CN103999372A

CN103999372A - 用于红外线耳机接口信号的fm调制的数字技术

Info

Publication number: CN103999372A
Application number: CN201280061499.6A
Authority: CN
Inventors: D·D·希克森; J·C·惠特克
Original assignee: Panasonic Automotive Systems Company of America
Current assignee: Panasonic Automotive Systems Company of America
Priority date: 2011-12-15
Filing date: 2012-12-14
Publication date: 2014-08-20
Anticipated expiration: 2032-12-14
Also published as: JP5775228B2; WO2013090735A8; CN103999372B; WO2013090735A1; US20150319519A1; US20130156215A1; JP2015503302A; JP2015228662A; US9094761B2

Abstract

一种调制红外线耳机接口信号的方法包括提供具有模拟音频值的第一音频信号。提供具有多个位置并且包含数字相位偏移量值的存储器。提供具有时钟频率的时钟信号。提供具有中心载波频率的第二音频信号，该中心载波频率偏离第一音频信号的模拟音频值。确定中心载波频率的瞬时值。时钟频率除以瞬时载波频率值，以便计算每个周期的样本个数。存储器中位置地址的个数除以每个周期的样本个数，以便计算存储器访问间隔。在由计算出的存储器访问间隔隔开的地址访问存储器。位于被访问的存储器地址的数字相位偏移量被用来再现第一音频信号。

Description

用于红外线耳机接口信号的FM调制的数字技术

技术领域

本发明涉及耳机(headphone)接口，并且更具体地说，涉及红外线耳机接口。

背景技术

典型的红外线(IR)耳机发送器使用需要手动调整来校准载波频率的模拟FM调制器。图1是利用模拟技术的现有技术红外线(IR)耳机***的示意性框图。音频由FM载波发送(分别处于2.3MHz和2.8MHz载波频率的左和右声道)。调制后的频率可以与瞬时音频成正比。即，最大音频水平将产生最大频率。作为替代，调制后的频率可以与瞬时音频成反比。即，最大音频水平将产生最小频率。但是，在这两种情况下，音频水平都与频率偏离±载波频率相关。

但是，鉴于现有技术，既非预期也不显然的是利用数字技术的IR耳机***。

发明内容

本发明可以利用数字技术为IR耳机***生成调制的FM信号。本发明可以提供利用直接数字合成以使得能够使用可以不需要调整的晶体振荡器并且与模拟技术相比减少部件数量的方法。

在模拟和数字情况下，FM发送信号的频率都会与瞬时音频信息成比例。本发明的新颖特征是其正弦波查找表相对于数字化音频信息的维度。通过对存储器尺寸的谨慎和新颖选择，未修改的音频数据可以为数字正弦波合成产生必要的存储器地址偏移量。继而，这会减少地址发生器所需的逻辑资源的个数。电路模拟指示只具有240个逻辑元件的复杂可编程逻辑设备(CPLD)对于地址发生器任务就足够了，如下文中所证明的。因为本发明可以不具有任何移动的部分，所以本发明比已知的实现更可重用。

在其一种形式，本发明包括一种调制红外线耳机接口信号的方法，包括提供具有模拟音频值的第一音频信号。如在本文中所使用的，术语“音频信号”可以包括频率调制的脉冲信号。相移键控或正交相移调制也会适用于音频信号。提供具有多个位置并且包含数字相位偏移量值的存储器。提供具有时钟频率的时钟信号。提供具有中心载波频率的第二音频信号，该中心载波频率偏离第一音频信号的模拟音频值。确定中心载波频率的瞬时值。将时钟频率除以瞬时载波频率值，由此计算每个周期的样本个数。将存储器中位置地址的个数除以每个周期的样本个数，由此计算存储器访问间隔。存储器在由计算出的存储器访问间隔隔开的地址被访问。通过使用耳机，位于被访问的存储器地址的数字相位偏移量被用来再现第一音频信号。

