NL7811731A

NL7811731A - (b+a)-bits-a/d-omzetter met b-bits-hulp-a/d-omzetter.

Info

Publication number: NL7811731A
Application number: NL7811731A
Authority: NL
Original assignee: Philips Nv
Priority date: 1978-11-30
Filing date: 1978-11-30
Publication date: 1980-06-03
Also published as: IT7927619A0; GB2038123B; AU5314779A; CH652875A5; CA1133637A; GB2038123A; JPS6014536B2; SE437907B; FR2443168A1; NL180895C; DK503479A; US4318086A; DE2947087A1; FR2443168B1; AU528651B2; ATA761679A; IT1127621B; DK159231C; DK159231B; JPS5575345A

Description

4 r! PHN 9291 N.V. Philips'Gloeilampenfabrieken te Eindhoven.

(b+a)-bits-A/D-omzetter met b-bits-hulp-A/D-omzetter.

A._Achtergrond van de uitvinding.

A(1). Gebied van de uitvinding.

De uitvinding heeft betrekking op een analoog-digitaal-omzetter, (afgekort A/D-omzetter), voor het om-5 zetten van een analoog signaal in een digitaal signaal be staande uit een reeks codewoorden die elk een menigvuldigheid aan bits bevatten.

A(2). Beschrijving van de stand van de techniek.

10 A/D-omzetters worden in onderling zeer ver schillende technische gebieden toegepast. Uitvoeringsvoor-beelden van A/D-omzetters zijn te vinden in referentie 1, (zie paragraaf D). In zijn algemeenheid zetten zij een tijdcontinu signaal om in een tijd en amplitude discreet 15 signaal. Voor deze omzetting wordt het analoge signaal be monsterd met een bepaalde bemonsterfrequentie. Elk van de aldus verkregen monsters wordt in een bepaalde tijd, de zogenaamde conversietijd gecodeerd, dat wil zeggen dat uitgaande van dit monster een codewoord of getal wordt 20 samengesteld dat een aantal cijfers -of bits bevat. Om het benodigde aantal bits een vooraf bepaald aantal niet te laten overschrijden, wordt het monster eerst gekwantiseerd, dat wil zeggen dat de grootte van dit monster gelijk wordt gemaakt aan een geheel aantal malen een vooraf bepaalde 25 elementaire spanning of stroom. Deze elementaire spanning of stroom wordt kwantiseringsstapgrootte genoemd. Het codewoord geeft nu aan hoeveel malen de kwantiseringsstapgrootte in het gekwantiseerde monster is begrepen. Het aantal bits van elk van deze codewoorden wordt bepaald 78 1 1 7 3 1 2 PHN 9291 door de afstand tussen de grootste positieve en kleinste negatieve waarde van het te coderen analoge signaal en door de gewenste kwantiseringsstapgrootte. Deze kwantise-ringsstapgrootte op zijn beurt bepaalt de kwantiserings-5 ruis die door het kwantiseringsproces wordt geïntroduceerd.

Deze kwantiseringsruis is, zoals bekend, recht evenredig met de kwantiseringsstapgrootte en zal beneden een vooraf bepaalde drempel moeten liggen. De hoogte van deze drempel wordt vastgesteld als bekend is wat voor soort signaal 10 moet worden gecodeerd. Zo zal bijvoorbeeld bij het coderen van spraaksignalen meer kwantiseringsruis kunnen worden toegelaten dan bij. het coderen van muzieksignalen waarvan na decodering een Hi-Fi kwaliteit wordt verlangd.

In de praktijk wordt de kwantiseringsruis niet 15 als absolute grootheid gehanteerd, maar wordt zij relatief ten opzichte van het signaal beschouwd en wel meer in het bijzonder wordt in de praktijk beschouwd de verhouding tussen signaal en kwantiseringsruis en deze verhouding wordt uitgedrukt in decibels (dB). Deze verhouding zal 20 verder worden aangeduid met SNR en is voor een sinusvormig signaal, zoals bekend, ten naaste bij gelijk aan SNR = (6n-2)dB (l)

Hierbij stelt n het aantal bits van elk van de codewoorden voor.

25

Uit (1) volgt dat naarmate een grotere waarde van SNR wordt verlangd het aantal bits n van elk van de codewoorden groter moet worden. Omdat voor het coderen van een spraaksignaal meer kwantiseringsruis kan worden toege-30 laten dan bij het coderen van een muzieksignaal, worden in de praktijk voor het coderen van een spraaksignaal doorgaans 12-bits-codewoorden genomen, maar worden voor het coderen van een muzieksignaal ten minste 14-bits-codewoorden geëist.

