一种基于音频场景感知的功放供电系统自适应控制方法及系统与流程

本发明涉及音频功率放大器电源管理，具体涉及一种通过实时感知音频播放内容的动态特性并预测其未来变化趋势，以执行时间表为控制载体的功放供电母线电压变加速度调度方法及系统。

背景技术：

1、专业音频功率放大器的供电方案直接影响系统的音质表现、能源效率与运行可靠性。随着专业音频应用场景的日益多元化，同一套固定安装系统可能在一天内分别服务于会议语音扩声、背景音乐播放、流行音乐演出、古典音乐会乃至电影放映等多种不同用途，这对功放供电系统的适应性和灵活性提出了更高要求。

2、现有功放电源管理方案主要存在以下技术缺陷：

3、其一，供电调度与音频动态需求的时序失配。传统功放电源系统通常采用固定母线电压供电方案，无论当前播放内容为何种类型，功放主供电母线均维持恒定电压。以典型500瓦额定功率的ab类功放为例，在会议语音播报场景下实际音频输出功率通常仅为15瓦左右，但由于母线电压维持额定值不变，功率放大级输出管上的静态压降损耗居高不下，系统总功耗可达45瓦至50瓦，超过三分之二的电能被转化为无用热量。虽然已有技术尝试通过检测音频信号幅值来调节供电电压（如随动电源电压跟踪音源信号幅度），但此类方案本质上是对已发生的信号幅值变化的响应，在从低动态内容向高动态内容转换时，供电调整始终滞后于音频内容的变化，导致高动态峰值到来时母线电压尚未提升到位。

4、其二，电压调整过程的控制方式单一、缺乏针对性的优化。现有动态电压调整方案中，母线电压从当前值向目标值的变化过程通常采用固定速率渐变或简单的一阶滞后滤波。无论当前场景切换是紧急的（如从背景音乐突然进入现场扩声高潮）还是从容的（如从流行音乐缓慢过渡到背景音乐），电压调整的速率和加速度均采用相同的预设值。这种“一刀切”的控制模式导致：在需要快速响应的场景下响应速度不足，在不需要快速响应的场景下又因过慢的调整速度延长了过渡期，未能根据音频内容的实际动态需求优化电压调整过程的时间特性。

5、其三，电压调整过渡期内功放非线性失真的劣化问题。当供电策略因场景变化而切换时，母线电压的调整过程会改变功率放大级的工作点状态，导致功放的非线性特性（如跨导曲线、饱和特性）发生漂移。对于追求高保真度的专业音频应用而言，这种漂移会引入可测量的谐波失真和交调失真。已有研究（如韩国专利kr102550079b1）公开了基于深度学习的功放非线性失真补偿装置，但此类方案针对的是稳态工作条件下的失真补偿，未涉及母线电压动态变化过程中非线性特性持续漂移的同步补偿问题。

6、其四，辅助直流总线的介入缺乏平滑的过渡规划。辅助直流总线从禁用状态到全介入状态的切换过程中，若介入深度的变化过于剧烈，会在直流母线上引入电压尖峰或电流冲击，可能触发过流保护或对音频信号通路产生电磁干扰。传统方案中辅助总线的介入通常采用简单的阶跃式或线性变化，缺乏对介入过程瞬态特性的精细控制。

7、在中国专利数据库中，cn112671226a公开了一种将音频信号预反馈到电源控制环节以提前调节输出电压的方案，但其控制目标为电源变换器内部的电压环/电流环调节，未涉及以音频场景分类为基础的供电策略生成与执行时间表规划。cn117544118a公开了基于目标音频数据确定控制等级并控制升压电路升压的方案，但其升压控制为基于音频数据帧的离散等级切换，未涉及连续渐变过程中加速度的动态配置。cn103607176b公开了随动电源电压跟踪音源信号幅度的方案，但其跟踪为模拟域连续跟踪，不涉及数字域的时序规划与执行时间表生成。

技术实现思路

1、为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种基于音频场景感知的功放供电系统自适应控制方法及系统，通过以执行时间表为载体将场景识别结果与供电调度过程深度耦合，以变加速度控制实现电压调整过程与音频动态需求的时序匹配，以s型介入包络曲线实现辅助总线的平滑切入，并以偏置补偿系数的同步更新消除过渡期失真劣化。

