双音圈喇叭d类数字功放系统及其信号处理方法
【专利摘要】本发明提供了一种双音圈喇叭D类数字功放系统及其信号处理方法，系统包括：音频信号采集单元；用于对音频信号进行差分双PWM调制后输出两路PWM调制信号的DSP差分PWM调制单元；第一和第二PWM驱动单元；用于将合成两路PWM调制信号并还原的双音圈喇叭单元；音频信号采集单元的输出端连接至DSP差分PWM调制单元的输入端；DSP差分PWM调制单元包括两路输出，分别连接至第一和第二PWM驱动单元的输入端；第一和第二PWM驱动单元的输出端分别连接至双音圈喇叭单元的两个音圈。本发明可以提高整个系统的音频性能和两倍于普通功放的功率输出，类似于BTL输出的功率提升能力；采用数字技术处理也方便芯片级集成应用。
【专利说明】双音圈喇叭D类数字功放系统及其信号处理方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及D类数字功放技术与电声喇叭，尤其涉及一种双音圈喇叭D类数字功放系统及其信号处理方法。
【背景技术】
[0002]随着技术的发展和人们生活水平的提高，音响产品几乎已经遍及我们每一个家庭及个人的音乐产品中，但当前能源紧缺和地球环境的日益恶化，绿色节能产品迅速得到了各国政府的大力支持，同时也得到了人们的认可，因此近些年音响产品中数字功放也得到了非常快速的发展，目前已经从小到人们手随身听、手机的音乐播放，家庭音响中的电视音响、家庭影院，专业音响领域的大功率专业功放等等，都有数字功放的身影；且基本也得到了绝大多数用户的认可，但是由于数字功放技术的限制，目前从音质上与线性功放相比，还是有一定的差距，这主要是由于数字功放的调制技术与数模转换技术的缺陷产生的，比如在数模转换上，目前几乎所有的数字功放都是采用低通滤波器来滤除高频调制载波以还原模拟音频信号的方式，但由于不可能有理想化的滤波器，在滤波后一定还会有部分残余载波信号叠加在模拟音频信号上，从而影响了数字功放的性能。
[0003]因此就需要一种不同的信号调制方式和输出技术来消除残余载波信号对传统数字功放性能的影响，实现提高数字功放性能的目的。
【发明内容】
[0004]本发明的目的在于提供一种双音圈喇叭D类数字功放系统及其信号处理方法，消除音频信号中的残余载波信号，提升数字功放性能。
[0005]为达到上诉目的，本发明是通过以下技术方案实现的。
[0006]本发明提出了一种双音圈喇叭D类数字功放系统，包括:
用于采集外部的音频信号并输出的音频信号采集单元；
用于对所述音频信号进行差分双PWM调制后输出两路PWM调制信号的DSP差分PWM调制单兀；
用于接收PWM调制信号并对其进行功率放大后输出的第一 PWM驱动单元和第二 PWM驱动单元；
用于将所接收的两路PWM调制信号混合叠加后还原成声音信号的双音圈喇机单兀；所述音频信号采集单元的输出端连接至DSP差分PWM调制单元的输入端；DSP差分PWM调制单元包括两路输出，一路输出端连接至第一 PWM驱动单元的输入端、另一路输出端连接至第二 PWM驱动单元的输入端；第一 PWM驱动单元的输出端连接至双音圈喇叭单元的一个音圈，第二 PWM驱动单元的输出端连接至双音圈喇叭单元的另一个音圈。
[0007]其中，所述双音圈喇叭单元的两个音圈可以单端的方式分别连接至第一 PWM驱动单元和第二 PWM驱动单元的输出端，两个音圈的另一端分别连接至参考地。
[0008]在采用单端连接方式时，上述系统还可包括:用于滤除PWM调制信号中载波的第一低通滤波单元和第二低通滤波单元；
所述第一 PWM驱动单元的输出端通过第一低通滤波单元连接至双音圈喇叭单元的一个音圈，所述第二 PWM驱动单元的输出端通过第二低通滤波单元连接至双音圈喇叭单元的另一个音圈。
[0009]其中，所述双音圈喇机单元的两个音圈还可通过BTL (Bridge-Tied-load,桥接式负载)方式连接至PWM驱动单元，此时上述系统还应包括:用于接收反向PWM调制信号并对其进行功率放大后输出的第三PWM驱动单元和第四PWM驱动单元；
