CN1028826C - 处理模拟信号的方法和设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用来处理幅值变化很大的模拟输入信号(S)的设备和方法。该设备包括用来将输入信号(S)转换成为一系列整数(N₁，N₂，N₃…)的模一数转换器(2)。系列中的数以成比例的方式表示被基准电压(R)所除的输入信号(S)的瞬时值。本发明还涉及处理已压缩幅值变化的信号，例如可以是由上述的方法和设备产生的信号的设备和方法，以便产生恢复到正常值的幅值变化的信号，此正常值是已压缩值的平方。

Description

本发明的第一个方面涉及用来处理幅值变化很大，例如语音，并且具有最大与最小幅值变化的第一比值的模拟输入信号的设备，该设备包括将所说第一比值减少成为第一比值的平方根的第二比值以及输出具有第二比值的模拟输出信号的装置。

本发明的第一个方面还涉及用来处理幅值变化很大，例如语音，并且具有最大与最小幅值变化的第一比值的模拟输入信号的方法，该方法包括将所说第一比值减少成为第一比值的平方根的第二比值以及输出具有第二比值的模拟输出信号的步骤。

特别是，所说处理的目的在于在处理的输出端将最大与最小幅值变化的比值减少成为在处理之前存在的比值的平方根，以便在存在叠加噪声的情况下更好地将所说信号通过动态范围受限的信道进行传输。

本发明的第二个方面涉及用来处理幅值已压缩的输入信号以便产生幅值为已压缩幅值的平方的输出信号的设备和方法。特别是，所说输入信号可以是根据第一个方面而产生的输出信号。

在存在传输噪声的通信网络中，例如无线电传输线路的话音传输的质量可以用信噪比（SNR）来描述和度量。因为真实的话音信号不具有恒定的幅值，而是或多或少地在大的动态范围内随机地变化，所以它不是用来进行SNR度量的方便的测试信号。为此目的，通常使用音频范围内各种频率的恒定电平音调，所获得的度量被称作TTNR（测试音调与噪声之比）。

但是，语音的主观感觉质量最好用峰值语音响度与寂静期间的噪声之比来描述，不是用TTNR来描述的度量。主观质量的较好度量是接通测试音调电平与断开测试音调时的剩余噪声之比。正是为了求得这一主观上更重要的质量的最佳值而经常使用称为压缩扩张的技术。

压缩扩张包括在发送端用来提高寂静期间的发送电平和/或减少高响度期间的电平的可变增益控制，使得信号的整个动态范围被压缩/压缩扩张到一中间值。在接收端，去压缩扩张器或扩张器进行相反的换算，提高高响度期间的电平以便恢复原始的动态信号的幅值以及同样地减少寂静期间的电平。在后一种情况下，任何传输时添加的噪声也在寂静期间内被减少，正如为提高感觉质量所需要的那样。

通常使用的压缩扩张律是所谓的平方根律，即实际发送的信号的幅值正比于信号源幅值的平方根。例如，在语音信号源瞬时具有一单位的1/100的幅值时，发送幅值将被压缩扩张器提高到1/10。同样地，在信号源幅值为9个单位时，发送幅值将被减少为3个单位，而单位幅值的定义是通过压缩扩张器保持不变的电平。现在假设传输时叠加的噪声相当于一个幅值单位的1/100。在寂静期间当1/10被发送时，接收信号将包括1/10个单位的所需信号以及1/100个单位的噪声。一旦去压缩扩张器将1/10个单位的信号减少到其原始的1/100个单位，噪声也将被减小相同的因子，从1/100减为1/1000。在所需信号为零电平的场合，压缩扩张器将1/100个单位的接收噪声解释为压缩扩张信号电平，并将其恢复到所认为的原来的信号电平，即1/10000。

因此，可以看出寂静期间在去压缩扩张器输出端的噪声电平是不 使用压缩扩张和去压缩扩张时所具有的值的平方。

SNR通常根据分贝的对数尺度来度量，定义为：

dBs＝20LOG（信号幅值/噪声幅值）

如果在有效语音期间的平均信号幅值取作1，没有压缩扩张时寂静期间的噪声幅值等于1/100，那么根据以上公式计算的SNR为40dB。

用压缩扩张/去压缩扩张，寂静期间的噪声被减为1/10000，给出80dB的SNR，即主观质量有相当大的改善。

在分别称作前馈和反馈方法的进行平方根压缩扩张的两个已有的方法中，各自的压缩扩张输出信号是通过将输入信号分别除以通过输入信号的幅值测量，平滑处理和平方根处理而获得的值-在前馈的场合和通过已压缩扩张的输出信号的幅值测量和平滑处理而获得的值-在反馈的场合。

