CN107408947B - 用于压缩数字信号的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

一种系统可以包括德尔塔‑西格玛模数转换器和数字压缩电路。德尔塔‑西格玛模数转换器可以包括环路滤波器，其具有环路滤波器输入，配置为接收输入信号并且响应于输入信号产生中间信号，多位量化器，配置为将中间信号量化成未压缩数字输出信号，以及反馈数模转换器，其具有反馈输出，配置为响应于未压缩数字输出信号产生反馈输出信号以便于在环路滤波器输入将输入信号与反馈输出信号组合。数字压缩电路可以配置为接收未压缩数字输出信号并且将未压缩数字输出信号压缩成已压缩数字输出信号，其比未压缩数字输出信号具有更少的量化电平。

Description

用于压缩数字信号的系统和方法
相关申请
本发明要求2015年6月22日提交的美国专利申请序列号No.14/745,795的优先权，其要求2014年6月25日提交的美国临时专利申请序列号No.62/016,881的优先权，它们每个以它的整体通过参考并入本文。
技术领域
本发明总体上涉及音频系统，并且更具体地涉及压缩在音频系统中的数字信号。
背景技术
麦克风普遍存在于由个人使用的许多设备中，包括计算机、平板电脑、智能手机、以及许多其他消费设备。总体而言，麦克风是电声变换器，其响应于由声音事件在麦克风上导致的麦克风一部分(例如膜片或其他结构)的偏转而产生电信号。
在数字麦克风系统中，麦克风变换器的模拟输出信号可以由模数转换器处理来将模拟输出信号转换成数字输出信号，其可以在总线上发送给数字音频处理器用于进一步处理。通过在总线上发送数字信号而不是模拟信号，音频信号可以更不易受噪声影响。
为了充分地再现具有足够质量的音频信号，数字输出信号可以具有多个量化电平，多个量化电平会需要大数量的数字位，以便每个量化电平由对应数字代码表示。可能不期望发送具有许多位和/或具有在数字总线、特别是串行数字总线上改变频率的位的数字代码，由于通信吞吐量会随着在数字代码中的位数量增加而下降。
发明内容
根据本发明的教导，可以减少或消除与数字信号的通信相关的某些缺点和问题。
根据本发明的实施例，一种系统可以包括德尔塔-西格玛模数转换器和数字压缩电路。德尔塔-西格玛模数转换器可以包括环路滤波器，其具有环路滤波器输入，配置为接收输入信号并且响应于输入信号产生中间信号，多位量化器，配置为将中间信号量化成未压缩数字输出信号，以及反馈数模转换器，其具有反馈输出，配置为响应于未压缩数字输出信号产生反馈输出信号以便于在环路滤波器输入将输入信号与反馈输出信号组合。数字压缩电路可以配置为接收未压缩数字输出信号并且将未压缩数字输出信号压缩成已压缩数字输出信号，其比未压缩数字输出信号具有更少的量化电平。
根据本发明的这些和其他实施例，一种方法可以包括在环路滤波器输入接收模拟输入信号并且响应于输入信号滤波模拟输入信号以产生中间信号。该方法可以还包括将中间信号量化成未压缩数字输出信号。该方法可以还包括将未压缩数字输出信号转换成已压缩数字输出信号以便于在环路滤波器输入将输入信号与反馈输出信号组合。该方法可以附加地包括将未压缩数字输出信号压缩成已压缩数字输出信号，其比未压缩数字输出信号具有更少的量化电平。
根据本发明的这些和其他实施例，一种集成电路可以包括变换器，德尔塔-西格玛模数转换器，数字压缩电路和数字处理电路。变换器可以配置为产生指示由变换器测量的物理数量的输入信号。德尔塔-西格玛模数转换器可以包括环路滤波器，其具有环路滤波器输入，配置为接收输入信号并且响应于输入信号产生中间信号，多位量化器，配置为将中间信号量化成未压缩数字输出信号，以及反馈数模转换器，其具有反馈输出，配置为响应于未压缩数字输出信号产生反馈输出信号以便于在环路滤波器输入将输入信号与反馈输出信号组合。数字压缩电路可以配置为接收未压缩数字输出信号并且将未压缩数字输出信号压缩成已压缩数字输出信号，其比未压缩数字输出信号具有更少的量化电平。数字处理电路可以配置为处理未压缩数字输出信号和已压缩数字输出信号的至少一个以确定输入信号的特征。
从本文包括的附图、描述和权利要求，本发明的技术优点对本领域的技术人员来说会是显而易见的。本发明的目的和优点将至少由特别是在权利要求中指出的元件、特征和组合来实现和实施。
可以理解前面的总体描述和下面的详细描述都是解释性示例并且不限制在本发明中提出的权利要求。
附图说明
本发明实施例和其中优点的更完整理解可以通过参考下面关联附图的描述来获得，其中相同参考标记指示相同特征，并且其中：
图1图示根据本发明实施例的示例系统的选定部件的方框图；
图2图示根据本发明实施例的示例转换图，指示多位量化器的转换统计；
图3A和图3B每个图示可以代替在图1示出的系统的一部分使用的选定部件的方框图；以及
图4图示根据本发明实施例的另一个示例系统的选定部件的方框图。
具体实施方式
图1图示根据本发明实施例的示例系统100的选定部件的方框图。如图1所示，系统100可以包括变换器102，德尔塔-西格玛模数转换器(ADC)104，外部数字压缩电路106，数字处理电路108，驱动器110，存储器112，错误恢复电路114，以及数字音频处理器116。
