解析度增強的模數轉換的製作方法
2023-05-21 00:01:31 1
專利名稱：解析度增強的模數轉換的製作方法
技術領域：
本發明涉及信號處理，尤其涉及模數轉換技術。
背景技術：
可將模擬信號傳遞給模數(A/D)轉換器來對該模擬信號進行數字編碼。然而，由於在某些模擬信號的動態範圍中的大偏差，A/D轉換器的轉換電壓範圍可能與該模擬信號的動態範圍不匹配和/或不能提供足夠高的模數轉換解析度。此外，由於硬體和/或環境條件，模擬信號可按期望的時變方式來修改。然而，由於模擬信號修改的時變差異，在A/D 轉換器中實現的用於調整模擬信號以適合該動態範圍的靜態組件可能並未考慮時變模擬信號修改。
發明內容
提供本發明內容以便以簡化形式介紹在以下具體實施方式
中進一步描述的一些概念。本發明內容並不旨在標識所要求保護主題的關鍵特徵或必要特徵，也不旨在用於限制所要求保護主題的範圍。此外，所要求保護的主題不限於解決在本公開的任何部分中提及的任何或所有缺點的實現。根據本發明各實施例的解析度增強的模數信號轉換電路包括多個並行安排的模數轉換器。多個模數轉換器中的每一模數轉換器被配置成輸出數位訊號，該數位訊號標識到該模數轉換器的模擬信號輸入。解析度增強的模數信號轉換器電路還包括輸入調節模塊，該輸入調節模塊被配置成在到該模數轉接器的模擬信號輸入以其他方式都會在與多個模數轉接器中的任一個模數轉換器對應的電壓範圍以外的情況下，將這一模擬信號修剪成與該模數轉換器對應的電壓範圍內的模擬信號。解析度增強的模數信號轉換電路還包括控制器，該控制器別配置成接收從多個模數轉換器中的每一個模數轉換器輸出的數位訊號， 並且基於從該多個模數轉換器中具有最高模數轉換解析度的一個未修剪的模數轉換器處接收的一個或多個數位訊號來輸出經編碼的信號。
圖1示意性地示出本發明的解析度增強的模數信號轉換電路的一實施例。圖2示意性地示出本發明的解析度增強的模數信號轉換電路的另一實施例。圖3示意性地示出本發明的解析度增強的模數信號轉換電路的另一實施例。圖4示意性地示出包括在汽車環境中所實現的解析度增強的模數信號轉換電路的音頻捕捉系統的一實施例。
具體實施例方式本發明涉及模數(A/D)信號轉換。更具體地，本發明涉及用增強的解析度來對模擬信號輸入進行跨動態範圍的數位化的A/D信號轉換電路。所公開的A/D信號轉換電路可限制對數位訊號輸出的量化噪聲。圖1示意性地示出本發明的解析度增強的A/D信號轉換電路100的一實施例。解析度增強的A/D信號轉換電路100可被配置成轉換任何類型的模擬信號，包括音頻信號 (例如語音)、光信號(例如紅外光)等。在另一示例中，模擬信號輸入可包括反饋給解析度增強的A/D信號轉換電路100的模擬輸出。模擬信號輸入可由任何類型的模擬信號捕捉設備來捕捉。例如，模擬信號捕捉設備可包括話筒、光捕捉設備、加速計等。解析度增強的 A/D信號轉換電路100可包括輸入調節模塊102、多個A/D轉換器104、以及控制器106。輸入調節模塊102可被配置成接收動態範圍內的模擬信號輸入108。在一個示例中，模擬信號輸入108表徵音頻輸入，或更具體而言，表徵語音輸入。模擬音頻輸入可由諸如輸入話筒之類的音頻捕捉設備來提供。最大電壓110可根據話筒的可檢測範圍來設置。 換言之，可選擇最大電壓以便與生成模擬信號輸入的輸入設備的硬體限制相對應。可以理解，模擬信號輸入108可表示任何合適類型的時變量，並且可由實際上任何一個或多個合適的模擬輸入源來提供。輸入調節模塊102可被配置成在動態範圍內定義多個不同電壓範圍。在所示實施例中，輸入調節模塊102包括多個限制器112。