DE102012001071A1

DE102012001071A1 - Schaltung und verfahren zur optimierung des dynamikbereichs in einem digital-zu-analog-signalpfad

Info

Publication number: DE102012001071A1
Application number: DE102012001071A
Authority: DE
Inventors: Robert Ledzius; Matt Felder
Original assignee: Maxim Integrated Products Inc
Current assignee: Maxim Integrated Products Inc
Priority date: 2011-01-21
Filing date: 2012-01-20
Publication date: 2012-07-26
Also published as: US20120188111A1; CN102611449B; CN102611449A; US8362936B2

Abstract

Eine Schaltung zum Maximieren des Dynamikbereichs in einem Digital-zu-Analog-Signalpfad weist einen Eingang zum Empfangen eines Eingangssignals, eine erste Verstärkungsstufe, die mit dem Eingang gekoppelt ist und eine erste Verstärkungseinstellung aufweist, eine zweite Verstärkungsstufe, die mit der ersten Verstärkungsstufe gekoppelt ist, wobei die zweite Verstärkungsstufe eine zweite Verstärkungseinstellung aufweist, einen Controller, der dafür konfiguriert ist, entsprechend dem Eingangssignalpegel selektiv die erste Verstärkungseinstellung zu erhöhen und die zweite Verstärkungseinstellung zu verringern, und einen Ausgang auf, der mit der zweiten Verstärkungsstufe zum Übertragen eines Ausgangssignals gekoppelt ist. Ein Verfahren zum Maximieren des Dynamikbereichs in einem Digital-zu-Analog-Signalpfad umfasst das Erfassen eines digitalen Eingangssignalpegels, das Erfassen eines gewünschten Benutzerverstärkungspegels, das Anlegen einer ersten Verstärkung an das digitale Eingangssignal, das Umwandeln des digitalen Eingangssignals in ein analoges Signal, und das Anlegen einer zweiten Verstärkung an das analoge Signal, wobei die erste Verstärkung und die zweite Verstärkung selektiv und invers entsprechend dem digitalen Eingangssignal manipuliert werden, während ein gewünschter Benutzerverstärkungspegel aufrecht erhalten wird.

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der integrierten Schaltungen. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf integrierte Schaltungen, die einen Digital-zu-Analog-Signalpfad aufweisen.
Hintergrund der Erfindung
Der Dynamikbereich ist eine wichtige Metrik in einer integrierten Schaltung oder in einem System, die bzw. das einen Digital-zu-Analog-Signalpfad aufweist. Ein Beispiel für eine solche Schaltung oder ein solches System ist ein digitales Audiowiedergabegerät wie etwa ein MP3-Player, ein CD-Player oder ein Mobiltelefon. Solche Wiedergabegeräte haben Einrichtungen, die unten beschrieben werden, zum Umwandeln von digital gespeicherten oder übertragenen Daten in ein nutzbares analoges Signal. Der Dynamikbereich (DB) ist das Verhältnis zwischen den kleinsten und größten möglichen Werten einer veränderbaren Größe, wie etwa einer Audiosignalamplitude. Der Dynamikbereich wird typischerweise als ein Verhältnis gemessen, wie zum Beispiel etwa als ein logarithmischer Wert zur Basis 10 (Dezibel) oder als ein logarithmischer Wert zur Basis 2 (Verdopplungen, Bits oder Stops), in den meisten elektrischen Systemen, die eine digitale Audiowiedergabe einschließen, ist das Dezibelmaß der Standard. So hat zum Beispiel die 16-Bit Audio-CD einen theoretischen Dynamikbereich von etwa 96 dB. Digitales Audio mit einer 20-Bit-Digitalisierung ist zu einem Dynamikbereich von etwa 120 dB in der Lage; und in ähnlicher Weise ist ein 24-Bit digitales Audio für einen Dynamikbereich von etwa 144 dB ausgelegt. In Audiowiedergabesystemen ist es allgemein üblich, den Dynamikbereich DB als die Gesamtoberschwingungsverzerrung bzw. den Klirrfaktor plus Rauschen (THD+N; Total Harmonic Distortion plus Noise) relativ zum gesamten Wertebereich (Full Scale) mit einem Eingangssignal von –60 dB zu messen. Außerdem werden die annähernden theoretischen maximalen Werte des Dynamikbereichs manchmal relativ zu einer vollen Nyquist-Frequenz-Bandbreiten-Messung berechnet. In einigen Messverfahren werden die gemessenen Bandbreiten von der Nyquist-Rate auf eine hörbare Bandbreite reduziert, was zu einem Anstieg des angegebenen Werts des Dynamikbereichs führt. Und auch das Frequenzspektrum des gemessenen Ausgangs kann unter Verwendung von branchenüblichen Filtern geändert werden, die den Wert des Dynamikbereichs ändern können. So filtern zum Beispiel einige Messtechniken einen Ausgang durch ein A-bewertetes Filter, das dem Wahrnehmungsverhalten des menschlichen Ohrs nahekommt.
Herkömmlicherweise umfassen digitale Audioaufzeichnungs- und -wiedergabeketten Eingangs- und Ausgangswandler und die dazugehörigen analogen Schaltungen, was zu einem äußerst begrenzenden praktischen Dynamikbereich unterhalb des theoretischen Optimums führen kann. Der beobachtete Dynamikbereich von 16-Bit digitalem Audio kann deutlich niedriger sein, sogar 90 dB oder darunter, wenn mehrere Schaltungen in dem Audiopfad jeweils einzeln ein integriertes Rauschen bei dem Pegel von –96 dB beitragen. Eine Messung des Dynamikbereichs ist ein wertvoller Indikator für die Signalqualität, wenn der gewünschte Signalpegel niedrig ist. In einem Audiobeispiel können leise Musik oder Musik bei Zimmerlautstärke unter den Auswirkungen eines schlechten Dynamikbereichs mehr leiden als laute Musik.
1 zeigt einen Digital-zu-Analog-Signalpfad 100 gemäß dem Stand der Technik, der eine begrenzte Leistung des Dynamikbereichs aufweisen kann. Digitale Eingangsdaten 110 sind mit einem digitalen Verstärkungsblock 120 gekoppelt. Die digitalen Eingangsdaten 110 können eine digitale Übertragung sein, die von einer Antenne empfangen wird, sie können gespeicherte digitale Daten in einem Speicher sein oder sie können irgendeine andere digitale Eingangsquelle sein. Es ist wichtig anzumerken, dass die digitale Quelle nicht auf Audiodaten begrenzt zu sein braucht, sondern dass sie jede Art von quantisierter oder digitaler Information sein kann. In der Praxis sind die digitalen Eingangsdaten 110 als eine Kombination aus den digitalen Eingangsdaten 110 und dem inhärenten Quantisierungsrauschen 112 infolge der quantisierten Beschaffenheit des Signals modelliert. In 1 ist das Quantisierungsrauschen 112 so dargestellt, dass es zu den digitalen Eingangsdaten 110 addiert wird, aber es ist wichtig anzumerken, dass kein physischer Addierer 115 existiert. Vielmehr steht der Addierer 115 lediglich für das Hinzufügen von unvermeidbarem Quantisierungsrauschen 112. Die digitale Verstärkung 120 regelt die Verstärkung des Gesamtsignals, während es sich immer noch in einem digitalen Zustand befindet. Typische Signalquellen für die Bereitstellung von digitalen Eingangsdaten 110 können über einen deserialisierten I2S-(Inter-IC Sound)-Bus kommen, können eine von Rahmen befreite (deframed) SPDIF-Signalquelle sein oder können ein aus dem Zeitbereich wiederhergestelltes Signal von einer Quelle in einem komprimierten MP3-Format sein. Die Quellendaten werden typischerweise interpoliert, um die Qualität des transienten Signals zu verbessern. Die digitale Verstärkung 120 regelt die Verstärkung des gesamten Signals, während sich dieses immer noch in einem digitalen Zustand befindet, typischerweise durch Manipulation unter Verwendung eines allgemein üblichen digitalen Multiplizierers. Eine übermäßige digitale Verstärkung kann einen Überlauf in dem digitalen Code bewirken, was typischerweise bezüglich des Clipping (Übersteuern, Kappen) begrenzt wäre (clip limited), und wird Signale großer Amplituden in unerwünschter Weise verschlechtern.
