CN107112965B - 用动态范围增强来减少音频系统中的音频伪迹的系统及方法 - Google Patents

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Abstract

信号路径可具有模拟信号路径部分和数字信号路径部分。该数字部分可具有可选数控增益，且可被配置为和可选数控增益一致地将数字音频输入信号转换为模拟输入信号，数字信号路径部分包括调制器，该调制器包括正向路径和反馈路径。正向路径可包括：环路滤波器，用于响应于数字音频输入信号和反馈信号而生成滤波信号；量化器，响应于滤波信号，用于生成量化信号；第一增益元件，被配置为对正向路径内的信号施加可选数控增益。反馈路径可被配置为响应于量化信号而生成反馈信号，反馈路径包括第二增益元件，该第二增益元件具有与可选数控增益成反比的增益。

Description

用动态范围增强来减少音频系统中的音频伪迹的系统及方法
相关申请交叉引用
本公开主张2014年10月6日递交的美国非临时专利申请号14/507,372的优先权，该案为2014年9月11日递交的美国非临时专利申请号14/483,659的接续案，各案全部内容以引用方式并入本文中。
技术领域
本公开大体上涉及音频设备电路，包括但不限于个人音频设备，诸如无线电话和媒体播放器，更具体地，涉及用于增强音频设备中的音频信号路径的动态范围的系统及方法，同时减少当在动态范围增强模式之间切换时音频伪迹的存在。
背景技术
个人音频设备，包括无线电话，诸如移动电话/蜂窝电话、无绳电话、mp3播放器以及其他消费类音频设备得到广泛使用。这种个人音频设备可包括电路系统，用于驱动一对耳机或一个或更多个扬声器。这种电路系统通常包括功率放大器，用于驱动音频输出信号至耳机或扬声器。
可能影响其适销性及市场吸引力的个人音频设备的一个特性是其音频输出信号的动态范围。简单地说，动态范围是音频输出信号的最大值和最小值之比。增大动态范围的一个方法是对功率放大器施加高增益。然而，存在于音频输出信号中的噪声可能通常是放大器A1的增益的单调递增函数，使得由于高增益放大器而导致的任何增大的动态范围可能被可以有效地遮蔽较低强度音频信号的信号噪声抵消。
2013年11月19日提交的名称为“音频信号路径的动态范围的增强”并转让给本公开的申请人(Cirrus Logic,Inc.)的美国专利申请号14/083,972(“’972申请”)公开了用于增强音频信号路径的动态范围的方法及系统。在’972申请中，一种用于提供输出信号给音频换能器的装置包括模拟信号路径部分、数字-模拟转换器(DAC)和控制电路。模拟信号路径部分具有用于接收模拟信号的音频输入、用于提供输出信号的音频输出以及可选模拟增益，且可被配置为基于模拟信号并和可选模拟增益一致地生成输出信号。DAC具有可选数字增益，且可被配置为和可选数字增益一致地将数字音频输入信号转换为模拟信号。控制电路可被配置为，基于表示输出信号的信号幅度，根据一个或更多个增益模式来选择可选模拟增益和选择可选数字增益，且可选择可选模拟增益和选择可选数字增益以便通过整个信号路径保持恒定增益，而与适用增益模式无关。
在’972申请的动态范围增强架构以及类似架构中，DAC可具有时延或群延迟和/或还可对可选数字增益施加瞬态响应，使得当在可选数字增益的两个电平之间瞬时切换时，可选数字增益有效地施加于模拟输入信号。在未对这种时延和瞬变过程进行校正的情况下，在输出信号中可能存在毛刺，这可能使收听者能感知到音频伪迹。
发明内容
根据本公开的教导，可以减少或消除与保持音频信号路径的高动态范围的现有方法相关的一个或更多个缺点和问题。
根据本公开的实施例，一种用于提供输出信号给音频换能器的装置可包括信号路径和控制电路。信号路径可包括模拟信号路径部分和数字信号路径部分。模拟信号路径部分可具有用于接收模拟输入信号的音频输入、用于提供输出信号的音频输出以及可选模拟增益，且可被配置为基于模拟输入信号并和可选模拟增益一致地生成输出信号。数字信号路径部分可具有可选数字增益，且可被配置为和可选数字增益一致地将数字音频输入信号转换为模拟输入信号。控制电路可被配置为响应于信号路径的增益模式之间的切换指示，在第一模拟增益和第二模拟增益之间切换可选模拟增益，在第一数字增益和第二数字增益之间切换可选数字增益，其中第一模拟增益和第一数字增益的乘积约等于第二模拟增益和第二数字增益的乘积，并控制信号路径的模拟响应以减少由于信号路径的增益模式之间切换而导致存在输出信号中的音频伪迹的出现。
根据本公开的这些和其他实施例，一种方法可供信号路径使用，该信号路径包括模拟信号路径部分，该模拟信号路径部分具有用于接收模拟输入信号的音频输入、用于提供输出信号的音频输出以及可选模拟增益，且被配置为基于模拟输入信号并和可选模拟增益一致地生成输出信号，该信号路径还包括数字信号路径部分，该数字信号路径部分具有可选数字增益，且被配置为和可选数字增益一致地将数字音频输入信号转换为模拟输入信号。该方法可包括响应于信号路径的增益模式之间的切换指示，在第一模拟增益和第二模拟增益之间切换可选模拟增益，在第一数字增益和第二数字增益之间切换可选数字增益，其中第一模拟增益和第一数字增益的乘积约等于第二模拟增益和第二数字增益的乘积，并控制信号路径的模拟响应以减少由于信号路径的增益模式之间切换而导致存在输出信号中的音频伪迹的出现。
