一種數字模擬轉換系統及方法
2023-07-13 07:55:46 2
專利名稱：一種數字模擬轉換系統及方法
技術領域：
本發明涉及數字/模擬轉換技術，具體地說，是涉及一種提高數字-模擬轉換器解析度的數字模擬轉換系統及方法。
背景技術：
目前，數字-模擬轉換器(DAC)應用於各類電子產品中，並且起著重要的作用。特別是一些涉及音頻的產品，DAC的精度是音頻播放質量的重要因素之一，但是一般的高精度DAC不僅價格昂貴，且佔用寶貴的板空間。
一般的，在信號數位化處理過程中，原始語音信號經過量化和編碼後信號質量會有所衰減。很多時候，原始數據源的位寬大於DAC的位寬，大部分的處理方式為捨棄低位，如圖1所示N位的原始高階數據源捨棄低(N-M)位，輸入M位的低階DAC中後，以DAC現有的頻率轉換輸出；其中，N＞M。
而為了能夠得到高質量的輸出播放音質，大部分語音信號輸出即數字-模擬信號轉換輸出包括了兩種方式，一種是採用高精度DAC，另一種則為採用脈寬調製(PWM)的形式。然而，採用高精度DAC其晶片本身面積增加，結構複雜，且整個系統成本比較高。另外，PWM形式多採用調整脈寬調變信號的脈衝寬度來調整音頻輸出，而實際應用中PWM脈衝寬度的調變受到CPU速度的影響。
中國專利申請第200410100343.1號公開了一種用於光記錄介質的記錄和/或再現裝置，其具有用於提高數-模轉換器的解析度的部件，透過該部件量化數據源的較低有效位，並將量化結果加載到除了較高有效位最大值外的較高有效位，從而提高了DAC的輸出信號解析度。然而，其僅僅針對於光記錄介質和/或再現裝置的伺服調整電路的DAC，其脈衝密度方法和脈衝寬度方法使得輸出的信號產生抖動，即使經過濾波，也並不適用於音頻播放，且是通過增加硬體裝置對低有效位進行量化提高DAC的解析度的，因此增加了電路成本。
因此，如何提供一種數字模擬轉換系統及方法，來實現在原有的低階DAC的基礎上輸出高階DAC的效果，成為亟待解決的技術問題。
發明內容
本發明所要解決的技術問題是提供一種數字模擬轉換系統及方法，來提高數模轉換器的解析度、精度，來實現在原有的低階DAC的基礎上輸出高階DAC的效果。
為解決上述技術問題，本發明提供方案如下一種數字模擬轉換系統，包括具有M位處理能力的數字模擬轉換器，還包括原始數據輸入裝置，用於輸入N位的原始數字數據，其中，N≥M；高M位取樣裝置，用於對輸入的原始數據的高M位進行取樣；低Q位取樣裝置，用於對輸入的原始數據的低(N-M)位中的高Q位進行取樣；脈寬調製裝置，用於對所述取樣的Q位數據進行脈寬調製，產生一位輸出數據；加法器，用於將所述經脈寬調製後的一位輸出數據與所述經取樣後的高M位數據相加；其中，所述數字模擬轉換器，用於接收所述加載脈寬調製數據後的M位數據，並進行轉換輸出。
本發明所述系統及方法，通過採用更高頻率對因低階DAC解析度有限而不被送入到DAC的較低有效位進行有效的處理，從而將該低有效位以PWM數據的形式加載到與該低階DAC同樣位寬的高位數據上，進而改善了數模轉換器的解析度、精度，實現了低階DAC輸出高階DAC的效果，從而具有提升成本效益的優勢，且在音頻播放上利用該方法可以得到更好的音質。
本發明所要解決的技術問題、技術方案要點及有益效果，將結合實施例，參照附圖作進一步的描述。
圖1為原始高階數據源經過低階DAC處理的示意圖；圖2為本發明實施例所述系統示意圖；圖3為本發明另一實施例所述系統示意圖；圖4為一現有低階DAC輸出波形示意圖；圖5為本發明實施例所述捨棄位PWM數據加載波形圖示意圖；圖6為現有技術中原始聲音播放流程圖；圖7為本發明實施例所述方法對原始高階數據源處理流程圖。