变换器102可以包括配置为感测物理数量并且将该物理数量转换成指示该物理数量的电模拟信号ANALOG_IN的任何系统，设备或装置。例如，在一些实施例中，变换器102可以包括麦克风变换器，配置为产生指示在麦克风变换器上的音频声音事件的输入信号ANALOG_IN，其中该声音利用隔膜或膜片转换成电信号，隔膜或膜片具有基于在隔膜或膜片处接收的声振动而变化的电容。在该实施例中，变换器102可以包括静电麦克风，电容式麦克风，驻极体麦克风，微机电系统(MEMS)麦克风，或者任何其他合适电容性麦克风。在其他实施例中，变换器102可以包括地震数据获取装置，例如用于产生指示地震检波器感测的加速度的输入信号ANALOG_IN的地震检波器。
德尔塔-西格玛ADC 104可以包括配置为将在它的输入接收的模拟输入信号ANALOG_IN转换成代表模拟输入信号ANALOG_IN的未压缩数字输出信号DIGITAL_UN的任何适当的系统，设备或装置。如图1所示，德尔塔-西格玛ADC 104可以包括环路滤波器118，多位量化器120，动态元件匹配电路(DEM)124，数模转换器(DAC)126，以及延迟模块122。
环路滤波器118可以包括用于产生在模拟输入信号ANALOG_IN与模拟反馈信号ANALOG_FB之间的差值的输入求和器130，以及一个或多个积分器级128，以便环路滤波器118操作为等于在模拟输入信号ANALOG_IN与模拟反馈信号ANALOG_FB之间的差值的误差信号的模拟滤波器，并且基于模拟输入信号ANALOG_IN和模拟反馈信号ANALOG_FB(例如，在模拟输入信号ANALOG_IN与模拟反馈信号ANALOG_FB之间的差值或误差)产生已滤波输出模拟信号给多位量化器120。
多位量化器120可以包括配置为从环路滤波器118接收已滤波输出模拟信号、并且将已滤波输出模拟信号转换成具有多个量化电平(例如超过4个)的未压缩数字输出信号DIGITAL_UN的任何系统，设备或装置，如现有技术已知。在一些实施例中，未压缩数字输出信号DIGITAL_UN可以是长度为M的信号，其中M是正整数。在具体实施例中，M可以大于或等于3。
数字反馈信号DIGITAL_INT可以由延迟模块122延迟并且通过DEM电路124和DAC126反馈以产生模拟反馈信号ANALOG_FB。
外部数字压缩电路106可以包括配置为接收未压缩数字输出信号DIGITAL_UN并且将未压缩数字输出信号DIGITAL_UN压缩成具有比未压缩数字输出信号DIGITAL_UN更少的量化电平的已压缩数字输出信号DIGITAL_COMP的任何系统，设备或装置，如在本发明中其他地方更详细描述。例如，在一些实施例中，未压缩数字输出信号DIGITAL_UN可以包括M位，并且外部数字压缩电路106可以将未压缩数字输出信号DIGITAL_UN压缩成包括N位的已压缩数字输出信号DIGITAL_COMP，其中M和N每个是正整数，并且M大于N。
在一些实施例中，基于多位量化器120的变换统计和未压缩数字输出信号DIGITAL_UN选定外部数字压缩电路106用于将未压缩数字输出信号DIGITAL_UN压缩成已压缩数字输出信号DIGITAL_COMP的函数。例如，简单地转到图2，描述的是用于由特定特征的模拟输入信号ANALOG_IN(例如，由数字麦克风产生的音频带信号)的多位量化器120输出的未压缩数字输出信号DIGITAL_UN的示例变换图表200。变换图表200的节点代表在未压缩数字输出信号DIGITAL_UN的连续采样中的量化电平的差值。变换图表200的导向边缘可以代表量化电平变换，其可以基于在最近采样与紧接在最近采样之前发生的采样之间的先前量化电平变换在当前采样与最近采样之间发生，并且在变换图表的导向边缘上的权重(例如，w0,0,w0,1,w0,-1,w1,0,w1,1,w1,-1,w1,-2,w-1,0,w-1,-1,w-1,1,w-1,2,w2,-1,w-2,1)可以代表预定变换可以基于多位量化器120的统计和/或未压缩数字输出信号DIGITAL_UN发生的概率或可能性。例如，在示例变换图表200中，当在未压缩数字输出信号DIGITAL_UN中发生0的量化电平变换，下一个量化电平变换可以是0，-1或+1。附加地，当在未压缩数字输出信号DIGITAL_UN中发生+1的量化电平变换，下一个量化电平变换可以是0，-1，+1或-2。相似地，当在未压缩数字输出信号DIGITAL_UN中发生-1的量化电平变换，下一个量化电平变换可以是0，-1，+1或+2。此外，当在未压缩数字输出信号DIGITAL_UN中发生+2的量化电平变换，下一个量化电平变换可以是-1或-2，并且当在未压缩数字输出信号DIGITAL_UN中发生-2的量化电平变换，下一个量化电平变换可以是+1，或+2。因此，在变换图表200中没有节点具有超过4个从它开始的导向边缘，并且因此可以将未压缩数字输出信号DIGITAL_UN的各个量化电平(例如，在脉冲密度调制信号中由4位表示的16个量化电平)编码成两位变换信息。可以由于环路滤波器118和/或变换器102的带限属性限制来自某个当前量化电平变换的下一个量化电平变换的极限。例如，由于环路滤波器118和/或变换器102的带限属性，多位量化器120可以不被指令为紧接在以一个量化电平增加之后就以两个量化电平增加。因而，外部数字压缩电路106用于将未压缩数字输出信号DIGITAL_UN压缩成已压缩数字输出信号DIGITAL_COMP的函数可以将在未压缩数字输出信号DIGITAL_UN的连续采样的未压缩数字输出信号DIGITAL_UN的量化电平之间的可能变换限制到未压缩数字输出信号DIGITAL_UN的量化电平的子集。
