专利名称：一种高保真音频信号放大方法
技术领域：
本发明涉及音频信号放大技术。尤其是基于射频传输的高保真音频信号放大方法及相应的音频信号放大器。
背景技术：
在保高真音频放大器领域，现有的音频信号放大模式都是采用宽带线性直接模拟放大的基本形式。虽然放大器的形式上有多种多样，如反馈放大式，前馈放大式(也有称为电流倾注式)，预失真放大校正式等；以及放大器的工作状态不同，有A类、AB类、B类等；放大器的结构不同，有单端式，PP(对称推挽)式，SEPP(单端推挽)式，以及SRPP等；采用的元器件不同，有真空管放大器、双极型晶体管放大器，场效应管(FET)放大器，以及混合放大器等。但其基本形式一样都是属于对输入信号直接进行模拟放大的类型。此类型的放大器共同的缺点是放大器的开环频率范围狭窄，响应速度慢，线性度差，需要采用各种方式来校正失真。如反馈放大器，要减小失真和展宽频带，唯有增加反馈深度，但由于闭环后的放大器存在稳定性方面的问题，需要对其进行相位补偿，导致放大器开环频率低，响应速度慢，当放大器无法跟踪快速变化的电信号时，会造成放大器瞬间过载而产生瞬态失真。此类放大器另外一个共同缺点是直接放大电信号，对于PP或SEPP型的放大器，其处理方法是将信号分割成正半周和负半周分开放大后再合成完整的电信号，由于两边放大器的特性(包括直流电源的特性)不完全相同，合成后的电信号会产生失真(包括相位失真)，如果信号的变化速度比放大器的响应速度快，那么这失真是无法靠反馈来减小的。对于单端式放大器虽然信号放大的全过程都在同一放大器中，但信号的正半周和负半周放大过程仍处在放大器的不同工作状态，信号的正半周从0到峰值放大器处于从大电流到饱和的工作状态，信号的负半周从0到峰值放大器处于从小电流到截止的工作状态，对于同一放大器来说工作状态不同其特性也不相同，如阻抗、跨导、上升及下降时间等，这也会导致失真。也有非直接模拟放大音频信号的方式，如直接对音频信号进行脉冲取样，采用PWM技术的D类放大器及采用PCM技术的数字化音频放大器，这类放大器可统称为开关放大器，由于放大器不是直接放大音频信号，因此它有许多优点效率高、放大器本身不直接对所放大的音频信号产生失真等。理论上这类放大器可获得完美的放大效果，但由于各种复杂因素的影响，目前其实际的音响效果是不尽人意的，甚至还不如一些模拟放大器。虽然人耳所能觉察到的声波频率范围仅为20-20000Hz，但实际上的乐音及语言声波通过声一电转换系统后所获得的电信号是极为复杂的，并非单一的简谐波，通过富立叶变换我们知道乐音及语言的声频电信号其频谱是非常广的，远不止20-20000Hz的范围。
发明内容
本发明的目的在于提供一种非直接模拟放大音频信号的方法，这种方法是将音频信号直接加载于射频信号中进行传输，从而获取高保真的音频放大信号。
本发明所提供的高保真音频信号放大方法，是在同一电路中由射频调制器、射频放大器、射频解调器构成的音频信号放大器中，将被放大的音频信号对射频信号的频率或相位或振幅进行调制，获得携载有被放大音频信息的射频信号，通过高频放大器放大此射频信号，再将放大后的射频信号调解还原出音频信号，在放大了高频信号的同时，音频信号也间接地获得了放大。
本发明基于射频传输的音频信号放大方法与通常的直接模拟放大音频信号以及数字化音频放大的技术方法相比，具有许多优越性响应速度快，音频信号是加载于射频信号中放大的，射频信号的频率可比音频信号的频率高几个数量级，因此音频信号放大过程的传输速度也比直接模拟放大方式要快得多，这对减小失真十分有利；放大器中有源器件及无源器件的特性对音频信号的影响要比直接模拟放大方式小；可放大的音频上限频率只与射频放大器的通带宽度有关，远比直接模拟放大方式要高；与数字化音频放大器相比，本系统放大的是简谐波，非开关信号，对有源器件的要求不高，而且工作频率比数字化音频的采样频率要高得多，频带窄，噪声小，放大、匹配和控制容易。
