专利名称：使用标准串行总线接口的数字功放方法及其系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及数字信号功率放大与输出的方法及其系统，尤其是涉及在计算机内部实现数字音频信号到数字音频功放信号的转换，并通过标准串行接口传输的方法及其系统。
背景技术：
目前最常用的音频功率放大系统仍是基于模拟功率放大技术，音频设备如CD播放机或电脑声卡通常是通过D/A转换器将音频数据转化为模拟声音信号，再藉由前置放大器至功率放大器、最后驱动扬声器的输出。但是传统的模拟放大器是以线性放大为基本概念而设计的，难以解决线性度与效率之间的矛盾。
最近也出现有一种数字音频功放系统，兼顾高线性度与高效率，数字功放使音频设备从音源到功率输出级实现了全数字化，大大减小了各类干扰噪声和传输畸变对最终输出信号的影响，极大地提高了播放音质。其原理如
图10所示。它是通过控制功率管的开通和关断时间来决定功率管的输出功率；功率管的输出则通常连接无源低通滤波器电路，由低通滤波器最后输出模拟信号推动扬声器发声。
现有技术的这种数字功放系统使用一种标准多声道数字音频接口，即SPDIF接口，配合光纤或同轴电缆来传输数字音频信号。该系统采用较廉价的IEEE 1394或USB标准串行总线接口，传输按一定比特位数量化如16或24位的数字音频信号，然后由一个或多个芯片组成的专用芯片组转换为1比特或数字PWM脉宽调制的开关信号，也称为Delta Sigma调制信号来控制功率管的开通和关断。这种系统虽然能达到数字功放的基本要求，但是专用数字功放处理芯片和专用数字音频接口以及专用硬件的使用灵活性不够，例如当需要采用新的调制算法或者其他必要的系统升级时，需更换硬件，导致成本的增加；加上专用数字功放处理芯片本身价格昂贵，使用成本仍然较高。
发明内容
本发明为了克服上述现有技术的不足之处，提供一种直接通过数字处理设备进行处理、并经标准高速串行总线接口传输而实现数字信号功率放大与输出的方法，提高灵活性并同时降低整个数字功放系统的成本。本发明还提供使用标准串行总线接口的数字功放系统。
随着电子计算机技术的发展，电脑或者其他信息处理设备的处理能力不断增强，因而可以进行一些处理来替代某些硬件的功能。本发明将数字功放的调制算法和其他各种处理算法都集中到主机上完成，相当于将电脑或其他信息处理装置“融入”功放系统，应用于数字音频功放及全数字音响领域，能够进一步提高灵活性并降低整个数字功放系统的成本。当然电脑系统并不一定专用于功放系统，它还可以同时处理其他事务。
本发明的目的可以这样来达到设计、采用一种使用标准串行总线接口的直接数字功放方法，包括标准串行总线传输数据的方法和开关信号调制方法，其特征在于所述直接数字功放方法使用数字处理设备参与所述数字功率放大处理；并包括以下步骤S1、将原始数据音频信号进行开关信号调制；S2、将调制后的信号进行封装；S3、将封装后的调制信号经标准串行总线进行传送。
设计、制造一种使用标准串行总线口的直接数字功放系统，包括带低通滤波器的功率输出模块；其特征在于该直接数字功放系统还包括按软件程序运行的开关信号调制与封装传输装置；以及数字功率输出装置。
附图简要说明图1是本发明使用标准串行总线接口的数字功放方法流程示意图；
图2是所述开关信号调制既封装与传送软件程序流程图；图3是本发明所述数字功放系统原理框图；图4至图7是不同配置的所述数字功率输出装置示意图；图8是本发明数字功放系统的一个实施例-数字功放音箱原理框图；图9是传统数字音频功放原理示意图。
具体实施例方式
以下结合附图详述本发明的实施例。
一种使用标准串行总线接口的直接数字功放方法，包括标准串行总线例如USB传输数据的方法和开关信号调制方法，特别是所述直接数字功放方法使用数字处理设备参与所述数字功率放大处理；并包括以下步骤S1、将原始数据音频信号进行开关信号调制；所述步骤S1又包括以下分步骤S11、插值；S12、进行噪声整形；S13、进行脉宽调制或Delta Sigma调制；S2、将调制后的信号进行封装；S3、将封装后的调制信号经标准串行总线进行传送。
该方法中设置带标准串行总线的数字功率分配与驱动输出装置；所述直接数字功放方法还包括以下步骤S4、将标准串行总线接收的数字功率调制信号进行处理和信号分配，包括解包和验证该信号，并将该信号分配为二路以上。
S5、向分路设置的输出功率模块施加解包后对应的数字功率调制信号，并将该输出功率信号经低通滤波器输出。