35 Hoe meer bits een codewoord moet bevatten des te groter moet de naüwkeurigheid en stabiliteit zijn van de componenten waarmede de A/D-omzetter wordt geïmplemen- 781 1 7 3 1 * 3 PHN.9291 __________ ____________ teerd en hoe hoger daardoor ook de prijs. Deze prijs vormt nu een belemmering voor de toepassing van deze A/D-omzetters in bijvoorbeeld audio-apparatuur, zoals bijvoorbeeld magnetofoons, voor de consumentenmarkt.

5 In het hierna volgende zal een codewoord dat uit bijvoorbeeld d bits bestaat worden aangeduid met "d-bits-codewoord". Op overeenkomstige wijze zal een A/D-omzetter die is ingericht naar het omzetten van een analoog signaal in d-bits-codewoorden, worden aangeduid 10 met "d-bits-A/D-omzetter".

B,_Samenvatting van de uitvinding.

De uitvinding beoogt een A/D-omzetter aan te geven die op economisch verantwoorde wijze te realiseren is.

15 De A/D-omzetter voor het omzetten van een ana loog signaal, waarvan het frequentiespektrum is gelegen in een bepaalde signaalfrequentieband, in een reeks (b+a)-bits-codewoorden is overeenkomstig de uitvinding voorzien van: 20 a. een ingang voor het ontvangen van genoemd analoge sig naal ; b. integratie- en amplitude-begrenzende-middelen voor het opwekken van een hulpsignaal dat een in amplitude begrensde versie is van het geïntegreerde en aan deze 25 middelen toegevoerde signaal; c. middelen voor het koppelen van de ingang van de integratie- en amplitude-begrenzende-middelen met genoemde analoge signaalingang; d. een hulp-analoog-digitaal-omzetter waaraan genoemde 30 hulpsignaal wordt toegevoerd en die is ingericht voor het omzetten van dit hulpsignaal in een reeks codewoorden die elk b bits bevatten; aan welke hulp-analoog-digitaal omzetter bemonsterpulsen worden toegevoerd die optreden met een bemonsterfrequentie die groter is dan 35 de Nyquist bemonsterfrequentie van het analoge signaal; e. een cascadeschakeling van een digitaal differentie net- 7811731 k PHN 9291 werk en van digitale amplitude-herstellende-middelen die is aangesloten op de uitgang van de hulp-analoog-digitaal-omzetter; f. een digitaal filter dat is gekoppeld met de uitgang van 5 de cascadeschakeling en dat is ingericht voor het on derdrukken van buiten de signaalfrequentieband gelegen frequentiecomponenten en voor het afgevan van genoemde (b+a)-bits-codewoorden.

Met de analoog-digitaal-omzetter volgens de 10 uitvinding wordt een (b+a)-bits-A/D-omzetting gerealiseerd, terwijl daartoe gebruik wordt gemaakt van een in het algemeen goedkopere en eenvoudiger b-bits-hulp-A/D-omzetter.

Om toch een signaal-kwantiseringsruis-verhouding te verkrijgen behorende bij een (b+a)-bits-A/D-omzetter, wordt 15 een voorbewerking uitgevoerd op het analoge ingangssignaal, alvorens dit signaal aan de hulp-A/D-omzetter toe te voeren. Op het uitgangssignaal van de hulp-A/D-omzetter wordt vervolgens nog een nabewerking uitgevoerd. Door de nabewerking wordt het kwantiseringsruissignaal dat door de A/D-omzetter 20 wordt geïntroduceerd verplaatst naar een zodanige frequen- tieband dat zij door het digitale filter kan worden onder-. drukt. De voorbewerking dient er voor om de genoemde onderdrukking van het ruissignaal te realiseren zonder beïnvloeding van het gewenste signaal.

25 C, Korte beschrijving van de figuren.

Fig. 1 toont schematisch de opbouw van een A/D-omzetter;

Fig. 2 toont schematisch het vermogensspektrum van een analoog signaal; 30 Fig. 3 toont één periode van het vermogens spektrum van een tijd-discreet en amplitude-continu signaal ;

Fig. k toont één periode van het vermogensspektrum van een tijd- en amplitude-discreet signaal en 35 het door het discretiseren van de amplitude geïntroduceerde ruissignaalvermogensspektrum; 78 1 1 7 3 1 5 PHN .929.1....................... ......................................................

