CN1139839A - 具有调幅能力的一位信号处理仪或在该信号处理仪上加载的记录或再现仪 - Google Patents

Abstract

一种适合于在幅度范围改变1位数字信号的数字信号处理仪器，它在一多位系数发生器，一由该系数发生器产生的系数和1位数字信号，和载有该数字信号处理电路的一记录/再生仪器的基础上执行预置处理操作。

Description

具有调幅能力的一位信号处理仪 或在该信号处理仪上加载的记录或再现仪

本发明涉及用于在幅度范围执行信号处理的数字信号处理方法和仪器，该信号是具有少量位的，例如1位的数字化输入信号。

迄今早已应用的n种记录/再现仪，例如一种密盘(CD)或数字音频带(DAT)，或一种数字音频广播，例如卫星广播的用于记录、再生和传输的数字化的音频信号的方法。在这种数字音频传输仪中，48KHz的采样频率和16量化位数是早经规定的量化格式。

在这种转换数字音频传输仪中，该数字音频数据的量化位的数量一般都规定解调音频信号的动态范围。为传输较高信号质量的音频信号，必须从当前的16位到20或24位值增加量化位数量。然而，一旦该格式被设置下来，该信号处理电路就被固定，量化位的数量不再容易增加。

作为数字化音频信号的一种方法，sigma—delta方法(∑Δ方法)已披露在日本声学会杂志的46卷第3号(1990)，251页至257页中的Yoshio Yamazaki“AD/DA转换器和数字滤波器”中。

图1所示是用于1位∑Δ调制电路的结构，在该图中，来自输入端61的输入音频信号经由加法器62送到积分仪63。积分仪63的信号被送到比较器64，在这里，该信号同，例如该输入音频信号的中性点电压相比较，并由，例如每采样周期1位量化来量化。就该采样周期(采样频率)的频率来说，该频率等于被使用的48KHz或44.1KHz的转换采样频率的64或128倍。量化位的数量可以是2或4位。

被量化的数据被提供到一采样延迟电路65，在这里被延迟一个采样周期。该被延迟的数据被，例如一位D/A转换器66转换为模拟信号并被送到加法器62，以便于被加到进入该输入端61的该输入音频信号。从比较器64输出的量化数据被输出到输出端67。这样，由∑Δ调制电路执行的具有1位∑Δ调制的高动态范围的音频信号，利用足够高的采样频率用少量位，例如1位就可以被产生。另外，也可以达到宽的传输频率范围，而且，∑Δ调制电路也适于集成并能实现高精度A/D转换，因此它被经常应于A/D转换器的内部电路。被∑Δ调制的信号可以通过一简化设计的模拟低通滤波器以再生模拟音频信号。利用这些特点，∑Δ调制电路能被应用于记录器或用于处理高质量数据的数据传输。

同时，在幅度范围方面的信号处理，这包括信号衰减，例如衰减，量化，滤波，交叉衰减或混合，这些能够在处理多位，例如16位，格式的数字信号的数字音频传输仪中实现的(可参考下文中的多位数字音频传输仪)这些信号处理，如果进行适当处理，例如传输范围或高动态范围被满意解决，利用∑Δ调制电路的数字音频传输仪能没有大困难地实现。

衰减，例如，包括随着时间的消逝而逐渐变低的再生信号的渐弱，或从零电平开始逐渐增加音频信号电平的渐强。这种衰减是在音频信号的幅度范围内通常的信号处理技术。

参考图2，被现的衰减由上述多位数字音频传输仪加以解释。在图2中，一多位数字音频信号，例如-16位信号被送到输入端71，经由乘法器72被输出到输出端73。如果规定衰减开始定时或衰减速度的一控制信号被送到一控制输入端74，该控制信号被送到一控制电路75，在这里产生一随机衰减信号。作为该衰减信号被送一系数发生器76，逐渐变化该音频信号电平到零电平的系数被产生并送到乘法器72。

