FI96077C - Kytkentäjärjestely digitaalisen audiosignaaliprosessorin virtuaalisen dynamiikka-alueen laajentamiseksi - Google Patents

Description

96077

Kytkentäjärjestely digitaalisen audiosignaaliprosessorin virtuaalisen dynamiikka-alueen laajentamiseksi -Kretsarrangemang för utvidgning av det virtuella dynamik-omrädet av en digital audiosignalprocessor 5 Tämä keksintö koskee järjestelyä, jossa analoginen audiosignaali muutetaan A/D-muuntimella digitaaliseksi ennen sen 10 viemistä digitaaliseen signaaliprosessoriin (DSP) ja käsitelty signaali muutetaan sitten takaisin analogiseksi audiosignaaliksi D/A-muuntimella. Tämä järjestely on tavanomainen audiosovelluksissa, joissa äänilähteestä saatua audiosignaalia muokataan digitaalisen signaalinkäsittelyn kei-15 noin ennen sen viemistä kaiuttimelle.

D/A-muuntimen dynamiikka-alue DR määritetään suurimman lähtöarvon suhteena kohinatasoon (ei nollaan) ilmaistuna desibeleinä. Muuntimen käyttämä esitystarkkuus (kiinteän pilkun 20 muuntimessa bittien määrä) ilmoittaa lukualueen, joka teoriassa voidaan muuntimella kattaa. Se voidaan ilmaista kaavalla DR = 201og2n = 6,02 1 n, jossa n on resoluutiobittien lukumäärä. Kaavasta nähdään, että yhden bitin lisääminen parantaa dynamiikkaa 6 dB, jos oletamme järjestelmän olevan 25 kohinaton.

Nykyisten analogia/digitaali- ja digitaali/analogiamuuntimi-en teoreettinen dynamiikka-alue on 42-96 dB (8 bitin muunnin ja 16-bittinen muunnin) ja tämä dynamiikka on myös rajoitta-30 va tekijä mille tahansa digitaaliselle audiosignaalin käsittelyjärjestelmälle. Niinpä esim. 8-bittiselle muuntimelle : tuotavan signaalin dynamiikan on oltava pienempi kuin 42 dB, jottei muuntimessa tapahdu ylivuotoa. Itse signaaliprosessorin dynamiikka voi olla hyvin suuri, etenkin jos käytetään 35 liukuvan pilkun prosessoria. Kiinteän pilkun prosessorilla dynamiikka määräytyy edellä sanotun kaavan mukaan, mutta on tavallisesti muuntimen dynamiikkaa suurempi.

96077 2 Käytännössä dynamiikka-alueen rajallisuus aiheuttaa ongelmia silloin, kun sisääntulevan audiosignaalin taso voi olla suurempi kuin muuntimen dynamiikka-alue. Tällainen tilanne on esimerkiksi autoradiokäyttö. Hyvin pelkistetty käytetty so-5 vellus on kuvan 1 mukainen. Viitenumerolla 1 on esitetty audiosignaalilähdettä, joka voi olla mikä tahansa, esim. äänilevy, kasetti tms. Analoginen audiosignaali viedään voimakkuuden säätimeen 2, jossa se vaimennetaan sopivalle tasolle. Tämän jälkeen signaali viedään A/D-muuntimen 3 kautta 10 digitaaliselle audiosignaaliprosessorille 4, joka käsittelee signaalia halutulla tavalla. Prosessorilta signaali viedään D/A-muuntimen 5 kautta vahvistimelle 6, joka palauttaa ennen vaimenninta 2 vallinneen tason. Lopuksi signaali viedään te-hovahvistimen 7 kautta kaiuttimeen. Kuvattu kytkentä voisi 15 olla vaikka aktiivikauittimen syöttöpiiri, jossa muuntimet, vahvistin/vaimennin, signaaliprosessori ja tehovahvistin ovat kaiutinkotelon sisällä. On pantava merkille, että vaimennusta ja vahvistusta ohjataan signaalilähteestä käsin ja signaaliprosessori prosessoi signaalia siinä dynamiikka-alu-20 eessa, joka on A/D-muuntimen anto.

