CN102340718A - 具有三角积分调变架构的音讯产生装置及其方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有三角积分调变架构的音讯产生装置及其方法，该方法包括包含接收一原始数字音频信号；对原始数字音频信号加入一直流值以产生一变动的数字音频信号；将该变动数字音频信号进行一三角积分(sigma-delta)调变以产生一位串流的数字音频信号；将该位串流数字音频信号滤波以产生一模拟音频电流信号；及将该模拟音频电流转换为一模拟音频电压信号。
Description
技术领域
本发明是有关于一种具有三角积分调变架构的音讯产生装置及其方法，尤指一种可改善模式相依误差的音讯产生装置及其方法。
背景技术
今日消费者对于一些消费性产品(像是电视机上盒、MP3播放器、多媒体播放器)的品质要求越来越高。消费者希望这些消费性产品在输出音效时，能聆听到不失真且媲美传统模拟装置输出的音效。因此在上述趋势下，消费性产品面临电能消耗，线性度以及噪声的严格要求。
请参照图1，图1系说明应用在收发器上的音讯产生装置100的示意图。传统音讯产生装置100包含一数字信号处理器(digital signal processor，DSP)102、一暂存器104、一内差电路(interpolator)106、一三角积分调变器(sigma-delta modulator，SDM)108、一半数字重建滤波器(semi-digitalreconstruction filter)110及一低通滤波器112。数字信号处理器102系用以对一输入原始数字音频信号进行数字信号处理；暂存器104耦接于数字信号处理器102，系用以暂存经数字信号处理器102处理过的数字音频信号；内差电路106耦接于暂存器104，系用以将数字信号处理器102处理过的数字音频信号的取样频率升频，达到超取样(oversampling)的目的；三角积分调变器108耦接于内差电路106，由微分器、积分器构成的三角积分调变器108基于线性度的考量，用以将该高采样频率的数字音频信号进行三角积分调变以产生一位串流(bit stream)的数字音频信号，而该位串流的数字音频信号和原始数字音频信号在低频部份(20KHz以下)一模一样。另外，三角积分调变器108的微分特性会对量化噪声(Quantization noise)产生一种高通滤波的效果。一般线性高音质数字音效中产生的量化噪声会平均分布在各频率上，透过超取样的方法和三角积分调变器可以将量化噪声推往高频远离20KHz，而产生噪声塑形(noiseshaping)功效。另外，三角积分调变器108的阶数越高时，噪声塑形效果越好，但相对付出代价是稳定度必须妥善考量；半数字重建滤波器110耦接于三角积分调变器108，系用以将三角积分调变器108的该串一位的数字音频信号转换成模拟音频电流信号；低通滤波器112耦接于半数字重建滤波器110，用以抑制被三角积分调变器108推往高频的量化噪声，并将模拟音频电流信号转换为模拟音频电压信号输出。
但是图1的音讯产生装置100会有模式相依误差(pattern dependant error)的问题。请参照图2、图3、图4A和图4B，图2系说明当输入动态范围负六十分贝(dynamic range-60dB，20Hz-20KHz)的原始数字音频信号至音讯产生装置100时，在频谱图上除了原始数字音频信号外，还有一些模式相依误差的噪声音频，图3系说明半数字重建滤波器110的示意图，图4A系说明使用在半数字重建滤波器110的电流源的示意图，图4B系说明其寄生电容Cp将在
的模式相依误差的噪声调变的示意图。如图3所示，经由D型正反器(D1-DN)组成的移位暂存器、电流源(a1-aN)以及加法器1102可将由三角积分调变器108输入的一串一位的数字音频信号转换成模拟音频电流信号，其中N为奇数，且电流源(a1-aN)的电流大小的关系为电流源a1和电流源aN最小，依次往中间越来越大，正中间的电流源的电流最大。如图4B所示，电流源(a1-aN)上的电容寄生效应会将出现在