根据本公开的这些和其他实施例，一种个人音频设备可包括音频换能器、信号路径和控制电路。音频换能器可被配置为根据由音频换能器接收到的输出信号来生成声音。信号路径可耦合至音频换能器，并可包括模拟信号路径部分和数字信号路径部分。模拟信号路径部分可具有用于接收模拟输入信号的音频输入、用于提供输出信号的音频输出以及可选模拟增益，且可被配置为基于模拟输入信号并和可选模拟增益一致地生成输出信号。数字信号路径部分可具有可选数字增益，且可被配置为和可选数字增益一致地将数字音频输入信号转换为模拟输入信号。控制电路可被配置为响应于信号路径的增益模式之间的切换指示，在第一模拟增益和第二模拟增益之间切换可选模拟增益，在第一数字增益和第二数字增益之间切换可选数字增益，其中第一模拟增益和第一数字增益的乘积约等于第二模拟增益和第二数字增益的乘积，并控制信号路径的模拟响应以减少由于信号路径的增益模式之间切换而导致存在输出信号中的音频伪迹的出现。
根据本公开的这些和其他实施例，一种用于提供输出信号给音频换能器的装置可包括信号路径和控制电路。信号路径可包括模拟信号路径部分和数字信号路径部分。模拟信号路径部分可具有用于接收模拟输入信号的音频输入、用于提供输出信号的音频输出以及可选模拟增益，且可被配置为基于模拟输入信号并和可选模拟增益一致地生成输出信号。数字信号路径部分可具有可选数控增益，且可被配置为和可选数控增益一致地将数字音频输入信号转换为模拟输入信号，数字信号路径部分包括调制器。调制器可包括正向路径和反馈路径。正向路径可包括：环路滤波器，被配置为响应于数字音频输入信号和反馈信号而生成滤波信号；量化器，响应于滤波信号并被配置为生成量化信号；和第一增益元件，被配置为对正向路径内的信号施加可选数控增益。反馈路径可被配置为响应于量化信号而生成反馈信号，其中反馈路径包括第二增益元件，该第二增益元件具有与可选数控增益成反比的增益。控制电路可被配置为响应于信号路径的增益模式之间的切换指示，在第一模拟增益和第二模拟增益之间切换可选模拟增益，在第一数字增益和第二数字增益之间切换可选数控增益，其中第一模拟增益和第一数字增益的乘积约等于第二模拟增益和第二数字增益的乘积。
根据本公开的这些和其他实施例，一种方法可供信号路径使用，该信号路径包括模拟信号路径部分，该模拟信号路径部分具有用于接收模拟输入信号的音频输入、用于提供输出信号的音频输出以及可选模拟增益，且被配置为基于模拟输入信号并和可选模拟增益一致地生成输出信号，该信号路径还包括数字信号路径部分，该数字信号路径部分具有可选数控增益，且被配置为和可选数控增益一致地将数字音频输入信号转换为模拟输入信号。该方法可包括通过数字信号路径部分的调制器的环路滤波器，响应于数字音频输入信号和反馈信号而生成滤波信号。该方法还可包括通过调制器的量化器，响应于滤波信号而生成量化信号。该方法还可包括对包括环路滤波器和量化器的调制器的正向路径施加可选数控增益。该方法还可包括通过反馈路径，响应于量化信号而生成反馈信号，其中生成反馈信号包括对量化信号施加与可选数控增益成反比的增益。该方法还可包括响应于信号路径的增益模式之间的切换指示，在第一模拟增益和第二模拟增益之间切换可选模拟增益，在第一数字增益和第二数字增益之间切换可选数控增益，其中第一模拟增益和第一数字增益的乘积约等于第二模拟增益和第二数字增益的乘积。
根据本公开的这些和其他实施例，一种个人音频设备可包括音频换能器、信号路径和控制电路。音频换能器可被配置为根据由音频换能器接收到的输出信号来生成声音。信号路径可耦合至音频换能器，并可包括模拟信号路径部分和数字信号路径部分。模拟信号路径部分可具有用于接收模拟输入信号的音频输入、用于提供输出信号的音频输出以及可选模拟增益，且可被配置为基于模拟输入信号并和可选模拟增益一致地生成输出信号。数字信号路径部分可具有可选数控增益，且可被配置为和可选数控增益一致地将数字音频输入信号转换为模拟输入信号，数字信号路径部分包括调制器。调制器可包括正向路径和反馈路径。正向路径可包括：环路滤波器，被配置为响应于数字音频输入信号和反馈信号而生成滤波信号；量化器，响应于滤波信号并被配置为生成量化信号；和第一增益元件，被配置为对正向路径内的信号施加可选数控增益。反馈路径可被配置为响应于量化信号而生成反馈信号，其中反馈路径包括第二增益元件，该第二增益元件具有与可选数控增益成反比的增益。控制电路可被配置为响应于信号路径的增益模式之间的切换指示，在第一模拟增益和第二模拟增益之间切换可选模拟增益，在第一数字增益和第二数字增益之间切换可选数控增益，其中第一模拟增益和第一数字增益的乘积约等于第二模拟增益和第二数字增益的乘积。
根据本文中所包括的附图、说明书和权利要求，本公开的技术优势对于本领域技术人员而言非常明显。将至少通过权利要求中特别指出的元件、特征及组合能够实现和达到所述实施例的目的和优点。
应当理解，上述一般性说明和下述详细说明都仅仅作为示例及解释，并不构成对本公开中所阐述的权利要求的限制。
附图说明
通过结合附图参照以下说明，可以获得对本公开实施例及其优点的更完整理解，相同附图标记表示相同特征，其中：
图1示出了根据本公开的实施例的示范性个人音频设备；
图2为根据本公开的实施例的个人音频设备的示范性音频集成电路的选定部件的方块图；
图3为根据本公开的实施例用的在图2所示的音频集成电路内的增益控制电路的选定部件和可耦合至该增益控制电路的音频集成电路的选定部件的方块图；
图4A至图4C为示范性曲线图，示出了根据本公开的实施例的各种毛刺校正方法；
图5示出了根据本公开的实施例的数字-模拟转换器的示范性实施方案的方块图；
