CN113035215B - 一种音频信号处理芯片及耳机 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种音频信号处理芯片和耳机，对滤波器的算法进行了优化，很大程度上减小了芯片的体积并降低了芯片的功耗；通过普通电子元件设计出高效率的滤波器，不仅能够减少电路的成本，同时还能够将滤波器的效率提高，减少了不良噪声的干扰，消除了混合失真；此外，对放大单元进行了简化，使音频信号处理芯片整体体积进一步缩小，价格进一步降低，同时能够使该芯片的中央处理器方便、灵活地控制整个放大处理过程，便于进一步的性能优化和升级。
Description
技术领域
本发明涉及音频输出设备领域，尤其涉及一种音频信号处理芯片及耳机。
背景技术
耳机用户在不断追求越来越丰富的音频体验，希望能够用耳机来最大限度地再现空间物理声场，获得类似于自然环境中的听音感受。
然而，人类可听声音包括在一定频率范围内。很难优化单个音频扬声器来输出可听音频的整个范围。因此，通常对给定的频率范围分频后进行优化；例如，高音输出单元可以被优化以输出高频声音，而低音输出单元可以被优化以输出低频声音。除了低音扬声器和高音扬声器外，还存在亚低音输出单元、超高音输出单元和中频输出单元，每个输出单元都根据它们的规格输出一个频率范围。在耳机系统中，可以组合两个或更多个音频输出单元以增强听觉体验并输出更宽范围的音频。
但是，耳机的音频信号分频数量越来越多，音频处理器件的使用越来越多；增加了音频芯片的体积和功耗；各个声道独立动态均衡处理容易导致声相混合失真。
发明内容
针对现有技术中的上述缺点，本发明提供一种音频信号处理芯片，包括：
中央处理器，用于对其他功能性单元进行整体控制；
数字处理单元，用于接收外部音频信号输入单元输入的音频信号，并进行分频处理；
数模转换单元，用于接收数字处理单元处理后的信号，并进行数模转换；
放大单元，用于接收数模转换单元处理后的信号，并进行放大处理后输出给外部各音频输出设备；
所述数字处理单元包括解码器、高通滤波器、带通滤波器、低通滤波器和输出调整器；
所述解码器用于对外部输入的音频信号进行解码并分成左右两个声道的音频信号，并传递给所述高通滤波器、带通滤波器、低通滤波器进行分频处理，经分频处理后的音频信号经所述输出调整器均衡性调整后输出给所述数模转换单元。
优选地，所述高通滤波器、带通滤波器、低通滤波器采用N阶非递归型滤波器，均包括参数寄存器、移位寄存器和累加器。
优选地，所述高通滤波器、带通滤波器、低通滤波器的滤波后输出音频序列y(n)采用如下计算方法：
其中，x(n)是输入音频序列，h(k)是滤波系数，δp通带纹波，δa阻带纹波，fc通带截止频率、fa阻带起始频率、fs为抽样频率。
优选地，所述滤波后输出音频序列y(n)采用如下计算步骤：步骤S1，建立D个虚拟子滤波器；步骤S2，将所述移位寄存器内数据清零；步骤S3，将待滤波数据输入所述移位寄存器；步骤S4，判断已滤波数据个数是否为M的整数倍，若不是则将所述移位寄存器各项和所述参数寄存器对应项相乘并相加，若是则跳转S5；步骤S5，所述移位寄存器对称位置各项相加后和所述参数寄存器的前一半参数对应项相乘并累加；步骤S6，重复所述步骤S3、步骤S4、步骤S5直到所有数据完成滤波。
优选地，所述高通滤波器、带通滤波器、低通滤波器包括运算放大器U1A、运算放大器U1B，电阻器R1、电阻器R2、电阻器R3和电阻器R4，可调电阻器RP1和可调电阻器RP2，电容器C1、电容器C2、电容器C3和电容器C4。
优选地，电阻器R1输入端为所述滤波器的输入端，电阻器R1另一端连接电阻器R2和电容器C1的输入端，电阻器R2的输出端连接可调电阻器RP1的输入端，电容器C1的输出端连接运算放大器U1A的反向输入端、输出端以及电容器C2的输入端，可调电阻器RP1的输出端连接运算放大器U1A的同向输入端、电容器C4的输入端，电容器C4的输出端接地，电容器C2的输出端连接电容器C3的输入端、电阻器R3的输入端，电容器C3的输出端连接运算放大器U1B的同向输入端、电阻器R4的输入端，电阻器R4的输出端接地，电阻器R3的输出端连接可调电阻器RP2的输入端，可调电阻器RP2的输出端连接运算放大器U1B的反向输入端、输出端，运算放大器U1B输出端为所述滤波器的输出端。
