處理模擬信號的方法和設備的製作方法

2023-10-23 11:30:47 1

專利名稱：處理模擬信號的方法和設備的製作方法
技術領域：
本發明的第一個方面涉及用來處理幅值變化很大，例如語音，並且具有最大與最小幅值變化的第一比值的模擬輸入信號的設備，該設備包括將所說第一比值減少成為第一比值的平方根的第二比值以及輸出具有第二比值的模擬輸出信號的裝置。
本發明的第一個方面還涉及用來處理幅值變化很大，例如語音，並且具有最大與最小幅值變化的第一比值的模擬輸入信號的方法，該方法包括將所說第一比值減少成為第一比值的平方根的第二比值以及輸出具有第二比值的模擬輸出信號的步驟。
特別是，所說處理的目的在於在處理的輸出端將最大與最小幅值變化的比值減少成為在處理之前存在的比值的平方根，以便在存在疊加噪聲的情況下更好地將所說信號通過動態範圍受限的信道進行傳輸。
本發明的第二個方面涉及用來處理幅值已壓縮的輸入信號以便產生幅值為已壓縮幅值的平方的輸出信號的設備和方法。特別是，所說輸入信號可以是根據第一個方面而產生的輸出信號。
在存在傳輸噪聲的通信網絡中，例如無線電傳輸線路的話音傳輸的質量可以用信噪比(SNR)來描述和度量。因為真實的話音信號不具有恆定的幅值，而是或多或少地在大的動態範圍內隨機地變化，所以它不是用來進行SNR度量的方便的測試信號。為此目的，通常使用音頻範圍內各種頻率的恆定電平音調，所獲得的度量被稱作TTNR(測試音調與噪聲之比)。
但是，語音的主觀感覺質量最好用峰值語音響度與寂靜期間的噪聲之比來描述，不是用TTNR來描述的度量。主觀質量的較好度量是接通測試音調電平與斷開測試音調時的剩餘噪聲之比。正是為了求得這一主觀上更重要的質量的最佳值而經常使用稱為壓縮擴張的技術。
壓縮擴張包括在發送端用來提高寂靜期間的發送電平和/或減少高響度期間的電平的可變增益控制，使得信號的整個動態範圍被壓縮/壓縮擴張到一中間值。在接收端，去壓縮擴張器或擴張器進行相反的換算，提高高響度期間的電平以便恢復原始的動態信號的幅值以及同樣地減少寂靜期間的電平。在後一種情況下，任何傳輸時添加的噪聲也在寂靜期間內被減少，正如為提高感覺質量所需要的那樣。
通常使用的壓縮擴張律是所謂的平方根律，即實際發送的信號的幅值正比於信號源幅值的平方根。例如，在語音信號源瞬時具有一單位的1/100的幅值時，發送幅值將被壓縮擴張器提高到1/10。同樣地，在信號源幅值為9個單位時，發送幅值將被減少為3個單位，而單位幅值的定義是通過壓縮擴張器保持不變的電平。現在假設傳輸時疊加的噪聲相當於一個幅值單位的1/100。在寂靜期間當1/10被發送時，接收信號將包括1/10個單位的所需信號以及1/100個單位的噪聲。一旦去壓縮擴張器將1/10個單位的信號減少到其原始的1/100個單位，噪聲也將被減小相同的因子，從1/100減為1/1000。在所需信號為零電平的場合，壓縮擴張器將1/100個單位的接收噪聲解釋為壓縮擴張信號電平，並將其恢復到所認為的原來的信號電平，即1/10000。
因此，可以看出寂靜期間在去壓縮擴張器輸出端的噪聲電平是不使用壓縮擴張和去壓縮擴張時所具有的值的平方。
SNR通常根據分貝的對數尺度來度量，定義為dBs＝20LOG(信號幅值/噪聲幅值)如果在有效語音期間的平均信號幅值取作1，沒有壓縮擴張時寂靜期間的噪聲幅值等於1/100，那麼根據以上公式計算的SNR為40dB。
用壓縮擴張/去壓縮擴張，寂靜期間的噪聲被減為1/10000，給出80dB的SNR，即主觀質量有相當大的改善。
在分別稱作前饋和反饋方法的進行平方根壓縮擴張的兩個已有的方法中，各自的壓縮擴張輸出信號是通過將輸入信號分別除以通過輸入信號的幅值測量，平滑處理和平方根處理而獲得的值-在前饋的場合和通過已壓縮擴張的輸出信號的幅值測量和平滑處理而獲得的值-在反饋的場合。
反饋方法的優點是不明顯地需要平方根函數以及只需對已壓縮擴張的輸出進行幅值測量，使測量設備需要處理的以dBs為單位的信號範圍減小一半。由於輸出幅值是輸入幅值被輸出幅值所除，因而獲得平方根壓縮擴張律。
