專利名稱：一種高保真音頻信號放大方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及音頻信號放大技術(shù)。尤其是基于射頻傳輸?shù)母弑Ｕ嬉纛l信號放大方法及相應(yīng)的音頻信號放大器。
背景技術(shù)：
在保高真音頻放大器領(lǐng)域，現(xiàn)有的音頻信號放大模式都是采用寬帶線性直接模擬放大的基本形式。雖然放大器的形式上有多種多樣，如反饋放大式，前饋放大式(也有稱為電流傾注式)，預(yù)失真放大校正式等；以及放大器的工作狀態(tài)不同，有A類、AB類、B類等；放大器的結(jié)構(gòu)不同，有單端式，PP(對稱推挽)式，SEPP(單端推挽)式，以及SRPP等；采用的元器件不同，有真空管放大器、雙極型晶體管放大器，場效應(yīng)管(FET)放大器，以及混合放大器等。但其基本形式一樣都是屬于對輸入信號直接進(jìn)行模擬放大的類型。此類型的放大器共同的缺點(diǎn)是放大器的開環(huán)頻率范圍狹窄，響應(yīng)速度慢，線性度差，需要采用各種方式來校正失真。如反饋放大器，要減小失真和展寬頻帶，唯有增加反饋深度，但由于閉環(huán)后的放大器存在穩(wěn)定性方面的問題，需要對其進(jìn)行相位補(bǔ)償，導(dǎo)致放大器開環(huán)頻率低，響應(yīng)速度慢，當(dāng)放大器無法跟蹤快速變化的電信號時(shí)，會造成放大器瞬間過載而產(chǎn)生瞬態(tài)失真。此類放大器另外一個(gè)共同缺點(diǎn)是直接放大電信號，對于PP或SEPP型的放大器，其處理方法是將信號分割成正半周和負(fù)半周分開放大后再合成完整的電信號，由于兩邊放大器的特性(包括直流電源的特性)不完全相同，合成后的電信號會產(chǎn)生失真(包括相位失真)，如果信號的變化速度比放大器的響應(yīng)速度快，那么這失真是無法靠反饋來減小的。對于單端式放大器雖然信號放大的全過程都在同一放大器中，但信號的正半周和負(fù)半周放大過程仍處在放大器的不同工作狀態(tài)，信號的正半周從0到峰值放大器處于從大電流到飽和的工作狀態(tài)，信號的負(fù)半周從0到峰值放大器處于從小電流到截止的工作狀態(tài)，對于同一放大器來說工作狀態(tài)不同其特性也不相同，如阻抗、跨導(dǎo)、上升及下降時(shí)間等，這也會導(dǎo)致失真。也有非直接模擬放大音頻信號的方式，如直接對音頻信號進(jìn)行脈沖取樣，采用PWM技術(shù)的D類放大器及采用PCM技術(shù)的數(shù)字化音頻放大器，這類放大器可統(tǒng)稱為開關(guān)放大器，由于放大器不是直接放大音頻信號，因此它有許多優(yōu)點(diǎn)效率高、放大器本身不直接對所放大的音頻信號產(chǎn)生失真等。理論上這類放大器可獲得完美的放大效果，但由于各種復(fù)雜因素的影響，目前其實(shí)際的音響效果是不盡人意的，甚至還不如一些模擬放大器。雖然人耳所能覺察到的聲波頻率范圍僅為20-20000Hz，但實(shí)際上的樂音及語言聲波通過聲一電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)后所獲得的電信號是極為復(fù)雜的，并非單一的簡諧波，通過富立葉變換我們知道樂音及語言的聲頻電信號其頻譜是非常廣的，遠(yuǎn)不止20-20000Hz的范圍。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種非直接模擬放大音頻信號的方法，這種方法是將音頻信號直接加載于射頻信號中進(jìn)行傳輸，從而獲取高保真的音頻放大信號。
本發(fā)明所提供的高保真音頻信號放大方法，是在同一電路中由射頻調(diào)制器、射頻放大器、射頻解調(diào)器構(gòu)成的音頻信號放大器中，將被放大的音頻信號對射頻信號的頻率或相位或振幅進(jìn)行調(diào)制，獲得攜載有被放大音頻信息的射頻信號，通過高頻放大器放大此射頻信號，再將放大后的射頻信號調(diào)解還原出音頻信號，在放大了高頻信號的同時(shí)，音頻信號也間接地獲得了放大。