因此，对于具有由变换图表200代表的变换统计的未压缩数字输出信号DIGITAL_UN，外部数字压缩电路106可以具有四个不同量化电平，每个由如在下面表1中所示的2位代码代表：
Figure GDA0001603439870000091
表1
此外，对于具有由变换图表200代表的变换统计的未压缩数字输出信号DIGITAL_UN，外部数字压缩电路106可以保持状态变量DIRECTION，其指示最后的变换是否是未压缩数字输出信号DIGITAL_UN的增加或减小。因此，如果未压缩数字输出信号DIGITAL_UN的当前采样比先前采样大并且变量DIRECTION具有指示最后的变换是未压缩数字输出信号DIGITAL_UN增加的值“UP”，那么对应于INCDEC的输出代码可以输出为已压缩数字输出信号DIGITAL_COMP，由于未压缩数字输出信号DIGITAL_UN不在两个电平之间切换并且不保持为它的当前值。相似地，如果未压缩数字输出信号DIGITAL_UN的当前采样比先前采样小并且变量DIRECTION具有指示最后的变换是未压缩数字输出信号DIGITAL_UN减小的值“DOWN”，那么对应于INCDEC的输出代码可以输出为已压缩数字输出信号DIGITAL_COMP，由于未压缩数字输出信号DIGITAL_UN不在两个电平之间切换并且不保持为它的当前值。
对于具有由变换图表200代表的变换统计的未压缩数字输出信号DIGITAL_UN，并且外部数字压缩电路106应用如上面关于表1描述的函数，下面表2提出由外部数字压缩电路106应用的示例算法/函数，其中v[n]代表未压缩数字输出信号DIGITAL_UN的第n个采样的值，y[n]代表响应于接收v[n]输出的已压缩数字输出信号DIGITAL_COMP的采样，并且DIRECTION[n]代表响应于接收v[n]计算的DIRECTION的值：
v[n]-v[n-1] DIRECTION[n-1] y[n] DIRECTION[n]
0 DOWN HOLD DOWN
0 UP HOLD UP
-1 DOWN TOGGLE1 DOWN
-1 UP INCDEC DOWN
+1 DOWN INCDEC UP
+1 UP TOGGLE1 UP
-2 DOWN TOGGLE2 DOWN
+2 UP TOGGLE2 UP
表2
不同但相似的算法/函数可以应用到具有更多个量化电平的多位量化器120和/或应用到具有不同于上面所示的变换统计的未压缩数字输出信号DIGITAL_UN。此外，该不同但相似的算法/函数可以给已压缩数字输出信号DIGITAL_COMP提供超过上面描述的那些的附加量化电平(例如，对应于INCDEC2，INCDEC3，TOGGLE3，TOGGLE4变换的输出代码)。因此，可以基于多位量化器的变换统计选定外部数字压缩电路106用于将未压缩数字输出信号DIGITAL_UN压缩成已压缩数字输出信号DIGITAL_COMP的函数。
并且，如上所见，对于未压缩数字输出信号DIGITAL_UN的每个预定采样，外部数字压缩电路106可以基于多位量化器120的变换统计产生已压缩数字输出信号DIGITAL_COMP的对应采样。例如，在上面示例中，响应于接收未压缩数字输出信号DIGITAL_UN产生的已压缩数字输出信号DIGITAL_COMP的采样可以是不仅基于未压缩数字输出信号DIGITAL_UN的对应采样，而且是基于未压缩数字输出信号DIGITAL_UN的先前采样，如由状态变量DIRECTION代表。然而，不同但相似的算法/函数可以应用到具有更多个量化电平的多位量化器120和/或应用到具有不同于上面所示的变换统计的未压缩数字输出信号DIGITAL_UN以基于未压缩数字输出信号DIGITAL_UN的超过两个最近采样产生已压缩数字输出信号DIGITAL_COMP。
在一些实施例中，基于多位量化器120的变换统计选定外部数字压缩电路106用于将未压缩数字输出信号压缩成已压缩数字输出信号的函数以便于最小化外部数字压缩电路106的N位的变换频率。例如，如果变换统计指示，已压缩数字输出信号DIGITAL_COMP指示大量时间的HOLD和TOGGLE1变换，外部数字压缩电路106的函数可以提供，用于HOLD和TOGGLE1的输出代码是这样的，当由已压缩数字输出信号DIGITAL_COMP指示的变换从HOLD改变到TOGGLE1或者反之亦然，仅一位的已压缩数字输出信号DIGITAL_COMP变换。因此，在该示例中，如果HOLD由代码“00”代表，“TOGGLE1”可以由输出代码“01”或“10”代表，以便当由已压缩数字输出信号DIGITAL_COMP指示的变换从HOLD改变到TOGGLE1或者反之亦然，仅一位的已压缩数字输出信号DIGITAL_COMP变换。通过以这样的方式最小化已压缩数字输出信号DIGITAL_COMP的变换数量，可以最小化与生产和发送数字输出信号DIGITAL_COMP相关的功率消耗。
