采样速率转换设备和方法

专利名称：采样速率转换设备和方法
采才i^t率转换设备和方法
本申请是申请日为2004年3月19日、申请号为200480010769.6、发明名称 为"采样速率转换设备和方法"的原申请的分案申请。
絲领域
本发明^^殳涉及音频放大系统，更加具体地说，本发明涉及用于转换具有笫 一采样速率的输入数据流为具有第^i链率的输出数据流的系统和方法。
背景技术：
乐P中M调制(PWM)或D类信号放大技术已经存在好多年了。随着开关 模式电源(SMPS)的iStit^艮，脉沖宽度调制技术越来越漆ff。由于这项技术 的出现，在信号放球用领域中应用脉冲宽度调制技术的兴^^越大，其结果 是得到重大有效的 M,这一改进是通过^^) D类功率输出拓朴结构代^^统的 (幾1"生的AB类)功率输出拓朴结构实现的。
开发信号放大应用的早期尝试使用了与早期的开关模式电源中使用过的相 同的对于》文大的处理方法。更加M地说，这些尝试使用了才對以调制方案，这个 调制方案导致低性能的应用。这些方案实^^很复杂而且很昂贵。因此，这些 解决方案没有得到广泛的彩内。在主沪"文大应用中，D类技术的现有模拟实施方 案还不能代替传统的AB类方丈大器。
最近，数字乐P中te调制方案问世了。这些方案使用了S-A调制技术来产生 在较新式的数字D类实施方案中^J ]的脉冲宽度调制信号。然而，这些数字乐P中 宽度调制方案在緩解将脉冲宽度调制器集成在整个放大器中的解决方案中的主 要障碍方面的贡献甚少。因此，D类技#主流应用中还是不能代##统的AB 类放大器。当前的数字月拟中宽度调制的调制方案还存在一系列问题。 一个问M，信号 处理系统的其余部分的性能和质量特性对于不同的应用而有所不同。整个系统解 决方案的严格实#终端用户的应用都不是决定性的。结果，不可能事先预测实
施的细节。因为当前的技术需^l十对^^应用的解决方案，这些解决方案在""^:
情况下不很灵活，不可扩充、或者不可转移到其它的应用上去。因此，这些技术
在"it殳情况下不可应用到主流系统上。
当前的数字脉冲宽度调制的调制方案不满足主流系统要求的一个具体的地 方是对于具有各种不同的采样速率的数字输入数据流的处理。根据提供数据的设 备的类型以及设备的特定设计，这些数字输入数据流可以具有不同的釆样速率。 车lT7vl^居^^可以^f吏用不同的时4申源，不同的时4中源可能具有^^f鼓不同的速率或 者可負M皮jtb4目对地有些漂移。当前的技术要求单个输A^样速率，或者多个固定 的已知的输Ai4率，而不能适^i殳备可以提^f俞入数据的不同的速率。
JM技术系统的另一个问M，因为它们没有能够产生本地时钟信号的采样 速率变换器，所以它们在J情况下要AMIr入数据重建脉冲宽度调制时钟信号。 这种重建的时钟信号不可能支持4交高的性能，而对于本地产生的时钟信号这是可 能办到的。

发明内容
通it^发明的^h实施例可以解决上述的一个或多个问题。广义地说，本发
明包括用于^^硬件和软件部件的组合将数字输入数据^/人第一采样速率转换 成第二釆样速率的系统和方法。在一个实施例中，在数字音频系统的采样速率转 换器中实现从第一采样速率到第二采样速率的转换。采样速率转换器具有多个部
件，其中的某些部件A^1硬件实施的，其中的某些部件^1软件实施的。每^HP 件用硬件实舰賴软件实施，取决于这个部件的性負淺求。用软件可以得到较
好性能的部件就用软件实施，用硬件可以得到较好性能的部件就用硬件实施。应 当说明的是，不^^音频性能的度量方面，而錄计算的复杂性、部件向软件引 擎的"拟合"、以及其它方面，性能都是可以改进的。
一个实施例包括一个采样速率转换器系统，采样速率转换器系统包括速率估算器，将其配置成可以估算输入数据流的采样速率；相^fi^择单元，将其配置 成可以根据估算的采样速率选择用于内插一组多相滤波器系数的相位；系数内插 器，将其配置成可以根据所选的相位内插滤波器系数以便增力口相位^l碎率；4^只 单元，将其配置成可以4^只内插的滤波器系数与输入数据流的样本以便产生重新 采样的输出数据流的样本。如以上所述，这些系统部件包括硬件和软^t^件这两 者。在一个实施例中，所说的系统包括两个或多个通道，其中的每个通道都能够 接收具有不同的、可变的采样速率的输入数据流，而不是由其它通道接收的数据 流。在一个实施例中，不同的通道与其它的通道共享一个或多个公共的部件。在 一个实施例中，将采样速率转换器系统4給到一个音频^:大系统，并且将其配置 成可以转换输入数据流为公共的输出釆样速率，从而可以由放大器部件如音频效 果单iL4脉冲宽度调制器进行处理。
另一个实施例包括一种方法，所说的方法包^^。下步骤接收具有输A^样 速率的输入数据流，和^J ]硬件和软件部件的組合处理所iX^r入数据流以产生具 有不同于输A^样速率的输出采样速率的输出数据流。在一个实施例中，所说的 处理包括估算输/J^样速率、选择用于插入一组多相滤波器系数的相位、内插 所说的iii且多相滤波器系数、4^只^M多相滤波器系数与输入数据流的样本、和 提^lt出数据流的最终样本。在一个实施例中，所说方法包括接收和处理在独 立的通iUi的具有独立可变的釆样速率的两个或多个输入数据流，以便产生具有 一个公共的输出采样速率的对应的输出数据流。对于在不同通道内不同数据流的 至少4分处理^软件部件~"^进行的。
许多不同的实施例也4_可能的。
