并联扩展式多路音频交换混合装置的制作方法

专利名称：并联扩展式多路音频交换混合装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种音频信号交换混合的装置，特别是一种并联扩展式多路音频交换混合装置。
背景技术：
现有的交换矩阵一般采用专用集成电路来实现，其交换容量小(一般为8X8以 内)，并且在音频信号的混合上没有成熟的解决方案。一个多输入输出的交换系统可以抽象 为一个矩阵M，其输入和输出信号抽象为两个向量(X，y)，装置实现的功能就是将输入向量 通过矩阵的运算转换为输出向量
<formula>formula see original document page 3</formula>对于一个音频交换混合装置，矩阵M中各元素的值即代表了某路输入与某路输出 的对应关系，以及音量信号。最终，单独的某路输出信号y」可以表示为<formula>formula see original document page 3</formula>一个容量为nXm的矩阵可以实现η路输入到m路输出的交换。一般地，为了实现 矩阵容量的扩展，需要将多个矩阵级联。如


图1所示，将一个nXn矩阵扩展为2nX2n矩 阵，需要使用4个nXn矩阵(A、B、C、D)，以及两组信号选择器(K1、K2)。以此类推，扩展成 3ηΧ3η矩阵需要使用9个nXn矩阵，扩展成4ηΧ4η矩阵需要使用16个nXn矩阵。使用 此类方式实现矩阵容量扩展无疑会造成设备资源的浪费，包括增加矩阵间的信号连线、开 关等。因此现有大部分交换矩阵芯片没有或者只有部分混合功能，只能实现一定数量内的 信号混合。而且，有些整合技术一体化的程度较低。

实用新型内容实用新型目的本实用新型所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，为了减 少容量扩展使用的各种资源，提供一种具有高度封装一体化的并联扩展式多路音频交换混
口农且O技术方案本实用新型公开了一种并联扩展式多路音频交换混合装置，包括两个 以上音频交换混合器，以及连接在音频交换混合器之间的数据交换网络；所述音频交换混合器包括一个音频交换混合矩阵，与矩阵连通的模数转换模块、 数模转换模块、输入音量调节模块以及输出音量调节模块；所述输入音量调节模块用于对音量进行缩小处理；用于对从外部采集到的某一路 模数转换模块传来的过大音量进行缩小处理；所述模数转换模块用于将输入音频交换混合矩阵的串行模拟信号转化为串行数
字信号；[0012]所述数模转换模块用于将输出音频交换混合矩阵的串行数字信号转化为串行模 拟信号；所述输出音量调节模块用于对音量进行缩小处理，从而将经过混合交换后的多路 音量信号缩小到正常的范围之内。所述数据交换网络用于将一个音频交换混合器的发送来的信号传递给另一个音 频交换混合器。所述音频交换混合器封装在FPGA或者DSP内；所述数据交换网络采用以太网或者光纤网络交换。本实用新型中，优选地，所述音频交换混合矩阵包括一组串并联转换模块，与串并 联转换模块连通的输入缓存，与输入缓存连通的数据处理单元，与数据处理单元连通的输 出缓存，与输出缓存连通的音频混合单元，与音频混合单元连通的并串联转换模块，以及提 供全局统一时钟的时钟单元，所述并串联转换模块与所述数模转换模块连通；所述串并联 转换模块用于将所述模数转换模块传来的串行数字信号转换为并行数字信号；所述并串联 转换模块用于将所述并联数字信号转化为串联数字信号传送给所述数模转换模块；所述音 频交换混合矩阵还包括与网络接口单元连接的接收缓存以及发送缓存，所述发送缓存从数 据处理单元接收音频数据及其目的地址，送往网络接口单元；所述接收缓存从网络接口单 元接收音频数据及其来源地址，数据处理单元按来源地址读取相应音频数据；所述串并联 转换模块以及并串联转换模块分别与所述时钟单元连接。本实用新型中，优选地，所述数据处理单元内部有一个交换路径表，表内存储了各 路输入信号需要送到的目的地址，以及各路输出信号的源地址。本实用新型中，优选地，所述音频混合单元包括16路24bit加法器。