此外，在这些和其他实施例中，外部数字压缩电路106的函数可以限制在未压缩数字输出信号DIGITAL_UN的连续采样的未压缩数字输出信号DIGITAL_UN的量化电平之间的可能变换，如上所述，以便压缩是无损失的(例如，由数字处理器116重构的信号等同于未压缩数字输出信号DIGITAL_UN)。在其中压缩不是没有损失的其他实施例中，限制在未压缩数字输出信号DIGITAL_UN的连续采样的未压缩数字输出信号DIGITAL_UN的量化电平之间的可能变换也可以最小化对信号的衰减，以便压缩失真最小或者在感兴趣频带之外(例如，在人类听力范围之外)。
在一些实施例中，由外部数字压缩电路106应用来将未压缩数字输出信号压缩成已压缩数字输出信号的函数可以在封装或运输到意向终端用户之前是静态的并且基于系统100或其一部分的特征化和测试确定的，利用系统100要使用在其中的应用类型预期的模拟输入信号ANALOG_IN的波形。在其他实施例中，函数可以基于模拟输入信号ANALOG_IN的特征由数字处理电路108动态地选择，如下描述。
再次转到图1，数字处理电路108可以包括配置来处理未压缩数字输出信号DIGITAL_UN和已压缩数字输出信号DIGITAL_COMP至少一个以确定模拟输入信号ANALOG_IN的特征的任何系统，设备或装置。例如，在其中变换器102包括麦克风的一些实施例中，数字处理电路108可以包括处理未压缩数字输出信号DIGITAL_UN和已压缩数字输出信号DIGITAL_COMP至少一个以执行声音检测(例如，检测特定个人的声音和/或检测个人发出的特定词语或句子)。在其中变换器102包括麦克风的这些和其他实施例中，数字处理电路108可以包括处理未压缩数字输出信号DIGITAL_UN和已压缩数字输出信号DIGITAL_COMP至少一个以确定输入信号的梅尔频率倒谱系数，其可以帮助执行声音检测。在其中变换器102包括麦克风的这些和其他实施例中，数字处理电路108可以包括处理未压缩数字输出信号DIGITAL_UN和已压缩数字输出信号DIGITAL_COMP至少一个以检测超声能量在输入信号中的存在(例如，在人类听力范围之上的频谱能量)。
虽然前面讨论预期处理指示语言的信号，但是本文描述的系统和方法可以应用到任何类型的信号，不管是语言、音乐、其他音频信号，超声信号，还是次声信号。
在这些和其他实施例中，数字处理电路108可以配置为控制外部数字压缩电路106基于感测或检测的模拟输入信号ANALOG_IN的特征设置包括已压缩数字输出信号DIGITAL_COMP的位的数量。例如，数字处理电路108可以配置为如果输入信号具有在特定频率之上的能量(例如，超声)就将位的数量设置为第一数量，以及如果输入信号缺少在特定频率之上的能量(例如，声波)就将位的数量设置为第二数量。因此，对于超声能量，外部数字压缩电路106可以使用比具有整个声波能量的信号更低的压缩比率。
驱动器110可以接收由外部数字压缩电路106输出的数字信号DIGITAL_COMP并且可以包括配置来调理该数字信号的任何合适系统，设备，或装置(例如，编码成AudioEngineering Society/European Broadcast Union(音频工程师协会/欧洲广播联盟)(AES/EBU)，Sony/Philips Digital Interconnect Format(索尼/飞利浦数字接口格式)(S/PDIF))，在产生用于在总线上发送给数字处理器116的数字输出信号DIGITAL_BUS的过程中。在图1中，接收数字输出信号DIGITAL_BUS的总线示出为单端的。在一些实施例中，驱动器110可以产生差分数字音频输出信号。
存储器112可以包括配置来保持程序指令和/或数据一定时间周期的任何系统，设备，或装置(例如，计算机存储介质)。存储器112可以包括RAM，EEPROM，PCMCIA卡，闪存，磁盘存储器，光-磁存储器，或者在给系统100或其一部分供电关闭之后保持数据的易失性或非易失性存储器的任何合适选择和/或阵列。在系统100的操作中，存储器112可以配置为存储已压缩数字输出信号的一个或多个已压缩数字采样以便于在从驱动器110发送时进行发送。因而，存储器112可以耦接到错误恢复电路114，其可以配置为，响应于在发送数字输出信号DIGITAL_BUS中的错误，从存储器104读取一个或多个已压缩采样并且导致驱动器110重新发送该一个或多个已压缩采样。在一些实施例中，错误恢复电路114可以基于从在数字处理器116与错误恢复电路114之间的控制总线发送的一个或多个控制信号确定发送错误已经发生和/或该发送错误的属性。
数字处理器116可以包括配置来处理用于使用在数字系统(例如，音频系统)中的数字输出信号DIGITAL_BUS的任何合适的系统，设备，或装置。例如，数字处理器116可以包括微处理器，微控制器，数字信号处理器(DSP)，专用集成电路(ASIC)，或者配置来解释和/或执行程序指令和/或处理数据例如数字音频输出信号的任何其他设备。在一些实施例中，数字处理器116可以接收数字输出信号DIGITAL_BUS并且用与未压缩数字输出信号DIGITAL_UN相同数量的量化电平通过应用作为外部数字压缩电路106的加倍或相反的函数重构数字信号。因而，在其中数字处理电路108可以动态地改变由外部数字压缩电路106应用的函数的实施例中，系统100的一个或多个部件可以配置为发送一个或多个控制信号到数字处理器116，指示在压缩函数中的该改变以便数字处理器116可以导致对应于它的解压函数的改变。
