专利名称：一种改进型数据加权平均算法及装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及音频采样数据处理技术领域，具体涉及一种能更好的抑制音调效应且 不会造成信噪失真比(SNDR)很大衰减的改进型数据加权平均(DWA)算法以及实现该算法 的装置。
背景技术：
在音频采样sigma-delta DAC数模转换器中，由于sigma-delta调制器的作用， 信号的位数往往从大于20位被截断至3-6位，在这个过程中产生的截断噪声同时也被调 制器所整形，使得输出的低比特信号还能够在低频段保留较高的精度。但是，在主流CMOS 工艺条件下，由于工艺波动，内部的独立开关电容或者电流源约有0. 5%的失配，这就导致 了重建模拟信号过程中的误差。这些误差可以通过动态单元匹配技术(DynamicElement Matching,简称DEM)被数字化整形。DEM选择单位元件的方法大体上分为三类，分别为随机选择DEM、算法选择DEM和 噪声整形DEM。一般在音频多比特DAC应用中普遍使用算法选择DEM的实现方式，它又包括 数据加权平均法(Data-weightedAveraging简称DWA)、旋转移位法(Barrel Shifting)、独 立电平平均法(ILA)、向量反馈法(Vector Feedback)、树装置(Tree Structured)等。数据加权平均(DWA)是一种可以降低对DAC单位元件匹配要求的DEM算法，也被 称作单元轮选算法(Element Rotation)。它的目标就是尽量让每个1比特单元器件被用到 的次数相同。其工作原理是通过循环选择单位元件将DAC非线性误差引入的噪声和失真进 行一阶整形，并将其推至更高的频带。DWA的一个重要特点就是易于实现，并且噪声整形能 力比较强。考虑一个3比特的DAC，它有7个1比特单元，可以使用开关电容(Switched Capacitor)实现或者电流源(Current Source)来实现。如图1所示，所有单元被排成一个圈。例如，设第一个输入数据为3，则单元1，2 和3被选中，产生相应的模拟输出；接下来输入为4，则单元4，5，6，7开始工作。再接下来 输入为6，则单元8，1，2，3，4和5被选中工作。这样每个单元都会被平均地利用到。如果 不使用DWA，输入为3时，单元1，2，3被选中，当输入为4时，单元1，2，3，4被选中。可以看 至IJ，几乎每次都会选到1，2，3前面这几个单元，而后面的单元则很少使用到，这样就加大了 失配误差的程度。但是数据加权平均(DWA)算法由于每次选择的单位元件有一定的规律，导致 误差频谱成为一个线性频谱，也就是所谓的音调效应。因此有很多改进的数据加权平 均算法来解决这个问题，比如伪DWA (pseudo DffA)，分集DWA (split-set DWA)，双向 DffA (Bi-Direction DWA)，部分 DWA (Partial DWA)。伪 DWA (pseudo DWA)是最简单的算法， 但是在某些特定的输入幅度下，带内杂波幅度会变大。虽然分集DWA(split-set DWA)可以 达到更高的信噪失真比(SNDR)，但是当调制器量化水平超过9时这种算法电路实现所占用 的面积大大增加。双向DWA(Bi-Direction DWA)和部分DWA(Partial DWA)可以很好的抑制音调音效，却会带来很大的信噪失真比(SNDR)衰减，因此这两种方法很少被采用。
发明内容
