CN108092643A - 音频解码器的模数转换器及数模转换器 - Google Patents

音频解码器的模数转换器及数模转换器 Download PDF

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李想
余世泉
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Abstract

本发明涉及滤波器技术。本发明是要解决现有数字滤波器消耗资源较多的问题，提供了一种音频解码器的模数转换器及数模转换器，其技术方案可概括为：音频解码器的模数转换器及数模转换器均使用级联积分梳状滤波器及3个半带滤波器作为数字滤波器。本发明的有益效果是，可明显减少滤波器系数所需的存储资源，在满足性能的同时，可减少乘法器资源的消耗，适用于音频解码器。

Description

音频解码器的模数转换器及数模转换器
技术领域
本发明涉及滤波器技术，特别涉及音频解码器的模数转换器及数模转换器的技术。
背景技术
音频解码器主要由模数转换器(ADC)和数模转换器(DAC)两部分组成，数据转换器(即模数转换器和数模转换器)按照采样频率主要分为两大类：奈奎斯特速率转换器和过采样转换器。音频类的数据转换器，对转换速率要求不高，但是对分辨率要求高，所以大多采用过采样转换器，过采样转换器主要包括调制器和数字滤波器(DF)，数字滤波器则根据转换器的类型还需要进行降采样(模数转换)或升采样(数模转换)的操作。对音频信号进行滤波处理时，要求滤波器具有线性相位，因此尽量选用有限冲击响应滤波器(FIR)，但目前单级FIR滤波器结构导致其资源消耗过多。
发明内容
本发明的目的是要解决目前数字滤波器消耗资源较多的问题，提供了一种音频解码器的模数转换器及数模转换器。
本发明解决其技术问题，采用的技术方案是，音频解码器的模数转换器，包括转换器输入端、调制器及数字音频输出端，其特征在于，还包括级联积分梳状滤波器(CIC)及3个2倍降采样半带滤波器，所述3个2倍降采样半带滤波器(HBF)串联，组成三级降采样半带滤波器，调制器的输入端作为转换器输入端，调制器的输出端与级联积分梳状滤波器的输入端连接，级联积分梳状滤波器的输出端与三级降采样半带滤波器的输入端连接，三级降采样半带滤波器的输出端作为数字音频输出端。
具体的，所述级联积分梳状滤波器的系数个数为M，包括ADC滤波器输入端、ADC滤波器输出端、M×2个加法器、M×2个延时器及一个M倍降采样单元，其中M个加法器与M个延时器组成积分单元组，另外M个加法器与M个延时器组成微分单元组，所述积分单元组中，一个积分单元包含一个加法器及一个与之对应的延时器，该加法器的一个输入端作为该积分单元的输入端，另一个输入端与延时器的输出端连接，加法器的输出端作为该积分单元的输出端，并与延时器的输入端连接，各积分单元串联组成积分单元组，串联中的第一个积分单元的输入端作为积分单元组的输入端，最后一个积分单元的输出端作为积分单元组的输出端，积分单元组中的各加法器执行相加操作，所述微分单元组中，一个加法器与一个延时器一一对应组成一个微分单元，一个微分单元中，加法器的一个输入端作为该微分单元的输入端，并与延时器的输入端连接，加法器的另一个输入端与延时器的输出端连接，加法器的输出端作为该微分单元的输出端，各微分单元串联组成微分单元组，各微分单元中的加法器执行相减操作，其输出端的输出为用作为微分单元的输入端的输入减去延时器的输出，串联中的第一个微分单元的输入端作为微分单元组的输入端，最后一个微分单元的输出端作为积分单元组的输出端，所述积分单元组的输入端作为ADC滤波器输入端，积分单元组的输出端与M倍降采样单元的输入端连接，M倍降采样单元的输出端与微分单元组的输入端连接，微分单元组的输出端作为ADC滤波器输出端，M为大于等于2的正整数。
