[发明专利]用于语音信号的模数转换和数模转换的设备和方法

说明书

本发明涉及语音信号的模/数(A/D)和数/模(D/A)转换。更具体地说，本发明涉及脉冲编码调制(PCM)的电话传输和交换系统以及无线电话系统中的数/模和模/数转换器，在这些系统中语音或无线电信号至少有一部分以数字形式在数字信号处理器(DSP)中处理的。

模/数转换的目的是从例如话筒那里接收一个模拟的声源信号并把该信号转换成数字采样流以输入到DSP中。数/模转换器则从DSP接收经过处理的数字采样并把这些采样转换成模拟波形以便驱动例如一个耳机。

大规模生产的设备，如电话机或蜂窝无线电话机为了经济的原因而利用专用集成电路(ASIC)芯片，在这些电路中模/数和数/模转换过程是合并在电路芯片所执行的许多功能之中的。这些芯片表现出很低的对功率的需求，消耗很少的电功率，这是很有好处的，特别是在例如用电池供电的手持式无绳电话中更如此。本发明提供一种语音数字化用的改进了的低功耗技术，它适合于在硅芯片上大规模集成之用。

为了对模拟的语音信号进行数字化使用过两种主要的技术。它们是逐次二进制逼近技术和过采样Δ-∑调制技术。

在逐次逼近模/数转换器中，一个模拟输入信号的采样首先和一个相当于所要求的数字表示的最高有效位(MSB)的位置为“1”而其余各位都是“0”(100000…)时的模拟电压相比较。如果输入电压大于该模拟电压，则在该最高位的位置上需要一个“1”。相反，如果输入信号电压小于该模拟电压，则最高位为“1”就太大而需要一个“0”。根据这次比较，最高位被置成A并且产生一个相当于数字代码(A100000…)的电压。如果输入电压大于这个数字代码，则在第二最高位位置上需要一个“1”，否则需要一个“0”。把这一判定称为B，这时就要产生一个相当于代码AB10000…的电压并和输入信号相比较，以此类推。

逐次逼近技术的主要缺点在于模/数转换器内必须带一个数/模转换器，后者必须能产生相当于所有可能代码的电压，而且对于高于8位转换精度的情况时，要求能够区分10000000…和01111111…的电压精度将变得太高了。在语音应用中，典型的要求转换精度为13位，才能包括不同的说话人员的全部动态范围而同时保持足够的质量要求。13位的精度要求电阻器有极高的精确性(例如0.01％)。对于在所要求的硅片集成电路中能产生其他性能所需的工艺过程来说，目前还不能实现这样的技术。

第二种经常使用的熟知的技术被叫做过采样增量或Δ-∑调制。这种技术避免了对精确元件值的需要。过采样增量调制包括对一个积分器输出的电压(即电容器上的电荷)和输入信号电压进行比较，并产生“上一位”(1)或“下一位”(0)的判定。然后积分器(电容器上的电荷)按一定的阶梯递增或递减使它能跟随输入信号。将+阶梯值或-阶梯值的阶梯加到积分器上去。它是一个“模拟”信号(虽然它也可看作是二进制数字信号)但它不是一个平滑的波形。Δ-∑的模/数和数/模转换都以此方式工作。通过传送上/下阶梯并把它们加到一个远程的积分器上，可以产生同样的电压波形以表示包含在位流中的信息。

在数字化中由于高的位速率的增量调制所固有的量化噪声每当位速率(上/下阶梯的速率)加倍时就减少9dB(分贝)。如果加到积分器的阶梯的频率加倍，则为了跟随相同的信号变化速率，各阶梯的阶梯值就可减半。这样，阶梯状的信号以加倍的逼近程度跟随输入信号，其结果是得到6dB的改善。此外，阶梯状的信号对输入信号的偏差也以双倍频率发生，使得量化噪声分布在双倍宽的频带内，从而至多只有一半是重叠在信号的频谱范围之内的。在这个范围之外的噪声可以用一个低通滤波器消除，因为这个滤波器只通过所需信号的频谱而不通过阶梯噪声的较高频率分量。这个附加因素可获得另外的3dB，从而使总的质量改进在位速率加倍时可达到9dB。