CN107359868A - 脉冲密度调制转换电路及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例公开一种脉冲密度调制转换电路，所述电路包括：级联积分器，降采样抽取器和级联梳状滤波器；所述级联积分器用于接收脉冲密度调制(PDM)音频信号，并对所述PDM音频信号进行累加处理，输出各级积分器累加的PDM音频信号给所述降采样抽取器；所述降采样抽取器用于每隔预设间隔抽取所述累加的PDM音频信号；所述级联梳状滤波器用于接收所述降采样抽取器抽取的PDM音频信号，并对所述抽取的PDM音频信号进行减法运算，得到转换后的脉冲编码调制(PCM)音频信号。该电路简化了原级联梳状滤波器的结构复杂性，便于硬件电路实现，减少了资源的占用。本发明实施例还公开一种脉冲密度调制转换方法。
Description
技术领域
本发明涉及信号处理技术，尤其涉及一种脉冲密度调制转换电路及方法。
背景技术
数字麦克风是一种新型的将模拟音频信号转换为数字信号的处理装置，和模拟麦克风相比，具有抗干扰能力强、高信噪比、低失真度的优点。数字麦克风的输出信号一般是脉冲密度调制(pulse density modulation，PDM)的形式。但由于PDM格式的推广时间晚于脉冲编码调制(Pulse code modulation，PCM)，造成目前大多数音频处理和播放设备都只支持PCM，所以从数字麦克风得到的PDM音频信号需要转换为PCM音频信号，以便常规的处理或应用。
现有的PDM转PCM的方法有级联积分梳状(cascade integrator comb，CIC)滤波，图1为现有的级联积分梳状(CIC)滤波结构示意图，如图1所示，该级联积分梳状(CIC)滤波由级联积分器n-1、级联梳状滤波器n-D、以及降采样抽取R组成。图2为现有的梳状滤波部分等效结构图，如图2所示，级联梳状滤波器n-D可以等效为多个延迟单元Z(图2中以32个延迟单元为例进行说明)。级联积分梳状(CIC)滤波中降采样率R等于级联梳状滤波器的差分延时D。PDM音频信号从级联积分器之前输入，经过级联梳状滤波器和降采样抽取过程，从降采样抽取输出后，就转换为PCM音频信号。
由图2可知，现有的级联积分梳状(CIC)滤波中的级联梳状滤波器阶数较大，资源占用大。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明实施例期望提供一种脉冲密度调制转换电路及方法，用以简化滤波器结构，便于硬件电路实现，减少资源的占用。
本发明的技术方案是这样实现的：
本发明实施例提供一种脉冲密度调制转换电路，所述电路包括：级联积分器，降采样抽取器和级联梳状滤波器；
所述级联积分器用于接收脉冲密度调制PDM音频信号，并对所述PDM音频信号进行累加处理，输出各级积分器累加的PDM音频信号给所述降采样抽取器；
所述降采样抽取器用于每隔预设间隔抽取所述累加的PDM音频信号；
所述级联梳状滤波器用于接收所述降采样抽取器抽取的PDM音频信号，并对所述抽取的PDM音频信号进行减法运算，得到转换后的脉冲编码调制PCM音频信号。
上述方案中，所述级联梳状滤波器的时延为级联梳状滤波器的原延时与所述降采样抽取器的降采样率的比值。
上述方案中，所述各级积分器累加的PDM音频信号经所述降采样抽取器进行抽取后的输出为：
当n等于N*R时，输出为第n级积分器累加的PDM音频信号，否则，当n不等于N*R时，输出为0；其中，N为所述级联梳状滤波器的时钟频率，R表示R倍降采样，n为积分器所在的级数。
上述方案中，所述级联积分器的时钟频率为所述级联梳状滤波器的时钟频率和所述降采样率的乘积。
上述方案中，所述级联梳状滤波器包括M级延时器和M级减法器；其中，所述M为正整数；
当所述M大于等于2时，所述第M级延时器用于保存第M-1级减法器的运算结果；当所述M等于1时，所述第1级延时器用于保存所述抽取的PDM音频信号；
所述第M级减法器用于将抽取的第M个PDM音频信号和第M-1个音频信号进行减法运算。
本发明实施例还提供一种脉冲密度调制转换方法，所述方法包括：
级联积分器接收脉冲密度调制PDM音频信号，对所述PDM音频信号进行累加处理并输出各级积分器累加的PDM音频信号给所述降采样抽取器；
降采样抽取器接收所述累加的PDM音频信号，并每隔预设间隔抽取所述累加的PDM音频信号；