与王贿技术的系M^目比，^f錢硬件部件和软^^件这两者具有一系列优点。 一个可能的优点是，可以在专用的硬件中实皿SilA^很重要的那些部件以充 分发挥它们的性能，同时在软件中实施灵活性更加重要的其它的部件。另一个可 能的优点是，硬件和/或软件可以由多个通道共享，以减小系统的成本和复杂性， 同时还可以保持系统的it^的灵活性。另一个可能的优点是，每个通道S阿能能
够处理可变的、并且与其它通iUil丈才居流的iM^ii率无关的^rA^才羊速率。另一 个可能的优点是，本地的高性能的时钟信号的产生使务p中宽度调制输出可以满足 比时钟信号必须从输入数据重建出来的情况更高的性能标准。根据本发明提供了一种釆样速率转换器，所述采样速率转换器包括多个采样
速率转换器部件，所迷采样速率转换器包括速率估算器；低通滤波器，其中所 iiit^f古算器的输出通ii^斤述^it滤波器；相^it择单元，其中所述^it滤波器 的输出被提供给所&目^i4择单元；多相系数内插器，其中所述多相系数内插器 根据所述相^ii择单元的输出产生一组内插的多相滤波器系数；4^只单元，其配 置成4^、所述内插的多相滤波器系数与输入数据流的对应的样本；输入先进先出 队列，其配置成接收所述输入数据流的样本并且向所述4^只单^U是供所述输入数 据流的所述样本；输出先进先出队列，其配置成4妾收来自所ii4^只单元的输出数 据流的样本；以及先ii^出管理单元，其井給到所述输入先进先出队列和所述输 出先进先出队列并且配置成向所述^it滤波器提供反馈；其中所述部件的第一部 分包括硬^NM牛；以及其中所述部件的第二部分包括软件部件。
才財居本发明提供的釆样速率转换器，其中用硬件实施所舰^f古算器、所迷 i腿滤波器和所述多相系数内插器。
根据本发明提供的采样速率转换器，其中用软件实施所勤目^it择单元、所 ii44口、单元和所述先进先出管理单元。
才財居本发明提供的采样速率转换器，其中所iiii剩古算器包括一个计数器， 所述计数器配置成计数所述输入数据流的釆样周期，并且其中通过一个软件部件 粉居所述计数器的值计對俞4极率。
根据本发明提供的釆样速率转换器，其中所述釆样速率转换器包括用于处理 输入数据流的两个或更多通道，其中所述两个或更多通道共享所述多个采样速率 转换器部件中的一个或更多部件。
根据本发明提供的采样速率转换器，其中所述釆样速率转换器包括用于处理 输入数据流的两个或更多通道，其中所述两个或更多通道中的f个通道都配置 成处理采样速率与其它通ii^理的输入数据流的采样速率无关的输入数据流。
才財居本发明提供的采样速率转换器，其中每个通道包括独立的速率估算器。
根据本发明提供的采样速率转换器，其中每错剩古算器包括单独的釆样周 期计数器。
根据本发明提供的采样速率转换器，其中每个采样周期计数器产生用于估计对应的输入数据流的采样速率的单独的计数。
根据本发明提供的采样速率转换器，其中所舰道中一个通道是主通道， 并且所^it道中剩^if道是次要通道；对于所^i通道估算采样速率，对于每个 次要通道，确定对应的釆样周期计数器与所^i通道的采样周期计数器之比，以 及每个次要通道的采样速率被确定为对所述主通道估算的所迷采样速率乘以所 述比值。
根据本发明提供的采样速率转换器，其中每个通道实施一个多相滤波器； 以及用于每个多相滤波器实施方案的系数是从滤波器系数的一个共用的组内插的。
根据本发明提供的釆样速率转换器，其中所迷釆样速率转换器井^到败中宽 ^!调制音频;故大器。
根据本发明提供了 一种采样速率转换器，所述采样速率转换器将数字输入数 据^4争换成预定的输出采样速率(Fout),所述采样速率转换器包括采样速^H古 算路径，其配置成接收与所述输入数据i^目关联的帧同步信号并估算所述输入数 据流的$俞7^^样速率(Fin);音频数据路径，所述音频凄史据路径包括输入先进 先出队列，其配置成接收所述输入数据流的样本；巻积单元，其配置成4妾收所迷 输A^进先出队列的输出并4^只所述输入数据流的所述样本与滤波器系数；以及
输出先进先出队列，其配置成接^)t^斤^4^只单元的输出，其中样本能够以所述输 出采样速率(Fout)从所述输出先进先出队列读取；以狄进先出管理单元，其 耦合到所述输入先进先出队列和所述输出先进先出队列并且配置成向所述速率 估算i^S的至少一^HM牛提供反馈。
根据本发明提供的采样速率转换器，其中所述^^责用于阻止所述输A^进先
出队列和所述输出先进先出队列的溢出或下溢。
才財居本发明提供的釆样速率转换器，其中所舰率估算4^包括逸虑计数 的<腿滤波器，用于估算所述输入数据流的所述输A^样速率(Fin);以及所述 反銜皮提供给所述顿滤波器。
根据本发明提供的采样速率转换器，其中所述滤波器系数包括内插的多相滤 波器系数。根据本发明提供的采样速率转换器，其中所赵^#算^4圣包括用硬件实
施的速率估算器、^t滤波器和多相系数内插器；以及用软件实施的相^(i^择单 元。
根据本发明提供的釆样速率转换器，其中所述音频数据^4圣的所tt^只单
元用软件实施；以;s^斤述先进先出管理单元用软件实施。
根据本发明提供了一种方法，所述方法用于将数字输入数据^^换为预定的 输出釆样速率(Fout)，所述方法包括以下步骤4財居与所述输入数据;J^目关联的 帧同步信号估算所述输入数据流的输^^样速率(Fin);在输AiL进先出队列接 J]i^斤迷输入数据流的样本；4^只所述输入数据流的所述样本与滤波器系数，所述 输入数据流的所述样^M^斤述输^4进先出队列输出；以絲输出先进先出队列 接收已经与所述滤波器系数进行4^只的样本，其中样本能够以所述输出釆样速率 (Fout)从所述输出先进先出队列读取；管理通it^斤述输入先进先出队列和所述 输出先进先出队列的样本的流；以及根据通ii^斤述输A^进先出队列和所述输出 先进先出队列的样本的所述流调节所估算的所述输^^样速率(Fin)。
