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数字音频功率放大器组成和分类
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你可能喜欢　　数字音频是一种将输入模拟音频信号或数字信号变换成（脉冲亮度）或PDM（脉冲密度调制）的脉冲信号，然后用PWM或PDM的脉冲信号去控制大功率开关器件通／断的音频功率放大器。也称为开关放大器、D类放大器，具有效率高的突出优点。数字音频功率放大器也看成是一个一比特的功率数模变换器。放大器由输入信号处理、开关信号形成电路、大功率开关电路和低通等四部分组成。　　　　输入信号为模拟信号时，输入信号处理电路的作用是调整、放大、均衡。输人信号为数字信号时，用数字接口电路对输入信号进行和必要的信号加工。　　　　开关信号形成电路分PWM处理器和17PDM处理两种，将输入信号的变化变换成脉冲宽度的变化或脉冲密度的变化。　　　　大功率开关电路分半桥式和全桥式(BTL连接)两种。大功率开关器件在匕十年代都是使用双极型晶体三极管。而现在几乎都只使用N沟道MOS-FET。半桥方式时上下两只管子的工作状态相反轮流通断，全桥方式时两条对角线上的管子工作状态相反轮流通断。　　　　低通的作用是将脉冲波形整澎戚漂亮的模拟波形，即滤除PWM或PDM信号的载波成分。常采用功率损耗小的LC型器。　　　　数字放大器中最古典的电路是在开关信号形成电路中使用比较器和三角波发生器的方式。用三角波发生器产生的等幅三角度与模拟信号进行电压比较，并变换成PWM信号。这种方式容易受元件参数不一致和参数变化的影响，通常在输入端需引入负反馈。　　　　△&型PDM数字放大器是夏普等公司采用的方式，也称为△&型一比特放大器。开关信号形成电路使用一比特输出的AE，用它将模拟信号变换成PDM信号。通常为了改善线性，从输出端向AE调制器引入有负反馈。　　　　上面两种数字放大器的输入信号都是模拟信号。现在声源已以数字声源为主，所以全数字放大器就成了数字放大器发展的必然趋势。△&型PWM数字放大器是全数字放大器中的一种方式，该全数字放大器的开关信号形成电路由比特变换电路和PWM变换电路组成。比特变换电路的作用是把输入的PCM信号变换成低比特的PCM信号，然后再经PWM变换电路把低比特的PCM信号变换成PWM信号。比特变换电路为了把再量化移至频带的高端和减少比特压缩引起的恶化，使用了多比特输出的△&调制器。在PWM变换电路采用了前馈补偿，输出两路PWM信号作BTL驱动。这两路PWM信号的相反，并呈2的补数关系，使输出级开关器件特性引起的变换误差在大功率开关电路中相互抵消。因此这种电路可以做到小且不必引入负反馈。　　　　PDM信号是振幅和时间宽度相同的脉冲．只是脉冲的密度随模拟信号的振幅而变。因此PDM信号在振幅和时间轴方向都是一个比特的信号。而PWM信号是振幅和出现一定的脉冲，脉冲宽度随模拟信号的振幅而变。因此，对PWM信号来说撮幅方向是一比特的信号，在时间轴方向上是多比特的信号。PDM方式为了确保相同的信噪比和，所使用的开关频率比PWM方式要高，开关频率高达数M，例如夏普的SM-SX2000的开关频率就高达5.6448MHz。　　　　PWM方式的开关频率可用得较低，但主时钟频率较高，为开关频率的2Mt倍。　　　　PDM方式的开关频率高，所以必须使用输入小的开关器件，而这类开关器件的导通往往偏大。相反．PWM方式则可以选用导通电阻较小的开关器件，所以开关电路的效率也较PDM方式要高一些。在最大功率输出时，夏普的PDM机型的效率在85%左右，而一般的PWM放大器均可获得90%以上的高效率。　　　　目前，TI公司、索尼公司等都已开发出了用于数字音频放大器的专用，并用这些生产出了多种全数字放大器，有的产品是面向高端用户而开发的产品。同时各家公司也正在为减小失真进行着各种研究。
