CN201332385Y - 一种数字音频功率放大器及音频处理设备 - Google Patents

一种数字音频功率放大器及音频处理设备 Download PDF

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本实用新型适用于音频功放领域，提供了一种数字音频功率放大器及音频处理设备，所述数字音频功率放大器包括顺序连接音频接口模块、过采样模块、调制器、数字功率放大器、低通滤波器，所述数字音频功率放大器还包括根据接收到的配置信息配置所述数字音频功率放大器内部相应模块参数的控制接口模块、为所述过采样模块提供时钟信号的时钟分频模块。在本实用新型中，通过直接对数字信号进行放大处理，实现了一种数字音频功率放大器，缩短了信号的处理通道，抗干扰能力强、失真小、功率大、效率高、节省资源。

Description

一种数字音频功率放大器及音频处理设备
技术领域
本实用新型属于音频功放领域，尤其涉及一种数字音频功率放大器及音频处理设备。
背景技术
现阶段主要的音频功率放大过程为数字音源先经过模数转换(D/A转换)，再经过A类、AB类或D类模拟输入功率放大器进行放大后输出给喇叭单元播放。其音频信号实质上经历了两个主要过程，而在每一过程中都难免存在音质的损失。另外，相对于数字信号的抗干扰能力，模拟信号的抗干扰能力差，所以对模拟信号的处理过程容易引入外界噪声，造成失真。
综上所述，现有音频功率放大器抗干扰能力差、失真大。
实用新型内容
本实用新型的目的在于提供一种数字音频功率放大器，旨在解决现有音频功率放大器抗干扰能力差、失真大的问题。
本实用新型是这样实现的，一种数字音频功率放大器，所述数字音频功率放大器包括顺序连接音频接口模块、过采样模块、调制器、数字功率放大器、低通滤波器，所述数字音频功率放大器还包括根据接收到的配置信息配置所述数字音频功率放大器内部相应模块参数的控制接口模块、为所述过采样模块提供时钟信号的时钟分频模块；
所述音频接口模块将接收到的字长为16-24比特的音频数据分离为左、右声道音频数据；
所述过采样模块将所述音频接口模块输出的音频数据按照所述调制器确定的采样频率进行过采样插零处理；
所述调制器将过采样插零处理后的音频数据调制为脉宽调制信号。
本实用新型的另一目的在于提供一种音频处理设备，所述音频处理模块包括上述的数字音频功率放大器。
在本实用新型中，通过直接对数字信号进行放大处理，实现了一种数字音频功率放大器，缩短了信号的处理通道，抗干扰能力强、失真小、功率大、效率高、节省资源。
附图说明
图1是本实用新型实施例提供的数字音频功率放大器的结构图；
图2是本实用新型实施例提供的半带型滤波器的电路结构示意图；
图3是本实用新型实施例提供的升频梳状积分滤波单元的电路结构示意图；
图4是本实用新型实施例提供的四阶sigma_delta/∑-Δ调制器的电路结构示意图；
图5是本实用新型实施例提供的H桥驱动级的电路结构示意图；
图6是本实用新型实施例提供的H桥功率级的电路结构示意图。
具体实施方式
为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型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仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。
本实用新型实施例通过直接对数字信号进行放大处理。
图1示出了本实用新型实施例提供的数字音频功率放大器的结构，为了便于描述，仅示出了与本实用新型相关的部分。
数字音频功率放大器包括音频接口模块101、时钟分频模块102、控制接口模块103、过采样模块104、调制器105、数字功率放大器106和低通滤波器107，音频接口模块101、过采样模块104、调制器105、数字功率放大器106和低通滤波器107顺序连接，控制接口模块103根据接收到的配置信息配置数字音频功率放大器内部相应模块参数，时钟分频模块102为过采样模块104提供时钟信号。其中：
音频接口模块101将接收到的音频数据分离为左、右声道音频数据。音频接口模块101兼容左对齐(Left-Justified，LJ)、右对齐(Right-Justified，RJ)、I2S(Inter-Ic Sound)等音频数据格式，同时兼容字长为16-24比特(bit)内各种量化位数的音频数据，例如16bit、18bit、20bit、24bit等。音频数据通过串行数据输入管脚(SDIN)输入音频接口模块101；左/右声道时钟接音频接口模块101的左/右声道时钟(LRCLK)管脚，决定目前哪个声道的音频数据通过SDIN管脚输入数据；系统时钟接音频接口模块101的系统时钟(MCLK)管脚。
过采样模块104将音频接口模块101输出的音频数据按照调制器105确定的采样频率进行过采样插零处理。
调制器105将过采样插零处理后的音频数据调制为脉宽调制(Pulse WidthModulation，PWM)信号。过采样插零处理后音频数据的采样频率越高则调制后PWM信号的数据流越大，PWM信号中将包含更多的有效音频信息。