进一步的，当应用于双声道立体声时，所述级联积分梳状滤波器的系数个数为M，包括ADC滤波器输入端、ADC滤波器输出端、M×2个加法器、M×4个延时器及一个M倍降采样单元，其中M个加法器与M×2个延时器组成积分单元组，另外M个加法器与M×2个延时器组成微分单元组，所述积分单元组中，所述积分单元组中，一个积分单元包含一个加法器及两个与之对应的延时器，该两个延时器串联组成延时单元，该加法器的一个输入端作为该积分单元的输入端，另一个输入端与延时单元的输出端连接，加法器的输出端作为该积分单元的输出端，并与延时单元的输入端连接，各积分单元串联组成积分单元组，串联中的第一个积分单元的输入端作为积分单元组的输入端，最后一个积分单元的输出端作为积分单元组的输出端，积分单元组中的各加法器执行相加操作，所述微分单元组中，一个微分单元包含一个加法器及两个与之对应的延时器，该两个延时器串联组成延时单元，该加法器的一个输入端作为该微分单元的输入端，并与延时单元的输入端连接，加法器的另一个输入端与延时单元的输出端连接，加法器的输出端作为该微分单元的输出端，各微分单元串联组成微分单元组，各微分单元中的加法器执行相减操作，其输出端的输出为用作为微分单元的输入端的输入减去延时器的输出，串联中的第一个微分单元的输入端作为微分单元组的输入端，最后一个微分单元的输出端作为积分单元组的输出端，所述积分单元组的输入端作为ADC滤波器输入端，积分单元组的输出端与M倍降采样单元的输入端连接，M倍降采样单元的输出端与微分单元组的输入端连接，微分单元组的输出端作为ADC滤波器输出端，M为大于等于2的正整数。
音频解码器的数模转换器，包括数字音频输入端、调制器及转换器输出端，其特征在于，还包括级联积分梳状滤波器及3个2倍升采样半带滤波器，所述3个2倍升采样半带滤波器串联，组成三级升采样半带滤波器，调制器的输出端作为转换器输出端，调制器的输入端与级联积分梳状滤波器的输出端连接，级联积分梳状滤波器的输入端与三级降采样半带滤波器的输出端连接，三级降采样半带滤波器的输入端作为数字音频输入端。
具体的，所述级联积分梳状滤波器的系数个数为M，包括DAC滤波器输入端、DAC滤波器输出端、M×2个加法器、M×2个延时器及一个M倍升采样单元，其中M个加法器与M个延时器组成积分单元组，另外M个加法器与M个延时器组成微分单元组，所述积分单元组中，一个积分单元包含一个加法器及一个与之对应的延时器，该加法器的一个输入端作为该积分单元的输入端，另一个输入端与延时器的输出端连接，加法器的输出端作为该积分单元的输出端，并与延时器的输入端连接，各积分单元串联组成积分单元组，串联中的第一个积分单元的输入端作为积分单元组的输入端，最后一个积分单元的输出端作为积分单元组的输出端，积分单元组中的各加法器执行相加操作，所述微分单元组中，一个加法器与一个延时器一一对应组成一个微分单元，一个微分单元中，加法器的一个输入端作为该微分单元的输入端，并与延时器的输入端连接，加法器的另一个输入端与延时器的输出端连接，加法器的输出端作为该微分单元的输出端，各微分单元串联组成微分单元组，各微分单元中的加法器执行相减操作，其输出端的输出为用作为微分单元的输入端的输入减去延时器的输出，串联中的第一个微分单元的输入端作为微分单元组的输入端，最后一个微分单元的输出端作为积分单元组的输出端，所述积分单元组的输出端作为DAC滤波器输入端，积分单元组的输入端与M倍升采样单元的输出端连接，M倍升采样单元的输入端与微分单元组的输出端连接，微分单元组的输入端作为DAC滤波器输入端，M为大于等于2的正整数。