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音频信号是（Audio）带有语音、音乐和音效的有规律的声波的、幅度变化信息载体。 根据声波的特征，可把音频信息分类为规则音频和不规则声音。其中规则音频又可以分为语音、音乐和音效。规则音频是一种连续变化的，可用一条连续的来表示，称为声波。声音的三个要素是音调、音强和音色。声波或正弦波有三个重要参数： ω0、幅度A n 和相位ψn ，这也就决定了音频的特征。
音频信号基本特征
音频信号基频与音调
是指信号每秒钟变化的次数。人对声音的感觉表现为音调的高低，在音
音频信号处理电路
乐中称为音高。音调正是由ω所决定的。音乐中音阶的划分是在的对数坐标（20×log）上取等分而得的：
（对数） 48.3 49.3 50.3 50.8 51.8 52.8 53.8
音频信号谐波与音色
n×ωO 称为ωO 的高次谐波分量，也称为泛音。音色是由混入基音的泛音所决定的，高次谐波越丰富,音色就越有明亮感和穿透力。不同的具有不同的幅值An 和相位偏移ψn ，由此产生各种音色效果。
音频信号幅度与音强
人耳对于声音细节的分辨只有在强度适中时才最灵敏。人的听觉响应与强度成对数关系。一般的人只能察觉出3 分贝的音强变化，再细分则没有太多意义。我们常用音量来描述音强，以分贝（dB=20log）为单位。在处理音频信号时，绝对强度可以放大，但其相对强度更有意义，一般用动态范围定义： 动态范围=20×log（信号的最大强度 / 信号的最小强度） （dB）
音频信号音宽与频带
频带宽度或称为带宽，它是描述组成复合信号的。
音频信号指标
频带宽度：音频信号的频带越宽，所包含的音频信号分量越丰富，音质越好[1]
动态范围：动态范围越大，信号强度的相对变化范围越大，音响效果越好[1]
信噪比：信噪比SNR（SignaltoNoiseRatio）是有用信号与噪声之比的简称。噪音可分为环境噪音和设备噪音。信噪比越大，声音质量越好[1]
主观度量法：人的感觉机理对声音的度量最有决定意义。感觉上的、主观上的测试是评价声音质量不可缺少的部分。当然，可靠的主观度量值是较难获得的[1]
音频信号平衡与非平衡传输
1.信号的平衡传输
平衡传输是一种应用非常广泛的音频信号传输方式。它是利用相位抵消的原理将音频信号传输过程中所受的其他干扰降至最低。它需要并列的三根导线来实现，即接地、热端、冷端。所以平衡输入、输出插件必须具有3个脚位[1]
传输线当然也得是2芯1屏蔽层的线，由于热端信号线和冷端信号线在同一屏蔽层内相对距离很近，所以在传输过程中受到的其他干扰信号也几乎相同。然而被传输的热端信号和冷端信号的相位却相反，所以在下一级设备的输入端把热端信号和冷端信号相减，相同的干扰信号被抵消，被传输信号由于相位相反而不会损失。所以在专业的场合和传输距离比较远的时候通常使用平衡传输方法[1]
2.信号的非平衡传输
非平衡传输只有两个端子信号端与接地端，在要求不高和近距离信号传输的场合使用，如家庭音响系统。这种连接也常用于电子乐器、电吉他等设备[1]
音频信号采集方式
等由于其自办频道的、新闻、、歌曲和转播节目等音频信号电平大小不一，导致节目播出时，音频信号忽大忽小，严重影响用户的收听效果。在时，由于传输距离等原因，在信号的输出端也存在信号大小不一的现象。过去，对大音频信号采用限幅方式，即对大信号进行限幅输出，小信号不予处理。这样，仍然存在音频信号过小时，用户自行调节音量，也会影响用户的收听效果。随着电子技术，和通信技术的迅猛发展，处理技术已广泛地深入到人们生活等各个领域。其中是最活跃的研究方向之一，在和多媒体通信中得到广泛应用。可采用通用