有兩種已知的後一種類型的壓縮擴張器的實施方案。第一種是全模擬電路實施方案，在該方案中除法電路很可能通過在反饋環路中使用模擬乘法器來實現。第二種是全數字實施方案，在該方案中輸入信號首先被模-數轉換器數位化，然後被饋入在數字上採用反饋或前饋類型的壓縮擴張算法的數位訊號處理電路中。結果必須用數-模轉換器再轉換為模擬信號。
已知的實施方案每個都有它們自己的缺點。全模擬系統的缺點是需要嚴格容差的元件，這些元件難於在半導體集成電路中集成。全數字實施方案的缺點是需要相當複雜的模-數(A-D)和數-模(D-A)轉換器，以及成本高功耗大的數位訊號處理器晶片。
本發明的目的是提供實施平方根律壓縮擴張的一種新方法，該方法的優點是較容易以成本低的半導體工藝集成入成本低的矽集成電路中。下面通過本發明的第一和第二個方面的設備和方法來達到這一目的。
根據本發明的第一個方面的設備包括模-數轉換器，用來將所說輸入信號轉換成以成比例的方式代表被第一基準電壓所除的輸入信號的瞬時值的一系列整數;
根據所說輸出信號的幅值產生所說第一基準信號的裝置;
數-模轉換器，用來根據恆定基準電壓將所說一系列數轉換成模擬信號波形，所說模擬波形形成所說輸出信號。
根據本發明的第一個方面的方法包括以下步驟將所說輸入信號轉換成以成比例的方式代表被根據所說輸出信號的幅值而產生的第一基準電壓所除的輸入信號的瞬時值的一系列整數，根據恆定基準電壓再將所說一系列數轉換成模擬信號波形，所說模擬信號波形形成所說輸出信號。
根據本發明的第二個方面的設備包括模-數轉換器，具有用來將所說輸入信號轉換成一系列整數的裝置，所說系列以成比例的方式表示所說的輸入信號;
數-模轉換器，用來將所說系列數再轉換成形成所說輸出信號的模擬信號，所說轉換器具有根據基準電壓對所說輸出信號進行定標的裝置;
根據所說輸入信號的幅值產生所說基準電壓的裝置。
根據本發明的第二個方面的方法包括以下步驟將所說輸入信號轉換成一系列整數，所說系列以成比例的方式代表所說輸入信號;
將所說系列整數再轉換成形成所說輸出信號的模擬信號，同時根據所說輸入信號的幅值產生的基準電壓對所說輸出信號進行定標。
下面參看所附的原理圖更詳細地描述本發明的實施例，其中，

圖1和圖2是本發明的兩個方面的一般方框圖;
圖3-8用圖來表示包括在圖1和圖2中的方框的不同的電路實現方案;
圖3和圖4分別表示德爾它調製編碼器和解碼器;
圖5和圖6分別表示德爾它一西格馬或西格馬一德爾它編碼器和解碼器;
圖7表示使用可變步長德爾它或德爾它-西格馬調製的壓縮擴張;
圖8表示用恆定步長進行編碼和用可變步長進行解碼的去壓縮擴張。
圖1以方框圖的形式表示用來處理幅值變化很大的諸如語音的模擬輸入信號S的設備。這一設備的目的是在處理之後將輸出信號P的最大與最小幅值變化的比值減少成為在處理之前存在的比值的平方根，以便在存在疊加噪聲的情況下更好地將所說信號通過動態範圍受限的信道進行傳輸。
該設備包括用來將信號S轉換成為一系列整數N1，N2，N3…的將在下面更詳細描述的模-數轉換器2。這些數可最多只包括兩個可能的值，例如+1或-1。系列中的數以成比例的方式表示輸入信號S被基準電壓R所除的瞬時值。該基準電壓R由平滑處理幅值測量裝置4根據當此數系列被根據恆定基準電壓工作的數-模轉換器6再轉換成模擬信號波形時所產生的輸出信號P的幅值來產生，下面將更詳細介紹這種方式。
圖2為圖1的補充，它示出用來處理已壓縮幅值變化的信號U，例如可以是由圖1的設備產生的信號。圖2設備的目的是產生恢復到正常值的幅值變化的信號V，即已壓縮值的平方。
該設備包括將所說已壓縮輸入信號U轉換成一系列整數M1，M2，M3····的模-數轉換器8。這些數可最多只包括兩個可能的值，例如+1和-1。此系列以成比例的方式表示信號U並且被數-模轉換器10再反向轉換為模擬信號V。轉換器10根據通過用測量裝置12來確定輸入信號U的幅值而獲得的基準電壓Q對輸出信號V進行定標，測量裝置12可以包括利用低通濾波器實現的測量平滑處理。
根據本發明的一重要實施例，用於轉換器2、6、8和10的技術可以是德爾它調製，德爾它-西格馬調製或者它們的一種派生技術。
