RU2353053C1 - Digit-to-analogue conversion method for sub-sampling bandpass signals and associated device (versions) - Google Patents
Digit-to-analogue conversion method for sub-sampling bandpass signals and associated device (versions) Download PDFInfo
- Publication number
- RU2353053C1 RU2353053C1 RU2007125095/09A RU2007125095A RU2353053C1 RU 2353053 C1 RU2353053 C1 RU 2353053C1 RU 2007125095/09 A RU2007125095/09 A RU 2007125095/09A RU 2007125095 A RU2007125095 A RU 2007125095A RU 2353053 C1 RU2353053 C1 RU 2353053C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- digital
- signal
- bit
- signals
- inputs
- Prior art date
Links
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 title claims abstract description 37
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 28
- 238000005070 sampling Methods 0.000 title abstract description 21
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 claims abstract description 8
- 230000002829 reductive effect Effects 0.000 abstract description 3
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract 1
- 238000004870 electrical engineering Methods 0.000 abstract 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 230000004044 response Effects 0.000 description 10
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 10
- 230000008569 process Effects 0.000 description 4
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 3
- 230000008859 change Effects 0.000 description 3
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 3
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 2
- 238000004891 communication Methods 0.000 description 2
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 2
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 2
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 2
- 230000002238 attenuated effect Effects 0.000 description 1
- 230000008030 elimination Effects 0.000 description 1
- 238000003379 elimination reaction Methods 0.000 description 1
- 238000001914 filtration Methods 0.000 description 1
- 230000002452 interceptive effect Effects 0.000 description 1
- 230000002441 reversible effect Effects 0.000 description 1
- 238000004904 shortening Methods 0.000 description 1
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 description 1
- 230000001629 suppression Effects 0.000 description 1
- 230000009466 transformation Effects 0.000 description 1
- 238000000844 transformation Methods 0.000 description 1
Images
Landscapes
- Analogue/Digital Conversion (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к так называемым гибридным системам обработки сигналов, в которых используется переход от аналоговой формы сигнала к цифровой (аналого-цифровое преобразование) и обратный переход от цифровой формы представления сигнала к аналоговой (цифроаналоговое преобразование).The invention relates to the so-called hybrid signal processing systems that use the transition from an analog waveform to digital (analog-to-digital conversion) and the reverse transition from a digital waveform to analog (digital-to-analog conversion).
Существует множество реализаций указанных преобразований, но для осуществления преобразования широкополосных или полосовых сигналов используется, как правило, схема параллельного аналого-цифрового преобразования, при котором аналоговый сигнал подается одновременно на множество компараторов, каждый из которых настроен на один из возможных уровней сигнала, и логические выходы компараторов подвергаются соответствующей обработке для получения двоичных кодов, выражающих мгновенное значение сигнала. Аналого-цифровой преобразователь (АЦП), по существу дела, выполняет три операции обработки - дискретизацию, или взятие отсчетов входного аналогового сигнала, их квантование по уровню и выражение этих квантованных значений в виде двоичных слов (кодов).There are many implementations of these transformations, but for the conversion of broadband or strip signals, as a rule, a parallel analog-to-digital conversion circuit is used, in which an analog signal is fed simultaneously to many comparators, each of which is configured to one of the possible signal levels, and logic outputs comparators are subjected to appropriate processing to obtain binary codes expressing the instantaneous value of the signal. An analog-to-digital converter (ADC) essentially performs three processing operations — sampling, or taking samples of the input analog signal, quantizing them by level, and expressing these quantized values as binary words (codes).
Известно и широко используется цифроаналоговое преобразование сигналов, осуществляемое путем взвешенного суммирования разрядных токов, включаемых (или невключаемых) входными двоичными кодами, подаваемыми в параллельной форме, т.е. одновременно на все цифровые (разрядные) входы преобразователя. Таким путем реализуются все современные интегральные цифроаналоговые преобразователи (ЦАП), хотя по конкретной схемотехнике они могут различаться. Общие схемы описанных АЦП и ЦАП приведены в [1-3].Digital-to-analogue signal conversion is known and widely used, carried out by weighted summation of bit currents turned on (or not turned on) by input binary codes supplied in parallel form, i.e. simultaneously to all digital (bit) inputs of the converter. In this way, all modern integrated digital-to-analog converters (DACs) are implemented, although they may vary by specific circuitry. The general circuits of the described ADCs and DACs are given in [1-3].