图6为根据本公开的实施例的用在图2所示的音频集成电路内的增益控制电路的选定部件和可耦合至该增益控制电路的音频集成电路的选定部件的方块图；
图7为根据本公开的实施例用在图6所示的数字-模拟转换器内的调制器的方块图。
具体实施方式
根据本公开的实施例，一种用在音频设备，如个人音频设备((例如，移动电话、便携式音乐播放器、平板计算机、个人数字助理等)中的集成电路可包括信号路径，该信号路径具有数字信号路径部分(例如，音频压缩器)和模拟信号路径部分(例如，音频扩展器)。数字信号路径部分可被配置为接收数字输入信号(例如，数字音频信号)，对数字输入信号施加可选数字增益x，并和可选数字增益一致地将数字输入信号(例如，经由数字-模拟转换器)转换为模拟信号。模拟信号路径部分可被配置为接收模拟信号，并对模拟信号施加(例如，通过模拟放大器)可选模拟增益k/x以生成输出信号，其中该输出信号可被传递给扬声器进行回放和/或给其他电路系统进行处理。可选模拟增益的分子k可为定义信号路径的总累积增益的常数。耦合至信号路径的控制电路可以能够对可选数字增益和可选模拟增益进行修改，例如，以使信号路径的动态范围最大化。例如，基于对输出信号或信号路径内表示输出信号的另一个信号的分析，控制电路可选择可选数字增益的值以及可选模拟增益的相应值。因此，对于输出信号的较低幅度，控制电路可选择较高可选数字增益和较低可选模拟增益，对于输出信号的较高幅度，控制电路可选择较低可选数字增益和较高可选模拟增益。这种可选增益可允许信号路径将其动态范围增大至较低幅度信号，同时防止不良影响，诸如较高幅度信号的信号削波。在操作中，控制电路还可被配置为基于表示输出信号的信号的幅度，预测用于改变可选数字增益和可选模拟增益的条件，并响应于预测该条件的出现，在表示输出信号的信号的过零点出现的近似时刻处改变可选数字增益和可选模拟增益。
上述集成电路可用在任何合适的系统、设备或装置中，包括但不限于个人音频设备。图1示出了根据本公开的实施例的示范性个人音频设备1。图1描绘了耦合至以一对耳塞式扬声器8A和8B形式的耳机3的个人音频设备1。图1所示的耳机3仅仅作为示例，且应当理解，个人音频设备1可与各种音频换能器结合使用，包括但不限于耳机、耳塞、入耳式耳机和外部扬声器。插塞4可为耳机3与个人音频设备1的电气端子连接而设。个人音频设备1可向用户提供显示并使用触摸屏2来接收用户输入，或可选地，标准液晶显示器(LCD)可与设置在个人音频设备1的正面和/或侧面上的各种按钮、滑块和/或拨号盘相结合。还如图1所示，个人音频设备1可包括音频集成电路(IC)9，用于生成传输给耳机3和/或另一个音频换能器的模拟音频信号。
图2为根据本公开的实施例的个人音频设备的示范性音频IC 9的选定部件的方块图。如图2所示，微控制器内核18可提供数字音频输入信号DIG_IN给增益元件12以对数字输入信号DIG_IN施加由增益控制电路20选择的可选数字增益x。经放大的数字音频输入信号可被传递给数字-模拟转换器(DAC)14，该数字-模拟转换器(DAC)14可将数字音频输入信号转换为模拟信号VIN。增益元件12和DAC方块14一起在这里可以指自数字音频输入信号DIG_IN的输入节点至输出电压信号VOUT的输出节点的信号路径的数字信号路径部分。在相关技术中，增益元件12和DAC方块14有时可以指音频压缩器。
DAC方块14可提供模拟信号VIN给放大器级16，该放大器级16可和可选模拟增益k/x一致地对音频输入信号VIN进行放大或衰减以提供音频输出信号VOUT，该音频输出信号VOUT可引起扬声器、耳机换能器、行电平信号输出和/或其他合适的输出。如图2所示的放大器级16在这里可以指自数字音频输入信号DIG_IN的输入节点至输出电压信号VOUT的输出节点的信号路径的模拟信号路径部分。在相关技术中，放大器级16有时可以指音频扩展器。电容器CO可被用来将输出信号耦合至换能器或行电平输出，尤其是在用具有基本上不同于接地的静态电压的单极电源供应器操作放大器级16的情况下。电源供应器10可提供放大器级16的供电轨道输入。
如图2所示，音频IC 9可包括增益控制电路20，该增益控制电路20被配置为基于数字音频输入信号DIG_IN，控制增益元件12的可选数字增益x和放大器级16的可选模拟增益k/x。在存在音量控制的实施例中，响应于用户界面、音量旋钮编码器或程序命令或其他合适的机构，可从微控制器或其他数控电路提供音量控制信号。
以音频IC 9的动态范围增强功能为例，当数字音频输入信号DIG_IN相对于该数字音频输入信号的满量程电压在零分贝(0dB)处或零分贝(0dB)附近时，增益控制电路20可选择可选数字增益的第一数字增益(例如，x1)和可选模拟增益的第一模拟增益(例如，k/x1)。然而，如果数字音频输入信号DIG_IN的幅度相对于数字音频输入信号DIG_IN的满量程电压低于特定预定阈值幅度(例如，-20dB)，那么增益控制电路20可选择可选择数字增益中大于第一数字增益的第二数字增益(例如，x2)(例如，x2>x1)和可选择模拟增益中小于第二模拟增益的第二模拟增益(例如，k/x2)(例如，k/x2<k/x1)。在每种情况下，可选数字增益和可选模拟增益的累积固定路径增益(例如，k)可能基本上恒定(例如，在音频IC 9的制造公差和/或操作公差内相同)。在一些实施例中，k可能约等于1，使得累积路径增益为单位增益。与数字增益和模拟增益为静态的方法相比，数字增益和模拟增益的这种改变可以增大音频IC 9的动态范围，因为它可以减少注入至音频输出信号VOUT中的噪声，该噪声可能通常是放大器级16的模拟增益的单调递增函数。虽然这种噪声对于较高幅度音频信号(例如，相对于满量程电压在0dB处或0dB附近)可以忽略，但是这种噪声的存在对于较低幅度音频信号(例如，相对于满量程电压在-20dB或更低分贝处或-20dB或更低分贝附近)可能变得明显。通过在放大器级16处对于较小信号幅度施加较小模拟增益，可以减少注入至音频输出信号VOUT中的噪声量，同时根据数字音频输入信号DIG_IN，通过对增益元件12施加与模拟增益成反比的数字增益，可以保持音频输出信号VOUT的信号电平。