Das verstärkte oder abgeschwächte digitale Signal von dem digitalen Verstärkungsblock 120 wird dann zu einem Digital-Analog-Wandler (DAW) 130 für die Umwandlung in ein analoges Signal weitergeleitet. Jeder DAW führt effektiv ein zusätzliches Rauschen in das Signal ein, wobei das Rauschen je nach Zweckmäßigkeit und Konvention auf den Eingang bezogen bzw. eingangsbezogen oder auf den Ausgang bezogen bzw. ausgangsbezogen sein kann. In 1 ist ein auf den Eingang des DAW bezogenes Rauschen 122 addiert mit dem Ausgang der digitalen Verstärkung 120 gezeigt. Wiederum existiert kein physischer Addierer 125, sondern vielmehr dient dieser nur dazu, dasjenige Rauschen darzustellen, das in den Signalpfad eingeführt wird. Der Ausgang des DAW 130 ist mit einer Treiber- und analogen Verstärkung 140 gekoppelt, die ebenfalls eine gewisse Menge an eingangsbezogenem Rauschen 132 aufweist. Der Addierer 135 steht lediglich dafür, dass sogar noch mehr Rauschen in das System eingeführt wird. Es ist wichtig anzumerken, dass nicht der gesamte Stand der Technik sowohl eine digitale Verstärkung 120 als auch eine analoge Verstärkungsregelung 140 umfasst. Einige Systeme können einfach das Eine oder das Andere oder keines von beiden umfassen. Es ist außerdem wichtig anzumerken, dass der Signalpfad 100 in hohem Maße vereinfacht ist und viele andere Bauteile bzw. Komponenten, die von spezifischen Anwendungen benötigt werden, entlang dem Signalpfad 100 platziert werden können. So werden oftmals zum Beispiel analoge Mischer zwischen dem DAW 130 und der Treiber- und analogen Verstärkung 140 platziert, und jede zusätzliche Komponente wird notwendigerweise weiteres Rauschen zu dem System hinzufügen. Die Gesamtverstärkung des Signalpfads wird von einer Verstärkungsregelung 150 geregelt, die sowohl die digitale Verstärkung 120 als auch die analoge Verstärkung 140 regeln kann. Die Verstärkungsregelung 150 wird wiederum von einer Benutzersteuerung bzw. -regelung 152 gesteuert bzw. geregelt. Ein wichtiger Unterschied sollte zwischen dem Benutzer der integrierten Schaltung und dem Benutzer eines Enderzeugnisses gemacht werden. Der Benutzer der integrierten Schaltung, in der dieser Signalpfad zu finden ist (zum Beispiel ein Audio-Codec oder ein Prozessor) ist höchstwahrscheinlich ein Hersteller von Audiogeräten, wie etwa Apple^® bei der Herstellung ihres weithin populären iPod^®, oder irgendein anderer denkbarer Hersteller. Ein solcher Benutzer entwirft ein System, in dem zum Beispiel ein Endbenutzer oder der Benutzer des iPod^® in der Lage ist, die Lautstärke je nach Wunsch zu manipulieren. Im Allgemeinen ermöglicht es das System des Herstellers, dass der Endbenutzer eine oder beide der Verstärkungen mit einer einzigen Steuerungs- bzw. Regelungseingabe manipulieren kann. Im Allgemeinen kann ein Endbenutzer die digitale Verstärkung 120 und die Treiber- und analoge Verstärkung 140 nicht separat manipulieren, weil Endbenutzer aus Gründen der Einfachheit und der Bequemlichkeit eine einzige Verstärkungsregelung (Verstärkungsregler) vorziehen. Wenn ein Endbenutzer die Lautstärkeregelung an seinem Audiogerät manipuliert, addiert die Verstärkungsregelung 150, wie sie von dem Hersteller konstruiert wurde, einfach eine Verstärkung in dem digitalen Bereich mit der digitalen Verstärkung 120 und/oder in dem analogen Bereich mit der Audioverstärkung 140. Aber ein solches System tut nichts, um den Dynamikbereich zu verbessere, vor allem bei Kleinsignalen (Signalen mit niedrigen Pegeln). In den Lösungen gemäß dem Stand der Technik erfordern die Rauschbeiträge der mehreren Module in dem Signalpfad eine bessere Rauschleistung von jedem der Module. Aber Module von besserer Qualität und geringerem Rauschen benötigen eine größere Chipgröße und mehr Strom. Die Chipgröße ist die größte Kostenkomponente in einer integrierten Schaltung, und ein erhöhter Strom ist für die Hersteller von tragbaren elektronischen Geräten, für die die Batterielebensdauer von wichtigem Interesse ist, nicht erwünscht. Außerdem ist die Industrie der integrierten Schaltungen insgesamt extrem kostengesteuert, und erhöhte Kosten, die mit größeren Chipgrößen assoziiert sind, sind nicht erwünscht.
Zusammenfassung der Erfindung
Es wird eine neuartige Schaltung und ein neuartiges Verfahren zur Vergrößerung des Dynamikbereichs bereitgestellt, ohne dass der Stromverbrauch oder die Chipgröße wesentlich gesteigert werden. Ein digitaler Signalpegeldetektor stellt fest, wann die digitale Verstärkung angepasst werden sollte, um die digitale Verstärkung für Eingangssignale mit niedrigerer Amplitude zu maximieren, während gleichzeitig der oben erwähnte geclippte bzw. gekappte Zustand vermieden wird, der zu einer ernsthaften Signalverschlechterung führt, wenn Eingangssignale, die eine große Amplitude aufweisen, umgewandelt werden. Zusätzlich zu dem digitalen Signalpegeldetektor wird ein dynamischer Verstärkungsregler eingeführt, der automatisch die Verstärkungseinstellungen einer analogen Verstärkung und einer digitalen Verstärkung im Hinblick zueinander anpasst. Der dynamische Verstärkungsregler minimiert selektiv die analoge Verstärkung und minimiert dadurch das damit zusammenhängende Rauschen für alle Blöcke in dem Signalpfad, während er gleichzeitig die digitale Verstärkung maximiert, so dass die Gesamtverstärkung, wie sie von einem Endbenutzer eingestellt ist, nicht beeinträchtigt wird.
