專利名稱：可變取樣頻率的過取樣數字類比轉換器的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種過取樣數字類比轉換器，特別是關于在數字低通濾波器與調變器(Modulator)之間具有資料緩沖電路的可變取樣頻率的過取樣數字類比轉換器。
但是，當系統的輸入信號并非固定的單一取樣頻率(例如48KHz)，而是必須操作在某些取樣頻率fs時，例如必須能夠支持48KHz、44.1KHz、36KHz、24KHz、22.05KHz、16KHz、l2KHz、11.025KHz、8KHz等不同的取樣頻率，最直接的方式是改變系統的時脈頻率。例如，當系統輸入信號的取樣頻率fs為48KHz時，系統的時脈MCLK的頻率可操作在64fs＝3.072MHz；而當系統輸入信號的取樣頻率改為原先的四分之一(即fs＝12KHz)時，此時系統的時脈MCLK的頻率亦改用原先系統時脈頻率的四分之一(即768KHz)。此一方法的優點，在于使用完全相同的架構，只要用不同的系統時脈，即可面對不同的取樣頻率。然而其缺點是，隨著系統時脈的頻率降低，Delta-Sigma調變器操作頻率亦隨之降低，將使得噪音變大。以音頻信號應用為例，人耳所能聽見的頻帶約在20KHz以下。在fs＝48KHz時，使用64倍過取樣倍率，以及二階Delta-Sigma調變器時，大部分的噪音都會分布在20KHz以上，例如圖2(a)所示。圖2(a)中，曲線L1為Delta-Sigma調變器產生的噪音頻率分布，而曲線L2為輸入信號的頻率分布。然而，當fs＝16KHz時，若直接將系統的時脈頻率設為原先的三分之一，大部分的噪音將會分布在20/3KHz＝6.6KHz以上，而6.6KHz至20KHz這一頻帶的噪音，是人耳聽得到的，例如圖2(b)所示。圖2(b)中，曲線L3為Delta-Sigma調變器產生的噪音頻率分布，而曲線L4為輸入信號的頻率分布。
為了改進取樣頻率fs較低時，噪音較大的問題，習知技術中，提供三種改善的方法。
第一種方法是提高過取樣頻率。例如，將過取樣頻率提高至384fs，則在fs＝8KHz時，過取樣頻率仍有3.072MHz，經由調變器轉換之后，在20KHz以內的噪音仍維持原來的大小。該方法的缺點在過取樣頻率太高，增加電路設計的困難度，其成品將使用較大的面積，消耗較大的功率。
第二種方法是使用高階的調變器取代二階的調變器。使用高階的調變器可以將低頻噪音壓至更低的水準。換言之，該調變器將噪音移至頻率更高的頻帶。例如，使用一個高階的調變器，當系統操作在fs＝48KHz時，此一調變器產生的噪音，絕大部分落在120KHz以上的頻帶。而當系統操作在fs＝8KHz時，在20KHz以內的噪音量，等于fs＝48KHz時，在120KHz以內的噪音，因此，即使取樣頻率fs較低時，噪音仍舊在合理的水準內。該方法的缺點在于高階的調變器的復雜度遠較二階的調變器高出許多。其成品同樣將使用較大的面積，消耗較大的功率。
第三種方法是使用控制電路，例如中央處理器(Central Processor)，針對不同的取樣頻率fs，設定不同的過取樣倍率。當取樣頻率愈低時，過取樣倍率愈高，使得調變器總是工作在某個頻率以上。如此，20KHz以內的噪音便不會因為調變器的工作頻率過低而變得過大。這個方法的缺點有二一是需要增加額外的控制電路。此外，為了使同一電路能夠設定不同的過取樣倍率，并且，對應不同倍率，設定適當的低通濾波器。因此，電路的實施方式，勢必限制在某些較耗費硬件面積的方式，例如需要中央處理器。另一缺點是對于未設定到取樣頻率fs的輸入信號，會有相容性的問題。例如，業界定義出新的資料格式標準，其取樣頻率fs為上述方法未設定到的取樣頻率，則會出現硬件相容性的問題。
本發明的另一日的是提出一種調變器的工作頻率固定的可變取樣頻率的過取樣數字類比轉換器。
本發明的再一目的是提出一種調變器的工作頻率固定，且升頻器的升頻倍率固定的可變取樣頻率的過取樣數字類比轉換器。
