CN113644923A - 发送设备、接收设备和收发系统 - Google Patents

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CN113644923A CN202110420285.4A CN202110420285A CN113644923A CN 113644923 A CN113644923 A CN 113644923A CN 202110420285 A CN202110420285 A CN 202110420285A CN 113644923 A CN113644923 A CN 113644923A
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Abstract

本发明提供发送设备、接收设备和收发系统，即，发送设备(100)、与发送设备相对应的接收设备(200)、以及收发系统，包括：第一A/D转换部(120)，其将模拟音频信号转换为数字信号；压缩部(130)，其对转换后的数字信号进行压缩；调制部(140)，其通过对压缩后的数字信号进行调制来生成调制信号；全通滤波器(150)，其减少调制信号中所包括的相位失真；以及发送部(160)，其发送由于利用全通滤波器减少调制信号的相位失真而产生的相位失真消除信号。

Description

发送设备、接收设备和收发系统
技术领域
本发明涉及一种发送设备、接收设备和收发系统。
背景技术
已知发送作为已被压缩的音频信号的压缩信号、并通过扩展所接收到的压缩信号来恢复音频信号的收发系统(例如，参见专利文献1、即日本特开2015-19146)。另外，已知在模拟通信中还进行诸如预加重(pre-emphasis)或压缩等的处理。然而，由于部件的变化、配线或温度变化等引起的性能劣化，因此难以精确地对模拟信号进行这样的处理。因此，存在通过将模拟信号转换为数字信号、然后对数字信号进行预加重或压缩等、然后将数字信号再转换为模拟信号来执行无线传输的已知方法。
发明内容
发明要解决的问题
这样的收发系统可以发送和接收作为已被调制的压缩信号的调制信号。在这种情况下，存在压缩信号的相位在调制和解调等中变为非线性、因此扩展后的音频信号失真的问题。
本发明集中于这一点，并且其目的是在通过进行调制和解调来发送和接收音频信号的收发系统中抑制音频信号中发生的失真。
用于解决问题的方案
本发明的第一方面提供了：一种发送设备，包括：第一A/D转换部，用于将模拟音频信号转换为数字信号；压缩部，用于对转换后的数字信号进行压缩；调制部，用于通过对压缩处理后的数字信号进行调制来生成调制信号；第一全通滤波器，用于减少所述调制信号中所包括的相位失真；以及发送部，用于发送由于利用所述第一全通滤波器减少所述调制信号的相位失真而产生的相位失真消除信号。
所述发送设备可以还包括转换部，用于将输入声音转换为所述模拟音频信号。
在截止频率为F0、ω0＝2πF0且Q因子为Q的情况下，所述第一全通滤波器可以具有下式所示的绝对值为1的传递函数H(s)的特性：
Figure BDA0003027604900000021
本发明的第二方面提供了一种接收设备，包括：接收部，用于接收调制信号；第二A/D转换部，用于将所述调制信号转换为数字信号；解调部，用于通过对转换后的数字信号进行解调来生成解调信号；扩展部，用于对所述解调信号进行扩展；D/A转换部，用于将通过所述扩展部所进行的扩展而生成的信号转换为模拟信号；以及输出部，用于输出所述模拟信号，其中，所述接收设备还包括第二全通滤波器和第三全通滤波器其中至少之一，所述第二全通滤波器被设置在所述第二A/D转换部和所述解调部之间并且用于减少所述第二A/D转换部所转换后的数字信号中所包括的相位失真，所述第三全通滤波器被设置在所述解调部和所述扩展部之间并且用于减少所述解调部所解调后的解调信号中所包括的相位失真。
