雙音圈喇叭d類數字功放系統及其信號處理方法
2023-06-21 02:13:31 2
雙音圈喇叭d類數字功放系統及其信號處理方法
【專利摘要】本發明提供了一種雙音圈喇叭D類數字功放系統及其信號處理方法，系統包括：音頻信號採集單元；用於對音頻信號進行差分雙PWM調製後輸出兩路PWM調製信號的DSP差分PWM調製單元；第一和第二PWM驅動單元；用於將合成兩路PWM調製信號並還原的雙音圈喇叭單元；音頻信號採集單元的輸出端連接至DSP差分PWM調製單元的輸入端；DSP差分PWM調製單元包括兩路輸出，分別連接至第一和第二PWM驅動單元的輸入端；第一和第二PWM驅動單元的輸出端分別連接至雙音圈喇叭單元的兩個音圈。本發明可以提高整個系統的音頻性能和兩倍於普通功放的功率輸出，類似於BTL輸出的功率提升能力；採用數位技術處理也方便晶片級集成應用。
【專利說明】雙音圈喇叭D類數字功放系統及其信號處理方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及D類數字功放技術與電聲喇叭，尤其涉及一種雙音圈喇叭D類數字功放系統及其信號處理方法。
【背景技術】
[0002]隨著技術的發展和人們生活水平的提高，音響產品幾乎已經遍及我們每一個家庭及個人的音樂產品中，但當前能源緊缺和地球環境的日益惡化，綠色節能產品迅速得到了各國政府的大力支持，同時也得到了人們的認可，因此近些年音響產品中數字功放也得到了非常快速的發展，目前已經從小到人們手隨身聽、手機的音樂播放，家庭音響中的電視音響、家庭影院，專業音響領域的大功率專業功放等等，都有數字功放的身影；且基本也得到了絕大多數用戶的認可，但是由於數字功放技術的限制，目前從音質上與線性功放相比，還是有一定的差距，這主要是由於數字功放的調製技術與數模轉換技術的缺陷產生的，比如在數模轉換上，目前幾乎所有的數字功放都是採用低通濾波器來濾除高頻調製載波以還原模擬音頻信號的方式，但由於不可能有理想化的濾波器，在濾波後一定還會有部分殘餘載波信號疊加在模擬音頻信號上，從而影響了數字功放的性能。
[0003]因此就需要一種不同的信號調製方式和輸出技術來消除殘餘載波信號對傳統數字功放性能的影響，實現提高數字功放性能的目的。
【發明內容】
[0004]本發明的目的在於提供一種雙音圈喇叭D類數字功放系統及其信號處理方法，消除音頻信號中的殘餘載波信號，提升數字功放性能。
[0005]為達到上訴目的，本發明是通過以下技術方案實現的。
[0006]本發明提出了一種雙音圈喇叭D類數字功放系統，包括:
用於採集外部的音頻信號並輸出的音頻信號採集單元；
用於對所述音頻信號進行差分雙PWM調製後輸出兩路PWM調製信號的DSP差分PWM調製單兀；
用於接收PWM調製信號並對其進行功率放大後輸出的第一 PWM驅動單元和第二 PWM驅動單元；
用於將所接收的兩路PWM調製信號混合疊加後還原成聲音信號的雙音圈喇機單兀；所述音頻信號採集單元的輸出端連接至DSP差分PWM調製單元的輸入端；DSP差分PWM調製單元包括兩路輸出，一路輸出端連接至第一 PWM驅動單元的輸入端、另一路輸出端連接至第二 PWM驅動單元的輸入端；第一 PWM驅動單元的輸出端連接至雙音圈喇叭單元的一個音圈，第二 PWM驅動單元的輸出端連接至雙音圈喇叭單元的另一個音圈。
[0007]其中，所述雙音圈喇叭單元的兩個音圈可以單端的方式分別連接至第一 PWM驅動單元和第二 PWM驅動單元的輸出端，兩個音圈的另一端分別連接至參考地。
[0008]在採用單端連接方式時，上述系統還可包括:用於濾除PWM調製信號中載波的第一低通濾波單元和第二低通濾波單元；
所述第一 PWM驅動單元的輸出端通過第一低通濾波單元連接至雙音圈喇叭單元的一個音圈，所述第二 PWM驅動單元的輸出端通過第二低通濾波單元連接至雙音圈喇叭單元的另一個音圈。
[0009]其中，所述雙音圈喇機單元的兩個音圈還可通過BTL (Bridge-Tied-load,橋接式負載)方式連接至PWM驅動單元，此時上述系統還應包括:用於接收反向PWM調製信號並對其進行功率放大後輸出的第三PWM驅動單元和第四PWM驅動單元；