级联梳状滤波器接收所述降采样抽取器抽取的PDM音频信号，并对所述抽取的PDM音频信号进行减法运算，得到转换后的脉冲编码调制PCM音频信号。
上述方案中，所述级联梳状滤波器的时延为级联梳状滤波器的原延时与所述降采样抽取器的降采样率的比值。
上述方案中，所述降采样抽取器接收所述累加的PDM音频信号，并每隔预设间隔抽取所述累加的PDM音频信号具体为：
当n等于N*R时，所述降采样抽取器抽取第n级积分器累加的PDM音频信号作为所述降采样抽取器的输出，否则，当n不等于N*R时，所述降采样抽取器的输出为0；其中，N为所述级联梳状滤波器的时钟频率，R表示R倍降采样，n为积分器所在的级数。
上述方案中，所述级联积分器的时钟频率为所述级联梳状滤波器的时钟频率和所述降采样率的乘积。
上述方案中，所述级联梳状滤波器包括M级延时器和M级减法器；其中，所述M为正整数；
相应的，级联梳状滤波器接收所述降采样抽取器抽取的PDM音频信号，并对所述抽取的PDM音频信号进行减法运算，得到转换后的脉冲编码调制PCM音频信号为：
当所述M大于等于2时，第M级减法器将抽取的第M个PDM音频信号和抽取的第M-1个音频信号进行减法运算，得到转换后的脉冲编码调制PCM音频信号，并将所述第M-1级减法器的运算结果保存在第M级延时器中；
当所述M等于1时，将所述降采样抽取器抽取的PDM音频信号保存在第1级延时器中。
本发明实施例提供了一种脉冲密度调制转换电路及方法，包括级联积分器，降采样抽取器和级联梳状滤波器；该级联积分器用于接收脉冲密度调制PDM音频信号，并对PDM音频信号进行累加处理，输出各级积分器累加的PDM音频信号给降采样抽取器；降采样抽取器用于每隔预设间隔抽取累加的PDM音频信号，级联梳状滤波器用于所述降采样抽取器抽取的PDM音频信号，并对抽取的PDM音频信号进行减法运算，得到转换后的脉冲编码调制PCM音频信号。该转换电路通过将降采样抽取器R，前移到级联积分器和级联梳状滤波器中间，使得级联梳状滤波器的差分延时D仅为原结构的1/R，大大简化了原级联梳状滤波器的结构复杂性，便于硬件电路实现，减少了资源的占用。
附图说明
图1为现有的级联积分梳状(CIC)滤波结构示意图；
图2为现有的梳状滤波部分等效结构图；
图3为本发明实施例提供的PDM音频信号转换电路的结构示意图；
图4为本发明实施例提供的PDM音频信号转换电路的框图；
图5为本发明实施例提供的级联梳状滤波器的等效结构示意图；
图6为PDM音频信号转为PCM音频信号的二级级联流程示意图；
图7为PDM音频信号转为PCM音频信号的二级级联电路图；
图8为本发明实施例提供的PDM音频信号转换方法的流程示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
本发明实施例的脉冲密度调制转换电路，将现有的级联积分梳状滤波中的降采样抽取部分，从处理结构的最后一级，前移到积分滤波和梳状滤波中间进行改进，这样改进后，梳状滤波的差分延时D仅为原结构的1/R，大大简化了梳状滤波器的结构复杂性。
图3为本发明实施例提供的PDM音频信号转换电路的结构示意图，如图3所示，该电路包括：
级联积分器11，降采样抽取器12和级联梳状滤波器13；
所述级联积分器11用于接收脉冲密度调制PDM音频信号，并对所述PDM音频信号进行累加处理，输出各级积分器累加的PDM音频信号给所述降采样抽取器；
所述降采样抽取器12用于每隔预设间隔抽取所述累加的PDM音频信号；
所述级联梳状滤波器13用于接收所述降采样抽取器抽取的PDM音频信号，并对所述抽取的PDM音频信号进行减法运算，得到转换后的脉冲编码调制PCM音频信号。
需要说明的是，在摘要附图中，11对应级联积分器，12对应降采样抽取器，13对应级联梳状滤波器。
具体的，PDM音频信号从级联积分器之前输入，经过降采样抽取器，从级联梳状滤波器之后输出。具体步骤如下：
(1)PDM音频信号从级联积分器之前输入，设级联积分器的时延为1，即每一级积分器的当前输出等于当前输入与上一次输出之和。即:
y(n)＝x(n)+y(n-1)
其中，x(n)为级联积分器的第n级输入，y(n-1)为级联积分器的第(n-1)级输出，y(n)为级联积分器的第n级输出，1表示级联积分器的时延为1，n表示各个积分器所在的级数，n＝1,2,3,…。