实现本发明方法所提供相应的高保真音频信号放大器，是由射频调制器、射频放大器、射频解调器在同一电路中构成，其中射频调制器包括射频信号源、射频信号调制单元、倍频或变频等频率变换单元电路，射频信号源是由振荡器产生放大系统所需的高频信号，音频信号通过射频调制器将未调制的高频信号转换成调幅信号或调频信号，已调制的高频调幅信号或调频信号通过倍频器或混频器转换成频率较高或较低的信号；射频放大器为高频线性放大器包含高频电信号的放大、放大器级间的高频电信号的藕合、匹配和带宽控制电路；射频解调器包括已调制射频信号的解调单元电路、滤除解调后音频信号中载频成份的射频滤波器、隔离解调后的音频信号中的直流分量的单元电路。
音频信号对高频信号的调制方法有以下几种1、调幅方式；2、调频方式；3、调相方式。相应的解调方法为调幅方式用包络检波器来恢复音频信号；调频和调相方式用鉴频器或鉴相器来恢复音频信号。
本发明射频调制采用振幅调制AM方式时，是指在射频调制器中射频信号的输出振幅随输入音频信号的大小而变化；振幅调制器可以是有载频型、抑制载频型、QAM型振幅调制器中的一种或几种的组合，相应的射频解调器为可检出射频信号振幅变化的单元电路。获得调幅信号的方法是将音频信号叠加一直流分量后与载频信号相乘。设音频信号为VAF＝VAMCOSΩt，载频信号VRF＝VRMCOSωt，m＝VAM/VRM为调幅度，(m≤1)。相乘后调幅信号为V＝VRM(1+mCOSΩt)×COSωt，载频信号COSωt的振幅随音频信号(1+mCOSΩt)而变，这就是调幅原理。应用上可采用普通的振幅调制器如电子管的栅极调制法；阴极调制法；阳极调制法；帘栅或抑制栅极调制法；混合调制法等。晶体管的基极、发射极、集电极调制法等。场效应管的栅极、源极和漏极调制法等。也可用乘法式振幅调制器；双栅场效应管乘法调幅器；模拟乘法器构成的振幅调制器。或用正交振幅调制方式(QAM)方式来实现调幅信号的产生。调幅高频信号采用线性调谐放大器来放大，高频放大器用调谐方式工作效率高、匹配容易、通带窄、干扰和噪声小、失真低。调谐放大器工作状态可以是甲类、乙类或丙类，从减低失真、实现高保真音频重放的角度考虑，以甲类工作状态最好。调幅信号的解调方式有直接检波式，对调幅高频信号直接用高频二极管进行整流的方法来还原音频；相干检波式，用原载频信号与调幅信号的边频合成的方法来还原音频。解调后的音频信号还含有高频成份和直流分量，需要滤波除去高频成份和隔离直流分量才能获得纯净的音频信号，滤波用RC、RL、RLC、LC等滤波器，隔离直流分量用RC。
本发明的射频调制采用频率调制方式时，是指在射频调制器中射流信号的的输出频率随输入音频信号的大小而变化。实现此调频功能的方法有直接调频法FM(也称调频法)、间接调频法PM(也称调相法)。直接调频法系指将音频信号通过改变射频振荡器振荡回路中的电抗参数使振荡频率发生变化从而获得调频信号的方法，间接调频法系指将音频信号通过积分电路后再去调制射频信号的相位从而间接获得调频信号的方法。放大调频信号的高频放大器与调幅波的高频放大器一样，带宽要大一些。调频解调器为鉴频器或鉴相器，可将调频信号中频率变化转换为相应的振幅变化的单元电路。其原理是鉴频器具有调谐在3个不同频率的谐振回路，一个调谐在载频fo上，一个调谐在比fo高的频率上，另一个调谐在比fo低的频率上，输入信号频率变化时由于谐振回路失谐使输出信号的振幅发生变化用振幅检波器检出包迹从而还原音频信号。调频解调后的音频信号还含有高频成份和直流分量，也需要滤波除去高频成份和隔离直流分量才能获得纯净的音频信号，滤波用RC、RL、RLC、LC等滤波器，隔离直流分量用RC。
在该系统中将解调滤波后获得的音频信号反馈到射频调制器的目的是进一步减小噪声和降低失真。本发明的放大系统既可设计独立的音频前置放大器、驱动模拟功率放大单元的电压放大器，也可设计成能直接驱动扬声器的音频功率放大器。
图1是本发明基本原理方框图。
图2是本发明调频方式工作的音频前置放大器电路原理图。
图3是本发明调幅方式工作的音频前置放大器电路原理图。
图4是本发明调幅方式工作的音频功率放大器电路原理图。
具体实施例方式以下结合附图具体描述。