优选地，所述电阻R1的阻值为33K-40KΩ，电阻R2的阻值为50K-60KΩ，电阻R3的阻值为140K-150KΩ，电阻R4的阻值为90K-100KΩ，所述可调电阻RP1、RP2的最大阻值分别为10KΩ、100KΩ。
优选地，所述电容C1-C4的电容量分别为100pF、0.01pF、0.01pF、100pF，所述运算放大器U1A、U1B可选用LM324。
优选地，所述放大单元包括信号生成电路、放大电路和分配电路。
优选地，所述信号生成电路包括运算放大器U2A、运算放大器U2B。
优选地，所述放大电路包括运算放大器U2C。
优选地，所述分配电路包括电阻器R5、电阻器R6和三级管Q1。
优选地，所述运算放大器U2A、运算放大器U2B的同向输入端接收同向音频输入信号IN1，所述运算放大器U2A、运算放大器U2B的反向输入端接收反向音频输入信号IN2，所述运算放大器U2A、运算放大器U2B的输出端连接所述运算放大器U2C的同向输入端，所述运算放大器U2C的输出端为所述放大单元的输出端，所述运算放大器U2C的反向输入端连接所述电阻器R5的输入端以及所述三级管Q1的集电极，所述三级管Q1的发射极连接所述电阻器R6的输入端，所述电阻器R5的输出端连接电源，所述电阻器R6的输出端接地，所述三级管Q1的基极、信号生成电路连接所述中央处理器并接收来自所述中央处理器的控制信号。
优选地，所述音频信号处理芯片还包括：用户命令接收单元，用于接收外部用户命令输入单元输入的用户命令信号，并将所述用户命令信号传递到所述中央处理器来产生相应的控制信号。
本发明还提供一种耳机，其具有上述任一种的音频信号处理芯片。
本发明提出了一种音频信号处理芯片的硬件实现方案；对滤波器的算法进行了优化，很大程度上减小了芯片的体积并降低了芯片的功耗。同时，通过普通电子元件设计出高效率的滤波器，不仅能够减少电路的成本，同时还能够将滤波器的效率提高，减少了不良噪声的干扰，消除了混合失真。此外，其放大单元的器件简单，使音频信号处理芯片整体体积进一步缩小，价格进一步降低，同时所述中央处理器能够方便、灵活地控制整个放大处理过程，便于进一步的性能优化和升级。
附图说明
图1为本发明实施例一种音频信号处理芯片的模块方框图。
图2为本发明实施例一种音频信号处理芯片的滤波器的电路图。
图3为本发明实施例一种音频信号处理芯片的放大单元的电路图。
其中，音频信号处理芯片-1、数字处理单元-2、中央处理器-3、用户命令接收单元-4、数模转换单元-5、放大单元-6、解码器-7、输出调整器-8、外部用户命令输入单元-9、高通滤波器-10、带通滤波器-11、低通滤波器-12、高音输出单元-13、中音输出单元-14、低音输出单元-15、音频信号输入单元-16、信号生成电路-17、放大电路-18、分配电路-19,运算放大器-U1A、U1B、U2A、U2B、U2C，电阻器-R1、R2、R3、R4、R5、R6，可调电阻器-RP1、RP2，电容器-C1、C2、C3、C4，三极管-Q1。
具体实施方式
为了应对现有的多声道耳机的音频芯片体积大、功耗大，各个声道独立动态均衡处理处理容易导致声像方位失真的问题，本发明所提供的音频信号处理芯片及耳机是通过以下技术方案实现的：
实施例1：
本实施例提供一种音频信号处理芯片，请参阅图1，包括：
中央处理器1，用于对其他功能性单元进行整体控制；
数字处理单元2，用于接收外部音频信号输入单元16输入的音频信号，并进行分频处理；
数模转换单元5，用于接收数字处理单元处理后的信号，并进行数模转换；
