電平調節電路及使用了它的音頻系統的制作方法

專利名稱：電平調節電路及使用了它的音頻系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及音頻信號的防止削波(clip)技術。
背景技術：
為了從揚聲器或耳機(以下，總稱為揚聲器)輸出音頻信號，使用將微小的 電信號放大的放大電路。輸入到放大電路的音頻信號的電平即音量，按照每個輸入源 (source) >被重放的音頻內容、或前級的電路狀態而時刻變化。例如，已知使電視機在觀 看中、商務中和節目中音量極大地不同。在固定了放大電路的增益的情況下，在音頻信 號的振幅過大時，由于超過在后級中可放大的電壓范圍，所以被削波(電平固定)，產生 失真。
為了解決該問題，采用監視音頻信號的電平并根據該電平來控制可變增益放大 器的增益的方式。該方式一般也被稱為AGC (Automatic Gain Control ；自動增益控制)。
[專利文獻1]特開平10-84238號公報
[專利文獻2]特開2007-60548號公報發明內容
發明要解決的課題
在AGC中，在音頻信號的電平達到某一上限值時，增益降低規定量(例如IdB) (上升(attack)動作)，相反地，音頻信號的電平達到某一下限值時，增益提高規定量(復 原(recovery)動作)。由于進行AGC時從揚聲器輸出的信號的音量發生變化，所以音量 不自然地變動，有時收聽者感到不諧調。
本發明鑒于這樣的課題而完成，其某一形態的例示性的目的在于，提供可進行 很少感到不諧調的增益控制的電路。
本發明的某一形態涉及調節音頻信號電平的電平調節電路。電平調節電路包 括至少一個濾波器；至少一個可變增益放大器；加法器；以及控制單元。至少一個濾 波器的各個濾波器各自接受輸入音頻信號，使輸入音頻信號通過各自設定的頻帶。至少 一個可變增益放大器的各個可變增益放大器與各個濾波器對應設置。各個可變增益放大 器放大對應的濾波器的輸出信號。加法器將輸入音頻信號和至少一個可變增益放大器各 自的輸出信號相加。控制單元監視至少一個可變增益放大器各自的輸出信號的電平，并 按照電平控制至少一個可變增益放大器各自的增益。
根據該形態，由于對音頻信號的每個頻帶調節音量，所以與調節音頻信號的全 頻帶的音量的情況相比，可以減輕收聽者感到不諧調。
控制單元也可以包括選擇器，接受至少一個可變增益放大器各自的輸出信 號，選擇其中一個輸出信號；峰值保持電路，接受由選擇器選擇出的信號，保持該信號 的峰值電平；比較器，將峰值保持電路的輸出信號與規定的閾值比較，并生成表示比較 結果的電平數據；以及至少一個增益設定單元，作為至少一個增益設定單元，各自被設置給至少一個可變增益放大器的每一個，按照對于對應的可變增益放大器生成的電平數 據，設定對應的可變增益放大器的增益。
這種情況下，可以在多個頻帶中共享電平檢測單元，可以削減電路面積。
選擇器也可以依次以時分方式選擇至少一個可變增益放大器的輸出信號中的預 先設定了的至少一個輸出信號。這種情況下，由于各個頻帶的音量調節時分地、即時間 不同地進行，所以可以進一步降低用戶感到不諧調。
選擇器選擇某一可變增益放大器的輸出信號的期間，也可以對與該可變增益放 大器對應的濾波器的每個通過頻帶不同。
選擇的期間，最好越是低頻帶就越長。
比較器也可以生成表示峰值保持電路的輸出信號為高于規定的上限電平的狀 態、低于規定的下限電平的狀態、上限電平和下限電平之間的狀態的至少三個狀態的電 平數據。至少一個增益設定單元也可以各自包括按照電平數據遞增計數和遞減計數的計 數器，根據該計數器的計數值，設定對應的可變增益放大器的增益。
