Устройство и способ экономии энергии в активном динамике

Изобретение относится к акустике, в частности к средствам для распознавания цифрового звукового сигнала. Устройство содержит декодер, коннектор входного интерфейса, дифференциальный приемник, цифровой сигнальный процессор, цифроаналоговый преобразователь, динамик. Процессор выполнен с возможностью распознавания усиленного недекодированного сигнала и управления декодером для перевода его из спящего режима в рабочий режим. Распознавание выполняют посредством асинхронного и нерегулярного считывания значений NRZ сигнала. При этом сигнал распознают в случайные моменты времени на частоте, не кратной частоте семплирования. Считают, что входной сигнала стандарта AES/EBU существует на входе микропроцессора, если принято более 20% отсчетов. Технический результат – повышение эффективности работы схемы энергосбережения. 2 н. и 10 з.п. ф-лы, 3 ил.

 

Область техники

Изобретение относится к способу, раскрытому в ограничительной части п. 1 и предназначенному для использования в активном громкоговорителе или динамике. Изобретение также относится к контуру в активном громкоговорителе.

Уровень техники

В настоящее время уменьшение энергопотребления требуется от всех электрических устройств. Желание уменьшить потребление электроэнергии исходит как от потребителей, так и от представителей различных органов управления. Потребление электроэнергии современным электронным устройством может быть уменьшено путем автоматического отключения тех частей устройства, которые не являются необходимыми в текущий момент. Если устройство находится в "спящем режиме" (sleep mode), потребляя наименьшее возможное количество электроэнергии, могут быть отключены все части устройства, за исключением тех, которые должны воспринять поступление сигнала. Когда соответствующий сигнал поступит, т.е. возникнет необходимость в функционировании устройства, компонент, воспринявший сигнал, активирует другие части устройства для работы в нормальном режиме. Подобный мониторинг в типичном варианте реализуется с использованием микроконтроллера, потребляющего в специальном состоянии очень малую мощность, так что необходимы электронные компоненты, которые постоянно потребляют достаточную, но, насколько это возможно, малую мощность и посредством которых распознанный входной сигнал посылается системе управления на основе микроконтроллера. Что касается громкоговорителей, все чаще громкоговоритель содержит усилитель, что создает преимущества, особенно в отношении качества звука. Дополнительные преимущества достигаются, если сигнал поступает в громкоговоритель в цифровой форме: В этом случае сигнал, проходящий между громкоговорителем и источником звука (которым может быть предусилитель или непосредственно цифровой источник звука), будет цифровым, т.е. практически полностью свободным от искажений. Известны способы, посредством которых в рассматриваемой ситуации усилитель громкоговорителя может быть переведен в энергосберегающий спящий режим путем мониторинга цифрового сигнала, поступающего на громкоговоритель. Согласно уровню техники мониторинг имеет место в декодере, и на основе анализа результатов мониторинга происходит управление частями громкоговорителя. Однако, в свете постоянно ужесточающихся требований, микроконтур, реализующий декодер, даже в спящем режиме потребляет относительно большое количество энергии.

Более конкретно, в рассматриваемом примере цифровой приемник аудиосигнала (в коде согласно стандарту цифрового звука AES/EBU) в типичном варианте реализован, как микроконтур или модуль в составе более крупного контура. В своем нормальном функциональном состоянии микроконтур, реализующий декодер, требует 10-30 мА тока (30-100 мВт мощности). Когда приемник функционирует, он детектирует поступление валидного цифрового аудиосигнала и может уведомить остальную часть системы о том, что принят полезный цифровой сигнал. Энергопотребление устройства может быть уменьшено путем отключения функций, которые не используются, когда цифровой аудиосигнал недоступен, т.е. контур, принимающий цифровой аудиосигнал, может находиться в спящем режиме с низким энергопотреблением.

Раскрытие изобретения

Изобретение направлено на создание способа и аппарата (устройства) полностью нового типа, обеспечивающих экономию электрической энергии, потребляемой активным громкоговорителем в спящем режиме.

