可变取样频率的过取样数字类比转换器的制作方法

文档序号:7504396阅读:335来源:国知局
专利名称:可变取样频率的过取样数字类比转换器的制作方法
技术领域
本发明涉及一种过取样数字类比转换器,特别是关于在数字低通滤波器与调变器(Modulator)之间具有资料缓冲电路的可变取样频率的过取样数字类比转换器。
但是,当系统的输入信号并非固定的单一取样频率(例如48KHz),而是必须操作在某些取样频率fs时,例如必须能够支持48KHz、44.1KHz、36KHz、24KHz、22.05KHz、16KHz、l2KHz、11.025KHz、8KHz等不同的取样频率,最直接的方式是改变系统的时脉频率。例如,当系统输入信号的取样频率fs为48KHz时,系统的时脉MCLK的频率可操作在64fs=3.072MHz;而当系统输入信号的取样频率改为原先的四分之一(即fs=12KHz)时,此时系统的时脉MCLK的频率亦改用原先系统时脉频率的四分之一(即768KHz)。此一方法的优点,在于使用完全相同的架构,只要用不同的系统时脉,即可面对不同的取样频率。然而其缺点是,随着系统时脉的频率降低,Delta-Sigma调变器操作频率亦随之降低,将使得噪音变大。以音频信号应用为例,人耳所能听见的频带约在20KHz以下。在fs=48KHz时,使用64倍过取样倍率,以及二阶Delta-Sigma调变器时,大部分的噪音都会分布在20KHz以上,例如图2(a)所示。图2(a)中,曲线L1为Delta-Sigma调变器产生的噪音频率分布,而曲线L2为输入信号的频率分布。然而,当fs=16KHz时,若直接将系统的时脉频率设为原先的三分之一,大部分的噪音将会分布在20/3KHz=6.6KHz以上,而6.6KHz至20KHz这一频带的噪音,是人耳听得到的,例如图2(b)所示。图2(b)中,曲线L3为Delta-Sigma调变器产生的噪音频率分布,而曲线L4为输入信号的频率分布。
为了改进取样频率fs较低时,噪音较大的问题,习知技术中,提供三种改善的方法。
第一种方法是提高过取样频率。例如,将过取样频率提高至384fs,则在fs=8KHz时,过取样频率仍有3.072MHz,经由调变器转换之后,在20KHz以内的噪音仍维持原来的大小。该方法的缺点在过取样频率太高,增加电路设计的困难度,其成品将使用较大的面积,消耗较大的功率。
第二种方法是使用高阶的调变器取代二阶的调变器。使用高阶的调变器可以将低频噪音压至更低的水准。换言之,该调变器将噪音移至频率更高的频带。例如,使用一个高阶的调变器,当系统操作在fs=48KHz时,此一调变器产生的噪音,绝大部分落在120KHz以上的频带。而当系统操作在fs=8KHz时,在20KHz以内的噪音量,等于fs=48KHz时,在120KHz以内的噪音,因此,即使取样频率fs较低时,噪音仍旧在合理的水准内。该方法的缺点在于高阶的调变器的复杂度远较二阶的调变器高出许多。其成品同样将使用较大的面积,消耗较大的功率。
第三种方法是使用控制电路,例如中央处理器(Central Processor),针对不同的取样频率fs,设定不同的过取样倍率。当取样频率愈低时,过取样倍率愈高,使得调变器总是工作在某个频率以上。如此,20KHz以内的噪音便不会因为调变器的工作频率过低而变得过大。这个方法的缺点有二一是需要增加额外的控制电路。此外,为了使同一电路能够设定不同的过取样倍率,并且,对应不同倍率,设定适当的低通滤波器。因此,电路的实施方式,势必限制在某些较耗费硬件面积的方式,例如需要中央处理器。另一缺点是对于未设定到取样频率fs的输入信号,会有相容性的问题。例如,业界定义出新的资料格式标准,其取样频率fs为上述方法未设定到的取样频率,则会出现硬件相容性的问题。
本发明的另一日的是提出一种调变器的工作频率固定的可变取样频率的过取样数字类比转换器。
本发明的再一目的是提出一种调变器的工作频率固定,且升频器的升频倍率固定的可变取样频率的过取样数字类比转换器。
