen mitattu liikepoikkeamavaste. Todellisesta vasteesta muodostetun 2. as-

teen mallin mukaan on piirretty käyräparvi eri signaalin voimakkuuksilla.

8

Kuvasta 2.4. nähdään, miten liikepoikkeama vaihtelee taajuuden funktiona. Sekä liike-

poikkeama, että taajuus on esitetty logaritmiasteikolla selvyyden vuoksi. Herätesignaa-

lina on käytetty niin sanottua sini pyyhkäisy (engl. sine sweep) -signaalia (80–10000 Hz).

Sini pyyhkäisyllä tarkoitetaan, sinisignaalia, jonka taajuutta muutetaan asteittain suurem-

maksi. Punainen paksumpi käyrä esittää todellista liikepoikkeamavastetta ja ohuemmat

käyrät mallinnettua liikepoikkeamavastetta eri voimakkuuden sisääntulosignaaleilla.

Musta suora kuvaa suurinta sallittua maksimiliikepoikkeamaa. Kuvasta voidaan todeta,

että voimakkaimmat signaalit aiheuttavat liikepoikkeamamaksimin ylityksen alle 1 kHz:n

signaaleilla.

Suurin liikepoikkeama saavutetaan kaiuttimen ja sen kotelon määräämän kaiutinsystee-

min resonanssitaajuudella fc, mikä on tyypillisesti noin 1 kHz (kuvan kaiuttimella se on

noin 600 Hz). Resonanssitaajuuden alapuolella liikepoikkeama on lähes samaa luokkaa,

mutta suuremmilla taajuuksilla liikepoikkeama vähenee selvästi. Kotelon takatilan tila-

vuutta suurentamalla voidaan kaiutinsysteemin resonanssitaajuutta laskea, mikä parantaa

kaiuttimen matalien taajuuksien toistoa. Resonanssitaajuus vaihtelee lämpötilan funk-

tiona ja siihen vaikuttaa myös kotelon tiiveys, mahdolliset esteet etutilassa, sekä kompo-

nenttien ikääntyminen.

2.5 Lämpeneminen

Mikrokaiuttimien hyötysuhde on heikko. Suurin osa vahvistimelta kaiuttimelle tulevasta

energiasta muuttuu (kaiutinkalvon aiheuttaman äänenpaineen sijasta) kaiuttimen puheke-

lassa lämpöenergiaksi. Kaiuttimen liiallinen lämpeneminen voi aiheuttaa kaiuttimen pu-

hekelan eristeiden hapertumisen, puhekelan sulamisen ja siten kaiuttimen rikkoutumisen.

Kaiuttimille annetut maksimilämpötilarajat ovat tyypillisesti 100–150 Celsius astetta.

Toisaalta kaiutinvalmistajat määrittelevät myös mikä on kaiuttimen maksimaalinen jat-

kuva tehonkesto. Tehonkesto vaihtelee 300–1500 mW:n välillä. Liiallinen teho lämmittää

kaiutinta ja siten voidaan puhua samasta ongelmasta, joten lämpenemistä voidaan estää

rajoittamalla pitkän aikavälin tehoa.

Puhekelan lämpötila saadaan maksimoitua suuriamplitudisella ja suuritaajuisella (pienen

crest factorin omaavalla) signaalilla. Oheinen kuva näyttää miten nopeasti eräs kaiutin

saavuttaa maksimilämpötilan 3 kHz:n sinimuotoisella kanttiaallolla.

9

Kuva 2.5. Esimerkki kaiuttimen puhekelan lämpenemisestä

Lämmön mittaaminen on haastavaa jopa laboratorio-olosuhteissa, koska lämpökameralla

mittaaminen on epätarkkaa, toisaalta tehon mittaaminen vaatii sekä jännitteen että virran

mittausta. Kaiuttimen puhekelan ja magneetin lämpötilan käyttäytymistä voidaan mallin-

taa lineaarisella mallilla. Kaiuttimen mallin ja sekä ympäristön lämpötilan perusteella

voidaan laskea kaiuttimen reaaliaikainen lämpötilaestimaatti. Sisään tulevasta signaalista

voidaan myös laskea tehoestimaatti. Lämpötilaestimaatin ja/tai tehoestimaatin perusteella

voidaan signaalia vaimentaa tarpeen mukaan. Koska lämpötilan vaihtelut ovat maltilli-

sempia kuin liikepoikkeaman vaihtelut, voidaan kaiuttimelle tulevaa signaalia vaimentaa

suhteellisen yksinkertaisella automaattisella tasonsäädöllä (AGC) tai limitterillä.

