專利名稱：∑－△調(diào)制器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明通常涉及一種∑-Δ(sigma-delta)調(diào)制器及其方法。


圖1A示出了常規(guī)數(shù)字反饋∑-Δ調(diào)制器(SDM)10的結(jié)構(gòu)。如所示，量化器12的輸出信號20經(jīng)過加權(quán)(或增益)a1...n(n≥1)反饋，并從積分器I1...n的輸入中減去。圖1B示出了常規(guī)數(shù)字前饋∑-Δ調(diào)制器(SDM)11的結(jié)構(gòu)。如所示，積分器I1...n的輸出被加權(quán)并相加(在加法器13中)。量化器12的輸出信號20被反饋，并從第一積分器的輸入中減去。
只要SDM 10穩(wěn)定，積分器I1...n的值就有界。然而，對于大的輸入信號，高階(例如，二階以上)的SDM(具體地，1位SDM)會不穩(wěn)定。這種現(xiàn)象可導(dǎo)致在∑-Δ模/數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)以及數(shù)/數(shù)(DD)轉(zhuǎn)換器中出現(xiàn)問題，這是因為不能控制輸入信號的幅度(例如，在現(xiàn)場錄音中)。下面描述了為使由于大的輸入而不穩(wěn)定的SDM達到穩(wěn)定的現(xiàn)有解決方法。
不穩(wěn)定的SDM的特征在于，輸出信號20包括長串的0或1。如果檢測到長串的相等輸出，則可復(fù)位SDM 10。這種解決方法的缺點在于SDM 10的輸出位流將包含真正可以聽到的中斷。
另一種常規(guī)解決方法，如1978年7月Tewksbury等人在《IEEETransations on Circuits and Systems》(第25卷)中的“Oversampled，Linear Predictive，and Noise-Shaping Coders of Order N＞1”所教導(dǎo)的，包括限幅器的使用。在SDM剛要變得完全不穩(wěn)定之前，內(nèi)積分器的值迅速增加。通過給積分器I1...n的值施加限幅器電路，SDM 10保持穩(wěn)定。然而，通常這種穩(wěn)定不是絕對的，并且僅對稍大于工作正常范圍的值確保這種穩(wěn)定。當(dāng)限幅器工作時，SNR降低，且迅速降至低水平。而且，限幅器在最初穩(wěn)定的可用區(qū)域內(nèi)還使SNR稍微降低。況且，限幅器的工作常常導(dǎo)致可以聽到的人為噪聲(artifact)。
如所描述的那樣，保持SDM穩(wěn)定的常規(guī)技術(shù)具有至少3個缺點1.穩(wěn)定不是無條件的，2.SNR性能降低；以及3.引入了可以聽到的人為噪聲。
本發(fā)明的目的在于提出一種提高∑-Δ調(diào)制器(SDM)穩(wěn)定性的方法。
為此，本發(fā)明提供了一種單元，其包括串聯(lián)的n(n≥1)個積分器，其中n個積分器的第一個積分器接收輸入信號；至少一個Q設(shè)備，在對其輸入的信號的絕對值較小時用作量化器，而在對其輸入的信號的絕對值較大時用作增益元件；以及一個用于量化該單元的輸出的設(shè)備。
在一個或多個示范性實施例中，所述單元是反饋或前饋SDM。
在一個或多個示范性實施例中，所述單元包括一個Q設(shè)備。在這種設(shè)置中，可這樣放置這個Q設(shè)備，即使向這個Q設(shè)備輸入的信號是最后一個積分器的輸出，并且這個Q1設(shè)備的輸出是用于量化的設(shè)備的輸入，和/或向帶有n個積分器的權(quán)重的反饋環(huán)輸入。