音频信号分配器
DSP和现场可编程门阵列(FPGA) 实现，其中DSP实现方法具有实现简便、程序可移植行强、处理速度快等优点，特别是TMS320C54X系列在音频处理方面有很好的性价比，能够解决复杂的算法设计和满足系统的实时性要求，在许多领域得到广泛应用。在DSP的基础上对音频信号做AGC算法处理可以使保持在一定范围内，能够解决不同节目音频不均衡等问题。
TI公司DSP芯片TMS320VC5402具有独特的6总线，使其能够6条流水线同时工作，工作达到100MHZ。利用VC5402的2个多通道缓冲(McBSP0和McBSP1)来实现与AIC23的无缝连接。VC5402的多通道带缓冲的在标准串口的基础上加了一个2K的。每次串口发送数据时，CPU自动将发送缓冲中的数据送出；而当接收数据时，CPU自动将收到的数据写入接收缓存。在自动缓冲方式下，不需每传送一个字就发一次中断，而是每通过一次缓冲器的边界，才产生中断至CPU，从而减少频繁中断对CPU的影响。
采用TLV320 AIC23，它是TI公司的一款高性能立体声音频A/D，D/A放大电路。AIC23的模数转换和数模转换部件高度集成在芯片内部，采用了先进的技术。AIC23的外部硬
音频信号产生器
件接口分为模拟口和数字口。模拟口是用来输入输出音频信号的，支持和麦克风输入；有两组数字接口，其一是由/CS、SDIN、SCLK和MODE构成的接口。AIC23是一块可编程的音频芯片，通过口将芯片的控制字写入AIC23内部的，如采样率设置，工作方式设置等，共有12个寄存器。音频控制口与DSP的通信主要由多通道缓冲串行口McBSP1来实现。
AIC23通过口与DSP的McBSP0完成数据的通信，DSP做主机，AIC23做从机。提供发送BCLKX0和发送信号BFSX0。在这种工作方式下，接收时种信号BCLKR0和接收信号BFSR0实际上都是由提供的。图1是AIC23与VC5402的接口连接。
AIC23的接口支持S(通用音顿格式)模式，也支持DSP模式(专与TIDSP连接模式)，在此采用DSP模式。DSP模式工作时，它的帧宽度可以为一个bit长。图2是音频信号采集的具体电路图。
电路的设计和布线是信号采集过程中一个很重要的环节，它的效果直接关系到后期信号处理的质量。对于DSP达类高速器件，外部晶体经过内部的PLL倍频以后可达上百兆。这就要求信号线走等长线和绘制来消除和信号的反射。在两层板的前提下，可以采取顶层与底层走交叉线、尽量加宽电源线和地线的宽度、电源线成&树杈型&、模拟区和数字区分开等原则，可以达到比较好的效果。
音频信号AGC
音频信号AGC算法
使放大电路的增益随信号强度的变化而自动调整的控制方法，就是AGC-自动增益控
音频信号采集
制。实现AGC可以是硬件电路，即AGC闭环电子电路，也可以是算法。本文主要讨论用算法来实现音频信号的AGC。
音频AGC是音频自动增益控制算法，更为准确的说是峰值自动增益控制算法，是一种根据输入音频信号水平自动动态地调整增益的机制。当音量(无论是捕捉到的音量还是再现的音量)超过某一门限值，信号就会被限幅。限幅指的是音频设备的输出不再随着输入而变化，输出实质上变成了最大音量位置上的一条水平线；当检测到音频增益达到了某一门限时，它会自动减小增益来避免限幅的发生。另一方面，如果捕捉到的音量太低时，系统将自动提高增益。当然，增益的调整不会使音量超过用户在调节向导中设置的值。图3是音频AGC算法的结构框图。
音频信号实现过程
首先从串口获取音频数据，它是16位的整型数，一般来说，这些数都是比较小的，通过AGC算法将输入的音频数据投影在一个固定区间内，从而使得不论输入的数据点数值大小都会等比例地向这