(2)经过步骤(1)处理后的PDM音频信号从级联积分器输出后，经过R倍降采样抽取器，数据个数变为原来个数的1/R，即降采样抽取器每隔预设间隔抽取累加值，这里预设间隔为N*R。降采样抽取器可以通过时钟频率的变化来实现：设级联积分器所用的工作时钟频率为T，级联梳状滤波器所用的工作时钟频率为N，并且满足n＝T＝N*R，那么进入级联梳状滤波器的数据个数，就是从级联积分器输出的数据个数的1/R。用公式表示如下：
其中，N为级联梳状滤波器的时钟频率，R表示R倍降采样，n为积分器所在的级数，n＝N*R，n′为降采样抽取器的输出结果编号，n′＝1,2…，y(n)为第n级积分器的输出，y(n′)为降采样抽取器的第n′个输出。
该公式表示，各级积分器累加的PDM音频信号经降采样抽取器进行抽取后的输出为：
当n等于N*R时，输出为第n级积分器累加的PDM音频信号，否则，当n不等于N*R时，输出为0；其中，N为级联梳状滤波器的时钟频率，R表示R倍降采样，n为积分器所在的级数。
(3)经过步骤(2)处理后的PDM音频信号从降采样抽取器输出后，进入级联梳状滤波器，级联梳状滤波器的时延由于降采样抽取器的前移而大大减小，例如，假设改进前级联梳状滤波器的时延为32，降采样率为32，那么输入输出关系表示为：
z(n″)＝y(n′)-y(n′-32)
其中，y(n′)为降采样抽取器的第n′个输出，y(n′-32)为降采样抽取器的第(n′-32)个输出，z(n″)为级联梳状滤波器的第n″个输出，n″＝1,2,…。
改进后级联梳状滤波器的时延为原时延与降采样抽取器的降采样率的比值，也就是1，输入输出关系表示为：
z(n″)＝y(n′)-y(n′-1）
由此可知，改进后，级联梳状滤波器的时延由32降为1，即只需要保存至少一个数据，与改进前的需要保存至少32个数据相比，改进后级联梳状滤波器的时延减小了很多，在实际电路中意味着所需要保存数据的个数大大减小，也就简化了电路结构和占用的资源。
图4为本发明实施例提供的PDM音频信号转换电路的框图，如图4所示，该转换电路包括：级联积分器11，降采样抽取器12和级联梳状滤波器13。级联积分器11用于接收PDM音频信号，并对该PDM音频信号进行累加处理，将各级积分器累加的PDM音频信号输出给降采样抽取器12；降采样抽取器12用于每隔预设间隔抽取累加的PDM音频信号，并将抽取的PDM音频信号输出给级联梳状滤波器13进行处理，级联梳状滤波器13对抽取的PDM音频信号进行减法运算，得到转换后的PCM音频信号。上述预设间隔根据系统和用户需求进行设置，此处不再赘述。
其中，级联积分器11的输入端接收PDM音频信号，级联积分器11的输出端和降采样抽取器12的输入端连接，降采样抽取器12的输出端和级联梳状滤波器13的输入端连接，级联梳状滤波器13的输出端输出转换后的PCM音频信号。
本实施例的脉冲密度调制转换电路，包括级联积分器，降采样抽取器和级联梳状滤波器；PDM音频信号从级联积分器之前输入，依次经过级联积分器、降采样抽取器、级联梳状滤波器处理后，从级联梳状滤波器之后输出。该电路中，通过将原级联积分梳状滤波中的降采样抽取器，从处理结构的最后一级，前移到级联积分器和级联梳状滤波器中间，使得级联梳状滤波器的差分延时D仅为原级联积分梳状滤波结构的1/R，减少了梳状滤波器的级联级数，方便硬件实现，简化结构，节省资源。
图5为本发明实施例提供的级联梳状滤波器的等效结构示意图，如图5所示，对比图2和图4可知，假设差分延时D和降采样倍数R均为32，则改进前的PDM音频信号转换电路需要32级延迟单元，而改进后PDM音频信号转换电路仅需要1级延迟单元。
通过验证，降采样抽取器12，在处理结构的最后一级所对应的系统函数，和在级联积分器11与级联梳状滤波器13中间所对应的系统函数，均等与同一个滑动平均滤波器的系统函数，所以通过将降采样抽取器12前移，既简化了电路结构，又可以保证处理效果和没有前移的相同。
进一步的，所述级联梳状滤波器的时延为级联梳状滤波器的原延时与所述降采样抽取器的降采样率的比值。
进一步的，所述各级积分器累加的PDM音频信号经所述降采样抽取器进行抽取后的输出为：
当n等于N*R时，输出为第n级积分器累加的PDM音频信号，否则，当n不等于N*R时，输出为0；其中，N为所述级联梳状滤波器的时钟频率，R表示R倍降采样，n为积分器所在的编号。
进一步的，所述级联积分器的时钟频率为所述级联梳状滤波器的时钟频率和所述降采样率的乘积。
进一步的，所述级联梳状滤波器包括M级延时器和M级减法器；其中，所述M为正整数；