為達成上述目的，本發明的技術方案是這樣實現的一種可變取樣頻率的過取樣數字類比轉換器，其包含一升頻器、一數字低通濾波器、一資料緩沖器、一調變器、一數字類比轉換器、以及一類比低通濾波器。升頻器將輸入信號以固定倍率M升頻，產生過取樣信號；數字低通濾波器，將過取樣信號的高頻成分濾除，并將其輸出信號以第一速率寫入資料緩沖器；調變器，以一第二速率，以先進先出(first in first out)方式讀取資料緩沖器的資料，并進行調變后產生位元數較低的數字信號；數字類比轉換器，將調變的輸出信號轉換成一類比信號；類比低通濾波器，將類比信號的高頻成分濾除，產生輸出信號。
資料緩沖器的作用為達成工作時脈非同步的資料轉換。因此，由于調變器的工作時脈的頻率皆固定，該過取樣數字類比轉換器不管輸入信號的取樣頻率為何，皆可確保雜訊不會存在于低頻范圍。
如前所述的可變取樣頻率的過取樣數字類比轉換器，其中第二速率為固定速率，第一速率為輸入信號的頻率fs乘上升頻倍率的整數倍，前述的第一速率與第二速率不同步；其中所述的調變器為Delta-Sigma調變器；其中資料緩沖器為先進先出緩沖器(FIFO Buffer)，該先進先出緩沖器的指標為零時，輸出最后一筆資料，前述的資料緩沖器為復數個正反器所構成，前述的資料緩沖器為寄存器組所構成，前述的資料緩沖器為雙端口隨機存取存儲器所構成。
一種過取樣數字類比轉換方法，包含下列步驟升頻步驟，將一輸入信號以固定的升頻倍率M升頻，產生過取樣信號數字過濾步驟，以數字方式濾除前述過取樣信號的高頻成分，并以一第一速率輸出資料至一資料緩沖器；資料調變步驟，以一第二速率從前述資料緩沖器讀取資料，并將資料調變成較低位元的資料；數字類比轉換步驟，將前述調變后的資料轉換成類比信號；以及類比過濾步驟，將前述類比信號的高頻成分濾除，產生輸出信號。
如前所述的可變取樣頻率的過取樣數字類比轉換方法，其中第二速率為固定速率，第一速率為輸入信號的頻率fs乘上升頻倍率M的整數倍；其中前述調變方法為Delta-Slgma調變；其中的資料緩沖器為先進先出緩沖器(FIFOBuffer)。
本發明的可變取樣頻率的過取樣數字類比轉換器，不會讓Delta-Sigma調變器產生人耳聽見的噪音；同時，升頻器可固定升頻倍率，不需另行以控制電路，針對不同的取樣頻率設定不同的升頻倍率。
圖式編號30 過取樣數字類比轉換器31 升頻器32 數字低通濾波器33 資料緩沖器34 Delta-Sigma調變器35 數字類比轉換器36 類比低通濾波器圖3所示為本發明可變取樣頻率的過取樣數字類比轉換器的架構圖。本發明過取樣數字類比轉換器30包含一升頻器31、一數字低通濾波器32、一資料緩沖器33、一Delta-Sigma調變器34、一數字類比轉換器35、以及一類比低通濾波器36。
升頻器31接收取樣頻率為fs的數字輸入信號，例如數字聲音信號(Audio)，并將該數字輸入信號的頻率提升M倍而產生過取樣信號。也就是，該升頻器31在每兩個數字輸入信號之間插入M-1個數值為0的資料。因此，該過取樣信號的頻率為fs*M。此處M必須為一整數，其值固定，與輸入信號的取樣頻率無關。以M＝64為例，若輸入信號的取樣頻率fs為48KHz，則過取樣信號的頻率為3.072MHz。而若輸入信號的取樣頻率fs為8KHz，則過取樣信號的頻率變為512KHz。由于升頻器31的架構與功能與習知的升頻器的架構與功能相同，不再重復說明。
升頻器31所產生的過取樣信號為插入復數個數值為0的資料，因此過取樣信號包含不需要的高頻成分，故本發明過取樣數字類比轉換器30利用數字低通濾波器32濾除過取樣信號的高頻成分。數字低通濾波器32接收過取樣信號后，將該過取樣信號的較高頻成分濾除，保持所需要的較低頻成分，并產生第一過濾信號。該數字低通濾波器32可由數字資料處理技術實施，且其架構與功能與習知的數字低通濾波器的架構與功能相同，不再重復說明。
由于本系統輸入信號的取樣頻率fs可變，因此升頻器31所輸出的過取樣信號的頻率、與數字低通濾波器32的資料輸出速率亦相對改變。若將升頻倍率設定為64，當輸入信號的取樣頻率fs為48KHz，則過取樣信號的頻率為3.072MHz，同時數字低通濾波器32的資料輸出速率亦為3.072MHz。若取樣頻率fs改為原先的四分之一(即fs＝12KHz)，過取樣信號的頻率變為768KHz，同時數字低通濾波器32的資料輸出速率亦為768KHz，亦即原先的四分之一。
