频谱成形的随机信号的制作方法

文档序号:11233814
频谱成形的随机信号的制造方法与工艺

不同的实施方式涉及一种设备,该设备包括信号发生器,该信号发生器设置用于产生数字伪随机信号。该设备还包括至少一个滤波器元件,该滤波器元件设置用于对数字伪随机信号使用高通滤波器和低通滤波器,以如此产生频谱成形的伪随机信号。该设备还包括调制器,该调制器设置用于,将频谱成形的伪随机信号用作抖动。不同的实施方式涉及一种相应的方法。



背景技术:

调制器,例如模拟-数字转换器(ADC)或者数字调制器,通常产生量化噪声。该量化噪声能够在输出频谱中造成不希望的分量,所谓的尖峰,其有时也被称作空闲音。该量化噪声通常造成调制器的质量降低。

用于降低量化噪声的例如以尖峰的形式的这种不希望的分量的技术是已知的。通常这基于,在调制器的信号处理中,例如在量化之前,应用具有可变的幅度(抖动)的信号。该抖动的幅度通常随机地或者伪随机地变化。由此降低调制器的信噪比(SNR),因为附加的噪声以抖动的形式留下痕迹。但是同时实现,量化噪声均匀地影响输出频谱。由此能够消除或者是减小输出频谱中的尖峰,这在各种应用中,例如在音频信号处理中,可能是值得去做的。

在各种参考应用中,为了产生抖动,将模拟信号发生器用作噪声源。该模拟信号发生器能够产生模拟的随机信号,该模拟的随机信号能够频谱成形。该模拟信号发生器能够产生连续的随机信号;通常不存在对模拟的随机信号值的量化。然而,使用模拟信号发生器会是相当昂贵和复杂的。使用模拟信号发生器会造成相当高的硬件复杂性。

因此,基于使用产生数字随机信号的数字信号发生器的技术也是已知的。通常该随机信号伪随机地具有两个状态,比如0和1。这种情况也被称作1比特抖动。

伪随机的随机信号也能够称作伪随机信号。该伪随机信号能够具有例如在一定的迭代之后反复出现的值。

如果在参考应用中仅仅使用单个数字信号发生器,那么如此产生的抖动对减小尖峰通常不具有特别好的特性。例如在使用仅一个单个数字信号发生器的这种常规技术中,可能会出现SNR的特别强烈的降低。

为了有效地减小调制器的输出频谱中的尖峰,通常使用多个1比特的数字信号发生器,例如两个或者三个或者更多个数字信号发生器;如此能够产生所谓的多级抖动,即具有多个离散的状态,例如-2、-1、0、1、2(英文:multi-level dither),或者产生甚至准连续的抖动(英文:continuous dither)。但是这种应用可能具有大量的构件且因此昂贵且容易出错。



技术实现要素:

因此存在更优的技术的需要,以产生抖动。尤其存在这种技术的需要,其一方面有效减小尖峰且其另一方面仅轻微地降低调制器的SNR。

在不同的实施方式中,设备包括信号发生器。该信号发生器设置用于产生数字随机信号。该设备也包括至少一个滤波器元件。该至少一个滤波器元件设置用于对数字随机信号应用高通滤波器和低通滤波器;如此产生频谱成形的随机信号。该设备也包括调制器。该调制器设置用于将频谱成形的随机信号用作抖动。

在不同的实施方式中,方法包括产生数字随机信号。该方法还包括对随机信号使用高通滤波器和低通滤波器。如此产生频谱成形的随机信号。该方法还包括将频谱成形的随机信号作为抖动使用。

在不同的实施方式中,设备包括信号发生器。该信号发生器设置用于产生数字随机信号。该设备还包括至少一个滤波器元件。该至少一个滤波器元件设置用于对数字随机信号使用高通滤波器和低通滤波器;如此产生频谱成形的随机信号。