Изобретение основано на экономии электроэнергии путем направления входного цифрового сигнала мимо декодера прямо в сигнальный процессор, в котором отсчеты с входной цифровой линии снимаются со значительно пониженной тактовой частотой, а декодер активируется, только если соблюдены заранее определенные условия для распознавания сигнала. Согласно одному предпочтительному варианту изобретения для распознавания аудиосигнала используются статистические методы.

Более конкретно, способ по изобретению характеризуется признаками, включенными в отличительную часть п. 1.

В свою очередь, аппарат согласно изобретению характеризуется признаками, включенными в отличительную часть п. 8.

Определенными вариантами изобретения достигаются существенные преимущества.

С помощью изобретения цифровой аудиосигнал может быть распознан с использованием экстремально низкого энергопотребления по сравнению с контуром, в котором декодер постоянно поддерживается активным. Таким образом, изобретение позволяет удовлетворить современным требованиям по сокращению энергопотребления, когда электронное устройство находится в спящем режиме.

Поскольку для распознавания может использоваться входной контур сигнального процессора (микроконтроллера), способ согласно изобретению может быть реализован легко и экономично.

Краткое описание чертежей

Далее изобретение будет описано со ссылками на прилагаемые чертежи.

На фиг. 1 приведена блок-схема одного варианта изобретения.

На фиг. 2 показан, на временной шкале, сигнал, используемый в сочетании с изобретением.

На фиг. 3 показан фрагмент сигнала по фиг. 2.

Пояснение обозначений, использованных в описании и на чертежах

1 входная сигнальная линия для подачи в устройство неусиленного сигнала AES/EBU, входной цифровой сигнал

2 коннектор входного интерфейса

3 дифференциальный приемник D

4 декодер RX, микроконтур, реализующий декодер

5 сигнальный процессор DSP (микропроцессор)

6 линия для недекодированного сигнала от дифференциального приемника, линия для усиленного сигнала AES/EBU; усиленный недекодированный сигнал

7 линия управления от дифференциального приемника и от линии для недекодированного сигнала к входу сигнального процессора (микропроцессора)

8 линия декодированного сигнала от декодера в сигнальный процессор 5 (микропроцессор), ИКМ аудиосигнал (S)

9 сигнальная линия от декодера 4 в сигнальный процессор 5 (микропроцессор)

10 активный громкоговоритель

11 подключенные терминальные элементы усилителя и громкоговорителя; аудиосигнал

20 кадр

21 субкадр

22 аудиоблок

23 байт синхронизации

24 поле заголовка (SYNC + AUX),

30 бит 30 бит

31 цифровой аудиосигнал и цифровые данные в коде NRZ (Non Return to Zero - без возврата к нулю)

Осуществление изобретения

Как показано на фиг. 1, неусиленный сигнал AES/EBU подают по входной сигнальной линии 1 в активный громкоговоритель 10, содержащий усилитель. Конкретно, сигнал поступает на коннектор 2 входного интерфейса, который может быть оптическим или гальваническим. Сигнал усиливается в дифференциальном приемнике D 3, из которого усиленный сигнал AES/EBU поступает по линии 6 в декодер RX 4, а из него декодированный аудиосигнал S в формате ИКМ (импульсно-кодовой модуляции) поступает по линии 8 в сигнальный процессор 5 (микропроцессор), который преобразует этот сигнал в аналоговую форму для отправки в усилительные элементы и элементы 11 терминальной стадии громкоговорителя.

Поступление цифрового аудиосигнала может быть распознано, согласно уровню техники, путем поддержания активным контур 4, реализующий AES/EBU декодер по фиг. 1. Если контур 4 уведомляет процессор 5 о присутствии сигнала на линии 9, другие функции устройства могут быть активированы, когда это необходимо. Однако распознавание сигнала, обеспечиваемое наличием контура 4 AES/EBU декодера, часто требует большего расхода энергии, чем расходуют все другие компоненты системы вместе взятые, в том числе на поддержание сигнального процессора 5 системы управления в рабочем состоянии.

