CN105379123A - 用于在数字麦克风***中生成数字输出信号的***及方法 - Google Patents

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Abstract

根据本发明的实施例，一种数字麦克风***可包括麦克风换能器和数字处理***。麦克风换能器可被配置为生成表示入射到所述麦克风换能器上的音频声音的模拟输入信号。数字处理***可被配置为将所述模拟输入信号转换为具有三个或三个以上量化电平的第一数字信号，并在数字域中，处理所述第一数字信号以将所述第一数字信号转换为具有两个量化电平的第二数字信号。

Description

用于在数字麦克风***中生成数字输出信号的***及方法
相关申请交叉引用
本发明主张于2013年4月9日提交的美国临时专利申请序列号61/810,075的优先权，其全部内容以引用方式并入本文中。
技术领域
本发明大体上涉及音频***，更特定地，涉及在数字麦克风***中压缩数字信号。
背景技术
个人使用的许多设备普遍存在麦克风，包括计算机、平板、智能电话及许多其他消费设备。一般而言，麦克风为电声换能器，所述电声换能器响应于由入射到麦克风上的声音引起的麦克风的一部分(例如，膜片或其他结构)的挠曲而产生电信号。
在数字麦克风***中，麦克风换能器的模拟输出信号可通过模拟-数字转换器进行处理以将模拟输出信号转换为数字输出信号，所述数字输出信号可经由总线传递给数字音频处理器进行进一步处理。通过经由总线传递数字信号而不是模拟信号，音频信号可能受噪声影响较小。
在典型数字麦克风***中，一阶模拟-数字Δ-Σ调制器被用来将模拟输出信号转换为与接收数字输出信号的数字音频处理器兼容的1比特数字信号。然而，具有1比特输出的模拟-数字Δ-Σ调制器的一个缺点在于它们消耗大量功率。
发明内容
根据本发明的教示，可减少或消除在数字麦克风***中与功耗相关联的某些缺点和问题。
根据本发明的实施例，一种数字麦克风***可包括麦克风换能器和数字处理***。麦克风换能器可被配置为生成表示入射到所述麦克风换能器上的音频声音的模拟输入信号。数字处理***可被配置为将所述模拟输入信号转换为具有三个或三个以上量化电平的第一数字信号，并在数字域中，处理所述第一数字信号以将所述第一数字信号转换为具有两个量化电平的第二数字信号。
根据本发明的这些和其他实施例，一种方法可包括接收表示入射到麦克风换能器上的音频声音的模拟输入信号。所述方法还可包括将模拟输入信号转换为具有三个或三个以上量化电平的第一数字信号。所述方法还可包括在数字域中处理第一数字信号以将第一数字信号转换为具有两个量化电平的第二数字信号。
根据本发明的这些和其他实施例，一种集成电路可包括麦克风输入和处理电路。麦克风输入可被配置为接收表示入射到麦克风换能器上的音频声音的模拟输入信号。处理电路可被配置为将模拟输入信号转换为具有三个或三个以上量化电平的第一数字信号，并在数字域中，处理第一数字信号以将第一数字信号转换为具有两个量化电平的第二数字信号。
本发明的技术优势对于本领域普通技术人员而言从本文中所包括的图式、说明书和权利要求可以显而易见。所述实施例的目的和优点将至少通过在权利要求中特别指出的元件、功能及组合来实现和完成。
应当理解，前述大致说明和以下详细说明都为举例说明，且不限制本发明中所提出的权利要求。
附图说明
通过结合附图参考以下说明，可更完整地理解本发明实施例及其优点，其中相同附图标记表示相同功能，以及其中：
图1示出了根据本发明的实施例的示范性音频***的选定组件的方块图；
图2示出了根据本发明的实施例的数字麦克风集成电路的选定组件的方块图；
图3示出了根据本发明的实施例的模拟-数字转换器的选定组件的方块图；以及
图4示出了根据本发明的实施例的数字Δ-Σ调制器的选定组件的方块图。
具体实施方式
