CONVERTISSEUR ANALOGIQUE-NUMERIQUE ET NUMERIQUE-ANALOGIQUE

Convertisseur analogique-numérique et numérique-analogique

La présente invention concerne un convertisseur analogique- numérique et numérique-analogique, ou codée (codeur-décodeur), en particulier un convertisseur réalisé sous la forme d'un composant discret. La présente invention concerne notamment un codée destiné à l'acquisition et à la restitution de signaux vocaux dans un dispositif électriquement autonome.

De nombreux appareils connus nécessitent un circuit d'acquisition et de restitution de signaux vocaux. Citons à titre d'exemples non limitatifs des téléphones portables ou sans fils, des prothèses auditives, des appareils d'enregistrements numériques tels que dictaphones, des appareils commandés par la voix, des casques à écouteurs, etc. Ces appareils possèdent en commun un circuit de conversion analogique-numérique apte à convertir les signaux analogiques fournis par un transducteur, par exemple un microphone, en signaux numériques traités par un microprocesseur ou un processeur de traitement de signal (DSP). Si l'appareil est destiné à restituer des sons générés ou traités par le processeur, il comporte également un circuit de conversion numérique analogique destiné à convertir les signaux numériques du microprocesseur en signaux analogiques capables d'attaquer un élément de restitution, par exemple un haut-parleur. Il est connu d'intégrer dans un même composant discret le circuit de conversion analogique-numérique et le circuit de conversion numérique-analogique d'un appareil: on parle alors de codée (codeur-décodeur).

Afin de réduire le débit de données numériques à la sortie du processeur de traitement de signal, et donc d'économiser la bande passante d'un canal de transmission ou l'espace mémoire d'un support d'enregistrement de ces données, il est déjà connu de réaliser ou de programmer le microprocesseur de manière à ce qu'il interrompe le traitement de signal lorsque aucun signal vocal n'est capté par le microphone. Il a en effet été constaté dans une application de téléphonie typique que le temps de parole de chaque interlocuteur est inférieur à 50% du temps total de la communication. Cette caractéristique des signaux de parole a été utilisée pour comprimer les données numériques transmises.

Dans ce but, on connaît des processeurs de traitement de signal comportant un circuit ou un module informatique qui permet de détecter la présence ou l'absence de voix, et d'interrompre la transmission ou le stockage des données en l'absence de voix.

Le processeur de traitement de signal doit néanmoins rester alimenté en permanence afin d'effectuer cette détection, ce qui s'avère en particulier désavantageux dans un dispositif à faible autonomie électrique. Par ailleurs, la plupart des processeurs disponibles commercialement sur le marché sont dépourvus de circuit de détection de voix, ce qui limite considérablement le choix de processeurs utilisables pour une application donnée, ou nécessite de réaliser cette fonction en la programmant sur un microprocesseur existant. Un module de détection de voix réalisé par logiciel doit toutefois traiter les données du codée en temps réel et sollicite par conséquent fortement la mémoire et la capacité de calcul du microprocesseur.

On connaît également des circuits réalisés sous la forme de composants discrets qui fournissent un signal indiquant l'absence ou la présence de voix dans un flux de données analogique ou numérique. Les algorithmes et les circuits mis en œuvre dans ce type de circuits spécialisés sont toutefois complexes et permettent notamment de distinguer entre un silence, une voix ou un bruit, par exemple en mesurant des niveaux d'énergie ou des puissances dans une ou plusieurs bandes de fréquence. De tels circuits sont donc relativement onéreux, complexes à mettre en oeuvre et consomment un courant électrique important. Par ailleurs, la présence d'un circuit électronique discret supplémentaire entre le codée et le microprocesseur est souvent indésirable dans des dispositifs portables miniaturisés. Enfin, ces circuits sont inadaptés au traitement de signaux numériques transmis de manière sérielle entre le codée et le processeur numérique. Un but de la présente invention est donc d'éviter les inconvénients mentionnés ci-dessus.

Selon l'invention, ces buts sont atteints au moyen d'un convertisseur analogique-numérique et/ou numérique-analogique comportant les caractéristiques indiquées dans les revendications indépendantes, des variantes préférentielles étant par ailleurs mentionnées dans les revendications dépendantes.

En particulier, ces buts sont atteints au moyen d'un convertisseur analogique-numérique réalisé sous la forme d'un composant électronique discret, comportant notamment un circuit de détection de signal pour détecter puis indiquer hors du composant la présence ou l'absence de données significatives dans la séquence d'échantillons numériques générée par le circuit de conversion.

En intégrant le circuit de détection de signal dans le convertisseur analogique-numérique, plutôt que dans le processeur de traitement de signal, on peut ainsi générer un signal de mode de veille qui peut être utilisé pour désactiver sélectivement les composants en aval du convertisseur, notamment le processeur lui-même. Cette solution permet en outre au circuit de détection de signal de traiter les données converties sous forme numérique et en parallèle; il est donc possible de réaliser un circuit très simple, occupant peu de surface de silicium et nécessitant une consommation électrique réduite.

