CN1627636A

CN1627636A - 信号处理器及其相关方法

Info

Publication number: CN1627636A
Application number: CN200410059087.6A
Authority: CN
Inventors: 安东尼·詹姆斯·麦葛雷斯
Original assignee: Wolfson Microelectronics PLC
Current assignee: Cirrus Logic International UK Ltd
Priority date: 2003-12-09
Filing date: 2004-07-22
Publication date: 2005-06-15
Also published as: TW200520376A; GB2409389A; GB0328505D0; GB2409389B; US20050123152A1

Abstract

信号处理器中使用的增益选择器，特别是峰值限制器，包括接收音频信号的代表信号的音频输入端，以及确定加到音频信号的系统增益的确定装置，使得使用预定音量增益及表示音频信号的信号来确定系统增益。

Description

信号处理器及其相关方法

技术领域

本发明广泛涉及一种音频信号处理，尤其涉及控制音频信号的音量(volume)及信号电平的装置和方法。

背景技术

传统的音频装置中，如CD播放器、磁带放音装置、无线电调谐器、耳机、功率放大器、麦克风及扬声器等，都具有音频处理系统，通过在它们的录音及倒回电路中使用均衡和增益/音量控制来调整要输出的音频信号的动态范围。音量控制提供具有增益的音频信号，一般为24dB，以便保持理想的信号电平。

人们提出了多种信号处理装置来解决其他动态控制问题，如压缩器，它能通过提高低于特定门限值的所有振幅来减少输入音频信号的动态范围。压缩器一般通过对原始信号进行自动增益控制来实现，其中该增益基于对输入信号的均方测量、特定门限值及压缩比。

另一相关信号处理装置为一个扩展器，也是对原始信号进行自动增益控制，但此处的增益基于扩展比、均方测量和特定门限值。扩展器通过减少低于特定门限值的所有信号的振幅来提高输入音频信号的动态范围，因此“扩展”低振幅成分和高振幅成分之间的动态范围。

峰值限制器是另一种形式的信号处理装置，它修改输入音频信号的动态范围，保证输出信号电平不超出特定的门限值。峰值限制器在由于对信号进行限幅而防止声音失真或至少使声音失真最小化方面、在避免设备超载，如放大器超限(overstress)方面，以及出于安全因素而限制耳机的音量方面特别有用。而且，目前正在研发数字D类功率放大器，其使用Δ-∑调制器技术：如果输入信号超过一个门限值，这些技术就变得不稳定，并产生总音频效应(gross audio effect)。当原始音频信号的峰值测量超过特定的门限值时，峰值限制器可以通过对原始音频信号进行减少增益处理来在所有这些装置中实现。这将有助于降低音频信号的峰值。

压缩器，扩展器和峰值限制器通常一同用于单一的音频信号处理系统中。它们通常也同音量控制增益结合使用。图1所示为传统的能实现音量控制以及压缩、扩展和限幅中的一种的电路级。该电路可以通过模拟域、数字域或二者的结合来实现。在传送到信号电平检测器106之前，根据接收到的音量控制信号，线102上的输入音频信号提供给增益模块104进行放大。该信号电平检测器106检测信号电平，并且可能有相关的上升和衰减时间。然后，检测出的信号电平被传输给增益选择器108，增益选择器108利用该信号电平计算实现预编程压缩或扩展或限幅器边界所需的增益。计算所得的增益从增益选择器108输出，传送给乘法器109，在这里乘以从增益模块104输出的放大的输入信号。因此，音量控制由增益模块104提供，压缩、扩展或限幅控制由检测器106、增益检测器108和乘法器109实现。

在J.Audio Eng.Soc.，Vol.32，No.5，May 1984 G.W.McNally的“Dynamic Range Control of Digital Audio Signals”一文中描述了一种组合了单一的音频处理系统中所有元件的示例的数字系统。该系统公开了级联的单独的压缩器、扩展器和限幅器级。限幅器级使用电平检测器来确定输入信号的平均振幅或峰值振幅，利用线性-对数转换和压缩曲线表来确定需施加的增益，并利用乘法器来施加该增益。该系统力求实现高线性和低失真，采用一个低通滤波器来最小化由于陡然的增益步骤产生的明显失真。

在一些应用中，如数字功率放大器中，扩展和压缩不是必须的功能，信号处理电路仅具有限幅功能并进行音量控制增益就足够了。这些应用中，一般采用简单和廉价的实施方式，而仍然保持动态调整的容许标准。

关于这一点，在如图1所示的配置中，由于电路容纳的数字字长需要足够长，以满足音量控制提供的动态范围的合理增加，因此该电路非常复杂。因此，这一标准配置的硬件成本很高，导致集成实现过程中形成额外芯片区或具体实施过程中形成实际的额外硬件部分。

而且，需要两个乘法器，一个用于实施音量控制，另一个用于实施限幅器所需的增益变化。由于乘法器通过硬件实现比较昂贵，因此这种做法是不受欢迎的。

发明内容

本发明一方面提供了一种增益选择器级，用于选择放大数字音频信号的信号处理电路所需的增益，所述增益选择器包括：接收所述信号的参数的输入端；根据接收到的音量控制信号调节所述参数的装置；根据所述调节后的参数选择增益的装置。