图1示出了根据本发明的实施例的示范性音频***100的选定组件的方块图。如图1所示，音频***100可包括麦克风换能器101、数字麦克风集成电路(IC)105和数字音频处理器109。麦克风换能器101可包括构成为将入射到麦克风换能器101的声音转换为电信号(例如模拟输出信号ANALOG_OUT)的任何***、设备或装置，其中使用振膜或膜片，将此类声音转换为电信号，所述振膜或膜片具有随在所述振膜或膜片处接收的声波振动变化而变化的电容。麦克风换能器101可包括静电型麦克风、电容式麦克风、驻极体麦克风、微机电***(MEMS)麦克风或任何其他合适的电容性麦克风。
数字麦克风集成电路105可包括构成为处理模拟输出信号ANALOG_OUT以生成数字音频输出信号DIGITAL_BUS并调节数字音频输出信号DIGITAL_BUS以经由总线传输至数字音频处理器109的任何合适的***、设备或装置。与同距离模拟传输相比，一旦转换为数字音频输出信号DIGITAL_BUS，所述音频信号就可传输更长距离，而不容易受噪声影响。在一些实施例中，数字麦克风集成电路105可被设置成紧靠麦克风换能器101以确保在麦克风换能器101与数字麦克风集成电路105之间的模拟线的长度为相对短，以使藉由运载模拟输出信号ANALOG_OUT的模拟输出线可拾取的噪声量最小化。例如，在一些实施例中，麦克风换能器101和数字麦克风集成电路105可形成于同一基板上。在其他实施例中，麦克风换能器101和数字麦克风集成电路105可形成于封装在同一集成电路块内的不同基板上。
数字音频处理器109可包括构成为处理在数字音频***中使用的数字音频输出信号的任何合适的***、设备或装置。例如，数字音频处理器109可包括微处理器、微控制器、数字信号处理器(DSP)、应用特定集成电路(ASIC)或构成为解译和/或执行程序指令和/或处理数据(诸如数字音频输出信号)的任何其他设备。
图2示出了根据本发明的实施例的数字麦克风集成电路105的选定组件的方块图。如图2所示，数字麦克风集成电路105可包括前置放大器203、模拟-数字转换器(ADC)215和驱动器219。前置放大器203可经由一个或一个以上输入线接收模拟输出信号ANALOG_OUT，且可包括构成为调节模拟输出信号ANALOG_OUT以由ADC215处理的任何合适的***、设备或装置，所述一个或一个以上输入线可允许接收单端信号、差分信号或任何其他合适的模拟音频信号格式。前置放大器203的输出可藉由一个或一个以上输出线传递给ADC215。
ADC215可包括构成为将在其输入处接收的模拟音频信号转换为表示模拟输出信号ANALOG_OUT的数字信号的任何合适的***、设备或装置。ADC215可自身包括一个或一个以上组件(例如，Δ-Σ调制器、抽取器等)，用于执行ADC215的功能。
驱动器219可接收由ADC215输出的数字信号DIGITAL_OUT，且可包括构成为在生成数字音频输出信号DIGITAL_BUS的处理中调节此类数字信号(例如，编码成音频工程师协会/欧洲广播联盟(AES/EBU)、索尼/飞利浦数字接口格式(S/PDIF))以经由总线传输至数字音频处理器109的任何合适的***、设备或装置。在图2中，接收数字音频输出信号DIGITAL_BUS的总线被示出为单端。在一些实施例中，驱动器219可生成差分数字音频输出信号107。
图3示出了根据本发明的实施例的二阶ADC300的选定组件的方块图，所述二阶ADC300可被用来实现图2所示的ADC215。如图3所示，ADC300可包括模拟Δ-Σ调制器302和数字Δ-Σ调制器304。模拟Δ-Σ调制器302可包括构成为将模拟输入信号(例如，ANALOG_AMP)转换为具有三个或三个以上量化电平的第一数字信号(例如，由N个比特组成的多比特信号，如图3所示，或具有三个或三个以上量化电平的任何其他数字信号)的现在或未来在本领域中可能众所周知的任何合适的***、设备或装置。数字Δ-Σ调制器304可包括构成为在数字域中处理第一数字信号以将第一数字信号转换为具有两个量化电平的第二数字信号(例如，DIGITAL_OUT)(例如，单比特信号或具有两个量化电平的任何其他数字信号)的任何合适的***、设备或装置。数字Δ-Σ调制器304的示范性实施例如图4所示。
