专利名称：降低在σ－δ调制器中周期性噪声的设备与方法
技术领域：
本发明涉及一种降低周期性噪声的∑-Δ调制的方法。
相关技术描述在大多数声频设备，例如，移动电话或CD唱机中，要进行模拟/数字或数字/模拟转换，在模拟/数字或数字/模拟转换器中通常采用∑-Δ调制器。
依据现有技术的一种∑-Δ调制器包括许多积分器，许多放大器和一个量化器。将它们以对∑-Δ调制器具有特征的方式进行排列。将∑-Δ调制器的线路结构描述在下面。
在∑-Δ调制器中，当它的输入信号为低，恒定，或变化缓慢时，产生一种所谓的周期性噪声，或无用音。即使此周期性噪声具有相当低的幅度，对于人耳而言，它完全是可听到的。因此，必须将这种噪声降低到听不见的水平。
在EP 0709 969 A2中，一种藉助脉动信号降低周期性噪声的∑-Δ调制器被公开。该脉动信号是一种随机信号，例如，一种伪-噪声码(PN-码)。这种脉动信号可在∑-Δ调制器的一处或多处加入。取决于将脉动信号加入∑-Δ调制器的何处，在加入前，此信号由一种特定的滤波器滤波。
该PN码的最佳长度是PN码的周期大于被∑-Δ调制器处理的最低频率的周期。PN码至少应是21位长。该脉动信号整流后的AC功率取决于∑-Δ调制器的阶数。
这种解决办法的一个缺点是取决于脉动信号被选取加到何处，将需要一个或多个滤波器。
用于降低∑-Δ调制器中周期性噪声的另一种通常的解决办法是将脉动信号加入一个积分器中。将该脉动信号加入不需要滤波。
这种解决办法也有缺点，使∑-Δ调制器的性能变坏。
在∑-Δ调制器中信号/噪声比的恶化意味着∑-Δ调制器的复杂性必定增加。这就意味着必将较大量的积分器用于∑-Δ调制以保持所希望的性能水准。
如果将∑-Δ调制器包括在D/A转换器中，则有另一种对付信号/噪声比恶化的解决办法。可以增加D/A转换器中一个内插滤波器内的过采样率或者增加安排在∑-Δ调制器输出的低通滤波器的复杂性。
然而，以上提到的三种解决办法导致增加功率消耗和增加∑/Δ调制器的复杂性，这对于无线电通信设备，例如移动电话是不希望的。
发明概述本发明解决降低在∑-Δ调制器中周期性噪声(无用音)的问题。
本发明解决的另一个问题是，当降低周期性噪声时保持从∑-Δ调制器的输出信号的信号/噪声比而不增加∑-Δ调制器的复杂性。
本发明解决的还有一个问题是，当降低周期性噪声而将用于∑-Δ调制的本发明的设备与方法包括在一个D/A转换器中时，要保持来自D/A转换器的输出信号的信号/噪声比而不增加D/A转换器的复杂性。
因此本发明的一个目的是提供用于∑-Δ调制而能降低已调输出信号中周期性噪声的设备和方法。
另一个目的是当降低周期性噪声时，获得对于∑-Δ调制器输出信号良好的信号/噪声比而不增加实现调制步骤的∑-Δ调制器的复杂性。
依据本发明通过将两个不同信号加入到∑-Δ调制器而解决以上提到的问题。第一信号具有较短的周期。将所述的第一信号加到∑-Δ调制器的最高位之一，第二信号与所述的第一信号相比，具有较长的周期。将第二信号加到包括在∑-Δ调制器中的积分器之一的最低位。
本发明设备和方法的一个优点是实现降低周期性噪声而未使来自∑-Δ调制器的输出信号的信号/噪声比恶化。
本发明的另一个优点是由于降低周期性噪声时复杂性可得到控制，因而∑-Δ调制器消耗比较少的功率。
现在将通过最佳实施方案并参考附图更详尽地描述本发明。
附图简述
图1是包含一个∑-Δ调制器的D/A转换器的方框图。
图2是展示本发明的设备和方法的一个实施方案的一种∑-Δ调制器的方框图。
图3是展示本发明的设备和方法的另一个实施方案的一种∑-Δ调制器的方框图。
图4是展示本发明的设备和方法的又一个实施方案的一种∑-Δ调制器的方框图。
图5是展示本发明的设备和方法的另外一个实施方案的一种∑-Δ调制器的方框图。
