CN1149217A - 信号处理设备 - Google Patents

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金井隆
稻山实
增田稔彦
丰田崇
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Abstract

一种信号处理设备，它能消除再量化误差，从而改善重放的音频。本发明的信号处理设备包括用于使输入的数字信号通过预定频带的数字滤波器以及用于将该数字滤波器的输出转换成模拟信号的数字/模拟转换器，所述设备是这样构成的：数字滤波器装置的有效输出位长等于或小于模拟转换器的处理位长，从而，不需要在数字/模拟转换器的前级处进行使数字滤波器装置的输出位长减少的处理，并且，不会出现再量化误差。

Description

信号处理设备
本发明涉及到一种信号处理设备，该设备用于对例如呈数字数据形式的音频信号进行处理。
在使用例如光盘(CD)播放机或OAT(数字式磁带录音机)之类的多种数字音频重放设备的情况下，当把从光盘中读出的作为数字信号的音频信号转换成模拟音频信号时，如果不进行修正而直接将数字音频信号提供给D/A转换器(数字-模拟转换器)以获得模拟信号，那么，如所周知，会有一基本频带分量增加到上述模拟音频信号中，所说的基本频带出现在由记录介质采样频率所决定的音频频带分量内。所以，应该认识到，可以用是采样频率整数倍的频带来表示基本频带分量中的所谓角频率(cyclic frequency)分量和所谓映射分量。
如果在要转换成模拟信号的音频信号中有这种类型的角频率分量，就会在例如用于对模拟音频信号进行放大的功放器或用于输出该音频信号的扬声器中出现互调失真，因而就不能以合适的方式提供音频信号。
事实上，这种类型的角频率分量是可以消除掉的。在一种众所周知的方法中，在D/A转换器之前设置一具有低频带通滤波器特性的数字滤波器，在该滤波器中，只允许基本频带通过并能挡住角频率分量的频带。
通过增加滤波器的滤波阶数或者增加用于一系数单元的系数组的位长，可以改善上述滤波器的特性，从而，可在该数字滤波器中尽可能地消除掉所说的角频率分量。
从上述数字滤波器中输出的数字音频信号的位长取决于输入到该数字滤波器的数字音频信号的位长以及所说的系数的位长。所以，如果如前所述那样增加数字滤波器系数的位长，则从该数字滤波器中输出的数字音频信号的位长也会增加，但有时会出现这样的情况即：该数字滤波器的输出数据的位长大于随后的D/A转换器的位长。
在这种情况下，就要在D/A转换器的输入阶段按例如舍去所述数字滤波器输出数据低位的方式来进行使该数字滤波器输出的位长能等于D/A转换器位长的称为“化整”(rounding-off)的处理。
但是，上述方法具有这样的问题即会丢失原始数字音频信号数据的信息，从而导致出现再量化误差，这种误差会有损音频重放的质量。
考虑到上述先有技术的问题，本发明的目的是获得一种信号处理设备，该设备能通过消除再量化误差的出现而改善例如数字音频重放设备等内的重放音频。
依照本发明的一个实例，一信号处理设备配备有：一数字滤波器，它用于使输入的数字信号通过一预定的频带；以及，一数字/模拟转换器，它用于将上述数字滤波器的输出转换成模拟信号，在这种信号处理设备中，将所述数字滤波器的有效输出位长设置成等于或小于数字/模拟转换器的处理位长。从而，不再需要在数字/模拟转换器之前的阶段上进行能使数字滤波器输出的位长变小的周知为“化整”的处理，并且，不会出现再量化误差。
图1是显示一CD播放机概略结构的框图，所说的CD播放机应用了本发明的一个实施例；
图2是显示数字滤波器一个实例的电路图，所说的数字滤波器构成了本发明一个实施例的信号处理设备；
图3A至图3C说明了一非循环式数字滤波器输出的位长。