图4示出了根据本发明的实施例的数字Δ-Σ调制器304的选定组件的方块图。如图4所示，数字Δ-Σ调制器304可包括环路滤波器402、量化器404、先行电路412和偏移限制电路414。环路滤波器402可包括：输入求和器408，用于生成第一数字信号与数字反馈信号之差；及一个或一个以上积分器级410，使得环路滤波器412如等于第一数字信号DIGITAL_MULTI与数字反馈信号DIGITAL_FB之差的误差信号的数字滤波器一样操作，并基于第一数字信号和数字反馈信号生成滤波数字信号给量化器304。在某些实施例中，环路滤波器402可为至少三阶(例如，包括三个或三个以上积分器级410)。环路滤波器402的输出可通过量化器404进行量化，所述量化器404可基于其输入来生成1比特输出信号DIGITAL_OUT。
与模拟电路相比，在数字域中通过数字Δ-Σ调制器304的再调制可允许在数字逻辑中能够实现明显更加精确和复杂的算法。例如，精确的信号限幅器为昂贵的模拟块，但在数字域中可利用相对简单的数字比较器来实现。通过模拟Δ-Σ调制器302对中间数字信号的调制可允许在数字逻辑中包括多得多的实现复杂性，所述中间数字信号通过数字Δ-Σ调制器304被再调制为具有两个量化电平的数字信号，与模拟集成电路技术不同，这往往与处理技术很好地相称。由于模拟Δ-Σ调制器302与数字Δ-Σ调制器304之间的分割，功率也可减少；多比特模拟Δ-Σ调制器通常比单比特模拟Δ-Σ调制器需要更少每性能单位的功率。
在一些实施例中，数字Δ-Σ调制器304可包括先行Δ-Σ调制器，并且因此可包括先行电路412。先行Δ-Σ调制器可以是，随数字计算增加，可通过减少导致未来量化器过载和***失真的当前量化器结果的概率来提高量化器输出值的品质的调制器。当与未采用先行的调制器相比时，先行调制器还可减少量化器过载和输出失真的发生，如果调制器的输入信号相对于其满度反馈信号为大，那么量化器过载和输出失真可能发生。因此，先行电路412可包括使数字Δ-Σ调制器304的量化器过载最小化的电路。实现先行Δ-Σ调制器(包括先行电路412)的方法可如名称为“使用正常且典型的环路滤波器响应进行量化的先行Δ-Σ调制器”的美国专利号7,170,434，名称为“具有时间加权误差值的先行调制器的信号处理”的美国专利号6,879,275，名称为“先行调制器噪声量化最小化的信号处理”的美国专利号7,196,647，名称为“具有无限脉冲响应滤波器的多先行输出先行Δ-Σ调制器”的美国专利号7,187,312，名称为“使用量化误差最小化修剪技术对输出候补向量进行修剪的先行Δ-Σ调制器”的美国专利号7,148,830，名称为“先行Δ-Σ调制器的模式偏置”的美国专利号7,138,934，名称为“具有量化器输入近似值的先行Δ-Σ调制器”的美国专利号7,084,798，名称为“共同非线性Δ-Σ调制器”的美国专利号7,190,294和名称为“具有内部稳定器环路使用Δ-Σ调制的模拟-数字转换器信号处理***”的美国专利号7,183,957所述，其全部以引用方式并入本文中。
在这些和其他实施例中，数字Δ-Σ调制器414还可包括偏移限制电路414。偏移限制电路414可包括构成为对具有相对高的调制指数(例如，0.75或更高)的模拟输入信号电平(例如，ANALOG_OUT)限制数字Δ-Σ调制器304的状态变量的偏移的任何***、设备或装置，其中调制指数被定义为最大输入信号与最大反馈信号之比。状态变量可包括通过环路滤波器402形成的噪声整形滤波器的那些状态变量，其中此类状态变量判定量化器404的输出信号。偏移限制电路414的存在可提供Δ-Σ调制器304的稳定性，且还减少量化器过载。此类偏移限制电路414的实例可如名称为“高阶1比特Δ-Σ调制器的过载保护及稳定性”的美国专利号6,822,594，名称为“反馈控制Δ-Σ调制器及其***”的美国专利号6,933,871，名称为“先行Δ-Σ调制器的过载保护”的美国专利号7,081,843和名称为“反馈型Δ-Σ调制器的量化器过载预防”的美国专利号7,358,881所述，其全部以引用方式并入本文中。