为达成上述目的,本发明的技术方案是这样实现的一种可变取样频率的过取样数字类比转换器,其包含一升频器、一数字低通滤波器、一资料缓冲器、一调变器、一数字类比转换器、以及一类比低通滤波器。升频器将输入信号以固定倍率M升频,产生过取样信号;数字低通滤波器,将过取样信号的高频成分滤除,并将其输出信号以第一速率写入资料缓冲器;调变器,以一第二速率,以先进先出(first in first out)方式读取资料缓冲器的资料,并进行调变后产生位元数较低的数字信号;数字类比转换器,将调变的输出信号转换成一类比信号;类比低通滤波器,将类比信号的高频成分滤除,产生输出信号。
资料缓冲器的作用为达成工作时脉非同步的资料转换。因此,由于调变器的工作时脉的频率皆固定,该过取样数字类比转换器不管输入信号的取样频率为何,皆可确保杂讯不会存在于低频范围。
如前所述的可变取样频率的过取样数字类比转换器,其中第二速率为固定速率,第一速率为输入信号的频率fs乘上升频倍率的整数倍,前述的第一速率与第二速率不同步;其中所述的调变器为Delta-Sigma调变器;其中资料缓冲器为先进先出缓冲器(FIFO Buffer),该先进先出缓冲器的指标为零时,输出最后一笔资料,前述的资料缓冲器为复数个正反器所构成,前述的资料缓冲器为寄存器组所构成,前述的资料缓冲器为双端口随机存取存储器所构成。
一种过取样数字类比转换方法,包含下列步骤升频步骤,将一输入信号以固定的升频倍率M升频,产生过取样信号数字过滤步骤,以数字方式滤除前述过取样信号的高频成分,并以一第一速率输出资料至一资料缓冲器;资料调变步骤,以一第二速率从前述资料缓冲器读取资料,并将资料调变成较低位元的资料;数字类比转换步骤,将前述调变后的资料转换成类比信号;以及类比过滤步骤,将前述类比信号的高频成分滤除,产生输出信号。
如前所述的可变取样频率的过取样数字类比转换方法,其中第二速率为固定速率,第一速率为输入信号的频率fs乘上升频倍率M的整数倍;其中前述调变方法为Delta-Slgma调变;其中的资料缓冲器为先进先出缓冲器(FIFOBuffer)。
本发明的可变取样频率的过取样数字类比转换器,不会让Delta-Sigma调变器产生人耳听见的噪音;同时,升频器可固定升频倍率,不需另行以控制电路,针对不同的取样频率设定不同的升频倍率。
图式编号30 过取样数字类比转换器31 升频器32 数字低通滤波器33 资料缓冲器34 Delta-Sigma调变器35 数字类比转换器36 类比低通滤波器图3所示为本发明可变取样频率的过取样数字类比转换器的架构图。本发明过取样数字类比转换器30包含一升频器31、一数字低通滤波器32、一资料缓冲器33、一Delta-Sigma调变器34、一数字类比转换器35、以及一类比低通滤波器36。
升频器31接收取样频率为fs的数字输入信号,例如数字声音信号(Audio),并将该数字输入信号的频率提升M倍而产生过取样信号。也就是,该升频器31在每两个数字输入信号之间插入M-1个数值为0的资料。因此,该过取样信号的频率为fs*M。此处M必须为一整数,其值固定,与输入信号的取样频率无关。以M=64为例,若输入信号的取样频率fs为48KHz,则过取样信号的频率为3.072MHz。而若输入信号的取样频率fs为8KHz,则过取样信号的频率变为512KHz。由于升频器31的架构与功能与习知的升频器的架构与功能相同,不再重复说明。
升频器31所产生的过取样信号为插入复数个数值为0的资料,因此过取样信号包含不需要的高频成分,故本发明过取样数字类比转换器30利用数字低通滤波器32滤除过取样信号的高频成分。数字低通滤波器32接收过取样信号后,将该过取样信号的较高频成分滤除,保持所需要的较低频成分,并产生第一过滤信号。该数字低通滤波器32可由数字资料处理技术实施,且其架构与功能与习知的数字低通滤波器的架构与功能相同,不再重复说明。
由于本系统输入信号的取样频率fs可变,因此升频器31所输出的过取样信号的频率、与数字低通滤波器32的资料输出速率亦相对改变。若将升频倍率设定为64,当输入信号的取样频率fs为48KHz,则过取样信号的频率为3.072MHz,同时数字低通滤波器32的资料输出速率亦为3.072MHz。若取样频率fs改为原先的四分之一(即fs=12KHz),过取样信号的频率变为768KHz,同时数字低通滤波器32的资料输出速率亦为768KHz,亦即原先的四分之一。