所述DSP差分PWM调制单元还用于在对所述音频信号进行差分双PWM调制输出两路PWM调制信号的同时，调制输出两路反向PWM调制信号，其中一路输出端至第三PWM驱动单元的输入端、另一路输出端至第四PWM驱动单元的输入；
所述双音圈喇叭单元的一个音圈的两端分别与第一 PWM驱动单元的输出端和第三PWM驱动单元的输出端连接；另一个音圈的两端分别与第二 PWM驱动单元的输出端和第四PWM驱动单元的输出端连接。
[0010]在采用BTL连接方式时，上述系统还可包括:用于滤除PWM调制信号中载波的第一低通滤波单元和第二低通滤波单元，用于滤除反向PWM调制信号中载波的第三低通滤波单元和第四低通滤波单元；
所述第一 PWM驱动单元的输出端、第三PWM驱动单元的输出端分别通过第一低通滤波单元、第三低通滤波单元连接至双音圈喇叭单元的一个音圈的两端，所述第二 PWM驱动单元的输出端、第四PWM驱动单元的输出端分别通过第二低通滤波单元、第四低通滤波单元连接至双音圈喇机单元的另一个音圈的两端。
[0011]相应地，本发明还提出了一种上述系统的信号处理方法，包括步骤:
采集外部的音频信号；
对所述音频信号进行差分双PWM调制，输出两路PWM调制信号；
对所述两路PWM调制信号分别进行功率放大处理；
将所述经功率放大处理后的两路PWM调制信号混合叠加成一路信号，再并其还原成声音信号后输出。
[0012]其中，所采集的音频信号为数字信号或者模拟信号。
[0013]本发明与现有技术相比，有益效果在于:
本发明提出的D类数字功放系统采用数字DSP技术算法调制产生两路互补的PWM信号，然后通过PWM驱动单元互补输出，再经过低通滤波器输出后驱动双音圈喇叭还原出模拟音频，两个通道的残余载波将会在双音圈喇叭中相互抵消，由于采用了 PWM差分互补技术与磁混合技术，同时后级功率放大和喇叭为两套且完全相同，因此，本发明可以提高整个系统的音频性能和两倍于普通功放的功率输出，类似于BTL (桥接式负载，以下简称BTL)输出的功率提升能力；采用数字技术处理也方便芯片级集成应用。另外，由于本发明采用的是差分互补双路PWM输出，在输出端可以适当简化对输出滤波器的要求，也能够适当降低滤波器的成本。
【专利附图】
【附图说明】
[0014]图1为本发明系统组成原理示意图； 图2为本发明双音圈单端连接方式框图；
图3为本发明双音圈BTL连接方式框图；
图4为传统的D类数字功放PWM调制原理图；
图5为本发明双差分PWM调制原理示意图；
图6为本发明在输入信号为零时输出载波在双音圈喇叭内混合抵消原理示意图；
图7为本发明在输入信号为正电平时输出载波在双音圈喇叭内混合抵消原理示意图。
【具体实施方式】
[0015]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仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0016]请参阅图1所示，其显示出了本发明之较佳实施例的一种实施方式，包括:音频信号采集单元1，DSP差分PWM调制单元2，PWM驱动A单元31，PWM驱动B单元32，低通滤波A单元41,低通滤波B单元42,双音圈喇ΡΛ单元5。
[0017]请参阅图1所示，音频信号采集单元I主要是完成对外部音频信号的采集，原则上是不具体指定外部信号是模拟信号还是数字信号，也不特指某一种采集方式，本单元最主要的目的是得到一种特定的数字音频格式，然后输出给后级DSP差分PWM调制单元2进行处理。
