專利名稱：采樣率轉(zhuǎn)換器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電子設(shè)備，更具體地說，涉及用于數(shù)字采樣的數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換的電路和方法。可以將本發(fā)明用于其中需要改變數(shù)據(jù)流的采樣率的所有領(lǐng)域，特別是在音頻系統(tǒng)和視頻系統(tǒng)中。另一個應(yīng)用是在例如ADSL的電信系統(tǒng)中將基帶信號的采樣率適配為數(shù)字調(diào)制器的高采樣率。
背景技術(shù)：
人們通常知道諸如音頻信號或者視頻信號的數(shù)字采樣的模擬信號。當(dāng)處理采樣的信號時，一般最好將具有不同采樣率的、采樣的數(shù)據(jù)進(jìn)行混合。為了這個目的，需要其中將采樣的信號從第一采樣率轉(zhuǎn)換到第二采樣率的采樣率轉(zhuǎn)換。例如，通常以11.025、22.05或44.1KHz的頻率，或者以8、16、32或48KHz的頻率對音頻信號進(jìn)行采樣。將信號從8KHz轉(zhuǎn)換到11.025KHz意味著應(yīng)用441/320的采樣因數(shù)，這需要復(fù)雜的轉(zhuǎn)換器以避免信號質(zhì)量的下降。
可以將采樣率轉(zhuǎn)換器分類為同步采樣率轉(zhuǎn)換器和異步采樣率轉(zhuǎn)換器。在第一種情況中，作為輸出采樣率和輸入采樣率的比率的采樣因數(shù)是諸如441/320的有理數(shù)。在后一種情況中，不能用有理數(shù)來表示該比率。
US 5,907,295公開了一種同步采樣率轉(zhuǎn)換器(SSRC)。所使用的SSRC是兩級轉(zhuǎn)換器。第一級是L抽頭低通FIR，而第二級是線性內(nèi)插器。第一級通過Q0/P0的因數(shù)來調(diào)整采樣率，而第二級通過Q1/P1的因數(shù)來調(diào)整采樣率，從而總的采樣因數(shù)是Q/P＝Q0/P0*Q1/P1。將SSRC分為兩級使得L抽頭FIR內(nèi)的系數(shù)存儲下降。這種SSRC不適合于小于1/8的采樣因數(shù)，或者大于8的采樣因數(shù)。從信噪比(SNR)的角度來說，其性能是有限的。
US 5,666,299公開了一種異步采樣率轉(zhuǎn)換器(ASRC)。通過ASRC的設(shè)計減少了在ROM中存儲的濾波器系數(shù)的數(shù)量。這種ASRC不適合于小于1/8的采樣因數(shù)，或者大于8的采樣因數(shù)。其SNR也是有限的。
US 5,638,010公開了一種用于帶有高采樣因數(shù)的ASRC的同步的、在數(shù)字鎖相環(huán)中的數(shù)控振蕩器(DCO)。為了這個目的，DCO產(chǎn)生適當(dāng)?shù)臅r鐘信號。其還產(chǎn)生殘余信號，可以用于數(shù)據(jù)取樣的精確內(nèi)插。這個殘余信號與DCO的即時相位有關(guān)。
在“A Stereo Asynchronous Digital Sample-Rate Converter for Digital Audio”，IEICE Transactions on Electronics，Institute of Electronics Information AndComm.Eng.Tokyo，JP，vol.E77-C(1994)，no.5，pp.811-818中，亞當(dāng)斯(Adams)等人公開了一種包括n抽頭多相濾波器(2)的異步采樣率轉(zhuǎn)換器(其中n是整數(shù))，以及用于計算濾波器系數(shù)的計算實體(5，9)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種用于將采樣率從第一值轉(zhuǎn)換為第二值的高性能的ASRC和對應(yīng)方法?？梢詫⒃揂SRC和該方法用于過采樣的輸入信號并且用于轉(zhuǎn)換器的非常高或者非常低的采樣因數(shù)。