当所述M大于等于2时，所述第M级延时器用于保存第M-1级减法器的运算结果；当所述M等于1时，所述第1级延时器用于保存所述抽取的PDM音频信号；
所述第M级减法器用于将抽取的第M个PDM音频信号和第M-1个音频信号进行减法运算。
图6为PDM音频信号转为PCM音频信号的二级级联流程示意图；如图6所示，PDM音频信号依次经过两级积分器I、降采样抽取器R和两级梳状滤波器C后，转换为PCM音频信号。
图7为PDM音频信号转为PCM音频信号的二级级联电路图，如图7所示，积分器I由积分器和延时器组成，梳状滤波器C由延时器和减法器组成。
图8为本发明实施例提供的PDM音频信号转换方法的流程示意图，如图8所示，所述方法包括：
步骤101：级联积分器接收脉冲密度调制PDM音频信号，对PDM音频信号进行累加处理并输出各级积分器累加的PDM音频信号给降采样抽取器。
在本步骤中，PDM音频信号从级联积分器之前输入，各级积分器接收到该PDM音频信号后，依次对PDM音频信号进行累加处理。具体的，PDM音频信号从级联积分器输入后，每一级积分器的当前输出等于当前输入与上一次输出之和。用公式y(n)＝x(n)+y(n-1)来表示，其中，x(n)为级联积分器的第n级输入，y(n-1)为级联积分器的第(n-1)级输出，y(n)为级联积分器的第n级输出，1表示级联积分器的时延为1，n表示各个积分器所在的级数，n＝1,2,3,…。
步骤102：降采样抽取器接收累加的PDM音频信号，并每隔预设间隔抽取累加的PDM音频信号。
在本步骤中，降采样抽取器接收上述级联积分器处理后输出的累加的PDM音频信号，并对该累加的PDM音频信号进行R倍降采样抽取过程，经过R倍降采样抽取，数据个数变为原来个数的1/R，并得到抽取的PDM音频信号。具体的降采样处理过程及输出结果在上述实施例中已详细说明，此处不再赘述。
步骤103：级联梳状滤波器接收降采样抽取器抽取的PDM音频信号，并对抽取的PDM音频信号进行减法运算，得到转换后的脉冲编码调制PCM音频信号。
在本步骤中，级联梳状滤波器接收步骤102降采样抽取器抽取的PDM音频信号，并对该抽取的PDM音频信号经梳状滤波器处理，具体的对抽取的PDM音频信号按照公式z(n″)＝y(n′)-y(n′-1)进行减法运算，得到转换后的PCM音频信号。其中，N为级联梳状滤波器的时钟频率，R表示R倍降采样，n为积分器所在的级数，n＝N*R，n′为降采样抽取器的输出结果编号，n′＝1,2…，y(n)为第n级积分器的输出，y(n′)为降采样抽取器的第n′个输出。级联梳状滤波器的时延由于降采样抽取器的前移而大大减小，级联梳状滤波器的时延为原时延与降采样抽取器的降采样率的比值。
本实施例的脉冲密度调制转换方法，PDM音频信号从级联积分器之前输入，依次经过级联积分器、降采样抽取器、级联梳状滤波器处理后，从级联梳状滤波器之后输出。该方法中，通过将原级联积分梳状滤波中的降采样抽取器的处理过程，从处理结构的最后一级，前移到级联积分器和级联梳状滤波器中间，使得级联梳状滤波器的差分延时D仅为原级联积分梳状滤波结构的1/R，减少了梳状滤波器的级联级数，方便硬件实现，简化结构，节省资源。
进一步的，所述级联梳状滤波器的时延为级联梳状滤波器的原延时与所述降采样抽取器的降采样率的比值。
进一步的，所述降采样抽取器接收所述累加的PDM音频信号，并每隔预设间隔抽取所述累加的PDM音频信号具体为：
当n等于N*R时，所述降采样抽取器抽取第n级积分器累加的PDM音频信号作为所述降采样抽取器的输出，否则，当n不等于N*R时，所述降采样抽取器的输出为0；其中，N为所述级联梳状滤波器的时钟频率，R表示R倍降采样，n为积分器所在的级数。
进一步的，所述级联积分器的时钟频率为所述级联梳状滤波器的时钟频率和所述降采样率的乘积。
进一步的，所述级联梳状滤波器包括M级延时器和M级减法器；其中，所述M为正整数；
相应的，级联梳状滤波器接收所述降采样抽取器抽取的PDM音频信号，并对所述抽取的PDM音频信号进行减法运算，得到转换后的脉冲编码调制PCM音频信号为：
当所述M大于等于2时，第M级减法器将抽取的第M个PDM音频信号和抽取的第M-1个音频信号进行减法运算，得到转换后的脉冲编码调制PCM音频信号，并将所述第M-1级减法器的运算结果保存在第M级延时器中；
当所述M等于1时，将所述降采样抽取器抽取的PDM音频信号保存在第1级延时器中。
