专利名称：基于超采样数字处理的低延迟信号处理的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种信号处理仪器和方法。尤其是，涉及到一种低延迟的信号处理系统和方法，其基于高度升频采样数字处理，以实现低吞吐量延迟。
背景技术：
目前在公知的现有技术中，低时延音频滤波历来通过模拟方式进行(即模拟信号 处理)。但是，模拟信号处理(音频过滤)有若干弊端。例如，一个问题是难以提供高精度 和精确的模拟滤波器组件。换句话说，模拟滤波需要的是将一般不能匹配的元件集成起来， 特别是在集成模拟滤波器。此外，模拟滤波器电路很容易受到信号漂移和环境噪声的影响， 尤其是当包括高阶模拟滤波器系统时。此外，为使噪音保持在低水平模拟滤波电路会消耗大量电能。此外，这些电路的缺 点是难以维持高线性度。不过，当滤波器需要低延迟的时候仍然经常使用模拟信号处理。这 种滤波器常用于主动噪音抑制或反馈抑制的实时控制系统。例如，如图IA所示的是应用在一个助听系统10的实施例，用于主动反馈抑制中低 延迟信号处理。助听系统10，包括置于耳朵14内的扬声器12和助听器18外壳上的麦克 风16。存在一个从助听器上的扬声器12到麦克风16的沿线20方向声音路径导致在助听 器18周围的的漏音。这一漏音导致助听器有反馈，导致产生一个类似嚎叫或“吹口哨”的 声音。这“吹口哨”发生时，可以通过反馈路径的电子模型抑制、抑制或减少。这种反馈路 径理想状态下应该非常快。因此，本发明将有助于提供一个低延迟反馈路径，以避免任何嚎 叫。图IB是图IA所示本发明助听系统的的简化框图。助听系统10信号处理，包括信 号处理反馈抑制部件22，其目的是提供反馈回路传递函数的模型，以抵消声系统中固有的 漏音。加法器24从来自麦克风16的线28传送的音频输入信号中减去一个代表系统10声 学漏音的反馈路径模型信号26。这时差值信号30通过音频信号处理器32进行处理，并产 生音频输出信号34到扬声器12。音频输出信号34同样反馈到反馈抑制模块22。图2是图IB所示助听系统10的更详细的一个结构图。助听系统10包括一个 Δ- Σ调制器36，其有自己的输入以接收从麦克风16传来的模拟音频信号，且其输出连接 到加法器的24的第一个输入。加法器24的输出反馈到抽取滤波器38，其输出连接到数字 信号处理器模块39。数字信号处理器模块39的输出连接到插值滤波器40，其输出连接到 一个Δ - Σ调制器42。该调制器42的输出连接到扬声器12。信号处理反馈抑制模块22包括助听器的超采样模式模块44，和可调节延迟模块 46。该插值滤波器40的输出连接到超采样模式模块44的输入。该模块44的输出通过可 调节延迟模块46输入到加法器24的第二输入端。如图3所示的是另一种在耳机系统48中应用的主动噪音抑制装置。耳机系统48 包括一个耳机50 (只有一个被显示)，其拥有对准耳朵54的扬声器52和在听筒外部的麦克 风56。沿线58存在一个声音路径使听筒50周围的漏音。耳机系统采用前馈类型的噪声抑制，以减少戴耳机用户听到的噪音。所述噪音抑制是通过放置在听筒外的麦克风进行前 馈路径建模。然后一个补偿信号，其与噪声信号有相同的振幅但相位相反，被插入以抵消噪
曰O图4是图3所示前馈耳机系统48的框图。耳机系统48，包括一个Δ- Σ调制器 60，其有自己的输入以接收从麦克风56传出的模拟输入信号，且其输出连接到一个抽取滤 波器62。该抽取滤波器62的输出连接到至记录操作模块64。同时，一个播放操作模块66 的输出连接到一个插值滤波器68，其输出连接到Δ - Σ调制器72，Δ-Σ调制器72拥有一 个连接到扬声器52的输出。耳机系统的模拟滤波器61，连接到麦克风56的输出。模拟滤 波器61的输出也输送到扬声器52。由于将要遇到的延迟，模拟滤波器61无法连接到抽取 滤波器62之后和插值滤波器68之前。因此，模拟滤波器61连接到抽取滤波器62的输入 之前和插值滤波器68的输出之后。模拟滤波器61由电阻电容(RC)元件组成，其调节消耗 大量电能。或者，虚线65内的Δ - Σ调制器60，抽取滤波器62和记录操作模块64在纯播 放系统内可以被省略。