根據(jù)本發(fā)明，通過提供在獨立權(quán)利要求中所定義的特征來實現(xiàn)上述目的。根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實施方式還包括從屬權(quán)利要求中定義的特征。應(yīng)該強調(diào)，權(quán)利要求中的任何參考標(biāo)記都不應(yīng)該被理解為對本發(fā)明的范圍的限制。
根據(jù)本發(fā)明，通過包括n(n為整數(shù))抽頭多相濾波器的異步采樣率轉(zhuǎn)換器和用于計算濾波器系數(shù)的計算實體來實現(xiàn)上述目的，其中所述計算被適應(yīng)來使用Parzen窗口或者使用二次窗口來計算濾波器系數(shù)。
對應(yīng)方法是用于通過使用傳統(tǒng)n抽頭濾波器將數(shù)字采樣的數(shù)據(jù)的采樣率從第一采樣率轉(zhuǎn)換到第二采樣率的方法，其中通過使用Parzen窗口或者使用二次窗口來計算濾波器系數(shù)。
將通過參照后面所述的實施方式闡述本發(fā)明的這些和其他方面，本發(fā)明的這些和其他方面將變得明顯。


圖1示出了具有降低的計算復(fù)雜度的ASRC；圖2示出了頻域中的Parzen窗口、二次窗口、和(為了進(jìn)行比較的)三角形窗口；圖3示出了Parzen窗口和二次窗口的最先的五個凹口(notch)；圖4更加詳細(xì)地示出了Parzen窗口和二次窗口的第一個凹口；圖5示出了在二次窗口的情況中產(chǎn)生濾波器系數(shù)的示例電路；
圖6示出了在Parzen窗口的情況中產(chǎn)生濾波器系數(shù)的示例電路；和圖7示出了包括圖1的ASRC的電路。
具體實施例方式
圖1示意地示出了根據(jù)本發(fā)明的ASRC 1。其包括具有延遲管路(pipeline)3和數(shù)字信號處理器(DSP)4的4抽頭多相濾波器2。時鐘信號asrc_clk_in使能延遲管路3并且通過數(shù)據(jù)寄存器(或者觸發(fā)器)6順序?qū)斎霐?shù)據(jù)data_in進(jìn)行時鐘控制(clock)，從而最左側(cè)的檢測器保存最新的采樣，而最右的寄存器保存最舊的采樣。
因為時鐘信號asrc_clk_in與asrc_clk_out相位同步而與data_in頻率同步，所以其一般是抖動的時鐘。通常借助數(shù)字PLL的DCO來產(chǎn)生這種時鐘。這種DCO使用相同的時鐘信號asrc_clk_out，其同步所有的寄存器6。
當(dāng)以過采樣的信號表示輸入數(shù)據(jù)data_in時，可以方便地使用ASRC 1。為了本公開的這個目的，應(yīng)該將過采樣信號理解為具有顯著高于最小采樣率FMIN的采樣率的信號?？紤]到恩奎斯特(Nyquist)定律，最小采樣率FMIN是帶寬的兩倍。
通過將來自數(shù)據(jù)寄存器6的采樣點進(jìn)行平均而執(zhí)行濾波。由DSP 4將采樣點與它們對應(yīng)的權(quán)重/濾波器系數(shù)相乘。由DSP 4在輸出端口8處輸出所有加權(quán)的采樣點之和。
在圖1中，n抽頭濾波器2(n是整數(shù))具有四個抽頭。但是本發(fā)明并不限于四個抽頭的情況?？梢詫選擇為2、3、4、....到10或者更大。
存在兩種產(chǎn)生濾波器系數(shù)的方法。
第一種可能性是通過計算實體來產(chǎn)生濾波器系數(shù)，其中所述計算實體位于n抽頭多相濾波器2的外部。這種計算實體可以是諸如DSP或者專用集成電路(ASIC)的硬件，或者可以是在遠(yuǎn)端計算機(jī)上運行的計算機(jī)程序。