多個限制器112中的每一個電耦合到多個A/ D轉換器104中一個對應的A/D轉換器。每一限制器通過在模擬信號輸入108大於局部最大電壓或小於局部最小電壓的情況下將模擬信號輸入108修剪到由該局部最大電壓和局部最小電壓所限定的對應電壓範圍內，來保護每一對應的A/D轉換器以免變得過度飽和。具體地，多個限制器112中的一個限制器可通過在模擬信號輸入的電壓大於電壓範圍的局部最大電壓的情況下將該模擬輸入信號的電壓調整到該局部最大電壓、或通過在模擬信號輸入的電壓小於局部最小電壓的情況下將該模擬輸入信號的電壓調整到該局部最小電壓，來修剪該模擬信號輸入。注意到多個限制器112中的一個或多個限制器可在該限制器的限定的電壓範圍內修剪模擬信號輸入，而不調整提供給多個限制器112中的其他限制器的模擬信號輸入。在一個示例中，電壓跟隨電路可在多個限制器112中的一個或多個限制器的輸入處實現，以便阻止限制器改變提供給多個限制器112中的其他限制器的模擬信號輸入。可將多個限制器112中每一限制器的電壓範圍設置成任何合適的電壓範圍。多個電壓範圍可具有不同的大小。例如，可將第一電壓範圍的大小定為匹配模擬信號輸入的動態範圍，並且其他電壓範圍可被定為更小以便在模擬信號輸入的不同區域處提供更大的解析度。在某些實施例中，多個電壓範圍可以以不同的目標電壓為中心或聚焦於不同的目標電壓。在某些實施例中，多個電壓範圍可以以相同的目標電壓為中心。在所示實施例中，因為解析度增強的A/D信號轉換電路100可被配置成轉換表示音頻或語音捕捉的模擬信號輸入，所以多個限制器112的電壓範圍可以以相同的零伏目標電壓為中心，這可表示話筒沒有音頻輸入的穩定狀態操作。注意到電路100可適用於其他模擬信號輸入，並且目標電壓可表示實際上任何模擬傳感器的穩定狀態操作。具體而言，多個限制器112中的每一限制器可將模擬信號輸入108修剪到不同電壓範圍，該不同電壓範圍逐漸地(progressively)小於由最大電壓110所表徵的動態範圍，並且每一不同電壓範圍可以以零伏為中心以便提供關於該目標電壓的增加的信號轉換解析度。例如，第一限制器114可被配置成將模擬信號輸入108修剪到匹配該動態範圍且以零伏為中心的電壓範圍。具體而言，第一限制器114的局部最大電壓可被設置在最大電壓110處，並且第一限制器114的局部最小電壓可被設置成與最大電壓110乘以因子[-1] 相等的一電壓。因此，第一限制器114具有電壓範圍[A，-A]，其中A為最大電壓110。第二限制器116可被配置成將模擬信號輸入108修剪到以零伏為中心的不同電壓範圍，該電壓範圍逐漸地小於由第一限制器114所修剪的電壓範圍。具體而言，可將第二限制器116的局部最大電壓設置成等於第一限制器114的局部最大電壓乘以因子[1/B]的電壓，其中B對應於A/D轉換器的測量間隔數、或者B提供期望更大解析度的範圍。在某些實施例中，多個A/D轉換器104的測量間隔數是按位來測量的。可將第二限制器116的局部最小電壓設置成與第一限制器114的局部最小電壓乘以因子[1/B]相等的電壓。因此，第二限制器116具有電壓範圍[A/B，-A/B]。第三限制器118可被配置成將模擬信號輸入108修剪到以零伏為中心的不同電壓範圍，該電壓範圍逐漸地小於第二限制器116。具體而言，可將第三限制器118的局部最大電壓設置成與第二限制器116的局部最大電壓乘以因子[1/B]相等的電壓。可將第三限制器118的局部最小電壓設置成與第二限制器116的局部最小電壓乘以因子[1/B]相等的電壓。