10

3. ALGORITMINEN SUOJAUS

Tässä luvussa käsitellään kaiuttimen suojaukseen käytettävien algoritmien periaatteita.

Suojausalgoritmit toteutetaan hyödyntäen digitaalista signaalinkäsittelyä, ja ne voidaan

luokitella passiivisiin, aktiivisiin ja kehittyneisiin algoritmeihin. Passiiviset algoritmit pe-

rustuvat mallin mukaiseen suojaukseen, aktiiviset algoritmit muokkaavat suojausta sisään

tulevan signaalin perusteella ja ns. kehittyneet algoritmit hyödyntävät takaisin kytkentää

vahvistimesta, jonka perusteella voidaan kaiutinmallia muokata reaaliaikaisesti. Oheinen

kuva esittää eri tyyppisten suojausalgoritmien lohkokaaviota.

Kuva 3.1. Suojausalgoritmin lohkokaavio.

Perinteisillä passiivisilla kaiuttimen suojausmenetelmillä voidaan estää kaiuttimen rik-

koutuminen varmatoimisesti ja kustannustehokkaasti. Niiden ongelmana on se, että

kaiutinta joudutaan ylisuojaamaan, koska passiiviset suojausmenetelmät eivät hyödynnä

tietoa audiosignaalista, vaan suojaus tehdään pahimman mahdollisen skenaarion mukaan.

Seuraavaksi esitellään yleisimmät menetelmät: lineaarinen ekvalisointi, limitointi ja mo-

nikaistakompressori.

3.1 Lineaarinen ekvalisointi

Edellisessä luvussa 2.2 todettiin että kaiuttimen suojaaminen liialliselta liikepoikkeamalta

edellyttää matalien taajuuksien vaimentamista eli niin sanottua ylipäästösuodattamista.

Suodatus tehdään joko ohjelmallisesti, tai elektroniikan komponenteilla. Matkapuheli-

missa matalia taajuuksia vaimennetaan signaalinkäsittelyn menetelmin DSP-prosessorilla

digitaalisella suodatuksella. Haluttu vaimennusvaste voidaan määritellä särömittauksen

ja/tai liikepoikkeamavasteen perusteella. Ylipäästösuodatuksen lisäksi voidaan samalla

DSP

Liikepoikkeaman

suojaus

DC voltage

suojaus

D/A

muunnin

Lämpötilan

suojaus

Lämpötilan

mallinnus

Liikepoikkeaman

mallinnus

Kehittynyt

algoritmi

VahvistinInput

48 kHz

32 bit PCM

11

suodinsysteemillä suodattaa myös muita kaiuttimen taajuusvasteessa ilmeneviä ongelma-

kohtia. Tämä tehdään lisäämällä suodinlohkoja tarpeen mukaan.

Digitaalisen ylipäästösuotimen (engl. High Pass Filter, HPF) toteutukseen voidaan käyt-

tää ns. finite impulse response (FIR) tai ns. infinite impulse response (IIR) -suotimia [6].

IIR suotimen IIR suotimen differenssiyhtälöä kuvaa seuraava kaava:

𝑦(𝑛) = ∑ 𝑎𝑘𝑥(𝑛 − 𝑘) + ∑ 𝑏𝑚𝑦(𝑛 − 𝑚)

𝑀

𝑚=1

𝐾

𝑘=0

(3.1)

, missä ak ja bk ovat suotimen kertoimet. IIR-suotimen siirtofunktio voidaan kuvata seu-

raavalla yhtälöllä:

𝐻(𝑧) = ∑ 𝑏𝑚𝑧−𝑚𝑀

𝑚=0

1 + ∑ 𝑎𝑚𝑘𝑧−𝑘𝐾𝑘=0

(3.2)

Kaaviomuodossa 2. asteen IIR-suodin (suoramuoto II) voidaan kuvata alla olevan kuvan

mukaisesti

Kuva 3.2. IIR suotimen kaaviokuva.

Digitaalisen suotimen valinta riippuu sen käyttötarkoituksesta [14]. Varsinkin aiemmin

matkapuhelimien rajallinen laskentakapasiteetti, laskentatarkkuus ja virrankulutusvaati-

mukset vaikuttivat suodattimen valintaan. Nykyään kalliimpien matkapuhelimien signaa-

liprosessoreissa on laskentakapasiteettia ja laskentatarkkuutta riittävästi, ja lisäksi niissä

voidaan käyttää liukulukulaskentaa suodattimien toteutuksessa.

