CN100553122C - 多通道数字放大器、其信号处理方法及其音频再现系统 - Google Patents

多通道数字放大器、其信号处理方法及其音频再现系统 Download PDF

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Abstract

一种产生每个通道中具有不同开关频率的脉冲宽度调制(PWM)信号的多通道数字放大器系统及其信号处理方法。数字放大器系统包括：PWM转换单元，用于将多通道上的多个音频信号转换为具有互相不同的开关频率的低输出功率PWM信号；开关电路单元，用于将该多个低输出功率PWM信号放大为各通道上的多个高功率输出PWM信号；以及滤波器单元，用于将该多个高输出功率PWM信号恢复为各通道上的多个模拟音频信号。

Description

多通道数字放大器、其信号处理方法及其音频再现系统
技术领域
本发明总的构思涉及多通道数字放大器系统，更特别地，涉及产生每个通道中具有不同开关频率的脉冲宽度调制(PWM)信号的多通道数字放大器系统及其信号处理方法。
背景技术
一般地，数字放大器脉冲宽度调制具有较小的幅度的数字信号，如脉冲编码调制(PCM)信号，从而产生PWM信号。数字放大器通过使用半导体开关器件如场效应管(FET)放大PWM信号以具有大的幅度。然后，通过使用低通滤波器从放大的PWM信号提取音频信号。
这个数字放大器对单声道声音可以只使用单通道，但是在大多数情况下使用具有两个或更多通道的多通道，如5.1通道或7.1通道。
现在将简要说明传统的多通道数字放大器。图1说明数字放大器系统的传统脉冲宽度调制(PWM)信号的波形。图2说明传统的功率放大的PWM信号的波形。首先，通过PWM调制器输出若干PWM信号(即，数目对应于通道数)。这些输出的PWM信号由N个开关器件分别转换为N个高输出功率PWM信号。此时，如图1中的波形图中所说明的，通过施加相同开关频率到所有通道而不管通道数，PWM调制器在各通道中产生PWM信号。即，参照图1，通道A的PWM开关频率和通道B的PWM开关频率相同。在这种情况下，开关频率可以通过PWM Ch A和PWM Ch B信号的上升沿确定。如从图1可以看到的，PWM Ch A和PWM Ch B信号的上升沿在相同的时间点出现。
参照图1的PWM Ch A和PWM Ch B，虽然通道不同，但是相同的PWM开关频率导致开关器件中的开关时间点以高速率出现。但是，如果在两个或更多通道中电源同时导通或关断，则电源单元经历过载，使得产生电源噪声。
另外，如图2中所示，在开关器件中放大的PWM信号的实际波形中，在开关器件导通或关断时存在传播延迟时间(td1)。但是，如图2中所示，如果通道B的开关器件的导通时间与通道A的开关器件的导通时间接近，则开关器件的传播延迟时间(td1)异常地增大和减小，使得最终输出的放大的PWM信号的波形变形。
发明内容
本发明总的构思提供一种多通道数字放大器系统，其通过在具有互相不同的开关频率的各通道中产生PWM信号，降低通道间的串扰和噪声分量。
本发明总的构思还提供一种信号处理方法，用于在多通道数字放大器系统中在具有互相不同的开关频率的各通道中产生PWM信号。
本发明总的构思的其它方面一部分将在下面的说明中阐明，一部分根据本说明将是显然的，或者可以由本发明总的构思的实践而获知。
本发明总的构思的前述和/或其它方面通过提供一种数字放大器系统实现，该系统包括：脉冲宽度调制(PWM)转换单元，用于转换多个音频信号为具有互相不同的开关频率的低输出功率PWM信号；开关电路单元，用于在各通道上放大多个低输出功率PWM信号为多个高输出功率PWM信号；以及滤波器单元，用于在各通道上恢复多个高输出功率PWM信号为多个模拟音频信号。
