專利名稱：信號處理方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種用于增強信號的動態(tài)范圍的信號處理方法。本發(fā)明還涉及一種用于信號恢復的信號處理方法，以及涉及一種用于執(zhí)行所述方法的信號處理器。
背景技術：
可以產(chǎn)生具有高動態(tài)范圍信號的設備示例是麥克風。這些設備可以檢測到極靜的聲音(例如，耳語)到極高的聲音(例如，音樂會或飛機起飛)，而沒有失真。在一些情況下，處理這種高動態(tài)范圍的信號可能是困難的或者是不可能的。例如， 在移動電話應用中，將麥克風與基帶電路耦合的數(shù)字信道可以處理的動態(tài)范圍限制了該數(shù)字信道。此外，由標準規(guī)定來數(shù)字信道的特性，因此不可能增強這些特性。因此，處理較高動態(tài)范圍的任何嘗試都必須與該數(shù)字信道和現(xiàn)有的基帶電路兼容。用于改善信號的動態(tài)范圍的現(xiàn)有技術使用信號壓縮(例如，壓伸(companding)) 技術或時變增益控制(例如，自動增益控制)。然而，這些技術影響了信號的線性，并且與諸如降噪和回聲消除算法之類的各種信號處理算法不兼容。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供了一種用于提高信號的動態(tài)范圍的信號處理方法， 所述方法包括a)根據(jù)輸入信號形成衰減信號；b)對輸入信號和衰減信號各進行濾波，使得輸入信號與衰減信號的帶寬之和小于或等于傳輸信道的帶寬；c)調(diào)制已濾波輸入信號和已濾波衰減信號中的一個，使得已濾波輸入信號與已濾波衰減信號分別占用傳輸信道的帶寬內(nèi)沒有重疊的頻率范圍；以及d)將調(diào)制后的信號與已濾波輸入信號和已濾波衰減信號中的另一個相組合，以形成復合(composite)輸出信號。因此，本發(fā)明提供了一種用于將原始輸入信號與其衰減版本打包(bundling)為復合輸出信號以在相同信道上傳輸?shù)姆椒?。原始輸入信號可以被用于低或中電平信號，而衰減版本可以被用于高電平信號。因此，以信號帶寬為代價，通過輸入信號和衰減信號提供了較高的動態(tài)范圍。在該方法的典型應用中，從麥克風接收輸入信號。例如，如果從具有脈沖密度調(diào)制 (PDM)輸出的數(shù)字麥克風接收輸入信號，則輸入信號可以是數(shù)字的。這種麥克風通常用于移動電話應用中。在一個實施例中，使用電容性網(wǎng)路來根據(jù)輸入信號形成衰減信號。這在從麥克風接收輸入信號時尤其有用，因為電容性網(wǎng)絡通常是電容式傳感器。然而，對于其它傳感器， 可以使用不同類型的衰減電路(例如，電阻式分壓器)。典型地，電容式網(wǎng)絡包括串聯(lián)耦合的電容器和電容式分壓器，串聯(lián)耦合的電容器用于將輸入信號與信號處理電路耦合；電容式分壓器包括串聯(lián)在用于接收輸入信號的輸入節(jié)點與地之間的兩個電容器。衰減信號存在于兩個電容器之間的接合處，以及選擇兩個電容器的相對值，以獲得期望衰減。在一個實施例中，所述方法還包括，在步驟(b)之前，將輸入信號和衰減信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。數(shù)字信號可以是脈沖密度調(diào)制單比特流，在這種情況下，典型地利用Λ-Σ模數(shù)轉(zhuǎn)換器完成轉(zhuǎn)換。備選地，數(shù)字信號可以是具有η比特寬度的脈沖編碼調(diào)制(PCM)數(shù)字信號，其中，η大于或等于2?？梢灾苯拥赝瓿傻絇CM數(shù)字信號的這種轉(zhuǎn)換，或在(例如，使用Λ - Σ模數(shù)轉(zhuǎn)換器)轉(zhuǎn)換為PDM之后使用I比特至N比特轉(zhuǎn)換器(從PDM信號產(chǎn)生PCM 信號)將其轉(zhuǎn)換為PCM來完成到PCM數(shù)字信號的這種轉(zhuǎn)換。典型地，所述方法還包括，在步驟(C)之前，對所述已濾波輸入信號和已濾波衰減信號中的一個進行抽取。在另一實施例中，在模擬域中執(zhí)行步驟(b)。