在压缩函数中的改变可以经由签发给数字处理器116的中断或者通过一些其他侧面通道通信被发送到数字处理器116。在一些系统中，激活中断或者通过侧面通道通信可以是几乎空闲的，由于系统将配置为服务于中断，不管数据是否正在被压缩。该系统的示例是在SoundwireTM串行链路上发送给数字处理器116的数字麦克风。在该系统中，麦克风使用SoundwireTM总线协议的特征中断数字处理器116以改变它的压缩，不需要麦克风上的附加引脚或到数字处理器116内的附加通信通道。
其他系统可能缺乏如在上面描述的SoundwireTM示例几乎空闲的发送侧面通道信号的能力。在该系统中，需要发送在一定压缩比率中的改变可能实际上给系统带来过重的负担。也就是，发送在一定压缩比率中的改变的成本可能减小在第一位置中压缩的优点。在一些系统中，在数字处理器116具有不精确的恢复是可接受的。对于需要恒定压缩比率并且可以容忍一定数量信号衰减的系统，下面更详细描述的图4的实施例可能是优选的。
在系统100的一些实施例中，变换器102，德尔塔-西格玛ADC 104，以及外部数字压缩电路106可以形成在单个基底(例如，相同的半导体基底)上。在系统100的其他实施例中，变换器102，德尔塔-西格玛ADC 104，以及外部数字压缩电路106可以形成在封装于相同集成电路封装内的不同基底上。
图3A图示根据本发明实施例的可以代替系统100一部分使用的选定部件的方框图。如图3A所示，德尔塔-西格玛ADC 104可以用两个德尔塔-西格玛ADC 104A和104B代替。此外，外部数字压缩电路106可以用两个外部数字压缩电路106A和106B代替。
每个德尔塔-西格玛ADC 104A和104B可以包括如在图1中示出用于德尔塔-西格玛ADC 104的部件(例如，环路滤波器118，多位量化器120，延迟模块122，DEM电路124，以及反馈DAC 126)。如图3A所示，德尔塔-西格玛ADC 104A和104B每个可以将模拟输入信号ANALOG_IN转换成各自的未压缩数字输出信号DIGITAL_UN和DIGITAL_UN2。未压缩数字输出信号DIGITAL_UN和DIGITAL_UN2每个可以输入到各自的外部数字压缩电路106A和106B用于以与上面关于外部数字压缩电路106描述的方式相似或相同的方式将未压缩数字输出信号DIGITAL_UN和DIGITAL_UN2每个压缩成各自的已压缩数字输出信号DIGITAL_COMP和DIGITAL_COMP2。已压缩数字输出信号DIGITAL_COMP和DIGITAL_COMP2可以由数字组合电路107组合，其中最终信号以与上面在图1中描述的已压缩数字输出信号DIGITAL_COMP的方式相似或相同的方式发送给驱动器110，存储器112，数字处理电路108，和/或系统100的其他部件。如图3A所示，数字组合电路107可以接收控制信号(例如，从数字处理电路108或者其他来源)，其可以在已压缩数字输出信号DIGITAL_COMP和DIGITAL_COMP2之间选择或者指示要应用到由数字组合电路107产生的数字信号的已压缩数字输出信号DIGITAL_COMP和DIGITAL_COMP2的权重。在一些实施例中，控制信号可以指示模拟输入信号ANALOG_IN或者从其推导的信号的幅度。
图3B图示根据本发明实施例可以代替系统100的一部分使用的选定部件的方框图。图3B与图3A相似，除了变换器102用两个变换器102A和102B取代之外，其每个产生各自模拟输入信号ANGALOG_IN和ANGALOG_IN2。如图3B所示，德尔塔－西格玛ADC 104A和104B每个可以将它们各自的模拟输入信号ANGALOG_IN和ANGALOG_IN2转换成各自的未压缩数字输出信号DIGITAL_UN和DIGITAL_UN2。未压缩数字输出信号DIGITAL_UN和DIGITAL_UN2每个可以输入到各自的外部数字压缩电路106A和106B，用于以与上面关于外部数字压缩电路106描述的方式相似或相同的方式将未压缩数字输出信号DIGITAL_UN和DIGITAL_UN2每个压缩成相应的已压缩数字输出信号DIGITAL_COMP和DIGITAL_COMP2。已压缩数字输出信号DIGITAL_COMP和DIGITAL_COMP2可以以与在图1中描述的已压缩数字输出信号DIGITAL_COMP的方式相同或相似的方式由数字组合电路107组合，其中最终信号发送给驱动器110，存储器112，数字处理电路108，和/或系统100的其他部件。