一种使用标准串行总线口的直接数字功放系统，包括带低通滤波器的功率输出模块204；特别是该直接数字功放系统还包括按软件程序运行的开关信号调制与封装传输装置210；以及数字功率输出装置200。
所述开关信号调制与封装传输装置210是带标准串行总线接口的信息处理设备。该装置既可以是嵌入式专用处理芯片，也可以由电脑系统的一部分资源完成其功能。
所述标准串行总线接口可以是USB口、IEEE1394口或其他串行标准输出接口。
本发明的一个实施例是，所述信息处理设备由个人计算机组成，完成本发明所述的开关信号调制与封装传输任务。
所述数字功率输出装置200又包括与所述数据处理设备210连接的串行接口控制与驱动模块201，与该驱动模块201依次相连的数据接收模块202和信号分配模块203。
所述驱动模块201、接收模块202和信号分配模块203又分别与同步模块209相连；所述信号分配模块203又连接包括二个以上分模块的功率输出模块204。例如四个分模块2041、2042、2043、2044，见图3。
一些实施例中，所述功率输出模块204的输出又依次接有反馈信号A/D转换器208和回传数据缓存模块205；该缓存模块205接所述控制与驱动模块201，并与同步模块209相连。
所述数字功率输出装置200还可以包括与所述同步模块209相连的状态数据成组模块206；所述成组模块206又分别与两状态信号源207相连。
一些实施例情况下，所述成组模块206还与回传数据缓存模块205相连。
本发明方法所采用技术方案的具体步骤参见流程示意图1，分述如下步骤一是开关信号调制。可以先在电脑或其他信息处理设备上，将原始数字音频信号根据要求调制成一路或多路控制功率输出系统上相应功率管组通断的开关信号，即Delta Sigma调制信号。采用一比特或数字脉宽调制技术，即Delta Sigma调制技术，并经过噪声整形。输出的开关信号只有‘1’和‘0’两种状态，通常“1”代表开通而“0”代表关断，根据要求输出的功率的变化，开关信号根据调制算法在‘1’和‘0’两种状态上不断变化，形成一位串行比特流。最终的输出功率取决于功率管的开通与关断时间之比率，即一定周期内串行比特流中“1”与“0”数目之比率。该比特流的速率取决于一比特调制的过采样频率或数字脉宽调制的载波频率，对于数字音频信号，大多在370KBit/s到2MBit/s之间，适合在USB等高速串行总线上传输。
步骤二是数据封装。步骤一产生的一路或多路串行比特流对应只有一路或多路功率输出的情况的Delta Sigma调制信号封装或打包成适合于一条USB或IEEE1394标准串行总线上传输的形式，即经封装的Delta Sigma调制信号开关信号。多路比特流的数据，可以按一定顺序和格式组合，在一个逻辑管道如USB中的Pipe或逻辑信道如IEEE1394中的Channel上传送，或分别在多个逻辑管道或逻辑信道上传送。传送的数据可加入纠错编码或进行加密处理。
步骤三是数据传送。将步骤二产生的数据在USB或IEEE1394标准串行总线端口进行传送。数据的传送方式，在满足最终输出信号质量的条件下，可采用USB或IEEE1394标准支持的任何传送方式，如异步Asynchronous、等时Isochronous方式等。
步骤四是接收数据与信号分配。功率输出系统通过USB或IEEE1394总线端口接收数据，解包，并可对收到的数据进行验证。然后分解出一路或多路串行比特流对应一路或多路功率输出的情况，将对应的开关信号分送到相应的功率管组。
步骤五是驱动功率输出。通过控制功率管的通断来输出功率。功率管的输出通常连接无源低通滤波器电路，由低通滤波器最后输出模拟功率信号。
利用上述方法在数字功放领域可以设计出了一种成本低廉、使用灵活的数字功率输出系统。该系统与主机PC或家庭数字视听中心联用，将数字功放的调制算法和其他各种处理算法都集中到主机上完成；而这些处理在主机上通常可以通过软件来实现，这将使整个系统成本降低、升级更容易、使用更灵活。
本发明使用标准串行总线接口的直接数字功放系统主要包括两部分，第一部分包括一是运行软件程序的数字处理设备210，该设备使用标准串行总线接口，实现所述直接数字功放方法中的第S1、S2和S3步骤；特别是其中使用的USB等高速串行总线，用来实现方法中的第S2和S3步骤。第二部分包括设在所述数字处理设备外的数字功率输出装置200，该装置通过USB等高速串行总线与主机相连接。
