CN103618981A - 一种基于usb的双通道音频系统及其工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于USB的双通道音频系统及其工作方法，信号处理单元接收并处理语音小信号，处理后的语音信号以音频流的形式通过CPCI总线存储在PC平台中，并由PC控制软件通过USB接口将PCM数据送给通道做后续处理。通过对CPCI总线技术、USB总线技术和集成电路技术的综合使用，解决了传统的车载通信指挥系统音频处理通道子模块体积大、功率小、定制难、空间受限、子模块难以安装、难以维护、系统可靠性低的难题。

Description

一种基于USB的双通道音频系统及其工作方法

技术领域

本发明涉及一种基于USB的双通道音频系统及其工作方法，特别是涉及一种适用于车载通信指挥系统的基于USB的双通道音频系统及其工作方法。

背景技术

传统的车载通信指挥系统音频处理通道通常使用分离的运算放大器或三级管方式对语音信号进行预处理，仅压缩放大电路通常就需要三块芯片组成，并且需要使用体积庞大的音频耦合变压器等诸多子模块对系统进行扩展，从而实现音频功能。由于车载通信指挥系统子模块众多，智能化和自动化水平要求较高，系统复杂，空间受限等原因，传统的设计技术是无法满足这些要求的。

现有技术中的一种解决方案为：使用现有成熟的技术，采用分离的运算放大器电路和扩展的方法对系统进行改造升级，以达到系统高可靠性，高音质，低失真，高集成度等设计需求和设计目标。实际结果是在整机结构设计和电气设计中出现了系统模块体积大，空间受限，子模块难以安装，难以维护等浅层次问题；同时出现了系统可靠性低，音频电路容易自激和产生爆音，音质差，干扰多，有截止失真，噪声增加，音频功放芯片容易烧坏等深层次问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种结构更简单的基于USB的双通道音频系统及其工作方法。

本发明采用的技术方案如下：一种基于USB的双通道音频系统，其特征在于：包括分别与PC平台相连的有线信号处理单元、无线信号处理单元和音频处理模块；以及与无线信号处理单元相连的天线。

作为优选，所述有线信号处理单元和无线信号处理单元分别通过CPCI总线与PC平台相连。

作为优选，所述音频处理模块通过USB总线与PC平台相连。

作为优选，所述音频处理模块包括分别与无线信道接点和有线信道接点相连的无线声卡电路和有线声卡电路；所述无线声卡电路包括与第一USB声卡电路相连的第一单模光纤输出接口、第一USB电缆接口电路、第一外部电源控制电路、第一EEPROM模块、第一音频输入接口电路、第一音频输出接口电路、第一HID模块和第一工作指示电路；所述有线声卡电路包括第二USB声卡电路相连的第一单模光纤输出接口、第二USB电缆接口电路、第二外部电源控制电路、第二EEPROM模块、第二音频输入接口电路、第二音频输出接口电路、第二HID模块和第二工作指示电路；所述第一USB电缆接口电路和第二USB电缆接口电路分别与主机的第一USB接口和第二USB接口相连。

基于上述系统的工作方法，具体方法为：信号处理单元接收并处理语音小信号，处理后的语音信号以音频流的形式通过CPCI总线存储在PC平台中，并由PC控制软件通过USB接口将PCM数据送给通道做后续处理；其中，语音播放流程为：一、初始化音频数据收发缓冲区管理程序；二、配置USB设备并初始化USB设备端口；三、检测是否有有线信道语音，如果有则启用有线通道声卡进行语音播放，如果无则启用无线通道声卡进行语音播放；语音采样流程为：一、启动音频数据收发缓冲区管理程序；二、配置USB设备并初始化USB设备端口；检测是否有有线信道语音，如果有则调用有线通道声卡采样程序进行语音处理，如果无则调用无线通道声卡采样程序进行语音处理。

作为优选，无线信道中的音频信息包括通过天线接收的无线音频信号和包括外控盒音频的末端音频信号。

作为优选，所述末端音频信号还包括送话器音频。

作为优选，所述末端音频信号的处理方法为：缓存在PC平台的语音数据通过USB总线送往USB声卡1的PCM语音数据经过DA变换后，以模拟信号方式送往前置放大器进行放大，并经过前置滤波和功率放大后送往音频输出切换电路，由音频输出切换电路分配到主机扬声器输出或者外控盒扬声器输出。

