CN201590835U - 高保真声音再现系统 - Google Patents

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Abstract

本公开涉及一种高保真声音再现系统，通过控制单元(4)将数字信号从重放单元(2)传送到一个或多个有源扬声器(7)的高保真声音再现系统，每个有源扬声器都包括放大器单元(9)或在旁边布置有放大器单元(9)，控制单元(4)包括对声音参数进行控制并发送数字声音信息信号(3，8)以及为放大器单元(9)供电的电力信号的装置；并且控制单元包括将单端或差动数字信号(8)以及电力信号叠加在电缆(10)内的至少一条共用导线上的装置，电缆包括至少两条导线。本公开的一个实施例解决的一个技术问题是声音系统中电源单元体积大、不能保证声音系统的性能。根据本公开的一个实施例的一个用途是提供高保真的声音并且使所导致的噪声水平最小。

Description

高保真声音再现系统
技术领域
本实用新型涉及一种Hi-fi声音再现系统，其具有集成在常规无源扬声器内的子系统，以便将这些扬声器转变成高性能有源扬声器。
背景技术
Hi-fi同义于“高保真”，在下文中特别是指力求提供尽可能身临其境般音质的家庭用声音系统。换句话说，该种声音再现系统被设计成提供一种听众感觉为非常像或者完全像原声的声音。该种系统需要高精度以及大的电力。
本实用新型的全套系统包括：有源扬声器7、放大器单元9、电源单元6、控制单元4、用于再现以数字形式或模拟形式存储或者接收的声音的设备2、以及一条或多条电缆10。有源扬声器意为具有集成放大器的扬声器。换句话说，扬声器的放大器物理上位于与将电信号转变成声音的扬声器驱动器11、12和13相同的单元中。优选地，放大单元可为印刷电路板以便于集成在扬声器壳体内，并且进一步包括多个组件，这些组件被设计为接收标准化数字电声信号并将其转变成带有分离声音数据数字信号及适合于数字信号处理器(DSP)15的时钟信号14。放大单元进一步包括：数字信号处理器15、19；电力组件14、18，其用于为放大单元和数字电路供电；信号调整组件16a、16b和16c，其用于将数字信号转变成模拟信号；及放大组件17a、17b、17c或20，其用于放大数字或模拟音频信号。
电源单元意指将供电主线的交变电压转换成一个或多个适于驱动放大单元9的DC电压电平的子系统。电源单元6包括至少一个对交流电压电平进行变压的变压器以及至少一个用于从AC到DC转换的整流器。在本实用新型的理念中，该整流器或这些整流器可与变压器物理分离，而与放大器单元9集成在一起。
控制单元意指对数字声音信号以及供电电流进行调整并经由电缆10将其传输至有源扬声器7的单元。控制单元可包括(例如)音量控制、低音和高音控制、不同声源之间的选择、或允许用户对声音进行控制的其他控制，并且控制单元可具有与经储存或传输的声音的远程控制重放进行交互的接收器。
在下文中，设备2被称为重放单元2，它是将来自现场声源(例如，麦克风或乐器)或来自例如如下存储的声音的数据声音信号提供给本系统的单元：CDTM、SACDTM、DVDTM、DVD-audioTM、HD-DVDTM、Blu-rayTM、硬盘、可替换类型的数据存储器或因特网。此外，电视/无线电接收器、游戏控制台、或其他带有数字声音输出的设备同样可构成重放单元2。对于从麦克风或乐器接收到的模拟声音，重放单元2可以作为诸如CD播放器、模数转换器(A/D转换器)的控制单元的一个集成部分。
电缆10包括至少一条导线，该导线优选地沿其长度在电缆端部与周围环境电隔离。如果电缆包括两条或者更多条的导线，那么这些导线也彼此电隔离。电缆可包括被用来防止导线内感应出电磁干扰的导电屏蔽。
