專利名稱：一種數(shù)字音頻功率放大器及音頻處理設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型屬于音頻功放領(lǐng)域，尤其涉及一種數(shù)字音頻功率放大器及音頻 處理設(shè)備。
背景技術(shù)：
現(xiàn)階段主要的音頻功率放大過程為數(shù)字音源先經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換(D/A轉(zhuǎn)換)， 再經(jīng)過A類、AB類或D類模擬輸入功率放大器進(jìn)行放大后輸出給喇叭單元播 放。其音頻信號實質(zhì)上經(jīng)歷了兩個主要過程，而在每一過程中都難免存在音質(zhì) 的損失。另外，相對于數(shù)字信號的抗干擾能力，模擬信號的抗干擾能力差，所 以對模擬信號的處理過程容易引入外界噪聲，造成失真。
綜上所述，現(xiàn)有音頻功率^L大器抗干擾能力差、失真大。

實用新型內(nèi)容
本實用新型的目的在于提供一種數(shù)字音頻功率放大器，旨在解決現(xiàn)有音頻 功率放大器抗干擾能力差、失真大的問題。
本實用新型是這樣實現(xiàn)的， 一種數(shù)字音頻功率放大器，所述數(shù)字音頻功率 放大器包括順序連接音頻接口模塊、過采樣模塊、調(diào)制器、數(shù)字功率放大器、 低通濾波器，所述數(shù)字音頻功率放大器還包括根據(jù)接收到的配置信息配置所述 數(shù)字音頻功率放大器內(nèi)部相應(yīng)模塊參數(shù)的控制接口模塊、為所述過采樣模塊提 供時鐘信號的時鐘分頻模塊；
所述音頻接口模塊將接收到的字長為16-24比特的音頻數(shù)據(jù)分離為左、右 聲道音頻數(shù)據(jù)；
所述過釆樣模塊將所述音頻接口模塊輸出的音頻數(shù)據(jù)按照所述調(diào)制器確定的采樣頻率進(jìn)行過采樣插零處理；
所述調(diào)制器將過采樣插零處理后的音頻數(shù)據(jù)調(diào)制為脈寬調(diào)制信號。 本實用新型的另一目的在于提供一種音頻處理設(shè)備，所述音頻處理模塊包
括上述的數(shù)字音頻功率i文大器。
在本實用新型中，通過直接對數(shù)字信號進(jìn)行放大處理，實現(xiàn)了一種數(shù)字音
頻功率放大器，縮短了信號的處理通道，抗干擾能力強(qiáng)、失真小、功率大、效
率高、節(jié)省資源。


圖1是本實用新型實施例提供的數(shù)字音頻功率;^丈大器的結(jié)構(gòu)圖2是本實用新型實施例提供的半帶型濾波器的電路結(jié)構(gòu)示意圖3是本實用新型實施例提供的升頻梳狀積分濾波單元的電路結(jié)構(gòu)示意
圖4是本實用新型實施例提供的四階sigma一delta/s-A調(diào)制器的電路結(jié)構(gòu)示 意圖5是本實用新型實施例提供的H橋驅(qū)動級的電路結(jié)構(gòu)示意圖； 圖6是本實用新型實施例提供的H橋功率級的電路結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施方式
為了使本實用新型的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，
以下結(jié)合附圖 及實施例，對本實用新型進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)"^兌明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體 實施例僅僅用以解釋本實用新型，并不用于限定本實用新型。
本實用新型實施例通過直接對數(shù)字信號進(jìn)行放大處理。
圖1示出了本實用新型實施例提供的數(shù)字音頻功率放大器的結(jié)構(gòu)，為了便 于描述，僅示出了與本實用新型相關(guān)的部分。
