CN1994019A

CN1994019A - 与输入信号相关的信号调节

Info

Publication number: CN1994019A
Application number: CNA2005800067212A
Authority: CN
Inventors: R·H·M·范维尔德霍分
Original assignee: Koninklijke Philips Electronics NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 2004-03-02
Filing date: 2005-02-28
Publication date: 2007-07-04
Also published as: WO2005089011A2; US20070139238A1; WO2005089011A3; JP2007526712A; EP1726184A2

Abstract

一种电路，具有用于数字处理传感器信号的模数转换器(33)。该传感器信号具有代表信息(31)的信号分量以及例如偏置电流或者干扰的其他信号分量(32)。在将传感器信号转换到数字域之前，根据输入信号的特性调节输入信号。其上的设备包括用于接收传感器信号并输出被调节的传感器信号的信号调节电路。该信号调节电路具有模拟反馈环(25)，该模拟反馈环具有环路滤波器(23)，其中环路滤波器(23)具有增强信息信号分量并且减少其他信号分量的传递函数。其具有的好处是减小了模数转换器的动态范围以及其他要求。更特别的是，将该电路连接到移动电话或者助听器中的驻极体传声器上。

Description

与输入信号相关的信号调节

技术领域

本发明涉及一种用于数字处理来自传感器的传感器信号的设备，其中该传感器信号包括代表信息的信息信号分量以及不代表信息的其他信号分量。

本发明还涉及一种音频设备，尤其涉及一种移动电话或者助听器，其包括用于数字处理传感器信号的设备，以及作为传感器的传声器单元。

本发明涉及数字信号处理领域，尤其涉及为传声器提供一个接口并且处理来自传声器的音频信号。

背景技术

文献US2002/0071578描述了一种用于传声器的具有集成偏压的模数(A/D)转换器，该传声器即为产生具有代表信息的信息信号分量的传感器信号的传感器。此外，该传感器信号包含直流电流作为不代表信息的其他信号分量。尤其描述了一种驻极体传声器和∑-ΔA/D转换器的组合。A/D转换器输出具有数字直流反馈环，该数字直流反馈环为包括在驻极体传声器单元中的结型FET提供偏置电流。此外，提供了用于AC信号的反馈环。将来自该反馈环的数字信号通过DAC(数模转换器)转换成模拟信号。来自传声器的信号电流直接注入到∑-ΔA/D转换器的输入积分器中，而不需要提供偏置电流的附加电阻器。然而，该反馈环需要进行复杂的数字滤波。此外，尽管∑-Δ输出基本为单个位输出，但是滤波器输出是多位输出，这将造成需要其他的线性电路的非线性。特别是，DAC电路必须是线性度很高的。因此，公知的电路复杂而且当集成时要求相对大的芯片面积。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种用于较不复杂地数字处理传感器信号而同时为传感器提供直接接口的设备。

为此，根据本发明的第一方面，如本文开头段落所述的设备，包括用于接收传感器信号并输出被调节的传感器信号的信号调节电路，以及用于将被调节的传感器信号转换成将要处理的数字传感器信号的模数转换器，该信号调节电路包括具有环路滤波器的模拟反馈环，该环路滤波器具有传递函数，该传递函数具有用于增强信息信号分量的第一传递函数分量以及用于减小其他信号分量的第二传递函数分量。

该方案具有的效果是，传感器信号由调节电路在模拟域内进行调节，而模拟反馈环中的环路滤波器设置成基本上减少不想要的信号分量。其次，被调节的传感器信号从模拟的转换成数字的。信号调节电路还处理其他信号分量，例如提供DC偏置电流，从而与传感器直接接口，而不需要设备之外的其他元件。因此，有利的是，调节电路与数字处理分开。另外，单独的信号调节电路具有的优点是，模数转换器的动态范围和精度是较不决定性的，而总的电路由于减小了集成所需的芯片表面量而变得较不复杂。