如图4a所示的是，现有技术的模拟滤波器71抑制噪声的应用。模拟滤波器71由 多个串联的二阶滤波器74A-74C组成。这些二阶滤波器有消费大量电能的缺陷。此外，二 阶滤波器难以准确设置同时要求使用大型电容器。图4b所示的是，现有技术中用来抑制噪音的数字处理系统76的框图。数字处理 系统包括一个Δ-Σ调制器78，其输出连接到抽取滤波器80。抽取滤波器的输出连接到多 个串联连接的二阶滤波器82A-82C。二阶滤波器82c的输出输入到插值滤波器84，插值滤 波器84有连接到Δ-Σ调制器86的输出。由于所有的二阶滤波器82A-82C维持在较低的 采样率，他们比较容易准确地设置和消耗较少的电能。然而，由于抽取滤波器和插值滤波器 的固有延迟，他们有延迟大的缺点。因此，目前，在许多实时应用需要低延迟的场合，一般不 会使用这些现有技术的数字处理系统。如图5所示，还有一种情况是在耳机系统510上的降噪(反馈)应用。反馈系统 510耳机实质上与图3所示的耳机系统48相同，除了麦克风576是在听筒578的内部。噪 音抑制(反馈)装置，用来抑制从扬声器580到麦克风576的漏音信号。在这种情况下，更 关键的是，尽量减少延迟，以免造成系统的不稳定，从而产生振荡。如图6所示，还有另一种应用，是在产生噪音的机械上应用主动控制系统610的声 能进行降噪。抑制风管系统684中扬声器682的隆隆噪音。同样，为了提供稳定循环，不能 有任何拖延。来自的扬声器682的补偿信号与风管系统684中的噪音相位相反用于产生噪 音抑制。噪音通过麦克风686输入。如图7所示，还有另一种应用，是在电机控制系统710进行降噪。电机控制系统 710包括功率放大器712和电机714。在反馈路径，机械系统716连接到一个位置电机，一 个位置传感器718，和一个补偿滤波器720 (模拟)。一个加法器722从输入信号726中减 去的补偿信号724生成一个错误信号728，用于为了控制电机714而驱动功率放大器712。然而，现代控制系统往往使用数字滤波器而不是模拟滤波器。但数字滤波器有一 些固有的延迟。因此，有必要在数字领域提供信号处理，并实现低延迟前馈和反馈的信息消 噪方法。不幸的是，传统的数字信号处理技术已被发现不适合实时应用的原因是，它们处理 连续信号相对较慢。
认识到上述的模拟信号和数字信号在常规实时处理应用时不可接受弊端，就需要 提供一种基于高度超采样数字处理的低延迟信号处理系统。
发明内容
因此，本发明的主要目的为提供一种应用在前馈/反馈耳机系统的低延迟的信号 处理系统和方法，克服了现有技术的缺点。本发明一个目的为提供一种应用在前馈/反馈耳机系统的低延迟的信号处理系 统和方法，以减少“吹口哨”现象发生。本发明的另一个目的为提供一种应用在反馈式助听器的低延迟的信号处理系统 和方法，以减少“吹口哨，，现象发生。本发明的另一个目的为提供一种信号处理系统，其包括一个数字领域的低延迟高 度超采样滤波器。本发明的另一个目的为提供一种低延迟信号处理系统，其基于高度超采样数字处理。在本发明优选的实施例中，提供了低时延信号处理系统，其中包括一个Δ- Σ模 数转换器，一个超频采样器，以及一个Δ - Σ数模转换器。Δ - Σ模数转换器接收一个输入 信号，并以高度超采样率产生数字采样信号。超频采样处理器连接到模数转换器用来以低 延迟超采样率处理所述数字采样信号。所述Δ - Σ数至模转换器连接到采样处理器用来在高度超采样率低延迟下接收数字采样信号，并产生模拟信号。超采样处理器包括一个低延迟滤波器和可编程延迟模块。 在这种方式下，可以产生低延迟高精度的模拟信号。
下面结合附图和具体实施方式
