CN109698699B - 用于信号变换的方法和装置 - Google Patents

Abstract

用于使抖动信号与第一信号相加由此生成第二信号并且用于从第一信号中减去抖动信号由此生成第三信号的方法和装置。设置第二信号至数字的第四信号的第一变换并且设置第三信号至数字的第五信号的第二变换。此外，将数字的第四信号和数字的第五信号组合成数字的第六信号。

Description

用于信号变换的方法和装置

技术领域

本公开一般性地涉及用于信号变换的方法和装置。

背景技术

噪声整形(noise shaping)是指使这样一种方法，即，使噪声在特定的频率范围内变得更加集中并由此导致对于应用情形有利的噪声能量在频谱中的的偏移。噪声整形可以借助所谓的调制器/噪声整形器来进行。

如例如在模数转换器(ADC)中使用的数字噪声整形器或模拟噪声整形器的常规实施对于小的输入信号显示出强的干扰信号，干扰信号在麦克风的情况下显示出所谓的空闲音，空闲音例如可在数字转换的模拟信号的采样频率的一半处出现。

对于许多应用，数字麦克风必须提供1比特输出电流，其可由数字调制器提供。

例如在立体声应用中出现空闲音的互调，从而会在音频频带中，即，在人类听觉可听到的范围中出现干扰信号。

在单声道应用的情况下，特别是在高负载的情况下也会出现空闲音。

在一些模数转换器的应用中也会出现类似的噪声信号。

在这些情况下的常规方法是，将所谓的“抖动”信号与所使用的模数转换器或调制器的量化器的信号输入相叠加。

对此，抖动信号可以是周期的或(伪)随机的信号，其例如可借助线性反馈移位寄存器(linear feedback shift register，LFSR)来实现。这具有如下效果，即，通过借助抖动信号添加的特定频率范围中的噪声来改善信噪比(signal to noise ratio，SNR)。

然而，在麦克风应用情况下需要数字噪声整形器来产生所提到的1比特输出电流，传统的方法是不够的。上述方法的应用在某些情况下会导致信噪比的恶化。

发明内容

提出根据权利要求1的方法和根据权利要求10和11的装置。从属权利要求限定其他的实施例。

在一种示例中，方法包括使抖动信号与第一信号相加，由此生成第二信号。此外，该方法包括从第一信号中减去抖动信号或从抖动信号中减去第一信号，由此生成第三信号。进行第二信号至数字的第四信号的第一变换且进行第三信号至数字的第五信号的第二变换。此外，将数字的第四信号和数字的第五信号组合成数字的第六信号。

在另一示例中，装置包括信号线路和第一变换器，第一变换器具有第一变换输入端和第一变换输出端。装置还包括第二变换器，第二变换器具有第二变换输入端和第二变换输出端，其中，第一变换输入端和第二变换输入端与信号线路耦合。

此外，装置包括抖动发生器，抖动发生器与第一变换输入端以加法的方式耦合并且与第二变换输入端以减法的方式耦合。

装置还包括输出端信号线路和组合电路，组合电路与第一变换输出端和第二变换输出端以及输出端信号线路耦合。

在另一示例中，装置包括用于使抖动信号与第一信号相加以生成第二信号的加法器和用于从第一信号中减去抖动信号或从抖动信号中减去第一信号以生成第三信号的减法器。该装置还包括用于将第二信号变换成数字的第四信号的第一变换器和用于将第三信号变换成数字的第五信号的第二变换器。该装置还包括用于将数字的第四信号和数字的第五信号组合成数字的第六信号的组合电路。