Как следует из теоремы отсчетов В.А.Котельникова, необходимая частота дискретизации сигнала должна быть не меньше, чем удвоенное значение верхней частоты в его спектре. Практически используется частота дискретизации, превышающая теоретическое значение не менее чем на 20%.As follows from the sampling theorem of V.A. Kotelnikov, the necessary sampling frequency of the signal should be no less than twice the value of the upper frequency in its spectrum. In practice, a sampling frequency that exceeds the theoretical value by at least 20% is used.
При цифроаналоговом преобразовании значения цифровых кодов, выражающих значения последовательных отсчетов сигнала, запоминаются на период отсчетов и преобразуются в аналоговое напряжение, причем на выходе ЦАП образуется сигнал ступенчатой формы, т.е. осуществляется так называемая интерполяция нулевого порядка отсчетных значений сигнала. Таким образом, цифроаналоговое преобразование осуществляется с искажением. Для устранения этого искажения получаемый ступенчатый аналоговый сигнал должен быть подвергнут низкочастотной фильтрации и амплитудно-частотной коррекции (так называемой sine-коррекции).During digital-to-analog conversion, the values of digital codes expressing the values of successive samples of a signal are stored for a period of samples and converted to analog voltage, and a step-shaped signal is generated at the output of the DAC, i.e. the so-called interpolation of the zero order of the reference values of the signal is carried out. Thus, digital-to-analog conversion is performed with distortion. To eliminate this distortion, the resulting step-by-step analog signal should be subjected to low-pass filtering and amplitude-frequency correction (the so-called sine correction).
При дискретизации полосовых сигналов, к которым относятся практически все радиосигналы, может быть использована особая форма теоремы отсчетов, которая позволяет существенно уменьшить необходимую частоту дискретизации, и, тем самым, понизить требования к преобразователю и соответственно сократить выходной цифровой поток. Такая субдискретизация полосовых сигналов описана в [4].When sampling strip signals, which include almost all radio signals, a special form of the sampling theorem can be used, which can significantly reduce the required sampling frequency, and thereby reduce the requirements for the converter and, accordingly, reduce the output digital stream. Such sub-sampling of band signals is described in [4].
Субдискретизация полосовых сигналов используется, в частности, при аналого-цифровом преобразовании сигналов промежуточной частоты радиорелейных и спутниковых систем связи, которая во многих случаях составляет 70 МГц при полосе частот до ±20 МГц. При "прямой" дискретизации таких сигналов требуется частота около 200 МГц, тогда как при субдискретизации достаточно использовать частоту 93,3 МГц. При меньших полосах частот может быть выбрана еще более низкая частота субдискретизации. Таким образом, достигается снижение требований к аналого-цифровому преобразованию и существенно сокращается получаемый в результате цифровой поток.Sub-sampling of band signals is used, in particular, in analog-to-digital conversion of intermediate frequency signals of microwave and satellite communication systems, which in many cases is 70 MHz with a frequency band of up to ± 20 MHz. For direct sampling of such signals, a frequency of about 200 MHz is required, while for downsampling, it is sufficient to use a frequency of 93.3 MHz. For smaller frequency bands, an even lower oversampling rate can be selected. Thus, a reduction in the requirements for analog-to-digital conversion is achieved and the resulting digital stream is significantly reduced.
Однако, как показывает анализ, при восстановлении аналогового сигнала по полученным в результате субдискретизации цифровым сигналам возникают недопустимые искажения аналогового сигнала, связанные со свойствами обычного цифроаналогового преобразования, осуществляющего интерполяцию нулевого порядка отсчетных значений сигнала. Тем самым восстановление субдискретизированных полосовых сигналов делается проблематичным, что могло бы повлечь за собой отказ от субдискретизации и возврат к "прямой" дискретизации полосовых сигналов.However, as the analysis shows, when restoring an analog signal from digital signals obtained as a result of downsampling, unacceptable distortions of the analog signal occur due to the properties of a conventional digital-to-analog conversion that interpolates the zero order of the signal readout values. Thus, the restoration of sub-sampled band signals becomes problematic, which could entail the rejection of subsample and a return to “direct” sampling of band signals.