數(shù)字音頻功率放大器包括音頻接口模塊101、時鐘分頻模塊102、控制接口模塊103、過采樣模塊104、調(diào)制器105、數(shù)字功率^L大器106和低通濾波器107， 音頻接口模塊IOI、過采樣模塊104、調(diào)制器105、數(shù)字功率放大器106和低通 濾波器107順序連接，控制接口模塊103根據(jù)接收到的配置信息配置數(shù)字音頻 功率放大器內(nèi)部相應(yīng)模塊參數(shù)，時鐘分頻模塊102為過采樣模塊104提供時鐘 信號。其中
音頻接口模塊101將接收到的音頻數(shù)據(jù)分離為左、右聲道音頻數(shù)據(jù)。音頻 接口模塊101兼容左對齊(Left-Justified, U)、右對齊(Right-Justified, RJ)、 I2S (Inter-Ic Sound)等音頻數(shù)據(jù)格式，同時兼容字長為16-24比特(bit)內(nèi) 各種量化位數(shù)的音頻l史據(jù)，例如16bit、 18bit、 20 bit、 24 bit等。音頻數(shù)據(jù)通 過串行數(shù)據(jù)輸入管腳(SDIN)輸入音頻接口模塊101;左/右聲道時鐘接音頻接 口模塊101的左/右聲道時鐘(LRCLK)管腳，決定目前哪個聲道的音頻數(shù)據(jù)通 過SDIN管腳輸入數(shù)據(jù)；系統(tǒng)時鐘接音頻接口沖莫塊101的系統(tǒng)時鐘(MCLK) 管腳。
過采樣模塊104將音頻接口模塊101輸出的音頻數(shù)據(jù)按照調(diào)制器105確定 的采樣頻率進(jìn)行過采樣插零處理。
調(diào)制器105將過采樣插零處理后的音頻數(shù)據(jù)調(diào)制為脈寬調(diào)制(Pulse Width Modulation, PWM)信號。過采樣插零處理后音頻數(shù)據(jù)的釆樣頻率越高則調(diào)制 后PWM信號的數(shù)據(jù)流越大，PWM信號中將包含更多的有效音頻信息。
接著，調(diào)制處理后的PWM信號由數(shù)字功率放大器106進(jìn)行放大處理后， 經(jīng)低通濾波器107還原為音頻信號后輸出。
其中，過采樣才莫塊104由采樣頻率轉(zhuǎn)換/插零單元1041、數(shù)字濾波器1042 和升頻梳狀積分濾波單元1043構(gòu)成，實現(xiàn)128倍升頻處理。
采樣頻率轉(zhuǎn)換/插零單元1041,通過時鐘頻率變換，對音頻接口模塊101 輸出的音頻數(shù)據(jù)進(jìn)行2倍插零。當(dāng)然，釆樣頻率轉(zhuǎn)換/插零單元1041還可以根 據(jù)需要進(jìn)行其他倍數(shù)的插零處理。
數(shù)字濾波器1042對采樣頻率轉(zhuǎn)換/插零單元1041插零后的音頻數(shù)據(jù)進(jìn)行低
6通濾波，包括第一濾波器10421和第二濾波器10422,其中
第一濾波器10421為有限脈沖響應(yīng)(finite impulse response, FIR)低通濾 波器107,對采樣頻率轉(zhuǎn)換/插零單元1041進(jìn)行2倍插零后的音頻數(shù)據(jù)進(jìn)行低通 濾波后，再輸出給采樣頻率轉(zhuǎn)換/插零單元1041進(jìn)行第二次2倍插零；第二濾 波器10422也為FIR低通濾波器107，對采樣頻率轉(zhuǎn)換/插零單元1041進(jìn)行第 二次2倍插零后的音頻數(shù)據(jù)進(jìn)行低通濾波后輸出給升頻梳狀積分濾波單元 1043。為了便于節(jié)省硬件資源，在本實用新型實施例中FIR低通濾波器為半帶 型濾波器，其電路結(jié)構(gòu)如圖2所示。其中，x[k]、 y[k]分別為半帶型濾波器的輸
入、輸出音頻數(shù)據(jù)；Z"為延遲器，h[O]、 h[l]........ h[M-l]、 h[M]為相應(yīng)濾
波器中的各階系數(shù)，其階數(shù)M由濾波器的因數(shù)(例如通帶頻率、阻帶頻率、通 帶紋波等)確定。