中心附近(fs系为输入的原始数字音频信号的频率乘上超采样比率后的值)模式相依误差的噪声载入至使用者想要的频带上，造成最后输出的模拟音频电压信号失真。
在音讯产生装置100中可利用更高阶的三角积分调变器108以抑制上述寄生电容Cp将
的噪声调变问题，但是会面临成本和耗能上升的问题。另外，其他可实现音讯产生装置100的架构，像是交换电容式数字模拟转换器(switched-capacitor DAC)和多位数字模拟转换器(multi-bit DAC)。其中交换电容式数字模拟转换器具有较差的抖动容许(worst jitter tolerance)特性，而多位数字模拟转换器则会面临元件不匹配的问题。
发明内容
本发明的一实施例揭露一种具有三角积分调变架构产生音讯的方法，包含接收一原始数字音频信号；对该原始数字音频信号加入一直流值(DC offset)以产生一变动的数字音频信号；将该变动数字音频信号进行一三角积分(sigma-delta)调变以产生一位串流的数字音频信号；将该位串流数字音频信号滤波以产生一模拟音频电流信号；及将该模拟音频电流转换为一模拟音频电压信号。
本发明的另一实施例揭露一种具有三角积分调变架构产生音讯的方法，包含对一原始数字音频信号进行数字信号处理以产生一已处理数字音频信号；对该已处理数字音频信号加入一直流值以产生一变动数字音频信号；对该已补偿数字音频信号进行内插以产生一高采样频率数字音频信号；将该高采样频率数字音频信号进行一三角积分调变以产生一位串流的数字音频信号；将该位串流的数字音频信号滤波以产生一模拟音频电流信号；及将该模拟音频电流转换为一模拟音频电压信号。
本发明的另一实施例揭露一种具有三角积分调变架构的音讯产生装置，包含一加法器、一调变器及一半数字滤波器。该加法器用以将一直流值加入一原始数字音频信号以产生一变动数字音频信号。该调变器耦接于该加法器，用以将该已变动数字音频信号进行一三角积分调变以产生一位串流的数字音频信号。该半数字滤波器包含一半数字重建滤波器及一低通滤波器，其中该半数字重建滤波器耦接于该调变器，用以将该位串流的数字音频信号滤波以产生一模拟音频电流信号；该低通滤波器耦接于该半数字重建滤波器，用以将该模拟音频电流信号转换为一模拟音频电压信号。
附图说明
图1为说明使用在收发器上的音讯产生装置的示意图。
图2为说明当输入动态范围负六十分贝的原始数字音频信号时，在频谱图上除了原始数字音频信号外，还有一些噪声音频的示意图。
图3为说明半数字重建滤波器的示意图。
图4A为说明使用在半数字重建滤波器的电流源的示意图。
图4B为说明使用在半数字重建滤波器的电流源的寄生电容将模式相依误差的噪声混波的示意图。
图5为本发明的一实施例揭露一种音讯产生装置的示意图。
图6A为说明未加入直流值时，模式相依的噪声音频会被电流源上的寄生电容载入至使用者想要的频带上的示意图。
图6B为说明加入直流值后，模式相依的噪声音频不会被寄生电容载入至使用者想要的频带上的示意图。
图7为说明因为加入直流值，使得低通滤波器最后输出的模拟音频电压信号的直流电压值上升的示意图。
图8为说明在半数字重建滤波器中的每个电流源中加入直流补偿电路的示意图。
图9为本发明的另一实施例揭露一种音讯产生装置的示意图。
图10为本发明的另一实施例中所揭露一种产生音讯的方法的流程图。
图11为本发明的另一实施例中所揭露一种产生音讯的方法的流程图。
主要元件符号说明：
100、500、900 音讯产生装置
102、502 数字信号处理器
104、504 暂存器
106、508、908 内差电路
108、510、910 三角积分调变器
110、512 半数字重建滤波器
112、514 低通滤波器
1102、506、906 加法器
5122 直流补偿电路
Cp 寄生电容
D1-DN D型正反器
a1-aN 电流源
1000-1014、1100-1114 步骤
具体实施方式
