传输装置和再生装置

传输装置和再生装置

本发明涉及传输装置和再生装置，在这种装置中通过delta-sigma调制得到的一比特数字音频信号被转换成将要被发送的多比特音频信号。

这种应用已经提出了一种系统，在这种系统中模拟音频信号以明显高于传统压缩盘(CD)的采样率被进行delta-sigma调制以便用来发送、记录和再生一个一比特数字音频信号。

上面的一比特数字音频信号根本不同于具有44.1KHz采样率和16个量化比特的压缩盘所示例的多比特数字音频信号。即，通过一比特数字信号系统，会实现一种提供更宽带宽和动态范围的高质量音频标准，其中的一比特数字信号系统涉及以传统CD采样频率(fs)的64倍的采样频率被采样的量化比特。这种高质量音频标准被称为DSD(直接流数字)标准，并且，按照DSD标准将数据记录其上的盘遵从被称为超级音频CD的标准。

通过delta-sigma调制得到的一比特数字音频信号可以通过例如抽取滤波器的转换器经过欠采样而被转换成传统的多比特数字音频信号。在一比特数字音频信号被输出给传统的遵从IEC958(国际电气委员会958)的数字音频接口之前，该信号需要通过欠采样被转换成传统的多比特数字音频信号。

在通过delta-sigma调制将模拟音频信号转换成一比特数字音频信号的建立过程中，定义了对应于有效输入转换电平的调制度。即，调制度表示所讨论的一比特数字音频信号拥有的电平信息。最大的调制度，即，由所使用的delta-sigma调制定义的输入电平的最大可允许值，一般是根据调制器特性的最佳点来建立的。如果模拟音频信号电平被输入以获得最大的调制度，电平的增加很少导致输出一比特数字音频信号的电平和失真特性突然恶化。

其间，输入一比特数字音频信号的调制度和输出多比特数字音频信号的电平以对于每个抽取滤波器来说一般是唯一的方式确定。例如，在抽取滤波器被设计为具有50％的最大调制度的情况下，当调制度为50％的一比特数字音频信号被输入时，该滤波器以最大值输出多比特数字音频信号(即，全比特电平)。当超过最大的调制度的一比特数字音频信号输入时，多比特数字音频信号被固定保持为最大值，即，开始限幅状态。

下面参考图1详细解释上面的过程，其中图1给出一个传统的数字信号处理装置50。在数字信号处理装置50中，通过输入端51输入的模拟音频信号A1被传送给一比特delta-sigma调制器52以进行delta-sigma调制变成一比特数字音频信号D1。来自调制器52的一比特数字音频信号D1被提供给一比特D/A转换器53和抽取滤波器55。

图2表示上面提到的一比特delta-sigma调制器52的典型构成。一比特delta-sigma调制器52包括一个加法器71，一个积分器72，一个量化器73，和一个延迟电路75。加法器71相加后的输出被传送给积分器72。积分器72被积分后的输出被传送给量化器73。量化器73量化后的输出在输出终端74上被输出并通过延迟电路75被反馈给加法器71，在加法器中量化的输出被加入来自输入端70的模拟音频信号中。加法器71相加后的输出被积分器72积分，在每个采样周期，其积分输出又被量化器73量化。经过处理之后，由一比特数字音频信号D1表示的一比特量化数据从输出终端74输出。

一比特D/A转换器53将一比特数字音频信号D1转换成模拟音频信号A0，该信号被传送给输出终端54。一般地，由一比特数字音频信号组成的音频信号被D/A转换器如描述的那样转换回模拟音频信号。

抽取滤波器55将一比特数字音频信号D1变换成多比特数字音频信号DM，该信号被传送给输出端56。抽取滤波器55将采样频率为64*fs的一比特数字音频信号转换成16比特、采样频率为fs、声音质量等价于CD的多比特数字音频信号。一般地，抽取滤波器55具有最大调制度：50％。