接着，调制处理后的PWM信号由数字功率放大器106进行放大处理后，经低通滤波器107还原为音频信号后输出。
其中，过采样模块104由采样频率转换/插零单元1041、数字滤波器1042和升频梳状积分滤波单元1043构成，实现128倍升频处理。
采样频率转换/插零单元1041，通过时钟频率变换，对音频接口模块101输出的音频数据进行2倍插零。当然，采样频率转换/插零单元1041还可以根据需要进行其他倍数的插零处理。
数字滤波器1042对采样频率转换/插零单元1041插零后的音频数据进行低通滤波，包括：第一滤波器10421和第二滤波器10422，其中：
第一滤波器10421为有限脉冲响应(finite impulse response，FIR)低通滤波器107，对采样频率转换/插零单元1041进行2倍插零后的音频数据进行低通滤波后，再输出给采样频率转换/插零单元1041进行第二次2倍插零；第二滤波器10422也为FIR低通滤波器107，对采样频率转换/插零单元1041进行第二次2倍插零后的音频数据进行低通滤波后输出给升频梳状积分滤波单元1043。为了便于节省硬件资源，在本实用新型实施例中FIR低通滤波器为半带型滤波器，其电路结构如图2所示。其中，x[k]、y[k]分别为半带型滤波器的输入、输出音频数据；Z-1为延迟器，h[0]、h[1]、......、h[M-1]、h[M]为相应滤波器中的各阶系数，其阶数M由滤波器的因数(例如通带频率、阻带频率、通带纹波等)确定。
升频梳状积分滤波单元1043为3阶，包括梳状组件、上采样组件和积分组件，上采样组件对梳状组件输出的音频数据实现32倍过采样处理。为了减少梳状组件中使用延迟器的数量，降低梳状组件的工作频率，在本实用新型实施例中，上采样组件位于梳状组件和积分组件的中间，其电路结构如图3所示，梳状组件10431、上采样组件10432和积分组件10433顺序连接。其中，梳状组件10431由延迟器Z-1和减法器M构成，积分组件10433由延迟器Z-1和加法器A构成。当然，也可以采用上述采样频率转换/插零单元1041和数字滤波器1042实现32倍过采样滤波处理，但是采用本实用新型实施例提供的升频梳状积分滤波单元1043可以节约资源，降低成本。
调制器105采用四阶sigma_delta/∑-Δ调制器实现单比特(1bit)字长数据流调制，输出取样频率为128Fs的1bit字长的PWM信号，Fs为字时钟，在本实用新型实施例中，Fs可以为32KHz、44.1KHz、48KHz、88.2KHz、96KHz、176.4KHz或192KHz等。电路结构如图4所示，其中，Z-1为延迟器、A为加法器、M为减法器、B为增益放大器、D为量化器。并且，四阶sigma_delta/∑-Δ调制器105在调制过程实现了噪声整形，可以很大程度的消除音频带内的量化噪声，提高性能。当然，调制器105也可以采用sigma_delta/∑-Δ调制器和信号转换模块实现多比特字长的数据流调整，其中信号转换模块将sigma_delta/∑-Δ调制器输出的脉码调制(Pulse Code Modulation，PCM)信号转换为PWM信号，并输出给数字功率放大器106。
为了进一步减少信号的失真度，在本实用新型实施例中，数字功率放大器106由H桥驱动级1061和H桥功率级1062组成，其中：
H桥驱动级1061为H桥驱动级死区时间调制电路，接收1bit数据流的PWM信号，通过死区时间电路可以将信号形成反相且具有死区时间间隔的两路对偶输出驱动信号PWM和PWM信号，用来推动H桥功率级1062。H桥驱动级死区时间调制电路的电路结构如图5所示，采用两个延迟器，精确的控制死区时间，减少失真。接收到的PWM信号分别接第一与门的第一输入端、非门输入端、同或门的输入端和第二延迟器Z-12的输入端，非门的输出端分别接第二与门的输入端、或非门的输入端和第一延迟器Z-11的输入端，第一延迟器Z-11的输出端接或非门的第二输入端，或非门的输出端接第一与门的第二输入端，第二延迟器Z-12的输出端接同或门的第二输入端，同或门的输出端接第二与门的输入端，第一与门输出PWM驱动信号，第二与门输出反相且具有一定死区时间间隔的PWM驱动信号PWM。
H桥功率级1062将H桥驱动级1061输出的1bit字长的PWM、PWM驱动信号放大后输出，其电路结构如图6所示。H桥功率级1062由四个开关管(例如，金属氧化物半导体场效应晶体管(Metal Oxide Semicoductor Field EffectTransistor，MOSFET))组成，其对角组成推挽输出，对偶驱动信号使FET对角管轮流导通，于是就可以将1bit字长的PWM、PWM驱动信号放大输出。其中，H桥驱动级1061输出PWM驱动信号分别接第一开关管FET1、第四开关管FET4的栅极；H桥驱动级1061输出PWM驱动信号分别接第二开关管FET2、第三开关管FET3的栅极；第一开关管FET1和第二开关管FET2的漏极接工作电压VDD；第三开关管FET3和第四开关管FET4的源极接地VSS；第一开关管FET1的源极和第三开关管FET3的漏极作为输出Vo的一端，第二开关管FET2的源极和第四开关管FET4的漏极作为输出Vo的另一端。
