並聯擴展式多路音頻交換混合裝置的製作方法

2023-11-02 22:30:02 1

專利名稱：並聯擴展式多路音頻交換混合裝置的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種音頻信號交換混合的裝置，特別是一種並聯擴展式多路音頻交換混合裝置。
背景技術：
現有的交換矩陣一般採用專用集成電路來實現，其交換容量小(一般為8X8以 內)，並且在音頻信號的混合上沒有成熟的解決方案。一個多輸入輸出的交換系統可以抽象 為一個矩陣M，其輸入和輸出信號抽象為兩個向量(X，y)，裝置實現的功能就是將輸入向量 通過矩陣的運算轉換為輸出向量
formula see original document page 3對於一個音頻交換混合裝置，矩陣M中各元素的值即代表了某路輸入與某路輸出 的對應關係，以及音量信號。最終，單獨的某路輸出信號y」可以表示為formula see original document page 3一個容量為nXm的矩陣可以實現η路輸入到m路輸出的交換。一般地，為了實現 矩陣容量的擴展，需要將多個矩陣級聯。如


圖1所示，將一個nXn矩陣擴展為2nX2n矩 陣，需要使用4個nXn矩陣(A、B、C、D)，以及兩組信號選擇器(K1、K2)。以此類推，擴展成 3ηΧ3η矩陣需要使用9個nXn矩陣，擴展成4ηΧ4η矩陣需要使用16個nXn矩陣。使用 此類方式實現矩陣容量擴展無疑會造成設備資源的浪費，包括增加矩陣間的信號連線、開 關等。因此現有大部分交換矩陣晶片沒有或者只有部分混合功能，只能實現一定數量內的 信號混合。而且，有些整合技術一體化的程度較低。

實用新型內容實用新型目的本實用新型所要解決的技術問題是針對現有技術的不足，為了減 少容量擴展使用的各種資源，提供一種具有高度封裝一體化的並聯擴展式多路音頻交換混
口農且O技術方案本實用新型公開了一種並聯擴展式多路音頻交換混合裝置，包括兩個 以上音頻交換混合器，以及連接在音頻交換混合器之間的數據交換網絡；所述音頻交換混合器包括一個音頻交換混合矩陣，與矩陣連通的模數轉換模塊、 數模轉換模塊、輸入音量調節模塊以及輸出音量調節模塊；所述輸入音量調節模塊用於對音量進行縮小處理；用於對從外部採集到的某一路 模數轉換模塊傳來的過大音量進行縮小處理；所述模數轉換模塊用於將輸入音頻交換混合矩陣的串行模擬信號轉化為串行數
字信號；[0012]所述數模轉換模塊用於將輸出音頻交換混合矩陣的串行數位訊號轉化為串行模 擬信號；所述輸出音量調節模塊用於對音量進行縮小處理，從而將經過混合交換後的多路 音量信號縮小到正常的範圍之內。所述數據交換網絡用於將一個音頻交換混合器的發送來的信號傳遞給另一個音 頻交換混合器。所述音頻交換混合器封裝在FPGA或者DSP內；所述數據交換網絡採用乙太網或者光纖網絡交換。本實用新型中，優選地，所述音頻交換混合矩陣包括一組串並聯轉換模塊，與串並 聯轉換模塊連通的輸入緩存，與輸入緩存連通的數據處理單元，與數據處理單元連通的輸 出緩存，與輸出緩存連通的音頻混合單元，與音頻混合單元連通的並串聯轉換模塊，以及提 供全局統一時鐘的時鐘單元，所述並串聯轉換模塊與所述數模轉換模塊連通；所述串並聯 轉換模塊用於將所述模數轉換模塊傳來的串行數位訊號轉換為並行數位訊號；所述並串聯 轉換模塊用於將所述並聯數位訊號轉化為串聯數位訊號傳送給所述數模轉換模塊；所述音 頻交換混合矩陣還包括與網絡接口單元連接的接收緩存以及發送緩存，所述發送緩存從數 據處理單元接收音頻數據及其目的地址，送往網絡接口單元；所述接收緩存從網絡接口單 元接收音頻數據及其來源地址，數據處理單元按來源地址讀取相應音頻數據；所述串並聯 轉換模塊以及並串聯轉換模塊分別與所述時鐘單元連接。