本领域普通技术人员应当明白，本发明包括对于本文中示范性实施例的所有更改、替换、变动、变形和修改。同样地，本领域普通技术人员应当明白，在适当的情况下，所附权利要求包括对于本文中示范性实施例的所有更改、替换、变动、变形和修改。此外，在所附权利要求中对于装置或***或装置或***的组件的引用包括所述装置、***或组件，所述装置、***或组件适应执行特定功能，被安排为执行特定功能，可执行特定功能，被配置为执行特定功能，能够执行特定功能，可操作为执行特定功能或操作为执行特定功能，无论它或所述特定功能是否启动、打开或开启，只要所述装置、***或组件适应执行特定功能，被安排为执行特定功能，可执行特定功能，被配置为执行特定功能，能够执行特定功能，可操作为执行特定功能或操作为执行特定功能。
本文中陈述的所有实例和条件性语言旨在教学目的，以帮助读者理解本发明及发明者深化技术所提供的概念，且被解释为并不限于此类具体陈述的实例和条件。虽然已经详细说明本发明的实施例，但是应当理解，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可对本发明的实施例进行各种更改、替换和变形。
权利要求书(按照条约第19条的修改)
1.一种数字麦克风***，所述数字麦克风***包括：
麦克风换能器，被配置为生成表示入射到所述麦克风换能器上的音频声音的模拟输入信号；
数字处理***，被配置为：
将所述模拟输入信号转换为具有三个或三个以上量化电平的第一数字信号；以及
在数字域中，利用反馈数字Δ-Σ调制器来处理所述第一数字信号以将所述第一数字信号转换为具有两个量化电平的第二数字信号，其中所述数字Δ-Σ调制器包括使所述数字Δ-Σ调制器的量化器过载最小化的电路。
2.根据权利要求1所述的***，其中所述麦克风换能器和所述数字处理***形成于单个基板上。
3.根据权利要求1所述的***，其中所述麦克风换能器和所述数字处理***形成于封装在同一集成电路块内的不同基板上。
4.根据权利要求1所述的***，其中所述麦克风换能器包括微机电***麦克风。
5.(取消)
6.根据权利要求1所述的***，其中所述数字Δ-Σ调制器为至少三阶。
7.根据权利要求6所述的***，其中所述数字Δ-Σ调制器包括对具有0.75或更高调制指数的模拟输入信号电平限制所述Δ-Σ调制器的状态变量的偏移的电路。
8.根据权利要求1所述的***，其中所述数字Δ-Σ调制器为先行Δ-Σ调制器。
9.(取消)
10.一种方法，所述方法包括以下步骤：
接收表示入射到麦克风换能器上的音频声音的模拟输入信号；
将所述模拟输入信号转换为具有三个或三个以上量化电平的第一数字信号；以及
在数字域中，利用数字Δ-Σ调制器来处理所述第一数字信号以将所述第一数字信号转换为具有两个量化电平的第二数字信号，其中所述数字Δ-Σ调制器包括使所述数字Δ-Σ调制器的量化器过载最小化的电路。
11.根据权利要求10所述的方法，其中所述麦克风换能器包括微机电***麦克风。
12.(取消)
13.根据权利要求10所述的方法，其中所述数字Δ-Σ调制器为至少三阶。
14.根据权利要求13所述的方法，其中所述数字Δ-Σ调制器包括对具有0.75或更高调制指数的模拟输入信号电平限制所述Δ-Σ调制器的状态变量的偏移的电路。
15.根据权利要求10所述的方法，其中所述数字Δ-Σ调制器为先行Δ-Σ调制器。
16.(取消)
17.一种集成电路，所述集成电路包括：
麦克风输入，被配置为接收表示入射到麦克风换能器上的音频声音的模拟输入信号；及
处理电路，被配置为：
将所述模拟输入信号转换为具有三个或三个以上量化电平的第一数字信号；以及
在数字域中，利用反馈数字Δ-Σ调制器来处理所述第一数字信号以将所述第一数字信号转换为具有两个量化电平的第二数字信号，其中所述数字Δ-Σ调制器包括使所述数字Δ-Σ调制器的量化器过载最小化的电路。