Fig. 5 toont één periode van het uitgangssignaal van de A/D-omzetter van fig. 1 indien daaraan het in fig. 2 weergegeven analoge signaal wordt toegevoerd en de bemonsterfrequentie f gelijk is aan 2ΝΓχ met N = 2; 5 Fig. 6 toont het symbool van een decimator;

Fig. 7 toont één periode van het vermogens-spektrum van het uitgangssignaal van de in fig. 6 weergegeven decimator indien daaraan een signaal wordt toegevoerd met het in fig. 5 weergegeven vermogensspektrum; 10 Fig. 8 toont schematisch de algemene opbouw van de analoog-digi^aal-omzetter volgens de uitvinding;

Fig. 9 toont het verloop van de in uitdrukking (25) voorkomende funktie sin^(2)ffT/2);

Fig. 10 toont het in uitdrukking (32) gede-15 finieerde verband tussen het aantal extra bits a en de verhogingsfaktor N van de bemonsterfrequentie;

Fig. 11 toont schematisch een modificatie van de in fig. 8 weergegeven analoog-digitaal-omzetter;

Fig. 12 toont grafisch het verloop van een 20 periodieke amplitude-begrenzings-funktie die in elke periode niet-lineair is;

Fig. 13 toont grafisch het verloop van een periodieke amplitude-begrenzings-funktie die in elke periode lineair is; 25 Fig. 14 toont een vereenvoudiging van de in fig. 11 weergegeven A/D-omzetter;

Fig. 15 toont meer in detail een uitvoerings-voorbeeld van de cascadeschakeling die gevormd wordt door het integrerende netwerk en de amplitude-begrenzings-30 inrichting met lineaire periodieke begrenzingsfunktie;

Fig. 16 toont een driehoek-vormige begrenzingsfunktie voor toepassing in de A/D-omzetter die in fig. 8 is weergegeven;

Fig. 17 toont het voorkeursuitvoeringsvoorbeeld 35 van de A/D -omzetter;

Fig. 18 toont in detail een uitvoeringsvoorbeeld van de voorbewerkingsinrichting voor toepassing in 78 1 1 7 3 1

Claims

1. Analoog-digitaal-omzetter voor het omzetten van een analoog signaal, waarvan het frequentiespektrum is gelegen in een bepaalde signaalfrequentieband, in een reeks codewoorden die elk b+a bits bevatten, met het kenmerk, dat deze analoog-digitaal-omzetter is voorzien van: a. een ingang voor het ontvangen van genoemde analoge sig- , naai; 781 1 7 31 PHN 9291__________ _______________________________________________________ _ ..................... b, integratie- en amplitude-begrenzende-middelen voor het opwekken van een hulpsignaal dat een in amplitude begrensde versie is van het geïntegreerde en aan deze middelen toegevoerde signaal; 5 c. middelen voor het koppelen van de ingang van de integra tie- en amplitude-begrenzende-middelen met genoemde analoge signaalingang; d. een hulp-analoog-digitaal-omzetter waaraan genoemd hulpsignaal wordt toegevoerd en die is ingericht voor het 10 omzetten van dit hulpsignaal in een reeks codewoorden die elk b bits bevatten; aan welke hulp-analoog-digitaal-om-zetter bemonsterpulsen worden toegevoerd die optreden met een bemonsterfrequentie die groter is dein de Nyquist bemonster frequent ie van het analoge signaal; 15 e. een cascadeschakeling van een digitaal differentie- netwerk en van digitale amplitude-herstellende-middelen die is aangesloten op de uitgang van de hulp-analoog-digitaal-omzetter ; f. een digitaal filter dat is gekoppeld met de uitgang van 20 de cascadeschakeling en dat is ingericht voor het onder drukken van buiten de signaalfrequentieband gelegen frequentiecomponenten en voor het afgeven van genoemde (b+a)-bits codewoorden.

2. Analoog-digitaal-omzetter volgens conclusie 25 1, met het kenmerk, dat de funktie die het verband be schrijft tussen het hulpsignaal dat door de integratie-en amplitude-begrenzende-middelen wordt geleverd en de geïntegreerde waarde van het aan deze middelen toegevoerde signaal een periodieke funktie is. 30 3· Analoog-digitaal-omzetter volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat genoemde amplitude-herstellende-middelen een optelinrichting bevatten waarvan een eerste ingang is aangesloten op de uitgang van het differentie-netwerk en waarvan de uitgang is gekoppeld met de ingang 35 van het digitale filter. k. Analoog-digitaal-omzetter volgens conclu sie 3» met het kenmerk, dat de uitgang van het differentie- 78 1 1 7 3 1 PHN 9291 netwerk tevens is aangesloten op een polariteitdetector-schakeling die een schakelinrichting bestuurt via dewelke een eerste, dan wel een tweede referentiegetal aan een tweede ingang van de optelinrichting wordt toegevoerd in 5 afhankelijkheid van de polariteit van de door het diffe- rentie-netwerk geleverde getallen.

5· Analoog-digitaal-omzetter volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat genoemde koppelmiddelen zijn voorzien van een optelinrichting waaraan een constant referen-10 tie signaal wordt toegevoerd.

6. Analoog-digitaal-omzetter volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat genoemde digitale filter wordt gevormd door een decimerend filter. 78 1 1 7 3 1