在图3A和图3B每个中，外部数字压缩电路106A可以配置为接收具有M位的未压缩数字输出信号DIGITAL_UN，并且将未压缩数字输出信号DIGITAL_UN压缩成具有N位的已压缩数字输出信号DIGITAL_COMP，其中M和N每个是正整数并且M>N。相似地，外部数字压缩电路106B可以配置为接收具有Y位的未压缩数字输出信号DIGITAL_UN，并且将未压缩数字输出信号DIGITAL_UN压缩成具有Z位的已压缩数字输出信号DIGITAL_COMP，其中Y和Z每个是正整数并且Y>Z。在一些实施例中，M＝Y。在这些和其他实施例中，N＝Z。
图3A和图3B的方法可以使用来执行在系统中的双路径或多路径动态范围增强。例如，变换器102或系统100的动态范围总体上可以通过具有多个处理路径来扩展，每个具有各自的增益，并且选定一个或多个路径或以一定方式组合路径来提供比仅一个路径可能提供的更宽的动态范围。
图4图示根据本发明实施例的、可以使用来作为图1的系统100的替代的另一个示例系统100A的选定部件的方框图。图4可以与图1相似，在于它可以包括在结构和/功能上与图1的变换器102，德尔塔－西格玛ADC 104A，以及数字压缩电路106A相似的变换器102，德尔塔－西格玛ADC 104，以及数字压缩电路106，除了如下描述的之外。
如图4所示，德尔塔－西格玛ADC 104A可以不同于德尔塔－西格玛ADC 104，在于数字压缩电路106A位于德尔塔－西格玛ADC 104A内部，并且除了如图1的数字压缩电路106所做的那样将未压缩数字输出信号DIGITAL_UN压缩成已压缩数字输出信号DIGITAL_COMP之外，数字压缩电路106A还可以产生指示已产生已压缩数字输出信号DIGITAL_COMP的数字反馈信号DIGITAL_FB。例如，可以将数字压缩电路106A的压缩函数限制在它可以代表的未压缩数字输出信号DIGITAL_UN的变换幅度方面，并且如果未压缩数字输出信号DIGITAL_UN的变换幅度不同于可以由已压缩数字输出信号DIGITAL_COMP精确代表的变换幅度，那么已压缩数字输出信号DIGITAL_COMP可以根据它的有限一组输出代码简单地估算变换。例如，如果未压缩数字输出信号DIGITAL_UN的连续采用为5和9，但是数字压缩电路106A仅能够输出用于已压缩数字输出信号DIGITAL_COMP的数字代码，其代表用于未压缩数字输出信号DIGITAL_UN的幅度变化最大值为2，那么数字压缩电路106A可以简单地输出对应于未压缩数字输出信号DIGITAL_UN的增量2的数字代码。此外，数字压缩电路106A可以输出数字反馈信号DIGITAL_FB，指示由已压缩数字输出信号DIGITAL_COMP代表的未压缩数字输出信号DIGITAL_UN的幅度。因此，在其中未压缩数字输出信号DIGITAL_UN的连续采用为5和9并且数字压缩电路106A输出对应于未压缩数字输出信号DIGITAL_UN的增量2的数字代码的本示例中，数字压缩电路106A可以输出具有值为7的数字反馈信号DIGITAL_FB(即，用于未压缩数字输出信号DIGITAL_UN的先前采样5加上由已压缩数字输出信号DIGITAL_COMP指示的幅度变化2)。
在一些示例中，由图4代表的实施例可以优于由图1代表的实施例，由于系统100A不像图1的系统100需要存储器112，也不需要错误恢复电路114。此外，系统100A可以能够在具有可接受信号衰减量的所有输入条件下以固定压缩率来操作。
本发明包含本领域的技术人员将会理解的对本文示例性实施例的所有改变、替代、变形、替换、和修改。相似地，在恰当的地方，附属权利要求包含本领域的技术人员将会理解的对本文示例性实施例的所有改变、替代、变形、替换、和修改。并且，本公开内容包括本领域的普通技术人员可理解的对本文的实例实施方式进行的所有的改变、替换、变化、变更和修改。而且，所附权利要求中的对适于、为设置为、能够(capable of)、被配置为、能够(enabled to)、可操作为(operable to)或操作为(operative to)执行特定功能的装置或系统或装置或系统的部件的参考包括装置、系统、部件，无论特定功能是否被激活、接通或解锁，只要装置、系统或部件被如此地适于、设置、能够、配置、能够、可操作或操作。
本文中所述的所有示例和条件性语言都是为了教导目的，以辅助读者理解本发明以及发明人对本领域做出进一步贡献的概念，并且应理解为并非对这样的特定所述的示例和条件的限制。尽管已经详细描述了本发明的实施方式，但是相关领域技术人员将理解的是，可以在未脱离权利要求书中所述的本发明的精神和范围的情况下对本发明进行各种改变、替代和变形。

Claims (54)

1.一种用于压缩数字信号的系统，包括：
德尔塔-西格玛模数转换器，包括：
环路滤波器，其具有环路滤波器输入，配置为接收输入信号并且响应于输入信号产生中间信号，
多位量化器，配置为将中间信号量化成未压缩数字输出信号，以及
反馈数模转换器，其具有反馈输出，配置为响应于未压缩数字输出信号产生反馈输出信号以便于在环路滤波器输入将输入信号与反馈输出信号组合；以及
数字压缩电路，配置为接收未压缩数字输出信号并且将未压缩数字输出信号压缩成已压缩数字输出信号，其比未压缩数字输出信号具有更少的量化电平，其中对于未压缩数字输出信号的每个预定采样，数字压缩电路至少基于在预定采样和在预定采样前连续采样的第一先前采样间的第一量化电平转换和在第一先前采样与在第一先前采样前连续采样的第二先前采样间的第二量化电平转换产生已压缩数字输出信号的对应采样。
