專利名稱：取樣頻率的轉(zhuǎn)換裝置與方法及其應(yīng)用的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明有關(guān)一種取樣頻率轉(zhuǎn)換裝置及其方法，用以產(chǎn)生任意倍率的取樣頻率，尤其是可產(chǎn)生一非整數(shù)倍率的取樣頻率。
(2)背景技術(shù)請參閱圖1(a)以及圖1(b)，是為典型的一階以及二階增量-求和(Delta-Sigma)調(diào)變器(modulator)。Delta-Sigma調(diào)變器基本上是將信號(hào)轉(zhuǎn)換為位元數(shù)較低的信號(hào)(例如，一位元的信號(hào))，使得后者和前者在低頻具有相同的頻譜成分，使得其量化誤差(quantization error)的雜訊集中在高頻部分，請參閱圖2(a)以及圖2(b)。
請參閱圖3，是為一典型過取樣Delta-Sigma數(shù)字-模擬轉(zhuǎn)換器。如圖3所示，輸入信號(hào)經(jīng)由一取樣頻率轉(zhuǎn)換器(Sample Rate Converter，SRC)100升頻產(chǎn)生一過取樣數(shù)字信號(hào)。該取樣頻率轉(zhuǎn)換器100包含一升頻器(expander)101以及一數(shù)字低通濾波器(digital low-pass filter)102。此過取樣數(shù)字信號(hào)，經(jīng)由一Delta-Sigma轉(zhuǎn)換器103轉(zhuǎn)換成位元數(shù)較低的數(shù)字信號(hào)(一般為1位元)。該位元數(shù)較低的數(shù)字信號(hào)，其頻率成份除原先輸入信號(hào)的頻率成分之外，另外加入了因?yàn)榻?jīng)由Delta-Sigma轉(zhuǎn)換器103所產(chǎn)生的高頻雜訊。Delta-Sigma轉(zhuǎn)換器103所產(chǎn)生的位元數(shù)較低的數(shù)字信號(hào)再經(jīng)由數(shù)字-模擬轉(zhuǎn)換器(DAC)104將該位元數(shù)較低的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換產(chǎn)生一模擬信號(hào)。該模擬信號(hào)經(jīng)由一低通濾波器(LPF)105濾除先前Delta-Sigma轉(zhuǎn)換器103所產(chǎn)生的高頻雜訊，即產(chǎn)生一輸出模擬信號(hào)。
在現(xiàn)有技術(shù)中，要將兩個(gè)不同取樣頻率(Sample Rate)的數(shù)字信號(hào)相加，并轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)，一般是分別將兩個(gè)數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成為模擬信號(hào)，之后再將兩個(gè)模擬信號(hào)相加。請參閱圖4(a)。然而模擬電路設(shè)計(jì)，布局時(shí)程較長，且模擬電路的特性效能易受制程影響。隨著制程技術(shù)的進(jìn)步，數(shù)字電路面積快速變小，因此將有愈來愈多的電路，以數(shù)字方式取代模擬方式，以解決模擬電路面積龐大、設(shè)計(jì)時(shí)程較長、以及電路特性易受制程影響等問題。
請參閱圖4(b)，是以數(shù)字信號(hào)處理的現(xiàn)有技術(shù)處理前述問題的方法。此法固然可以避免模擬電路諸多問題，然而，其面臨的困難，在于共用的Delta-Sigma轉(zhuǎn)換器以及數(shù)字-模擬轉(zhuǎn)換器(DAC)所操作的過取樣頻率(Over-Sample Rate，OSR)難以選擇。倘若兩組取樣頻率轉(zhuǎn)換器，其中一組的升頻倍率，選擇2的乘冪值(powerof two，例如64、128或是256)，在實(shí)際電路實(shí)現(xiàn)上容易執(zhí)行，則另一組取樣頻率轉(zhuǎn)換器，其升頻倍率可能非2的乘冪，甚至可能非整數(shù)，需要耗費(fèi)更多資源(例如，較大的電路面積，或較快速的計(jì)算單元)才能實(shí)現(xiàn)。以圖4(b)為例，其中取樣頻率f1＝48KHz，f2＝50KHz。倘若第一取樣頻率轉(zhuǎn)換器的升頻倍率為128，則第二取樣頻率轉(zhuǎn)換器的升頻倍率必須為128*48/50＝122.88，兩者的輸出，才能有相同的取樣頻率f＝6.144MHz。后者將因此耗費(fèi)更多資源。