反馈方法的优点是不明显地需要平方根函数以及只需对已压缩扩张的输出进行幅值测量，使测量设备需要处理的以dBs为单位的信号范围减小一半。由于输出幅值是输入幅值被输出幅值所除，因而获得平方根压缩扩张律。

有两种已知的后一种类型的压缩扩张器的实施方案。第一种是全模拟电路实施方案，在该方案中除法电路很可能通过在反馈环路中使用模拟乘法器来实现。第二种是全数字实施方案，在该方案中输入信号首先被模-数转换器数字化，然后被馈入在数字上采用反馈或前馈类型的压缩扩张算法的数字信号处理电路中。结果必须用数-模转换器再转换为模拟信号。

已知的实施方案每个都有它们自己的缺点。全模拟系统的缺点是 需要严格容差的元件，这些元件难于在半导体集成电路中集成。全数字实施方案的缺点是需要相当复杂的模-数（A-D）和数-模（D-A）转换器，以及成本高功耗大的数字信号处理器芯片。

本发明的目的是提供实施平方根律压缩扩张的一种新方法，该方法的优点是较容易以成本低的半导体工艺集成入成本低的硅集成电路中。下面通过本发明的第一和第二个方面的设备和方法来达到这一目的。

根据本发明的第一个方面的设备包括：

模-数转换器，用来将所说输入信号转换成以成比例的方式代表被第一基准电压所除的输入信号的瞬时值的一系列整数;

根据所说输出信号的幅值产生所说第一基准信号的装置;

数-模转换器，用来根据恒定基准电压将所说一系列数转换成模拟信号波形，所说模拟波形形成所说输出信号。

根据本发明的第一个方面的方法包括以下步骤：

将所说输入信号转换成以成比例的方式代表被根据所说输出信号的幅值而产生的第一基准电压所除的输入信号的瞬时值的一系列整数，

根据恒定基准电压再将所说一系列数转换成模拟信号波形，所说模拟信号波形形成所说输出信号。

根据本发明的第二个方面的设备包括：

模-数转换器，具有用来将所说输入信号转换成一系列整数的装置，所说系列以成比例的方式表示所说的输入信号;

数-模转换器，用来将所说系列数再转换成形成所说输出信号的模拟信号，所说转换器具有根据基准电压对所说输出信号进行定标的装置;

根据所说输入信号的幅值产生所说基准电压的装置。

根据本发明的第二个方面的方法包括以下步骤：

将所说输入信号转换成一系列整数，所说系列以成比例的方式代表所说输入信号;

将所说系列整数再转换成形成所说输出信号的模拟信号，同时根据所说输入信号的幅值产生的基准电压对所说输出信号进行定标。

下面参看所附的原理图更详细地描述本发明的实施例，其中，

图1和图2是本发明的两个方面的一般方框图;

图3-8用图来表示包括在图1和图2中的方框的不同的电路实现方案;

图3和图4分别表示德尔它调制编码器和译码器;

图5和图6分别表示德尔它一西格马或西格马一德尔它编码器和译码器;

图7表示使用可变步长德尔它或德尔它-西格马调制的压缩扩张;

图8表示用恒定步长进行编码和用可变步长进行译码的去压缩扩张。

图1以方框图的形式表示用来处理幅值变化很大的诸如语音的模拟输入信号S的设备。这一设备的目的是在处理之后将输出信号P的最大与最小幅值变化的比值减少成为在处理之前存在的比值的平方根，以便在存在叠加噪声的情况下更好地将所说信号通过动态范围受限的信道进行传输。

该设备包括用来将信号S转换成为一系列整数N₁，N₂，N₃…的将在下面更详细描述的模-数转换器2。这些数可最多只包括两个可能的值，例如+1或-1。系列中的数以成比例的方式表示输入信号S被基准电压R所除的瞬时值。该基准电压R由平滑处理幅值测量 装置4根据当此数系列被根据恒定基准电压工作的数-模转换器6再转换成模拟信号波形时所产生的输出信号P的幅值来产生，下面将更详细介绍这种方式。

图2为图1的补充，它示出用来处理已压缩幅值变化的信号U，例如可以是由图1的设备产生的信号。图2设备的目的是产生恢复到正常值的幅值变化的信号V，即已压缩值的平方。

该设备包括将所说已压缩输入信号U转换成一系列整数M₁，M₂，M₃…的模-数转换器8。这些数可最多只包括两个可能的值，例如+1和-1。此系列以成比例的方式表示信号U并且被数-模转换器10再反向转换为模拟信号V。转换器10根据通过用测量装置12来确定输入信号U的幅值而获得的基准电压Q对输出信号V进行定标，测量装置12可以包括利用低通滤波器实现的测量平滑处理。