优选实施方案详述图1是依据现有技术的一种D/A转换器100的方框图。D/A转换器100包括一个时间一离散内插滤波器102，安排来接收包括许多N位的时间-离散信号101，例如，若D/A转换器100被安排在一个GSM移动电话中，时间一离散信号101是一个数字化的13位信号，时间-离散内插滤波器102增加接收到的时间-离散信号101的采样率，所以获得一个具有较高采样率的新的时间一离散信号103，实现采样率的增加得以在从D/A转换器100接收到的模拟输出信号中获得较好的信号/噪声比，较高采样率与较低采样率之间的比在此称为过采样率(OSR)。新的时间-离散信号103被送到∑-Δ调制器104，∑-Δ调制器104，包括许多积分器和一个量化器，被用来产生输出信号106，输出信号106可假定有预先规定的幅度电平数。所述的输出信号106通常是一个只有两个不同电平的1位信号，在这种情况下，实现了一种从由N位表示的值到可假定有两个不同幅度值的许多样本的转换。时间-离散信号106被送到低通滤波器107，用来使不同幅度值之间的时间-离散1位信号106变平滑，以便用这种方法获得模拟信号108。
A/D转换器的作用基本上与以上描述的相反。一个差别在于D/A转换器100主要用数字硬件105来实现，而A/D转换器主要用模拟元件来实现。
图2是展示本发明的设备和方法的一种实施方案的一个∑-Δ调制器的方框图，∑-Δ调制器104被安排来接收出现在所述的∑-Δ调制器的一个输入206上的时间-离散信号103并且产生输出信号106作为∑-Δ调制器的一个输出207。输出信号106取决于时间-离散信号103。∑-Δ调制器104包括两个积分器200，201，一个量化器202，三个相加器203，204，205，一个第一脉动产生器216，用来产生第一脉动信号218和一个第二脉动产生器215，用来产生第二脉动信号217。
在第一脉动产生器216中，例如，可以是一个存贮器或一个移位寄存器，第一脉动信号218被存贮。第一脉动信号218是一个预先规定幅度的1位序列并具有较短周期，较短周期意味着第一脉动信号218并不包括D/A转换器100预期的频率范围中的任何频率成分。例如，用于人耳的声频设备中，这个频率范围相应于可被人耳觉察的频率，即在基本上等于0-20KHz的频率范围中，如何选择第二脉动信号的幅度和周期将在以下解释。
从第二脉动发生器215，例如，可以是一个最大长度移位寄存器，产生第二脉动信号217，具有长的周期，低的幅度并有与白噪声类似的统计性质。如何选择其长度和幅度将在以下描述。第二脉动信号217是一个1位序列、当用长度为22、周期大于4秒的一个最大长度移位寄存器产生时，获得类似于白噪声的统计性质，4秒的周期在此应看成是一个相当长的周期，此脉动信号主要指望避免∑-Δ调制器产生一种输出信号，其音调落在预期取决于第一脉动信号218的∑-Δ调制器的频率范围中。
相加器203被安排将时间一离散信号103加到输出信号106上，该输出信号藉助于反馈连接208通过乘法器219被回送。由此获得第一和信号209。用于乘法器219的乘法因数K以技术上已知的方法选取。如果K被选为K＜0，实现从所述的时间-离散信号103减去所述的输出信号。所述的第一和信号209在积分器200中被积分，由此获得第一积分信号210。相加器204被安排来将所述的第一积分信号210加到输出信号106上，该信号通过乘法器220以与上述相同的方式被回送，在此相加中获得第一部分和，相加在器204被安排来将第一脉动信号218加到第一部分和的最高位之一。在相加器中实现的相加，当然可以按相反的次序实施。由此获得第二和信号211，第二和信号211在积分器201中被积分，由此获得第二积分信号212。相加器205被安排来将第二积分信号加到被回送到乘法器221的输出信号106，和第二脉动信号217，由此获得第三和信号214。第二脉动信号217被加到最低位之一。第三和信号作为用于产生输出信号106的量化器202的输入213，输出信号106是一个可假定为两电平的信号。