在該實施例中，可以將已濾波輸入信號和已濾波衰減信號轉(zhuǎn)換為脈沖密度調(diào)制 (PDM)單比特比特流。典型地，使用Λ-Σ模數(shù)轉(zhuǎn)換器來完成這種轉(zhuǎn)換。備選地，可以將已濾波輸入信號和已濾波衰減信號轉(zhuǎn)換為具有η比特寬度的脈沖編碼調(diào)制(PCM)數(shù)字信號，其中，η大于或等于2。可以直接地完成到PCM數(shù)字信號的這種轉(zhuǎn)換，或在(例如，使用Λ - Σ模數(shù)轉(zhuǎn)換器)轉(zhuǎn)換為PDM之后使用I比特至N比特轉(zhuǎn)換器 (從PDM信號產(chǎn)生PCM信號)將其轉(zhuǎn)換為PCM來完成到PCM數(shù)字信號的這種轉(zhuǎn)換。可以將已濾波輸入信號和已濾波衰減信號中的一個與η比特寬度的數(shù)字信號相乘來執(zhí)行步驟(c)的調(diào)制，其中合成所述η比特寬度的數(shù)字信號，以與具有已濾波輸入信號和已濾波衰減信號的采樣頻率的二分之一頻率的正弦波相近似。優(yōu)選地，所述方法還包括以下步驟e)將步驟(d)的組合信號轉(zhuǎn)換為I比特比特流。根據(jù)本發(fā)明的第二方面，提供了一種信號處理方法，用于從根據(jù)本發(fā)明的第一方面的方法產(chǎn)生的復合輸出信號中恢復輸入信號和衰減信號，所述信號處理方法包括使用低通濾波器恢復輸入信號，以及通過解調(diào)復合輸出信號然后再使用低通濾波器來恢復衰減信號。典型地，低通濾波器具有復合輸出信號的采樣頻率的四分之一的截止頻率，以及通過將復合輸出信號與具有二分之一采樣頻率的頻率的正弦波相乘來執(zhí)行解調(diào)。優(yōu)選地，該方法還包括多路復用器，所述多路復用器被配置為根據(jù)恢復的輸入信號和/或衰減信號的幅度來選擇恢復的輸入信號、恢復的衰減信號或這二者的混合。根據(jù)本發(fā)明的第三方面，提供了一種信號處理方法，用于從根據(jù)本發(fā)明第一方面產(chǎn)生的復合輸出信號中恢復輸入信號，所述方法包括使用低通濾波器來恢復輸入信號。第二和第三方面的方法還可以包括當將復合輸入信號轉(zhuǎn)換為I比特比特流時， 在恢復輸入信號和衰減信號之前對復合輸入信號進行抽取。


現(xiàn)在將參考附圖詳細地描述本發(fā)明的示例，其中圖I示出了用于處理輸入信號以增強其動態(tài)范圍的電路；
圖2示出了由圖I的電路產(chǎn)生的復合信號的頻譜；圖3示出了用于處理輸入信號以增強其動態(tài)范圍的另一電路；圖4示出了用于恢復輸入信號并衰減來自圖I或圖3的電路產(chǎn)生的復合信號的信號的電路；以及圖5示出了用于恢復來自圖I或圖3的電路產(chǎn)生的復合信號的輸入信號的電路。
具體實施例方式圖I示出了用于處理來自傳感器I (例如，麥克風)的輸入信號以增強輸入信號的動態(tài)范圍的電路的框圖。傳感器I與電容器網(wǎng)絡2耦合，電容器網(wǎng)絡2提供傳感器I與兩個相應的模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC) 3、4之間的AC耦合。電容器網(wǎng)絡2以因子10衰減提供給ADC3 的信號(即，20dB)，但沒有衰減提供給ADC 4的信號?？梢詫⑵渌?0的衰減因子用于適當具體的環(huán)境。為了獲得衰減因子10，可以將串聯(lián)的具有比率I : 9的值的一對電容器串聯(lián)放置在輸入信號與地之間，較低值電容器與輸入信號相連，而較高值電容器與地相連。然后，在該電容器對的接合處可得到衰減信號。每個ADC3、4均為Λ- Σ轉(zhuǎn)換器，所述Λ - Σ轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生脈沖密度調(diào)制比特流。每個ADC 3、4工作在采樣頻率仁，并且以因子N1對信號進行過采樣。由ADC 4和相關聯(lián)的信號路徑處理低幅度信號。然而高幅度信號將使ADC4過載，從而替換地，由ADC 3與相關聯(lián)的信號路徑處理高幅度信號。優(yōu)選地，應該選擇ADC 3，使得ADC 3可以處理ADC 4的過載點與該過載點和電容器網(wǎng)絡的衰減因子之和之間的信號幅度。