请参照图5，图5为本发明的一实施例揭露一种音讯产生装置500的示意图。音讯产生装置500包含一数字信号处理器502、一暂存器504、一加法器506、一内差电路508、一三角积分调变器510、一半数字重建滤波器512及一低通滤波器514。
数字信号处理器502系用以对一原始数字音频信号进行数字信号处理以产生一已处理数字音频信号；暂存器504耦接于数字信号处理器502，用以暂存已处理数字音频信号；加法器506耦接于暂存器504，用以对已处理数字音频信号加入一直流值以产生一已变动数字音频信号；内差电路508耦接于加法器506，用以对已变动数字音频信号进行内插以产生一高采样频率数字音频信号；三角积分调变器510耦接于内插电路508，用以将高采样频率数字音频信号进行三角积分调变以产生一位串流的数字音频信号；半数字重建滤波器512耦接于三角积分调变器510，用以将三角积分调变器510输出的一位串流的数字音频信号滤波以产生模拟音频电流信号；低通滤波器514，耦接于半数字重建滤波器512，用以抑制被三角积分调变器510推往高频的量化噪声，并将模拟音频电流信号转换为模拟音频电压信号。
其中图5的数字信号处理器502、暂存器504、内差电路508、三角积分调变器510、半数字重建滤波器512及低通滤波器514的功能和图1的数字信号处理器102、暂存器104、内差电路106、三角积分调变器108、半数字重建滤波器110及低通滤波器112的功能相同，因此不再赘述。另外，半数字重建滤波器512包含一直流补偿电路5122，直流补偿电路5122为用以对一串一位的数字音频信号加入一直流补偿值。
请参照图2、图4B、图5、图6A图6A和图6B。如图2所示，在先前技术中，当输入原始数字音频信号(dynamic range-60dB，20Hz-20KHz)至音讯产生装置100时，可以从频谱分析看见除了原始数字音频信号外，还有一些模式相依的噪声音频。由于三角积分调变器108的调变特性，在某些模式下会有噪声音频会落在
中心附近，其中fs系为输入的原始数字音频信号的频率(48KHz)乘上超采样比率(128)后的值，但本发明的超采样比率并不受限于128。如图4B所示，因电流源(a1-aN)上的寄生电容Cp，导致出现在
附近的噪声会调变至使用者想要的频带上，造成最后输出的模拟音频电压信号失真。
如图5所示，音讯产生装置500经由加法器506对已透过数字信号处理器502处理过的数字音频信号加入一直流值(DC value)(10mV-15mV)抑制这些模式相依的噪声音频。如第6A图所示，未加入直流值时，出现在
中心附近的模式相依的噪声音频会因电流源(a1-aN)上的寄生电容Cp，调变载入至使用者想要的频带上；如第6B图所示，加入直流值时，出现在
中心附近的模式相依的噪声音频会远离
因此模式相依的噪声音频就不会被调变至使用者想要的频带上，其中直流值越大，模式相依的噪声音频会更远离
所以，透过加入直流值的方式即可解决起因于模式相依误差所产生的噪声音频的问题，但本发明并不受限于只解决动态范围负六十分贝的数字音频信号因模式相依误差所产生的噪声音频的问题，其余动态范围的数字音频信号皆可透过加入直流值的方式以解决上述问题；又本实施例乃是采用直流值10mV至15mV此一范围，但并不受限于此范围再其它实施例中会因应不同的参数以调整所馈入的直流值以解决上述问题。
请参照图7和图8，如图7所示，虽然加入直流值可解决模式相依误差所产生的噪声音频，但是却会使得低通滤波器514最后输出的模拟音频电压信号的直流电压值(VCM)上升，造成在做模拟调音时，会有爆音的现象。因此，如图8所示，可在半数字重建滤波器512的电流源中加入一直流补偿电路5122，用以提供直流补偿值(DC offset cancellation)以校正因为加入直流值而偏移的直流电压值。
上述提及用以加入直流值的加法器也可置于内差电路和三角积分调变器之间。请参照图9，图9为本发明的另一实施例揭露一种音讯产生装置900的示意图。音讯产生装置900和音讯产生装置500的差别仅在于加法器置放的位置，因此，不再赘述音讯产生装置900的运作方式。如图5所示，音讯产生装置500的加法器506是置于暂存器504和内差电路508之间；而如图9所示，音讯产生装置900的加法器906则是置于内差电路908和三角积分调变器910之间。但不论是音讯产生装置500或是音讯产生装置900都可克服因模式相依误差所产生的噪声音频的问题。
