CN114007167A - 一种模拟音频双向通信系统及通信方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及模拟音频通信领域，公开了一种模拟音频双向通信系统，包括若干需要双向音频通信的音频设备以及模拟音频总线，所述音频设备包括低通滤波器、音频放大器、音频接收器、动态相位调节器、加法器、抗混叠滤波器以及数模/模数处理模块；所述数模/模数处理模块的输出端分别与所述低通滤波器的输入端以及动态相位调节器的输入端A连接；所述音频接收器的输出端分别与所述动态相位调节器的输入端B以及加法器的输入端D连接，所述动态相位调节器的输出端与所述加法器的输入端C连接。本发明中多个音频设备直接挂接于模拟音频总线上便可进行双向、多点的音频通信。

Description

一种模拟音频双向通信系统及通信方法
技术领域
本发明涉及模拟音频通信领域，具体涉及一种模拟音频双向通信系统及通信方法。
背景技术
现有机载音频通信系统主要以点到点的单向通信形式为主，同一时刻音频信号只能在设备之间进行单向传输；具备多点且双向通信能力的音频系统往往将模拟音频信号转换为数字信号并上传至某种特定的数字总线后，再将总线上的各节点互联组网方可进行多点且双向的音频通信；在模拟转数字及总线上传的过程中存在通信延时、转换噪声等问题，而且该种系统极大的依赖于数字系统的处理速率及可靠性，同时由于必须使用总线转换器，该种系统的实现成本较高。
发明内容
本发明提供一种模拟音频双向通信系统及通信方法，所采用的技术无需进行总线转换，多个音频设备可直接挂接于模拟音频总线上，便可进行双向、多点的音频通信。
本发明通过下述技术方案实现：
一种模拟音频双向通信系统，包括若干需要双向音频通信的音频设备以及模拟音频总线，若干所述音频设备通过所述模拟音频总线进行音频通信，其中，
所述音频设备包括低通滤波器、音频放大器、音频接收器、动态相位调节器、加法器、抗混叠滤波器以及数模/模数处理模块；
所述数模/模数处理模块的输出端分别与所述低通滤波器的输入端以及动态相位调节器的输入端A连接；所述低通滤波器的输出端与音频放大器的输入端连接；
所述音频放大器的输出端分别与模拟音频总线和音频接收器的输入端连接；
所述音频接收器的输出端分别与所述动态相位调节器的输入端B以及加法器的输入端D连接，所述动态相位调节器的输出端与所述加法器的输入端C连接；
所述加法器的输出端通过所述抗混叠滤波器与所述数模/模数处理模块的输入端连接。
作为优化，所述低通滤波器为MFB多反馈节点型低通滤波器。
作为优化，所述音频放大器为BTL型音频功率放大器。
作为优化，所述音频放大器的输出端分别设有两路，两路输出端分别对应连接在所述模拟音频总线的正端和负端上，且所述音频放大器的其中一输出端与所述模拟音频总线的正端之间沿电流流动方向依次串联设有第一电容C1和第一电阻R1；所述音频放大器的另一输出端与所述模拟音频总线的负端之间沿电流流动方向依次串联设有第二电容C2和第二电阻R2。
作为优化，所述音频接收器的输入端分别设有两路，两路输入端分别对应连接在所述模拟音频总线的正端和负端上，所述音频接收器的其中一输入端与所述模拟音频总线的正端之间沿电流流动方向依次设有第三电容C3和第三电阻R3；所述音频接收器的另一输入端与所述模拟音频总线的负端之间沿电流流动方向依次设有第四电容C4和第四电阻R4，所述第三电阻与所述音频接收器的输入端之间还与第五电阻的一端连接，所述第五电阻的另一端连接在所述第四电阻和音频接收器的另一输入端之间。
本发明还公开了一种基于模拟音频双向通信系统的通信方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、所述数模/模数处理模块输出原始音频信号依次通过所述低通滤波器和音频放大器将音频信号输出至模拟音频总线上，然后通过所述模拟音频总线传输至外部音频设备，同时，所述数模/模数处理模块输出原始音频信号还输入至动态相位调节器的输入端A中；
S2、所述音频接收器通过所述模拟音频总线接收外部音频设备的外部音频信号并分别将所述外部音频信号进行处理，然后传输至数模/模数处理模块中。
7.根据权利要求6所述的一种模拟音频双向通信方法，其特征在于，步骤S2中，所述外部音频信号的处理过程包括：
S2.1、所述外部音频信号通过音频接收器传输至加法器的输入端D中；