在截止频率为F0、ω0＝2πF0且Q因子为Q的情况下，所述第二全通滤波器和所述第三全通滤波器其中至少之一可以具有下式所示的绝对值为1的传递函数H(s)的特性：
Figure BDA0003027604900000022
本发明的第二方面提供了一种收发系统，包括：发送设备，以及接收设备，用于接收所述发送设备所发送的信号，其中，所述发送设备具有：第一A/D转换部，用于将模拟音频信号转换为数字信号；压缩部，用于对转换后的数字信号进行压缩；调制部，用于通过对压缩后的数字信号进行调制来生成调制信号；以及发送部，用于发送所述调制信号，以及所述接收设备具有：接收部，用于接收所述调制信号；第二A/D转换部，用于将所述调制信号转换为数字信号；解调部，用于通过对所述第二A/D转换部所转换后的数字信号进行解调来生成解调信号；扩展部，用于对所述解调信号进行扩展；D/A转换部，用于将通过所述扩展部所进行的扩展而生成的信号转换为模拟信号；以及输出部，用于输出所述模拟信号，以及其中，所述收发系统包括以下滤波器至少之一：第一全通滤波器，其被设置在所述调制部和所述发送部之间，并且用于减少所述调制部所生成的调制信号中所包括的相位失真；第二全通滤波器，其被设置在所述第二A/D转换部和所述解调部之间，并且用于减少所述第二A/D转换部所转换后的数字信号中所包括的相位失真；以及第三全通滤波器，其被设置在所述解调部和所述扩展部之间，并且用于减少所述解调部所解调后的解调信号中所包括的相位失真。
所述发送设备可以还包括转换部，所述转换部用于将输入声音转换为所述模拟音频信号。
在截止频率为F0、ω0＝2πF0且Q因子为Q的情况下，所述第一全通滤波器、所述第二全通滤波器和所述第三全通滤波器其中至少之一可以具有下式所示的绝对值为1的传递函数H(s)的特性：
Figure BDA0003027604900000031
发明的效果
本发明实现了在通过进行调制和解调来发送和接收音频信号的收发系统中抑制音频信号中发生的失真的效果。
附图说明
图1示出根据本实施例的发送设备100的结构示例。
图2示出根据本实施例的使用全通滤波器150的相位校正的结果的示例。
图3示出根据本实施例的接收设备200的结构示例。
附图标记
100 发送设备
110 转换部
120 第一A/D转换部
130 压缩部
140 调制部
150 全通滤波器
160 发送部
162 D/A转换器
164 第一滤波器
166 第一放大器电路
168 发送电路
200 接收设备
210 接收部
212 接收电路
214 第二放大器电路
216 第二滤波器
220 第二A/D转换部
230 全通滤波器
240 解调部
250 扩展部
260 D/A转换部
270 输出部
具体实施方式
<发送设备100的结构示例>
图1示出根据本实施例的发送设备100的结构示例。发送设备100将输入声音转换为电信号，对转换后的电信号进行调制，并通过无线电将其发送到外部装置。发送设备100利用滤波处理来抑制在调制中发生的电信号的相位的非线性。发送设备100包括转换部110、第一A/D转换部120、压缩部130、调制部140、全通滤波器150和发送部160。
转换部110将输入声音转换为模拟音频信号。转换部110将随着空气振动而传输的声音转换为电信号。转换部110例如是麦克风。
第一A/D转换部120将转换部110所转换出的模拟音频信号转换为数字信号。第一A/D转换部120例如具有A/D转换器，并且以预定间隔对模拟音频信号进行采样。另外，第一A/D转换部120可以首先对模拟音频信号进行滤波，然后将其转换为数字信号。在这种情况下，第一A/D转换部120优选具有用作抗混叠滤波器(anti-aliasing filter)的低通滤波器。
压缩部130对第一A/D转换部120转换后的转换数字信号进行压缩。压缩部130例如使用诸如编码、模式识别和线性预测等的技术来进行压缩。由于压缩部130所进行的压缩被公知为声音压缩，因此这里省略其详细说明。