ADC 4需要相當高的信躁比(SNR)。通過額定傳感器輸出電平(在麥克風的情況下，典型地，處于IPa聲壓電平處的靈敏度)和固有噪聲電平(noise floor)計算所需值。 另一方面，ADC 3只需要處理較高幅度信號，并且可以具有更低的SNR，而這將導致更低的功耗。每個ADC 3、4分別與I比特至N比特轉(zhuǎn)換器5、6耦合。這些I比特至N比特轉(zhuǎn)換器將I比特PDM比特流轉(zhuǎn)換為N比特脈沖編碼調(diào)制(PCM)格式。這樣做使得容易執(zhí)行以下的信號處理步驟(例如，添加、濾波和調(diào)制)。每個I比特至N比特轉(zhuǎn)換器5、6分別與相應的低通濾波器7、8耦合。這些低通濾波器7,8將信號的帶寬限制到小于fs的四分之一，使得稍后可以恢復信號，而不會在兩個信道之間(即，ADC 3處理的高幅度信號與ADC 4處理的低幅度信號之間)出現(xiàn)顯著的串擾。在設計低通濾波器7、8時，必須在阻帶衰減和通帶紋波組延遲之間進行折衷。低通濾波器7與抽取預校正濾波器9相耦合。在低通濾波器7是四階濾波器的情況下，不需要抽取預校正濾波器9。然而，對于其它濾波器階數(shù)，抽取預校正濾波器9確保了在信號恢復過程中的解調(diào)之后，信號不失真。然后，在調(diào)制器10中，利用頻率的調(diào)制信號對來自抽取預校正濾波器9的
信號進行幅度調(diào)制。直接數(shù)字合成器11從查找表12中檢索值Sin (AV I)，以產(chǎn)生調(diào)制信號。這個調(diào)制步驟對產(chǎn)生以約4頻率為中心的雙邊帶信號有影響。因此，ADC 4和相
2關聯(lián)信號路徑處理的低幅度信號占用上至I的頻率，而ADC 3和相關聯(lián)信號路徑處理的高
4
幅度信號占用4與4之間的頻率。
4 2然后，在加法器13中，將來自調(diào)制器10的調(diào)制信號與來自低通濾波器8的信號相加，以產(chǎn)生由ADC 4和相關聯(lián)信號路徑處理的低幅度信號與ADC 3和相關聯(lián)信號路徑處理的高幅度信號的復合信號。然后，在I比特調(diào)制器14中，將復合信號轉(zhuǎn)換為I比特比特流。在圖2中，示出了這個復合信號的信號頻譜，還示出了從ADC 3至抽取預校正濾波器9的信號路徑的有效濾波器特性。以上參考圖I描述的實現(xiàn)從ADC 3、4往上全部是數(shù)字的。典型地，這可以在數(shù)字信號處理器上實現(xiàn)?？梢酝ㄟ^在模擬域中執(zhí)行低通濾波功能來簡化數(shù)字處理。圖3示出了這種實現(xiàn)。以由于沒有實現(xiàn)圖I的數(shù)字低通濾波器而沒能抑制的更多噪聲為代價，構造了這個較簡化的實現(xiàn)。在該實現(xiàn)中，一對模擬低通濾波器20、21從電容器網(wǎng)絡接收信號。低通濾波器20
接收衰減信號，而低通濾波器21接收非衰減信號。濾波器20、21均具有截止頻率$。
4濾波器20、21分別與相應的ADC 22,23耦合。ADC 22,23與以上參考圖I描述的 ADC 3、4相同，并且適用相同的考量。ADC 22、23以N1的過采樣因子進行過采樣。每個ADC 22,23分別與I比特至2比特轉(zhuǎn)換器24、25耦合。I比特至2比特轉(zhuǎn)換器24、25將從ADC 22,23接收到的PDM比特流轉(zhuǎn)換為2比特PDM信號。2比特PDM信號是能夠?qū)蓚€PDM信號相加所需的最小比特數(shù)。然后，調(diào)制器26使用由直接數(shù)字合成器27產(chǎn)生的調(diào)制信號，來調(diào)制來自I比特至 2比特轉(zhuǎn)換器24的信號。直接數(shù)字合成器27產(chǎn)生具有I1 · f的頻率及2比特寬度的正弦波。在加法器28中，將來自調(diào)制器26的2比特調(diào)制信號與來自I比特至2比特轉(zhuǎn)換器25的低幅度信號相加。然后，數(shù)字I比特調(diào)制器29將得到的復合信號轉(zhuǎn)換為I比特PDM 比特流。復合信號具有如圖2所示的頻譜。在該實現(xiàn)中，沒有抽取預校正濾波器，因為抽取預校正濾波器可以在處理信號恢復的信號處理器中實現(xiàn)。圖4示出了用于從圖I和圖3產(chǎn)生的復合信號中恢復衰減信號和非衰減信號的電路。在圖4中，抽取濾波器30對復合信號進行抽取和下采樣。抽取濾波器30將PDM單比