2.如权利要求1所述的系统，其中：
未压缩数字输出信号包括M位；
已压缩数字输出信号包括N位；以及
M和N每个是正整数并且M>N。
3.如权利要求1所述的系统，其中对于未压缩数字输出信号的每个预定采样，数字压缩电路基于多位量化器的变换统计产生已压缩数字输出信号的对应采样。
4.如权利要求1所述的系统，其中基于多位量化器的变换统计选定数字压缩电路用于将未压缩数字输出信号压缩成已压缩数字输出信号的函数以便于最小化构成已压缩数字输出信号的位的变换频率。
5.如权利要求1所述的系统，其中数字压缩电路用于将未压缩数字输出信号压缩成已压缩数字输出信号的函数将在未压缩数字输出信号的连续采样的未压缩数字输出信号的量化电平之间的可能变换限制到未压缩数字输出信号的量化电平的子集。
6.如权利要求5所述的系统，其中该函数限制在未压缩数字输出信号的连续采样的未压缩数字输出信号的量化电平之间的可能变换以便于最小化对已压缩数字输出信号的衰减。
7.如权利要求1所述的系统，还包括配置为产生输入信号的变换器。
8.如权利要求7所述的系统，其中变换器包括麦克风变换器，配置为产生指示在麦克风变换器上的音频声音事件的输入信号。
9.如权利要求8所述的系统，其中麦克风变换器，数模转换器，以及数字压缩电路形成在单个基底上。
10.如权利要求8所述的系统，其中麦克风变换器，数模转换器，以及数字压缩电路形成在封装于相同集成电路封装中的不同基底上。
11.如权利要求8所述的系统，其中麦克风变换器包括微机电系统麦克风。
12.如权利要求7所述的系统，其中变换器包括地震数据获取装置。
13.如权利要求1所述的系统，还包括处理电路，用于解压已压缩数字输出信号。
14.如权利要求1所述的系统，还包括：
驱动器，配置为发送已压缩数字输出信号；
存储器，配置为存储已压缩数字输出信号的一个或多个被发送已压缩数字采样以便发送；以及
错误恢复电路，配置为导致驱动器响应于在发送已压缩数字输出信号中的错误重新发送一个或多个被发送已压缩数字采样。
15.如权利要求1所述的系统，其中多位量化器将在未压缩数字输出信号的连续采样的未压缩数字输出信号的量化电平之间的可能变换限制到未压缩数字输出信号的量化电平的子集。
16.如权利要求1所述的系统，其中数字压缩电路在德尔塔-西格玛模数转换器的外部。
17.如权利要求1所述的系统，其中数字压缩电路在德尔塔-西格玛模数转换器的内部并且其中反馈数模转换器配置为响应于未压缩数字输出信号和已压缩数字输出信号产生反馈输出信号以便于在环路滤波器输入将输入信号与反馈输出信号组合。
18.一种用于压缩数字信号的方法，包括：
在环路滤波器输入接收模拟输入信号并且响应于输入信号滤波输入信号以产生中间信号；
将中间信号量化成未压缩数字输出信号；
响应于未压缩数字输出信号产生反馈输出信号以便于在环路滤波器输入将输入信号与反馈输出信号组合；以及
将未压缩数字输出信号压缩成已压缩数字输出信号，其比未压缩数字输出信号具有更少的量化电平；以及
对于未压缩数字输出信号的每个预定采样，至少基于在预定采样和在预定采样之前连续采样的第一先前采样之间的第一量化电平转换和在第一先前采样与在第一先前采样之前连续采样的第二先前采样之间的第二量化电平转换产生已压缩数字输出信号的对应采样。
19.如权利要求18所述的方法，其中：
未压缩数字输出信号包括M位；
已压缩数字输出信号包括N位；以及
M和N每个是正整数并且M>N。
20.如权利要求18所述的方法，还包括，对于未压缩数字输出信号的每个预定采样，基于多位量化器的变换统计产生已压缩数字输出信号的对应采样。
21.如权利要求18所述的方法，其中基于多位量化器的变换统计选定用于将未压缩数字输出信号压缩成已压缩数字输出信号的函数以便于最小化构成已压缩数字输出信号的位的变换频率。
22.如权利要求18所述的方法，其中用于将未压缩数字输出信号压缩成已压缩数字输出信号的函数将在未压缩数字输出信号的连续采样的未压缩数字输出信号的量化电平之间的可能变换限制到未压缩数字输出信号的量化电平的子集。
23.如权利要求22所述的方法，其中该函数限制在未压缩数字输出信号的连续采样的未压缩数字输出信号的量化电平之间的可能变换以便于最小化对已压缩数字输出信号的衰减。
24.如权利要求18所述的方法，其中模拟输入信号由变换器产生。
25.如权利要求24所述的方法，其中变换器包括麦克风变换器，配置为产生指示在麦克风变换器上的音频声音事件的输入信号。
26.如权利要求25所述的方法，其中麦克风变换器包括微机电系统麦克风。
27.如权利要求24所述的方法，其中变换器包括地震数据获取装置。
28.如权利要求18所述的方法，还包括处理电路，用于解压已压缩数字输出信号。
29.如权利要求18所述的方法，还包括：
发送已压缩数字输出信号；
存储已压缩数字输出信号的一个或多个被发送已压缩数字采样以便发送；以及
响应于在发送已压缩数字输出信号中的错误重新发送一个或多个被发送已压缩数字采样。
30.如权利要求18所述的方法，还包括处理未压缩数字输出信号和已压缩数字输出信号的至少一个以确定输入信号的特征。
31.如权利要求30所述的方法，还包括处理未压缩数字输出信号和已压缩数字输出信号的至少一个以执行声音检测。