所述DSP差分PWM調製單元還用於在對所述音頻信號進行差分雙PWM調製輸出兩路PWM調製信號的同時，調製輸出兩路反向PWM調製信號，其中一路輸出端至第三PWM驅動單元的輸入端、另一路輸出端至第四PWM驅動單元的輸入；
所述雙音圈喇叭單元的一個音圈的兩端分別與第一 PWM驅動單元的輸出端和第三PWM驅動單元的輸出端連接；另一個音圈的兩端分別與第二 PWM驅動單元的輸出端和第四PWM驅動單元的輸出端連接。
[0010]在採用BTL連接方式時，上述系統還可包括:用於濾除PWM調製信號中載波的第一低通濾波單元和第二低通濾波單元，用於濾除反向PWM調製信號中載波的第三低通濾波單元和第四低通濾波單元；
所述第一 PWM驅動單元的輸出端、第三PWM驅動單元的輸出端分別通過第一低通濾波單元、第三低通濾波單元連接至雙音圈喇叭單元的一個音圈的兩端，所述第二 PWM驅動單元的輸出端、第四PWM驅動單元的輸出端分別通過第二低通濾波單元、第四低通濾波單元連接至雙音圈喇機單元的另一個音圈的兩端。
[0011]相應地，本發明還提出了一種上述系統的信號處理方法，包括步驟:
採集外部的音頻信號；
對所述音頻信號進行差分雙PWM調製，輸出兩路PWM調製信號；
對所述兩路PWM調製信號分別進行功率放大處理；
將所述經功率放大處理後的兩路PWM調製信號混合疊加成一路信號，再並其還原成聲音信號後輸出。
[0012]其中，所採集的音頻信號為數位訊號或者模擬信號。
[0013]本發明與現有技術相比，有益效果在於:
本發明提出的D類數字功放系統採用數字DSP技術算法調製產生兩路互補的PWM信號，然後通過PWM驅動單元互補輸出，再經過低通濾波器輸出後驅動雙音圈喇叭還原出模擬音頻，兩個通道的殘餘載波將會在雙音圈喇叭中相互抵消，由於採用了 PWM差分互補技術與磁混合技術，同時後級功率放大和喇叭為兩套且完全相同，因此，本發明可以提高整個系統的音頻性能和兩倍於普通功放的功率輸出，類似於BTL (橋接式負載，以下簡稱BTL)輸出的功率提升能力；採用數位技術處理也方便晶片級集成應用。另外，由於本發明採用的是差分互補雙路PWM輸出，在輸出端可以適當簡化對輸出濾波器的要求，也能夠適當降低濾波器的成本。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0014]圖1為本發明系統組成原理示意圖； 圖2為本發明雙音圈單端連接方式框圖；
圖3為本發明雙音圈BTL連接方式框圖；
圖4為傳統的D類數字功放PWM調製原理圖；
圖5為本發明雙差分PWM調製原理示意圖；
圖6為本發明在輸入信號為零時輸出載波在雙音圈喇叭內混合抵消原理示意圖；
圖7為本發明在輸入信號為正電平時輸出載波在雙音圈喇叭內混合抵消原理示意圖。
【具體實施方式】
[0015]為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發明，並不用於限定本發明。
[0016]請參閱圖1所示，其顯示出了本發明之較佳實施例的一種實施方式，包括:音頻信號採集單元1，DSP差分PWM調製單元2，PWM驅動A單元31，PWM驅動B單元32，低通濾波A單元41,低通濾波B單元42,雙音圈喇ΡΛ單元5。
[0017]請參閱圖1所示，音頻信號採集單元I主要是完成對外部音頻信號的採集，原則上是不具體指定外部信號是模擬信號還是數位訊號，也不特指某一種採集方式，本單元最主要的目的是得到一種特定的數字音頻格式，然後輸出給後級DSP差分PWM調製單元2進行處理。