当数字音频信号被送到数字信号输入端71时，有一在输出端73处被产生和被输出的由控制信号规定的定时形式以指定速度逐渐衰减到零电平的音频信号，这种衰减是依上述衰落的方式进行的。从零电平逐渐增加音频信号电平的渐强可根据反向该由系数发生器产生的系数发生顺序来实现。

然而，这样的处理不能用∑Δ调制的数字音频信号实现。那就是，由于，例如1位信号的∑Δ调制的数字信号具有在时间轴上表示1位模式的幅度信息，它不能利用乘法器72倍乘该信号以完成幅度处理操作的转换。

从而本发明的一个目的就是提供一种数字信号处理方法和仪器，它能够传输在少量位上，例如1位上的数字信号在幅度范围内完成信号处理的高质量音频信号，以便对少量位上的数字信号开发该宽的传输范围和高动态范围。

一方面，本发明提供了一种数字信号处理仪器，它包括用于改变相应于由一用户启动而产生的多位系数的系数发生装置；一计算装置，用于在1位上基于输入的数字信号和由该系数发生装置产生的一多位信号的系数的条件下执行一预置处理操作；和转换装置，用于再量化由处理装置输出的多位信号组成的处理运算的结果。

另一方面，本发明提供了一种数字信号处理装置，它包括输入装置，用于输入至少两个1位数字信号；和系数发生装置，用于产生由多位构成的预置系数。该系数同进入输入装置的1位数字信号相结合。该数字信号处理装置还包括若干计算装置，用于在进入输入装置的1位数字信号和通过系数发生装置产生的由多位构成的系数的基础上执行预置处理操作；用于加由处理装置处理的结果的第一加法装置；用于对由加法装置的加的结果进行预量化为1位数字信号的转换装置，和，用于将来自加法装置的加的结果和由转换装置产生的1位数字信号进行加的第二加法装置。

还有另一方面，本发明提供了一种用于将1位数字信号记录在一记录介质上的记录仪器。该记录仪器包括用于改变由对应于用户启动而产生的一多位系数的系数发生装置；用于在输入数字信号的1位和通过系数发生装置产生的多位信号构成的一系数的基础上执行一预置处理操作的计算装置；用于将通过处理装置输出的多位构成的处理结果预量化为1位数字信号的转换装置，和，用于将由转换装置预置化的1位数字信号记录到一记录介质上的记录装置。

还有另一方面，本发明提供了一种用于从一记录介质上再生一位数字信号的再现仪器。该再现仪器包括用于改变由对应于用户启动而产生的一多位系数的系数发生装置；用于在从记录介质再现的1位数字信号构成的一系数和由系数发生装置产生的多位信号的基础上执行预置处理操作的记算装置；用于将由处理装置输出的多重信号构成的处理结果预量化为1位数字信号的转换装置；和，用于将由处理装置的预量化过的1位数字信号转换为一模拟信号并该产生的模拟信号输出的输出装置。

由于是以这样一种方式进行处理操作，即相应于在幅度范围内，例如衰减或混合的信号处理的类型，以一定的控制方法，增加或减少被输入数字信号的少量位的幅度分量，和，该处理结果被预转换为少量位数字信号，这就使得少量位数字信号的特性变得令人满意。

使用对应于本发明的数字信号处理仪器，该计算处理是在少量位组成的输入信号上执行处理操作；而少量位转换处理是将计算处理的输出信号转换为较少量位的信号；该少量位，例如1位组成的数字信号，能在幅度范围被加以处理。这就使得有可能利用适于少量位的数字信号的宽的传输范围和高的动态范围，以便于实现高质量音频信号的传输。

使用对应于本发明的数字信号处理仪器，由于计算处理通过控制对由该少量位组成的输入数字信号敏感的多位信号来执行对少量位组成的输入信号方面的处理操作，而该位数转换处理将计算处理的输出信号转换为较少量位的信号，该由少量位组成的数字信号，例如1位，能在幅度范围被加以处理。这样，就有可能利用适于少量位数字信号的宽的传输范围和高动态范围，以便实现高质量音频信号的传输。

