頻譜成形的隨機信號的製作方法

2023-09-22 07:42:10

不同的實施方式涉及一種設備，該設備包括信號發生器，該信號發生器設置用於產生數字偽隨機信號。該設備還包括至少一個濾波器元件，該濾波器元件設置用於對數字偽隨機信號使用高通濾波器和低通濾波器，以如此產生頻譜成形的偽隨機信號。該設備還包括調製器，該調製器設置用於，將頻譜成形的偽隨機信號用作抖動。不同的實施方式涉及一種相應的方法。

背景技術：

調製器，例如模擬-數字轉換器(adc)或者數字調製器，通常產生量化噪聲。該量化噪聲能夠在輸出頻譜中造成不希望的分量，所謂的尖峰，其有時也被稱作空閒音。該量化噪聲通常造成調製器的質量降低。

用於降低量化噪聲的例如以尖峰的形式的這種不希望的分量的技術是已知的。通常這基於，在調製器的信號處理中，例如在量化之前，應用具有可變的幅度(抖動)的信號。該抖動的幅度通常隨機地或者偽隨機地變化。由此降低調製器的信噪比(snr)，因為附加的噪聲以抖動的形式留下痕跡。但是同時實現，量化噪聲均勻地影響輸出頻譜。由此能夠消除或者是減小輸出頻譜中的尖峰，這在各種應用中，例如在音頻信號處理中，可能是值得去做的。

在各種參考應用中，為了產生抖動，將模擬信號發生器用作噪聲源。該模擬信號發生器能夠產生模擬的隨機信號，該模擬的隨機信號能夠頻譜成形。該模擬信號發生器能夠產生連續的隨機信號；通常不存在對模擬的隨機信號值的量化。然而，使用模擬信號發生器會是相當昂貴和複雜的。使用模擬信號發生器會造成相當高的硬體複雜性。

因此，基於使用產生數字隨機信號的數位訊號發生器的技術也是已知的。通常該隨機信號偽隨機地具有兩個狀態，比如0和1。這種情況也被稱作1比特抖動。

偽隨機的隨機信號也能夠稱作偽隨機信號。該偽隨機信號能夠具有例如在一定的迭代之後反覆出現的值。

如果在參考應用中僅僅使用單個數位訊號發生器，那麼如此產生的抖動對減小尖峰通常不具有特別好的特性。例如在使用僅一個單個數位訊號發生器的這種常規技術中，可能會出現snr的特別強烈的降低。

為了有效地減小調製器的輸出頻譜中的尖峰，通常使用多個1比特的數位訊號發生器，例如兩個或者三個或者更多個數位訊號發生器；如此能夠產生所謂的多級抖動，即具有多個離散的狀態，例如-2、-1、0、1、2(英文：multi-leveldither)，或者產生甚至準連續的抖動(英文：continuousdither)。但是這種應用可能具有大量的構件且因此昂貴且容易出錯。

技術實現要素：

因此存在更優的技術的需要，以產生抖動。尤其存在這種技術的需要，其一方面有效減小尖峰且其另一方面僅輕微地降低調製器的snr。

在不同的實施方式中，設備包括信號發生器。該信號發生器設置用於產生數字隨機信號。該設備也包括至少一個濾波器元件。該至少一個濾波器元件設置用於對數字隨機信號應用高通濾波器和低通濾波器；如此產生頻譜成形的隨機信號。該設備也包括調製器。該調製器設置用於將頻譜成形的隨機信號用作抖動。

在不同的實施方式中，方法包括產生數字隨機信號。該方法還包括對隨機信號使用高通濾波器和低通濾波器。如此產生頻譜成形的隨機信號。該方法還包括將頻譜成形的隨機信號作為抖動使用。

在不同的實施方式中，設備包括信號發生器。該信號發生器設置用於產生數字隨機信號。該設備還包括至少一個濾波器元件。該至少一個濾波器元件設置用於對數字隨機信號使用高通濾波器和低通濾波器；如此產生頻譜成形的隨機信號。