[0018]傳統的D類數字功放PWM調製原理請參閱圖4所示,輸入一個如圖4a所示的音頻信號，再讓其與一個固定頻率且線性度良好的三角波信號進行比較，如圖4b所示，將這兩個信號進行比較後調製出如圖4c所示的含有輸入音頻信息的PWM調製信號，將PWM調製信號進行電流電壓放大後再經過低通濾波後還原出如圖4d所示的模擬音頻信號。本發明的PWM調製方式也是基於這樣的調製原理，但最大的不同在於本發明採用的是差分雙PWM調製。請參閱圖1所示，DSP差分PWM調製單元2主要是完成音頻信號採集單元I送來的數字音頻進行PWM調製DSP算法處理，調製原理如圖5所示，對於如圖5a所示的輸入音頻信號，在DSP內部有兩個通道同步進行調製，圖5b是一個通道(A通道)音頻信號與三角波信號比較的示意圖，圖5e是另一個通道(B通道)音頻信號與移向180度的三角波信號比較的示意圖，經過調製後得到如圖5c所示的A通道與如圖5f所示的B通道的差分PWM調製信號，並將兩個通道的PWM信號輸出，完成差分雙PWM調製功能。
[0019]請參閱圖1所示，PWM驅動A單元31與PWM驅動B單元32的作用是接收來自DSP差分PWM調製單元2輸出的兩路差分PWM調製信號，A通道PWM調製信號和B通道PWM調製信號，並將兩個通道的PWM調製信號進行功率放大。
[0020]請參閱圖1所示，低通濾波A單元41與低通濾波B單元42的作用是將經過PWM驅動A單元31與PWM驅動B單元32放大後的功率信號進行低通濾波，濾除高頻載波成分，還原出A通道與B通道的音頻信號；還原後的音頻信號波形如圖5d和圖5g所示。
[0021]請參閱圖1所示,雙音圈喇叭單元5負責將來自低通濾波A單元41和低通濾波B單元42輸出的模擬音頻信號，低通濾波A單元41輸出的信號連接到雙音圈喇叭單元5的一個音圈A，低通濾波B單元42輸出的信號連接到雙音圈喇叭單元5的另一個音圈B，兩通道的音頻信號在雙音圈喇叭單元5中混合、疊加，最終共同推動同一個喇叭音盆，還原出聲音信號。
[0022]請參閱圖2和圖3所示的雙音圈喇叭單元5的兩種連接形式。圖2所示的是雙音圈喇叭單元5的兩個音圈都以單端的方式連接到A通道與B通道的輸出端，兩個音圈的另一端是連接到參考地。圖3所示的是雙音圈喇叭單元5的兩個音圈都以BTL的方式連接到A通道與B通道的輸出端，這種連接方式需要在如圖2所示的單端連接方式的基礎上，分別對A通道和B通道在DSP差分PWM調製單元2再調製出兩個反向PWM信號，同時各增加一套反向PWM驅動和低通濾波即可，如圖3所示的33、43、34、44單元；通過採用這種方式的應用，則可以簡化本發明對電源供應的要求，尤其適合低電壓、小功率和集成化的應用。上述兩種連接方式顯示出了本發明之較佳實施例的部分實施方式，應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發明，並不用於限定本發明。
[0023]請參閱圖6所示，圖6a至圖6g為輸入電平為零時,本發明在改善性能的原理示意圖，本示意圖是基於圖2的連接方式進行分析的，但不限定只用於本連接方式。圖6a與圖6c為A通道和B通道的三角波信號與輸入電平相比較，得到如圖6b與圖6d所示的PWM調製信號和經過低通濾波後的輸出殘餘載波信號，從圖中可以看出兩個通道的PWM調製信號和經過低通濾波後的輸出殘餘載波信號是大小相等，相位相反的。從反向疊加原理來看，當我們將圖6e和圖6f的兩個信號進行疊加，由於反向作用，這兩個通道的殘餘載波將會在雙音圈喇叭單元5中相互抵消，最終會得到如圖6g所示的輸出信號，因此將大為改善現有D類數字功放的性能。
[0024]請參閱圖7所示，圖7a至圖7g為輸入電平為一直流高電平時，本發明在改善性能的原理示意圖，本示意圖是基於圖2的連接方式進行分析的，但不限定只用於本連接方式。圖7a與圖7c為A通道和B通道的三角波信號與輸入電平相比較，得到如圖7b與圖7d所示的PWM調製信號和經過低通濾波後的輸出殘餘載波信號，由於兩個通道的三角波的相位是相差180度的，從圖中可以看出當在有直流高電平輸入時，兩個通道的PWM調製信號和經過低通濾波後的輸出殘餘載波信號是大小相等，相位也是相差180度的。同樣我們將圖6e和圖6f的兩個殘餘載波信號進行疊加，由於兩個殘餘載波相差180度，這兩個通道的殘餘載波將會在雙音圈喇叭單元5中相互疊加,最終會得到如圖6g所示的殘餘載波頻率相比普通D類數字功放高一倍，相對幅度小得多的輸出信號，同樣將大為改善現有D類數字功放的性能。對於當輸入電平為一直流負電平的狀況，原理與上述情況相似，因此不再闡述。