因此，第三限制器118具有電壓範圍[A/(B2)，-A/(B2)]。第四限制器120可被配置成將模擬信號輸入108修剪到以零伏為中心的不同電壓範圍，該電壓範圍逐漸地小於第三限制器118。具體而言，可將第四限制器120的局部最大電壓設置成與第三限制器118的局部最大電壓乘以因子[1/B]相等的電壓。可將第四限制器120的局部最小電壓設置成與第三限制器118的局部最小電壓乘以因子[1/B]相等的電壓。因此，第四限制器120具有電壓範圍[A/(B3)，-A/(B3)]。第五限制器122可被配置成將模擬信號輸入108修剪到以零伏為中心的不同電壓範圍，該電壓範圍逐漸地小於第四限制器120。具體而言，可將第五限制器122的局部最大電壓設置成與第四限制器120的局部最大電壓乘以因子[1/B]相等的電壓。可將第五限制器122的局部最小電壓設置成與第四限制器120的局部最小電壓乘以因子[1/B]相等的電壓。因此，第五限制器122具有電壓範圍[A/(B4)，-A/(B4)]。在所示實施例中，輸入調節模塊102包括多個限制器112，其各自具有包括固定局部最大電壓和固定局部最小電壓的電壓範圍。在某些實施例中，輸入調節模塊102可改為被配置成基於操作參數來動態地調整一個或多個限制器的局部最大電壓和/或局部最小電壓、和/或多個A/D轉換器104中的一個或多個的對應電壓範圍。作為一個示例，操作參數可包括模擬信號輸入108的電壓電平。在某些實施例中，輸入調節模塊102可不包括任何限制器。在某些實施例中，輸入調節模塊102可被配置成經由軟體控制或另一合適機制按固定或動態方式來設置多個A/D 轉換器的一個或多個電壓範圍。繼續圖1，解析度增強的A/D信號轉換電路100包括並行地安排的多個A/D轉換器。多個A/D轉換器1041中的每一 A/D轉換器可被配置成輸出數位訊號，該數位訊號標識到該A/D轉換器的模擬信號輸入。換言之，多個A/D轉換器104中的每一 A/D轉換器輸出數位訊號，該數位訊號表示該A/D轉換器的電壓範圍中的模擬信號輸入。此外，每一 A/D轉換器所輸出的數位訊號具有可基於該A/D轉換器的電壓範圍和測量間隔數(例如，位、2(
等)的解析度。如上所述，第一 A/D轉換器IM可被配置成轉換第一電壓範圍的模擬信號。在一個示例中，第一電壓範圍等價於動態範圍(例如[A，_A])。每一其他A/D轉換器(例如第二 A/D轉換器126、第三A/D轉換器128、第四A/D轉換器130、第五A/D轉換器13 可被配置成使用逐漸增高的A/D轉換解析度來對逐漸減小的電壓範圍的模型信號進行轉換。在所示實施例中，每一電壓範圍以零伏為中心且從動態範圍逐漸以常數因子(例如[1/B])降低。解析度增強的A/D信號轉換電路100包括控制器106，該控制器106可被配置成接收多個A/D轉換器104中的每一個並行地輸出的數位訊號。控制器106可被配置成基於從多個A/D轉換器104中具有最高A/D轉換解析度的一個未修剪的轉換器中所接收的一個數位訊號來輸出已編碼信號134。換言之，控制器106可被配置成從具有最高解析度並在電壓範圍內且未被設置成該電壓範圍的局部最大電壓或局部最小電壓的A/D轉換器中選擇數位訊號，並且輸出標識所選A/D轉換器的模擬輸入電壓的已編碼信號134。注意，控制器 106可被配置成對從多個A/D轉換器104輸出的多個數位訊號中的一個或多個數位訊號執行任何合適的數學或邏輯運算，以輸出已編碼信號134。以下提供了一段示例偽代碼，用於配置控制器106來為浮點輸出選擇數位訊號， 其中由電路100輸出的已編碼信號134基於該該浮點輸出。float outputLevel = 0.0;