本发明过取样数字类比转换器30利用一资料缓冲器33达成工作时脉非同步的资料转换。数字低通滤波器32以第一速率将数字资料写入资料缓冲器33,而Delta-Sigma调变器34则以第二速率从资料缓冲器33读取资料。本实施例中,资料缓冲器33可采用先进先出(First In First out,FIFO)缓冲器,其实施方式可采用多个D-正反器(D flip-flop),或是采用寄存器组(RegisterFiles),或是以双端口随机存取存储器(dual port RAM)完成。数字低通滤波器32,于本实施例中,其输出速率不大于Delta-Sigma调变器34的读取速率,亦即第一速率不大于第二速率。因此,当资料缓冲器33的资料已被读完,而Delta-Sigma调变器34请求读取下一笔资料时,则资料缓冲器33持续送出最后一笔资料。
例如,当升频倍率为64且输入资料的取样频率fs为44.1KHz时,过取样信号的频率为2.8224MHz,且数字低通滤波器32将以第一速率输出资料至资料缓冲器33。若Delta-Sigma调变器34的资料输入速率(第二速率)固定为3.072MHz,则Delta-Sigma调变器34将以3.072MHz的速率自资料缓冲器33读出资料,如此便达成了工作时脉非同步的资料转换。由于资料写入的速率低于读出的速率,因此,当Delta-Sigma调变器34请求读取资料,而资料缓冲器33的资料已被读完时,则持续送出最后一笔资料。倘若输入资料的取样频率改变,则虽然第一速率随之改变,然而Delta-Sigma调变器34自资料缓冲器33读出资料的速率(第二速率)为固定值。例如,当输入资料的取样频率fs改采32KHz时,虽然数字低通滤波器32的资料输出速率变为2.048MHz,但Delta-Sigma调变器34仍旧以3.072MHz的速率自资料缓冲器33读出资料。因此,不管输入信号的取样频率如何改变,Delta-Sigma调变器34均可以固定的第二速率读取资料缓冲器33的资料。如此,只要将Delta-Sigma调变器34自资料缓冲器读取资料的速率设定适当值,由Delta-Sigma调变器34所产生的噪音则不会落在人耳听见的范围。例如Delta-Sigma调变器34的读取资料的速率设定为3.072MHz,则仅需利用一般二阶的Delta-Sigma调变器即不会产生20KHz以内的噪音。本发明过取样数字类比转换器30的Delta-Sigma调变器34、数字类比转换器35与类比低通滤波器36均与习知取样数字类比转换器的相对元件相同,不再重复说明。
以下说明本发明过取样数字类比转换方法。该数字类比转换方法包含下列步骤升频步骤将一输入信号以固定倍率M升频,产生过取样信号。该固定倍率M并不会因为输入信号的取样频率fs改变而改变。
数字过滤步骤以数字方式滤除过取样信号的高频成分,并以一第一速率输出资料至一资料缓冲器。该第一速率正比于输入信号的取样频率fs,例如该第一速率可以等于取样频率fs与固定倍率M的乘积。
资料调变步骤以一第二速率从资料缓冲器读取资料,并将资料调变成较低位元的资料,例如调变成单一位元的资料。第二速率为固定值,且不会随着取样频率fs改变而改变。第二速率可选择适当的大小,使调变后的频带不会包含20KHz的噪音,例如3.072MHz的速率。
数字类比转换步骤将调变后的资料转换成类比信号。由于资料的位元数较低,因此较易实施数字类比转换。
类比过滤步骤将类比信号的高频成分滤除,产生输出信号。
由于本发明过取样数字类比转换器利用资料缓冲器连结数字类比转换器与Delta-Sigma调变器,因此可将Delta-Sigma调变器的工作频率设定为固定值,不会让Delta-Sigma调变器产生人耳听见的噪音。同时,升频器亦可固定升频倍率,不需另行以控制电路,针对不同的取样频率设定不同的升频倍率。
以上虽以实施例说明本发明,但并不因此限定本发明的范围,只要不脱离本发明的要旨,该行业者可进行各种变形或变更。