本发明的有益效果是，在本发明方案中，通过上述音频解码器的模数转换器及数模转换器，可明显减少滤波器系数所需的存储资源，且使用级联积分梳状滤波器及3个半带滤波器，在满足性能的同时，可减少乘法器资源的消耗以及进一步减少滤波器系数所需要的存储资源。
附图说明
图1为本发明实施例中音频解码器的模数转换器的示意图；
图2为本发明实施例中音频解码器的模数转换器所使用的级联积分梳状滤波器的示意图；
图3为本发明实施例中音频解码器的模数转换器应用于双声道立体声时所使用的级联积分梳状滤波器的示意图；
图4为本发明实施例中音频解码器的数模转换器的示意图；
图5为本发明实施例中音频解码器的数模转换器所使用的级联积分梳状滤波器的示意图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例，详细描述本发明的技术方案。
本发明所述音频解码器的模数转换器，包括转换器输入端、调制器、数字音频输出端、级联积分梳状滤波器(CIC)及3个2倍降采样半带滤波器，其中，3个2倍降采样半带滤波器(HBF)串联，组成三级降采样半带滤波器，调制器的输入端作为转换器输入端，调制器的输出端与级联积分梳状滤波器的输入端连接，级联积分梳状滤波器的输出端与三级降采样半带滤波器的输入端连接，三级降采样半带滤波器的输出端作为数字音频输出端。
本发明所述音频解码器的数模转换器，包括数字音频输入端、调制器、转换器输出端、级联积分梳状滤波器及3个2倍升采样半带滤波器，其中，3个2倍升采样半带滤波器串联，组成三级升采样半带滤波器，调制器的输出端作为转换器输出端，调制器的输入端与级联积分梳状滤波器的输出端连接，级联积分梳状滤波器的输入端与三级降采样半带滤波器的输出端连接，三级降采样半带滤波器的输入端作为数字音频输入端。
实施例
本发明实施例的音频解码器的模数转换器，其示意图参见图1，包括转换器输入端、调制器、数字音频输出端、级联积分梳状滤波器(CIC)及3个2倍降采样半带滤波器，其中，3个2倍降采样半带滤波器(HBF)串联，组成三级降采样半带滤波器，调制器的输入端作为转换器输入端，调制器的输出端与级联积分梳状滤波器的输入端连接，级联积分梳状滤波器的输出端与三级降采样半带滤波器的输入端连接，三级降采样半带滤波器的输出端作为数字音频输出端。
这里，级联积分梳状滤波器的系数个数为M，则其示意图参见图2，包括ADC滤波器输入端、ADC滤波器输出端、M×2个加法器、M×2个延时器及一个M倍降采样单元，其中M个加法器与M个延时器组成积分单元组，另外M个加法器与M个延时器组成微分单元组，在积分单元组中，一个积分单元包含一个加法器及一个与之对应的延时器，该加法器的一个输入端作为该积分单元的输入端，另一个输入端与延时器的输出端连接，加法器的输出端作为该积分单元的输出端，并与延时器的输入端连接，各积分单元串联组成积分单元组，串联中的第一个积分单元的输入端作为积分单元组的输入端，最后一个积分单元的输出端作为积分单元组的输出端，积分单元组中的各加法器执行相加操作，在微分单元组中，一个加法器与一个延时器一一对应组成一个微分单元，一个微分单元中，加法器的一个输入端作为该微分单元的输入端，并与延时器的输入端连接，加法器的另一个输入端与延时器的输出端连接，加法器的输出端作为该微分单元的输出端，各微分单元串联组成微分单元组，各微分单元中的加法器执行相减操作，其输出端的输出为用作为微分单元的输入端的输入减去延时器的输出，串联中的第一个微分单元的输入端作为微分单元组的输入端，最后一个微分单元的输出端作为积分单元组的输出端，所述积分单元组的输入端作为ADC滤波器输入端，积分单元组的输出端与M倍降采样单元的输入端连接，M倍降采样单元的输出端与微分单元组的输入端连接，微分单元组的输出端作为ADC滤波器输出端，M为大于等于2的正整数。