在不同的實施方式中，方法包括產生數字隨機信號。該方法還包括對隨機信號使用高通濾波器和低通濾波器。如此產生頻譜成形的隨機信號。

上面闡述的特徵和下文描述的特徵不僅能夠在相應明確闡述的組合中使用，而且能夠在其他的組合中使用或者分開使用，而不脫離本發明的保護範圍。

附圖說明

結合以下描述的多個實施例，更清楚和更易於理解地進一步闡述上面描述的本發明的特性、特徵和優點以及實現它們的方式，這些實施例通過多個附圖進一步闡述。

圖1a示意性地示出了一種根據不同的實施方式的設備，該設備包括信號發生器、至少一個濾波器元件和調製器。

圖1b示意性地示出了數字偽隨機信號的矩形概率密度函數，該數字偽隨機信號由信號發生器產生。

圖2a示意性地示出了關於根據不同的實施方式的調製器的細節。

圖2b示意性地示出了關於根據不同的實施方式的調製器的細節。

圖3示意性地示出了調製器的量化噪聲。

圖4示意性地示出了頻譜成形的偽隨機信號的三角形概率密度函數，該偽隨機信號能夠用作抖動，以減小尖峰。

圖5示意性地示出了應用和不應用抖動的調製器的輸出頻譜。

圖6示意性地示出了根據不同的實施方式的設備。

圖7示意性地示出了根據不同的實施方式的設備，其中圖7示出了關於線性反饋移位寄存器作為信號發生器的細節。

圖8示意性地示出了根據不同的實施方式的設備。

圖9示意性地示出了根據不同的實施方式的設備。

圖10示意性地示出了根據不同的實施方式的設備。

圖11為根據不同的實施方式的方法的流程圖。

具體實施方式

下文參照附圖並根據優選的實施方式進一步闡述本發明。在這些附圖中，相同的附圖標記表示相同或者相似的元件。這些附圖是本發明的不同的實施方式的示意性代表。在這些附圖中所示的元件不一定按比例繪製。相反，圖中所示的不同的元件如此再現，使得其功能和一般用途是技術人員所顯而易見的。這些附圖中所示的功能單元和元件之間的連接和耦合也能夠實現為間接的連接或者耦合。連接或耦合能夠以有線或者無線的方式實現。功能單元能夠實現為硬體、軟體或者硬體和軟體的結合。

下文描述不同的技術，以減小由於尖峰導致的調製器的輸出頻譜的不希望的分量。該調製器調製輸入信號，以獲得輸出信號。輸出頻譜能夠將輸出信號的不同特性表示為輸入信號的函數。該輸出頻譜可以包括由輸入信號確定的信號分量。該輸出頻譜也可以包括由噪聲確定的噪聲分量。該噪聲可以包括例如量化噪聲和/或白噪聲。信號分量和噪聲分量之間的比例定義snr。

下文描述以下技術，其能夠實現減小例如以尖峰形式的輸出頻譜的不希望的分量；同時相對少地降低調製器的snr。

在不同的示例中，頻譜成形數字隨機信號，以獲得頻譜成形的隨機信號，該隨機信號能夠用作抖動。該頻譜成形的隨機信號能夠是多級信號，該多級信號具有大於1的字長。

在不同的示例中，由數字單比特隨機信號產生多級抖動。

該隨機信號能夠是可計算的(偽隨機信號)。下文主要提及這樣的偽隨機信號。但是相應的技術能夠直接應用到不可計算的真正隨機的隨機信號上。

在不同的示例中，能夠特別有效地產生該頻譜成形的偽隨機信號且不產生大的硬體成本。例如在不同的示例中，能夠產生頻譜成形的偽隨機信號而不需要模擬信號發生器。在不同的示例中，能夠以低硬體複雜性產生頻譜成形的偽隨機信號。

例如能夠通過單個線性反饋移位寄存器(英文：linearshiftregister；lfsr)產生數字偽隨機信號。通過對如此產生的數字偽隨機信號使用高通濾波器和低通濾波器能夠得到有利的頻譜成形。這能夠特別有效地減小輸出頻譜的以尖峰形式的不希望的分量；同時能夠相對少地降低snr。