个空间映射。一方面将获得的音频数据最大值与原来的峰值进行比较，如果有新的峰值出现就计算新的增益系数；另一方面在一定的时间周期内获取一个新的峰值，这个峰值就具有检测性能，又与原峰值比较，然后就计算新的增益系数。这个增益系数是相对稳定的。当音量加大时，信号峰值会自动增加，从而增益系数自动下降；当音量减小时，新的峰值会减小并且取代原来的峰值，从而使峰值下降，使增益系数上升。最后输出的数据乘以新增益系数后映射到音频信号输入的投影区间内。图4是音频信号AGC算法的。
AGC_Coff是初始增益系数，初始值为1；maxAGC_in是增益峰值，初始值为0；time是采样点计数，门限值为4096；AGC_in是新的音频数据，MAXArrIn是新的音频增益峰值；映射区间【-2】。
整个系统的部分为5人模块。系统main( )、CMD文件、、DSP5402头文件和专为C语言开发的rtdx.lib。其中部分是核心，主要包括：DSP器件初始化、MCBSP1初始化、MCBSP0初始化、AIC23初始化(内部12个可编程设置)及算法程序等。
在CCS2.0下，采用*.c语言和*.asm语言相结合的方式编写程序。将编写的程序*.c、*.asm和链接程序*.cmd文件编译链接后生成执行目标文件*.out，通过将执行目标文件*.out下载到上，经过调试、编译并运行，以音乐作为音频信号源输入到系统板上。
音频信号数字化
音频信号综述
普通的CD采用了，不过它只是简单地把加以数字化。为了把模拟信
音频信号采集电路
号数字化，首先要对模拟信号进行采样。根据Nyquest采样定律，通常其采样至少是信号中的最高频率分量的两倍。对于高质量的音频信号，其是从20Hz-20kHz。所以其采样必须在40kHz以上。在CD中采用了44.1kHz的采样。在对采样以后，还必须对其幅度上加以分层。在CD中，其分层以后的幅度信号用16比特的信号来表示，也就是把模拟的音频信号在幅度上分为65,536层。这样，它的动态范围就可以达到96分贝=20Log65536(6分贝/比特)。这种直接模数(A/D)变换的方法也称为PCM编码。直接数字化的最大缺点是非常高。达到44.1x16=705.6kbps，或即88.2kBps。高就意味着要求的存储容量很大。要记录1分钟的音乐，就需要5.047MB的存储容量。对于两路立体声，就需要10.584MB。而要记录几十分钟的音乐就需要几百兆的存储容量。
音频信号PCM编码原理
把转换成的过程称为模/数转换，它主要包括：
采样：在上对信号；
量化：在幅度轴上对信号数字化；
编码：按一定格式记录采样和量化后的。
PCM（Pulse Code Modulation）是一种模数转换的最基本编码方法，CD-DA就是采用的这种。
音频信号采样频率
采样是指一秒钟内采样的次数。
采样的三个标准分别为：44.1KHz，22.05KHz和11.025KHz。
音频信号采样理论
如果对某一进行采样，则采样后可还原的最高只有采样频率的一
音频agc放大电路图
半，或者说只要采样频率高于输入信号最高频率的两倍，就能从采样信号系列重构原始信号。
根据该采样理论，CD激光唱盘采样为44KHz，可记录的最高音频为22KHz，这样的音质与原始声音相差无几，也就是我们常说的超级高保真音质（Super High Fidelity-HiFi）。
音频信号量化位数
量化位是对模拟音频信号的幅度轴进行数字化，它决定了数字化以后的动态范围。由于计算机按字节运算，一般的量化位数为8位和16位。量化位越高，信号的动态范围越大，数字化后的音频信号就越可能接近原始信号，但所需要的存贮空间也越大。
量化位 等份 动态范围（dB） 应用　8 256 48-50 数字电话　16
