信号处理方法

专利名称：信号处理方法
技术领域：
本发明涉及一种用于增强信号的动态范围的信号处理方法。本发明还涉及一种用于信号恢复的信号处理方法，以及涉及一种用于执行所述方法的信号处理器。
背景技术：
可以产生具有高动态范围信号的设备示例是麦克风。这些设备可以检测到极静的声音(例如，耳语)到极高的声音(例如，音乐会或飞机起飞)，而没有失真。在一些情况下，处理这种高动态范围的信号可能是困难的或者是不可能的。例如， 在移动电话应用中，将麦克风与基带电路耦合的数字信道可以处理的动态范围限制了该数字信道。此外，由标准规定来数字信道的特性，因此不可能增强这些特性。因此，处理较高动态范围的任何尝试都必须与该数字信道和现有的基带电路兼容。用于改善信号的动态范围的现有技术使用信号压缩(例如，压伸(companding)) 技术或时变增益控制(例如，自动增益控制)。然而，这些技术影响了信号的线性，并且与诸如降噪和回声消除算法之类的各种信号处理算法不兼容。

发明内容
根据本发明的第一方面，提供了一种用于提高信号的动态范围的信号处理方法， 所述方法包括a)根据输入信号形成衰减信号；b)对输入信号和衰减信号各进行滤波，使得输入信号与衰减信号的带宽之和小于或等于传输信道的带宽；c)调制已滤波输入信号和已滤波衰减信号中的一个，使得已滤波输入信号与已滤波衰减信号分别占用传输信道的带宽内没有重叠的频率范围；以及d)将调制后的信号与已滤波输入信号和已滤波衰减信号中的另一个相组合，以形成复合(composite)输出信号。因此，本发明提供了一种用于将原始输入信号与其衰减版本打包(bundling)为复合输出信号以在相同信道上传输的方法。原始输入信号可以被用于低或中电平信号，而衰减版本可以被用于高电平信号。因此，以信号带宽为代价，通过输入信号和衰减信号提供了较高的动态范围。在该方法的典型应用中，从麦克风接收输入信号。例如，如果从具有脉冲密度调制 (PDM)输出的数字麦克风接收输入信号，则输入信号可以是数字的。这种麦克风通常用于移动电话应用中。在一个实施例中，使用电容性网路来根据输入信号形成衰减信号。这在从麦克风接收输入信号时尤其有用，因为电容性网络通常是电容式传感器。然而，对于其它传感器， 可以使用不同类型的衰减电路(例如，电阻式分压器)。典型地，电容式网络包括串联耦合的电容器和电容式分压器，串联耦合的电容器用于将输入信号与信号处理电路耦合；电容式分压器包括串联在用于接收输入信号的输入节点与地之间的两个电容器。衰减信号存在于两个电容器之间的接合处，以及选择两个电容器的相对值，以获得期望衰减。在一个实施例中，所述方法还包括，在步骤(b)之前，将输入信号和衰减信号转换为数字信号。数字信号可以是脉冲密度调制单比特流，在这种情况下，典型地利用Λ-Σ模数转换器完成转换。备选地，数字信号可以是具有η比特宽度的脉冲编码调制(PCM)数字信号，其中，η大于或等于2。可以直接地完成到PCM数字信号的这种转换，或在(例如，使用Λ - Σ模数转换器)转换为PDM之后使用I比特至N比特转换器(从PDM信号产生PCM 信号)将其转换为PCM来完成到PCM数字信号的这种转换。典型地，所述方法还包括，在步骤(C)之前，对所述已滤波输入信号和已滤波衰减信号中的一个进行抽取。在另一实施例中，在模拟域中执行步骤(b)。在该实施例中，可以将已滤波输入信号和已滤波衰减信号转换为脉冲密度调制 (PDM)单比特比特流。典型地，使用Λ-Σ模数转换器来完成这种转换。备选地，可以将已滤波输入信号和已滤波衰减信号转换为具有η比特宽度的脉冲编码调制(PCM)数字信号，其中，η大于或等于2。可以直接地完成到PCM数字信号的这种转换，或在(例如，使用Λ - Σ模数转换器)转换为PDM之后使用I比特至N比特转换器 (从PDM信号产生PCM信号)将其转换为PCM来完成到PCM数字信号的这种转换。可以将已滤波输入信号和已滤波衰减信号中的一个与η比特宽度的数字信号相乘来执行步骤(c)的调制，其中合成所述η比特宽度的数字信号，以与具有已滤波输入信号和已滤波衰减信号的采样频率的二分之一频率的正弦波相近似。优选地，所述方法还包括以下步骤e)将步骤(d)的组合信号转换为I比特比特流。