CN104682918A - 取样率转换器与用于其中的比率估测器及其比率估测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种取样率转换器与用于其中的比率估测器及其比率估测方法。取样率转换器用以接收具有输入取样频率的输入讯号，并产生具有输出取样频率的输出讯号，取样率转换器包含：比率估测器、多项式插值计算电路、上取样滤波器、以及下取样滤波器。其中，比率估测器包括：减法器，用以根据输入频率讯号与第二阶比率讯号，产生误差讯号；第一阶积分器，与减法器耦接，并根据误差讯号，产生第一阶比率讯号；以及第二阶积分器，与第一阶积分器耦接，并根据第一阶比率讯号，产生第二阶比率讯号。

Description

取样率转换器与用于其中的比率估测器及其比率估测方法

技术领域

本发明涉及一种取样率转换器与用于其中的比率估测器及其比率估测方法；特别是指一种不需要缓存器储存转换数据的取样率转换器与用于其中的比率估测器及其比率估测方法。

背景技术

一般而言，取样率转换器用以转换具有不同取样频率的数字讯号。举例而言，声音光盘(compact disc,CD)的数据格式，具有取样频率44.1kHz；而数字音频磁带(digital audio tape,DAT)的数据格式，则具有48kHz的取样频率。若要将具有CD数据格式的音频数据，转换为具有DAT数据格式的音频数据，则其取样频率需要被转换以得到正常的音频数据。避免在音频数据转换后，听到“加速”或“减速”的声音。

一种典型的取样率转换器，为异步取样率转换器(asynchronoussample rate convertor,ASRC)。ASRC将输入的讯号，通过插值计算，还原为取样频率高的转换数据，并将转换数据储存于缓存器中。再以输出的数字讯号所需要的取样频率，读取缓存器中的转换数据，即可顺利转换具有不同取样频率的数字讯号。

图1示意取样率转换器的转换方法。如图1所示，实线箭号示意具有输入取样频率的输入讯号，虚线箭号示意具有输出取样频率的输出讯号。通过多项式插值计算电路对输入讯号的插值运算，可以得到取样点较多的转换数据讯号，并将转换数据讯号输入缓存器中，成为转换数据。再根据比率讯号与转换数据，产生具有输出取样频率的输出讯号，如图中虚线箭号所示意。若频宽有限，转换数据是可以还原原来的讯号的，利用插值运算与输入取样频率及输出取样频率的比率，可以将转换资料转换为不同取样频率，以应用于不同的数据格式。

美国专利案第7,948,405号所揭示的取样率转换器包含缓存器。如图2所示意，将转换数据储存于暂存记中，也就是利用输入取样频率产生输入讯号指标，以将输入数据写入缓存器中，并以插值运算将转换数据储存至此缓存器。再利用输出取样频率产生输出讯号指标，以将输出数据读出。

然而，为避免发生读取数据的输出讯号指标超越写入数据的输入讯号指标，造成读取已经读过的数据；或是写入数据的输入讯号指标超越读取数据的输出讯号指标，造成未读取的数据被覆写。所以，前述ASRC需要储存容量很大的缓存器，以储存转换数据，并不符合经济效益。因此，本发明就现有技术的不足，提出一种取样率转换器与用于其中的比率估测器及其比率估测方法。不需要利用缓存器，而可以降低制造成本，并提高取样率转换的效率。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足与缺陷，提出一种取样率转换器与用于其中的比率估测器及其比率估测方法。不需要利用缓存器，而可以降低制造成本，并提高取样率转换的效率。

为达上述目的，就其中一观点言，本发明提供了一种取样率转换器，用以接收具有一输入取样频率的一输入讯号，并产生具有一输出取样频率的一输出讯号，该取样率转换器包含：一比率估测器，用以接收一输入频率讯号与一输出频率讯号，并产生一比率讯号，其中，该输入频率讯号对应该输入取样频率，该输出频率讯号对应该输出取样频率，且该比率讯号相关于该输入取样频率与该输出取样频率；一多项式插值计算电路，与该比率估测器耦接，用以根据一转换数据讯号与该比率讯号，产生一多项式插值讯号；一上取样滤波器，与该多项式插值计算电路耦接，并根据该输入讯号，以产生该转换数据讯号；以及一下取样滤波器，与该多项式插值计算电路耦接，并根据该多项式插值讯号，以产生该输出讯号；其中，该比率估测器包括：一减法器，用以根据该输入频率讯号与一第二阶比率讯号，产生一误差讯号；一第一阶积分器，与该减法器耦接，并根据该误差讯号，产生一第一阶比率讯号；以及一第二阶积分器，与该第一阶积分器耦接，并根据该第一阶比率讯号，产生该第二阶比率讯号。