图3为根据本公开的实施例用在音频IC 9内的示范性增益控制电路20的选定部件和可耦合至增益控制电路20的音频IC 9的选定部件的方块图。
如图3所示，放大器级16可包括运算放大器22和多个电阻器28(例如，28A-28D)，使得可选模拟增益分别由电阻器28A、28B、28C和28D的电阻R1、R2、R3和R4设定。例如，在由图3表示的实施例中，电阻器28B可具有可变电阻R2。在这种实施例中，电阻器28B可包括开关电阻器网络，该开关电阻器网络包括电阻器串，该电阻器串具有多个抽头，每个抽头耦合至对应开关。为了对放大器级16施加期望可选模拟增益，这种开关可以选择性地断开和闭合以在运算放大器22的负输入和运算放大器22的输出之间产生有效电阻R2，其中运算放大器22的可选模拟增益是基于这种有效电阻R2。虽然图3描绘了用于提供放大器级16的模拟增益的特定架构，但是根据本公开，可以应用其他合适的架构。
还如图3所示，增益控制电路20可包括电平检测电路42、比较器方块46、信号跟踪方块47、过零检测电路48、毛刺校正电路44、增益校准电路52、偏移校准电路54和增益控制状态机50。电平检测电路42可包括任何合适的系统、设备或装置，用于接收数字音频输入信号DIG_IN(或其导数)，判定这种信号的幅度，并输出表示这种幅度的信号。比较器方块46可比较电平检测电路42的输出信号与N个预定阈值幅度，其中N为正整数，并基于这种比较，输出表示音频输出信号VOUT的期望幅度是大于还是小于这种预定阈值幅度中的每个预定阈值幅度的信号COMP_OUT(其可包括N个比特)。在一些实施例中，这种预定阈值幅度可以相对于数字音频输入信号DIG_IN和/或音频输出信号VOUT的满量程电压。在一些实施例中，比较器方块46可以实现滞后，使得信号COMP_OUT或其比特的跃迁(transition)可能仅出现在电平检测方块42的输出信号在最小持续时间内(例如，0.1秒，以使任何切换伪迹在人类能感知到的音频范围之外)仍保持高于或低于预定阈值幅度时才跃迁。
过零检测电路48可包括任何合适的系统、设备或装置，用于检测数字音频输入信号DIG_IN(或其导数)的过零点的出现并输出表示这种信号已经出现过零点的信号ZERO_DETECT。当信号的波形越过零幅度或越过在零阈值内且表示过零点的另一个电平(例如，小于-70dB或在零的少量最小有效位内的低信号电平)时，这种信号的过零点可能出现。
信号跟踪方块47可包括任何合适的系统、设备或装置，用于跟踪音频信号的特定参数，包括但不限于这种音频信号和/或这种音频信号的信号包络的多个峰值，并基于此，生成表示这种被跟踪参数的输出信号TRACKING。
毛刺校正电路44可包括任何合适的系统、设备或装置，用于校正增益元件12的输出和放大器级16的输入之间的时延或群延迟。这种毛刺校正可以解释增益元件12的可选数字增益的变化，其需要时延以传播到可施加相应可选模拟增益的放大器级16。在没有这种校正的情况下，时延或群延迟可引起在信号路径的输出处出现音频伪迹。因此，如图3所示，毛刺校正电路44可接收模拟输入信号VIN和数字音频输入信号DIG_IN以判定这种信号之间的时延和/或数字音频输入信号DIG_IN和模拟输入信号VIN之间的信号路径的瞬态响应，并基于此，生成表示这种时延和/或瞬态响应的信号GLITCH并传递给增益控制状态机50。基于信号GLITCH，增益控制状态机50可控制增益元件12的可选数字增益x和放大器级16的可选模拟增益k/x的施加，以减少或消除由这种时延和/或瞬态响应引起的毛刺。在一些实施例中，毛刺控制电路44和/或增益控制状态机50可通过控制信号路径的模拟响应来减少毛刺，以减少由于信号路径的增益模式之间切换而导致存在输出信号中的音频伪迹的出现，下文参照图4A、图4B、图4C和图5进行进一步说明。
增益校准电路52可包括任何合适的系统、设备或装置，用于校正放大器级16的非理想增益。由于放大器级16的非理想因素(例如，温度变化、工序公差等)，放大器级16的实际增益可能不同于由增益控制状态机50判定的增益和/或基于电阻R1、R2、R3和R4的标称值而计算出的理想增益的期望电平的增益。因此，增益校准电路52可判定放大器级16的实际增益并输出表示这种实际增益的信号GAIN_CAL，增益控制状态机50可在选择可选数字增益中对非理想因素进行校正。
偏移校准电路54可包括任何合适的系统、设备或装置，用于校正放大器级16的偏移。举例而言，由于放大器级16的非理想因素(例如，温度变化、工序公差等)，运算放大器22可包括与与放大器级16相关联的期望接地或共模电压的轻微偏移26，这可能影响信号输出VOUT。因此，偏移校准电路54可判定放大器级16的偏移26并输出信号OFFSET_CAL，该信号OFFSET_CAL可被传递给DAC方块14的偏移方块32，使得DAC方块14可校准这种模拟偏移。