上述简述仅理解为对若干可能的实施方式的简要说明，而不应看作是限制性的。尤其其他实施例可使用除了上述特征之外的其他特征。

附图说明

图1示出了根据一个实施例的方法的流程图。

图2示意性地示出了根据各种实施例的线路图。

图3示意性地示出了根据各种实施例的线路图。

图4示意性地示出了根据各种实施例的数字调制器。

图5示意性地示出了根据各种实施例的根据图2的线路图的可能的实施方式。

图6示出了仿真的具有强空闲音的快速傅立叶变换(FFT)频谱。

图7示出了根据一个实施例的仿真的具有降低的空闲音的FFT频谱。

图8示出了根据一个实施例的仿真的单个调制器输出的FFT频谱。

图9示出了根据一个实施例的仿真的输出端信号的FFT频谱。

具体实施方式

下面参考附图详细描述不同的实施例。实施例仅看作是示例，而不是限制性的。例如在其他实施例中可取消若干所述特征或部件和/或由替代的特征或部件替换。不同实施例的特征或部件可结合以便构成另外的实施例。关于一个实施例所述的变型方案和改型方案也可应用在其他实施例中。此外可提供与所述或所示不同的特征和部件，例如在传统的带隙电路或用于产生参考电压的电路中使用的特征或部件。

在附图中示出或在下面描述的直接连接或耦合、即，没有中间元件的电连接或耦合(例如简单的金属导电迹线)也可通过间接连接或耦合实现，即，包括一个或多个附加的中间元件的连接或耦合，反之如此，只要该连接或耦合的常见功能，例如提供电压、提供电流或提供控制信号基本上保持。

连接或耦合可以有线方式或无线方式被实施。功能单元可以被实施成硬件、软件或硬件和软件的组合。

在附图中相同的附图标记表示相同或类似的元件。附图是各种实施例的示意性表示。在附图中示出的元件不一定按尺寸比例示出。而是以如下方式再现附图中示出的不同元件，即，使技术人员理解其功能和一般用途。

所述技术可用在不同应用领域中。例如如下所述，变换与测量技术相关地使用，在测量技术中从一个传感器接收一个模拟的输入端信号或从多个传感器接收多个输入端信号。一个传感器或多个传感器本身也可包括变换器，变换器此时可提供数字信号作为一个输入端信号或多个输入端信号。一个输入端信号或多个输入端信号此时通常指示一个或多个可观测物理量。例如可使用与麦克风相关的变换，麦克风例如基于压力传感器临摹输入端信号中的环境噪声。

在若干实施例中，变换在此包括模数转换(ADC)。

下面以及前述实施例可以使用抖动信号。

在本申请中的抖动信号可以是模拟信号或数字信号。抖动信号可以是随机的或具有周期性。在周期性的情况下抖动信号重复的频率在本申请中称为抖动频率。周期性的抖动信号例如可以具有正弦、锯齿的形状或周期性信号的任意组合。随机的抖动信号同样可以以伪随机方式生成。在一种变型方案中例如可以借助线性反馈移位寄存器(LinearFeedback Shift Register,LFSR)实现。

抖动频率可以与应用情况的有效频率和/或有效频率范围(下面称为有效范围)相关地选择、例如参考输入端信号而被选择。例如可以将周期性的抖动信号的抖动频率选择为低于有效频率的下限。也可设想到与有效范围相关的其他频率。例如也可以将周期性的抖动信号的抖动频率选择为大于第一信号的有效频率的上限，即，高于有效范围。在若干应用情况下也可将抖动频率选择在有效频率范围之内。

在本申请中信号的有效范围理解为可以通过有效频率的下限和有效频率的上限描述的范围。信号的有效范围此时在输入端信号的有效频率的下限和输入端信号的有效频率的上限之间。在用于人类听觉的音频信号的情况下，有效频率的上限和下限可以被定位在人类听觉可感知的频谱范围上。例如所选的有效范围从20Hz至20kHz。

在这种情况下抖动频率例如可以选择在～1Hz的范围中。但是如上所述抖动频率也可具有其他的值，可以选择为在可听到的范围中或高于可听到的范围。

在用于其他用途或也在在音频范围中时，其他的有效范围和/或仅上述示例的部分区域作为有效范围也是可能的。

在若干实施例中，该方法或装置的一部分可以工作在第一采样频率(工作频率)下。该第一采样频率可以相对初始的采样频率和/或相对于输出的中间信号的第二采样频率(中间频率)减小。

在本申请中变换应理解为将信号A变换成具有与信号A不同的信号格式的信号B。

不同的信号格式尤其可以是，信号A是模拟信号且信号B为具有某一比特宽度和某一采样频率的数字信号，或信号A是具有第一比特宽度和第一采样频率的第一数字信号，且信号B是具有与信号A不同的第二比特宽度和/或第二采样频率的第二数字信号。