在此描述的不同的示例是基於以下知識，即通過使用高通濾波器和低通濾波器能夠產生例如三角形概率密度函數作為頻譜成形的偽隨機信號的或者是尖峰的頻譜形狀。在此，已知這種三角形概率密度函數在減少調製器的輸出頻譜的例如以尖峰形式的不希望的分量方面能夠是特別有利的。例如請參閱wannamakerr.a.等，在ieee期刊，信號處理48(2000)499-516頁中的「atheoryofnon-substractivedither(非削減抖動論)」。

通過這種數字偽隨機信號的頻譜形狀，在不同的示例中，除了減小輸出頻譜的例如以尖峰形式的不被希望的分量之外，還能夠實現噪聲分量的有利的頻譜分布。尤其能夠使噪聲分量均勻地分布在頻譜上，從而能夠減小噪聲分量在輸入信號的頻譜子區域(使用頻譜)中的比重。由此能夠再次以相對高的質量對輸入信號進行調製。

本文描述的各種技術能夠在不同的領域使用。例如本文描述的技術能夠在模數轉換(ad轉換)領域中使用，於是該頻譜成形的偽隨機信號能夠作為抖動用在adc上。為此，可能需要對頻譜成形的偽隨機信號進行數模轉換(da轉換)，以接著將其用作抖動；例如能夠在調製器的量化器前使用該頻譜成形的隨機信號。在其他示例中，本文描述的技術能夠用在數字調製的領域中，例如能夠將該頻譜成形的偽隨機信號作為抖動用在數字調製器上，例如σ-δ調製器。由此能夠實現多種應用，例如在音頻信號處理的領域中，數字噪聲成形等。

圖1a示意性地表示根據不同示例的設備100。該設備100包括數位訊號發生器101(例如lfsr)、濾波器102和調製器103。

lfsr101產生數字偽隨機信號191，該數字偽隨機信號191被傳送給濾波器102。該數字偽隨機信號191能夠例如對不同的時鐘具有不同值的決定性序列；該序列能夠按照特定的周期長度重複，所以信號191被稱為偽隨機的。圖1a的示例中lfsr101表示為信號發生器，而在其他示例中也可能是，使用其他類型的數位訊號發生器，以產生偽隨機信號(英文：pseudorandomnumbergenerator，prng)。示例包括同餘發生器、波發生器等。

濾波器102設置用於對數字偽隨機信號191使用高通濾波器和低通濾波器。為此，在圖1a的示例中，該濾波器102包括高通濾波器元件121和低通濾波器元件122。在不同的示例中，可以通過更多或更少數量的濾波器元件實現高通濾波器和低通濾波器。例如在不同的示例中，高通濾波器元件121和低通濾波器元件122能夠至少部分地合併實施。例如在不同的示例中，該低通濾波器元件122還能夠具有遞歸的濾波器元件(在圖1a中未示出)。該濾波器元件102產生頻譜成形的偽隨機信號192，該偽隨機信號192被傳送給調製器103。

調製器103設置用於將頻譜成形的偽隨機信號192用作抖動。該調製器103接收輸入信號301(例如模擬的輸入信號或者數字的輸入信號)、調製該輸入信號301並且發出輸出信號302(例如模擬的輸出信號或者數字的輸出信號)。

從圖1a的示例可見，為了產生抖動僅僅使用單個數位訊號發生器101。在這點上，調製器103設置用於不將其他具有隨機成分(即可計算的隨機/偽隨機和/或不可計算的隨機)的信號用作抖動。在圖1a的示例中，僅僅根據由信號發生器101產生的數字偽隨機信號191產生抖動。因此，該設備100具有相對低的硬體複雜性。這減小成本且能夠同時降低易錯率。

圖1b表示關於數字偽隨機信號191的概率密度函數的方面。圖1中可見，數字偽隨機信號191具有矩形的概率密度函數400，該概率密度函數400在極值+q和-q之間具有均勻的幅度。例如極值+q和-q根據數字偽隨機信號191的字長而變化。如果使用非頻譜成形的數字偽隨機信號191，即具有根據圖1b的示例的矩形的概率密度函數400，雖然減小調製器103的輸出頻譜的例如以尖峰形式的不希望的分量，但同時將不希望地嚴重降低調製器103的snr。