根据本发明的一重要实施例，用于转换器2、6、8和10的技术可以是德尔它调制，德尔它-西格马调制或者它们的一种派生技术。

德尔它调制编码器将模拟信号量化成一系列1比特的二进制数，代表+1或-1。这些值被用来改变斜波发生器或积分器的方向，使得如果原先的值低于输入信号它就倾斜上升，或者如果原先的值太大的话就倾斜下降。积分器在取样期间倾斜上升或倾斜下降的量称作步长。如果以高的速率产生1比特的取样，跟随以给定速率变化的信号所需的阶梯就会较小，对信号波形的逐级逼近就会更精确。因此可以通过充分地提高取样的比特率以获得需要的精度来补偿1比特的粗略量化。

图3表示一积分器14，它的输出信号在比较器16中与输入信号S进行比较。在频率为Fb的时钟的上升沿内将时钟输入锁存器或 触发器18以便以一定的比特率取得判决D。此时钟同步的判决然后输入到开关20以便选择在下一个取样周期内积分器14将会改变的方向。改变的幅度由步长值来确定。

在另一个已知的系统中，只要每当积分器连续三次在同一方向上上升时就增大步长的值，表明信号改变的速率大于积分器以目前的步长能够跟随的速率。这一已知的系统被称为“压缩扩张的德尔它调制”，也称为CVSD（连续可变斜率德尔它）。

参看图4，通过将模拟信号输入到与在编码器中使用的积分器类似的积分器22对该信号再现德尔它调制。编码器积分器14和再现积分器22之间的区别在于后者必须包括某种形式的泄漏，例如连接在积分电容器26两端的电阻24，以便使任意积分常数为零（就是说，使任意的开始充电状态随时间而放电）。

在通过泄漏积分器再现后，通过低通滤波器可进一步减少高频量化噪声，低通滤波器通过最高的似然信号频率，但衰减在取样比特率范围内的噪声频率和更高的频率。

称为西格马-德尔它或德尔它-西格马调制的相关算法的运用在图5和图6中表示。区别在于输入信号S是在积分器-此处标为22′-之前输入而不是之后。与德尔它调制相比，信号在编码器中经受额外的积分，这一额外积分在图6所示的译码器中通过省略再现积分器22以及只在28′处使用低通滤波来去除。德尔它-西格马调制表示以合适的平均比值在正、负步长之间交变的正、负步长之间的值，在这一方面它类似于脉宽调制。

德尔它或德尔它-西格马调制方案还可以在反馈环路中包括多于一个的积分器或者其它频率响应整形，而且信号可以通过也可以不通 过这些元件中的一个或多个。还有可能设计在其中的积分器的值和输入信号值之间的误差被量化为大于1比特，因此被称为德尔它-PCM（脉码调制）的德尔它调制编码器和译码器。

所有这类派生设计的细节不需要在此描述，因为可以在技术教科书找到它们。任何特征在于根据由步长值或类似的基准电压确定的定标对输入信号进行量化的编码器，步长值或类似的基准电压能够根据信号而变化，以及用相同的或不同的、恒定的或可变的步长或类似的基准电压将已量化信号容易地转换为模拟信号的方案都适合于实施本发明。

可变的和恒定的步长都能用于本发明。如果用小的步长对信号进行编码而用大的步长进行译码，信号的幅值将会被提高。如果，编码步长大于译码步长，幅值将被减少。因此，如果编码步长变化而译码步长保持不变，信号电平输出将反比于步长，这样就实现了平方根压缩扩张器所需要的除法功能。

因此，如图7所示，只需要通过从幅值测量中获得步长来使步长与压缩扩张的输出信号的幅值成比例。

作为例子，图7表示德尔它或德尔它-西格马类型的和1比特量化的编码器30。恒定步长译码器简化为一低通滤波器32。编码器的可变步长是通过在34通过测量由低通滤波器恢复为模拟形式的已压缩扩张信号的幅值来获得的。在36对幅值测量进行进一步的低通滤波操作或进行称为压缩扩张时间常数的平滑处理时间常数。在应用压缩扩张进行语音传输的各种国际标准中对此都有定义。

相应的去压缩扩张电路如图8所示。在该电路中，在38用恒定步长对压缩扩张输入信号进行编码以便将其转换为数字形式，然后在 40用与平滑处理输入幅值成比例的可变步长再译码为模拟形式。为了正确的系统工作，去压缩扩张器中在42用来对44处的幅值测量进行平滑处理的低通滤波器或时间常数应等同于在压缩扩张器中使用的低通滤波器或时间常数。

Claims (12)