В качестве прототипа изобретения принимается способ цифроаналогового преобразования и устройство для его осуществления, описанные в книге [3]. В ней описан способ цифроаналогового преобразования, включающий в себя потактовое взвешенное суммирование разрядных сигналов с весами, последовательно уменьшающимися с коэффициентом 1/2 для каждого следующего младшего разряда входного n-разрядного двоичного кода отсчета сигнала, и представлены соответствующие устройства цифроаналогового преобразования, имеющие n цифровых входов и аналоговый выход. Также описано устройство, реализующее описанный способ цифроаналогового преобразования сигналов, содержащее n-разрядный цифроаналоговый преобразователь, имеющий n цифровых входов и аналоговый выход, к которому подключен полосовой фильтр.As a prototype of the invention, a digital-to-analog conversion method and a device for its implementation are described in the book [3]. It describes a method of digital-to-analog conversion, which includes beat-by-weighted weighted summation of bit signals with weights gradually decreasing with a factor of 1/2 for each of the next least significant bit of the input n-bit binary code code of the signal, and the corresponding digital-to-analog conversion devices having n digital inputs are presented and analog output. Also described is a device that implements the described method of digital-to-analog signal conversion, comprising an n-bit digital-to-analog converter having n digital inputs and an analog output to which a band-pass filter is connected.
Способ и устройство, принятые в качестве прототипа, имеют весьма существенные недостатки. При восстановлении субдискретизированного полосового сигнала возникают его недопустимые частотные искажения, вызываемые запоминанием значений восстанавливаемого сигнала на период частоты дискретизации. Эти искажения проявляются как резкое изменение размаха восстанавливаемого сигнала с частотами, которые не могут быть скомпенсированы с помощью обычной техники частотной коррекции.The method and device, adopted as a prototype, have very significant disadvantages. When restoring a sub-sampled band signal, its unacceptable frequency distortions arise, caused by storing the values of the restored signal for the period of the sampling frequency. These distortions manifest themselves as a sharp change in the magnitude of the reconstructed signal with frequencies that cannot be compensated using the usual frequency correction technique.
Техническим результатом настоящего изобретения (вариантов) является устранение или существенное уменьшение искажения восстанавливаемого субдискретизированного полосового сигнала, возникающего при его цифроаналоговом преобразовании.The technical result of the present invention (options) is the elimination or significant reduction of distortion of the restored sub-sampled band signal arising from its digital-to-analog conversion.
Предлагается способ цифроаналогового преобразования субдискретизированных полосовых сигналов, включающий в себя потактовое запоминание входных цифровых сигналов на отсчетный период (период тактовой частоты), взвешенное суммирование разрядных сигналов с весами, последовательно уменьшающимися с коэффициентом 1/2 для каждого следующего младшего разряда входного n-разрядного двоичного кода отсчета сигнала, в котором согласно изобретению в течение второй половины каждого отсчетного периода значения входного двоичного сигнала заменяют на нулевые.A method for digital-to-analog conversion of sub-sampled band signals is proposed, which includes step-by-step storing of digital input signals for a reference period (clock period), weighted summation of bit signals with weights gradually decreasing by a factor of 1/2 for each next least significant bit of an input n-bit binary code reference signal, in which according to the invention during the second half of each reference period, the values of the input binary signal is replaced to zero.
Предлагается также способ цифроаналогового преобразования субдискретизированных полосовых сигналов, включающий в себя потактовое запоминание входных цифровых сигналов на отсчетный период (период тактовой частоты), взвешенное суммирование разрядных сигналов с весами, последовательно уменьшающимися с коэффициентом 1/2 для каждого следующего младшего разряда входного n-разрядного двоичного кода отсчета сигнала, в котором согласно изобретению в течение второй половины каждого отсчетного периода значения входного двоичного сигнала заменяют на значения двоичного сигнала, соответствующие разности между наибольшим номинальным значением выходного сигнала и значением входного двоичного сигнала, действующего на первой половине отсчетного периода.A method for digital-to-analog conversion of sub-sampled band signals is also proposed, which includes step-by-step storing of digital input signals for a reference period (clock period), weighted summation of bit signals with weights gradually decreasing by a factor of 1/2 for each next least significant bit of an input n-bit binary the signal reference code, in which according to the invention during the second half of each reference period the values of the input binary signal are They use the values of the binary signal corresponding to the difference between the highest nominal value of the output signal and the value of the input binary signal operating in the first half of the reference period.