本实用新型中，优选地，所述时钟单元用于提供统一的全局时钟。本实用新型中，优选地，所述音频交换混合矩阵连接有用于网络数据交换的网络 接口单元，所述网络接口单元由FPGA配合网络接口芯片实现数据收发，所述网络接口单元 接收所述音频交换混合矩阵发送缓存中的信号，并将信号按目的地址发向数据交换网络， 同时接收发到本音频数据交换混合矩阵的信号，并信号通过所述发送接收缓存送往数据处 理单元。有益效果本实用新型可以完成多路输入到任一路输出的混合，可以通过数据线 并联实现交换容量扩展，同时具有高度的集成度和一体性。音频信号的交换采用软硬结合 的方式，对于在装置内传输的音频信号，直接通过音频信号处理与收发模块处理，实现本地 交换，即为硬交换；对于通过数据传输网络送出和送入装置的音频信号，由传输协议进行网 络交换，即为软交换。信号的混合采用硬件加法器实现，速度快，同时各路输出的隔离度高。 将装有录音软件的计算机接入信号传输网络，通过截取网络上的数据来实现录音功能。本 实用新型交换容量可根据实际需要进行扩展，其容量仅受数据传输网络的带宽限制。
以下结合附图和具体实施方式
对本实用新型做更进一步的具体说明，本实用新型 的上述和/或其他方面的优点将会变得更加清楚。
图1为现有技术方案功能图。[0025]图2为本实用新型实施例中并联式扩展式多路音频交换混合装置结构图。图3为本实用新型实施例中FPGA内部模块框图。图4为本实用新型混合模块示意图。图5为本实用新型并联交换容量扩展的实现示意图。
具体实施方式
如图2所示，本实用新型公开了一种并联扩展式多路音频交换混合装置，包括两 个以上音频交换混合器，以及连接在音频交换混合器之间的数据交换网络；所述音频交换 混合器包括一个音频交换混合矩阵，与矩阵连通的模数转换模块、数模转换模块、输入音量 调节模块以及输出音量调节模块；所述输入音量调节模块用于对音量进行缩小处理；所述 模数转换模块用于将输入音频交换混合矩阵的串行模拟信号转化为串行数字信号；所述数 模转换模块用于将输出音频交换混合矩阵的串行数字信号转化为串行模拟信号；所述输出 音量调节模块用于对音量进行缩小处理；所述数据交换网络用于将一个音频交换混合器的 发送来的信号传递给另一个音频交换混合器。所述音频交换混合器封装在FPGA或者DSP 内；所述数据交换网络采用以太网或者光纤网络交换。如图3所示，所述音频交换混合矩阵包括一组串并联转换模块，与串并联转换模 块连通的输入缓存，与输入缓存连通的数据处理单元，与数据处理单元连通的输出缓存，与 输出缓存连通的音频混合单元，与音频混合单元连通的并串联转换模块，以及提供全局统 一时钟的时钟单元，所述并串联转换模块与所述数模转换模块连通；所述串并联转换模块 用于将所述模数转换模块传来的串行数字信号转换为并行数字信号；所述并串联转换模块 用于将所述并联数字信号转化为串联数字信号传送给所述数模转换模块；所述音频交换混 合矩阵还包括与网络接口单元连接的接收缓存以及发送缓存，所述发送缓存从数据处理单 元接收音频数据及其目的地址，送往网络接口单元；所述接收缓存从网络接口单元接收音 频数据及其来源地址，数据处理单元按来源地址读取相应音频数据；所述串并联转换模块 以及并串联转换模块分别与所述时钟单元连接，从而由时钟统一串并联转换模块以及并串 联转换模块的输入读取时序。所述数据处理单元内部有一个交换路径表，表内存储了各路 输入信号需要送到的目的地址，以及各路输出信号的源地址。所述音频交换混合矩阵连接 有用于网络数据交换的网络接口单元，所述网络接口单元由FPGA配合网络接口芯片实现 数据收发，所述网络接口单元接收所述音频交换混合矩阵发送缓存中的信号，并将信号按 目的地址发向数据交换网络，同时接收发到本音频数据交换混合矩阵的信号，并信号通过 所述发送接收缓存送往数据处理单元。实施例图2中显示了两个矩阵(矩阵1、矩阵2)通过数据交换网络并联实现交换容量 扩展的信号流程。虚线框为使用FPGA实现的功能，所述数据交换网络每个节点需具备 100Mbit/s的数据交换能力。