Oletetaan nyt kuvan 1 tapauksessa, että A/D- ja D/A-muunti-mien dynamiikka on 95 dB, joka olisi suurin dynamiikka, jota pystytään käsittelemään. Kun nyt halutaan vaimentaa signaa-25 lia 40 dB normaaliin kuuntelutasoon sopivaksi, huononee ää-nen laatu kahdesta tekijästä johtuen: 1. Signaaliprosessori aiheuttaa kohinaa, sillä maksimidyna-miikka-alue on pienentynyt vaimentamisen takia, ja on nyt vain 95 dB - 40 dB = 55 dB. Koska CT)-levylle tallennettu 30 ääni käyttää suhteellisen harvoin kahta eniten merkitsevää bittiä käytettävissä olevista 16 bitistä, on CD-tallenteen • toistossa esimerkkitapauksessa muuntimelle tulevan hyödylli sen signaalin todellinen dynamiikka-alue suunnilleen 55 dB -(2*6 dB)» 43 dB. Jos audiosignaalia vaimennetaan enemmän 35 kuin 40 dB, pienenee todellinen dynamiikka-alue entisestään.

2. Pieneen hyötydynamiikkaan liittyy riittämätön signaali/ kohinasuhde. Tämä on sidoksissa ensimmäiseen tekijään. Kuunneltaessa äänilähdettä kotona ja myös autossa on 43 dB:n 96077 3 dynamiikka-alue liian pieni. A/D-muuntimen 3 ja D/A-muunti-men 5 muunnoksien aiheuttama kohina lisätään audiosignaaliin vaimentimessa 2 suoritetun äänenvoimakkuuden säädön jälkeen, jolloin muuntimen/kanavan pohjakohina on 43 dB:n tasolla 5 kuultavissa. Myös kvantisointiportaan suhteellinen koko kasvaa, koska vain osa muuntimessa käytettävissä olevista biteistä on käytössä. Esimerkiksi 16-bittinen bipolaarimuunnin antaa teoreettisesti kvantisointiaskeleeksi 1/215. Koska tässä esimerkkitapauksessa on tehollisesti käytettävissä vain 8 10 bittiä 16:sta, tulee kvantisointiaskeleeksi 1/27. Näin suuren kvantisointiaskeleen aiheuttama kohina on käytännössä korvin kuultavissa.

Periaatteessa esitetyt haitat voidaan poistaa valitsemalla 15 toisen tyyppinen muunnin tai suurempibittinen muunnin. Käytännössä tämä ei kuitenkaan auta, sillä osittain digitaalisissa järjestelmissä, kuten tämä esimerkkitapauskin on, aiheuttaa pohjakohina omat rajoituksensa. Lisäksi yli 16 bitin muuntimia ei tekniikan nykytasolla ole mahdollista käyttää 20 niiden teknisen vaativuuden ja korkean hinnan takia.

Tämän keksinnön tavoitteena on saada aikaan kytkentä, jolla ei ole edellä esitetyn tunnetun kytkennän haittoja, vaan jolla muuntimen koko dynamiikka-alue voidaan käyttää täysin 25 hyväksi ja näin parantaa oleellisesti järjestelmän kokonaissuoritus tasoa .

Tavoite saavutetaan patenttivaatimuksen 1 mukaisesti siten, että A/D-muuntimelle tulevaa signaalia ja D/A-muuntimelta 30 lähtevää ulostulosignaalia säädetään DSP:n ohjaamilla säätö-elimillä siten, että ennen A/D-muunninta olevalla tasonsää-töelimellä muuntimelle tuleva signaali vahvistetaan käyttämään hyväkseen muuntimen koko dynamiikka-alue ja D/A-muunti-men jälkeen olevaa toista tasonsäätöelintä käyttäen läh-35 tösignaali säädetään tasolle, joka vallitsi ennen ensimmäistä säätöelintä. Näin järjestelmän kokonaisvahvistus on 1.0, ja samalla signaalin hyötydynamiikka, joka tavallisesti on 96077 4 varsin paljon pienempi kuin maksimidynamiikka, on sovitettu optimaalisella tavalla muuntimen hyötydynamiikkaan.