if (level5. value < level5 .maxLevel-level5 .tolerance
Il level5.value > level5.minLevel+level5.tolerance) { outputlevel = Ievel5.value*level5.scale; // 其中 scale (縮放)將局部電壓電平與A/D轉換器的最大/最小電壓相關。 } else if (level4.value level4.minLevel+level4.tolerance) {
outputlevel = level4.value *level4.scale; // 其中 scale (縮方文)將局部電壓電平與A/D轉換器的最大/最小電壓相關。 } else if (level3 .value IeveB.minLevel+level3.tolerance) {
outputlevel = level3.value *level3.scale; // 其中 scale (縮放)將局部電壓電平與A/D轉換器的最大/最小電壓相關。 } if (level2.value < level2.maxLevel-level2.tolerance
Il level2.value > level2.minLevel+level2.tolerance) {
outputlevel = level2.value *level2.scale; // 其中 scale (縮方夂)將局部電壓電平與NO轉換器的最大/最小電壓相關。 } else {//最高級別是最佳解析度。
outputlevel = levell.value *levell.scale; // 其中 scale (縮放)將局部電壓電平與A/D轉換器的最大/最小電壓相關。
} 偽代碼以從最高解析度A/D轉換器輸出的數位訊號開始，並且檢查該數位訊號是否等效於A/D轉換器的電壓範圍的預定容限內的局部最大電壓或預定容限內的局部最小電壓。如果數位訊號不等效於A/D轉換器的電壓範圍的預定容限內的局部最大電壓或預定容限內的局部最小電壓，則該數位訊號不被修剪且該數位訊號被選擇，並且已編碼信號1；34 基於該數位訊號。例如，所選數位訊號可乘以A/D轉換器/限制器的電壓範圍的縮放，並且所得的積可被包括在已編碼信號134中。如果數位訊號等效於A/D轉換器的電壓範圍的預定容限內的局部最大電壓或預定容限內的局部最小電壓，則該數位訊號被修剪且該數位訊號不被選擇。注意在某些實施中，預定容限可在每一對A/D轉換器-限制器的基礎上來設置，因為每一 A/D轉換器可具有不同噪聲和/或電軌特徵。另一方面，在某些實施例中，對於某些或全部A/D轉換器-限制器對，預定容限可以是相同的。偽代碼移動至次高解析度的A/D轉換器，以此類推，搜索未修剪的數位訊號，直到找到未修剪的數位訊號為止。由於搜索在最高解析度的數位訊號處開始且移動至最低解析度的數位訊號，因此所找出的第一個未修剪的信號是最高解析度的未修剪的信號。例如，使用以上參考圖1所描述的示例，如果A = 1且B = 4，並且多個A/D轉換器中的每一個都是16位，則以下條件適用
權利要求