[0018]传统的D类数字功放PWM调制原理请参阅图4所示,输入一个如图4a所示的音频信号，再让其与一个固定频率且线性度良好的三角波信号进行比较，如图4b所示，将这两个信号进行比较后调制出如图4c所示的含有输入音频信息的PWM调制信号，将PWM调制信号进行电流电压放大后再经过低通滤波后还原出如图4d所示的模拟音频信号。本发明的PWM调制方式也是基于这样的调制原理，但最大的不同在于本发明采用的是差分双PWM调制。请参阅图1所示，DSP差分PWM调制单元2主要是完成音频信号采集单元I送来的数字音频进行PWM调制DSP算法处理，调制原理如图5所示，对于如图5a所示的输入音频信号，在DSP内部有两个通道同步进行调制，图5b是一个通道(A通道)音频信号与三角波信号比较的示意图，图5e是另一个通道(B通道)音频信号与移向180度的三角波信号比较的示意图，经过调制后得到如图5c所示的A通道与如图5f所示的B通道的差分PWM调制信号，并将两个通道的PWM信号输出，完成差分双PWM调制功能。
[0019]请参阅图1所示，PWM驱动A单元31与PWM驱动B单元32的作用是接收来自DSP差分PWM调制单元2输出的两路差分PWM调制信号，A通道PWM调制信号和B通道PWM调制信号，并将两个通道的PWM调制信号进行功率放大。
[0020]请参阅图1所示，低通滤波A单元41与低通滤波B单元42的作用是将经过PWM驱动A单元31与PWM驱动B单元32放大后的功率信号进行低通滤波，滤除高频载波成分，还原出A通道与B通道的音频信号；还原后的音频信号波形如图5d和图5g所示。
[0021]请参阅图1所示,双音圈喇叭单元5负责将来自低通滤波A单元41和低通滤波B单元42输出的模拟音频信号，低通滤波A单元41输出的信号连接到双音圈喇叭单元5的一个音圈A，低通滤波B单元42输出的信号连接到双音圈喇叭单元5的另一个音圈B，两通道的音频信号在双音圈喇叭单元5中混合、叠加，最终共同推动同一个喇叭音盆，还原出声音信号。
[0022]请参阅图2和图3所示的双音圈喇叭单元5的两种连接形式。图2所示的是双音圈喇叭单元5的两个音圈都以单端的方式连接到A通道与B通道的输出端，两个音圈的另一端是连接到参考地。图3所示的是双音圈喇叭单元5的两个音圈都以BTL的方式连接到A通道与B通道的输出端，这种连接方式需要在如图2所示的单端连接方式的基础上，分别对A通道和B通道在DSP差分PWM调制单元2再调制出两个反向PWM信号，同时各增加一套反向PWM驱动和低通滤波即可，如图3所示的33、43、34、44单元；通过采用这种方式的应用，则可以简化本发明对电源供应的要求，尤其适合低电压、小功率和集成化的应用。上述两种连接方式显示出了本发明之较佳实施例的部分实施方式，应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0023]请参阅图6所示，图6a至图6g为输入电平为零时,本发明在改善性能的原理示意图，本示意图是基于图2的连接方式进行分析的，但不限定只用于本连接方式。图6a与图6c为A通道和B通道的三角波信号与输入电平相比较，得到如图6b与图6d所示的PWM调制信号和经过低通滤波后的输出残余载波信号，从图中可以看出两个通道的PWM调制信号和经过低通滤波后的输出残余载波信号是大小相等，相位相反的。从反向叠加原理来看，当我们将图6e和图6f的两个信号进行叠加，由于反向作用，这两个通道的残余载波将会在双音圈喇叭单元5中相互抵消，最终会得到如图6g所示的输出信号，因此将大为改善现有D类数字功放的性能。
[0024]请参阅图7所示，图7a至图7g为输入电平为一直流高电平时，本发明在改善性能的原理示意图，本示意图是基于图2的连接方式进行分析的，但不限定只用于本连接方式。图7a与图7c为A通道和B通道的三角波信号与输入电平相比较，得到如图7b与图7d所示的PWM调制信号和经过低通滤波后的输出残余载波信号，由于两个通道的三角波的相位是相差180度的，从图中可以看出当在有直流高电平输入时，两个通道的PWM调制信号和经过低通滤波后的输出残余载波信号是大小相等，相位也是相差180度的。同样我们将图6e和图6f的两个残余载波信号进行叠加，由于两个残余载波相差180度，这两个通道的残余载波将会在双音圈喇叭单元5中相互叠加,最终会得到如图6g所示的残余载波频率相比普通D类数字功放高一倍，相对幅度小得多的输出信号，同样将大为改善现有D类数字功放的性能。对于当输入电平为一直流负电平的状况，原理与上述情况相似，因此不再阐述。