在不同的实施方式中,方法包括产生数字随机信号。该方法还包括对随机信号使用高通滤波器和低通滤波器。如此产生频谱成形的随机信号。

上面阐述的特征和下文描述的特征不仅能够在相应明确阐述的组合中使用,而且能够在其他的组合中使用或者分开使用,而不脱离本发明的保护范围。

附图说明

结合以下描述的多个实施例,更清楚和更易于理解地进一步阐述上面描述的本发明的特性、特征和优点以及实现它们的方式,这些实施例通过多个附图进一步阐述。

图1A示意性地示出了一种根据不同的实施方式的设备,该设备包括信号发生器、至少一个滤波器元件和调制器。

图1B示意性地示出了数字伪随机信号的矩形概率密度函数,该数字伪随机信号由信号发生器产生。

图2A示意性地示出了关于根据不同的实施方式的调制器的细节。

图2B示意性地示出了关于根据不同的实施方式的调制器的细节。

图3示意性地示出了调制器的量化噪声。

图4示意性地示出了频谱成形的伪随机信号的三角形概率密度函数,该伪随机信号能够用作抖动,以减小尖峰。

图5示意性地示出了应用和不应用抖动的调制器的输出频谱。

图6示意性地示出了根据不同的实施方式的设备。

图7示意性地示出了根据不同的实施方式的设备,其中图7示出了关于线性反馈移位寄存器作为信号发生器的细节。

图8示意性地示出了根据不同的实施方式的设备。

图9示意性地示出了根据不同的实施方式的设备。

图10示意性地示出了根据不同的实施方式的设备。

图11为根据不同的实施方式的方法的流程图。

具体实施方式

下文参照附图并根据优选的实施方式进一步阐述本发明。在这些附图中,相同的附图标记表示相同或者相似的元件。这些附图是本发明的不同的实施方式的示意性代表。在这些附图中所示的元件不一定按比例绘制。相反,图中所示的不同的元件如此再现,使得其功能和一般用途是技术人员所显而易见的。这些附图中所示的功能单元和元件之间的连接和耦合也能够实现为间接的连接或者耦合。连接或耦合能够以有线或者无线的方式实现。功能单元能够实现为硬件、软件或者硬件和软件的结合。

下文描述不同的技术,以减小由于尖峰导致的调制器的输出频谱的不希望的分量。该调制器调制输入信号,以获得输出信号。输出频谱能够将输出信号的不同特性表示为输入信号的函数。该输出频谱可以包括由输入信号确定的信号分量。该输出频谱也可以包括由噪声确定的噪声分量。该噪声可以包括例如量化噪声和/或白噪声。信号分量和噪声分量之间的比例定义SNR。

下文描述以下技术,其能够实现减小例如以尖峰形式的输出频谱的不希望的分量;同时相对少地降低调制器的SNR。

在不同的示例中,频谱成形数字随机信号,以获得频谱成形的随机信号,该随机信号能够用作抖动。该频谱成形的随机信号能够是多级信号,该多级信号具有大于1的字长。

在不同的示例中,由数字单比特随机信号产生多级抖动。

该随机信号能够是可计算的(伪随机信号)。下文主要提及这样的伪随机信号。但是相应的技术能够直接应用到不可计算的真正随机的随机信号上。

在不同的示例中,能够特别有效地产生该频谱成形的伪随机信号且不产生大的硬件成本。例如在不同的示例中,能够产生频谱成形的伪随机信号而不需要模拟信号发生器。在不同的示例中,能够以低硬件复杂性产生频谱成形的伪随机信号。

例如能够通过单个线性反馈移位寄存器(英文:linear shift register;LFSR)产生数字伪随机信号。通过对如此产生的数字伪随机信号使用高通滤波器和低通滤波器能够得到有利的频谱成形。这能够特别有效地减小输出频谱的以尖峰形式的不希望的分量;同时能够相对少地降低SNR。

在此描述的不同的示例是基于以下知识,即通过使用高通滤波器和低通滤波器能够产生例如三角形概率密度函数作为频谱成形的伪随机信号的或者是尖峰的频谱形状。在此,已知这种三角形概率密度函数在减少调制器的输出频谱的例如以尖峰形式的不希望的分量方面能够是特别有利的。例如请参阅Wannamaker R.A.等,在IEEE期刊,信号处理48(2000)499-516页中的“A Theory of Non-Substractive Dither(非削减抖动论)”。

通过这种数字伪随机信号的频谱形状,在不同的示例中,除了减小输出频谱的例如以尖峰形式的不被希望的分量之外,还能够实现噪声分量的有利的频谱分布。尤其能够使噪声分量均匀地分布在频谱上,从而能够减小噪声分量在输入信号的频谱子区域(使用频谱)中的比重。由此能够再次以相对高的质量对输入信号进行调制。

本文描述的各种技术能够在不同的领域使用。例如本文描述的技术能够在模数转换(AD转换)领域中使用,于是该频谱成形的伪随机信号能够作为抖动用在ADC上。为此,可能需要对频谱成形的伪随机信号进行数模转换(DA转换),以接着将其用作抖动;例如能够在调制器的量化器前使用该频谱成形的随机信号。在其他示例中,本文描述的技术能够用在数字调制的领域中,例如能够将该频谱成形的伪随机信号作为抖动用在数字调制器上,例如Σ-Δ调制器。由此能够实现多种应用,例如在音频信号处理的领域中,数字噪声成形等。