在一個或多個示范性實施例中，所述單元包括m個Q設(shè)備(m≤n)。在這種設(shè)置中，向m個Q設(shè)備輸入的信號可以是最后一個積分器的輸出，m個Q設(shè)備的輸出可以向具有對積分器進行加權(quán)的n個反饋環(huán)中的一個或多個輸入，并且最后積分器的輸出或m個Q設(shè)備中任意一個的輸出向用于量化的設(shè)備輸入。
在替換的設(shè)置中，從n個積分器輸出的信號被加權(quán)并相加，相加后的輸出向m個設(shè)備輸入，m個Q設(shè)備的輸出向n個積分器中的一個或多個輸入，并且m個Q設(shè)備之一的輸出向用于量化的設(shè)備輸入。
在另一替換的設(shè)置中，從n個積分器的輸出被加權(quán)并相加，相加后的輸出向m個Q設(shè)備和用于量化的設(shè)備輸入，m個Q設(shè)備的輸出向n個積分器中的一個或多個輸入。
本發(fā)明的示例單元可以是模/數(shù)轉(zhuǎn)換器和/或數(shù)/數(shù)轉(zhuǎn)換器的元件。本發(fā)明的示例單元可以處理數(shù)字或模擬信號，例如，1位信號。
在具有一個以上的Q設(shè)備的示范性實施例中，每個Q設(shè)備可具有不同的設(shè)置參數(shù)，以提高穩(wěn)定性、提高SNR、和/或降低引入的可以聽到的人為噪聲。
本發(fā)明示范性實施例的目的還可以在于一種方法，其包括向串聯(lián)的n(n之1)個積分器(I1...n)輸入信號；在對其輸入的信號的絕對值較小時進行量化，而在對其輸入的信號的絕對值較大時進行放大；以及量化輸出。
本發(fā)明的其它目的在于提供一種改善SDM的SNR性能和/或降低可以聽到的人為噪聲，例如卡嗒聲和砰砰聲的解決方案。
將從下面提供的詳細(xì)說明和附圖中更加充分地理解本發(fā)明，所提供的詳細(xì)說明和附圖僅是出于例示的目的，因而并不限定本發(fā)明。
圖1A示出了常規(guī)反饋SDM的結(jié)構(gòu)。
圖1B示出了常規(guī)前饋SDM的結(jié)構(gòu)。
圖2示出了根據(jù)本發(fā)明示范性實施例的反饋SDM的結(jié)構(gòu)。
圖3示出了根據(jù)本發(fā)明示范性實施例的Q設(shè)備的一般轉(zhuǎn)換函數(shù)。
圖4示出了根據(jù)本發(fā)明另一示范性實施例的反饋SDM的結(jié)構(gòu)。
圖5示出了根據(jù)本發(fā)明示范性實施例的正弦輸入的SDM結(jié)構(gòu)對于1kHz、幅度為0.7的正弦輸入的結(jié)果頻譜。
圖6示出了根據(jù)本發(fā)明示范性實施例的SDM結(jié)構(gòu)對于1kHz、幅度為0.8的正弦輸入的結(jié)果頻譜。
圖7示出了根據(jù)本發(fā)明示范性實施例的前饋SDM的結(jié)構(gòu)。
圖8示出了根據(jù)本發(fā)明另一示范性實施例的前饋SDM的結(jié)構(gòu)。
圖9示出了根據(jù)本發(fā)明另一示范性實施例的前饋SDM的結(jié)構(gòu)。
圖2示出了根據(jù)本發(fā)明示范性實施例的反饋SDM 100的結(jié)構(gòu)。示范性實施例通過用設(shè)備Q代替常規(guī)量化器(例如1位量化器)，來降低或防止積分器值不受控制的增長(不穩(wěn)定的指示)，其中，設(shè)備Q對于較小的輸入用作標(biāo)準(zhǔn)量化器，但對于較大的輸入用作帶有偏移(等于或不等于零)的增益元件。如圖2所示，設(shè)備Q的輸出用作增益a1...n的反饋信號。最后的輸出通過還采用標(biāo)準(zhǔn)量化器來量化最后一個積分器的輸出而產(chǎn)生。
圖3示出了根據(jù)本發(fā)明示范性實施例的設(shè)備Q的示例通用轉(zhuǎn)換函數(shù)。通用轉(zhuǎn)換函數(shù)可定義如下對于小的正輸入(范圍
