模擬信號數位化的裝置和方法
2023-10-08 21:54:24
專利名稱：模擬信號數位化的裝置和方法
技術領域：
本發明涉及一種模擬信號的數位化裝置和方法，特別是涉及一種採用自動增益控制的模擬信號數位化裝置和方法。
背景技術：
模數轉換裝置經常應用在各種計算機、測量儀器、工業控制設備中，將模擬型態的信號(如語音、溫度、壓力等)轉換成數字型態的信號，以便於進行進一步的數字處理。信號經過模數轉換器時會產生多種噪音。因此需要考慮信號的信噪比問題。
以語音信號為例。錄音是將語音通過話筒把聲波轉換為模擬電信號，經過模數轉換器模數轉換，採樣量化為數位訊號。錄音過程中有兩種噪音，一種是背景(環境)噪音，另一種是量化噪音。背景噪音是通過改善錄音話筒的指向性，或是用多個話筒來抵消。而量化噪音是由量化器的量化步長、採樣頻率以及模數轉換器的比特位數決定。對採用∑-Δ(sigma-delta)量化方式的模數轉換器，當信號幅度滿幅情形下，量化器引入的信噪比可以簡化為SNR＝(1.763+6.02b)dB，其中b是量化長度。也就是說，在理想信號輸入情況下，量化噪音被證明是和量化長度相關的一個線形表達式。當輸入信號幅度遠小於量化器匹配幅度，量化器的噪音就會造成信號的信噪比很低。下文將這樣的信號稱為小信號。
對特定信號，比如語音或音樂信號，信號的強度是變化的，但是沒有一個量化器能滿足正好匹配信號的幅度，因此這些信號經過模數轉換器之後，信噪比有高有低。在輸入信號為小信號的時候，模數轉換器採用量化後的信號信噪比很低。
在現有技術下對小信號進行模數轉換，會發生小信號被噪音淹沒的現象。
發明內容
鑑於所述現有技術存在的問題，本發明主要目的是提供一種採用自動增益控制的模擬信號數位化的裝置和方法，使進入模數轉換器的小信號的幅度儘量與模數轉換器的理想幅度相匹配，從而提高小信號的信噪比。
為了達到所述目的，根據本發明的第一方面提供模擬信號數位化的裝置，其特徵在於，所述裝置包括模擬信號放大器，根據加在其上的增益係數對輸入的模擬信號進行放大；模數轉換器，對放大後的所述模擬信號進行模數轉換，將所述模擬信號轉換為數位訊號；自動增益控制器，根據數位訊號的信號值確定增益係數，並將所述增益係數饋送到模擬信號放大器和幅度調節器；和幅度調節器，根據所述自動增益控制器饋送的所述增益係數對數位訊號進行縮減。
在根據本發明的模擬信號數位化的裝置中，優選的是，自動增益控制器判斷數位訊號是否為小信號，若判斷不是小信號，則將所述增益係數確定為單位增益。
優選的是，所述增益係數是根據數位訊號的信號值從若干固定值選定的，信號值越小，選為增益係數的固定值越大。
優選的是，所述增益係數是按照模數轉換器的匹配信號值和數位訊號的信號值的比值確定的。進一步優選地，所述模數轉換器的匹配信號值為模數轉換器滿幅狀態下最大允許信號值的80％-90％。
優選的是，所述數位訊號的信號值是在一段時間間隔內的數位訊號的電平絕對值之和或電平平方之和。
優選的是，所述輸入的模擬信號是聲音或語音信號。進一步優選地，所述數位訊號的信號值是針對採樣10ms的語音信號計算得到的。
優選的是，模數轉換器是∑-Δ量化方式的模數轉換器。
優選的是，所述模擬信號數位化的裝置還包括低通濾波器，對數位訊號放大器輸出的信號進行低通濾波。
本發明可提高小信號通過模數轉換器時的信噪比，從而可以提高模數轉換過程中的整體信噪比。
根據本發明的第二方面，提供一種模擬信號數位化的方法，其特徵在於，所述方法包括以下步驟根據增益係數，對輸入的模擬信號進行放大，增益係數初始設定為單位增益；將所述放大的模擬信號轉換成數位訊號；採集所述數位訊號，計算樣本數位訊號的信號值，再通過比較樣本數位訊號的信號值與模數轉換器的匹配信號值，確定增益係數；將所述增益係數反饋回對輸入的模擬信號進行放大的步驟，同時根據所述增益係數對數位訊號進行縮減。