信号交换实例1、从信号源输入X11交换到信号输出yn所需的信号流程及步骤(a)音频信号从X11输入后，首先经过输入音量调节单元an调整音量，音量调节单 元an使用PGA4311音量调节芯片来实现；[0036](b)从音量调节单元输出的音频信号，经过模数转换模块处理，转换为串行数字信号，送入FPGA进行处理；(c)模数转换输出的串行数字信号，首先由串并转换模块处理，转换为并行数字信号；(d)并行数字信号送入输入缓存后，首先读取交换路径表，判断该路信号的目的 地，若目的地为本矩阵内的输出端口，则将信号送入输出缓存；(e)输出缓存中的数字信号送入加法模块，由加法模块完成信号的混合；(f)加法模块输出的信号送入并_串转换模块，转换为串行数字信号；(g)并-串转换模块输出的串行数字信号送入数-模转换模块处理，转换为模拟音 频信号；(h)数-模转换模块输出的音频信号经过输出音量调节bn调整输出音量，最终输 出为yn，音量调节bn使用PGA4311音量调节芯片来实现。该交换流程完全在矩阵1内部进行。2、从信号源Xln交换到y2m所需信号流程及步骤(a)音频信号从信号源Xln输入后，首先经过输入音量调节aln调整音量；(b)从音量调节模块输出的音频信号，经过模数转换模块处理，转换为串行数字信 号，送入FPGA进行处理；(c)模数转换输出的串行数字信号，首先由串并转换模块处理，转换为并行数字信 号；(d)并行数字信号送入矩阵1的接收缓存后，首先读取交换路径表，判断该路信号 的目的地，若目的地为其它矩阵的输出端口，则将信号送入矩阵1的数据发送缓存，经数据 交换网络传送至矩阵2的数据接收缓存，再送入矩阵2的输出缓存；(e)矩阵2的输出缓存中的数字信号送入加法模块，由加法模块完成信号的混合；(f)加法模块输出的信号送入并串转换模块，转换为串行数字信号；(g)并串转换模块输出的串行数字信号送入数模转换模块处理，转换为模拟音频 信号；(h)数模转换模块输出的音频信号经过输出音量调节b2m调整输出音量，最终输出 为 y2m°该交换流程由矩阵1、矩阵2和交换网络共同完成。本实施例中使用2个交换容量为nXn的并联矩阵，可以构成交换容量为2ηΧ2η 的矩阵；使用3个交换容量为nXn的并联矩阵，可以构成交换容量为3ηΧ3η的矩阵；使用 4个交换容量为nXn的并联矩阵，可以构成交换容量为4ηΧ4η的矩阵。与级联扩展方式相 比，并联扩展方式结构简单，且极大地减少所需要的硬件资源。如图2、3所示，本实用新型中，单独的并联式音频交换混合器主要由5大功能模块 组成，分别是1、模数转换模块将信源输入的模拟音频信号转换为数字信号，送入处理模块进 行处理；2、音频交换混合矩阵将输入端采集到的音频信号送入相应输出端口或数据收发 模块，同时接收数据收发模块传送的音频信号并送至相应输出端口，完成数字信号的交换、混合O3、数据收发模块根据设置好的交换路径，接收音频交换混合矩阵发送的音频数 据，并将其发送至数据传输网络上的目标地址；同时从数据传输网络上接收其他设备发送 的音频数据，并送至音频交换混合矩阵。实现矩阵的并联扩展。4、数模转换模块将音频交换混合矩阵送出的数字信号转换为模拟信号，输出到信宿设备；5、人机交互模块通过液晶屏和触摸板实现设备操作、设置IP地址等控制、设置功能。也可以通过其他控制方式如RS232、RJ45网线等，配合计算机软件实现对设备的控 制。在此基础上，可以通过增加输入、输出音量控制模块实现对任一路输入、输出信号 独立的音量控制功能。各路信源输入的音频信号首先进入输入音量调节模块，在该模块内完成输入音 量调节功能；然后，音量调节模块将调节过音量信号的音频信号送入模-数转换模块，由 模-数转换模块将模拟音频信号转换为数字信号，送入音频交换混合矩阵进行处理；音频 交换混合矩阵首先将将各路输入信号按目的地，送入数据收发模块或者数_模转换模块； 同时从数据收发模块接收需要输出到本地的信号，将需要输出到本地的信号送入数模转换 模块；数模转换模块将数字信号转换为模拟信号，送入输出音量调节模块；输出音量调节 模块完成输出音量调节功能，最后将模拟音频信号输出到信宿。