(3)發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的第一目的在于提供一種取樣頻率轉(zhuǎn)換裝置及其方法，用以產(chǎn)生任意倍率的取樣頻率，尤其是可產(chǎn)生一非整數(shù)倍率的取樣頻率。
本發(fā)明的第二目的在于提供一種取樣頻率轉(zhuǎn)換裝置，以數(shù)字電路實(shí)施，以解決模擬電路面積龐大、設(shè)計(jì)時(shí)程較長、以及電路特性易受制程影響等問題。
本發(fā)明的第三目的在于提供一種數(shù)字-模擬轉(zhuǎn)換器具有可產(chǎn)生任意取樣頻率的轉(zhuǎn)換裝置。在該數(shù)字-模擬轉(zhuǎn)換器中，將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為具有所需取樣頻率的數(shù)字信號(hào)，以方便后續(xù)電路的處理。
本發(fā)明的第四目的在于提供一種取樣頻率轉(zhuǎn)換裝置，可進(jìn)行非整數(shù)倍率的取樣頻率轉(zhuǎn)換，并減少運(yùn)算的復(fù)雜度，僅需將內(nèi)插函數(shù)相加，以減少電路面積以及其成本。
為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供一種取樣頻率轉(zhuǎn)換裝置，它包括一雜訊整形器以及一取樣頻率轉(zhuǎn)換器。該雜訊整形器，用以接收一數(shù)字輸入信號(hào)，并將該數(shù)字輸入信號(hào)經(jīng)過雜訊整形轉(zhuǎn)換后，輸出一n位元數(shù)字流。該取樣頻率轉(zhuǎn)換器是電連接該雜訊整形器，接收該n位元數(shù)字流，并輸出為一數(shù)字輸出信號(hào)。
由于該n位元數(shù)字流為位元數(shù)較少的數(shù)字信號(hào)，以一位元信號(hào)為例，在計(jì)算各內(nèi)插點(diǎn)數(shù)值大小時(shí)，僅需以內(nèi)插函數(shù)相加，這樣可使用更小電路面積完成。
本發(fā)明藉由以下附圖與詳細(xì)說明而可獲得一更深入的了解。
(4)


圖1(a)是現(xiàn)有一階Delta-Sigma調(diào)變器；圖1(b)是現(xiàn)有二階Delta-Sigma調(diào)變器；圖2(a)是現(xiàn)有弦波信號(hào)經(jīng)Delta-Sigma調(diào)變產(chǎn)生的輸出波形示意圖；圖2(b)是現(xiàn)有弦波信號(hào)經(jīng)Delta-Sigma調(diào)變產(chǎn)生的頻譜分析示意圖；圖3是現(xiàn)有過取樣Delta-Sigma數(shù)字-模擬轉(zhuǎn)換器；圖4(a)是以模擬的現(xiàn)有技術(shù)，將兩個(gè)不同取樣頻率(Sample Rate)的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)相加示意圖；圖4(b)，是以數(shù)字信號(hào)處理的現(xiàn)有技術(shù)，將兩個(gè)不同取樣頻率的數(shù)字信號(hào)相加的示意圖；圖5(a)是本發(fā)明實(shí)施例的取樣頻率轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)示意圖；圖5(b)是本發(fā)明應(yīng)用實(shí)施例的過取樣數(shù)字-模擬轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)示意圖；圖6(a)是非整數(shù)型取樣頻率轉(zhuǎn)換器(SRC)示意圖；圖6(b)是以數(shù)字信號(hào)處理的技術(shù)，進(jìn)行非整數(shù)取樣頻率轉(zhuǎn)換示意圖；以及圖7是本發(fā)明另一實(shí)施例的數(shù)字-模擬轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)示意圖。