在若干实施例中发生至少一次变换过程。在数字信号的情况下，变换例如可以包括具有n＞＝2比特的比特流至具有n＝1比特的比特流的变换。这例如可借助数字调制器实现。在模拟的输入端信号的情况下、例如在模数转换器(ADC)中可将模拟信号转换成数字信号，例如转换成1比特流。在这种情况下可以利用n阶的sigma-delta模数转换器实现变换。例如可选择n＝1或n＝5，但是为n选择其他的值也是可能的。

用于组合而设置的组合元件和组合电路被理解为这样一种电路，其具有用于第一输入端数字信号C和第二输入端数字信号D的两个输入端和用于一个输出端数字信号E的一个输出端，其中，E通过组合元件作为C和D的函数来提供。

输入端数字信号C和D以及输出端数字信号E的采样频率在此可以是不同的。

输出端数字信号E的采样频率可以相当于输入端数字信号C和D的总和或总和的多倍。第一输入端数字信号C和第二输入端数字信号D的采样频率可以是相同的。

第一输入端数字信号C和第二输入端数字信号D的组合可以作为交替的组合来实现。在这种情况下交替地使用一定数量比特的输入端数字信号C，然后使用相同数量比特的输入端数字信号D并且组合成输出端信号E。在交替的组合中，尤其可以通过交替的组合来实现具有输入端数字信号C和D的两倍频率的输出端信号。

可替代地，组合可以类似于中继器的工作方式；由此可例如通过组合信号C和D并且通过重复信号C和D的部分信号来产生信号E。作为信号的部分信号例如可以选择单个的采样值或多个采样值。在1比特流的情况下采样值是各个比特。

例如可以通过组合、例如交替地组合输入端信号C和/或D的部分信号且通过重复部分信号的值来产生具有信号C和D的四倍频率的组合器的输出端信号E。

如果第一信号提供采样值C1、C2，第二信号提供采样值D1、D2，且对于确定的时间段T分别具有第一采样频率，则对于相同时间段T该组合可以输出具有第一采样频率的两倍采样频率C1|D1|C2|D2的输出端信号E，或对于相同的时间段T输出具有第一采样频率的四倍输出频率，例如具有C1|D1|C1|D1|C2|D2|C2|D2的输出端信号。这仅示例性地理解并且不可看作为限制性的。

术语加法和减法或加法器和减法器应当理解为功能性的且涉及能够实现对应于加法或减法的期望效果的过程或装置。

例如在模拟信号的情况下，信号F加到信号G上应理解为信号F和信号G的叠加。例如在具有相同的采样频率的数字信号的情况下，加法理解为数字值的相加。

在模拟信号的情况下，从信号H中减去信号I例如应理解为信号H和信号I的叠加，其中I具有负号。在具有相同的采样频率的数字信号的情况下，减法应理解为从信号H中减去信号I的数字值。

可替代地，例如也可通过以下方式实现减法，即，利用在两个周期性信号之间的相移和产生与加法/减法基本相同结果的加法，但不涉及减法器/减法。这例如可通过多相振荡器(Multi-Phase-Oscillator)实现。这同样适用于例如逆变器和类似的可用于产生对应于加法或减法作用的已知装置。例如也可通过使用两个加法步骤来实现加法和减法的效果，其中，一个加法步骤与符号改变(“反转”)相关联。术语加法和减法或装置加法器和减法器的使用应当在这种意义下被理解并且扩展到实现所述结果的所有等效的可能性。

图1示出了根据一种实施例的方法的流程图。

所述方法过程的顺序并非相应于方法过程的时间顺序。方法过程也可同时地或以与编号顺序不同的顺序进行。

首先，在101处，将抖动信号加到第一信号上并由此生成第二信号。第一信号例如可以是来自传感器的数字信号或模拟信号。在102处，从第一信号中减去相同的抖动信号并由此生成第三信号。

