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隨著數字音響技術的發展，l bit數模變換技術(lbit DAC)成為一種新技術，被認為是今后音響用變換器的主流。傳統的PCM數模變換器以追求量化比特數來獲得高性能，但變換器的結構限制了它的發展。而lbit數模變換技術是以噪聲整形和過采樣技術為支柱，引人類似模擬電路中的負反饋和前饋技術，將高比特數字信號變換成在信號頻帶內量化噪聲低的低比特或l bit信號，在此基礎上進行無過零失真(zero CroSSdistortion)的l bit數模轉換，從而獲得優越的特性。筆者僅討論噪聲整形在l bit D／A變換中的應用。 1 噪聲整形的作用 典型的l bit D／A變換流程如圖1所示。16 bit的信號送人數字濾波器，這里用數字濾波來提高采樣頻率的主要目標是簡化DAC后面的模擬低通濾波器(LPF)，可不要求濾波器具有十分陡峭的截止特性來消除折疊噪聲。但由于數字濾波器的工作性能諸如移位、乘系數、相加等運算必然會引起舍人誤差，這種誤差便成為"再量化誤差"。噪聲整形就是處理再量化噪聲的一種方法。它是一種數字反饋電路，如圖2所示。把數字濾波器在運算處理的最后階段舍棄的低位比特數據反饋到前面和下一位的運算數據相加或相減，使本來應被舍去的低位比特信息一次次累積，與無反饋時相比，它使輸出數據稍稍增大或減小，其結果會使誤差的偏移減少，輸出數據在準確值上下離散分布，其平均曲線當然會更接近原來的波形。為防止產生數字振蕩，通常采用負反饋方式。 噪聲整形有分配噪聲分布的功能。量化噪聲具有白噪聲性質，其功率均勻分布于整個頻域范圍；若對它進行噪聲整形，會將量化噪聲功率譜重新分布，量化噪聲被趕到高頻段，使可聽頻帶內的噪聲功率減少，從而改善量化信噪比。用噪聲整形技術把噪聲趕到高頻段，是以奈奎斯特頻率為峰點，再往后向著過采樣頻率移動又逐漸降低，其曲線以奈奎斯特頻率為軸呈鏡像對稱，如圖3所示。 在CD和DAT中，為改善可聽頻帶內高頻信噪比，要進行預加重處理，記錄時提升高頻，重放時再按相反的頻率特性衰減高頻分量，這樣可在不改變信號頻率特性的條件下降低高頻噪聲。噪聲整形在電路結構上與之有相似之處，但所做處理與上述相反，它在量化器前先將低頻提升，量化之后，再將低頻衰減，使聲音信號的頻率特性恢復為原來的平直特性，其原理如圖4所示。由于量化噪聲是沿頻率軸均勻分布的，量化器輸出部分進行低頻衰減時，則低頻段量化噪聲也被衰減。噪聲整形的次數決定了提升或衰減的斜率。很顯然噪聲整形次數越多，斜率就越陡，低頻區量化噪聲降低的就越多。但是噪聲整形次數也不能無限制的增加，因為低頻過度提升會引起限幅問題。 目前已實用化的l bit DAC常采用兩種噪聲整形方式，一種為比特流(bit stream)方式，又稱為PDM方式；另一種是MASH方式。下面分別予以討論。 2 比特流噪聲整形方式 比特流方式通常是利用負反饋的方法來減少舍人誤差，起到降低量化噪聲的作用。在電路組成上，有1次噪聲整形和2次噪聲整形兩種。下面首先介紹1次噪聲整形的原理。 2．1 次噪聲整形原理 1次噪聲整形電路較簡單，由量化器前的低頻提升電路和量化器后的低頻衰減電路構成，即由積分器、量化器、微分器組成，而量化器是Δ調制方式l bit量化器，原理如圖5所示。 積分器是把前一個數據的輸出和新數據相加，而微分器則是從新數據減去前一個輸入數據，因此積分器3和其后面微分器的作用可相互抵消而直接連接。而輸人端的積分器1和反饋環路的積分器2可以合在一起，所以圖5電路可等效變換為圖6所示電路。 由圖6可得 R(z)=X(z)-z-ly(z) S(z)=[1／(l-Z-1)]R(z) Y(z)=S(z)+N(z) 式中，N(z)為量化噪聲，整理可得 Y(z)=X(z)+N(z)(1-Z-1) 上式說明在1次噪聲整形電路中對輸入信號是一直通網。