根据本发明提供的用于将数字输入数拟叙争换为预定的输出采样速率(Fout) 的方法，其中所述估算的步骤包括根据与所述输入数据^4目关联的所述帧同步 信号产生计数；过滤所述计数；以及根悟所过滤的所述计数估算所迷输入数据流 的所述输/v^样速率(Fin)。
根据本发明提供的用于将数字输入数据^4争换为预定的输出采样速率(Fout) 的方法，其中所述调节所述估算的步骤包括调节所述计数的所述过滤。
才財居本发明提供了一种数字音频放大系统，包括采冲羊速率转换器，其将数 字输入数据^A输^v^样速率(Fin)转换成预定的输出采样速率(Fout);音频 綠子系统，其/"斤述釆样速率转换||#收具有所述预定的输出釆样速率(Fout) 的数字数据流，并对所述数字数据^i^亍处理，以产生经处理的数字数据流；脉 冲宽度调制器，其将所述经处理的数字数据i^封线象中宽度调制信号；以及输 出级，其放大所ii^冲M调制信号以产生負^^)于驱动负载的^iU文大的信号； 其中所述采样速率转换器包括采样速^f古算路径，其配置成接收与所述输入数 据^Nl关联的帧同步信号并估算所述输入数据流的输入采样速率(Fin);音频数 据3|^,其包拾输A^进先出队列，其配置成接收所述输入数据流的样本；巻积单元，其配置成接4W斤述输AiL进先出队列的输出并4^只所述输入数据流的所
述样^滤波器系it;以^^输出先a出队列，其配置成接收所i!4^只单元的输
出，其中样本能够以所述输出采样速率(Fout) 乂A^斤述输出先进先出队列读取； 以;5JL进先出管理单元，其并給到所述输入先进先出队列和所述输出先进先出队
列并且配置成向所iiii^H古算路径的至少一^件提供反馈。


在阅读了下面的详细描述并且参照附图以后，本发明的其它目的和优点^1夸 变得显而易见。
图1是说明^if]脉沖宽度调制技术的数字音频放大系统的功能方块图2是说明通常实现采样速率转换的方式的示意图3是说明釆样的输入信号的内插和抽取以产生不同采样速率的相应的信号 的示意图4是说明按照本发明的一个实施例的釆样速率转换器的部件的示意图。
虽然本发明容易进行各种改进^#换形式，但是还要通过附图中的实例及其 相伴的详细描述^4示它的特定实施例。然而，应该理解，不期望附图和详细描 述将本发明限制到所述的具体实施例。相反，本公开旨^M落在由所附的权利 要求书限定的本发明的范围内的所有的修改、等效物、g换方案。
下面描述4^发明的一个或多个实施例。要^说明的是，下面描述的这些实施例 以及伶f可其它的实施例都是示例性的，旨在说明本发明而不是限制本发明。
如这里所述的，本发明的各个实施例包括^j l石更件和软^^件的组合将数字
输入数据^A第一采才羊速率4封械第二^#速率的系统和方法。如这里所用的， "硬件"指的是专用的、有固定功能的逻辑电路，另一方面，"软件"用于引用 可以编程的逻辑电路，所说可以编程的逻辑电路通过由程序员确定的算法进行控 制，或者在软件控制下利用通用的可以编程的模块，所说的才彭夹在数字信号处理器(DSP)的算极辑单元(ALU)或刷诸器内。
在一个实施例中，在数字音频系统的采样速率转换器内进行从第一采样速率 到第二采样速率的转换。采样速率转换器具有多^^件，其中的一些颜硬件实 施的，其中的一些^)软件实施的。每^件^硬件实^i^J )软件实施，取 决于部件的性能要求。用软件可以得到较好性能的部件就用软件实施，用硬件可 以得到较好性能的部件就用硬件实施。如以上所述，性能可以用音频性能、计算 复杂性等来度量，其中使用这样一些度量值运算所需的处理器周期的数目、设 备的容量、实施成本、灵活性、功耗等。
与按照常MA者全用硬件或者全用软件实施的^W技术的系乡W目比，^賴硬 件和软件这两者可能带来一系列优点。例如，对于处理ii^很重要的部件可以在 专用的硬件中实施以充分发挥它们的性能。对于另外一些部件，处理逸变的重要 性小于灵活性。这些部件可实施成软件以便提供期望的灵活性。使用硬件和软件 部件这两者的另一个优点是，某些部件可用于多个通道。通it^M通道之间共 享某些部件，可以减小系统的费用和复杂性，同时还可以##系统的:^和灵活 性。
本发明的仂ei4实施例是在一个"l^贞放大系统中实施的。如以上所述，脉冲宽
度调制(PWM)技极絲音频放大系统中得到了应用，但是却遭彫)J常规方法 的缺点。这些方法^^了才對以调制方案，^it种方案是复杂和昂贵的，并且提供 相对差的性能。相反，本发明的系统和方法是在数字调制方案中实施的，并且使 用的方法解决了 ^iE贿技术中存在的某些问题。
Jl^参照附图i，其中表示说明^f顿^;中宽度调制技术的数字音频放大系统
的功能方块图。在这个实施例中，系统100从一个数据源，如CD播放器、MP3 播放器、数字音频磁带、或类似物，接收数字输入数据流。输入数据^^由采样
速率转换器110接收的。输入数据^Ulr有取决于数据源的特定的采样速率。这个
采样速率在4情况下是由对应类型设^f吏用的一组预先确定的釆样速率中的 一种。例如，CD播放器可能输出的数字数据的采样速率为44.1千赫兹，而数字 "f^贞磁带播放器可能输出的数字数据的釆样速率为32千赫兹。