增益控制状态机50可接收信号COMP_OUT、TRACKING、ZERO_DETECT、GLITCH和/或GAIN_CAL，并基于这种信号中的一个或更多个信号，生成可选数字增益和可选模拟增益，在本公开中另外进行更详细说明。例如，当数字音频输入信号DIG_IN的幅度从高于预定阈值幅度(例如，-24dB)跃迁为低于该预定阈值幅度时，信号COMP_OUT可表示这种跃迁，并作为响应，增益控制状态机50可以等待，直至出现过零点(由信号ZERO_DETECT表示)，之后，它可使DAC方块14以相同的量增大可选数字增益和减小可选音频增益。通过在数字音频输入信号DIG_IN(或其导数)的过零点处改变可选数字增益和可选模拟增益，该改变以及与该改变相关联的任何听觉伪迹可以被遮蔽，因此对于包括音频IC 9的音频设备的收听者而言不明显或不太明显。
又如，当数字音频输入信号DIG_IN的幅度的总和从低于预定阈值幅度(例如，-24dB)跃迁为高于该预定阈值幅度时，信号COMP_OUT可表示这种跃迁，并作为响应，增益控制状态机50可使DAC方块14以相同的量减小可选数字增益和增大可选模拟增益。然而，当跃迁为较低数字增益模式时，等待输出信号的过零点可能不可取，因为从低于该预定阈值幅度跃迁为高于该预定阈值幅度可能随即导致音频信号的削波。因此，可能需要预测数字音频输入信号DIG_IN的幅度是否有可能越过这种预定阈值，并根据这种预测切换可选数字增益和可选模拟增益，该切换发生在数字音频输入信号DIG_IN越过预定阈值之前出现数字音频输入信号DIG_IN的过零点时。通过应用这种预测技术，增益控制方块20可便于在增益模式之间切换以增大动态范围，同时减少音频伪迹。
图4A至图4C为示范性曲线图，示出了根据本公开的实施例可被增益控制电路20采用的示范性毛刺校正方法。图4A描绘了增益控制电路20未执行毛刺校正的方法。在这种方法中，可选数字增益x可在时刻t1改变。由于在数字音频输入信号DIG_IN和模拟输入信号VIN之间的信号路径中的时延，施加于模拟输入信号VIN的有效数字增益xeff可能由于可选数字增益x而延迟和/或可能具有瞬态响应，该瞬态响应上升(或在当可选数字增益x从较高值变为较低值时的情况下下降)直至时刻t2。增益控制电路20可在时刻t2施加可选模拟增益k/x的相应变化。因此，有效累积路径增益xeff·k/x在时刻t1和t2之间可能受到相当大的毛刺402A，这意味着该累积路径增益不具有在信号路径中可能期望的固定增益。
如图4B所示，在一些实施例中，增益控制电路20可通过控制可选模拟增益k/x的变化来减少毛刺，使得它在模拟输入信号VIN处有效数字增益xeff的瞬态响应期间的时刻t2’出现。虽然时刻t2’在图4B中示出为在有效数字增益xeff的瞬态响应的大致中间处出现，但是增益控制电路20可使可选模拟增益k/x在有效数字增益xeff的瞬态响应期间的任何部分改变。由于控制可选模拟增益k/x的变化使得它在有效数字增益xeff的瞬态响应期间的时刻t2’出现，所以有效累积路径增益xeff·k/x仍可能受到毛刺402B，但是在相关音频带宽(例如，24Khz)中的累计毛刺能量相比于毛刺402A的毛刺能量可能明显要小，从而可导致收听者能感知到的音频伪迹减少。
如图4C所示，在一些实施例中，增益控制电路20可通过控制可选模拟增益k/x的变化来减少毛刺，使得它在一段时间内(例如，在有效数字增益xeff的瞬态响应的有效部分内)出现。在实施例的一些中，当在该段时间内从第一模拟增益切换为第二模拟增益时，增益控制电路20可对可选模拟增益施加反向阶跃响应滤波器，使得可选模拟增益k/x从第一模拟增益逐阶跃迁到第二模拟增益。在施加反向阶跃响应滤波器中，当在第一模拟增益和第二模拟增益之间切换时，增益控制电路20可对可选模拟增益施加有效数字增益xeff的瞬态响应的近似倒数。由于图4C所示的方法，有效累积路径增益xeff·k/x仍可能受到毛刺402C，但是这种毛刺402C的幅度相比于毛刺402A的幅度可能明显要小，从而可导致能感知到的音频伪迹减少。
图5示出了根据本公开的实施例的DAC方块14的示范性实施方案的方块图。如图5所示，DAC方块14可包括DAC 15、耦合在接地和开关节点之间的电容器21、耦合在DAC 15的输出和开关节点之间的开关17以及耦合在DAC 15的输入和开关节点之间的开关19。当增益模式之间未发生变化时，增益控制电路20可启动开关19，将输入耦合至开关节点。另一方面，当增益模式之间发生变化时，增益控制电路20可启动开关17，将输出耦合至开关节点。在增益模式之间发生变化期间启动开关17的作用是在启动开关17的该段时间内对DAC 15内的调制器和/或DAC 15本身中至少一者的模拟响应进行修改。例如，开关17的启动可在该段时间内为DAC 15的低通滤波器加设旁路。DAC 15内的调制器和/或DAC 15本身的模拟响应的这种重构可以减少数字音频输入信号DIG_IN和模拟输入信号VIN之间的时延和/或减小在模拟输入信号VIN处有效数字增益xeff的瞬态持续时间，从而减少毛刺。
图6为根据本公开的实施例用在图2所示的音频集成电路内的增益控制电路的选定部件和可耦合至该增益控制电路的音频集成电路的选定部件的方块图。除了DAC方块14被DAC方块14A取代，图6的拓扑结构类似于图3的拓扑结构，且增益元件12已经被放置在DAC方块14A的调制器31内。