关于有源高保真扬声器的现有技术的现状存在一些问题。例如，因为电源单元会在扬声器壳体中占据相当的体积，所以为了将放大器集成在扬声器壳体内，必须从一开始就将这一点纳入考虑来对扬声器进行设计。这就使得有源高保真扬声器的研发费用高昂。这对于从零开始研发这种扬声器的制造商来说是一个巨大的跨越，因为他们需要完全新的构造以及附加的高级电子电路。由于放大器单元9与无源扬声器中存在的无源电子电路具有相同的物理尺寸，所以可选地，本实用新型能将现有的无源扬声器改装而形成有源扬声器。
利用当今的技术条件，对于高保真唯一现实的方式是使电源单元6与有源扬声器7相分离。若要集成尺寸大于无源扬声器电子单元的电子单元，壳体设计就会负面地影响声音特性，这是因为体积和形状是实现高保真的非常重要的参数。本实用新型使得由传统的无源扬声器便能获得有源扬声器的优点。
在一开始就采用如上设计的高保真有源扬声器中，必须对电源电子电路的性能与其在扬声器壳体内可占据的空间以及扬声器多大、多重进行权衡。如果电源单元尺寸不够大，就会相当大地损害声音系统的性能。此外，电源单元会在放大器的输出晶体管附近产生热，且两者必须以有效方式进行冷却。这会导致放大器冷却装置变得不必要地笨重。
除了与有源扬声器发展有关的问题之外，现有技术还给用户造成了若干问题。一个例子就是电缆的布置，当今，有源高保真扬声器的电缆布置要比传统无源扬声器的布置面积大得多。每个扬声器壳体都需要电源电缆和信号电缆。此外，多个解决方案需要用于控制集成放大器的第三电缆。连接到每个扬声器的数条电缆的存在使得清洁起来困难，并且很多用户还发现这样不美观。很多用户不愿将长电缆布线到壁上插座。此外，由于必须将扬声器放置在能通到壁上插座的区域，所以这还会限制家居布置替换方案。
由于没有控制单元4，所以当今有源扬声器内放大器的控制也存在着问题。例如，在带有无源扬声器的常规系统中，有同样用于调节音量的外部放大器或前置放大器。而在带有高保真有源扬声器的数字系统中，必须转而直接在扬声器处以物理的方式或经由远程控制才能进行这种调节。然而，本实用新型的实施方案看起来完全像带有有源扬声器的常规系统，这是因为用于用户的控制单元看起来像带有无源扬声器的常规系统内的放大器或前置放大器，并且在功能上两者相同。
实用新型内容
本公开的一个实施例解决的一个技术问题是声音系统中电源单元体积大、不能保证声音系统的性能。
本实用新型通过使电源单元6与有源扬声器7物理分离来解决上述问题。这允许放大单元9制作得充分小，以使得能够在无源扬声器内进行所述集成时，不会有损关于电力或精度方面的音质。电源单元与放大器单元的分离使得能够解决与每个有源扬声器连接的多条电缆的问题，这是因为单条电缆10将数字声音信号和供电信号从控制单元4输送至有源扬声器7。为了驱动高保真放大器，电缆10必须能够将至少160瓦特的连续电力输送给每个有源扬声器7。还可获得非常高效的例如D类类型放大器的放大器。该种解决方案也可以降低电力传送的要求，并因此降低电缆10内导线的横截面。但这种方案并不适合于利用了当今技术的高保真系统，这是因为相比于例如A类、AB类和B类模拟放大器的失真，D类放大器和类似解决方案的失真更大。这种失真对于具有更高频率的声音最为明显，这意味着中音和高音的放大器优选地应为模拟放大器。高效率的D类和类似的放大器技术适合于低频声音(低音)，这是因为这些范围内的失真相比于例如扬声器驱动器较大。这意味着，其中对于放大器精度的要求被降低。此外，低音的再现需要最多的电力。无论是否使用高效率的放大器，每个真正高保真的有源扬声器都应具有总电力输出至少为150瓦特的放大器。具有最小的损失，这意味着电缆10应被设计为连续输送至少160瓦特的电力。
根据本公开的一个实施例，提供了一种通过控制单元4将数字信号从重放单元2传送到一个或多个有源扬声器7的高保真声音再现系统，每个有源扬声器都包括放大器单元9或在旁边布置有放大器单元9，其特征在于：所述控制单元4包括对声音参数进行控制并发送数字声音信息信号3，8以及为放大器单元9供电的电力信号的装置；并且所述控制单元包括将单端或差动数字信号8或者8a与8b以及所述电力信号叠加在电缆10内的至少一条共用导线上的装置，所述电缆包括至少两条导线。