S2.2、所述原始音频信号通过动态相位调节器输出极性相反的反向音频信号并传输至加法器的输入端C中；
S2.3、所述反向音频信号和外部音频信号通过加法器进行求和，并将求和得到的音频输出信号通过抗混叠滤波器输入至数模/模数处理模块进行处理。
作为优化，步骤S2.1中，所述外部音频信号还通过音频接收器传输至所述动态相位调节器输入端B中。
作为优化，步骤S1中，通过设置电阻R1、R2、电容C1、C2来防止外部音频信号的影响。
作为优化，步骤2中，所述音频接收器的输入端通过设置电阻R3、R4、R5、电容C3、C4组成阻抗匹配网络来匹配本设备的阻抗需求。
本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
1.本发明所采用的技术无需进行总线转换，多个音频设备直接挂接于模拟音频总线上便可进行双向、多点的音频通信；
2.本发明不具有由于模拟转数字及总线上传等过程带来的通信延时、转换噪声等问题；
3.本发明不依赖于特定总线网络的总线速率及可靠性，可大大简化音频通信系统组网的复杂性并有效地降低成本。
附图说明
为了更清楚地说明本发明示例性实施方式的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。在附图中：
图1为本发明所述的一种模拟音频双向通信系统的系统连接图；
图2为图1中外部设备的音频信号的输入网络的工作原理框图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
实施例
一种模拟音频双向通信系统，包括若干需要双向音频通信的音频设备以及模拟音频总线，若干所述音频设备通过所述模拟音频总线进行音频通信，其中，
所述音频设备包括低通滤波器1、音频放大器2、音频接收器3、动态相位调节器4、加法器5、抗混叠滤波器6以及数模/模数处理模块7；
所述数模/模数处理模块7的输出端分别与所述低通滤波器1的输入端以及动态相位调节器4的输入端A连接；所述低通滤波器1的输出端与音频放大器2的输入端连接；
所述音频放大器2的输出端分别与模拟音频总线和音频接收器3的输入端连接；
所述音频接收器3的输出端分别与所述动态相位调节器4的输入端B以及加法器5的输入端D连接，所述动态相位调节器4的输出端与所述加法器5的输入端C连接；
所述加法器5的输出端通过所述抗混叠滤波器6与所述数模/模数处理模块7的输入端连接。音频放大器2为BTL型音频功率放大器，其内部设置了限幅器。
由模数模/模数处理模块7输出原始音频信号注入低通滤波器1的输入端；低通滤波器1、音频放大器2及音频放大器2内部的限幅器构成了双向音频通信子系统的输出网络。
低通滤波器1为MFB多反馈节点型低通滤波器，该低通滤波器1用于滤除模数模/模数处理模块7输出的音频系统的带外噪声，其低通截止频率可按所处音频系统的带宽来设置，本发明设置为8KHz。
所述音频放大器的输出端分别设有两路，两路输出端分别对应连接在所述模拟音频总线的正端和负端上，且所述音频放大器的其中一输出端与所述模拟音频总线的正端之间沿电流流动方向依次串联设有第一电容C1和第一电阻R1；所述音频放大器的另一输出端与所述模拟音频总线的负端之间沿电流流动方向依次串联设有第二电容C2和第二电阻R2。
音频放大器2用于将信号级的音频信号放大至功率级，以推动模拟音频总线上的外部负载或其它音频设备，其增益可按所处音频系统所需的功率信号强度来设置，本发明设置为2倍；为与外部模拟音频总线互连，该级放大器将单端输入形式的音频信号转换为差分输出形式，电阻R1的右侧接至模拟音频总线的+端，电阻R2的右侧接至模拟音频总线的-端。
低通滤波器1的输出音频信号和来自图1中的设备二及设备三的输出音频信号在节点1和节点2进行混合；由于音频放大器2在输出音频功率信号时同时需要耐受其它设备送来的音频功率信号，所以，由电阻R1、电阻R2、电容C1、电容C2及音频放大器2内部的限幅器2a和限幅器2b构成了对来自其它设备的音频功率信号的限幅网络，由于电阻R1、电阻R2、电容C1、电容C2与音频放大器2内部限幅器2a和限幅器2b的阻抗配比，被灌入音频放大器2的其它设备的音频功率信号被限制在了很低且可忽略的幅度。