作为优选，所述功率放大器采用BTL方式的无变压器耦合放大器，BTL放大器直接推动扬声器工作。

作为优选，由送话器产生的音频信号通过差分放大和压缩放大后，在USB声卡中进行PCM编码。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：通过对CPCI总线技术、USB总线技术和集成电路技术的综合使用，解决了传统的车载通信指挥系统音频处理通道子模块体积大、功率小、定制难、空间受限、子模块难以安装、难以维护、系统可靠性低的难题。

其进一步的有益效果为：

1、同样的功率输出要求下，由于通过BTL功率放大技术可以从理论上将功率提高到原来的四倍，功率冗余度大大增加，从而提高了系统的稳定性和可靠性，避免了由于过载致使芯片烧毁的问题。

2、差分放大器和压缩放大器的结合使用，使信号稳定地工作在有效范围内，有效地避免了系统的自激、共模干扰和截止失真，为后续处理提供了保障。

附图说明

图1为本发明的原理示意图。

图2为本发明其中一实施例的双通道音频系统原理示意图。

图3为图2所示具体实施例中末端音频信号处理示意图。

图4为USB音频系统分层设计示意图。

图5为管道管理示意图。

图6为USB系统分层结构示意图。

图7为图2所示实施例的系统通道配置示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本说明书（包括任何附加权利要求、摘要和附图）中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或者具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

如图1所示，一种基于USB的双通道音频系统，包括分别与PC平台相连的有线信号处理单元、无线信号处理单元和音频处理模块；以及与无线信号处理单元相连的天线。所述有线信号处理单元和无线信号处理单元分别通过CPCI总线与PC平台相连。所述音频处理模块通过USB总线与PC平台相连。信号处理单元接收并处理语音小信号，处理后的语音信号以音频流的形式通过CPCI总线存储在PC平台中，并由PC控制软件通过USB接口将PCM数据送给通道做后续处理。

其中，语音播放流程为：一、初始化音频数据收发缓冲区管理程序；二、配置USB设备并初始化USB设备端口；三、检测是否有有线信道语音，如果有则启用有线通道声卡进行语音播放，如果无则启用无线通道声卡进行语音播放；语音采样流程为：一、启动音频数据收发缓冲区管理程序；二、配置USB设备并初始化USB设备端口；检测是否有有线信道语音，如果有则调用有线通道声卡采样程序进行语音处理，如果无则调用无线通道声卡采样程序进行语音处理。

在总体方案中将USB总线总通道数设为n，如通道1，通道2，…，通道n,具体的通道数可根据实际的设计需求设定，如果通道数受到计算机系统平台的限制，也可以通过集线器扩展。在本具体实施例中，USB总线通道数配置为2。

如图2所示，所述音频处理模块包括分别与无线信道接点和有线信道接点相连的无线声卡电路和有线声卡电路；所述无线声卡电路包括与第一USB声卡电路相连的第一单模光纤输出接口、第一USB电缆接口电路、第一外部电源控制电路、第一EEPROM模块、第一音频输入接口电路、第一音频输出接口电路、第一HID模块和第一工作指示电路；所述有线声卡电路包括第二USB声卡电路相连的第一单模光纤输出接口、第二USB电缆接口电路、第二外部电源控制电路、第二EEPROM模块、第二音频输入接口电路、第二音频输出接口电路、第二HID模块和第二工作指示电路；所述第一USB电缆接口电路和第二USB电缆接口电路分别与主机的第一USB接口和第二USB接口相连。

在本具体实施例中，无线信号和有线信号分别通过通道1和通道2接入。通道2为有线信道通道，有线信道通道通过CPCI总线、USB总线和有线信道接点交换音频信息除USB接口电路由通道2与PC平台的USB接口2传输的是纯数字语音信号外，CPCI总线上包含了数字和模拟两种语音信号，以及各个模块间的控制信息。通道1为无线信道通道，无线信道通道通过CPCI总线、USB总线和无线信道接点交换音频信息。