接收的音量控制信号可以各种形式接收，比如以音量级的线性表示形式，或dB信号形式，或log2信号形式来自用户。因此，对音量控制信号的处理，比如转换或缩放需要在进入调节装置之前进行。

也可以理解为，“放大”一个信号的含义不一定是增加信号电平，而是涵盖信号电平的所有变化，包括衰减。

优选的是，该参数取决于峰值信号电平，比如采用规定的上升和衰减时间检测出的信号电平。其他参数，如平均信号电平可以作为一种选择来采用。优选的是，该参数的调节装置将该参数与音量控制信号相乘，音量控制信号取决于用户的控制。由于之后在控制信号路径中施加用户音量控制，因此这种配置减少了参数确定装置的字长需求。

优选的是，该调节装置包括耦接到参数调节装置的输出端的对数转换器和将该对数输出与音量控制信号相加的加法器，该调节装置本身位于对数域中(也可以该形式接收或转换为对数域)。用一个加法器替换乘法器，既容易实现又廉价。这就需要反对数电路将所得的增益的对数域测度转换为增益的线性测度施加到乘法器109上，但需要较少的硬件和较少的计算，尤其是使用例如查询表时。

该增益选择器级还可以包括接收门限信号的输入端；比较调节装置的输出值与门限信号的比较器；其中选择装置根据比较结果选择增益。因此，选择装置根据接收的音量控制信号和输入音频信号来选择增益。

优选的是，增益选择器级可以只包括增益选择器209，如图2所示，或可以只包括log2转换器207、加法器208及反对数级203中的至少一种。

本发明还提供了一种峰值检测器，包括接收信号的输入端、信号峰值电平的确定装置，以及取决于所述峰值电平和基于时间的衰减特性的信号输出装置，其中衰减特性进一步取决于所述接收信号的频率。

本发明另一方面提供了一种用于信号电平控制装置，如峰值限制器中的增益选择器，包括：

音频输入端，用于接收表示音频信号的信号；

输入端，用于接收表示音量增益的信号；以及

确定施加到音频信号的系统增益的确定装置，使得系统增益通过使用指示性音量增益信号以及指示性音频信号来确定。

在这一点上，信号电平控制装置是一个能控制信号电平的装置。它可以是放大器的一个组件，如峰值检测器、扩展器或压缩器。

“指示性”输入信号术语表示的是所使用的信号不必是输入信号本身，而是等同或相关的信号，如具有经过附加处理的或已经转换为对数域的信号。这同样应用于称为“指示性”的其他信号。更优选的是，指示性信号在log2域中。

优选的是，增益选择器进一步包括：接收代表门限值的信号的输入端；以及比较增益过的指示性信号和门限值的指示性信号的比较器，其中确定装置利用比较结果确定系统增益。优选的是，指示性门限值信号代表对数域中的门限值，指示性音量控制信号代表对数域中的音量增益，指示音频信号的信号位于对数域中。因此，在这一点上，增益选择器进一步包括将指示性音量控制信号增加到指示性音频信号的加法器，以得到增益过的用于确定系统增益的指示性信号。

本发明另一方面提供了一种确定施加到音频信号的信号增益的方法，包括：

接收指示音频信号的信号；

接收指示音量增益的信号；以及

使用加法器将指示性音频信号与指示性音量增益信号结合起来；以及

使用结合的信号确定要施加到音频信号的系统增益。

优选的是，该方法进一步包括：接收指示门限值的信号；以及比较增益过的指示性信号与指示门限值的信号，其中确定装置使用比较结果确定系统增益。优选的是，指示性门限值信号代表对数域中的门限值，指示性音量控制信号代表对数域中的音量增益，指示音频信号的信号在对数域中。因此，在这一点上，该方法进一步包括将指示性音量控制信号增加到指示性音频信号，以得到增益过的用于确定系统增益的指示性信号。

优选的是，该方法进一步包括由可变增益函数确定系统增益，如：当增益过的指示性信号小于指示性门限值信号时，使用正的信号极性，以实现峰值限制器功能。一个可替换的例子是，当增益过的指示性信号大于指示性门限值信号时，可以使用可变增益函数，并使用反向的信号极性。一般来说，可变增益函数中的增益由信号或其与音量控制增益一起确定，而不是由音量控制增益单独确定。

使用正信号极性时，可变增益函数优选是：

K＝2^lgK，其中

lgK＝lgGs+m(lgGV+lgTA)

其中，K为系统增益，lgGs为指示性音量控制信号，lgGV为增益过的指示性信号，lgTA为指示性门限值，m为表示增益选择器的预定操作曲线特性的值。

当使用负信号极性时，可以使用这些等式的逆变换。很明显，在这些等式中采用指示性信号的符号规定可以得到相似的等式和功能，例如，每个信号可以在导出之后，乘以一个因子-1，然后相减，而不是相加。