在其另一种形式，本发明包括一种音频耳机布置，包括具有模拟音频值的第一音频信号的源。一对音频耳机包括具有多个位置的存储器设备，包含对应的数字相位偏移量值。红外线发送器装置包括产生具有时钟频率的时钟信号的时钟发生器。接收器与第一音频信号的源通信。相位偏移量发生器与时钟发生器并且与接收器通信。相位偏移量发生器采样依赖于第一音频信号的第二音频信号。采样的频率依赖于时钟信号。相位偏移量发生器还依赖于采样步骤而生成相位偏移量信号。相位累加器与相位偏移量发生器通信并且依赖于相位偏移量信号计算净相位值。相位累加器向耳机发送红外线信号。红外线信号指示存储器设备中要被访问的位置地址，以便让耳机再现第一音频信号。

在其还有另一种形式，本发明包括一种操作耳机的方法，包括提供具有多个位置并且包含数字相位偏移量值的存储器。提供具有中心载波频率的第二音频信号，该中心载波频率偏离第一音频信号的模拟音频值。确定中心载波频率的瞬时值。将时钟信号的频率除以瞬时载波频率值，由此计算每个周期的样本个数。将存储器中位置地址的个数除以每个周期的样本个数，由此计算存储器访问间隔。发送指示存储器中位置地址的红外线信号。位置地址由计算出的存储器访问间隔隔开。通过使用耳机，位于被访问的存储器位置地址的数字相位偏移量用来再现第一音频信号。

附图说明

通过结合附图参考以下对本发明实施例的描述，本发明以上提到的以及其它特征和目标，以及获得它们的方式，将变得更加显然，并且本发明本身将得到更好的理解，附图中：

图1是利用模拟技术的现有技术红外线(IR)耳机***的示意性框图；

图2是说明可以结合在本发明中的直接数字合成***的一种实施例的框图；

图3是根据本发明一种实施例的通过相位偏移量的正弦波生成的示例图；

图4是示出通过在24.576MHz的主时钟频率用1.95MHz、2.00MHz和2.05MHz载波频率的样本个数去除64kB存储器所获得的可能相位-偏移量值的个数的表；

图5是示出通过在24.576MHz的主时钟频率用1.95MHz、2.00MHz和2.05MHz载波频率的样本个数去除256kB存储器所获得的可能相位-偏移量值的个数的表；

图6是示出通过在24.576MHz的主时钟频率用1.95MHz、2.00MHz和2.05MHz载波频率的样本个数去除16MB存储器所获得的可能相位-偏移量值的个数的表；

图7是根据本发明一种实施例的具有左声道音频处理的细节的音频耳机布置；

图8是根据本发明一种实施例的存储在查找表的地址位置中的数字相位偏移量值的示例图；

图9是用于调制红外线耳机接口信号的本发明方法的一种实施例的流程图。

具体实施方式

下文中所公开的实施例不是详尽的或者要把本发明限定到以下描述中所公开的精确形式。相反，实施例的选择和描述是为了使本领域技术人员可以使用其教导。

图2是说明可以被本发明结合的直接数字合成***10的一种实施例的框图。***10是以Lattice Semiconductor Corporation生产的数控振荡器(NCO)的形式。***10包括相位增量寄存器12，它可以存储在每个时钟周期添加到累加相位的相位值(Δθ)。相位增量线性地可以确定输出信号的频率。由此，这个输入可以用于频移键控(FSK)调制。依赖于NCO如何配置，相位增量可以是固定的或者可以从输入端口fskin动态读取。输出频率可以是***的时钟频率的分数。

相位累加器14可以计算用来寻址用于输出正弦信号生成的查找表的相位角值。处于任何周期的相位角等于处于最后一个周期的相位角加上相位增量。对于周期i，θ_i＝θ_i-1+Δθ。