In einem Aspekt der Erfindung weist eine Schaltung zum Maximieren des Dynamikbereichs in einem Digital-zu-Analog-Signalpfad einen Eingang zum Empfangen eines Eingangssignals; eine erste Verstärkungsstufe, die mit dem Eingang gekoppelt ist, wobei die erste Verstärkungsstufe eine erste Verstärkungseinstellung aufweist; eine zweite Verstärkungsstufe, die mit der ersten Verstärkungsstufe gekoppelt ist, wobei die zweite Verstärkungsstufe eine zweite Verstärkungseinstellung aufweist; einen Controller zum dynamischen Auswählen der ersten Verstärkungseinstellung, um die erste Verstärkungseinstellung ohne Kappen bzw. Clipping des Eingangssignals zu maximieren, und zum Auswählen der zweiten Verstärkungseinstellung, um eine gewünschte Signalpfadverstärkung zu erzielen; und einen Ausgang auf, der mit der zweiten Verstärkungsstufe zum Übertragen eines Ausgangssignals gekoppelt ist, das die gewünschte Gesamt-Signalpfad-Verstärkung aufweist. Vorzugsweise weist die erste Verstärkungsstufe eine digitale Verstärkungsstufe auf und die erste Verstärkungseinstellung weist eine digitale Verstärkungseinstellung für die Verwendung durch eine Multiplizierverstärkungsstufe auf. In einigen Ausführungsformen weist die erste Verstärkungsstufe einen Digital-Analog-Wandler auf und die digitale Verstärkungseinstellung weist eine Rückkopplungsänderung in dem Digital-Analog-Wandler auf. Und die zweite Verstärkungsstufe weist eine analoge Verstärkungsstufe auf und die zweite Verstärkungseinstellung weist eine analoge Verstärkungseinstellung auf. Die analoge Verstärkung kann auf beliebig viele verschiedene bekannte, zweckmäßige oder anwendungsspezifische Arten implementiert werden, wie etwa als diskrete Verstärkungsschritte oder als eine analog angepasste Verstärkung.
Die Schaltung zum Maximieren des Dynamikbereichs in einem Digital-zu-Analog-Signalpfad weist auch einen Eingangssignaldetektor zur Erfassung eines Pegels des Eingangssignals auf. Der Eingangssignaldetektor kann jeder zweckmäßige oder anwendungsspezifische Detektor sein, wie zum Beispiel etwa ein RMS-Pegeldetektor, ein Spitzenpegeldetektor, ein Clip-Detektor, ein Durchschnittspegeldetektor oder dergleichen. Die Schaltung weist außerdem eine Benutzerverstärkungseinstellung auf, die mit dem Controller gekoppelt ist. Die Benutzerverstärkung wird die Signalpfadverstärkung bestimmen, welche die Summation der ersten und zweiten Verstärkungen ist. Der dynamische Verstärkungsregler wird innerhalb der Beschränkungen der Signalpfadverstärkung, die von dem Benutzer eingestellt ist, die digitale Verstärkung maximieren und die analoge Verstärkung minimieren und wird das Signal-Kappen bzw. -Clipping in der ersten Verstärkungsstufe verhindern. In einigen Ausführungsformen wird der Controller das Anlegen der zweiten Verstärkungseinstellung relativ zu dem Anlegen der ersten Verstärkungseinstellung verzögern, um Signalpfadverzögerungen zwischen der ersten Verstärkungsstufe und der zweiten Verstärkungsstufe auszugleichen. Der Controller wird die erste Verstärkungseinstellung und die zweite Verstärkungseinstellung nur dann anpassen, wenn ein Eingangssignalpegel für einen spezifizierten Zeitraum unterhalb eines spezifizierten Schwellenwertes liegt.
In einem anderen Aspekt der Erfindung umfasst ein Verfahren zum Maximieren des Dynamikbereichs in einem Digital-zu-Analog-Signalpfad das Erfassen eines digitalen Eingangssignals und eines gewünschten Benutzerverstärkungspegels, das Anlegen einer ersten Verstärkung an das digitale Eingangssignal, das Umwandeln des digitalen Eingangssignals in ein analoges Signal, und das Anlegen einer zweiten Verstärkung an das analoge Signal, wobei die erste Verstärkung und die zweite Verstärkung selektiv und invers entsprechend dem digitalen Eingangssignal manipuliert werden, während der gewünschte Benutzerverstärkungspegel aufrecht erhalten wird. Vorzugsweise kann das Anlegen einer ersten Verstärkung an das digitale Eingangssignal mit ausreichend kleinen inkrementellen Änderungen durchgeführt werden, so dass unmittelbare Änderungen für den Hörer nicht wahrnehmbar sind. In anderen Ausführungsformen umfasst das Verfahren das Erfassen eines Nulldurchgangs in dem digitalen Signal derart, dass die Verstärkungspegel angepasst werden, wenn das Signal sehr klein ist, um Signalpfadstörungen zu minimieren, die durch die Verstärkungsänderungen verursacht werden. Die zweite Verstärkung kann auf der Basis der digitalen Nulldurchgangserfassung oder einer analogen Nulldurchgangserfassungsschaltung angepasst werden. In einigen Ausführungsformen umfasst das Anlegen einer ersten Verstärkung das Ändern einer Verstärkungseinstellung einer Rückkopplungsschleife in einem Digital-Analog-Wandler. Eine dynamische Lautstärkeregelung kann sogenannte Attack-, Decay- und Hold-Regler umfassen, um die Wahrnehmbarkeit des Verstärkungsänderungsverhaltens zu minimieren.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen:
1 zeigt einen Digital-zu-Analog-Signalpfad gemäß dem Stand der Technik.
2 zeigt einen Digital-zu-Analog-Signalpfad nach einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung.
3 zeigt einen Digital-zu-Analog-Signalpfad nach einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung.
4 zeigt einen Digital-zu-Analog-Signalpfad nach einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung.
5 zeigt ein Verfahren zum Maximieren des Dynamikbereichs in einem Digital-zu-Analog-Signalpfad.
Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
Nun wird im Einzelnen Bezug auf die Ausführungsformen eines Verfahrens und einer Vorrichtung zur Optimierung des Dynamikbereichs gemäß der Erfindung genommen, wobei Beispiele davon in den beigefügten Zeichnungen veranschaulicht sind. Obwohl die Erfindung in Verbindung mit den unten aufgeführten Ausführungsformen beschrieben werden wird, wird es klar sein, dass diese nicht dazu gedacht sind, die Erfindung auf diese Ausführungsformen und Beispiele zu beschränken. Im Gegenteil, die Erfindung soll Alternativen, Modifikationen und Äquivalente abdecken, die innerhalb des Erfindungsgedankens und des Schutzumfangs der Erfindung, wie sie von den angehängten Ansprüchen definiert wird, enthalten sein können. Außerdem sind in der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung der vorliegenden Erfindung zahlreiche spezifische Einzelheiten dargelegt, um die vorliegende Erfindung vollständiger zu veranschaulichen. Aber es wird einem Durchschnittsfachmann auf dem Gebiet des Standes der Technik offensichtlich sein, dass die vorliegende Erfindung auch ohne diese spezifischen Einzelheiten praktiziert werden kann. In anderen Fällen sind allgemein bekannte Verfahren und Prozeduren, Bauteile bzw. Komponenten und Prozesse nicht im Einzelnen beschrieben worden, damit die Aspekte der vorliegenden Erfindung nicht unnötig verschleiert werden. Es wird natürlich klar sein, dass bei der Entwicklung irgendeiner solchen tatsächlichen Implementierung zahlreiche implementierungsspezifische Entscheidungen getroffen werden müssen, um die spezifischen Ziele des Entwicklers zu erzielen, wie etwa die Einhaltung von anwendungs- und geschäftsbezogenen Beschränkungen, und dass diese spezifischen Ziele von einer Implementierung zur anderen und von einem Entwickler zum anderen variieren werden. Darüber hinaus wird es klar sein, dass eine solche Entwicklungsanstrengung komplex und zeitaufwändig sein kann, aber nichtsdestotrotz ein routinemäßiges technisches Vorhaben für diejenigen Durchschnittsfachleute sein würde, die den Nutzen aus der vorliegenden Offenbarung haben.
