CN102158187A - 信号处理电路 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种信号处理电路，包括：波形整形部，当输入信号的电平的绝对值落在从第一电平到第二电平的第一输入范围内时，其对输入信号施加第一增益并且产生第一信号；可变增益部，其调整第一信号的幅度并且使第一信号以一增益放大，以产生输出信号；和控制部，当第一信号的幅度落在第二输入范围内时，其减小可变增益部的增益，从而防止输出信号发生削波。第二输入范围包括与第一信号的第一输入范围相对应的、从波形整形部输出的第一信号的电平的范围。

Description

信号处理电路
技术领域
本发明涉及一种信号处理电路，其使输入信号经受信号处理从而产生输出信号，并且更具体地，涉及一种产生输出信号的技术，其实现了在圆润(full-bodied)的声音感受与失真之间的平衡。
背景技术
在现有的放大器中，当检测到输出信号的电平达到电源电压时，使输入信号衰减，从而防止削波的发生，否则，具有过高电平的输入信号将导致削波的发生。由于通过对输出信号的电平进行检测难以对削波是否实际发生做出准确判定，所以专利文献1披露了一种用于无误地检测削波发生并且使输入信号衰减的技术。
专利文献2披露了一种用于通过允许在输出信号中存在一定程度的削波来增强圆润的声音感受的技术。
[专利文献1]JP-A-10-163769
[专利文献2]JP-A-2008-301035
专利文献1中所披露的技术的主要目的是要防止削波发生。为此目的，如果削波发生或者如果存在削波发生的机会，则将立即使输入信号发生衰减。然而，这样的控制需要过快衰减操作的性能，而这又将带来圆润的声音感受不足的问题。
同时，专利文献2中所披露的技术允许一定程度的削波，带来失真增加的问题。
发明内容
本发明已经鉴于这样的情形进行了考虑，并且本发明要解决的问题是通过减小输出信号的失真来增强圆润的声音感受。
为了达到上述目的，根据本发明，提供有一种信号处理电路，包括：
波形整形部，当输入信号的电平的绝对值落在第一输入范围内时，所述波形整形部对所述输入信号施加第一增益并产生第一信号，其中，所述第一输入范围是从第一电平到比所述第一电平高的第二电平的输入范围，所述第一增益比第二增益小，所述第二增益是当所述输入信号的电平的绝对值比所述第一电平小时对所述输入信号施加的增益；
可变增益部，所述可变增益部调整所述第一信号的幅度，并且使所述第一信号以一增益来放大，以产生输出信号；以及
控制部，所述控制部根据来自所述可变增益部的信号而控制所述可变增益部的所述增益，从而防止所述输出信号发生削波，
其中，当所述第一信号的幅度落在第二输入范围内时，所述控制部进行控制，以减小所述可变增益部的所述增益，从而防止所述输出信号发生削波；并且
其中，所述第二输入范围包括对应于所述输入信号的所述第一输入范围的、从所述波形整形部输出的所述第一信号的电平的范围。
优选地，所述第一增益在所述第一输入范围中是单调递减的。
优选地，所述波形整形部具有选择部，所述选择部根据所述输入信号的类型而使所述波形整形部的输入/输出特性在所述第一输入范围中切换。
优选地，所述第一增益由位于所述波形整形部的放大电路的反馈级的多个电阻器和晶体管的组合产生。
优选地，所述波形整形部由放大电路配置而成，所述放大电路使得能够在多个增益之中选择一个增益。
优选地，所述第一增益由位于所述波形整形部的放大电路的反馈级的多个电阻器和二极管的组合产生。
附图说明
通过参照附图对本发明的优选示例性实施例进行的详细描述，本发明的上述目的和优点将变得更加明显，其中：
图1是示出了根据第一实施例的信号处理电路的配置的框图；
图2A和2B是示出了信号处理电路的波形整形部的输入/输出特性的曲线图；
图3是示出了信号处理电路的不削波部的输入/输出特性的曲线图；
图4是示出了信号处理电路的输入/输出特性的曲线图；
图5是示出了波形整形部的工作范围和不削波部的工作范围之间的关系的描述性视图；
图6是示出了波形整形部的另一示例性配置的电路图；
图7是示出了波形整形部的又一示例性配置的电路图；以及
图8是示出了根据第二实施例的信号处理电路的配置的框图。
具体实施方式
<第一实施例>