本發明過取樣數字類比轉換器30利用一資料緩沖器33達成工作時脈非同步的資料轉換。數字低通濾波器32以第一速率將數字資料寫入資料緩沖器33，而Delta-Sigma調變器34則以第二速率從資料緩沖器33讀取資料。本實施例中，資料緩沖器33可采用先進先出(First In First out，FIFO)緩沖器，其實施方式可采用多個D-正反器(D flip-flop)，或是采用寄存器組(RegisterFiles)，或是以雙端口隨機存取存儲器(dual port RAM)完成。數字低通濾波器32，于本實施例中，其輸出速率不大于Delta-Sigma調變器34的讀取速率，亦即第一速率不大于第二速率。因此，當資料緩沖器33的資料已被讀完，而Delta-Sigma調變器34請求讀取下一筆資料時，則資料緩沖器33持續送出最后一筆資料。
例如，當升頻倍率為64且輸入資料的取樣頻率fs為44.1KHz時，過取樣信號的頻率為2.8224MHz，且數字低通濾波器32將以第一速率輸出資料至資料緩沖器33。若Delta-Sigma調變器34的資料輸入速率(第二速率)固定為3.072MHz，則Delta-Sigma調變器34將以3.072MHz的速率自資料緩沖器33讀出資料，如此便達成了工作時脈非同步的資料轉換。由于資料寫入的速率低于讀出的速率，因此，當Delta-Sigma調變器34請求讀取資料，而資料緩沖器33的資料已被讀完時，則持續送出最后一筆資料。倘若輸入資料的取樣頻率改變，則雖然第一速率隨之改變，然而Delta-Sigma調變器34自資料緩沖器33讀出資料的速率(第二速率)為固定值。例如，當輸入資料的取樣頻率fs改采32KHz時，雖然數字低通濾波器32的資料輸出速率變為2.048MHz，但Delta-Sigma調變器34仍舊以3.072MHz的速率自資料緩沖器33讀出資料。因此，不管輸入信號的取樣頻率如何改變，Delta-Sigma調變器34均可以固定的第二速率讀取資料緩沖器33的資料。如此，只要將Delta-Sigma調變器34自資料緩沖器讀取資料的速率設定適當值，由Delta-Sigma調變器34所產生的噪音則不會落在人耳聽見的范圍。例如Delta-Sigma調變器34的讀取資料的速率設定為3.072MHz，則僅需利用一般二階的Delta-Sigma調變器即不會產生20KHz以內的噪音。本發明過取樣數字類比轉換器30的Delta-Sigma調變器34、數字類比轉換器35與類比低通濾波器36均與習知取樣數字類比轉換器的相對元件相同，不再重復說明。
以下說明本發明過取樣數字類比轉換方法。該數字類比轉換方法包含下列步驟升頻步驟將一輸入信號以固定倍率M升頻，產生過取樣信號。該固定倍率M并不會因為輸入信號的取樣頻率fs改變而改變。
數字過濾步驟以數字方式濾除過取樣信號的高頻成分，并以一第一速率輸出資料至一資料緩沖器。該第一速率正比于輸入信號的取樣頻率fs，例如該第一速率可以等于取樣頻率fs與固定倍率M的乘積。
資料調變步驟以一第二速率從資料緩沖器讀取資料，并將資料調變成較低位元的資料，例如調變成單一位元的資料。第二速率為固定值，且不會隨著取樣頻率fs改變而改變。第二速率可選擇適當的大小，使調變后的頻帶不會包含20KHz的噪音，例如3.072MHz的速率。
數字類比轉換步驟將調變后的資料轉換成類比信號。由于資料的位元數較低，因此較易實施數字類比轉換。
類比過濾步驟將類比信號的高頻成分濾除，產生輸出信號。
由于本發明過取樣數字類比轉換器利用資料緩沖器連結數字類比轉換器與Delta-Sigma調變器，因此可將Delta-Sigma調變器的工作頻率設定為固定值，不會讓Delta-Sigma調變器產生人耳聽見的噪音。同時，升頻器亦可固定升頻倍率，不需另行以控制電路，針對不同的取樣頻率設定不同的升頻倍率。