FIR-suotimen etuna on sen stabiilius ja haittapuolena suuri kompleksisuus. Sen sijaan

IIR-suodin on vähemmän kompleksinen eli se tarvitsee vähemmän laskentatehoa ja ku-

luttaa näin ollen vähemmän akkua. IIR-suotimen haittapuolena on sen herkkyys epästa-

biilisuudelle. Epästabiilisen IIR-suotimen ulostulo voi ajautua äärettömän suureksi, mikä

z-1

z-1

+ +

a1

a2 b2

b1

a0

x[n-1]

x[n-2]

x[0]

x[n] y[n]

12

kiinteän pilkun toteutuksessa tarkoittaa sitä, että ulostulo jämähtää ääriarvoon tai johtaa

ylivuototilanteeseen. [14]. Ääriarvoon jumiutunut ulostulo tarkoittaa suurta tasavirtajän-

nitettä, mikä olisi tuhoisaa kaiuttimen kannalta, joten IIR suodatuksen ulostulossa ennen

kaiutinta on ehdottomasti oltava toimiva tasavirtajännitesuojaus. Ylivuototilanne taas tar-

koittaan sitä, että ulostulo alkaa oskilloimaan negatiivisen maksimin ja positiivisen mak-

simin välillä. Molemmat tapaukset täytyy ehdottomasti pystyä estämään suodattimen

suunnittelussa ja kertoimien laskennassa.

Tyypillisesti kaiuttimen taajuusvasteen ekvalisoinnissa käytetään 2. Asteen IIR-suodatin

lohkoja peräkkäin. Kukin lohko toteuttaa yhden kuopan tai korostuksen. Kiinteä suodatus

eli lineaarinen ekvalisointi on yksinkertainen, varmatoiminen ja edullinen suojausmene-

telmä. Haittapuolena on se, että vaimennus on riippumatonta sisääntulosignaalista, jonka

takia signaalia joudutaan vaimentamaan turhan paljon. Tuloksena on usein hiljainen ja

kapeakaistainen kaiutinääni.

3.2 Limitointi

Limitoinilla voidaan estää äänisignaalia ylittämästä ennalta asetettua kynnystä (engl.

threshold). Limitointi voidaan tehdä niin sanotulla automaattisella tasonsäädöllä (Auto-

matic gain Control, AGC), tai kompressorilla (Dynamic Range Control, DRC). Limitteri

on äärimuoto kompressorista, jonka tarkoitus on vaimentaa voimakkaita ääniä ja/tai voi-

mistaa hiljaisia ääniä. Kompressorilla voidaan siis (kaventaa) äänenvoimakkuuden vaih-

teluväliä eli dynamiikkaa.

Kuva 3.3. Kompressorin limitointikäyrät.

Output

(dBFS)

Input

(dBFS)

0

0

-10

-10

∞ : 1, -10 dBFS5 : 1, -8 dBFS

ratio 5 : 2, max -6 dBFS

Threshold

13

Kompressorin vahvistusta/vaimennusta esitetään tyypillisesti yllä olevan kuvan 3.2 mu-

kaisella kompressiokäyrällä. Signaalin tasoa mitataan ja mikäli signaalin amplitudi ylittää

annetun kynnyksen (engl. threshold), signaalia vaimennetaan kompressiosuhteen (engl.

ratio) perusteella. Signaalitason mittauksessa voidaan käyttää joko ns. RMS arvoa tai sig-

naalin maksimiarvoa (engl. Peak level).

Jotta kompressorin ulostulo ei alkaisi oskilloimaan eli pumppaamaan, kompressorin vai-

mennusta ja vaimennuksen vapautusta viivästetään. Viivästystä määrittelevät kompres-

sorin aikavakiot attack- ja release time. Kompressorin reagointiaika, ns. attack time, on

ajanjakso jonka aikana kynnyksen ylittävän signaalin amplitudia vaimennetaan haluttuun

tasoon ja vastaavasti ns. release time kuvaa aikaa joka kestää kunnes kompressori vai-

mennus palautuu nollaan.