1.一種解析度增強的模數信號轉換電路(100)，包括並行地安排的多個模數轉換器(104)，所述多個模數轉換器(104)中的每一模數轉換器被配置成輸出標識到所述模模數轉換器的模擬信號輸入(108)的數位訊號，所述多個模數轉換器中的一個被配置成轉換第一電壓範圍的模擬電壓，並且每一其他模數轉換器被配置成用逐漸更高的模數轉換解析度對逐漸變小的電壓範圍的模擬信號進行轉換；輸入調節模塊(102)，所述輸入調節模塊(10 被配置成在所述多個模數轉換器(104)中的任一個的模擬信號輸入(108)以其他方式都會在對應於所述模擬轉換器的電壓範圍以外的情況下，將這一模擬信號修剪成對應於所述模數轉換器的電壓範圍內的模擬信號；以及控制器 (106)，所述控制器(106)被配置成接收從所述多個模數轉換器中的每一個輸出的數位訊號，並且基於從所述多個模數轉換器中具有最高模數轉換解析度的一個未修剪的模數轉換器處接收的一個這樣的數位訊號來輸出已編碼信號(134)。
2.如權利要求1所述的解析度增強的模數信號轉換電路，其特徵在於，所述多個模數轉換器中的每一個被配置成標識不同的且逐漸變小的電壓範圍中的模擬信號，並且其中每一個不同的電壓範圍以相同的目標電壓為中心。
3.如權利要求1所述的解析度增強的模數信號轉換電路，其特徵在於，所述控制器被配置成基於所述一個這樣的數位訊號以及一個或多個其他未修剪的信號來輸出已編碼信號。
4.如權利要求1所述的解析度增強的模數信號轉換電路，其特徵在於，所述多個模數轉換器各自具有相同的測量間隔數。
5.如權利要求1所述的解析度增強的模數信號轉換電路，其特徵在於，所述輸入調節模塊被配置成基於操作參數來動態地調整所述多個模數轉換器中的一個或多個的對應電壓範圍的局部最大電壓和/或局部最小電壓。
6.如權利要求1所述的解析度增強的模數信號轉換電路，其特徵在於，每一電壓範圍包括固定的局部最大電壓和固定的局部最小電壓。
7.如權利要求1所述的解析度增強的模數信號轉換電路，其特徵在於，每一其他電壓範圍在大小上從所述第一電壓範圍按常數因子減小。
8.如權利要求1所述的解析度增強的模數信號轉換電路，其特徵在於，所述已編碼信號包括浮點數，所述浮點數指示從具有所述最高模數轉換解析度的所述未修剪的模數轉換器處接收的數位訊號的電壓電平。
9.如權利要求1所述的解析度增強的模數信號轉換電路，其特徵在於，所述已編碼信號包括整數值，且所述控制器被配置成輸出第二信號，所述第二信號包括倍數值，所述倍數值將所述整數值的縮放比例限定為與從具有所述最高模數轉換解析度的所述未修剪的模數轉換器處接收的數位訊號的電壓電平相對應。
10.如權利要求1所述的解析度增強的模數信號轉換電路，其特徵在於，所述輸入調節模塊包括多個限制器，所述多個限制器中的每一限制器都電耦合至對應的模數轉換器、並且被配置成在到所述模數轉換器的模擬信號輸入以其他方式都會在對應於該模數轉換器的電壓範圍以外的情況下將該模擬信號輸入修剪成對應於該模數轉換器的電壓範圍內的模擬信號。
全文摘要
本發明公開了解析度增強的模數轉換。提供了一種解析度增強的模數信號轉換電路。該電路包括並行地安排的多個模數轉換器。多個模數轉換器中的每一模數轉換器被配置成輸出數位訊號，該數位訊號標識輸入到該模數轉換器的模擬信號輸入。該電路還包括輸入調節模塊，該輸入調節模塊被配置為在到多個模數轉換器的任一個的模擬信號輸入以其他方式都會在對應於該模數轉換器的電壓範圍以外的情況下，將這一模擬信號修剪到所述電壓範圍內。該電路還包括控制器，所述控制器被配置成接收從每一模數轉換器輸出的數位訊號，並且基於從具有最高轉換解析度的未修剪的模數轉換器處接收的一個或多個數位訊號來輸出已編碼信號。
文檔編號H03M1/12GK102427367SQ20111037517
公開日2012年4月25日 申請日期2011年11月8日 優先權日2010年11月9日
發明者A·洛維特 申請人:微軟公司