人机交互模块通过人机交互界面实现对音量调节模块、音频交换混合矩阵和数据 收发模块的控制，设置交换路径，从而实现对整个矩阵的控制。本实用新型中，输入音量调节使用PGA4311音量控制芯片实现；模_数转换使用 PCM4204四通道音频模数转换芯片实现；数模转换及输出音量调节模块使用PCM1681八通 道音频数模转换芯片实现(带音量调节功能)。数字音频信号的传输格式采用24bit左对 齐(Left Justified)串行 PCM 编码。音频交换混合矩阵和数据收发模块使用FPGA (Field Programmable Gate Array, 现场可编程门阵列)实现。本实用新型中，所述FPGA内部各模块的功能以及连接关系如图 3所示。音频交换混合矩阵内部包含串并联转换模块、输入缓存、数据处理单元、输出缓存、 音频混合单元、并串联转换模块、接收缓存、发送缓存以及时钟模块；所述接收缓存以及发 送缓存与网络接口单元连接，用于在数据交换网络上发送和接收适配数据。时钟模块时钟模块的功能是为串/并、并串转换模块和模数、数模转换芯片提供 统一的全局时钟。采用统一时钟可以有效地避免各模块之间产生时间差，影响信号混合效
^ ο本实用新型中，模数和数模转换芯片均工作于被动模式(Slave Mode)，使用左对 齐(Left Justified) 24bit PCM编码方式传输数字音频信号，由FPGA提供三个时钟信号 系统时钟(SCK)、位时钟(BCK)和声道时钟(LRCK)。串并转换模块串并转换模块负责将PCM4204输入的串行PCM编码转换为并行数 据，送入交换矩阵模块进行处理。本模块通过一个移位寄存器来存储串行数据，根据声道时 钟(LRCK)的动作来控制并行输出。输入缓存该输入缓存将网络中各路串并转换模块接收到的音频数据及其来源地址存储到高速数据缓存中，数据处理单元按来源地址读取相应音频数据。输出缓存该输出缓存从数据处理单元接收音频数据及其目的地址，并按地址送 至各个混合模块的各路输入端口。发送缓存从数据处理单元接收音频数据及其目的地址，送往网络接口单元。接收缓存从网络接口单元接收音频数据及其来源地址，数据处理单元按来源地 址读取相应音频数据。数据处理单元数据处理单元是一个内部建立有一个交换路径表，该表分输入和 输出两部分。以一个ηΧη矩阵为例，输入部分内存储了第1路 第η路输入信号需要送到 的目的地址，其中每个输入信号的目的地址可以有多个，数量无上限。输出部分内存储了第 1路 第η路输出信号的源地址，其中每路输出信号的源地址有η个；输出部分共有ηΧη个 输入源地址，每个地址对应混合模块的一个输入。数据处理单元通过一个串口与人机交互模块进行数据交互，根据串口发送过来的 命令对地址转换表进行读写，从而控制交换路径。如图4所示，所述音频混合单元包括16路24bit加法器。输出缓存读取控制端口 的状态，然后判断各个输入是否有效，即是否送入到输出端口。若某输入端口有效，则将该 端口数据直接送入加法器；若无效则送出数据0。加法器完成16个24bit 二进制数据的加 法，当结果大于OxFFFF时输出OxFFFF，小于OxFFFF时输出原加法结果。并串转换模块该模块负责将混合模块输出的24bit并行数据转化为PCM1681 能够接收的串行PCM编码。模块内部通过一个移位寄存器产生串行输出，根据声道时钟 (LRCK)的动作判断读取并行输入。网络接口单元该模块是实现网络数据交换的主要模块，由FPGA配合专用网络接 口芯片(RTL8019)来实现数据收发。网络接口单元接收发送缓存发送的音频数据和目的地 址，并按照目的地址将相应音频数据发往交换网络；同时接收发到本装置的音频数据和来 源地址，并将其送往接收缓存。图5为使用数据传输网络和并联矩阵实现矩阵扩展的示意图。图中将3个并联 矩阵接入数据传输网络，3个矩阵所接入的信源、信宿均可以实现数据交换，构成3nX3n矩 阵。本实施例中数据传输网络使用以太网来实现。本实用新型中，有关音频混合交换的技术内容，也可以参见申请人与2009年5月 5日申请的名称为一种多路输入音频混合交换方法，专利申请号为200910026743. 