另外，上述实施例提及的音讯产生装置900和音讯产生装置500是经由模拟电路调音，所以必须要加入直流补偿值以校正因为加入直流值而偏移的直流电压值。但本发明所揭露的音讯产生装置900和音讯产生装置500并不受限于经由模拟电路调音。音讯产生装置900和音讯产生装置500也可经由数字电路调音。此时，音讯产生装置900和音讯产生装置500则只需要加入直流值，而不用加入直流补偿值。因数字调音在最终低通滤波器514输出的模拟音频电压信号的直流电压值(VCM)并不会有上升的情形发生，故不会有爆音的现象；因此，不需提供直流补偿值。
图10为本发明的另一实施例中所揭露一种产生音讯的方法的流程图。图10的方法系藉由图5所示的音讯产生装置500说明，其步骤系详述如下：
步骤1000：开始；
步骤1002：数字信号处理器502对原始数字音频信号进行数字信号处理以产生已处理数字音频信号；
步骤1004：加法器506对已处理数字音频信号加入直流值以产生一变动数字音频信号；
步骤1006：内差电路508对变动数字音频信号进行内插以产生一高采样频率数字音频信号；
步骤1008：三角积分调变器510将高采样频率数字音频信号进行三角积分调变以产生一位串流的数字音频信号；
步骤1010：半数字重建滤波器512将一位串流的数字音频信号滤波及加入一直流补偿值以产生一模拟音频电流信号；
步骤1012：低通滤波器514将模拟音频电流信号转换为一模拟音频电压信号；
步骤1014：结束。
图11为本发明的另一实施例中所揭露一种产生音讯的方法的流程图。图11的方法系藉由图5所示的音讯产生装置500说明，其步骤系详述如下：
步骤1100：开始；
步骤1102：数字信号处理器502对原始数字音频信号进行数字信号处理以产生已处理数字音频信号；
步骤1104：内差电路508对已处理数字音频信号进行内插以产生高采样频率数字音频信号；
步骤1106：加法器506接收高采样频率数字音频信号，并对高采样频率数字音频信号加入直流值以产生一变动数字音频信号；
步骤1108：三角积分调变器510将变动数字音频信号进行三角积分调变以产生一位串流的数字音频信号；
步骤1110：半数字重建滤波器512将一位串流的数字音频信号滤波及加入一直流补偿值以产生一模拟音频电流信号；
步骤1112：低通滤波器514将模拟音频电流信号转换为一模拟音频电压信号；
步骤1114：结束。
图10和图11的产生音讯的方法差别仅在于加入直流值的先后顺序，因此两者都可克服因模式相依误差所产生的噪声音频的问题。而图10和图11的产生音讯的方法都是经由模拟电路调音，所以必须要加入直流补偿值以校正因为加入直流值而偏移的直流电压值。但本发明所揭露的产生音讯的方法并不受限于经由模拟电路调音，图10和图11的产生音讯的方法也可经由数字电路调音。此时，图10和图11的产生音讯的方法则只需要加入直流值，而不用加入直流补偿值。另外，图10和图11的实施例并不受限于只解决动态范围负六十分贝的数字音频信号因模式相依误差所产生的噪声音频的问题，其余动态范围的数字音频信号皆可透过图10和图11的实施例以加入直流值的方式解决上述问题。
综合以上所述，先前技术采用半数字架构来实现数字模拟转换器，则输入动态范围负六十分贝的原始数字音频信号的品质会受到制程偏移及寄生电容不一致的影响，产生交互调变(inter-modulation)的现象，造成多次谐波失真。而本发明所揭露的音讯产生装置及产生音讯的方法则是透过加入直流值的方式，解决交互调变的问题。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明权利要求范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。