根据本公开的一个实施例，提供了一种通过控制单元4将数字信号从重放单元2传送到一个或多个有源扬声器7的高保真声音再现系统，每个有源扬声器都包括放大器单元9或在旁边布置有放大器单元9，其中控制单元4包括对声音参数进行控制并发送数字声音信息信号3、8以及为放大器单元9供电的电力信号的装置；并且控制单元包括将单端或差动数字信号8以及电力信号叠加在电缆10内的至少一条共用导线上的装置，电缆包括至少两条导线。
根据本公开的一个实施例，其中对声音参数进行控制，并发送数字声音信息信号3、8以及用于为放大器单元9供电的电力信号的装置包括对声音参数进行控制并发送数字声音信息信号3、8以及为放大器单元9供电的直流馈电的装置。
根据本公开的一个实施例，其中为有源扬声器7供电的电源单元6包含在控制单元4中。
根据本公开的一个实施例，其中扬声器7中的至少一个包括多个扬声器驱动器11、12、13，且对应于至少一个扬声器的放大器单元9包括调整数字信号并将经过适当调整的信号提供至每个扬声器驱动器的装置。
根据本公开的一个实施例，其中放大器单元9包括用于至少两个频率范围的数字分频滤波器，并且包括提供均衡、限压、动态范围处理、动态均衡、音量与噪音选通中至少一个的装置。
根据本公开的一个实施例，其中放大器单元9包括将数字信号分成分别对应一个频率范围的多个中间信号并对每个中间信号进行调整、转换以及将其输送至相应的扬声器驱动器11、12、13的装置。
根据本公开的一个实施例，其中放大器单元9包括从共用电缆10中分离出与应输送至相应扬声器的声音相对应的数字信号的装置。
根据本公开的一个实施例，其中放大器单元9还包括用于对带有高频内容的信号进行处理的模拟放大器20。
根据本公开的一个实施例，其中放大器单元9包括接收叠加信号的接收器14。
根据本公开的一个实施例，其中接收器14或接收器14的一部分包含在处理器15中。
根据本公开的一个实施例，其中控制单元4包括从壁上插座或无线收发器接收数字声音信号的装置。
根据本公开的一个实施例，其中控制单元4还包括将叠加信号从控制单元4内的共用导线同时输送至所有扬声器7或者一组扬声器7的装置。
根据本公开的一个实施例，其中接收器14或接收器14的一部分包括仅解密用于相应扬声器的数字声音信号或解码后的声音信息信号的装置，并且扬声器以串接方式或分接方式连接。
本实用新型还使得能够使用带有很少量导线的标准电缆，以致于电缆端部不需特殊连接器便可简单地进行安装。这意味着，用户可获得成米销售的电缆10，切割成最佳的长度，以便有效而实用地在任何类型房间内布置电缆。
另外，由于控制单元4将数字音频信号一直输送到有源扬声器7内的放大器9，所以本系统还提供其他已知的优点。这可提供无噪声的信号传送，一直传送至扬声器壳体都没有任何的音频干扰，因为放大器9可用存储在存储媒介1中的声音数据完全相同的声音数据进行工作。在高保真扬声器中，期望利用所谓的分频滤波器将电信号分成至少两个频率范围。这是因为迄今为止，还没有任何高保真扬声器驱动器能够处理整个可听频率范围。反而必须针对至少低频声音和高频声音(分别是低音和高音)使用单独的扬声器驱动器。为了进一步提高声音再现的精度，信号常常被分离并使之进入3个或更多个单独扬声器驱动器，例如低音驱动器、中音驱动器、高音驱动器。由此，扬声器驱动器仅需在其声音特性最佳的频率范围内工作。通过以处理装置15内的数字滤波器替代常规有源扬声器内的模拟分隔滤波器，本实用新型使得一种现实中利用模拟电子电路不可能实现的滤波器设计能够实现。此外，处理装置15可以以数字方式补偿并提高声音特性，从而进一步提高声音再现的精度，使得声音再现系统产生近乎理想的高保真声音。