CD-DA　声道数　有单声道和双声道之分。双声道又称为立体声，在硬件中要占两条线路，音质、音色好，但立体声数字化后所占空间比单声道多一倍。
音频信号编码算法
编码的作用一是采用一定的格式来记录，二是采用一定的算法来压缩数字数据。
音频信号压缩比
压缩编码的基本指标之一就是压缩比：压缩比通常小于1。压缩算法包括和；有损压缩指解压后数据不能完全复原，要丢失一部分信息。压缩比越小，丢掉的信息越多、信号还原后失真越大。根据不同的应用，可以选用不同的压缩编码算法，如PCM，ADPC，MP3，RA等等。
音频信号数据格式
数据率为每秒bit数，它与信息在计算机中的实时传输有直接关系，而其总数据量又
音频功率放大器
与计算机的有直接关系。因此，数据率是计算机处理时要掌握的基本技术参数，未经压缩的数据率可按下式计算：
数据率=采样（Hz）×（bit）×声道数（bit/s）
用产生的数据一般以WAVE的存贮，以“.WAV”作为。WAV文件由三部分组成：，标明是WAVE文件、文件结构和数据的总字节；数字化参数如采样率、声道数、编码算法等等；最后是实际波形数据。WAVE格式是一种Windows下通用的标准，用Windows自带的可以播放WAV文件。MP3的应用虽然很看好，但还需专门的播放，其中较成熟的为RealPlayer。
为了数字化了的音乐，就只能尽量开发高容量的。在70年代末，终于开发出了利用激光读写的系统。因为这种光盘比起，无论在体积和重量上都要小得多，轻得多，所以称它为CD(CompactDisk)。意思为轻便的。而一张CD的容量大约为650MB，也就只能存储61.4分钟音乐。
纯粹音乐CD通常也称为CD-DA。DA就是(Digital Audio)的缩写。它的技术指标是由一本所谓的“红皮书”所定义。这本红皮书是菲立普公司和在1980年公布的。以后，在1987年，又由(IEC)制定为IEC908标准。根据这些标准可以比较精确地计算一张CD所能存储的音乐时间。实际上在CD碟片中是以为单位的，每个扇区中所包含的字节数为2352个字节。总共有345k个。因此总的字节数为345kxkB。可以存放76.92分钟的立体声音乐。还有一种方法来计算播放的时间，CD在播放时，其播放的速度为每秒钟75个。一张CD有345k个，因而可以播放的时间为345k/75=4600秒=76分40秒。两种方法计算的结果是一样的。
音频信号信号压缩
因为音频信号以后需要很大的存储容量来存放，所以很早就有人开始研究
音频功率放大器
音频信号的压缩问题。音频信号的压缩不同于计算机中信号的压缩，在计算机中，二进制信号的压缩必须是无损的，也就是说，信号经过压缩和以后，必须和原来的信号完全一样，不能有一个比特的错误。这种压缩称为。但是音频信号的压缩就不一样，它的压缩可以是有损的只要压缩以后的声音和原来的声音听上去和原来的声音一样就可以了。因为人的耳朵对某些失真并不灵敏，所以，压缩时的潜力就比较大，也就是压缩的比例可以很大。音频信号在采用各种标准的时，其压缩比顶多可以达到1.4倍。但在采用时其压缩比就可以很高。下面是几种标准的压缩方法的性能。按质量由高往低排列。
需要注意的是，其中的Mbyte不是正好1兆比特，而是48576Byte。必须指出，这些压缩都是以牺牲音质作为代价的，尤其是最后两种方法，完全靠降低采样率和降低分辨率来取得的。这对音质的损失太大，所以这些方法并不可取。
．百度文库[引用日期]
中国电子学会（Chinese Instit...
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企业信用信息音频功率放大器毕业设计_百度文库
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