当具有50％的最大调制度的抽取滤波器55组成为将一比特数字音频信号D1通过欠采样转换成多比特数字音频信号DM的转换器一部分时，存在着问题。即，如果输入一比特数字音频信号D1的电平超过了最大调制度，那麽输出多比特数字音频信号DM被固定到限幅电平。

下面对上面简要提到的缺陷进行详细描述。图3是相对来自数字信号处理装置50中的一比特delta-sigma调制器52的一比特数字音频信号D1的调制度(输入信号电平)，表明一比特D/A转换器53输出的模拟音频信号A0和抽取滤波器55提供的多比特数字音频信号DM的电平的特性图。模拟音频信号A0的电平由虚线特性61表示，而多比特数字音频信号DM的电平由实线特性62表示。

虚线特性61表明当输入信号的调制度超过50％时，模拟音频信号A0的电平近似保持为线性。这就是所谓的软限幅状态，不是精确的线性，但是近似是。另一方面，如实线特性62表示的，当调制度超过50％时，多比特数字音频信号DM被限幅到全比特电平。当调制度达到50％时，抽取滤波器55被设计为在图示的全比特电平使输出有效。这样，调制度为50％或更高的输入造成输出信号如实线特性62举例表示的那样被限幅。

图4是相对数字信号处理装置50中的一比特数字音频信号D1的调制度，表示一比特D/A转换器53输出的模拟音频信号A0以及抽取滤波器55提供的多比特数字音频信号DM的失真因子的特性图。模拟音频信号A0的失真因子由虚线特性63表示，而多比特数字音频信号DM的失真因子由实线特性64表示。

虚线特性63表明，当调制度大约为50％时，模拟音频信号A0的失真因子为最小值。这意味着当一比特delta-sigma调制器52在其失真因子为50％的情况下工作时，对于模拟音频信号A0可以获得最佳特性。另一方面，如实线特性64表明的，当调制因子接近50％时，来自抽取滤波器55的多比特数字音频信号DM的失真因子突然跳跃。当调制因子接近50％时，这种现象可归因于多比特数字音频信号DM被限幅到全比特电平。

如可以从图3和4判断的，问题很明显：当输入电平超过了50％的最大调制因子的模拟音频信号被转换成一比特数字音频信号时，抽取滤波器55从一比特数字音频信号获得的多比特数字音频信号DM被限幅在最大值(全比特电平)并且表示出一个极度下降的失真因子，尽管对于仅通过将一比特数字音频信号经过数模转换而得到的模拟音频信号A0不会是这种情况。

如所描述的，存在这样的情况：最大调制度事先被确定的抽取滤波器被用来组成通过欠采样将一比特数字音频信号转换成多比特数字音频信号的转换器。麻烦的是当输入一比特数字音频信号的电平超过最大调制度时，多比特数字音频信号被固定在限幅电平。

一旦信号电平被抽取滤波器55限幅，这种限幅状态不能被任何执行多比特信号电平衰减功能的下游设备消除。此外，理论上，如期望的那样改变一比特信号的电平是很困难的。尝试改变一比特信号的电平的企图将需要扩展所需的信号处理电路的尺寸。

特别的，在涉及由超级音频CD代表的一比特数字音频信号系统的应用中，最大调制度基本上以记录信号到盘片上的形式来定义。反映记录方意图的一种可能性是，盘片可以按过调制生产，即具有超过最大调制度的电平。当从这种盘片上再生信号时，盘片播放器会简单地对再生的一比特数字音频信号进行数-模转换以输出模拟信号。如果盘片播放器具有动态范围裕量足够大的模拟电路，那麽盘片上为过调制电平的部分会以记录过程同样的电平播放。

当具有预定最大调制度的抽取滤波器被用来通过欠采样将一比特数字音频信号转换成被输出到数字音频接口的多比特音频信号时，在再生过程中，其值为过调制电平的信号部分总是被限幅在最大电平。在这种情况下，在电平和失真因子方面，模拟和数字输出之间存在一些差异。