根据本公开的一个技术效果是，由于本实用新型仅在声音再现系统内最小的部件内提供电模拟音频信号，所以其对扰动非常不敏感并且所导致的噪声水平将会最小。
附图说明
图1示出所谓声音再现系统的概略图。图示中后面加带字母的编号指示多个相同的组件。具体地，编号之后的字母L、R和C是指示同类型组件的左、右、中的实例。这是一个3路(低音、中音和高音)、3声道声音(L、R和C)的实例系统，但本实用新型并非限定于3声道声音，并且本系统内放大器单元9和扬声器的数量可为任意。同样地，扬声器驱动器11、12或13的数量，以及连接至每个放大器单元9的放大器17或20的数量为任意。
图2示出与图1相同的声音再现系统，但其在控制单元4与有源扬声器7之间设有无源扬声器不可能实现的替代电缆布置。
图3示出放大器单元9的一种可能设计，该设计在每个声道的放大器之前具有数字信号到模拟信号的信号转变。图中只示出关键的组件。图示中后面加带字母的数字指示同类型的多个组件。
图4示出放大器单元9的另一种可能设计，该设计针对至少某些声道具有数字PCM数据到数字PWM数据19的信号转变，在信号转变之后是用于该类输入信号的例如D类放大器的放大器20。其中只示出关键的组件。图示中，后面加带字母的编号是指示同类型的多个组件。
图5示出叠加信号的实例，该实例使得能够经由带有两条导线的电缆10来传送降压型直流馈电或交流馈电以及单端数字信号。附图中后面加带字母的编号指示同类型的多个组件。
图6示出叠加信号的实例，该实例使得能够经由带有两条导线的电缆10来传送降压型直流馈电或交流馈电以及差动数字信号。附图中后面加带字母的编号指示同类型的多个组件。
图7示出叠加信号的实例，该实例使得能够经由带有三条导线的电缆来传送降压型直流信号(其相对于接地既具有正电压又具有负电压)以及差动数字信号。附图中后面加带字母的编号指示同类型的多个组件。
具体实施方式
本说明书是按照从重放单元至扬声器驱动器的信号路径来进行描述的。
来自数字重放单元的信号通常符合声音的数字传送标准，例如，S/PDIF(属于IEC-60958标准)、AES/EBU(属于AES3标准)或DSDTM(直接数字流)。该信号可以包含未压缩声音样本的信息(例如，脉冲编码调制-PCM)、在再现之前必须被解码的压缩数据流(例如，Dolby DigitalTM或DTSTM)，或者如果该信号即将通过适合硬件(DTSTM)被直接发送，该信号可以包含直接对应于声音信号的数据流。放大器单元9内的控制单元4或处理单元15能够解码压缩数据流。
在优选实施例中，控制单元4通过解码或者不解码、通过对信号进行转变以使其符合未压缩立体声的AES/EBU标准，来准备信号。为了使得控制单元4能够发送例如音量和其他对放大器单元9的信号调节的声音参数，控制单元会将所有这些数据放在输出数据流的一部分中，在该标准中，所有这些信息称为“用户数据”。该协议当中的这个部分可以任意设定，而不违反标准规范。除了对数据进行基本重新编码之外，对数据的例如针对室内音效的修正的额外可选修改也发生在控制单元4内。于是，根据图6或图7，控制单元4叠加AES/EBU-信号8a和8b。高通滤波器21a、21b和23及低通滤波器22a、22b、24a和24b在发送侧和接受侧上被布置成使数字信号与直流馈电相分离。在与处理装置15交接的数据总线25上，高通滤波器23还包含将AES/EBU信号转变成例如I2S的适合格式的AES/EBU接收器。带有至少两条导线的电缆10被布置在控制单元4与放大器单元9之间，以连接这些组件。粗导线使得能够传输用于高保真的有源扬声器7的强直流电。