(5)具體實(shí)施方式
請參閱圖5(a)的取樣頻率轉(zhuǎn)換裝置200，本發(fā)明的一種取樣頻率轉(zhuǎn)換裝置200包括一雜訊整形器203以及一取樣頻率轉(zhuǎn)換器204。該雜訊整形器203接收一第一升頻信號(hào)，其取樣頻率為f4，并將該第一升頻信號(hào)經(jīng)過雜訊整形轉(zhuǎn)換后，輸出一雜訊整形信號(hào)。該雜訊整形信號(hào)，其取樣頻率與該第一升頻信號(hào)相同，且具有較低位元數(shù)。該取樣頻率轉(zhuǎn)換器204是電連接該雜訊整形器203，接收該雜訊整形信號(hào)，并輸出一第三數(shù)字信號(hào)，其取樣頻率為f3。該取樣頻率轉(zhuǎn)換器204，于計(jì)算新取樣點(diǎn)的內(nèi)插數(shù)值大小時(shí)，由于該雜訊整形信號(hào)具有較低位元數(shù)，因而計(jì)算量可大幅化簡。以一位元信號(hào)為例，內(nèi)插數(shù)值的計(jì)算，僅以加法即可完成，無須利用乘法電路。
該雜訊整形器203的實(shí)施方式，可采用現(xiàn)有技術(shù)的Delta-Sigma調(diào)變器，或任何具有量化雜訊(quantization noise)整形效果的電路。
一般該取樣頻率轉(zhuǎn)換器204包含一數(shù)字—模擬轉(zhuǎn)換器209、一低通濾波器210以及一取樣電路211。請參閱圖6(a)。其中，該數(shù)字—模擬轉(zhuǎn)換器209用以接收該雜訊整形信號(hào)，并將該雜訊整形信號(hào)轉(zhuǎn)換為一第一連續(xù)時(shí)間信號(hào)，其波形如同階梯狀。該低通濾波器210，是電連接該數(shù)字—模擬轉(zhuǎn)換器209，將該第一連續(xù)信號(hào)進(jìn)行濾波，產(chǎn)生一第二連續(xù)時(shí)間信號(hào)。以及，該取樣電路211是電連接該低通濾波器210，將該第二連續(xù)時(shí)間信號(hào)取樣產(chǎn)生該第三數(shù)字信號(hào)，其取樣頻率為f3。由于前述取樣電路211對前述第二連續(xù)時(shí)間信號(hào)取樣時(shí)，第二連續(xù)時(shí)間信號(hào)當(dāng)中，特定的高頻成份，將造成假名效應(yīng)(aliaseffect)，影響取樣頻率轉(zhuǎn)換品質(zhì)。因此前述低通濾波器210，即現(xiàn)有技術(shù)當(dāng)中，所謂抗混淆濾波(anti-alias filter)，其功用在于先行濾除前述特定高頻成份，以避免發(fā)生假名效應(yīng)。
前述概念，皆可使用數(shù)字方式完成。其中，前述數(shù)字—模擬轉(zhuǎn)換器209與前述低通濾波器210，其脈沖響應(yīng)(impulse response)相當(dāng)于一內(nèi)插函數(shù)(interpolation function)，請參閱圖6(b)。因此，前述取樣電路211，以取樣頻率f3，對前述第二連續(xù)時(shí)間信號(hào)取樣，在數(shù)字電路當(dāng)中，即相當(dāng)于以取樣頻率f3，標(biāo)定各內(nèi)插點(diǎn)的位置，并以前述內(nèi)插函數(shù)，計(jì)算該內(nèi)插點(diǎn)的數(shù)值大小。內(nèi)插函數(shù)的實(shí)施方式，可使用硬件計(jì)算函數(shù)值，亦可使用只讀存儲(chǔ)器(ROM)，以查表法予以實(shí)施。