2 zeigt einen Digital-zu-Analog-Signalpfad 200 nach einer Ausführungsform der vorlegenden Offenbarung. Die digitalen Eingangsdaten 201 sind mit einer ersten Verstärkung gekoppelt. In dieser Ausführungsform weist die erste Verstärkung eine digitale Verstärkung 210 auf. Die digitalen Eingangsdaten 201 können von einem Speicher stammen, durch eine Antenne, durch eine drahtgebundene Verbindung erhalten werden, oder können von irgendeiner anderen Einrichtung stammen. Die digitalen Eingangsdaten 201 können ihren Ursprung zum Beispiel aus I2S-codierten Daten, AC97-codierten Daten, SPDIF-codierten Daten oder aus irgendeinem anderen bekannten oder anwendungsspezifischen digitalen Codierungsschema haben. Das Quantisierungsrauschen 202 ist so dargestellt, dass es durch einen Addierer 203 in den Signalpfad 200 eingeführt wird. Der Addierer 203 ist lediglich eine Darstellung des inhärenten Quantisierungsrauschens 202 und ist nicht physisch als ein Modul innerhalb des Signalpfads 200 verkörpert. Die digitale Verstärkung 210 ist in der Lage, den Signalpegel der digitalen Eingangsdaten 201 zu manipulieren. Wie oben erwähnt worden ist, umfasst das Hinzufügen einer Verstärkung zu den digitalen Eingangsdaten 201 nicht nur das elektrische Verstärken eines digitalen Signals. Vielmehr wird die tatsächliche digitale Repräsentation des Signals digital manipuliert. Eine Einrichtung zum Erzielen einer digitalen Verstärkungsänderung ist eine digitale Multipliziererfunktion innerhalb der digitalen Verstärkung 201. Das Einstellen einer Verstärkung innerhalb der digitalen Verstärkung 201, die zu hoch ist, kann entweder einen Überlauf oder ein Clipping bzw. Kappen bewirken, die beide unerwünscht sind. Es ist wichtig anzumerken, dass das Anlegen der digitalen Verstärkung 210 dynamisch ist und deshalb anders als die Lautstärkeregelung ist, die zufälligerweise digital ist, wie etwa eine I2C-Verstärkungsregelung, die lediglich eine Signalpfadverstärkung durch eine digitale Schnittstelle, wie etwa einen Auf/Ab-Schalter, regelt. Der Ausgang der digitalen Verstärkung 210 ist mit einem DAW 220 gekoppelt.
Wie oben erwähnt ist, führt jeder DAW ein Rauschen ein, das je nach Konvention auf den Eingang bezogen oder auf den Ausgang bezogen sein kann. In 2 ist das DAW-Rauschen als ein auf den DAW-Eingang bezogenes Rauschen 211 dargestellt, das in den Signalpfad 200 durch einen Addierer 212 eingeführt wird. In ähnlicher Weise existiert auch hier kein physischer Addierer 212, aber er ist gezeigt, um das Einführen des auf den DAW-Eingang bezogenen Rauschens 211 darzustellen. Der DAW 220 kann jeder bekannte oder anwendungsspezifische DAW sein, wie etwa ein Pulsweitenmodulator, ein Sigma-Delta-Modulator, ein Nyquist-DAW, ein binär gewichteter DAW, ein R-2R-Kettenleiter-DAW, ein in einem Thermometercode codierter DAW, oder er kann irgendein anderer DAW sein. Der DAW 220 wandelt die verstärkten digitalen Eingangsdaten von dem digitalen Verstärkungsmodul 210 in ein analoges Signal um. Der Pegel des analogen Ausgangssignals des DAW 220 wird durch eine Kombination des verstärkten digitalen Eingangsdatenpegels und der Umwandlungsverstärkung des DAW 220 bestimmt. Es ist wichtig anzumerken, dass das eingangsbezogene Quantisierungsrauschen 202 und das auf den DAW-Eingang bezogene Rauschen 211 nicht von der Verstärkung der digitalen Eingangsdaten 201 abhängen. Vielmehr werden sie jeweils durch den Quantisierungspegel oder die Bittiefe der digitalen Eingangsdaten 201 und die Qualität des DAW bestimmt. Der Ausgang des DAW 220 ist mit dem Eingang einer zweiten Verstärkungsstufe gekoppelt.
In der gezeigten Ausführungsform ist die zweite Verstärkungsstufe eine analoge Verstärkung 230. Der Rauschbeitrag der analogen Verstärkung 230 ist als ein auf einen Treiber-Eingang bezogenes Rauschen 221 repräsentiert, das durch einen Addierer 222 eingeführt wird. Im Allgemeinen ist die analoge Verstärkung 230 ein Verstärker oder Treiber, der für das Audioband von analogen Signalen zwischen 20 Hz und 20 KHz optimiert ist, und eine Lautstärkeregelung, wie etwa eine I2C-Steuerleitung oder ein Lautstärkeregelungsstift bzw. -Pin. Ungeachtet des Typs des verwendeten Treibers steigt das Rauschen in dem analogen Ausgangssignal 235 dann an, wenn die Verstärkungseinstellung der analogen Verstärkung 230 erhöht wird, da die gesamten Rauschbeiträge (d. h. das Quantisierungsrauschen 203, das auf den DAW-Eingang bezogene Rauschen 212 und das auf den Treibereingang bezogene Rauschen 221) zunehmen, wenn die Verstärkung der analogen Verstärkung 230 erhöht wird. Deshalb ist es wünschenswert, die Signalgröße frühzeitig in dem Signalpfad zu maximieren, um eine niedrigere Verstärkung an dem Ende des Signalpfads zu erlauben.
Zu diesem Zweck wird ein dynamischer Verstärkungsregler 250 eingeführt. Der dynamische Verstärkungsregler 250 maximiert die digitale Verstärkung 210, ohne dass das digitale Signal gekappt bzw. geclippt wird, und minimiert die analoge Verstärkung 230, während gleichzeitig die gesamte gewünschte Verstärkung des Signalpfads aufrecht erhalten wird. Die digitale Verstärkung 210 wird maximiert und die analoge Verstärkung 230 wird minimiert, und zwar in dem Sinne, dass ein größter Wert für den digitalen Verstärkungspegel und ein kleinster Wert für den analogen Verstärkungspegel verwendet werden, um die gesamte gewünschte Verstärkung zu erzielen, während immer noch Platz nach oben bzw. ein Headroom vorgesehen ist, um das Clipping bzw. Kappen zu verhindern. So, wie sie hier verwendet werden, werden die Begriffe „maximieren” und „minimieren” in diesem Kontext jeweils auf die digitale Verstärkung und auf die analoge Verstärkung angewendet. Der analoge Verstärkungspegel wird dann bestimmt, wenn der digitale Verstärkungspegel für eine gegebene, gesamte, gewünschte Verstärkung des Signalpfads maximiert ist.