在另一优选实施例中，控制单元4通过解码或不解码、通过对信号进行转变以使其符合未压缩立体声声音的S/PDIF标准，来准备信号。控制单元可如同在先前实施例中那样重新编码信号，唯一的差别是该实施例中的编码遵循S/PDIF标准。根据图5，于是控制单元4叠加S/PDIF信号8。高通滤波器21和23及低通滤波器22和24分别在发送侧和接受侧上被布置成使数字信号与电力信号相分离。在与处理装置15交接的数据总线25上，高通滤波器23还包含将S/PDIF信号转换成例如I2S的适合格式的S/PDIF接收器。带有至少两条导线的电缆10被布置在控制单元4与放大器单元9之间，以连接这些单元。粗导线使得能够传输用于高保真的有源扬声器7的强电流。
在又一实施例中，控制单元通过与电流供电处于同一电缆中的单独导线将数字声音信号发送至放大器单元9。依据放大器单元9是否也需要相对于接地的负电压供应，放大器单元9需要三条至四条导线。
在本实用新型再一实施例中，本系统看起来像先前实施例中的一些，但由控制单元4输送至有源扬声器7的数字信号以不同的方式编码，或者可选地，该数字信号以载波进行调制，使得放大器单元9能够利用适当的接收器14解译信号数字内容。
在本实用新型另一实施例中，本系统看起来像先前实施例中的一个，但控制单元并不实施任何重新编码，而是放大器单元9内的处理器15实施对应的重新编码。该解决方案需要在来自重放单元2的数据流内提供声音音量的信息，需要控制单元4将该信息放入其他方面未改变的、压缩的数据流内，或者需要声音数据自身已被更改以便调节音量。
放大单元9利用适当接收器14提取数据，并且在导线26和27(图5)内，或可选地，在导线26a、26b和27(图6或图7)内处理直流电流或交流电流，以为放大单元9提供针对包含在其内的不同组件的适合电压电平。整个电源单元或其转换器6与放大器有源组件(例如，17或20)物理分离，这并不意味着性能的下降。为了使得能够将大电流输送给放大器17或20，适当的电容器18并联耦接至放大器的电流馈电。当电容器18被充电时，它们能短时间内输送非常大的电流。
在优选实施例(图3)中，数模信号转换器(D/A转换器)16a、16b和16c被布置成提供直接对应于扬声器驱动器11、12和13在室内将要发射的声波的模拟电信号。A类、AB类、B类模拟放大器17a、17b和17c等被布置成放大由D/A转换器16a、16b和16c所提供的电音频信号。
在另一优选实施例(图4)中，数字PCM信号到PWM信号转换器(PWM处理器)19被布置成：在处理装置15之后，在同一放大器单元9的至少一个声道(例如，低频信号声道(低音声道))上产生数字PWM信号。为了放大该PWM信号，布置了给出高效率的D类等放大器20。
在另一实施例中，同一放大器单元9中的至少一个声道(例如，低频信号声道(低音声道))内布置有高效率放大器20(例如，D类放大器)，以放大D/A转换器16所产生的模拟信号。D类放大器输送脉冲信号，其中脉冲信号的持续时间或彼此距离受控制，使得当低音驱动器内的机械惯性结合这些脉冲信号时，获得所期望的声音，而同时相同的惯性会消除脉冲序列所产生的泛音。由于放大器基本上是作为开关在进行工作，所以放大器内的电力损失和发热会小。然而，该类放大器常常在输出端设有电重建滤波器，该电重建滤波器在被布置成将信号输送至所讨论的扬声器驱动器的电缆之前将高频分量移除。这是为了提供改善的音质，而同时最小化否则会产生的天线效应。
在前置放大器17或20中的放大和可选重建滤波之后，扬声器电缆被布置成将这些放大器中的每一个直接与其扬声器驱动器11、12和13连接。
在本实用新型的原理范围内，也可将放大器单元安装在其扬声器的背侧，以提供同样经过扬声器集成滤波器滤波的模拟声音信号。以此方式，可使用现有的扬声器，而无需拆卸。
在本实用新型的原理范围内，可通过调节每个放大器单元来对扬声器之内或之上的放大器单元进行单独的调节，或可从控制单元对其进行集中调节，以更改频带限制、滤波器斜率以及用于扬声器内扬声器驱动器的驱动的其他参数。