图1简略示明一种∑Δ调制电路；

图2表示通常的多位数字信号处理电路的沿幅度范围的控制；

图3是对应于本发明的用于控制在幅度范围上的1位数字信号；

图4是描述在幅度范围控制1位数字信号的特定配置的第一实施例；

图5是描述在幅度范围控制1位数字信号的特定配置的第二实施例；

图6A和6B分别表示在幅度处理之前和之后的信号波形；

图7是对应于本发明的一种记录仪器的方框图；

图8是对应于本发明的一种再现仪器的方框图；

图9是在本发明的记录介质上数据被记录和将被记录的结构；

图10是作为多路混合器的数字信号处理电路的第三实施例。

参照这些附图，将详细解释对应于本发明的数字信号处理方法和仪器的这些实施例。

本发明的第一实施例的目标是适合应用于对一输入音频信号是用∑Δ调制的，以便在一记录介质上，例如一磁带上记录-1位数字信号或1位数字数据和从该记录介质再生和输出该1位数字数据的数字音频/再现仪器。该数字信号处理仪器能够在该1位数字数据上在幅度范围，例如均衡，滤波或作为衰减一种的衰落方面执行信号处理。在幅度范围的处理是沿时间轴对该1位数字数据处理幅度分量的增加或减少。

参考图3，该数字信号处理仪器1包括乘法器3，它是通过控制对应于该1位数字数据的多位信号在从输入端2来的被∑Δ调制过的1位数字数据基础上执行一算术运算的算述单元；和，∑Δ调制单元7作为少量位转换装置，用于将乘法器3的输出再转换为1位数字数据。

乘法器3是一系数乘装置，它对应于1位数字数据，将该1位数字数据同多位乘系数，例如在系数发生器4产生的-16位乘系数相乘。

系数发生器4相应于稍后将解释的，提供到一控制电路5的一命令信号，以产生该16位乘系数。连接于控制电路5的一控制信号输入端6加一命令信号以便执行在幅度范围的，例如由用户选定的衰落的信号处理。控制电路5对应于执行衰落的命令信号以产生该多位乘系数。

乘法器3输出即是一多位数字数据的该乘的结果，送到作为∑Δ调制单元7的一部分的加法器8。该∑Δ调制单元7包括，还有加法器8；积分器9，用于积分该加法器8的加的输出；量化器10，用于将在每个采样周期从积分器9来的数据量化为1位数字数据。量化器10的被量化的输出经由延迟单元11被负反馈到加法器8，以便减去被加的到乘法器3的乘输出。作为量化器10的量化输出的1位数字数据在输出端12被输出。

该数字信号处理仪器1的操作如下：

如图4所示，1位数字数据经由输入端2被送到然后对应于1位数字数据的二进制状态的乘法器3，即无论数据是“1”还是“-1”，都分别去乘具有正的或负的多位(这里是16位)乘系数的1位数字数据，那就是，由基于提供到控制电路5的命令信号的系数发生器4产生的正的或负的多位系数的被选择取决于该1位数字数据的二进制状态，以便用该1位数字数据去乘。乘法器3的多位乘输出被送到∑Δ调制单元7。

图5所示的加法器/减法器13可替代乘法器3。加法器/减法器13对应于该1位数字数据的二进制状态，即无论该1位数字数据是“1”或“-1”，去分别是加或减该系数发生器4输出的到或从该延迟单元11的被延迟的输出的多位乘系数。由于从输入端提供的1位数字数据是“1”或“-1”，那就是绝对值是相等的，使得这种替换成为可能。该加法器/减法器13可使∑Δ调制单元7的乘法器3和加法器8合成一体来实现。

由多位乘输出供给的该下游侧电路在结构上的差别取于由乘法器3所假定的图4和5所示的结构。如果，乘法器3的操作如图4所示，该多位乘输出如上所述被送到加法器8，在这里延迟单元11的负延迟输出被加到该多位乘输出。如果乘法器3如图5所示被替换，该多位乘输出如上所述被送到积分器9。