Предлагается устройство цифроаналогового преобразования субдискретизированных полосовых сигналов для реализации первого варианта предлагаемого способа, содержащее n-разрядный цифроаналоговый преобразователь, имеющий n цифровых входов, тактовый вход и аналоговый выход, к которому подключен полосовой фильтр, в которое согласно изобретению введены n логических элементов «И», выходы которых подключены к цифровым входам цифроаналогового преобразователя, на их первые входы подают n цифровых сигналов, а на вторые входы подается симметричный прямоугольный сигнал тактовой частоты.A device for digital-to-analog conversion of subsampled band signals for implementing the first embodiment of the proposed method is proposed, comprising an n-bit digital-to-analog converter having n digital inputs, a clock input and an analog output, to which a band-pass filter is connected, into which n logic elements “I” are inserted according to the invention, the outputs of which are connected to the digital inputs of the digital-to-analog converter, n digital signals are supplied to their first inputs, and symmetric ith rectangular clock signal.
Предлагается также устройство цифроаналогового преобразования субдискретизированных полосовых сигналов для реализации второго варианта предлагаемого способа, содержащее n-разрядный цифроаналоговый преобразователь, имеющий n цифровых входов, тактовый вход и аналоговый выход, к которому подключен полосовой фильтр, в которое согласно изобретению введены n логических элементов «Исключающее ИЛИ», выходы которых подключены к цифровым входам цифроаналогового преобразователя, на их первые входы подают n цифровых сигналов, а на вторые входы подается симметричный прямоугольный сигнал тактовой частоты.A device for digital-to-analog conversion of subsampled band signals for implementing the second variant of the proposed method is also proposed, comprising an n-bit digital-to-analog converter having n digital inputs, a clock input and an analog output to which a band-pass filter is connected, into which, according to the invention, n logical elements are introduced “Exclusive OR ", The outputs of which are connected to the digital inputs of the digital-to-analog converter, n digital signals are fed to their first inputs, and to the second inputs a symmetrical rectangular clock signal is applied.
Дальнейшее описание поясняется с помощью следующих фигур.Further description is explained using the following figures.
Фиг.1 - частотный спектр полосового сигнала.Figure 1 - frequency spectrum of a strip signal.
Фиг.2 - частотный спектр субдискретизированного полосового сигнала.Figure 2 - frequency spectrum of a subsampled band signal.
Фиг.3 - сигналы, получаемые при цифроаналоговом преобразовании.Figure 3 - signals obtained by digital-to-analog conversion.
Фиг.4 - частотные характеристики цифроаналоговых преобразователей.Figure 4 - frequency characteristics of digital-to-analog converters.
Фиг.5 - формирование сигналов на выходе ЦАП.Figure 5 - the formation of signals at the output of the DAC.
Фиг.6 - структурная схема предлагаемого устройства цифроаналогового преобразования (вариант 1).6 is a structural diagram of the proposed digital-to-analog conversion device (option 1).
Фиг.7 - структурная схема предлагаемого устройства цифроаналогового преобразования (вариант 2).7 is a structural diagram of the proposed device digital-to-analog conversion (option 2).
На фиг.1 представлен пример частотного спектра полосового сигнала. Такой сигнал промежуточной частоты является типовым для радиорелейных и спутниковых систем передачи. Промежуточная частота (ПЧ) составляет 70 МГц при полосе частот до ±20 МГц. При «прямой» дискретизации требуемая частота отсчетов выбирается исходя из верхней частоты сигнала, которая в данном случае составляет 90 МГц, что дает 90×2×1,2=216 МГц (здесь 1, 2 - коэффициент, учитывающий ограничения технической реализации.Figure 1 presents an example of the frequency spectrum of a strip signal. Such an intermediate frequency signal is typical for radio relay and satellite transmission systems. The intermediate frequency (IF) is 70 MHz with a frequency band of up to ± 20 MHz. With “direct” sampling, the required sampling frequency is selected based on the upper signal frequency, which in this case is 90 MHz, which gives 90 × 2 × 1.2 = 216 MHz (here 1, 2 is a coefficient that takes into account the limitations of technical implementation.