放大单元6，用于接收数模转换单元5处理后的信号，并进行放大处理后输出给外部各音频输出设备；
所述数字处理单元包括解码器7、高通滤波器10、带通滤波器11、低通滤波器12和输出调整器8；
所述解码器7用于对外部输入的音频信号进行解码并分成左右两个声道的音频信号，并传递给所述高通滤波器10、带通滤波器11、低通滤波器12进行分频处理，经分频处理后的音频信号经所述输出调整器8均衡性调整后输出给所述数模转换单元5。
具体地，所述高通滤波器10、带通滤波器11、低通滤波器12采用N阶非递归型滤波器，均包括参数寄存器、移位寄存器和累加器。
具体地，所述高通滤波器10、带通滤波器11、低通滤波器12的滤波后输出音频序列y(n)采用如下计算方法：
其中，x(n)是输入音频序列，h(k)是滤波系数，δp通带纹波，δa阻带纹波，fc通带截止频率、fa阻带起始频率、fs为抽样频率。
具体地，所述滤波后输出音频序列y(n)采用如下计算步骤：步骤S1，建立M个虚拟子滤波器；步骤S2，将所述移位寄存器内数据清零；步骤S3，将待滤波数据输入所述移位寄存器；步骤S4，判断已滤波数据个数是否为M的整数倍，若不是则将所述移位寄存器各项和所述参数寄存器对应项相乘并相加，若是则跳转S5；步骤S5，所述移位寄存器对称位置各项相加后和所述参数寄存器的前一半参数对应项相乘并累加；步骤S6，重复所述步骤S3、步骤S4、步骤S5直到所有数据完成滤波。根据上述方法，滤波器的运算量仅为传统方法的1/2M左右。
具体地，所述高通滤波器、带通滤波器、低通滤波器，请参阅图2，包括运算放大器U1A、运算放大器U1B，电阻器R1、电阻器R2、电阻器R3和电阻器R4，可调电阻器RP1和可调电阻器RP2，电容器C1、电容器C2、电容器C3和电容器C4。
具体地，电阻器R1输入端为所述滤波器的输入端，电阻器R1另一端连接电阻器R2和电容器C1的输入端，电阻器R2的输出端连接可调电阻器RP1的输入端，电容器C1的输出端连接运算放大器U1A的反向输入端、输出端以及电容器C2的输入端，可调电阻器RP1的输出端连接运算放大器U1A的同向输入端、电容器C4的输入端，电容器C4的输出端接地，电容器C2的输出端连接电容器C3的输入端、电阻器R3的输入端，电容器C3的输出端连接运算放大器U1B的同向输入端、电阻器R4的输入端，电阻器R4的输出端接地，电阻器R3的输出端连接可调电阻器RP2的输入端，可调电阻器RP2的输出端连接运算放大器U1B的反向输入端、输出端，运算放大器U1B输出端为所述滤波器的输出端。
具体地，所述电阻R1的阻值为33K-40KΩ，电阻R2的阻值为50K-60KΩ，电阻R3的阻值为140K-150KΩ，电阻R4的阻值为90K-100KΩ，所述可调电阻RP1、RP2的最大阻值分别为10KΩ、100KΩ。
具体地，所述电容C1-C4的电容量分别为100pF、0.01pF、0.01pF、100pF，所述运算放大器U1A、U1B可选用LM324。通过上述电路，音频滤波器的效率能够提高10-15％，不良噪声减少8-10％。
具体地，所述放大单元，请参阅图3，包括信号生成电路、放大电路和分配电路。
具体地，所述信号生成电路包括运算放大器U2A、运算放大器U2B。
具体地，所述放大电路包括运算放大器U2C。
具体地，所述分配电路包括电阻器R5、电阻器R6和三级管Q1。
具体地，所述运算放大器U2A、运算放大器U2B的同向输入端接收同向音频输入信号IN1，所述运算放大器U2A、运算放大器U2B的反向输入端接收反向音频输入信号IN2，所述运算放大器U2A、运算放大器U2B的输出端连接所述运算放大器U2C的同向输入端，所述运算放大器U2C的输出端为所述放大单元的输出端，所述运算放大器U2C的反向输入端连接所述电阻器R5的输入端以及所述三级管Q1的集电极，所述三级管Q1的发射极连接所述电阻器R6的输入端，所述电阻器R5的输出端连接电源，所述电阻器R6的输出端接地，所述三级管Q1的基极、信号生成电路连接所述中央处理器并接收来自所述中央处理器的控制信号。通过上述电路，所述放大单元的器件简单，使音频信号处理芯片整体体积进一步缩小，价格进一步降低，同时所述中央处理器能够方便、灵活地控制整个放大处理过程，便于进一步的性能优化和升级。