本發明的另一形態為音頻系統。該音頻系統包括上述任何一個形態的電平調 節電路；放大電平調節電路的輸出信號的主放大器；以及由主放大器驅動的電聲轉換元 件。
電平調節電路也可以一體集成在一個半導體基板上。‘一體集成’包含電路的 所有結構元件被形成在半導體基板上的情況，以及電路的主要結構元件被一體集成的情 況，用于電路常數的調節的一部分電阻和電容器等也可以設置在半導體基板的外部。
再有，將以上構成要素的任意組合或本發明的構成要素或表現，在方法、裝 置、系統等之間相互置換所得的方案，作為本發明的形態也是有效的。
發明效果
根據本發明的某一形態，可以提供能夠進行很少感到不諧調的增益控制的電路。


圖1是表示包括實施方式的電平調節電路的音頻系統的結構的方框圖。
圖2是表示圖1的電平調節電路的動作的波形圖。
圖3是表示包括變形例的電平調節電路的音頻系統的結構的方框圖。
圖4是表示圖3的電平調節電路的動作的波形圖。
標號說明
100...電平調節電路、10...音調控制電路、12...濾波器、14...可變增益放大器、 16...加法器、18...輸入可變增益放大器、20...控制單元、22...選擇器、M...電平檢測單 元、沈…峰值保持電路、觀…比較器、四…閾值電壓設定單元、30...邏輯單元、40...增 益設定單元、42...計數器、44...寄存器、46...加法器、48...信號分離器(demultiplexer)、 50...頻帶選擇器、2...音頻系統、4...音源、6...主放大器、8...電聲轉換元件具體實施方式
以下，根據優選的實施方式并參照附圖來說明本發明。在各個附圖所示的相同或同等的結構元件、構件、處理上，附加同一標號，省略適當重復的說明。此外，實施 方式不是限定發明的實施方式而是例示，實施方式所記述的所有特征或其組合，不一定 是發明的本質性的特征或組合。
圖1是表示包括實施方式的電平調節電路100的音頻系統2的結構的方框圖。音 頻系統2被裝載在具備重放音頻信號的功能的電子設備上。電子設備中例示了汽車音響 的機頭單位(headunit)、家用音響的放大器、電視機、移動電話終端等。
音頻系統2除了電平調節電路100以外，還包括音源4、主放大器6、電聲轉換 元件8。音源4是CD播放機、硅音頻播放器(silicon audio player)或無線調諧器等，生 成模擬的音頻信號SIN。電平調節電路100接受音頻信號SIN，調節音頻信號SIN的電 平，以不產生削波(clip)造成的失真。其細節將后述，但電平調節電路100具備作為所 謂均衡器(升壓電路)的功能。
主放大器6接受來自電平調節電路100的輸出信號SOUT，將其放大并輸出到電 聲轉換元件8。電聲轉換元件8是揚聲器或耳機。
例如，電平調節電路100與音源4和主放大器6 —起被裝載在汽車音響的機頭單 位上。或者，電平調節電路100與主放大器6—起被裝載在家用音響用的前置主放大器 上。或者，電平調節電路100與音頻系統2、音源4、主放大器6、電聲轉換元件8—起被 裝載在電視機上。以上是音頻系統2的整體結構。在圖1中，僅表示了單聲道(channel) 的結構，但實際上也可以是立體聲雙聲道或5.1聲道。
接著，說明電平調節電路100的結構。
電平調節電路100包括輸入可變增益放大器18、音調控制電路10、音量放大 器(fader volume amplifier) 19、控制單元20。輸入可變增益放大器18將輸入的音頻信號 SIN放大。以下，將輸入可變增益放大器18放大了的信號Sl也稱為音頻信號。電平調 節電路100對輸入可變增益放大器18的輸出信號進行均衡處理。音量放大器19按對每 個聲道設定的增益放大輸入的信號。