本发明提供了 一种能够更好的抑制音调效应且不会造成信噪失真比很大衰减的 改进型数据加权平均算法，这种算法简单实现，实现电路不会因为调制器量化水平提高而 变得复杂。为了克服音调效应，或者说更大程度上减小带内音调，在一段时间内，应该破坏选 择单位元件的规律性，但是又要保证单位元件被选中的次数一样，即任何一个单位元件在 被选中第K+1次时，其他的单位元件都至少被选中了 K次，否则就会增大失配误差，使得输 出信号频谱中的噪底提高，从而降低信噪失真比。本发明采用了一种新的计数方法，虽然这种计数方法比伪DWA(pseudo DffA)和分 集DWA(split-set DffA)基于时钟的计数实现起来困难些，但是建立在这种计数上的改进型 数据加权平均算法几乎能同时满足前面提到的两个要求。一种改进型数据加权平均算法，包括1.假设有N个单位元件，首先按传统数据加权平均算法进行运算；单位元件N由调制器阶数决定的，例如，采用的是4阶调制器，这个单元个数就是 24-1 = 15 ；2.如果输入值为K，K是前一个调制器的输出值，恰好单位元件N-K， N-K+1, .... N-I，N被选中，那么计数器Cl工作，计数结果加1，否则保持原计数结果；3.当计数器Cl计数值达到预设值时，另外一个计数器C2工作，计数结果加1，同 时将计数器Cl被置为0，否则计数器C2保持原计数结果；所述的预设值是由多次实验决定的，不同的调制器阶数需要不同的预设值，一般 为2幂次方，例如2,4,8,16等。4.如果计数器C2的计数值达到单位元件数N，则计数器C2计数结果被置为0 ；5.桶式移位寄存器以计数器C2的计数值为移位位数，将第一步中的运算结果循 环右移得到新的结果去轮转选择这N个单位元件。一种实现改进型数据加权平均算法的装置，包括一延迟单元，接收并延迟加法器的输出信号；一加法器，接收输入数字信号和延迟单元的输出信号；该加法器相加输入数字信 号与延迟单元的输出信号以得到该加法器的输出信号，如果加法器相加结果达到单位元件 个数N时，则相加结果减去单位元件个数后作为输出信号输出；一温度计码产生器，接收并转换输入数字信号成为一温度计编码信号；一第一桶式移位寄存器，以延迟单元输出信号为移位位数，将温度计码产生器的 输出信号循环右移以产生一输出信号；一第一比较器，接受第一桶式移位寄存器最高位输出和最低位输出，如果最高位 输出为1，最低位输出为0，则该比较器输出为1，否则输出为0 ；一第一计数器，接收第一比较器输出信号，如果该计数器输入为1，则计数加1，否 则保持原计数结果，如果达到预设值，则计数结果置为0 ；一第二比较器，接收第一计数器输出信号，如果比较器输入值等于预设值，该比较器输出为1，否则输 出为O ；—第二计数器，接收第二比较输出信号，如果该计数器输入为1，则计数加1，否则 保持原计数结果，如果计数结果达到单位元件个数N，则计数结果置为0 ；一第二桶式移位寄存器，以第二计数器输出信号为移位位数，将第一桶式移位寄 存器的输出信号循环右移以产生一输出信号。通过两个计数器来控制第二桶式移位寄存器来对传统数据加权平均算法结果进 行修正，这种改进型数据加权平均算法能很好的处理了信噪失真比和音调效应这对矛盾， 整体来看，保证单位元件被平均使用，从而不会造成信噪失真比的很大衰减，局部来看，这 种算法能破坏单位元件选择的规律性，最大程度上抑制音调效应，可以将带内音调降到很 低。在4阶delta-sigma调制器，64倍过采样以及0. 5%随机单位元件失配的情况下 仿真，分析输出信号的频谱图可知，本发明的算法以及装置可以将带内音调减小到6dB，并 且使得信噪失真比只衰减1. 2dB。