Сигнал AES/EBU является цифровым аудиосигналом в коде NRZ, проиллюстрированным на фиг. 2 и 3. Бит 30 кодируется с использованием символа, имеющего два бинарных состояния. Первое состояние символа всегда отличается от второго состояния предыдущего символа. Второе состояние символа такое же, что и его первое состояние, в случае, когда логическое значение кодируемого бита равно нулю (не единице) Если значение бита 30 равно единице, второе значение символа отличается от его первого значения. Такое NRZ-кодирование (именуемое в соответствующем стандарте "бифазным") формирует цифровую последовательность, изменения в которой имеют место либо на частоте, определяемой длительностью цифрового бита, либо на вдвое большей частоте. Применительно к сигналу AES/EBU длительность цифрового бита определяется тактовой частотой семплирования аудиосигнала. Кадр (фрейм) 20 AES/EBU содержит 64 бита, причем этот кадр разделен на два субкадра 21.

Известно, что аудиосигнал в коде NRZ может быть распознан путем детектирования битовой последовательности, содержащей сигнал NRZ. Отклонения от тактовой частоты могут быть детектированы с помощью схемы-защелки ФАПЧ (фазовой автоподстройки частоты), имеющейся в контуре цифрового аудиоприемника. Поле заголовка (SYNC + AUX, см. фиг. 2) сигнала AES/EBU имеет отклонение от нормальной тактовой частоты. Основываясь на этом, можно распознать начало кадра и, кроме того, данные, содержащиеся в индивидуальном кадре, могут быть зарегистрированы в регистре. После того как данные будут зарегистрированы, кадр может быть распознан как кадр AES/EBU, основываясь на его известной структуре. Описанный способ является относительно сложным в терминах вычислений, потребляет много энергии и основывается на полном декодировании кадра AES/EBU.

С помощью изобретения присутствие цифрового аудиосигнала, в типичном случае цифрового аудиосигнала NRZ 31, распознается с затратой очень малой энергии. В качестве возможного аудиосигнала распознается сигнал, распространяющийся по сигнальной линии 6, до его поступления в реальный контур приемника, образованный декодером 4, принимающим недекодированный сигнал из линии 6 и подающий его по линии 7 управления, ведущей к входу Ю сигнального процессора 5.

Согласно изобретению контур 4, реализующий декодер, отключен от питания и включается для выполнения своей функции только при обнаружении сигнала, отвечающего соответствующим критериям. Чтобы считывать состояние входной линии 1 на наличие сигнала AES/EBU, поддерживается постоянно включенным дифференциальный приемник 3 (например контур переноса аудиосигнала согласно стандарту AES/EBU, использующий дифференциальное кодирование согласно стандарту RS-422). Энергопотребление дифференциального приемника 3 предельно низкое. Предварительное распознавание производится путем нерегулярного считывания достаточного количества текущих состояний линии AES/EBU 6 на входе линии 7 сигнального процессора 5, включенного за дифференциальным приемником 3. Считывание может иметь место со значительно более низкой частотой, чем частота семплирования аудиосигнала AES/EBU 1. Считывание уровня усиленного сигнала AES/EBU производится нерегулярно, с пониженной частотой. Например, считывание производится относительно частоты битов по фиг. 3, например, со средними интервалами, соответствующими каждым 10-1000 битам. Способ не требует конкретной плотности считывания или синхронизации со считываемыми данными, поскольку он базируется на статистических свойствах данных, формируемых посредством NRZ-кодирования. В процессе считывания сигнальный процессор 5 подсчитывает количество раз, когда с линии было считано состояние, отличающееся от предыдущего. Состояния считываются в количестве, достаточном для статистического анализа, например 1000 раз, и сигнальный процессор 5 используется для проведения статистического анализа считанных данных. Если на линии 1 присутствует типичный цифровой аудиосигнал AES/EBU, обычно будут наблюдаться 300-500 изменений. Для такого считывания может быть использована, например, входная линия микропроцессора 5, т.е. такое считывание может проводиться, по существу, используя фактически любой процессор. При применении схемы согласно изобретению, чтобы распознать сигнал AES/EBU 1, нет необходимости включать декодер 4.