图7为根据本公开的实施例用在DAC方块14A内的调制器31的方块图。如图7所示，DAC方块14A可包括正向路径，该正向路径包括：环路滤波器34，被配置为响应于数字音频输入信号DIG_IN和反馈信号而生成滤波信号(例如，基于等于数字音频输入信号和反馈信号之差的误差信号)；量化器36，响应于滤波信号并被配置为生成量化信号；和增益元件12(例如，接合在环路滤波器34和量化器36之间)，被配置为对正向路径内的信号施加可选数控增益x。DAC方块14A还可包括反馈路径，该反馈路径被配置为响应于量化信号而生成反馈信号，其中该反馈路径包括增益元件38，该增益元件38具有与增益元件12的可选数控增益成反比的增益1/x。通过在DAC方块14A的调制器31内移动增益元件12(相对于在DAC方块14之前，如图3所示)，可选数控增益x的响应的瞬态持续时间可以更短，这相比于图3所示的拓扑结构可以减少输出信号VOUT上的毛刺。
虽然如本文中所述的各种系统及方法仅考虑到在个人音频设备的音频信号路径中的音频伪迹的减少，但是此处的系统及方法还可应用于任何其他音频系统，包括但不限于家庭音频系统、剧院、汽车音频系统、现场表演等。
本领域普通技术人员应当明白，本公开包括对于本文中示范性实施例的所有更改、替换、变动、变形和修改。同样地，本领域普通技术人员应当明白，在适当的情况下，所附权利要求包括对于本文中示范性实施例的所有更改、替换、变动、变形和修改。此外，在所附权利要求中对于装置或系统或装置或系统中的部件的引用包括所述装置、系统或部件，所述装置、系统或部件适应执行特定功能，被安排为执行特定功能，可执行特定功能，被构成为执行特定功能，能够执行特定功能，可操作为执行特定功能或操作为执行特定功能，无论它或所述特定功能是否启动、打开或开启，只要所述装置、系统或部件适应执行特定功能，被安排为执行特定功能，可执行特定功能，被构成为执行特定功能，能够执行特定功能，可操作为执行特定功能或操作为执行特定功能。
本文中陈述的所有实例和条件性语言旨在教导目的，以帮助读者理解本发明及发明者深化技术所提供的概念，且被解释为并不限于这种具体陈述的实例和条件。虽然已经对本发明的实施例进行详细说明，但是应当理解，在不脱离本公开的精神和范围的情况下，可对本发明的实施例进行各种更改、替换和变形。

Claims (36)

1.一种用于提供输出信号给音频换能器的装置，包括：
信号路径，包括：
模拟信号路径部分，具有用于接收模拟输入信号的音频输入、用于提供所述输出信号的音频输出以及可选模拟增益，且被配置为基于所述模拟输入信号并和所述可选模拟增益一致地生成所述输出信号；以及
数字信号路径部分，具有可选数字增益且被配置为和所述可选数字增益一致地将数字音频输入信号转换为所述模拟输入信号；
其中所述信号路径的传递函数使施加于所述模拟输入信号的有效数字增益具有瞬态响应；以及
控制电路，被配置为响应于所述信号路径的增益模式之间的切换指示：
在第一模拟增益和第二模拟增益之间切换所述可选模拟增益；以及
在第一数字增益和第二数字增益之间切换所述可选数字增益，其中所述第一模拟增益和所述第一数字增益的乘积约等于所述第二模拟增益和所述第二数字增益的乘积；以及
通过在从所述第一数字增益切换为所述第二数字增益之后的一段时间内以及在所述瞬态响应的持续时间期间的时间点从所述第一模拟增益切换为所述第二模拟增益来控制所述信号路径的模拟响应以减少由于所述信号路径的增益模式之间切换而导致的存在所述输出信号中的音频伪迹的出现。
2.根据权利要求1所述的装置，其中所述信号路径的增益模式之间的切换指示包括表示所述输出信号的信号的幅度的阈值交叉点。
3.根据权利要求1所述的装置，其中所述控制电路被配置为通过在一段时间内从所述第一模拟增益切换为所述第二模拟增益来控制所述信号路径的模拟响应以减少音频伪迹的出现。
4.根据权利要求1所述的装置，其中所述控制电路被配置为通过当在一段时间内从所述第一模拟增益切换为所述第二模拟增益时对所述可选模拟增益施加反向阶跃响应滤波器来控制所述信号路径的模拟响应以减少音频伪迹的出现。
5.根据权利要求1所述的装置，其中所述信号路径的传递函数使施加于所述模拟输入信号的有效数字增益具有瞬态响应，其中所述控制电路被配置为通过当在所述第一模拟增益和所述第二模拟增益之间切换时对所述可选模拟增益施加所述瞬态响应的近似倒数来控制所述信号路径的模拟响应以减少音频伪迹的出现。
6.根据权利要求1所述的装置，其中所述数字信号路径部分包括调制器和数字-模拟转换器，并且其中所述控制电路被配置为通过在一段时间内对所述调制器和所述数字-模拟转换器中至少一者的模拟响应进行修改来控制所述信号路径的模拟响应以减少音频伪迹的出现。
7.根据权利要求6所述的装置，其中对所述调制器和所述数字-模拟转换器中至少一者的模拟响应进行修改包括在该段时间内为所述数字-模拟转换器的滤波器响应加设旁路。
8.一种方法，包括，在信号路径中，该信号路径包括模拟信号路径部分，该模拟信号路径部分具有用于接收模拟输入信号的音频输入、用于提供输出信号的音频输出以及可选模拟增益且被配置为基于所述模拟输入信号并和所述可选模拟增益一致地生成所述输出信号，该信号路径还包括数字信号路径部分，该数字信号路径部分具有可选数字增益且被配置为和所述可选数字增益一致地将数字音频输入信号转换为所述模拟输入信号：
响应于所述信号路径的增益模式之间的切换指示：
在第一模拟增益和第二模拟增益之间切换所述可选模拟增益；以及