在压缩器的实现过程中，当增益过的指示性信号大于指示性门限值信号(和可以使用正符号规定)时，可以使用一个适当的替代变量增益函数。而且，当实现其他动态控制，如组合的压缩器和峰值限制器时，可以使用不同的门限值以及门限值每侧的不同的增益函数。

本发明另一方面提供了一种数字信号处理器，如增益选择器，包括：

接收指示音量增益的信号的输入端；

接收指示音频信号的信号的输入端；以及

加法器，将指示性音量增益信号应用到指示性音频信号，以获得系统增益选择所用的增益过的输出信号。

标准的增益选择器，如图1所示的系统中使用的108，只接收指示音频信号的信号，且需要单独的在先音量控制，因此系统为进行音量控制和增益选择必须进行单独计算。根据本发明的这一方面，通过将音量功能和限幅器功能合并来实现限幅控制和音量控制。这大大简化了电路。

为了表明这种简化，如图1所示，考虑标准音量控制与标准峰值限制器组装的情况。现有配置中，一个增益模块104用来提供音量控制的增益，另一个位于动态范围限制器109中。因此，该配置中使用了两个增益模块。通过使用指示性音频输入信号以及音量控制信号来确定系统增益，使限幅和音量控制功能合并成为可能，这又减少了增益模块的数量，并因此减少了需要的乘法器。也就是说，该配置现在只需要一个乘法器对音频信号进行相乘，而不需要两个。

此外，通过在控制路径的对数域部分结合一个简单的加法器来提供音量控制功能，有利地避免了控制路径中所需的音频信号的乘法操作。

本发明另一方面提供了一种信号电平检测器，包括：

接收输入音频信号的输入端；

比较输入音频信号与输出信号以获得比较信号的比较器装置；以及

确定装置，当输入音频信号小于输出信号时工作在衰减模式下，从而在衰减模式下，配置确定装置降低比较信号的幅度；以及

逻辑装置，根据与输入音频信号频率相关的触发信号来控制衰减模式下的确定装置的工作。

该确定装置优选的是多路复用器。

本发明另一方面提供了一种确定音频信号的信号电平的方法，包括：

接收输入音频信号；

比较输入音频信号与前面的输入信号，得到一个差值信号；

根据上述比较结果，通过使用上升参数或衰减参数缩放该差值信号来产生缩放信号；

结合所述缩放信号和前面的输出信号，得到一个代表输入音频信号的信号电平的信号，特征在于该方法包括：

当使用与输入音频信号频率相关的触发信号通过衰减参数缩放时，控制缩放信号的产生。

优选的是，当输入信号的符号发生变化时或发生超时时，产生所述触发信号。

通过控制信号电平检测器，如峰值检测器的工作，并使得衰减速率正比于输入信号的频率，信号的失真就能最小化。

附图说明

下面结合附图来描述本发明，其中：

图1所示为可以实现音量控制增益以及压缩、扩展和限幅功能的现有技术的电路级。

图2所示为本发明一个实施例的信号处理器的示意图。

图3所示为能用于图2的配置中的本发明一个实施例的峰值检测器。

图4所示为本发明一个实施例的由一个增益选择器实现的一组特性曲线。

图5所示为本发明一个实施例的增益选择器的示意图。

图6所示为本发明一个实施例的增益选择器实现的增益系数K与峰值输入信号电平的关系图。

图7所示为本发明一个实施例的信号处理器实现的峰值输出信号与不同的静态增益或音量控制信号值的关系图。

图8所示为本发明又一实施例的增益检测器。

具体实施方式

图2所示为本发明的信号处理器的第一实施例。该信号处理器可以用于任何音频处理装置中，如数字放大器控制器或数模转换器。

图2所示的电路具有前馈设计。输入信号201传送到两条不同的路径，上面的路径为控制路径，下面的路径为增益路径。由于该限幅器为前馈设计，增益路径包括延迟器202。为解决计算电路中隐含的潜伏期，在增益控制信号可以通过并列控制路径之前，该延迟器202被包括进电路来防止尖峰通过乘法器204到达系统输出。然而，成本合理的系统设计可以很好地分配该延迟元件，因为由一个隔离的峰值引起的失真并不严重，并且足够长的延迟元件所需的硬件是实质性的。

在控制路径上，输入信号Vin，201被传送到衰减器210，衰减器210将输入信号201乘以一个缩放因子A来衰减输入信号201。比较合适的缩放因子是1/8，即大约-18dB。值-18dB使得在来向信号上有18dB的头上空间，用于保证到达前面的峰值检测器25和log2模块207的最大信号电平为0dB。具有最大信号电平0dB意味着后续log2计算的结果一直是负的，这就简化了实施方式。0dB应该解释为数字信号，其值介于+1.000与-1.000之间。

应当理解，除-18dB以外的值可以选择用于缩放因子。优选的是，缩放因子为1/2^N的指数，因为这对应信号的二进制表示形式的简单位移，且只需要很少的实施成本。衰减器可以完全省掉(A＝1)，代价是下游电路更复杂。

衰减的输入信号VinA＝Vin*A之后被传送到峰值检测器205。通过使用预定的上升和衰减时间，峰值检测器205通过跟踪信号输入的包络来确定峰值信号电平Vpk。为获得合适的失真和掩噪质量，通常选择这些上升和衰减时间参数。

