專(zhuān)利名稱(chēng)：一種改進(jìn)型數(shù)據(jù)加權(quán)平均算法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及音頻采樣數(shù)據(jù)處理技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種能更好的抑制音調(diào)效應(yīng)且 不會(huì)造成信噪失真比(SNDR)很大衰減的改進(jìn)型數(shù)據(jù)加權(quán)平均(DWA)算法以及實(shí)現(xiàn)該算法 的裝置。
背景技術(shù)：
在音頻采樣sigma-delta DAC數(shù)模轉(zhuǎn)換器中，由于sigma-delta調(diào)制器的作用， 信號(hào)的位數(shù)往往從大于20位被截?cái)嘀?-6位，在這個(gè)過(guò)程中產(chǎn)生的截?cái)嘣肼曂瑫r(shí)也被調(diào) 制器所整形，使得輸出的低比特信號(hào)還能夠在低頻段保留較高的精度。但是，在主流CMOS 工藝條件下，由于工藝波動(dòng)，內(nèi)部的獨(dú)立開(kāi)關(guān)電容或者電流源約有0. 5%的失配，這就導(dǎo)致 了重建模擬信號(hào)過(guò)程中的誤差。這些誤差可以通過(guò)動(dòng)態(tài)單元匹配技術(shù)(DynamicElement Matching,簡(jiǎn)稱(chēng)DEM)被數(shù)字化整形。DEM選擇單位元件的方法大體上分為三類(lèi)，分別為隨機(jī)選擇DEM、算法選擇DEM和 噪聲整形DEM。一般在音頻多比特DAC應(yīng)用中普遍使用算法選擇DEM的實(shí)現(xiàn)方式，它又包括 數(shù)據(jù)加權(quán)平均法(Data-weightedAveraging簡(jiǎn)稱(chēng)DWA)、旋轉(zhuǎn)移位法(Barrel Shifting)、獨(dú) 立電平平均法(ILA)、向量反饋法(Vector Feedback)、樹(shù)裝置(Tree Structured)等。數(shù)據(jù)加權(quán)平均(DWA)是一種可以降低對(duì)DAC單位元件匹配要求的DEM算法，也被 稱(chēng)作單元輪選算法(Element Rotation)。它的目標(biāo)就是盡量讓每個(gè)1比特單元器件被用到 的次數(shù)相同。其工作原理是通過(guò)循環(huán)選擇單位元件將DAC非線性誤差引入的噪聲和失真進(jìn) 行一階整形，并將其推至更高的頻帶。DWA的一個(gè)重要特點(diǎn)就是易于實(shí)現(xiàn)，并且噪聲整形能 力比較強(qiáng)。考慮一個(gè)3比特的DAC，它有7個(gè)1比特單元，可以使用開(kāi)關(guān)電容(Switched Capacitor)實(shí)現(xiàn)或者電流源(Current Source)來(lái)實(shí)現(xiàn)。如圖1所示，所有單元被排成一個(gè)圈。例如，設(shè)第一個(gè)輸入數(shù)據(jù)為3，則單元1，2 和3被選中，產(chǎn)生相應(yīng)的模擬輸出；接下來(lái)輸入為4，則單元4，5，6，7開(kāi)始工作。再接下來(lái) 輸入為6，則單元8，1，2，3，4和5被選中工作。這樣每個(gè)單元都會(huì)被平均地利用到。如果 不使用DWA，輸入為3時(shí)，單元1，2，3被選中，當(dāng)輸入為4時(shí)，單元1，2，3，4被選中?？梢钥?至IJ，幾乎每次都會(huì)選到1，2，3前面這幾個(gè)單元，而后面的單元?jiǎng)t很少使用到，這樣就加大了 失配誤差的程度。