累加器14的宽度可以由用户参数“相位分辨率”确定。对于给定的累加器宽度，当相位增量等于一时，相位分辨率是最高的，并且对于大于一的值，更小。

恒定的相位输入可以在寻址查找表之前添加到累加的相位。对于实现NCO输出的相移键控(PSK)调制，这会是有用的。用户可以选择无相位偏移量、固定相位偏移量或者可变相位偏移量(PSK)。可变偏移量可以通过PSK输入(pskin)应用到相位偏移量寄存器16。所添加的任何相位偏移量会造成相位角的偏移以及输出正弦信号中对应的线性相位偏移。

相位累加器14的(或者可选的PSK或抖动模块18的)输出驱动量化器20。量化器20可以按比例缩小累加器输出，以减小查找表22的尺寸。假设查找表22具有整数分辨率，则量化器20可以提供分数相位增量。量化器输出宽度确定查找表22的深度并且通常小于累加器输出宽度。这可以使得在使用更少存储器的同时有高精度累加操作。

查找表22可以存储对应于(0,2π)间隔内等距隔开的相位角的正弦波的值。如果波尺寸参数等于“一半”或“四分之一”，则分别对应于(0,π)或(0,π/2)的正弦波样本可以存储在查找表22中。由于余弦可以从偏移角的正弦得出，因此，如果需要的话，余弦值可以通过操纵地址从相同的查找表读取。查找表22的深度可以是2的幂并且由用户定义的参数“量化器分辨率”确定。在大部分情况下，查找表的宽度可以等于输出宽度。查找表22可以利用块或分布式存储器来实现，这可以由用户参数“存储器类型”来选择。存储器可以由相位角索引来寻址，该索引可以由累加器14和量化器20生成。

存储半波把存储器需求减少了一半，但是使用稍多的逻辑并且增加了一个周期的延迟。除了对非常小的查找表配置之外，用户可以更好地选择半波存储来减少存储器使用。用户还可以选择四分之一波存储再把存储器减少一半(半波存储所需要的量的一半)。但是，与半波实现相比，在四分之一波的情况下，延迟增加一个周期并且会使用附加的逻辑。

可以实现角度求和存储器减少(Sum-of-Angles memoryreduction)。由于在直接数字合成NCO中正弦波样本存储在存储器中，因此增加输出的相位分辨率导致查找表尺寸的相应增加。通过在存储器输出之后使用“角度求和”三角恒等式并且通过使用附加的乘法器和加法器，所需的存储器的量会大大减少。这可以通过把角度空间分成粗略的子划分并且然后把相位角写作最近的粗略角度和加性校正角度(精细角度)之和来实现。

这种角度求和方案可以在查找表之后使用四个乘法器和两个加法器。但是，与没有角度求和减少的全波方案相比，所使用的存储器会少得多。对于16-位量化器分辨率的典型例子，与全波实现相比，角度求和方案会导致多于98％的存储器节约。

输出的质量可以提高，如下所述。NCO的输出质量的常见测量是无杂散动态范围(SFDR)。这粗略地指示功率谱密度图中主波瓣(lobe)和下一个最强的副波瓣之间的功率分离的程度。SFDR可以利用框18中的相位抖动或者可选的框24中的三角校正来改进。相位抖动可以通过在量化之前向累加的相位添加小的随机值来扩散相位量化噪声的集中。通过向输出添加从被丢弃的LSB位计算出的校正因子，三角校正用来以更确定性的方式改进SFDR。用于无抖动或三角校正的NCO输出的SFDR近似地等于量化器分辨率的六倍。

在一种实施例中，数字IR耳机接口是图2的基本直接数字合成***的变体。这种实施例的新颖特征是查找表22的维度可以选择成使得相位偏移量寄存器功能可以由原始的数字音频数据执行。虽然这可能需要相对大的存储器空间，但是逻辑需要会大大减小。