所述音频接收器3的输入端分别设有两路，两路输入端分别对应连接在所述模拟音频总线的正端和负端上，所述音频接收器的其中一输入端与所述模拟音频总线的正端之间沿电流流动方向依次设有第三电容C3和第三电阻R3；所述音频接收器的另一输入端与所述模拟音频总线的负端之间沿电流流动方向依次设有第四电容C4和第四电阻R4，所述第三电阻与所述音频接收器的输入端之间还与第五电阻的一端连接，所述第五电阻的另一端连接在所述第四电阻和音频接收器的另一输入端之间。
电阻R3、电阻R4、电阻R5、电容C3及电容C4构成输入端口的阻抗匹配网络，阻抗值可按所处音频系统的阻抗需求设置，但由于所有的音频设备以并联的形式挂接于总线上，所以需要视所接音频设备的数量而定。
为与外部模拟音频总线互连，音频接收器3将差分输入形式的音频信号转换为单端输出形式，电阻C3的右侧接至模拟音频总线的+端，电容C4的右侧接至模拟音频总线的-端；
动态相位调节器4，用于产生与数模/模数处理模块7输出的原始音频信号极性相反的音频信号，同时该级动态相位调节器的相位动态受控于音频接收器3的输出信号，使得分别由动态相位调节器4和音频接收器3送往加法器5的音频信号之间的相位差减至最小；
加法器用于将分别由动态相位调节器4和音频接收器3送来的音频信号进行求和，各个节点上的音频信号的极性变化参考图1标示的正、负号；由此，加法器5两个输入端的信号，其实质为低通滤波器1的输出音频信号和来自其它外部设备的输出音频信号，在加法器内部求和后，加法器5的输出端输出的信号即为单纯的来自其它外部设备的输出音频信号。
音频接收器3、动态相位调节器4、加法器5及抗混叠滤波器6构成了双向音频通信子系统的输入网络；图2是该输入网络的工作原理框图。S0是来自设备一(本设备)自身输出的音频信号，S1是来自其它外部设备输出的音频信号，在音频总线上混合后形成的信号S1+S0，S1为经过加法器5进行加法器处理后的信号；S0与S1+S0由于经过了不同的传输路径所以存在不同的延迟D1和D2；PH1(动态相位调节器4)用来动态调节S0的相位延迟，PH1的调控端来自于输出信号S1，经调控后的信号S0的相位可与S1+S0达到精确匹配以使S1＝S1+S0-S0是对S1的最小二乘上的最佳拟合。由于S0与S1为不相关信号且满足公式(1)与公式(2)，
S1＝＝S1+S0-S0 (1)
S12＝S12+(S0-S0)2+2S1(S0-S0) (2)
对公式(2)取对数，由于S1与(S0-S0)不相关，音频输入网络的输出信号S1满足公式4，
E[S12]＝E[S12]+E[(S0-S0)2]+2E[S1(S0-S0)] (3)
E[S12]＝E[S12]+E[(S0-S0)2] (4)
通过调节PH1(动态相位调节器)的相位差，使得E[(S0-S0)2]的能量最小且E[S12]更逼近于E[S12]，即解出的对设备一有效的外部设备音频信号S1接近真实的外部设备音频信S1。
抗混叠滤波器6，与低通滤波器1相似，被设置为MFB多反馈节点型低通滤波器，用于滤除音频系统的带外噪声并防止数模/模数处理模块7采集到超过系统有效带宽的混叠信号，低通截止频率可按所处音频系统的带宽设置，本发明设置为8KHz；
经过抗混叠滤波器6后的有效音频信号最终被送入数模/模数处理模块7，数模/模数处理模块将有效的模拟音频信号进行数字量化后以供进一步处理。
整个系统允许各设备同时向模拟音频总线发出信号，每个设备发出的音频信号在总线上以叠加的形式出现，而且每个设备在发送信号的同时也能接收来自其它外部设备的音频信号；对于每个设备自身发出的音频信号在设备内部如图2的输入网络中被抵消，所以每个设备只会真正的接收刚才来自其它外部设备的有效音频信号而不会收到自身发出的信号，由此，即已实现多设备间的双向、多点音频通信。
即通信方法如下：一种基于本发明所述的一种模拟音频双向通信系统的通信方法，包括以下步骤：
S1、所述数模/模数处理模块输出原始音频信号依次通过所述低通滤波器和音频放大器将音频信号输出至模拟音频总线上，然后通过所述模拟音频总线传输至外部音频设备，同时，所述数模/模数处理模块输出原始音频信号还输入至动态相位调节器的输入端A中；
S2、所述音频接收器通过所述模拟音频总线接收外部音频设备的外部音频信号并分别将所述外部音频信号进行处理，然后传输至数模/模数处理模块中。
步骤S2中，所述外部音频信号的处理过程包括：
S2.1、所述外部音频信号通过音频接收器传输至加法器的输入端D中；
S2.2、所述原始音频信号通过动态相位调节器输出极性相反的反向音频信号并传输至加法器的输入端C中；
S2.3、所述反向音频信号和外部音频信号通过加法器进行求和，并将求和得到的音频输出信号通过抗混叠滤波器输入至数模/模数处理模块进行处理。