德爾它調製編碼器將模擬信號量化成一系列1比特的二進位數，代表+1或-1。這些值被用來改變斜波發生器或積分器的方向，使得如果原先的值低於輸入信號它就傾斜上升，或者如果原先的值太大的話就傾斜下降。積分器在取樣期間傾斜上升或傾斜下降的量稱作步長。如果以高的速率產生1比特的取樣，跟隨以給定速率變化的信號所需的階梯就會較小，對信號波形的逐級逼近就會更精確。因此可以通過充分地提高取樣的比特率以獲得需要的精度來補償1比特的精略量化。
圖3表示一積分器14，它的輸出信號在比較器16中與輸入信號S進行比較。在頻率為Fb的時鐘的上升沿內將時鐘輸入鎖存器或觸發器18以便以一定的比特率取得判決D。此時鐘同步的判決然後輸入到開關20以便選擇在下一個取樣周期內積分器14將會改變的方向。改變的幅度由步長值來確定。
在另一個已知的系統中，只要每當積分器連續三次在同一方向上上升時就增大步長的值，表明信號改變的速率大於積分器以目前的步長能夠跟隨的速率。這一已知的系統被稱為「壓縮擴張的德爾它調製」，也稱為CVSD(連續可變斜率德爾它)。
參看圖4，通過將模擬信號輸入到與在編碼器中使用的積分器類似的積分器22對該信號再現德爾它調製。編碼器積分器14和再現積分器22之間的區別在於後者必須包括某種形式的洩漏，例如連接在積分電容器26兩端的電阻24，以便使任意積分常數為零(就是說，使任意的開始充電狀態隨時間而放電)。
在通過洩漏積分器再現後，通過低通濾波器可進一步減少高頻量化噪聲，低通濾波器通過最高的似然信號頻率，但衰減在取樣比特率範圍內的噪聲頻率和更高的頻率。
稱為西格馬-德爾它或德爾它-西格馬調製的相關算法的運用在圖5和圖6中表示。區別在於輸入信號S是在積分器-此處標為22′-之前輸入而不是之後。與德爾它調製相比，信號在編碼器中經受額外的積分，這一額外積分在圖6所示的解碼器中通過省略再現積分器22以及只在28′處使用低通濾波來去除。德爾它-西格馬調製表示以合適的平均比值在正、負步長之間交變的正、負步長之間的值，在這一方面它類似於脈寬調製。
德爾它或德爾它-西格馬調製方案還可以在反饋環路中包括多於一個的積分器或者其它頻率響應整形，而且信號可以通過也可以不通過這些元件中的一個或多個。還有可能設計在其中的積分器的值和輸入信號值之間的誤差被量化為大於1比特，因此被稱為德爾它-PCM(脈碼調製)的德爾它調製編碼器和解碼器。
所有這類派生設計的細節不需要在此描述，因為可以在技術教科書找到它們。任何特徵在於根據由步長值或類似的基準電壓確定的定標對輸入信號進行量化的編碼器，步長值或類似的基準電壓能夠根據信號而變化，以及用相同的或不同的、恆定的或可變的步長或類似的基準電壓將已量化信號容易地轉換為模擬信號的方案都適合於實施本發明。
可變的和恆定的步長都能用於本發明。如果用小的步長對信號進行編碼而用大的步長進行解碼，信號的幅值將會被提高。如果，編碼步長大於解碼步長，幅值將被減少。因此，如果編碼步長變化而解碼步長保持不變，信號電平輸出將反比於步長，這樣就實現了平方根壓縮擴張器所需要的除法功能。
因此，如圖7所示，只需要通過從幅值測量中獲得步長來使步長與壓縮擴張的輸出信號的幅值成比例。
作為例子，圖7表示德爾它或德爾它-西格馬類型的和1比特量化的編碼器30。恆定步長解碼器簡化為一低通濾波器32。編碼器的可變步長是通過在34通過測量由低通濾波器恢復為模擬形式的已壓縮擴張信號的幅值來獲得的。在36對幅值測量進行進一步的低通濾波操作或進行稱為壓縮擴張時間常數的平滑處理時間常數。在應用壓縮擴張進行語音傳輸的各種國際標準中對此都有定義。
相應的去壓縮擴張電路如圖8所示。在該電路中，在38用恆定步長對壓縮擴張輸入信號進行編碼以便將其轉換為數字形式，然後在40用與平滑處理輸入幅值成比例的可變步長再解碼為模擬形式。為了正確的系統工作，去壓縮擴張器中在42用來對44處的幅值測量進行平滑處理的低通濾波器或時間常數應等同於在壓縮擴張器中使用的低通濾波器或時間常數。
權利要求