对本发明作进一步详细说明。图IA是一个助听器系统10的示意图，说明了噪音抑制(反馈)的使用。图IB是图IA所示本发明助听系统10的的简化框图。图2是图IB所示助听系统10的更详细的电子实施例。图3是另一种在耳机系统48中应用的主动噪音抑制装置的示意图。图4是图3所示耳机系统48的框图。图4a是现有技术的模拟滤波器71抑制噪声的应用框图。图4b是现有技术中用来抑制噪音的数字处理系统76的框图。图5是在耳机系统510上的降噪(反馈)应用示意图。图6是在产生噪音的机械上应用主动控制系统610的声能进行降噪的示意图。图7是在电机控制系统710进行降噪(反馈)的示意图。图8是根据本发明原理，在前馈耳机系统中使用的低延迟音频数字处理系统810 的框图。图8A是本发明所述的第二个实施例中适用于噪声抑制系统的低延迟数字音频处 理系统的原理框图。图9是适用于图8所示Δ- Σ模数转换器的模数转换器优选实施例工作框图。
图10是适用于图8所示Δ- Σ数模转换器的数模转换器的实施例框图。图11是图9所示积分器的实施示意图。图12是图8所示低延迟滤波器中一个二阶滤波器的框图；图13是图12所示的一个二阶滤波器的实施示意图。
具体实施例方式本发明并不限于以下的实施方式。对具体实施方式
和附图的描述旨在于为了描述和说明本发明涉及的技术方案。基于本发明启示的显而易见的变换或替代也应当被认为落 入本发明的保护范围。图8描绘了根据本发明原理所组成的音频数字处理系统810在低时延耳机系统中使用的框图。特别是，低延迟音频数据处理系统810是对图4所述的现有模拟音频信号处 理系统技术进行改进的。发明人将图4所示的音频信号处理系统进行了数字化改进，取得 了传统技术无法获得的低延迟。虽然本发明与前馈耳机系统一起描述，但它显而易见的可 以适用于先前图1-7所描述的那些噪声抑制应用场合。特别是，低延迟的数字处理设备810包括一个Δ - Σ模拟数字转换器(ADC)811，一 个抽取滤波器812，一个数字信号处理器814，如CPU，一个插值滤波器816和一个增量累加 数字模拟转换器(数模转换器)818。麦克风819将收到的声能转换成电子信号的模拟音频 信号。Δ-Σ模数转换器811处理这些电信号822。该模数转换器811包括一个Δ-Σ高 速超采样调制器，其在整个超采样频带上的发散量化噪声功率。此外，Σ调制器作为电 输入信号822的低通滤波器去掉噪声并且作为高通滤波器进行环境噪声整形。因此，量化 噪声功率的大部分将转移出信号频带。假设，举个例子，电输入信号在一个48千赫有20kHz带宽的基带上，Δ - Σ模数转 换器811创建一个数字采样信号824，其被128倍升频采样以提供17级(约4位)。该模 数转换器生产的数字采样信号，以6. 144MHz的采样频率运作。该数字采样信号反馈到抽取 滤波器812，由128倍降频采样以获得具有24位48千赫降频采样信号826。抽取滤波器的 输出被直接输入到数字信号处理器(CPU)814。本领域的技术人员可以根据需要采用多种变 化的输入信号、升频采样率和降频采样率。此外，还应指出的是，在只有播放的系统中抽取 滤波器812可以被省略。数字信号处理器接收降频采样信号826，并通过线828将相同的数据处理信号到 插值滤波器816。插值滤波器816将线828上的信号以128倍升频采样产生升频采样信号， 然后馈送到加法器830的第一输入端。加法器830输出端产生一个补偿过的升频采样信号 831，其连接到Δ-Σ数模转换器818并在其输出端产生模拟音频信号819。这个音频信号 用来通过可编程延迟模块834驱动扬声器832。由于模数转换器811、滤波器812，数字信号处理器814，滤波器816和数模转换器 818都具有固有的时间延迟，可能会产生“吹口哨”的声音，这些延迟必须予以抑制。本发明 通过从模数转换器811输出端到加法器830输入端设置前馈路径来抑制这种延迟。这个前 馈路径包括超采样处理器835，其由高采样率下的低延迟滤波器836组成。另外，采样处理 器835可由低延迟滤波器836和第二可编程延迟模块838组成。