下文描述這樣的技術，其實現概率密度函數400的成形，並且不僅很好地減小調製器103的輸出頻譜的不希望的分量，而且相對少地降低調製器103的snr。在此，概率密度函數400的形成可以相當於偽隨機信號191的頻譜成形。概率密度函數400的成形可以意味著不均勻地影響幅度p(a)。

圖2a示出了關於數字調製器的方面。該數字調製器103包括數字σ-δ調製器132。該σ-δ調製器132將數字輸入信號301轉換為數字輸出信號302。為了建立數字輸入信號301和頻譜成形的偽隨機信號192之間的兼容性，該設備100還包括縮放元件131，其設置用於縮放頻譜成形的偽隨機信號192。例如該縮放元件131能夠實施左移頻譜成形的偽隨機信號192的比特(英文：left-shift)。縮放元件131尤其能夠設置用於根據調製器103的量化級進行縮放。這樣能夠實現對輸入信號301的匹配。

圖2b示出了關於模擬調製器103的方面，即adc136。在頻譜成形的偽隨機信號192能夠被adc136用作抖動之前，通過dac135實現對頻譜成形的偽隨機信號192的da轉換。在此，能夠同時相應地縮放頻譜成形的模擬偽隨機信號的幅度，例如根據調製器103的量化級。

圖3示出了關於調製器103的量化級305的方面。圖3中，輸出信號302表示為輸入信號301的函數。圖3示出了調製器103的所謂的傳遞特性。其可以是不同的傳遞特性，其中圖3僅僅示出了一個示例。

由圖1b和圖3的比較可見，數字偽隨機信號191優選地覆蓋以下頻譜區域，該頻譜區域對應於量化級2q，305；當不是這種情況時(圖1b中未示出)，那麼能夠通過縮放元件131相應地匹配到該量化級305。

圖4示出了關於頻譜成形的偽隨機信號192的概率密度函數400的方面。根據圖4可以討論濾波元件102的工作模式。根據圖4可見，該頻譜成形的偽隨機信號192具有三角形概率密度函數400(英文：triangularprobabilitydensityfunction，tpdf)。tpdf400在減小輸出頻譜的例如以尖峰形式的不希望的分量方面具有尤其有利的特性。

通過結合使用高通濾波器和低通濾波器產生tpdf400。其能夠通過試驗觀察和仿真證實。此外，這一發現能夠通過以下考慮來驗證：例如能夠藉助於平移平均值濾波器(英文：movingaveragefilter)濾波以特定值q0(例如q0＝0)為中心的具有特定字長和矩形概率密度函數400的數字偽隨機信號(參看圖1b)。在這種情況下，在足夠長的平均的過程中，僅以相對低的概率獲得接近極值+q、-q的值：例如只有當基於平均值濾波的所有值都等於+q時，才獲得極值+q。這是非常不可能的。以更高的概率獲得中心q0附近的值：例如當基於平均值濾波的值均勻地圍繞q0朝著+q和-q分布時，於是獲得該值q0。這是相對可能的。因此，概率密度函數400的幅度接近極值+q、-q時比概率密度函數400的幅度接近極值q0時更強烈地減小。這樣得到tpdf400(參看圖4)。在此，該平移的平均值濾波器相當於高通濾波器和低通濾波器的組合的效果。

在不同的示例中，能夠使用高通濾波器和低通濾波器的不同實施方式。例如能夠使用一階高通濾波器。對應地可以使用一階低通濾波器。經確定，當低通濾波器構造為切比雪夫濾波器(tschebyscheff-filter)時，在減小調製器103的輸出頻譜的例如以尖峰形式的不希望的分量方面獲得有利的效果。切比雪夫濾波器主要例如由以下已知：史密斯s.w.「digitalsignalprocessing(數位訊號處理)」，紐恩斯出版社(2003)，第20章。相應地，低通濾波器具有遞歸的部分也是可行的；即具有分母不等於1的z傳遞函數。