Le circuit de détection de signal peut par exemple comporter un comparateur numérique pour comparer chaque échantillon de la séquence numérique avec une valeur de seuil. Un tel comparateur peut être réalisé en occupant une surface très réduite. Afin d'éviter des variations trop rapides du signal de mode de veille, un accumulateur est de préférence prévu pour intégrer le signal à la sortie du comparateur numérique. Un tel accumulateur peut être réalisé de manière économique au moyen d'un simple compteur. Les buts de l'invention sont également atteints au moyen d'un convertisseur numérique-analogique réalisé sous la forme d'un composant électronique discret, comportant notamment un circuit de détection de signal pour détecter puis indiquer hors du composant la présence ou l'absence de données significatives dans la séquence d'échantillons numériques reçue.

L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description donnée à titre d'exemple et illustrée par les figures annexées qui montrent:

La figure 1 un système d'acquisition, de traitement et de restitution de données audio, comprenant un codée, un processeur et un module haute fréquence.

La figure 2 un convertisseur analogique-numérique et numérique analogique selon l'invention.

La figure 3 différents chronogrammes illustrant l'évolution des signaux dans le système de l'invention.

La figure 1 illustre de manière schématique un système utilisant un codée 2 selon l'invention. Le codée 2 permet d'acquérir et de numériser des données analogiques provenant d'un transducteur 1, par exemple un microphone, et de convertir des signaux numériques en signaux analogiques aptes à être restitués par un haut-parleur 3. Le codée 2 échange des données audio numériques au travers d'une ligne audio sérielle 5 avec un processeur 4, par exemple un processeur de traitement de signal ou un microcontrôleur. Le comportement du codée 2 peut être contrôlé par le processeur au moyen d'une ligne de contrôle sérielle 7. Des signaux de mode de veille 9, 35 fournis par le codée 2 au microprocesseur 4 permettent à ce dernier de mettre sélectivement certains composants du système en mode de veille, comme on le verra plus loin.

Les données acquises par le microphone 1 et numérisées par le codée 2 sont traitées par le processeur 4, par exemple pour les filtrer, les mémoriser, détecter des événements particuliers, etc., et peuvent être transmises par un module de communication 6 au travers d'un canal de communication, dans l'exemple illustré un canal radio utilisant une antenne 10. Inversement, les données reçues par le module 6 peuvent être traitées par le processeur 4 et converties en signaux analogiques par le codée 2 pour être restituées sous la forme de signaux vocaux par le haut-parleur 3. L'ensemble du système est alimenté au moyen d'une batterie ou d'une cellule 8. Le codée 2, le microprocesseur 4 et le module de communication 6 sont de préférence réalisés sous la forme de composants (circuits intégrés) discrets montés par exemple sur une carte de circuit imprimé (à l'exclusion de la partie haute fréquence). Le système peut inclure d'autres composants.

Le codée 2 est illustré de manière plus détaillée sur la figure 2. Le signal analogique fourni par exemple par le microphone 1 est amplifié par un étage d'amplification 12 puis converti en une séquence d'échantillons numériques à n bits par un convertisseur analogique-numérique conventionnel 14. Un signal d'horloge CK fourni par un circuit d'horloge non représenté détermine les instants d'échantillonnage du convertisseur 14. Les n bits de chaque échantillon sont fournis en parallèle, à chaque instant d'échantillonnage, à une interface audio sérielle 16 qui les convertit en un signal sériel sur une ligne 5 externe selon un protocole prédéfini, par exemple selon le protocole IIS. Le fonctionnement de l'interface audio sérielle 16 ainsi que les paramètres de transmission sérielle peuvent être définis au moyen de registres non représentés accessibles depuis l'extérieur du circuit 2.

Selon l'invention, le codée 2 comprend en outre un premier comparateur 24 pour comparer les échantillons numériques délivrés par le convertisseur 14 avec une première valeur de seuil TH1 mémorisée dans un premier registre 22. Un premier compteur 26 est incrémenté à chaque fois que la sortie du comparateur 24 est active, c'est-à-dire lorsque l'échantillon numérique est inférieur à la valeur de seuil TH1 prédéterminée dans le registre 22. La sortie 9 du premier compteur 26 est un signal de mode de veille qui est actif lorsque la valeur comptée est supérieure à une deuxième valeur de seuil TH2 mémorisée dans un deuxième registre 28. Le compteur 26 est remis à zéro (ou réinitialisé à une autre valeur prédéfinie) à la mise sous tension du codée 2 et lorsque la sortie du comparateur 24 est inactive, c'est-à-dire lorsque le signal d'entrée est supérieur à TH1. Le signal 9 à la sortie du compteur 26 est donc à un niveau inactif à la mise sous tension du système et passe au niveau actif lorsque TH2 échantillons numériques consécutifs sont inférieurs à la valeur de seuil TH1. Le signal 9 permet ainsi d'indiquer la présence ou l'absence de voix dans le signal analogique reçu du microphone et peut être utilisé hors du codée 2 pour mettre en mode de veille d'autres composants du système, par exemple le processeur 4 et/ou le module de communication 6, dès que le signal analogique d'entrée est inférieur pendant TH2 intervalles au seuil TH1. Comme indiqué par la ligne traitillée 27, il est aussi possible dans une variante de l'invention de désactiver automatiquement l'interface audio sérielle 16 lorsque le signal de mode de veille 9 est à l'état actif.