Ongelmana on löytää sopiva kynnys ja toisaalta haittapuolena on limittereiden tyypilliset

laatu ongelmat (liian nopeasta signaalin vaimennuksesta ja siitä palautumisesta johtuva

äänen pumppaus, äänen puuroutuminen ja säröytyminen). Lisäksi tässäkin menetelmässä

joudutaan tinkimään äänekkyydestä, koska tarkan rajan antaminen on mahdotonta.

3.3 Monikaista-kompressointi

Kehittyneempi tapa edellisen lisäksi on rajoittaa eli limitoida haitallisia taajuuksia niin

sanotulla monikaista-kompressorilla (engl. multiband dynamic range compressor,

MBDRC). Nimensä mukaan MBDRC:llä kompressointi tehdään taajuuskaistoittain.

Tämä tarkoittaa sitä, että signaali on muunnettava taajuustasoon ennen kompressointia.

Esimerkiksi matalien taajuuksien (alle 1kHz) dynamiikkaa voidaan muokata siten että

matalia amplitudeja korostetaan ja korkeita, liikepoikkeamalle haitallisia, amplitudeja

vaimennetaan. Ylemmillä taajuuskaistoilla (> 1 kHz) voidaan parantaa kaiuttimen äänek-

kyyttä ja rajoitettaan mahdollisia ongelmakohtia.

Monikaista-kompressorin etuna on se, ettei turhaan vaimenneta matala-amplitudisia sig-

naaleja. Monikaistakompressoreita käytetään yleensä joka tapauksessa äänekkyyden

maksimoimiseen, joten suojaus toiminto ei välttämättä lisäisi kompleksisuutta. Haitta-

puolena on se, että kompressorilla ei voida kovin tarkasti mukailla tyypillistä liikepoik-

keaman vastetta ja edellä mainitut äänenlaatuongelmat. Myös suuret eroavaisuudet vie-

rekkäisten taajuuskaistojen kompressiosuhteissa voivat aiheuttaa säröjä kaistanrajojen lä-

heisyydessä.

3.4 Liikepoikkeaman adaptiivinen suojaus

Liikepoikkeamamallin perusteella voidaan suunnitella aktiivinen algoritmi, joka vaimen-

taa signaalia tarpeen mukaan. Siten voidaan optimoida äänenpaineen, laadun ja keston

vaatimukset. Kun tiedetään kaiuttimen, vahvistimen ja akustiikan ominaisuudet, voidaan

14

sisääntulosignaali syöttää mallin läpi (suodattaa) ja tuloksena saadaan liikepoikkeamaes-

timaatti.

Useamman mittauksen perusteella voidaan muodostaa malli liikepoikkeamasta esimer-

kiksi pienimmän neliösumman (PNS) – menetelmällä. Mitattuun liikepoikkeamavastee-

seen voidaan sovittaa sopiva polynomi, esimerkiksi matlabin polyfit- ja polyval-funkti-

olla, PNS-menetelmällä (engl. Least Squares). Kuvasta (Kuva 2.4) nähdään, että liike-

poikkeamavasteen mallintamiseen riittäisi 2. asteen polynomi, koska korkeampitaajuiset

liikepoikkeamamaksimit ovat tasoltaan niin matalia, ettei niitä tarvitse huomioida, eli

käyrällä on vain yksi maksimi.

Edellisessä luvussa esiteltiin [8] yhtälö, jonka perusteella voidaan kaiuttimen liikepoik-

keamaa ennustaa. Digitaalinen 2. asteen suodatin vastaavalla taajuusvasteella voidaan to-

teuttaa seuraavalla siirtofunktiolla [2]:

𝐻(𝑧) = 𝑏1𝑧−1

1 + 𝑎1𝑧−1 + 𝑎2𝑧−2

(3.3)

Jos estimaatti ylittää annetun liikepoikkeamamaksimin, voidaan signaalia vaimentaa tar-

peen mukaan erilaisilla menetelmillä. Kaiuttimelle menevää signaalia voidaan vaimentaa

edellisessä luvussa mainitulla monikaista kompressorilla [10], jonka kompressiosuhdetta

säädetään liikepoikkeamaestimaatin perusteella.