如果该乘法器3的结构如图4所示，如上所述由加法器8减去该延迟输出的多位乘输出由积分器9积分并在等于采样周期的一个周期里由量化器10量化，以便再转换为在输出端12输出的1位数字数据。

由乘法器3在1位数字数据的基础上执行的信号处理是幅度范围的信号处理，如已清楚解释过的，例如量化或作为衰减一种的衰减。为了简化，现在解释由乘法器3所执行的将输入信号幅度降低一半的一种信号处理的处理。

参考图6A和6B，解释利用乘法器3执行减少输入信号幅度一半的操作情况下的该数字信号处理仪器1的处理结果。图6A所示是提供给图3的输入端2的1位数字数据的情况时的一信号波形，通过一模拟低通滤波器再次转换为模拟信号。图6B表示由图3所示的由数字信号处理仪器1执行的通过信号处理所获得的在1位数字数据情况下的信号波形被再次转换为模拟形式。对这两个数据来说，虽然输入/输出位长是1位，但这两个数据在模式上明显不同，那就是，通过简单设计的模拟滤波器所获得的模拟音频信号降低了它的一半幅度。

采用该数字信号处理仪器1，如上所述，该乘法器执行的操作是，它控制对应于处理类型的系数发生器所产生的多位乘系数，即衰减或混合取决于作为少量位输入数字信号的该1位数字信号的二进制状态。该乘法器3的多位乘输出通过∑Δ调制单元7再次转换为少量位数字信号，这里是1位数字信号。这样就可能利用适合于少量位数字信号的宽的传输范围和高动态范围，以便实现高质量音频信号的传输。

该数字信号处理仪器1被提供给包括有图7所示的记录单元20，和图8所示的再现单元30的数字音频记录/再现仪器。该记录单元20∑Δ调制该输入音频信号以形成1位数字数据并在作为一单元的预置位数的间隔处附加一同步信号和一误差校正码，以实现该记录，而再现单元30再生由记录单元20在磁带29上记录的1位数字数据并最终输出该模拟音频数据的再现数据。虽然该数字信号处理仪器1被提供在再现单元30中，但为了解释的方便还是首先解释记录单元20。

参考图7，来自输入端21的一输入音频信号由乘法器3用从系数发生器4来的多位乘系数相乘。由系数发生器4产生的系数经由被控制电路5控制的加法器22送到积分器23。积分器23的输出信号被送到比较器24，在这里它同例如，输入音频信号的中性点(“0V”)电势相比较，以便在每个采样周期用1位量化来加以量化。采样周期的频率，即采样频率被置于等于64或128倍的通常使用的48KHz或44.1KHz采样频率的较高频率。

被量化的数据被送到一采样延迟单元，在这里它被延迟一个采样周期。该被延迟的数据经由1位数字/模拟(D/A转换器)26送到加法器22，在这里它被加到来自输入端21的输入音频信号。这样，比较器24输出被量化的数据该数据是被该∑Δ调制的输入音频信号。比较器24的输出量化数据被送到附加电路，用于将同步信号和误差校正码(ECC)附加到每个预置采样数的被量化了的数据上。

采用这种记录格式，作为一位置化数据的1位数字数据被分裂为每四个1位数据，例如如图9所示的数据项D0至D3作为一个单元，和，同步信号S0，S1-组和误差校正码P0，P1-组被附加于每四个1位数字数据。在记录/再现期间产生的传输误差可由同步信号和误差校正码附加电路7附加的误差校码P0，P1来检测和校正。

在图8所示的再现单元30中，由再现头31记录在磁带29上的1位数字数据由再现头31加以再现。由于该1位数字数据这种以同步信号和误差校正码被附加到每四个1位数字数据的这种记录格式，当送到一同步信号分离和误差校正电路32的1位数据与同步信号脱离和进行误差的校正，仅只由输入音频信号的∑Δ调制产生的1位数字数据被产生。这样产生的1位数字数据被送到图3详细示明的数字信号处理仪器1。

