CN101777918A - 用于将模拟输入信号转换成数字输出信号的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于将模拟输入信号转换成数字输出信号的方法，其中从输入信号得出信号水平不同的至少两个模拟信号成分，且各个信号成分经历模拟-数字转换，该方法的特征在于，使用可变加权因子对数字化的信号成分加权，且将加权的信号成分彼此相加。

Description

用于将模拟输入信号转换成数字输出信号的方法

技术领域

本发明涉及一种使用从输入信号得出的至少两个模拟信号成分将模拟输入信号转换为数字输出信号的方法，其中至少两个模拟信号成分的信号水平彼此不同，且所述信号成分分别经历模拟-数字转换。本发明还涉及可执行该方法的装置。

背景技术

在数字信号处理的很多领域中，尤其在数字颤噪(digital microphony)中，存在对模拟-数字变换的需要，由此，可以在最大化信噪比(SNR)的同时发送动态范围尽可能宽的信号。为了该目的，使用具有高分辨率的高质量高性能A/D转换器。然而，这种A/D转换器是昂贵的，并且要使用大量的电能，这在便携式应用，例如无线电麦克风中是尤其不利的。

现有技术尝试通过将模拟输入信号分成两个信号成分并使静态模拟信号成分经历不同程度的放大，来规避这些问题。存在于不同信号通路(signalpath)中的信号成分现在具有不同水平(level)，这些信号成分独立地经历A/D转换。如果和另一信号成分相比因为不同的放大而具有较高水平的信号成分的水平增加到一定阈值之上，该阈值导致在相应A/D转换器中发生限幅，则会发生向较低水平信号成分的切换(switchover)或向相应信号通路的切换，其中，由于其较低的水平，在A/D转换器中(到目前为止)不发生限幅。该方案被称为增益分级(gain staging)。

该方法的优点在于，可以用至少两个低分辨率转换器代替一个高分辨率转换器，而不会因此对可以传输的动态范围产生限制或影响。然而该方法的主要难题是两个信号通路之间的切换。这需要各数字化信号成分彼此之间在信号成分的幅度和相位关系方面有极其精确的匹配。即使是纳秒级的时间偏移也会在“连接点(junction)”处造成不希望的干扰，在该“连接点”处一个信号成分被附接到另一信号成分。为信号成分的复杂匹配而耗费的努力与实际A/D转换的简化无关。

上述方法例如在2001年5月12日-15日在荷兰阿姆斯特丹举行的第110界AES会议上由S.Peus，O.Kern Neumann GmbH，Berlin发表的“TheDigitally Interfaced Microphone”中描述。该出版物的公开内容以及EP 1 253518 B1中的公开内容通过参引包括在本说明书中。

上述两个出版物均公开了对信号进行A/D转换的另一方法。该方法也基于用两个分辨率低的A/D转换器代替一个分辨率高的昂贵的A/D转换器，这两个分辨率低的A/D转换器组合起来消耗的功率也比一个分辨率高的A/D转换器消耗的少。与上述方法相反，从原始模拟输入信号产生的信号成分在通过非线性网络之后，被引导到两个信号通路中。信号成分中的一个信号成分被变形，使得它基本不包含源于阈值信号水平之下的输入信号的有用信息。另一信号成分源于具有校正符号(correct sign)的输入信号与变形信号成分的相加(即，从输入信号减去变形信号)，由此产生互补变形的信号形状。在两个信号成分的A/D转换之后，经由信号成分的相加实现了原始信号的再构，因为信号成分的变形总是精确互补的，因而产生不变形的数字输出信号。因为减去变形信号导致的幅度降低，相应的A/D转换器达不到限幅水平。

发明内容

本发明的目的是改善最初描述的方法，且因而减轻在信号通路之间切换的问题。关于上述的后一种方法，由于非线性网络和其放大(尤其是具有高信号和噪声幅度)导致的缺点被减轻。

