低带宽占用率的全数字化无声卡多声道播放系统及播放方法与流程

本发明涉及音频播放技术领域，特别是涉及一种低带宽占用率的全数字化无声卡多声道播放系统及播放方法。

背景技术：

目前，主流音响播放模式是对音频数据文件用声卡硬件D/A转换解码输出模拟音频信号，以AB类或A类功放为主。也有如图1所示的传统D类功放，将模拟音频信号通过比较器转换变PWM信号，进行功率放大和滤波，上述方法是对音频模拟信号进行功率放大，存在非线性失真、互调失真等将导致声音恶化。为解决声音失真的问题，如图2所示，德州仪器采用纯硬件电路来实现D/D高精度转换，利用数字内插滤波器滤波，经过等比特调制器将数字音频调制成PWM信号。这种方法需要另外购置硬件、功放造价增加，并且其精度由硬件固定，不能随意提高；另外只能支持一台D类功放，由于不支持网络，多台时有复杂的连线且没有网络化音响系统深度开发的基础。

技术实现要素：

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题，特别创新地提出了一种低带宽占用率的全数字化无声卡多声道播放系统及播放方法。

为了实现本发明的上述目的，根据本发明的第一个方面，本发明提供了一种低带宽占用率的全数字化无声卡多声道播放系统，其包括：电脑控制端，所述电脑控制端将各类数字音频格式文件转变为高保真的至少一个PWM文件，所述PWM文件由开关时间长短不同的信号构成，每一个开关信号的高电平或低电平延续时间长短与音频文件的相应幅值成正比且延续时间长短由时长控制模块控制；PWM信号接收端，所述PWM信号接收端具有N个可同时工作且能够按照电脑端时长控制模块的延续时间长短输出高电平或低电平的端口，所述N为正整数；所述PWM信号接收端与电脑控制端通过网络连接，电脑控制端将所有高保真的PWM音频信号通过网络直接传输给PWM信号接收端。

本发明的多声道播放系统中，PWM信号接收端与电脑控制端通过网络连接，PWM信号接收端与电脑控制端的距离可近也可以很远；通过软件直接将数字音频文件转变为PWM文件，避免了音频的失真，提高了音质。本发明不需要高保真的PWM信号接收端，就可以实现音频的无损还原，极大地降低了费用；PWM信号接收端具有N个可同时工作的输出端口，利用价格低廉的PWM信号接收端就可以同时驱动多个功放同时工作，可随意进行声道扩展。本发明彻底摒弃硬件声卡和德州仪器采用的纯硬件D/D转换方式，电脑控制端只需要通过软件将数字音频文件直接转变为高保真PWM文件直接驱动D类功放，就能够实现高保证音乐的播放，设备简单、造价低廉、扩展性极强，实用性极强。另外，本发明PWM文件由开关时间长短不同的信号构成，每一个开关信号的高电平或低电平延续时间长短与音频文件的相应幅值成正比且延续时间长短由电脑端时长控制模块控制，PWM文件为时长控制模块发出的开关信号，对网络带宽要求很低。

在本发明的一种优选实施方式中，所述电脑控制端和PWM信号接收端均具有网络通信模块，所述网络通信模块通过有线网络或者无线网络实现PWM信号传输。既可以通过有线连接，也可以通过无线连接，既可以近距离传输，也可以远距离传输。

在本发明的另一种优选实施方式中，电脑控制端接收数字音频格式文件，将不同数字音频格式文件各独立声道信息转变为与之对应的各声道高保真PWM文件。从而实现多声道立体声的播放。

在本发明的另一种优选实施方式中，所述电脑控制端包括数字音频接收模块、振幅获取模块、振幅区间分割模块、时长控制模块和PWM文件获取模块，其中，所述音频接收模块接收数字音频文件并传输至振幅获取模块和PWM文件获取模块；所述振幅获取模块获取所述数字音频文件的振幅最大值M1和振幅最小值M2，确定数字音频文件的声音范围为[-M,M]，其中M为|M1|和|M2|中的较大者；所述振幅区间分割模块接收振幅获取模块获取的信息，将区间[-M,M]均分为n个子区间，区间边界点的数值从低到高用K0、K1、K2、……、Kn表示，其中n为正整数；所述PWM文件获取模块将数字音频文件按时间顺序分段，所述分段的时间间隔与原数字音频文件采样周期同步且相等，所述PWM文件获取模块获取不同音频段的幅度数据，判断其最近接的子区间边界点并传输给时长控制模块，所述时长控制模块输出高电平或低电平延续时间与最近接的子区间边界点大小呈正相关的开关信号，即为该段音频段的PWM信号。