输出信号106被通过各自的乘法因数为k，l，m的三个乘法器219，220，221回送。乘法因数k，l，m可用不同的方法确定。然而，通常必须进行对噪声与信号的传递函数的分析。如何确定所述的乘法系数是本领域的技术人员已知的。
第一脉动信号218是一个具有预先确定的谱性质的1位信号。对于预先确定的接收到的信号101的采样频率fs和已确定的OSR(过采样率)，第一脉动信号不应包括预期用于D/A转换器100的范围fB中的频率分量，例如，可以是移动电话的基带范围，为了满足上述要求，第一脉动信号218的长度最好应该短于预期用于D/A转换器的频率范围的最高频率fBH的周期，如果第二脉动信号217被选取为短于
位的位序列，就可做到这点，人耳可觉察到的音调高达20KHz，这就给出了，例如在移动电话中安排给D/A转换器的最高频率，例如采取采样率fs＝8000Hz和DSR＝64，如果第一脉动信号被选取短于26位，要求第一脉动信号218不包括对人可听到的频率范围的频率分量是被满足的。将以上提到的值代入以上提到的等式中就可得到
第一脉动信号的幅度最好选为低于被回送的输出信号的幅度的4-32倍，第一脉动信号幅度的选择取决于∑-Δ调制器的结构和第一脉动信号所加的位，在∑-Δ调制器的结构被确定以后，第一脉动信号的幅度可被模拟。
第二脉动信号217是一个统计特性与白噪声相应的位序列，这可以是，例如，由最大长度移位寄存器产生的伪噪声(PN)码，此脉动信号的周期应该是长的，最好是几秒，如果，例如，当采样率fs等于8000Hz与OSR等于64时，周期为4秒是希望的，此位序列，周期，应长于2048000位(4×8000×64＝2048000)此序列是利用长度为22的最大长度移位寄存器得到的，给出的周期是(222-1)＝2194303。如何设计一定长度的最大长度移位寄存器对本领域的技术人员是熟知的。
第一脉动信号的幅度是通过将可控幅度的脉动发生器216连到∑-Δ调制器中的相加器确定的。此幅度被增加到在输出信号108中未发现周期性噪声为止，这可用几种方法检查，例如，通过连接一个记录信号的频率分量的谱分析仪以记录输出信号108。
在本实施方案中，第一脉动信号218同样可被连接到相加器205，第二脉动信号217可被连接到相加器203，204，将获得与上相同的结果。
图3是展示本发明的设备与方法的第二实施方案的一个∑-Δ调制器的方框图。在随同图2描述的实施方案与示于图3中的实施方案的差别在于示于图3的实施方案包括一个附加的积分器300，因此被称为三阶∑-Δ调制器，一个相加器302和一个放大器301。
输入信号103在相加器302中被加到在放大器301中被放大的输出信号106上，由此得到和信号，此和信号在积分器300中被积分，产生积分信号303。代替随同图2被描述的输入信号103，由此相加器203获得输入信号303。除此以外，∑-Δ调制器如随同图2被描述的那样起作用。
使用在以上描述的两个实施方案中的脉动信号217和脉动信号218，当然，并不是精确地相同的信号，但已依据以上的描述作了调节。
在本实施方案中，第一脉动信号218同样可被连到相加器203，205之一，第二脉动信号217可被连到相加器203，204，302之一，将获得以上相同的结果。
