[发明专利]浮点量化数字信号的降位转换方法及转换器

说明书

技术领域

本发明涉及一种浮点量化数字信号的降位转换方法及转换器，具体地说是一种将均匀量化的数字信号降位转换为浮点量化数字信号及转换器，属于数字信号处理的技术领域。

背景技术

在数字信号处理领域中，目前广泛使用的是基于AD/DA转换器及其采样、量化技术，并且普遍采用均匀量化的方式和使用定点数据的表示方法，所述均匀量化的量化器输入输出特性如图1所示，其中标称量Δ为量化步长q₀的整数倍。众所周知，计算机通常采用浮点数的计算格式，特别是二进制的浮点数表示形式。针对二进制的浮点量化方式，所述浮点数量化器输入输出特性如图2所示。由于信号的量化方式存在差异，当外部均匀量化后的定点数据输入计算机处理以及输出时都存在数据量化的转换过程，而其中以均匀量化向浮点量化的转换最为关键。这类应用的典型范例如音频数据的采集、处理和转换，计算机控制系统设计等等。

在数字信号处理系统中，信号是由长度有限的二进制数来表示，这个表示过程也就是一种信号的量化过程，信号的量化不仅存在于数据的采集和传送中，科学计算和数据的转换中都有量化过程。按信号量化方式的不同，分为均匀量化和非均匀量化两种。均匀量化是目前应用最广泛的一种方式，其量化步长q₀始终是不变的，量化误差服从区间[-q₀/2 q₀/2]上的均匀分布，是一种简单可靠的数据表示方法。均匀量化的特点是对所有信号保持相同的量化噪声特性，量化计算方式简单。

非均匀量化是指量化区间不均匀分布的量化方式，常用的有对数量化区间方法，二进制的浮点量化就是一种对数量化方式，如图2所示，设信号字长为N_F，所述信号字长N_F包括尾数字长p+1和指数字长n，如IEEE标准单、双精度浮点数的p和n分别为23位(不含藏首位)、8位和52位(不含藏首位)、11位。设浮点量化器的最小量化步长为q，一般q选为字长N_F所能表示的最小浮点数，Δ＝2^p+1q为量化器的单位标称数。浮点量化是一个强非线性映射过程，其量化误差不再满足均匀分布，只能近似地估计量化误差的各阶矩，如其中x为输入信号，C为常数，约为0.18，因此浮点量化器的量化噪声功率与输入信号的功率成正比。非均匀量化的实现是通过对输入信号的压缩(compression)、均匀量化和扩展(expansion)三个环节达到，特别是在数字通信领域，存在着两种标准：欧洲的A-律和美国的μ-律。

通过比较均匀量化器和浮点量化器的特征可知，均匀量化器的量化范围一般要比浮点量化器的范围小，量化过程简单易实现，能提供相同量化噪声的统计特征。但均匀量化器的缺点也很明显：由于量化区间和步长是常数，对低幅值的信号量化效果不佳，如一般的音频信号，通常50％以上的时间音量较低，幅值小，使用均匀量化器后有许多量化电压没有用上，而浮点量化器对低幅值信号可以提供更精细的量化结果，同时可以保证信号的量化信噪比维持不变。

目前的AD/DA转换器在采样和量化过程中使用的基本上是均匀量化方式，如音频和图像数据的采集、计算机控制系统中物理信号的检测和监控等，很少直接使用非均匀量化器，然而这些数字信号在进一步处理、计算和转换过程中需要用浮点数形式来完成，因此要将这些均匀量化的数字信号转换为浮点表示的数字信号。通常最直接的方法就是采用补零或移位等技术生成与计算机软件字长相匹配的浮点数，完成浮点量化过程。为进一步发挥浮点量化的优势，减少数字信号转换和计算中的开销，应当考虑根据信噪比或转换条件的需求，将均匀量化的数字信号降位转换为浮点量化的数字信号，在信噪比足够高的情形下达到高效、科学地节省转换空间的目的。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中存在的不足，提供一种浮点量化数字信号的降位转换方法及转换器，其能够节省信号转换所需的空间和计算资源，且能够保证数字信号降位后的信噪比。

按照本发明提供的技术方案，所述浮点量化数字信号的降位转换方法，所述降位转换方法包括如下步骤：

a、检测均匀量化器输出的均匀量化数字信号，得到所述均匀量化数字信号相对应的字长N和量化步长q₀；

b、设定浮点量化器的字长N_F，使浮点量化器的字长N_F≤N-1；