本发明总的构思的前述和/或其它方面还通过提供一种数字放大器实现，该数字放大器包括：脉冲宽度调制(PWM)转换单元，用于接收用于多通道的脉冲编码调制(PCM)音频数据，并且转换PCM音频数据为相应的具有不同频率的脉冲宽度调制(PWM)信号。
本发明总的构思的前述和/或其它方面还通过提供一种音频再现系统中可使用的数字放大器实现，该放大器包括：脉冲宽度调制转换单元，用于接收关于多通道的信息和各通道上的多个音频数据信号，并且根据该多个音频数据信号和与所接收的通道信息相关联的多个脉冲参考信号之间的时间值比较，在各通道上产生多个PWM信号。
本发明总的构思的前述和/或其它方面还通过提供一种数字放大器实现，该数字放大器包括：PWM转换单元，用于接收第一和第二脉冲编码调制(PCM)信号，从而比较第一和第二PCM信号与第一和第二预置高频参考信号的时间值，并且根据各比较产生第一和第二脉冲宽度调制(PWM)信号。
本发明总的构思的前述和/或其它方面还通过提供一种音频再现系统实现，该系统包括数字放大器，其具有脉冲宽度调制(PWM)转换单元，用于接收用于多通道的脉冲编码调制(PCM)音频数据，并将PCM音频数据转换为具有不同频率的相应的脉冲宽度调制(PWM)信号；以及多个输出单元，用于输出从各通道的PWM信号获得的多个模拟音频信号。
本发明总的构思的前述和/或其它方面还通过提供一种处理数字放大器系统中的信号的方法实现，该方法包括：确定多通道中互相不同的开关频率；将多个输入音频信号转换为具有确定的开关频率的低输出功率PWM信号，该开关频率在各通道上互相不同；将各通道中多个产生的低输出功率PWM信号放大为多个高功率输出PWM信号；以及在各通道中将多个放大的高输出功率PWM信号恢复为多个模拟音频信号。
附图说明
本发明总的构思的这些和/或其它方面从下面结合附图的实施例的说明，将变得明显并且更容易理解，在附图中：
图1说明传统数字放大器的传统脉冲宽度调制(PWM)信号的波形；
图2说明传统的功率放大的PWM信号的波形；
图3是说明根据本发明总的构思的实施例的多通道数字放大器系统的方块图；
图4说明图3的多通道数字放大器系统的PWM转换单元的操作波形；
图5图示了在图3的多通道数字放大器系统的开关电路单元中放大的PWM信号的波形；
图6是图示根据本发明总的构思的实施例的开关电路单元的图；以及
图7是图示根据本发明总的构思的实施例的处理数字放大器的信号的方法的流程图。
具体实施方式
现在将详细介绍本发明总的构思的实施例，在附图中说明本发明总的构思的例子，其中相同的参考号码始终指相同的元件。下面说明实施例以便通过参考附图说明本发明总的构思。
图3是说明根据本发明总的构思的实施例的多通道数字放大器系统的方块图。
图3的数字放大器系统包括PWM转换单元310、微机(微计算机)单元320、开关电路单元330、电源供应单元340和低通滤波器(LPF)单元350。PWM转换单元310包括PWM控制单元312和PWM单元314。开关电路单元330包括对应于多通道的多个开关器件。
首先，输入模拟音频信号由数字信号处理器(DSP)(未图示)转换为脉冲编码调制(PCM)音频数据。
微机单元320产生控制信号以控制多通道数字放大器系统的模块和/或组件，如功能控制和初始化。另外，微机单元320提供系统的通道信息如通道数给PWM控制单元312。
根据由微机单元320提供的通道数信息，PWM转换单元310转换输入的PCM音频数据为具有不同开关频率的低输出功率PWM信号。
更特别地，在PWM转换单元310中，PWM控制单元312根据从微机单元320接收的通道数信息，确定各通道中互相不同的PWM开关频率。例如，如果确定通道数为2，则PWM控制单元312可以确定通道A的开关频率为384KHz以及通道B的开关频率为432KHz。根据由PWM控制单元312为各通道确定的PWM开关频率，PWM单元314通过使用一般的数字放大PCM技术，可以转换输入的PCM音频数据为PWM信号。在本实施例中，如果从PWM控制单元312输入每个通道的开关频率信息，则PWM单元314比较每个通道中的输入的音频信号的电平、和对每个通道不同地设置的参考高频信号的电平。根据该比较，PWM单元314在具有互相不同的开关频率的各通道中产生PWM信号。