如已清楚解释过的，该1位数字数据在幅度范围由该数字信号处理仪器1所控制。由该数字信号处理仪器1这样处理的1位数字数据由模拟滤波器33恢复成模拟音频信号并在监视器端34处被输出。

由数字信号处理仪器1输出的∑Δ再调制过的1位数字数据由是一种10进制(decimation)滤波器的数字滤波器35转换为任选信号格式的数据，例如CD或DAT格式。该转换为任选格式的数字信号经由任选格式的数字记录器的再现系统36，一用CD或DAT的再现系统37或用于DCC(数字录音机)的再现系统38送到一通常的D/A转换器39。

这样，采用使用本实施例的数字信号处理仪器1的该数字音频记录/再生仪器，这就能利用适于少量位数字信号的宽的传输范围和高动态范围，以实现高质量的音频信号的传输。

根据本发明的数字信号处理方法和仪器不限于上述实施例，例如，该数字信号处理仪器的构成可以用于处理如图10所示的若干个1位数字数据。现在描述的数字信号处理仪器是作为一种改进的实施例，用这种改进的实施例可以以任选的混合比去混合两个或多个，例如三个一位数字数据通道的一位数字数据的通道并输出一唯一的1位数字数据。

分别的∑Δ调制的1位数字数据被划定给该改进实施例的输入端41，43，和45。送到输入端41的1位数字数据进行入乘法器42，在乘法器42中该1位数字数据与由系数发生器47产生的一多位，例如16位的乘系数相乘。该多位乘系数能被选择控制这取决于，如下文中一实施例中将要解释的该1位数字数据所设定的二进制状态。进入输入端43的该1位数字数据进入乘法器44，然后该1位数字数据同多位，例如16位的由该系数发生器47产生的乘系数相乘。送到输入端45的该1位数字数据进到乘法器46，然后该1位数字数据同由系数发生器47产生的多位，例如16位的乘系数相乘。该系数发生器47由控制电路48加以控制去产生多位，这里是16位的乘系数。连接到控制电路48的一控制输入端55被提供一与在幅度范围，例如由用户用定的混合处理的信号相一致的信号。该系数发生器47在与混合相一致信号的基础上，然后在控制电路48的控制下产生一多位乘系数。

来自乘法器42，44和46的多位乘输出被送到∑Δ调制单元49的加法器50。该调制单元49，除加法器50还有，用于积分加法器50的和输出的积分器51；用于在每个采样周期量化来自积分器51的1位信号的量化器52，和用于延迟时间上等于1个采样周期的量化器52的输出的延迟单元53。量化器52的被量化过的输出经由延迟单元53负反馈到加法器50，在这里它负向加到该多位乘输出的和输出上。量化器52的被量化过的输出的1位数字数据在输出端54被输出。

采用该改进实施例的数字信号处理仪器1，若干个1位数字数据通过乘法器42、44和46分别与单独的分别对应的1位数字数据的二进制状态相联系的多位乘系数相乘。该乘法器42、44和46的多位乘输出由加法器50求和并通过∑Δ调制单元49传输，以再转换为1个1位数字信号。送到相应的单独乘法器42，44和46的该多位乘系数是由控制电路48控制和产生。采用该改进，这样就可能再输出在若于输入信号以任选比率混合幅度分量的基础上所获得的1位数字数据。假如该改进被用于，例如，用于传输和记录∑Δ调制的1位数字数据构成的数字音频传输仪器，它就能传输和记录在若干输入信号以任选比率混合幅度分量的基础上所获得的音频信号。该改进不限于上述混合，例如，通控制多位乘系数和改变在乘法器42，44和46内所执行的算术运算的内容，也可以实现交叉衰减或其它衰减。

Claims (15)