本发明的电脑控制端直接将数字音频文件转变为PWM信号，避免了音频的失真，提高了音质。

在本发明的另一种优选实施方式中，所述时长控制模块为幅度数字-时间数字转换器，保证PWM文件的方便快捷的产生和输出。

在本发明的另一种优选实施方式中，所述电脑控制端还包括数字音频解分模块，所述数字音频解分模块获取数字音频文件的声道信息，按照声道不同将数字音频格式文件进行划分。

在本发明的另一种优选实施方式中，所述PWM信号接收端内还具有信号输出控制单元，所述信号输出控制单元将不同的PWM文件传输给不同的输出端口，多个输出端口同时驱动相应的功放工作。从而实现多声道立体声的播放。

为了实现本发明的上述目的，根据本发明的第二个方面，本发明提供了一种全数字化多声道播放系统的播放方法，其包括如下步骤：

S1，电脑控制端接收数字音频文件，获取所述数字音频文件的振幅最大值M1和振幅最小值M2；

S2，确定数字音频文件的声音范围为[-M,M]，其中M为|M1|和|M2|中的较大者；

S3，将区间[-M,M]均分为n个子区间，区间边界点的数值从低到高用K0、K1、K2、……、Kn表示，其中n为正偶数，K0至Kn用高电平或低电平延续时间逐渐增长的信号表示；

S4，将数字音频文件按时间顺序分段分段时间间隔与原数字音频文件采样周期同步且相等，获取不同数字音频段的幅度数据，并判断其最近接的子区间边界点，用所述最近接的子区间边界点所对应的开关信号表示该段音频段的PWM信号，数字音频文件对应的PWM信号相连形成PWM文件；

S5，电脑控制端将所述PWM文件通过网络发送至PWM信号接收端，所述PWM信号接收端具有N个可同时工作、接收多通道PWM信号且能够输出高电平或低电平的端口，所述N为正整数；

S6，PWM信号接收端的N个输出端口同时地驱动相应的功放工作。

本发明的播放方法通过将数字音频文件直接转变为高清晰度的PWM文件，避免了音频的失真，提高了音质；不需要高保真的PWM信号接收端，就可以实现数字音频的无损还原，极大地降低了费用；PWM信号接收端具有N个可同时工作的输出端口，利用价格低廉的PWM信号接收端就可以同时驱动多个功放同时工作，可随意进行声道扩展。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是现有传统的一种音响播放模式；

图2为德州仪器的音响播放模式；

图3是本发明全数字化多声道播放系统的网络架构示意图；

图4是本发明全数字化多声道播放系统的结构示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，除非另有规定和限定，需要说明的是，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

本发明提供了一种低带宽占用率的全数字化无声卡多声道播放系统，如图3和图4所示，其包括：电脑控制端，电脑控制端将各类数字音频格式文件转变为至少一个高保真的PWM文件，在本实施方式中，PWM文件由开关时间长短不同的信号构成，每一个开关信号的高电平或低电平延续时间长短与音频文件的相应幅值成正比且延续时间长短由电脑端时长控制模块控制。该播放系统还包括PWM信号接收端，该PWM信号接收端具有N个可同时工作且能够按照电脑端时长控制模块的延续时间长短输出高电平或低电平的端口，所述N为正整数，PWM信号接收端与电脑控制端通过网络连接，电脑控制端将所有的高保真的PWM音频信号通过网络直接传输给PWM信号接收端。

本发明的多声道播放系统中，PWM信号接收端与电脑控制端通过网络连接，PWM信号接收端与电脑控制端的距离可近也可以很远；完全利用软件将数字音频文件转变为高保真的PWM文件直接驱动D类功放，避免了硬件带来的音频失真，提高了音质，同时节省了成本，本发明输出高清晰度的PWM文件，不需要高保真的PWM信号接收端，就可以实现音频的复原，降低了费用；PWM信号接收端具有N个可同时工作的输出端口，利用价格低廉的PWM信号接收端就可以同时或分时驱动多个功放工作，可随意进行声道扩展，本发明可通过TCP、UDP协议实现PWM音频信号的传输，提高了效率，降低了费用，推广了适用性。

在本实施方式中，电脑控制端和PWM信号接收端均具有网络通信模块，网络通信模块通过有线网络或者无线网络实现PWM信号传输。既可以通过有线连接，也可以通过无线连接，既可以近距离传输，也可以远距离传输。