[0025]请参阅图1所示，结合上诉本发明对D类数字功放的性能的改善作用，当DSP差分PWM调制单元2采用适当的调制频率时，并结合双音圈喇叭合成时残余载波的抑制作用，低通滤波A单元41与低通滤波B单元42是可以适当简化或者完全省略的。
[0026]以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【权利要求】
1.一种双音圈喇叭D类数字功放系统，其特征在于，包括: 用于采集外部的音频信号并输出的音频信号采集单元； 用于对所述音频信号进行差分双PWM调制后输出两路PWM调制信号的DSP差分PWM调制单兀； 用于接收PWM调制信号并对其进行功率放大后输出的第一 PWM驱动单元和第二 PWM驱动单元； 用于将所接收的两路PWM调制信号混合叠加后还原成声音信号的双音圈喇机单兀； 所述音频信号采集单元的输出端连接至DSP差分PWM调制单元的输入端；DSP差分PWM调制单元包括两路输出，一路输出端连接至第一 PWM驱动单元的输入端、另一路输出端连接至第二 PWM驱动单元的输入端；第一 PWM驱动单元的输出端连接至双音圈喇叭单元的一个音圈，第二 PWM驱动单元的输出端连接至双音圈喇叭单元的另一个音圈。
2.如权利要求1所述的双音圈喇叭D类数字功放系统，其特征在于，所述双音圈喇叭单元的两个音圈均以单端的方式分别连接至第一 PWM驱动单元和第二 PWM驱动单元的输出端，两个音圈的另一端分别连接至参考地。
3.如权利要求2所述的双音圈喇叭D类数字功放系统，其特征在于，该系统还包括:用于滤除PWM调制信号中载波的第一低通滤波单元和第二低通滤波单元； 所述第一 PWM驱动单元的输出端通过第一低通滤波单元连接至双音圈喇叭单元的一个音圈，所述第二 PWM驱动单元的输出端通过第二低通滤波单元连接至双音圈喇叭单元的另一个音圈。
4.如权利要求1所述的双音圈喇叭D类数字功放系统，其特征在于，该系统还包括:用于接收反向PWM调制信号并对其进行功率放大后输出的第三PWM驱动单元和第四PWM驱动单元； 所述DSP差分PWM调制单元还用于在对所述音频信号进行差分双PWM调制输出两路PWM调制信号的同时，调制输出两路反向PWM调制信号，其中一路输出端至第三PWM驱动单元的输入端、另一路输出端至第四PWM驱动单元的输入； 所述双音圈喇叭单元的一个音圈的两端分别与第一 PWM驱动单元的输出端和第三PWM驱动单元的输出端连接；另一个音圈的两端分别与第二 PWM驱动单元的输出端和第四PWM驱动单元的输出端连接。
5.如权利要求4所述的双音圈喇叭D类数字功放系统，其特征在于，该系统还包括:用于滤除PWM调制信号中载波的第一低通滤波单元和第二低通滤波单元，用于滤除反向PWM调制信号中载波的第三低通滤波单元和第四低通滤波单元； 所述第一 PWM驱动单元的输出端、第三PWM驱动单元的输出端分别通过第一低通滤波单元、第三低通滤波单元连接至双音圈喇叭单元的一个音圈的两端，所述第二 PWM驱动单元的输出端、第四PWM驱动单元的输出端分别通过第二低通滤波单元、第四低通滤波单元连接至双音圈喇机单元的另一个音圈的两端。
6.一种如权利要求1至5任一所述双音圈喇叭D类数字功放系统的信号处理方法，其特征在于，该方法包括步骤: 采集外部的音频信号； 对所述音频信号进行差分双PWM调制，输出两路PWM调制信号；对所述两路PWM调制信号分别进行功率放大处理； 将所述经功率放大处理后的两路PWM调制信号混合叠加成一路信号，再并其还原成声音信号后输出。
7.如权利要求6所述的信号处理 方法，其特征在于，该方法中所采集的音频信号为数字信号或者模拟信号。
【文档编号】H04R3/00GK103491485SQ201310396790
【公开日】2014年1月1日 申请日期:2013年9月4日 优先权日:2013年9月4日
【发明者】沈紫辉, 程友平, 黎刚 申请人:国光电器股份有限公司