该目的利用上述类型的方法实现，在该方法中用可变加权因子对数字化的信号成分加权且经加权的信号成分被相加在一起。

信号成分的加权和后续的分别混合相加使得可以对模拟输入信号的变化特性作出反应，且因而也可以以简单的方式对模拟信号成分的变化特性作出反应。通过可变的加权因子，可以平滑地交叉衰减(crossfade)各信号成分。所得输出信号中的信号成分的部分内容因而可以适应于现有条件。

基本上可以利用两个信号成分中的一个信号成分的任意能够确定的属性或者输入信号的任意能够确定的属性，以及信号成分的权重的变化标准(例如，信号幅度、信噪比、谐波失真、限幅等)。已经发现，在信号的幅度仍然与限幅的发生直接相关时，两个信号成分中的一个信号成分的水平作为参考参数，是尤其有利且可靠的。因此，只要信号的幅度超过预设阈值且预期发生限幅，则个信号成分被交叉衰减(crossfade)，即，所得输出信号中的信号成分的权重发生变化。通过恒定调整加权因子，交叉衰减连续发生，由此过渡变得很平滑。

在优选实施例中，加权因子的变化被延时。如果信号水平在达到临界阈值之后再次减小且如果放大更多的信号成分的加权因子再次在输出信号中被更强地表达时，尤其要这样做。由于时间延迟，即，由于权重的缓慢调整，交叉衰减不再被听者所觉察。

附图说明

下面将基于附图详细描述本发明。

图1示出具有不同水平的两个信号成分的产生和数字化过程的示意图，

图2示出本发明的电路的框图，

图3示出将本发明的思想扩展到多于两个信号通路的示图。

具体实施方式

图1以示意图的形式示出，来自模拟输入信号(音频输入)的，例如可以是来自麦克风1的信号的，具有不同水平的两个信号成分被传送到信号通路3，3’。在此处所示的示例中，这通过放大器2，2’进行的不同放大来实现，由此在信号通路3中发生比信号通路3’中更强的放大。例如还可以经由分压器来对两个信号成分中的一个信号成分进行衰减。

优选地，两个模拟信号成分在整个发射频率范围中基本上偏移相同的相位和并具有基本上恒定的幅度比。这在低频(＜50-60赫兹)情况下尤其具有积极的效果，因为能在根据本发明的后续对数字化信号成分进行合并的过程中，防止在低频处出现不希望的人工现象(artifact)。

其中的信号成分的水平较高的信号通路3此后被称为“更敏感”信号通路，而其中的信号成分的水平较低的信号通路3’被成为“鲁棒”信号通路。此后，两个信号成分在各自的A/D转换器4和4’中被数字化，并在处理单元5中被进一步处理，并被合并，从而产生输出信号y。

图2示出处理单元5的内部工作，并因而示出两个信号通路3、3’的延续部分。敏感通道3中的信号成分x2的水平现在已经比鲁棒通道3’中的信号成分x1的水平高出恒定因子(例如在10dB至40dB之间)。如果敏感通道达到限幅水平，则发生向另一(鲁棒)通道的交叉衰减(crossfade)。这旨在获得更高的ADC分辨率以及产生由外部引线定义的SNR约为120dB的系统。各个ADC的仅约为85dB的不良SNR的缺点通过敏感通道和鲁棒通道的平滑的交叉衰减来规避。

此后描述A/D变换之后信号处理器中的处理：在也称为衰减器的加权单元6中，使用加权因子bf或1-bf对每个数字化信号成分x11、x22进行加权，并将它们相加起来，由此形成本发明的装置的输出信号y：

y＝x22*(1-bf)+x11*bf，

其中加权因子bf可以具有0至1之间的值。

在本示例中，信号x1等于x11，而x22是通过对信号水平进行校正从信号x2获得的。在两个信号成分在加权单元6中合并之前，它们必须再次具有相同的水平，以避免在它们合并时输出信号y的信号水平发生不希望的变动。可以改为放大x1，也可以通过相应地修改加权因子而在衰减器中发生适当的调整。