本實用新型中，優選地，所述數據處理單元內部有一個交換路徑表，表內存儲了各 路輸入信號需要送到的目的地址，以及各路輸出信號的源地址。本實用新型中，優選地，所述音頻混合單元包括16路24bit加法器。本實用新型中，優選地，所述時鐘單元用於提供統一的全局時鐘。本實用新型中，優選地，所述音頻交換混合矩陣連接有用於網絡數據交換的網絡 接口單元，所述網絡接口單元由FPGA配合網絡接口晶片實現數據收發，所述網絡接口單元 接收所述音頻交換混合矩陣發送緩存中的信號，並將信號按目的地址發向數據交換網絡， 同時接收發到本音頻數據交換混合矩陣的信號，並信號通過所述發送接收緩存送往數據處 理單元。有益效果本實用新型可以完成多路輸入到任一路輸出的混合，可以通過數據線 並聯實現交換容量擴展，同時具有高度的集成度和一體性。音頻信號的交換採用軟硬結合 的方式，對於在裝置內傳輸的音頻信號，直接通過音頻信號處理與收發模塊處理，實現本地 交換，即為硬交換；對於通過數據傳輸網絡送出和送入裝置的音頻信號，由傳輸協議進行網 絡交換，即為軟交換。信號的混合採用硬體加法器實現，速度快，同時各路輸出的隔離度高。 將裝有錄音軟體的計算機接入信號傳輸網絡，通過截取網絡上的數據來實現錄音功能。本 實用新型交換容量可根據實際需要進行擴展，其容量僅受數據傳輸網絡的帶寬限制。
以下結合附圖和具體實施方式
對本實用新型做更進一步的具體說明，本實用新型 的上述和/或其他方面的優點將會變得更加清楚。
圖1為現有技術方案功能圖。[0025]圖2為本實用新型實施例中並聯式擴展式多路音頻交換混合裝置結構圖。圖3為本實用新型實施例中FPGA內部模塊框圖。圖4為本實用新型混合模塊示意圖。圖5為本實用新型並聯交換容量擴展的實現示意圖。
具體實施方式
如圖2所示，本實用新型公開了一種並聯擴展式多路音頻交換混合裝置，包括兩 個以上音頻交換混合器，以及連接在音頻交換混合器之間的數據交換網絡；所述音頻交換 混合器包括一個音頻交換混合矩陣，與矩陣連通的模數轉換模塊、數模轉換模塊、輸入音量 調節模塊以及輸出音量調節模塊；所述輸入音量調節模塊用於對音量進行縮小處理；所述 模數轉換模塊用於將輸入音頻交換混合矩陣的串行模擬信號轉化為串行數位訊號；所述數 模轉換模塊用於將輸出音頻交換混合矩陣的串行數位訊號轉化為串行模擬信號；所述輸出 音量調節模塊用於對音量進行縮小處理；所述數據交換網絡用於將一個音頻交換混合器的 發送來的信號傳遞給另一個音頻交換混合器。所述音頻交換混合器封裝在FPGA或者DSP 內；所述數據交換網絡採用乙太網或者光纖網絡交換。