設Ta為噪聲整形采樣周期，則1次噪聲傳輸函數為 H1(z)=1-z-l=l-cos(ωTa)r)+jsin(ωTa) │H1(z)│=√2[1-COS（ωTa）]=2│sin(πf/Fa)│ 1次噪聲整形后，噪聲以整形前白噪聲值為水平軸呈正弦分布，峰值在過采樣頻率(Fa)一半處，使噪聲向信號帶外高頻端移去。 2.2 2次噪聲整形原理 2次噪聲整形電路是進行2次低頻提升和低頻衰減的電路，即在Δ調制方式l bit量化器的前后，分別加2級積分器和微分器構成的，如同1次噪聲整形簡化方式一樣，電路可等效為圖7。 由圖7可得 Y(z)=W(z)+N(z) w(z)=[1／(1--Z-1)]v(z) V(z)=S(z)-z-lY(z) S(z)=[1／(1-Z-1)]R(z) R(z)=X(z)-z-lY(z) 以上各式經整理可得 Y(z)=X(z)+N(z)(1-Z-1)2所以，│H2(z)│=4│sin2(πf/Fa)│ 可見2次噪聲整形使噪聲分布斜率更加陡峭，低頻區量化噪聲得到進一步降低。 一個采用2次噪聲整形的l bit DAC系列的典型產品是飛利浦的SAA-7320。它主要包括3部分：過采樣、2次噪聲整形電路和脈沖密度調制輸出。采樣頻率由44.1kHz變為11.2896MHz，增大了256倍。同時16bit信號轉換成l bit信號來重建音頻波形。再量化誤差通過反饋來糾正，并通過噪聲整形處理來減少音頻帶內噪聲電子。 3 MASH 噪聲整形方式 在比特流方式中要把量化噪聲進一步推向高頻端，就要用更高次的積分器來提高低頻增益，但是當次數高于3次時，積分器的相位已超過180°，很容易產生自激振蕩。而多級噪聲整形(MASH)方式不是僅靠數字負反饋來減少可聽頻帶內的量化噪聲，而是將負反饋與前饋技術結合起來，達到減少量化噪聲的效果。 前饋是指把與主回路中產生的失真相位相反的失真通過另外的環路(副回路)引到輸出端，與主信號混合，以消除失真的方法。 圖8是l bit D／A變換3次噪聲整形電路，即采用MASH技術的電路。 電路將1次噪聲整形和2次噪聲整形并聯起來。這里把1次噪聲整形電路稱為"環1"，2次噪聲整形電路稱為"環2"。環1通過負反饋，使量化器1輸出的量化噪聲移向高頻端，且降低了低頻區的量化噪聲。環1、環2分別組成前饋的主、副回路。環2的輸入信號是環1的量化噪聲。量化器Q2的輸出信號經過微分器后疊加在環1的輸出上組成最終的輸出信號。因此環1的量化噪聲通過2次噪聲整形電路進行再量化，將再量化噪聲疊加在環1上消除，這樣就可以消除1次噪聲整形電路的量化誤差。 由圖8可得 Y1(z)=X(z)+(1-Z-1)Nl(z) (1) Y2(z)=-N1(z)+(1-Z-1)2N2(z) (2) 式(2)兩邊同乘(1-Z-1)得 (1-Z-1)Y2(z)=-Nl(z)(1-z-1)+(1-Z-1)3N2(Z) (3) 式(3)與(1)式相加得 (1-Z-1)Y2(z)+Yl(z)=X(z)+(1-Z-1)3N2(z) 將2次噪聲整形的輸出經過微分器再加到一次噪聲整形的輸出上，則總的輸出為 Y(Z)=x(z)+(1-Z-1)3N2(z) 可以看出量化誤差從N2(z)具有3次整形特性，相對1，2次噪聲整形，帶內噪聲更少。若要實現4次噪聲整形，可在副路下面再加一個1次噪聲整形電路，其輸入信號是Q2前后的差值，輸出信號經微分后與3次噪聲整形輸出信號相疊加。圖9表示了不同次數噪聲整形電路偏移量化噪聲的特性，圖中F為過采樣頻率。 由圖可以看出，噪聲在f 通過對2種噪聲整形方式的比較，可以看出MASH方式比比特流方式的顯著優點在于能夠穩定地進行高次噪聲整形，但缺點是增加了一個量化器，當副路存在增益誤差時(事實上副路本身會產生噪聲)，不能把主路的量化噪聲完全加以抵消。 采用過采樣和噪聲整形技術的L bit D／A變換已經成為LSI中的一個組成部分并已實用化。l bit 技術運用越來越廣泛，目前l bit D／A，A／D變換，l bit數字擴大機已進入商品化，l bit數字揚聲器也已開始開發和研制。隨著l bit數字技術不斷發展，它必將為數字錄音和放音系統提供更多新型優質的數字音響設備。 |