第二種可能性是通過計算實體來產(chǎn)生濾波器系數(shù)，其中所述計算實體位于n抽頭多相濾波器2的內(nèi)部。換句話說，該計算實體是n抽頭多相濾波器2的部件。在這種情況下，計算實體是圖1的系數(shù)產(chǎn)生器5。有利地，當(dāng)輸入信號是過采樣的信號時系數(shù)產(chǎn)生器5具有有限的復(fù)雜度。
當(dāng)選擇第一種可能性時，n抽頭多相濾波器必須提供存儲空間給外部(在n抽頭多相濾波器的外部)產(chǎn)生的濾波器系數(shù)。在這種情況下，使用相位信號作為四個獨立存儲器單元7的讀出地址，其中塊5的每個存儲器單元7保存特定系數(shù)的所有2P個可能的值，P＝相位信號的位數(shù)量。為了精確內(nèi)插，比如P＝9，塊5中所需存儲器是29*4個字。可以從上面解釋中得到，在這種(第一)操作模式中塊5是純粹的存儲器塊。可以將塊9作為外部計算實體。
當(dāng)選擇第二種可能性時，借助計算實體5使用相位信號進(jìn)行濾波器系數(shù)的多項式計算。通常由數(shù)字PLL的DCO產(chǎn)生相位信號。四個系數(shù)是C1＝A1*I+B1*I2+C1*I3+D1*I3，其中1是范圍從1到4的索引，而I是輸入相位信號。
或者隨時(on the fly)計算該系數(shù)(在線計算)，或者已經(jīng)預(yù)先載入該系數(shù)(離線計算)。
當(dāng)選擇產(chǎn)生濾波器系數(shù)的第二種可能性時，在塊5中執(zhí)行濾波器系數(shù)的計算。在這種(第二)操作模式中，塊5是系數(shù)產(chǎn)生器或者計算實體。借助塊9來直觀示出作為計算實體工作的塊5的詳細(xì)情況。但是應(yīng)該強調(diào)，塊9僅僅是塊5的一種表示，而不是分開的物理實體。因此可以將塊9縮小到塊5中。從小存儲器單元(未示出)中檢索常數(shù)A1、B1、C1、D1等。在本例中選擇了三次多項式，因此總共存儲16個系數(shù)，其中每個系數(shù)需要僅僅4個字的存儲器空間。系數(shù)產(chǎn)生器的這種解決方案以附加的多項式計算為代價減少了所需要的存儲器，并且當(dāng)需要非常精確的內(nèi)插時這種解決方案通常更好。
本發(fā)明使用Parzen窗口或者二次窗口作為多項式靈活(smart)窗口。也被稱為de la Valle Poussin窗口的Parzen是三次多項式并且被定義如下w(n)=1-6·(nN/2)2·(1-|n|N/2),0≤|n|≤N/4]]>w(n)=2·(1-|n|N/2)3,N/4≤|N|≤N/2]]>其中n是時間取樣的索引，而N+1是窗口的總長度。或者，選擇二次窗口。將這種二次多項式定義如下w(n)=1-2·(nN/2)2,0≤|n|≤N/4]]>w(n)=2·(1-|n|N/2)2,N/4≤|n|≤N/2]]>在圖2中將兩種窗口在時域中示出，其中將y軸歸一化到1。此外，示出了基本上從現(xiàn)有技術(shù)中已知的三角形窗口。曲線依次為(從上到下)二次窗口、Parzen窗口、和三角形窗口。二次或者三次多項式的優(yōu)點是在頻域中的原型濾波器的重復(fù)凹口帶有特別的高衰減從而避免了混疊(aliasing)。
當(dāng)與三角形窗口或者矩形窗口進(jìn)行比較時，(就在重復(fù)凹口處的衰減而言)兩個窗口(Parzen和二次窗口)都顯示了較好的性能。如上所述，就衰減而言，Parzen窗口甚至比二次窗口還好。二次窗口的性能介于Parzen窗口和三角形窗口之間。
二次窗口是靈活窗口，這是因為其顯示出雙對稱性在y＝0附近的偶數(shù)對稱性，和在(-N/4，0.5)和(N/4，0.5)附近的奇數(shù)對稱性。當(dāng)使用四的倍數(shù)個取樣時后一種對稱性是有用的，因為在這種情況中可以不用其他的相乘而應(yīng)用簡單減法就可以計算一半的取樣。