调制部140通过对压缩后的数字信号进行调制来生成调制信号。调制部140例如通过频率调制(FM)来生成调制信号。可选地，调制部140可以通过幅移键控(ASK)调制、相移键控(PSK)调制或频移键控(FSK)调制等来生成调制信号。
调制部140优选地首先对压缩后的数字信号的频率进行转换，然后生成调制信号。在这种情况下，调制部140还包括频率转换电路。频率转换电路将压缩后的数字信号的频率转换为更高频率。频率转换电路例如将压缩后的数字信号的频率转换为可以通过无线电发送的频带的频率。
调制部140所进行的这种频率转换处理和/或调制可能导致数字信号的相位中的非线性。另外，诸如模拟滤波器等的模拟电路可能导致输出信号的相位中的非线性。相位的这种非线性意味着压缩前的数字信号的劣化，并且使得难以以高精度传输音频信号。因此，根据本实施例的发送设备100利用全通滤波器150来校正这种非线性。
全通滤波器150使调制部140生成的调制信号中所包括的相位失真减少。
全通滤波器150具有诸如下式所示的绝对值为1的传递函数H(s)的特性。
Figure BDA0003027604900000061
这里，假定截止频率为F0，ω0＝2πF0且Q因子(Q factor)为Q。
式1所表示的全通滤波器150的传递函数H(s)表示二阶传递函数，但是全通滤波器150可以具有更高阶传递函数的特性。优选根据调制部140的特性预先确定全通滤波器150的滤波器系数。这种全通滤波器150可以校正调制信号的非线性相位以使其接近线性相位。
发送部160向外部装置发送由于利用全通滤波器150使调制信号的相位失真减少而产生的相位失真消除信号。发送部160首先将相位失真消除信号转换为模拟信号，然后发送该模拟信号。发送部160例如包括D/A转换器162、第一滤波器164、第一放大器电路166和发送电路168。
D/A转换器162将相位失真消除信号转换为模拟信号。第一滤波器164使D/A转换器162所转换的模拟信号内的预定频带的模拟信号分量通过。例如，第一滤波器164使包括输入到转换部110的声音的信息的频带的模拟信号分量通过。第一滤波器164例如是低通滤波器，并且用作抗混叠滤波器。
第一放大器电路166放大第一滤波器164已通过的模拟信号分量。发送电路168将第一放大器电路166放大的信号发送到外部装置。发送电路168例如包括LED，并将信号(其是由第一放大器电路166放大并被转换为光信号的放大信号)作为发送信号发送至外部装置。在这种情况下，光信号的波长例如是红外区域中的波长。可选地，发送电路168具有天线，并且可以发送信号(其是由第一放大器电路166放大并被转换为无线电信号的放大信号)作为发送信号。
如上所述，根据本实施例的发送设备100向外部装置发送相位失真消除信号，该相位失真消除信号是非线性相位已被全通滤波器150校正为线性相位的调制信号。因此，接收到发送设备100所发送的发送信号的接收设备可以通过对接收到的信号进行扩展来恢复相位失真已被抑制的音频信号。
<相位校正的结果的示例>
图2示出根据本实施例的全通滤波器150所进行的相位校正的结果的示例。图2的横轴表示频率，并且纵轴表示信号的相位。在图2中，虚线表示具有非线性相位的信号的频率特性。换句话说，虚线是从没有全通滤波器150的发送设备输出的发送信号的示例。
与此相对，实线表示已通过全通滤波器150的具有非线性相位的信号的频率特性。换句话说，实线是从具有全通滤波器150的发送设备100输出的发送信号的示例。与虚线所表示的波形相比，在用实线表示的波形中对相位的频率特性变为线性的频带进行扩展。以这种方式，全通滤波器150可以将调制信号的非线性相位校正为线性相位。
全通滤波器150可被设置在数字信号的传输线上，并且全通滤波器150优选地设置在数字信号的传输线的输出级侧。例如，全通滤波器150更优选地设置在数字信号的传输线的最末端，诸如紧挨在发送部160m的D/A转换器162之前，如图1的示例所示。