Согласно теории, изложенной в упомянутой книге Н.К.Игнатьева, для данного примера минимальная частота субдискретизации определяется по следующим правилам.According to the theory set forth in the mentioned book by N.K. Ignatiev, for this example, the minimum frequency of subsampling is determined by the following rules.
Во-первых, требуется, чтобы частота дискретизации fд≥4В, где В - половина полосы частот субдискретизируемого полосового сигнала. Таким образом, 4В составляет полную полосу частот сигнала с учетом обеих боковых полос, а также положительной и отрицательной части оси частот. В примере, приведенном на фиг.1, В=20 МГц и, следовательно, fд≥80 МГц.First, it is required that the sampling frequency f d ≥4V, where B is half the frequency band of the downsampled band signal. Thus, 4B constitutes the full frequency band of the signal, taking into account both side bands, as well as the positive and negative parts of the frequency axis. In the example shown in figure 1, B = 20 MHz and, therefore, f d ≥80 MHz.
Дальнейший расчет сводится к следующему. Определяем коэффициент N*=f0:В, гдеFurther calculation comes to the following. We determine the coefficient N * = f 0 : B, where
f0 - несущая частота. Для нашего примера N*=70:20=3,5. Находим коэффициент N, округляя N* до ближайшего меньшего нечетного числа, и получаем N=3. Находим максимально допустимую полосу частот как Вmax=f0:N и получаем Вmax=70:3=23, 33 МГц. Определяем частоту субдискретизации как fд=4 Вmax и получаем fд=93,3 МГц.f 0 is the carrier frequency. For our example, N * = 70: 20 = 3.5. We find the coefficient N, rounding N * to the nearest smaller odd number, and we get N = 3. We find the maximum allowable frequency band as B max = f 0 : N and get B max = 70: 3 = 23, 33 MHz. We determine the frequency of subsampling as f d = 4 V max and get f d = 93.3 MHz.
Для случая В=12 МГц находим fд=56 МГц.For the case B = 12 MHz, we find f d = 56 MHz.
Для случая В=9 МГц находим fд=40 МГц.For the case B = 9 MHz, we find f d = 40 MHz.
Подобным образом может быть определено значение fд для любых заданных f0 и В.In a similar way, the value of f d can be determined for any given f 0 and B.
На фиг.3а показан аналоговый сигнал, получаемый при известном способе цифроаналогового преобразования. Здесь входные цифровые сигналы сохраняются без изменения до поступления цифрового кода следующего отсчета, и соответственно выходной аналоговый сигнал также сохраняется до поступления следующего цифрового кода, образуя ступенчатую функцию, показанную на диаграмме. Процесс, приводящий к получению ступенчатой функции, описывается с помощью эквивалентной импульсной характеристики, имеющей вид прямоугольника, длительность которого равна периоду отсчетов (определяемого тактовой частотой процесса преобразования).On figa shows the analog signal obtained by the known method of digital-to-analog conversion. Here, the input digital signals are stored unchanged until the digital code of the next sample arrives, and accordingly, the output analog signal is also stored until the next digital code is received, forming a step function shown in the diagram. The process leading to obtaining a step function is described using an equivalent impulse response in the form of a rectangle, the duration of which is equal to the sampling period (determined by the clock frequency of the conversion process).
Возникающие при этом искажения получаемого сигнала удобно оценивать в частотной области. Эквивалентная амплитудно-частотная (далее - частотная) характеристика процесса имеет вид (sin x)/x. Ее первый лепесток в области положительных частот показан на фиг.4а. В случае субдискретизированного полосового сигнала спектр восстанавливаемого полосового сигнала подвергается весьма заметным частотным искажениям, которые проявляются в виде сильной неравномерности передачи в пределах полосы частот, так что исходный сигнал (и его спектр) практически необратимо искажается.It is convenient to evaluate the resulting signal distortions in the frequency domain. The equivalent amplitude-frequency (hereinafter referred to as the frequency) characteristic of the process has the form (sin x) / x. Its first lobe in the region of positive frequencies is shown in figa. In the case of a sub-sampled band signal, the spectrum of the restored band signal undergoes very noticeable frequency distortions, which manifest themselves as strong transmission unevenness within the frequency band, so that the original signal (and its spectrum) is almost irreversibly distorted.