如圖3所示，所述音頻交換混合矩陣包括一組串並聯轉換模塊，與串並聯轉換模 塊連通的輸入緩存，與輸入緩存連通的數據處理單元，與數據處理單元連通的輸出緩存，與 輸出緩存連通的音頻混合單元，與音頻混合單元連通的並串聯轉換模塊，以及提供全局統 一時鐘的時鐘單元，所述並串聯轉換模塊與所述數模轉換模塊連通；所述串並聯轉換模塊 用於將所述模數轉換模塊傳來的串行數位訊號轉換為並行數位訊號；所述並串聯轉換模塊 用於將所述並聯數位訊號轉化為串聯數位訊號傳送給所述數模轉換模塊；所述音頻交換混 合矩陣還包括與網絡接口單元連接的接收緩存以及發送緩存，所述發送緩存從數據處理單 元接收音頻數據及其目的地址，送往網絡接口單元；所述接收緩存從網絡接口單元接收音 頻數據及其來源地址，數據處理單元按來源地址讀取相應音頻數據；所述串並聯轉換模塊 以及並串聯轉換模塊分別與所述時鐘單元連接，從而由時鐘統一串並聯轉換模塊以及並串 聯轉換模塊的輸入讀取時序。所述數據處理單元內部有一個交換路徑表，表內存儲了各路 輸入信號需要送到的目的地址，以及各路輸出信號的源地址。所述音頻交換混合矩陣連接 有用於網絡數據交換的網絡接口單元，所述網絡接口單元由FPGA配合網絡接口晶片實現 數據收發，所述網絡接口單元接收所述音頻交換混合矩陣發送緩存中的信號，並將信號按 目的地址發向數據交換網絡，同時接收發到本音頻數據交換混合矩陣的信號，並信號通過 所述發送接收緩存送往數據處理單元。實施例圖2中顯示了兩個矩陣(矩陣1、矩陣2)通過數據交換網絡並聯實現交換容量 擴展的信號流程。虛線框為使用FPGA實現的功能，所述數據交換網絡每個節點需具備 100Mbit/s的數據交換能力。信號交換實例1、從信號源輸入X11交換到信號輸出yn所需的信號流程及步驟(a)音頻信號從X11輸入後，首先經過輸入音量調節單元an調整音量，音量調節單 元an使用PGA4311音量調節晶片來實現；[0036](b)從音量調節單元輸出的音頻信號，經過模數轉換模塊處理，轉換為串行數位訊號，送入FPGA進行處理；(c)模數轉換輸出的串行數位訊號，首先由串並轉換模塊處理，轉換為並行數位訊號；(d)並行數位訊號送入輸入緩存後，首先讀取交換路徑表，判斷該路信號的目的 地，若目的地為本矩陣內的輸出埠，則將信號送入輸出緩存；(e)輸出緩存中的數位訊號送入加法模塊，由加法模塊完成信號的混合；(f)加法模塊輸出的信號送入並_串轉換模塊，轉換為串行數位訊號；(g)並-串轉換模塊輸出的串行數位訊號送入數-模轉換模塊處理，轉換為模擬音 頻信號；(h)數-模轉換模塊輸出的音頻信號經過輸出音量調節bn調整輸出音量，最終輸 出為yn，音量調節bn使用PGA4311音量調節晶片來實現。該交換流程完全在矩陣1內部進行。2、從信號源Xln交換到y2m所需信號流程及步驟(a)音頻信號從信號源Xln輸入後，首先經過輸入音量調節aln調整音量；(b)從音量調節模塊輸出的音頻信號，經過模數轉換模塊處理，轉換為串行數字信 號，送入FPGA進行處理；(c)模數轉換輸出的串行數位訊號，首先由串並轉換模塊處理，轉換為並行數字信 號；(d)並行數位訊號送入矩陣1的接收緩存後，首先讀取交換路徑表，判斷該路信號 的目的地，若目的地為其它矩陣的輸出埠，則將信號送入矩陣1的數據發送緩存，經數據 交換網絡傳送至矩陣2的數據接收緩存，再送入矩陣2的輸出緩存；(e)矩陣2的輸出緩存中的數位訊號送入加法模塊，由加法模塊完成信號的混合；(f)加法模塊輸出的信號送入並串轉換模塊，轉換為串行數位訊號；(g)並串轉換模塊輸出的串行數位訊號送入數模轉換模塊處理，轉換為模擬音頻 信號；(h)數模轉換模塊輸出的音頻信號經過輸出音量調節b2m調整輸出音量，最終輸出 為 y2m°該交換流程由矩陣1、矩陣2和交換網絡共同完成。