步骤S2.1中，所述外部音频信号还通过音频接收器传输至所述动态相位调节器输入端B中。
步骤S1中，通过设置电阻R1、R2、电容C1、C2来防止外部音频信号的影响。
步骤2中，所述音频接收器的输入端通过设置电阻R3、R4、R5、电容C3、C4组成阻抗匹配网络来匹配本设备的阻抗需求。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种模拟音频双向通信系统，其特征在于，包括若干需要双向音频通信的音频设备以及模拟音频总线，若干所述音频设备通过所述模拟音频总线进行音频通信，其中，
所述音频设备包括低通滤波器、音频放大器、音频接收器、动态相位调节器、加法器、抗混叠滤波器以及数模/模数处理模块；
所述数模/模数处理模块的输出端分别与所述低通滤波器的输入端以及动态相位调节器的输入端A连接；所述低通滤波器的输出端与音频放大器的输入端连接；
所述音频放大器的输出端分别与模拟音频总线和音频接收器的输入端连接；
所述音频接收器的输出端分别与所述动态相位调节器的输入端B以及加法器的输入端D连接，所述动态相位调节器的输出端与所述加法器的输入端C连接；
所述加法器的输出端通过所述抗混叠滤波器与所述数模/模数处理模块的输入端连接。
2.根据权利要求1所述的一种模拟音频双向通信系统，其特征在于，所述低通滤波器为MFB多反馈节点型低通滤波器。
3.根据权利要求1所述的一种模拟音频双向通信系统，其特征在于，所述音频放大器为BTL型音频功率放大器。
4.根据权利要求1所述的一种模拟音频双向通信系统，其特征在于，所述音频放大器的输出端分别设有两路，两路输出端分别对应连接在所述模拟音频总线的正端和负端上，且所述音频放大器的其中一输出端与所述模拟音频总线的正端之间沿电流流动方向依次串联设有第一电容C1和第一电阻R1；所述音频放大器的另一输出端与所述模拟音频总线的负端之间沿电流流动方向依次串联设有第二电容C2和第二电阻R2。
5.根据权利要求4所述的一种模拟音频双向通信系统，其特征在于，所述音频接收器的输入端分别设有两路，两路输入端分别对应连接在所述模拟音频总线的正端和负端上，所述音频接收器的其中一输入端与所述模拟音频总线的正端之间沿电流流动方向依次设有第三电容C3和第三电阻R3；所述音频接收器的另一输入端与所述模拟音频总线的负端之间沿电流流动方向依次设有第四电容C4和第四电阻R4，所述第三电阻与所述音频接收器的输入端之间还与第五电阻的一端连接，所述第五电阻的另一端连接在所述第四电阻和音频接收器的另一输入端之间。
6.一种基于权利要求1-5任一所述的一种模拟音频双向通信系统的通信方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、所述数模/模数处理模块输出原始音频信号依次通过所述低通滤波器和音频放大器将音频信号输出至模拟音频总线上，然后通过所述模拟音频总线传输至外部音频设备，同时，所述数模/模数处理模块输出原始音频信号还输入至动态相位调节器的输入端A中；
S2、所述音频接收器通过所述模拟音频总线接收外部音频设备的外部音频信号并分别将所述外部音频信号进行处理，然后传输至数模/模数处理模块中。
7.根据权利要求6所述的一种模拟音频双向通信方法，其特征在于，步骤S2中，所述外部音频信号的处理过程包括：
S2.1、所述外部音频信号通过音频接收器传输至加法器的输入端D中；
S2.2、所述原始音频信号通过动态相位调节器输出极性相反的反向音频信号并传输至加法器的输入端C中；
S2.3、所述反向音频信号和外部音频信号通过加法器进行求和，并将求和得到的音频输出信号通过抗混叠滤波器输入至数模/模数处理模块进行处理。
8.根据权利要求7所述的一种模拟音频双向通信方法，其特征在于，步骤S2.1中，所述外部音频信号还通过音频接收器传输至所述动态相位调节器输入端B中。
9.根据权利要求6所述的一种模拟音频双向通信方法，其特征在于，步骤S1中，通过设置电阻R1、R2、电容C1、C2来防止外部音频信号的影响。
10.根据权利要求6所述的一种模拟音频双向通信方法，其特征在于，步骤2中，所述音频接收器的输入端通过设置电阻R3、R4、R5、电容C3、C4组成阻抗匹配网络来匹配本设备的阻抗需求。
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