Описанные искажения могут быть существенно ослаблены двумя вариантами предлагаемого способа.The described distortions can be significantly attenuated by two variants of the proposed method.
Первый вариант состоит в том, что в известный способ цифроаналогового преобразования субдискретизированных полосовых сигналов, включающий в себя потактовое запоминание входных цифровых сигналов на отсчетный период (период тактовой частоты), взвешенное суммирование разрядных сигналов с весами, последовательно уменьшающимися с коэффициентом 1/2 для каждого следующего младшего разряда входного n-разрядного двоичного кода отсчета сигнала, вводят операцию, обеспечивающую в течение второй половины каждого отсчетного периода замену значений входного двоичного сигнала на нулевые (фиг.3б).The first option is that in the known method of digital-to-analog conversion of sub-sampled band signals, which includes step-by-step storing of digital input signals for a reference period (clock frequency period), weighted summation of bit signals with weights decreasing successively with a coefficient of 1/2 for each of the following the least significant bit of the input n-bit binary code of the signal reference, an operation is introduced that provides replacement during the second half of each reference period input binary signal to zero (figb).
При этом эквивалентная прямоугольная импульсная характеристика укорачивается до половины отсчетного периода, а соответствующая частотная характеристика вдвое расширяется, как показано на фиг.4б. При этом частотные искажения спектра полосового сигнала существенно снижаются, а остаточные искажения могут быть скомпенсированы с помощью известных способов амплитудно-частотной коррекции.In this case, the equivalent rectangular impulse response is shortened to half the reference period, and the corresponding frequency response is doubled, as shown in Fig.4b. In this case, the frequency distortions of the spectrum of the strip signal are significantly reduced, and the residual distortions can be compensated using known methods of amplitude-frequency correction.
Происходящее вследствие обнуления значений сигналов на второй половине каждого отсчетного периода двукратное уменьшение величины выходного аналогового сигнала может быть скомпенсировано соответствующим увеличением его усиления.What happens as a result of zeroing the signal values in the second half of each reference period, a twofold decrease in the value of the output analog signal can be compensated by a corresponding increase in its gain.
Второй вариант предлагаемого способа состоит в том, что в известный способ цифроаналогового преобразования субдискретизированных полосовых сигналов, включающий в себя потактовое запоминание входных цифровых сигналов на отсчетный период (период тактовой частоты), взвешенное суммирование разрядных сигналов с весами, последовательно уменьшающимися с коэффициентом 1/2 для каждого следующего младшего разряда входного n-разрядного двоичного кода отсчета сигнала, вводят операцию, обеспечивающую в течение второй половины каждого отсчетного периода замену значений входного двоичного сигнала на значения двоичного сигнала, соответствующие разности между наибольшим номинальным значением выходного сигнала и значением входного двоичного сигнала, действующего на первой половине отсчетного периода (фиг.3в).The second variant of the proposed method consists in the fact that into the known method of digital-to-analog conversion of sub-sampled band signals, which includes beat-by-bit storing of input digital signals for a reference period (clock frequency period), weighted summation of bit signals with weights gradually decreasing by a factor of 1/2 for of each next least significant bit of the input n-bit binary code of the signal reference, an operation is introduced that provides during the second half of each reference replacement period of the input binary signal into a binary value signal values corresponding to the difference between the maximum nominal output value and the value of the input binary signal acting on the first half of the period measuring indicator (Figure 3B).
Эквивалентная импульсная характеристика для этого варианта способа представляет собой антисимметричный прямоугольный импульс, т.е. импульс, состоящий из двух смежных импульсов разной полярности и одинаковой длительности, равной половине длительности отсчетного периода. Эти смежные импульсы имеют одинаковую амплитуду, которая определяется входным цифровым сигналом.The equivalent impulse response for this variant of the method is an antisymmetric rectangular impulse, i.e. pulse consisting of two adjacent pulses of different polarity and the same duration equal to half the duration of the reference period. These adjacent pulses have the same amplitude, which is determined by the input digital signal.