为达上述目的，就另一观点言，本发明也提供一种用于取样率转换器的一比率估测器，该取样率转换器用以接收具有一输入取样频率的一输入讯号，并产生具有一输出取样频率的一输出讯号，该比率估测器用以接收一输入频率讯号与一输出频率讯号，并产生一比率讯号，其中，该输入频率讯号对应该输入取样频率，该输出频率讯号对应该输出取样频率，且该比率讯号相关于该输入取样频率与该输出取样频率，该比率估测器包含：一减法器，用以根据该输入频率讯号与一第二阶比率讯号，产生一误差讯号；一第一阶积分器，与该减法器耦接，并根据该误差讯号，产生一第一阶比率讯号；以及一第二阶积分器，与该第一阶积分器耦接，并根据该第一阶比率讯号，产生该第二阶比率讯号。

在其中一种较佳的实施型态中，该比率估测器还包含一输入积分器，与该减法器耦接，用以接收该输入频率讯号，以产生一归一化讯号，输入该减法器。

在其中一种较佳的实施型态中，该比率估测器还包含一截取电路，与该减法器耦接，用以接收该第二阶比率讯号，以产生该比率讯号。

在前述的实施型态中，该第一阶积分器较佳地根据以下运算，将该误差讯号转换为该第一阶比率讯号：

$\mathrm{Ti}=[K_P+\frac{K_I}{1-z^{-1}}](1-\mathrm{\ΣT})$

其中，Ti为该第一阶比率讯号，K_P为一比例增益，K_I为一积分增益，z为一z转换常数，1-ΣT为该误差讯号，ΣT为该第二阶比率讯号。

在前述的实施型态中，该第二阶积分器较佳地根据以下运算，将该第一阶比率讯号转换为该第二阶比率讯号：

$\mathrm{\ΣT}=\mathrm{Ti}\×\frac{1}{1-z^{-1}}$

其中，Ti为该第一阶比率讯号，z为一z转换常数，ΣT为该第二阶比率讯号。

在其中一种较佳的实施型态中，该第一阶积分器包括：一第一乘法器，与该减法器耦接，用以将该误差讯号与一比例增益作乘法运算，而产生一比例比率讯号；一第二乘法器，与该减法器耦接，用以将该误差讯号与一积分增益作乘法运算，用以产生一积分比率讯号；一加法器，与该第一乘法器耦接，用以根据该比例比率讯号与该积分比率讯号，产生该第一阶比率讯号；一开关，与该第二阶积分器耦接，用以根据一开关控制讯号，而决定将该第一阶比率讯号传回该第一阶积分器。

为达上述目的，就另一观点言，本发明也提供一种用于取样率转换器的比率估测器的一比率估测方法，其中，该种取样率转换器用以接收具有一输入取样频率的一输入讯号，并产生具有一输出取样频率的一输出讯号，其中，该比率估测器，用以接收一输入频率讯号与一输出频率讯号，并产生一比率讯号，其中，该输入频率讯号对应该输入取样频率，该输出频率讯号对应该输出取样频率，且该比率讯号相关于该输入取样频率与该输出取样频率，该取样率转换器的比率估测器的比率估测方法包含：根据该输入频率讯号与一第二阶比率讯号，产生一误差讯号；根据该误差讯号，产生一第一阶比率讯号；以及根据该第一阶比率讯号，产生该第二阶比率讯号。