Claims (10)
1.一种具有三角积分调变架构的音讯产生方法，应用在具有三角积分调变架构的一音讯产生装置中，其特征在于，所述的方法包含：
接收一原始数字音频信号；
对所述的原始数字音频信号进行数字信号处理以产生一已处理数字音频信号；
对所述的已处理数字音频信号加入一直流值以产生一变动的数字音频信号；
将所述的变动数字音频信号进行一三角积分调变以产生一位串流数字音频信号；
将所述的位串流数字音频信号滤波以产生一模拟音频电流信号；及
将所述的模拟音频电流信号转换为一模拟音频电压信号。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述的原始数字音频信号进行数字信号处理以产生所述的已处理数字音频信号步骤之后，更包含对所述的已处理数字音频信号进行内插以产生所述的高采样频率数字音频信号，再对所述的高采样频率数字音频信号加入所述的直流值以产生所述的变动的数字音频信号。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述的已处理数字音频信号加入所述的直流值以产生所述的变动的数字音频信号步骤之后，更包含对所述的变动的数字音频信号进行内插以产生一高采样频率数字音频信号。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，其中将所述的位串流的数字音频信号滤波以产生所述的模拟音频电流信号包含对所述的位串流的数字音频信号加入一直流补偿值。
5.一种具有三角积分调变架构的音讯产生装置，其特征在于，所述的装置包含：
一数字音频信号处理器，用以对一原始数字音频信号进行数字信号处理以产生一已处理数字音频信号；
一内插电路，耦接于所述的数字音频信号处理器，用以对所述的已处理数字音频信号进行内插以产生一高采样频率数字音频信号；
一加法器，耦接于所述的内插电路，用以将一直流值加入所述的高采样频率数字音频信号以产生一变动数字音频信号；
一调变器，耦接于所述的加法器，用以将所述的变动数字音频信号进行一三角积分调变以产生一位串流的数字音频信号；及
一半数字滤波器，包含：
一半数字重建滤波器，耦接于所述的调变器，用以将所述的位串流数字音频信号滤波以产生一模拟音频电流信号；及
一低通滤波器，耦接于所述的半数字重建滤波器，用以将所述的模拟音频电流信号转换为一模拟音频电压信号。
6.如权利要求5所述的音讯产生装置，其特征在于，所述的装置另包含一暂存器，耦接于所述的数字信号处理器，用以暂存所述的已处理数字音频信号。
7.如权利要求5所述的音讯产生装置，其特征在于，所述的半数字重建滤波器包含一直流补偿电路，用以对所述的位串流的数字音频信号加入一直流补偿值。
8.一种具有三角积分调变架构的音讯产生装置，其特征在于，所述的装置包含：
一数字信号处理器，用以对一原始数字音频信号进行数字信号处理以产生一已处理数字音频信号；
一加法器，耦接于所述的数字信号处理器，用以对所述的已处理数字音频信号加入一直流值以产生一变动数字音频信号；
一内插电路，耦接于所述的加法器，用以对所述的变动数字音频信号进行内插以产生一高采样频率数字音频信号；
一调变器，耦接于所述的内插电路，用以将所述的高采样频率数字音频信号进行一三角积分调变以产生一串一位的数字音频信号；及
一半数字滤波器，包含：
一半数字重建滤波器，耦接于所述的调变器，用以将所述的串一位的数字音频信号滤波以产生一模拟音频电流信号；
一低通滤波器，耦接于所述的滤波器，用以将所述的模拟音频电流信号转换为一模拟音频电压信号。
9.如权利要求8所述的音讯产生装置，其特征在于，所述的装置另包含一暂存器，耦接于所述的数字信号处理器，用以暂存所述的已处理数字音频信号。
10.如权利要求8所述的音讯产生装置，其特征在于，所述的半数字重建滤波器包含一直流补偿电路，用以对所述的位串流的数字音频信号加入一直流补偿值。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20120201 |