TW517462B - Oversampling DAC with variable sampling rate - Google Patents

Description

517462 五、發明說明（1) [發明之技術領域] 本發明係關於過取樣數位類比轉換器，特別是關於在 數位低通濾波器與調變器（Modulator)之間具有資料緩衝 電路之可變取樣頻率的過取樣數位類比轉換器。 [習知技術] 圖1所示為典型的過取樣數位類比轉換器 (Oversampling Digital-to-Analog C0nverter)之架構。 輸入#號經過升頻态（expander ) 1 1、數位低通渡波= (digital low-pass filter)12 ’ 產生過取樣數^ 信° 號。 此一過取樣數位信號，經由調變器13轉換為位元數較^ 的數位信冑’例如單-位S之數位信號。此_位元數較低 的數位信號，其頻率成分除原先輸入信號的頻 - ^外加入了調變器丨3轉換所產生的高頻雜訊。調變器^所 Ϊ出ft = t I,再經由數位類比轉換器1 4轉換為類比信 二L :唬，經由低通濾波器15濾除先前調變器13 沪(a d·气的 '頻雜訊，即產生類比輸出信號。以音頻訊 =dl° :哪川應用為例，若輸人信號之取樣頻率fs = 48〇Z ,則可使用64倍過取樣 又 64fs = 3. 072MHz的數位作缺。扣山_座生過取樣頻率為 器 13 後’產生3. " : Sigma 調變 外，另外辦率成分除原先輸入信號的頻率成分 作頻率為二72MH: :、： ： ： ： ：Deita- ㈣調變器的工 口此每些雜訊絕大多數分布在20〇z 517462 五、發明說明（2) 以上的頻帶。經由單一位元數位類比轉換器產生類比信號 之後，再經由低通濾波器1 5，濾除2 Ο Κ Η z以上的雜訊，即 得到類比音訊輸出。因此，系統的時脈MCLK可以使用64 fs = 3. 〇72ΜΗζ 之頻率。 但是，當系統的輸入信號並非固定之單 (例如4 8 Κ Η z )，而是必須操作在某些取樣頻率f s時，例如 必須能夠支援48ΚΗζ、44·1ΚΗζ、36KHz、24KHz、 22· 〇5KHz 、 16KHz 、 12KHz 、 11·〇25KHz 、 8KHz 等不同的取 樣頻率，最直接的方式是改變系統的時脈頻率。例如，當 系統輸入信號的取樣頻率fs為48ΚΗζ時，系統的時脈MCLK 之頻率可操作在64fs = 3.〇72MHz ;而當系統輸入信號的取 樣1率改為原先的四分之一（即fs = 12KHz )時，此時系統 的日寸脈MCLK之頻率亦改用原先系統時脈頻率的四分之一 =即\68KHz)。此一方法的優點，在於使用完全相同的架 妙要用不同的系統時脈，即可面對不同的取樣頻率。 二=二5點是，隨著系統時脈之頻率降低，De：lta— Sigma 頻率亦隨之降低，將使得噪音變大。以音頻信 1列人耳所能聽見的頻帶約在20ΚΗζ以下。在fs 倍過取樣倍率，以及二階一 t 二-: 分的噪音都會分佈在20KHz以上’例如圖 之哗音ΐ率^2ia)中，曲線U為Delta- Sigma調變器產生 而’當i 布2而曲線L2為輸入信號之頻率分布。然 三分二1=時，若直接將系統的時脈頻率設為原先的 F刀的术音將會分佈在20/3 KHz =