本實施例中使用2個交換容量為nXn的並聯矩陣，可以構成交換容量為2ηΧ2η 的矩陣；使用3個交換容量為nXn的並聯矩陣，可以構成交換容量為3ηΧ3η的矩陣；使用 4個交換容量為nXn的並聯矩陣，可以構成交換容量為4ηΧ4η的矩陣。與級聯擴展方式相 比，並聯擴展方式結構簡單，且極大地減少所需要的硬體資源。如圖2、3所示，本實用新型中，單獨的並聯式音頻交換混合器主要由5大功能模塊 組成，分別是1、模數轉換模塊將信源輸入的模擬音頻信號轉換為數位訊號，送入處理模塊進 行處理；2、音頻交換混合矩陣將輸入端採集到的音頻信號送入相應輸出埠或數據收發 模塊，同時接收數據收發模塊傳送的音頻信號並送至相應輸出埠，完成數位訊號的交換、混合O3、數據收發模塊根據設置好的交換路徑，接收音頻交換混合矩陣發送的音頻數 據，並將其發送至數據傳輸網絡上的目標地址；同時從數據傳輸網絡上接收其他設備發送 的音頻數據，並送至音頻交換混合矩陣。實現矩陣的並聯擴展。4、數模轉換模塊將音頻交換混合矩陣送出的數位訊號轉換為模擬信號，輸出到信宿設備；5、人機互動模塊通過液晶屏和觸摸板實現設備操作、設置IP位址等控制、設置功能。也可以通過其他控制方式如RS232、RJ45網線等，配合計算機軟體實現對設備的控 制。在此基礎上，可以通過增加輸入、輸出音量控制模塊實現對任一路輸入、輸出信號 獨立的音量控制功能。各路信源輸入的音頻信號首先進入輸入音量調節模塊，在該模塊內完成輸入音 量調節功能；然後，音量調節模塊將調節過音量信號的音頻信號送入模-數轉換模塊，由 模-數轉換模塊將模擬音頻信號轉換為數位訊號，送入音頻交換混合矩陣進行處理；音頻 交換混合矩陣首先將將各路輸入信號按目的地，送入數據收發模塊或者數_模轉換模塊； 同時從數據收發模塊接收需要輸出到本地的信號，將需要輸出到本地的信號送入數模轉換 模塊；數模轉換模塊將數位訊號轉換為模擬信號，送入輸出音量調節模塊；輸出音量調節 模塊完成輸出音量調節功能，最後將模擬音頻信號輸出到信宿。人機互動模塊通過人機互動界面實現對音量調節模塊、音頻交換混合矩陣和數據 收發模塊的控制，設置交換路徑，從而實現對整個矩陣的控制。本實用新型中，輸入音量調節使用PGA4311音量控制晶片實現；模_數轉換使用 PCM4204四通道音頻模數轉換晶片實現；數模轉換及輸出音量調節模塊使用PCM1681八通 道音頻數模轉換晶片實現(帶音量調節功能)。數字音頻信號的傳輸格式採用24bit左對 齊(Left Justified)串行 PCM 編碼。音頻交換混合矩陣和數據收發模塊使用FPGA (Field Programmable Gate Array, 現場可編程門陣列)實現。本實用新型中，所述FPGA內部各模塊的功能以及連接關係如圖 3所示。音頻交換混合矩陣內部包含串並聯轉換模塊、輸入緩存、數據處理單元、輸出緩存、 音頻混合單元、並串聯轉換模塊、接收緩存、發送緩存以及時鐘模塊；所述接收緩存以及發 送緩存與網絡接口單元連接，用於在數據交換網絡上發送和接收適配數據。時鐘模塊時鐘模塊的功能是為串/並、並串轉換模塊和模數、數模轉換晶片提供 統一的全局時鐘。採用統一時鐘可以有效地避免各模塊之間產生時間差，影響信號混合效