1.用來處理幅值變化很大，例如語音，並且具有最大與最小幅值變化的第一比值的模擬輸入信號(S)的設備，該設備包括將所說第一比值減少成為所說第一比值的平方根的第二比值，以及輸出具有所說第二比值的模擬輸出信號(P)的各裝置，其特徵在於用來將所說輸入信號轉換成一系列以成比例的方式代表輸入信號(S)被第一基準電壓(R)所除的瞬時值的整數(N1，N2…)的模一數轉換器(2)；根據所說輸出信號(P)的幅值產生所說第一基準電壓的裝置(4)；用來根據恆定基準電壓將所說一系列數再轉換成模擬信號波形的數一模轉換器(6)，所說模擬波形形成所說輸出信號(P)。
2.權利要求1所述的設備，其特徵在於所說整數僅包括諸如+1和-1的兩個可能的值。
3.權利要求1或2所述的設備，其特徵在於所說第一基準電壓(R)是由平滑處理的幅值測量裝置(4)產生的。
4.權利要求1-3中的任一權利要求所述的設備，其特徵在於所說模-數轉換器(2)包括根據稱作德爾它調製、德爾它-西格馬調製或它們的派生的技術工作的編碼器(14-20;30)，所說編碼器有將所說，輸入信號(5)量化成只有一個二進位比特解析度的裝置;通過提高取樣率或比特率獲取所需精度的裝置;用於根據所說第一基準電壓確定所說編碼器的步長的裝置(20);所說數-模轉換器(6)有作用於已量化信號的以恆定步長工作的解碼器。
5.用來處理幅值已壓縮的輸入信號(U)以便產生幅值為已壓縮幅值的平方的輸出信號(V)的設備，其特徵在於具有用來將所說輸入信號轉換成一系列整數(M1，M2…)的裝置的模-數轉換器(8)，所說系列以成比例的方式表示所說輸入信號;用來將所說一系列數轉換成形成所說輸出信號(V)的模擬信號的數-模轉換器(10)，所說轉換器具有根據基準電壓(Q)對所說輸出信號進行定標的裝置;根據所說輸入信號的幅值產生所說基準電壓的裝置。
6.權利要求5所述的設備其特徵在於所說一系列整數被限制為諸如+1和-1的僅有的兩個可能的值。
7.權利要求5或6所述的設備，其特徵在於所說輸入信號的幅值是用包括用來平滑處理測量值的低通濾波器的測量裝置(12)來確定的。
8.權利要求5-7中的任一權利要求所述的設備，其特徵在於所說模-數轉換器(8)和所說數-模轉換器(10)分別包括根據稱作德爾它調製、德爾它-西格馬調製或它們派生的技術工作的編碼器和解碼器，所說編碼器具有用來產生包含代表僅兩個可能的值並且以成比例的方式表示所說輸入信號(U)的瞬時值的單比特二進位數的所說輸出數系列的裝置;通過提高取樣變換率或比特率對粗略的雙電平量化進行補償以便獲得所需精度的裝置;所說解碼器被設計成接收與由編碼器產生的輸出比特流相同的輸出比特流，並再將其轉換為模擬信號波形，所說解碼器有通過根據所說基準信號對所說模擬波形進行定標和通過用所說基準信號來確定所說解碼器的步長以產生所說輸出信號的裝置。
9.用來處理幅值變化很大，例如語音，並且具有最大與最小幅值變化的第一比值的模擬輸入信號的方法，該方法包括將所說第一比值減少成為所說第一比值的平方根的第二比值，以及輸出具有所說第二比值的模擬輸出信號的步驟，其特徵在於將所說輸入信號轉換成一系列以成比例的方式代表輸入信號被根據所說輸出信號的幅值產生的第一基準電壓所除的瞬時值的整數;根據恆定基準電壓將所說數流再轉換為模擬信號波形，所說模擬信號波形形成所說輸出信號。
10.權利要求9所述的方法，其特徵在於所說整數僅包括諸如+1和-1的兩個可能的值。
11.處理幅值已壓縮的輸入信號，以便產生幅值為已壓縮幅值的平方的輸出信號的方法，其特徵在於將所說輸入信號轉換成一系列整數，所說系列以成比例的方式表示所說輸入信號;將所說系列數再轉換成形成所說輸出信號的模擬信號，同時根據所說輸入信號的幅值產生的基準電壓對所說輸出信號進行定標。
12.權利要求11所述的方法，其特徵在於所說系列整數被限制為諸如+1和-1的僅有的兩個可能的值。
全文摘要
本發明涉及用來處理幅值變化很大的模擬輸入信號(S)的設備和方法。該設備包括用來將輸入信號(S)轉換成為一系列整數(N
文檔編號H04B1/64GK1057742SQ9110431
公開日1992年1月8日 申請日期1991年6月26日 優先權日1990年6月26日
發明者保羅·W·登特 申請人:艾利森-Ge.流動通訊控股有限公司