CN1011844B - 可变增益编码设备及方法 - Google Patents

Abstract

可变增益模—数压缩编码设备及方法可“在飞行中”作增益调节操作而不会在电话通话中引入显著的失真和噪声。输入模拟信号(9)被固定增益(11)再现成第一稳定工作中点的模拟信号(41)。响应从第一和第二信号间差值的信号分割中抽出的信号(43)而产生与第一稳定工作中点模拟信号成反比的第二稳定工作中点模拟信号(42)。将该第二信号压缩编码(13)，以产生脉冲编码调制信号样值(25)。任何时候，按照电话设备的操作需要可以改变轴头(44)以改变编码增益。

Description

本发明涉及模拟-数字编码器领域，更准确地说，涉及具有可变增益的电话编码器。

数字信号型电话系统需要通常简称为编码译码器（CODECs）的模拟-数字和数字-模拟转换电路，用于交接各种声音信号和交接适合于模拟转换器的模拟信号与适合于数字通话转接、传送操作以及设备的二进制信号之间的类似信号。为了进行能产生准确地代表模拟输入信号的脉冲编码调制（PCM，以下简称“脉码调制”）字的编码操作，模拟信号必须以编码器中点为中心。也就是说，编码器工作中点与模拟信号的零电平应当一致。倘若不一致的话，则在脉码调制字中就会包含量化失真、谐波失真和噪声。通常的做法是在制作时已预置编码器的增益，并且，如果需要的话，以后在使用时借助于在电路中的预置增益固定衰减器来改变所述增益。通过交流（AC）耦合编码器内的适当的节点和经由转接的电容电阻对节点充电以消除在编码器输入端的任何偏移可方便地完成中点的偏置。实际上，在AC耦合节点上对每个PCM字的符号位进行积分，以致于其长期电压（直流值）能够反映符号位极性平均值的特征。当所述符号位的出现是正负均匀的时候，就达到了稳定性。

然而，倘若通用编码器的增益在其正常运行期间发生变化时，因为在AC耦合节点处的积分信号不再抵消总的偏移，所以，在编码器的输入端必然出现阶跃分量。从而，工作中点被偏移，以致不 再与模拟信号的零电平相一致。在线性编码器中，增益变化的结果将表现为令人烦恼的“喀呖”声。在压缩编码器中，可能还会产生严重的谐波失真。需经一定的时间，所述阶跃电压减弱，直到所述工作中点再次与模拟信号的零电平相一致为止。但是，在上述时间内，所产生的谐波失真降低了压缩编码信号的质量。在一种应用中，其中经常或频繁地调节编码器的增益，这样的性能是不令人满意的。

本发明的目的是提供一种可变增益的编码器，利用它可以改善电话通话过程中的模拟-数字信号转换。

本发明的再一个目的是提供一种可以“在飞行中”（即，在实际的电话通话期间）、在不引入显著的噪声和失真的情况下，突然改变增益的编码器。

根据本发明，可变增益模-数编码器包括：第一固定增益的编码通路，该通路将第一稳定工作中点的模拟信号提供给第二可变增益编码通路，在所述第二通路中，模拟放大器反向放大一个可变抽头的差信号，后者是在所述第一模拟信号和第二通路中用于在所述模拟放大器的输出端进行编码的信号之间产生的。

根据本发明的用于对模拟信号进行可变编码以由此产生脉码调制（PCM）信号样值的设备包括：用于产生编码信号样值的第一装置，以及用于产生可变增益编码信号样值的第二装置。所述第一装置包括具有模拟信号输入端的第一放大器装置，该装置被用于响应所述模拟信号和第一符号位而产生第一稳定工作中点的模拟信号，所述第一符号位是响应所述第一稳定的模拟信号而从用于产生第一符号位的模拟-数字转换器发出的。所述第二装置包括：用于产生响应第二符号位的、与所述第一稳定的模拟信号成反比的第二稳定 工作中点的模拟信号的第二放大器装置。连接一个电阻装置，以便在其两端具有所述第一和第二稳定的模拟信号的差信号;该电阻装置包括连到第二放大器的倒相输入端的可变抽头装置。所述模拟-数字转换器响应所述第二稳定的模拟信号而产生包括第二符号位的PCM信号样值。

根据本发明的用于产生代表模拟信号的数字字的交变增益方法包括：响应模拟信号以及与其相对应的第一符号位，通过以预定的固定增益对所述模拟信号进行稳定工作中点的放大来提供第一信号。响应所述第一信号和对应于第二信号的第二符号位，通过以可控变化的增益对所述第一信号进行稳定工作中点的放大来提供第二信号。对所述第二信号进行数字转换，以提供多位字，每个多位字包括所述第二符号位之一，因此，就所述第一信号而论，所述多位字是可变增益的。