峰值检测器205通过发现其前面的输出值和输入的绝对值之间的差值来工作。然后以上升或衰减速率系数来缩放差值信号，经缩放的信号之后被加入到前面的输出中。采用这种方式，输出信号朝输入信号以指数倾斜，由此来跟踪它。峰值检测器205优选的是配置快速上升(上升时间)和慢速衰减速率，因此输出Vpk跟踪输入信号峰值的绝对值。这有助于尖峰响应至在此之后由于增益调制引起的最小化失真时。图3示出了一个简单的信道数字峰值检测器的实例，其可以用于图2所示的信号处理器中。输入信号VinA(301)首先传送到装置303，然后信号的绝对值311从中输出。绝对值311然后被传送到加法器304，在这里将绝对值311与前面的输出310的峰值进行比较。通过从绝对值311中减去前面的输出值310来进行比较。这可以通过使用延迟器305来实现，通过305，前面的输出值被传送到加法器304进行比较。

在通过多路复用器307之前，如果绝对输入值311大于前面的输出值310，则在302将差值信号乘以或缩放上升率系数。

从多路复用器307输出的乘完的差值信号312之后在308被加到由延迟器305存储的前面的输出值306。该差值信号312为正值，因此在306将增加所述信号。换句话说，当输入信号大于峰值检测器的输出值时，为了增大峰值检测器的输出值才使用上升率。对在301处的输入信号的包络中的步进增大在306处的的响应将在306以指数倾斜为一条新的渐近线，该电平代表输入信号301的新峰值。

如果输入信号的绝对值311降至低于前面的输出值310，则差值信号将变为负值。然后，304输出的差值信号在309乘以或缩放衰减速率系数，该缩放的值通过多路复用器307。来自多路复用器307的相乘之后的差值信号输出312将是负值，它然后在加法器308中被加至延迟器305存储的最后输出值306中。因此，当输入信号小于峰值检测器的输出信号时，使用衰减速率，因此希望减小峰值检测器的输出信号。

需要注意的是，如果说对301施加正弦波，则对与该周期的大部分，信号311将小于在310检测到的峰值信号。这将导致在306输出信号的减弱，如由309的衰减速率系数所确定的那样，直到输入信号的下一个峰值出现，此时306的输出将随着302中的上升速率系数确定的上升速率而增加。一般来说，设置上升速率远远大于衰减速率，因此输入周期内减弱的量与检测出的峰值相比非常小。

优选的是，上升和衰减相乘系数为2的幂，因此相乘也仅仅是位移，只需很小的硬件需求。

参考图2，从峰值检测器205输出的信号Vpk306之后被传送到log2模块207，以产生一个代表音频信号输入201的信号lgVpk。该模块执行等式(1)的运算：

lgVpk＝-log2(x) (1)

其中，x为信号Vpk306。

包括负号是为了使该信号正极性来简化后面的信号处理，但也不是必须的。需要注意的是，lgVpk的大值对应输入信号幅度的小值，趋于0的值对应接近峰值的信号。因此，lgVpk是原始音频信号峰值幅度的降低测度。

在稍增加附加电路的情况下，对于本领域的技术人员来说，可以修改忽略上述负号的下述系统，因此lgVpk＝+log2(Vpk)。在这种情况下，lgVpk将为负极性，且称为原始音频信号峰值幅度的增加测度。然而，本说明书的其余部分假设lgVpk是具有正信号极性的音频信号的降低测度。

该实施例中，为得到信号Vpk306的对数，使用一个查询表和输入信号x(等于Vpk)的二进制浮动点表达式。优选的是，该表达式的指数和尾数被分别计算，来减少查询表的尺寸。两个表达式之间的关系如下：

log2(x)＝log2(m.2^-N ) (2)

＝-N+log2(m) (3)

其中，0.5＝＜m＜1，m为尾数，N为指数。

举例来说明所需的计算，输入值x左移，直到0.5＝＜x＜1。指数是所需的左移数量。而且，左移的结果是一个二进制数0.1XXXXXXX，尾数是其中的XXXXXXX。该值是要在查询表中查询的值，查询到的值之后与指数相结合，如等式(3)所示。

应当理解，通过结合指数和尾数位，可以发现最终的值，而无需加法运算。这仅仅适用于小于1的x输入值。正因为此，峰值检测器的输入由衰减器210缩小，以保证对数计算器的输入值小于1。通过确保尾数值小于1，它们可以容易地与是整数的指数结合，而无需加法器。因此极大地简化了所需的电路。

再次参考图2，log2模块207的输出lgVpk被传送到加法器208，其通过减去适当的对数音量控制lgGs来产生一个信号lgGV，lgGV是音量控制增益Gs(和缩放因子A)加到输入信号Vin201引起的幅度的降低测度，其中lgGs＝+log2(Gs)，而且可以认为是指示性音量控制信号。因此，在加法器208进行下面等式的计算：

lgGV＝lgVpk-lgGs (4)进而得到经过增益的指示性信号lgGV。

如log2域中的计算，所使用的指示性音量控制信号lgGs在这里也需要在log2域中。其中，当接收到的一系列系统增益值不是在log2域中定义和存储时，则需要转换。如果该值以dB为单位，则除以6就能实现转换，一般通过查询表来实现。如果可能的系统增益值系列以增益步骤(6.02/2^N)dB定义，则该查询表可以非常简单。