不管使用模拟还是数字技术，都有必要以音频速率改变发送频率。

图3是根据本发明一种实施例的通过相位偏移量的正弦波生成的示例图。图3说明了利用相位-偏移量生成具有不同频率的正弦波的概念。在这种情况下，可以使用360个元素的查找表。这360个元素本身可以是以一度的增量围绕单位圆的正弦值。常量一可以添加到结果，使得所有值都是正的。在产生图3的图时，查找表的内容以二十九个字的增量(系列2)、三十个字的增量(系列1)和三十一个字的增量(系列3)被读取。

输出频率与相位-偏移量值成正比。偏移量值越大，结果频率越高。

在一种实施例中，可以使用一千六百万元素的查找表，依赖于数字音频信息的瞬时值，其内容可以按六万四千个增量值当中的一个被读取。为了说明，考虑具有2MHz载波频率和100KHz偏离的示例IR耳机***。主时钟可以由其固有准确度提供优于典型***的优点的晶体振荡器提供，其中典型***在制造过程中需要个别的频率调整。在这种情况下，24.576MHz的主时钟有助于数字音频应用，从而通过简单的除法提供所需的辅助时钟。

24.576MHz÷512＝48KHz(样本率＝左/右时钟，“LRCLK”)

24.576MHz÷8＝3.072MHz(64×样本率＝位时钟，“BCK”)

此外，24.576MHz可以直接用作样本时钟，用于输出(调制的)2MHz正弦波。

具有2MHz载波和100kHz偏离的示例***将具有2.05MHz的上限频率和1.95MHz的下限频率。在24.576MHz采样，这将产生以下“样本/周期”。

1.95MHz＝12.603个样本24.576MHz

2.00MHz＝12.229个样本24.576MHz

2.05MHz＝11.988个样本24.576MHz

很明显，跨2MHz±50kHz的频率极限，样本数量只有非常小的差异。如果使用具有16位地址总线(64kB)的存储器，则存储器位置的个数将是65536。将那个存储器空间除以在两个频率极端的样本数量(1.95MHz的12.603和2.05MHz的11.988)将产生相位-偏移量值的可能个数–图4中所示的“Δ”。

在这种情况下，如果瞬时音频值是最大值，则存储器可以在具有间隔5467(65536/11.988)的地址被访问，就像这样：

第1个字的地址：5467×0＝0

第2个字的地址：5467×1＝5467

第3个字的地址：5467×2＝10934

第4个字的地址：5467×3＝16401

第5个字的地址：5467×4＝21868

第6个字的地址：5467×5＝27335

第7个字的地址：5467×6＝32802

第8个字的地址：5467×7＝38269

第9个字的地址：5467×8＝43736

第10个字的地址：5467×9＝49203

第11个字的地址：5467×10＝54670

第12个字的地址：5467×11＝60137

如果瞬时音频值是最小值，则存储器可以以间隔5200被访问，就像这样：

第1个字的地址：5200×0＝0

第2个字的地址：5200×1＝5200

第3个字的地址：5200×2＝10400

第4个字的地址：5200×3＝15600

第5个字的地址：5200×4＝20800

第6个字的地址：5200×5＝26000

第7个字的地址：5200×6＝31200

第8个字的地址：5200×7＝36400

第9个字的地址：5200×8＝41600

第10个字的地址：5200×9＝46800

第11个字的地址：5200×10＝52000

第12个字的地址：5200×11＝57200

第13个字的地址：5200×12＝62400

以另一种方式表示，给定64kB的存储器空间(查找表)，只有267个可能的相位-偏移量值。由于相位-偏移量建立频率并且变化的频率携带音频信息，因此结果是只有267个离散值的音频信号，这粗略地等效于八位音频。

类似地，256kB存储器尺寸产生大约10位的音频位分辨率，如图5中所说明的。即，1067的Δ产生1067个可能的离散相位-偏移量值，这粗略地等效于十位音频。

最后，16MB存储器尺寸产生大约16位的音频位分辨率的CD质量，如图6中所说明的。即，68293的Δ产生68293个可能的离散相位-偏移量值，这粗略地等效于十六位音频。