在不同实施例中，第一信号可以是数字的或模拟的。数字可以以比特宽度n＞1比特的比特流的形式被数字化。

根据实施例，生成的第二信号和第三信号同样可以是模拟的或数字的。

在103中，将第二信号变换成数字的第四信号。在104中将第三信号变换成数字的第五信号。在第二信号和第三信号为模拟的情况下变换对此包括数字化。第一变换103和第二变换104可以是如上所述的变换过程。

在105处，将第四信号和第五信号组合成第六信号。

该组合可具有以下效果，即，在第六信号中不再包含抖动信号。这可以是有利的，因为抖动信号即使在选择有效范围之外的情况下也可能对后续的信号处理阶段具有干扰作用，和/或可能由于互调而生成在其他频率范围中的信号。

在方法的实施例中，数字的第四信号和/或数字的第五信号和/或数字的第六信号可以是1比特流。

在此在若干实施例中在103中的变换和在104中的变换可以彼此相应。

两个变换或变换单元相应地进行的变换应当理解为，在输入相同的情况下，变换的结果或变换单元的输出端信号彼此相应，即，基本上没有区别。

这例如可通过使用相同的或近似相同的变换器或变换来实现。

在另一实施例中数字的第四信号和数字的第五信号具有第一采样频率且数字的第六信号具有第二采样频率。第一采样频率在此可以小于第二采样频率。

在另一变型方案中，第二采样频率可以是第一采样频率的两倍的整数倍。

在多种实施例中，第二采样频率可以是第一采样频率的两倍或四倍频率。

图2示意性地示出了根据各种实施例的用于信号变换的线路图。

在图2的线路图中，信号线路204将第一信号传导给加法器205和减法器206。加法器205被设置成实施加法，减法器206被设置成实施减法。抖动发生器203生成抖动信号，抖动信号被提供给加法器205和减法器206。在加法器205中，抖动信号被加到第一信号上且生成第二信号，第二信号在第一变换输入端209处被提供给第一变换器201。相应地，从减法器206，第三信号在第二变换输入端211处被提供给第二变换器202。第一变换器201将第二信号转换成数字的第四信号并且将其输出给第一变换输出端210，第二变换器202将第三信号变换成数字的第五信号并且将其输出给第二变换输出端212。数字的第四信号和数字的第五信号被提供给组合电路207。组合电路207将数字的第四信号和数字的第五信号组合成数字的第六信号。数字的第六信号通过输出端信号线路208提供，以便进一步处理。

在图2示出的实施例的变型中，减法器206也可以从抖动信号中减去第一信号以形成第三信号。在这种情况下此时第五信号在与第四信号组合之前被反转，这基本给出了与在图2中相同的第六信号。关于在该示例中描述的变换过程、信号、抖动信号和组合电路在此也适用于上述一般性的实施方式。

图3示意性地示出了根据各种实施例的线路图。通过抖动发生器301，模拟的抖动信号被提供给加法器302和减法器303。加法器302和减法器303使抖动信号与在信号线路304中提供的第一信号组合。根据此处描述的实施例，第一信号呈模拟形式。在加法器302中组合的信号被提供给第一ADC 305。在减法器303中组合的信号被提供给第二ADC 306。第一ADC 305和第二ADC 306具有第一采样率F1。在图3示出的实施例中，第一ADC 305和第二ADC306分别提供1比特流作为输出端信号。这两个比特流被提供给组合器307。在组合器中由具有采样频率F1的两个比特流通过交替地组合或通过另一合适方法来生成输出端信号308，输出端信号在该实施例中是具有采样频率F2的1比特流。在此F2可以为F1的多倍。例如F2可以具有F1的两倍的值。在另一实施例中F2可以具有F1的四倍的值，但是其他的组合也是可能的。

图4示意性地示出了根据各种实施例的数字调制器。

在图4中示出了n阶数字调制器。数字调制器或数字噪声整形器可用于变换(如例如在图1中103、104所示)或用作变换器(如例如在图2中(201、202)和下面在图5中所示)。

比特宽度m＞1的输入端信号402借助减法器403与环路滤波器401连接。环路滤波器401的阶数决定了调制器的阶数n。将环路滤波器的输出端提供给量化器404。量化器404的输出端信号一方面形成输出端信号405，另一方面借助反馈线路406将输出端信号提供给加法器403并且从输入端信号402中减去。