电源供应单元340提供操作电源给开关电路单元330中的各通道的开关器件。
开关电路单元330将N通道的低输出功率PWM信号功率放大为高输出功率PWM信号，电源由电源供应单元340提供，该低输出功率PWM信号由PWM转换单元310转换。例如，开关电路单元330可以将大约3.3V的低输出功率PWM信号放大为5V和40V之间的高输出功率PWM信号。
LPF单元350使用电感(L)和电容(C)对N通道信号的每个低通滤波。通过消除由开关电路单元330放大的N通道中的高输出功率PWM信号的高频分量，LPF单元350恢复N通道模拟音频信号。
最后，由LPF单元350恢复的各通道的音频信号输出到对应于各自的N通道的扬声器360-1到360-n。
图4图示了图3的PWM转换单元310的操作波形。
参照图4，通过使用预置参考高频信号产生通道A和通道B中的PWM信号，以分别具有不同的频率(fSA)和(fSB)。在图4中，不同频率(fSA)和(fSB)可以由PWM信号的各上升沿确定。通过使用第一参考高频信号410-1，转换通道A的PCM信号420-1为PWM信号(即PWM Ch A)，而通过使用第二参考高频信号410-2，转换通道B的PCM信号420-2为PWM信号(即PWM Ch B)。即，第一参考高频信号410-1与输入PCM信号420-1的电平比较。如果PCM信号420-1大于第一参考高频信号410-1，则输出高逻辑电平。如果PCM信号420-1小于第一参考高频信号410-1，则输出低逻辑电平(1)。同样地，第二参考高频信号410-2与输入PCM信号420-2的电平比较。如果PCM信号420-2大于第二参考高频信号410-2，则输出高逻辑电平。如果PCM信号420-2小于第二参考高频信号410-2，则输出低逻辑电平。因此，PWM转换单元310产生通道A的PWM信号的开关频率(fSA)和通道B的PWM信号的开关频率(fSB)，使得开关频率互相不同。
图5图示了从图3的PWM转换单元310输出的PWM信号的波形。
图5图示了相对通道A和B具有不同开关频率的PWM信号的实际波形。传播延迟时间(td2)存在于通道A和B上的PWM信号之间。参照图5，如果各通道的开关频率不同，则通道A的(即开关电路单元330的)开关器件导通时间不同于通道B的(即开关电路单元330的)开关器件导通时间，使得不出现开关器件的传播延迟时间(td2)的异常快速增大或减小。在图5中，(tSA)指示通道A上PWM信号的周期，而(tSB)指示通道B上PWM信号的周期。
图6是图示根据本发明总的构思的实施例的图3的开关电路单元330的图。
在开关电路单元330的每个通道中，并行地布置包括PMOS晶体管(P1)和NMOS晶体管(N1)的开关器件。例如，在一个通道中，具有连接到其源极的电源电压(+V)的PMOS晶体管(P1)，根据PWM转换单元310的第一通道PWM信号(PWM Ch1)开关。同样地，其漏极连接到PMOS晶体管(P1)的漏极并且源极连接到地电压(-V)的NMOS晶体管(N1)根据第一通道PWM信号(PWM Ch1)开关。这里+V和-V是从电压源(如电源供应单元340)提供的电压。而且，R1和R2是存在于连接电压源和开关晶体管的导体中的电阻。
图7是图示根据本发明总的构思的实施例的处理数字放大器的信号的方法的流程图。图7的方法可以由图3的系统执行。因此，为了说明的目的，下面参照图3到6说明图7的方法。