图1A示意性地表示根据不同示例的设备100。该设备100包括数字信号发生器101(例如LFSR)、滤波器102和调制器103。

LFSR 101产生数字伪随机信号191,该数字伪随机信号191被传送给滤波器102。该数字伪随机信号191能够例如对不同的时钟具有不同值的决定性序列;该序列能够按照特定的周期长度重复,所以信号191被称为伪随机的。图1A的示例中LFSR 101表示为信号发生器,而在其他示例中也可能是,使用其他类型的数字信号发生器,以产生伪随机信号(英文:pseudorandom number generator,PRNG)。示例包括同余发生器、波发生器等。

滤波器102设置用于对数字伪随机信号191使用高通滤波器和低通滤波器。为此,在图1A的示例中,该滤波器102包括高通滤波器元件121和低通滤波器元件122。在不同的示例中,可以通过更多或更少数量的滤波器元件实现高通滤波器和低通滤波器。例如在不同的示例中,高通滤波器元件121和低通滤波器元件122能够至少部分地合并实施。例如在不同的示例中,该低通滤波器元件122还能够具有递归的滤波器元件(在图1A中未示出)。该滤波器元件102产生频谱成形的伪随机信号192,该伪随机信号192被传送给调制器103。

调制器103设置用于将频谱成形的伪随机信号192用作抖动。该调制器103接收输入信号301(例如模拟的输入信号或者数字的输入信号)、调制该输入信号301并且发出输出信号302(例如模拟的输出信号或者数字的输出信号)。

从图1A的示例可见,为了产生抖动仅仅使用单个数字信号发生器101。在这点上,调制器103设置用于不将其他具有随机成分(即可计算的随机/伪随机和/或不可计算的随机)的信号用作抖动。在图1A的示例中,仅仅根据由信号发生器101产生的数字伪随机信号191产生抖动。因此,该设备100具有相对低的硬件复杂性。这减小成本且能够同时降低易错率。

图1B表示关于数字伪随机信号191的概率密度函数的方面。图1中可见,数字伪随机信号191具有矩形的概率密度函数400,该概率密度函数400在极值+q和-q之间具有均匀的幅度。例如极值+q和-q根据数字伪随机信号191的字长而变化。如果使用非频谱成形的数字伪随机信号191,即具有根据图1B的示例的矩形的概率密度函数400,虽然减小调制器103的输出频谱的例如以尖峰形式的不希望的分量,但同时将不希望地严重降低调制器103的SNR。

下文描述这样的技术,其实现概率密度函数400的成形,并且不仅很好地减小调制器103的输出频谱的不希望的分量,而且相对少地降低调制器103的SNR。在此,概率密度函数400的形成可以相当于伪随机信号191的频谱成形。概率密度函数400的成形可以意味着不均匀地影响幅度p(a)。

图2A示出了关于数字调制器的方面。该数字调制器103包括数字Σ-δ调制器132。该Σ-δ调制器132将数字输入信号301转换为数字输出信号302。为了建立数字输入信号301和频谱成形的伪随机信号192之间的兼容性,该设备100还包括缩放元件131,其设置用于缩放频谱成形的伪随机信号192。例如该缩放元件131能够实施左移频谱成形的伪随机信号192的比特(英文:left-shift)。缩放元件131尤其能够设置用于根据调制器103的量化级进行缩放。这样能够实现对输入信号301的匹配。

图2B示出了关于模拟调制器103的方面,即ADC 136。在频谱成形的伪随机信号192能够被ADC 136用作抖动之前,通过DAC 135实现对频谱成形的伪随机信号192的DA转换。在此,能够同时相应地缩放频谱成形的模拟伪随机信号的幅度,例如根据调制器103的量化级。

图3示出了关于调制器103的量化级305的方面。图3中,输出信号302表示为输入信号301的函数。图3示出了调制器103的所谓的传递特性。其可以是不同的传递特性,其中图3仅仅示出了一个示例。

由图1B和图3的比较可见,数字伪随机信号191优选地覆盖以下频谱区域,该频谱区域对应于量化级2q,305;当不是这种情况时(图1B中未示出),那么能够通过缩放元件131相应地匹配到该量化级305。

图4示出了关于频谱成形的伪随机信号192的概率密度函数400的方面。根据图4可以讨论滤波元件102的工作模式。根据图4可见,该频谱成形的伪随机信号192具有三角形概率密度函数400(英文:triangular probability density function,TPDF)。TPDF 400在减小输出频谱的例如以尖峰形式的不希望的分量方面具有尤其有利的特性。