Для определения эквивалентной частотной характеристики этого варианта цифроаналогового преобразования будем учитывать, что описанная импульсная характеристика может быть представлена в виде математической операции свертки двух функций. Обозначим эквивалентную импульсную характеристику g(t). ТогдаTo determine the equivalent frequency response of this variant of digital-to-analog conversion, we will take into account that the described impulse response can be represented as a mathematical operation of convolution of two functions. Denote the equivalent impulse response by g (t). Then
g(t)=g1(t)☐ g2(t).g (t) = g 1 (t) ☐ g 2 (t).
Здесь ☐ означает операцию свертки, Т - отсчетный период.Here ☐ means the convolution operation, T is the reference period.
g1(t)=δ(t+T/4)-δ(t-T/4),g 1 (t) = δ (t + T / 4) -δ (tT / 4),
g2(t)=П(Т/2).g 2 (t) = P (T / 2).
Функция δ(t) означает δ-функцию, имеющую ненулевое значение только в точке t=0, а П(Т) означает прямоугольную симметричную относительно точки t=0 функцию, имеющую длительность Т и постоянную единичную амплитуду. В результате операции свертки получается антисимметричные П-образные импульсы, последовательность которых и образуется на выходе при втором варианте цифроаналогового преобразования, как показано на фиг.3в.The function δ (t) means a δ-function having a nonzero value only at the point t = 0, and P (T) means a rectangular function, symmetric with respect to the point t = 0, having a duration T and a constant unit amplitude. As a result of the convolution operation, antisymmetric U-shaped pulses are obtained, the sequence of which is formed at the output in the second variant of digital-to-analog conversion, as shown in Fig. 3c.
Эквивалентная частотная характеристики для этого варианта определяется как преобразование Фурье от эквивалентной импульсной характеристики. Поскольку эта характеристика g(t) является сверткой, то искомая частотная характеристика k(f) будет произведением преобразований Фурье от функций g1(t) и g2(t). Таким образом,The equivalent frequency response for this option is defined as the Fourier transform of the equivalent impulse response. Since this characteristic g (t) is a convolution, the sought frequency characteristic k (f) will be the product of the Fourier transforms of the functions g 1 (t) and g 2 (t). In this way,
k(f)=k1(f)×k2(f),k (f) = k 1 (f) × k 2 (f),
где k1(f) - преобразование Фурье (спектр) функции g1(t), a k2(f) - преобразование Фурье (спектр) функции g2(t). Эти спектры известны из справочной литературы и имеют вид:where k 1 (f) is the Fourier transform (spectrum) of the function g 1 (t), ak 2 (f) is the Fourier transform (spectrum) of the function g 2 (t). These spectra are known from the reference literature and have the form:
k1(f)=sin(πfT/2) (с точностью до мнимого множителя j)k 1 (f) = sin (πfT / 2) (accurate to the imaginary factor j)
k2(f)=sin(πfT/2)/(πfT/2)k 2 (f) = sin (πfT / 2) / (πfT / 2)
Результирующая частотная характеристика показана на фиг.4в. Ее преимущества по сравнению с характеристикой на фиг.46 состоят в том, что, во-первых, она не снижает амплитуду выходного сигнала, во-вторых, обеспечивает подавление нижних частот и тем самым ослабляет мешающие спектральные составляющие и, в-третьих, имеет еще меньшую неравномерность передачи в полосе частот полосового сигнала, так что в большинстве случаев не потребуется применения амплитудно-частотной коррекции.The resulting frequency response is shown in FIG. Its advantages compared with the characteristic in Fig. 46 are that, firstly, it does not reduce the amplitude of the output signal, secondly, it provides low-frequency suppression and thereby weakens interfering spectral components and, thirdly, it also has less uneven transmission in the frequency band of the strip signal, so in most cases, the use of amplitude-frequency correction will not be required.
Для реализации описанных вариантов способа предлагаются, соответственно, два варианта устройства.To implement the described variants of the method, accordingly, two variants of the device are proposed.