本实用新型允许用户选择许多可选的方式来将扬声器连接至控制单元，在实际或期望的情况下，可包括成链的串接式和/或分接式连接，以便减少电缆数量。可将声音信息输送至所有扬声器，并且每个扬声器的放大器可选取各自的声音信息，而不会受到其他扬声器的声音信息的干扰。此外，电缆的连接可以依靠逐导线的连接，而不依靠连接器，从而允许容易将电缆切割成正确长度，这与模拟扬声器的做法相同但地板上具有更少米数的电缆。
本实用新型并非仅限于使用3个扬声器，且控制单元可以以不同的方式以及从不同的源接收声音信号，包括通过插入壁上插座的本地电源或通过无线传输来接收。

Claims (13)

1.一种通过控制单元(4)将数字信号从重放单元(2)传送到一个或多个有源扬声器(7)的高保真声音再现系统，每个有源扬声器都包括放大器单元(9)或在旁边布置有放大器单元(9)，其特征在于：所述控制单元(4)包括对声音参数进行控制并发送数字声音信息信号(3，8)以及为放大器单元(9)供电的电力信号的装置；并且所述控制单元包括将单端或差动数字信号(8)以及所述电力信号叠加在电缆(10)内的至少一条共用导线上的装置，所述电缆包括至少两条导线。
2.根据权利要求1所述的高保真声音再现系统，其特征在于：所述对声音参数进行控制，并发送数字声音信息信号(3，8)以及用于为放大器单元(9)供电的电力信号的装置包括对声音参数进行控制并发送数字声音信息信号(3，8)以及为放大器单元(9)供电的直流馈电的装置。
3.根据权利要求1所述的高保真声音再现系统，其特征在于：为有源扬声器(7)供电的电源单元(6)包含在控制单元(4)中。
4.根据权利要求1所述的高保真声音再现系统，其特征在于：所述扬声器(7)中的至少一个包括多个扬声器驱动器(11，12，13)，且对应于所述至少一个扬声器的所述放大器单元(9)包括调整所述数字信号并将经过适当调整的信号提供至每个扬声器驱动器的装置。
5.根据权利要求4所述的高保真声音再现系统，其特征在于：所述放大器单元(9)包括用于至少两个频率范围的数字分频滤波器，并且包括提供均衡、限压、动态范围处理、动态均衡、音量与噪音选通中至少一个的装置。
6.根据权利要求4或5所述的高保真声音再现系统，其特征在于：所述放大器单元(9)包括将所述数字信号分成分别对应一个频率范围的多个中间信号并对每个中间信号进行调整、转换以及将其输送至相应的扬声器驱动器(11，12，13)的装置。
7.根据权利要求1或2所述的高保真声音再现系统，其特征在于：所述放大器单元(9)包括从所述共用电缆(10)中分离出与应输送至相应扬声器的声音相对应的数字信号的装置。
8.根据权利要求1或2所述的高保真声音再现系统，其特征在于：放大器单元(9)还包括用于对带有高频内容的信号进行处理的模拟放大器(20)。
9.根据权利要求1或2所述的高保真声音再现系统，其特征在于：放大器单元(9)包括接收叠加信号的接收器(14)。
10.根据权利要求9所述的高保真声音再现系统，其特征在于：所述接收器(14)或所述接收器(14)的一部分包含在所述处理器(15)中。
11.根据权利要求1或2所述的高保真声音再现系统，其特征在于：所述控制单元(4)包括从壁上插座或无线收发器接收数字声音信号的装置。
12.根据权利要求9所述的高保真声音再现系统，其特征在于：所述控制单元(4)还包括将叠加信号从所述控制单元(4)内的共用导线同时输送至所有扬声器(7)或者一组扬声器(7)的装置。
13.根据权利要求12所述的高保真声音再现系统，其特征在于：所述接收器(14)或所述接收器(14)的一部分包括仅解密用于相应扬声器的数字声音信号或解码后的声音信息信号的装置，并且扬声器以串接方式或分接方式连接。
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