通过结合使用高通滤波器和低通滤波器产生TPDF 400。其能够通过试验观察和仿真证实。此外,这一发现能够通过以下考虑来验证:例如能够借助于平移平均值滤波器(英文:moving average filter)滤波以特定值q0(例如q0=0)为中心的具有特定字长和矩形概率密度函数400的数字伪随机信号(参看图1B)。在这种情况下,在足够长的平均的过程中,仅以相对低的概率获得接近极值+q、-q的值:例如只有当基于平均值滤波的所有值都等于+q时,才获得极值+q。这是非常不可能的。以更高的概率获得中心q0附近的值:例如当基于平均值滤波的值均匀地围绕q0朝着+q和-q分布时,于是获得该值q0。这是相对可能的。因此,概率密度函数400的幅度接近极值+q、-q时比概率密度函数400的幅度接近极值q0时更强烈地减小。这样得到TPDF 400(参看图4)。在此,该平移的平均值滤波器相当于高通滤波器和低通滤波器的组合的效果。

在不同的示例中,能够使用高通滤波器和低通滤波器的不同实施方式。例如能够使用一阶高通滤波器。对应地可以使用一阶低通滤波器。经确定,当低通滤波器构造为切比雪夫滤波器(Tschebyscheff-Filter)时,在减小调制器103的输出频谱的例如以尖峰形式的不希望的分量方面获得有利的效果。切比雪夫滤波器主要例如由以下已知:史密斯S.W.“Digital Signal Processing(数字信号处理)”,纽恩斯出版社(2003),第20章。相应地,低通滤波器具有递归的部分也是可行的;即具有分母不等于1的Z传递函数。

图5示出了关于用于各种示范性实施方式的调制器103的输出频谱的方面。图5中,输出信号的幅值302表示为频率的函数(例如图5可以是双对数坐标图)。图5中示出了在没有抖动下的传统技术的调制器103的输出频谱(实线);图5中还示出了根据本文所述的不同示例的技术的调制器103的输出频谱(虚线)。该参考应用的输出频谱具有多个尖峰501,其相应于由于量化噪声造成的不希望的分量。用于基于本文描述的不同技术以产生抖动的调制器103的输出频谱不具有这些尖峰501。但是幅值302减小一定的量505,这相当于SNR降低。

图5中还示出了根据传统技术用于产生抖动的调制器103的输出频谱(点划线)。例如能够通过使用单比特序列而在没有由单个LFSR产生的频谱成形的情况下得到相应的输出频谱。根据图5可见,该相应的输出频谱具有特别强烈降低的SNR,尤其相比于根据本文所述的技术能够得到的输出频谱。

因此,本文所述的技术不仅有效削减例如以尖峰形式的量化噪声的影响,而且SNR仅相对略有下降。

图5中也示出了使用频谱371。输入信号301的重要部分处于使用频谱371内。在不同的示例中尤其可能追求的是,减小使用频谱371中的尖峰501。但是在不同的示例中也可能追求的是,附加地减小使用频谱371之外的尖峰501。即,这可以由于互调或者是混合产品而具有对使用频谱371的影响。

图6是示出了关于根据不同示例的设备100的实施方式的方面的电路图。图6中示出了LFSR 101,其发出具有字长等于1的数字伪随机信号191。在其他示例中,该数字伪随机信号191也能够具有更长的字长,例如等于2或者3。

在图6的示例中,设备101包括定心元件(Zentrierelement)171,其设置用于,减小数字伪随机信号191的直流分量。在图6的示例中,对伪随机信号191的字长1,通过以下函数应用定心元件171:乘以2并减去1。因此,数字伪随机信号191的值1被映射到中心化的数字伪随机信号的值1;该数字伪随机信号191的值0被映射到中心化的数字伪随机信号的值-1。定心元件171是可选的。尤其在不同的示例中也可以通过构造高通滤波器作为差分元件得到减小直流分量的功能。通过去除直流分量能够实现对量化级的调节。

接着将如此得到的中心化的数字伪随机信号向滤波器元件102传输。在图6的示例中,首先构件采用低通滤波器元件122。在此,在旁路中采用延迟元件,其中从主路中减去延迟元件的输出。接着相应地采用高通滤波器元件121,其中在那里将延迟元件的输出加入到主路。然后,通过左移实现缩放,以及通过相应的递归元件126实现使用低通滤波器的递归分量。接着经过缩放元件132,该缩放元件132再次被应用作左移。