在第一数字增益和第二数字增益之间切换所述可选数字增益，其中所述第一模拟增益和所述第一数字增益的乘积约等于所述第二模拟增益和所述第二数字增益的乘积，其中所述信号路径的传递函数使施加于所述模拟输入信号的有效数字增益具有瞬态响应；以及
通过在从所述第一数字增益切换为所述第二数字增益之后的一段时间内以及在所述瞬态响应的持续时间期间的时间点从所述第一模拟增益切换为所述第二模拟增益来控制所述信号路径的模拟响应以减少由于所述信号路径的增益模式之间切换而导致的存在所述输出信号中的音频伪迹的出现。
9.根据权利要求8所述的方法，其中所述信号路径的增益模式之间的切换指示包括表示所述输出信号的信号的幅度的阈值交叉点。
10.根据权利要求8所述的方法，还包括通过在一段时间内从所述第一模拟增益切换为所述第二模拟增益来控制所述信号路径的模拟响应以减少音频伪迹的出现。
11.根据权利要求8所述的方法，还包括通过当在一段时间内从所述第一模拟增益切换为所述第二模拟增益时对所述可选模拟增益施加反向阶跃响应滤波器来控制所述信号路径的模拟响应以减少音频伪迹的出现。
12.根据权利要求8所述的方法，其中所述信号路径的传递函数使施加于所述模拟输入信号的有效数字增益具有瞬态响应，其中所述方法还包括通过当在所述第一模拟增益和所述第二模拟增益之间切换时对所述可选模拟增益施加所述瞬态响应的近似倒数来控制所述信号路径的模拟响应以减少音频伪迹的出现。
13.根据权利要求8所述的方法，其中所述数字信号路径部分包括调制器和数字-模拟转换器，并且其中还包括通过在一段时间内对所述调制器和所述数字-模拟转换器中至少一者的模拟响应进行修改来控制所述信号路径的模拟响应以减少音频伪迹的出现。
14.根据权利要求13所述的方法，其中对所述调制器和所述数字-模拟转换器中至少一者的模拟响应进行修改包括在该段时间内为所述数字-模拟转换器的滤波器响应加设旁路。
15.一种个人音频设备，包括：
音频换能器，被配置为根据由所述音频换能器接收到的输出信号来生成声音；
信号路径，耦合至所述音频换能器，其中所述信号路径包括：
模拟信号路径部分，具有用于接收模拟输入信号的音频输入、用于提供所述输出信号的音频输出以及可选模拟增益，且被配置为基于所述模拟输入信号并和所述可选模拟增益一致地生成所述输出信号；以及
数字信号路径部分，具有可选数字增益且被配置为和所述可选数字增益一致地将数字音频输入信号转换为所述模拟输入信号；
其中所述信号路径的传递函数使施加于所述模拟输入信号的有效数字增益具有瞬态响应；以及
控制电路，被配置为响应于所述信号路径的增益模式之间的切换指示：
在第一模拟增益和第二模拟增益之间切换所述可选模拟增益；以及
在第一数字增益和第二数字增益之间切换所述可选数字增益，其中所述第一模拟增益和所述第一数字增益的乘积约等于所述第二模拟增益和所述第二数字增益的乘积；以及
通过在从所述第一数字增益切换为所述第二数字增益之后的一段时间内以及在所述瞬态响应的持续时间期间的时间点从所述第一模拟增益切换为所述第二模拟增益来控制所述信号路径的模拟响应以减少由于所述信号路径的增益模式之间切换而导致的存在所述输出信号中的音频伪迹的出现。
16.根据权利要求15所述的个人音频设备，其中所述信号路径的增益模式之间的切换指示包括表示所述输出信号的信号的幅度的阈值交叉点。
17.根据权利要求16所述的个人音频设备，其中所述控制电路被配置为通过在一段时间内从所述第一模拟增益切换为所述第二模拟增益来控制所述信号路径的模拟响应以减少音频伪迹的出现。
18.根据权利要求16所述的个人音频设备，其中所述控制电路被配置为通过当在一段时间内从所述第一模拟增益切换为所述第二模拟增益时对所述可选模拟增益施加反向阶跃响应滤波器来控制所述信号路径的模拟响应以减少音频伪迹的出现。
19.根据权利要求16所述的个人音频设备，其中所述信号路径的传递函数使施加于所述模拟输入信号的有效数字增益具有瞬态响应，其中所述控制电路被配置为通过当在所述第一模拟增益和所述第二模拟增益之间切换时对所述可选模拟增益施加所述瞬态响应的近似倒数来控制所述信号路径的模拟响应以减少音频伪迹的出现。
20.根据权利要求16所述的个人音频设备，其中所述数字信号路径部分包括调制器和数字-模拟转换器，并且其中所述控制电路被配置为通过在一段时间内对所述调制器和所述数字-模拟转换器中至少一者的模拟响应进行修改来控制所述信号路径的模拟响应以减少音频伪迹的出现。
21.根据权利要求20所述的个人音频设备，其中对所述调制器和所述数字-模拟转换器中至少一者的模拟响应进行修改包括在该段时间内为所述数字-模拟转换器的滤波器响应加设旁路。
22.一种用于提供输出信号给音频换能器的装置，包括：
信号路径，包括：
模拟信号路径部分，具有用于接收模拟输入信号的音频输入、用于提供所述输出信号的音频输出以及可选模拟增益，且被配置为基于所述模拟输入信号并和所述可选模拟增益一致地生成所述输出信号；以及
数字信号路径部分，具有可选数字增益且被配置为和所述可选数字增益一致地将数字音频输入信号转换为所述模拟输入信号，其中所述数字信号路径部分包括调制器和数字-模拟转换器；以及
控制电路，被配置为响应于所述信号路径的增益模式之间的切换指示：
在第一模拟增益和第二模拟增益之间切换所述可选模拟增益；
在第一数字增益和第二数字增益之间切换所述可选数字增益，其中所述第一模拟增益和所述第一数字增益的乘积约等于所述第二模拟增益和所述第二数字增益的乘积；以及