本發(fā)明基于射頻傳輸?shù)囊纛l信號放大方法與通常的直接模擬放大音頻信號以及數(shù)字化音頻放大的技術(shù)方法相比，具有許多優(yōu)越性響應(yīng)速度快，音頻信號是加載于射頻信號中放大的，射頻信號的頻率可比音頻信號的頻率高幾個(gè)數(shù)量級，因此音頻信號放大過程的傳輸速度也比直接模擬放大方式要快得多，這對減小失真十分有利；放大器中有源器件及無源器件的特性對音頻信號的影響要比直接模擬放大方式??；可放大的音頻上限頻率只與射頻放大器的通帶寬度有關(guān)，遠(yuǎn)比直接模擬放大方式要高；與數(shù)字化音頻放大器相比，本系統(tǒng)放大的是簡諧波，非開關(guān)信號，對有源器件的要求不高，而且工作頻率比數(shù)字化音頻的采樣頻率要高得多，頻帶窄，噪聲小，放大、匹配和控制容易。
實(shí)現(xiàn)本發(fā)明方法所提供相應(yīng)的高保真音頻信號放大器，是由射頻調(diào)制器、射頻放大器、射頻解調(diào)器在同一電路中構(gòu)成，其中射頻調(diào)制器包括射頻信號源、射頻信號調(diào)制單元、倍頻或變頻等頻率變換單元電路，射頻信號源是由振蕩器產(chǎn)生放大系統(tǒng)所需的高頻信號，音頻信號通過射頻調(diào)制器將未調(diào)制的高頻信號轉(zhuǎn)換成調(diào)幅信號或調(diào)頻信號，已調(diào)制的高頻調(diào)幅信號或調(diào)頻信號通過倍頻器或混頻器轉(zhuǎn)換成頻率較高或較低的信號；射頻放大器為高頻線性放大器包含高頻電信號的放大、放大器級間的高頻電信號的藕合、匹配和帶寬控制電路；射頻解調(diào)器包括已調(diào)制射頻信號的解調(diào)單元電路、濾除解調(diào)后音頻信號中載頻成份的射頻濾波器、隔離解調(diào)后的音頻信號中的直流分量的單元電路。
音頻信號對高頻信號的調(diào)制方法有以下幾種1、調(diào)幅方式；2、調(diào)頻方式；3、調(diào)相方式。相應(yīng)的解調(diào)方法為調(diào)幅方式用包絡(luò)檢波器來恢復(fù)音頻信號；調(diào)頻和調(diào)相方式用鑒頻器或鑒相器來恢復(fù)音頻信號。
本發(fā)明射頻調(diào)制采用振幅調(diào)制AM方式時(shí)，是指在射頻調(diào)制器中射頻信號的輸出振幅隨輸入音頻信號的大小而變化；振幅調(diào)制器可以是有載頻型、抑制載頻型、QAM型振幅調(diào)制器中的一種或幾種的組合，相應(yīng)的射頻解調(diào)器為可檢出射頻信號振幅變化的單元電路。獲得調(diào)幅信號的方法是將音頻信號疊加一直流分量后與載頻信號相乘。設(shè)音頻信號為VAF＝VAMCOSΩt，載頻信號VRF＝VRMCOSωt，m＝VAM/VRM為調(diào)幅度，(m≤1)。相乘后調(diào)幅信號為V＝VRM(1+mCOSΩt)×COSωt，載頻信號COSωt的振幅隨音頻信號(1+mCOSΩt)而變，這就是調(diào)幅原理。應(yīng)用上可采用普通的振幅調(diào)制器如電子管的柵極調(diào)制法；陰極調(diào)制法；陽極調(diào)制法；簾柵或抑制柵極調(diào)制法；混合調(diào)制法等。晶體管的基極、發(fā)射極、集電極調(diào)制法等。場效應(yīng)管的柵極、源極和漏極調(diào)制法等。也可用乘法式振幅調(diào)制器；雙柵場效應(yīng)管乘法調(diào)幅器；模擬乘法器構(gòu)成的振幅調(diào)制器。或用正交振幅調(diào)制方式(QAM)方式來實(shí)現(xiàn)調(diào)幅信號的產(chǎn)生。調(diào)幅高頻信號采用線性調(diào)諧放大器來放大，高頻放大器用調(diào)諧方式工作效率高、匹配容易、通帶窄、干擾和噪聲小、失真低。調(diào)諧放大器工作狀態(tài)可以是甲類、乙類或丙類，從減低失真、實(shí)現(xiàn)高保真音頻重放的角度考慮，以甲類工作狀態(tài)最好。調(diào)幅信號的解調(diào)方式有直接檢波式，對調(diào)幅高頻信號直接用高頻二極管進(jìn)行整流的方法來還原音頻；相干檢波式，用原載頻信號與調(diào)幅信號的邊頻合成的方法來還原音頻。解調(diào)后的音頻信號還含有高頻成份和直流分量，需要濾波除去高頻成份和隔離直流分量才能獲得純凈的音頻信號，濾波用RC、RL、RLC、LC等濾波器，隔離直流分量用RC。