图4是展示本发明的设备与方法的另一个实施方案的一个∑-Δ调制器的方框图。在本实施方案与连同图2描述的实施方案之间的差别是脉动产生器216，215已被改变位置，由脉动发生器215之一产生的第一脉动信号417被加到第一积分信号210，输出信号106通过放大器220送回到相加器204中，这与连同对于脉动信号217的图2所描述的方法相同，由此获得第二和信号411，此和信号411在积分器201中被积分，由此获得第二积分信号412。第二脉动信号418被加到第二积分信号412以及通过放大器221回送的输出信号106上，由此获得第三和信号414，所述的加法与图2对于脉动信号218所描述的相同方法进行。通过第三和信号414的量化，以与上述相同的方法在输出106上获得输出信号106。
图5是所发明的∑-Δ调制器的又一个实施方案的方框图，在本实施方案与随同图3描述的实施方案之间的差别在于脉动发生器216，215已经改变了位置，由脉动发生器215产生的第一脉动信号417在相加器204中被加到第一积分信号210以及通过放大器220回送的输出信号106上。与随同对于脉动信号217的图3所描述的方法相同，由此获得第二和信号511，和信号511在积分器201中被积分，由此获得第二积分信号512，第二脉动信号418被加到第二积分信号512以及通过放大器221回送的输出信号106上，由此获得第三和信号514。所述的加法以与对于脉动信号218的图3所描述相同的方法实现，通过对第三和信号414的量化，以与上述相同的方法在输出106上获得输出信号106。
本发明当然不限于以上所描述和附图所示的内容而可在权利要求的范围内作出修改。
权利要求
1.一种∑-Δ调制方法，所述的方法实现降低周期性噪声，包括以下步骤a)至少一个相应于输入信号(103)的信号(209，图2)的第一积分(200)相加到被预定的因数K相乘的输出信号(106)上，由此获得第一积分信号(210)；b)至少一个所述的第一积分信号(210)的第二积分(201)加到第一信号(218)上，由此获得第二积分信号(212)；c)所述的第二积分信号(212)的量化(202)被加到第二信号上(217)。由此获得所述的输出信号(106)，其特征在于第一信号(218)是由一定周期的一个特定的位图组成；和第二信号(217)是由一定周期的伪随机信号组成。
2.依据权利要求1的方法，其特征在于第一信号(218)是由一定的被确定周期的一位时间离散序列组成，其周期相对于所述的第二信号(217)的周期是短的；和第二信号(217)是由一定的确定的周期的一位时间离散序列组成。
3.依据权利要求2的方法，其中所述的输入信号(103)和所述的第一积分信号(210)是由一个N位时间离散信号组成，其特征在于第一信号(218)被加到在所述的第一积分信号(210)中的预先确定的位上；和第二信号(217)被加到第二积分信号(212)中的一个最低位上；和所述的输出信号(106)是由一个1位的时间离散信号组成。
4.一种依据权利要求2和3中任一项的方法，其特征在于第一信号(218)的周期是这样选择的，即其频率分量位于∑-Δ调制器的频率范围以外；和第二信号(217)的周期是如此之长，以致此序列以对人听不到的频率重复自身。
5.依据权利要求4的方法，其中∑-Δ调制器的频率范围是人可听到的，其特征在于第一信号(218)的周期是以人听不到的频率重复自身。
6.依据以前的权利要求中任一项的方法，其特征在于第二积分(201)前面加上由所述的输出信号(106)乘以预先规定的因数l；和量化(202)前面加上所述的输出信号(106)乘以预先规定的因数m。
7.一种∑-Δ调制的方法，所述的方法实现降低周期性噪声，包括以下步骤a)至少一个相应于输入信号(103)的信号(209，图4)的第一积分(200)加上乘以预先规定的因数K的输出信号(106)，因此获得第一积分信号(210)；b)至少一个所述的第一积分信号(210)的第二积分(201)加到第一信号(417)上，由此获得第二积分信号(412)；c)所述的第二积分信号(412)的量化(202)加到第二信号(418)上，由此获得所述的输出信号(106)；其特征在于第一信号(417)由一个一定周期的伪随机信号组成；和第二信号(418)由一个一定周期的特定的位图组成。