通过在一段时间内为所述数字-模拟转换器的滤波器响应加设旁路而在该段时间内对所述调制器和所述数字-模拟转换器中至少一者的模拟响应进行修改来控制所述信号路径的模拟响应以减少由于信号路径的增益模式之间切换而导致的存在所述输出信号中的音频伪迹的出现。
23.根据权利要求22所述的装置，其中所述信号路径的增益模式之间的切换指示包括表示所述输出信号的信号的幅度的阈值交叉点。
24.根据权利要求22所述的装置，其中所述控制电路被配置为通过在一段时间内从所述第一模拟增益切换为所述第二模拟增益来控制所述信号路径的模拟响应以减少音频伪迹的出现。
25.根据权利要求22所述的装置，其中所述控制电路被配置为通过当在一段时间内从所述第一模拟增益切换为所述第二模拟增益时对所述可选模拟增益施加反向阶跃响应滤波器来控制所述信号路径的模拟响应以减少音频伪迹的出现。
26.根据权利要求22所述的装置，其中所述信号路径的传递函数使施加于所述模拟输入信号的有效数字增益具有瞬态响应，其中所述控制电路被配置为通过当在所述第一模拟增益和所述第二模拟增益之间切换时对所述可选模拟增益施加所述瞬态响应的近似倒数来控制所述信号路径的模拟响应以减少音频伪迹的出现。
27.一种方法，包括，在信号路径中，该信号路径包括模拟信号路径部分，该模拟信号路径部分具有用于接收模拟输入信号的音频输入、用于提供输出信号的音频输出以及可选模拟增益且被配置为基于所述模拟输入信号并和所述可选模拟增益一致地生成所述输出信号，该信号路径还包括数字信号路径部分，该数字信号路径部分具有可选数字增益且被配置为和所述可选数字增益一致地将数字音频输入信号转换为所述模拟输入信号，其中所述数字信号路径部分包括调制器和数字-模拟转换器：
响应于所述信号路径的增益模式之间的切换指示：
在第一模拟增益和第二模拟增益之间切换所述可选模拟增益；
在第一数字增益和第二数字增益之间切换所述可选数字增益，其中所述第一模拟增益和所述第一数字增益的乘积约等于所述第二模拟增益和所述第二数字增益的乘积；以及
通过在一段时间内为所述数字-模拟转换器的滤波器响应加设旁路而在该段时间内对所述调制器和所述数字-模拟转换器中至少一者的模拟响应进行修改来控制所述信号路径的模拟响应以减少由于信号路径的增益模式之间切换而导致的存在所述输出信号中的音频伪迹的出现。
28.根据权利要求27所述的方法，其中所述信号路径的增益模式之间的切换指示包括表示所述输出信号的信号的幅度的阈值交叉点。
29.根据权利要求27所述的方法，还包括通过在一段时间内从所述第一模拟增益切换为所述第二模拟增益来控制所述信号路径的模拟响应以减少音频伪迹的出现。
30.根据权利要求27所述的方法，还包括通过当在一段时间内从所述第一模拟增益切换为所述第二模拟增益时对所述可选模拟增益施加反向阶跃响应滤波器来控制所述信号路径的模拟响应以减少音频伪迹的出现。
31.根据权利要求27所述的方法，其中所述信号路径的传递函数使施加于所述模拟输入信号的有效数字增益具有瞬态响应，其中所述方法还包括通过当在所述第一模拟增益和所述第二模拟增益之间切换时对所述可选模拟增益施加所述瞬态响应的近似倒数来控制所述信号路径的模拟响应以减少音频伪迹的出现。
32.一种个人音频设备，包括：
音频换能器，被配置为根据由所述音频换能器接收到的输出信号来生成声音；
信号路径，耦合至所述音频换能器，其中所述信号路径包括：
模拟信号路径部分，具有用于接收模拟输入信号的音频输入、用于提供所述输出信号的音频输出以及可选模拟增益，且被配置为基于所述模拟输入信号并和所述可选模拟增益一致地生成所述输出信号；以及
数字信号路径部分，具有可选数字增益且被配置为和所述可选数字增益一致地将数字音频输入信号转换为所述模拟输入信号；
其中所述数字信号路径部分包括调制器和数字-模拟转换器；以及
控制电路，被配置为响应于所述信号路径的增益模式之间的切换指示：
在第一模拟增益和第二模拟增益之间切换所述可选模拟增益；
在第一数字增益和第二数字增益之间切换所述可选数字增益，其中所述第一模拟增益和所述第一数字增益的乘积约等于所述第二模拟增益和所述第二数字增益的乘积；以及
通过在一段时间内为所述数字-模拟转换器的滤波器响应加设旁路而在该段时间内对所述调制器和所述数字-模拟转换器中至少一者的模拟响应进行修改来控制所述信号路径的模拟响应以减少由于信号路径的增益模式之间切换而导致的存在所述输出信号中的音频伪迹的出现。
33.根据权利要求32所述的个人音频设备，其中所述信号路径的增益模式之间的切换指示包括表示所述输出信号的信号的幅度的阈值交叉点。
34.根据权利要求32所述的个人音频设备，其中所述控制电路被配置为通过在一段时间内从所述第一模拟增益切换为所述第二模拟增益来控制所述信号路径的模拟响应以减少音频伪迹的出现。
35.根据权利要求32所述的个人音频设备，其中所述控制电路被配置为通过当在一段时间内从所述第一模拟增益切换为所述第二模拟增益时对所述可选模拟增益施加反向阶跃响应滤波器来控制所述信号路径的模拟响应以减少音频伪迹的出现。
36.根据权利要求32所述的个人音频设备，其中所述信号路径的传递函数使施加于所述模拟输入信号的有效数字增益具有瞬态响应，其中所述控制电路被配置为通过当在所述第一模拟增益和所述第二模拟增益之间切换时对所述可选模拟增益施加所述瞬态响应的近似倒数来控制所述信号路径的模拟响应以减少音频伪迹的出现。
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