Leach [9] on esittänyt, että kaiuttimen aktiiviseen kontrollointiin voitaisiin käyttää adap-

tiivista lineaarista ekvalisointia, oheisen aikatason siirtofunktion mukaan:

𝐻𝑐(𝑠) =

𝑠2

𝜔02 +

𝑠𝜔0𝑄𝑡𝑐

+ 1

𝑠2

𝜔𝑑2 +

𝑠𝜔𝑑𝑄𝑑

+ 1

(3.4)

, missä Qd on haluttu Q-arvo ja ωd haluttu resonanssitaajuus. Diskreettiaikainen versio

edellä mainitusta kaavasta [2] voidaan toteuttaa 2. asteen IIR-suodattimella:

2

·2

1

·1

2

·2

1

·1

1

1)(

zaza

zbzbzH

rr

cc

cc (3.5)

, missä takaisinkytkentä kertoimet (a1r ja a2r) liittyvät kaiuttimen akustiikkaan ja ovat tässä

tapauksessa kiinteät. Feed forward kertoimet b1c ja b2c vastaavat aiemmin esitetyn kaiutin-

mallin kertoimia. Suodatinsysteemin kokonaisvahvistus c valitaan siten että resonanssi-

taajuuden yläpuolella ei vahvisteta signaalia.

15

𝜎𝑐 = 1 − 𝑎1𝑑 + 𝑎2𝑑

1 − 𝑏1𝑑 − 𝑏2𝑑

(3.6)

Eli näin voidaan kaiuttimen taajuusvastetta muokkaavaan IIR suodattimen kertoimia

muuttaa liikepoikkeamaestimaatin perusteella. Eli käytännössä liikepoikkeamamalli ta-

soitetaan kuoppasuodattimella ja matalien taajuuksien vaimentavaa hyllysuodatinta ohja-

taan liikepoikkeaman voimakkuuden perusteella. Näin suodatin vaimentaa vain niitä taa-

juuksia jotka aiheuttavat liikepoikkeaman ylityksen. Aktiivisen suotimen toiminta taa-

juustasossa on esitetty kuvassa 3.5.

Kuva 3.4. Aktiivisen ekvalisoinnin toteuttavan IIR-suotimen kaaviokuva.

Kuva 3.5. Aktiivisen ekvalisoinnin toteuttavan IIR suotimen taajuusvaste.

z-1

z-1

+ +

a1

a2 b2

b1

Ϭc

x[n-1]

x[n-2]

x[0]x[n]

y[n]

16

Uudet suodinkertoimet päivitetään mahdollisimman usein ja kertoimia joudutaan keskiar-

vottamaan liian nopeiden kerroinmuutosten aiheuttamien säröjen estämiseksi. Käytettä-

essä kiinteän pilkun laskentaa, suodattimen laatua määrittävät kertoimien lukualue, suo-

dattimen sisäisten laskutoimitusten tarkkuus (esim. yhteenlaskujen pyöristys) ja pyöris-

tyskohina. Tässä joudutaan tekemään kompromissia laadun ja kompleksisuuden suhteen.

Aktiivinen suojaus mahdollistaa optimaalisen äänekkyyden ja äänenlaadun. Aktiivisen

suojausmenetelmän haittapuolena on suurempi kompleksisuus. Toisaalta lineaarisella

(Feed forward) mallilla ei voida mukautua valmistustoleranssien, ikääntymisen ja lämpö-

tilan aiheuttamiin vaikutuksiin. Seuraavassa luvussa esitellään ratkaisu tähän ongelmaan.

3.5 Kehittyneet algoritmit

Lineaarinen kaiutinmalli pystyy kuvaamaan kaiuttimen toiminta vain osittain. Kun vaa-

ditaan tarkempaa kaiuttimen mallintamista, tulee ottaa huomioon myös lämpötilan, ikään-

tymisen ja valmistustoleranssien ym. vaikutus. Tämä vaatii epälineaarisen mallin luo-

mista [2][7]. Lisäksi tarvitaan vahvistin, josta voidaan mitata sekä ulostulojännite että

virta reaaliaikaisesti.

Ulostulojännitteen ja virtamittauksen perusteella voidaan laskea kaiuttimen impedanssi

reaaliaikaisesti. Tämän perusteella voidaan esimerkiksi päivittää edellä esitetyn aktiivisen

ekvalisointisuotimen takaisinkytkentäkertoimia (3.5) ja näin saadaan suojaukseen reaali-

aikainen malli kaiuttimen akustiikasta. Voidaan muuttaa suojausta, jos kaiuttimen ulos-

tuloaukko on tukittu tai kaiuttimen mekaniikassa on ikääntymisestä tai rasituksesta aiheu-

tuvia muutoksia. Toisaalta impedanssin perusteella voidaan myös laskea kaiuttimen pu-

hekelan lämpötila tarkasti, ja näin kaiuttimen lämpösuojaus toimii entistä varmemmin.