舉例而言，令x[n]＝+1或-1，表示前述一位元的雜訊整形訊號(hào)，其中n為一整數(shù)，表示時(shí)間序列。Xc(n)表示述第二連續(xù)時(shí)間訊號(hào)，Xc(n)＝∑x[i]·F(n-i)，其中F(x)為內(nèi)插函數(shù)。由于Xc為連續(xù)時(shí)間訊號(hào)，因此其中所使用的參數(shù)n可為非整數(shù)。以取樣頻率f3重新取樣后，其輸出可表示為y[n]＝Xc((f3/f4)·n)＝∑x[i]·F((f3/f4)·n-i)。實(shí)施時(shí)，僅需計(jì)算y[n]＝∑x[i]·F((f3/f4)·n-i)，其中F(x)函數(shù)值可利用只讀存儲(chǔ)器儲(chǔ)存，由于x[n]＝+1或-1，計(jì)算y[n]時(shí)，僅需查表與加(減)法，無需使用乘法。
藉由前述雜訊整形器203，加上前述取樣頻率轉(zhuǎn)換器204，即可完成升頻倍率當(dāng)中非2的乘冪部分。其優(yōu)點(diǎn)在于雜訊整形器203的輸出信號(hào)，位元數(shù)低(例如一位元)，可大幅減低前述取樣頻率轉(zhuǎn)換器204，進(jìn)行非整數(shù)倍率的取樣頻率轉(zhuǎn)換，所需運(yùn)算的復(fù)雜度。以一位元信號(hào)為例，在計(jì)算各內(nèi)插點(diǎn)數(shù)值大小時(shí)，僅需將內(nèi)插函數(shù)相加，毋需使用乘法，這樣可大幅減少所需資源(例如，可使用更小的電路面積完成前述工作)。反之，以傳統(tǒng)方式進(jìn)行非整數(shù)倍頻升頻，由于并非以一位元信號(hào)內(nèi)插，需要大量乘法，才能完成。
請參閱圖5(b)，是為本發(fā)明應(yīng)用實(shí)施例的過取樣數(shù)字-模擬轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)示意圖。如圖5(b)所示，一種過取樣數(shù)字-模擬轉(zhuǎn)換器包含一第一取樣頻率轉(zhuǎn)換器201、一第二取樣頻率轉(zhuǎn)換器202、一第一雜訊整形器203、一第三取樣頻率轉(zhuǎn)換器204、一數(shù)字合成器205、一第二雜訊整形器206、一數(shù)字-模擬轉(zhuǎn)換器207以及一低通濾波器208。其中，該第一取樣頻率轉(zhuǎn)換器201用以接收一第一數(shù)字信號(hào)，該第一數(shù)字信號(hào)具有一第一取樣頻率f1。并將該第一數(shù)字信號(hào)升頻以產(chǎn)生一第一升頻信號(hào)，該第一升頻信號(hào)具有一第三取樣頻率f3＝128f1。該第二取樣頻率轉(zhuǎn)換器202用以接收一第二數(shù)字信號(hào)，該第二數(shù)字信號(hào)具有一第二取樣頻率f2。并將該第二數(shù)字信號(hào)以2的乘冪數(shù)值128升頻以產(chǎn)生一第二升頻信號(hào)，該第二升頻信號(hào)具有一第四取樣頻率f4＝128f2。該第一雜訊整形器203電連接該第二取樣頻率轉(zhuǎn)換器202，用以接收該第二升頻信號(hào)，并將該第二升頻信號(hào)轉(zhuǎn)換輸出為一雜訊整形后的一第一1位元(1-bit)數(shù)字流。該第三取樣頻率轉(zhuǎn)換器204是電連接該第一雜訊整形器203，接收該第一1位元數(shù)字流，將該第一1位元數(shù)字流轉(zhuǎn)換輸出為一第三數(shù)字信號(hào)具有取樣頻率f3。該數(shù)字合成器205是電連接該第三取樣頻率轉(zhuǎn)換器204與該第一取樣頻率轉(zhuǎn)換器201，將具有相同取樣頻率f3的該第三數(shù)字信號(hào)與該第一升頻信號(hào)相加，產(chǎn)生一合成信號(hào)。該第二雜訊整形器206是電連接該數(shù)字合成器205，將該合成信號(hào)轉(zhuǎn)換輸出為一雜訊整形后的一第二1位元數(shù)字流。以及，該數(shù)字-模擬轉(zhuǎn)換器207是電連接該第二雜訊整形器206，將該第二1位元數(shù)字流轉(zhuǎn)換輸出一模擬信號(hào)。其中該過取樣數(shù)字-模擬轉(zhuǎn)換器還包含一低通濾波器208，是電連接該數(shù)字-模擬轉(zhuǎn)換器207，用以將減少該模擬信號(hào)的高頻量化雜訊。