升頻梳狀積分濾波單元1043為3階，包括梳狀組件、上采樣組件和積分組 件，上采樣組件對梳狀組件輸出的音頻數(shù)據(jù)實現(xiàn)32倍過采樣處理。為了減少梳 狀組件中使用延遲器的數(shù)量，降低梳狀組件的工作頻率，在本實用新型實施例 中，上采樣組件位于梳狀組件和積分組件的中間，其電路結(jié)構(gòu)如圖3所示，梳 狀組件10431、上采樣組件10432和積分組件10433順序連4妻。其中，沖危狀組 件10431由延遲器Z"和減法器M構(gòu)成，積分組件10433由延遲器Z"和加法器 A構(gòu)成。當(dāng)然，也可以采用上述采樣頻率轉(zhuǎn)換/插零單元1041和數(shù)字濾波器1042 實現(xiàn)32倍過采樣濾波處理，但是采用本實用新型實施例提供的升頻梳狀積分濾 波單元1043可以節(jié)約資源，降低成本。
調(diào)制器105采用四階sigma一delta/s-A調(diào)制器實現(xiàn)單比特(lbit)字長數(shù)據(jù) 流調(diào)制，輸出取樣頻率為128Fs的lbit字長的PWM信號，F(xiàn)s為字時鐘，在本 實用新型實施例中，F(xiàn)s可以為32KHz、 44.1KHz、 48KHz、 88.2 KHz、 96KHz、 176.4KHz或192KHz等。電路結(jié)構(gòu)如圖4所示，其中，Z"為延遲器、A為加法 器、M為減法器、B為增益放大器、D為量化器。并且，四階sigma—delta/s-A 調(diào)制器105在調(diào)制過程實現(xiàn)了噪聲整形，可以很大程度的消除音頻帶內(nèi)的量化噪聲，提高性能。當(dāng)然，調(diào)制器105也可以采用sigma—delta/s-A調(diào)制器和信號 轉(zhuǎn)換模塊實現(xiàn)多比特字長的數(shù)據(jù)流調(diào)整，其中信號轉(zhuǎn)換模塊將sigma—delta/s-△ 調(diào)制器輸出的脈碼調(diào)制(Pulse Code Modulation, PCM)信號轉(zhuǎn)換為PWM信號， 并輸出給數(shù)字功率放大器106。
為了進(jìn)一步減少信號的失真度，在本實用新型實施例中，數(shù)字功率放大器 106由H橋驅(qū)動級1061和H橋功率級1062組成，其中
H橋驅(qū)動級1061為H橋驅(qū)動級死區(qū)時間調(diào)制電路，接收lbit數(shù)據(jù)流的PWM 信號，通過死區(qū)時間電路可以將信號形成反相且具有死區(qū)時間間隔的兩路對偶 輸出驅(qū)動信號PWM和？WM信號，用來推動H橋功率級1062。 H橋驅(qū)動級死 區(qū)時間調(diào)制電路的電路結(jié)構(gòu)如圖5所示，采用兩個延遲器，精確的控制死區(qū)時 間，減少失真。接收到的PWM信號分別接第一與門的第一輸入端、非門輸入 端、同或門的輸入端和第二延遲器Z"2的輸入端，非門的輸出端分別接第二與 門的輸入端、或非門的輸入端和第一延遲器Z"1的輸入端，第一延遲器Z"l的 輸出端接或非門的第二輸入端，或非門的輸出端接第一與門的第二輸入端，第 二延遲器Z"2的輸出端接同或門的第二輸入端，同或門的輸出端接第二與門的 輸入端，第一與門輸出PWM驅(qū)動信號，第二與門輸出反相且具有一定死區(qū)時 間間隔的PWM驅(qū)動信號FWM 。
H橋功率級1062將H橋驅(qū)動級1061輸出的lbit字長的PWM、 P麗驅(qū)動 信號放大后輸出，其電路結(jié)構(gòu)如圖6所示。H橋功率級1062由四個開關(guān)管(例 如，金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(Metal Oxide Semicoductor Field Effect Transistor, MOSFET))組成，其對角組成推挽輸出，對偶驅(qū)動信號使FET對 角管輪流導(dǎo)通，于是就可以將lbit字長的PWM、 ？WM驅(qū)動信號放大輸出。其 中，H橋驅(qū)動級1061輸出PWM驅(qū)動信號分別接第一開關(guān)管FET1、第四開關(guān) 管FET4的柵極；H橋驅(qū)動級1061輸出PWM驅(qū)動信號分別接第二開關(guān)管FET2、 第三開關(guān)管FET3的柵極；第一開關(guān)管FET1和第二開關(guān)管FET2的漏極接工作 電壓VDD;第三開關(guān)管FET3和第四開關(guān)管FET4的源極接地VSS;第一開關(guān)管FET1的源極和第三開關(guān)管FET3的漏;敗作為輸出V。的一端，第二開關(guān)管 FET2的源極和第四開關(guān)管FET4的漏極作為輸出V。的另一端。