圖3示出了在頻域中的Parzen窗口和二次窗口的最先五個凸起(lobe)。為了比較，同樣也示出了矩形窗口和三角形窗口。當(dāng)參見第二個凸起時，曲線依次(從上到下)為矩形窗口、三角形窗口、具有兩個最大值的二次窗口、和Parzen窗口。y軸表示以dB為單位的衰減，而以單位F分割x軸。F表示在ASRC的輸出端的采樣頻率。為了使得這種比較成為可能，將二次窗口和Parzen窗口的持續(xù)時間翻倍以在頻域的適當(dāng)頻率處獲得第一個凹口。翻倍的持續(xù)時間暗示著抽頭數(shù)量的翻倍4個抽頭用于Parzen窗口和二次窗口，在三角形窗口的情況中有2個抽頭，而在矩形窗口的情況中僅僅有1個抽頭。因為在其他凹口中衰減增加所以第一個凹口是最重要的凹口?？梢钥闯觯琍arzen窗口和二次窗口的衰減特別高，正如所期望的一樣。
二次窗口的另一個優(yōu)點是其在中間頻率處產(chǎn)生了次凹口。這意味著過采樣級可以享受附加的止帶(stop-band)衰減。
Parzen窗口和二次窗口的另一個優(yōu)點是它們在頻域中的陷落(dip)特別寬，從而可以容易地滿足在凹口頻率處的帶寬要求。這可以借助圖4看出，在圖4中繪制了以dB為單位的衰減相對于以赫茲為單位的頻率的關(guān)系。曲線依次(從上到下)為矩形窗口、三角形窗口、二次窗口、和Parzen窗口。二次窗口在整個帶寬中最少衰減-125dB。這以很大的余量滿足了16位音頻的技術(shù)要求。以小余量滿足了20位音頻。Parzen窗口甚至更好，從而其特別適合數(shù)字音頻的高端應(yīng)用。為了比較，還示出了都在現(xiàn)有技術(shù)中使用的矩形窗口和三角形窗口的第一凹口。它們在+/-20KHz帶寬內(nèi)的衰減較差因此需要補償。
不能使用Parzen窗口和二次窗口的上述公式通過利用相位信號來直接計算濾波器系數(shù)，其中可以由DCO提供相位信號。在二次窗口的情況中，將系數(shù)C1、C2、C3和C4計算如下C1＝k·2C2=k·(2·(N4)2-(N4-)2)]]>C3=k·(2·(N4)2-2)]]>C4=k·(N4-)2]]>k是確定濾波器增益的常數(shù)，是來自DCO的相位信號，N4=2P,]]>其中P是來自DCO的累加器的相位信號的比特數(shù)。
在Parzen窗口的情況中，如下計算系數(shù)C1＝k·3C2=k·(4·(N4)3-3·(N4+)·(N4-)2)]]>C3=k·(4·(N4)3-3·(N2-)·2)]]>C4=k·(N4-)3]]>圖5示出了舉例在二次窗口的情況中產(chǎn)生濾波器系數(shù)的電路。如果I是每個塊的輸入信號，步驟S1計算I2，并且將該值作為濾波器系數(shù)C1輸出。步驟S2計算2P-I而步驟S3計算22*P-1-I。因為k的值依賴于要在濾波器中獲得的特定增益，所以已經(jīng)省略的常數(shù)k。因為通過簡單操作隨時計算全部系數(shù)所以不需要存儲器。忽略小的偏移和簡單的相加或相減，只需要兩個相乘或平方運算。
圖6示出了舉例在Parzen窗口的情況中產(chǎn)生濾波器系數(shù)的電路。除了步驟S1和S2之外，還有額外的計算步驟S3、S4和S5，S3計算2P+1，S4計算2P+1+1，而S5計算23P+2-3*I。
圖7示意地示出了本發(fā)明的ASRC 1的使用及其將數(shù)字采樣的數(shù)據(jù)的采樣率轉(zhuǎn)換到更高或者更低的采樣率的特別優(yōu)點。
電路11具有用于輸入具有第一采樣率的信號的輸入端口7，和用于具有第二采樣率的信號的輸出端口8。在這種情況中，與圖1的data_in不同，不對在端口7處的輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行過采樣。相反地，整個轉(zhuǎn)換器11提供高于8或者低1/8的采樣因數(shù)。