但是數(shù)據(jù)加權(quán)平均(DWA)算法由于每次選擇的單位元件有一定的規(guī)律，導(dǎo)致 誤差頻譜成為一個(gè)線性頻譜，也就是所謂的音調(diào)效應(yīng)。因此有很多改進(jìn)的數(shù)據(jù)加權(quán)平 均算法來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題，比如偽DWA (pseudo DffA)，分集DWA (split-set DWA)，雙向 DffA (Bi-Direction DWA)，部分 DWA (Partial DWA)。偽 DWA (pseudo DWA)是最簡(jiǎn)單的算法， 但是在某些特定的輸入幅度下，帶內(nèi)雜波幅度會(huì)變大。雖然分集DWA(split-set DWA)可以 達(dá)到更高的信噪失真比(SNDR)，但是當(dāng)調(diào)制器量化水平超過(guò)9時(shí)這種算法電路實(shí)現(xiàn)所占用 的面積大大增加。雙向DWA(Bi-Direction DWA)和部分DWA(Partial DWA)可以很好的抑制音調(diào)音效，卻會(huì)帶來(lái)很大的信噪失真比(SNDR)衰減，因此這兩種方法很少被采用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了 一種能夠更好的抑制音調(diào)效應(yīng)且不會(huì)造成信噪失真比很大衰減的 改進(jìn)型數(shù)據(jù)加權(quán)平均算法，這種算法簡(jiǎn)單實(shí)現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)電路不會(huì)因?yàn)檎{(diào)制器量化水平提高而 變得復(fù)雜。為了克服音調(diào)效應(yīng)，或者說(shuō)更大程度上減小帶內(nèi)音調(diào)，在一段時(shí)間內(nèi)，應(yīng)該破壞選 擇單位元件的規(guī)律性，但是又要保證單位元件被選中的次數(shù)一樣，即任何一個(gè)單位元件在 被選中第K+1次時(shí)，其他的單位元件都至少被選中了 K次，否則就會(huì)增大失配誤差，使得輸 出信號(hào)頻譜中的噪底提高，從而降低信噪失真比。本發(fā)明采用了一種新的計(jì)數(shù)方法，雖然這種計(jì)數(shù)方法比偽DWA(pseudo DffA)和分 集DWA(split-set DffA)基于時(shí)鐘的計(jì)數(shù)實(shí)現(xiàn)起來(lái)困難些，但是建立在這種計(jì)數(shù)上的改進(jìn)型 數(shù)據(jù)加權(quán)平均算法幾乎能同時(shí)滿(mǎn)足前面提到的兩個(gè)要求。一種改進(jìn)型數(shù)據(jù)加權(quán)平均算法，包括1.假設(shè)有N個(gè)單位元件，首先按傳統(tǒng)數(shù)據(jù)加權(quán)平均算法進(jìn)行運(yùn)算；單位元件N由調(diào)制器階數(shù)決定的，例如，采用的是4階調(diào)制器，這個(gè)單元個(gè)數(shù)就是 24-1 = 15 ；2.如果輸入值為K，K是前一個(gè)調(diào)制器的輸出值，恰好單位元件N-K， N-K+1, .... N-I，N被選中，那么計(jì)數(shù)器Cl工作，計(jì)數(shù)結(jié)果加1，否則保持原計(jì)數(shù)結(jié)果；3.