進(jìn)一步地，為了防止MOSFET被擊穿，四個開關(guān)管的源極與漏極之間各接 一個快速恢復(fù)二極管D1、 D2、 D3和D4。
在本實用新型實施例中，時鐘分頻模塊102產(chǎn)生過采樣模塊104所需的2 倍升頻采樣時鐘、4倍升頻采樣時鐘和128倍升頻采樣時鐘。
控制接口模塊103接收配置信息，并根據(jù)接收到的配置信息配置數(shù)字音頻 功率放大器內(nèi)部相應(yīng)模塊的參數(shù)，例如通過控制接口模塊103配置音頻接口模 塊101處理的音頻數(shù)據(jù)格式、字長等，配置時鐘分頻模塊102產(chǎn)生的時鐘，還 有其他模塊需要配置的信息等。這里，控制接口模塊103通過SDA端接收配置 信息，并將接收到的配置信息輸出到相應(yīng)寄存器中保存。
為了提高數(shù)字音頻功率放大器的處理能力，增加均衡，動態(tài)范圍處理，音 量調(diào)節(jié)等多々某體處理功能，作為本實用新型的一個優(yōu)選實施例，數(shù)字音頻功率 放大器還包括
音頻處理模塊108，與音頻接口模塊101和采樣頻率轉(zhuǎn)換/插零單元1041 連接，將音頻接口^^莫塊101輸出的音頻數(shù)據(jù)進(jìn)行音效處理，并將處理后的音頻 數(shù)據(jù)輸出給采樣頻率轉(zhuǎn)換/插零單元1041。其中，音效處理包括均衡、動態(tài)范圍 控制等處理。音頻處理模塊108可以采用數(shù)字信號處理器(Digital Signal Processing, DSP)實現(xiàn)。
本實用新型實施例提供的數(shù)字音頻功率放大器可以為獨立的設(shè)備，也可以
集成在其他音頻處理設(shè)備內(nèi)。
在本實用新型實施例中，通過直接對數(shù)字信號進(jìn)行放大處理，實現(xiàn)了一種
數(shù)字音頻功率放大器，縮短了信號的處理通道，抗干擾能力強(qiáng)、失真小、功率 大、效率高，可以完全取代音頻數(shù)字模擬信號轉(zhuǎn)換器(Digital Analog Converter, DAC )和才莫擬輸入功》i:,節(jié)省資源。
并且，通過音頻處理模塊對音頻數(shù)據(jù)進(jìn)行均衡、動態(tài)范圍控制等音效處理，
9提高了數(shù)字音頻功率放大器的處理能力。
以上所述僅為本實用新型的較佳實施例而已，并不用以限制本實用新型， 凡在本實用新型的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng) 包含在本實用新型的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求1、一種數(shù)字音頻功率放大器，其特征在于，所述數(shù)字音頻功率放大器包括順序連接的音頻接口模塊、過采樣模塊、調(diào)制器、數(shù)字功率放大器、低通濾波器，所述數(shù)字音頻功率放大器還包括根據(jù)接收到的配置信息配置所述數(shù)字音頻功率放大器內(nèi)部相應(yīng)模塊參數(shù)的控制接口模塊、為所述過采樣模塊提供時鐘信號的時鐘分頻模塊；所述音頻接口模塊將接收到的字長為16-24比特的音頻數(shù)據(jù)分離為左、右聲道音頻數(shù)據(jù)；所述過采樣模塊將所述音頻接口模塊輸出的音頻數(shù)據(jù)按照所述調(diào)制器確定的采樣頻率進(jìn)行過采樣插零處理；所述調(diào)制器將過采樣插零處理后的音頻數(shù)據(jù)調(diào)制為脈寬調(diào)制信號。