恰当的算法的描述：

x2是敏感通道3中ADC的输出信号，x1是鲁棒通道3’的信号。信号x22通过x2乘以恒定增益dg产生。恒定增益对应于信号水平x1:x2的差异。在信号流程中，具有对由于外部成分变化导致的可能容差进行自适应调整的功能的可变增益g，跟随在恒定增益dg之后。典型的控制范围是+/-1dB。由于，在本实施例中，信号处理算法是在定点计算机中执行的，而定点计算机不允许执行用大于1的数进行的乘法运算，因此通过两个步骤获得该适应性增益。第一步骤使用约0.5的变量操作，之后用等于2的因子进行固定放大：

x22＝x2*dg*g*2

加权因子bf和1-bf可被计算为信号成分中的一个信号成分的水平的函数。在本示例中，敏感通道3中的信号成分x2的水平被用作参考参数。幅度abs(x2)例如可以以绝对值、峰值的RMS(均方根)或校正值(rectificationvalue)的形式来确定。这种水平测量为专业人员所公知。现在基于信号x2计算中间变量b：

b＝(abs(x2)*1/Thr_fade)^2

if(b＞1)b＝1

其中Thr_fade限定可调整的阈值，该可调整的阈值基本对应于A/D转换器的上限，但是优选地稍低于该范围(例如约-6dB)，以使得可以及时交叉衰减到鲁棒通道3’，使得ADC中的限幅的发生不会在输出信号y中被听见。

如果信号成分x2的水平abs(x2)大于阈值Thr_fade，则b＝1，依据中间变量b，遵从平方特性，使得中间参数b以下降的信号幅度abs(x2)的二次方的程度连续减小。

加权因子bf通过平滑滤波器从中间变量b产生，bf随b的增大而被快速调整，同时根据一阶低通滤波器随b的下降而减小。该行为可与音频压缩器的释放滤波器(release filter)相比。可以用以下算法描述平滑滤波器。

bf＝bf*Coeff；

If(b＞bf)bf＝b；

其中

coeff＝e^(-2.2/(SampleRate*TimeConst))

SampleRate是ADC的采样速率，时间响应由常数TimeConst描述。TimeConst的选择至关重要。太小的值会导致效仿频率非常低的信号的波形的衰减器在音频信号中产生不希望的人工现象。如果滤波器太低，则由于鲁棒通道和敏感通道之间的切换造成的噪声尾部不再能被耳朵的前时间掩蔽(forward temporal mask)所隐藏。TimeConst典型地被选为0.1秒，从该值获得0.9995的系数值。

上述算法代表本发明的可能的实施方式。该算法具有如下优点：因为加权因子bf和相应1-bf与信号幅度abs(x2)的平方相关的关系，系统能对增大的信号水平快速作出反应，且所得输出信号中的信号成分的权重被快速变更。如果信号幅度abs(x2)再次减小，则加权因子bf或相应的1-bf在经过一定时间延迟后被更新。信号强度减弱的系统的这种惯性确保了两个信号通路的平滑的交叉衰减，且确保了交叉衰减处理不会被用户听见。将时间常数TimeConst选择成约为0.1s的目的是，在人类听知觉(auditory perception)的掩蔽间隔内执行交叉衰减。

然后使用加权因子bf或相应1-bf来控制加权单元6(衰减器)。在极限情况下，如果bf＝1，则仅鲁棒通道3’的信号成分x11到达输出y。在另一极限情况中，如果bf＝0，则仅敏感通道3的信号成分x22到达输出y。在这两种情况之间，发生平滑的交叉衰减。

在优选实施例中，提供对前述增益g的调适，这种调适具有适应性调整由于成分变化导致的可能容差的功能。

各个绝对值abs(x11)或abs(x22)的平均值MeanX11或MeanX22是从信号x11和x22确定的。两个平均值彼此相减，得出用于修改增益g(n)(闭环)的差值，其中

delta＝MeanX11-MeanX22

g(n)＝g(n-1)+delta

n是相应采样值。

为了避免副作用和错误调适(misadaption)，增益g(n)仅在加权因子bf处于例如0.0001至0.9的范围时被调整。

因为使用非理想ADC的A/D转换，各信号包含DC成分。为了从算法的后续部分排除故障，在输入端通过合适的滤波器(象高通滤波器一样工作的DC偏置滤波器)去除该成分。

如上所述，某些行动最好在电路的模拟部分中进行，以使得还可以通过本发明的方法更好地发射低频。为了确保以下算法的正确运算，很重要的是，两个模拟信号成分的水平比在所有频率上都尽可能是恒定的，并且两个模拟信号成分没有相移。相移以及与频率相关的信号水平差异充当了极低音频频率处的变形因素，因为在这种情况下衰减器直接效仿音频信号的信号形状。