图5示意性地示出了根据图2的各种实施例的线路图的可能实施方式。

在图5所示的变型中由MEMS系统501提供模拟的输入端信号。MEMS系统501可以形成声变换器，声变换器被设置成将声振动转变成电信号并且作为麦克风信号提供。但是如上关于测量技术所述地，其他的输入端信号也是可能的。输入端信号通过ADC 502而被数字化。在此，ADC 502使用采样率F2以用于数字化。在503中，数字信号的频率被降低到更低的频率F1。该信号经过增强滤波器504、随后经过数字低通滤波器505。

增强滤波器504可以是具有负的群延迟的滤波器，该滤波器在通带中具有平坦的幅度特性曲线并且放大更高的频率并且与数字低通滤波器505共同作用地被设计成，使得在增强滤波器和低通滤波器的共同作用下，通过滤波器的信号的(正)群延迟尽可能的小。

数字低通滤波器的输出端信号分别被提供给加法器506和减法器507。抖动发生器508生成抖动信号，该抖动信号被分别提供给加法器506和减法器507。在加法器506中组合的信号被提供给第一调制器508。第一调制器对该信号进行调制且将调制的信号提供给组合电路509。这样提供的减法器507的信号被提供给第二调制器510。第二调制器510的输出端信号同样被提供给组合电路509。组合电路将两个信号组合成1比特流。生成的1比特流又具有采样频率F2并且可作为中间信号IF 511被提供，以便进一步处理。

图6示出了仿真的具有强空闲音(601；602)的FFT频谱。这可以相应于没有抖动信号的图5的装置的中间信号511。

在此，以分贝为单位的幅度量作为频率的函数而被绘制。在图6中示出了仿真的用于已知的麦克风构造的频谱。在频谱中可以清楚地看出具有-8dBFS幅度的强空闲音(601；602)。这种强空闲音(601；602)可以对用户产生令人不愉快的听觉印象和/或可能干扰后续的进一步的信号处理阶段，例如语音识别。

图7示出了根据一种实施例的仿真的具有降低的空闲音(701；702)的FFT频谱，例如图5的装置的具有抖动信号的中间信号511。在图7中同样示出了仿真的频谱。仿真的频谱例如可在图5中的信号输出端IF 511处获得。在图7所示的情况中，使用频率为0.5Hz的正弦作为抖动信号。空闲音(701；702)明显降低到-24dBFS。抖动信号在示出的频谱中不可见。

图8和图9示出了仿真的FFT频谱，其对于一个实施例在装置的不同位置上获取。

图8示出了根据一种实施例的仿真的单个调制器输出端的FFT频谱。用于所示出的频谱的数据例如可以在图5中的第一调制器508的输出端上获得。在小于1000Hz的低频率范围中由于正弦形的抖动信号可以明显看出抖动峰值801。如在图7所示出的情况一样，在图8中使用频率为0.5Hz的正弦信号作为抖动信号。由于用于计算频谱的仿真值的数目，抖动峰值801在频谱中的峰值宽度是伪影。仿真500Hz的音调，作为模拟的有效信号。该音调同样可在频谱中作为有效信号峰值802清楚看出。

图9示出了根据一种实施例的仿真的输出端信号的FFT频谱。该频谱例如可以是图5中的组合电路的输出端信号。如在小于1000Hz的低频率范围中清楚可见地，抖动信号不再可检测到。这对于接下来的信号处理可能是有利的，因为通过在可听到的范围之外的信号会对接下来的处理步骤——在麦克风的情况下例如为语音识别——具有不利的影响。通过移除抖动信号还可以避免在输出端信号中出现由于互调而造成的抖动信号的可听到的分量。相反，如图8所示，频率为500Hz的模拟音调不加改变地在频谱中被识别为有效信号峰值901。

Claims (18)