在其中一种较佳的实施型态中，该根据该输入频率讯号与该第二阶比率讯号，产生该误差讯号的步骤，还包含：根据该输入频率讯号，产生一归一化讯号。

在其中一种较佳的实施型态中，该方法还包含：根据该第二阶比率讯号，以产生该比率讯号。

在前述的实施型态中，该根据该误差讯号，产生该第一阶比率讯号的步骤，较佳地根据以下运算，将该误差讯号转换为该第一阶比率讯号：

$\mathrm{Ti}=[K_P+\frac{K_I}{1-z^{-1}}](1-\mathrm{\ΣT})$

其中，Ti为该第一阶比率讯号，K_P为一比例增益，K_I为一积分增益，z为一z转换常数，1-ΣT为该误差讯号，ΣT为该第二阶比率讯号。

在前述的实施型态中，该根据该第一阶比率讯号，产生该第二阶比率讯号的步骤，较佳地根据以下运算，将该第一阶比率讯号转换为该第二阶比率讯号：

$\mathrm{\ΣT}=\mathrm{Ti}\×\frac{1}{1-z^{-1}}$

其中，Ti为该第一阶比率讯号，z为一z转换常数，ΣT为该第二阶比率讯号。

在其中一种较佳的实施型态中，该根据该输入频率讯号与一第二阶比率讯号，产生一误差讯号的步骤，包括：将该误差讯号与一比例增益作乘法运算，而产生一比例比率讯号；将该误差讯号与一积分增益作乘法运算，用以产生一积分比率讯号；根据该比例比率讯号与该积分比率讯号，产生该第一阶比率讯号；根据一开关控制讯号，而决定将该第一阶比率讯号传回。

附图说明

图1示意取样率转换器的转换方法；

图2示意现有技术的缓存器的操作方式；

图3与图4显示本发明第一个实施例；

图5显示本发明第二个实施例；

图6显示本发明第三个实施例。

图中符号说明

10        取样率转换器

12,22     比率估测器

14        多式插值计算电路

16        上取样滤波器

18        下取样滤波器

122,222   减法器

124,224   第一阶积分器

126.226   第二阶积分器

127       输入积分器

128       截取电路

2241,2242 乘法器

2243,2245 加法器

2244      开关

2246,2261 控制模块

e         误差讯号

ΣT        第二阶比率讯

Ti        第一阶比率讯号

具体实施方式

图3与图4显示本发明的第一个实施例。如图3所示，取样率转换器10用以将具有输入取样频率的输入讯号，转换为具有输出取样频率的输出讯号。本实施例显示取样率转换器10包含比率估测器12、多项式插值计算电路14、上取样滤波器16、以及下取样滤波器18。比率估测器12用以接收输入频率讯号与输出频率讯号，并产生比率讯号，其中，输入频率讯号对应输入取样频率，输出频率讯号对应输出取样频率，且比率讯号相关于输入取样频率与输出取样频率，例如但不限于为输入取样频率与输出取样频率的比值。上取样滤波器16接收具有输入取样频率的输入讯号，并通过对输入讯号增加取样，产生转换数据讯号，以输入多项式插值计算电路14。多项式插值计算电路14根据比率讯号，对转换数据作例如但不限于插值运算，并据以产生多项式插值讯号。下取样滤波器18根据多项式插值讯号，产生具有输出取样频率的输出讯号。

图4显示本实施例中，比率估测器12的示意图。如图4所示，比率估测器12包括：减法器122、第一阶积分器124、与第二阶积分器126。减法器122用以根据输入频率讯号与第二阶比率讯号ΣT，产生误差讯号e。例如，减法器122将归一化(normalization)后的输入频率讯号，减去第二阶比率讯号ΣT，产生误差讯号e。第一阶积分器124与减法器122耦接，并根据误差讯号e，产生第一阶比率讯号Ti。其中，第一阶积分器124例如但不限于根据以下运算，将误差讯号e转换为第一阶比率讯号Ti：

$\mathrm{Ti}=[K_P+\frac{K_I}{1-z^{-1}}](1-\mathrm{\ΣT})$

其中，K_P为比例增益，K_I为积分增益，z为z转换常数，1-ΣT为误差讯号e，ΣT为第二阶比率讯号。

而第二阶积分器126接收输出频率讯号与第一阶比率讯号Ti，并例如但不限于根据以下运算，将第一阶比率讯号Ti转换为第二阶比率讯号ΣT：

$\mathrm{\ΣT}=\mathrm{Ti}\×\frac{1}{1-z^{-1}}$

其中，输出频率讯号例如但不限于输入第一阶积分器124，亦可以输入第二阶积分器126。

本发明与现有技术不同之处，主要在于本发明利用两个阶层的积分器回路(第一阶积分器与第二阶积分器)，使误差讯号e在稳态下趋于零，而欲估计的比率讯号可存于第一阶积分器或第二阶积分器中，因此不需要缓存器储存大量的数据。