32.如权利要求30所述的方法，还包括处理未压缩数字输出信号和已压缩数字输出信号的至少一个以检测超声能量在输入信号中的存在。
33.如权利要求30所述的方法，还包括处理未压缩数字输出信号和已压缩数字输出信号的至少一个以确定输入信号的梅尔频率倒谱系数。
34.如权利要求30所述的方法，还包括基于输入信号的特征确定包括已压缩数字输出信号的位的数量。
35.如权利要求30所述的方法，还包括如果输入信号具有在特定频率之上的能量就将位的数量设置为第一数量，以及如果输入信号缺少在特定频率之上的能量就将位的数量设置为第二数量。
36.如权利要求18所述的方法，还包括响应于未压缩数字输出信号和已压缩数字输出信号产生模拟反馈输出。
37.一种集成电路，包括：
变换器，配置为产生指示由变换器测量的物理数量的输入信号；
德尔塔-西格玛模数转换器，包括：
环路滤波器，其具有环路滤波器输入，配置为接收输入信号并且响应于输入信号产生中间信号，
多位量化器，配置为将中间信号量化成未压缩数字输出信号，以及
反馈数模转换器，其具有反馈输出，配置为响应于未压缩数字输出信号产生反馈输出信号以便于在环路滤波器输入将输入信号与反馈输出信号组合；
数字压缩电路，配置为接收未压缩数字输出信号并且将未压缩数字输出信号压缩成已压缩数字输出信号，其比未压缩数字输出信号具有更少的量化电平；其中对于未压缩数字输出信号的每个预定采样，至少基于在预定采样与在预定采样前连续采样的第一先前采样间的第一量化电平转换和在第一先前采样与在第一先前采样前连续采样的第二先前采样间的第二量化电平转换，数字压缩电路产生已压缩数字输出信号的对应采样；以及
数字处理电路，用于处理未压缩数字输出信号和已压缩数字输出信号的至少一个以确定输入信号的特征。
38.如权利要求37所述的集成电路，其中：
未压缩数字输出信号包括M位；
已压缩数字输出信号包括N位；以及
M和N每个是正整数并且M>N。
39.如权利要求37所述的集成电路，其中数字处理电路处理未压缩数字输出信号和已压缩数字输出信号的至少一个以执行声音检测。
40.如权利要求37所述的集成电路，其中数字处理电路处理未压缩数字输出信号和已压缩数字输出信号的至少一个以检测超声能量在输入信号中的存在。
41.如权利要求37所述的集成电路，其中数字处理电路处理未压缩数字输出信号和已压缩数字输出信号的至少一个以确定输入信号的梅尔频率倒谱系数。
42.如权利要求37所述的集成电路，其中变换器包括麦克风变换器，配置为产生指示在麦克风变换器上的音频声音事件的输入信号。
43.如权利要求42所述的集成电路，其中麦克风变换器，数模转换器，以及数字压缩电路形成在单个基底上。
44.如权利要求42所述的集成电路，其中麦克风变换器，数模转换器，以及数字压缩电路形成在封装于相同集成电路封装中的不同基底上。
45.如权利要求42所述的集成电路，其中麦克风变换器包括微机电系统麦克风。
46.如权利要求42所述的集成电路，其中变换器包括地震数据获取装置。
47.如权利要求37所述的集成电路，其中数字处理电路配置为基于输入信号的特征设置包括已压缩数字输出信号的位的数量。
48.如权利要求47所述的集成电路，其中数字处理电路配置为，如果输入信号具有在特定频率之上的能量就将位的数量设置为第一数量，以及如果输入信号缺少在特定频率之上的能量就将位的数量设置为第二数量。
49.如权利要求37所述的集成电路，还包括：
第二德尔塔-西格玛模数转换器，包括：
第二环路滤波器，其具有第二环路滤波器输入，配置为接收输入信号和第二输入信号其中一个并且响应于输入信号和第二输入信号其中一个产生第二中间信号，
第二多位量化器，配置为将第二中间信号量化成具有Y位的第二未压缩数字输出信号，以及
第二反馈数模转换器，其具有第二反馈输出，配置为响应于第二未压缩数字输出信号产生第二反馈输出信号以便于在环路滤波器输入将第二反馈输出信号与输入信号和第二输入信号其中一个组合；
第二数字压缩电路，配置为接收第二未压缩数字输出信号并且将第二未压缩数字输出信号压缩成具有Z位的第二已压缩数字输出信号，其中Y和Z每个是正整数并且Y>Z；以及
求和元件，用于对已压缩数字输出信号和第二已压缩数字输出信号求和。
50.如权利要求49所述的集成电路，其中未压缩数字输出信号包括M位；已压缩数字输出信号包括N位；M和N每个是正整数并且M>N；并M＝Y。
51.如权利要求49所述的集成电路，其中未压缩数字输出信号包括M位；已压缩数字输出信号包括N位；M和N每个是正整数并且M>N；并N＝Z。
52.如权利要求49所述的集成电路，还包括第二变换器，配置为产生指示由第二变换器测量的第二物理数量的第二输入信号，并且其中输入信号和第二输入信号的其中一个包括第二输入信号。
53.如权利要求37所述的集成电路，其中数字压缩电路在德尔塔-西格玛模数转换器的外部。
54.如权利要求37所述的集成电路，其中数字压缩电路在德尔塔-西格玛模数转换器的内部并且其中反馈数模转换器配置为响应于未压缩数字输出信号和已压缩数字输出信号产生反馈输出信号以便于在环路滤波器输入将输入信号与反馈输出信号组合。
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