以下是参照图1至图3B对本发明信号处理设备的一个实施例所作的说明。
首先，将参照图3A、图3B和图3C来说明输入给数字滤波器的数据的位长与该数字滤波器所输出的数据的位长之间的关系。
图3A示出了通常的非循环式数字滤波器，在这种情况下，该滤波器是一个二级数字滤波器，它包括两个延时电路Da和Db、系数单元Ca、Cb和Cc以及一个加法器A。此外，所说的信号与系数呈二的补数形式并取决于一位置表示***。使得它最大的负系数的值为-1。
举例来说，如果将输入给图3A所示的数字滤波器的输入数据XIN的位长m取为m位并且将用于系数单元Ca、Cb和Cc的系数Ka、Kb和Kc的位长均设置成n位，那么，可知利用加法器A将各个系数单元Ca、Cb和Cc的倍增输出Y0、Y1和Y2加在一起所获得的数字滤波器的输出数据Yout的有效位长为m＋n－1。也就是说，可以用输入给所述数字滤波器的数据信号的位长以及该数字滤波器系数单元的系数的位长来确定前述数字滤波器输出数据的有效位长。
例如，如果象图3B所示那样将输入数据XIN的位长取为6位，并象图3B所示那样将用于系数单元Ca、Cb和Cc的系数Kn(在图3B中示出了将系数Ka、Kb和Kc组成成系数Kn)取为3位，则倍增输出Yn(图中示出了将倍增输出Y0、Y1和Y2组合成Yn)是具有8位位长的数据。
在这种情况下，所说的数据是把用于各个位长的倍增输出Y0、Y1和Y2加在一起而获得的输出数据Yout。该数据具有8位长的有效位长，这一位长与用于图3C所示的倍增输出的位长相同，因为，通过求和操作可在低阶位处扩充所说的数值。也就是说，在这种情况下将输出数据Yout的位长计算成
                           m＋n－1＝6＋3－1＝8
图1是显示一重放设备概略结构的框图，所说的重放设备配备有一上述实施例的信号处理设备。在这种情况下，给出了把本实施例的信号处理装置应用于作为重放设备的CD播放机的情形的说明。
在图1中，一主轴电机(未示出)以旋转方式驱动光盘1，由一拾取器2读出记录的数据。在数据重放处理器3处进行诸如EFM解码和纠错之类的必要处理，然后将信号提供给一过采样/LPF(低通滤波)区4。
在本实施例中，对基于CD格式的、从重放数据处理器3中输出的数字音频信号采用了16位位长，这一点与fs＝44.1KHz的采样频率相兼容。
可用例如非循环式数字滤波器来形成所说的过采样/LPF区4。首先，对输入的数字音频信号进行过采样，通过低通滤波操作可从上述数字音频信号中消除角频率分量，并且，进行抽取基于CD格式的频率为20KHz或更小的源信号分量的处理。
如所周知，过采样是指：在重放数字音频信号时，通过把原始数字音频信号的采样频率乘以预定的倍数，可以扩大角频率分量的下限与基本频带频率分量的上限之间的宽度。
所以，可以用一具有少数几级的低通滤波器有效地抽取出源信号分量，同时用例如随后一级的低通滤波器来从该数字音频信号中消除掉角频率分量，这里所说的具有少数几级的低通滤波器对于基本频带分量而言具有平坦的分组延迟特性以及平滑的截止特性。
在本实施例中进行两倍的过采样。在这种情况下，用于源信号的频带上限为20KHz。因此，角频率分量的频带为88.2KHz±20KHz，其下限为68.2KHz，从而，可在实际上获得68.2－20＝48.2KHz的频带。
从过采样/LPF区4中输出的数字音频信号采用了20KHz或更窄的源信号频带，所以，采样频率可达2fs＝88.2KHz。此外，根据在过采样/LPF区4处设置的系数单元的位长，这一输出具有22位的有效位长。
D/A转换器5将自过采样/LPF区4输出的数字音频信号转换成模拟音频信号并且将这一信号以处理位数为22位而输出。D/A转换器5的转换速度对应于88.2KHz的采样频率。