进一步地，为了防止MOSFET被击穿，四个开关管的源极与漏极之间各接一个快速恢复二极管D1、D2、D3和D4。
在本实用新型实施例中，时钟分频模块102产生过采样模块104所需的2倍升频采样时钟、4倍升频采样时钟和128倍升频采样时钟。
控制接口模块103接收配置信息，并根据接收到的配置信息配置数字音频功率放大器内部相应模块的参数，例如通过控制接口模块103配置音频接口模块101处理的音频数据格式、字长等，配置时钟分频模块102产生的时钟，还有其他模块需要配置的信息等。这里，控制接口模块103通过SDA端接收配置信息，并将接收到的配置信息输出到相应寄存器中保存。
为了提高数字音频功率放大器的处理能力，增加均衡，动态范围处理，音量调节等多媒体处理功能，作为本实用新型的一个优选实施例，数字音频功率放大器还包括：
音频处理模块108，与音频接口模块101和采样频率转换/插零单元1041连接，将音频接口模块101输出的音频数据进行音效处理，并将处理后的音频数据输出给采样频率转换/插零单元1041。其中，音效处理包括均衡、动态范围控制等处理。音频处理模块108可以采用数字信号处理器(Digital SignalProcessing，DSP)实现。
本实用新型实施例提供的数字音频功率放大器可以为独立的设备，也可以集成在其他音频处理设备内。
在本实用新型实施例中，通过直接对数字信号进行放大处理，实现了一种数字音频功率放大器，缩短了信号的处理通道，抗干扰能力强、失真小、功率大、效率高，可以完全取代音频数字模拟信号转换器(Digital Analog Converter，DAC)和模拟输入功放，节省资源。
并且，通过音频处理模块对音频数据进行均衡、动态范围控制等音效处理，提高了数字音频功率放大器的处理能力。
以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1、一种数字音频功率放大器，其特征在于，所述数字音频功率放大器包括顺序连接的音频接口模块、过采样模块、调制器、数字功率放大器、低通滤波器，所述数字音频功率放大器还包括根据接收到的配置信息配置所述数字音频功率放大器内部相应模块参数的控制接口模块、为所述过采样模块提供时钟信号的时钟分频模块；
所述音频接口模块将接收到的字长为16-24比特的音频数据分离为左、右声道音频数据；
所述过采样模块将所述音频接口模块输出的音频数据按照所述调制器确定的采样频率进行过采样插零处理；
所述调制器将过采样插零处理后的音频数据调制为脉宽调制信号。
2、如权利要求1所述的数字音频功率放大器，其特征在于，所述过采样模块包括：
采样频率转换/插零单元，与所述音频接口模块连接，通过时钟频率变换对音频数据进行插零处理；
数字滤波器，与所述采样频率转换/插零单元连接，对插零后的音频数据进行低通滤波；以及
升频梳状积分滤波单元，与所述数字滤波器连接，对所述数字滤波器滤波后的音频数据进行过采样、滤波处理。
3、如权利要求2所述的数字音频功率放大器，其特征在于，所述数字滤波器为半带型滤波器。
4、如权利要求2所述的数字音频功率放大器，其特征在于，所述升频梳状积分滤波单元包括顺序连接的梳状组件、上采样组件和积分组件，所述上采样组件对所述梳状组件输出的音频数据进行过采样处理。
5、如权利要求1所述的数字音频功率放大器，其特征在于，所述调制器为实现单比特字长数据流调制的sigma_delta调制器。
6、如权利要求1所述的数字音频功率放大器，其特征在于，所述数字功率放大器由H桥驱动级和H桥功率级组成。
7、如权利要求1所述的数字音频功率放大器，其特征在于，所述H桥驱动级包括：非门、第一延迟器、第二延迟器、或非门、同或门、第一与门和第二与门；
接收到的所述脉宽调制信号分别接第一与门的第一输入端、非门输入端、同或门的输入端和第二延迟器的输入端，非门的输出端分别接第二与门的输入端、或非门的输入端和第一延迟器的输入端，第一延迟器的输出端接或非门的第二输入端，或非门的输出端接第一与门的第二输入端，第二延迟器的输出端接同或门的第二输入端，同或门的输出端接第二与门的输入端，第一与门输出脉宽调制驱动信号，第二与门输出反相且具有一定死区时间间隔的的脉宽调制驱动信号。
8、如权利要求6所述的数字音频功率放大器，其特征在于，所述H桥功率级由四个开关管组成，其对角组成推挽输出。
9、如权利要求1所述的数字音频功率放大器，其特征在于，所述数字音频功率放大器还包括：
音频处理模块，与所述音频接口模块和过采样模块连接，将所述音频接口模块输出的音频数据进行音效处理，并将处理后的音频数据输出给所述过采样模块。
10、一种音频处理设备，其特征在于，所述音频处理模块包括权利要求1至9任一项所述的数字音频功率放大器。
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