^ ο本實用新型中，模數和數模轉換晶片均工作於被動模式(Slave Mode)，使用左對 齊(Left Justified) 24bit PCM編碼方式傳輸數字音頻信號，由FPGA提供三個時鐘信號 系統時鐘(SCK)、位時鐘(BCK)和聲道時鐘(LRCK)。串並轉換模塊串並轉換模塊負責將PCM4204輸入的串行PCM編碼轉換為並行數 據，送入交換矩陣模塊進行處理。本模塊通過一個移位寄存器來存儲串行數據，根據聲道時 鍾(LRCK)的動作來控制並行輸出。輸入緩存該輸入緩存將網絡中各路串並轉換模塊接收到的音頻數據及其來源地址存儲到高速數據緩存中，數據處理單元按來源地址讀取相應音頻數據。輸出緩存該輸出緩存從數據處理單元接收音頻數據及其目的地址，並按地址送 至各個混合模塊的各路輸入埠。發送緩存從數據處理單元接收音頻數據及其目的地址，送往網絡接口單元。接收緩存從網絡接口單元接收音頻數據及其來源地址，數據處理單元按來源地 址讀取相應音頻數據。數據處理單元數據處理單元是一個內部建立有一個交換路徑表，該表分輸入和 輸出兩部分。以一個ηΧη矩陣為例，輸入部分內存儲了第1路 第η路輸入信號需要送到 的目的地址，其中每個輸入信號的目的地址可以有多個，數量無上限。輸出部分內存儲了第 1路 第η路輸出信號的源地址，其中每路輸出信號的源地址有η個；輸出部分共有ηΧη個 輸入源地址，每個地址對應混合模塊的一個輸入。數據處理單元通過一個串口與人機互動模塊進行數據交互，根據串口發送過來的 命令對地址轉換表進行讀寫，從而控制交換路徑。如圖4所示，所述音頻混合單元包括16路24bit加法器。輸出緩存讀取控制埠 的狀態，然後判斷各個輸入是否有效，即是否送入到輸出埠。若某輸入埠有效，則將該 埠數據直接送入加法器；若無效則送出數據0。加法器完成16個24bit 二進位數據的加 法，當結果大於OxFFFF時輸出OxFFFF，小於OxFFFF時輸出原加法結果。並串轉換模塊該模塊負責將混合模塊輸出的24bit並行數據轉化為PCM1681 能夠接收的串行PCM編碼。模塊內部通過一個移位寄存器產生串行輸出，根據聲道時鐘 (LRCK)的動作判斷讀取並行輸入。網絡接口單元該模塊是實現網絡數據交換的主要模塊，由FPGA配合專用網絡接 口晶片(RTL8019)來實現數據收發。網絡接口單元接收發送緩存發送的音頻數據和目的地 址，並按照目的地址將相應音頻數據發往交換網絡；同時接收發到本裝置的音頻數據和來 源地址，並將其送往接收緩存。圖5為使用數據傳輸網絡和並聯矩陣實現矩陣擴展的示意圖。圖中將3個並聯 矩陣接入數據傳輸網絡，3個矩陣所接入的信源、信宿均可以實現數據交換，構成3nX3n矩 陣。本實施例中數據傳輸網絡使用乙太網來實現。本實用新型中，有關音頻混合交換的技術內容，也可以參見申請人與2009年5月 5日申請的名稱為一種多路輸入音頻混合交換方法，專利申請號為200910026743. 5的實用 新型專利文件。本實用新型中，音頻信號的交換採用軟硬結合的方式，對於在裝置內傳輸的音頻 信號，直接通過音頻交換混合矩陣，由輸入緩存轉發至輸出緩存，實現本地交換，即為硬交 換；對於通過數據交換網絡送出和送入裝置的音頻信號，由傳輸協議進行網絡交換，即為軟 交換。本實用新型中可以採用DSP (Digital Signal Processer，數位訊號處理器)器件替 代FPGA實現交換矩陣和混合功能。採用其他種類的數據傳輸方式，如光纖等，進行數據傳 輸，組建數據傳數網絡。本實用新型提供了一種並聯擴展式多路音頻交換混合裝置的思路及方法，具體實 現該技術方案的方法和途徑很多，以上所述僅是本實用新型的優選實施方式，應當指出，對 於本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本實用新型原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本實用新型的保護範圍。本實施例中未明確的各組成部分均可用現有技術加以實現。