根据本发明的第二方面，提供了一种信号处理方法，用于从根据本发明的第一方面的方法产生的复合输出信号中恢复输入信号和衰减信号，所述信号处理方法包括使用低通滤波器恢复输入信号，以及通过解调复合输出信号然后再使用低通滤波器来恢复衰减信号。典型地，低通滤波器具有复合输出信号的采样频率的四分之一的截止频率，以及通过将复合输出信号与具有二分之一采样频率的频率的正弦波相乘来执行解调。优选地，该方法还包括多路复用器，所述多路复用器被配置为根据恢复的输入信号和/或衰减信号的幅度来选择恢复的输入信号、恢复的衰减信号或这二者的混合。根据本发明的第三方面，提供了一种信号处理方法，用于从根据本发明第一方面产生的复合输出信号中恢复输入信号，所述方法包括使用低通滤波器来恢复输入信号。第二和第三方面的方法还可以包括当将复合输入信号转换为I比特比特流时， 在恢复输入信号和衰减信号之前对复合输入信号进行抽取。


现在将参考附图详细地描述本发明的示例，其中图I示出了用于处理输入信号以增强其动态范围的电路；
图2示出了由图I的电路产生的复合信号的频谱；图3示出了用于处理输入信号以增强其动态范围的另一电路；图4示出了用于恢复输入信号并衰减来自图I或图3的电路产生的复合信号的信号的电路；以及图5示出了用于恢复来自图I或图3的电路产生的复合信号的输入信号的电路。
具体实施例方式图I示出了用于处理来自传感器I (例如，麦克风)的输入信号以增强输入信号的动态范围的电路的框图。传感器I与电容器网络2耦合，电容器网络2提供传感器I与两个相应的模数转换器(ADC) 3、4之间的AC耦合。电容器网络2以因子10衰减提供给ADC3 的信号(即，20dB)，但没有衰减提供给ADC 4的信号。可以将其它非10的衰减因子用于适当具体的环境。为了获得衰减因子10，可以将串联的具有比率I : 9的值的一对电容器串联放置在输入信号与地之间，较低值电容器与输入信号相连，而较高值电容器与地相连。然后，在该电容器对的接合处可得到衰减信号。每个ADC3、4均为Λ- Σ转换器，所述Λ - Σ转换器产生脉冲密度调制比特流。每个ADC 3、4工作在采样频率仁，并且以因子N1对信号进行过采样。由ADC 4和相关联的信号路径处理低幅度信号。然而高幅度信号将使ADC4过载，从而替换地，由ADC 3与相关联的信号路径处理高幅度信号。优选地，应该选择ADC 3，使得ADC 3可以处理ADC 4的过载点与该过载点和电容器网络的衰减因子之和之间的信号幅度。ADC 4需要相当高的信躁比(SNR)。通过额定传感器输出电平(在麦克风的情况下，典型地，处于IPa声压电平处的灵敏度)和固有噪声电平(noise floor)计算所需值。 另一方面，ADC 3只需要处理较高幅度信号，并且可以具有更低的SNR，而这将导致更低的功耗。每个ADC 3、4分别与I比特至N比特转换器5、6耦合。这些I比特至N比特转换器将I比特PDM比特流转换为N比特脉冲编码调制(PCM)格式。这样做使得容易执行以下的信号处理步骤(例如，添加、滤波和调制)。每个I比特至N比特转换器5、6分别与相应的低通滤波器7、8耦合。这些低通滤波器7,8将信号的带宽限制到小于fs的四分之一，使得稍后可以恢复信号，而不会在两个信道之间(即，ADC 3处理的高幅度信号与ADC 4处理的低幅度信号之间)出现显著的串扰。在设计低通滤波器7、8时，必须在阻带衰减和通带纹波组延迟之间进行折衷。低通滤波器7与抽取预校正滤波器9相耦合。在低通滤波器7是四阶滤波器的情况下，不需要抽取预校正滤波器9。然而，对于其它滤波器阶数，抽取预校正滤波器9确保了在信号恢复过程中的解调之后，信号不失真。然后，在调制器10中，利用频率的调制信号对来自抽取预校正滤波器9的
信号进行幅度调制。直接数字合成器11从查找表12中检索值Sin (AV I)，以产生调制信号。这个调制步骤对产生以约4频率为中心的双边带信号有影响。因此，ADC 4和相
2关联信号路径处理的低幅度信号占用上至I的频率，而ADC 3和相关联信号路径处理的高
4
幅度信号占用4与4之间的频率。