参照附图对实施例进行说明，附图中：

图1是先有技术的编码器中已受到瞬时增益调节影响的再现信号的图解说明;

图2是具有预置固定增益的先有技术编码器的原理方框图;

图3是本发明可变编码电路的原理方框图;

图4是图3中所示的可变编码电路的实施例的更详细的原理方框图;以及

图5是在如图4所示的编码电路中使用的增益调节元件的一个实施例的简化的原理图。

图1中的图解说明包括在图左侧的电压轴V以及与电压轴V成直角而延伸的时间轴T。沿时间轴T描绘了可从图2中编码器获得 的编码声频信号的再现模拟表示。图左侧最初的一周半表示恒定信号的编码操作，其中，编码操作具有第一增益。其余各周表示编码操作被突然改变或在编码电路中被调节到比第一增益大的第二增益后的一种恒定信号的编码操作。倘若增益变化得很急剧，正如需要不用人工的声音转接的情况，为使信号稳定到如图右侧所画的那样，所需要的时间可能有一分钟之多。这样的性能在电话系统中是不实用的。

将图2所示通用的编码器改作如图3和4所示，采用首先研究先有技术的办法，可能会更容易理解图3和4的结构和功能。图2中，将模拟声频信号加在声频输入9上，然后经由电容器12容性耦合到在标号11处详细示出的Butterworth二阶滤波电路的节点18上。低通滤波器14（往往称之为抗混淆滤波器）可使语音频带频率通到模拟-数字转换电路13的输入端。在一般电话应用中，转换电路工作在8KHz的取样频率，而所述滤波器的截止特性在3KHz和4KHz之间。所述模拟-数字转换电路13响应来自低通滤波器14的模拟信号，以8KHz的频率产生通常为8位PCM字的多位字。每个字的符号位定义每个字的极性。借助于符号位锁存器16和在标号17的转接电容功能电阻元件，把对符号位出现的积分耦合到节点18上，经由该节点18，所述符号位还被用来调节电路11的工作中点。

如至此所述的，先有技术编码电路提供固定增益的编码功能。有可能改变该电路的增益，例如，通过采用与电路11所示Butterworth二阶滤波器电路中的放大器的倒相输入端相串接的电阻如果在运行期间，例如，在电话通话时改变所述增益，那么，这将会有与图1中举例说明的 相似的干扰工作中点的结果。如前已提及的，产生这一结果的频繁的增益变化在一般电话系统中是不可容许的。

图3中，固定增益放大器10代表图2中除模拟-数字转换器13外的所有部分。图3中的模拟-数字转换器13借助于开关45交替接通，以便从固定增益放大器10和可变增益放大器20接收第一和第二模拟信号。转换器13的输出端连接到开关46上，以便在引线15和25上交替地提供数字输出。

在本实施例中，转换器13是以16KHz取样频率与开关45和46同步工作的。从固定增益放大器10输出的信号在可变增益放大器20中按照由控制输入44所控制的增益因数而倒相放大。放大器10和20二者都是随经由相应的通路15a和25a所耦合的符号位而被稳定工作中点的。因此，通路15a上的符号位是与通路25a上的符号位反相的。在另一实施例中（未示出），不使用开关45和46而只将可变增益放大器的输出转换为数字信号。在该实施例中，将通路15a直接连接到通路25a，其差别仅仅在于：它包括一个与其串接的倒相器，以便把通路25a上用于稳定放大器10的符号位倒相。

图4中，除了提供图3中可变增益放大器20的实施例的各元件之外，所示的可变编码电路包括图2先有技术的全部元件（它们仍用相应的标号）。除电容器12和电容器22之外，图4中其余的全部元件最好用CMOS晶体管技术集成在集成电路中。在该实施例中，是用转接电容电阻来实现低通滤波器17和27的。运算放大器21包括用作提供工作中点偏压的稳定节点的不倒相输入端。所述偏压是由电容器22和转接电容电阻27响应来自锁存器26的 符号位而产生的，该锁存器26以8KHz取样频率捕获并保持来自数字输出端25的符号位。电阻元件40经由导线41连接到低通滤波器14的输出端，并经导线42连接到放大器21的输出端。放大器21的倒相输入端经由约5pf的电容器23容性连接到其输出端，同时，还借助于可变抽头43连接到电阻元件40。可以通过以标号44示出的控制输入端改变该抽头。

放大器11的输出中点直接耦合通过滤波器14，以致于放大器11与放大器21的输出之间的电位差出现于电阻元件40的两端。调节时，可变抽头43传输一个抵消放大器21的直流输出的直流电位差，使得甚至在短于元件22和27积分操作时间常数的时间间隔内，所述放大器21仍保持在最佳中点附近。

