雙音圈喇叭d類數(shù)字功放系統(tǒng)及其信號處理方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種雙音圈喇叭D類數(shù)字功放系統(tǒng)及其信號處理方法，系統(tǒng)包括：音頻信號采集單元；用于對音頻信號進行差分雙PWM調(diào)制后輸出兩路PWM調(diào)制信號的DSP差分PWM調(diào)制單元；第一和第二PWM驅(qū)動單元；用于將合成兩路PWM調(diào)制信號并還原的雙音圈喇叭單元；音頻信號采集單元的輸出端連接至DSP差分PWM調(diào)制單元的輸入端；DSP差分PWM調(diào)制單元包括兩路輸出，分別連接至第一和第二PWM驅(qū)動單元的輸入端；第一和第二PWM驅(qū)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(fā)明可以提高整個系統(tǒng)的音頻性能和兩倍于普通功放的功率輸出，類似于BTL輸出的功率提升能力；采用數(shù)字技術(shù)處理也方便芯片級集成應(yīng)用。
【專利說明】雙音圈喇叭D類數(shù)字功放系統(tǒng)及其信號處理方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及D類數(shù)字功放技術(shù)與電聲喇叭，尤其涉及一種雙音圈喇叭D類數(shù)字功放系統(tǒng)及其信號處理方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著技術(shù)的發(fā)展和人們生活水平的提高，音響產(chǎn)品幾乎已經(jīng)遍及我們每一個家庭及個人的音樂產(chǎn)品中，但當(dāng)前能源緊缺和地球環(huán)境的日益惡化，綠色節(jié)能產(chǎn)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(chǎn)品中數(shù)字功放也得到了非?？焖俚陌l(fā)展，目前已經(jīng)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(yè)音響領(lǐng)域的大功率專業(yè)功放等等，都有數(shù)字功放的身影；且基本也得到了絕大多數(shù)用戶的認可，但是由于數(shù)字功放技術(shù)的限制，目前從音質(zhì)上與線性功放相比，還是有一定的差距，這主要是由于數(shù)字功放的調(diào)制技術(shù)與數(shù)模轉(zhuǎn)換技術(shù)的缺陷產(chǎn)生的，比如在數(shù)模轉(zhuǎn)換上，目前幾乎所有的數(shù)字功放都是采用低通濾波器來濾除高頻調(diào)制載波以還原模擬音頻信號的方式，但由于不可能有理想化的濾波器，在濾波后一定還會有部分殘余載波信號疊加在模擬音頻信號上，從而影響了數(shù)字功放的性能。
[0003]因此就需要一種不同的信號調(diào)制方式和輸出技術(shù)來消除殘余載波信號對傳統(tǒng)數(shù)字功放性能的影響，實現(xiàn)提高數(shù)字功放性能的目的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于提供一種雙音圈喇叭D類數(shù)字功放系統(tǒng)及其信號處理方法，消除音頻信號中的殘余載波信號，提升數(shù)字功放性能。
[0005]為達到上訴目的，本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的。
[0006]本發(fā)明提出了一種雙音圈喇叭D類數(shù)字功放系統(tǒng)，包括:
用于采集外部的音頻信號并輸出的音頻信號采集單元；
用于對所述音頻信號進行差分雙PWM調(diào)制后輸出兩路PWM調(diào)制信號的DSP差分PWM調(diào)制單兀；
用于接收PWM調(diào)制信號并對其進行功率放大后輸出的第一 PWM驅(qū)動單元和第二 PWM驅(qū)動單元；
用于將所接收的兩路PWM調(diào)制信號混合疊加后還原成聲音信號的雙音圈喇機單兀；所述音頻信號采集單元的輸出端連接至DSP差分PWM調(diào)制單元的輸入端；DSP差分PWM調(diào)制單元包括兩路輸出，一路輸出端連接至第一 PWM驅(qū)動單元的輸入端、另一路輸出端連接至第二 PWM驅(qū)動單元的輸入端；第一 PWM驅(qū)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(qū)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(qū)動單元和第二 PWM驅(qū)動單元的輸出端，兩個音圈的另一端分別連接至參考地。