在这种情况下，可编程延迟模块836可以由可编程延迟模块834代替使用。低延迟滤波器836的输入连接模数转换器811的输出。滤波器836的输出连接到可编程延迟模 块838的输入端。可编程延迟模块838可调节，以弥补模块811-818固有的延迟。因此，滤 波器836的输出信号被延迟控制模块838延迟，然后加载来自插值滤波器816的升频采样信号。在图9中，描绘了一个适用于图8所示Δ- Σ模数转换器811的前馈模数转换 器910实施例框图。该模数转换器910包括第一加法911器，三个串联连接的积分器 912a-912c，第二加法器913，量化器914，一个数模转换器(数模转换器)916。馈送给第一加 法器911的第一输入信号915是从麦克风819 (图8)输出的，并且与每个积分器912a_912c 的输出在第二加法器913相加，然后输入到量化器914。该模数转换器910具有恒定的STF(信号 传递函数)增益(即在很宽的频带上有 平坦的响应)，以及一个优化量化器914噪声整形响应的全零NTF (噪声传递函数)。量化 器的输出提供了 4位输出，并且通过一个数模转换器916反馈到第一加法器911作为第二 输入。如需更详细的解释和讨论有关的模数转换器910，可以参见本发明申请人的申请的美 国专利号6，670，902 (授权日2003年12月30日)，题为“ Δ - Σ调制器改善噪声性能”的 专利，现作为参考提供。在图10中，描绘了一个适用于图8所示Δ-Σ数模转换器818的Δ - Σ数模转 换器920的实施例框图。数模转换器920包括延迟积分器922a-922c，其每一个提供函数 Z-71-Z—1，相关加法器924a-924c，量化器926，脉宽调制器(PWM) 928，和一个有限脉冲响应 (FIR)滤波器930。量化器926的输出乘以之前相应的系数aO，al和a2，然后反馈到各自 的加法924a-924c。第三次延迟积分器922c的输出乘以一个系数b0，然后输送到第二加法 器924b。量化器926输出产生33级的数字信号，并输入到脉宽调制器928。脉宽调制器的 输出连接到有限脉冲响应滤波器(FIR)930。滤波器930的输出定义数模转换器920的输 出。如需更详细的解释和讨论有关的数模转换器920，可以参见本发明申请人的美国专利号 7，116，721(授权日2006年10月3日)，题为“ Δ - Σ调制器改善噪声性能”的专利，现同 样作为参考提供。在图11中，描绘了图9所示积分器912a_912c中之一的电路原理图。积分器912 由一个运算放大器940，和输入电阻942，反馈电容944组成。图12的方框图，说明了适用 于图8所述滤波器836的低延迟滤波器950由多个串联连接的二阶滤波器952a，952b和 952c-952n 组成。图13是图12所示的二阶滤波器952a-952n中任何一个的示意图。二阶滤波器 952包括延迟积分器954和956，相关加法958-962，和量化器964。来自线966的输入在被 馈送给各自的加法器958-962之前要乘以相应系数aO，al和a2。量化器964经过线968的 输出馈送到各自的加法器960和962之前要乘以相应系数-bl，-b2。加法器962的输出馈 送到延迟积分器956的输入，延迟积分器956的输出馈送到加法器960。加法器960的输出 输入到延迟积分器954的输入，延迟积分器954的输出馈送到加法器958。如需更详细的解 释和讨论有关的二阶滤波器952，可以参见本发明申请人申请的美国专利号7，062，340(授 权日2006年6月13日)，题为“音频数据处理系统和利用超采样率的方法”的专利，现同样 作为参考提供。