因此，本发明的一个目标是解决以前技术中上述和其它的缺陷以及不足之处，并给出一种传输装置和再生装置，在这些装置中，一比特数字音频信号被构成转换器一部分的抽取滤波器通过欠采样转换成多比特数字音频信号，其中超过最大调制度的一比特数字音频信号输入被禁止以免造成多比特数字音频信号电平被限幅在全比特电平(最大电平)，而输出信号的平均电平仍然被提高。

在实现本发明的过程中，并根据其中一个方面，这里提供了一种传输装置包括：用来以一个预定量衰减第一数字信号的衰减装置，其中的第一数字信号以第一采样率被采样并且只有一个量化比特；用来将衰减装置衰减后的第一数字信号转换成第二数字信号的转换装置，其中的第一数字信号以第一采样率被采样并且只有一个量化比特，第二数字信号以低于第一采样率的第二采样率被采样并且包含多个量化比特；用来检测经转换装置转换的第二数字信号电平的电平检测装置，其中的第二数字信号以低于第一采样率的第二采样率被采样并且包含多个量化比特；用来根据电平检测装置检测到的电平将第二数字信号的电平放大的放大装置，其中第二数字信号以第二采样率被采样并且包含多个量化比特。

根据本发明的另一个方面，给出了一种再生装置包括：用来从记录媒体上再生第一数字信号的再生装置，其中的第一数字信号以第一采样率被采样并且只有一个量化比特；用来以一个预定量值对再生装置再生的第一数字信号进行衰减的衰减装置；用来将衰减装置衰减后的第一数字信号转换成第二数字信号的转换装置，其中第二数字信号以低于第一采样率的第二采样率被采样并且包含多个量化比特；用来检测被转换装置转换后的第二数字信号电平的电平检测装置；用来根据电平检测装置检测到的电平将第二数字信号的电平放大的放大装置，其中第二数字信号以第二采样率被采样并且包含多个量化比特；用来将放大装置放大后的第二数字信号传输的传输装置。

当阅读下面的描述和附图时，本发明的其它方面，特征和优越之处会变的更加明白。

图1是体现本发明的数字信号处理装置的方框图；图2是一比特delta-sigma调制器的方框图；图3是相对一比特数字音频信号D1的调制度，表明模拟音频信号A0和多比特数字音频信号DM电平的特性图；图4是相对一比特数字音频信号D1的调制度，表明模拟音频信号A0和多比特数字音频信号DM的失真因子的特性图；图5是体现本发明的再生装置的方框图；图6是传统再生装置的方框图；图7包括在图5装置中的固定量衰减器的详细方框图；图8包括在图5装置中的多比特转换/抽取部分的详细方框图；图9是图5装置中多比特转换/抽取部分的等价电路图；图10是相对调制度而表示数字输出信号电平的特性图。

优选实施方案详细描述下面将参考附图描述本发明的优选实施方案。本发明的一个实施方案是以音频盘片播放器1的形式实现的，其中的播放器示例性地引入了遵从IEC958的数字音频接口输出设备，并且该播放器能播放高质量的音频盘片。图5中给出的音频盘片播放器1能够播放其上记录有一比特数字音频信号的光盘。这些信号中的每一个都以CD采样率的64倍被采样，并且有一个量化比特。一比特数字音频信号可以通过一比特delta-sigma调制器而获得，该调制器的构成在图2中给出。

音频盘片播放器1包括：用于以RF信号的形式从光盘2读取一比特数字音频信号光拾取器3；通过适当地处理被光拾取器读出的RF信号而产生一比特数字音频信号D1，同时产生伺服信号比为循迹和聚焦信号的再生信号处理器；用来将来自再生信号处理器4的一比特数字音频信号D1转换成模拟音频信号A0的一比特D/A转换器5；在执行衰减的同时将来自再生信号处理器4的一比特数字音频信号D1转换成多比特数字音频信号DM的转换器7；用来检测来自转换器7的多比特数字音频信号DM的电平的电平检测部分10；用来以下面方式起控制作用的电平控制部分12：转换器7输出的、与电平检测部分10检测到的电平保持一致的多比特数字音频信号DM不会超过全比特电平；用来根据电平检测部分10检测到的电平控制电平控制部分12的系统控制器11；用来将来自电平控制部分12的多比特数字音频信号加载到遵从IEC958的数字音频接口输出的音频数据域的数字接口部分13。数字接口部分13的数字音频接口输出通过数字输出端14起作用。或者，数字音频接口输出可以被提供给消除高频部分的下游滤波器装置。