本发明还基于下面的认识。在数字信号处理领域中，来自模拟传感器的信号被转换到数字域，随后进行处理，滤波，放大等。特别的是，在产生模拟传感器信号之后，本领域的技术人员将尽可能快地实现从模拟域到数字域的转换。发明人已经发现，通过首先调节模拟域内的传感器信号，将极大减小A/D转换器以及前端数字信号处理的需要。令人吃惊的是，相同的性能等级上，用于模拟调节电路和随后的较不复杂的数字信号处理的电路总量低于可比较的数字前端电路的电路总量，特别是集成在芯片上时。

在该设备的一个实施例中，模拟反馈环包括用于接收传感器信号以及环路滤波器的输出信号的求和元件。这样的好处是，传感器信号中不想要的信号分量被环路滤波器的输出信号中的信号分量补偿。

在该设备的一个实施例中，第一传递函数分量设置成增加第一频带内的带内信号分量作为信息信号分量，第二传递函数分量设置成减少第二频带内的干扰信号分量作为其他信号分量。这样的好处是，干扰信号分量相对带内信号分量被减弱。

在该设备的一个实施例中，第一传递函数分量设置成增加AC信号分量作为信息信号分量，第二传递函数分量设置成减少DC信号分量作为其他信号分量。这样的好处是，如所要求的，将DC信号分量用于为传感器提供偏压而放大了AC信号分量。

在该设备的一个实施例中，传感器是具有放大元件的传声器单元，尤其是具有场效应元件的驻极体电容式传声器，将第二传递函数分量设置成用于通过将偏置电流提供给放大元件的所述减少。这样的好处是，增加了传声器信号而同时提供了偏置电流。

用于数字处理来自传感器的传感器信号的该设备的上述任一实施例可结合作为传感器的传声器单元包括在音频设备中，尤其是移动电话或者助听器中。这样的好处是数字信号处理电路与传声器单元直接接口，而减小了模数转换的要求。

其他的实施例在从属权利要求中给出。

附图说明

本发明的这些和其他方面将在下面的描述中参考以实例形式描述的实施例并且参考附图更加清楚以及阐明，其中：

图1示出了用于为驻极体传声器提供偏压的现有技术电路的框图，

图2示出了与输入信号相关的信号调节电路，

图3示出了用于传声器的与输入信号相关的信号调节电路，

图4示出了环路滤波器的传递函数，

图5示出了调节电路的实现方式。

不同的附图中的相应元件具有相同的附图标记。

具体实施方式

图1示出了用于为驻极体传声器提供偏压的现有技术电路的框图。具有声音输入的应用，例如移动电话和助听器，经常采用驻极体电容式传声器。实际上通用的是在壳体中包括具有驻极体元件的JFET(结型场效应晶体管)，这种组合单元可被称作驻极体传声器。JFET的栅极连接到驻极体的一端，其源极连接到驻极体的另一端。此外，包括在相同壳体中的栅极偏压电阻器与该驻极体并联连接。JFET是耗尽型器件，这表示如果其栅源电压VGS＝0V的话将传递直流电流。注意，可使用不同结构的驻极体和半导体元件，例如，该驻极体连接在FET的栅极和漏极之间。

为了得到代表在其附近的气压变化的输出信号，驻极体和JFET的组合需要偏置电流。该附图示出了将这种偏置电流提供给传声器单元3的通用电路，该电路包括位于壳体内的驻极体1，栅极偏压电阻器R_BIAS和JFET 2。该电路包括两个外部电阻器R1和R2以及两个电容器C1和C2，其中两个外部电阻器用于从电源MicBias提供偏置电流，两个电容器用于将信号耦合到例如处理IC4的随后电路的输入端上。

通常，DC偏置电流约为实际AC信号电流的10到50倍大。栅极偏压电阻器R_BIAS将JFET 2的栅极进行偏置，从而实现其栅源电压VGS＝0V。在典型的应用中，JFET 2和驻极体传声器1的组合传送300μA的电流，将该电流通过电阻器R1和R2转换成电压，该电阻器R1和R2典型的是1-2千欧。处理IC4在V_IN1和V_IN2提供用于AC传声器信号的输入，以及在MicBias和零电源端Vssa之间提供偏置电流。