按照本发明的系统和方法，采样速率转换器110转换输入数据流，使其从接 收时的釆样速率转^^要在系统100中使用的预先确定的内部速率。在一个实施例中，这个内部采样速率是100千赫兹。这样，如果以50千赫兹的釆样速^^ 收数据，则釆样速率转换器110将要重新采样所^l史据，以产生采样速率为100 千赫兹的一个对应的内部数据流。这个内部数据流然后提^^给音频效果子系统 120。音频效果子系统120实Ji^于于内部数据流的^J可期望的处理，并将最会狄 理的数据it^供给PWM调制器130。
PWM调制器130接收的数据流^4一个脉冲编码调制信号。PWM调制器 130将这个数据^^衬M^冲狄调制信号。然后将纟拟中宽度调制信号提供^^r 出级140。在输出级140中，放;U^中宽度调制信号并且可以对放大的信号进行 某种滤波或进一步的处理。最终的信号随后输出到扬声器系统150，扬声器系统 150将这个电信号转换成可由听众听到的可听信号。
^^>开的重点是在上述的音频系统中的采样速率转换器。如以上所述，采样 速率转换器的目的是接收以第一速率采样的输入数据流并且产生以第二采样速 率采样的输出数据流。虽然由数据流^表的音频信号J4Ui^^争不变(至少在某 些实施例中)，但釆样速率的改变要符合音频系统的要求才能由这个系统进行处理。
Jtt参照附图2，其中表示说明通常实现采样速率转换的方式的示意图。如 由ii个附图所示的，首先通过第一滤波器210向上^^羊或内^斜lT7v^:净居流，然后 通it^二滤波器220向下采样或抽i^lr入数据流。使用一个中间滤波器230来低 通滤波向上采样的数据而后再抽取所说向上采样的数据。输7v^t据;a^有第一采 样速率Fin。这个数据流的向上釆样因子是M。于是，在向上采样以后，数据流 的采样速率为MxFin。向上釆样通常是通錄输入数据流的样;^间进行内插 从而产生中间样本而实现的。对于M进行选择，以使中间采样速率(M x Fin) 大于期望的输出釆样速率Fout。在H清况下，中间样本速率比期望的输出速率 大得多。
对于向上采样的数据力紐伤虑波并且然后进行抽取，以便将采样速率从中间 速率减小到期望的输出速率。在向下采样以后，采样速率是FouHM/N) x Fin。 数据流的向下采样或抽M—般情况下是通过丟弃来自中间数据流的样本实现 的。例如，如果以200千赫兹来釆样中间数据流并且希望的输出采样速率是100 千赫兹，则每隔一个样本丟弃一个样本。在理想情况下，M和N都是整数。如果M是整数，则输入数据流的向上采 样包括插入M-1个新的样本，它们均匀地分隔在每^N^f台样;^间。然后，如果 N是整数，则中间数据流的向下采样包括只抽取每个第N个样本，其#卩分丢弃。 这种情况示于图3中。
图3是说明内插和抽取采样的输入信号以便以不同的采样速率产生对应的信 号的一个示意图。在此图中，输入样本由点301、 306、 311、 316表示。这个f言号 的直线内#{直由虚线表示。这^H言号的向上采样因子是5，所以在每对相邻的样 R间内插4个附力口的采样点。所以，在样本301和样本306之间的间隔内插入 点302-305。类合"也，在样本307和样本311之间的间隔内插入泉306-311,在样 本311和样本316之间的间隔内插入泉312-315。在经过^if滤^^，最终的点 (301-316)的向下采样因子是3，所以4顿每个第3点，其余的点被丢弃。最终 的数提流包括样本301、 304、 307、 310、 313、和316 (力4头所示的)。
输入数据流的向上釆样和向下采样的直接实施方案的问题之一是，为了使M 和N为整数，并且为了保持期望的分辨率，M和N通常是极大的数。考虑图3 的例子。如果Fin是60千赫兹，Fout是100千赫兹，则M是5和N是3。然而， 如果Fin是60.5千赫兹而不是60千赫兹，则必须选择1V^200和N421。容易开 发出需要甚至于更大的M和N的值的情况。才財居在伊遞实施例中采样速率转换 器的分辨率，高达218的值可能是必要的。
内插和4由取方法的另一个问^:，处理所接收的数据流的采样速率的变化可 能是很困难的。在典型的音频系统中，每个设备或部件都可能产生它自已的时钟 信号，刘-应的采一羊it率就是基于这个时钟信号的。然而，即使期望两^M牛的时 钟信号是一样的，这两个时钟信号也不能同步，可能略有变化。由于在时间信号 中存在这个差值，数据就可能丢失，或者緩存器可能溢出，导致误差。对于本发 明的釆样速率转换器进行设计以便可以处理这些差值。
应当说明的是，音频系统还可以包括各种不同的类型的音频源。例如，可以 通过CD播放器、MP3播放器、数字音频磁带、或类似物产生音频信号。可以配 置这些设备以产生有不同采样速率的音频信号。例如，CD播放器提供的输出信 号的釆样速率为44.1千赫兹，数字音频磁带播放器产生的输出信号的采样速率为 32千赫兹。本发明的系统和方法能够^^样速率转换器适应输入数据流中的多个不同的采样速率。而且，采样速率转换器能够独立地调节每个通道以适应不同的 输7V^样速率。通过比较可知，现有技术的系统只能在两个采样速率已知的条件 下适应在不同通道上的不同采样速率。
通过使用多相滤波器可以适应不同的采样速率以及在这些正常时相同的速
牟之间的变化。多相滤波器可以实现内插器210和抽取器220这两者的功能。通 过内插输入数据流，多相滤波器可以通过内插输入数据流实现这些功能，实！Lii 些功能的方式不需要通过整数因子向上釆样数据流或者通过整数因子向下采样 数据流。