[0008]在采用單端連接方式時，上述系統(tǒng)還可包括:用于濾除PWM調(diào)制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(qū)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(qū)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(qū)動單元，此時上述系統(tǒng)還應(yīng)包括:用于接收反向PWM調(diào)制信號并對其進行功率放大后輸出的第三PWM驅(qū)動單元和第四PWM驅(qū)動單元；
所述DSP差分PWM調(diào)制單元還用于在對所述音頻信號進行差分雙PWM調(diào)制輸出兩路PWM調(diào)制信號的同時，調(diào)制輸出兩路反向PWM調(diào)制信號，其中一路輸出端至第三PWM驅(qū)動單元的輸入端、另一路輸出端至第四PWM驅(qū)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(qū)動單元的輸出端和第三PWM驅(qū)動單元的輸出端連接；另一個音圈的兩端分別與第二 PWM驅(qū)動單元的輸出端和第四PWM驅(qū)動單元的輸出端連接。
[0010]在采用BTL連接方式時，上述系統(tǒng)還可包括:用于濾除PWM調(diào)制信號中載波的第一低通濾波單元和第二低通濾波單元，用于濾除反向PWM調(diào)制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(qū)動單元的輸出端、第三PWM驅(qū)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(qū)動單元的輸出端、第四PWM驅(qū)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(yīng)地，本發(fā)明還提出了一種上述系統(tǒng)的信號處理方法，包括步驟:
采集外部的音頻信號；
對所述音頻信號進行差分雙PWM調(diào)制，輸出兩路PWM調(diào)制信號；
對所述兩路PWM調(diào)制信號分別進行功率放大處理；
將所述經(jīng)功率放大處理后的兩路PWM調(diào)制信號混合疊加成一路信號，再并其還原成聲音信號后輸出。
[0012]其中，所采集的音頻信號為數(shù)字信號或者模擬信號。
[0013]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，有益效果在于:
本發(fā)明提出的D類數(shù)字功放系統(tǒng)采用數(shù)字DSP技術(shù)算法調(diào)制產(chǎn)生兩路互補的PWM信號，然后通過PWM驅(qū)動單元互補輸出，再經(jīng)過低通濾波器輸出后驅(qū)動雙音圈喇叭還原出模擬音頻，兩個通道的殘余載波將會在雙音圈喇叭中相互抵消，由于采用了 PWM差分互補技術(shù)與磁混合技術(shù)，同時后級功率放大和喇叭為兩套且完全相同，因此，本發(fā)明可以提高整個系統(tǒng)的音頻性能和兩倍于普通功放的功率輸出，類似于BTL (橋接式負載，以下簡稱BTL)輸出的功率提升能力；采用數(shù)字技術(shù)處理也方便芯片級集成應(yīng)用。另外，由于本發(fā)明采用的是差分互補雙路PWM輸出，在輸出端可以適當(dāng)簡化對輸出濾波器的要求，也能夠適當(dāng)降低濾波器的成本。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0014]圖1為本發(fā)明系統(tǒng)組成原理示意圖； 圖2為本發(fā)明雙音圈單端連接方式框圖；
圖3為本發(fā)明雙音圈BTL連接方式框圖；
圖4為傳統(tǒng)的D類數(shù)字功放PWM調(diào)制原理圖；
圖5為本發(fā)明雙差分PWM調(diào)制原理示意圖；
圖6為本發(fā)明在輸入信號為零時輸出載波在雙音圈喇叭內(nèi)混合抵消原理示意圖；
圖7為本發(fā)明在輸入信號為正電平時輸出載波在雙音圈喇叭內(nèi)混合抵消原理示意圖。
【具體實施方式】
[0015]為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實施例，對本發(fā)明進行進一步詳細說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。
[0016]請參閱圖1所示，其顯示出了本發(fā)明之較佳實施例的一種實施方式，包括:音頻信號采集單元1，DSP差分PWM調(diào)制單元2，PWM驅(qū)動A單元31，PWM驅(qū)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，音頻信號采集單元I主要是完成對外部音頻信號的采集，原則上是不具體指定外部信號是模擬信號還是數(shù)字信號，也不特指某一種采集方式，本單元最主要的目的是得到一種特定的數(shù)字音頻格式，然后輸出給后級DSP差分PWM調(diào)制單元2進行處理。