由于这两个电容器C1和C2，传声器的输出信号例如可连接到A/D转换器上，其中A/D转换器将语音信号转换到数字域中，用于进一步处理。该电路需要4个外部元件，两个信号管脚以及一个传声器电源管脚，其上由集成电路产生纯净的电源电压。总之，该偏压方案采用4个元件以及3个IC管脚。

图2示出了与输入信号相关的信号调节电路。该电路设置成用于接收传感器信号21，并在输出端Y上输出被调节的传感器信号22。该被调节的传感器信号被耦合到随后的模数转换器上，用于将被调节的传感器信号转换成将要在数字信号处理器(未示出)中处理的数字传感器信号。该传感器信号包括代表信息的信息信号分量(A)以及例如偏置电流的不代表信息的其他信号分量(B)。信号调节电路具有模拟反馈环25，该模拟反馈环25具有通过求和元件24耦合到传感器信号21上的环路滤波器23。该环路滤波器23具有传递函数，该传递函数具有用于增强信息信号分量A的第一传递函数分量以及用于减少其他信号分量B的第二传递函数分量。输入信号分量A和B例如在频率和幅值方面具有不同的规格。信号调节电路的传递函数26是

γ = \frac{A + B}{1 + H}

通过以增益和频率响应取决于输入信号分量A和B的信号性质的方式选择环路滤波器的传递函数H，可实现依据输入信号的特性的信号调节。

图3示出了用于传声器的与输入信号相关的信号调节电路。将传声器输出电流分析成两种分量：AC分量31和DC分量32。应用图2的电路，并且将被调节的输出信号22由函数34给定。对于环路滤波器23的传递函数H(w)，其对于低频(DC)具有高增益，对于AC信号(语音信号)具有低增益，输出35的响应函数i_out，ac在图4中给定。信号调节电路输出端上的DC分量由H(w)的低频增益衰减。如果输入DC分量比AC输入信号大10倍，并且H(w)具有例如1000的DC增益，那么输出DC分量比AC电流小100倍。

调节电路后面是A/D转换器33(ADC)。因为该电路旨在将语音信号转换到数字域中，因此在数字域中不需要DC分量。因此，ADC的动态范围几乎全部用于转换AC信号，这是因为DC分量仅是AC信号的1/100。这样，ADC的动态范围的1/(1+0.01)*100％＝99.009％仅由有效的输入信号采用，而在直接转换传声器信号的电路中，其是1/(1+10)*100％＝9.09％，需要10倍大的动态范围来转换具有相同方案的AC信号。

图4示出了环路滤波器的传递函数。传递函数H(0)由曲线41表示，水平轴表示频率，垂直轴表示响应。在图3中的调节电路的输出端35上所得的频率响应由第二(虚线)曲线42表示，其中频率响应标注为I_out，ac。

在一个实施例中，调节电路的其他好处如下。对于DC偏置电流，应用环路滤波器的传递函数中的DC分量。此外，可通过在环路滤波器的传递函数中包括低通滤波器而实现低频音调的抑制。例如，50Hz的干扰由信号调节电路进行衰减，其中50Hz的干扰在语音信号带宽(所谓的带内信号)外部。如果H是与0dB线在f_-3dB处交叉的第一阶滤波器低通，那么AC信号将在该频率上具有-3dB点，例如图4的f_-3dB所示。例如如果f_-3dB＝100Hz，那么此时50Hz将被衰减6dB。同样，可衰减其他低频干扰噪声，当例如在像汽车那样的嘈杂环境中使用移动电话时是有效的。