在图8A，描绘了本发明所述的第二个实施例中适用于噪声抑制系统的低延迟数字 音频处理系统840的原理框图。低延迟的数字音频处理系统840代表了对图4所示现有技 术的数字处理系统76的改进。可以看出，数字音频处理系统840包括一个Δ-Σ模数转换 器(ADC)，多个串联连接二阶滤波器844a-844c，以及Δ-Σ数模转换器(DAC)846。模数转换器842接收模拟音频信号，并在以高采样率将其转换成数字采样信号 848。二阶滤波器844a-844c作为以高采样率运行的低延迟数字滤波器并且接收数字采样 信号。二阶滤波器844c的输出反馈到数模转换器846生成一个模拟音频信号输出850。目 前这个数字音频处理系统840具有较低的延迟，其与模拟处理系统大致相同，并且实现了 更高的精度和消耗较少电能。从以上的详细说明可以看出，本发明提供了低延迟信号处理系统，其中包括一个 Δ- Σ模数转换器，采样器，以及Δ- Σ数模转换器。Δ - Σ模数转换器接收一个输入信号， 并在高度超采样率下产生数字采样信号。超采样处理器连接到模数转换器用来在低延迟超 采样率下处理数字采样信号。Σ数模转换器连接到超采样处理器用来在低延迟超采样 率下接收数字采样信号并产生模拟信号。超采样处理器包括一个低延迟滤波器和可编程延 迟装置。在这种方式下，产生低延迟高精度模拟信号。本发明并不限于上文讨论的实施方式。以上对具体实施方式
的描述旨在于为了描 述和说明本发明涉及的技术方案。基于本发明启示的显而易见的变换或替代也应当被认为 落入本发明的保护范围。以上的具体实施方式
用来揭示本发明的最佳实施方法，以使得本 领域的普通技术人员能够应用本发明的多种实施方式以及多种替代方式来达到本发明的 目的。
权利要求
一种低延迟音频数据处理系统，包括一个第一转换器将声音转换成音频信号；一个Δ-∑模数转换器接收音频信号，并在超采样率下产生一个数字采样信号；一个抽取滤波器在超采样频率下响应该数字采样信号，并产生降频采样信号；一个音频数据处理器连接到所述抽取滤波器用于处理所述降频采样信号；一个插值滤波器响应所述处理过的降频采样信号的信号生成升频采样信号；一个Δ-∑数模转换器接收补偿过的升频采样信号并产生模拟信号；一个第二转换器将所述模拟信号转换成声音信号；一个超采样处理器，包括一个连接在所述模数转换器和数模转换器之间的低延迟滤波器，用来在低延迟超采样率下处理数字采样信号；以及一个加法器，连接到所述采样处理器和插值滤波器输出端用来产生补偿过的升频采样信号。
2.如权利要求1所述的低延迟音频数据处理系统，其特征在于，所述超采样率至少为 音频采样率的16倍。
3.如权利要求1所述的低延迟音频数据处理系统，其特征在于，所述采样处理器还进 一步包括一个连接到所述低延迟滤波器输出的可编程延迟单元。
4.如权利要求1所述的低延迟音频数据处理系统，其特征在于，低延迟滤波器由多个 串联连接的二阶IIR滤波器组成。
5.如权利要求1所述的低延迟音频数据处理系统，其特征在于，模数转换器包括一个 前馈模数转换器，其由多个积分器和一个量化器组成。
6.如权利要求5所述的低延迟音频数据处理系统，其特征在于，模数转换器在至少 1. 5MHz的超采样速度下运行。
7.如权利要求1所述的低延迟音频数据处理系统，其特征在于，数模转换器包括多个 积分器，一个量化器，一个脉宽调制器，以及一个FIR滤波器。
8.如权利要求1所述的低延迟音频数据处理系统，其特征在于，用于转换声音的第一 转换器包括一个麦克风。
9.如权利要求1所述的低延迟音频数据处理系统，其特征在于，用于转换模拟信号的 第二转换器包括一个扬声器。
10.一种低时延信号数据处理系统，包括一个Δ- Σ模数转换器接收音频信号，并在超采样率下产生一个数字采样信号； 超采样处理器，包括一个低延迟滤波器连接到所述模数转换器用来在低延迟超采样率 下处理数字采样信号；和一个△-Σ数模转换器连接到所述数字信号处理器用来在低延迟超采样率下接收数 字采样信号以产生模拟信号。
11.如权利要求10所述的低延迟音频数据处理系统，其特征在于，从所述△-Σ模数转 换器产生的数字信号还馈送到抽取滤波器以产生降频采样信号。