在本發(fā)明的應(yīng)用實(shí)施例中，該第二取樣頻率轉(zhuǎn)換器202的升頻倍率是為二的乘冪值。該第三取樣頻率轉(zhuǎn)換器204的升頻倍率是一非整數(shù)值。以f1＝48KHz、f2＝50KHz為例，該第三取樣頻率轉(zhuǎn)換器204，是將該第一1位元數(shù)字流轉(zhuǎn)換輸出為該第三數(shù)字信號(hào)，取樣頻率由f4＝128f2轉(zhuǎn)換為f3＝128f1，其升頻倍率為f1/f2＝0.96。
請參閱圖7，是為本發(fā)明另一應(yīng)用實(shí)施例，如圖7所示，一種數(shù)字-模擬/模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換裝置包括一數(shù)字-模擬轉(zhuǎn)換裝置以及一模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換裝置。由于該模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換裝置包括一Delta-Sigma模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換 220以及一取樣頻率轉(zhuǎn)換器221，該Delta-Sigma模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器220具有一雜訊整形的特性，其輸出信號(hào)為一位元數(shù)字信號(hào)，將該一位元數(shù)字信號(hào)輸入到該取樣頻率轉(zhuǎn)換器204，亦可達(dá)到轉(zhuǎn)換出任意的取樣頻率。綜合上述，本發(fā)明提供一種可以產(chǎn)生任意取樣頻率的取樣頻率轉(zhuǎn)換器，該取樣頻率轉(zhuǎn)換器具有一Delta-Sigma調(diào)變器，使得不同取樣頻率的輸入信號(hào)，經(jīng)由本發(fā)明的技術(shù)，可以容易將不同取樣頻率的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換出所需的取樣頻率，進(jìn)而直接相加，以解決現(xiàn)有技術(shù)的缺失，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的研發(fā)目的。因此應(yīng)用本發(fā)明的技術(shù)，有助于因應(yīng)制程進(jìn)步，數(shù)字電路面積縮小化的趨勢。避免現(xiàn)有技術(shù)需要使用較多數(shù)字-模擬轉(zhuǎn)換器所造成的缺失。
權(quán)利要求
1.一種取樣頻率轉(zhuǎn)換裝置，其特征在于，包含一雜訊整形器，接收一數(shù)字輸入信號(hào)，將該數(shù)字輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換輸出為一雜訊整形后的一n位元數(shù)字信號(hào)，其中該數(shù)字輸入信號(hào)具有一第一取樣頻率；以及一取樣頻率轉(zhuǎn)換器，是電連接該雜訊整形器，接收該n位元數(shù)字信號(hào)，并輸出一數(shù)字輸出信號(hào)，該數(shù)字輸出信號(hào)具有一第二取樣頻率；其中該第一取樣頻率與該第二取樣頻率不相同。
2.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，該第一取樣頻率與該第二取樣頻率的比值為一非整數(shù)值。