具體實施例方式
在實際應用中，由於受硬體的限制，DAC的位數比較低，而聲音的數據位往往大於DAC的位數，這樣，在播放聲音時通常就會捨棄低位的聲音數據，導致聲音質量的衰減。本發明通過利用高頻率中斷，在原低階DAC的基礎上，加載PWM，即，在輸出高位聲音數據的基礎上加載了低位聲音數據的脈衝，從而達到用低階DAC來產生高階DAC音質的效果。
本發明所述實施例所述方法的處理過程如下，低階DAC具有M位數字處理能力1)、高階數據源的輸入，該數據源為N位，其中，N≥M；2)、取樣數據源高M位，其中，M為低階DAC位數；3)、取樣捨棄的低Q位，其中，Q是捨棄的(N-M)位中高Q位，其中，Q≤(N-M)；4)、將3)中所述的取樣的Q位數據以PWM數據的形式與2)中所述高M位數據以2Q*FO的頻率相加；這裡取樣的Q位數據以PWM數據的形式是指，該PWM數據是以1/FO為一個脈寬調製周期，佔空比為 的波形數據，其中，FO為所述數字模擬轉換器的現有頻率。
5)、低階DAC接收4)中所述加載PWM數據後的M位數據，並以Fc頻率進行轉換輸出，其中Fc＝2Q*FO，從而使該低階DAC的解析度得以提高。
在上述過程中，在步驟2)之後，我們可以先通過一個溢出判斷的過程判斷取出的高M位數據是否為最大值，(例如，如果是8位數據，最大值就是OxFF)，如果是最大值，則直接輸出至DAC以Fc＝2Q*FO的頻率進行轉換輸出；如果不是最大值，再通過步驟3)取樣捨棄的低Q位。
參照圖2，本發明實施例所述系統包括原始數據輸入裝置、高M位取樣裝置、低Q位取樣裝置、脈寬調製裝置、加法器，以及具有M位處理能力且現有頻率為FO的數字模擬轉換器。
其中，N位的原始數字數據通過原始數據輸入裝置發送至高M位取樣裝置(其中，N≥M)，高M位取樣裝置對收到的原始數據的高M位進行取樣，並將取樣的M位數據分別發送至低Q位取樣裝置和加法器；低Q位取樣裝置對輸入的原始數據的低(N-M)位中的高Q位進行取樣並將取樣結果數據發送至脈寬調製裝置(其中，Q≤(N-M))，脈寬調製裝置對所述經取樣的Q位數據進行脈寬調製，這裡採用的脈寬調製是以1/FO為一個脈寬調製周期，佔空比為 然後，脈寬調製裝置將所述經脈寬調製後的數據發送至加法器與所述經取樣後的高M位數據以2Q*FO的頻率進行相加；加法器將所述加載脈寬調製數據後的M位數據發送至所述具有M位處理能力的數字模擬轉換器，並以Fc的頻率進行轉換輸出，Fc＝2Q*FO。
如圖3所示，在上述系統中，還可以增加一個溢出判斷裝置，來判斷所述高M位取樣裝置取樣的M位數據是否是最大值，如果是，則將所述高M位取樣裝置取樣後的數據直接送入所述數字模擬轉換器以Fc＝2Q*FO的頻率進行轉換輸出；如果不是，則將所述高M位取樣裝置取樣後的數據分別發送至低Q位取樣裝置及加法器。
參照圖4、5，圖4為一現有低階DAC輸出波形示意圖，圖5為本發明實施例所述低捨棄位PWM數據加載波形示意圖，其中，所示捨棄位PWM處理是對應於圖4一現有低階DAC轉換輸出的樣本數據，該捨棄位為兩位數據，因此本發明以現有DAC輸出轉換頻率FO的4倍頻率Fc進行輸出，其加載PWM數據後的M位數據輸出如下當該二低有效位為00時加載PWM後的輸出數據為Data、Data、Data、Data；(此時，PWM脈寬調製後的佔空比為0，也就是原始輸出數據不變)當該二低有效位為01時，加載PWM後的輸出數據為Data、Data、Data、Data+1；(此時，PWM脈寬調製後的佔空比為1/4)當該二低有效位為10時，加載PWM後的輸出數據為Data、Data、Data+1、Data+1；(PWM脈寬調製後的佔空比為2/4)當該二低有效位為11時，加載PWM後的輸出數據為Data、Data+1、Data+1、Data+1。