Im Allgemeinen wird die gewünschte Lautstärke von einem Benutzer durch eine Benutzerlautstärkeschnittstelle 260 eingestellt. Um den dynamischen Verstärkungsregler 250 bei der Bestimmung der optimalen Verstärkungseinstellungen für die digitale Verstärkung 210 und die analoge Verstärkung 230 zu unterstützen, ist ein digitaler Signalpegeldetektor 240 bereitgestellt. Der digitale Signalpegeldetektor 240 empfängt die digitalen Eingangsdaten 201 und ermittelt den Pegel auf irgendeine zweckmäßige Weise, wie etwa durch das Erfassen eines Spitzenpegels, eines RMS-Pegels, eines Durchschnittspegels oder irgendeiner anderen bekannten oder anwendungsspezifischen Metrik. Der digitale Signalpegeldetektor 240 ist mit dem dynamischen Verstärkungsregler 250 gekoppelt und überträgt einen erfassten Pegel an den dynamischen Verstärkungsregler 250. Wie oben erwähnt ist, ist es im höchsten Maße unerwünscht, die Verstärkungseinstellung in der digitalen Verstärkung 210 so zu erhöhen, dass die codierten Daten überlaufen oder gekappt bzw. geclippt werden, wodurch das Signal stark verzerrt wird. Der dynamische Verstärkungsregler 250 ist so konfiguriert, dass er den Pegel der digitalen Eingangsdaten 201 von dem digitalen Signalpegeldetektor 240 empfängt, so dass dann, wenn er dynamisch eine Verstärkungseinstellung für die digitale Verstärkung 210 ermittelt, die Verstärkungseinstellung nicht bewirken wird, dass die digital codierten Informationen überlaufen oder gekappt bzw. geclippt werden. Da die Verstärkungseinstellung der digitalen Verstärkung 210 erhöht wird, wird die Verstärkungseinstellung der analogen Verstärkung reduziert. Da die analoge Verstärkung reduziert wird, erfahren das eingangsbezogene Rauschen 221 und das eingangsbezogene Rauschen 211 nicht so viel Verstärkung. Deshalb werden Kleinsignale mit einer viel größeren Wiedergabetreue wiederhergestellt. Als Folge davon wird der Dynamikbereich des Signalpfads 200 verbessert. In Lösungen gemäß dem Stand der Technik wurden für die korrekte Wiederherstellung von Kleinsignalen entweder ein größerer Strom oder eine größere Chipgröße in der analogen Verstärkung 230 und/oder dem DAW 220 benötigt.
Vorzugsweise empfängt der dynamische Verstärkungsregler 240 auch eine Benutzerverstärkungseinstellung von einem Benutzerlautstärkeregler 260. Der Benutzerlautstärkeregler 260 kann zum Beispiel der Lautstärkeknopf bzw. der Lautstärke-Kipphebel an einem MP3-Player sein, der den Digital-zu-Analog-Signalpfad 200 aufweist. In einer alternativen Ausführungsform kann der Benutzerlautstärkeregler 260 ein Lautstärkeregelungsstift bzw. -Pin sein, der für eine vorgegebene Implementierung zugewiesen und befestigt ist. Der dynamische Verstärkungsregler 250 ist so konfiguriert, dass er wiederum die Verstärkungseinstellung der analogen Verstärkung 230 minimiert und die Verstärkungseinstellung der digitalen Verstärkung 210 maximiert, während er gleichzeitig die gewünschte, gesamte Ausgangslautstärke aufrecht erhält, die von dem Benutzer durch die Benutzerlautstärkeeinstellung 260 eingestellt ist. Das Ändern einer Verstärkungseinstellung führt eine Sprungantwort in ein System, wie etwa den Digital-zu-Analog-Signalpfad 200, ein. Eine Sprungantwort kann durch den Signalpfad 200 kaskadieren und bewirkt einen hörbaren Knall oder ein hörbares Klicken. Um diesen Knall oder dieses Klicken, der bzw. das durch eine Änderung der Verstärkung verursacht wird, zu minimieren, ist es wünschenswert, die Verstärkungseinstellungen der digitalen Verstärkung 210 und der analogen Verstärkung 230 zu ändern, wenn sich das digitale Eingangssignal 201 nahe seinem Minimum befindet, wie zum Beispiel etwa dann, wenn die augenblickliche Amplitude des Signals Null ist. Zu diesem Zweck wird eine Nulldurchgangserfassung 270 bereitgestellt. In einigen Ausführungsformen aktualisiert der dynamische Verstärkungsregler 250 die Verstärkungspegel nur dann, wenn die Nulldurchgangserfassung 270 einen Nulldurchgang erfasst, was bedeutet, dass die augenblickliche Amplitude des Signals auf oder nahe Null ist. Vorteilhafterweise reduziert dies den potentiellen Knall bzw. das potentielle Klicken, der bzw. das allgemein mit der Lautstärkeregelung assoziiert ist, vor allem dann, wenn die digitalen Eingangsdaten 201 mit einer höhere Rate überabgetastet werden, um zu gewährleisten, dass digitale Datenabtastwerte existieren, die sich nahe dem Nulldurchgangspunkt befinden.
In einigen Ausführungsformen wird die Anpassung der analogen Verstärkung (zweite Verstärkung) mit einer festgelegten Zeitverzögerung nach der Anpassung der digitalen Verstärkung (erste Verstärkung) durchgeführt, um Störungen zu reduzieren, die durch die Signalpfadverzögerung zwischen den ersten und zweiten Verstärkungsstufenblöcken verursacht werden. Diese Verzögerung wird von dem dynamischen Verstärkungsregler 250 implementiert.
In einigen Ausführungsformen umfasst der dynamische Verstärkungsregler 250 sogenannte Attack- und Release-Regler, so dass die digitale Verstärkung nicht erhöht wird, außer wenn der erfasste Signalpegel unterhalb eines spezifizierten Schwellenwerts für einen Zeitraum liegt, der von der „Attack”-Regler-Einstellung definiert wird. In ähnlicher Weise würden die digitalen Lautstärkeanpassungen nicht reduziert, außer wenn der erfasste Signalpegel oberhalb eines anderen spezifizierten Schwellenwerts für einen Zeitraum liegt, der von der „Release”-Regler-Einstellung definiert wird.
3 zeigt eine alternative Ausführungsform eines Digital-zu-Analog-Signalpfads 300 zu dem Signalpfad von 2. Ein digitales Eingangssignal 301 wird von einer digitalen Verstärkung 330 und einem Signalpegelmonitor 310 empfangen. Als ein Beispiel ist die digitale Verstärkung 330 ein Multipliziererlogikblock. Der Signalpegelmonitor 310 kann jeder zweckmäßige oder anwendungsspezifische Pegeldetektor sein, wie er oben im Einzelnen erörtert worden ist. Der dynamische Verstärkungsregler 320 empfängt I2C-Einstellungen 302 und eine I2C-Verstärkung 303. Die I2C-Einstellungen 302 werden im Allgemeinen festgelegt oder fest programmiert, wenn der Signalpfad 300 in ein Gerät, wie etwa einen MP3-Player, hineinkonstruiert wird. Die I2C-Einstellungen 302 können die Größe der Verstärkungsschritte, die einstellbare Verzögerung zwischen den zwei Verstärkungsregelungsanpassungen, Anpassungen an den Zeitraum/die Verzögerung für die dynamische Verstärkungsanpassung der Pegelerfassung und/oder eine Nulldurchgangserfassungsfreigabe umfassen, so dass Verstärkungsänderungen nur dann durchgeführt werden, wenn die Signalamplitude Null ist, um das Klicken und den Knall zu verhindern. Die I2C-Verstärkung 303 wird im Allgemeinen von dem Endbenutzer des Geräts geregelt, um eine gewünschte Verstärkung oder einen gewünschten Verstärkungspegel festzusetzen. Der dynamische Verstärkungsregler 320 regelt die Verstärkung der digitalen Verstärkung 320 und die Verstärkung der analogen Verstärkung 370. Wie oben im Einzelnen erörtert worden ist, maximiert der dynamische Verstärkungsregler 320 automatisch die Verstärkung der digitalen Verstärkung 330 so, dass eine spätere analoge Verstärkung minimal sein kann, während gleichzeitig auch das Kappen bzw. Clipping oder der Überlauf in dem digitalen Signal verhindert wird. Obwohl hier im allgemeinen Bezug auf die I2C-Regelung genommen wird, wird es dem Durchschnittsfachmann auf dem Gebiet, der den Nutzen aus der vorliegenden Offenbarung hat, ohne weiteres klar sein, dass eine große Anzahl von Möglichkeiten zur Regelung einer Verstärkungseinstellung zur Verfügung steht, die die analoge Verstärkungsregelung, fest programmierte Verstärkungsschritte oder dergleichen einschließt, ohne darauf beschränkt zu sein. Um der Kürze und der Klarheit willen wird hier I2C erörtert, da I2C ein industrieweit akzeptierter Standard für die Regelung ist.