Схема согласно изобретению (предраспознавание) позволяет распознавать присутствие цифрового аудиосигнала, используя сигнальную линию, предшествующую контуру 4, реализующему декодер. Таким образом, контур 4 может поддерживаться отключенным от питания и активироваться, только когда сигнал, отвечающий заданным критериям, будет распознан сигнальным процессором 5, включенным согласно изобретению, т.е. в типичном случае функционирующим на существенно пониженной тактовой частоте, составляющей, например, 1/100-1/1000 от нормальной тактовой частоты, так что обеспечивается очень малое энергопотребление.

Согласно изобретению присутствие аудиосигнала AES/EBU с NRZ-кодированием может быть распознано с помощью описанной статистической информации.

Как пример осуществления предраспознавания, недекодированный сигнал, поступающий по линии 6 от дифференциального приемника 3, считывается 1000 раз на частоте, в типичном варианте в 10-1000 раз более низкой, чем частота семплирования цифрового NRZ аудиосигнала 31. Способ по изобретению не требует определенной плотности считывания или синхронизации с данными, подлежащими считыванию, поскольку он основан на использовании статистических свойств данных, формируемых посредством NRZ-кодирования. Основываясь на свойствах сигнала NRZ, количество изменений в семплированной последовательности теоретически может оцениваться как составляющее 25-50% при условии, что состояние сигнала NRZ считывается в случайной точке на частоте, не являющейся кратной частоте семплирования.

Если на линии присутствует типичный цифровой аудиосигнал AES/EBU, в типичном случае детектируются 300-500 изменений на 1000 отсчетов (30-50%). Обычно 0-9 изменений на 1000 отсчетов обусловлены отсоединенным кабелем. Если детектируется достаточное количество изменений относительно количества отсчетов, обеспечивается возможность обнаружить цифровой аудиосигнал. Более конкретно, если детектируется типичное количество изменений относительно количества отсчетов, сигнал, вероятно, является сигналом с NRZ-кодированием. В таком случае имеются достаточные основания для активирования имеющегося в аппарате AES/EBU декодера и для получения, с его использованием, точной информации о том, что сигнал с NRZ-кодированием - это кодированный аудиосигнал AES/EBU.

Суммируя, можно отметить, что присутствие цифрового аудиосигнала в коде NRZ распознается в две стадии: сначала посредством вычислительного способа, который основан на статистических свойствах и имеет низкое энергопотребление, и только затем, с большей точностью, с использованием контура приемника, предназначенного для сигнала AES/EBU. Таким образом, этот сигнал распознается путем асинхронного и нерегулярного считывания состояний цифрового сигнала.

В типичном варианте аппарат переводится в спящий режим таким образом, что, если сигнал не поступает в течение заданного времени приема (т.е. сигнал отсутствует все это время), истекшее время определяется счетчиком, и, если это время превосходит заранее установленный предел, например 1 мин, начинается спящий режим. Если аппарат детектирует входной сигнал, счетчик обнуляется, и счет начинается снова в момент, когда сигнал исчезает.

В контексте изобретения термин "спящий режим" означает такое состояние электрического контура, в котором он использует явно меньше энергии, чем при нормальном функционировании, но в котором он может принимать и интерпретировать сигналы в той степени, в которой это необходимо, чтобы выводить аппарат из спящего режима. Например, законодательство Европейского Сообщества требует, чтобы определенные устройства, находясь в спящем режиме, потребляли менее 0,5 Вт электрической мощности. Энергопотребление такого устройства в отсутствие нагрузки может в типичном случае составлять 5-30 Вт. Таким образом, в спящем режиме аппарат должен потреблять менее 10% своего нормального энергопотребления в отсутствие нагрузки.

В контексте изобретения термин "неполучение питания" означает такое состояние электрического контура, в котором он использует менее 0,1% от своего нормального электрического энергопотребления. Термин "низкочастотное функциональное состояние" относится в этом контексте к такому состоянию сигнального процессора (в частности микропроцессора), в котором его операционная частота существенно уменьшена, составляя, например, менее 30% от его нормальной операционной частоты, предпочтительно менее 1% этой нормальной частоты.