權利要求一種並聯擴展式多路音頻交換混合裝置，其特徵在於，包括兩個以上音頻交換混合器，以及連接在音頻交換混合器之間的數據交換網絡；所述音頻交換混合器包括一個音頻交換混合矩陣，與矩陣連通的模數轉換模塊、數模轉換模塊、輸入音量調節模塊以及輸出音量調節模塊；所述輸入音量調節模塊用於對輸入音量進行縮小處理；所述模數轉換模塊用於將輸入音頻交換混合矩陣的串行模擬信號轉化為串行數位訊號；所述數模轉換模塊用於將輸出音頻交換混合矩陣的串行數位訊號轉化為串行模擬信號；所述輸出音量調節模塊用於對輸出音量進行縮小處理；所述數據交換網絡用於將一個音頻交換混合器的發送來的信號傳遞給另一個音頻交換混合器；所述音頻交換混合器封裝在FPGA或者DSP內；所述數據交換網絡採用乙太網或者光纖網絡交換。
2.根據權利要求1所述的一種並聯擴展式多路音頻交換混合裝置，其特徵在於，所述 音頻交換混合矩陣包括一組串並聯轉換模塊，與串並聯轉換模塊連通的輸入緩存，與輸入 緩存連通的數據處理單元，與數據處理單元連通的輸出緩存，與輸出緩存連通的音頻混合 單元，與音頻混合單元連通的並串聯轉換模塊，以及提供全局統一時鐘的時鐘單元，所述並 串聯轉換模塊與所述數模轉換模塊連通；所述串並聯轉換模塊用於將所述模數轉換模塊傳來的串行數位訊號轉換為並行數字 信號；所述並串聯轉換模塊用於將所述並聯數位訊號轉化為串聯數位訊號傳送給所述數模 轉換模塊；所述音頻交換混合矩陣還包括與網絡接口單元連接的接收緩存以及發送緩存，所述發 送緩存從數據處理單元接收音頻數據及其目的地址，送往網絡接口單元；所述接收緩存從 網絡接口單元接收音頻數據及其來源地址，數據處理單元按來源地址讀取相應音頻數據； 所述串並聯轉換模塊以及並串聯轉換模塊分別與所述時鐘單元連接。
3.根據權利要求2所述的一種並聯擴展式多路音頻交換混合裝置，其特徵在於，所述 音頻混合單元包括16路24bit加法器。
4.根據權利要求2或3所述的一種並聯擴展式多路音頻交換混合裝置，其特徵在於， 所述音頻交換混合矩陣連接有用於網絡數據交換的網絡接口單元，所述網絡接口單元接收 所述音頻交換混合矩陣發送緩存中的信號，並將信號按目的地址發向數據交換網絡，同時 接收發到本音頻數據交換混合矩陣的信號，並信號通過所述發送接收緩存送往數據處理單兀。
專利摘要本實用新型公開了並聯擴展式多路音頻交換混合裝置，包括兩個以上音頻交換混合器，以及連接在音頻交換混合器之間的數據交換網絡；所述音頻交換混合器包括一個音頻交換混合矩陣，與矩陣連通的模數轉換模塊、數模轉換模塊、輸入音量調節模塊以及輸出音量調節模塊；所述數據交換網絡用於將一個音頻交換混合器的發送來的信號傳遞給另一個音頻交換混合器。本實用新型可以完成多路輸入到任一路輸出的混合，可以通過數據線並聯實現交換容量擴展。信號的混合採用硬體加法器實現，速度快，同時各路輸出的隔離度高。
文檔編號G10L19/00GK201557161SQ20092004867
公開日2010年8月18日 申請日期2009年10月19日 優先權日2009年10月19日
發明者劉揚 申請人:南京萊斯信息技術股份有限公司