)，輸出等于t；對于大的正輸入(范圍<r，無窮大>)，輸出為t+(x-r)·s；對于小的負(fù)輸入(范圍[-r，0])，輸出等于-t；以及對于大的負(fù)輸入(范圍<-無窮大，-r>)，輸出為-t+(x-r)·s。
參數(shù)的示例性值可以是r∈[1，2]，s∈
，t∈
。如果s＝0并且t＝1，則功效等于常規(guī)1位量化器12的功效。對于s≠0，則設(shè)備Q的輸出不是1位信號，而是多位信號。
通過選擇r、s和t的合適值，可改善SDM 100的性能。用圖2的示例性結(jié)構(gòu)，可創(chuàng)建無條件穩(wěn)定的SDM(與量化器12的輸出電平相比，持續(xù)的0dB幅度的輸入將不會使SDM 100不穩(wěn)定)。
圖4示出了根據(jù)本發(fā)明另一示范性實施例的反饋SDM 200的結(jié)構(gòu)。SDM 200包括設(shè)備Q1...m。在圖4的示范性實施例中，設(shè)備Q1...m中的每個都可以具有不同設(shè)置。這使它可具有1.無條件穩(wěn)定的SDM-通過適當(dāng)選擇不同設(shè)備Q1...m的參數(shù)，可制成具有提高的SNR的SDM；和/或2.具有針對有限輸入范圍的提高或優(yōu)化的SNR的SDM-SNR針對給定的輸入范圍得以提高或優(yōu)化，而在給定的輸入范圍之外，SDM變得不穩(wěn)定。
雖然諸如限幅器之類的常規(guī)技術(shù)在最初穩(wěn)定狀態(tài)下已使SNR降級，但本發(fā)明的示范性實施例肯定不會形成這種缺陷。在通常不穩(wěn)定的狀態(tài)下，SNR性能可保持非常高，而且直到達到非穩(wěn)定，才慢慢地逐漸降低。避免了卡嗒聲和砰砰聲。另一可能性是高階(7階或更高階)SDM的穩(wěn)定性，該高階SDM在限幅器工作時變得不穩(wěn)定。
示例1已經(jīng)創(chuàng)建了具有圖2結(jié)構(gòu)的示例SDM。SDM是5階，經(jīng)過64次過采樣(64*44100Hz)，具有100kHz的轉(zhuǎn)角頻率(巴特沃斯(butterworth)高通設(shè)計)。系數(shù)a1...5是0.719981，0.252419，0.052997，0.006604和0.000389。對于-1.5和1.5之間的輸入(r＝1.5)，設(shè)備Q具有標(biāo)準(zhǔn)量化器的功效。設(shè)備Q的斜率s為0.9。Q的t＝1.0。
表1針對常規(guī)SDM(沒有設(shè)備Q)和根據(jù)圖2示范性實施例的SDM結(jié)構(gòu)(具有設(shè)備Q)，示出了不同正弦輸入(正弦頻率1kHz)得到的SNR。對于0.65以及更高的輸入，常規(guī)SDM變得不穩(wěn)定，而根據(jù)圖2示范性實施例的SDM結(jié)構(gòu)是無條件穩(wěn)定的。對于直到0.65的輸入，根據(jù)圖2示范性實施例的SDM結(jié)構(gòu)的性能相當(dāng)于常規(guī)SDM。輸入超過0.65，SNR下降。圖5示出了根據(jù)圖4示范性實施例的SDM結(jié)構(gòu)對于1kHz、幅度為0.7的輸入正弦的結(jié)果頻譜。
表1
示例2在本示例中SDM是五階，經(jīng)過64次過采樣(64*44100Hz)，轉(zhuǎn)角頻率為80kHz(巴特沃斯高通設(shè)計)。系數(shù)a1...5是0.576107，0.162475，0.027609，0.002805和0.000136。對于在-1和1之間的輸入(r＝1)，設(shè)備Q1、Q2和Q3具有標(biāo)準(zhǔn)量化器的功效。設(shè)備Q4、Q5的r＝1.1。設(shè)備Q1...5的斜度為1.5、1.4、0.45、0.1和0.1。設(shè)備Q1...5的參數(shù)t為1.0。表2列出了頻率1000Hz的正弦輸入所獲得的SNR。第一列列出了輸入幅度。第二列列出了常規(guī)量化器的性能，第三列列出了設(shè)備Q1...5的性能。