应当注意，代替发送设备100或除了发送设备100之外，接收设备还可以具有将这种非线性相位校正为线性相位的功能。接着，将说明具有校正功能的接收设备。
<接收设备200的结构示例>
图3示出根据本实施例的接收设备200的结构示例。接收设备200接收调制后的音频信号，并通过首先对调制后的音频信号进行解调、然后扩展解调后的音频信号来恢复音频信号。接收设备200使用滤波处理来抑制在调制和/或解调中发生的电信号的相位的非线性。接收设备200包括接收部210、第二A/D转换部220、全通滤波器230、解调部240、扩展部250、D/A转换部260和输出部270。
接收部210接收调制信号。接收部210例如接收使用频率调制进行调制的调制信号。可选地，接收部210可以接收使用幅移键控、相移键控或频移键控等进行调制的信号。接收部210例如接收由于调制而在相位中发生非线性的调制信号。在本实施例中，将说明接收部210接收具有红外区域中的波长并且已被调制的光信号的示例。接收部210例如包括接收电路212、第二放大器电路214和第二滤波器216。
接收电路212将调制后的光信号转换为电信号。接收电路212例如具有能够接收红外区域中的光的光电二极管。此外，在调制信号是无线电波的情况下，接收电路212具有天线，并将无线电波转换为电信号。
第二放大电路214放大接收电路212转换的电信号。第二滤波器216使第二放大器电路214所放大的电信号的预定频带的模拟信号分量通过。第二滤波器216例如使包括要由输出级的接收设备200转换为音频信号的信息的频带中的模拟信号分量通过。第二滤波器216例如是低通滤波器，并且用作抗混叠滤波器。
第二A/D转换部220将接收部210所接收到的调制信号转换为数字信号。第二A/D转换部220将第二滤波器216通过的模拟信号分量转换为数字信号。
应当注意，由于上述的频率转换处理和/或调制已被应用于接收部210所接收到的调制信号，因此可能存在调制信号的相位具有非线性的情况。在这种情况下，如果调制信号被转换为音频信号，则声音可能劣化。因此，根据本实施例的接收设备200利用全通滤波器230来校正这种非线性。
全通滤波器230使第二A/D转换部220所转换的数字信号中所包括的相位失真减少。全通滤波器230例如具有如式1所表示的绝对值为1的传递函数H(s)的特性。全通滤波器230具有(i)二阶传递函数或(ii)三阶或更高阶传递函数的特性。全通滤波器230可以校正调制信号的非线性相位以使其接近线性相位。全通滤波器230输出从调制信号转换来的数字信号的相位失真已减少的信号作为相位失真消除信号。
解调部240对由于利用全通滤波器230使数字信号的相位失真减少而产生的相位失真消除信号进行解调，以生成解调信号。例如，在使用频率调制生成接收部210所接收到的调制信号的情况下，解调部240对相位失真消除信号进行FM解调。此外，在对调制信号进行频率转换的情况下，解调部240将频率转换为原始频率。
应当注意，解调部240所进行的频率转换处理和/或解调也可能导致数字信号的相位中的非线性。因此，全通滤波器230可以输出进行了校正(包含对解调部240中发生的非线性的校正)的相位失真消除信号。在这种情况下，全通滤波器230的参数优选是预定的，使得基于预先测量的(i)解调部240中发生的相位失真和(ii)接收部210所接收到的调制信号的相位失真这两者来校正两个相位失真。通过这样做，即使解调部240导致非线性发生，解调部240也可以输出已被校正为接近线性相位的解调信号。
扩展部250对解调部240所解调的解调信号进行扩展。扩展部250对解调信号应用与已对接收部210所接收到的调制信号应用的压缩相对应的扩展。由于扩展部250执行的扩展同样已知为声音压缩，因此这里省略其详细说明。