音調控制電路10包括濾波器12B、12M、12T、可變增益放大器14B、14M、 14T、加法器16。B表示低頻(低音頻)，M表示中頻(中音頻)，T表示高頻(高音 頻)。根據需要，適當省略表示頻帶(band)的下標B、Μ、T。再有，后出的下標F表 示全頻帶(foil band)。
濾波器12B、12M、12T各自接受音頻信號Si，使其通過各自設定的頻帶。可 變增益放大器14B、14M、14T各自被設置給每個濾波器12B、12M、12T。各個可變增 益放大器14放大對應的濾波器12的輸出信號。加法器16將來自可變增益放大器14的 信號S2B、S2M, S2T和原來的音頻信號Sl相加。
控制單元20監視可變增益放大器14B、14M、14T各自的輸出信號S2B、S2M> S2T的電平，并按照檢測出的電平來控制可變增益放大器14B、14M、14T各自的增益， 以使輸出信號S2B、S2M, S2T不被削波。
控制單元20包括多路轉換器(multiplexer)(選擇器)22、電平檢測單元對、邏輯 單元30。
選擇器22接受可變增益放大器14B、14M、14T和輸入可變增益放大器18各自 的輸出信號Si、S2B、S2M, S2T,選擇來自頻帶選擇器50的對應于控制信號CNT的一個信號并將其輸出到電平檢測單元M。
電平檢測單元M包括峰值保持電路沈、比較器觀、閾值電壓設定單元四。峰 值保持電路26接受由選擇器22選擇出的信號S3，保持它的峰值電平。比較器28將峰 值保持電路26的輸出信號S4與規定的閾值比較，并生成表示比較結果的電平數據S5。
邏輯單元30包括增益設定單元40B、40M、40F、信號分離器48、頻帶選擇器 50。
增益設定單元40B、40M、40T、40F各自被設置給每個可變增益放大器14B、 14M、14T、18。
信號分離器48接受每個頻帶的電平數據S5，分配給與該電平數據陽對應的頻 帶的增益設定單元40。S卩，各個增益設定單元40接受對于對應的頻帶生成的電平數據 S5。然后，增益設定單元40按照輸入的電平數據S5，設定對應的頻帶的可變增益放大 器14的增益。
頻帶選擇器50控制選擇器22和信號分離器48。選擇器22和信號分離器48受 到控制，以選擇對應的頻帶。例如，在選擇器22選擇中頻M的信號MM時，信號分離 器48對中頻M的增益設定單元40M輸出電平數據S5。
將選擇器22選擇可變增益放大器14的輸出信號而不選擇輸入可變增益放大器 18，信號分離器48選擇了增益設定單元40F以外的增益設定單元40的狀態稱為第1模 式。將選擇器22選擇輸入可變增益放大器18的輸出信號，信號分離器48選擇了增益設 定單元40F的狀態稱為第2模式。
就第1模式、第2模式的選擇，或在第1模式中將哪個頻帶作為控制對象來說， 期望構成為可以按照被寫入到頻帶選擇器50中設置的寄存器(未圖示)中的數據來控 制。
比較器觀生成表示峰值保持電路沈的輸出信號S4為高于規定的上限電平VUL 的狀態(上升(attack)狀態)、低于規定的下限電平VLL的狀態(復原狀態，也稱為釋放 (release)狀態)、上限電平和下限電平之間的狀態(第1保持(keep)狀態)的至少三個狀 態的電平數據S5。而且，也可以將低于下限電平VLL的狀態，具體地說，將低于下限電 平VLL的閾值VIGN的狀態判定為第2保持狀態。
各個增益設定單元40包括計數器42、寄存器44、加法器46。寄存器44中，與 電平調節功能無關地保持被設定在音調控制電路10中的初始增益gl。計數器42的計數 值是增益的校正值。加法器46從初始增益gl中減去校正值g2。按照加法器46的輸出 數據，對應的可變增益放大器14的增益被設定。