图1是传统数据加权平均单元轮选图；图2是本发明的改进型数据加权平均装置示意图；图3 (a)是传统数数据加权平均装置工作结果示意图；图3 (b)是改进型数据加权平均装置工作结果示意图；图4是在Matlab simulink仿真软件下，4阶sigma-delta调制器调制后的正弦信 号经传统数数据加权平均装置后的输出信号频谱示意图；图5是在Matlab simulink仿真软件下，4阶sigma-delta调制器调制后的正弦信 号经本发明的改进型数据加权平均装置后的输出信号频谱示意图；图6 (a)是在Matlab simulink仿真软件下，3阶sigma-delta调制器调制后的正 弦信号经过传统数数据加权平均装置后的频谱示意图；图6 (b)是在Matlab simulink仿真软件下，3阶sigma-delta调制器调制后的正 弦信号经过本发明的改进型数据加权平均装置后的频谱示意图。
具体实施例方式如图2所示，一种能更好抑制音调效应的改进型数据加权平均算法的装置，包括 延迟单元、加法器、温度计码产生器、第一桶式移位寄存器、第一比较器、第一计数器、第二 比较器、第二计数器和第二桶式移位寄存器。所属的温度计码产生器将接收到的数字输入信号转化为温度计编码信号，作为第 一桶式移位寄存器的输入信号。如表1所示表1 :3位二进制输入与相应温度计编码表
权利要求
一种改进型的数据加权平均算法，包括(1)假设有N个单位元件，首先按传统数据加权平均算法进行运算；(2)如果输入值为K时，恰好单位元件N K，N K+1，....N 1，N被选中，那么计数器C1工作，计数结果加1，否则保持原计数结果；(3)当计数器C1计数值达到预设值时，另外一个计数器C2工作，计数结果加1，同时将计数器C1被置为0，否则计数器C2保持原计数结果；(4)如果计数器C2的计数值达到单位元件数N，则计数器C2计数结果被置为0；(5)桶式移位寄存器以计数器C2的计数值为移位位数，将第一步中的运算结果循环右移得到新的结果去轮转选择这N个单位元件。
2.一种实现改进型数据加权平均算法的装置，包括 一延迟单元，接收并延迟加法器的输出信号；一加法器，接收输入数字信号和延迟单元的输出信号。该加法器相加输入数字信号 与延迟单元的输出信号以得到该加法器的输出信号，如果加法器相加结果达到单位元件个 数，则相加结果减去单位元件个数后作为输出信号输出；一温度计码产生器，接收并转换输入数字信号成为一温度计编码信号； 一第一桶式移位寄存器，以延迟单元输出信号为移位位数，将温度计码产生器的输出 信号循环右移以产生一输出信号；一第一比较器，接受第一桶式移位寄存器最高位输出和最低位输出，如果最高位输出 为1，最低位输出为0，则该比较器输出为1，否则输出为0 ；一第一计数器，接收第一比较器输出信号，如果该计数器输入为1，则计数加1，否则保 持原计数结果，如果达到预设值，则计数结果置为0 ；一第二比较器，接收第一计数器输出信号，如果比较器输入值等于预设的值，该比较器 输出为1，否则输出为0 ；一第二计数器，接收第二比较输出信号，如果该计数器输入为1，则计数加1，否则保持 原计数结果，如果计数结果达到单位元件个数，则计数结果置为0 ；一第二桶式移位寄存器，以第二计数器输出信号为移位位数，将第一桶式移位寄存器 的输出信号循环右移以产生一输出信号。
全文摘要
本发明公开了一种能更好抑制音调效应的改进型数据加权平均算法，该算法通过两个计数器来控制第二桶式移位寄存器来对传统数据加权平均算法结果进行修正。同时本发明还提供了实现该算法的装置，包括延迟单元、加法器、温度计码产生器、第一桶式移位寄存器、第一比较器、第一计数器、第二比较器、第二计数器和第二桶式移位寄存器。这种改进型数据加权平均算法能很好的处理了信噪失真比和音调效应这对矛盾，整体来看，保证单位元件被平均使用，从而不会造成信噪失真比的很大衰减，局部来看，这种算法能破坏单位元件选择的规律性，最大程度上抑制音调效应，可以将带内音调降到很低。
文档编号G10L21/02GK101969307SQ201010262058
公开日2011年2月9日 申请日期2010年8月20日 优先权日2010年8月20日
发明者刘晓鹏, 张泽松, 杨健义, 韩雁 申请人:浙江大学