转换器7包括一个固定量衰减器8和一个多比特转换/抽取部分9。利用这些组件，在将采样频率从64*fs降低到fs的过程中，转换器7将一比特数字音频信号D1转换成多比特数字音频信号DM并执行固定量衰减处理。

使音频盘片播放器1不同于传统音频盘片播放器的地方在于前者包括转换器7和电平控制部分12。转换器7在将一比特数字音频信号D1转换成多比特数字音频信号DM的中途执行固定量衰减处理，而电平控制部分12以下面方式起控制作用：从转换器7通过衰减获得的多比特数字音频信号将不会超过全比特电平。

在传统的音频盘片播放器中，通过具有预定最大调制度的抽取滤波器以欠采样的方式，一比特数字音频信号被转换成多比特数字音频信号，然后转换后的多比特音频信号被输出到数字音频接口。在处理过程中，处于过调制电平的信号部分总是被箱制到最大值以用于信号输出。在电平和失真因子方面，这在从一比特数字音频信号的D/A转换中得到的模拟音频信号和多比特数字音频信号之间带来了差异。

图6给出具有上面简略提到的不足之处的传统音频盘片播放器15的典型构成。

在传统音频盘片播放器15中，转换器16将来自再生信号处理器4的一比特数字音频信号D1转换成多比特数字音频信号DM。具体的，转换器16是一种叫做抽取滤波器的电路，该电路以几个步骤将输入一比特数字音频信号转换成多比特信号，同时通过用于欠采样的抽取计算将采样频率降低到“fs”。在多比特数字音频信号DM得到之前，转换器16不会进行衰减工作。电平不受适当设备如图5中的电平控制部分12控制的多比特数字音频信号DM被不加修正地提供给数字接口部分13。

在上面的传统构成中，任何超过转换器16的预定最大调制度的输入必定会使得数字输出终端14上的电平被限幅。

在图5中本发明的音频盘片播放器1中，通过比较，转换器7具有安装在多比特转换/抽取部分9上游的固定量衰减器8。来自转换器7的多比特数字音频信号通过电平控制部分12被输入到数字接口部分13。多比特数字音频信号也被传送到电平控制部分10。电平控制部分10的处理结果被系统控制器11读出，该控制器据此控制电平控制部分12的电平控制过程。

在图5中的音频盘片播放器中，在具有预定最大调制度的多比特转换/抽取部分9中的多比特数据潜在溢出(即，限幅状态)之前，固定量衰减器8以预定的电平衰减多比特数据。任何超过最大调制度的输入因此被禁止以免进入限幅状态。电平控制部分12对衰减量进行补偿以便保持平均电平。象这样，电平控制部分12能够抬高多比特信号状态中的信号电平。

下面将参考图7和8描述转换器7的一个具体例子。图7给出固定量衰减器8的关键部分，图8说明了多比特转换/抽取部分9的关键部分。

固定量衰减器8包括无声模板产生器18和一个一比特加法器26。无声模板产生器18产生一个无声信号例如从delta-sigma调制器得到的一比特数字音频信号并具有50的占空因子。一比特加法器26将来自无声模板产生器18的无声信号与从输入端17提供的一比特数字音频信号D1相加。无声模板是一种固定模板，其中，在预定的周期内，表现为采样率为fs的64倍的一比特信号数据的二进制0和二进制1的比例为1比1。当被进行D/A转换时，无声模板对应于模拟信号的零电平。