在一般情况下，将上述内插器和抽取器实施为(FIR型)滤波器。多相滤波 器显然也是一种滤波器，但不产生大量的样本(如由内插滤波器所做的那样)， 然后扔掉不需要的样本，并且(如由抽取滤波器所做的那样)，多相滤波器只产 生那些最终仍旧保留的样本。于是，与图3的例子相比，不是产生样本301-316, 然后丢弃这些样本中的2/3，而是只产生样本301、 304、 307、 310、 313、和316, 没有丟剩沐一个。
通过一组滤波器系数来确定多相滤波器。如果将这些系数外插到不同的系数 组中，则可实现不同的采样速率。这可通iti4择合适的滤波器系数来实现非整数 的采样速率转换。
使用多相滤波器的典型的采样速率转换器包含用于^#来自输入数据流的 样本的存—诸器、用于存储滤波器系数的存储器、用于为滤波器系数进行内插计算 的硬件、和用于计^l史据和系数的内积的乘累力口单元。在j情况下，这些部件 全是使用专用硬件实施的。这是极其昂贵的，尤其是在需要进行计算的附加逻辑 电路方面以及输/v^样数据需要的专用^^者器方面更贵。这些##器相对小、并 且因jtb^用硅区的效率相对低。虽然也可能完全用软件实施采样速率转换器，但 这样的实施方案在1情况下不可能提供支持音频应用所必需的i4y变。
因此，本发明的系统和方法利用硬件和软件部件的组合来实现在采样速率转 换器中的ii^和效率这两者。这些系统和方法^if]具有足够大的计算能力和## 容量的处理器来实现所要求的部件。
m^参照附图4，其中表示说明本发明的一个实施例的采样速率转换器的部件的示意图。图4的下^大体上对应于将^"转4奐的音频凄M居的i^居^各径，图4
的上半部大体上对应于用于控制实际的采样速率转换的控制路径。
如图4所示，接收音频数据流的样本，并将其##在输础进先出队列(input FIFO) 405中。输入数据流的采样速率为Fin。从先tt出队列405读出样本并 Jitit4^、引擎410使所i^+羊本与一组内插系数4^只。4i。、引擎410有步&也向上 釆样或向下釆样所i^t据，以产生速率等于采样速率转换器的输出速率(Fout) 的样本。将这些样;^f诸在输出先进先出队列(output FIFO) 406中。然后以速 率Fout从输出先进先出队列406中读出样本。
通iii4^f古算器的计数器421和422接收与^数据有关的帧同步信号。速 ^^古算器的计数器421和422简单地计数在^HtiUi接收的样本之间的时钟周 期的数目。(要说明的是，虽然本实施例具有两个通道和对应的速率估算器，但
换器430选#^率估算器计数器之一，并且通过^it滤波器440滤波对应的计数。 经过滤波的釆样速率计数转送到相位选择单元450，并用于为多相滤波器内插滤 波器系数。然后，在4^只单元410中，使内插的多相滤波器系数与数据样本4^只 以产生重新釆样的数据。
数据样辆过先进先出队列405和先进先出队列406的流动是由先进先出管 理单元407管理的。根据数据的流动，先进先出管理单元407向反馈单元470提 供反馈。这个反馈用于调节低通滤波器440。这有資&也调节估算的采样速率，因 此调节了在采样速率转换器中进行的系数内插。由此也调节了采样速率转换，从 而可以更加紧密地JM宗实际的输A^样速率并且可以防止先进先出队列405和 406的溢出或下溢。
可以看出，图4的部件或者为硬件(HW)或者为软件(SW)。在这个实施 例中，硬件部件包括输入和输出先进先出队列405、 406、速率估算器421、 422、 多^4争换器430、 ^it滤波器440、和系数内插器460。用硬件实施这些部件有各 种^g4羊的理由。例如，用硬件实施系数内插器460的理由是内插过程必须足够快 ^ii行以便提供将要与4^只单元410中的数据样本4^只的滤波器系数。用硬件可 以^ 易#高效率地实^4^#算器的计数器421、 422,这是因为它们是需要 快速更新的简单计数器，而不是完整的速^#，元。计数器的偵是通过软件读出的，所说的软件实际上^f亍速率估算(并iL^一个实施例中，所说的软件对于 所有的通^_共用的)。^^贵单元470可用4欠件高步&也实施，而输7v和專t出的先 进先出队列405和406 ^软件在作为先进先出队列控制的务賭空间中有效地实 施的。换句^"i兌，先进先出队列405、 406不是实施成小型独立的，器，而是 使用了数字信号处理器的较大的存储空间。
在一个实施例中，速率估算器的计数器421、 422是24比特的计数器。每个 计数器可以从4个输入帧同步信号中选择SAILRCK; SPDIFRX帧同步；^^且 数据帧同步；和ESSI帧同步。通过在帧同步信号的计数周期期间内计数数字信 号处理器时钟周期的数目，可以实现周期测量。计数周期是可以编程的，通常所 说周期等于l。在这个实施例中，计数与增益相乘。这个增益是一个12比特的整 数，通常将这个整数设置成2的乘方，即等于移动一个小氣存、。这可能便于增加 低通滤波器440中的分辨率。
在一个实施例中，低通滤波器440是一个二阶的HR滤波器。这个滤波器例 如可以包括一对l^关的一阶HR滤波器。低通滤波器440衰减,Aii^f古算器的计 凄史^^妄收的计数的抖-动。这样就可以係^正计数的变化是緩慢的，并且由此可以改
善采样速率转换的质量。由^t滤波器实施的均衡过程产生了i^rr溢和溢出的
可能性。这个问^^通过用软件实施闭合回路反^^决的，所说的软件调节一个 24比特的偏差，这个偏差附加到计数值上，然后^f吏这个值通过4氐通滤波器440。 在一个实施例中，低通滤波器440的滤波器系凄bl可以调节的，从而可以进4刊夬 速的频率M目位锁定。