Keksinnössä käytetään hyväksi sitä, että digitaalinen audio-5 signaaliprosessori suorittaa signaalin säädön. Prosessori päättelee A/D-muuntimelta tulevasta signaalista, onko koko dynamiikka-alue käytetty, ja säätää tasonsäätöelimiä sen mukaan. Tasonsäätöelimenä voi olla resistiivisesti takaisinkytketty operaatiovahvistin, jonka vahvistusta voidaan sää-10 tää DSP:n ohjaamalla vastusverkolla. Toisen tasonsäätöelimen ohjauspiiriin kuuluu viive-elin, jonka viive vastaa sitä aikaa, joka kuluu signaalin etenemiseen A/D-muuntimelta D/A-muuntimelle, jolloin vahvistus sisääntulossa ja vaimennus ulostulossa tehdään samalle signaaliosalle.

15

Keksintöä selostetaan oheisten esimerkinluonteisten kaaviollisten kuvien avulla, joissa kuva l esittää tekniikan tason mukaista järjestelyä, kuva 2 esittää keksinnön mukaisen järjestelyn periaatetta, 20 kuva 3 kuvaa erästä vaimennin/vahvistinkytkentää, kuva 4 esittää erästä mahdollisuutta säädettäväksi vastukseksi.

Kuvan 1 järjestelyä selostettiin jo edellä. Kuvan 2 järjes-25 tely muistuttaa suuresti kuvan 1 järjestelyä. Audiosignaali-lähteestä 21, esim. CD-soittimesta, saatava signaali viedään säädettävälle vahvistimelle 22. Siinä signaaliprosessorilta saatavan ohjauksen mukaan vahvistusta nostetaan tai lasketaan siten, että A/D-muuntimelle 23 tuotavan signaalin taso 30 on lähellä muuntimen maksimiottojännitettä mutta amplitudi ei kuitenkaan ylitä sitä. Tällöin analogia-digitaalimuunnok-‘ sen dynamiikka-alue on maksimaalisesti käytettävissä. Muun timen muuntama digitaalisignaali viedään nyt digitaaliselle signaaliprosessorille 24, joka muokkaa signaalia halutulla 35 tavalla. Prosessorilta 24 muokattu signaali viedään DA-muun-timelle 25, joka muuntaa signaalin analogiasignaaliksi. Tälläkin muuntimella on nyt käytössään maksimidynamiikka-alue. Tämän jälkeen signaali viedään toiselle säädettävälle vah- 5 960/ 7 vistimelle 26, joka vahvistaa tai vaimentaa DSP:n 24 ohjaamana signaalia niin, että sen voimakkuus vahvistimen jälkeen on sama kuin ennen vahvistinta 22. Lopuksi saatu signaali voidaan vahvistaa tehovahvistimessa 27 ennen sen viemistä 5 kaiuttimelle..

Signaaliprosessori 24 ohjaa kummankin säädettävän vahvistimen vahvistusta/vaimennusta säätölinjan "gain control" kautta. Säätödata voi olla molemmille vahvistimille sama kunhan 10 vain toiselle vahvistimelle 26 vietävä data tulkitaan vah vistimessa negaatiokseen eli jos "gain control" on esim. -10 dB, merkitsee se, että vahvistin 22 vaimentaa audiosignaalia tämän verran ja toinen vahvistin 26 vastaavasti vahvistaa samalla määrällä. Koska signaalin eteneminen vahvistimien 22 15 ja 26 välillä vaatii tietyn ajan, on vahvistimelle 26 menevään haaraan lisättävä viive-elin 28, joka viivästää sää-tösignaalia saman ajan. Tällöin vahvistimen 26 vahvistus tai vaimennus kohdistuu samaan signaalijaksoon kuin vahvistimen 22 vastaavat operaatiot. Viive on vakio, sillä signaali-20 prosessorin ja muuntimen aiheuttama viive on vakio. Tämän viiveen tulee olla suuruudeltaan näytteenottojakson monikerta.