将参照附图来描述本发明的实施例。图1是示出了根据第一实施例的信号处理电路100的配置的框图。如图所示，信号处理电路100具有波形整形部1A和不削波部2，其中，波形整形部1A根据输入信号Vin的电平对其的信号波形进行整形，以输出第一信号V1，不削波部2将第一信号V1放大，以输出输出信号Vout。通过接收来自未图示出的电源电路的电源电压±Vdd而使不削波部2工作。因此，当输出信号Vout的电平达到了±Vdd时，输出信号的信号波形被削波(clip)。当不削波部2检测到输出信号Vout的削波时，不削波部2工作的增益被减小。
波形整形部1A具有运算放大器OP、输入电阻器R1和反馈电阻器组Rf。波形整形部1A的增益G由G＝-Rf/R1给出。反馈电阻器组Rf包括电阻器R2、R3、R31、R32、R33、R34、R4、R41、R42、R43和R44以及晶体管N31、N32、N41和N42。晶体管N31和N32在第一信号V1的电平超过例如1.2V时被激活。晶体管N41和N42在第一信号V1超过例如0.9V时被激活。
可以通过适当地设置电阻器的电阻值而使增益G具有折线特性。可采用下列设置：例如，R1＝10kΩ，R2＝13kΩ，R3＝1.2kΩ，R31＝R32＝R33＝R34＝100kΩ，R4＝10kΩ，R41＝R44＝50kΩ且R42＝R43＝100kΩ。
图2A示出了波形整形部1A的输入/输出特性(折线特性)。当第一信号V1的电平的绝对值小于0.9V时，反馈电阻器组Rf的合成电阻值达到10kΩ。此外，当第一信号V1的电平的绝对值大于等于0.9V且小于1.2V时，反馈电阻器组Rf的合成电阻值达到5kΩ。而且，当第一信号V1的电平的绝对值大于等于1.2V时，反馈电阻器组Rf的合成电阻值达到1kΩ。因此，当第一信号V1的电平的绝对值小于0.9V时，则增益G达到0dB(第二增益)。当第一信号V1的电平的绝对值大于等于0.9V且小于1.2V时，增益G达到-6dB。当第一信号V1的电平的绝对值大于等于1.2V时，增益G达到-20dB。
通过使晶体管N31、N32、N41和N42激活或禁用来控制波形整形部1A的增益的切换。图2A中所示的波形[1]和波形[2]没有失真。同时，当第一信号V1的电平的绝对值大于等于0.9V时，波形整形部1A的增益从0dB变为-6dB，使得波形[3]被整形成其顶部被变平的波形。此外，与波形[4]相关的，当第一信号V1的电平的绝对值大于等于1.2V时，增益从-6dB变为-20dB，使得顶部被变平得更多。当输入信号Vin的电平的绝对值变得更大(超过0.9V)时，这样产生的第一信号V1的波形的顶部变平。然而，与被切削的波形(sliced waveform)不同，在波形的顶部前后之间存在连续性；因而，并未高度失真。
如以上提及的，当第一信号V1的电平的绝对值超过1.2V时，波形整形部1A的增益达到-20dB。波形整形部1A的增益达到-20dB处的上限具有最高限度。在本实施例中，波形整形部1A通常在第一信号V1的电平的绝对值小于等于1.5V的范围内工作。与第一信号V1呈现为1.5V处的电平相对应的输入信号Vin的电平为0.9+(1.2-0.9)*2+(1.5-1.2)*10＝4.5V。
因此，当与输入信号Vin的电平的绝对值小于0.9V(第一电平)的情况相比时，在其中输入信号Vin的电平的绝对值大于等于0.9V(第一电平)且至多为4.5V(第二电平)的输入范围(第一输入范围)内，波形整形部1A对输入信号Vin施加小增益(第一增益)，从而产生波形整形的第一信号V1。
当晶体管N31、N32、N41和N42作为理想开关工作时，如图2A所示的折线表示的，出现阶梯式变化。这是其中漏极电流Ids随栅-源电压Vgs增加而阶梯式增加的情况，与晶体管的漏极电流Ids与栅-源电压Vgs之间的关系有关。然而，实际的晶体管具有方波特性(squarecharacteristic)且并非阶梯式变化。利用该特性使得能够以如图2B中所示的柔和曲线形式来改变波形整形部1A的输入/输出特性。因此，增益变化也柔和地连续，因而可以使失真的发生减少。
波形整形部1A的输入/输出特性的最低要求是要表现为单调递减，并且可呈现为以如图2A中所示的折线形式的阶梯式变化或者如图2B中所示的曲线形式的柔和变化。