圖1，根據本發明的模擬信號數位化裝置的方框圖。
為更好地理解本發明，下面結合附圖和具體實施方式
對本發明作進一步說明。
具體實施例方式
以下是對根據本發明的一實施例的說明。
圖1是根據本發明的電路裝置的方框圖，示意了採用自動增益控制對音頻信號數位化的過程。
如圖1所示，所述電路裝置包括模擬信號放大器11、模數轉換器12、自動增益控制器13、音量調節器14及低通濾波器15。
首先，模擬信號放大器11接收輸入的音頻模擬信號並且根據加在放大器11上的增益係數將模擬信號放大。增益係數來自自動增益控制器13。增益係數在初始工作時設定為單位增益，即倍數為一。也就是說，在初始工作時，放大器11對輸入的模擬信號進行單位增益的放大。
放大後的模擬信號經模數轉換器12將模擬信號轉換為數位訊號。從模數轉換器12輸出的數位訊號同時傳送到自動增益控制器13和音量調節器14。
自動增益控制器13根據輸入的數位訊號，確定增益係數。
首先，自動增益控制器13計算輸入數位訊號的幅度或電平或者能量值。該數值一般是對某一時間間隔內的數位訊號分析而得到的。該時間間隔是可以調節的，間隔越短，調節越精確。然而間隔短，運算量就大，調整就頻繁。優選的是，針對輸入信號的頻譜特性來設定。對於音頻信號，特別是語音信號具有短時周期性如20-30ms，因此可以將時間間隔設為10ms左右。可以採用絕對值法，即將特定時間間隔內的所有信號電平的絕對值相加，或者計算所有信號電平的平方和，後者更接近輸入信號的能量值，但是運算複雜度高，對於硬體實現可以考慮前者。為簡化描述，在本說明書中將計算得到的信號電平的絕對值之和或者信號電平的平方和稱為信號值。
在計算出的信號值的基礎上，自動增益控制器13確定增益係數。增益係數可以分成若干等級，如1、2、4、8倍等，也可以是任意倍數。前者適合硬體電路實現。在一個例子中，自動增益控制器13按照計算出的信號值來確定增益係數為自動增益控制器預先設置的若干等級1、2、4和8倍中的一個，信號值越小，選定的倍數越高。在另一個例子中，增益係數是將數位訊號的信號值除以模數轉換器匹配信號值而得到的值。這裡的模數轉換器匹配信號值是指為使模擬信號轉換為數位訊號，模數轉換器12允許的最佳輸入信號值，它可以是信號電平值，也可以是能量值；它既可以是模數轉換器滿幅狀態下最大允許的信號值，也可以是小於該最大允許信號值的其它數值，比如最大允許信號值的80-90％。需要指出的是，匹配信號值的取值和輸入數位訊號的信號值取值存在對應關係。若輸入數位訊號的取值為單個信號的電平值、一段信號的信號電平絕對值之和，或者一段信號的信號電平平方和，則匹配信號值的數值也要作相應的調整。
自動增益控制器13再將上述計算出來的增益係數反饋到模擬信號放大器11。模擬信號放大器根據反饋到的增益係數對模擬信號進行放大。使輸入模數轉換器的模擬信號幅度接近模數轉換器理想狀態下的幅度大小。
與此同時，將同樣的增益係數傳送到音量調節器14。音量調節器14根據自動增益控制器傳送的增益係數對信號進行縮減，將信號幅度進行還原，從而保證輸出信號幅度與輸入信號的幅度相當。在幅度調整器對數位訊號以增益係數進行縮減是為了使信號幅度和能量能正確地還原，不發生扭曲。
還原後的信號再進入低通濾波器15，對所述音量調節器14輸出的信號進行低通濾波。