1.一种数字信号处理仪器包括：

系数发生装置，用于改变对应于由用户启动而产生的一多位系数；

计算装置，用于在以位为基础的输入数字信号和由所述系数发生装置产生的作为一多位信号的一系数的基础上执行一预置处理操作；和

转换装置，用于再量化由所述处理装置输出的一多位信号组成的处理操作的结果。

2.根据权利要求1的数字信号处理仪器，其中所述处理装置由一乘法器组成，用于将以该位为基础的数字化的输入数字信号和由系数发生装置产生的一多位信号组成的系数相乘。

3.根据权利要求2的数字信号处理仪器进一步包括选择装置，用于选择依赖于该数字化的输入的1位数字信号的用于所述处理装置处理的该系数。

4.根据权利要求1的数字信号处理仪器，其中所述转换装置由∑Δ(sigma—delta)调制电路构成。

5.根据权利要求1的数字信号处理仪器，其中该被数字化的输入1位数字信号由∑Δ调制电路产生。

6.根据权利要求2的数字信号处理仪器，其中所述处理装置是一加法器/减法器，进一步包括在该被数字化的输入以位为基础的数字信号的基础上用于选择的选择装置，它选择该被量化的1位数字信号和由所述系数发生装置产生的多位信号相互之间是否是加还是减。

7.一种数字化信号处理仪器包括：

输入装置，用于输入至少两个1位数字信号；

系数发生装置，用于产生由多位构成的预置系数，所述系数与进入所述输入装置的1位数字信号相关联；

若干个计算装置，用于在进入所述输入装置的1位数字信号和由所述系数发生装置产生的由多位构成的系数的基础上执行预置处理操作；

第一加法装置，用于将由所述处理装置的处理的结果相加；

转换装置，用于将所述加法装置的加的结果再量化为1位数字信号；和

第二加法装置，用于将从所述加法装置来的结果和由所述转换装置产生的1位数字信号相加。

8.根据权利要求7的数字信号处理仪器，其中所述处理装置是由乘法器组成和其中的被数字化的1位输入数字信号同由所述系数发生装置产生的由多位信号组成的系数相乘。

9.根据权利要求8的数字信号处理仪器，进一步包括选择装置，用于选择依赖于该数字化的输入1位数字信号由所述处理装置处理的该系数。

10.根据权利要求7的数字信号处理仪器，其中所述转换装置是由一∑Δ调制电路构成。

11.根据权利要求7的数字信号处理仪器，其中该被数字化的输入1位数字信号是由该∑Δ调制电路产生的。

12.根据权利要求7的数字信号处理仪器，其中所述处理装置是一加法器/减法器，进一步包括选择装置，用于在该被数字化的输入以位为基础的数字信号的基础上进行选择的选择装置，它选择该被再量化的1位数字信号和由所述系数发生装置产生的多位信号相互之间是否是加还是减。

13.一种在一记录介质上用于记录1位数字信号的记录仪器包括：

系数发生装置，用于改变相应于用户启动而产生的一多位系数；

计算装置，在以位为基础的输入数字信号和由所述系数发生装置产生的由多位信号构成的一系数的基础用于执行一预置处理操作；和

转换装置，用于将由所述处理装置输出的由多位构成的处理结果再量化为1位数字信号；和

记录装置，用于记录介质上记录由所述转换装置再量化的1位数字信号。

14.一种用于从记录介质上再现1位数字信号的再现仪器包括：

系数发生装置，用于改变对应于由用户启动而产生的一多位系数；

系数发生装置，用于改变对应于用户启动而产生的由多位构成的一系数；

计算装置，在从该记录介质上再现的一1位数字信号构成的一系数和由所述系数发生装置产生的该多位信号的基础上用于执行预置处理操作；

转换装置，用于将由所述处理装置输出的多位信号构成的处理结果再量化为1位数字信号；和

输出装置，用于将所述处理装置再量化的1位数字信号转换为一模拟信号并输出该产生的模拟信号。

15.一种从一记录介质上再生1位数字信号的再生仪器包括：

系数发生装置，用于改变对应于用户启动而产生的多位构成的一系数；

计算装置，在其位数较少于多位的位数的一输入的数字化的数字信号和由所述系数发生装置产生的由多位信号构成的该系数的基础上用于执行预置处理操作；和

转换装置，用于将由所述处理装置输出的多位信号再量化为少量位的数字信号。

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