若需要处理的是双声道立体声时，需要把时钟频率提高一倍，将左右声道的数据串行输入，则可保持与单声道(上述方案即为单声道方案)一样的加法器资源，只需要增加一倍的延时器资源即可，则具体可以为：当应用于双声道立体声时，级联积分梳状滤波器的系数个数为M，则其示意图参见图3，包括ADC滤波器输入端、ADC滤波器输出端、M×2个加法器、M×4个延时器及一个M倍降采样单元，其中M个加法器与M×2个延时器组成积分单元组，另外M个加法器与M×2个延时器组成微分单元组，所述积分单元组中，所述积分单元组中，一个积分单元包含一个加法器及两个与之对应的延时器，该两个延时器串联组成延时单元，该加法器的一个输入端作为该积分单元的输入端，另一个输入端与延时单元的输出端连接，加法器的输出端作为该积分单元的输出端，并与延时单元的输入端连接，各积分单元串联组成积分单元组，串联中的第一个积分单元的输入端作为积分单元组的输入端，最后一个积分单元的输出端作为积分单元组的输出端，积分单元组中的各加法器执行相加操作，所述微分单元组中，一个微分单元包含一个加法器及两个与之对应的延时器，该两个延时器串联组成延时单元，该加法器的一个输入端作为该微分单元的输入端，并与延时单元的输入端连接，加法器的另一个输入端与延时单元的输出端连接，加法器的输出端作为该微分单元的输出端，各微分单元串联组成微分单元组，各微分单元中的加法器执行相减操作，其输出端的输出为用作为微分单元的输入端的输入减去延时器的输出，串联中的第一个微分单元的输入端作为微分单元组的输入端，最后一个微分单元的输出端作为积分单元组的输出端，所述积分单元组的输入端作为ADC滤波器输入端，积分单元组的输出端与M倍降采样单元的输入端连接，M倍降采样单元的输出端与微分单元组的输入端连接，微分单元组的输出端作为ADC滤波器输出端，M为大于等于2的正整数。
本发明实施例的音频解码器的数模转换器，其示意图参见图4，包括数字音频输入端、调制器、转换器输出端、级联积分梳状滤波器及3个2倍升采样半带滤波器，其中，3个2倍升采样半带滤波器串联，组成三级升采样半带滤波器，调制器的输出端作为转换器输出端，调制器的输入端与级联积分梳状滤波器的输出端连接，级联积分梳状滤波器的输入端与三级降采样半带滤波器的输出端连接，三级降采样半带滤波器的输入端作为数字音频输入端。
这里，级联积分梳状滤波器的系数个数为M，包括DAC滤波器输入端、DAC滤波器输出端、M×2个加法器、M×2个延时器及一个M倍升采样单元，其中M个加法器与M个延时器组成积分单元组，另外M个加法器与M个延时器组成微分单元组，在积分单元组中，一个积分单元包含一个加法器及一个与之对应的延时器，该加法器的一个输入端作为该积分单元的输入端，另一个输入端与延时器的输出端连接，加法器的输出端作为该积分单元的输出端，并与延时器的输入端连接，各积分单元串联组成积分单元组，串联中的第一个积分单元的输入端作为积分单元组的输入端，最后一个积分单元的输出端作为积分单元组的输出端，积分单元组中的各加法器执行相加操作，在微分单元组中，一个加法器与一个延时器一一对应组成一个微分单元，一个微分单元中，加法器的一个输入端作为该微分单元的输入端，并与延时器的输入端连接，加法器的另一个输入端与延时器的输出端连接，加法器的输出端作为该微分单元的输出端，各微分单元串联组成微分单元组，各微分单元中的加法器执行相减操作，其输出端的输出为用作为微分单元的输入端的输入减去延时器的输出，串联中的第一个微分单元的输入端作为微分单元组的输入端，最后一个微分单元的输出端作为积分单元组的输出端，所述积分单元组的输出端作为DAC滤波器输入端，积分单元组的输入端与M倍升采样单元的输出端连接，M倍升采样单元的输入端与微分单元组的输出端连接，微分单元组的输入端作为DAC滤波器输入端，M为大于等于2的正整数。
具体说明如下：
本例中，将加法操作与减法操作统称为加法运算。