系数内插器460与^f诸这些系数的ROM、以及为检索内插H^i ]的系数提 供iW止的ROM iW止发生器-^^辦。滤波器系数实际上^^诸在两个ROM内， 一个^#偶数系数，另一个^ft奇数系数。内插^t丸行三次^^4封直。这种内插 ^JD了一个5阶段、两个循环的il7jc线来:l;y亍内插，由此可使资源共享，同时可 以维持每两个时钟循环有一个内插的总处理能力。
用软件实施的部件包括巻积单元410、相^i^择单元450、先进先出管理 单元407、和反馈单元470。这些部件提供在i贿技术的严格硬件实施方案中不 可能提供的灵活性。软4钩件读出速率估算器421、 422的值，并JUAil些值确 定输/v^样速率。通过来自软^Nl^N口先进先出管理单元407和反馈单元470的反馈可以调节速i^f古算值。然后，相^i4择单元45(H錢估算的速率内插多相滤 波器系数，并JLiiit4^只单元410执行这些系数与输入数据样本的4^只。4^只单 元410^J ]软件实施的，因为典型的数字信号处理器可以有效地实现这项功能， 同时可以/"##器中读出样本并从系数内插器460中读出系数。
在一个实施例中，釆样速率转换器的软件负责执行多项任务。例如，如以上 所述，速率估算器的计数器421、 422将它们的各自的计数HJ直与一个增益相乘， ^i^个增益是由这个软件确定的。类似地，用于^Eit率估算器计数器后边的低通
滤波器的偏差和滤波器系 _通^个软件确定的。这个软件进一步还负责计算 输/v^样速率(Fin)与输出采样速率(Fout)之比，这个比值在伊涵实施例中是 固定的。才財居采样速率与经过滤波的计数器的值之比，所i^欠件确定滤波器长度、 相位、和用于内插多相滤波器系数的相位增加。进而，这个软件还负责4^只多相 滤波器系数与输入样本，管理输入和输出先进先出队列，并提供反馈以调节估算 的输4样速率。
在数据处理器中实施软^^件。典型的现代处理器具有极其有凌i^y^亍紧凑 循环(tight loop)同时读出数据流的能力。例如，数字信号处理器(DSP)具有 "零耗循环(zero overhead looping)"的能力。现代的微控制器还具有每个周期执 行多个指令的能力。这些数字信号处理器和微控制器在""i&情况下还具有使其适 合于^^才羊it率4封灸器应用的M的程序和数据^^者器。
这些处理器具有在一个处理器周期中扭行例如下所述任务的能力乂A^f诸器 中读出一个数据样本(如由采样指针寄存器指示的)、更新采样指针寄存器以指 向下一个样本、W卜围系数内插单iUC取一个系数值、用这个系数值去乘数据样 本、在数据寄存器中相加(累加)乘法结果。如果多相滤波器包含X个系凄t，则 4錢X个时钟周期来计算一个输出样本。
一个处理器可以同时地处理一系列并行的通道Y，在i^X， Y受到累加器和 釆样指针寄存器的可以利用的数目的限制。当^J ]相同的系数同时处理Y个通道 时，可以设计出相对紧凑的硬件在Y个循环中或小于Y个循环中扭行下述的任务 从，器中读出一系列系数(如由系数指针指示的)、更新系数指针寄存器、执 行内插以计算滤波器系数到期望的精度。
在"伪C"中，处理器进行如下的操作为每个输出样本 启动硬件系数计算器
forj=ltoY
o[Y]=0; 〃启动累加器
p[Y]=start(N); 〃启动指针
for i=l to X 〃对于每个系数
Omem[coefi] //读出系数
for j=l to Y 〃对于每个通道
o[Y]+=C*mem[p[Y]w]
在一般情况下，使用j的内部循环可以被展开，下一个系数的读出可以与最 后一次迭代(j=Y)并行;hk^行。 一个筒单有效的处理器可能为每个Y的循环计 算出一个新的系数。 一个比较灵活的解决方案可能在Y个循环或较少的循环中计 算出一个系数。当新的样本变为可以利用的时候，停止这种计算， 一直到读出这 个样本并且因此自动调节到数字信号处理器读出滤波器系数的速率时为止。除了 使Y的实际值更加灵活以夕卜，这还将允许处理器周斯I^也停止计算并且可以提供 其它的功能如中断。
本发明的实施例可以提供一系列优点，这些优点在J贿技术中是得不到的。 例如，硬件和软^HM牛的组合可以以极高的水平允许本发明的系统和方法在采样 速率转换器功能的性能方面提供更高的狄和灵洽性，錄全部由硬件或全部用
软件实施的现有技术系统中是办不到的。它们的实施效率比观有技术要高。
在某些实施例中，采样速率转换器的部件可以在两个或多个独立的采样速率 转换^4圣之间共享。例如，两个不同的路径可以使用同一个多相滤波器系数内插 硬件，其中可能包括^f诸系数的ROM、地址发生器、和内插器本身。在采样速 率转换路径上共享的资源的另外的实例是执行各自游农上的软件部件的数据处 理器。尽管有共享的资源，但是每个采样速率转换路径都与其它路径无关地实现 各自的采样速率转换功能。
本发明的至少某些实施例的另外的优点是能够处理具有允许变化的采样速率的输入数据流。因为每个釆样速率转换i l^都包括一个釆样速率估算器，用于 确定输A^样速率，并JUi包括各种不同的部件，用于针对这个输X^样速率i务 t^样速率转换器的功能，所以这个采样速率转换器不容易因为釆样速率的变化 产生误差。 一个相关的优点是能够针对具有不同的采样速率的输入数据^f虫立地 修改两个不同的采样速率转换路径。
另一个优点是能够简化采样速率转换器的某些部件的实施方案。例如，在一 个实施例中，对于每个釆样速率转换路径的速率估算器硬件都包括一个筒单的计 数器。这个计数器能够很容易地由一个软件部^H^出，然后可以根据计数器的值 来确定输入数据流的采样速率。