2、为实现上述目的，提供如下技术方案：

3、一种基于音频场景感知的功放供电系统自适应控制方法，包括以下步骤：

4、s1，实时获取音频输入信号，提取用于表征音频内容动态特性与能量分布的音频特征参数。

5、s2，根据提取的所述音频特征参数，对当前音频内容进行场景分类，识别为多个预设音频场景类型中的一个。

6、s3，根据音频特征参数在预设时间窗口内的变化趋势，预测未来预设时长内音频内容的动态变化趋势，动态变化趋势至少包括高动态变化趋势和低动态变化趋势。

7、s4，根据识别出的场景类型及预测的动态变化趋势，生成功放供电系统的执行时间表，执行时间表至少包括：功放主供电母线电压从当前值到达目标值的总过渡时长、总过渡时长内各时刻的电压变化加速度随时间变化的加速度曲线、辅助直流总线介入深度随时间变化的介入包络曲线、以及储能单元充电功率随时间变化的阶梯下降节点。

8、s5，根据执行时间表，以加速度曲线执行母线电压从当前值至目标值的渐变调整，并以介入包络曲线执行辅助直流总线的平滑介入与退出。

9、其中，电压变化加速度在预测为高动态变化趋势时高于预测为低动态变化趋势时的加速度，且加速度为正值时表示母线电压升高、为负值时表示母线电压降低。

10、在一些实施例中，音频特征参数至少包括动态范围、低频能量占比及短时功率变化率。动态范围用于区分高动态内容与低动态内容；低频能量占比用于识别包含重低音成分的内容；短时功率变化率的计算窗口不超过10毫秒，用于捕捉音频信号的瞬态冲击特性。

11、在一些实施例中，趋势预测根据短时功率变化率在预设窗口内的变化斜率和低频能量占比在预设窗口内的累积变化量进行判定：当短时功率变化率的变化斜率超过第一斜率阈值且持续时间超过预设时长时，预测为高动态变化趋势；当短时功率变化率的变化斜率低于第二斜率阈值时，预测为低动态变化趋势；第一斜率阈值大于第二斜率阈值。

12、在一些实施例中，加速度曲线中：预测为高动态变化趋势时，电压变化加速度的绝对值配置为第一加速度值；预测为低动态变化趋势时，电压变化加速度的绝对值配置为第二加速度值；第一加速度值大于第二加速度值。更优选地，第一加速度值不超过额定母线电压值的5%每平方秒，第二加速度值不超过额定母线电压值的1%每平方秒。

13、在一些实施例中，介入包络曲线为s型曲线，其起始段和结束段的斜率小于中间段的斜率，时间常数根据场景类型配置为200毫秒至800毫秒。

14、在一些实施例中，阶梯下降节点至少包括：在场景切换触发后的第一预设时刻充电功率降至第一预设功率比例、在第二预设时刻充电功率降至第二预设功率比例、在第三预设时刻充电功率降至第三预设功率比例，各相邻节点之间的充电功率变化率不超过额定充电功率的20%每秒。

15、在一些实施例中，在母线电压渐变调整期间，同步调整功率放大级的静态偏置补偿系数。所述静态偏置补偿系数通过预先建立的母线电压-功放非线性特性映射模型查表获得，其更新周期不超过电压变化加速度导致的母线电压变化量的1%所对应的持续时间。

16、本发明还提供一种实现上述方法的基于音频场景感知的功放供电系统自适应控制系统，包括：音频场景感知与预测模块、执行时间表生成模块、母线电压变加速度调控模块、辅助总线包络控制模块及偏置同步补偿模块。

17、在一些实施例中，系统通过标准通信总线与外部混合能源峰值补偿系统进行数据交互，将执行时间表中的至少一个时序参数同步传递至所述外部系统，以便外部系统提前执行储能单元的荷电状态预调整。

18、由于采用上述技术方案，相比于现有技术，本发明具有：

19、（1） 本发明通过执行时间表将场景识别结果映射为包含电压变化加速度曲线、介入包络曲线等多维度时序参数的控制方案，实现供电调度与音频动态需求的最优时序匹配。

20、（2）本发明的电压变化加速度根据预测结果动态配置：在高动态变化趋势下采用高加速度（不超过5%/s²），使母线电压在有限时间内快速接近目标值；在低动态变化趋势下采用低加速度（不超过1%/s²），以最平滑的方式完成调整，变加速度控制实现电压调整过程与场景紧急程度的差异化匹配。

21、（3）本发明采用s型包络曲线控制介入深度的时间轨迹，起始段和结束段的变化率较小、中间段变化率较大，使得介入深度的二阶导数连续，避免了加速度的突变s型介入包络曲线消除辅助总线切入的电气冲击。

22、（4）本发明通过同步调整静态偏置补偿系数，使功放在电压变化的每一时刻都尽可能接近最小失真工作点，偏置补偿系数的同步更新消除过渡期失真劣化。

23、采用本发明方案后，在从80%额定电压向110%额定电压过渡的15秒过程中，thd+n保持在0.05%以下，与传统固定速率方案相比，高动态场景下的母线电压到位率从不足60%提升至95%以上。