Dans une variante préférentielle de l'invention, le signal de mode de veille 9 est connecté directement avec une ligne d'interruption du microprocesseur 4. Une routine logicielle exécutée par le microprocesseur 4 détecte toute modification de l'état logique de la ligne d'interruption et réagit lorsque celle-ci est à un niveau actif en mettant tout ou partie du microprocesseur 4, ainsi que de préférence d'autres composants du système, par exemple le module de communication 6 ou certains éléments du codée 2, en mode de veille. Il est cependant aussi possible d'interrompre directement l'alimentation d'un ou plusieurs composants 4, 6 lorsque le signal de mode de veille 9 est actif, au risque toutefois d'interrompre brutalement certaines routines exécutées par le processeur.

Le codée 2 comprend en outre un circuit de conversion numérique-analogique pour convertir une séquence de données numériques reçue sur l'interface sérielle 5 en un signal analogique apte à commander par exemple un haut-parleur 3. Le signal numérique série, par exemple au format IIS, est converti par l'interface sérielle audio 16 en une séquence de mots de n bits fournie à un convertisseur numérique- analogique 18. La sortie analogique du convertisseur 18 est amplifiée et éventuellement filtrée par un amplificateur 20 permettant d'attaquer le haut-parleur 3. Le gain de l'amplificateur 20 peut de préférence être contrôlé au moyen d'un registre non représenté accessible depuis l'extérieur du codée 2.

Selon l'invention, le codée 2 comprend en outre un deuxième comparateur 32 pour comparer les mots de n bits fournis par l'interface 16 avec une troisième valeur de seuil TH3 mémorisée dans un troisième registre 30. Un deuxième compteur 34 est incrémenté à chaque fois que la sortie du comparateur 32 est active, c'est-à-dire lorsque le mot numérique reçu est inférieur à la valeur de seuil TH3 prédéterminée dans le registre 30. La sortie 35 du deuxième compteur 34 est active lorsque la valeur dans le compteur est supérieure à une quatrième valeur de seuil TH4 mémorisée dans un quatrième registre 36. Le compteur 34 est remis à zéro (ou réinitialisé à une autre valeur prédéfinie) à la mise sous tension du codée 2 et lorsque la sortie du comparateur 32 est inactive, c'est-à-dire lorsque le mot reçu est supérieur à TH3. Le signal 35 à la sortie du compteur 34 est un deuxième signal de mode de veille qui est à un niveau inactif à la mise sous tension du système et passe au niveau actif lorsque le mot reçu est, pendant TH4 instants d'échantillonnage consécutifs, inférieur à la valeur de seuil TH3. Ce signal permet donc d'indiquer la présence ou l'absence de voix dans le signal numérique reçu et peut être utilisé hors du codée 2 pour mettre en mode de veille d'autres composants du système, par exemple le processeur 4 et/ou le module de communication 6, dès que le signal numérique d'entrée est inférieur pendant TH4 intervalles au seuil TH3. Selon l'invention, ce signal 35 peut aussi être utilisé pour désactiver directement les composants du codée en aval de l'interface 16, en particulier le convertisseur numérique-analogique 18 et l'amplificateur 20. Un interrupteur 37 commandé par un registre ou une bascule 40 accessible depuis l'extérieur du circuit 2 permet d'interrompre la connexion directe du signal 35 aux composants 18, 20, et d'empêcher ou d'autoriser la mise en mode de veille automatique de ces composants par le compteur 34.

Le contenu des registres 22, 28, 30, 36 et 40 définissant les valeurs de seuil mentionnées, ainsi que d'autres registres permettant par exemple de paramétrer le fonctionnement de l'interface audio sérielle 16 ou le gain des amplificateurs 12, 20, peut être modifié depuis l'extérieur du circuit 2 au travers d'un contrôleur d'interface sériel 38. Le processeur 4 peut ainsi ajuster les seuils des comparateurs 22, 32 et des compteurs 26, 34 en communiquant au travers de la ligne sérielle 7 avec le contrôleur 38.