Vahvistinten säädölle asetettavat vaatimukset ovat suuret.

25 Kun mihin tahansa digitaaliseen signaalinkäsittelyjärjestelmään (tai mihin tahansa lineaariseen järjestelmään) tulevan signaalin taso muuttuu äkillisesti, aiheuttaa se itse järjestelmässä vasteen nousun. Tätä voidaan mallintaa siten, että alkuperäiseen signaaliin superponoidaan askelsignaali.

30 Askelmainen muutos tulosignaalin amplitudissa aiheuttaa ulostulossa askelvasteen, joka superponoituu hyötysignaa-liin. Koska tämä askelvaste voi olla selvästi kuultavissa, täytyy signaalin amplitudin askelmuutos tehdä niin pieneksi kuin mahdollista, jotta sen häiritsevyys minimoituu. Jos 35 hyötysignaalin tavanomainen dynamiikka mahtuu käytetyn muuntimen dynamiikka-alueeseen, ei vaihtoja tarvita, vaan kerran oikein optimoitu tulotaso voidaan pitää vakiona, eikä askel-muutosten aiheuttamaa haittaa ole.

6 96U?/

Jos tähän ei voida päästä, täytyy vahvistimen säädössä olla suuri määrä mahdollisia vahvistus-/vaimennusarvoja, jottei kuuntelija huomaa vahvistuksen muutosta. Tämän vuoksi on useista vastuksista koostuva vastusverkko sopiva, sillä sen 5 kokonaisresistanssia voidaan säätää niin, että pienellä vastusverkolla saadaan aikaan huomattavan suuri määrä vas-tusarvoja, jolloin peräkkäisten vastusarvojen suuruus saadaan pieneksi.

10 Edullisen suoritusmuodon mukaan käytetään kuvan 3 mukaista vaimennin-/vahvistinkytkentää. Se käsittää vastuksella 33 takaisinkytketyn operaatiovahvistimen 31, jonka invertoivaan napaan tuodaan säädettävän vastuksen 32 kautta tulosignaali Vin. Tunnetulla tavalla lähtöjännite Vout määräytyy vastusten 15 33 ja 32 suhteesta. Kytkentä voi olla tietenkin mikä tahansa muukin tunnettu, edellytys on vain se, että lähtöjännite määräytyy esitetyn tyyppisestä vastussuhteesta. Vastus 32 on samansuuruisista vastuksista konstruoitu tikapuuverkko.

Verkko on edullisesti samantyyppinen kuin mitä on käytetty 20 nykyisten A/D- ja D/A-muunninpiirien sisällä.

Eräs ehdotus vastusverkoksi on esitetty kuvassa 4. Tikapuu-verkkoon voidaan kytkeä lisää vastuksia tai poistaa siitä elektronisten kytkimien a-f avulla, jolloin verkon kokonais-25 resistanssia ja siten vastuksen 32 arvoa voidaan pienin por-·. tain muuttaa, jolloin verkon lähtöjännite Vout voidaan pitää lähes vakiona tulojännitteen Vin vastaavasti muuttuessa. Kytkimiä a-f ohjaa signaaliprosessorilta 24 saatu digitaalinen ohjaussignaali. Ohjaussignaalin bittimäärä voidaan vapaasti 30 valita ja mitä enemmän on bittejä, sitä suurempi vastuksen 32 asettelutarkkuus saavutetaan. Valmistuksellisesti verkko on edullinen, koska ei tarvitse saada aikaan tarkkoja absoluuttisia vastusarvoja vaan vain suhteellisten arvojen on oltava tarkat.

Signaaliprosessorin täytyy säätää vahvistimien 22 ja 26 vai-mennusta/vahvistusta. Tämän suorittamiseksi sen on arvioitava tuleva audiosignaali. Tällöin vahvistus ja vastaava 35 7 960// vaimennus voidaan säätää optimoiden muuntimien dynamiikka-alue ja minimoiden DSP:n tuottama kohina ja maksimoiden signaali -/kohinatasosuhde. Vahvistusta/vaimennusta säädetään portaittain verkon vastus kerrallaan, jottei muutos olisi 5 kuultavissa.

