用于AM无线电的自适应信号压缩器的制作方法

本发明涉及通信技术，尤其涉及使用调幅(am)接收器的通信。

背景技术：

传统的无线电接收器包括调整信号的电路，以便为信号处理路径中的后续电路提供适当的电平。响应于功率电平的自动增益控制变化，可以发生音频信号幅度的显着变化(例如，10db功率步长)。尽管自动增益控制将信号电平调节到目标幅度范围或目标功率范围，但是传统系统在后续电路中没有足够的余量来容忍10db或更大的信号功率变化。这样的大增益步长可能导致音频信号中的爆音或其他失真(例如，由于信号削波引起的失真)。因此，需要用于接收音频信号的改进技术。

技术实现要素：

在本发明的至少一个实施例中，接收器包括压缩因子产生器，其被配置为基于数字解调的接收信号、信号质量估计、高调制电平和低调制电平生成压缩增益信号。接收器包括增益电路，该增益电路被配置为将压缩增益信号施加到数字解调的接收信号以生成数字接收器输出信号。压缩因子产生器可以包括：峰值追踪滤波器，其被配置为基于数字解调的接收信号、与第一预定滤波器时间常数相关联的第一滤波器配置信息以及与第二预定滤波器时间常数相关联的第二滤波器配置信息生成峰值追踪信号。可以包括压缩阈值产生器，其被配置为基于峰值追踪信号、信号质量估计、高调制电平和低调制电平生成调制指数。压缩因子产生器可以包括压缩曲线，该压缩曲线被配置为响应于调制指数和数字解调的接收信号而生成第二压缩增益信号。压缩因子产生器可以包括增益压缩保持和恢复处理器，其被配置为基于第二压缩增益信号、预定增益放宽常数和预定常数增益电平来生成压缩增益信号。

在本发明的至少一个实施例中，一种方法包括基于数字解调的接收信号、信号质量估计、高调制电平和低调制电平生成压缩增益信号。该方法包括将压缩增益信号应用于数字解调的接收信号以生成数字接收器输出信号。生成压缩增益信号可以包括基于数字解调的接收信号、与第一预定滤波器时间常数相关联的第一滤波器配置信息，以及与第二预定滤波器时间常数相关联的第二滤波器配置信息生成峰值追踪信号。生成压缩增益信号可以包括基于峰值追踪信号、信号质量估计、高调制电平和低调制电平生成调制指数。生成压缩增益信号可以包括响应于调制指数和数字解调的接收信号提供第二压缩增益信号。

在本发明的至少一个实施例中，调幅(am)无线电接收器包括接收器前端，其被配置为解调接收的射频信号以生成数字解调的am音频信号。am无线电接收器包括压缩因子产生器，其被配置为基于数字解调的am音频信号、相应的信噪比测量值、预定的放宽常数和全标度增益值生成压缩增益信号。am无线电接收器包括乘法器，其被配置为将压缩增益信号施加到数字解调的am音频信号以生成数字输出音频信号。压缩因子产生器可以基于数字解调的am音频信号的绝对值的峰值、相应的信噪比测量值、第一预定调制电平和第二预定调制电平来限制增益压缩的范围，第一预定调制电平大于第二预定调制电平。