計數器42的計數值(校正值)按照電平數據S5而計數遞增和計數遞減。具體 地說，上升狀態持續規定的第1時間τ 時，計數遞增，在復原狀態持續規定的第2時間 τ 2時，計數遞減。最好第1時間τ 1比第2時間τ 2短，例如τ 1 = lms, τ 2 = Is 即可。上升狀態繼續時，計數器42的計數值增大，作為結果，可變增益放大器14的增 益下降。相反，復原狀態持續時，計數器42的計數值變小，作為結果，可變增益放大器 14的增益上升。
下面說明計數器42的結構例子。計數器42包括上升用的第1定時器和復原用 的第2定時器。第1定時器、第2定時器各自測量第1時間τ 1、第2時間τ 2。第1定時器測量上升狀態的期間，在達到第1時間τ 1時使計數器42計數遞增。第2定時器 測量復原狀態的期間，在達到第2時間τ 2時使計數器42計數遞增。
以上是電平調節電路100的結構。接著，分別對于第1模式、第2模式來說明 它的動作。
(第1模式)
首先，作為一例，說明頻帶選擇器50選擇可變增益放大器14Β的輸出信號 S2B，信號分離器48選擇增益設定單元40Β時的動作。
圖2是表示圖1的電平調節電路100的動作的波形圖。圖2的縱軸和橫軸，為了 使理解容易而適當放大、縮小，而示出的各個波形也為了容易理解而被簡化。信號S2B 的虛線表示以寄存器44中設定了的初始增益gl放大了音頻信號Sl的低頻分量、即濾波 器12B的輸出信號時的波形。信號幻8的振幅電平達到某一上限電平VUL時，上升動 作產生，可變增益放大器14B的增益降低，低頻分量MB的波形如實線所示，振幅電平 變小。其結果，低頻分量S2B的振幅被抑制得比上限電平VUL低。
相反，音頻信號Sl的低頻分量比某一下限電平VLL低時，可變增益放大器14B 的增益上升。其結果，從電聲轉換元件8輸出的音頻信號僅被控制低頻分量的音量，所 以與全頻帶的音量變化的以往的AGC相比，可以大幅度地降低收聽者感到不諧調。例 如，在增益的調節幅度為IdB步長(step)的情況下，在以往的AGC中，全頻帶的音量產 生IdB變化，所以收聽者容易發覺音量的變化。相對于此，在圖1的電平調節電路100 中，僅低頻分量的音量發生IdB變化，其他頻帶(高頻分量、中頻分量)的音量被維持， 所以收聽者幾乎不能發覺音量的變化，可以減輕感到不諧調。
對于中頻帶、高頻帶也能夠進行同樣的控制，對于這些頻帶也可以獲得同樣的 效果。
此外，在第1模式中，選擇器22和信號分離器48也可以循環地以時分方式選擇 多個頻帶B、Μ、T中的預先設定了的幾個頻帶。將該模式稱為循環模式。
例如，也可以將全部三個頻帶B、Μ、T分別選擇規定的第3時間τ 3。第3時 間τ 3也可以與第1時間τ 1相同。
最初的Ims期間，選擇低頻帶B，通過電平檢測單元M對于低頻分量，判定是 上升狀態、復原狀態、保持狀態的哪個狀態。然后，通過與上述同樣的處理，可變增益 放大器14Β的增益受到控制。
接著，依次選擇中頻帶Μ、高頻帶Τ。然后，對于中頻帶Μ、高頻帶Τ，也通 過同樣的處理，可變增益放大器14Μ、14Τ的增益受到控制。
在循環模式中，每個頻帶的增益以時分方式按不同的定時變化。換句話說，從 電聲轉換元件8輸出的音頻信號的音量，由于沒有全頻帶同時地變化，所以收聽者難以 發覺它的變化，可以降低感到不諧調。
再有，在循環模式中，選擇器22和信號分離器48選擇各個頻帶的時間，也可以 對每個頻帶不同。具體地說，也可以越是低頻，越加長選擇時間，越是高頻，越縮短選 擇時間。通過對每個頻帶使選擇時間不同，可以可靠地檢測各自頻帶的電平。而且，例 如，在將各個頻帶的代表性的頻率寫為f時，選擇時間也可以為 Λ2Χ ")。