Mikäli tulevan signaalin amplitudiarvo ylittää muuntimen senhetkisen dynamiikka-alueen, aiheutuu signaalin leikkautumisesta säröä. Jos vaimennus/vahvistusparametrit on sää-10 detty sopivasti, rajoittuu säröytyminen ensimmäiseen tran sienttiin ja särön määrä minimoituu. Usein on käytännössä mahdollista myös löytää vahvistusarvo, jolla leikkaantumista ei lainkaan tapahdu. Voidaan myös käyttää ennustavia menetelmiä dynamiikan optimointiin siten, että särön määrä mini-15 moituu.

Oletetaan, että kuvan 2 järjestelmään tulevaa signaalia on vaimennettu vaimentimessa 22 määrällä 30 dB. Kun vahvistimessa 26 sitä vahvistetaan samalla määrällä, ei signaali voi 20 ylittää A/D-muuntimen 23 jännitealuetta. Kun signaalin keskimääräinen amplitudi pienenee, adaptoituvat vahvistimet 23 ja 25 tähän muutokseen. Kun vaimennusta/vahvistusta muutetaan, ei tulevan signaalin kohinan (esim. äänitteeseen sisältyvän kohinan) määrä muutu, mutta DSP:n ja muuntimien 25 aiheuttama kohina on alentunut minimiin.

Vaimennin/vahvistimen 23 ja 26 oma signaali/kohinasuhde voi olla tietyissä tapauksissa rajoittava tekijä. Sen tulee olla kyllin suuri, jotta se kattaisi sekä tarvittavan säätöalueen 30 että DSP:n dynamiikka-alueen. Aikaisemman esimerkin mukaan otaksumme, että vahvistuksen säätö on 40 dB ja DSP:n dynamiikka-alue on 95 dB. Tällöin vaimennin/vahvistimen 23 ja 26 • * dynamiikan on oltava 95 dB + 40 dB = 135 dB, jottei se olisi järjestelmän dynamiikan rajoittava tekijä. Tämä on teknises-35 ti saavutettavissa.

Keksinnön ratkaisulla on monia etuja. Se on helposti sovellettavissa nykyisiin DSPtllä toteuttuihin audiosignaalin 8 950 ΊΊ muokkausjärjestelmiin. Vain vähäisiä ohjelmalisäyksiä tarvitsee tehdä prosessoriin. Säädettävän vastuksen sopiva valmistustekniikka on jo tunnettu nykyisistä A/D / D/A-muunti-mista, joissa käytetään integroitua vastusverkkoa. Vastuksen 5 asettelutarkkuutta voidaan parantaa lisäämällä DSP:ltä tulevan ohjauksen bittien lukumäärää, jolloin tosin tikapuuver-kon koko kasvaa jonkin verran. On tärkeää, että keksinnön avulla voidaan käyttää halvempia pienempibittisiä muuntimia lopputuloksen kuullostaessa kuitenkin samalta kuin jos se 10 olisi tuotettu käyttäen suurempibittistä muunninta.

Keksinnön käytännön ratkaisu voidaan toteuttaa eri tavoin pysyen patenttivaatimusten suojapiirissä. Olennaista on vain se, että vaimenninta/vahvistinta ohjaa itse signaaliproses-15 sori ja vaimennin/vahvistimessa käytetään digitaalisesti säädettävää vastusta esim. tikapuuverkkoa.

Esitettyä järjestelmää on kokeiltu 8-bittisen muuntimen kanssa ja todettu, että perinteisellä tavalla tällaista 20 muunninta käytettäessä syntyvä selvästi kuultava kvantisoin-tikohina on hävinnyt niin, että CD-äänitettä kuunneltaessa lopputulos kuulostaa aivan samalta kuin 16-bittistä muunninta käytettäessä tuotettu alkuperäinen 16-bittinen CD-äänite.

il m i nm i i i h

Claims (8)