在本实施方式中，电脑控制端接收数字音频格式文件，将不同数字音频格式文件各独立声道信息转变为与之对应的各声道高保真PWM文件。从而实现多声道立体声的播放。具体可以在电脑控制端设置数字音频解分模块，数字音频解分模块获取数字音频文件的声道信息，按照声道不同将数字音频格式文件进行划分。

在本实施方式中，电脑控制端包括数字音频接收模块、振幅获取模块、振幅区间分割模块、时长控制模块和PWM文件获取模块，其中，音频接收模块接收数字音频文件并传输至振幅获取模块和PWM文件获取模块，如果为多声道数字音频文件或者需要划分为多声道的音频文件，可以利用数字音频解分模块将数字音频格式文件进行划分。振幅获取模块获取数字音频文件的振幅最大值M1和振幅最小值M2(如果划分成了多个数字音频子文件，这里是所有数字音频子文件的振幅最大值M1和振幅最小值M2)，确定数字音频文件的声音范围为[-M,M]，其中M为|M1|和|M2|中的较大者；振幅区间分割模块接收振幅获取模块获取的信息，将区间[-M,M]均分为n个子区间，区间边界点的数值从低到高用K0、K1、K2、……、Kn表示，其中n为正整数；PWM文件获取模块将数字音频文件按时间顺序分段，且分段时间间隔与原数字音频文件采样周期同步且相等，获取不同音频段的幅度数据，并判断其最近接的子区间边界点并传输给时长控制模块，时长控制模块输出高电平或低电平延续时间与最近接的子区间边界点大小呈正相关的开关信号即为该段音频段的PWM信号，所有的开关信号连接起来即为音频文件的PWM信号。在本实施方式中，时长控制模块为幅度数字-时间数字转换器(具体可采用现有的结构)，通过计数器控制输出的PWM信号的高电平或低电平的延续时间长度，保证PWM文件的方便快捷的产生和输出。

在本实施方式中，一个开关信号的高电平和低电平总的延续时间可以根据具体情况设定，例如可以小于或等于原数字音频文件采样周期。

本发明的电脑控制端直接将音频文件转变为PWM信号，避免了音频的失真，提高了音质。

下面将本发明中数字音频文件转变为PWM文件的技术方案进行举例，具体的数值是仅仅为了理解本发明而不是对本发明的限制，例如，首先打开一个WAV音频文件。然后找出数字音频文件对应最小振幅和最大振幅，假设的最小振幅是-7298,最大振幅是8000。使用最大振幅和最小振幅来确定声音的范围为(-8000、8000)。将区间(-8000、8000)分割为16个子区间，并将子区间的边界用延续时间逐渐增长或者变短的高电平或低电平信号表示，且高电平或低电平的持续时间由时长控制模块控制控制，例如

+8000表示为持续时间为16个时间单元长度的高电平；

+7000表示为持续时间为15个时间单元长度的一个高电平和持续时间为1个时间单元长度的一个低电平；

+6000表示为持续时间为14个时间单元长度的一个高电平和持续时间为2个时间单元长度的一个低电平；

+5000表示为持续时间为13个时间单元长度的一个高电平和持续时间为3个时间单元长度的一个低电平；

+4000表示为持续时间为12个时间单元长度的一个高电平和和持续时间为4个时间单元长度的一个低电平；

+3000表示为持续时间为11个时间单元长度的一个高电平和持续时间为5个时间单元长度的一个低电平；

+2000表示为持续时间为10个时间单元长度的一个高电平和持续时间为6个时间单元长度的一个低电平；

+1000表示为持续时间为9个时间单元长度的一个高电平和持续时间为7个时间单元长度的一个低电平；

0000表示为持续时间为8个时间单元长度的一个高电平和持续时间为8个时间单元长度的一个低电平；

-1000表示为持续时间为7个时间单元长度的一个高电平和持续时间为9个时间单元长度的一个低电平；

-2000表示为持续时间为6个时间单元长度的一个高电平和持续时间为10个时间单元长度的一个低电平；

-3000表示为持续时间为5个时间单元长度的一个高电平和持续时间为11个时间单元长度的一个低电平；

-4000表示为持续时间为4个时间单元长度的一个高电平和持续时间为12个时间单元长度的一个低电平；

-5000表示为持续时间为3个时间单元长度的一个高电平和持续时间为13个时间单元长度的一个低电平；

-6000表示为持续时间为2个时间单元长度的一个高电平和持续时间为14个时间单元长度的一个低电平；

-7000表示为持续时间为1个时间单元长度的一个高电平和持续时间为15个时间单元长度的一个低电平；

-8000表示为持续时间为16个时间单元长度的一个低电平。

将音频文件按时间顺序分段，如果某一段音频文件的幅度是+6000,则用持续时间为14个时间单元长度的一个高电平和持续时间为2个时间单元长度的一个低电平表示，不同于用1111111111111100这么多脉冲信号表示其PWM值,明显降了带宽占用率。如果某一段音频文件的幅度是+6100,也使用持续时间为14个时间单元长度的一个高电平和持续时间为2个时间单元长度的一个低电平表示表示其PWM值,因为它接近+6100；如果某一段音频文件的幅度是+6900,则用持续时间为15个时间单元长度的一个高电平和持续时间为1个时间单元长度的一个低电平表示其PWM值，因为+6900更接近+7000。