首先，在操作710中根据通道数确定各通道中互相不同的PWM开关频率。
然后，在操作720中传递各通道中互相不同的开关频率信息到PWM单元314。
在操作730中，通过施加各通道中设置的开关频率到多个输入音频信号，音频信号转换为具有不同开关频率的PWM信号。
然后，在操作740中，通过施加PWM信号到开关电路单元330，放大多通道的低输出功率PWM信号以产生高输出PWM信号。
最后，恢复多通道的放大的高输出功率PWM信号为多个模拟音频通道信号。
本发明总的构思可以体现为计算机可读记录介质上的计算机可读代码。计算机可读记录介质是任何可以存储数据的数据存储设备，该数据其后可以由计算机系统读取。计算机可读记录介质的例子包括只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)、CD-ROM、磁带、软盘、光数据存储设备和载波(如通过因特网的数据传输)。计算机可读记录介质也可以分布在与计算机系统耦合的网络上，使得计算机可读代码以分布方式存储和执行。
根据如上所述的本发明总的构思的各种实施例，各通道中具有不同开关频率的PWM信号用在多通道数字放大器系统中，如5.1-通道或7.1-通道系统。因此，两个或更多通道中的开关器件同时导通的情况很少出现，使得可以减小通道间的串扰。而且，因为每个通道中产生的开关频率的谐波分量互相不同，所以可以减少电磁干扰的特性。
虽然已经显示和说明了本发明总的构思的一些实施例，但是本领域的技术人员将理解到，在这些实施例中可以进行改变，而不背离本发明总的构思的原理和精神，本发明总的构思的范围在权利要求和它们的等价物中定义。
相关申请的交叉引用
本申请要求2006年1月20日在韩国知识产权局提交的韩国专利申请No.10-2006-0006290的权益，其公开通过引用在此整体地并入。

Claims (24)

1.一种数字放大器系统，包含：
脉冲宽度调制转换单元，用于将多通道上接收的多个音频信号转换为具有互相不同的开关频率的低输出功率脉冲宽度调制信号；
开关电路单元，用于将多通道上的多个低输出功率脉冲宽度调制信号放大为多个高功率输出脉冲宽度调制信号；以及
滤波器单元，用于将开关电路单元中放大的各通道上的高输出功率脉冲宽度调制信号恢复为各通道上的多个模拟音频信号。
2.根据权利要求1所述的系统，其中脉冲宽度调制转换单元包含：
脉冲宽度调制控制单元，用于根据通道数确定各通道中互相不同的频率；以及
脉冲宽度调制单元，用于根据由脉冲宽度调制控制单元确定的开关频率，调制输入音频信号为各通道中具有不同开关频率的脉冲宽度调制信号。
3.根据权利要求2所述的系统，其中通过比较对每个通道不同地设置的参考高频信号的电平和每个通道中的输入音频信号的电平，脉冲宽度调制单元产生具有各通道中互相不同的开关频率的脉冲宽度调制信号。
4.根据权利要求1所述的系统，还包含：
微机单元，用于提供通道数信息给脉冲宽度调制转换单元。
5.根据权利要求1所述的系统，其中开关电路单元包含：
多个开关器件，用于导通/关断从脉冲宽度调制转换单元输出的低输出功率脉冲宽度调制信号，该开关器件在各通道中具有互相不同的开关频率。
6.一种数字放大器，包含：
脉冲宽度调制转换单元，用于接收用于多通道的脉冲编码调制音频数据，并且转换脉冲编码调制音频数据为相应的具有不同频率的脉冲宽度调制信号。
7.根据权利要求6所述的数字放大器，其中当脉冲宽度调制信号导通时确定脉冲宽度调制信号的频率。
8.根据权利要求6所述的数字放大器，其中对应于各通道的不同频率通过比较用于各通道的脉冲编码调制音频数据和不同的高频参考信号确定。
9.根据权利要求8所述的数字放大器，其中脉冲编码调制音频数据和不同的高频参考信号的比较包含：
比较第一通道的第一脉冲编码调制音频数据和第一高频参考信号以产生第一脉冲宽度调制信号；以及