特比特流轉(zhuǎn)換為具有二分之一采樣頻率4帶寬的多比特PCM信號。
2這產(chǎn)生了提供給解碼器31的PCM信號。解碼器31從復合信號中恢復衰減信號和非衰減信號。為了恢復非衰減信號，解碼器31簡單地將非衰減信號傳送通過具有截止頻率
I的低通濾波器。為了恢復衰減信號，解碼器31通過將衰減信號與具有$頻率的正弦波相 42
乘來解調(diào)輸入信號，然后將解調(diào)信號傳送通過具有截止頻率I的低通濾波器。
4這種處理與FM MPX解碼器技術類似。然而，在標準MPX過程中，需要傳送導頻音，而在上述情況下則不需要。相反，可以使用簡單時鐘計數(shù)器，來從運行在N · fs的系統(tǒng)時鐘中恢復信號。然后，電平移動器(level shifter) 32以因子10放大衰減信號(以與電容器網(wǎng)絡 2引起的衰減因子相匹配)。這導致產(chǎn)生具有類似幅度的兩個信號對于低和中幅度信號而言是噪聲而對高幅度信號而言是線性的衰減信號(現(xiàn)在已放大)，以及對低和中幅度信號而目是線性而對聞幅度 目號而目是失真的非裳減/[目號。為了允許對信號進行適當?shù)慕Y合，使用自適應精細調(diào)諧電路33，自適應精細調(diào)諧電路33調(diào)整(現(xiàn)在已放大的)衰減信號的信號電平，以最小化衰減信號與非衰減信號之差。差最小化電路34監(jiān)視所述差。將基于閾值的多路復用器35用于選擇針對低或中幅度信號電平的非衰減信號或針對高幅度信號電平的(現(xiàn)在已經(jīng)放大并且精細調(diào)諧的)衰減信號。在這兩個信號的重疊部分，可以使用兩個信號的混合信號來產(chǎn)生輸出信號。該多路復用器35監(jiān)視非衰減信號的每個采樣的采樣值。根據(jù)該采樣值，選擇非衰減信號、衰減信號或混合信號作為多路復用器35的輸出。當采樣值小于第一閾值時，選擇非衰減信號。當采樣值等于或大于第一閾值但小于第二閾值時，選擇混合信號，以及當采樣值大于或等于第二閾值時，選擇衰減信號。通過將衰減信號和非衰減信號中的每個信號與相應的權重系數(shù)相乘，并且然后將得到的加權信號相加來產(chǎn)生混合信號。圖5示出了可以只恢復非衰減信號的方法。簡單地，將抽取濾波器40與具有截止
頻率I的低通濾波器41相耦合。這有效地僅從復合信號中濾掉調(diào)制的衰減信號，而只留下 4
衰減信號。如果抽取濾波器是可編程的，則可以對濾波器系數(shù)編程，以將低通濾波器特性并入抽取濾波器40中。以上示例均使用$的濾波器截止頻率。這并非是所需值。可能的是，針對除衰減
信號的非衰減信號，使用更多4的可用帶寬。由電容器網(wǎng)絡限定增大(augmented)信號的動態(tài)范圍，因此將衰減信號的動態(tài)范圍選擇為與(例如，由調(diào)制器的正弦近似法的精度確定的)實現(xiàn)成本和(例如，由ADC 3或 22的SNR確定的)電流消耗相關的折衷。與其它動態(tài)增大的解決方案(例如，壓縮或時變增益控制)相反，本發(fā)明接收到覆蓋了整個動態(tài)范圍的線性信號，從而與諸如回聲或噪聲消除之類的算法兼容。在大多數(shù)情況下(例如，在電話應用中)，不需要全音頻帶寬。因此，隨著本發(fā)明出現(xiàn)的帶寬減小通常不是問題。通過學習附圖、說明書和附加權利要求書，本領域技術人員在實踐請求保護的發(fā)明時可以理解和實施所公開實施例的其他變體。在權利要求中，詞語“包括”不排除其他元件或步驟，不定冠詞“一個”不排除多個。單個處理器或其他單元可以實現(xiàn)權利要求中所記載的若干項的功能。在互不相同的從屬權利要求中記載特定特征的唯一事實并不表示不可以有利地使用這些特征的組合。不僅可以將計算機程序存儲/分配在諸如光存儲介質(zhì)或由其他硬件一起提供或作為其他硬件的一部分的固態(tài)介質(zhì)之類的適當介質(zhì)上，還可以通過諸如因特網(wǎng)或其他有線或無線通信系統(tǒng)之類的其他形式進行分配。權利要求中的任何參考標記不應該解釋為限制范圍。