图5中更详细地示出电阻元件40的实施例。该实施例特别适合于用所述CMOS技术集成。以CO-C31标明的32列各自包含十个排列成串联列的场效应晶体管，并且，端接在相当于可变抽头43的横条上。以R1-R32标明的32个相应的电阻段串联连接在导线41和42之间。第一列CO连接到导线41与电阻段R₁的接点上，而第二列C1连接到电阻段R1与R2之间的接点上，如图所示那样类推。

所述控制输入44包括标号为A-E的五根导线，它们中的每一根如在55处举例说明的那样连接到各列中的每一列的具有相反的导电类型的一对场效应晶体管（FET）的栅极上。为方便起见，通过在一晶体管对的一个晶体管的栅极上加上反相符号55′来说 明这一点。

例如，在列CO中，FET52与包含反相符号的FET53成对。FETs52和53二者都包括连接到导线43A上的栅极，只不过FETs52和53对在所述导线上的控制信号起相反的反应，以致当一个FET截止时，另一个则导通。为简化附图，用横过每一相应行的直线来表示控制引线。这是要表明每个FETs的栅极是连接到其相应的控制引线上的。应当指出，如在54处所举例说明的，在每列中，一半的FETs各自被导电的通路桥接。所述各导电通路（即，各桥）是按预先安排好的图案编制的，以致于在控制输入端44加上任何五位二进制字的情况下，CO-C31各列中只有一列将被接通。更准确地说，在该图案中，每对FET中的一个晶体管是桥接的而另一个则不是桥接的，以致于所述桥接的FET是不起作用的。因此，纵然每根引线都连接到每行中相应的FETs对上，但引线A-E中的每一根在每行中只对一个FET起作用。为方便起见，在以MOS技术制作实施例的器件时，创造了这种特殊结构。

在图4的编码器的特殊的实施例中，所述电阻元件准备提供在整个52.7db范围内的、由各1.7db阶梯构成的增益变化。

Claims (18)

1、用于提供代表输入模拟信号样值的数字字的可控增益的模拟-数字(A/D)编码器，其特征在于包括：

用于产生所述数字字的模拟-数字转换电路(13)，所述数字字各自由多位组成，并包含一个符号位，

用于响应所述输入模拟信号而产生固定增益的模拟信号的第一装置(10)，所述第一装置是响应对应于所述固定增益的模拟信号的符号位而稳定工作中点的，以及

用于响应来自所述第一装置的稳定了工作中点的固定增益模拟信号而将可变受控增益模拟信号输送到所述转换电路的第二装置(20)，来自所述第二装置的所述可变受控增益的模拟信号是响应所述数字字的所述符号位而稳定工作中点的。

2、如权利要求1中所限定的A/D编码器，其特征在于：所述可变受控增益的模拟信号从所述第二装置传输到所述转换电路，所述信号与由所述第一装置所产生的所述固定增益的模拟信号成反比关系。

3、如权利要求1中所限定的A/D编码器，其特征在于：所述第二装置对外部提供的用于限定所述第二装置中的放大系数的控制信号作出反应。

4、如权利要求3中所限定的A/D编码器，其特征在于：所述外部提供的控制信号是多位二进制字。

5、如权利要求1中所限定的A/D编码器，其特征在于：所述A/D转换电路是压缩A/D转换电路。

6、如权利要求1中所限定的A/D编码器，其特征在于：所述第二装置提供与所述固定增益的模拟信号成反比关系的所述信号，而且，还包括用于使所述数字字的符号位倒相以提供对应于所述固定增益的模拟信号的所述符号位的装置（26）。

7、如权利要求1中所限定的可控增益的A/D编码器还包括：

开关装置（45），它用于以至少是Niquist频率的两倍的固定频率交替地把来自所述第一装置的所述固定增益模拟信号以及来自所述第二装置的所述可变受控增益模拟信号输送到所述转换电路，

其特征在于：所述转换器是以所述固定频率工作的，借此，在所述转换电路的输出端可交替地得到来自所述第一和第二装置的各信号的编码的样值。

8、如权利要求1中所限定的A/D编码器，其特征在于：所述第二装置包括连接在所述第一和第二装置之间并至少包括两个电压抽头位置的分压器（40）。

9、如权利要求1中所限定的A/D编码器，其特征在于所述第二装置包括：

具有用于提供所述可控增益模拟信号的输出端和倒相输入端的差分放大器（21），以及

连接在所述第一装置的输出端与所述差分放大器的输出端之间的分压器（40），并且，该分压器包括若干电压抽头位置（CO-C31），它们中的一个连接到所述倒相输入端上。

10、如权利要求9中所限定的A/D编码器，其特征在于：所述分压器包括若干电阻段（R1-R32）和若干连接在各段中的每一段与所述倒相输入端之间的相应的开关装置（52）。