由于级联积分梳状滤波器(以下简称CIC)的系数全是1，不需要消耗乘法资源，多级CIC串联可以实现较高的性能，且CIC的传递函数为其中M为CIC系数的个数，延时器(延时时间为1/Z)和加法器即可实现。半带滤波器(以下简称HBF)的系数个数为奇数，且最小为7，除了中间的系数，其余偶数个系数为0，且关于中间的系数前后对称。
本例中音频解码器的模数转换器需要降采样操作，将降采样操作分别由CIC和HBF一起实现，降低资源消耗。将CIC的抽取倍数定义为其系数的个数M，则CIC由M级串联，只需要延时器、加法器及M倍降采样单元即可实现，且积分单元组中最后一级的加法器与微分单元组中的第一级加法器可以抵消。N(奇数)抽头的FIR滤波器，其需要消耗N个存储资源，N个乘法运算和N-1个加法运算，本例中，结合2倍降采样的HBF，只需要个存储资源，个乘法运算和个加法运算，进一步，采取处理时钟频率高于信号频率的方式，只需要一个加法器和一个乘累加运算(Multiply–accumulate operation,MAC)分时复用即可实现2倍降采样的HBF。
本例中音频解码器的数模转换器需要升采样操作，将升采样操作分别由CIC和HBF一起实现，降低资源消耗。将CIC的升采样倍数定义为其系数的个数M，则CIC由M级串联，只需要延时器和加法器即可实现。N(奇数)抽头的FIR滤波器，需要消耗N个存储资源，N个乘法运算和N-1个加法运算。结合2倍升采样的HBF，采取处理时钟频率高于信号频率的方式，只需要个存储资源，以及一个加法器和一个乘累加运算(Multiply–accumulateoperation,MAC)分时复用即可实现。

Claims (5)

1.音频解码器的模数转换器，包括转换器输入端、调制器及数字音频输出端，其特征在于，还包括级联积分梳状滤波器及3个2倍降采样半带滤波器，所述3个2倍降采样半带滤波器串联，组成三级降采样半带滤波器，调制器的输入端作为转换器输入端，调制器的输出端与级联积分梳状滤波器的输入端连接，级联积分梳状滤波器的输出端与三级降采样半带滤波器的输入端连接，三级降采样半带滤波器的输出端作为数字音频输出端。
2.如权利要求1所述的音频解码器的模数转换器，其特征在于，所述级联积分梳状滤波器的系数个数为M，包括ADC滤波器输入端、ADC滤波器输出端、M×2个加法器、M×2个延时器及一个M倍降采样单元，其中M个加法器与M个延时器组成积分单元组，另外M个加法器与M个延时器组成微分单元组，所述积分单元组中，一个积分单元包含一个加法器及一个与之对应的延时器，该加法器的一个输入端作为该积分单元的输入端，另一个输入端与延时器的输出端连接，加法器的输出端作为该积分单元的输出端，并与延时器的输入端连接，各积分单元串联组成积分单元组，串联中的第一个积分单元的输入端作为积分单元组的输入端，最后一个积分单元的输出端作为积分单元组的输出端，积分单元组中的各加法器执行相加操作，所述微分单元组中，一个加法器与一个延时器一一对应组成一个微分单元，一个微分单元中，加法器的一个输入端作为该微分单元的输入端，并与延时器的输入端连接，加法器的另一个输入端与延时器的输出端连接，加法器的输出端作为该微分单元的输出端，各微分单元串联组成微分单元组，各微分单元中的加法器执行相减操作，其输出端的输出为用作为微分单元的输入端的输入减去延时器的输出，串联中的第一个微分单元的输入端作为微分单元组的输入端，最后一个微分单元的输出端作为积分单元组的输出端，所述积分单元组的输入端作为ADC滤波器输入端，积分单元组的输出端与M倍降采样单元的输入端连接，M倍降采样单元的输出端与微分单元组的输入端连接，微分单元组的输出端作为ADC滤波器输出端，M为大于等于2的正整数。