增益选择器209根据log2值输入(即，lgGV)以及预定的输入/输出特性确定一个施加给原始输入信号Vin201的适当的增益。比如，图4所示为从输入Vin201到输出Vout211的一组输入-输出特性曲线图，增益选择器209可以根据图4来实现配置。

图4的特性曲线表明从图顶部的+12dB以6dB的衰减量下降至-12dB，限制器对于不同的音量控制增益的期望操作。本质上讲，图4表示的是，当峰值信号低于门限电平T时，信号将具有线性施加的音量控制Gs。然而，为了防止输出信号超过0dB，且由此防止或最小化消波及其他不期望的特性，一旦达到门限值T，限制器的增益就减少。图4所示为对于每个不同的音量控制增益，TdB和0dB之间的减少度不同。因此，当音量控制增益为+12dB时，与达到门限值T时具有较短且突然减小的-12dB相比较，输出信号可以逐渐减小。

也就是说，为使曲线集中于图中所示的(Xmax，0)点，TdB和0dB之间的特性曲线的斜率m取决于音量控制增益Gs。一般来说，系统中可能需要256的增益步骤来保证增益控制有足够的平滑度，因此需要一个大的查询表来根据Gs的函数来计算m，尤其是对于固定的Xmax(即，最大峰值输入电平)和T。

在实际中，图7所示的可供选择的曲线族给出了开始强制限制之前受控峰值限制的容许量，避免了通过图4的特性曲线计算m而导致的成本和复杂度的问题。

图7所示为对于不同的音量控制增益值Gs，在Vout211的峰值输出信号与在Vin201的峰值输入信号的关系图。顶部曲线代表+12dB的音量控制增益，中间曲线代表0dB的音量控制增益，下面曲线代表-12dB的音量控制增益。在所有的曲线中，其输出以适用的音量控制增益线性增加，直到门限值接近-6dB。在该门限值后，当输出信号上升至0dB时，加至输入信号的增益减小。

图5所示为适于实现图7所示的特性曲线的增益选择器。也适于用作图2所示的电路中的增益选择器209。需要注意的是，图5所示的增益选择器包括加法器501，其相当于图2所示的加法器208，用于加对数音量控制增益lgGs；换句话说，加法器在该说明书中不认为是单独的。

因此，在图5中，输入到选择器的log2值506可以认为相当于图2的log2模块207的输出lgVpk。图5中，为了提供增益过的指示性信号lgGV，由加法器501从lgVpk减去对数音量控制增益lgGs，lgGV是将音量控制增益Gs(和任意适当的缩放因子A)应用到输入信号Vin201(或更严格地说，是对数域中由lgVpk代表的峰值检测信号，但如果峰值检测器内的减弱很小，则差别是微乎其微的)而得到的振幅的降低测度。

为了定义图7中的输入-输出曲线的转折点，然后在加法器502比较lgGV与门限值lgTA。门限值是信号电平的表示，在其中开始对信号进行限制。然而，由于计算在log2域中进行，所以门限信号电平必须转换成log2域，由log2(T)表示。而且，前面由A缩放的增益必须满足：

lgTA＝log2(T*A) (5)

比如，对于T＝1/2(即，-6dB)和A＝1/8(即，-18dB)，则lgTA＝log2(1/2*1/8)＝-4。

在加法器502，通过将负门限值lgTA(门限值的增加测度)加到lgGV的信号相关值(增益过的信号的降低测度)，可以实现预期的增益过的输入信号峰值电平和一个适当的门限值之间的比较。

从加法器502输出的和信号在图5中表示为“diff”。该“diff”信号是预期的增益过的峰值检测信号超过门限值的量的降低测度。该“diff”信号被送至两条不同的路径，一条路径输入至乘法器503，另一条输入至比较器507，507的输出驱动多路复用器504的控制输入。

如果输入信号Vin的峰值由Gs增益之后小于或等于门限值T，则输入信号无需限制，且可以由音量控制增益增加。由于该实施例中的lgVpk和lgGV是音频输入的降低测度，则lgGV+lgTA(即，diff)在此例中将大于或等于0。Diff的符号取决于符号检测器507，并用于控制多路复用器504。因此，当确定输入信号不需要限制时，多路复用器504输出的及增益选择器本身相应输出的对数增益lgK为lgGs。音量控制增益值lgGs通过路径508输入至多路复用器504。

然而，如果输入信号Vin的峰值由Gs增益之后大于门限值T，则diff将小于0，因此根据斜度值m，增益将线性减少，其中m为门限值T之上的适当的特性曲线的斜度，如图7所示(此例中，m＝0.875)。因此，这种情况下，多路复用器504输出的对数增益lgK为：

lgK＝lgGs+m(lgGV+lgTA) (6)