图2为依据本发明原理所设计的调频方式工作的音频前置放大器电路原理图，图2中Q1、Q2、Q3及外围元件构成频率调制器，其中Q1及外围元件构成甚高频振荡信号源及频率调制器，音频信号直接加到变容二极管D1，使D1的电容随音频信号变化从而使振荡器的振荡频率发生变化。调频信号经C5加到由Q2、Q3组成的变频电路，将甚高频信号变换为频率较低的中频信号，Q3为本振信号源，Q2为混频器。中频信号经Q4、Q5及外围元件组成的两级高频放大器放大后由T5、C25、C27、C28、D2、D3、R18、R19构成的双调谐线性鉴频器对调频信号进行解调来恢复音频信号。C29、C30的作用是滤除检波后音频信号中的载频成份，C31、C32、R20、R21的作用是隔离检波后音频信号中的直流分量。
图3为依据本发明原理所设计的调幅方式工作的音频前置放大器电路原理图，图3中Q1、Q2及外围元件构成振幅调制器产生调幅信号，Q1及外围元件构成射频信号源，双栅场效应管Q2及外围元件构成射频调幅器。调幅信号经Q3、Q4两级高频放大器放大后由D1、R11、C12组成的包络检波器来恢复音频信号，C13、R12的作用是隔离检波后音频信号中的直流分量。
图4为依据本发明原理所设计的调幅方式工作的音频功率放大器电路原理图，图4中振幅调制器由Q1、V1及外围元件构成，Q1及外围元件构成射频信号源，五极管V1及外围元件构成栅极调幅的射频振幅调制器，射频放大器由V2、V3及外围元件构成。T4输出的射频信号经D1、D2、D3、D4组成的全波调幅解调电路检出载有音频信息的调幅波包络部份，由R8、C12、L2、C13组成滤波器滤除检波后音频信号中的载频成份以还原音频信号，C14、R9的作用是隔离检波后音频信号中的直流分量。R10为反馈电阻，输出的音频信号经R10加到V1的阴极，形成外环路负反馈以进一步降低失真和减小噪声。从R9两端获得可驱动扬声器的音频信号。
权利要求
1.一种高保真音频信号放大方法，其特征是在同一电路中由射频调制器、射频放大器、射频解调器构成的音频信号放大器中，将被放大的音频信号对射频信号的频率或相位或振幅进行调制，获得携载有被放大音频信息的射频信号，通过高频放大器放大此射频信号，再将放大后的射频信号调解还原出音频信号，在放大了高频信号的同时音频信号也间接地获得了放大。
2.按照权利要求1所述高保真音频信号放大方法，其特征在于射频调制是采用振幅调制方式，射频调制器中射频信号的输出振幅随输入音频信号的大小而变化；振幅调制器可以是有载频型、抑制载频型、QAM型振幅调制器中的一种或几种的组合，相应的射频解调器为可检出射频信号振幅变化的单元电路。
3.按照权利要求1所述高保真音频信号放大方法，其特征在于射频调制是采用频率调制方式，射频调制器中射频信号的输出频率随输入音频信号的大小而变化，可采用将音频信号通过改变射频振荡器中振荡回路中的电抗参数使振荡频率发生变化从而获得调频信号的直接调频方法，或采用将音频信号通过积分电路后再去调制射频信号的相位从而获得调频信号的间接调频法，相应的射频解调器为可将射频信号中频率变化转换为相应的振幅变化的单元电路。
4.按照权利要求1所述高保真音频信号放大方法，其特征在于放大系统设计成独立的音频前置放大器、驱动模拟功率放大单元的电压放大器，或设计成能直接驱动扬声器的音频功率放大器。
5.一种高保真音频信号放大器，其特征是由射频调制器、射频放大器、射频解调器在同一电路中构成，其中射频调制器包括射频信号源、射频信号调制单元、倍频或变频等频率变换单元电路，射频信号源是由振荡器产生放大系统所需的高频信号，音频信号通过射频调制器将未调制的高频信号转换成调幅信号或调频信号，已调制的高频调幅信号或调频信号通过倍频器或混频器转换成频率较高或较低的信号；射频放大器为高频线性放大器包含高频电信号的放大、放大器级间的高频电信号的藕合、匹配和带宽控制电路；射频解调器包括已调制射频信号解调单元电路、滤除解调后音频信号中载频成份的射频滤波器、隔离解调后的音频信号中的直流分量的单元电路。
全文摘要
一种基于射频传输的高保真音频信号放大方法，将被放大的音频信号对射频信号的某一参数(如频率、相位、或振幅)进行调制，获得携载有被放大音频信息的射频信号，通过高频放大器放大此射频信号，再将放大后的射频信号解调还原出音频信号，在放大了高频信号的同时音频信号也间接地获得了放大。
文档编号H03G9/00GK1489283SQ0312527
公开日2004年4月14日 申请日期2003年8月12日 优先权日2003年8月12日
发明者余小宁 申请人:余小宁