针对上述第二部分的数字功率输出装置200，本发明考虑到可能需要的不同应用需求采取如下模块来实现其功能。这种数字功率输出装置如图4所示，能最终实现模拟输出功率。它包含以下几个部分USB或IEEE1394接口或其他未来定义的可用的标准串行接口控制和驱动模块201该模块负责USB等高速串行总线的底层通信。
数据接收模块202该模块与控制和驱动模块201配合实现所述方法中的第S4步骤中的数据接收。
信号分配模块203实现所述方法第S4步骤中的信号分配。
功率输出模块204由电源、功率管和低通滤波器组成，实现所述方法中的第S5步骤的模拟信号输出。
还有同步模块209，提供各模块工作所需的同步信号时钟。
一种实施例中，本发明的一种数字功率输出装置如图5所示，能实现输出功能并可把输出功率信号反馈回主系统，它包含以下几个部分USB或IEEE1394接口或其他未来定义的可用的标准串行接口控制和驱动模块201，该模块负责USB等高速串行总线的底层通信。
数据接收模块202。该模块与模块201配合实现所述方法中的第S4步骤的数据接收。
信号分配模块203。实现方法中的第S4步骤中的信号分配。
功率输出模块204。由电源、功率管和低通滤波器组成，实现所述方法中的第S5步骤的驱动功率输出。
回传数据缓存模块205。用来向主机回传数据。
A/D转换器208考虑到某些应用系统要用到来自输出端的反馈信号，本系统可配有A/D转换器与输出端相连，将输出模拟信号转换为数字信号，通过上述同一个串行总线接口回传至主机。
同步模块209。提供各模块工作所需的同步信号时钟。
另一些实施例中，本发明的数字功率输出装置如图6所示，能实现输出功能并可把状态信号反馈回主系统，它包含以下几个部分USB或IEEE1394接口或其他未来定义的可用的标准串行接口控制和驱动模块201。该模块负责USB等高速串行总线的底层通信。
数据接收模块202。该模块与控制和驱动模块201配合实现所述方法中的第4步骤的接收数据。
信号分配模块203。实现方法中的第S4步骤中的信号分配。
功率输出级模块204。由电源、功率管和低通滤波器组成，实现所述方法中的第S5步骤的驱动功率输出。
状态数据成组模块206。将各状态信号组成一定格式的数据。
状态信号源207。本系统可通过同一个USB或IEEE1394标准串行总线接口发送各种状态信号。
同步模块209。提供各模块工作所需的同步信号时钟。
还有一些实施例中，本发明的数字功率输出装置如图7所示，该装置设计不仅仅是接收数据，还可通过同一个USB或IEEE1394标准串行总线接口发送各种状态信号，如了解整个工作系统的状态、告警等，根据应用的需要来定义。考虑到某些数字功放系统要用到来自输出端的反馈信号，本装置还可配有A/D转换器与输出端相连，将输出模拟信号转换为数字信号，通过上述串行总线接口回传至主机。它包含以下几个部分USB或IEEE1394接口或其他未来定义的可用的标准串行接口控制和驱动模块201。该模块负责USB等高速串行总线的底层通信。
数据接收模块202。该模块与控制和驱动模块201配合实现所述方法中的第S4步骤中的数据接收。
信号分配模块203。实现方法中的第S4步骤中的信号分配。
功率输出模块204。由电源、功率管和低通滤波器组成，实现所述方法中的第S5步骤的驱动功率输出。
回传数据缓存模块205。用来向主机回传数据。
状态数据成组模块206。将各状态信号组成一定格式的数据。
状态信号源207。本系统可通过同一个USB或IEEE1394标准串行总线接口发送各种状态信号。
A/D转换器208。考虑到某些应用系统要用到来自输出端的反馈信号，本系统可配有A/D转换器与输出端相连，将输出模拟信号转换为数字信号，通过上述同一个串行总线接口回传至主机同步模块209。生成各模块工作所需的同步信号时钟本发明的硬件结构简单，成本低廉，配合相应的主机和信号处理软件使用可使整个系统应用灵活、便于升级，不需专用数字功放处理芯片和专用数字音频接口即可与普通的家用PC电脑或其他某些数字媒体设备组成全数字音响系统。
本发明除了如前所述成一个独立的系统，也可以结合到音箱设计中，制成一个USB接口和/或IEEE1394接口的有源数字音箱。
图8是本发明的一个应用实例。该实施例是一个由个人电脑310和带USB接口的数字音频功率输出板320及扬声器330组成的数字功放系统。
其中带USB接口的数字音频功率输出板320由一片USB收发芯片313如Philips的PDIUSBP11A、一片8位嵌入式如型号为8051的CPU芯片314，和功率输出级模块315组成，含电源、功率管和低通滤波器。