電路11包括帶有整數(shù)采樣因數(shù)的內(nèi)插級12和如上所述的ASRC 1。可以將內(nèi)插級12選擇為包括內(nèi)插單元13，其中每個內(nèi)插單元以因數(shù)2進(jìn)行內(nèi)插。將內(nèi)插級12分為其中每個內(nèi)插單元以因數(shù)2進(jìn)行內(nèi)插的一對內(nèi)插單元具有這樣的好處電路11的總體設(shè)計變得更簡單。將所有內(nèi)插單元13串連。將第一內(nèi)插單元14連接到輸入端口7，并且將最后的內(nèi)插單元15連接到ASRC 1?？梢詮纳厦嬲f明中看出，電路11表示包括內(nèi)插級12和殘余ASRC 1的ASRC。
在第二種情況中，以帶有至少4的整數(shù)抽取因數(shù)(＝1/采樣因數(shù))的抽取級16來代替內(nèi)插級12?？梢詫⒊槿〖?6選擇為包括多個抽取單元17，其中每個抽取單元以因數(shù)2進(jìn)行抽取。所有抽取單元17進(jìn)行串連。而且，殘余ASRC 1是被饋入輸入信號的第一級，并且抽取級是輸出帶有第二采樣率的輸出信號的第二級。換句話說，端口8變?yōu)檩斎攵丝?，而端?變?yōu)檩敵龆丝凇Ｒ驗閮?yōu)點相同，所以為了簡便，下面的描述將不詳細(xì)討論第二種情況。
電路11的想法是將ASRC分為帶有至少4的整數(shù)內(nèi)插因數(shù)的內(nèi)插級12和殘余ASRC。通過將級12分為多個內(nèi)插單元13來獲得另外的優(yōu)點，每個內(nèi)插單元都以因數(shù)2內(nèi)插采樣率。電路11的特殊優(yōu)點是殘余ASRC 1必須處理的采樣因數(shù)小于在沒有在前的內(nèi)插級12的情況下的采樣因數(shù)。因此，降低了ASRC 1的計算負(fù)擔(dān)。這允許了ASRC 1的更簡單的設(shè)計。
如上所述，本發(fā)明的ASRC 1特別適合具有高采樣率F/FMlN(或在第二種情況中的低采樣率)的輸入信號。通過電路11的內(nèi)插級12來提供帶有高采樣率的信號?？梢员贿x擇的F/FMIN的絕對值主要依賴于兩個方面。
一個方面是電路11的設(shè)計。一方面既要簡化ASRC 1的設(shè)計，另一方面又要通過附加的內(nèi)插級12增加電路11的復(fù)雜度。從實際的角度說，如果內(nèi)插級12的采樣因數(shù)至少是8，則將整個ASRC分為內(nèi)插級12和殘余ASRC 1是可以接受的，因此需要分開的4的內(nèi)插。
第二個方面是對于用戶可以接受的ASRC 1的SNR。FIN表示ASRC 1的輸入采樣率，F(xiàn)OUT表示對應(yīng)的輸出采樣率，而B表示信號帶寬。那么問題就是為了獲得ASCR 1的輸出信號的期望的SNR，內(nèi)插級12必須提供什么樣的采樣率F，以及應(yīng)該選擇哪個窗口(二次窗口還是Parzen窗口)？可以區(qū)分兩種情況a)如果FOUT＞F1N＞FOUT/2，則將F選擇為FIN。在這種情況中，根本不需要內(nèi)插級12。當(dāng)與二次窗口進(jìn)行比較時，Parzen窗口提供更好的機(jī)會用于產(chǎn)生所期望的SNR，以便在圖3的第一凹口中在F附近的頻率范圍[F-B，F(xiàn)+B]中獲得-SNR dB的衰減。
b)如果FIN＜FOUT/2，則必須在內(nèi)插級12的復(fù)雜度、窗口的復(fù)雜度、和所需要的SNR之間找到折衷。一般來說，更高次的窗口和更多的內(nèi)插單元提高SNR。例如，可以選擇最大數(shù)量的內(nèi)插單元直到到達(dá)F＜FOUT的限制。然后選擇適當(dāng)?shù)拇翱谝詽M足SNR的技術(shù)要求。
權(quán)利要求
