CN102025333B - 电平调节电路及使用了它的音频系统 - Google Patents

Abstract

本发明的电平调节电路能够进行很少感到不谐调的音量控制。在调节音频信号的电平的电路中，滤波器(12)各自接受音频信号(S1)，使其通过各自设定的频带。可变增益放大器(14)各自放大与各个滤波器(12)对应设置的、对应的滤波器(12)的输出信号。加法器(16)将输入音频信号和可变增益放大器(14)各自的输出信号相加。控制单元(20)监视可变增益放大器(14)各自的输出信号，并按照电平控制可变增益放大器(14)各自的增益。

Description

电平调节电路及使用了它的音频系统

技术领域

本发明涉及音频信号的防止削波(clip)技术。

背景技术

为了从扬声器或耳机(以下，总称为扬声器)输出音频信号，使用将微小的电信号放大的放大电路。输入到放大电路的音频信号的电平即音量，按照每个输入源(source)、被重放的音频内容、或前级的电路状态而时刻变化。例如，已知使电视机在观看中、商务中和节目中音量极大地不同。在固定了放大电路的增益的情况下，在音频信号的振幅过大时，由于超过在后级中可放大的电压范围，所以被削波(电平固定)，产生失真。

为了解决该问题，采用监视音频信号的电平并根据该电平来控制可变增益放大器的增益的方式。该方式一般也被称为AGC(Automatic Gain Control；自动增益控制)。

[专利文献1]特开平10-84238号公报

[专利文献2]特开2007-60548号公报

发明内容

发明要解决的课题

在AGC中，在音频信号的电平达到某一上限值时，增益降低规定量(例如1dB)(上升(attack)动作)，相反地，音频信号的电平达到某一下限值时，增益提高规定量(复原(recovery)动作)。由于进行AGC时从扬声器输出的信号的音量发生变化，所以音量不自然地变动，有时收听者感到不谐调。

本发明鉴于这样的课题而完成，其某一形态的例示性的目的在于，提供可进行很少感到不谐调的增益控制的电路。

本发明的某一形态涉及调节音频信号电平的电平调节电路。电平调节电路包括：至少一个滤波器；至少一个可变增益放大器；加法器；以及控制单元。至少一个滤波器的各个滤波器各自接受输入音频信号，使输入音频信号通过各自设定的频带。至少一个可变增益放大器的各个可变增益放大器与各个滤波器对应设置。各个可变增益放大器放大对应的滤波器的输出信号。加法器将输入音频信号和至少一个可变增益放大器各自的输出信号相加。控制单元监视至少一个可变增益放大器各自的输出信号的电平，并按照电平控制至少一个可变增益放大器各自的增益。

根据该形态，由于对音频信号的每个频带调节音量，所以与调节音频信号的全频带的音量的情况相比，可以减轻收听者感到不谐调。

控制单元也可以包括：选择器，接受至少一个可变增益放大器各自的输出信号，选择其中一个输出信号；峰值保持电路，接受由选择器选择出的信号，保持该信号的峰值电平；比较器，将峰值保持电路的输出信号与规定的阈值比较，并生成表示比较结果的电平数据；以及至少一个增益设定单元，作为至少一个增益设定单元，各自被设置给至少一个可变增益放大器的每一个，按照对于对应的可变增益放大器生成的电平数据，设定对应的可变增益放大器的增益。

这种情况下，可以在多个频带中共享电平检测单元，可以削减电路面积。

选择器也可以依次以时分方式选择至少一个可变增益放大器的输出信号中的预先设定了的至少一个输出信号。这种情况下，由于各个频带的音量调节时分地、即时间不同地进行，所以可以进一步降低用户感到不谐调。

选择器选择某一可变增益放大器的输出信号的期间，也可以对与该可变增益放大器对应的滤波器的每个通过频带不同。

选择的期间，最好越是低频带就越长。

比较器也可以生成表示峰值保持电路的输出信号为高于规定的上限电平的状态、低于规定的下限电平的状态、上限电平和下限电平之间的状态的至少三个状态的电平数据。至少一个增益设定单元也可以各自包括按照电平数据递增计数和递减计数的计数器，根据该计数器的计数值，设定对应的可变增益放大器的增益。

本发明的另一形态为音频系统。该音频系统包括：上述任何一个形态的电平调节电路；放大电平调节电路的输出信号的主放大器；以及由主放大器驱动的电声转换元件。

电平调节电路也可以一体集成在一个半导体基板上。‘一体集成’包含电路的所有结构元件被形成在半导体基板上的情况，以及电路的主要结构元件被一体集成的情况，用于电路常数的调节的一部分电阻和电容器等也可以设置在半导体基板的外部。