18.(取消)
19.根据权利要求17所述的集成电路，其中所述数字Δ-Σ调制器为至少三阶。
20.根据权利要求19所述的集成电路，其中所述数字Δ-Σ调制器包括对具有0.75或更高调制指数的模拟输入信号电平限制所述Δ-Σ调制器的状态变量的偏移的电路。
21.根据权利要求17所述的集成电路，其中所述数字Δ-Σ调制器为先行Δ-Σ调制器。
22.(取消)

Claims (22)

1.一种数字麦克风***，所述数字麦克风***包括：
麦克风换能器，被配置为生成表示入射到所述麦克风换能器上的音频声音的模拟输入信号；
数字处理***，被配置为：
将所述模拟输入信号转换为具有三个或三个以上量化电平的第一数字信号；以及
在数字域中，处理所述第一数字信号以将所述第一数字信号转换为具有两个量化电平的第二数字信号。
2.根据权利要求1所述的***，其中所述麦克风换能器和所述数字处理***形成于单个基板上。
3.根据权利要求1所述的***，其中所述麦克风换能器和所述数字处理***形成于封装在同一集成电路块内的不同基板上。
4.根据权利要求1所述的***，其中所述麦克风换能器包括微机电***麦克风。
5.根据权利要求1所述的***，其中所述数字处理***包括反馈数字Δ-Σ调制器以将所述第一数字信号转换为所述第二数字信号。
6.根据权利要求5所述的***，其中所述数字Δ-Σ调制器为至少三阶。
7.根据权利要求6所述的***，其中所述数字Δ-Σ调制器包括对具有0.75或更高调制指数的模拟输入信号电平限制所述Δ-Σ调制器的状态变量的偏移的电路。
8.根据权利要求5所述的***，其中所述数字Δ-Σ调制器为先行Δ-Σ调制器。
9.根据权利要求5所述的***，其中所述数字Δ-Σ调制器包括使所述数字Δ-Σ调制器的量化器过载最小化的电路。
10.一种方法，所述方法包括以下步骤：
接收表示入射到麦克风换能器上的音频声音的模拟输入信号；
将所述模拟输入信号转换为具有三个或三个以上量化电平的第一数字信号；以及
在数字域中，处理所述第一数字信号以将所述第一数字信号转换为具有两个量化电平的第二数字信号。
11.根据权利要求10所述的方法，其中所述麦克风换能器包括微机电***麦克风。
12.根据权利要求10所述的方法，其中将所述第一数字信号转换为所述第二数字信号包括利用数字Δ-Σ调制器将所述第一数字信号转换为所述第二数字信号。
13.根据权利要求12所述的方法，其中所述数字Δ-Σ调制器为至少三阶。
14.根据权利要求13所述的方法，其中所述数字Δ-Σ调制器包括对具有0.75或更高调制指数的模拟输入信号电平限制所述Δ-Σ调制器的状态变量的偏移的电路。
15.根据权利要求12所述的方法，其中所述数字Δ-Σ调制器为先行Δ-Σ调制器。
16.根据权利要求12所述的方法，其中所述数字Δ-Σ调制器包括使所述数字Δ-Σ调制器的量化器过载最小化的电路。
17.一种集成电路，所述集成电路包括：
麦克风输入，被配置为接收表示入射到麦克风换能器上的音频声音的模拟输入信号；及
处理电路，被配置为：
将所述模拟输入信号转换为具有三个或三个以上量化电平的第一数字信号；以及
在数字域中，处理所述第一数字信号以将所述第一数字信号转换为具有两个量化电平的第二数字信号。
18.根据权利要求17所述的集成电路，其中所述数字处理***包括反馈数字Δ-Σ调制器以将所述第一数字信号转换为所述第二数字信号。
19.根据权利要求18所述的集成电路，其中所述数字Δ-Σ调制器为至少三阶。
20.根据权利要求19所述的集成电路，其中所述数字Δ-Σ调制器包括对具有0.75或更高调制指数的模拟输入信号电平限制所述Δ-Σ调制器的状态变量的偏移的电路。
21.根据权利要求18所述的集成电路，其中所述数字Δ-Σ调制器为先行Δ-Σ调制器。
22.根据权利要求18所述的集成电路，其中所述数字Δ-Σ调制器包括使所述数字Δ-Σ调制器的量化器过载最小化的电路。
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