1.一種異步采樣率轉(zhuǎn)換器(1)，包括n抽頭多相濾波器(2)，其中n為整數(shù)，以及計算實體(5，9)，用于計算濾波器系數(shù)，其中所述計算實體被適應(yīng)來使用Parzen窗口或者使用二次窗口來計算濾波器系數(shù)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的轉(zhuǎn)換器，其中n的值在2到10之間。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的轉(zhuǎn)換器，其中所述計算實體位于所述n抽頭多相濾波器(2)的外部。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的轉(zhuǎn)換器，其中所述計算實體是計算機(jī)程序。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的轉(zhuǎn)換器，其中所述計算實體位于所述n抽頭多相濾波器(2)的內(nèi)部。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的轉(zhuǎn)換器，還包括用于內(nèi)插或用于以整數(shù)因數(shù)抽取采樣率的級(12、16)。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的轉(zhuǎn)換器，其中內(nèi)插級包括內(nèi)插單元(13)，并且其中每個內(nèi)插單元以因數(shù)2進(jìn)行內(nèi)插。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的轉(zhuǎn)換器，其中抽取級包括抽取單元(17)，并且其中每個抽取單元以因數(shù)2進(jìn)行抽取。
9.根據(jù)權(quán)利要求7或8所述的轉(zhuǎn)換器，其中用于內(nèi)插或者抽取采樣率的單元(13、17)是微處理器或者數(shù)字信號處理器。
10.根據(jù)權(quán)利要求7或8所述的轉(zhuǎn)換器，其中用于內(nèi)插或者抽取采樣率的單元(13、17)是線性內(nèi)插器或者線性抽取器。
11.一種用于通過使用傳統(tǒng)n抽頭濾波器(2)將數(shù)字采樣的數(shù)據(jù)的采樣率從第一采樣率轉(zhuǎn)換到第二采樣率的方法，其中通過使用Parzen窗口或者通過使用二次窗口來計算濾波器系數(shù)。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其中在所述n抽頭多相濾波器(2)之外的位置計算所述濾波器系數(shù)。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中借助于在計算實體(9)上運行的計算機(jī)程序來計算所述濾波器系數(shù)。
14.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其中在所述n抽頭多相濾波器(2)之內(nèi)的位置計算所述濾波器系數(shù)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種異步采樣率轉(zhuǎn)換器(ASRC)，用于轉(zhuǎn)換諸如音頻數(shù)據(jù)或者視頻數(shù)據(jù)的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的采樣率。在高的過采樣或者子采樣(sub－sampling)因數(shù)的情況中，ASRC變得十分復(fù)雜。本發(fā)明的一個目的是為此提供一種帶有簡化設(shè)計的ASRC。建議使用具有n抽頭多相濾波器的ASRC，其中計算實體執(zhí)行濾波器系數(shù)的多項式計算。當(dāng)使用Parzen窗口或者二次窗口時，在凹口頻率處的衰減最好。
文檔編號H03H17/06GK1819457SQ20061000499
公開日2006年8月16日 申請日期2006年1月11日 優(yōu)先權(quán)日2005年1月13日
發(fā)明者皮爾盧吉·洛馬齊奧, 海因里?！ぶx曼 申請人:湯姆森特許公司