D/A转换部260将通过扩展部250所进行的扩展而生成的信号转换为模拟信号。D/A转换部260例如包括D/A转换器。D/A转换部260还可以对转换后的模拟信号进行滤波。在这种情况下，D/A转换部260优选具有用作抗混叠滤波器的低通滤波器。
输出部270输出D/A转换部260所转换的模拟信号。输出部270例如通过将模拟信号转换为随着空气振动而传输的声音来输出模拟信号。输出部270例如是扬声器或耳机等。
如上所述，在根据本实施例的接收设备200中，全通滤波器230将调制信号的非线性相位校正为线性相位。作为结果，即使在接收到的调制信号中发生了相位失真，接收设备200也可以恢复具有抑制的相位失真的音频信号。另外，全通滤波器230可以将在解调部240中发生的非线性相位校正为线性相位。因此，即使在解调中发生相位失真，接收设备200也可以恢复具有抑制的相位失真的音频信号。
在上述的实施例中，说明了接收设备200接收具有非线性相位的调制信号的示例。在这种情况下，接收设备200与不具有全通滤波器150的发送设备一起形成收发系统，但不限于此。接收设备200可以接收由图1所述的发送设备100发送的发送信号作为调制信号。在这种情况下，发送设备100和接收设备200形成收发系统。
在这种收发系统中，接收设备200所接收到的调制信号的相位近似为线性相位。因此，可以设置全通滤波器230的滤波器系数以将解调部240中发生的非线性相位校正为线性相位。通过这样做，收发系统可以精确地传播和恢复音频信号，这是因为在调制发送信号的过程中发生的相位失真被发送设备100抑制，并且在解调接收信号的过程中发生的相位失真被接收设备200抑制。
在上述的根据本实施例的接收设备200的说明中，示出全通滤波器230被设置在第二A/D转换部220和解调部240之间的示例，但是接收设备200不限于此。全通滤波器230可以例如设置在解调部240和扩展部250之间。如上所述，全通滤波器230更优选地设置在发生非线性的部分的输出级。
在这种情况下，解调部240对第二A/D转换部220所转换的数字信号进行解调以生成解调信号。然后，全通滤波器230使解调部240所解调后的解调信号中所包括的相位失真减少。扩展部250对由于利用全通滤波器230使相位失真减少而产生的相位失真消除信号进行扩展。即使在这种结构中，接收设备200也可以通过校正具有非线性相位的调制信号来恢复具有抑制的相位失真的音频信号。此外，即使在解调中发生相位失真，接收设备200也可以恢复具有抑制的相位失真的音频信号。
在根据本实施例的发送和接收系统中说明了在发送设备100和/或接收设备200中设置一个全通滤波器的示例，但是本发明不限于此。例如，可以在发送设备100中设置多个全通滤波器150。同样，可以在接收设备200中设置多个全通滤波器230。
根据本实施例的收发系统可以通过无线电来发送声音，并在远离输入声音的位置处恢复所输入的声音。这种收发系统例如可以用作卡拉OK机、会议系统或实时音频传输系统等。
根据以上实施例的收发系统的至少一部分优选由集成电路等形成。例如，收发系统可以包括现场可编程门阵列(FPGA)、数字信号处理器(DSP)和/或中央处理单元(CPU)。
在收发系统的至少一部分由计算机等形成的情况下，收发系统包括存储单元。存储单元例如包括存储实现音频信号处理设备10的计算机等的基本输入输出系统(BIOS)等的只读存储器(ROM)、以及用作工作区域的随机存取存储器(RAM)。另外，存储单元可以存储包括操作系统(OS)、应用程序以及/或者在执行应用程序时参考的数据库的各种信息。也就是说，存储单元可以包括像硬盘驱动器(HDD)和/或固态驱动器(SSD)那样的大容量设备。诸如CPU等的处理器通过执行存储单元中所存储的程序而用作收发系统。