517462 五、發明說明（3) 以上，而6.6KHZ至2〇ΚΗζ這一頻帶的噪音，是人耳聽得到 的:例如圖2(b)所示。圖2(b)中，曲線以紙⑴一 Sigma 调變器產生之噪音頻率分布，而曲線[4為輸入信號之頻率 分布。 為了改進取樣頻率fs較低時，噪音較大的問題，習知 技術中，提供三種改善的方法。 第種方法疋提咼過取樣頻率。例如，將過取樣頻率 提高至384fs，則在fs = 8KHz時，過取樣頻率仍有 、 3 · 0 7 2 Μ Η z，經由調變器韓拖夕你 ^ 〇Γ\ να j文的得谀之後，在20KHZ以内的嗓音仍 維持原來的大小。該方法之缺@μ +、風& ^力次之缺點在過取樣頻率太高，增加

電路設計的困難度，其成品將祐田一 + AA 八风口口將使用較大的面積，消耗較大 的功率。 第二種方法是使用高階的钢纟致装/b # β ㈣1门U的凋變益取代二階的調變器。 使用冋P白的调變盗可以將低頻聲音壓至更 之：該調變器:!噪音移至頻率更高的頻帶。例如使 個咼階的㈣益’ 系統操作在fs=48KHz時，此 產生的噪音’絕大部分落在120KHz以上 ° :

操作在fs = 8KHz時，在20ΚΗΖ以内的“立旦 J而田糸統 時，在12〇ΚΗζ以内的噪音，因1的:^里，專於fS = 48KHZ 時，噪音仍舊在合理的水準内。今頻率較低 調變器之複雜度遠較二階的調變器高出許多點= 將使用較大的面積，消耗較大的功率。 八成。Q同樣 第三種方法是使用控制電路，例如中 (Central Processor)，針對兀 n 从仏 口口 十對不同的取樣頻率fs，設定不

第7頁 五、發明說明（4) 同的過取樣倍率 使得調變器總是 的噪音便不會因 個方法的缺點有 外，為了使同一 對應不同倍率， 施方式，勢必限 要中央處理器。 入信號，會有相 袼式標準，其取 率’則會出現硬 。虽取樣頻率愈低時，過取樣倍 工作在某個頻率以上。如此，μ '/， 為調變器的工作頻率過低而變得過大。内 二：一是需要增加額外的控制電路。這 電路能夠設定不同的過取樣倍率，並且 的f通渡波器。因此，電路的* :在某些較耗費硬體面積的方式，例如： =—缺點是對於未設定到取樣頻率『^ 樣頻率f為上、f :“界疋義出新的資料 體相容性的問題。 】的取樣頰 [發明概要] 有蓉於上述問題，本發 控制電路之可變取樣 ^ 叙疋鍉出—種不需額$ 本發明之另-目:ί:;取樣數位類比轉換器。 定之可變取樣頻率的一種調變器的工作頻率固 本發明之再3 =數位類比轉換器。 定，且升頻器之升頻倍^曰ί —種調變器之工作頻率固 位類比轉換器。 、疋之可變取樣頻率的過取樣數 為達成上述目的，士 類比轉換器包含— 5明可變取樣頻率的過取樣數位 衝器、一調變器、—盤' ，數位低通濾波器、一資料緩 波器。升頻器係將輪入二J比轉換器、以及-類比低通濾 翰入枱唬以固定倍率Μ升頻，產生過取 517462

樣信號 除，並 器，係 方式讀 低之數 成一類 分濾除 資 換。因 樣數位 保雜訊 ’致位低通濾波器， 將其輪出信號以第一 以=第二速率，以先 取貪料緩衝器之資料 位信號；數位類比轉 比訊號；類比低通濾 ’產生輪出訊號。 料緩衝器的作用為達 此’由於調變器之工 類比轉換器不管輸入 不會存在於低頻範圍 係將過取樣信 速率寫入資料 進先出（first ，並進行調變 換器，將調變 波器，係將類 成工作時脈非 作時脈的頻率 信號之取樣頻 号虎之高頻成分濾 緩衝器；調變 ΐ n first out) 後產生位元數較 之輸出信號轉換 比訊號之高頻成 同步之資料轉 皆固定，該過取 率為何，皆可確 [實施例] 可變取樣頻率的過取樣 以下參考圖式詳細說明本發明 數位類比轉換器。 圖3所示為本發明可變取樣頻率的過取樣數 換器的架構圖。太私日/ i 員比轉 十偁口本务明過取樣數位類比轉換器30包含一升 頻益31、一數位低通濾波器32、一資料緩衝器33、一