该电路板320与扬声器330相连，安装在音箱中，就构成了一组USB接口的数字有源音箱340。此音箱用电缆直接连接到PC电脑310的USB端口312，即可组成一个全数字化的多媒体音响系统。在该系统中，数字音频功放处理的算法及其他各种音频信号处理的算法全部由运行在PC平台310上的软件完成，现在一般个人电脑的运算能力已足够完成这些算法，不需要额外的专用硬件电路或DSP数字信号处理器。如果是采用经典的SPDIF接口的数字功放及音箱来构造这个音响系统，则需要专用的数字功放处理芯片、SPDIF解码芯片，特别是带SPDIF接口的声卡，其价格远高于不带SPDIF接口的普通声卡，以及光缆及转接头等。而采用本发明后，就不需要上述这些部件，应用更加灵活，也大大降低了成本。
权利要求
1.一种使用标准串行总线接口的直接数字功放方法，包括标准串行总线传输数据的方法和开关信号调制方法，其特征在于所述直接数字功放方法使用数字处理设备参与所述数字功率放大处理；并包括以下步骤S1、将原始数据音频信号进行开关信号调制；S2、将调制后的信号进行封装；S3、将封装后的调制信号经标准串行总线进行传送。
2.根据权利要求1所述的直接数字功放方法，其特征在于设置带标准串行总线的数字功率分配与驱动输出装置；所述直接数字功放方法还包括以下步骤S4、将标准串行总线接收的数字功率调制信号进行处理和信号分配；S5、向分路设置的输出功率模块施加解包后对应的数字功率调制信号，并将该输出功率信号经低通滤波器输出。
3.根据权利要求2所述的直接数字功放方法，其特征在于所述步骤S1又包括以下分步骤S11、插值；S12、进行噪声整形；S13、进行脉宽调制。
4.根据权利要求2所述的直接数字功放方法，其特征在于所述步骤S1又包括以下分步骤S11、插值；S12、进行噪声整形；S13、进行Delta Sigma脉宽调制。
5.根据权利要求3或4所述的直接数字功放方法，其特征在于所述步骤S4进行的信号处理是解包和验证该信号，并将该信号分配为二路以上。
6.一种使用标准串行总线接口的直接数字功放系统，包括带低通滤波器的功率输出模块(204)；其特征在于该直接数字功放系统还包括按软件程序运行的开关信号调制与封装传输装置(210)；以及数字功率输出装置(200)。
7.根据权利要求6所述的直接数字功放系统，其特征在于所述开关信号调制与封装传输装置(210)是带标准串行总线接口的信息处理设备。
8.根据权利要求7所述的直接数字功放系统，其特征在于所述标准串行总线接口是USB口或IEEE1394口；所述信息处理设备是个人计算机；所述数字功率输出装置(200)又包括与所述数据处理设备(210)双向连接的串行接口控制与驱动模块(201)，与该驱动模块(201)依次相连的数据接收模块(202)和信号分配模块(203)；所述驱动模块(201)、接收模块(202)和信号分配模块(203)又分别与同步模块(209)相连；所述信号分配模块(203)又连接包括二个以上分模块的功率输出模块(204)。
9.根据权利要求8所述的直接数字功放系统，其特征在于所述功率输出模块(204)的输出又依次接有反馈信号A/D转换器(208)和回传数据缓存模块(205)；该缓存模块(205)接所述控制与驱动模块(201)，并与同步模块(209)相连。
10.根据权利要求8或9所述的直接数字功放系统，其特征在于所述数字功率输出装置(200)还包括与所述同步模块(209)相连的状态数据成组模块(206)；所述成组模块(206)又分别与两状态信号源(207)相连。
全文摘要
一种使用标准串行总线接口的直接数字功放方法与系统，包括以下步骤S1、将原始数据音频信号进行开关信号调制；S2、将调制后的信号进行封装；S3、将封装后的调制信号经标准串行总线进行传送。还包括带低通滤波器的功率输出模块(204)；特别是还包括按软件程序运行的开关信号调制与封装传输装置(210)；以及数字功率输出装置(200)。本发明直接通过数字处理设备进行处理，将数字功放的调制算法和其他各种处理算法都集中到主机上完成，相当于将电脑或其他信息处理装置“融入”功放系统，应用于数字音频功放及全数字音响领域，并经标准高速串行总线接口传输而实现数字信号功率放大与输出的方法，提高灵活性并同时降低整个数字功放系统的成本。
文档编号G06F3/00GK1536502SQ0312151
公开日2004年10月13日 申请日期2003年4月3日 优先权日2003年4月3日
发明者挥 李, 李挥, 张志军 申请人:挥 李, 李挥, 张志军