基于典型实施例来说明本发明。本发明的技术范围不限于以上实施例中所说明的范围，并且可以在本发明的范围内进行各种变化和修改。例如，设备的全部或部分可被配置为在功能上或物理上分散和集成在任意单元中。此外，这些典型实施例的任意组合所生成的新的典型实施例被包括在本发明的典型实施例中。组合所产生的新实施例的效果具有原始实施例一起的效果。

Claims (8)

1.一种发送设备，包括：
第一A/D转换部，用于将模拟音频信号转换为数字信号；
压缩部，用于对转换后的数字信号进行压缩；
调制部，用于通过对压缩后的数字信号进行调制来生成调制信号；
第一全通滤波器，用于减少所述调制信号中所包括的相位失真；以及
发送部，用于发送由于利用所述第一全通滤波器减少所述调制信号的相位失真而产生的相位失真消除信号。
2.根据权利要求1所述的发送设备，还包括：
转换部，用于将输入声音转换为所述模拟音频信号。
3.根据权利要求1或2所述的发送设备，其中，在截止频率为F0、ω0＝2πF0且Q因子为Q的情况下，所述第一全通滤波器具有下式所示的绝对值为1的传递函数H(s)的特性：
Figure FDA0003027604890000011
4.一种接收设备，包括：
接收部，用于接收调制信号；
第二A/D转换部，用于将所述调制信号转换为数字信号；
解调部，用于通过对转换后的数字信号进行解调来生成解调信号；
扩展部，用于对所述解调信号进行扩展；
D/A转换部，用于将通过所述扩展部所进行的扩展而生成的信号转换为模拟信号；以及
输出部，用于输出所述模拟信号，其中，所述接收设备还包括第二全通滤波器和第三全通滤波器其中至少之一，所述第二全通滤波器被设置在所述第二A/D转换部和所述解调部之间并且用于减少所述第二A/D转换部所转换后的数字信号中所包括的相位失真，所述第三全通滤波器被设置在所述解调部和所述扩展部之间并且用于减少所述解调部所解调后的解调信号中所包括的相位失真。
5.根据权利要求4所述的接收设备，其中，在截止频率为F0、ω0＝2πF0且Q因子为Q的情况下，所述第二全通滤波器和所述第三全通滤波器其中至少之一具有下式所示的绝对值为1的传递函数H(s)的特性：
Figure FDA0003027604890000021
6.一种收发系统，包括：
发送设备，以及
接收设备，用于接收所述发送设备所发送的信号，其中，
所述发送设备具有：
第一A/D转换部，用于将模拟音频信号转换为数字信号；
压缩部，用于对转换后的数字信号进行压缩；
调制部，用于通过对压缩后的数字信号进行调制来生成调制信号；以及
发送部，用于发送所述调制信号，以及
所述接收设备具有：
接收部，用于接收所述调制信号；
第二A/D转换部，用于将所述调制信号转换为数字信号；
解调部，用于通过对所述第二A/D转换部所转换后的数字信号进行解调来生成解调信号；
扩展部，用于对所述解调信号进行扩展；
D/A转换部，用于将通过所述扩展部所进行的扩展而生成的信号转换为模拟信号；以及
输出部，用于输出所述模拟信号，以及
其中，所述收发系统包括以下滤波器至少之一：
第一全通滤波器，其被设置在所述调制部和所述发送部之间，并且用于减少所述调制部所生成的调制信号中所包括的相位失真；
第二全通滤波器，其被设置在所述第二A/D转换部和所述解调部之间，并且用于减少所述第二A/D转换部所转换后的数字信号中所包括的相位失真；以及
第三全通滤波器，其被设置在所述解调部和所述扩展部之间，并且用于减少所述解调部所解调后的解调信号中所包括的相位失真。
7.根据权利要求6所述的收发系统，其中，所述发送设备还包括转换部，所述转换部用于将输入声音转换为所述模拟音频信号。
8.根据权利要求6或7所述的收发系统，其中，在截止频率为F0、ω0＝2πF0且Q因子为Q的情况下，所述第一全通滤波器、所述第二全通滤波器和所述第三全通滤波器其中至少之一具有下式所示的绝对值为1的传递函数H(s)的特性：
Figure FDA0003027604890000031
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