Delta-Sigma調變器34、一數位類比轉換器35、以及一 比低通濾波器3 6。 貝 +升頻器31接收取樣頻率為匕之數位輸入信號，例 位聲音訊號（Audio)，並將該數位輸入信號之頻率提昇M倍 而產生過取樣信號。亦即，該升頻器3〗在每兩個數位輸又 信號之間插入Μ-1個數值為〇的資料。因此，該過取樣信號 517462 五、發明說明（6) 的頻率為fs*M。此處Μ必須為一整數，其值固定，與輸入 信號之取樣頻率無關。以Μ = 6 4為例，若輸入信號之取樣頻 率fs為48ΚΗζ，則過取樣信號之頻率為3·072ΜΗζ。而若輸 入信號之取樣頻率fsS8KHz，則過取樣信號之頻率變為 5 1 2KHz。由於升頻器3 1的架構與功能與習知的升頻器之架 構與功能相同，不再重複說明。 升頻器3 1所產生之過取樣信號係插入複數個數值為〇 的資料，因此過取樣信號包含不需要之高頻成分，故本發 明過取樣數位類比轉換器3 0利用數位低通濾波器3 2濾除過 取樣信號之高頻成分。數位低通濾波器32接收過取樣信號 後’將該過取樣信號的較高頻成分濾除，保持所需要之較 低頻成分，並產生第一過濾信號。該數位低通濾波器3 2可 由數位資料處理技術實施，且其架構與功能與習知的數位 低通濾波器之架構與功能相同，不再重複說明。 由於本糸統輸入仏说之取樣頻率fs可變，因此升頻 3j所輸出的過取樣信號之頻率、與數位低通濾波器3 2之資 =輸出速率亦相對改變。若將升頻倍率設定為64，當輸入 仏唬之取樣頻率乙為48〇2，則過取樣信號之頻率為 = = MHZ，同時數位低通渡波器32之資料輪出速率亦 072MHz。若取樣頻率fs改為原先的四分之即乙 率變為768KHz ’同時5數位低通 H32之貧料輸出速率亦為768KHz，亦即原先的四分之 本發明過取樣數位類比轉換器3 〇利用—f料緩衝器3 3

第10頁 517462 五、發明說明（7) 達成工作時脈非同 一速率將數位資料寫=it轉換。數位低通濾、波器32以第 變器34則以第二速1枓緩衝器33，而Delta —Sig㈣調 中，率從貢料緩衝器33讀取資料。本實施例 τ 貝抖緩衝器3 3可揼用杰、社+… ^ FIFO)緩衝器，复每用先進先出（First In First Out， f Hn一门、/、貝知方式可採用多個D-正反器（D 以雙埠二是採用暫存器組（ReSister Files) ’或是 遽波口2，e + port RAM)完成。數位低通 n 1+ Q.於本貝鈿例中，其輪出速率不大於 周變器3\之讀取速率，亦即第一速率不大於 η 1+ \ ' *此’當貢料緩衝器33的資料已被讀完，而 二調變器34請求讀取下-筆資料時，則資料緩 衝為3 3持續送出最後一筆資料。 例如，當升頻倍率為64且輸入資料之取樣頻率匕為 44·1ΚΗζ時，過取樣信號之頻率為2.8224MHz，且數位低通 遽波器32將以[速率輸出f料至資料緩衝口3。若一 Delta-Sigma調變器34之資料輸入速率（第二速率）固定為 3.072 MHz，則 Delta-Sigma 調變器 34 將以 3〇72MHz 的速率 自f料緩衝器33讀出資料，如此便達成了工作時脈非同步 之資料轉換。由於資料寫入之速率低於讀出之速率，因 此，當Delta-Sigma調變器34請求讀取資料，而資料緩衝 器3 3之資料已被讀完時，則持續送出最後一筆資料。 倘若輸入資料之取樣頻率改變，則雖然第一速率隨之改 變，然而Del ta-Sigma調變器34自資料缓衝器33讀出資料 之速率（第二速率）為固定值。例如，當輸入資料之取樣頻