(PWM脈寬調製後的佔空比為3/4)如圖6所示，為現有技術中原始聲音播放流程圖；首先，取出原始數據，然後，調整數據指針，最後，將輸出原始數據高M位到M階DAC進行轉換輸出。在該過程中，如果原始聲音數據大於M位，則捨棄低位數據，對音質效果產生影響。
如圖7所示，本發明實施例所述方法對原始高階數據源處理流程圖。首先，判斷原始數據源加載PWM波形是否結束，如果是，則調整數據指針到下一個原始數據，如果否，則取出原始數據高M位，然後以2Q*FO的頻率加載捨棄位的低Q位數據進行處理後的PWM波形，且該PWM波形周期為1/FO、佔空比為 即將取樣出的高M位數據以2Q*FO的頻率依次和PWM輸出的1bit數據進行相加，最後輸出到M階DAC以Fc的轉換頻率進行轉換輸出，其中Fc＝2Q*FO。
例如，所述原始高階數據源為16bit數據，所述低階DAC為10位，原始輸出採用8KHz中斷。
一8kHz、16位的PCM原始聲音數據串0x8000 0x8B1D 0x95E30xA000 0xA923 0xB 1060xB76C 0xBC23 0xBF07 0xC000 0xBF070xBC23 0xB76C 0xB 1060xA923 0xA000 0x95E3 0x8B1D 0x8000，如果使用16位MCU SPCE061A不加任何處理、直接採用8kHz的中斷輸出播放，則由於SPCE061A的DAC為10位，因此只輸出該段數據的高10位，而低6位會被捨棄。
本發明的方法即為取樣分析捨棄掉的低6bit，例如僅取樣其中的兩位，將其按照上述流程圖進行分析處理，首先取出的高位數據為0x80000x8B1D 0x95E3......，同時取出捨棄的低6bit中的高2bit為00B 01B10B......，生成的1bit PWM數據為0B 0B 0B 0B，0B 0B 0B 1B，0B 0B 1B 1B，......；然後以32KHz的頻率相加得到數據為0x80000x8000 0x8000 0x8000，0x8B1D 0x8B1D 0x8B1D 0x8B5D，0x95E30x95E3 0x9623 0x9623，......，最後輸出到10bit DAC並以32KHz中斷進行轉換輸出播放。從而將捨棄掉的數據重新加載到高10位數據上，使得10位DAC能夠輸出12位DAC的聲音波形，實現了在低階DAC實現高階DAC的效果，降低了系統成本，改善了音頻播放的效果。
其中，實施例中所述SPCE061的10bit DAC可以用其它的DAC來替換，且對捨棄位的取樣也可以根據需要適當的增加，相應的輸出頻率依照公式輸出頻率＝原始輸出頻率*2取樣位進行調整。
本發明所述的一種數字模擬轉換系統及方法，並不僅僅限於說明書和實施方式中所列運用，它完全可以被適用於各種適合本發明之領域，對於熟悉本領域的人員而言可容易地實現另外的優點和進行修改，因此在不背離權利要求及等同範圍所限定的一般概念的精神和範圍的情況下，本發明並不限於特定的細節、代表性的設備和這裡示出與描述的圖示示例。
權利要求