本领域的"tit技术人员应该理解，^J ]各种不同技术中的^^r一项技^^可 以代表信息和信号。例如，通过电压、电流、电磁波、磁场或粒子、光场或粒子、 或者它们的任意組合都可以^4^以上整个所述的内容中引用的数据、指令、命
令、信息、信号、比特、符号、和芯片。^J H爿可合适的传^f某介，其中包括导
线、金属轨迹、通孔、光纤、或类似物，都可以在所公开的系统的^^p件之间 交换信息和信号。
本领域的"fit技术人员应该认识到，结合M公开的实施例描述的各种不同
的说明性的逻辑块、模块、电路、和算法步骤可以实施为电子硬件、计算才M大件、
或者二者的组合。为了清楚说明硬件和软件的这种互掩性，以上按照功能总桐苗 述了树说明性的部件、逻辑块、才狭、电路、和步骤。这些功能是作为硬件还 是怍为软件实施的，取决于强加在整个系统上的特定的应用承设计约束限制。本 领域的普通技术人员可以按照[个特^I用的不同方式来实施所述的功能，但 是这样的实施方案的确定不应解释为偏离了本发明的范围。
结合在M公开的实施例描述的各种说明性的逻辑块、模块、和电路可以利
用通用处理器、数字信号处理器(DSP)或其它逻辑设备、专用集成电路(ASIC)、 现场可编程门阵列(FPGA)、分立的门电路或晶体管逻辑电路、分立的硬件部件、 或者它们的用于实现M描述的功能的^f可組合来实施或实现。通用处理器可以 是4封可常规的处理器、控制器、微控制器、状态机、或类似物。还可以将处理器 实施为计算装置的组合，例如数字信号处理器和孩狄理器的组合、多个微处理器、 与数字信号处理芯结合的一个或多个微处理器、或者^^可其它这样的配置。结合i!X公开的实施例描述的方法或算法的步骤可以用硬件、由处理器执行
的软件或固件才莫块、或者它们的组合直接实施。软件产品可以驻留在RAM^fi者 器、闪存、ROM存储器、EPROM存储器、EEPROM存储器、寄存器、硬盘、 可拆卸盘、CD-ROM、或者在本领域中公知的任何其它形式的萄 诸介质内。 一个 典型的存储介质井給到处理器上，以使处理器可以从所iJL4^诸介质中读出信息并 且可以#(言息写/^'』##介质内。在可替换方案中，#^诸介质可以集成到处理器。 处理器和^fi者介质都可以驻留在一个专用集成电路中。专用集成电路可以驻留在 用户终端。在可替换方案中，处理器和##介质都可以作为分立的部件驻留在用 户终端内。
提供公开的实施例的以上描述的目的是使本领域的普通技术人员能够制造 并^^本发明。对于这些实施例的各种不同的改iW于本领域的普通技术人员来 iJLf嫁易变为显而易见，可以将i^描述的^^、理应用到其它实施例而不《4扁 离本发明的构思和范围。这样，不期望将本发明限制在^描述的实施例，本发 明符合与il^公开的原理和新颍特征一致的最宽的范围。
以上参照具体的实施例描述了本发明能够^_供的好处和优点。这些好处和优 点，以及使这些优点M或变得更加突出的元件或限制，都不,皮"i人为是^frf可一个 权利要求或者所有的权利要求的关键的、必要的、或本质的特征。如纽所用的， 期望将术语"包括"或者它的^f可其它的变化形式，解释成不排它地包括在这些 术语之后出现的元件或限制。因此， 一个系统、方法、或者包括一组元件的其它 实施例不限于只有这些元件，还可以包括没有明显列出的或者要求保护的实施例 本身固有的其它元件。
虽然参照特定的实施例描述了本发明，但应该理解，这些实施例是说明性的， 本发明的范围不限于这些实施例。对于以上所述的实施例，许多变化、修改、增 加、或 文进都是可能的。可以预期，这些变化、修改、增加、或改进#]寻落在本 发明的范围内。
权利要求
1.一种采样速率转换器，所述采样速率转换器包括多个采样速率转换器部件，所述采样速率转换器包括速率估算器；低通滤波器，其中所述速率估算器的输出通过所述低通滤波器；相位选择单元，其中所述低通滤波器的输出被提供给所述相位选择单元；多相系数内插器，其中所述多相系数内插器根据所述相位选择单元的输出产生一组内插的多相滤波器系数；卷积单元，其配置成卷积所述内插的多相滤波器系数与输入数据流的对应的样本；输入先进先出队列，其配置成接收所述输入数据流的样本并且向所述卷积单元提供所述输入数据流的所述样本；输出先进先出队列，其配置成接收来自所述卷积单元的输出数据流的样本；以及先进先出管理单元，其耦合到所述输入先进先出队列和所述输出先进先出队列并且配置成向所述低通滤波器提供反馈；其中所述部件的第一部分包括硬件部件；以及其中所述部件的第二部分包括软件部件。
2. 权利要求1的采样速率转换器，其中用硬件实施所iii4率估算器、所述 ^t滤波器和所述多相系数内插器。
3. 权利要求1的釆样速率转换器，其中用软件实施所i^目^ii择单元、所 ^J^只单元和所迷先进先出管理单元。
4. 权矛漆求1的采样速率转换器，其中所iii4率估算器包括一个计数器， 所述计数器配置成计数所迷输入数据流的采样周期，并且其中通过一个软件部件根据所述计数器的值计算输/v^样速率。
5. 权利要求1的采样速率转换器，其中所述采样速率转换器包括用于处理输入数据流的两个或更多通道，其中所述两个或更多通道共享所述多个采样速率 转换器部件中的一个或更多部件。
6. 权利要求1的釆样速率转换器，其中所述釆样速率转换器包括用于处理 输入数据流的两个或更多通道，其中所述两个或更多通道中的[个通道都配置成处理釆样速率与其它通it^:理的输入数椐流的采样速率无关的输入数悟流。
7. 权利要求6的釆样速率转换器，其中每个通道包括独立的速率估算器。