请参阅图5，显示本发明的第二个实施例。本实施例与第一个实施例不同之处在于，在本实施例中，比率估测器12更包含输入积分器127与截取电路128。其中，输入积分器127与减法器122耦接，用以接收输入频率讯号，以产生归一化讯号，输入减法器122。所谓归一化讯号，指的是对减法器122而言，值为1的讯号。如此一来，误差讯号e即为1-ΣT，符合前述公式。而截取电路128与减法器122耦接，用以接收第二阶比率讯号ΣT，以产生该比率讯号。而截取电路128例如对第二阶比率讯号ΣT执行去整数部分，留下小数部分的运算，确保比率讯号的值小于1，如此一来，可确保多项式插值计算电路14根据比率讯号对转换数据作插值运算时，并据以产生具有输出取样频率的输出讯号，可以直接转换，不需要缓存器，也不会有读取已经读过的数据，或是未读取的数据被覆写等问题。需说明的是，输入积分器127与截取电路128不必须同时存在比率估测器12中，比率估测器12亦可以只包括输入积分器127或截取电路128其中的一个电路。

图6显示本发明第三个实施例。如图6所示，比率估测器22包括：减法器222、第一阶积分器224、第二阶积分器226、输入积分器127、与截取电路128。其中，第一阶积分器224包括：乘法器2241、乘法器2242、加法器2243、开关2244、加法器2245、与控制模块2246。于正常操作模式时，开关控制讯号切换开关2244，使乘法器2242经过加法器2245耦接至控制模块2246。乘法器2241与减法器222耦接，用以将误差讯号e与比例增益K_P作乘法运算，而产生比例比率讯号K_P*e。乘法器2242与减法器222耦接，用以将误差讯号e与积分增益K_I作乘法运算，并经过包含控制模块2246的控制循环，以产生积分比率讯号K_I*(1-ΣT)/(1-z-1)。加法器2243分别与乘法器2241及控制模块2246耦接，并将比例比率讯号K_P*e与积分比率讯号K_I*(1-ΣT)/(1-z-1)作加法运算，产生第一阶比率讯号Ti。根据开关控制讯号，例如在控制系统进入较为稳定的状态，而需要对比率讯号的目标值作更精密的控制时，需要改变比例增益K_P与积分增益K_I的值，例如但不限于降低比例增益K_P与积分增益K_I的值时，而开关控制讯号操作开关2244，使控制模块2246与第二阶积分器226耦接，而决定将第一阶比率讯号Ti传回第一阶积分器224中控制模块2246，作为比例增益K_P与积分增益K_I的值改变后的初始值。在本实施例中，第二阶积分器226包含控制模块2261与加法器2262，使得第二阶积分器226根据以下运算，将第一阶比率讯号Ti转换为第二阶比率讯号ΣT：

$\mathrm{\ΣT}=\mathrm{Ti}\×\frac{1}{1-z^{-1}}$

其中，截取电路128对第二阶比率讯号ΣT执行去整数部分，留下小数部分的运算，确保比率讯号的值小于1。

需说明的是，根据控制系统理论，大于二阶的控制回路都可使误差讯号e收敛至零，而比率讯号(例如为第二阶比率讯号ΣT)因为不需要太大的记忆容量，可存于积分器中。由于误差讯号e会收敛至零，因此输入积分器127是可省略的，但输入积分器127可加快开始操作时，比率讯号的收敛速度。也因为误差讯号e收敛至零，因此需要运算的讯号也不受限于系统的频宽。这些皆为本发明优于现有技术之处。

以上已针对较佳实施例来说明本发明，只是以上所述，仅为使本领域技术人员易于了解本发明的内容，并非用来限定本发明的权利范围。在本发明的相同精神下，本领域技术人员可以思及各种等效变化。例如，各实施例中图标直接连接的两电路或元件间，可插置不影响主要功能的其它电路或元件。凡此种种，皆可根据本发明的教示类推而得，因此，本发明的范围应涵盖上述及其它所有等效变化。