当在本实施例中使用22位D/A转换器时，自过采样/LPF区4输出的数字音频信号的有效位长为22位或更少。也就是说，从过采样/LPF区4输入至D/A转换器5的信号的有效位长不超过D/A转换器5的处理位数。
在例如相关技术中，当数字滤波器为了消除角频率分量而输出的音频数据位长超过用于随后阶段的D/A转换器处理位长时所必需的“化整”过程，现在不需要了，并且，不会出现量化误差。从而可以防止本实施例中自D/A转换器5输出的模拟音频信号因所说的量化误差而产生的失真，并且，可相应地改善重放音频信号的音频质量。
如图3A至图3C所示，数字滤波器输出的有效位长取决于输入数据的位长以及用于上述数字滤波器的系数单元的系数位长。但是，就本实施例而言，输入到过采样/LPF区4的信号位长按照CD格式固定为16位。所以，过采样/LPF区4的输出位长取决于用于过采样/LPF区4的系数单元的系数。
图2示出了本实施例之过采样/LPF区4的详细结构的一个实例。
图2所示的过量采样/LPF区4使用了附图中所示的那种非循环式数字滤波器并将一过采样处理器和低通滤波器的功能组合起来以便消除角频率分量。图2所示的数字滤波器可利用二的补数的方法进行计算，并且，如从配备有延时电路D1和D8的滤波器中所看到的那样，该数字滤波器是一个八阶数字滤波器。
在图2中，将上述延时电路D1至D8的相应延时时间设置成Ts＝1/fs(＝1/44.1KHz)，系数K0至K17为7位。
此外，在本实施例的过采样/LPF区4内设置了18个系数单元C0至C17，并且，对这些系数单元来说分别形成K0至K17的系数。系数K0至K17取决于一位置表示***，因此，其最大负值为-1，并且，分别将这些系数形成为适当的值，以便获得能仅抽取出20KHz或更小的源信息分量并能消除角频率分量的这样一种低通滤波器的特性。
系数单元C0至C17的8个偶数系数单元C0、C2、C4、C5、C8、C10、C12、C14和C16是按能把输入数据X[n]乘以延时电路D1至D8的延时输出的方式设置的，然后将这些倍增输出提供给加法器A1。8个奇数系数C1、C3、C5、C7、C9、C11、C13、C15和C17将相应的输入数据X[n]与延时电路D1至D8的延时输出相乘并将这些倍增输出提供给加法器A2。
在本实施例中，图2所示的输入数据X(n)是从如图1所示的重放数据处理器3中输出的数字音频信号并具有6位的位长和fs＝44.1KHz的采样频率。将输入数据X(n)提供给延时电路D1至D8并在系数单元C0至C17处乘以7位系数K0至K17。通过这种方式，如图3A至图3C所述，可将每个系数单元C0至C17的倍增输出表示为：
                             m＋n－1＝16＋7－1＝22
(m：输入数据的位长；n：系数单元的系数位长)并且，可将上述倍增输出取为二的补数的22位数据。
如前所述，将22位系数单元C0至C17的倍增输出提供给加法器A1和A2并且相加，从而获得加法器A1的相加输出Y[n][0]和加法器A2的相加输出Y[n][1]。相加输出Y[n][0]和Y[n][1]均为22位的数据求和操作，从而具有22位的位长，如图3所示。此外，消除了角频率分量，并从相加输出Y[n][0]和Y[n][1]中抽取出源信号而将它当做对应于数字音频信号的数据。
相加输出Y[n][0]和Y[n][1]可表示为：
Y[n][0]＝K0·X[n]＋K2·X[n－1]＋K4·X[n－2]＋K6·X[n－3]
         ＋……＋K16·X[n－8]
Y[n][1]＝K1·X[n]＋K3·X[n－1]＋K5·X[n－2]＋K7·X[n－3]
         ＋……＋K17·X[n－8]
将相加输出Y[n][0]、Y[n][1]分别提供给开关SW的端子T1和T2。