4 2然后，在加法器13中，将来自调制器10的调制信号与来自低通滤波器8的信号相加，以产生由ADC 4和相关联信号路径处理的低幅度信号与ADC 3和相关联信号路径处理的高幅度信号的复合信号。然后，在I比特调制器14中，将复合信号转换为I比特比特流。在图2中，示出了这个复合信号的信号频谱，还示出了从ADC 3至抽取预校正滤波器9的信号路径的有效滤波器特性。以上参考图I描述的实现从ADC 3、4往上全部是数字的。典型地，这可以在数字信号处理器上实现。可以通过在模拟域中执行低通滤波功能来简化数字处理。图3示出了这种实现。以由于没有实现图I的数字低通滤波器而没能抑制的更多噪声为代价，构造了这个较简化的实现。在该实现中，一对模拟低通滤波器20、21从电容器网络接收信号。低通滤波器20
接收衰减信号，而低通滤波器21接收非衰减信号。滤波器20、21均具有截止频率$。
4滤波器20、21分别与相应的ADC 22,23耦合。ADC 22,23与以上参考图I描述的 ADC 3、4相同，并且适用相同的考量。ADC 22、23以N1的过采样因子进行过采样。每个ADC 22,23分别与I比特至2比特转换器24、25耦合。I比特至2比特转换器24、25将从ADC 22,23接收到的PDM比特流转换为2比特PDM信号。2比特PDM信号是能够将两个PDM信号相加所需的最小比特数。然后，调制器26使用由直接数字合成器27产生的调制信号，来调制来自I比特至 2比特转换器24的信号。直接数字合成器27产生具有I1 · f的频率及2比特宽度的正弦波。在加法器28中，将来自调制器26的2比特调制信号与来自I比特至2比特转换器25的低幅度信号相加。然后，数字I比特调制器29将得到的复合信号转换为I比特PDM 比特流。复合信号具有如图2所示的频谱。在该实现中，没有抽取预校正滤波器，因为抽取预校正滤波器可以在处理信号恢复的信号处理器中实现。图4示出了用于从图I和图3产生的复合信号中恢复衰减信号和非衰减信号的电路。在图4中，抽取滤波器30对复合信号进行抽取和下采样。抽取滤波器30将PDM单比
特比特流转换为具有二分之一采样频率4带宽的多比特PCM信号。
2这产生了提供给解码器31的PCM信号。解码器31从复合信号中恢复衰减信号和非衰减信号。为了恢复非衰减信号，解码器31简单地将非衰减信号传送通过具有截止频率
I的低通滤波器。为了恢复衰减信号，解码器31通过将衰减信号与具有$频率的正弦波相 42
乘来解调输入信号，然后将解调信号传送通过具有截止频率I的低通滤波器。
4这种处理与FM MPX解码器技术类似。然而，在标准MPX过程中，需要传送导频音，而在上述情况下则不需要。相反，可以使用简单时钟计数器，来从运行在N · fs的系统时钟中恢复信号。然后，电平移动器(level shifter) 32以因子10放大衰减信号(以与电容器网络 2引起的衰减因子相匹配)。这导致产生具有类似幅度的两个信号对于低和中幅度信号而言是噪声而对高幅度信号而言是线性的衰减信号(现在已放大)，以及对低和中幅度信号而目是线性而对闻幅度 目号而目是失真的非裳减/[目号。为了允许对信号进行适当的结合，使用自适应精细调谐电路33，自适应精细调谐电路33调整(现在已放大的)衰减信号的信号电平，以最小化衰减信号与非衰减信号之差。差最小化电路34监视所述差。将基于阈值的多路复用器35用于选择针对低或中幅度信号电平的非衰减信号或针对高幅度信号电平的(现在已经放大并且精细调谐的)衰减信号。在这两个信号的重叠部分，可以使用两个信号的混合信号来产生输出信号。该多路复用器35监视非衰减信号的每个采样的采样值。根据该采样值，选择非衰减信号、衰减信号或混合信号作为多路复用器35的输出。当采样值小于第一阈值时，选择非衰减信号。当采样值等于或大于第一阈值但小于第二阈值时，选择混合信号，以及当采样值大于或等于第二阈值时，选择衰减信号。通过将衰减信号和非衰减信号中的每个信号与相应的权重系数相乘，并且然后将得到的加权信号相加来产生混合信号。图5示出了可以只恢复非衰减信号的方法。简单地，将抽取滤波器40与具有截止
频率I的低通滤波器41相耦合。这有效地仅从复合信号中滤掉调制的衰减信号，而只留下 4
衰减信号。如果抽取滤波器是可编程的，则可以对滤波器系数编程，以将低通滤波器特性并入抽取滤波器40中。以上示例均使用$的滤波器截止频率。这并非是所需值。可能的是，针对除衰减