17

4. JOHTOPÄÄTÖS

Tässä työssä käsiteltiin kaiuttimen algoritmisen suojauksen periaatteita ja esiteltiin kirjal-

lisuudesta referoituja suojausmenetelmiä peilaten omiin kokemuksiin matkapuhelimien

kaiutinsuojauksesta. Hifi-kaiuttimien suojaus voidaan toteuttaa periaatteessa varsin yk-

sinkertaisilla menetelmillä, mutta matkapuhelimien mikrokaiuttimien kohdalla kannattaa

soveltaa kehittyneempiä suojausalgoritmeja. Pienistä kaiuttimista pitää saada suuri ääni

hyvällä äänenlaadulla. Kaiuttimia joudutaan ajamaan äärirajoilla, jotta niistä saataisiin

tarvittava äänenpaine, joten suojauksen tulee olla varmatoiminen. Vaatimukset ovat peri-

aatteessa toisensa poissulkevia, mutta toisaalta matkapuhelimissa on nykyisellään tarvit-

tavaa laskentakapasiteettia hyvinkin monimutkaisen suojausalgoritmin toteuttamiseen.

Seuraavissa kappaleissa kerrataan suojausalgoritmin tuotteistamiseen liittyvää historiaa

ja haasteita.

Kaiuttimen suojausalgoritmin suunnittelu lähti tarpeesta tuottaa melodista ääntä matka-

puhelimen kaiuttimella. Koska alkuvaiheessa ei ollut olemassa valmista ratkaisua kaiut-

timen suojaamiseen, piti algoritmi suunnitella itse. Algoritmin kehitys vaati useamman

vuoden tutkimustyön ja tiivistä yhteistyötä alan eri toimijoiden kanssa. Ratkaisevassa

osassa algoritmin tuotteistusta oli sen toiminnan osoittaminen vakuuttavilla demoilla.

Käytettävissä olevat DSP-resurssit, vahvistin ja kaiutin määrittelevät sopivan suojausme-

netelmän valintaa. Halpaan tuotteeseen ei ole varaa laittaa kallista prosessoria tai vahvis-

tinta, mutta toisaalta silloin voi olla mahdollista satsata suurempaan kaiutinkomponenttiin

ja akustiikkaan. Suojausalgoritmien tulee siis mielellään olla skaalautuvia ja modulaari-

sia. Signaaliprosessorin tarkkuus ja käskykanta vaihtelevat toimittajasta riippuen, joten

pitää olla valmis integroimaan algoritmi erilaisille alustoille. Viimeistään tällöin tulee

myös algoritmin patentoinnin olla kunnossa. Suojaussysteemin rajapintojen pitää olla hy-

vin määriteltyjä ja ne täytyy valmistella hyvissä ajoin uusien elektroniikka-alustojen käyt-

töönotossa. Aikaa pitää varata mittaus- ja testausmenetelmien ja niihin liittyvien sovel-

lusten suunnitteluun.

Vaikka itse algoritmi ei välttämättä vaadi lisäkomponentteja, niin kustannuslaskennassa

ja aikataulutuksessa tulee ottaa huomioon se, että algoritmin hienosäätöön vaaditaan tuo-

tekohtaisesti huolelliset mittaukset ja aikaa pitää varata testaukseen ja hienosäätöön. Ali-

hankkijoilla tulee olla riittävän yksityiskohtaisesti dokumentoidut testausmenetelmät

käytössä ja tuotannon toleransseja tulee valvo, jotta suojausalgoritmiin voisi toimi halu-

tulla tavalla.

18

Kaiuttimen suojausalgoritmia on käytetty sadoissa miljoonissa puhelimissa ja se on kil-

pailukykyinen edelleenkin. Tarvitaan jatkuvaa tuotekehitystä, jotta algoritmi pysyisi kil-

pailukykyisenä. Jatkossakin laskentakapasiteetin kasvu mahdollistaa entistä monimutkai-

sempien algoritmien toteuttamisen.