1.一種數字模擬轉換系統，包括具有M位處理能力的數字模擬轉換器，其特徵在於，還包括原始數據輸入裝置，用於輸入N位的原始數字數據，其中，N≥M；高M位取樣裝置，用於對輸入的原始數據的高M位進行取樣；低Q位取樣裝置，用於對輸入的原始數據的低(N-M)位中的高Q位進行取樣，其中Q≤(N-M)；脈寬調製裝置，用於對所述取樣的Q位數據進行脈寬調製，產生一脈寬調製數據；加法器，用於將所述取樣後的高M位數據與所述經脈寬調製後的脈寬調製數據進行相加；其中，所述數字模擬轉換器，用於接收所述加載脈寬調製數據後的M位數據，並進行轉換輸出。
2.如權利要求1所述的數字模擬轉換系統，其特徵在於，所述脈寬調製裝置，是對Q位數據進行的一個脈寬調製周期為1/FO，佔空比為 的脈寬調製，其中，FO為所述數字模擬轉換器的現有頻率。
3.如權利要求2所述的數字模擬轉換系統，其特徵在於，所述加法器將所述取樣後的高M位數據以2Q×FO的頻率依次與所述脈寬調製輸出的一位數據進行相加。
4.如權利要求3所述的數字模擬轉換系統，其特徵在於，所述數字模擬轉換器，以2Q×FO的頻率進行轉換輸出。
5.如權利要求1至4任一項所述的數字模擬轉換系統，其特徵在於，進一步包括溢出判斷裝置，用於判斷所述高M位取樣裝置取樣的M位數據是否是為最大值，如果是，則將所述高M位取樣裝置取樣後的數據直接送入所述數字模擬轉換器進行轉換輸出。
6.一種數字模擬轉換方法，其特徵在於，包括如下步驟1)接收N位的原始數字數據的輸入；2)對輸入的原始數據的高M位進行取樣，其中，N≥M；3)對輸入的原始數據的低(N-M)位中的高Q位進行取樣，其中，Q≤(N-M)；4)對所述經取樣的Q位數據進行脈寬調製；5)將所述經取樣後的高M位數據與所述經脈寬調製後的數據相加；6)將所述加載脈寬調製數據後的M位數據送入數字模擬轉換器進行轉換輸出。
7.如權利要求6所述的數字模擬轉換方法，其特徵在於，所述步驟4)中對所述經取樣的Q位數據進行的脈寬調製，是以1/FO為一個脈寬調製周期，輸出佔空比為 的脈寬調製，其中，FO為所述數字模擬轉換器的現有頻率。
8.如權利要求7所述的數字模擬轉換方法，其特徵在於，所述步驟5)中的相加，是指將所述取樣後的高M位數據以2Q×FO的頻率依次與所述脈寬調製輸出的一位數據進行相加。
9.如權利要求8所述的數字模擬轉換方法，其特徵在於，所述步驟6)中數字模擬轉換器是以2Q×FO的頻率進行轉換輸出。
10.如權利要求6至9任一項所述的數字模擬轉換方法，其特徵在於，所述步驟2)後，進一步包括判斷所述高M位取樣數據是否是最大值，如果是，則將所述高M位取樣數據直接送入所述數字模擬轉換器進行轉換輸出；如果否，則進入步驟3)。
全文摘要
本發明公開了一種數字模擬轉換系統及方法，包括步驟首先，接收N位的原始數字數據的輸入；然後，對輸入的原始數據的高M位進行取樣，其中，N≥M；再對輸入的原始數據的低(N－M)位中的高Q位進行取樣；對所述經取樣的Q位數據進行脈寬調製，產生一位輸出數據；將所述經脈寬調製後的數據與所述經取樣後的高M位數據相加；將所述加載脈寬調製數據後的M位數據送入數字模擬轉換器進行轉換輸出。按照本發明所述系統及方法，可以實現在原有的低階數字模擬轉換器的基礎上輸出高階數字模擬轉換器的效果，從而具有提升成本效益的優勢，且在音頻播放上利用該方法可以得到更好的音質。
文檔編號H03M1/66GK101039118SQ200610064878
公開日2007年9月19日 申請日期2006年3月16日 優先權日2006年3月16日
發明者羅立聲, 王豔坤 申請人:凌陽科技股份有限公司, 北京北陽電子技術有限公司