再有，将以上构成要素的任意组合或本发明的构成要素或表现，在方法、装置、系统等之间相互置换所得的方案，作为本发明的形态也是有效的。

发明效果

根据本发明的某一形态，可以提供能够进行很少感到不谐调的增益控制的电路。

附图说明

图1是表示包括实施方式的电平调节电路的音频系统的结构的方框图。

图2是表示图1的电平调节电路的动作的波形图。

图3是表示包括变形例的电平调节电路的音频系统的结构的方框图。

图4是表示图3的电平调节电路的动作的波形图。

标号说明

100...电平调节电路、10...音调控制电路、12...滤波器、14...可变增益放大器、16...加法器、18...输入可变增益放大器、20...控制单元、22...选择器、24...电平检测单元、26...峰值保持电路、28...比较器、29...阈值电压设定单元、30...逻辑单元、40...增益设定单元、42...计数器、44...寄存器、46...加法器、48...信号分离器(demultiplexer)、50...频带选择器、2...音频系统、4...音源、6...主放大器、8...电声转换元件

具体实施方式

以下，根据优选的实施方式并参照附图来说明本发明。在各个附图所示的相同或同等的结构元件、构件、处理上，附加同一标号，省略适当重复的说明。此外，实施方式不是限定发明的实施方式而是例示，实施方式所记述的所有特征或其组合，不一定是发明的本质性的特征或组合。

图1是表示包括实施方式的电平调节电路100的音频系统2的结构的方框图。音频系统2被装载在具备重放音频信号的功能的电子设备上。电子设备中例示了汽车音响的机头单位(head unit)、家用音响的放大器、电视机、移动电话终端等。

音频系统2除了电平调节电路100以外，还包括音源4、主放大器6、电声转换元件8。音源4是CD播放机、硅音频播放器(silicon audio player)或无线调谐器等，生成模拟的音频信号SIN。电平调节电路100接受音频信号SIN，调节音频信号SIN的电平，以不产生削波(clip)造成的失真。其细节将后述，但电平调节电路100具备作为所谓均衡器(升压电路)的功能。

主放大器6接受来自电平调节电路100的输出信号SOUT，将其放大并输出到电声转换元件8。电声转换元件8是扬声器或耳机。

例如，电平调节电路100与音源4和主放大器6一起被装载在汽车音响的机头单位上。或者，电平调节电路100与主放大器6一起被装载在家用音响用的前置主放大器上。或者，电平调节电路100与音频系统2、音源4、主放大器6、电声转换元件8一起被装载在电视机上。以上是音频系统2的整体结构。在图1中，仅表示了单声道(channel)的结构，但实际上也可以是立体声双声道或5.1声道。

接着，说明电平调节电路100的结构。

电平调节电路100包括：输入可变增益放大器18、音调控制电路10、音量放大器(fader volume amplifier)19、控制单元20。输入可变增益放大器18将输入的音频信号SIN放大。以下，将输入可变增益放大器18放大了的信号S1也称为音频信号。电平调节电路100对输入可变增益放大器18的输出信号进行均衡处理。音量放大器19按对每个声道设定的增益放大输入的信号。

音调控制电路10包括滤波器12B、12M、12T、可变增益放大器14B、14M、14T、加法器16。B表示低频(低音频)，M表示中频(中音频)，T表示高频(高音频)。根据需要，适当省略表示频带(band)的下标B、M、T。再有，后出的下标F表示全频带(full band)。

滤波器12B、12M、12T各自接受音频信号S1，使其通过各自设定的频带。可变增益放大器14B、14M、14T各自被设置给每个滤波器12B、12M、12T。各个可变增益放大器14放大对应的滤波器12的输出信号。加法器16将来自可变增益放大器14的信号S2B、S2M、S2T和原来的音频信号S1相加。

控制单元20监视可变增益放大器14B、14M、14T各自的输出信号S2B、S2M、S2T的电平，并按照检测出的电平来控制可变增益放大器14B、14M、14T各自的增益，以使输出信号S2B、S2M、S2T不被削波。

控制单元20包括多路转换器(multiplexer)(选择器)22、电平检测单元24、逻辑单元30。

选择器22接受可变增益放大器14B、14M、14T和输入可变增益放大器18各自的输出信号S1、S2B、S2M、S2T，选择来自频带选择器50的对应于控制信号CNT的一个信号并将其输出到电平检测单元24。