通過使用適當(dāng)挑選的不同Q1...5(或在通常情況下，Q1...m)的參數(shù)，有可能降低高輸入幅度的SDM的有效階數(shù)。圖6示出了根據(jù)圖4示范性實施例的SDM結(jié)構(gòu)針對1kHz、幅度為0.8的正弦輸入的功率頻譜，該頻譜的低頻部分具有二階功效，高頻部分是5階。功效從二階變到五階的準(zhǔn)確頻率取決于輸入幅度。
雖然難以定量地表達，但覺察到的音頻質(zhì)量是非常重要的。在常規(guī)限幅器的情況下，所覺察的音頻質(zhì)量在最初不穩(wěn)定的區(qū)域內(nèi)下降得非?？?。根據(jù)圖4示范性實施例的SDM結(jié)構(gòu)在這一區(qū)域內(nèi)保持了非常好的音頻質(zhì)量。
表2
如上所描述和例示的，圖2和4都涉及反饋SDM。如所示，反饋SDM可包括串聯(lián)的n個積分器，其中最后一個積分器的輸出向量化器輸入。量化器的輸出是SDM的輸出，并從輸入信號中減去。為輸入信號和量化器輸出之間的差值的信號向第一個積分器輸入。
然而，本發(fā)明可應(yīng)用于其它SDM，例如前饋SDM。前饋SDM可包括串聯(lián)的n個積分器，其中每個積分器的輸出被加權(quán)并相加。相加之和向量化器輸入，而量化器的輸出是SDM的輸出。為輸入信號和量化器輸出之間的差值的信號向第一積分器輸入。
圖7示出了根據(jù)本發(fā)明示范性實施例的前饋SDM 101的結(jié)構(gòu)。示范性實施例通過用設(shè)備Q替代常規(guī)量化器(例如，1位量化器)，來降低或防止積分器I1...n值不受控制的增加，其中設(shè)備Q對于較小的輸入用作標(biāo)準(zhǔn)量化器，對于較大的輸入用作帶有偏移(等于或不等于零)的增益元件。如圖7所示，設(shè)備Q的輸出被輸出到量化器，并從對第一積分器的輸入中減去。SDM 101的最終輸出還通過用標(biāo)準(zhǔn)量化器12量化最后一個積分器的輸出而產(chǎn)生。
通過選擇r、s和t的合適值，可提高SDM 101的性能。用圖7的示例性結(jié)構(gòu)，可創(chuàng)建無條件穩(wěn)定的SDM(與量化器12的輸出電平相比，具有0dB幅度的持續(xù)輸入將不會使SDM 101不穩(wěn)定)。
圖8示出了根據(jù)本發(fā)明另一示范性實施例的前饋SDM 201的結(jié)構(gòu)。SDM 201包括設(shè)備Q1...m。在圖8的示范性實施例中，設(shè)備Q1...m中的每個都具有不同設(shè)置。t的示例性值為0.0和1.0。如圖8所示，加法器13的輸出向設(shè)備Q1...m中的每一個輸入。設(shè)備Q1...m的輸出從一個或多個積分器I1...n中減去。設(shè)備Q1...m或加法器13中的一個的輸出也向量化器12輸入，以便產(chǎn)生輸出信號20。
圖9示出了根據(jù)本發(fā)明另一示范性實施例的前饋SDM 301的結(jié)構(gòu)。SDM 301包括設(shè)備Q1...m。在圖9的示范性實施例中，設(shè)備Q1...m的每個都具有不同設(shè)置。如圖9所示，加法器13的輸出向設(shè)備Q1...m中的每一個輸入，并且也向量化器12輸入，以便產(chǎn)生輸出信號20。
如上所描述和例示的，圖2、4、7、8和9例示了數(shù)字SDM。然而，本發(fā)明可應(yīng)用于模擬SDM(反饋或者前饋)。