1. Способ распознавания цифрового аудиосигнала (1, 6) в системе, в которой по меньшей мере некоторые из электронных компонентов (3, 4, 5) в некоторые периоды находятся в спящем режиме или режиме неполучения питания, при этом способ включает следующие операции:

- усиливают и распознают цифровой аудиосигнал (1, 31),

- усиленный сигнал декодируют в контуре, реализующем декодер (4),

- декодированный сигнал подают в сигнальный процессор или микропроцессор (5) для дальнейшей обработки и цифроаналогового преобразования и

- формируют из аналогового сигнала аудиосигнал (11),

отличающийся тем, что

- усиленный недекодированный сигнал (6) подают прямо в сигнальный процессор или микропроцессор (5) для использования и распознавания, а

- контур, реализующий декодер (4), поддерживают в спящем режиме, пока не будет распознан цифровой аудиосигнал (1, 31).

2. Способ по п. 1, в котором распознавание осуществляют посредством семплирования недекодированного сигнала (6) с частотой семплирования, которая существенно меньше, чем частота битов указанного сигнала, предпочтительно меньше, чем 1/10 частоты битов указанного сигнала.

3. Способ по п. 1 или 2, в котором, в отсутствие распознаваемого сигнала, сигнальный процессор (5) функционирует с тактовой частотой, составляющей 1/10-1/1000 его нормальной тактовой частоты.

4. Способ по любому из предыдущих пунктов, в котором усиленный недекодированный сигнал (6) распознают путем асинхронного и нерегулярного считывания его состояний.

5. Способ по любому из предыдущих пунктов, в котором усиленный недекодированный сигнал (6) распознают путем его считывания в случайные моменты на частоте, не являющейся кратной частоте семплирования.

6. Способ по любому из предыдущих пунктов, в котором существование цифрового сигнала (6) распознают, если изменения обнаруживают в более чем 20% отсчетов.

7. Способ по любому из предыдущих пунктов, в котором цифровой сигнал является сигналом в стандарте AES/EBU.

8. Аппарат для распознавания цифрового аудиосигнала (1, 6) в системе, в которой по меньшей мере некоторые из электронных компонентов (3, 4, 5) в некоторые периоды находятся в спящем режиме или режиме отключения от питания, при этом аппарат содержит средства для:

- усиления и распознавания цифрового аудиосигнала (1, 31),

- декодирования усиленного сигнала,

- подачи декодированного сигнала (S) в сигнальный процессор или микропроцессор (5) для дальнейшей обработки и цифроаналогового преобразования и

- формирования из аналогового сигнала аудиосигнала (11),

отличающийся тем, что дополнительно содержит средства для:

- подачи (7) усиленного недекодированного сигнала (6) для использования и распознавания прямо в сигнальный процессор (5) и

- поддерживания контура (4), реализующего декодер, в спящем режиме, пока не будет распознан цифровой аудиосигнал (1, 31).

9. Аппарат по п. 8, который содержит средство для осуществления распознавания посредством семплирования недекодированного сигнала (6) с частотой семплирования, которая существенно меньше, чем частота битов указанного сигнала, предпочтительно меньше 1/10 частоты битов указанного сигнала..

10. Аппарат по п. 8 или 9, который содержит средство, посредством которого, в отсутствие распознаваемого сигнала, обеспечивается возможность функционирования сигнального процессора (5) с тактовой частотой, составляющей 1/10-1/1000 его нормальной тактовой частоты.

11. Аппарат по любому из пп. 8-10, который содержит средство для распознавания усиленного недекодированного сигнала (6) путем асинхронного и нерегулярного считывания состояний указанного сигнала.

12. Аппарат по любому из пп. 8-11, который содержит средство для распознавания усиленного недекодированного сигнала (6) путем считывания сигнала (6) в случайные моменты на частоте, не являющейся кратной частоте семплирования.