在开关SW中，端子T3可在端子T1与端子T2之间交替地进行切换。端子T3是过采样/LPF区4的输出并与图1所示的D/A转换器的输入相连。
通过外部提供的开关信号以频率2fs(＝88.2KHz)为周期在偶数采样时间选定端子T1而在奇数采样时间选定端子T2，这样就可以控制开关SW的切换。
然后，以频率2fs＝88.2KHz为周期而获得为开关SW的端子T3所提供的输出数据的相加输出Y[n][0]、Y[n][1]。
在本实施例的过采样/LPF区4内对按16位位长的44.1KHz采样频率所采样的输入数据X[n]进行两倍的过量采样，并且使用2fs＝88.2KHz的采样频率，此频率等于原始采样频率的两倍。利用上述低通滤波器可以消除角频率分量，并抽取出源信号，而且，可获得22位的数据。
将带有所抽取的22位源信号的采样频率为88.2KHz的数据当作数字音频信号提供给D/A转换器5。通过这种方式，可以获得没有再量化误差的音频信号。
在本实施例中，系数单元C0至C17的系数K0至K17的位长分别取为7位。但是，只要过采样/LPF区4的数据输出的位长理所当然地不超过随后的D/A转换器5的处理位长，这就足够了，因此，就本实施例而言，如果能以适当方式消除角频率分量，则可将上述系数的位长设置成小于7位。
此外，在上述实施例中，D/A转换器5之前的数字滤波器电路块是一过采样/LPF区4，它可将用于消除角频率分量的低通滤波器的功能与过采样的功能结合起来。但是，也可以按这样的方式应用本发明即：上述电路方块仅仅是一个起用来消除角频率分量的低通滤波器作用的数字滤波器。如果该数字滤波器输出的位长按与上述实施例的相同方式不超过随后的D/A转换器的处理位长，那么，就不会出现量化误差。
而且，本发明并不局限于同诸如上述实施例中所示的CD播放机或DAT等之类的数字音频设备一道应用，而是还可以应用在重放各种数字数据时所用的信号处理设备。
如上所述，本发明的信号处理设备是按这样的方式形成的即：用来消除重放数据角频率分量并抽取出源信号分量的数字滤波器的位长不超过与下一级相连的D/A转换器的处理位长。所以，在把本发明应用于数字音频设备时，可以消除再量化的误差并改善重放音频的音频质量。

Claims (7)

1.一种信号处理设备，其特征在于，该设备包括：
数字滤波器装置，它包括有多个系数单元并能使输入的数字信号通过预定的频带；以及
数字/模拟转换装置，它用于将上述数字滤波器装置的输出转换成模拟信号；
其中，将上述数字滤波器装置的有效输出位长设置成等于或小于上述数字/模拟转换装置的处理位长。
2.如权利要求1所述的信号处理设备，其特征在于，当上述数字滤波器的输入位长为m且每个系数单元的系数位长为n时，则该数字滤波器的有效输出位长可表示为m＋n－1。
3.如权利要求2所述的信号处理设备，其特征在于，上述数字滤波器的输入位长和每个系数单元的系数位长分别选定为m＝16和n＝7。
4.如权利要求1所述的信号处理设备，其特征在于，上述数字滤波器装置配备有采样频率转换装置，该装置用于将所述输入数字信号的采样频率乘以一预定的倍数。
5.如权利要求4所述的信号处理装置，其特征在于，与所述输入数字信号的采样频率相乘的倍数选定为2。
6.如权利要求4所述的信号处理设备，其特征在于，所说的数字滤波器装置包括：
采样频率转换装置，它用于通过把前述输入数字信号的采样频率乘以一预定的数而转换该采样频率；以及
一低通滤波器，它用于从上述输入数字信号中消除角频率分量。
7.如权利要求6所述的信号处理设备，其特征在于，上述用于把输入数字信号的采样频率乘以一预定倍数而转换该采样频率的采样频率转换装置以及用于消除角频率分量的低通滤波器是由一非循环式数字滤波器构成的。
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