517462 五、發明說明（8) _ 率fs改採32KHz時，雖然數位低通濾波器32之資 率變為2.048MHz，但DeUa-Sigma調變器34仍舊以翰出速 3· 0 72MHz的速率自資料緩衝器33讀出資料。因此， 入信號之取樣頻率如何改變，De；Ua —Sigma調變器 吕剧 以固定之第二速率讀取資料緩衝器33的資料。如此，=口。 將Delta-Si gma調變器34自資料緩衝器讀取資料之產^ =適當值，由Delta-Sigma調變器34所產生之噪音則不: 洛f人耳聽的見的範圍。例如Delta —s㈣ 、: 取資料的速率設定為3. _Hz，則僅需利用—J之讀 Del ta-Sigma調變器即不會產生2〇](112以内之噪音了白之 3?: 轉換器3(^Delta_Sigma 調變器 樣數位類比轉換二對與=通遽波器36均與習知取 以η :Γ 對兀件相同’不再重複說明。 本發明過取樣數位類比轉換方法。哕數# _ 比轉換方法包含下列步驟： 符俠乃次4數位類 過取驟兮：：一輸入信號以固定倍《升頻，產生 率改變固疋倍率u不會因為輸入信號之取樣頻 成分數：ί ^驟、;：以數,方式濾除過取樣信號的高頻 以ί:取d入r號，取樣頻#，例如該第-速率可 ^ 、丰fs與固定倍率Μ之乘積。 資料調變步驟.於 ^ 、 料，並將資料H 以一苐二速率從資料緩衝器讀取資 枓肩变成較低位元之資料，例如調變成單一位 第12頁 517462 、發明說明（9) 元之資料。筮-、太+ 年一逮率為固定值，且不會隨著取樣頻率fs改 變而改變。繁—、土 b ^ ^ A 乐一速率可選擇適當之大小，使調變後之頻帶 不kS 2〇KHz的噪音，例如3· 0 72MHz的速率。 、

數位類士姑U 咕 | 轉換步驟：將調變後之資料轉換成類比訊 .. 、 的位元數較低，因此較易實施數位類比轉 換。 Μ 輸出Ϊ Ϊ過遽步驟：係將類比訊號之高頻成分濾除，產生 ^ &由!^本發明過取樣數位類比轉換器利用資料緩衝器連 結數位類比轉換盘η 1 、 、 口口 付佚為與])61 ta-Sigma调變器，因此可將

Delta-Sigma調變器的工作頻率設定為固定值，不合讓

Delta-Sigma調變器產生人耳聽見的噪音。同時，二頻哭 亦可固定升頻倍率，不需另行以控制電路，針對不同 '的取 樣頻率設定不同的升頻倍率。 以上雖以實施例說明本發明，但並不因此限定本發明 之範圍，只要不脫離本發明之要旨，該行業者可進行各種 變形或變更。

517462 圖式簡單說明 圖1所示為一般過取樣數位類比轉換器的架構圖。 “圖員示圖丨之過取樣數位類比轉換器在不同之取樣頻 率％的仏號，其中之取樣頻 8 )之取樣頻 率為16KHz。 圖3所示為本發明可變 換器的架構圖。 【圖式編號】 取樣頻率的過取樣數位類 比轉 3 0 過取樣數位類比轉換器 31 升頻器 32數位低通濾波器 3 3資料緩衝器 34 Delta-Sigma調變器 3 5 數位類比轉換器 36 類比低通濾波器

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Claims (1)