无线信道中的音频信息包括通过天线接收的无线音频信号和包括外控盒音频的末端音频信号。

所述末端音频信号还包括送话器音频。

如图3所示，在本具体实施例中，用USB声卡1表示通道1，用USB声卡2表示通道2，送话器音频和外控盒音频复用音频输入切换电路、差分放大电路、压缩放大电路和USB声卡1，两路音频均通过CPCI总线送入音频输入切换电路，经差分放大、压缩放大后送入USB声卡1。所有语音均通过CPCI总线和USB总线送入PC平台统一处理。有线语音通过CPCI总线接入USB声卡2，USB声卡2将语音数据采样后通过USB总线送入PC平台。缓存在PC平台的语音数据（无论是有线语音数据还是无线语音数据）通过USB总线送往USB声卡1的PCM语音数据经过DA变换后，以模拟信号方式送往前置放大器进行放大，并经过前置滤波和功率放大后送往音频输出切换电路，由音频输出切换电路分配到主机扬声器输出或者外控盒扬声器输出。

所述功率放大器采用BTL方式的无变压器耦合放大器，BTL放大器直接推动扬声器工作。

如图4所示，USB系统的连接可分为三个逻辑层次：功能层、USB设备层和USB总线接口层。在USB系统中，每一层都由主机和USB设备的不同功能模块组成。实际的音频流贯穿了客户软件（应用软件）、USB系统软件、USB总线接口、USB逻辑设备和功能单元整个过程，而逻辑的音频流只是在功能层和USB设备层两个层次之间概念性的和逻辑性互联，不存在实际的物理通道。

管道是对主机（PC平台）和USB设备间通信流的抽象，它表示了主机的数据缓冲区和USB设备的端点之间存在着逻辑数据传输，而实际的数据传输是由USB总线接口层来完成的。管道和USB设备中的端点一一对应。一个USB设备含有多少个端点，和主机进行通信时就可以使用多少条管道，端点的类型决定了管道中数据的传输类型，如中断端点对应中断管道，且中断管道只能进行中断传输，不论存在着多少条管道，在各个管道中进行的传输都是相互独立的。

按管道中所传输的数据结构的不同，可将管道分为流管道和消息管道两种类型。在流管道中传输的数据不具有USB定义的结构，它可以用作块传输、同步传输和中断传输，通常都是单向的。如果要和 USB设备完成IN传输和OUT传输的话，则必须使用两条管道。在消息管道中传输的数据具有USB定义的结构，它只能用作控制传输，且通常是双向的，既支持IN传输又支持OUT传输。

如图5所示，将USB系统结构分层以后，音频的数据传输是在主机（PC平台）软件（USB系统软件或客户软件）和USB设备的各个端点之间直接进行，他们之间的连接被称为管道。图中管道用于客户软件和USB设备的功能单元之间进行通信，这些通信（音频流）是在USB设备的配置过程中建立的，在配置完成后，管道就可以使用了。

由送话器产生的音频信号通过差分放大和压缩放大后，在USB声卡中进行PCM编码，该编码通过使重构的语音和原始的语音之间的误差最小来达到控制失真的目的，同时达到编码方法简单，数码率较高和音质优良的效果。

对送话器产生的对模拟的语音数据进行PCM编码的过程同时也是模拟的语音数据进行数字化的过程，这些数据被采样和编码后送往USB收发器模块按照USB协议进行打包，打包后的数据就可通过管道进行音频传输了。被传输的这些数据被称为音频流，对这些音频流的控制从而可以抽象为对管道的控制。

如图6所示，从逻辑上看，客户软件通过一组管道来与USB设备的功能单元进行通信，USB系统软件和USB逻辑设备间的通信是通过缺省控制管道实现的，所有实际的USB数据传输都是由主机（PC平台）和USB设备的SIE来完成。