1.一种用于信号变换的方法，包括：

使抖动信号与来自传感器的第一信号相加，由此生成第二信号，

从所述第一信号中减去所述抖动信号或从所述抖动信号中减去所述第一信号，由此生成第三信号，

通过第一sigma-delta模数转换器执行所述第二信号至数字的第四信号的第一变换，

通过第二sigma-delta模数转换器执行所述第三信号至数字的第五信号的第二变换，以及

将所述数字的第四信号和所述数字的第五信号组合成数字的第六信号，

其中所述数字的第四信号和所述数字的第五信号具有第一采样频率，并且所述数字的第六信号具有第二采样频率，其中所述第一采样频率小于所述第二采样频率。

2.根据权利要求1所述的方法，其中所述数字的第四信号和/或所述数字的第五信号和/或所述数字的第六信号是1比特流。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其中所述第一变换和所述第二变换以相应方式被执行。

4.根据权利要求1所述的方法，其中所述第二采样频率是所述第一采样频率的两倍的整数倍。

5.根据权利要求1或2所述的方法，其中所述抖动信号是周期性的信号。

6.根据权利要求5所述的方法，其中周期性的所述抖动信号的抖动频率小于所述第一信号的有效频率的下限。

7.根据权利要求1或2所述的方法，其中所述第一变换和所述第二变换包括：

将模拟信号变换成数字信号，或

将数字信号从第一比特宽度转变成第二比特宽度。

8.根据权利要求1或2所述的方法，其中所述组合包括所述数字的第四信号和所述数字的第五信号的交替组合。

9.一种用于信号变换的装置，包括：

信号线路；

第一sigma-delta变换器，所述第一sigma-delta变换器具有第一变换输入端和第一变换输出端；

第二sigma-delta变换器，所述第二sigma-delta变换器具有第二变换输入端和第二变换输出端；

其中所述第一变换输入端和所述第二变换输入端与所述信号线路耦合，

抖动发生器，所述抖动发生器与所述第一变换输入端以加法方式耦合并且与所述第二变换输入端以减法方式耦合，

输出端信号线路；

组合电路，所述组合电路与所述第一变换输出端和所述第二变换输出端以及所述输出端信号线路耦合，其中所述第一变换输出端和所述第二变换输出端输出给所述组合电路的信号具有第一采样频率，并且所述组合电路输出给输出端信号线路的信号具有第二采样频率，其中所述第一采样频率小于所述第二采样频率。

10.一种用于信号变换的装置，包括：

加法器，用于使抖动信号与第一信号相加以生成第二信号；

减法器，用于从所述第一信号中减去所述抖动信号，或用于从所述抖动信号中减去所述第一信号，以生成第三信号；

第一sigma-delta变换器，用于将所述第二信号变换成数字的第四信号；

第二sigma-delta变换器，用于将所述第三信号变换成数字的第五信号；

组合电路，用于将所述数字的第四信号和所述数字的第五信号组合成数字的第六信号，

其中所述数字的第四信号和所述数字的第五信号具有第一采样频率，并且所述数字的第六信号具有第二采样频率，其中所述第一采样频率小于所述第二采样频率。

11.根据权利要求9或10所述的装置，其中所述第一sigma-delta变换器和所述第二sigma-delta变换器彼此相应。

12.根据权利要求9或10所述的装置，其中所述第一sigma-delta变换器和所述第二sigma-delta变换器被设置成，

将模拟信号变换成数字信号，或

将数字信号从第一比特宽度转变成第二比特宽度。

13.根据权利要求10所述的装置，其中所述数字的第四信号和/或所述数字的第五信号和/或所述数字的第六信号是1比特流。

14.根据权利要求10所述的装置，其中所述第二采样频率是所述第一采样频率的两倍的整数倍。

15.根据权利要求10所述的装置，其中所述抖动信号是周期性的信号。

16.根据权利要求15所述的装置，其中周期性的所述抖动信号具有的抖动频率低于所述第一信号的有效频率的下限。

17.根据权利要求10所述的装置，其中所述组合电路被设置成，使所述数字的第四信号和所述数字的第五信号交替组合。

18.一种麦克风，所述麦克风包括：

-声变换器，所述声变换器被设置成，将声振动转变成电信号并且作为麦克风信号提供，以及

-根据权利要求10至17中任一项所述的用于信号变换的装置，

其中所述麦克风信号作为第一信号被提供并且所述麦克风的输出端信号作为数字的第六信号被提供。