在这个时候，对于16MB的外部存储器，16位数字音频可以充当如图7的实施例中所示的“相位偏移量发生器”，图7是IR耳机发送器700，示出了左声道音频处理的细节。示为到相位偏移量发生器702的输入的“常量”值可以用来建立中心频率，即，在以上讨论的例子中是2MHz。该常量加上(以无符号二进制格式应用的)16位数字音频可以向相位累加器704提供必要的输入。这种设计是利用0x145008的常量值模拟的，当添加到0x8000的中点(即，“静默”)音频值时，这将产生2MHz的载波。音频模数转换器706可以使用该时钟信号来数字化模拟音频信号。发送到耳机的音频信号依赖于数字化的模拟音频信号。

以下图8说明了存储器内容，本质上是其内容为高分辨率正弦波的查找表。数字相位偏移量值沿着存储器位置前进地(with aprogression)正弦振荡。

本发明用于调制红外线耳机接口信号的方法900在图9中说明。在第一步902中，提供具有模拟音频值的第一音频信号。例如，如图7中所示，在这种情况下，模拟音频信号708具有输入到音频A/D转换器706的左和右模拟音频值。

在步骤904中，提供具有多个位置并且包含数字相位偏移量值的存储器。在图7的实施例中，存储器设备710可以具有例如如图4中所示的65536个地址位置。每个存储器位置可以存储不同的各自的数字相位偏移量值。数字相位偏移量值可以沿着存储器位置前进地正弦振荡，如图3和8中所示。

接下来，在步骤906中，提供具有时钟频率的时钟信号。例如，时钟发生器712(图7)向音频A/D转换器706、串行到并行转换块714和相位偏移量发生器702提供具有24.576MHz的时钟频率的时钟信号。

在下一步908中，提供具有中心载波频率的第二音频信号，该中心载波频率偏离第一音频信号的模拟音频值。即，时钟发生器712可以连同模拟音频信号708的模拟音频值一起提供在2.05MHz上限频率和1.95MHz下限频率之间偏离的2MHz载波。

在步骤910中，确定中心载波频率的瞬时值。例如，2MHz的载波信号可以以24.576MHz的速率被采样，以便确定其瞬时值。

接下来，在步骤912中，将时钟频率除以瞬时载波频率，由此计算每个周期的样本个数。即，将24.576MHz的时钟频率除以大约2MHz的载波信号频率，以便产生每个周期大约12个样本。

在下一步914中，将存储器中位置地址的个数除以每个周期的样本个数，由此计算存储器访问间隔。在图4的例子中，将65536个存储器位置地址除以大约每个周期12个样本，由此计算出在大约5200和5467之间的存储器访问间隔。

在下一步916中，在由计算出的存储器访问间隔隔开的位置地址访问存储器。即，存储在被大约5200个和5467个之间地址位置隔开的地址位置的数字相位偏移量值被读取。

在最后一步918中，通过使用耳机，位于被访问的存储器位置地址的数字相位偏移量值用来再现第一音频信号。例如，从存储器读取的数字相位偏移量值可以在耳机内翻译成作为模拟音频信号708再现的音频信号。这种再现的音频信号可以由耳机的扬声器直接转换成声音。

虽然本发明已经描述为具有示例性设计，但是，在本公开内容的主旨与范围内，本发明可以被进一步修改。因此，本申请是要覆盖本发明利用其通用原理的任何变体、使用或适应。另外，本申请是要覆盖在本发明所属领域中的已知或惯用做法范围内这种与本公开内容的偏离。