本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用硬件实施例、软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器和光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种脉冲密度调制转换电路，其特征在于，所述电路包括：级联积分器，降采样抽取器和级联梳状滤波器；
所述级联积分器用于接收脉冲密度调制PDM音频信号，并对所述PDM音频信号进行累加处理，输出各级积分器累加的PDM音频信号给所述降采样抽取器；
所述降采样抽取器用于每隔预设间隔抽取所述累加的PDM音频信号；
所述级联梳状滤波器用于接收所述降采样抽取器抽取的PDM音频信号，并对所述抽取的PDM音频信号进行减法运算，得到转换后的脉冲编码调制PCM音频信号。
2.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述级联梳状滤波器的时延为级联梳状滤波器的原延时与所述降采样抽取器的降采样率的比值。
3.根据权利要求2所述的电路，其特征在于，所述各级积分器累加的PDM音频信号经所述降采样抽取器进行抽取后的输出为：
当n等于N*R时，输出为第n级积分器累加的PDM音频信号，否则，当n不等于N*R时，输出为0；其中，N为所述级联梳状滤波器的时钟频率，R表示R倍降采样，n为积分器所在的级数。
4.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述级联积分器的时钟频率为所述级联梳状滤波器的时钟频率和所述降采样率的乘积。
5.根据权利要求1～4任一项所述的电路，其特征在于，所述级联梳状滤波器包括M级延时器和M级减法器；其中，所述M为正整数；
当所述M大于等于2时，所述第M级延时器用于保存第M-1级减法器的运算结果；当所述M等于1时，所述第1级延时器用于保存所述抽取的PDM音频信号；
所述第M级减法器用于将抽取的第M个PDM音频信号和第M-1个音频信号进行减法运算。
6.一种脉冲密度调制转换方法，其特征在于，所述方法包括：
级联积分器接收脉冲密度调制PDM音频信号，对所述PDM音频信号进行累加处理并输出各级积分器累加的PDM音频信号给所述降采样抽取器；
降采样抽取器接收所述累加的PDM音频信号，并每隔预设间隔抽取所述累加的PDM音频信号；
级联梳状滤波器接收所述降采样抽取器抽取的PDM音频信号，并对所述抽取的PDM音频信号进行减法运算，得到转换后的脉冲编码调制PCM音频信号。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述级联梳状滤波器的时延为级联梳状滤波器的原延时与所述降采样抽取器的降采样率的比值。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述降采样抽取器接收所述累加的PDM音频信号，并每隔预设间隔抽取所述累加的PDM音频信号具体为：
当n等于N*R时，所述降采样抽取器抽取第n级积分器累加的PDM音频信号作为所述降采样抽取器的输出，否则，当n不等于N*R时，所述降采样抽取器的输出为0；其中，N为所述级联梳状滤波器的时钟频率，R表示R倍降采样，n为积分器所在的级数。
9.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述级联积分器的时钟频率为所述级联梳状滤波器的时钟频率和所述降采样率的乘积。
10.根据权利要求6～9任一项所述的方法，其特征在于，所述级联梳状滤波器包括M级延时器和M级减法器；其中，所述M为正整数；
相应的，级联梳状滤波器接收所述降采样抽取器抽取的PDM音频信号，并对所述抽取的PDM音频信号进行减法运算，得到转换后的脉冲编码调制PCM音频信号为：
当所述M大于等于2时，第M级减法器将抽取的第M个PDM音频信号和抽取的第M-1个音频信号进行减法运算，得到转换后的脉冲编码调制PCM音频信号，并将所述第M-1级减法器的运算结果保存在第M级延时器中；
当所述M等于1时，将所述降采样抽取器抽取的PDM音频信号保存在第1级延时器中。
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