還要指出的是，本發(fā)明的特征可與許多類型的SDM和噪聲整形器一起使用，包括反饋、前饋、連續(xù)、離散時間、軟件、硬件、模擬、數(shù)字、SC-濾波器、顫動、非顫動、低階、高階、單位、多位或這些特征的任意組合，以及與諸如噪聲整形器之類的其它設(shè)備一起使用，這些其它設(shè)備要么是與SDM和/或其它設(shè)備組合(例如，級聯(lián))，要么是單獨的。
還要指出的是，上述各種示范性實施例的結(jié)構(gòu)和功能特征可以互換、單獨或組合使用。例如，量化器12也可以是任何已知的量化器等效物。
根據(jù)本發(fā)明實施例的設(shè)備可包含在ADC和/或DD轉(zhuǎn)換器中。這種ADC和/或DD轉(zhuǎn)換器可以是超級音頻CD(SACD)設(shè)備(例如播放器)的信號處理應(yīng)用軟件/設(shè)備的一部分。
要指出的是，上述處理尤其利于DSD的處理。
還要指出的是，該輸入無須限定為位流；輸入可以是模擬或數(shù)字的。應(yīng)該指出的是，上述實施例僅是例示而不是限制本發(fā)明，并且，本領(lǐng)域技術(shù)人員在不脫離所附權(quán)利要求的前提下，將能夠設(shè)計許多替換實施例。在權(quán)利要求中，任何置于括號內(nèi)的參考符號不應(yīng)視為對權(quán)利要求的限制。單詞“包括”不排除權(quán)利要求列出的元件或步驟之外的其它元件或步驟的存在。如所附權(quán)利要求中使用的修飾語“一”、“一個”和“至少一個”，全都意在包括一個或多個它們所修飾的東西。本發(fā)明可利用包括若干不同元素的硬件、并借助于適宜編程的計算機來實現(xiàn)。在列舉若干裝置的設(shè)備權(quán)利要求中，這些若干裝置可通過同一個硬件項來體現(xiàn)。起碼的實事，即，在互不相同的從屬權(quán)利要求中記載某些方法，并不表示采用這些方法的組合不是有利的。
權(quán)利要求
1.一種單元(100，101，200，201，301)，包括串聯(lián)的n(n≥1)個積分器(I1...n)，n個積分器(I1...n)中的第一個積分器接收輸入信號；至少一個設(shè)備(Q)，在對其輸入的信號的絕對值較小時用作量化器，而在對其輸入的信號的絕對值較大時用作增益元件；以及一個用于量化所述單元(100，101，200，201，301)的輸出的設(shè)備(12)。
2.權(quán)利要求1的單元(100，101，200，201，301)，其中，所述至少一個設(shè)備用作具有或不具有偏移的增益設(shè)備。
3.權(quán)利要求2的單元(100)，其中，向至少一個設(shè)備(Q1)輸入的信號是積分器(In)的輸出，并且將至少一個設(shè)備(Q1)的輸出向設(shè)備12輸入并作為n個積分器(I1...n)的加權(quán)反饋路徑。
4.權(quán)利要求2的單元(100)，其中，向至少一個設(shè)備(Q1)輸入的信號是積分器(In)的輸出，并且將積分器(In)的輸出向設(shè)備(12)輸入，并且將至少一個設(shè)備(Q1)的輸出向n個積分器(I1...n)的加權(quán)反饋路徑輸入。
5.權(quán)利要求2的單元(101)，其中，從n個積分器I1...n輸出的信號被加權(quán)并相加，并且相加后的輸出向至少一個設(shè)備(Q1)輸入，至少一個設(shè)備(Q1)的輸出向設(shè)備(12)和積分器(I1)輸入。
6.權(quán)利要求2的單元(101)，其中，從n個積分器(I1...n)輸出的信號被加權(quán)并相加，并且相加后的輸出向至少一個設(shè)備(Q1)和設(shè)備(12)輸入，至少一個設(shè)備(Q1)的輸出向積分器(I1)輸入。
7.權(quán)利要求2的單元(200)，其中，向至少一個設(shè)備(Q1...m)輸入的信號是積分器(In)的輸出，其中m≤n，將至少一個設(shè)備(Q1...m)的輸出作為加權(quán)反饋路徑輸入n個積分器(I1...n)中的一個或多個，并且積分器(In)的輸出向設(shè)備(12)輸入。