當(dāng)計(jì)數(shù)器Cl計(jì)數(shù)值達(dá)到預(yù)設(shè)值時(shí)，另外一個(gè)計(jì)數(shù)器C2工作，計(jì)數(shù)結(jié)果加1，同 時(shí)將計(jì)數(shù)器Cl被置為0，否則計(jì)數(shù)器C2保持原計(jì)數(shù)結(jié)果；所述的預(yù)設(shè)值是由多次實(shí)驗(yàn)決定的，不同的調(diào)制器階數(shù)需要不同的預(yù)設(shè)值，一般 為2冪次方，例如2,4,8,16等。4.如果計(jì)數(shù)器C2的計(jì)數(shù)值達(dá)到單位元件數(shù)N，則計(jì)數(shù)器C2計(jì)數(shù)結(jié)果被置為0 ；5.桶式移位寄存器以計(jì)數(shù)器C2的計(jì)數(shù)值為移位位數(shù)，將第一步中的運(yùn)算結(jié)果循 環(huán)右移得到新的結(jié)果去輪轉(zhuǎn)選擇這N個(gè)單位元件。一種實(shí)現(xiàn)改進(jìn)型數(shù)據(jù)加權(quán)平均算法的裝置，包括一延遲單元，接收并延遲加法器的輸出信號(hào)；一加法器，接收輸入數(shù)字信號(hào)和延遲單元的輸出信號(hào)；該加法器相加輸入數(shù)字信 號(hào)與延遲單元的輸出信號(hào)以得到該加法器的輸出信號(hào)，如果加法器相加結(jié)果達(dá)到單位元件 個(gè)數(shù)N時(shí)，則相加結(jié)果減去單位元件個(gè)數(shù)后作為輸出信號(hào)輸出；一溫度計(jì)碼產(chǎn)生器，接收并轉(zhuǎn)換輸入數(shù)字信號(hào)成為一溫度計(jì)編碼信號(hào)；一第一桶式移位寄存器，以延遲單元輸出信號(hào)為移位位數(shù)，將溫度計(jì)碼產(chǎn)生器的 輸出信號(hào)循環(huán)右移以產(chǎn)生一輸出信號(hào)；一第一比較器，接受第一桶式移位寄存器最高位輸出和最低位輸出，如果最高位 輸出為1，最低位輸出為0，則該比較器輸出為1，否則輸出為0 ；一第一計(jì)數(shù)器，接收第一比較器輸出信號(hào)，如果該計(jì)數(shù)器輸入為1，則計(jì)數(shù)加1，否 則保持原計(jì)數(shù)結(jié)果，如果達(dá)到預(yù)設(shè)值，則計(jì)數(shù)結(jié)果置為0 ；一第二比較器，接收第一計(jì)數(shù)器輸出信號(hào)，如果比較器輸入值等于預(yù)設(shè)值，該比較器輸出為1，否則輸 出為O ；—第二計(jì)數(shù)器，接收第二比較輸出信號(hào)，如果該計(jì)數(shù)器輸入為1，則計(jì)數(shù)加1，否則 保持原計(jì)數(shù)結(jié)果，如果計(jì)數(shù)結(jié)果達(dá)到單位元件個(gè)數(shù)N，則計(jì)數(shù)結(jié)果置為0 ；一第二桶式移位寄存器，以第二計(jì)數(shù)器輸出信號(hào)為移位位數(shù)，將第一桶式移位寄 存器的輸出信號(hào)循環(huán)右移以產(chǎn)生一輸出信號(hào)。通過(guò)兩個(gè)計(jì)數(shù)器來(lái)控制第二桶式移位寄存器來(lái)對(duì)傳統(tǒng)數(shù)據(jù)加權(quán)平均算法結(jié)果進(jìn) 行修正，這種改進(jìn)型數(shù)據(jù)加權(quán)平均算法能很好的處理了信噪失真比和音調(diào)效應(yīng)這對(duì)矛盾， 整體來(lái)看，保證單位元件被平均使用，從而不會(huì)造成信噪失真比的很大衰減，局部來(lái)看，這 種算法能破壞單位元件選擇的規(guī)律性，最大程度上抑制音調(diào)效應(yīng)，可以將帶內(nèi)音調(diào)降到很 低。在4階delta-sigma調(diào)制器，64倍過(guò)采樣以及0. 5%隨機(jī)單位元件失配的情況下 仿真，分析輸出信號(hào)的頻譜圖可知，本發(fā)明的算法以及裝置可以將帶內(nèi)音調(diào)減小到6dB，并 且使得信噪失真比只衰減1. 2dB。