该过程由乘法器503和加法器505实现。需要注意的是，如果m＝1/2^M，则乘法器503仅仅完成信号的位移缩放：一般来说，m可以较低的分辨率来定义，以便最小化乘法器的尺寸和成本。

因此，在图5的增益选择器中，对数增益lgK输出将是对数音量控制增益lgGs，除非估计增益过的输入信号的峰值gs.Vin已经超过门限值T，(即lgVpk-lgGs＝lgGV小于lgTA)，在这一点，对数增益线性减少。

图6所示为对于不同的音量控制增益值，增益系数K相对于峰值输入信号电平的图。顶部曲线是对于+12dB的音量控制增益值，中间曲线是对于0dB的音量控制增益值，底部曲线是对于-12dB的音量控制增益值。对于每条曲线，增益系数在它们各自的值保持静态，直到达到门限值。一旦达到门限值，对应每条曲线的增益值就以斜度m和音量控制增益Gs确定的量线性减小。

图5所示的电路图只是可以用来实现本发明的该实施方案的元件的概略表示。优选的是，为平滑相加得到的音量控制增益Gs，包括一个增益匀变，其提供旧的增益设置与新的增益设置之间的阶梯匀变。优选的是，增益匀变是一个13位计数器，其对于整个增益范围的取值数目为2720个。采用5.5kHz/6kHz的时钟，可以在0.5秒内通过计数器的整个范围。通过很多阶梯更新增益，且每次增加一小步增益，则微小静电干扰声就听不到了。

应当理解，与门限值比较，值lgGV是一条并列的控制路径上的预定信号输出的一个估计值。也就是说，其用于构成音量控制增益和输入信号。因此，这和现有的限制器是整体不同的方案，在信号路径中，当它已经受到前面的增益控制影响后，现有的限制器只比较门限值与输入信号。

由于不再需要单独的音量控制，因此合并音量控制和限制器功能有利地降低了硬件需求。而且，合并音量控制和限制器功能使得所需的数字字长缩短了。相应地，门限增益值也需要更新，因此它们在对数域中定义对应值，但该步骤不会导致电路的增加。因此，通过合并音量控制和限制器功能，整体降低了电路需求以及所需的数字头上空间。

再次参考图2，随着对数增益IgK确定，它从增益选择器209输出，然后传送给一个反对数转换器203，该反对数转换器203执行等式y＝2^x，即，当K＝2^lgK时，它产生增益K，该增益可以直接传送给乘法器204从而根据需求将合适的系统增益K应用到原始音频输入信号Vin201，以产生系统音频输出信号Vout211。

为实现基本由对数转换器207执行的取反操作的这种转换，对信号采用二进制表示，并执行位取反操作以发现针对1的补数取反操作。这种取反表示以小数点分离成整数位和小数位。

该整数位被转换成2的补数，作为右移的指数。该小数位在查询表作为期望值，最后的结果是尾数，在转换中作为乘数。

下面的表1提供了一些粗略计算以及2的补数取反的例子以使说明更清楚。

表1

计算	x(二进制)	～x	指数	尾数	查询
计算	x(二进制)	～x	指数	尾数	查询	2^-2.25＝2^-2*2^-0.25	101.11	010.01	2	0.25	0.84
2^2.25＝2³*2^-0.75	010.01	101.11	-3	0.75	0.59	2^-2.25＝2^-2*2^-0.25	101.11	010.01	2	0.25	0.84
2^2.25＝2³*2^-0.75	010.01	101.11	-3	0.75	0.59	2^-2＝2^-2	110.00	010.00	2	0	1
2³＝2³	011.00	101.00	-3	0	1	2^-2＝2^-2	110.00	010.00	2	0	1

这种转换在取反对数模块203中执行，dB域中的尾数和指数值被传送给增益模块204。

增益模块204用于将从延时202接收的信号206与由去反对数模块203接受的增益相乘。这可以通过将输入到增益模块204的信号206与尾数相乘并将所得的信号按指数移位而实现。。在这点上，无论增益K是Gs或者从等式(6)推导的，初始输入信号Vin可被增益K放大。

在进一步优选的实施例中，为了降低音频失真，希望的是当信号经过0时，也即当它从正值变为负值或从负值变为正值时，仅需要改变施加到输入信号206的增益。这是为了防止增益改变时的音频滴答声。为此，增益模块204包括一个过零检测器，用于确定输入信号206从正值改变为负值或从负值改变为正值的时刻。

在本发明其他实施例中，另外的特征是使峰值检测器频率的衰减率是依赖性的，目前已发现使衰减率和输入信号频率成反比，可以降低信号失真。为实现该特征，已经认识到可以通过其信号变化的周期性监测输入信号的频率。参考图8，这种功能通过在峰值检测器205中结合逻辑时钟801来实现。应当理解，图8是图3所示峰值检测器的改进版本。

相同的附图标记将用于类似的特征。

在图8的峰值检测器中，输入信号301，除被传送给决定信号绝对值的模块303，还传送给比较器802，该比较器802确定输入信号大于还是等于0。如果输入信号是2的补数，采用输出符号位的最高有效位(msb)提取模块，而不是802的全比较器。例如，在用到msb的地方，如果信号小于0，它会输出“1”，如果信号等于或大于0，它会输出“0”。比较器802的输出然后被直接传送给逻辑模块801和延迟803。延迟803使逻辑模块能比较当前输入信号的符号和先前一个信号的符号以确定是否已经发生符号变化。