Claims (18)

1.一种取样率转换器，用以接收具有一输入取样频率的一输入讯号，并产生具有一输出取样频率的一输出讯号，其特征在于，该取样率转换器包含：

一比率估测器，用以接收一输入频率讯号与一输出频率讯号，并产生一比率讯号，其中，该输入频率讯号对应该输入取样频率，该输出频率讯号对应该输出取样频率，且该比率讯号相关于该输入取样频率与该输出取样频率；

一多项式插值计算电路，与该比率估测器耦接，用以根据一转换数据讯号与该比率讯号，产生一多项式插值讯号；

一上取样滤波器，与该多项式插值计算电路耦接，并根据该输入讯号，以产生该转换数据讯号；以及

一下取样滤波器，与该多项式插值计算电路耦接，并根据该多项式插值讯号，以产生该输出讯号；

其中，该比率估测器包括：

一减法器，用以根据该输入频率讯号与一第二阶比率讯号，产生一误差讯号；

一第一阶积分器，与该减法器耦接，并根据该误差讯号，产生一第一阶比率讯号；以及

一第二阶积分器，与该第一阶积分器耦接，并根据该第一阶比率讯号，产生该第二阶比率讯号。

2.如权利要求1所述的取样率转换器，其中，该比率估测器还包含一输入积分器，与该减法器耦接，用以接收该输入频率讯号，以产生一归一化讯号，输入该减法器。

3.如权利要求1所述的取样率转换器，其中，该比率估测器还包含一截取电路，与该减法器耦接，用以接收该第二阶比率讯号，以产生该比率讯号。

4.如权利要求2所述的取样率转换器，其中，该第一阶积分器根据以下运算，将该误差讯号转换为该第一阶比率讯号：

$\mathrm{Ti}=[K_P+\frac{K_I}{1-z^{-1}}](1-\mathrm{\ΣT})$

其中，Ti为该第一阶比率讯号，K_P为一比例增益，K_I为一积分增益，z为一z转换常数，1-ΣT为该误差讯号，ΣT为该第二阶比率讯号。

5.如权利要求2所述的取样率转换器，其中，该第二阶积分器根据以下运算，将该第一阶比率讯号转换为该第二阶比率讯号：

$\mathrm{\ΣT}=\mathrm{Ti}\×\frac{1}{1-z^{-1}}$

其中，Ti为该第一阶比率讯号，z为一z转换常数，ΣT为该第二阶比率讯号。

6.如权利要求1所述的取样率转换器，其中，该第一阶积分器包括：

一第一乘法器，与该减法器耦接，用以将该误差讯号与一比例增益作乘法运算，而产生一比例比率讯号；

一第二乘法器，与该减法器耦接，用以将该误差讯号与一积分增益作乘法运算，用以产生一积分比率讯号；

一加法器，与该第一乘法器耦接，用以根据该比例比率讯号与该积分比率讯号，产生该第一阶比率讯号；

一开关，与该第二阶积分器耦接，用以根据一开关控制讯号，而决定将该第一阶比率讯号传回该第一阶积分器。

7.一种用于取样率转换器的一比率估测器，该取样率转换器用以接收具有一输入取样频率的一输入讯号，并产生具有一输出取样频率的一输出讯号，该比率估测器用以接收一输入频率讯号与一输出频率讯号，并产生一比率讯号，其中，该输入频率讯号对应该输入取样频率，该输出频率讯号对应该输出取样频率，且该比率讯号相关于该输入取样频率与该输出取样频率，其特征在于，该比率估测器包含：