Wie oben erörtert worden ist, ist die Manipulation der digitalen Verstärkung 330 ein digitaler Prozess, der durch Logikschaltungen, wie etwa einen digitalen Multiplizierer oder Schiebe- und Addierregister, durchgefuhrt wird. Die digitale Verstärkung 330 ist mit einem Sigma-Delta-DAW (ΣΔ) 350 gekoppelt. Überabtastende DAWs oder interpolierende DAWs, wie etwa der Sigma-Delta-DAW (ΣΔ) 350, haben mehrere Vorteile. Sigma-Delta-DAWs verwenden eine pulsgeformte Pulsdichtenumsetzungstechnik. Die Überabtasttechnik erlaubt intern die Verwendung eines DAW mit niedrigerer Auflösung. Oftmals wird ein einfacher 1-Bit-DAW gewählt, weil das überabgetastete Ergebnis inhärent linear ist. Der digitale Modulator umfasst eine Rückkopplung und eine Filterung, um den größten Teil des großen 1-Bit-Quantisierungsrauschens aus dem Audioband hinaus zu schieben. Dies führt zu einem effektiven Hochpassfilter, das auf das 1-Bit-Quantisierungsrauschen einwirkt, das von dem Sigma-Delta-DAW (ΣΔ) 350 verursacht wird, wodurch dieses Rauschen aus den unteren Frequenzen von Interesse hinaus in die hohen Frequenzen, die weniger von Interesse sind, geleitet wird, was Rauschformung genannt wird. Das Quantisierungsrauschen bei diesen hohen Frequenzen wird durch ein analoges Tiefpassfilter 360 entfernt oder stark abgeschwächt. Einige Ausführungsformen des Sigma-Delta-DAW (ΣΔ) 350 umfassen eine Tiefpassfilterfunktion als Teil des Blocks des Sigma-Delta-DAW 350 anstatt eines separaten/getrennten Blocks 360. Andere Ausführungsformen haben kein spezifisches Tiefpassfilter, wenn die Anwendung nicht empfindlich gegenüber dem großen bandexternen Rauschen ist. Meistens sind DAWs mit einer hohen Auflösung oder DAWs, die größer als 14 Bit sind, infolge ihrer hohen Linearität und niedrigen Kosten von dieser Art. Höhere Überabtastraten können die Spezifikationen des Ausgangs-Tiefpassfilters lockern und/oder eine weitere Unterdrückung von bandinternem Quantisierungsrauschen ermöglichen.
In einigen Ausführungsformen können mehrere Topologien höherer Ordnung (wie etwa MASH) verwendet werden, um höhere Grade an Rauschformung mit einer stabilen Topologie zu erhalten. Der Durchschnittsfachmann auf dem Gebiet, der den Nutzen aus der vorliegenden Offenbarung hat, wird mit der großen Vielfalt von zur Verfügung stehenden DAWs vertraut sein, und aus Gründen der Kürze und der Klarheit wird ein ausführlicher Betrieb von anderen Arten von DAWs in der vorliegenden Offenbarung weggelassen. Das Tiefpassfilter 360 ist mit der analogen Verstärkung 370 gekoppelt, die ebenfalls von dem dynamischen Verstärkungsregler 320 manipuliert wird. Wie oben im Einzelnen beschrieben ist, ist es vorteilhaft, dass die Verstärkung der analogen Verstärkung 370 so klein wie möglich ist, während die Benutzerverstärkung aufrecht erhalten wird, die von der I2C-Verstärkung 303 festgesetzt worden ist.
4 zeigt einen alternativen Digital-zu-Analog-Signalpfad 400, der einen Sigma-Delta-(ΣΔ)-DAW 440 aufweist, wobei der ΣΔ-DAW 440 ausführlicher gezeigt ist. Ein digitales Wiedergabesignal 401 wird von einem Clip-Limiter (Kappungs- bzw. Übersteuerungsbegrenzer) 430 und einem Signalpegeldetektor 410 empfangen, die beide ähnlichen Funktionen dienen, wie sie in 3 beschrieben worden sind, und nicht erneut im Einzelnen besprochen werden brauchen. Ein ΣΔ-DAW 440 empfängt das digitale Wiedergabesignal 441, das von dem Clip-Limiter 430 durch Clip-Limiting begrenzt worden ist. Der ΣΔ-DAW 440 weist einen Eingangsaddierer 441 auf, der den Eingang zusammen mit dem Ausgang einer Transferfunktion 442 addiert, die durch einen Rückkopplungspfad 447 zurückgeführt wird. In einigen Ausführungsformen besteht die Transferfunktion aus Integratoren und einem Komparator. Der Rückkopplungspfad weist eine Verstärkung 445 auf. Im Allgemeinen wandelt die Verstärkung 445 den 1-Bit-DAW-Ausgang 447 in einen skalierten Mehrfach-Bit-Ausgang 443 um. Durch das Reduzieren der Rückkopplungsverstärkung 445 wird das Ergebnis des Addierers 441 beeinflusst, und die digitale Ausgangsverstarkung des ΣΔ-DAW 440 wird erhöht. Außerdem wird das amplitudengeformte Rauschen des Ausgangs des ΣΔ-DAW 440 relativ zu dem Eingangssignalpegel reduziert. Dies führt dazu, dass es möglich ist, einen höheren Dynamikbereich aus einem ΣΔ-DAW-Modulator niedrigerer Ordnung zu erzielen. Der Clip-Pegel des Clip-Limiters 430 wird dynamisch geregelt, um zu gewährleisten, dass das Signal, das in den ΣΔ-DAW 440 eingeführt wird, den geeigneten maximalen Eingangspegel, wie er von der Rückkopplungsverstärkung 445 bestimmt worden ist, nicht überschreitet. Vorzugsweise wird jede Änderung der Verstärkung 445 allmählich, also stufenweise, durchgeführt, zum Beispiel durch einen Auf/Ab-Zähler, um jegliche Effekte von unmittelbaren Schritten zu verhindern, die negative Signalqualitätsauswirkungen haben könnten, wie etwa dass sie verursachen, dass sich die digitale Verstärkungseinstellung um eine minimale Einstellung herum schlingt. Wie angegeben worden ist, trägt die in 4 gezeigte Ausführungsform auch vorteilhaft zum Rauschformen bei. Wie allgemein bekannt ist, ist die Form bzw. die spektrale Dichte des Rauschens in dem ΣΔ-DAW 440 abhängig von der Schleifenverstärkung und kann als Folge davon auf einen gewünschten Pegel geregelt werden oder in die hohe Frequenz geschoben werden, indem die Verstärkung 445 geändert wird. Der Ausgang des ΣΔ-DAW 440 wird von einem Filter 450 gefiltert. Die analoge Verstärkung 460 wird von dem dynamischen Verstärkungsregler 420 in ähnlicher Weise geregelt. Die analoge Verstärkung 460 wird minimiert, während die digitale Verstärkung durch die Verstärkung 445 maximiert wird, um eine von einem Benutzer gelieferte Verstärkungseinstellung durch die I2C-Verstärkung 403 aufrecht zu erhalten. Wie oben erwähnt worden ist, ist die Verwendung von I2C für die Regelung der Verstärkung nicht so gedacht, dass sie auf irgendeine Weise beschränkend sein soll.