(第2模式)
在第2模式中，輸入可變增益放大器18的增益，根據輸入可變增益放大器18的 輸出信號Sl而受到控制。第2模式執行與以往的AGC同樣的處理。通過構成不僅在第 1模式動作，而且在第2模式中動作的電平調節電路100，可以對音頻系統2的設計者提 供設計的自由度。
此外，也可以同時執行第1模式和第2模式。
以上，對于本發明，根據實施方式進行了說明。該實施方式是例示，在它們的 各個結構要素和各個處理進程、它們的組合中，存在各種各樣的變形例。以下，對于這 樣的變形例進行說明。
在圖1中，可進行低音、中音、高音的三頻帶的音調控制，但本發明不限于 此，也可以僅音調控制其中一個頻帶。例如，音調控制電路10為低音提升電路的情況 下，也可以省略濾波器12M、12T、可變增益放大器14M、14T。
或者，也可以構成為對于三個頻帶，雖然設置濾波器12、可變增益放大器14， 而省略選擇器22，僅對某一頻帶進行增益控制。
例如，人在低頻分量失真時有感覺不諧調的傾向。因此，僅對于低音頻帶的可 變增益放大器14B進行增益控制的實施方式也是有效的。
在圖1的電平調節電路100中，通過使用選擇器22和信號分離器48，成為由多 個頻帶共享電平檢測單元M的結構。因此，在將電平調節電路100集成化的情況下，設 置一個電路面積大的電平檢測單元M即可，所以可以使電平調節電路100整體的電路面 積小。但是，本發明不限于此，也可以對每個頻帶單獨地設置電平檢測單元對。這種情 況下，對于多個頻帶，可以同時或錯開定時來控制增益。
圖3是表示包括變形例的電平調節電路IOOa的音頻系統的結構的方框圖。在圖 1中，峰值保持電路26被設置在電平檢測單元M中。相對于此，在圖3中，峰值保持電 路2 被設置在增益設定單元40中而不是在電平檢測單元2如中。
增益設定單元40中設置的峰值保持電路^a由邏輯電路構成，在某一期間內即 使被輸入一次規定電平(具體地說為高電平)時，就保持該電平，并生成保持信號S6。 峰值保持電路2 需要分別設置給四個增益設定單元40的每一個，但各個峰值保持電路 2 可以用數字電路很小地構成，所以具有總的電路面積比圖1的峰值保持電路沈小的優 點ο
圖4是表示圖3的電平調節電路IOOa的動作的波形圖。由選擇器22選擇出的 信號S3，將某一偏置電平Vbias作為中心進行轉換。從比較器觀輸出的電平數據S5包 含S5a S5c。S5a在S3 > VUL時為高電平。S5b在S3 > VLL時為高電平。Sk在 S3 > VIGN時為高電平。峰值保持電路2 接受電平數據陽65a 邪C)，對于各個電 平數據，一旦為高電平，其后就保持高電平，并生成保持信號36 S6c)。
在某一判定定時t0中，判定為
(l)S6a、S6b、S6c都為高電平時上升狀態
(2) S^l為低電平、S6b、S6c為高電平時保持狀態
(3)S6a、S6b為低電平、S6c為高電平時釋放狀態
(4)S6a、S6b、S6c都為低電平時保持狀態
，根據判定結果進行增益控制。在判定定時t0之后，峰值保持電路沈&被復位，重復相同的動作。
根據實施方式說明了本發明，但實施方式只不過表示了本發明的原理、應用， 就實施方式來說，在不脫離權利要求所規定的本發明的思想的范圍內，認可許多變形例 和配置的變更。
權利要求
1.一種電平調節電路，調節音頻信號的電平，其特征在于，包括至少一個濾波器，作為至少一個濾波器，各自接受輸入音頻信號，并使輸入音頻信 號通過各自設定的頻帶；至少一個可變增益放大器，作為至少一個可變增益放大器，各自與所述至少一個濾 波器的各個濾波器對應設置，放大對應的所述濾波器的輸出信號；加法器，將所述輸入音頻信號和所述至少一個可變增益放大器的各自的輸出信號相 加；以及控制單元，監視所述至少一個可變增益放大器各自的輸出信號的電平，并根據電平 控制所述至少一個可變增益放大器各自的增益。