一减法器，用以根据该输入频率讯号与一第二阶比率讯号，产生一误差讯号；

一第一阶积分器，与该减法器耦接，并根据该误差讯号，产生一第一阶比率讯号；以及

一第二阶积分器，与该第一阶积分器耦接，并根据该第一阶比率讯号，产生该第二阶比率讯号。

8.如权利要求7所述的用于取样率转换器的比率估测器，其中，还包含一输入积分器，与该减法器耦接，用以接收该输入频率讯号，以产生一归一化讯号，输入该减法器。

9.如权利要求7所述的用于取样率转换器的比率估测器，其中，该比率估测器还包含一截取电路，与该减法器耦接，用以接收该第二阶比率讯号，以产生该比率讯号。

10.如权利要求8所述的用于取样率转换器的比率估测器，其中，该第一阶积分器根据以下运算，将该误差讯号转换为该第一阶比率讯号：

$\mathrm{Ti}=[K_P+\frac{K_I}{1-z^{-1}}](1-\mathrm{\ΣT})$

其中，Ti为该第一阶比率讯号，K_P为一比例增益，K_I为一积分增益，z为一z转换常数，1-ΣT为该误差讯号，ΣT为该第二阶比率讯号。

11.如权利要求8所述的用于取样率转换器的比率估测器，其中，该第二阶积分器根据以下运算，将该误差讯号转换为该第一阶比率讯号：

$\mathrm{\ΣT}=\mathrm{Ti}\×\frac{1}{1-z^{-1}}$

其中，Ti为该第一阶比率讯号，z为一z转换常数，ΣT为该第二阶比率讯号。

12.如权利要求7所述的用于取样率转换器的比率估测器，其中，该第一阶积分器包括：

一第一乘法器，与该减法器耦接，用以将该误差讯号与一比例增益作乘法运算，而产生一比例比率讯号；

一第二乘法器，与该减法器耦接，用以将该误差讯号与一积分增益作乘法运算，用以产生一积分比率讯号；

一加法器，与该第一乘法器耦接，用以根据该比例比率讯号与该积分比率讯号，产生该第一阶比率讯号；

一开关，与该第二阶积分器耦接，用以根据一开关控制讯号，而决定将该第一阶比率讯号传回该第一阶积分器。

13.一种用于取样率转换器的比率估测器的一比率估测方法，其中，该种取样率转换器用以接收具有一输入取样频率的一输入讯号，并产生具有一输出取样频率的一输出讯号，其中，该比率估测器，用以接收一输入频率讯号与一输出频率讯号，并产生一比率讯号，其中，该输入频率讯号对应该输入取样频率，该输出频率讯号对应该输出取样频率，且该比率讯号相关于该输入取样频率与该输出取样频率，其特征在于，该取样率转换器的比率估测器的比率估测方法包含：

根据该输入频率讯号与一第二阶比率讯号，产生一误差讯号；

根据该误差讯号，产生一第一阶比率讯号；以及

根据该第一阶比率讯号，产生该第二阶比率讯号。

14.如权利要求13所述的用于取样率转换器的比率估测器的比率估测方法，其中，该根据该输入频率讯号与该第二阶比率讯号，产生该误差讯号的步骤，还包含：根据该输入频率讯号，产生一归一化讯号。

15.如权利要求13所述的用于取样率转换器的比率估测器的比率估测方法，其中，还包含：根据该第二阶比率讯号，以产生该比率讯号。

16.如权利要求14所述的用于取样率转换器的比率估测器的比率估测方法，其中，该根据该误差讯号，产生该第一阶比率讯号的步骤，根据以下运算，将该误差讯号转换为该第一阶比率讯号：

$\mathrm{Ti}=[K_P+\frac{K_I}{1-z^{-1}}](1-\mathrm{\ΣT})$

其中，Ti为该第一阶比率讯号，K_P为一比例增益，K_I为一积分增益，z为一z转换常数，1-ΣT为该误差讯号，ΣT为该第二阶比率讯号。

17.如权利要求14所述的用于取样率转换器的比率估测器的比率估测方法，其中，该根据该第一阶比率讯号，产生该第二阶比率讯号的步骤，根据以下运算，将该第一阶比率讯号转换为该第二阶比率讯号：

$\mathrm{\ΣT}=\mathrm{Ti}\×\frac{1}{1-z^{-1}}$

其中，Ti为该第一阶比率讯号，z为一z转换常数，ΣT为该第二阶比率讯号。

18.如权利要求13所述的用于取样率转换器的比率估测器的比率估测方法，其中，该根据该输入频率讯号与一第二阶比率讯号，产生一误差讯号的步骤，包括：

将该误差讯号与一比例增益作乘法运算，而产生一比例比率讯号；

将该误差讯号与一积分增益作乘法运算，用以产生一积分比率讯号；

根据该比例比率讯号与该积分比率讯号，产生该第一阶比率讯号；

根据一开关控制讯号，而决定将该第一阶比率讯号传回。