比较第二通道的第二脉冲编码调制音频数据和不同于第一高频参考信号的第二高频参考信号以产生第二脉冲宽度调制信号。
10.根据权利要求9所述的数字放大器，其中脉冲宽度调制转换单元在第一和第二通道上产生第一和第二脉冲宽度调制信号，当第一脉冲编码调制信号大于第一高频参考信号时，第一脉冲宽度调制信号处于逻辑高，当第一脉冲编码调制信号小于第一高频参考信号时，第一脉冲宽度调制信号处于逻辑低，当第二脉冲编码调制信号大于第二高频参考信号时，第二脉冲宽度调制信号处于逻辑高，而当第二脉冲编码调制信号小于第二高频参考信号时，第二脉冲宽度调制信号处于逻辑低。
11.根据权利要求6所述的数字放大器，其中脉冲宽度调制信号包含其间具有传播延迟的第一脉冲宽度调制信号和第二脉冲宽度调制信号。
12.根据权利要求6所述的数字放大器，还包含：
开关电路单元，用于接收不同通道的脉冲宽度调制信号，并且根据脉冲宽度调制信号的相应不同频率放大脉冲宽度调制信号到高电压；以及
高电压电源，用于提供高电压给开关电路。
13.根据权利要求12所述的数字放大器，其中开关电路包含多个对应于每个通道的开关器件，每个开关器件包含：
第一晶体管，其具有连接到高电压的相应的第一端、连接到各自的脉冲宽度调制信号的相应的栅极端和相应的第二端；以及
第二晶体管，其具有连接到地的相应的第一端、连接到各自脉冲宽度调制信号的相应的栅极端和连接到第一晶体管的第二端的相应的第二端。
14.根据权利要求6所述的数字放大器，其中脉冲宽度调制信号包含具有大约384KHz频率的第一脉冲宽度调制信号和具有大约432KHz频率的第二脉冲宽度调制信号。
15.一种在音频再现系统中可使用的数字放大器，该放大器包含：
脉冲宽度调制转换单元，用于接收关于多通道的信息和各通道上的多个音频数据信号，并且根据该多个音频数据信号和与接收的通道信息相关联的多个脉冲参考信号之间的时间值比较，产生各通道上的多个脉冲宽度调制信号。
16.根据权利要求15所述的数字放大器，还包含：
微机单元，用于提供接收的通道信息给包括预置的脉冲参考信号的脉冲宽度调制转换单元。
17.根据权利要求16所述的数字放大器，其中该多个脉冲参考信号在各通道中具有互相不同的频率。
18.一种数字放大器，包含：
脉冲宽度调制转换单元，用于接收第一和第二脉冲编码调制信号，比较第一和第二脉冲编码调制信号与第一和第二预置高频参考信号的时间值，并且根据各比较产生第一和第二脉冲宽度调制信号。
19.根据权利要求18所述的数字放大器，其中第一和第二预置高频参考信号包含锯齿波。
20.根据权利要求18所述的数字放大器，其中第一和第二预置高频参考信号具有互相不同的频率。
21.一种音频再现系统，该系统包含：
数字放大器，其包含：脉冲宽度调制转换单元，用于接收用于多通道的脉冲编码调制音频数据，并且转换该脉冲编码调制音频数据为相应的具有不同频率的脉冲宽度调制信号；以及
多个输出单元，用于输出从各通道的脉冲宽度调制信号得到的多个模拟音频信号。
22.根据权利要求21所述的系统，还包含：
滤波器单元，其被安置在数字放大器和输出单元之间，以对脉冲宽度调制信号滤波，从而使其低频分量通过，以产生相应的模拟音频信号。
23.根据权利要求21所述的系统，其中所述输出单元包含相应于各通道的扬声器。
24.一种处理数字放大器系统中的信号的方法，该方法包含：
确定用于多通道的互相不同的开关频率；
将各通道上接收的多个输入音频信号转换为具有确定的开关频率的低输出功率脉冲宽度调制信号，所述开关频率在各通道上互相不同；
将各通道上的低输出功率脉冲宽度调制信号放大为多个高功率输出脉冲宽度调制信号；以及
将各通道上的放大的高输出功率脉冲宽度调制信号恢复为多个模拟音频信号。
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