8. 权利要求7的釆样速率转换器，其中每^Ht率估算器包括单独的采样周 期计数器。
9. 权利要求8的采样速率转换器，其中每个采样周期计数器产生用于估计 对应的输入数据流的采样速率的单独的计数。
10. 权利要求8的采样速率转换器，其中所舰道中一个通it^通道，并且所舰道中剩絲道是次要通道； 对于所iiiL通道估算采样速率，对于每个次要通道，确定对应的采样周期计数器与所ili通道的采样周期计 数器之比，以及每个次要通道的采样速率被确定为对所述主通道估算的所述釆样速率乘以 所述比值。
11. 权利要求6的釆样速率转换器，其中 每个通道实施一个多相滤波器；以及用于每个多相滤波器实施方案的系凄U^人滤波器系数的一个共用的组内插的。
12. 权利要求1的采才链率转换器，其中所述采样速率转换器l給到月拟中宽 度调制音频;故大器。
13. —种采样速率转换器，所述釆样速率转换器将数字输入数据流转4械预 定的输出釆样速率(Fout)，所述采样速率转换器包括釆样速4^古算路径，其配置成接收与所述输入数据^N关联的帧同步信号并估算所迷输入数据流的输A^样速率(Fin);音频数据縱，所述音频数据縱包括输A^进先出队列，其配置成接》^斤述输入数据流的样本；4^只单元，其配置成接4W斤述输入先进先出队列的输出并4^只所述输入 数据流的所述样本与滤波器系数；以及输出先进先出队列，其配置A^^斤ii4^只单元的输出，其中样本能够 以所述输出采样速率(Fout) 乂A^斤述输出先进先出队列读取；以及先M出管理单元，其井給到所述输A^进先出队列和所述输出先进先出队 列并且配置成向所iii4^f古算路径的至少一^NP件提供反馈。
14. 权利要求13的采样速率转换器，其中所^Jt用于阻止所述输AJt进 先出队列和所述输出先进先出队列的溢出或下溢。
15. 权利要求13的采样速率转换器，其中所赵剩古算i^圣包括逸虑计数的^it滤波器，用于估算所述输入数据流的 所述输入采样速率(Fin);以及所i^^f^^是供^^所ii^4t滤波器。
16. 权利要求13的采样速率转换器，其中所述滤波器系数包括内插的多相 滤波器系数。
17. 权利要求13的采样速率转换器，其中所赵率估算^f圣包括 用硬件实施的速^f古算器、4腿滤波器和多相系数内插器；以及 用软件实施的相位选择单元。
18. 权利要求17的釆样速率转换器，其中 所述音频数据路径的所述4^单元用软件实施；以及 所述先进先出管理单元用软件实施。
19. 一种方法，所述方法用于将数字输入数据^4争换为预定的输出采样速率 (Fout)，所述方法包括以下步骤根据与所述输入数据^Nl关联的帧同步信号估算所述输入数据流的输入采样速率(Fin);在输Aib进先出队列接J)W斤述输入数据流的样本；4^只所述输入数据流的所述样本与滤波器系数，所述输入数据流的所述样本 乂A^斤述输/^L进先出队列输出；以及在输出先进先出队列接收已经与所述滤波器系数进行4i口、的样本，其中样本 能够以所述输出釆样速率(Fout) 乂A^斤述输出先进先出队列读取；-'右'以及调节所估算的所述输入釆样速率(Fin)。
20. 权利要求19的方法，其中所述估算的步骤包括 根据与所述输入数据i糾目关联的所述帧同步信号产生计数； it^虑所述计数；以及才財居所过滤的所述计数估算所述输入数据流的所述输A^样速率(Fin )。
21. 权利要求20的方法，其中所述调节所述估算的步骤包括调节所述计数 的所述过滤。
22. —种数字音频放大系统，包括采#^4率转换器，其将数字输入数据itA人输X^样速率(Fin)转^^预定的 输出采样速率(Fout);音频步汰子系统，其>^斤述采样速率转换||#收具有所述预定的输出釆样速 率(Fout)的数字数据流，并对所述数字数据伊Li^亍处理，以产生经处理的数字 数据流；脉中M调制器，期夸所艘处理的数字数据^#换^^中^1调制信号； 以及输出级，其放大所iU^中宽度调制信号以产生能^^]于驱动负载的^fc^大的 信号；其中所述采样速率转换器包括采样速率估算路径，其配置成接收与所述输入数据^4目关联的帧同步信号并估算所述输入数据流的输7v^样速率(Fin);音频数据膽，其包括输4进先出队列，其配置成接"W斤述输入数据流的样本；4^只单元，其配置A^收所迷输A^进先出队列的输出并4^只所述 输入数据流的所述样本与滤波器系数；以及输出先进先出队列，其配置成接收所i!4^只单元的输出，其中样本 能够以所述输出釆样速率(Fout) /A;斤述输出先进先出队列读取；以及先进先出管理单元，其^^到所述输入先进先出队列和所述输出先进先 出队列并且配置成向所述速率估算路径的至少一^件提供反馈。
全文摘要
一种用于转换数字输入数据流使其从第一采样速率转换成第二固定采样速率的系统和方法，使用硬件部件和软件部件的组合。在一个实施例中，一种系统包括速率估算器，用于估算输入数据流的采样速率；相位选择单元，用于根据估算的采样速率选择用于内插一组多相滤波器系数的相位；系数内插器，用于根据所选的相位内插滤波器系数；卷积单元，用于卷积内插的滤波器系数与输入数据流的样本，以产生重新采样的输出数据流的样本。在能够处理具有无关可变的采样速率的数据流的多个通道之间共享一个或多个硬件或软件部件。
文档编号H03H17/06GK101577535SQ20091013848
公开日2009年11月11日 申请日期2004年3月19日 优先权日2003年3月21日
发明者乔·W·佩吉, 拉瑞·E·汉德, 杰克·B·安德森, 钱连玮 申请人:D2音频有限公司