5 zeigt ein Verfahren zur Optimierung des Dynamikbereichs in einem Digital-zu-Analog-Signalpfad. In einem Schritt 510 wird ein digitaler Eingangspegel erfasst. Wie oben erörtert worden ist, kann der digitale Eingangspegel ein RMS-Pegel, ein Spitzenpegel oder irgendein anderer zweckmäßiger Pegel sein. In einem Schritt 520 wird eine Benutzerverstärkungseinstellung erfasst. Die Benutzerverstärkungseinstellung setzt eine Gesamtverstärkung oder in dem Fall von Audio eine Lautstärke für einen Digital-zu-Analog-Signalpfad fest. Die Benutzerverstärkungseinstellung kann in ein System hinein fest programmiert sein, wie zum Beispiel bei einem HF-Empfänger oder Modem; oder sie kann von einem Endbenutzer regelbar sein, wie etwa mit einem MP3-Player. Vorzugsweise werden die Schritte 510 und 520 gleichzeitig durchgeführt. In einem Schritt 530 wird eine digitale Verstärkungseinstellung eines frühen Pfades in einer digitalen Verstärkungsstufe entsprechend dem digitalen Eingangspegel und der Benutzerverstärkungseinstellung maximiert. Vorzugsweise ist die digitale Verstärkungsstufe bezüglich des Übersteuerns bzw. Clippings begrenzt (clip limited), damit es zu keinem Überlauf von irgendwelchen Registern in der digitalen Verstärkungsstufe kommt. In einigen Ausführungsformen wird die digitale Verstärkungseinstellung maximiert, indem die Schleifenverstärkung einer Rückkopplungsschleife eines Digital-Analog-Wandlers geändert wird. In einem Schritt 540 wird eine analoge Verstärkung eines späten Pfades minimiert, während die Benutzerverstärkungseinstellung aufrecht erhalten wird. Vorzugsweise werden die Schritte 530 und 540 gleichzeitig durchgeführt. Die Schritte 510 bis 540 werden kontinuierlich durchgeführt. Kurz gesagt, Kleinsignale erfahren eine hohe Verstärkung in dem digitalen Bereich, wo der höhere Signalpegel früh in dem Signalpfad ein verbessertes Signal-Rausch-Verhältnis von Rauschbeiträgen später in dem Pfad bereitstellt. Deshalb wird eine geringere analoge Verstärkung benötigt, um die gleiche gewünschte Gesamtverstärkung des Digital-zu-Analog-Signalpfads zu erzielen. Kleinsignale werden mit einer größeren Wiedergabetreue reproduziert, und als eine Folge davon gibt es einen größeren Gesamtbereich von Signalpegeln für den Digital-zu-Analog-Signalpfad, wodurch der Dynamikbereich beträchtlich vergrößert wird.
Während des Betriebs sind eine Schaltung und ein Verfahren zum Maximieren bzw. zur Optimierung des Dynamikbereichs eines Digital-zu-Analog-Signalpfads mit vernachlässigbaren Kosten bereitgestellt. Wie der Durchschnittsfachmann auf dem Gebiet, der den Nutzen aus der vorliegenden Offenbarung hat, erkennen wird, verursacht das Hinzufügen eines dynamischen Verstärkungsreglers und eines Pegeldetektors einen minimalen Energieverbrauch und diese befinden sich auf einem Halbleiterchip. Im Gegensatz dazu verließen sich Lösungen aus dem Stand der Technik auf einen High-End-DAW oder analoge Verstärkung und Verstärkungsmodule, die große Erhöhungen des Stroms und große Vergrößerungen der Halbleiterchipgröße benötigten, um Kleinsignale reproduzieren zu können, was inakzeptable Kosten in einem Industriezweig hinzufügte, in dem Bruchteile von Cents einen Unterschied zwischen Erfolg und Versagen auf dem Markt ausmachen. Die vorliegende Erfindung ist anhand von spezifischen Ausführungsformen beschrieben worden, die Einzelheiten enthalten, um das Verständnis der Prinzipien von Aufbau und Betrieb der Erfindung zu erleichtern. Die gezeigten spezifischen Konfigurationen und die Methodologien, die in Bezug auf die verschiedenen Module und die Querverbindungen zwischen diesen beschrieben worden sind, dienen lediglich als Beispiel. Solche Bezugnahmen hierin auf spezifische Ausführungsformen und Details davon sind nicht dafür gedacht, den Schutzumfang der hier angehängten Ansprüche zu beschränken. So sind zum Beispiel ΣΔ-DAWs detailliert beschrieben worden. Aber der Durchschnittsfachmann auf dem Gebiet, der den Nutzen aus der vorliegenden Offenbarung hat, wird ohne weiteres erkennen, dass mehrere Arten von DAWs verwendet werden können, von denen jeder verschiedene Möglichkeiten zur Manipulation einer digitalen Verstärkung hat. Des Weiteren ist es, obwohl die analoge Verstärkung oder die Lautstärke als ein diskretes Ausgangsmodul gezeigt worden ist, auch allgemein bekannt, dass einige DAWs integrierte analoge Ausgänge aufweisen, die Verstärkungseinstellungen haben, die manipuliert werden können. Und es sind auch Digital-zu-Analog-Audio-Wiedergabepfade erörtert worden. Aber die oben beschriebenen Schaltungen und Verfahren werden für jede Schaltung oder jedes System von Nutzen sein, die bzw. das einen Digital-zu-Analog-Signalpfad aufweist, bei dem der Dynamikbereich von Belang ist, wie etwa HF-Empfänger, Modems und dergleichen. Es wird auch klar sein, dass die Digital-zu-Analog-Signalpfade 200, 300 und 400 von 2, 3 und 4 jeweils in starkem Maße vereinfacht sind, um ihre bloßen Minimumkomponenten zu zeigen. Andere Komponenten können innerhalb der Signalpfade je nachdem, wie dies Anwendungen erfordern, implementiert werden, wie zum Beispiel Mischer, zusätzliche Verstärkungsstufen, eine Digitalsignalverarbeitung oder irgendwelche andere nützliche bekannte oder anwendungsspezifische Module. Alternativ dazu kann ein einziger DAW an mehrere analoge Verstärkungsstufen angeschlossen sein, wobei jede Stufe separat von einem dynamischen Verstärkungsregler geregelt wird. Es wird den Fachleuten auf dem Gebiet, die den Nutzen aus der vorliegenden Offenbarung haben, weiter klar sein, dass Modifikationen in der Ausführungsform, die zur Veranschaulichung ausgewählt worden ist, durchgeführt werden können, ohne dass von dem Erfindungsgedanken und dem Schutzumfang der Erfindung abgewichen wird.