圖5示出了關於用於各種示範性實施方式的調製器103的輸出頻譜的方面。圖5中，輸出信號的幅值302表示為頻率的函數(例如圖5可以是雙對數坐標圖)。圖5中示出了在沒有抖動下的傳統技術的調製器103的輸出頻譜(實線)；圖5中還示出了根據本文所述的不同示例的技術的調製器103的輸出頻譜(虛線)。該參考應用的輸出頻譜具有多個尖峰501，其相應於由於量化噪聲造成的不希望的分量。用於基於本文描述的不同技術以產生抖動的調製器103的輸出頻譜不具有這些尖峰501。但是幅值302減小一定的量505，這相當於snr降低。

圖5中還示出了根據傳統技術用於產生抖動的調製器103的輸出頻譜(點劃線)。例如能夠通過使用單比特序列而在沒有由單個lfsr產生的頻譜成形的情況下得到相應的輸出頻譜。根據圖5可見，該相應的輸出頻譜具有特別強烈降低的snr，尤其相比於根據本文所述的技術能夠得到的輸出頻譜。

因此，本文所述的技術不僅有效削減例如以尖峰形式的量化噪聲的影響，而且snr僅相對略有下降。

圖5中也示出了使用頻譜371。輸入信號301的重要部分處於使用頻譜371內。在不同的示例中尤其可能追求的是，減小使用頻譜371中的尖峰501。但是在不同的示例中也可能追求的是，附加地減小使用頻譜371之外的尖峰501。即，這可以由於互調或者是混合產品而具有對使用頻譜371的影響。

圖6是示出了關於根據不同示例的設備100的實施方式的方面的電路圖。圖6中示出了lfsr101，其發出具有字長等於1的數字偽隨機信號191。在其他示例中，該數字偽隨機信號191也能夠具有更長的字長，例如等於2或者3。

在圖6的示例中，設備101包括定心元件(zentrierelement)171，其設置用於，減小數字偽隨機信號191的直流分量。在圖6的示例中，對偽隨機信號191的字長1，通過以下函數應用定心元件171：乘以2並減去1。因此，數字偽隨機信號191的值1被映射到中心化的數字偽隨機信號的值1；該數字偽隨機信號191的值0被映射到中心化的數字偽隨機信號的值-1。定心元件171是可選的。尤其在不同的示例中也可以通過構造高通濾波器作為差分元件得到減小直流分量的功能。通過去除直流分量能夠實現對量化級的調節。

接著將如此得到的中心化的數字偽隨機信號向濾波器元件102傳輸。在圖6的示例中，首先構件採用低通濾波器元件122。在此，在旁路中採用延遲元件，其中從主路中減去延遲元件的輸出。接著相應地採用高通濾波器元件121，其中在那裡將延遲元件的輸出加入到主路。然後，通過左移實現縮放，以及通過相應的遞歸元件126實現使用低通濾波器的遞歸分量。接著經過縮放元件132，該縮放元件132再次被應用作左移。

根據圖6的示例可見，頻譜成形的偽隨機信號192的字長大於數字偽隨機信號191的字長(在圖6的示例中，頻譜成形的偽隨機信號192具有20比特的字長，而數字偽隨機信號191具有1比特的字長)。因此，能夠實現頻譜成形的偽隨機信號192的高解析度頻譜成形。因此，能夠特別好地應用tpdf400。這能夠將多級信號用作抖動。

圖7是示出了關於根據不同的示例的設備100的應用的方面的電路圖。圖7中特別詳細地示出了lfsr101。根據圖7可見，lfsr101包括多個串聯連接的存儲元件150、151、152(圖7中由於簡單起見未標記所有的存儲元件)。該lfsr101還包括反饋迴路157，通過邏輯xor將特定存儲元件各自的值的結合輸入到反饋迴路中。讀取該鏈中布置在最後的存儲元件151的值，因此得到數字偽隨機信號191。因為僅僅讀取唯一的1比特存儲元件151，例如一個觸發器，所以該數字偽隨機信號具有等於1的字長。