[0018]傳統(tǒng)的D類數(shù)字功放PWM調(diào)制原理請參閱圖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后調(diào)制出如圖4c所示的含有輸入音頻信息的PWM調(diào)制信號，將PWM調(diào)制信號進行電流電壓放大后再經(jīng)過低通濾波后還原出如圖4d所示的模擬音頻信號。本發(fā)明的PWM調(diào)制方式也是基于這樣的調(diào)制原理，但最大的不同在于本發(fā)明采用的是差分雙PWM調(diào)制。請參閱圖1所示，DSP差分PWM調(diào)制單元2主要是完成音頻信號采集單元I送來的數(shù)字音頻進行PWM調(diào)制DSP算法處理，調(diào)制原理如圖5所示，對于如圖5a所示的輸入音頻信號，在DSP內(nèi)部有兩個通道同步進行調(diào)制，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(jīng)過調(diào)制后得到如圖5c所示的A通道與如圖5f所示的B通道的差分PWM調(diào)制信號，并將兩個通道的PWM信號輸出，完成差分雙PWM調(diào)制功能。
[0019]請參閱圖1所示，PWM驅(qū)動A單元31與PWM驅(qū)動B單元32的作用是接收來自DSP差分PWM調(diào)制單元2輸出的兩路差分PWM調(diào)制信號，A通道PWM調(diào)制信號和B通道PWM調(diào)制信號，并將兩個通道的PWM調(diào)制信號進行功率放大。
[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(jīng)過PWM驅(qū)動A單元31與PWM驅(qū)動B單元32放大后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；還原后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(zé)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(chǔ)上，分別對A通道和B通道在DSP差分PWM調(diào)制單元2再調(diào)制出兩個反向PWM信號，同時各增加一套反向PWM驅(qū)動和低通濾波即可，如圖3所示的33、43、34、44單元；通過采用這種方式的應(yīng)用，則可以簡化本發(fā)明對電源供應(yīng)的要求，尤其適合低電壓、小功率和集成化的應(yīng)用。上述兩種連接方式顯示出了本發(fā)明之較佳實施例的部分實施方式，應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。
[0023]請參閱圖6所示，圖6a至圖6g為輸入電平為零時,本發(fā)明在改善性能的原理示意圖，本示意圖是基于圖2的連接方式進行分析的，但不限定只用于本連接方式。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(diào)制信號和經(jīng)過低通濾波后的輸出殘余載波信號，從圖中可以看出兩個通道的PWM調(diào)制信號和經(jīng)過低通濾波后的輸出殘余載波信號是大小相等，相位相反的。從反向疊加原理來看，當(dāng)我們將圖6e和圖6f的兩個信號進行疊加，由于反向作用，這兩個通道的殘余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(xiàn)有D類數(shù)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(fā)明在改善性能的原理示意圖，本示意圖是基于圖2的連接方式進行分析的，但不限定只用于本連接方式。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(diào)制信號和經(jīng)過低通濾波后的輸出殘余載波信號，由于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(dāng)在有直流高電平輸入時，兩個通道的PWM調(diào)制信號和經(jīng)過低通濾波后的輸出殘余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的兩個殘余載波信號進行疊加，由于兩個殘余載波相差180度，這兩個通道的殘余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所示的殘余載波頻率相比普通D類數(shù)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(xiàn)有D類數(shù)字功放的性能。對于當(dāng)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(jié)合上訴本發(fā)明對D類數(shù)字功放的性能的改善作用，當(dāng)DSP差分PWM調(diào)制單元2采用適當(dāng)?shù)恼{(diào)制頻率時，并結(jié)合雙音圈喇叭合成時殘余載波的抑制作用，低通濾波A單元41與低通濾波B單元42是可以適當(dāng)簡化或者完全省略的。