12.如权利要求10所述的低延迟音频数据处理系统，其特征在于，所述△-Σ数模转换 器还接收来自插值滤波器的一个没有进行取样的信号。
13.如权利要求10所述的低延迟音频数据处理系统，其特征在于，所述低延迟滤波器由多个串联连接的二阶IIR滤波器组成。
14.如权利要求10所述的低延迟音频数据处理系统，其特征在于，模数转换器包括一 个前馈模数转换器，其由多个积分器和一个量化器组成。
15.如权利要求14所述的低延迟音频数据处理系统，其特征在于，模数转换器在至少 1. 5MHz的超采样速度下运行。
16.如权利要求10所述的低延迟音频数据处理系统，其特征在于，数模转换器包括多 个积分器，一个量化器，一个脉宽调制器，以及一个FIR滤波器。
17.一种低延迟的信号处理方法，其步骤包括从Δ-Σ模数转换器在超采样率下产生数字采样信号；具有低延迟滤波器产生低延迟信号的超采样处理通道在超采样率下处理所述数字采 样信号；从Δ- Σ数模转换器接受一个低延迟信号，并将该低延迟信号转换成一个低延迟模拟信号。
18.如权利要求17所述的低延迟的信号处理方法，其特征在于，具有低延迟滤波器产 生低延迟信号的超采样处理通道在超采样率下处理所述数字采样信号的步骤中，包括在超 采样率下处理所述数字采样信号的超采样处理通道有可编程延迟单元连接到低延迟滤波 器的输出端。
19.如权利要求17所述的低延迟的信号处理方法，其特征在于，具有低延迟滤波器产 生低延迟信号的超采样处理通道在超采样率下处理所述数字采样信号的步骤中，包括在超 采样率下处理所述数字采样信号的超采样处理通道有多个串联的二阶IIR滤波器。
20.如权利要求17所述的低延迟的信号处理方法，其特征在于，在超采样率下产生数 字采样信号的步骤包括以至少16倍音频采样率采样的步骤。
21.如权利要求4所述的低延迟音频数据处理系统，其特征在于，所述多个串联连接的 二阶IIR滤波器中的每一个包括一个积分器。
22.如权利要求13所述的低延迟音频数据处理系统，其特征在于，所述多个串联连接 的二阶IIR滤波器中的至少一个包括一个积分器。
23.如权利要求19所述的低延迟的信号处理方法，其特征在于，所述多个串联连接的 二阶IIR滤波器中的至少一个包括一个积分器。
24.一种低延迟的耳机系统，包括 将声音转换成音频信号的麦克风；一个Σ模数转换器接收音频信号，并在超采样率下产生数字采样信号；一个超频采样处理器，包括一个连接到所述模数转换器的低延迟滤波器，用来在低延 迟超采样率下处理数字采样信号；一个Σ数模转换器连接到所述超频采样处理器，用来接收低延迟超采样率下的数 字采样信号并产生模拟信号；以及一个扬声器将所述模拟信号转换成声音信号。
25.一种适于连接到耳机和麦克风的低延迟便携式音频播放器，包括将声音转换成音频信号的麦克风；一个Σ模数转换器接收音频信号，并产生超采样率数字采样信号；一个超频采样处理器，包括一个连接在所述模数转换器的低延迟滤波器，用来在低延 迟超采样率下处理数字采样信号；一个△-Σ数模转换器连接到所述超频采样处理器，用来接收低延迟超采样率下的数 字采样信号并产生模拟信号；以及一个布置在头戴式耳机的扬声器将所述模拟信号转换成声音信号。
全文摘要
本发明公开了一种低延迟的信号处理系统和方法，其中包括一个Δ-∑模数转换器，一个超频采样器，以及一个Δ-∑数模转换器。Δ-∑模数转换器接收一个输入信号或音频信号，并在超采样率下产生数字采样信号。超频采样处理器连接到模数转换器用来在低延迟超采样率处理所述数字采样信号。所述Δ-∑数至模转换器连接到采样处理器用来在高采样率低延迟下接收数字采样信号，并产生模拟信号。超频采样处理器包括一个低延迟滤波器和可编程延迟模块。在这种方式下，可以产生低延迟高精度模拟信号。
文档编号H04R25/00GK101803202SQ200880010282
公开日2010年8月11日 申请日期2008年3月6日 优先权日2007年3月28日
发明者约翰·L·梅安森 申请人:美国思睿逻辑有限公司