3.如权利要求1所述的音频解码器的模数转换器，其特征在于，当应用于双声道立体声时，所述级联积分梳状滤波器的系数个数为M，包括ADC滤波器输入端、ADC滤波器输出端、M×2个加法器、M×4个延时器及一个M倍降采样单元，其中M个加法器与M×2个延时器组成积分单元组，另外M个加法器与M×2个延时器组成微分单元组，所述积分单元组中，所述积分单元组中，一个积分单元包含一个加法器及两个与之对应的延时器，该两个延时器串联组成延时单元，该加法器的一个输入端作为该积分单元的输入端，另一个输入端与延时单元的输出端连接，加法器的输出端作为该积分单元的输出端，并与延时单元的输入端连接，各积分单元串联组成积分单元组，串联中的第一个积分单元的输入端作为积分单元组的输入端，最后一个积分单元的输出端作为积分单元组的输出端，积分单元组中的各加法器执行相加操作，所述微分单元组中，一个微分单元包含一个加法器及两个与之对应的延时器，该两个延时器串联组成延时单元，该加法器的一个输入端作为该微分单元的输入端，并与延时单元的输入端连接，加法器的另一个输入端与延时单元的输出端连接，加法器的输出端作为该微分单元的输出端，各微分单元串联组成微分单元组，各微分单元中的加法器执行相减操作，其输出端的输出为用作为微分单元的输入端的输入减去延时器的输出，串联中的第一个微分单元的输入端作为微分单元组的输入端，最后一个微分单元的输出端作为积分单元组的输出端，所述积分单元组的输入端作为ADC滤波器输入端，积分单元组的输出端与M倍降采样单元的输入端连接，M倍降采样单元的输出端与微分单元组的输入端连接，微分单元组的输出端作为ADC滤波器输出端，M为大于等于2的正整数。
4.音频解码器的数模转换器，包括数字音频输入端、调制器及转换器输出端，其特征在于，还包括级联积分梳状滤波器及3个2倍升采样半带滤波器，所述3个2倍升采样半带滤波器串联，组成三级升采样半带滤波器，调制器的输出端作为转换器输出端，调制器的输入端与级联积分梳状滤波器的输出端连接，级联积分梳状滤波器的输入端与三级降采样半带滤波器的输出端连接，三级降采样半带滤波器的输入端作为数字音频输入端。
5.如权利要求4所述的音频解码器的数模转换器，其特征在于，所述级联积分梳状滤波器的系数个数为M，包括DAC滤波器输入端、DAC滤波器输出端、M×2个加法器、M×2个延时器及一个M倍升采样单元，其中M个加法器与M个延时器组成积分单元组，另外M个加法器与M个延时器组成微分单元组，所述积分单元组中，一个积分单元包含一个加法器及一个与之对应的延时器，该加法器的一个输入端作为该积分单元的输入端，另一个输入端与延时器的输出端连接，加法器的输出端作为该积分单元的输出端，并与延时器的输入端连接，各积分单元串联组成积分单元组，串联中的第一个积分单元的输入端作为积分单元组的输入端，最后一个积分单元的输出端作为积分单元组的输出端，积分单元组中的各加法器执行相加操作，所述微分单元组中，一个加法器与一个延时器一一对应组成一个微分单元，一个微分单元中，加法器的一个输入端作为该微分单元的输入端，并与延时器的输入端连接，加法器的另一个输入端与延时器的输出端连接，加法器的输出端作为该微分单元的输出端，各微分单元串联组成微分单元组，各微分单元中的加法器执行相减操作，其输出端的输出为用作为微分单元的输入端的输入减去延时器的输出，串联中的第一个微分单元的输入端作为微分单元组的输入端，最后一个微分单元的输出端作为积分单元组的输出端，所述积分单元组的输出端作为DAC滤波器输入端，积分单元组的输入端与M倍升采样单元的输出端连接，M倍升采样单元的输入端与微分单元组的输出端连接，微分单元组的输入端作为DAC滤波器输入端，M为大于等于2的正整数。
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