电平检测单元24包括峰值保持电路26、比较器28、阈值电压设定单元29。峰值保持电路26接受由选择器22选择出的信号S3，保持它的峰值电平。比较器28将峰值保持电路26的输出信号S4与规定的阈值比较，并生成表示比较结果的电平数据S5。

逻辑单元30包括：增益设定单元40B、40M、40F、信号分离器48、频带选择器50。

增益设定单元40B、40M、40T、40F各自被设置给每个可变增益放大器14B、14M、14T、18。

信号分离器48接受每个频带的电平数据S5，分配给与该电平数据S5对应的频带的增益设定单元40。即，各个增益设定单元40接受对于对应的频带生成的电平数据S5。然后，增益设定单元40按照输入的电平数据S5，设定对应的频带的可变增益放大器14的增益。

频带选择器50控制选择器22和信号分离器48。选择器22和信号分离器48受到控制，以选择对应的频带。例如，在选择器22选择中频M的信号S2M时，信号分离器48对中频M的增益设定单元40M输出电平数据S5。

将选择器22选择可变增益放大器14的输出信号而不选择输入可变增益放大器18，信号分离器48选择了增益设定单元40F以外的增益设定单元40的状态称为第1模式。将选择器22选择输入可变增益放大器18的输出信号，信号分离器48选择了增益设定单元40F的状态称为第2模式。

就第1模式、第2模式的选择，或在第1模式中将哪个频带作为控制对象来说，期望构成为可以按照被写入到频带选择器50中设置的寄存器(未图示)中的数据来控制。

比较器28生成表示峰值保持电路26的输出信号S4为高于规定的上限电平VUL的状态(上升(attack)状态)、低于规定的下限电平VLL的状态(复原状态，也称为释放(release)状态)、上限电平和下限电平之间的状态(第1保持(keep)状态)的至少三个状态的电平数据S5。而且，也可以将低于下限电平VLL的状态，具体地说，将低于下限电平VLL的阈值VIGN的状态判定为第2保持状态。

各个增益设定单元40包括计数器42、寄存器44、加法器46。寄存器44中，与电平调节功能无关地保持被设定在音调控制电路10中的初始增益g1。计数器42的计数值是增益的校正值。加法器46从初始增益g1中减去校正值g2。按照加法器46的输出数据，对应的可变增益放大器14的增益被设定。

计数器42的计数值(校正值)按照电平数据S5而计数递增和计数递减。具体地说，上升状态持续规定的第1时间τ1时，计数递增，在复原状态持续规定的第2时间τ2时，计数递减。最好第1时间τ1比第2时间τ2短，例如τ1＝1ms，τ2＝1s即可。上升状态继续时，计数器42的计数值增大，作为结果，可变增益放大器14的增益下降。相反，复原状态持续时，计数器42的计数值变小，作为结果，可变增益放大器14的增益上升。

下面说明计数器42的结构例子。计数器42包括上升用的第1定时器和复原用的第2定时器。第1定时器、第2定时器各自测量第1时间τ1、第2时间τ2。第1定时器测量上升状态的期间，在达到第1时间τ1时使计数器42计数递增。第2定时器测量复原状态的期间，在达到第2时间τ2时使计数器42计数递增。

以上是电平调节电路100的结构。接着，分别对于第1模式、第2模式来说明它的动作。

(第1模式)

首先，作为一例，说明频带选择器50选择可变增益放大器14B的输出信号S2B，信号分离器48选择增益设定单元40B时的动作。

图2是表示图1的电平调节电路100的动作的波形图。图2的纵轴和横轴，为了使理解容易而适当放大、缩小，而示出的各个波形也为了容易理解而被简化。信号S2B的虚线表示以寄存器44中设定了的初始增益g1放大了音频信号S1的低频分量、即滤波器12B的输出信号时的波形。信号S2B的振幅电平达到某一上限电平VUL时，上升动作产生，可变增益放大器14B的增益降低，低频分量S2B的波形如实线所示，振幅电平变小。其结果，低频分量S2B的振幅被抑制得比上限电平VUL低。

相反，音频信号S1的低频分量比某一下限电平VLL低时，可变增益放大器14B的增益上升。其结果，从电声转换元件8输出的音频信号仅被控制低频分量的音量，所以与全频带的音量变化的以往的AGC相比，可以大幅度地降低收听者感到不谐调。例如，在增益的调节幅度为1dB步长(step)的情况下，在以往的AGC中，全频带的音量产生1dB变化，所以收听者容易发觉音量的变化。相对于此，在图1的电平调节电路100中，仅低频分量的音量发生1dB变化，其他频带(高频分量、中频分量)的音量被维持，所以收听者几乎不能发觉音量的变化，可以减轻感到不谐调。