11、如权利要求10中所限定的A/D编码器，其特征在于：所述开关装置中的每一个由一列场效应晶体管器件（53）组成，这些FETs逐行地共同连接到相应的栅极控制引线（A-D）上，所述各晶体管器件被安排成相反的响应组合，并且，有选择地进行桥接，使得二进制字被加到所述控制导线时会使一列比其他各列中的任一列具有高得多的电导。

12、如权利要求9中限定的A/D编码器，其特征在于：工作时，所述分压器对n位二进制字作出反应，并且，该分压器包括：

n根用于把所述二进制字加到分压器上的引线，连接所述n根引线中每一根，以控制2n个开关器件（52），2n个开关器中的每一个排列在至少具有n个开关器件的相应的列中，所述列中的每一列连接在公共横条（43）与具有2n个电阻段（R1-R32）的分段电阻横条的相应电压抽头之间，各电阻段串联连接在所述第一装置的输出端与在所述第二装置中的差分放大器的输出端之间，所述公共横条连接到所述差分放大器的倒相输入端。

13、如权利要求1中所限定的A/D编码器，其特征在于：所述第一和第二装置之一包括一个倒相器（16或26），该倒相器对所述数字字中的每个的符号位作出反应，以提供相应于所述固定增益模拟信号的所述符号位。

14、用于以许多可择选的增益关系提供多个数字字的模拟一数字编码器，其中每个字包含一个符号位并代表输入模拟信号的样值，其特征在于包括：

用于以至少超过Niquist频率两倍的频率产生数字字的模拟一数字转换装置（13），

第一和第二符号位通路（15a，25a），

开关装置（45），该装置具有第一和第二输入端头并能够以所述频率工作，用于交替地耦合模数转换装置的输入端，以接收第一和第二模拟信号，该开关装置又具有第一和第二输出装置，用于交替地把相应于所述第一和第二模拟信号的符号位分别耦合到第一和第二符号位通路，

第一放大器电路，它包括具有固定增益非倒相接法的运算放大器（11），后者包括用于接收所述模拟信号的输入端（9）和用于接收工作中点偏压的节点（18）以及用于提供作为所述模拟信号的固定增益的再现的所述第一信号的输出端，

第二放大器电路，它包括运算放大器（21），后者包括用于接收中点偏压的、与运算放大器的非倒相输入端公用的节点，倒相输入端以及用于提供作为所述第一信号的可变增益的倒相再现的第二信号的输出端（42），

具有小于Niquist频率的截止频率特性、并连接在第一放大器电路与所述开关装置的所述第一输入端之间的低通滤波装置（14），

第一符号位通路，它连接到所述第一放大器电路的所述节点上，并包括用于响应所述第一符号位出现的极性而产生偏压的装置（17）

第二符号位通路，它连接到所述第二放大器电路的所述节点上，并包括用于响应所述第二符号位出现的极性而产生偏压的装置（27），

电阻装置（40），它连接在所述低通滤波器和所述第一输入端的第一接点（41）与所述第二放大器电路中的所述运算放大器的输出端和所述第二端头的第二接点（42）之间，所述电阻装置包括至少可在两个位置之间变化的抽头装置（43），所述抽头装置连接到所述第二放大器电路中的所述运算放大器的倒相输入端上。

15、用于产生代表模拟信号的数字字的可变增益方法，其特征在于包括以下步骤：

a）响应所述模拟信号和与其相应的第一符号位，以预置的固定增益进行稳定工作中点的放大以提供第一信号。

b）响应所述第一信号和相应于所述第二信号的第二符号位，以可控的变化增益进行稳定工作中点的放大以提供第二信号，以及

c）对所述第一信号进行模拟一数字转换，以至少提供所述第一符号位，并且，对所述第二信号进行模拟一数字转换以提供各自包含所述各第二符号位之一的多位字，借此，所述多位字对于第一信号就是可变增益的。

16、如权利要求15中所限定的用于产生模拟信号的数字字表示的可变增益方法，其特征在于：通过对所述第一信号倒相放大提供同所述第一信号成反比的所述第二信号。

17、如权利要求15中限定的用于产生模拟信号的数字字表示的可变增益方法，其特征在于：所述第一信号是以根据外部提供的控制信号的增益而进行放大的。

18、如权利要求17中所限定的用于产生模拟信号的数字字表示的可变增益方法，其特征在于：所述外部提供的控制信号是多位二进制字。

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