附图说明

通过参考附图，可以更好地理解本发明，并且本发明的众多目的、特征和优点对于本领域技术人员而言是显而易见的。

图1示出了传统数字am无线电的功能框图。

图2示出了与本发明的至少一个实施例一致的包括自适应信号压缩器的数字am无线电的功能框图。

图3示出了与本发明的至少一个实施例一致的自适应信号压缩器的功能框图。

图4示出了与本发明的至少一个实施例一致的示例性自适应信号压缩的功能框图。

图5示出了与本发明的至少一个实施例一致的示例性自适应信号压缩器的详细功能框图。

图6示出了与本发明的至少一个实施例一致的图5的增益压缩保持和恢复处理器的替代实施例的功能框图。

图7示出了示例性数字解调的接收的调幅音频信号的信号波形。

图8示出了示例性数字解调的接收的调幅音频信号的绝对值信号波形。

图9示出了与本发明的至少一个实施例一致的示例性峰值追踪信号的信号波形。

图10示出了与本发明的至少一个实施例一致的示例性数字解调的接收的调幅音频信号的信号波形和增益阈值。

图11示出了与本发明的至少一个实施例一致的数字解调的接收调幅音频信号和数字解调的接收调幅音频信号的增益压缩版本的波形。

图12示出了与本发明的至少一个实施例一致的图4的自适应信号压缩器的示例性压缩增益函数的波形。

图13示出了与本发明的至少一个实施例一致的被配置为实现自适应信号压缩的处理系统。

在不同附图中使用相同的附图标记表示相似或相同的项目。

具体实施方式

参考图1，am接收器100使用天线102在空中接收射频信号。自动增益控制(agc)电路104从天线102接收模拟信号，并根据需要放大或衰减模拟信号，以为am接收机100的后续电路提供具有合适信号范围(例如，减小或消除接收信号的削波或其他失真的范围)的信号。由agc电路104施加的增益可以放大或衰减模拟信号以实现目标动态范围。传统的agc技术使用平均输出信号电平或峰值输出信号电平来动态地将输入-输出增益调节到合适的值，该值使得由于接收信号强度的差异而使不同无线电台的平均音量(例如，响度)相等，以及由于衰落导致的单个信号路径的变化。

射频前端106可以进一步使用低噪声放大和滤波技术处理接收的射频信号，以维持或改善低功率信号的信噪比。解调器108从接收信号的一个版本中去除射频载波信号，以提供基带(或中频)am信号。dc滤波器(未示出)可以包括在解调器108的输出端，以去除或基本上衰减基带am信号的dc分量。在将结果信号传送到扬声器112或其他电路之前，基带am信号可以由音频处理器110进一步处理。在没有agc104的情况下，扬声器112am无线电接收器发出的声音将从弱信号显着变化为强信号。

虽然接收信号的传输符合美国联邦通信委员会的标准(例如，在大约125％的正峰值上进行最大正弦波调制并且在大约100％的负峰值上进行最大调制)，但是传统am接收器100接收有噪声的信号可能导致来自扬声器112的刺耳砰砰声和咔嗒声。然而，am接收器100不能区分这种失真是由agc步长引起还是发送的音频信息已经改变。另外，在低信号电平(即，在较低的信噪比(snr)条件下)，噪声更普遍并且是易失性的。因此，在低snr条件下，安静噪声(即，接收信号的低输出功率)优于接收信号的高输出功率。

自适应增益压缩技术使用接收信号的峰值追踪和信号质量估计(例如，snr测量、超声噪声测量，相对接收信号强度指示或其他合适的信号质量估计)来非线性地压缩信号增益以改善信号质量。参考图2，接收器200具有宽动态范围并使用增益压缩技术来减少信号失真。增益压缩是由放大装置的传递函数的时间变化所实现的差分或斜率增益的减小。虽然增益是线性运算，但通常增益压缩是非线性的。与削波不同，它会突然将信号限制在预定的幅度，从而使信号失真并将谐波引入信号，增益压缩主动改变总体增益以响应输入水平随时间的变化，因此传递函数在短时间内保持线性。在至少一个实施例中，自适应信号压缩器214被耦合以从解调器108接收数字解调的am信号。自适应信号压缩器214响应于由snr产生器216生成的数字解调的am接收信号的snr测量值，将自适应增益压缩应用于数字解调的am接收信号。snr产生器216可以使用任何合适的技术生成snr测量值。例如，snr产生器216可以计算数字解调的am接收信号的(均方根)幅度比的平方和预先测量的噪声信号幅度，并将该值转换为分贝(db)标度。

参考图3，自适应信号压缩器214包括压缩因子产生器302，其基于snr测量值、预定常数和数字解调的接收信号生成压缩增益信号。增益压缩器304将该增益信号应用于数字解调的am接收信号以生成输出信号。预定常数包括全标度增益值、高调制电平、低调制电平、增益放宽常数、缩放因子或滤波器配置信息中的一个或多个。这些预定常数可以通过实验或理论确定，并且可以存储在与自适应信号压缩器214集成的存储元件中或存储在包括自适应信号压缩器214的集成电路外部的存储元件中。