对于中频带、高频带也能够进行同样的控制，对于这些频带也可以获得同样的效果。

此外，在第1模式中，选择器22和信号分离器48也可以循环地以时分方式选择多个频带B、M、T中的预先设定了的几个频带。将该模式称为循环模式。

例如，也可以将全部三个频带B、M、T分别选择规定的第3时间τ3。第3时间τ3也可以与第1时间τ1相同。

最初的1ms期间，选择低频带B，通过电平检测单元24对于低频分量，判定是上升状态、复原状态、保持状态的哪个状态。然后，通过与上述同样的处理，可变增益放大器14B的增益受到控制。

接着，依次选择中频带M、高频带T。然后，对于中频带M、高频带T，也通过同样的处理，可变增益放大器14M、14T的增益受到控制。

在循环模式中，每个频带的增益以时分方式按不同的定时变化。换句话说，从电声转换元件8输出的音频信号的音量，由于没有全频带同时地变化，所以收听者难以发觉它的变化，可以降低感到不谐调。

再有，在循环模式中，选择器22和信号分离器48选择各个频带的时间，也可以对每个频带不同。具体地说，也可以越是低频，越加长选择时间，越是高频，越缩短选择时间。通过对每个频带使选择时间不同，可以可靠地检测各自频带的电平。而且，例如，在将各个频带的代表性的频率写为f时，选择时间也可以为1/(2×f)。

(第2模式)

在第2模式中，输入可变增益放大器18的增益，根据输入可变增益放大器18的输出信号S1而受到控制。第2模式执行与以往的AGC同样的处理。通过构成不仅在第1模式动作，而且在第2模式中动作的电平调节电路100，可以对音频系统2的设计者提供设计的自由度。

此外，也可以同时执行第1模式和第2模式。

以上，对于本发明，根据实施方式进行了说明。该实施方式是例示，在它们的各个结构要素和各个处理进程、它们的组合中，存在各种各样的变形例。以下，对于这样的变形例进行说明。

在图1中，可进行低音、中音、高音的三频带的音调控制，但本发明不限于此，也可以仅音调控制其中一个频带。例如，音调控制电路10为低音提升电路的情况下，也可以省略滤波器12M、12T、可变增益放大器14M、14T。

或者，也可以构成为对于三个频带，虽然设置滤波器12、可变增益放大器14，而省略选择器22，仅对某一频带进行增益控制。

例如，人在低频分量失真时有感觉不谐调的倾向。因此，仅对于低音频带的可变增益放大器14B进行增益控制的实施方式也是有效的。

在图1的电平调节电路100中，通过使用选择器22和信号分离器48，成为由多个频带共享电平检测单元24的结构。因此，在将电平调节电路100集成化的情况下，设置一个电路面积大的电平检测单元24即可，所以可以使电平调节电路100整体的电路面积小。但是，本发明不限于此，也可以对每个频带单独地设置电平检测单元24。这种情况下，对于多个频带，可以同时或错开定时来控制增益。

图3是表示包括变形例的电平调节电路100a的音频系统的结构的方框图。在图1中，峰值保持电路26被设置在电平检测单元24中。相对于此，在图3中，峰值保持电路26a被设置在增益设定单元40中而不是在电平检测单元24a中。

增益设定单元40中设置的峰值保持电路26a由逻辑电路构成，在某一期间内即使被输入一次规定电平(具体地说为高电平)时，就保持该电平，并生成保持信号S6。峰值保持电路26a需要分别设置给四个增益设定单元40的每一个，但各个峰值保持电路26a可以用数字电路很小地构成，所以具有总的电路面积比图1的峰值保持电路26小的优点。

图4是表示图3的电平调节电路100a的动作的波形图。由选择器22选择出的信号S3，将某一偏置电平Vbias作为中心进行转换。从比较器28输出的电平数据S5包含S5a～S5c。S5a在S3＞VUL时为高电平。S5b在S3＞VLL时为高电平。S5c在S3＞VIGN时为高电平。峰值保持电路26a接受电平数据S5(S5a～S5c)，对于各个电平数据，一旦为高电平，其后就保持高电平，并生成保持信号S6(S6a～S6c)。

在某一判定定时t0中，判定为

(1)S6a、S6b、S6c都为高电平时上升状态

(2)S6a为低电平、S6b、S6c为高电平时保持状态

(3)S6a、S6b为低电平、S6c为高电平时释放状态

(4)S6a、S6b、S6c都为低电平时保持状态

，根据判定结果进行增益控制。在判定定时t0之后，峰值保持电路26a被复位，重复相同的动作。

根据实施方式说明了本发明，但实施方式只不过表示了本发明的原理、应用，就实施方式来说，在不脱离权利要求所规定的本发明的思想的范围内，认可许多变形例和配置的变更。

Claims (5)