96077 9

1. Kytkentä, jossa analoginen audiosignaali muutetaan tietyn dynamiikka-alueen omaavalla A/D-muuntimella (23) digitaaliseksi, digitaalinen signaali viedään digitaaliseen au- 5 diosignaaliprosessoriin DSP (24), josta saatu muokattu signaali muunnetaan D/A-muuntimellä (25) muunnetuksi analogiseksi audiosignaaliksi, ja jossa A/D-muuntimen (23) edessä on signaalitiellä ensimmäinen ohjattava säätöelin (22) ja D/A-muuntimen (25) jälkeen on signaalitiellä toinen ohjatta-10 va säätöelin (26), tunnettu siitä, että - audiosignaaliprosessorilta DSP (24) on ohjausyhteys (GAIN CONTROL) ensimmäiselle ja toiselle säätöelimelle (22, 26), - audiosignaaliprosessorissa DSP (24) on välineet A/D-muun-timelta (23) tulevan signaalin vertaamiseksi A/D-muuntimen 15 dynamiikka-alueeseen ja digitaalisen ohjauksen antamiseksi vertailun perusteella ensimmäiselle (22) ja toiselle (26) säätöelimelle, - ensimmäinen säätöelin (22) muuttaa audiosignaaliprosessorilta (24) tulevan digitaalisen ohjauksen mukaan audiosig- 20 naalin dynamiikka-aluetta niin, että se on likimain sama kuin A/D-muuntimen (23) dynamiikka-alue, ja - toinen säätöelin (26) muuttaa audiosignaaliprosessorilta (24) tulevan digitaalisen ohjauksen mukaan audiosignaalin dynamiikka-aluetta niin, että se on sama kuin tämän au- 25 diosignaalin dynamiikka-alue ennen ensimmäistä säätöelintä (22).

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen kytkentä, tunnet -t u siitä, että toinen säätöelin (26) muuttaa audiosignaa-

30 Iin dynamiikka-aluetta samalla määrällä mutta päinvastaiseen suuntaan kuin ensimmäinen säätöelin (22) ja että toisen sää- . töelimen ohjaus tuodaan ensimmäisen elimen ohjaukseen nähden • ( viivästettynä ajalla, joka vastaa audiosignaalin kulkuaikaa A/D-muuntimen (22) tulosta D/A-muuntimen (25) lähtöön. 35

3. Patenttivaatimuksen 1 mukainen kytkentä, tunnet -t u siitä, että ensimmäiseen ja toiseen säätöelimeen sisäl- : tyy säädettävä resistanssi (32), jonka resistanssin muutos 10 96077 on askelmainen ja kummankin säätöelimen (22, 26) lähtöjännite muuttuu verrannollisena säädettävän resistanssin muutokseen.

4. Patenttivaatimuksen 3 mukainen kytkentä, tunnet - t u siitä, että säädettävä resistanssi muodostuu tikapuu-verkosta, jonka kaikki resistanssit ovat samansuuruiset ja jossa verkkoon mukaanotettavien resistanssien lukumäärä valitaan digitaalisella ohjauksella. 10

5. Patenttivaatimuksen 4 mukainen kytkentä, tunnet -t u siitä, että digitaaliohjaus on rinnakkaismuotoinen ja kukin ohjausbitti vaikuttaa puolijohdekytkimen hilalla, joka kytkin kytkee siihen liitetyt resistanssit verkkoon tai sii- 15 tä irti.

6. Patenttivaatimuksen 3 mukainen kytkentä, tunnet -t u siitä, että ensimmäinen ja toinen säätöelin muodostuu resistiivisesti takaisinkytketystä operaatiovahvistimesta 20 (31), jossa tulosignaali viedään vahvistimeen säädettävän resistanssin (32) kautta.

7. Patenttivaatimuksen 2 mukainen kytkentä, tunnet -t u siitä, että dynamiikan säätämiseen käytetään ennustavaa 25 algoritmia. •

8. Patenttivaatimuksen 2 mukainen kytkentä, tunnet -t u siitä, että dynamiikan säätämiseen käytetään menetelmää, jolla pyritään menneen tiedon perusteella minimoimaan vah- 30 vistuksen säätämisen aiheuttamaa häiriötä. . Patentkrav