现在，描述不削波部2。如图1所示，不削波部2包括可变增益部20和控制电路23。可变增益部20调整第一信号V1的幅度，且同时放大第一信号V1，从而产生输出信号Vout。控制电路23控制可变增益部20的增益。如图所示，可变增益部20具有幅度调整电路21和放大电路22。幅度调整电路21根据控制信号CTL来调整第一信号V1的幅度，并且将第一信号V1输出到放大电路22。放大电路22由例如使用运算放大器的反馈放大器配置而成。控制电路23根据输出信号Vout或者源自于放大电路22的预定点的信号来检测输出信号Vout的波形的削波，并且产生控制信号CTL使得输出信号Vout不被削波。由此，对通过可变增益部20提供给第一信号V1的增益进行调整，从而使输出信号Vout不被削波。
在通过使用运算放大器来配置放大电路22的情况中，如果输出信号Vout在电源电压±Vdd处被削波，则在运算放大器的正输入端与负输入端之间将会发生虚短路。因此，控制电路23可以通过监视运算放大器的负输入端的电压来检测输出信号Vout的削波的发生。
详细地，可以通过监视运算放大器的正输入端与负输入端之间的电位差来检测削波。可以检测出运算放大器的正输入端与负输入端之间的电位差，并且可以通过比较器将所检测出的电位差与基准电位Vref进行比较。在基准电位Vref被设置为0V的情况中，比较器的一个输入端被连接到运算放大器的正输入端，并且比较器的另一个输入端被连接到运算放大器的负输入端。
图3示出了不削波部2的输入/输出特性。如图所示，在其中第一信号V1的电平的绝对值小于0.8V的范围内，不削波部2的增益为四倍。在本实施例中，电源电压±Vdd为±3.2V。当输出信号Vout的电平达到±3.2V时，发生削波。
在其中第一信号V1的电平的绝对值大于等于0.8V且至多为1.6V的范围(预定范围；第二输入范围)中，幅度调整电路21调整第一信号V1的幅度，使得在输出信号Vout中没有发生削波。因此，如从图3所示的信号波形[2]至[4]可见，即使在第一信号V1的电平中发生变化时，输出信号Vout的信号波形在从0.8V到1.6V的范围中也不会改变。
现在，图4示出了信号处理电路100的整体输入/输出特性。如图4所示，在信号波形[3]和[4]中描绘了本实施例的特性。具体而言，在从波形整形部1A输出的第一信号V1中，信号波形[3]和[4]的顶峰变平了。然而，变平的顶峰并未被削波，并且在波形中示出了柔和的变化。这样，当第一信号V1被馈送至不削波部2时，在峰值之间发生匹配，同时，可以得到其半频带宽度在信号波形[2]、[3]和[4]中依次增加的输出信号Vout。
图4中的比较示例1示出了普通放大器的输出信号。当输入信号的电平增加时，输出信号在电源电压处被削波。由于在此情形下输出信号在电源电压处被切削，所以输出信号包括高次失真。同时，图4中的比较示例2示出了当输入信号Vin在不使用波形整形部1A的情况下被直接馈送至不削波部2时所获得的输出信号。在此情况中，输出信号被削波且因而不会包括任何失真。然而，输出信号在圆润的声音感受方面存在不足。
相反，当输入信号Vin的幅度变得更大时，信号处理电路100的输出信号Vout在波形整形部1A中经受波形整形，以便压缩在具有预定电平以上的区域中的波形。经过这样的波形整形的第一信号V1被放大，从而使输出信号Vout在电源电压处不被削波。因此，由于输出信号Vout的信号波形在电压电源处不被切削，所以可以抑制高度失真。与此同时，当输入信号Vin达到预定电平或以上时，在通过使半频带带宽逐渐变大的方式来避免削波的发生的同时，输出信号Vout的信号波形发生改变。因此，当输入信号Vin过大时，在使输出信号Vout与可以避免削波发生的最大值匹配的同时，根据输入信号Vin超过的程度来使输出信号Vout的波形变形。因此，可以在抑制失真的同时增强圆润的声音感受。
如以上所提及的，可以在抑制失真的同时增强圆润的声音感受原因在于，以如下的方式来进行设置，即，使其中波形整形部1A进行波形整形的范围与其中不削波部2调整其增益的范围之间存在交叠。图5示出了波形整形部1A的工作范围与不削波部2的工作范围之间的关系。
如图5所示，波形整形部1A执行波形整形，用于在如下的输入范围内压缩第一信号V1的信号波形的顶峰，其中，在所述输入范围中，输入信号Vin的电平的绝对值大于等于0.9V(第一电平)且至多为4.5V(第二电平)。与输入信号Vin的电平(0.9V)相对应的第一信号V1的电平为0.9V。与输入信号Vin的电平(4.5V)相对应的第一信号V1的电平为1.5V。