参考图4，自适应信号压缩器214在某些情况下实现增益压缩，同时在其他情况下保持预定值(例如，全标度增益值)。例如，如果自适应信号压缩器214检测到数字解调的am接收信号中的大功率步长并确定功率步长不是音频信号的变化，则自适应信号压缩器214压缩增益以减小自适应信号压缩器214输出中的功率步长。在至少一个实施例中，自适应信号压缩器214通过保持增益减小值一段时间来放宽增益压缩，以引起静音和/或减少施加到音频信号的失真量(例如，减少或消除可能由增益压缩引入的谐波)。在这些情况下，自适应信号压缩器214的行为类似于在增益压缩和静音之间进行选择的多路复用器。

在自适应信号压缩器214的至少一个实施例中，压缩函数产生器302包括峰值追踪滤波器402、自适应压缩阈值产生器404、压缩曲线406，并且在一些实施例中，包括增益压缩保持和恢复处理器408。压缩因子发生器302提供压缩增益信号到增益压缩器304，压缩器304将压缩增益应用于输入信号(例如，数字解调的am接收信号)。参考图5-12，在自适应信号压缩器214的至少一个实施例中，峰值追踪滤波器402接收输入信号(例如，数字解调的am接收信号)，并且绝对值函数产生器410提供相应的绝对值信号到低通滤波器412。低通滤波器412输出峰值之间具有更平滑过渡的信号，其用于确定信号的适当动态范围。在至少一个实施例中，低通滤波器412是双时间常数滤波器，其将当前滤波器输出与音频信号的输入绝对值进行比较，并将滤波器配置为相应地具有目标时间常数(例如，通过改变滤波器系数以选择相对较快或相对较慢的滤波器时间常数)，使输出信号接近峰值信号值。例如，如果输入信号的绝对值大于低通滤波器412的当前输出，则低通滤波器412选择与攻击时间常数τa相关联的配置，该时间常数是释放时间常数τr的更快的时间常数，以便滤波器输出可以尝试满足滤波器输入。如果输入信号的绝对值小于低通滤波器412的当前输出，则低通滤波器412选择与释放时间常数τr相关联的配置。低通滤波器412向自适应压缩阈值产生器404提供峰值追踪信号。峰值追踪信号根据所选择的滤波器时间常数接近平坦信号曲线。如果峰值追踪信号实际上接近峰值信号值，则自适应信号压缩器214在正常调制期间不太可能压缩音频。

注意，压缩函数产生器302的示例性实现使用有限数量的比特表示带符号数(即，正数和负数)。通常，除非另有说明，否则带符号的数字是小数。全标度增益值是指可以用分数表示法表示的用于在实现中使用的比特数的最大正数。根据特定实现，在示例性实现中应用的常量可以变化和/或可以不同地应用。在自适应压缩阈值产生器404的至少一个实施例中，限制器414通过以预定常数constant_8调整对应于输入信号的电流样本的snr测量值(例如，整数值2或根据系统如何表示db值而选择的其他值与将与信号的调制指数进行比较的分数值相比较)。限制器414将该调制电平与高调制电平和低调制电平进行比较。如果snr测量值在高调制电平和低调制电平之间，则限制器414提供snr测量值作为第一调制指数。如果snr测量值高于高调制电平，则限制器414提供高调制电平作为第一调制指数。如果snr测量值低于低调制电平，则限制器414提供低调制电平作为输出调制指数。

如果峰值追踪滤波器402提供的峰值追踪信号很大并且snr处于高位(例如，大约处于高调制电平或更高)，则乘法器416提供相对高的值作为第二调制指数。如果峰值追踪滤波器402提供的峰值追踪信号很大并且snr处于低位(例如，大约在低调制电平或更低)，则乘法器416提供低值作为第二调制指数。示例性的较低和较高调制电平限制分别为200％至800％。响应于高调制电平限制，乘法器416和乘法器418将0db增益应用于峰值追踪信号。选择电路420选择第一调制指数(例如，限制器414的输出)和第二调制指数(例如，乘法器416的输出或乘法器418的输出，其将乘法器416的输出乘以预定的缩放常数constant_9，例如，整数值2或根据所选择的调制限制选择的其他值)中的较小者。结果，选择电路420选择提供最快反应的调制指数，并将该调制指数提供给压缩曲线406，作为开始增益压缩的输入电平的指示(见图10)。