逻辑模块也从增益模块204接收超时信号313和一个从msb模块804来的d信号，该d信号通知逻辑模块从比较器304来的diff信号的符号。这个比较器304可以是任何类型。例如全比较器或者msb提取模块。

超时信号313由在增益模块204中结合的过零检测器(未图示)产生。该超时信号313保证即使在给增益模块的输入信号306有很大的DC值时也能更新增益，并从过零监测器里的一个计数器产生。超时计数器有一个与输入信号最低频率对应的周期，例如，当最低的输入频率是20Hz时，超时计数器应当具有约50ms的周期。

逻辑模块801包括与其不同的输入对应的简单组合逻辑，以输出一个信号来控制多路复用器307。

与图3电路类似，如果diff是正的，即d＝0，那么不同的信号diff将在通过多路复用器307之前，在302乘以上升速率系数，然后被加法器308和延迟305在每一个时钟循环积分，以使输出Vpk跳到合适的渐近线。但是，如果diff是负的，即d＝1，多路复用器307通常仅输出零，这样积分的输出Vpk306将保持不变。如果上述检测到有一次过零，或者从增益模块204接收到超时信号313，负的信号diff在被传送给多路复用器307之前将在309被乘以衰减速率系数。所以，在衰减阶段，逻辑模块801用来保持多路复用器307保持不变直到输入信号符号改变，或者从增益模块204收到超时信号313。通过这种方法，衰减功能的速率只在输入信号过零时被执行，并因此取决于输入信号的频率，有助于降低信号失真。这种途径可用在上升阶段，尽管并不优选，因为，这会在阻止限波时约束限制器的响应时间。

在衰减阶段中，如果相对于输入信号的周期输出快速改变，失真就会发生。这是因为波形将会由于增益变化而失真。采用上述技术，增益仅在输入信号的半循环改变，这样波形失真被降低了。

逻辑模块801也包括一个输入以使能或关闭频率相关性功能。当关闭频率相关性功能时，操作转换到图3所描述的操作。

需要说明的是，尽管本发明实施例仅描述在衰减期控制操作，事实上对于本领域的技术人员，还可实现许多有效的变化，应当理解，本发明并不限制于上述实施例，本领域熟知的改进都应包括在本发明权利要求范围内。

例如，尽管实施例描述了检测信号峰值，可选的信号等级特性也可被确定，例如RMS或平均信号值，或以上的组合。

另外，本发明的实施例不必限于用一个峰值限制器实施，而可等效采用放大器或压缩器。关于这一点，具体实施仍具有如图2所示的一般形式，但是增益选择器209的具体实现将与上述描述不同，主要在于，它将适应放大器或压缩器的功能或增益方法。

进一步，本发明的实施例已经关于简单信道系统进行了描述。简单信道系统对于软件实现是最具使用性的。当需要采用硬件实现时，将采用两个信道的系统，通过硬件将左右两个信道交叉存取。在每个信道将进行峰值检测计算，并且优选两个峰值检测计算的最大值用于这两个信道。

因此，本发明的实施例可采用硬件实现，或采用等效软件算法实现，所述等效软件算法编码和计算机实现都比较经济。

借助模块图和解释指定功能的作用及相互关系的方法步骤对本发明的实施例进行了说明，这些功能模块和步骤的范围在这里任意定义以方便说明。可以定义替代的界限，只要合适地实现指定的功能及其相互关系。任何这样的替代变化都包括在本发明权利要求范围内。本领域技术人员熟知，这些功能模块可以通过分离元件，标准应用集成电路，执行合适软件的处理器或类似器件，以及以上的组合实现。

除了文中另外清楚表明，在说明书和权利要求的词语“包括”以及类似词语，应解释为包含而不是排除或穷举，也就是说，其意义为“包括，但不限于”。

在说明书中已知配置的探讨不属于该领域一般知识被公知或组成。

由上述描述或启示或从附图表示或上述任何特征的组合或等效于这些特征或组合的结合，也可构成本发明实施例的方案。因此本发明的范围不能限制于上述已描述的，可模仿的实施例。除了明确的声明，说明书中公开的每一个特征，包括权利要求，摘要和附图可由相同的、等价的、或相似目的的可选的特征代替。

Claims

1、一种增益选择器级，用于选择放大数字音频信号的信号处理电路的增益，该级包括：接收所述信号的参数的输入端；调节所述取决于接收到的音量控制信号的参数的装置；选择取决于所述调节后的参数的增益。