同时，不削波部2调整第一信号V1的幅度，使得在其中第一信号V1的电平的绝对值大于等于0.8V且至多为1.6V的预定范围内不发生输出信号Vout中的削波。
具体而言，不削波部2工作的预定范围比与波形整形部1A的输入范围相对应的第一信号V1的电平的范围(0.9V至1.5V)宽。由此，可以在抑制失真的同时增强圆润的声音感受。虽然在本实施例中，不削波部2工作的预定范围比第一信号V1的电平的范围(0.9V至1.5V)宽，但不削波部2的预定范围和第一信号V1的电平的范围可彼此一致。可选地，不削波部2开始工作处的第一信号V1的电平可与波形整形部1A开始波形整形处的第一信号V1的电平匹配。例如，当与输入范围相对应的第一信号V1的电平的范围在大于等于0.9V且至多为1.5V时，预定范围可以是从0.9V到1.6V的范围。
虽然在第一实施例中，波形整形部1A是由电阻器和晶体管配置而成，但是也可以采用如图6中所示的由二极管和电阻器配置而成的波形整形部1B。在此情况中，通过利用二极管的正向电压而可以获得示出为单调递减的输入/输出特性。
同样，也可以采用如图7中所示的由FET和电阻器配置而成的波形整形部1C。在此情况中，通过利用由场效应晶体管组成的恒压电路而可以得到呈现出单调递减的输入/输出特性。
<第二实施例>
在第一实施例中，波形整形部1A的输入/输出特性是以固定折线的形式绘出的。与此不同，在第二实施例中，波形整形部的波形整形特性是可以切换的。
图8示出了根据第二实施例的信号处理电路200的框图。除了替代波形整形部1A而使用波形整形部1D之外，信号处理电路200的配置方式与图1所示的第一实施例的信号处理电路100的配置方式相同。
在波形整形部1D中，开关SW选择第一电阻器组11和第二电阻器组12中的一个，并且将这样选定的电阻器组连接到运算放大器OP的输出端。当第一电阻器组11被选定时，表现出与结合第一实施例描述的输入/输出特性相似的输入/输出特性，从而在第一信号V1的信号电平从0.9V到1.2V变化的范围内，增益达到-6dB。相反，在第二电阻器组12中，替代具有15kΩ的电阻器，使用具有18kΩ的电阻器。因此，在第一信号V1的信号电平从0.9V到1.2V变化的范围内，增益达到-3dB。
具体而言，当第二电阻器组12被选定时，与其中第一电阻器组11被选定的情况相比，第二阶段出现的折线的增益差可以受到抑制。因此，可以减轻失真。即使在本实施例中，波形整形部1D的输入/输出特性的必要要求与在第一实施例的情况中一样也是要表现出单调递减。可以采用与阶梯式变化有关的折线或者与柔和的变化相关的曲线。
在本实施例中，通过从外部馈送的设置信号S来控制开关SW。例如，当将信号处理电路200用于具有电话呼叫功能和音乐再现功能的移动电话中时，可以将用于指定电话呼叫状态或音乐再现状态的信号作为设置信号S而馈送至开关SW。当再现音乐时，更期望较小的失真。因此，选择第二电阻器组12。同时，在电话呼叫的情况中，选择第一电阻器组11而放弃对圆润声音感受的偏好。可选地，可对输入信号Vin进行频率分析，由此来确定是选择了电话呼叫还是声音再现，并且也可以根据确定结果来产生设置信号S。
如以上所提及的，在第二实施例中，根据输入信号Vin的类型来切换波形整形部1D的输入/输出特性。因而，可以提高失真与圆润的声音感受之间的平衡。
这里，以上实施例的细节概括如下。
本发明的信号处理电路包括：
波形整形部，当输入信号的电平的绝对值落在第一输入范围内时，所述波形整形部对所述输入信号施加第一增益并产生第一信号，其中，所述第一输入范围是从第一电平到比所述第一电平高的第二电平的输入范围，所述第一增益比第二增益小，所述第二增益是当所述输入信号的电平的绝对值比所述第一电平小时对所述输入信号施加的增益；
可变增益部，所述可变增益部调整所述第一信号的幅度，并且使所述第一信号以一增益来放大，以产生输出信号；以及
控制部，所述控制部根据来自所述可变增益部的信号而控制所述可变增益部的所述增益，从而使所述输出信号不被削波，
其中，当所述第一信号的幅度落在第二输入范围内时，所述控制部进行控制，以减小所述可变增益部的所述增益，从而使所述输出信号不被削波；并且
其中，经受所述可变增益部的增益过程的所述第二输入范围包括对应于所述输入信号的所述第一输入范围的、从所述波形整形部输出的所述第一信号的电平的范围。