如图7所示，将末端的语音数据通过USB声卡采样后并通过USB接口送入计算机（PC平台）做进一步处理，必须先配置USB设备，USB系统软件使用缺省控制管道和USB逻辑设备进行通信，并实现对USB的配置。基于USB的双通道音频系统的通道配置程序由设备驱动程序、主机软件、集线器驱动程序、USB总线驱动程序、HCD1（主控制器驱动程序）和HCD2组成。在USB配置的过程中应用软件获取USB设备的管道信息，如传输速率和传输类型等，在语音数据正确传输前，还必须对USB设备进行设备配置和功能配置以便为USB总线分配总线资源。HCD1和HCD2提供了对USB主控制硬件的抽象和主控制器资源分配的抽象，并支持根集线器机器操作，HCD1和HCD2是USB系统软件的最低层，它隐藏了USB主控制器的硬件实现和PCM语音数据的传输细节，但可以通过软件接口HCDI实现USB主控制器与USB设备间数据传输的抽象，且只能USBD来访问。USBD向应用软件（也称客户软件）提供两种功能机制：即命令机制和管道机制。通过命令机制可以实现总线接口的接口状态控制、管道状态控制、可以读取描述符、读取配置信息、配置设备、设置描述符、连接设备、断开设备和管设备。总之，管道机制使得应用软件可以和USB设备的功能单元进行语音数据传输，而命令机制使得应用软件可以对USB设备的控制管道进行访问。

USB的双通道音频系统设计技术使音频处理模块的设计得以成功实现，成功地实现了麦克风电路，压缩放大电路，差分放大电路和功率放大电路与PC技术的完美融合，不仅满足了当前的设计需求，而且可扩展性好，可在不改动硬件的前提下只通过修改控制软件提高系统性能；具有体积小巧、集成度高、安装使用方便（全部功能都集成在一块标准的CPCI板卡上）、便于维护、系统稳定、音质好、功率大、兼容性好等特点。 

Claims (10)

1.一种基于USB的双通道音频系统，其特征在于：包括分别与PC平台相连的有线信号处理单元、无线信号处理单元和音频处理模块；以及与无线信号处理单元相连的天线。

2.根据权利要求1所述的音频系统，其特征在于：所述有线信号处理单元和无线信号处理单元分别通过CPCI总线与PC平台相连。

3.根据权利要求1所述的音频系统，其特征在于：所述音频处理模块通过USB总线与PC平台相连。

4.根据权利要求1所述的音频系统，其特征在于：所述音频处理模块包括分别与无线信道接点和有线信道接点相连的无线声卡电路和有线声卡电路；所述无线声卡电路包括与第一USB声卡电路相连的第一单模光纤输出接口、第一USB电缆接口电路、第一外部电源控制电路、第一EEPROM模块、第一音频输入接口电路、第一音频输出接口电路、第一HID模块和第一工作指示电路；所述有线声卡电路包括第二USB声卡电路相连的第一单模光纤输出接口、第二USB电缆接口电路、第二外部电源控制电路、第二EEPROM模块、第二音频输入接口电路、第二音频输出接口电路、第二HID模块和第二工作指示电路；所述第一USB电缆接口电路和第二USB电缆接口电路分别与主机的第一USB接口和第二USB接口相连。

5.根据权利要求1所述的音频系统的工作方法，具体方法为：信号处理单元接收并处理语音小信号，处理后的语音信号以音频流的形式通过CPCI总线存储在PC平台中，并由PC控制软件通过USB接口将PCM数据送给通道做后续处理；其中，语音播放流程为：一、初始化音频数据收发缓冲区管理程序；二、配置USB设备并初始化USB设备端口；三、检测是否有有线信道语音，如果有则启用有线通道声卡进行语音播放，如果无则启用无线通道声卡进行语音播放；语音采样流程为：一、启动音频数据收发缓冲区管理程序；二、配置USB设备并初始化USB设备端口；检测是否有有线信道语音，如果有则调用有线通道声卡采样程序进行语音处理，如果无则调用无线通道声卡采样程序进行语音处理。

6.根据权利要求5所述的工作方法，无线信道中的音频信息包括通过天线接收的无线音频信号和包括外控盒音频的末端音频信号。

7.根据权利要求6所述的工作方法，所述末端音频信号还包括送话器音频。

8.根据权利要求6所述的工作方法，所述末端音频信号的处理方法为：缓存在PC平台的语音数据通过USB总线送往USB声卡1的PCM语音数据经过DA变换后，以模拟信号方式送往前置放大器进行放大，并经过前置滤波和功率放大后送往音频输出切换电路，由音频输出切换电路分配到主机扬声器输出或者外控盒扬声器输出。

9.根据权利要求7所述的工作方法，所述功率放大器采用BTL方式的无变压器耦合放大器，BTL放大器直接推动扬声器工作。

10.根据权利要求6所述的工作方法，由送话器产生的音频信号通过差分放大和压缩放大后，在USB声卡中进行PCM编码。

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