1. 517462 六、申請專利範圍 1, 一種可變取樣頻率的過取樣數位類比 處理不同取樣頻率之輸入信號， 锝換為，係可 包含： 堤取樣數位類比轉換器 一升頻器，係將前述輸入信號 生過取樣信號； b σ疋倍率Μ升頻，產 一數位低通濾波器，係濾除 的高頻成分，並以一第一速率輪二升頻器之過取樣信號 一資料緩衝器，係以前述第〜=料； 濾波器之輸出資料，並以一第二逮率接收前述數位低通 次一調變器，係以前述第二速傘2輪出資料； 貧料，並進行調變，· 、從前述資料緩衝器讀取 $“一數位類比轉換器，將前述节 類比訊號，·以及 變器之輸出信號轉換成 一類比低通濾波器，係將A、、 除，產生輸出訊號。 、、J述類比訊號之高頻成分濾 取揭t如巾請專利範圍第1J員所圮恭 取樣數位類比轉換器，《中前述載之可變取樣頻率的過 .如申凊專利範圍 〜速率為固定速率。 取樣數位類比轉換哭 厅兄栽之可傲雨样相t 率f矛L d 為，其中前沭给< j變取樣頻率的過 s f f t頻倍率的整數倍。 速率為輸入信號之頻 4·如申請專利範 取樣數位類比轉換$ 、所記栽之 不同步。轉換為，其中前述第執^之可變取樣頻率的過 5 〜速率與前述第二速率 專利範圍第3項 ------- 戰之可變取樣頻率的過 頁 第15 ----- 六、申請專利範圍 取樣數位類比轉換器，装 ^-——— 變器。 、刎述調變哭為Del ta S _ 6 I σ口馮kita-Sigma 調 •申μ專利範圍第s @ 取樣數位類比Μ她叩 不d項所印番^ 偷轉換态，其中前、+載可變取樣頻率的過 71 er)。 述資料緩衝器為先進先出緩 • α申Μ專利範圍第 取樣數位類比轉換器，其中L所記载之可變取樣頻率的過 零時？出最後_筆資料。則述先進先出緩衝器之指標為 .α申請專利範圍第3 取樣數位類比轉換器 、所記裁之可變取樣 器所構成。 …述資料緩衝器為複數個正反 9 ·如申凊專利範圍第3 取樣數位類比轉換器，复中^、+記载之可變取樣頻率的過 構成。 、貧料緩衝器為暫存器組所 I 〇 ·如申凊專利範圍 取樣數位類比轉換器，載之可變取樣頻率的過 取記憶體所構成。 則述貝料緩衝器為雙埠隨機存 II ·種過取樣數位類比轉換方 升頻步驟，係將一 換方法，包含下列步驟： ❿ 頻，產生過取樣信號；I ϋ ^以固定之升頻倍率Μ升 J位過濾步驟广係以數 高頻成分，並以—第一;除則述過取樣信號的 資料調變步驟，係ί 一；二資料緩衝器； 取資料，並將資# 1 7y攸前述資料緩衝器讀 π貝科调變成較低位元之資料； 貝 第16頁 六 申清專利範圍 將前述調變後之資料轉換成類比 數位類比Μ μ 訊號；以及轉換步驟 类員比清 產生輪出訊^ \驟係將刖述類比訊號之高頻成分濾除， 過取樣數如位申類’比專轉？圍， 率。 則述弟二速率為固定速 13.如申請專利範圍第丨2 過取樣數位類比轉換方法，直/ϋ之可變取樣頻率的 之頻率fs乘上升頻倍率Μ的整數倍。述弟—速率為輸入信號 1 4·如申請專利範圍第丨3項 過取樣數位類比轉換方法，其中\載之可變取樣頻率的 Delta-Sigma調變。 达调變方法為 1 5 ·如申睛專利範圍第1 3項所記 過取樣數位類比轉換方法，其中前 ^可變取樣頻率的 出緩衝器（FIFO Buffer)。 ’L貝料緩衝器為先進先

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