根据本发明，当输入信号的电平的绝对值落在第一输入范围内时，波形整形部执行处理，用于使其增益减小。当输入信号的一个期间的信号波形的峰值落在第一输入范围内时，信号波形的峰值被压缩且变平。而且，控制部控制可变增益部的增益，使得输出信号不被削波。控制部进行控制，以便在第一信号的幅度变为过大输入时的第二范围内，使可变增益部的增益减小。第二输入范围包括与第一输入范围中的输入信号的电平相对应的第一信号的电平的范围。因此，当波形整形部执行波形整形操作时，可变增益部执行不削波处理，用于使可变增益部的增益减小。因此，以重叠的形式执行波形整形和不削波处理。当同时执行波形整形和不削波处理时，限制输出信号的幅度，以便不会在输入信号的幅度变大时导致削波，但输出信号的半频带带宽变大。因此，在抑制输出信号的失真的同时，可以增强圆润的声音感受。
在本发明中，“第二输入范围包括与第一输入范围相对应的、从波形整形部输出的第一信号的电平的范围”意指“第二输入范围等于或宽于与第一输入范围相对应的、从波形整形部输出的第一信号的电平的范围”。
在信号处理电路中，第一增益在第一输入范围中可以是单调递减的。根据本发明，当输入信号落在第一输入范围内时，使增益单调减小。单调递减包括其中通过阶梯式减小增益而使波形整形部的输入/输出特性具有折线特性的情况，以及其中通过柔和地减小增益而使波形整形部的输入/输出特性具有曲线特性的情况。在任何情况下，当输入信号变大时，增益减小，从而可以减轻第一信号的失真。第二增益可以假设为值“1”。
在信号处理电路中，波形整形部可以具有选择部，所述选择部根据输入信号的类型在第一输入范围中切换波形整形部的输入/输出特性。根据输入信号的类型，存在其中优选的是与圆润的声音感受相比更侧重于低失真的处理的情况。相反，也存在其中优选的是以一定量的失真作为代价而侧重于圆润的声音感受的处理的情况。根据本发明，波形整形部根据输入信号的类型而在第一输入范围中切换输入/输出特性；因而，可以实现失真与圆润的声音感受之间的平衡。
虽然针对具体特定的优选实施例图示并描述了本发明，但对于本领域技术人员而言显而易见的是，在本发明的教导的基础上可以做出各种改变和修改。显然，这样的改变和修改落在由随附的权利要求书所限定的本发明的精神、范围和意图内。
本申请基于2010年1月26日提交的第2010-013872号日本专利申请，其内容通过引用并入本申请中。

Claims (6)

1.一种信号处理电路，包括：
波形整形部，当输入信号的电平的绝对值落在第一输入范围内时，所述波形整形部对所述输入信号施加第一增益并产生第一信号，其中，所述第一输入范围是从第一电平到比所述第一电平高的第二电平的输入范围，所述第一增益比第二增益小，所述第二增益是当所述输入信号的电平的绝对值比所述第一电平小时对所述输入信号施加的增益；
可变增益部，所述可变增益部调整所述第一信号的幅度，并且使所述第一信号以一增益来放大，以产生输出信号；以及
控制部，所述控制部根据来自所述可变增益部的信号而控制所述可变增益部的所述增益，从而防止所述输出信号发生削波，
其中，当所述第一信号的幅度落在第二输入范围内时，所述控制部进行控制，以减小所述可变增益部的所述增益，从而防止所述输出信号发生削波；并且
其中，所述第二输入范围包括对应于所述输入信号的所述第一输入范围的、从所述波形整形部输出的所述第一信号的电平的范围。
2.根据权利要求1所述的信号处理电路，其中，所述第一增益在所述第一输入范围中是单调递减的。
3.根据权利要求1所述的信号处理电路，其中，所述波形整形部具有选择部，所述选择部根据所述输入信号的类型而使所述波形整形部的输入/输出特性在所述第一输入范围中切换。
4.根据权利要求1所述的信号处理电路，其中，所述第一增益由位于所述波形整形部的放大电路的反馈级的多个电阻器和晶体管的组合产生。
5.根据权利要求1所述的信号处理电路，其中，所述波形整形部由放大电路配置而成，所述放大电路使得能够在多个增益之中选择一个增益。
6.根据权利要求1所述的信号处理电路，其中，所述第一增益由位于所述波形整形部的放大电路的反馈级的多个电阻器和二极管的组合产生。
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