CN1700603B - 模拟信号数字化的装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种模拟信号数字化的装置与方法，所述装置包括：模拟信号放大器，根据加在其上的增益系数对输入的模拟信号进行放大；模数转换器，对放大后的所述模拟信号进行模数转换，将所述模拟信号转换为数字信号；自动增益控制器，根据数字信号的信号值确定增益系数，并将所述增益系数馈送到模拟信号放大器和幅度调节器；以及，幅度调节器，根据所述自动增益控制器馈送的所述增益系数对数字信号进行缩减。
Description
发明领域
本发明涉及一种模拟信号的数字化装置和方法，特别是涉及一种采用自动增益控制的模拟信号数字化装置和方法。
背景技术
模数转换装置经常应用在各种计算机、测量仪器、工业控制设备中，将模拟型态的信号(如语音、温度、压力等)转换成数字型态的信号，以便于进行进一步的数字处理。信号经过模数转换器时会产生多种噪音。因此需要考虑信号的信噪比问题。
以语音信号为例。录音是将语音通过话筒把声波转换为模拟电信号，经过模数转换器模数转换，采样量化为数字信号。录音过程中有两种噪音，一种是背景(环境)噪音，另一种是量化噪音。背景噪音是通过改善录音话筒的指向性，或是用多个话筒来抵消。而量化噪音是由量化器的量化步长、采样频率以及模数转换器的比特位数决定。对采用∑-Δ(sigma-delta)量化方式的模数转换器，当信号幅度满幅情形下，量化器引入的信噪比可以简化为SNR＝(1.763+6.02b)dB，其中b是量化长度。也就是说，在理想信号输入情况下，量化噪音被证明是和量化长度相关的一个线形表达式。当输入信号幅度远小于量化器匹配幅度，量化器的噪音就会造成信号的信噪比很低。下文将这样的信号称为小信号。
对特定信号，比如语音或音乐信号，信号的强度是变化的，但是没有一个量化器能满足正好匹配信号的幅度，因此这些信号经过模数转换器之后，信噪比有高有低。在输入信号为小信号的时候，模数转换器采用量化后的信号信噪比很低。
在现有技术下对小信号进行模数转换，会发生小信号被噪音淹没的现象。
发明内容
鉴于所述现有技术存在的问题，本发明主要目的是提供一种采用自动增益控制的模拟信号数字化的装置和方法，使进入模数转换器的小信号的幅度尽量与模数转换器的理想幅度相匹配，从而提高小信号的信噪比。
为了达到所述目的，根据本发明的第一方面提供模拟信号数字化的装置，其特征在于，所述装置包括：模拟信号放大器，根据加在其上的增益系数对输入的模拟信号进行放大；模数转换器，对放大后的所述模拟信号进行模数转换，将所述模拟信号转换为数字信号；自动增益控制器，根据数字信号的信号值确定增益系数，并将所述增益系数馈送到模拟信号放大器和幅度调节器；和幅度调节器，根据所述自动增益控制器馈送的所述增益系数对数字信号进行缩减。
在根据本发明的模拟信号数字化的装置中，优选的是，自动增益控制器判断数字信号是否为小信号，若判断不是小信号，则将所述增益系数确定为单位增益。
优选的是，所述增益系数是根据数字信号的信号值从若干固定值选定的，信号值越小，选为增益系数的固定值越大。
优选的是，所述增益系数是按照模数转换器的匹配信号值和数字信号的信号值的比值确定的。进一步优选地，所述模数转换器的匹配信号值为模数转换器满幅状态下最大允许信号值的80％-90％。
优选的是，所述数字信号的信号值是在一段时间间隔内的数字信号的电平绝对值之和或电平平方之和。
优选的是，所述输入的模拟信号是声音或语音信号。进一步优选地，所述数字信号的信号值是针对采样10ms的语音信号计算得到的。
优选的是，模数转换器是∑-Δ量化方式的模数转换器。
优选的是，所述模拟信号数字化的装置还包括低通滤波器，对数字信号放大器输出的信号进行低通滤波。
本发明可提高小信号通过模数转换器时的信噪比，从而可以提高模数转换过程中的整体信噪比。
根据本发明的第二方面，提供一种模拟信号数字化的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：根据增益系数，对输入的模拟信号进行放大，增益系数初始设定为单位增益；将所述放大的模拟信号转换成数字信号；采集所述数字信号，计算样本数字信号的信号值，再通过比较样本数字信号的信号值与模数转换器的匹配信号值，确定增益系数；将所述增益系数反馈回对输入的模拟信号进行放大的步骤，同时根据所述增益系数对数字信号进行缩减。
附图说明
图1，根据本发明的模拟信号数字化装置的方框图。
为更好地理解本发明，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。
具体实施方式
以下是对根据本发明的一实施例的说明。
图1是根据本发明的电路装置的方框图，示意了采用自动增益控制对音频信号数字化的过程。
如图1所示，所述电路装置包括模拟信号放大器11、模数转换器12、自动增益控制器13、音量调节器14及低通滤波器15。
首先，模拟信号放大器11接收输入的音频模拟信号并且根据加在放大器11上的增益系数将模拟信号放大。增益系数来自自动增益控制器13。增益系数在初始工作时设定为单位增益，即倍数为一。也就是说，在初始工作时，放大器11对输入的模拟信号进行单位增益的放大。
放大后的模拟信号经模数转换器12将模拟信号转换为数字信号。从模数转换器12输出的数字信号同时传送到自动增益控制器13和音量调节器14。
自动增益控制器13根据输入的数字信号，确定增益系数。
首先，自动增益控制器13计算输入数字信号的幅度或电平或者能量值。该数值一般是对某一时间间隔内的数字信号分析而得到的。该时间间隔是可以调节的，间隔越短，调节越精确。然而间隔短，运算量就大，调整就频繁。优选的是，针对输入信号的频谱特性来设定。对于音频信号，特别是语音信号具有短时周期性如20-30ms，因此可以将时间间隔设为10ms左右。可以采用绝对值法，即将特定时间间隔内的所有信号电平的绝对值相加，或者计算所有信号电平的平方和，后者更接近输入信号的能量值，但是运算复杂度高，对于硬件实现可以考虑前者。为简化描述，在本说明书中将计算得到的信号电平的绝对值之和或者信号电平的平方和称为信号值。