具体地，所述音频信号处理芯片还包括：用户命令接收单元4，用于接收外部用户命令输入单元9输入的用户命令信号，并将所述用户命令信号传递到所述中央处理器3来产生相应的控制信号。
实施例2：
本实施例提供一种耳机，其具有上述任一种的音频信号处理芯片，具备相同的性能，不再赘述。
需要注意的是，以上内容是结合具体的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，在上述实施例的指导下，本领域技术人员可以在上述实施例的基础上进行各种改进和变形，而这些改进或者变形落在本发明的保护范围内。
Claims (7)
1.一种音频信号处理芯片，其特征在于，包括：
中央处理器，用于对其他功能性单元进行整体控制；
数字处理单元，用于接收外部音频信号输入单元输入的音频信号，并进行分频处理；
数模转换单元，用于接收数字处理单元处理后的信号，并进行数模转换；
放大单元，用于接收数模转换单元处理后的信号，并进行放大处理后输出给外部各音频输出设备；
所述数字处理单元包括解码器、高通滤波器、带通滤波器、低通滤波器和输出调整器；
所述解码器用于对外部输入的音频信号进行解码并分成左右两个声道的音频信号，并传递给所述高通滤波器、带通滤波器、低通滤波器进行分频处理，经分频处理后的音频信号经所述输出调整器均衡性调整后输出给所述数模转换单元；
所述高通滤波器、带通滤波器、低通滤波器采用N阶非递归型滤波器，均包括参数寄存器、移位寄存器和累加器；所述高通滤波器、带通滤波器、低通滤波器的滤波后输出音频序列y(n)采用如下计算方法：
其中，x(n)是输入音频序列，h(k)是滤波系数，δp通带纹波，δa阻带纹波，fc通带截止频率、fa阻带起始频率、fs为抽样频率；
所述高通滤波器、带通滤波器、低通滤波器包括运算放大器U1A、运算放大器U1B，电阻器R1、电阻器R2、电阻器R3和电阻器R4，可调电阻器RP1和可调电阻器RP2，电容器C1、电容器C2、电容器C3和电容器C4；
所述放大单元包括信号生成电路、放大电路和分配电路；所述信号生成电路包括运算放大器U2A、运算放大器U2B；所述放大电路包括运算放大器U2C；所述分配电路包括电阻器R5、电阻器R6和三级管Q1；所述运算放大器U2A、运算放大器U2B的同向输入端接收同向音频输入信号IN1，所述运算放大器U2A、运算放大器U2B的反向输入端接收反向音频输入信号IN2，所述运算放大器U2A、运算放大器U2B的输出端连接所述运算放大器U2C的同向输入端，所述运算放大器U2C的输出端为所述放大单元的输出端，所述运算放大器U2C的反向输入端连接所述电阻器R5的输入端以及所述三级管Q1的集电极，所述三级管Q1的发射极连接所述电阻器R6的输入端，所述电阻器R5的输出端连接电源，所述电阻器R6的输出端接地，所述三级管Q1的基极、信号生成电路连接所述中央处理器并接收来自所述中央处理器的控制信号。
2.根据权利要求1所述的音频信号处理芯片，其特征在于，所述滤波后输出音频序列y(n)采用如下计算步骤：
步骤S1，建立D个虚拟子滤波器；
步骤S2，将所述移位寄存器内数据清零；
步骤S3，将待滤波数据输入所述移位寄存器；
步骤S4，判断已滤波数据个数是否为M的整数倍，若不是则将所述移位寄存器各项和所述参数寄存器对应项相乘并相加，若是则跳转步骤S5；
步骤S5，所述移位寄存器对称位置各项相加后和所述参数寄存器的前一半参数对应项相乘并累加；
步骤S6，重复所述步骤S3、步骤S4、步骤S5直到所有数据完成滤波。