2.如權利要求1所述的電平調節電路，其特征在于，所述控制單元包括選擇器，接受所述至少一個可變增益放大器各自的輸出信號，選擇其中一個輸出信號；比較器，將所述選擇器選擇出的信號與規定的閾值比較，并生成表示比較結果的電 平數據；以及至少一個增益設定單元，作為至少一個增益設定單元，各自被設置給所述至少一個 可變增益放大器的每一個，包括在對應的所述可變增益放大器生成的所述電平數據一旦 為規定電平時，其后保持所述電平數據的值的峰值保持電路，按照所述峰值保持電路的 輸出信號，設定對應的所述可變增益放大器的增益。
3.如權利要求2所述的電平調節電路，其特征在于，所述比較器生成表示所述選擇器的輸出信號為高于規定的上限電平的狀態、低于規 定的下限電平的狀態、上限電平和下限電平之間的狀態的至少三個狀態的電平數據，所述至少一個增益設定單元各自包括按照所述電平數據遞增計數和遞減計數的計數 器，根據該計數器的計數值，設定對應的所述可變增益放大器的增益。
4.如權利要求1所述的電平調節電路，其特征在于， 所述控制單元包括選擇器，接受所述至少一個可變增益放大器各自的輸出信號，選擇其中一個輸出信號；峰值保持電路，接受所述選擇器選擇出的信號，保持該峰值電平； 比較器，將所述峰值保持電路的輸出信號與規定的閾值比較，并生成表示比較結果 的電平數據；以及至少一個增益設定單元，作為至少一個增益設定單元，各自被設置給所述至少一個 可變增益放大器的每一個，按照對應的所述可變增益放大器生成的所述電平數據，設定 對應的所述可變增益放大器的增益。
5.如權利要求4所述的電平調節電路，其特征在于，所述比較器生成表示所述峰值保持電路的輸出信號為高于規定的上限電平的狀態、 低于規定的下限電平的狀態、上限電平和下限電平之間的狀態的至少三個狀態的電平數 據，所述至少一個增益控制單元各自包括按照所述電平數據遞增計數和遞減計數的計數 器，根據該計數器的計數值，設定對應的所述可變增益放大器的增益。
6.如權利要求2或4所述的電平調節電路，其特征在于，所述選擇器依次按時分方式選擇所述至少一個可變增益放大器的輸出信號中的被預 先設定了的至少一個輸出信號。
7.如權利要求6所述的電平調節電路，其特征在于，所述選擇器選擇某一可變增益放大器的輸出信號的期間，對與該可變增益放大器對 應的所述濾波器的每個通過頻帶不同。
8.如權利要求2或4所述的電平調節電路，其特征在于， 所述控制單元還包括接受來自所述比較器的電平數據，在所述至少一個增益設定單元中，對選擇出的一 個增益設定單元輸出電平數據的信號分離器。
9.一種音頻系統，其特征在于，包括權利要求1至5的任何一項所述的電平調節電路； 放大所述電平調節電路的輸出信號的主放大器；以及 由所述主放大器驅動的電聲轉換元件。
全文摘要
本發明的電平調節電路能夠進行很少感到不諧調的音量控制。在調節音頻信號的電平的電路中，濾波器(12)各自接受音頻信號(S1)，使其通過各自設定的頻帶。可變增益放大器(14)各自放大與各個濾波器(12)對應設置的、對應的濾波器(12)的輸出信號。加法器(16)將輸入音頻信號和可變增益放大器(14)各自的輸出信號相加。控制單元(20)監視可變增益放大器(14)各自的輸出信號，并按照電平控制可變增益放大器(14)各自的增益。
文檔編號H03G3/20GK102025333SQ20101027715
公開日2011年4月20日 申請日期2010年9月7日 優先權日2009年9月10日
發明者山田望人 申請人:羅姆股份有限公司