8.權(quán)利要求2的單元(200)，其中，向至少一個設(shè)備(Q1...m)輸入的信號是積分器(In)的輸出，將至少一個設(shè)備(Q1...m)的輸出作為加權(quán)反饋路徑輸入n個積分器(I1...n)中的一個或多個，并且至少一個設(shè)備(Q1...m)中任意一個的輸出向設(shè)備(12)輸入。
9.權(quán)利要求2的單元(201)，其中，從n個積分器(I1...n)輸出的信號被加權(quán)并相加，相加后的輸出向至少一個設(shè)備(Q1...m)輸入，至少一個設(shè)備(Q1...m)的輸出向n個積分器(I1...n)中的一個或多個輸入，并且至少一個設(shè)備(Q1...m)中任意一個的輸出向設(shè)備(12)輸入。
10.權(quán)利要求2的單元(201)，其中，從n個積分器(I1...n)輸出的信號被加權(quán)并相加，相加后的輸出向至少一個設(shè)備(Q1...m)輸入，至少一個設(shè)備(Q1...m)的輸出向n個積分器(I1...n)中的一個或多個輸入，并且加法器(13)的輸出向設(shè)備(12)輸入。
11.權(quán)利要求2的單元(301)，其中，從n個積分器(I1...n)輸出的信號被加權(quán)并相加，相加后的輸出向至少一個設(shè)備(Q1...m)和設(shè)備(12)輸入，并且至少一個設(shè)備(Q1...m)的輸出向n個積分器(I1...n)中的一個或多個輸入。
12.權(quán)利要求2的單元(301)，其中，從n個積分器(I1...n)輸出的信號被加權(quán)并相加，相加后的輸出向至少一個設(shè)備(Q1...m)輸入，并且至少一個設(shè)備(Q1...m)的輸出向n個積分器(I1...n)中的一個或多個輸入，并且至少一個設(shè)備(Q1...m)之一的輸出向設(shè)備(12)輸入。
13.一種包括任意前述權(quán)利要求的單元(100，101，200，201，301)的模/數(shù)轉(zhuǎn)換器。
14.一種包括權(quán)利要求1-12的單元(100，101，200，201，301)的數(shù)/數(shù)轉(zhuǎn)換器。
15.權(quán)利要求1-12中任意權(quán)利要求的單元(100，101，200，201，301)，其中，m個設(shè)備(Q1...m)中的每個都具有不同的設(shè)置參數(shù)，以提高穩(wěn)定性、提高SNR、和/或降低人為噪聲的引入。
16.一種方法，包括向串聯(lián)的n(n≥1)個積分器(I1...n)輸入信號；以及在對其輸入的信號的絕對值較小時進行量化，而在對其輸入的信號的絕對值較大時具有或不具有偏移地進行放大；以及量化輸出。
全文摘要
一種∑－Δ調(diào)制器(SDM)，包括串聯(lián)的n(n≥1)個積分器，其中n個積分器的第一個積分器接收輸入信號；至少一個Q設(shè)備，其在對其輸入的信號的絕對值較小時用作量化器，而在對其輸入的信號的絕對值較大時用作增益元件(帶有或者不帶偏移)；以及一個用于量化該單元輸出的設(shè)備。SDM可以是反饋或者前饋SDM。SDM可包括單個或多個Q設(shè)備?？蛇@樣放置單個Q設(shè)備，即使從該一個Q設(shè)備輸入的信號是最后一個積分器的輸出，并且該一個設(shè)備Q
文檔編號H03M3/02GK1774866SQ200480010290
公開日2006年5月17日 申請日期2004年4月13日 優(yōu)先權(quán)日2003年4月16日
發(fā)明者E·詹斯森, D·里夫曼 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司