在圖7的示例中，濾波器元件102部分地結合lfsr101應用。在此，存儲元件151的值作為數字偽隨機信號191與存儲元件152的值結合。該存儲元件152在lfsr101的存儲元件鏈中布置為關於存儲元件151移動兩個時鐘。這對應於圖6的高通濾波器元件121和低通濾波器元件122的兩個延遲元件的組合。通過這樣的應用能夠進一步減小硬體複雜性。

圖7中遞歸的濾波器元件126相當於圖6的遞歸的濾波器126應用。在圖6中，也示出了遞歸的濾波器元件126的示範性的濾波器係數。

圖7中也存在縮放元件132。該縮放元件132滿足不同的功能。如上述關於圖2a所述，例如該縮放元件132能夠將頻譜成形的偽隨機信號192的幅度匹配到調製器103的量化級305。但是也能夠使用該縮放元件132，以便在高通濾波器和/或者低通濾波器的z傳遞函數中使用特定的乘法因子。在這樣的示例中，例如可以至少部分地結合應用縮放元件132和濾波器元件102。例如高通濾波器能夠應用以下z傳遞函數：

於是，可以通過縮放元件132實施z傳遞函數的分子中的乘法因子0.1662。於是，能夠通過低通濾波器元件122和遞歸濾波器元件126實施z傳遞函數的剩餘部分：

即0.1662：縮放元件；z+1：低通濾波器元件122；以及1/(z-0,6675)：遞歸濾波器元件126。

圖8示出了基本上相當於圖6的示例的圖8的示例的設備100的另一示範性應用。但是根據圖8的示例的設備100不具有定心元件；在此定心的功能由用作微分元件的高通濾波器121承擔。此外在圖8的示例中通過縮放元件132實施不同的縮放係數。

圖9示出了設備100的另一示範性的應用。圖9的示例基本上相當於圖8的示例。在圖9的示例中，高通濾波器元件121和低通濾波器元件122合併實施。

圖10示出了設備100的另一示範性的應用。圖10的示例基本上相當於圖8和圖9的示例。在圖10的示例中，高通濾波器元件121和低通濾波器元件122通過結合lfsr101的存儲元件151、152的值應用，如上述關於圖7所闡述的。

圖11是根據不同的實施方式的方法的流程圖。首先在步驟1001中產生數字偽隨機信號191。為此能夠例如將lfsr用作數位訊號發生器101。該數字偽隨機信號101能夠具有不同的字長，例如該數字偽隨機信號191能夠具有等於1的字長(英文：singlebit)。在不同的示例中，通過單個的數位訊號發生器101產生僅僅單個的數字偽隨機信號191。

接著在步驟1002中，對該數字偽隨機信號191使用高通濾波器和低通濾波器，以得到頻譜成形的偽隨機信號192。步驟1002能夠包括通過一個或多個濾波器元件102、121、122、126。尤其能夠應用切比雪夫濾波器作為低通濾波器。

接著在步驟1003中，使用如此得到的頻譜成形的偽隨機信號192作為抖動。

總之，描述了以上技術，以有效地產生抖動。該抖動能夠用於減小adc或者數字調製器的輸出頻譜中不希望的分量，而同時使重要頻譜範圍內附加的噪聲功率最小化。因此能夠應用具有相對好的snr的調製器。

當然，前述實施方式的特徵和本發明的主題能夠相互結合。尤其這些特徵不僅可以使用在所述組合中，而且可以使用在其他的組合或者本身中，而不脫離本發明的範圍。

雖然前述在不同的示例中多次參考lfsr作為數位訊號發生器，但是在另一些示例中也能夠使用其他類型的prng。

雖然前述在不同的示例中參考偽隨機信號，但是相應的技術也能夠應用到真實的隨機信號。

雖然前述在不同的示例中參考使用頻譜成形的隨機信號作為抖動用於調製器，但是在不同的其他示例中也可以將頻譜成形的隨機信號用於其他應用中。因此，在不同的示例中，設備不必如本文所述那樣包括調製器。