[0026]以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種雙音圈喇叭D類數(shù)字功放系統(tǒng)，其特征在于，包括: 用于采集外部的音頻信號并輸出的音頻信號采集單元； 用于對所述音頻信號進行差分雙PWM調(diào)制后輸出兩路PWM調(diào)制信號的DSP差分PWM調(diào)制單兀； 用于接收PWM調(diào)制信號并對其進行功率放大后輸出的第一 PWM驅(qū)動單元和第二 PWM驅(qū)動單元； 用于將所接收的兩路PWM調(diào)制信號混合疊加后還原成聲音信號的雙音圈喇機單兀； 所述音頻信號采集單元的輸出端連接至DSP差分PWM調(diào)制單元的輸入端；DSP差分PWM調(diào)制單元包括兩路輸出，一路輸出端連接至第一 PWM驅(qū)動單元的輸入端、另一路輸出端連接至第二 PWM驅(qū)動單元的輸入端；第一 PWM驅(qū)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(qū)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(quán)利要求1所述的雙音圈喇叭D類數(shù)字功放系統(tǒng)，其特征在于，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(qū)動單元和第二 PWM驅(qū)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(quán)利要求2所述的雙音圈喇叭D類數(shù)字功放系統(tǒng)，其特征在于，該系統(tǒng)還包括:用于濾除PWM調(diào)制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(qū)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(qū)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(quán)利要求1所述的雙音圈喇叭D類數(shù)字功放系統(tǒng)，其特征在于，該系統(tǒng)還包括:用于接收反向PWM調(diào)制信號并對其進行功率放大后輸出的第三PWM驅(qū)動單元和第四PWM驅(qū)動單元； 所述DSP差分PWM調(diào)制單元還用于在對所述音頻信號進行差分雙PWM調(diào)制輸出兩路PWM調(diào)制信號的同時，調(diào)制輸出兩路反向PWM調(diào)制信號，其中一路輸出端至第三PWM驅(qū)動單元的輸入端、另一路輸出端至第四PWM驅(qū)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(qū)動單元的輸出端和第三PWM驅(qū)動單元的輸出端連接；另一個音圈的兩端分別與第二 PWM驅(qū)動單元的輸出端和第四PWM驅(qū)動單元的輸出端連接。
5.如權(quán)利要求4所述的雙音圈喇叭D類數(shù)字功放系統(tǒng)，其特征在于，該系統(tǒng)還包括:用于濾除PWM調(diào)制信號中載波的第一低通濾波單元和第二低通濾波單元，用于濾除反向PWM調(diào)制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(qū)動單元的輸出端、第三PWM驅(qū)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(qū)動單元的輸出端、第四PWM驅(qū)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(quán)利要求1至5任一所述雙音圈喇叭D類數(shù)字功放系統(tǒng)的信號處理方法，其特征在于，該方法包括步驟: 采集外部的音頻信號； 對所述音頻信號進行差分雙PWM調(diào)制，輸出兩路PWM調(diào)制信號；對所述兩路PWM調(diào)制信號分別進行功率放大處理； 將所述經(jīng)功率放大處理后的兩路PWM調(diào)制信號混合疊加成一路信號，再并其還原成聲音信號后輸出。
7.如權(quán)利要求6所述的信號處理 方法，其特征在于，該方法中所采集的音頻信號為數(shù)字信號或者模擬信號。
【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(yōu)先權(quán)日:2013年9月4日
【發(fā)明者】沈紫輝, 程友平, 黎剛 申請人:國光電器股份有限公司