根据图6的示例可见,频谱成形的伪随机信号192的字长大于数字伪随机信号191的字长(在图6的示例中,频谱成形的伪随机信号192具有20比特的字长,而数字伪随机信号191具有1比特的字长)。因此,能够实现频谱成形的伪随机信号192的高分辨率频谱成形。因此,能够特别好地应用TPDF 400。这能够将多级信号用作抖动。

图7是示出了关于根据不同的示例的设备100的应用的方面的电路图。图7中特别详细地示出了LFSR 101。根据图7可见,LFSR 101包括多个串联连接的存储元件150、151、152(图7中由于简单起见未标记所有的存储元件)。该LFSR 101还包括反馈回路157,通过逻辑XOR将特定存储元件各自的值的结合输入到反馈回路中。读取该链中布置在最后的存储元件151的值,因此得到数字伪随机信号191。因为仅仅读取唯一的1比特存储元件151,例如一个触发器,所以该数字伪随机信号具有等于1的字长。

在图7的示例中,滤波器元件102部分地结合LFSR 101应用。在此,存储元件151的值作为数字伪随机信号191与存储元件152的值结合。该存储元件152在LFSR 101的存储元件链中布置为关于存储元件151移动两个时钟。这对应于图6的高通滤波器元件121和低通滤波器元件122的两个延迟元件的组合。通过这样的应用能够进一步减小硬件复杂性。

图7中递归的滤波器元件126相当于图6的递归的滤波器126应用。在图6中,也示出了递归的滤波器元件126的示范性的滤波器系数。

图7中也存在缩放元件132。该缩放元件132满足不同的功能。如上述关于图2A所述,例如该缩放元件132能够将频谱成形的伪随机信号192的幅度匹配到调制器103的量化级305。但是也能够使用该缩放元件132,以便在高通滤波器和/或者低通滤波器的Z传递函数中使用特定的乘法因子。在这样的示例中,例如可以至少部分地结合应用缩放元件132和滤波器元件102。例如高通滤波器能够应用以下Z传递函数:

于是,可以通过缩放元件132实施Z传递函数的分子中的乘法因子0.1662。于是,能够通过低通滤波器元件122和递归滤波器元件126实施Z传递函数的剩余部分:

即0.1662:缩放元件;z+1:低通滤波器元件122;以及1/(z-0,6675):递归滤波器元件126。

图8示出了基本上相当于图6的示例的图8的示例的设备100的另一示范性应用。但是根据图8的示例的设备100不具有定心元件;在此定心的功能由用作微分元件的高通滤波器121承担。此外在图8的示例中通过缩放元件132实施不同的缩放系数。

图9示出了设备100的另一示范性的应用。图9的示例基本上相当于图8的示例。在图9的示例中,高通滤波器元件121和低通滤波器元件122合并实施。

图10示出了设备100的另一示范性的应用。图10的示例基本上相当于图8和图9的示例。在图10的示例中,高通滤波器元件121和低通滤波器元件122通过结合LFSR 101的存储元件151、152的值应用,如上述关于图7所阐述的。

图11是根据不同的实施方式的方法的流程图。首先在步骤1001中产生数字伪随机信号191。为此能够例如将LFSR用作数字信号发生器101。该数字伪随机信号101能够具有不同的字长,例如该数字伪随机信号191能够具有等于1的字长(英文:single bit)。在不同的示例中,通过单个的数字信号发生器101产生仅仅单个的数字伪随机信号191。

接着在步骤1002中,对该数字伪随机信号191使用高通滤波器和低通滤波器,以得到频谱成形的伪随机信号192。步骤1002能够包括通过一个或多个滤波器元件102、121、122、126。尤其能够应用切比雪夫滤波器作为低通滤波器。

接着在步骤1003中,使用如此得到的频谱成形的伪随机信号192作为抖动。

总之,描述了以上技术,以有效地产生抖动。该抖动能够用于减小ADC或者数字调制器的输出频谱中不希望的分量,而同时使重要频谱范围内附加的噪声功率最小化。因此能够应用具有相对好的SNR的调制器。

当然,前述实施方式的特征和本发明的主题能够相互结合。尤其这些特征不仅可以使用在所述组合中,而且可以使用在其他的组合或者本身中,而不脱离本发明的范围。

虽然前述在不同的示例中多次参考LFSR作为数字信号发生器,但是在另一些示例中也能够使用其他类型的PRNG。

虽然前述在不同的示例中参考伪随机信号,但是相应的技术也能够应用到真实的随机信号。

虽然前述在不同的示例中参考使用频谱成形的随机信号作为抖动用于调制器,但是在不同的其他示例中也可以将频谱成形的随机信号用于其他应用中。因此,在不同的示例中,设备不必如本文所述那样包括调制器。

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