1.一种电平调节电路，调节音频信号的电平，其特征在于，包括：

多个滤波器，作为多个滤波器，各自接受输入音频信号，并使输入音频信号通过各自设定的频带；

多个可变增益放大器，作为多个可变增益放大器，各自与多个滤波器的各个滤波器对应设置，放大对应的所述滤波器的输出信号；

加法器，将所述输入音频信号和所述多个可变增益放大器的各自的输出信号相加；以及

控制单元，在所述多个可变增益放大器中，监视与作为控制对象的频带对应的可变增益放大器的输出信号的电平，并根据电平控制对应的所述可变增益放大器的增益，所述控制单元包括：

选择器，接受所述多个可变增益放大器各自的输出信号，选择其中一个输出信号；

比较器，将所述选择器选择出的信号与规定的阈值比较，并生成表示比较结果的电平数据；以及

多个增益设定单元，作为多个增益设定单元，各自被设置给所述多个可变增益放大器的每一个，包括在对应的所述可变增益放大器生成的所述电平数据一旦为规定电平时，其后保持所述电平数据的值的峰值保持电路，按照所述峰值保持电路的输出信号，设定对应的所述可变增益放大器的增益；

所述控制单元对与所述控制对象中与设定的频带对应的可变增益放大器，根据其输出信号的电平生成增益的校正值，并将从与增益控制无关地设定的初始增益中减去所述校正值所得的值设定为该可变增益放大器的增益，

所述控制单元的比较器生成表示所述选择器的输出信号为高于规定的上限电平的状态、低于规定的下限电平的状态、上限电平和下限电平之间的状态的至少三个状态的电平数据，

所述控制单元的多个增益设定单元各自包括按照所述电平数据递增计数和递减计数的计数器，根据该计数器的计数值，设定对应的所述可变增益放大器的增益，

所述控制单元的选择器选择某一可变增益放大器的输出信号的期间，对与该可变增益放大器对应的所述滤波器的每个通过频带不同。

2.一种电平调节电路，调节音频信号的电平，其特征在于，包括：

多个滤波器，作为多个滤波器，各自接受输入音频信号，并使输入音频信号通过各自设定的频带；

多个可变增益放大器，作为多个可变增益放大器，各自与多个滤波器的各个滤波器对应设置，放大对应的所述滤波器的输出信号；

加法器，将所述输入音频信号和所述多个可变增益放大器的各自的输出信号相加；以及

控制单元，在所述多个可变增益放大器中，监视与作为控制对象的频带对应的可变增益放大器的输出信号的电平，并根据电平控制对应的所述可变增益放大器的增益，所述控制单元包括：

选择器，接受所述多个可变增益放大器各自的输出信号，选择其中一个输出信号；

峰值保持电路，接受所述选择器选择出的信号，保持由所述选择器选择出的信号的峰值电平；

比较器，将所述峰值保持电路的输出信号与规定的阈值比较，并生成表示比较结果的电平数据；以及

多个增益设定单元，作为多个增益设定单元，各自被设置给所述多个可变增益放大器的每一个，按照对应的所述可变增益放大器生成的所述电平数据，设定对应的所述可变增益放大器的增益；

所述控制单元的比较器生成表示所述峰值保持电路的输出信号为高于规定的上限电平的状态、低于规定的下限电平的状态、上限电平和下限电平之间的状态的至少三个状态的电平数据，

所述控制单元的多个增益控制单元各自包括按照所述电平数据递增计数和递减计数的计数器，根据该计数器的计数值，设定对应的所述可变增益放大器的增益，

所述控制单元的选择器选择某一可变增益放大器的输出信号的期间，对与该可变增益放大器对应的所述滤波器的每个通过频带不同。

3.如权利要求1或2所述的电平调节电路，其特征在于，

所述选择器依次按时分方式选择所述多个可变增益放大器的输出信号中的被预先设定了的多个输出信号。

4.如权利要求1或2所述的电平调节电路，其特征在于，

所述控制单元还包括：

接受来自所述比较器的电平数据，在所述多个增益设定单元中，对选择出的一个增益设定单元输出电平数据的信号分离器。

5.一种音频系统，其特征在于，包括：

权利要求1至3的任何一项所述的电平调节电路；

放大所述电平调节电路的输出信号的主放大器；以及

由所述主放大器驱动的电声转换元件。