3.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，該n位元數(shù)字信號(hào)為一1位元數(shù)字信號(hào)。
4.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，該雜訊整形器包括一增量-求和調(diào)變器。
5.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，該取樣頻率轉(zhuǎn)換器包含一只讀存儲(chǔ)器，并以查表方法實(shí)施頻率轉(zhuǎn)換。
6.一種數(shù)字-模擬轉(zhuǎn)換裝置，包含一取樣頻率轉(zhuǎn)換單元，接收一數(shù)字輸入信號(hào)，并輸出一數(shù)字輸出信號(hào)，該數(shù)字輸入信號(hào)具有一第一取樣頻率，該數(shù)字輸出信號(hào)具有一第二取樣頻率，包括一第一雜訊整形器，是接收該數(shù)字輸入信號(hào)，并轉(zhuǎn)換輸出為一n位元數(shù)字信號(hào)；及一取樣頻率轉(zhuǎn)換器，是電連接該第一雜訊整形器，接收該n位元數(shù)字信號(hào)，并輸出該數(shù)字輸出信號(hào)；一數(shù)字-模擬轉(zhuǎn)換單元，是接收該數(shù)字輸出信號(hào)，并輸出一模擬信號(hào)，包括一第二雜訊整形器，是接收該數(shù)字輸出信號(hào)，并輸出為一m位元數(shù)字信號(hào)；及一數(shù)字-模擬轉(zhuǎn)換器，是電連接該第二雜訊整形器，接收該m位元數(shù)字信號(hào)，并轉(zhuǎn)換輸出一模擬信號(hào)；其中該第一取樣頻率與該第二取樣頻率不相同。
7.如權(quán)利要求6所述的裝置，其特征在于，還包括一數(shù)字合成器，是連接于該取樣頻率轉(zhuǎn)換單元與該數(shù)字-模擬轉(zhuǎn)換單元之間，將具有該第二取樣頻率的一第二數(shù)字輸出信號(hào)與該數(shù)字輸出信號(hào)合成，輸出至該數(shù)字-模擬轉(zhuǎn)換單元。
8.如權(quán)利要求6所述的裝置，其特征在于，該n位元數(shù)字信號(hào)為一1位元數(shù)字信號(hào)。
9.如權(quán)利要求6所述的裝置，其特征在于，該第一雜訊整形器包括一增量-求和調(diào)變器或該第二雜訊整形器包括一調(diào)變器。
10.一種轉(zhuǎn)換取樣頻率的方法，包含接收一數(shù)字輸入信號(hào)，該數(shù)字輸入信號(hào)具有一第一取樣頻率；將該數(shù)字輸入信號(hào)進(jìn)行雜訊整形，輸出為一n位元數(shù)字信號(hào)；以及將接收到的該n位元數(shù)字信號(hào)進(jìn)行取樣頻率轉(zhuǎn)換，并輸出一數(shù)字輸出信號(hào)，該數(shù)字輸出信號(hào)具有一第二取樣頻率；其中該第一取樣頻率與該第二取樣頻率不相同。
全文摘要
本發(fā)明是提供一種取樣頻率轉(zhuǎn)換裝置，它包括一雜訊整形器以及一取樣頻率轉(zhuǎn)換器。該雜訊整形器，用以接收一數(shù)字輸入信號(hào)，并將該數(shù)字輸入信號(hào)經(jīng)過雜訊整形轉(zhuǎn)換后，輸出一n位元數(shù)字流。該取樣頻率轉(zhuǎn)換器是電連接該雜訊整形器，接收該n位元數(shù)字流，并輸出為一數(shù)字輸出信號(hào)。由于該取樣頻率轉(zhuǎn)換器是進(jìn)行非整數(shù)倍率的取樣頻率轉(zhuǎn)換，且該n位元數(shù)字流為位元數(shù)較少的數(shù)字信號(hào)，以一位元信號(hào)為例，在計(jì)算各內(nèi)插點(diǎn)數(shù)值大小時(shí)，僅需以內(nèi)插函數(shù)相加，這樣可使用更小電路面積完成。
文檔編號(hào)H03M1/66GK1567728SQ0314097
公開日2005年1月19日 申請日期2003年6月9日 優(yōu)先權(quán)日2003年6月9日
發(fā)明者古世玉 申請人:瑞昱半導(dǎo)體股份有限公司