[0025]請參閱圖1所示，結合上訴本發明對D類數字功放的性能的改善作用，當DSP差分PWM調製單元2採用適當的調製頻率時，並結合雙音圈喇叭合成時殘餘載波的抑制作用，低通濾波A單元41與低通濾波B單元42是可以適當簡化或者完全省略的。
[0026]以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，並不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。
【權利要求】
1.一種雙音圈喇叭D類數字功放系統，其特徵在於，包括: 用於採集外部的音頻信號並輸出的音頻信號採集單元； 用於對所述音頻信號進行差分雙PWM調製後輸出兩路PWM調製信號的DSP差分PWM調製單兀； 用於接收PWM調製信號並對其進行功率放大後輸出的第一 PWM驅動單元和第二 PWM驅動單元； 用於將所接收的兩路PWM調製信號混合疊加後還原成聲音信號的雙音圈喇機單兀； 所述音頻信號採集單元的輸出端連接至DSP差分PWM調製單元的輸入端；DSP差分PWM調製單元包括兩路輸出，一路輸出端連接至第一 PWM驅動單元的輸入端、另一路輸出端連接至第二 PWM驅動單元的輸入端；第一 PWM驅動單元的輸出端連接至雙音圈喇叭單元的一個音圈，第二 PWM驅動單元的輸出端連接至雙音圈喇叭單元的另一個音圈。
2.如權利要求1所述的雙音圈喇叭D類數字功放系統，其特徵在於，所述雙音圈喇叭單元的兩個音圈均以單端的方式分別連接至第一 PWM驅動單元和第二 PWM驅動單元的輸出端，兩個音圈的另一端分別連接至參考地。
3.如權利要求2所述的雙音圈喇叭D類數字功放系統，其特徵在於，該系統還包括:用於濾除PWM調製信號中載波的第一低通濾波單元和第二低通濾波單元； 所述第一 PWM驅動單元的輸出端通過第一低通濾波單元連接至雙音圈喇叭單元的一個音圈，所述第二 PWM驅動單元的輸出端通過第二低通濾波單元連接至雙音圈喇叭單元的另一個音圈。
4.如權利要求1所述的雙音圈喇叭D類數字功放系統，其特徵在於，該系統還包括:用於接收反向PWM調製信號並對其進行功率放大後輸出的第三PWM驅動單元和第四PWM驅動單元； 所述DSP差分PWM調製單元還用於在對所述音頻信號進行差分雙PWM調製輸出兩路PWM調製信號的同時，調製輸出兩路反向PWM調製信號，其中一路輸出端至第三PWM驅動單元的輸入端、另一路輸出端至第四PWM驅動單元的輸入； 所述雙音圈喇叭單元的一個音圈的兩端分別與第一 PWM驅動單元的輸出端和第三PWM驅動單元的輸出端連接；另一個音圈的兩端分別與第二 PWM驅動單元的輸出端和第四PWM驅動單元的輸出端連接。
5.如權利要求4所述的雙音圈喇叭D類數字功放系統，其特徵在於，該系統還包括:用於濾除PWM調製信號中載波的第一低通濾波單元和第二低通濾波單元，用於濾除反向PWM調製信號中載波的第三低通濾波單元和第四低通濾波單元； 所述第一 PWM驅動單元的輸出端、第三PWM驅動單元的輸出端分別通過第一低通濾波單元、第三低通濾波單元連接至雙音圈喇叭單元的一個音圈的兩端，所述第二 PWM驅動單元的輸出端、第四PWM驅動單元的輸出端分別通過第二低通濾波單元、第四低通濾波單元連接至雙音圈喇機單元的另一個音圈的兩端。
6.一種如權利要求1至5任一所述雙音圈喇叭D類數字功放系統的信號處理方法，其特徵在於，該方法包括步驟: 採集外部的音頻信號； 對所述音頻信號進行差分雙PWM調製，輸出兩路PWM調製信號；對所述兩路PWM調製信號分別進行功率放大處理； 將所述經功率放大處理後的兩路PWM調製信號混合疊加成一路信號，再並其還原成聲音信號後輸出。
7.如權利要求6所述的信號處理 方法，其特徵在於，該方法中所採集的音頻信號為數位訊號或者模擬信號。
【文檔編號】H04R3/00GK103491485SQ201310396790
【公開日】2014年1月1日 申請日期:2013年9月4日 優先權日:2013年9月4日
【發明者】沈紫輝, 程友平, 黎剛 申請人:國光電器股份有限公司