8.依据权利要求7的一种方法，其特征在于第一信号(417)由一个一定的周期的一位时间离散序列组成；和第二信号(418)由一个一定周期的一位时间离散序列组成，其周期相对于所述的第一信号的周期是短的。
9.依据权利要求8的一种方法，其中所述的输入信号(103)和所述的第一积分信号(210)由一个N位时间离散信号组成，其特征在于第一信号(417)被加到第二积分信号(212)中的一个最低位上；和第二信号(418)被加到所述的第一积分信号(210)中预先规定的位上；和所述的输出信号(106)由一个一位时间离散信号组成。
10.依据权利要求8和9中任一项的方法，其特征在于第一信号(417)的周期是如此之长，使此序列以人听不到的频率重复自身；和第二信号(418)的周期是如此选择，使其频率位于∑-Δ调制器的频率范围以外。
11.依据权利要求10的方法，其中∑-Δ调制器的频率范围是人可听到的，其特征在于第一信号(418)的周期以人听不到的频率重复自身。
12.依据前面的权利要求中任一项的方法，其特征在于第二积分(201)前面加上所述的输出信号(106)乘以预先确定的因数l；和量化(202)前面加上所述的输出信号(106)乘以预先确定的因数m。
13.一种用于∑-Δ调制的设备，所述的∑-Δ调制实现降低周期性噪声，所述的设备包括a)至少一个第一积分器(200)，被安排对相对应于输入信号(103)相加上乘以预定因数K的输出信号(106)的信号(209，图2)的积分，由此获得第一积分信号(210)；b)至少一个第二积分器(201)，被安排对所述的加上第一信号(218)的第一积分信号(210)的积分，由此获得第二积分信号(212)；c)一个量化器(202)，被安排对所述的加上第二信号(217)的第二积分信号(212)量化，由此获得所述的输出信号(106)；其特征在于一个第一脉动产生器(216)被安排来产生由一定周期的特定的位图组成的第一信号(218)；和一个第二脉动产生器(215)被安排来产生由一定周期的伪随机信号组成的第二信号(217)。
14.依据权利要求13的一种设备，其特征在于第一脉动产生器(216)由一个存贮设备组成；第二脉动产生器(215)由一个最大长度移位寄存器组成。
15.依据权利要求13的一种设备，其特征在于第一脉动产生器(216)由一个移位寄存器组成；第二脉动产生器(215)由一个最大长度移位寄存器组成。
16.依据权利要求13-15中任一项的设备，其特征在于第一相加器(204)被安排来将所述的乘以预定因数l的输出信号(106)加到第一积分信号(210)上；和第二相加器(205)被安排来将所述的乘以预定因数m的输出信号(106)加到第二积分信号(212)上。
17.一种用于∑-Δ解调的设备，所述的∑-Δ解调实现降低周期性噪声，所述的设备包括a)至少一个第一积分器(200)，被安排对相应于加上乘以预定因数k的输出信号(106)的输入信号(103)的一个信号(209，图4)积分，由此获得第一积分信号(210)；b)至少一个第二积分器(201)，被安排对所述的加上第一信号(417)的第一积分信号(210)积分，由此获得第二积分信号(412)；c)一个量化器(202)被安排对所述的加上第二信号(418)的第二积分信号(412)量化，由此获得所述的输出信号(106)；其特征在于一个第一脉动发生器(215)被安排来产生由一定周期的伪随机信号组成的第一信号(417)；和一个第二脉动发生器(216)被安排来产生由一定周期的一个特定的位图组成的第二信号(418)。
18.依据权利要求17的设备，其特征在于第一脉动发生器(215)由一个最大长度移位寄存器组成；和第二脉动发生器(216)由一个存贮器装置组成。