权利要求
1.一种可变取样频率的过取样数字类比转换器,其特征在于可处理不同取样频率的输入信号,该过取样数字类比转换器包含一升频器,将前述输入信号以固定倍率M升频,产生过取样信号;一数字低通滤波器,滤除前述升频器的过取样信号的高频成分,并以一第一速率输出资料;一资料缓冲器,以前述第一速率接收前述数字低通滤波器的输出资料,并以一第二速率输出资料;一调变器,以前述第二速率从前述资料缓冲器读取资料,并进行调变;一数字类比转换器,将前述调变器的输出信号转换成类比信号;以及一类比低通滤波器,将前述类比信号的高频成分滤除,产生输出信号。
2.如权利要求1所述的可变取样频率的过取样数字类比转换器,其特征在于其中前述第二速率为固定速率。
3.如权利要求2所述的可变取样频率的过取样数字类比转换器,其特征在于其中前述第一速率为输入信号的频率fs乘上升频倍率的整数倍。
4.如权利要求3所述的可变取样频率的过取样数字类比转换器,其特征在于其中前述第一速率与前述第二速率不同步。
5.如权利要求3所述的可变取样频率的过取样数字类比转换器,其特征在于其中前述调变器为Delta-Sigma调变器。
6.如权利要求3所述的可变取样频率的过取样数字类比转换器,其特征在于其中前述资料缓冲器为先进先出缓冲器(FIFO Buffer)。
7,如权利要求6所述的可变取样频率的过取样数字类比转换器,其特征在于其中前述先进先出缓冲器的指标为零时,输出最后一笔资料。
8.如权利要求3所述的可变取样频率的过取样数字类比转换器,其特征在于其中前述资料缓冲器为复数个正反器所构成。
9.如权利要求3所述的可变取样频率的过取样数字类比转换器,其特征在于其中前述资料缓冲器为寄存器组所构成。
10.如权利要求3所述的可变取样频率的过取样数字类比转换器,其特征在于其中前述资料缓冲器为双端口随机存取存储器所构成。
11.一种过取样数字类比转换方法,其特征在于该方法包含下列步骤升频步骤,将一输入信号以固定的升频倍率M升频,产生过取样信号;数字过滤步骤,以数字方式滤除前述过取样信号的高频成分,并以一第一速率输出资料至一资料缓冲器;资料调变步骤,以一第二速率从前述资料缓冲器读取资料,并将资料调变成较低位元的资料;数字类比转换步骤,将前述调变后的资料转换成类比信号;以及类比过滤步骤,将前述类比信号的高频成分滤除,产生输出信号。
12.如权利要求11所述的可变取样频率的过取样数字类比转换方法,其特征在于其中前述第二速率为固定速率。
13.如权利要求12所述的可变取样频率的过取样数字类比转换方法,其特征在于其中前述第一速率为输入信号的频率fs乘上升频倍率M的整数倍。
14.如权利要求13所述的可变取样频率的过取样数字类比转换方法,其特征在于其中前述调变方法为Delta-Sigma调变。
15.如权利要求13所述的可变取样频率的过取样数字类比转换方法,其特征在于其中前述资料缓冲器为先进先出缓冲器(FIFO Buffer)。
全文摘要
一种可变取样频率的过取样数字类比转换器,可处理不同取样频率的输入信号。该过取样数字类比转换器包含一升频器,将输入信号以固定倍率M升频,产生过取样信号;一数字低通滤波器,滤除过取样信号的高频成分,并以一第一速率将过取样信号输出;一资料缓冲器,以第一速率读取数字低通滤波器的输出信号;一调变器,以一第二速率读取资料缓冲器的资料,并进行调变转换成较少位元的数字信号;一数字类比转换器,将调变器输出的信号转换成类比信号;以及一类比低通滤波器,将类比信号的高频成分滤除,产生输出信号。因此,该过取样数字类比转换器不管输入信号的取样频率为何,由于调变器读取资料的速率皆相同,可确保杂讯不会存在于低频范围。
文档编号H03M1/66GK1430332SQ0114504
公开日2003年7月16日 申请日期2001年12月31日 优先权日2001年12月31日
发明者黄睿政, 张义树, 王文祺, 古世玉 申请人:瑞昱半导体股份有限公司
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