5的实用 新型专利文件。本实用新型中，音频信号的交换采用软硬结合的方式，对于在装置内传输的音频 信号，直接通过音频交换混合矩阵，由输入缓存转发至输出缓存，实现本地交换，即为硬交 换；对于通过数据交换网络送出和送入装置的音频信号，由传输协议进行网络交换，即为软 交换。本实用新型中可以采用DSP (Digital Signal Processer，数字信号处理器)器件替 代FPGA实现交换矩阵和混合功能。采用其他种类的数据传输方式，如光纤等，进行数据传 输，组建数据传数网络。本实用新型提供了一种并联扩展式多路音频交换混合装置的思路及方法，具体实 现该技术方案的方法和途径很多，以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对 于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。
权利要求一种并联扩展式多路音频交换混合装置，其特征在于，包括两个以上音频交换混合器，以及连接在音频交换混合器之间的数据交换网络；所述音频交换混合器包括一个音频交换混合矩阵，与矩阵连通的模数转换模块、数模转换模块、输入音量调节模块以及输出音量调节模块；所述输入音量调节模块用于对输入音量进行缩小处理；所述模数转换模块用于将输入音频交换混合矩阵的串行模拟信号转化为串行数字信号；所述数模转换模块用于将输出音频交换混合矩阵的串行数字信号转化为串行模拟信号；所述输出音量调节模块用于对输出音量进行缩小处理；所述数据交换网络用于将一个音频交换混合器的发送来的信号传递给另一个音频交换混合器；所述音频交换混合器封装在FPGA或者DSP内；所述数据交换网络采用以太网或者光纤网络交换。
2.根据权利要求1所述的一种并联扩展式多路音频交换混合装置，其特征在于，所述 音频交换混合矩阵包括一组串并联转换模块，与串并联转换模块连通的输入缓存，与输入 缓存连通的数据处理单元，与数据处理单元连通的输出缓存，与输出缓存连通的音频混合 单元，与音频混合单元连通的并串联转换模块，以及提供全局统一时钟的时钟单元，所述并 串联转换模块与所述数模转换模块连通；所述串并联转换模块用于将所述模数转换模块传来的串行数字信号转换为并行数字 信号；所述并串联转换模块用于将所述并联数字信号转化为串联数字信号传送给所述数模 转换模块；所述音频交换混合矩阵还包括与网络接口单元连接的接收缓存以及发送缓存，所述发 送缓存从数据处理单元接收音频数据及其目的地址，送往网络接口单元；所述接收缓存从 网络接口单元接收音频数据及其来源地址，数据处理单元按来源地址读取相应音频数据； 所述串并联转换模块以及并串联转换模块分别与所述时钟单元连接。
3.根据权利要求2所述的一种并联扩展式多路音频交换混合装置，其特征在于，所述 音频混合单元包括16路24bit加法器。
4.根据权利要求2或3所述的一种并联扩展式多路音频交换混合装置，其特征在于， 所述音频交换混合矩阵连接有用于网络数据交换的网络接口单元，所述网络接口单元接收 所述音频交换混合矩阵发送缓存中的信号，并将信号按目的地址发向数据交换网络，同时 接收发到本音频数据交换混合矩阵的信号，并信号通过所述发送接收缓存送往数据处理单兀。
专利摘要本实用新型公开了并联扩展式多路音频交换混合装置，包括两个以上音频交换混合器，以及连接在音频交换混合器之间的数据交换网络；所述音频交换混合器包括一个音频交换混合矩阵，与矩阵连通的模数转换模块、数模转换模块、输入音量调节模块以及输出音量调节模块；所述数据交换网络用于将一个音频交换混合器的发送来的信号传递给另一个音频交换混合器。本实用新型可以完成多路输入到任一路输出的混合，可以通过数据线并联实现交换容量扩展。信号的混合采用硬件加法器实现，速度快，同时各路输出的隔离度高。
文档编号G10L19/00GK201557161SQ20092004867
公开日2010年8月18日 申请日期2009年10月19日 优先权日2009年10月19日
发明者刘扬 申请人:南京莱斯信息技术股份有限公司