Claims

Schaltung zum Maximieren des Dynamikbereichs in einem Digital-zu-Analog-Signalpfad, mit: a. einem Eingang zum Empfangen eines Eingangssignals; b. einer ersten Verstärkungsstufe, die mit dem Eingang gekoppelt ist, wobei die erste Verstärkungsstufe eine erste Verstärkungseinstellung aufweist; c. einer zweiten Verstärkungsstufe, die mit der ersten Verstärkungsstufe gekoppelt ist, wobei die zweite Verstärkungsstufe eine zweite Verstärkungseinstellung aufweist; d. einem Controller zum dynamischen Auswählen der ersten Verstärkungseinstellung, um die erste Verstärkungseinstellung zu maximieren, ohne dass das Eingangssignal gekappt bzw. geclippt wird, und zum Auswählen der zweiten Verstärkungseinstellung, um eine gewünschte Signalpfadverstärkung zu erzielen; und e. einem Ausgang, der mit der zweiten Verstärkungsstufe gekoppelt ist, um ein Ausgangssignal zu übertragen, das die gewünschte Gesamt-Signalpfad-Verstärkung aufweist.
Schaltung nach Anspruch 1, wobei die erste Verstärkungsstufe eine digitale Verstärkungsstufe aufweist und die erste Verstärkungseinstellung eine digitale Verstärkungseinstellung aufweist.
Schaltung nach Anspruch 1, wobei die erste Verstärkungsstufe einen Sigma-Delta-Digital-Analog-Wandler aufweist und die digitale Verstärkungseinstellung eine Rückkopplungsverstärkungsänderung des Digital-Analog-Wandlers aufweist.
Schaltung nach Anspruch 1, wobei die erste Verstärkungsstufe eine digitale Verstärkungsstufe aufweist, die dafür konfiguriert ist, die erste Verstärkungseinstellung durch das Modifizieren eines Rückkopplungswertes anzupassen.
Schaltung nach Anspruch 1, wobei die zweite Verstärkungsstufe eine analoge Verstärkungsstufe aufweist und die zweite Verstärkungseinstellung eine analoge Verstärkungseinstellung aufweist.
Schaltung nach Anspruch 1, wobei eine Nulldurchgangserfassung enthalten ist, um Verstärkungseinstellungen zu aktualisieren, wenn das transiente Signal nahe Null ist.
Schaltung nach Anspruch 1, die des Weiteren einen Eingangssignaldetektor zum Erfassen eines Pegels des Eingangssignals aufweist.
Schaltung nach Anspruch 7, wobei der Eingangssignaldetektor einen RMS-Pegeldetektor aufweist.
Schaltung nach Anspruch 7, wobei der Eingangssignaldetektor einen Spitzenpegeldetektor aufweist.
Schaltung nach Anspruch 7, wobei der Eingangssignaldetektor einen Durchschnittspegeldetektor aufweist.
Schaltung nach Anspruch 1, die des Weiteren eine Benutzerverstärkungsregelung aufweist.
Schaltung nach Anspruch 11, wobei die Benutzerverstärkungsregelung mit dem Controller gekoppelt ist.
Schaltung nach Anspruch 12, wobei der Controller des Weiteren dafür konfiguriert ist, die erste Verstärkungseinstellung, die zweite Verstärkungseinstellung oder sowohl die erste Verstärkungseinstellung als auch die zweite Verstärkungseinstellung entsprechend der Benutzerverstärkungsregelung anzupassen.
Schaltung nach Anspruch 1, wobei der Controller dafür konfiguriert ist, das Anlegen der zweiten Verstärkungseinstellung relativ zu dem Anlegen der ersten Verstärkungseinstellung zu verzögern, um Signalpfadverzögerungen zwischen der ersten Verstärkungsstufe und der zweiten Verstärkungsstufe auszugleichen.
Schaltung nach Anspruch 1, wobei der Controller des Weiteren dafür konfiguriert ist, die erste Verstärkungseinstellung und die zweite Verstärkungseinstellung nur dann anzupassen, wenn ein Eingangssignalpegel für einen spezifizierten Zeitraum unterhalb eines spezifizierten Schwellenwertes liegt.
Verfahren zum Maximieren des Dynamikbereichs in einem Digital-zu-Analog-Signalpfad, das Folgendes umfasst: a. Erfassen eines digitalen Eingangssignalpegels; b. Erfassen eines gewünschten Benutzerverstärkungspegels; c. Anlegen einer ersten Verstärkung an das digitale Eingangssignal; d. Umwandeln des digitalen Eingangssignals in ein analoges Signal; und e. Anlegen einer zweiten Verstärkung an das analoge Signal; f. wobei die erste Verstärkung und die zweite Verstärkung selektiv und invers entsprechend dem digitalen Eingangssignal manipuliert werden, während der gewünschte Benutzerverstärkungspegel aufrecht erhalten wird.
Verfahren nach Anspruch 16, wobei ein Nulldurchgang enthalten ist, um die Verstärkungseinstellungen zu aktualisieren, wenn das transiente Signal nahe Null ist.
Verfahren nach Anspruch 16, wobei das Anlegen einer ersten Verstärkung das Ändern einer Verstärkungseinstellung einer Rückkopplungsschleife in einem Sigma-Delta-Digital-Analog-Wandler umfasst.
Digital-zu-Analog-Signalpfad in einer integrierten Schaltung, wobei der Digital-zu-Analog-Signalpfad Folgendes aufweist: a. einen Eingang zum Empfangen eines digitalen Eingangssignals; b. einen Eingang zum Empfangen eines gewünschten Signalpfad-Verstärkungspegels; c. eine digitale Verstärkungsstufe zum Manipulieren des digitalen Verstärkungspegels des digitalen Eingangssignals; d. einen Digital-Analog-Wandler, der mit der digitalen Verstärkungsstufe gekoppelt ist, zum Umwandeln des manipulierten digitalen Eingangssignals in ein analoges Signal, das einen analogen Verstärkungspegel aufweist; e. eine analoge Verstärkungsstufe zum Manipulieren des analogen Verstärkungspegels des analogen Signals; f. einen dynamischen Verstärkungsregler zum selektiven Maximieren des digitalen Verstärkungspegels und Minimieren des analogen Verstärkungspegels entsprechend dem digitalen Signalpegel und während gleichzeitig der gewünschte Signalpfad-Verstärkungspegel aufrecht erhalten wird.
Digital-zu-Analog-Signalpfad in einer integrierten Schaltung, wobei der Digital-zu-Analog-Signalpfad Folgendes aufweist: a. einen Eingang zum Empfangen eines digitalen Eingangssignals; b. einen Eingang zum Empfangen eines gewünschten Signalpfad-Verstärkungspegels; c. einen Digital-Analog-Wandler, der mit der digitalen Verstärkungsstufe gekoppelt ist, zum Umwandeln des digitalen Eingangssignals in ein analoges Signal, das einen analogen Verstärkungspegel aufweist, wobei der Digital-Analog-Wandler einen digitalen Verstärkungspegel aufweist; d. eine analoge Verstärkungsstufe zum Manipulieren des analogen Verstärkungspegels des analogen Signals; e. einen dynamischen Verstärkungsregler zum selektiven Maximieren des digitalen Verstärkungspegels und Minimieren des analogen Verstärkungspegels entsprechend dem digitalen Verstärkungspegel und während gleichzeitig der gewünschte Ausgangsverstärkungspegel aufrecht erhalten wird.