本发明本质上不限于所示实施例。尤其可以在信号通路中建立一个或多个延时元件。这实现了加权因子bf的时间延迟的稍微增加，使得在发生限幅之前能实现各信号通路的平滑的交叉衰减。

其他算法也可以作为其中一个信号成分的函数充当产生加权因子的基础。具体而言，加权因子与信号水平的平方相关的关系不是强制性的。调整加权因子的时间延迟也可以不像1阶低通滤波器那样操作。

作为本发明的延伸，图3中示出的另一变型例包含若干信号通路3、3’、3”、3’”。在该示例中，从模拟输入信号得出多于两个的信号成分，每个信号成分具有不同的信号水平。从具有最高信号水平的也称为“最敏感通道”的通道3开始，可以逐次向信号强度渐低的通道交叉衰减。图3示出了实施该思想的可能方式，信号通路3、3’、3”、3’”和相应的加权单元6、6’、6”相互嵌套，以便分别合并两个信号通路。如果最敏感通路3达到限幅水平，则发生向信号强度较低的下一通道3’进行的混合(blend over)。如果通道3’也达到限幅水平，则发生向信号强度更加低的通道3”进行的交叉衰减，以此类推。

Claims (12)

1.用于将模拟输入信号转换成数字输出信号的方法，其中从输入信号得出至少两个信号水平不同的模拟信号成分，且各个信号成分经历模拟-数字转换，该方法的特征在于，数字化信号成分使用可变加权因子加权，且所述加权的信号成分彼此相加。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述加权因子作为所述数字化信号成分中的一个数字化信号成分的水平的函数被变更，其中用于有较高信号水平的所述信号成分的所述加权因子随着信号水平的升高而减小。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述加权因子作为具有较高信号水平的所述信号成分的所述信号水平的函数被变更。

4.根据权利要求2至3中任一项所述的方法，其特征在于，用于具有较高信号水平的所述信号成分的所述加权因子与所述数字化信号成分中的一个数字化信号成分的信号水平的平方相关。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征在于，用于具有较高信号水平的所述信号成分的所述加权因子随着信号水平的降低以时间延迟的方式增大。

6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述加权因子的时间响应对应于一阶低通滤波器的时间响应。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的方法，其特征在于，在进行所述模拟-数字转换之前，所述信号成分在整个频率范围基本上具有相同的相位和恒定的水平比。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的方法，其特征在于，在所述模拟-数字转换和所述数字化信号成分的接合之间插入延时元件，且对作为所述信号成分中的一个信号成分的信号强度的函数的所述加权因子所作的修正以时间延迟的方式发生。

9.根据权利要求1至8中任一项所述的方法，其特征在于，所述信号成分的信号水平的调整发生在所述模拟-数字转换和所述信号成分的加权之间。

10.用于将模拟输入信号转换成数字输出信号的装置，其中模拟输入通道被分成至少两个信号通路(3，3’)，每个信号通路包含模拟-数字转换器(4，4’)，该装置的特征在于，所述两个信号通路(3，3’)被接合到输出通道(y)中，包括加权单元(6)，其在它们被接合之前对所述信号通路(3，3’)施加可变加权因子(1-bf，bf)。

11.根据权利要求10所述的装置，其特征在于，配置有用于确定所述信号通路(3，3’)中的一个信号通路中的信号水平的装置，该装置与所述加权单元(6)相连，以便对作为所述确定出的信号水平的函数的所述加权因子(1-bf，bf)进行修正。

12.麦克风(1)，尤其是无线电麦克风，其特征在于，所述麦克风(1)包含根据权利要求9至11中的一项所述的用于音频信号模拟-数字转换的装置。

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