本發(fā)明的射頻調(diào)制采用頻率調(diào)制方式時(shí)，是指在射頻調(diào)制器中射流信號的的輸出頻率隨輸入音頻信號的大小而變化。實(shí)現(xiàn)此調(diào)頻功能的方法有直接調(diào)頻法FM(也稱調(diào)頻法)、間接調(diào)頻法PM(也稱調(diào)相法)。直接調(diào)頻法系指將音頻信號通過改變射頻振蕩器振蕩回路中的電抗參數(shù)使振蕩頻率發(fā)生變化從而獲得調(diào)頻信號的方法，間接調(diào)頻法系指將音頻信號通過積分電路后再去調(diào)制射頻信號的相位從而間接獲得調(diào)頻信號的方法。放大調(diào)頻信號的高頻放大器與調(diào)幅波的高頻放大器一樣，帶寬要大一些。調(diào)頻解調(diào)器為鑒頻器或鑒相器，可將調(diào)頻信號中頻率變化轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的振幅變化的單元電路。其原理是鑒頻器具有調(diào)諧在3個(gè)不同頻率的諧振回路，一個(gè)調(diào)諧在載頻fo上，一個(gè)調(diào)諧在比fo高的頻率上，另一個(gè)調(diào)諧在比fo低的頻率上，輸入信號頻率變化時(shí)由于諧振回路失諧使輸出信號的振幅發(fā)生變化用振幅檢波器檢出包跡從而還原音頻信號。調(diào)頻解調(diào)后的音頻信號還含有高頻成份和直流分量，也需要濾波除去高頻成份和隔離直流分量才能獲得純凈的音頻信號，濾波用RC、RL、RLC、LC等濾波器，隔離直流分量用RC。
在該系統(tǒng)中將解調(diào)濾波后獲得的音頻信號反饋到射頻調(diào)制器的目的是進(jìn)一步減小噪聲和降低失真。本發(fā)明的放大系統(tǒng)既可設(shè)計(jì)獨(dú)立的音頻前置放大器、驅(qū)動模擬功率放大單元的電壓放大器，也可設(shè)計(jì)成能直接驅(qū)動揚(yáng)聲器的音頻功率放大器。


圖1是本發(fā)明基本原理方框圖。
圖2是本發(fā)明調(diào)頻方式工作的音頻前置放大器電路原理圖。
圖3是本發(fā)明調(diào)幅方式工作的音頻前置放大器電路原理圖。
圖4是本發(fā)明調(diào)幅方式工作的音頻功率放大器電路原理圖。
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合附圖具體描述。
圖2為依據(jù)本發(fā)明原理所設(shè)計(jì)的調(diào)頻方式工作的音頻前置放大器電路原理圖，圖2中Q1、Q2、Q3及外圍元件構(gòu)成頻率調(diào)制器，其中Q1及外圍元件構(gòu)成甚高頻振蕩信號源及頻率調(diào)制器，音頻信號直接加到變?nèi)荻O管D1，使D1的電容隨音頻信號變化從而使振蕩器的振蕩頻率發(fā)生變化。調(diào)頻信號經(jīng)C5加到由Q2、Q3組成的變頻電路，將甚高頻信號變換為頻率較低的中頻信號，Q3為本振信號源，Q2為混頻器。中頻信號經(jīng)Q4、Q5及外圍元件組成的兩級高頻放大器放大后由T5、C25、C27、C28、D2、D3、R18、R19構(gòu)成的雙調(diào)諧線性鑒頻器對調(diào)頻信號進(jìn)行解調(diào)來恢復(fù)音頻信號。C29、C30的作用是濾除檢波后音頻信號中的載頻成份，C31、C32、R20、R21的作用是隔離檢波后音頻信號中的直流分量。
圖3為依據(jù)本發(fā)明原理所設(shè)計(jì)的調(diào)幅方式工作的音頻前置放大器電路原理圖，圖3中Q1、Q2及外圍元件構(gòu)成振幅調(diào)制器產(chǎn)生調(diào)幅信號，Q1及外圍元件構(gòu)成射頻信號源，雙柵場效應(yīng)管Q2及外圍元件構(gòu)成射頻調(diào)幅器。調(diào)幅信號經(jīng)Q3、Q4兩級高頻放大器放大后由D1、R11、C12組成的包絡(luò)檢波器來恢復(fù)音頻信號，C13、R12的作用是隔離檢波后音頻信號中的直流分量。