以上雖以實施例說明本發明，但并不因此限定本發明的范圍，只要不脫離本發明的要旨，該行業者可進行各種變形或變更。
權利要求
1.一種可變取樣頻率的過取樣數字類比轉換器，其特征在于可處理不同取樣頻率的輸入信號，該過取樣數字類比轉換器包含一升頻器，將前述輸入信號以固定倍率M升頻，產生過取樣信號；一數字低通濾波器，濾除前述升頻器的過取樣信號的高頻成分，并以一第一速率輸出資料；一資料緩沖器，以前述第一速率接收前述數字低通濾波器的輸出資料，并以一第二速率輸出資料；一調變器，以前述第二速率從前述資料緩沖器讀取資料，并進行調變；一數字類比轉換器，將前述調變器的輸出信號轉換成類比信號；以及一類比低通濾波器，將前述類比信號的高頻成分濾除，產生輸出信號。
2.如權利要求1所述的可變取樣頻率的過取樣數字類比轉換器，其特征在于其中前述第二速率為固定速率。
3.如權利要求2所述的可變取樣頻率的過取樣數字類比轉換器，其特征在于其中前述第一速率為輸入信號的頻率fs乘上升頻倍率的整數倍。
4.如權利要求3所述的可變取樣頻率的過取樣數字類比轉換器，其特征在于其中前述第一速率與前述第二速率不同步。
5.如權利要求3所述的可變取樣頻率的過取樣數字類比轉換器，其特征在于其中前述調變器為Delta-Sigma調變器。
6.如權利要求3所述的可變取樣頻率的過取樣數字類比轉換器，其特征在于其中前述資料緩沖器為先進先出緩沖器(FIFO Buffer)。
7，如權利要求6所述的可變取樣頻率的過取樣數字類比轉換器，其特征在于其中前述先進先出緩沖器的指標為零時，輸出最后一筆資料。
8.如權利要求3所述的可變取樣頻率的過取樣數字類比轉換器，其特征在于其中前述資料緩沖器為復數個正反器所構成。
9.如權利要求3所述的可變取樣頻率的過取樣數字類比轉換器，其特征在于其中前述資料緩沖器為寄存器組所構成。
10.如權利要求3所述的可變取樣頻率的過取樣數字類比轉換器，其特征在于其中前述資料緩沖器為雙端口隨機存取存儲器所構成。
11.一種過取樣數字類比轉換方法，其特征在于該方法包含下列步驟升頻步驟，將一輸入信號以固定的升頻倍率M升頻，產生過取樣信號；數字過濾步驟，以數字方式濾除前述過取樣信號的高頻成分，并以一第一速率輸出資料至一資料緩沖器；資料調變步驟，以一第二速率從前述資料緩沖器讀取資料，并將資料調變成較低位元的資料；數字類比轉換步驟，將前述調變后的資料轉換成類比信號；以及類比過濾步驟，將前述類比信號的高頻成分濾除，產生輸出信號。
12.如權利要求11所述的可變取樣頻率的過取樣數字類比轉換方法，其特征在于其中前述第二速率為固定速率。
13.如權利要求12所述的可變取樣頻率的過取樣數字類比轉換方法，其特征在于其中前述第一速率為輸入信號的頻率fs乘上升頻倍率M的整數倍。
14.如權利要求13所述的可變取樣頻率的過取樣數字類比轉換方法，其特征在于其中前述調變方法為Delta-Sigma調變。
15.如權利要求13所述的可變取樣頻率的過取樣數字類比轉換方法，其特征在于其中前述資料緩沖器為先進先出緩沖器(FIFO Buffer)。
全文摘要
一種可變取樣頻率的過取樣數字類比轉換器，可處理不同取樣頻率的輸入信號。該過取樣數字類比轉換器包含一升頻器，將輸入信號以固定倍率M升頻，產生過取樣信號；一數字低通濾波器，濾除過取樣信號的高頻成分，并以一第一速率將過取樣信號輸出；一資料緩沖器，以第一速率讀取數字低通濾波器的輸出信號；一調變器，以一第二速率讀取資料緩沖器的資料，并進行調變轉換成較少位元的數字信號；一數字類比轉換器，將調變器輸出的信號轉換成類比信號；以及一類比低通濾波器，將類比信號的高頻成分濾除，產生輸出信號。因此，該過取樣數字類比轉換器不管輸入信號的取樣頻率為何，由于調變器讀取資料的速率皆相同，可確保雜訊不會存在于低頻范圍。
文檔編號H03M1/66GK1430332SQ0114504
公開日2003年7月16日 申請日期2001年12月31日 優先權日2001年12月31日
發明者黃睿政, 張義樹, 王文祺, 古世玉 申請人:瑞昱半導體股份有限公司