在时域上，如果接收方收到持续时间为14个时间单元长度的一个高电平和持续时间为2个时间单元长度的一个低电平,应当连续输出14个时间单元长度的高电平,然后输出2个时间单元长度的低电平。每个时间单元长度是由音频文件的子区间数量决定。另外，PWM值也可以存储在硬盘中,供以后回放。

需要说明的是，虽然随着音频文件的子区间数量变化，时域上时间单元长度也会发生变化，但是为了保证音频的高保真，在本实施方式中，音频播放时间固定，音频文件的子区间数量变多时，每一个子区间的时域长度相应减小，每一个时间单元长度时间也相应变短。

在本实施方式中，PWM信号接收端的N个输出端口同时地驱动相应的功放工作，在PWM信号接收端内还具有信号输出控制单元，信号输出控制单元可以将同一个PWM文件传输给不同的输出端口，也可以将将不同的PWM文件传输给不同的输出端口，多个输出端口同时驱动相应的功放工作，实现音频的播放。例如，将某一个数字音频文件按照频率或者声道分为8部分PWM1，PWM2，……,PWM8，16个输出端口驱动8个D类功放，16个输出端口两个一组同时输出一部分PWM信号，从管脚D0至D15同时输出PWM1，PWM2，……,PWM8，具体播放时，N个输出端口同时地驱动相应的功放工作，从而实现音频的播放。

本发明提供了一种全数字化多声道播放系统的播放方法，其包括如下步骤：

S1，电脑控制端接收音频文件，获取所述音频文件的振幅最大值M1和振幅最小值M2；

S2，确定音频文件的声音范围为[-M,M]，其中M为|M1|和|M2|中的较大者；

S3，将区间[-M,M]均分为n个子区间，区间边界点的数值从低到高用K0、K1、K2、……、Kn表示，其中n为正偶数，K0至Kn用高电平延续时间逐渐增长的开关信号表示；

S4，将数字音频文件按时间顺序分段且分段时间间隔与原数字音频文件采样周期同步且相等，获取不同数字音频段的幅度数据，并判断其最近接的子区间边界点，用所述最近接的子区间边界点所对应的开关信号表示该段音频段的PWM信号，数字音频文件对应的PWM信号相连形成PWM文件；

S5，电脑控制端将所述PWM文件通过网络发送至PWM信号接收端，

PWM信号接收端具有N个可同时工作,接收多通道PWM信号且能够输出高电平或低电平的端口，所述N为正整数；

S6，PWM信号接收端的N个输出端口同时驱动相应的功放工作，多个功放同时工作进行播放。

本发明的播放方法通过将数字音频文件直接转变为高清晰度的PWM文件，通过增加划分的区间数量，能够获得高清晰度的PWM文件，避免了音频的失真，提高了音质；高清晰度的PWM文件不需要高保真的PWM信号接收端，就可以实现音频的复原，极大降低了费用；PWM信号接收端具有N个可同时工作的输出端口，利用价格低廉的PWM信号接收端就可以同时驱动多个功放同时工作，可随意进行声道扩展。

本发明接收端与功放端为完美的硬件组合，实现全数字化高保真播放单元，使用方便快捷、且十分廉价。

需要说明的是，本发明中区间的范围和分段只是举例说明，通过增加划分的区间数量，能够进一步提高PWM信号高保真度，具体划分的区间数量可根据具体PWM信号接收端清晰度的要求确定。在本实施方式中，具体PWM信号接收端可以为普通单片机及外围通信模块所构成。

与现有技术相比，本发明还具有采用集中分布式网络、全数字PWM无损、价格低廉、操作方便、可与现有设备良好匹配、安装快捷、方便后期音效设计等优点。

本发明电脑控制端将无损的PWM音频信号通过网络直接传输给PWM信号接收端，在无需专用硬件将传统音频格式转换成PWM信号便可完成音频高保真无损还原；利用廉价的PWM信号接收端就可以同时驱动多个D类功放同时工作。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。