19.依据权利要求17的设备，其特征在于第一脉动发生器(215)由一个最大长度移位寄存器组成；和第二脉动发生器(216)由一个移位寄存器组成。
20.依据权利要求17-19中任一项的设备，其特征在于第一相加器(204)，被安排来将所述的乘以预定因数l的输出信号(106)加到第一积分信号(210)上；和第二相加器(205)，被安排来将所述的乘以预定因数m的输出信号(106)加到第二积分信号(212)上。
21.一种将N位时间离散信号(101)数/模转换为与所述的时间离散信号(101)对应的模拟信号(108)并降低周期性噪声的一种方法，所述的方法包括以下步骤以特定的采样率将N位时间离散信号(101)内插滤波(102)，由此得到一个一定的较高采样率的时间离散信号(103)；具有所述的较高采样率的时间离散信号(103)的∑-Δ调制(104)，由此获得具有一定数量幅度电平的输出信号(106)；和所述的输出信号(106)的低通滤波(107)，由此获得与N位时间离散信号(101)对应的模拟信号(108)，其特征在于，∑-Δ调制是依据权利要求1的方法实现的。
22.一种将一个N位时间离散信号(101)数/模转换为对应于所述的时间离散信号(101)的模拟信号(108)并降低周期性噪声的方法，所述的方法包括以下步骤以特定的采样率将N位时间离散信号(101)内插滤波(102)，由此获得一个一定的较高采样率的时间离散信号(103)；具有所述的较高采样率的时间离散信号(103)的∑-Δ调制(104)，由此获得具有一定数量幅度电平的输出信号(106)；和所述的输出信号(106)的低通滤波(107)，由此获得对应于N位时间离散信号(101)的模拟信号(108)，其特征在于，∑-Δ调制是依据权利要求7的方法实现的。
23.一种用于将一个N位时间离散信号(101)数/模转换为对应于所述的时间离散信号(101)的模拟信号(108)并降低周期性噪声的设备，所述的设备包括具有一定的采样率的N位时间离散信号(101)的内插滤波装置(102)，由此获得一定的较高采样率的时间离散信号(103)；具有所述的较高采样率的时间离散信号(103)的∑-Δ调制(104)装置，由此获得具有一定数量幅度电平的输出信号(106)；所述的输出信号(106)的低通滤波(107)装置，由此获得对应于N位时间离散信号(101)的模拟信号(108)，其特征在于，所述的用于∑-Δ调制的装置由一个依据权利要求13的设备组成。
24.一种将一个N位时间离散信号(101)数/模转换为对应于所述的时间离散信号(101)的模拟信号(108)并降低周期性噪声的设备，所述的设备包括具有一定的采样率的N位时间离散信号(101)的内插滤波装置(102)，由此获得一个一定的较高采样率的时间离散信号(103)；具有所述的较高采样率的时间离散信号(103)的∑-Δ调制(104)装置，由此获得具有一定数量幅度电平的输出信号(106)；所述的输出信号(106)的低通滤波(107)装置，由此获得对应于N位时间离散信号(101)的模拟信号(108)，其特征在于，所述的∑-Δ调制装置是由依据权利要求17的一种设备组成。
全文摘要
本发明涉及一种在∑－△调制器中降低周期性噪声(无用噪声)的∑－△调制设备与方法,这种降低是藉助于将两种不同的脉动信号(217,218)加到∑－△调制器中获得的,第一脉动信号(218)是由一个一定周期的特定的位图组成,而第二脉动信号(217)是由某个其它周期的伪随机信号组成。
文档编号H03M3/02GK1260913SQ9880557
公开日2000年7月19日 申请日期1998年5月26日 优先权日1997年5月27日
发明者M·O·弗莱恩哈根, P·H·弗雷姆洛特 申请人:艾利森电话股份有限公司