2、 如權(quán)利要求1所述的數(shù)字音頻功率放大器，其特征在于，所述過采樣模 塊包括采樣頻率轉(zhuǎn)換/插零單元，與所述音頻接口模塊連接，通過時鐘頻率變換對 音頻數(shù)據(jù)進(jìn)行插零處理；數(shù)字濾波器，與所述采樣頻率轉(zhuǎn)換/插零單元連接，對插零后的音頻數(shù)據(jù)進(jìn) 行低通濾波；以及升頻梳狀積分濾波單元，與所述數(shù)字濾波器連接，對所述數(shù)字濾波器濾波 后的音頻數(shù)據(jù)進(jìn)行過采樣、濾波處理。
3、 如權(quán)利要求2所述的數(shù)字音頻功率放大器，其特征在于，所述數(shù)字濾波 器為半帶型濾波器。
4、 如權(quán)利要求2所述的數(shù)字音頻功率放大器，其特征在于，所述升頻梳狀 積分濾波單元包括順序連接的梳狀組件、上采樣組件和積分組件，所述上采樣 組件對所述梳狀組件輸出的音頻數(shù)據(jù)進(jìn)行過采樣處理。
5、 如權(quán)利要求1所述的數(shù)字音頻功率放大器，其特征在于，所述調(diào)制器為 實現(xiàn)單比特字長數(shù)據(jù)流調(diào)制的sigma_delta調(diào)制器。
6、 如權(quán)利要求1所述的數(shù)字音頻功率放大器，其特征在于，所述數(shù)字功率 ;改大器由H橋驅(qū)動級和H橋功率級組成。
7、 如權(quán)利要求1所述的數(shù)字音頻功率放大器，其特征在于，所述H橋驅(qū) 動級包括非門、第一延遲器、第二延遲器、或非門、同或門、第一與門和第 二與門；接收到的所述脈寬調(diào)制信號分別接第一與門的第一輸入端、非門輸入端、 同或門的輸入端和第二延遲器的輸入端，非門的輸出端分別接第二與門的輸入 端、或非門的輸入端和第一延遲器的輸入端，第一延遲器的輸出端接或非門的 第二輸入端，或非門的輸出端接第一與門的第二輸入端，第二延遲器的輸出端 接同或門的第二輸入端，同或門的輸出端接第二與門的輸入端，第一與門輸出 脈寬調(diào)制驅(qū)動信號，第二與門輸出反相且具有一定死區(qū)時間間隔的的脈寬調(diào)制 驅(qū)動信號。
8、 如權(quán)利要求6所述的數(shù)字音頻功率放大器，其特征在于，所述H橋功 率級由四個開關(guān)管組成，其對角組成推挽輸出。
9、 如權(quán)利要求1所述的數(shù)字音頻功率放大器，其特征在于，所述數(shù)字音頻 功率放大器還包括音頻處理模塊，與所述音頻接口模塊和過采樣一莫塊連接，將所述音頻接口 模塊輸出的音頻數(shù)據(jù)進(jìn)行音效處理，并將處理后的音頻數(shù)據(jù)輸出給所述過采樣 模塊。
10、 一種音頻處理設(shè)備，其特征在于，所述音頻處理模塊包括權(quán)利要求1 至9任一項所述的數(shù)字音頻功率放大器。
專利摘要本實用新型適用于音頻功放領(lǐng)域，提供了一種數(shù)字音頻功率放大器及音頻處理設(shè)備，所述數(shù)字音頻功率放大器包括順序連接音頻接口模塊、過采樣模塊、調(diào)制器、數(shù)字功率放大器、低通濾波器，所述數(shù)字音頻功率放大器還包括根據(jù)接收到的配置信息配置所述數(shù)字音頻功率放大器內(nèi)部相應(yīng)模塊參數(shù)的控制接口模塊、為所述過采樣模塊提供時鐘信號的時鐘分頻模塊。在本實用新型中，通過直接對數(shù)字信號進(jìn)行放大處理，實現(xiàn)了一種數(shù)字音頻功率放大器，縮短了信號的處理通道，抗干擾能力強(qiáng)、失真小、功率大、效率高、節(jié)省資源。
文檔編號H03F1/32GK201332385SQ20082023556
公開日2009年10月21日 申請日期2008年12月24日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月24日
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