在计算出的信号值的基础上，自动增益控制器13确定增益系数。增益系数可以分成若干等级，如1、2、4、8倍等，也可以是任意倍数。前者适合硬件电路实现。在一个例子中，自动增益控制器13按照计算出的信号值来确定增益系数为自动增益控制器预先设置的若干等级1、2、4和8倍中的一个，信号值越小，选定的倍数越高。在另一个例子中，增益系数是将数字信号的信号值除以模数转换器匹配信号值而得到的值。这里的模数转换器匹配信号值是指为使模拟信号转换为数字信号，模数转换器12允许的最佳输入信号值，它可以是信号电平值，也可以是能量值；它既可以是模数转换器满幅状态下最大允许的信号值，也可以是小于该最大允许信号值的其它数值，比如最大允许信号值的80-90％。需要指出的是，匹配信号值的取值和输入数字信号的信号值取值存在对应关系。若输入数字信号的取值为单个信号的电平值、一段信号的信号电平绝对值之和，或者一段信号的信号电平平方和，则匹配信号值的数值也要作相应的调整。
自动增益控制器13再将上述计算出来的增益系数反馈到模拟信号放大器11。模拟信号放大器根据反馈到的增益系数对模拟信号进行放大。使输入模数转换器的模拟信号幅度接近模数转换器理想状态下的幅度大小。
与此同时，将同样的增益系数传送到音量调节器14。音量调节器14根据自动增益控制器传送的增益系数对信号进行缩减，将信号幅度进行还原，从而保证输出信号幅度与输入信号的幅度相当。在幅度调整器对数字信号以增益系数进行缩减是为了使信号幅度和能量能正确地还原，不发生扭曲。
还原后的信号再进入低通滤波器15，对所述音量调节器14输出的信号进行低通滤波。
根据上述增益系数对模数转换器的输入信号进行放大，能使输入模数转换器的信号的幅度接近于模数转换器理想状态下的幅度大小。由于模数转换器对满幅信号的模数转换可以获得接近理想的信噪比，因此，输出信号的信噪比相对提高。
在又一个例子中，自动增益控制器13根据计算得到的数字信号的信号值判断该数字信号是否小于一定的幅度，并且仅当判断结果是小于的情况下才将增益系数馈送到模拟信号放大器11和音量调节器15。若判断输入信号大于或等于该一定幅度，自动增益控制器13则将数值为单位增益的增益系数反馈到模拟信号放大器11，同时将其馈送到音量调节器15。
显而易见，在此描述的本发明可以有许多变化，这种变化不能认为偏离本发明的精神和范围。比如，本发明还可适用于声音信号以外的其它信号。在此情形下，音量调节器改称为幅度调节器。因此，所有对本领域技术人员显而易见的改变，都包括在本权利要求的涵盖范围之内。
Claims (10)
1.一种模拟信号数字化的装置，其特征在于，所述装置包括：
模拟信号放大器，根据加在其上的增益系数对输入的模拟信号进行放大；
模数转换器，对放大后的所述模拟信号进行模数转换，将所述模拟信号转换为数字信号；
自动增益控制器，根据数字信号的信号值确定增益系数，并将所述增益系数馈送到模拟信号放大器和幅度调节器；和
幅度调节器，根据所述自动增益控制器馈送的所述增益系数对数字信号进行缩减；
其中，所述数字信号的信号值是在一段时间间隔内的数字信号的电平绝对值之和或电平平方之和。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，自动增益控制器判断数字信号是否为小信号，若判断不是小信号，则将所述增益系数确定为单位增益，其中所述小信号为：当输入信号幅度远小于量化器匹配幅度，量化器的噪音就会造成信号的信噪比很低的信号。
3.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于所述增益系数是根据数字信号的信号值从若干固定值选定的，信号值越小，选为增益系数的固定值越大。
4.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述增益系数是按照模数转换器的匹配信号值和数字信号的信号值的比值确定的。
5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述模数转换器的匹配信号值为模数转换器满幅状态下最大允许信号值的80％-90％。
6.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述输入的模拟信号是声音或语音信号。
7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述数字信号的信号值是针对采样10ms的语音信号计算得到的。
8.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，模数转换器是∑-Δ量化方式的模数转换器。
9.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，还包括低通滤波器，对所述幅度调节器输出的信号进行低通滤波。
10.一种模拟信号数字化的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
根据增益系数，对输入的模拟信号进行放大，增益系数初始设定为单位增益；
将所述放大的模拟信号转换成数字信号；
采集所述数字信号，计算在一段时间间隔内的所述数字信号的电平绝对值之和或电平平方之和，得出样本数字信号的信号值，再通过比较样本数字信号的信号值与模数转换器的匹配信号值，确定增益系数；
将所述增益系数反馈回对输入的模拟信号进行放大的步骤，同时根据所述增益系数对数字信号进行缩减。
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