1、用来处理幅值变化很大，例如语音，并且具有最大与最小幅值变化的第一比值的模拟输入信号(S)的设备，该设备包括将所说第一比值减少成为所说第一比值的平方根的第二比值，以及输出具有所说第二比值的模拟输出信号(P)的各装置，其特征在于：

用来将所说输入信号转换成一系列以成比例的方式代表输入信号(S)被第一基准电压(R)所除的瞬时值的整数(N₁，N₂…)的模一数转换器(2)，模数转换器(2)的输入端与所述输入信号(S)相连；

用来根据恒定基准电压将所说一系列数再转换成模拟信号波形的数一模转换器(6)，所说模拟波形形成所说输出信号(P)。

根据所说输出信号(P)的幅值产生所说第一基准电压的装置(4)，其输入端与数模变换器(6)输出端相连，而输出端与模数变换器的另外的输入端相连。

2、权利要求1所述的设备，其特征在于：所说整数仅包括+1和-1的两个可能的值。

3、权利要求1或2所述的设备，其特征在于：所说第一基准电压（R）是由平滑处理的幅值测量装置（4）产生的。

4、权利要求1-3中的任一权利要求所述的设备，其特征在于：所说模-数转换器（2）包括根据称作德尔它调制、德尔它-西格马调制或它们的派生的技术工作的编码器（14-20;30），所说编码器有：

将所说输入信号（5）量化成只有一个二进制比特分辨率的装置;

通过提高取样率或比特率获取所需精度的装置;

用于根据所说的第一基准电压确定所说编码器的步长的装置（20）;

所说数-模转换器（6）有作用于已量化信号的以恒定步长工作的译码器。

5、用来处理幅值已压缩的输入信号（U）以便产生幅值为已压缩幅值的平方的输出信号（V）的设备，其特征在于;

具有用来将所说输入信号转换成一系列整数（M₁，M₂…）的装置的模-数转换器（8），所说系列以成比例的方式表示所说输入信号，其输入端与所述输入信号（1）相连;

用来将所说一系列数转换成形成所说输出信号（V）的模似信号的数-模转换器（10），所说转换器具有根据基准电压（Q）对所说输出信号进行定标的装置，模数转换器（10）的输入端与模数转换器（8）的输出端相连;

根据所说输入信号的幅值产生所说基准电压的装置（12），其输入端与所述输入信号（U）相连，而其输出端则与数模转换器（10）相连。

6、权利要求5所述的设备其特征在于：所说一系列整数被限制为+1和-1的仅有的两个可能的值。

7、权利要求5或6所述的设备，其特征在于：所说输入信号的幅值是用包括用来平滑处理测量值的低通滤波器的测量装置（12）来确定的。

8、权利要求5-7中的任一权利要求所述的设备，其特征在于：所说模-数转换器（8）和所说数-模转换器（10）分别包括根据称作德尔它调制、德尔它-西格马调制或它们派生的技术工作的编码器和译码器，所说编码器具有：

用来产生包含代表仅两个可能的值并且以成比例的方式表示所说的输入信号（U）的瞬时值的单比特二进制数的所说输出数系列的装置;

通过提高取样变换率或比特率对粗略的双电平量化进行补偿以便获得所需精度的装置;

所说译码器被设计成接收与由编码器产生的输出比特流相同的输出比特流，并再将其转换为模拟信号波形，所说译码器有通过根据所说基准信号对所说模拟波形进行定标和通过用所说基准信号来确定所说译码器的步长以产生所说输出信号的装置。

9、用来处理幅值变化很大，例如语音，并且具有最大与最小幅值变化的第一比值的模拟输入信号的方法，该方法包括将所说第一比值减少成为所说第一比值的平方根的第二比值，以及输出具有所说第二比值的模拟输出信号的步骤，其特征在于：

将所说输入信号转换成一系列以成比例的方式代表输入信号被根据所说输出信号的幅值产生的第一基准电压所除的瞬时值的整数;

根据恒定基准电压将所说数流再转换为模拟信号波形，所说模拟信号波形形成所说输出信号。

10、权利要求9所述的方法，其特征在于：所说整数仅包括+1和-1的仅有的两个可能的值。

11、处理幅值已压缩的输入信号，以便产生幅值为已压缩幅值的平方的输出信号的方法，其特征在于：

将所说输入信号转换成一系列整数，所说系列以成比例的方式表示所说输入信号;

将所说系列数再转换成形成所说输出信号的模拟信号，同时根据所说输入信号的幅值产生的基准电压对所说输出信号进行定标。

12、权利要求11所述的方法，其特征在于：所说系列整数被限制为+1和-1的仅有的两个可能的值。

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