3.根据权利要求1所述的音频信号处理芯片，其特征在于，电阻器R1输入端为所述滤波器的输入端，电阻器R1另一端连接电阻器R2和电容器C1的输入端，电阻器R2的输出端连接可调电阻器RP1的输入端，电容器C1的输出端连接运算放大器U1A的反向输入端、输出端以及电容器C2的输入端，可调电阻器RP1的输出端连接运算放大器U1A的同向输入端、电容器C4的输入端，电容器C4的输出端接地，电容器C2的输出端连接电容器C3的输入端、电阻器R3的输入端，电容器C3的输出端连接运算放大器U1B的同向输入端、电阻器R4的输入端，电阻器R4的输出端接地，电阻器R3的输出端连接可调电阻器RP2的输入端，可调电阻器RP2的输出端连接运算放大器U1B的反向输入端、输出端，运算放大器U1B输出端为所述滤波器的输出端。
4.根据权利要求3所述的音频信号处理芯片，其特征在于，所述电阻R1的阻值为33K-40KΩ，电阻R2的阻值为50K-60KΩ，电阻R3的阻值为140K-150KΩ，电阻R4的阻值为90K-100KΩ，所述可调电阻RP1、RP2的最大阻值分别为10KΩ、100KΩ。
5.根据权利要求3所述的音频信号处理芯片，其特征在于，所述电容C1-C4的电容量分别为100pF、0.01pF、0.01pF、100pF，所述运算放大器U1A、U1B可选用LM324。
6.根据权利要求1-5任一项所述的音频信号处理芯片，其特征在于，所述音频信号处理芯片还包括：用户命令接收单元，用于接收外部用户命令输入单元输入的用户命令信号，并将所述用户命令信号传递到所述中央处理器来产生相应的控制信号。
7.一种耳机，其特征在于，其具有权利要求1-6任一项所述的频信号处理芯片。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| CB02 | Change of applicant information |
Address after: No. 2001, Yingbin West Road, Bacheng Town, Kunshan City, Suzhou City, Jiangsu Province, 215311 Applicant after: Kunshan Haifeiman Technology Group Co.,Ltd. Address before: 2 / F, North building, 1339 Shuixiu Road, Yushan Town, Kunshan City, Suzhou City, Jiangsu Province Applicant before: HEAD-DIRECT (KUNSHAN) Co.,Ltd. |
|
| CB02 | Change of applicant information | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CP03 | Change of name, title or address |
Address after: 215300 No. 2001 Yingbin West Road, Bacheng Town, Kunshan City, Suzhou City, Jiangsu Province Patentee after: Kunshan Haifeiman Technology Group Co.,Ltd. Address before: No. 2001, Yingbin West Road, Bacheng Town, Kunshan City, Suzhou City, Jiangsu Province, 215311 Patentee before: Kunshan Haifeiman Technology Group Co.,Ltd. |
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| CP03 | Change of name, title or address |