2、如权利要求1所述的选择器级，其特征在于：接收的音量控制信号在传送至调节装置之前被输入至处理器中。

3、如权利要求2所述的选择器级，其特征在于：所述处理器包括对数转换器和/或缩放装置。

4、如前述任何一项权利要求所述的选择器级，其特征在于：调节所述参数的装置包括对接收到的参数进行对数转换的对数转换器，和将音量控制信号加到对数参数的加法器。

5、如前述任何一项权利要求所述的选择器级，其特征在于：所述参数取决于所接收的信号的峰值。

6、如权利要求5所述的选择器级，其特征在于：所述参数为峰值包络信号。

7、如前述任何一项权利要求所述的选择器级，还包括接收门限信号的输入端；比较调节装置的输出值与门限信号的比较器；其中选择装置根据比较结果选择增益。

8、如权利要求7所述的选择器级，其特征在于：门限信号在传送至比较器之前被输入至处理器中。

9、如权利要求2所述的选择器级，其特征在于：所述处理器包括对数转换器和/或缩放装置。

10、如权利要求7-9中任何一项所述的选择器级，其特征在于：当比较器的输出表示需要增益调节时，所述增益使用可变增益函数来选择。

11、如权利要求7-10中任何一项所述的选择器级，其特征在于：所述增益使用可变增益函数来选择：

(a)当调节装置的输出大于门限信号和使用负信号极性时；或

(b)当调节装置的输出小于门限信号时和使用正信号极性时。

12、如权利要求10或11所述的增益选择器，其特征在于：所述可变增益函数或可变增益因子是：

K＝2^lgK，其中

lgK＝lgGs+m(lgGV+lgTA)

其中，K为增益，lgGs为音量控制信号，lgGV为调节装置的输出，lgTA为门限信号，m为表示预定操作特定曲线的值。

13、一种用于放大数字音频信号的信号处理电路，包括：

确定所述信号的参数的装置；

权利要求1-12中任何一项所述的增益选择器；以及

根据所述增益放大所述信号的装置。

14、如权利要求13所述的电路，其特征在于：所述参数确定装置为峰值检测器。

15、如权利要求14所述的电路，其特征在于：所述峰值检测器输出取决于信号波形中的峰值电平和取决于时间的衰减特性，其中衰减特性进一步取决于所述信号的频率。

16、如权利要求15所述的电路，其特征在于：所述峰值检测器包括消除延迟特性直至信号改变极性的装置。

17、如权利要求13至16中任何一项所述的电路，进一步包括延迟器，用于在所述放大之前对所述信号进行延迟，以便首先确定所述增益特性。

18、一种峰值检测器，包括：接收信号的输入端、信号中峰值电平的确定装置，以及取决于所述峰值电平和基于时间的衰减特性输出信号的装置，其中衰减特性进一步取决于所接收信号的频率。

19、如权利要求13所述的检测器，其特征在于：所述输出装置包括消除延迟特性直至信号改变极性的装置。

20、一种信号电平检测器，包括：

接收输入音频信号的输入端；

当输入音频信号小于前面的输出信号时工作在衰减模式下的确定装置，由此在衰减模式下，确定装置配置为产生用于降低要输出信号幅度的信号；以及

逻辑装置，用于控制衰减模式下的确定装置的工作，因此确定装置在接收到逻辑装置的触发信号时只产生衰减模式下的信号，由此触发信号与输入音频信号的频率有关。

21、一种信号电平检测器，包括：

接收输入音频信号的输入端；

确定装置，配置为产生用于缩放要输出的信号幅度的信号；以及

逻辑装置，用于控制所述确定装置的工作，使得确定装置在接收到逻辑装置的触发信号时只产生用于缩放的信号，由此，触发信号与输入音频信号的频率有关。

22、如权利要求20或21所述的信号电平检测器，进一步包括比较器，用于确定符号变化的时间，其中比较器与逻辑装置相关，逻辑装置在输入信号符号发生变化时向确定装置发出触发信号。

23、如权利要求20、21或22所述的信号电平检测器，其中逻辑装置包括接收超时信号的输入端，逻辑装置在接收到超时信号时向确定装置发出触发信号。

24、如权利要求23所述的信号电平检测器，进一步包括超时计数器，其被配置为在经过与输入信号的最低频率对应的一段时间后产生超时信号，而不发生符号变化。

25、一种确定音频信号的信号电平的方法，包括：

接收输入音频信号；

比较输入音频信号与前面的输出信号，得到一个差值信号；

根据比较结果，通过使用上升系数或衰减系数缩放该差值信号来产生一个缩放信号；

结合所述缩放信号和前面的输出信号，得到一个代表输入音频信号的信号电平的信号，其中该方法包括：

26、如权利要求25所述的方法，其特征在于：只控制由衰减参数产生指示性信号缩放的信号。

27、如权利要求25或26所述的方法，其特征在于：触发信号在输入信号的符号发生变化时或产生超时时产生。

28、一种集成电路，包括权利要求20-24中任何一项所述的信号电平检测器。

29、一种集成电路，包括权利要求1-12中任何一项所述的增益选择器级。

30、一种音频设备，包括权利要求28或29所述的集成电路。

31、处理器控制模式，当运行时，实现权利要求13-17中任何一项所述的信号处理电路。

32、一种载体，承载有权利要求31所述的处理器控制模式。

33、一种方法，实质内容如参考图2至图8所述。

34、峰值限制器，信号电平检测器或增益选择器，其实质内容如参考图2至图8所述。