在终端21和22下游的构成部分几乎与前面图8中多比特转换/抽取部分9相同。当图8中的转换开关25被连接到所选出的下面的终端时，加法器26将来自端21的一比特数字音频信号D1与来自端22的无声信号相加。这种设置被称作双输入装置。

另一方面，如果图8中的转换开关25被连接到所选出的上面的端子，加法器26将来自端21的两个一比特数字音频信号D1相加。这种设置被称作单输入装置。图9给出该装置中固定量衰减器8的等价电路。

假设来自转换器7的一比特数字音频信号由来自图9所示的两个端21的信号组成。一比特加法器26的加法器输出信号Ds表示为A+B。因为两个相同的一比特数字音频信号输入D1被连接到一比特加法器26，加法器输出信号Ds实际上为A+A，即，2A。

现在假设无声模板产生器18被连接到输入B(终端22)，如图7所示。在图7中加法器输出Ds为A+B，输入B组成无声模板(B＝0)。这样输出变为A+0，即A。与来自图9中装置的输出2A相反，图7中的装置给出输出A。即，输出电平被减半，这意味着被6dB的固定量衰减。这种方法被设计为通过在一比特信号到多比特信号的转换过程的早期阶段中引入无声模板，来给出固定量衰减。这种衰减等价于信号在下游的多比特转换/抽取部分9中被限幅之前降低该信号的电平。

在图8中，激励转换开关25以便在双输入装置和单输入装置之间切换的转换开关控制信号来自控制信号终端23。或者，转换开关控制信号可以由用户手工产生或者可以由系统控制器11自动创建。

图8中多比特转换/抽取部分9的剩余部分将被描述。来自一比特加法器26的两比特加法器输出信号Ds被传送给格式化部分27。格式化部分27将三个两比特值，例如表示1+1的“10”，表示1+0或0+1的“01”，表示0+0的“00”替换成三个四比特偏移量二进制值。例如，两比特值“10”，“01”，“00”分别被转换成“1100”(+4)，“1000”(0)和“0100”(-4)。

来自格式化部分27的四比特数据被传送到转换开关28。转换开关28为偏移二进制转换器29提供来自输入终端24的采样率为64*fs，并包括4个量化比特的输入，或者提供来自格式化部分27的采样率为64*fs，并包括4个量化比特的输入。

偏移量二进制转换器29将来自转换开关28的采样率为64*fs，包括4个量化比特的偏移量二进制值转化成2的补码。具体的，值“1100”，“1000”和“0100”被分别转换为“0100”，“0000”和“1100”。偏移量二进制转换器29的转换后的输出保持采样率为64*fs，包括4个量化比特的数据，其输出被传送给运动平均滤波器30。

运动平均滤波器30将所接收数据的采样率降低到初始采样率的1/8并将字长增加到19比特。具有19个量化比特且采样率为8*fs的滤波器30的输出被传送到增益设置部分31，在此增益被设置。

增益设置部分31作为溢出限制器来工作，在该部分对图3中特性62的限制被定义。采样率为8*fs且量化比特数为20的增益设置部分31的输出被提供给FIR(1)32。

FIR(1)32使得采样率为8*fs且量化比特数为20的增益设置部分31的输出进行欠采样和抽取，这样可以得到采样率为4*fs且量化比特数为21的输出。

经过FIR(2)33和FIR(3)34，前送的数据被转换成在终端35上的采样频率为fs量化比特数为21或24的数据。

尽管固定量衰减处理在转换器7的输入阶段实现，这不是本发明的限制之处。或者，固定量衰减可以在一比特数字音频信号到多比特数字音频信号的转换过程中间被执行，具体地，在增益设置部分31上游的方块中执行。