圖4為依據(jù)本發(fā)明原理所設(shè)計(jì)的調(diào)幅方式工作的音頻功率放大器電路原理圖，圖4中振幅調(diào)制器由Q1、V1及外圍元件構(gòu)成，Q1及外圍元件構(gòu)成射頻信號源，五極管V1及外圍元件構(gòu)成柵極調(diào)幅的射頻振幅調(diào)制器，射頻放大器由V2、V3及外圍元件構(gòu)成。T4輸出的射頻信號經(jīng)D1、D2、D3、D4組成的全波調(diào)幅解調(diào)電路檢出載有音頻信息的調(diào)幅波包絡(luò)部份，由R8、C12、L2、C13組成濾波器濾除檢波后音頻信號中的載頻成份以還原音頻信號，C14、R9的作用是隔離檢波后音頻信號中的直流分量。R10為反饋電阻，輸出的音頻信號經(jīng)R10加到V1的陰極，形成外環(huán)路負(fù)反饋以進(jìn)一步降低失真和減小噪聲。從R9兩端獲得可驅(qū)動揚(yáng)聲器的音頻信號。
權(quán)利要求
1.一種高保真音頻信號放大方法，其特征是在同一電路中由射頻調(diào)制器、射頻放大器、射頻解調(diào)器構(gòu)成的音頻信號放大器中，將被放大的音頻信號對射頻信號的頻率或相位或振幅進(jìn)行調(diào)制，獲得攜載有被放大音頻信息的射頻信號，通過高頻放大器放大此射頻信號，再將放大后的射頻信號調(diào)解還原出音頻信號，在放大了高頻信號的同時(shí)音頻信號也間接地獲得了放大。
2.按照權(quán)利要求1所述高保真音頻信號放大方法，其特征在于射頻調(diào)制是采用振幅調(diào)制方式，射頻調(diào)制器中射頻信號的輸出振幅隨輸入音頻信號的大小而變化；振幅調(diào)制器可以是有載頻型、抑制載頻型、QAM型振幅調(diào)制器中的一種或幾種的組合，相應(yīng)的射頻解調(diào)器為可檢出射頻信號振幅變化的單元電路。
3.按照權(quán)利要求1所述高保真音頻信號放大方法，其特征在于射頻調(diào)制是采用頻率調(diào)制方式，射頻調(diào)制器中射頻信號的輸出頻率隨輸入音頻信號的大小而變化，可采用將音頻信號通過改變射頻振蕩器中振蕩回路中的電抗參數(shù)使振蕩頻率發(fā)生變化從而獲得調(diào)頻信號的直接調(diào)頻方法，或采用將音頻信號通過積分電路后再去調(diào)制射頻信號的相位從而獲得調(diào)頻信號的間接調(diào)頻法，相應(yīng)的射頻解調(diào)器為可將射頻信號中頻率變化轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的振幅變化的單元電路。
4.按照權(quán)利要求1所述高保真音頻信號放大方法，其特征在于放大系統(tǒng)設(shè)計(jì)成獨(dú)立的音頻前置放大器、驅(qū)動模擬功率放大單元的電壓放大器，或設(shè)計(jì)成能直接驅(qū)動揚(yáng)聲器的音頻功率放大器。
5.一種高保真音頻信號放大器，其特征是由射頻調(diào)制器、射頻放大器、射頻解調(diào)器在同一電路中構(gòu)成，其中射頻調(diào)制器包括射頻信號源、射頻信號調(diào)制單元、倍頻或變頻等頻率變換單元電路，射頻信號源是由振蕩器產(chǎn)生放大系統(tǒng)所需的高頻信號，音頻信號通過射頻調(diào)制器將未調(diào)制的高頻信號轉(zhuǎn)換成調(diào)幅信號或調(diào)頻信號，已調(diào)制的高頻調(diào)幅信號或調(diào)頻信號通過倍頻器或混頻器轉(zhuǎn)換成頻率較高或較低的信號；射頻放大器為高頻線性放大器包含高頻電信號的放大、放大器級間的高頻電信號的藕合、匹配和帶寬控制電路；射頻解調(diào)器包括已調(diào)制射頻信號解調(diào)單元電路、濾除解調(diào)后音頻信號中載頻成份的射頻濾波器、隔離解調(diào)后的音頻信號中的直流分量的單元電路。
全文摘要
一種基于射頻傳輸?shù)母弑Ｕ嬉纛l信號放大方法，將被放大的音頻信號對射頻信號的某一參數(shù)(如頻率、相位、或振幅)進(jìn)行調(diào)制，獲得攜載有被放大音頻信息的射頻信號，通過高頻放大器放大此射頻信號，再將放大后的射頻信號解調(diào)還原出音頻信號，在放大了高頻信號的同時(shí)音頻信號也間接地獲得了放大。
文檔編號H03G9/00GK1489283SQ0312527
公開日2004年4月14日 申請日期2003年8月12日 優(yōu)先權(quán)日2003年8月12日
發(fā)明者余小寧 申請人:余小寧