根據上述增益係數對模數轉換器的輸入信號進行放大，能使輸入模數轉換器的信號的幅度接近於模數轉換器理想狀態下的幅度大小。由於模數轉換器對滿幅信號的模數轉換可以獲得接近理想的信噪比，因此，輸出信號的信噪比相對提高。
在又一個例子中，自動增益控制器13根據計算得到的數位訊號的信號值判斷該數位訊號是否小於一定的幅度，並且僅當判斷結果是小於的情況下才將增益係數饋送到模擬信號放大器11和音量調節器15。若判斷輸入信號大於或等於該一定幅度，自動增益控制器13則將數值為單位增益的增益係數反饋到模擬信號放大器11，同時將其饋送到音量調節器15。
顯而易見，在此描述的本發明可以有許多變化，這種變化不能認為偏離本發明的精神和範圍。比如，本發明還可適用於聲音信號以外的其它信號。在此情形下，音量調節器改稱為幅度調節器。因此，所有對本領域技術人員顯而易見的改變，都包括在本權利要求的涵蓋範圍之內。
權利要求
1.一種模擬信號數位化的裝置，其特徵在於，所述裝置包括模擬信號放大器，根據加在其上的增益係數對輸入的模擬信號進行放大；模數轉換器，對放大後的所述模擬信號進行模數轉換，將所述模擬信號轉換為數位訊號；自動增益控制器，根據數位訊號的信號值確定增益係數，並將所述增益係數饋送到模擬信號放大器和幅度調節器；和幅度調節器，根據所述自動增益控制器饋送的所述增益係數對數位訊號進行縮減。
2.根據權利要求1所述的裝置，其特徵在於，自動增益控制器判斷數位訊號是否為小信號，若判斷不是小信號，則將所述增益係數確定為單位增益。
3.根據權利要求1或2所述的裝置，其特徵在於所述增益係數是根據數位訊號的信號值從若干固定值選定的，信號值越小，選為增益係數的固定值越大。
4.根據權利要求1或2所述的裝置，其特徵在於，所述增益係數是按照模數轉換器的匹配信號值和數位訊號的信號值的比值確定的。
5.根據權利要求4所述的裝置，其特徵在於，所述模數轉換器的匹配信號值為模數轉換器滿幅狀態下最大允許信號值的80％-90％。
6.根據權利要求1或2所述的裝置，其特徵在於所述數位訊號的信號值是在一段時間間隔內的數位訊號的電平絕對值之和或電平平方之和。
7.根據權利要求1或2所述的裝置，其特徵在於，所述輸入的模擬信號是聲音或語音信號。
8.根據權利要求7所述的裝置，其特徵在於，所述數位訊號的信號值是針對採樣10ms的語音信號計算得到的。
9.根據權利要求1或2所述的裝置，其特徵在於，模數轉換器是∑-Δ量化方式的模數轉換器。
10.根據權利要求1或2所述的裝置，其特徵在於，還包括低通濾波器，對所述幅度調節器輸出的信號進行低通濾波。
11.一種模擬信號數位化的方法，其特徵在於，所述方法包括以下步驟根據增益係數，對輸入的模擬信號進行放大，增益係數初始設定為單位增益；將所述放大的模擬信號轉換成數位訊號；採集所述數位訊號，計算樣本數位訊號的信號值，再通過比較樣本數位訊號的信號值與模數轉換器的匹配信號值，確定增益係數；將所述增益係數反饋回對輸入的模擬信號進行放大的步驟，同時根據所述增益係數對數位訊號進行縮減。
全文摘要
本發明提供一種模擬信號數位化的裝置與方法，所述裝置包括模擬信號放大器，根據加在其上的增益係數對輸入的模擬信號進行放大；模數轉換器，對放大後的所述模擬信號進行模數轉換，將所述模擬信號轉換為數位訊號；自動增益控制器，根據數位訊號的信號值確定增益係數，並將所述增益係數饋送到模擬信號放大器和幅度調節器；以及，幅度調節器，根據所述自動增益控制器饋送的所述增益係數對數位訊號進行縮減。
文檔編號H03M1/08GK1700603SQ20051007209
公開日2005年11月23日 申請日期2005年5月27日 優先權日2004年12月31日
發明者懷千江, 溫小勇 申請人:北京中星微電子有限公司