Au moins certains composants du codée 2 peuvent de préférence être mis en mode de veille par le microcontrôleur 4, indépendamment des valeurs dans les compteurs 26 et 36. On prévoira ainsi de préférence la possibilité de désactiver l'amplificateur 12, le convertisseur A/N 14, l'interface sérielle audio 16, le convertisseur N/A 18 et/ou l'amplificateur 20, indépendamment les uns des autres. Chaque composant 12, 14, 16, 18, respectivement 20 peut par exemple être mis en mode de veille en agissant directement sur une broche externe 120, 140, 160, 180, respectivement 200. Cela permet à l'utilisateur du codée 2 de reboucler les signaux de mode de veille 9, 36 générés par le codée sur une ou plusieurs des broches 120 à 200, afin par exemple de mettre l'interface sérielle audio 16 automatiquement en mode de veille lorsque le signal 9 est actif. Il est aussi possible de prévoir un ou plusieurs registres non représentés pour définir au travers du contrôleur d'interface sériel 38 quels composants doivent être placés en mode de veille. Cette variante permet de limiter le nombre de broches externe, mais ne permet pas de contrôler par câblage la mise en mode de veille des composants du codée.

La figure 3 illustre de manière schématique la forme du premier signal de mode de veille 9 généré par le codée 2 lorsque le signal analogique dont l'amplitude A est représentée sur la partie supérieure du chronogramme est appliqué à l'entrée de l'amplificateur 12. A la mise sous tension du codée, le compteur 26 est réinitialisé en sorte que le signal 9 est à l'état inactif, représenté ici par l'état logique 0. Le compteur 26 est incrémenté à chaque instant d'échantillonnage lorsque le signal numérisé est, en valeur absolue, inférieur à la valeur de seuil TH1 dans le premier registre 22, et réinitialisé lorsque le signal numérisé est supérieur à TH1. Le signal 9 à la sortie du compteur 26 devient actif (représenté ici par l'état logique 1) dès que la valeur dans le compteur est supérieure à la valeur de seuil TH2 dans le registre 28. En d'autres termes, le mode de veille 9 est activé lorsque le signal d'entrée numérisé est inférieur à TH1 pendant TH2 intervalles d'échantillonnage consécutifs.

Le compteur 26 et le signal de mode de veille 9 sont réinitialisés dès que le signal d'entrée est à nouveau supérieur à TH1 (en valeur absolue). Afin d'éviter l'influence de bruits parasites, il est aussi possible, comme illustré sur la figure 3, de prévoir un délai TH2', de préférence inférieur à TH2, avant de remettre à zéro le compteur 26. En d'autres termes, le mode de veille n'est désactivé que si au moins TH2' échantillons successifs sont supérieurs en valeur absolue à la valeur de seuil TH1. La valeur TH2' peut également être mémorisée dans un registre non représenté sur la figure 2; les modifications nécessaires au codée sont à la portée de l'homme du métier.

Dans une variante, il est aussi possible de prévoir deux valeurs du seuil TH1 différentes pour l'activation et la désactivation du mode de veille 9. Cette variante peut par exemple être mise en oeuvre en employant un comparateur 24 avec une hystérésis ("comparateur de Schmitt").

On comprendra que des dispositions similaires peuvent être appliquées au circuit de mode de veille générant le deuxième signal de mode de veille 35 à partir des valeurs successives du signal numérique 5. En particulier, il est possible de prévoir au moyen d'éléments logiques non représentés un délai TH4' pour la réinitialisation du compteur 34, et des valeurs de seuil TH3 différentes pour l'activation et la désactivation du mode de veille 9 (hystérésis).

Les signaux de mode de veille 9 et 35 sont dans l'exemple décrit ci-dessus activés uniquement lorsqu'un nombre prédéfini d'échantillons numériques successifs est inférieur à une valeur de seuil déterminée. Il est cependant possible dans le cadre de cette invention de générer ces signaux à partir d'autres caractéristiques du signal numérique, par exemple en calculant l'énergie, ou la variation d'énergie, ou la puissance, ou la dérivée, et/ou l'intégrale du signal numérique. Il est ainsi possible, au prix d'une complexité accrue du système, de détecter plus rapidement et avec une meilleure fiabilité la présence ou l'absence de données significatives dans la séquence numérique convertie ou reçue. Par ailleurs, un filtrage analogique et/ou numérique peut être effectué dans le codée pour réduire l'influence du bruit.

Le processeur 4 peut comprendre une routine informatique qui surveille l'état des deux signaux de mode de veille 9, 35 pour activer ou désactiver sélectivement certains composants du système. Dans une application de téléphonie où, généralement, un seul partenaire parle à la fois, il est ainsi possible de désactiver presque à chaque instant soit le circuit d'acquisition, soit le circuit de restitution, et de réduire ainsi considérablement la consommation électrique du circuit.