圖1是傳統(tǒng)數(shù)據(jù)加權(quán)平均單元輪選圖；圖2是本發(fā)明的改進(jìn)型數(shù)據(jù)加權(quán)平均裝置示意圖；圖3 (a)是傳統(tǒng)數(shù)數(shù)據(jù)加權(quán)平均裝置工作結(jié)果示意圖；圖3 (b)是改進(jìn)型數(shù)據(jù)加權(quán)平均裝置工作結(jié)果示意圖；圖4是在Matlab simulink仿真軟件下，4階sigma-delta調(diào)制器調(diào)制后的正弦信 號(hào)經(jīng)傳統(tǒng)數(shù)數(shù)據(jù)加權(quán)平均裝置后的輸出信號(hào)頻譜示意圖；圖5是在Matlab simulink仿真軟件下，4階sigma-delta調(diào)制器調(diào)制后的正弦信 號(hào)經(jīng)本發(fā)明的改進(jìn)型數(shù)據(jù)加權(quán)平均裝置后的輸出信號(hào)頻譜示意圖；圖6 (a)是在Matlab simulink仿真軟件下，3階sigma-delta調(diào)制器調(diào)制后的正 弦信號(hào)經(jīng)過(guò)傳統(tǒng)數(shù)數(shù)據(jù)加權(quán)平均裝置后的頻譜示意圖；圖6 (b)是在Matlab simulink仿真軟件下，3階sigma-delta調(diào)制器調(diào)制后的正 弦信號(hào)經(jīng)過(guò)本發(fā)明的改進(jìn)型數(shù)據(jù)加權(quán)平均裝置后的頻譜示意圖。
具體實(shí)施例方式如圖2所示，一種能更好抑制音調(diào)效應(yīng)的改進(jìn)型數(shù)據(jù)加權(quán)平均算法的裝置，包括 延遲單元、加法器、溫度計(jì)碼產(chǎn)生器、第一桶式移位寄存器、第一比較器、第一計(jì)數(shù)器、第二 比較器、第二計(jì)數(shù)器和第二桶式移位寄存器。所屬的溫度計(jì)碼產(chǎn)生器將接收到的數(shù)字輸入信號(hào)轉(zhuǎn)化為溫度計(jì)編碼信號(hào)，作為第 一桶式移位寄存器的輸入信號(hào)。如表1所示表1 :3位二進(jìn)制輸入與相應(yīng)溫度計(jì)編碼表
權(quán)利要求
一種改進(jìn)型的數(shù)據(jù)加權(quán)平均算法，包括(1)假設(shè)有N個(gè)單位元件，首先按傳統(tǒng)數(shù)據(jù)加權(quán)平均算法進(jìn)行運(yùn)算；(2)如果輸入值為K時(shí)，恰好單位元件N K，N K+1，....N 1，N被選中，那么計(jì)數(shù)器C1工作，計(jì)數(shù)結(jié)果加1，否則保持原計(jì)數(shù)結(jié)果；(3)當(dāng)計(jì)數(shù)器C1計(jì)數(shù)值達(dá)到預(yù)設(shè)值時(shí)，另外一個(gè)計(jì)數(shù)器C2工作，計(jì)數(shù)結(jié)果加1，同時(shí)將計(jì)數(shù)器C1被置為0，否則計(jì)數(shù)器C2保持原計(jì)數(shù)結(jié)果；(4)如果計(jì)數(shù)器C2的計(jì)數(shù)值達(dá)到單位元件數(shù)N，則計(jì)數(shù)器C2計(jì)數(shù)結(jié)果被置為0；(5)桶式移位寄存器以計(jì)數(shù)器C2的計(jì)數(shù)值為移位位數(shù)，將第一步中的運(yùn)算結(jié)果循環(huán)右移得到新的結(jié)果去輪轉(zhuǎn)選擇這N個(gè)單位元件。