Claims

1.一种用于调制红外线耳机接口信号的方法，包括步骤：

提供具有模拟音频值的第一音频信号；

提供具有多个位置并且包含数字相位偏移量值的存储器；

提供具有时钟频率的时钟信号；

提供具有中心载波频率的第二音频信号，该中心载波频率偏离第一音频信号的模拟音频值；

确定中心载波频率的瞬时值；

将时钟频率除以瞬时载波频率值，由此计算每个周期的样本个数；

将存储器中位置地址的个数除以每个周期的样本个数，由此计算存储器访问间隔；

在由计算出的存储器访问间隔隔开的位置地址访问存储器；及

通过使用耳机，利用位于被访问的存储器位置地址的数字相位偏移量值来再现第一音频信号。

2.如权利要求1所述的方法，其中中心载波频率具有在对应于最小所述模拟音频值的最小载波频率和对应于最大所述模拟音频值的最大载波频率之间的偏离频率范围。

3.如权利要求1所述的方法，其中存储器位于耳机内。

4.如权利要求1所述的方法，其中访问步骤包括发送包括由计算出的存储器访问间隔隔开的地址的红外线信号。

5.如权利要求4所述的方法，其中红外线信号被发送到耳机。

6.如权利要求1所述的方法，其中数字相位偏移量值沿着存储器位置前进地正弦振荡。

7.如权利要求1所述的方法，包括通过把对应的常量值输入相位偏移量发生器来建立中心载波频率的另外步骤。

8.一种音频耳机布置，包括：

具有模拟音频值的第一音频信号的源；

一对音频耳机，包括具有多个位置的存储器设备，其包含对应的数字相位偏移量值；及

红外线发送器装置，包括：

时钟发生器，配置为产生具有时钟频率的时钟信号；

接收器，与第一音频信号的源通信；

相位偏移量发生器，与时钟发生器并且与接收器通信，该相位偏移量发生器配置为：

采样依赖于第一音频信号的第二音频信号，采样的频率依赖于时钟信号；及

生成依赖于采样步骤的相位偏移量信号；及

相位累加器，与相位偏移量发生器通信并且配置为：

依赖于相位偏移量信号来计算净相位值；及

向耳机发送红外线信号，该红外线信号指示存储器设备中要被访问的位置地址，以便让耳机再现第一音频信号。

9.如权利要求8所述的布置，其中常量值是到相位偏移量发生器的输入，该相位偏移量发生器配置为使用该常量值输入建立第二音频信号的中心频率。

10.如权利要求8所述的布置，其中存储器设备具有大约16千字节和16兆字节之间的尺寸。

11.如权利要求8所述的布置，其中第二音频信号具有中心载波频率，该中心载波频率具有在对应于第一音频信号的最小值的最小载波频率和对应于第一音频信号的最大值的最大载波频率之间的偏离频率范围。

12.如权利要求8所述的布置，其中数字相位偏移量值沿着存储器设备的位置地址前进地正弦振荡。

13.如权利要求8所述的布置，其中红外线信号依赖于净相位值。

14.如权利要求8所述的布置，还包括音频模数转换器，配置为使用时钟信号来数字化第一音频信号，第二音频信号依赖于第一音频信号。

15.一种操作耳机的方法，包括步骤：

提供具有多个位置并且包含数字相位偏移量值的存储器；

确定中心载波频率的瞬时值；

将时钟信号的频率除以瞬时载波频率值，由此计算每个周期的样本个数；

发送指示存储器中位置地址的红外线信号，所述位置地址由计算出的存储器访问间隔隔开；及

16.如权利要求15所述的方法，其中被访问的存储器位置地址每个都对应于相应的字。

17.如权利要求15所述的方法，其中中心载波频率具有在对应于最小所述模拟音频值的最小载波频率和对应于最大所述模拟音频值的最大载波频率之间的偏离频率范围。

18.如权利要求15所述的方法，其中存储器位于耳机内。

19.如权利要求15所述的方法，其中红外线信号被发送到耳机。

20.如权利要求15所述的方法，其中数字相位偏移量值沿着存储器位置地址前进地正弦振荡。