19

LÄHTEET

[1] G. M. Ballou (ed), Handbook For Sound Engineers, Third Edition, Focal Press,

2002, Available: http://common.books24x7.com.lib-

proxy.tut.fi/toc.aspx?bookid=13508

[2] A. Bright, Active Control of Loudspeakers: An Investigation of Practical Appli-

cations, Ph. D. thesis, Ørsted·DTU, Acoustic Technology, Technical University

of Denmark, ISBN 87-91184-13-4, 2002, 203 p.

[3] B. Cordell, Chapter 28 - Class D Audio Amplifiers. Designing Audio Power

Amplifiers. McGraw-Hill. 2011. Available: http://common.books24x7.com.lib-

proxy.tut.fi/toc.aspx?bookid=35907

[4] ETSI TS 126 131, V11.3.0, Terminal acoustic characteristics for telephony; Re-

quirements (3GPP TS 26.131 version 11.3.0 Release 11), January 2014, p. 10

and p. 24, Available: http://www.etsi.org/de-

liver/etsi_ts/126100_126199/126131/11.03.00_60/ts_126131v110300p.pdf

[5] ETSI TS 126 131, V11.3.0, Terminal acoustic characteristics for telephony; Re-

quirements (3GPP TS 26.131 version 11.3.0 Release 11), January 2014, p. 20

and p. 35, Available: http://www.etsi.org/de-

liver/etsi_ts/126100_126199/126131/11.03.00_60/ts_126131v110300p.pdf

[6] H. Huttunen, Signaalinkäsittelyn perusteet, Tampereen teknillinen yliopisto,

Tampere, 2014, ii, 151 s p.

[7] W. Klippel. Nonlinear large-signal behavior of electrodynamic speakers at low

frequencies, Journal of the Audio Engineering Society, Vol. 40, No. 6, 1992, pp.

483-496.

[8] M. H. Knudsen, J. Grue Jensen, V. Julskjær, and Per Rubak, Determination of

Loudspeaker Driver Parameters Using a System Identification Technique, Jour-

nal of the Audio Eng. Soc.,Vol. 37, No. 9, 1989, pp. 700-708.

[9] W.M. Leach, A generalized active equalizer for closed-box loudspeaker systems,

Journal of the Audio Engineering Society, Vol. 38, No. 3, 1990, pp. 142-146.

[10] C. Luo, A model based excursion protection algorithm for loudspeakers. IEEE

International Conference on Acoustics, Speech and Signal Processing (ICASSP),

2012, pp. 233-236.

20

[11] MAX98500 Boosted 2.2W Class D Amplifier with Automatic Level Control.

Available: https://www.maximintegrated.com/en/products/analog/au-

dio/MAX98500.html

[12] J. Moreno, “Measurement of Loudspeaker Parameters Using a Laser Velocity

Transducer and Two-Channel FFT Analysis,” Journal of the Audio Eng. Soc,

Vol. 39, No. 4, Apr. 1991, pp. 243-249.

[13] A.V. Mäkivirta, Loudspeaker Design and Performance Evaluation, in: D. Have-

lock (ed.), S. Kuwano (ed.), and M. Vorländer (ed.), Handbook of Signal Pro-

cessing in Acoustics, Springer, 2008, pp 649-667. Available:

http://link.springer.com.libproxy.tut.fi/chapter/10.1007/978-0-387-30441-0_33#

[14] A. Oppenheimer, R. Schafer, Discrete-time Signal Processing, Prentice Hall,

Englewood Cliffs, New Jersey, USA. 1989, 879 p.

[15] D, Self, 11 - class-D amplifiers. In D. Self (Ed.), Audio power amplifier design

handbook (fourth edition), Newnes, 2006, pp. 319-327. Available:

http://www.sciencedirect.com.libproxy.tut.fi/science/arti-

cle/pii/B978024052162600013X

[16] R. Small, Direct-radiator loudspeaker system analysis, IEEE Transactions on

Audio and Electroacoustics, Vol. 19, No. 4, 1971, pp. 269-281.

[17] SSM4567 Digital 2.5 W, 5.1 V, Boost Class-D Audio Amplifier with Output

Sensing. Available: http://www.analog.com/media/en/technical-documenta-

tion/data-sheets/SSM4567.pdf

[18] TFA9895 Boosted class-D audio amplifier with speaker boost protection and

multiband dynamic range compressor. Available: http://www.nxp.com/docu-

ments/short_data_sheet/TFA9895_SDS.pdf

[19] A.N. Thiele, Loudspeakers in vented boxes .2, Journal of Audio engineering so-

ciety, Vol. 19, No. 6, 1971, pp. 471.