压缩曲线406的加法器424向选择电路426提供所选择的阈值输入电平和输入信号的绝对值之间的差值。差值表示对每个输入样本施加多少增益压缩的阈值。选择电路426将该差值与零进行比较。如果差值大于零，则选择电路426选择该差值作为输出并提供该差值的版本到标度转换器432。否则，该输入信号具有低于阈值的电平并且选择电路426提供零作为输出，使压缩曲线406不对输入信号电平施加增益压缩或施加最小增益压缩电平。压缩曲线406使用乘法器428和乘法器430转换输入信号以估计音频信号功率，乘法器施加预定常数constant_12(例如，整数值2或根据预定压缩曲线选择的其他值)。由于音频信号的感知响度与声输出功率近似地以对数方式变化，因此压缩曲线406例如通过标度转换器432缩放音频信号功率估计x，标度转换器432将音频信号功率估计x转换为对数分贝(db)标度。

压缩曲线406生成差值信号(例如，使用求和节点434)，其指示以db为单位的音频信号功率估计与预定功率电平constant_1之间的差值(例如，全标度功率电平或先前计算的增益电平)。在压缩曲线406的实施例中，求和节点434的输出是分数。在压缩曲线406的实施例中，标度转换器432否定用于计算差信号的输出音频信号功率估计的符号(以db为单位)。然而，在其他实施例中，压缩曲线406分别否定以db为单位的输出音频信号功率估计。压缩曲线406使用乘法器436、438和440进一步处理差值，以生成压缩曲线输出增益值。乘法器440施加预定常数constant_10(例如，2或根据预定压缩曲线选择的其他值)以提供压缩增益值。乘法器436、438和440实现可以根据输出信号偏好(例如，收听偏好)选择的预定压缩曲线。可以在高噪声信号条件下调谐压缩曲线，以减少输出信号中令人讨厌的噪声的任何影响。在选择预定压缩曲线之后，可以相应地调整预定常数。

在至少一个实施例中，压缩函数产生器302包括增益压缩保持和恢复处理器408，其减少或消除由于增益放宽常数引起的谐波失真。例如，增益压缩保持和恢复处理器408使用保持功能(例如，使用延迟元件和加法器442实现)并且通过选择(例如，使用选择电路444)压缩增益值中的较大值来施加预定增益放宽常数以及压缩增益值的平滑或静音版本以生成输出功率降低电平。增益压缩保持和恢复处理器408通过使用加法器446通过选择电路444的输出减小预定常数constant_11(例如，全标度值)来生成输出增益值，以生成输出压缩增益值以通过增益压缩器304应用于输入信号。

参考图6，在至少一个实施例中，增益压缩保持和恢复处理器408包括快速音频恢复处理器530、增益减小率限制器532和谐波失真减少器536。快速音频恢复处理器530接收输入信号(例如，数字解调的am接收的音频信号)，并且绝对值函数产生器504提供相应的绝对值信号，其通过预定常数constant_2(例如，全标度增益电平)与从谐波失真减少器536接收的谐波失真调整值之间的差值来缩放。求和节点502将该差值提供给乘法器506，乘法器506将缩放的绝对值信号提供给选择信号产生器510。选择信号产生器510将缩放的绝对值信号与预定的常数constant_3进行比较(例如，1％至2％的调制电平)。如果缩放的绝对值信号低于由预定常数constant_3提供的阈值，则选择信号产生器510向选择电路508提供控制信号，该电路508选择预定常数constant_4(例如，当constant_3为全标度时，导致完成音频恢复的时间常数约为5ms至6ms的值)。如果缩放的绝对值信号大于或等于预定常数constant_3，则选择信号产生器510向选择电路508提供控制信号，该选择电路选择零以与谐波失真减小电平组合以生成快速音频恢复输出。快速音频恢复处理器530的输出是在某些情况下减少低音频电平伪像以获得更快增益恢复的信号，而不重新引入在一些操作条件下由谐波失真减少器536减少的谐波失真。谐波失真减少器536通过缓慢减少增益压缩的应用来减小压缩增益值的谐波失真。谐波失真减少器536将输出压缩增益的延迟版本(例如，使用延迟元件520)减少预定增益放宽常数(例如，在单个隔离的完全静音之后导致完整音频恢复大约40ms的值)，并且作为对快速音频恢复处理器530的谐波失真调整提供差值。响应于快速音频恢复处理器530的输出为负，选择电路512将该输出信号限制为零，从而忽略快速音频恢复处理器530的输出。否则，选择电路512将快速音频恢复处理器530的输出提供给增益减少率限制器532。