信号的非衰减信号，使用更多4的可用带宽。由电容器网络限定增大(augmented)信号的动态范围，因此将衰减信号的动态范围选择为与(例如，由调制器的正弦近似法的精度确定的)实现成本和(例如，由ADC 3或 22的SNR确定的)电流消耗相关的折衷。与其它动态增大的解决方案(例如，压缩或时变增益控制)相反，本发明接收到覆盖了整个动态范围的线性信号，从而与诸如回声或噪声消除之类的算法兼容。在大多数情况下(例如，在电话应用中)，不需要全音频带宽。因此，随着本发明出现的带宽减小通常不是问题。通过学习附图、说明书和附加权利要求书，本领域技术人员在实践请求保护的发明时可以理解和实施所公开实施例的其他变体。在权利要求中，词语“包括”不排除其他元件或步骤，不定冠词“一个”不排除多个。单个处理器或其他单元可以实现权利要求中所记载的若干项的功能。在互不相同的从属权利要求中记载特定特征的唯一事实并不表示不可以有利地使用这些特征的组合。不仅可以将计算机程序存储/分配在诸如光存储介质或由其他硬件一起提供或作为其他硬件的一部分的固态介质之类的适当介质上，还可以通过诸如因特网或其他有线或无线通信系统之类的其他形式进行分配。权利要求中的任何参考标记不应该解释为限制范围。
权利要求
1.一种用于提高信号的动态范围的信号处理方法，所述方法包括a)根据输入信号形成衰减信号；b)对输入信号和衰减信号各进行滤波，使得输入信号与衰减信号的带宽之和小于或等于传输信道的带宽；c)调制已滤波输入信号和已滤波衰减信号中的一个，使得已滤波输入信号与已滤波衰减信号分别占用传输信道的带宽内没有重叠的频率范围；以及d)将调制后的信号与已滤波输入信号和已滤波衰减信号中的另一个相组合，以形成复合输出信号。
2.根据权利要求I的方法，其中使用电容性网路(2)来根据输入信号形成衰减信号。
3.根据权利要求I或2的方法，还包括在步骤(b)之前，将输入信号和衰减信号转换为数字信号。
4.根据权利要求3的方法，其中数字信号是脉冲密度调制PDM单比特比特流。
5.根据权利要求3的方法，其中数字信号是具有η比特宽度的脉冲编码调制PCM数字信号，其中η大于或等于2。
6.根据前述权利要求中任一项的方法，还包括在步骤(c)之前，对所述已滤波输入信号和已滤波衰减信号中的一个进行抽取。
7.根据权利要求I或2的方法，其中在模拟域中执行步骤(b)。
8.根据权利要求7的方法，其中将已滤波输入信号和已滤波衰减信号转换为脉冲密度调制PDM单比特比特流。
9.根据权利要求7的方法，其中将已滤波输入信号和已滤波衰减信号转换为具有η比特宽度的脉冲编码调制PCM数字信号，其中η大于或等于2。
10.根据权利要求5或9的方法，其中，通过将所述已滤波输入信号和已滤波衰减信号中的一个与η比特宽度的数字信号相乘来执行步骤(c)的调制，其中所述η比特宽度的数字信号被合成为正弦波，所述正弦波的频率近似于数字已滤波输入信号和数字已滤波衰减信号的采样频率的二分之一。
11.根据前述权利要求中任一项的方法，还包括以下步骤e)将步骤(d)的组合信号转换为单比特比特流。
12.—种信号处理方法,用于从根据前述权利要求中任一项的方法产生的复合输出信号中恢复输入信号和衰减信号，所述信号处理方法包括使用低通滤波器恢复输入信号，以及通过解调复合输出信号然后再使用低通滤波器，来恢复衰减信号。
13.根据权利要求12的方法，还包括多路复用器(35)，所述多路复用器被配置为根据恢复的输入信号和/或恢复的衰减信号的幅度来选择恢复的输入信号、恢复的衰减信号或这二者的混合。
14.一种信号处理方法,用于从根据前述权利要求中任一项的方法产生的复合输出信号中恢复输入信号，所述信号处理方法包括使用低通滤波器(41)来恢复输入信号。
15.根据当从属于权利要求11时权利要求12至14中任一项的方法，还包括在恢复输入信号和衰减信号之前对复合输入信号进行抽取。
全文摘要
本发明公开了一种用于增强信号的动态范围的信号处理方法。所述方法包括a)根据输入信号形成衰减信号；b)对输入信号和衰减信号各进行滤波，使得输入信号和衰减信号的带宽之和小于或等于传输信道的带宽；c)调制已滤波输入信号和已滤波衰减信号中的一个，以使已滤波输入信号与已滤波衰减信号分别占用传输信道的带宽内没有重叠的频率范围；以及d)将调制信号与已滤波输入信号和已滤波衰减信号中的另一信号相结合，以形成复合输出信号。
文档编号G10L19/00GK102592599SQ20121000558
公开日2012年7月18日 申请日期2012年1月10日 优先权日2011年1月12日
发明者弗雷德里希·瑞宁 申请人:Nxp股份有限公司