图5示出了调节电路的一种实现方式。第一放大器51具有连接到参考电压Vref的正输入端，其为连接到负输入端的输出Vout1提供适当的参考DC电平。环路滤波器52提供如图3和4所述的低通功能，该低通滤波器的输出控制电流源53，其中电流源53在第一求和节点65处连接到传声器单元3的第一端上，该传声器单元3例如图1所示的包括JFET的驻极体传声器单元。第二放大器54具有连接到参考电压Vref的负输入端，其为连接到正输入端的输出Vout2提供适当的参考DC电平。环路滤波器55提供如图3和4所述的低通功能，该低通滤波器的输出控制电流源56，其中电流源56在第二求和节点66处连接到传声器单元3的第二端上。两个受控电流源53，56提供箭头60，63和64所示的DC偏置电流I_mic，DC。来自传声器单元3的AC电流连耦合到第一输出放大器级联电路57用以产生输出Vout1，并且耦合到第二输出放大器级联电路58上用以产生输出Vout2，如箭头61所示。每个级联电路具有正电流源，正放大FET，负放大FET以及负电流源的串联电路。输出Vout1和Vout2都提供耦合到负载59进而耦合到ADC(未示出)的差动输出信号。

两个运算放大器51，54调节DC输出电压到参考电压(例如电源电压的一半)。由于H作为低通环路滤波器52，55实现，因此仅有DC输出电压被调节，并且传声器AC输出电流流进级联电路57，58中。这是因为滤波器衰减了AC信号频率，受控电流源53，56仅传递传声器所需要的DC分量，以及减小干扰的某些低频AC分量。较高频率(带内)的AC电流例如通过A/D转换器转换成负载59上的输出电压，其用于进行进一步的信号处理。

注意，图5提供了平衡电路。在可替换实施例中，在单端结构中使用类似的元件。然后，仅需要单个环和环路低通滤波器。

尽管本发明已经通过实施例基于作为放大半导体的FET进行主要解释，但应该注意到，本发明可采用任何类型的模拟放大元件实现。此外，应该注意到，在该文献中，单词“包括”并不排除所列出的元件或步骤以外的其他元件或者步骤的存在，元件前面的单词“一”和“一个”并不排除多个这种元件的存在，任何附图标记并不限制权利要求的范围，本发明可通过硬件和软件来实现，并且几个“装置”可由相同的硬件项来代表。此外，本发明的范围并不局限于实施例，本发明隐含在每个新颖的特征或者上述特征的组合中。

Claims

1.用于数字处理来自传感器的传感器信号的设备，该传感器信号包括代表信息的信息信号分量以及不代表信息的其他信号分量，

该设备包括用于接收传感器信号并且输出被调节的传感器信号的信号调节电路，以及用于将被调节的传感器信号转换成将要处理的数字传感器信号的模数转换器(33)，该信号调节电路包括具有环路滤波器(23)的模拟反馈环(25)，该环路滤波器(23)具有传递函数，其中该传递函数具有用于增强信息信号分量的第一传递函数分量以及用于减少其他信号分量的第二传递函数分量。

2.如权利要求1所述的设备，其中模拟反馈环(25)包括用于接收传感器信号以及环路滤波器输出信号的求和元件(24)。

3.如权利要求1所述的设备，其中第一传递函数分量设置成用于增强第一频带内的带内信号分量作为信息信号分量，第二传递函数分量设置成用于减少第二频带内的干扰信号分量作为其他信号分量。

4.如权利要求1所述的设备，其中第一传递函数分量设置成用于增强AC信号分量(31)作为信息信号分量，第二传递函数分量设置成用于减少DC信号分量(32)作为其他信号分量。

5.如权利要求1所述的设备，其中该传感器是具有放大元件的传声器单元(3)，特别是具有场效应放大元件的驻极体电容式传声器，第二传递函数分量被设置用于通过提供偏置电流给放大元件的所述减少。

6.如权利要求1所述的设备，其中信号调节电路包括来自第一输出(Vout1)的第一模拟反馈环(51，53)，以及来自第二输出(Vout2)的第二模拟反馈环(54，56)，其中第一环包括连接到第一求和元件(65)的第一环路滤波器(52)，第二环包括连接到第二求和元件(66)上的第二环路滤波器(55)，两个输出提供差动输出信号。

7.音频设备，尤其是移动电话或者助听器，包括如权利要求1到6中任一权利要求所述的用于数字处理来自传感器的传感器信号的设备，以及作为传感器的传声器单元。