增益减少率限制器532基于由压缩曲线406、快速音频恢复处理器530的输出和预定常数constant_6(例如，大约0.16，这是基于延迟元件550提供的延迟量和信号电平的最大变化的最大线性增益变化率)生成的压缩增益值生成调整后的压缩增益值。选择电路514将选择电路512的输出与压缩曲线406的输出进行比较。如果压缩曲线406的输出小于选择电路512的输出，则选择电路518将选择电路512的输出版本提供为应用于当前音频样本的压缩增益。否则，选择电路518提供选择电路512的输出的缩放版本的最小值和压缩曲线406的输出(例如，选择电路516的输出)作为输出压缩增益。因此，增益减少率限制器532限制音频压缩对伪像作出反应的速率，从而降低自适应增益压缩器当减轻另一音频伪像时产生伪像的风险。

参考图5和11，增益压缩器304使用乘法器448将从增益压缩保持和恢复处理器408接收的压缩增益信号施加到输入信号的延迟版本以生成输出信号。延迟元件550将输入信号延迟预定量以使压缩增益值与对应的输入样本同步。

包括在自适应信号压缩器214中的一个或多个结构可以使用在处理器上执行的软件(包括固件)或通过软件和硬件的组合来实现。如本文所述，软件可以编码在至少一个有形(即，非暂时性)计算机可读介质中。如本文所提到的，有形计算机可读介质至少包括磁盘、磁带或其他磁、光或电子存储介质(例如，随机存取存储器，只读存储器)。例如，图13示出了无线电802，其包括发射机模拟前端812和接收机模拟前端814，每个都耦合到相应的天线。处理器804可以是数字信号处理器或其他处理电路，通过执行从存储器808取出的指令来实现复杂的数据处理，例如滤波和调制。定制硬件电路实现数模转换器806，其向发射器模拟前端812提供模拟数据，以作为空中电磁信号传输。接收器模拟前端814和相关天线通过空中接收电磁信号，并将模拟信号提供给模数转换器810的定制硬件电路实现，模数转换器810向处理器804提供数字数据。处理器804实现复杂数据处理，例如，解调、滤波或其他信号处理，通过执行从存储器808取出的指令，其可以包括自适应信号压缩器214和snr产生器216。

因此，已经描述了用于减少或消除接收信号中的失真的技术。该技术降低了在正常调制期间压缩增益的可能性(例如，在音频信息已经改变并且信号不在agc步长的包括之下的情况下)。该技术降低了噪声am接收的音频粗糙度，降低了由am接收或其他原因的有源天线的离散rf增益变化引起的砰砰声和咔嗒声的刺耳效果，并降低了弱信号am接收的音频电平。

这里阐述的本发明的描述是说明性的，并不意图限制如所附权利要求中阐述的本发明的范围。例如，虽然已经在用于音频应用的实施例中描述了本发明，但是本领域技术人员将理解，这里的教导可以用在其他数字通信应用中。另外，虽然已经在使用snr测量作为信号质量估计的实施例中描述了本发明，但是本领域技术人员将理解，可以使用其他信号质量估计类型(例如，超声噪声测量、相对接收信号强度指示，或其他合适的信号质量估计)来利用本文的教导。在不脱离所附权利要求中阐述的本发明的范围的情况下，可以基于这里阐述的描述做出对本文公开的实施例的变型和修改。