2.一種實(shí)現(xiàn)改進(jìn)型數(shù)據(jù)加權(quán)平均算法的裝置，包括 一延遲單元，接收并延遲加法器的輸出信號(hào)；一加法器，接收輸入數(shù)字信號(hào)和延遲單元的輸出信號(hào)。該加法器相加輸入數(shù)字信號(hào) 與延遲單元的輸出信號(hào)以得到該加法器的輸出信號(hào)，如果加法器相加結(jié)果達(dá)到單位元件個(gè) 數(shù)，則相加結(jié)果減去單位元件個(gè)數(shù)后作為輸出信號(hào)輸出；一溫度計(jì)碼產(chǎn)生器，接收并轉(zhuǎn)換輸入數(shù)字信號(hào)成為一溫度計(jì)編碼信號(hào)； 一第一桶式移位寄存器，以延遲單元輸出信號(hào)為移位位數(shù)，將溫度計(jì)碼產(chǎn)生器的輸出 信號(hào)循環(huán)右移以產(chǎn)生一輸出信號(hào)；一第一比較器，接受第一桶式移位寄存器最高位輸出和最低位輸出，如果最高位輸出 為1，最低位輸出為0，則該比較器輸出為1，否則輸出為0 ；一第一計(jì)數(shù)器，接收第一比較器輸出信號(hào)，如果該計(jì)數(shù)器輸入為1，則計(jì)數(shù)加1，否則保 持原計(jì)數(shù)結(jié)果，如果達(dá)到預(yù)設(shè)值，則計(jì)數(shù)結(jié)果置為0 ；一第二比較器，接收第一計(jì)數(shù)器輸出信號(hào)，如果比較器輸入值等于預(yù)設(shè)的值，該比較器 輸出為1，否則輸出為0 ；一第二計(jì)數(shù)器，接收第二比較輸出信號(hào)，如果該計(jì)數(shù)器輸入為1，則計(jì)數(shù)加1，否則保持 原計(jì)數(shù)結(jié)果，如果計(jì)數(shù)結(jié)果達(dá)到單位元件個(gè)數(shù)，則計(jì)數(shù)結(jié)果置為0 ；一第二桶式移位寄存器，以第二計(jì)數(shù)器輸出信號(hào)為移位位數(shù)，將第一桶式移位寄存器 的輸出信號(hào)循環(huán)右移以產(chǎn)生一輸出信號(hào)。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種能更好抑制音調(diào)效應(yīng)的改進(jìn)型數(shù)據(jù)加權(quán)平均算法，該算法通過(guò)兩個(gè)計(jì)數(shù)器來(lái)控制第二桶式移位寄存器來(lái)對(duì)傳統(tǒng)數(shù)據(jù)加權(quán)平均算法結(jié)果進(jìn)行修正。同時(shí)本發(fā)明還提供了實(shí)現(xiàn)該算法的裝置，包括延遲單元、加法器、溫度計(jì)碼產(chǎn)生器、第一桶式移位寄存器、第一比較器、第一計(jì)數(shù)器、第二比較器、第二計(jì)數(shù)器和第二桶式移位寄存器。這種改進(jìn)型數(shù)據(jù)加權(quán)平均算法能很好的處理了信噪失真比和音調(diào)效應(yīng)這對(duì)矛盾，整體來(lái)看，保證單位元件被平均使用，從而不會(huì)造成信噪失真比的很大衰減，局部來(lái)看，這種算法能破壞單位元件選擇的規(guī)律性，最大程度上抑制音調(diào)效應(yīng)，可以將帶內(nèi)音調(diào)降到很低。
文檔編號(hào)G10L21/02GK101969307SQ201010262058
公開(kāi)日2011年2月9日 申請(qǐng)日期2010年8月20日 優(yōu)先權(quán)日2010年8月20日
發(fā)明者劉曉鵬, 張澤松, 楊健義, 韓雁 申請(qǐng)人:浙江大學(xué)