下面将详细描述电平控制部分12是怎样工作的。图10表示了可应用于电平控制部分12的控制特性。如果多比特转换/抽取部分9的预定最大调制度为50％，那麽当输入信号电平达到50％的调制度时，来自图6的传统结构的多比特输出的特性41达到全比特电平。对于输入的任何进一步增加，输出信号保持限幅在全比特电平。当6dB的固定量衰减如上面描述的那样通过固定量衰减器8实现时，对于50％的调制度，特性42在该点的值低于全比特电平6dB。理论上，当电平输入具有100％的调制度时，可以达到全比特电平。即，不管输入在任何电平上，输出永远也不会限幅在全比特电平，并且输入和输出特性保持线性。然而，当调制度小于50％时，输出电平总是低于原始特性416dB。

考虑了固定衰减量和输入调制度后，上述潜在的问题由以电平控制部分12抬高特性43表示的电平解决。例如，如果输入的调制度最多为71％，那麽电平控制部分将增益增加3dB。在输入的最大调制度已知或者预先预测到时，这种将电平抬高一个固定增益量的做法防止了输出进入限幅状态。然而，平均电平趋向于低于正常值。在这种情况下，可以引入测量装置来测量输入到转换器7的一比特数字音频信号D1的调制度。测量装置得到的测量值可以输入到系统控制器11。

如果输入的最大调制度是不可预测的，电平检测部分10首先检测到电平。根据来自电平检测部分10的检测到的电平，系统控制器11使得电平控制部分12动态改变增益。这构成一种自动增益调整装置，由此特性43的曲线在预定范围44内随时间变化以避免限幅状态。

还有一种可能是构成一种限制器装置，由此电平控制部分12的电平增益如特性45表示的那样静态变化以便形成电平压缩曲线。压缩开始于低于预定最大调制度的电平并且失真因子逐渐变坏。然而，由于具有特性45的装置，平均电平保持与传统设置一样，并且这种压缩在一定程度上避免了限幅状态。

如所描述的，在固定量衰减之后如何抬高信号电平可以用取决于电平控制部分10、系统控制器11和电平控制部分12以及控制系统的选择和组合的结构的多种方法中的任何一种来确定。

本发明的目标因此在于通过在转换的上游向多比特信号实现固定量衰减来避免限幅电平状态，同时在位于下游的电平控制部分的控制之下抬高平均电平。

即，当从delta-sigma调制获得的高采样率的一比特数字音频信号被转换成低采样率的多比特数字音频信号时，在多比特数据溢出之前，信号电平被衰减。在后面的阶段，多比特数据的电平在多比特状态中变化使得输出电平不会超过一个预定值。即使一比特数据的输入超过了转换装置的预定最大调制度，这也预防了多比特数据的输出被限幅到一个最大值。

作为结果，在电平和失真因子方面，通过对delta-sigma调制之后的一比特信号进行D/A转换而得到的模拟输出和多比特数字输出之间不存在任何差异。

尽管图5中的音频盘片播放器1已经被表示为本发明的一个优选实施方案，这并不是本发明的限制之处。本发明可以另外应用于其它的包括数字信号处理装置的设备和装置，其中的数字信号处理装置至少包括图5的转换器7和电平控制部分12。

这种数字信号处理装置接收经delta-sigma调制的一比特数字音频信号并将该信号转换成多比特数字音频信号以便输出。

本发明还可以应用于包括两个记录系统的数字信号处理装置：一个系统允许经delta-sigma调制得到的一比特数字音频信号不加修正地写入记录媒体如光盘的预定区域，另一个系统在将转换后的信号写入媒体中另一个适当区域之前，将一比特数字音频信号转换成多比特数字音频信号。在电平和失真因子方面，该数字信号处理装置在两个系统记录的两个数字信号之间不造成任何差异。

如根据本发明所描述的，具有预定最大调制度的抽取滤波器被用来构成用来通过欠采样将一比特数字音频信号转换成多比特数字音频信号的转换器。当一比特信号的输入超过转换器特定的最大调制度时，适当的装置被启动以防止多比特数字音频信号被限幅到全比特电平(最大值)，同时促使输出的平均电平提高。

由于在不偏离本发明思想和范围的前提下，可以得到本发明很多明显不同的实施方案，要理解的是，除了后面的权利要求所定义的，本发明并不局限于特定的实施方案。