權利要求
1.一種用于提高信號的動態(tài)范圍的信號處理方法，所述方法包括a)根據(jù)輸入信號形成衰減信號；b)對輸入信號和衰減信號各進行濾波，使得輸入信號與衰減信號的帶寬之和小于或等于傳輸信道的帶寬；c)調(diào)制已濾波輸入信號和已濾波衰減信號中的一個，使得已濾波輸入信號與已濾波衰減信號分別占用傳輸信道的帶寬內(nèi)沒有重疊的頻率范圍；以及d)將調(diào)制后的信號與已濾波輸入信號和已濾波衰減信號中的另一個相組合，以形成復合輸出信號。
2.根據(jù)權利要求I的方法，其中使用電容性網(wǎng)路(2)來根據(jù)輸入信號形成衰減信號。
3.根據(jù)權利要求I或2的方法，還包括在步驟(b)之前，將輸入信號和衰減信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。
4.根據(jù)權利要求3的方法，其中數(shù)字信號是脈沖密度調(diào)制PDM單比特比特流。
5.根據(jù)權利要求3的方法，其中數(shù)字信號是具有η比特寬度的脈沖編碼調(diào)制PCM數(shù)字信號，其中η大于或等于2。
6.根據(jù)前述權利要求中任一項的方法，還包括在步驟(c)之前，對所述已濾波輸入信號和已濾波衰減信號中的一個進行抽取。
7.根據(jù)權利要求I或2的方法，其中在模擬域中執(zhí)行步驟(b)。
8.根據(jù)權利要求7的方法，其中將已濾波輸入信號和已濾波衰減信號轉(zhuǎn)換為脈沖密度調(diào)制PDM單比特比特流。
9.根據(jù)權利要求7的方法，其中將已濾波輸入信號和已濾波衰減信號轉(zhuǎn)換為具有η比特寬度的脈沖編碼調(diào)制PCM數(shù)字信號，其中η大于或等于2。
10.根據(jù)權利要求5或9的方法，其中，通過將所述已濾波輸入信號和已濾波衰減信號中的一個與η比特寬度的數(shù)字信號相乘來執(zhí)行步驟(c)的調(diào)制，其中所述η比特寬度的數(shù)字信號被合成為正弦波，所述正弦波的頻率近似于數(shù)字已濾波輸入信號和數(shù)字已濾波衰減信號的采樣頻率的二分之一。
11.根據(jù)前述權利要求中任一項的方法，還包括以下步驟e)將步驟(d)的組合信號轉(zhuǎn)換為單比特比特流。
12.—種信號處理方法,用于從根據(jù)前述權利要求中任一項的方法產(chǎn)生的復合輸出信號中恢復輸入信號和衰減信號，所述信號處理方法包括使用低通濾波器恢復輸入信號，以及通過解調(diào)復合輸出信號然后再使用低通濾波器，來恢復衰減信號。
13.根據(jù)權利要求12的方法，還包括多路復用器(35)，所述多路復用器被配置為根據(jù)恢復的輸入信號和/或恢復的衰減信號的幅度來選擇恢復的輸入信號、恢復的衰減信號或這二者的混合。
14.一種信號處理方法,用于從根據(jù)前述權利要求中任一項的方法產(chǎn)生的復合輸出信號中恢復輸入信號，所述信號處理方法包括使用低通濾波器(41)來恢復輸入信號。
15.根據(jù)當從屬于權利要求11時權利要求12至14中任一項的方法，還包括在恢復輸入信號和衰減信號之前對復合輸入信號進行抽取。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用于增強信號的動態(tài)范圍的信號處理方法。所述方法包括a)根據(jù)輸入信號形成衰減信號；b)對輸入信號和衰減信號各進行濾波，使得輸入信號和衰減信號的帶寬之和小于或等于傳輸信道的帶寬；c)調(diào)制已濾波輸入信號和已濾波衰減信號中的一個，以使已濾波輸入信號與已濾波衰減信號分別占用傳輸信道的帶寬內(nèi)沒有重疊的頻率范圍；以及d)將調(diào)制信號與已濾波輸入信號和已濾波衰減信號中的另一信號相結合，以形成復合輸出信號。
文檔編號G10L19/00GK102592599SQ20121000558
公開日2012年7月18日 申請日期2012年1月10日 優(yōu)先權日2011年1月12日
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