Первый вариант устройства представлен на фиг.6. Устройство содержит n логических схем "И", три из которых показаны на фигуре под номерами 1, 2 и 3. На первые входы этих логических схем подают сигналы n двоичных разрядов входного цифрового кода. На соединенные вместе вторые входы схем "И" подается симметричный прямоугольный сигнал (меандр) тактовой частоты. Выходы схем "И" соединены с соответствующими входами n-разрядного цифроаналогового преобразователя (ЦАП) 4. Выход ЦАП соединен со входом полосового фильтра 5, а выход последнего является выходом устройства, с которого снимается аналоговый сигнал U.The first embodiment of the device is presented in Fig.6. The device contains n logic circuits "And", three of which are shown in the figure under the
Устройство работает следующим образом. Сигналы входного цифрового кода поступают на схемы "И", на вторые входы которых поступает симметричный прямоугольный сигнал (меандр) тактовой частоты, в котором чередуются во времени значения логических "1" и "0".The device operates as follows. The signals of the input digital code are fed to the "And" circuits, to the second inputs of which a symmetrical rectangular signal (meander) of the clock frequency is received, in which the logical "1" and "0" values alternate in time.
Таблица истинности схемы "И" имеет следующий вид:The truth table of the And circuit has the following form:
0×0=00 × 0 = 0
0×1=00 × 1 = 0
1×0=01 × 0 = 0
1×1=11 × 1 = 1
Отсюда следует, что при подаче "1" на объединенные вторые входы схем "И" сигналы двоичных разрядов, подаваемые на их первые входы, проходят на выходы без изменения и поступают на входы ЦАП. При этом на выходе ЦАП восстанавливаются отсчетные значения сигнала. При подаче "1" на объединенные вторые входы схем "И" сигналы двоичных разрядов, подаваемые на их первые входы, не проходят на выходы, и на входы ЦАП поступают нулевые сигналы, так что на выходе ЦАП образуются нулевые отсчетные значения. Иначе говоря, происходит двукратное укорочение отсчетных импульсов, что и требовалось для реализации первого варианта способа. Полосовой фильтр 5 завершает восстановление полосового сигнала.It follows that when "1" is fed to the combined second inputs of the "And" circuits, the signals of binary bits supplied to their first inputs pass to the outputs without change and go to the inputs of the DAC. In this case, the reference values of the signal are restored at the output of the DAC. When “1” is applied to the combined second inputs of the “AND” circuits, the signals of binary bits supplied to their first inputs do not pass to the outputs, and zero signals are received at the DAC inputs, so zero reference values are formed at the output of the DAC. In other words, there is a twofold shortening of the counting pulses, which was required to implement the first variant of the method.
Второй вариант устройства представлен на фиг.7. Устройство содержит n логических схем "Исключающее ИЛИ" (Исключающее ИЛИ), три из которых показаны на фигуре под номерами 6, 7 и 8. На первые входы этих логических схем подают сигналы n двоичных разрядов входного цифрового кода. На соединенные вместе вторые входы схем "Исключающее ИЛИ" подается симметричный прямоугольный сигнал (меандр) тактовой частоты. Выходы схем "И" соединены с соответствующими входами n-разрядного цифроаналогового преобразователя (ЦАП) 9. Выход ЦАП соединен со входом полосового фильтра 10, а выход последнего является выходом устройства, с которого снимается аналоговый сигнал U.The second variant of the device is presented in Fig.7. The device contains n Exclusive OR logic circuits (Exclusive OR), three of which are shown in the figure under the
Устройство работает следующим образом. Сигналы входного цифрового кода поступают на схемы "Исключающее ИЛИ", на вторые входы которых поступает симметричный прямоугольный сигнал (меандр) тактовой частоты, в котором чередуются во времени значения логических "1" и "0".The device operates as follows. The signals of the input digital code are fed to the exclusive-OR circuits, to the second inputs of which a symmetrical rectangular signal (meander) of the clock frequency is received, in which the values of logical "1" and "0" alternate in time.
Таблица истинности схемы "Исключающее ИЛИ" имеет следующий вид:The truth table of the XOR scheme is as follows:
0×0=00 × 0 = 0
0×1=10 × 1 = 1
1×0=11 × 0 = 1
1×1=01 × 1 = 0
Отсюда следует, что при подаче "0" на объединенные вторые входы схем "Исключающее ИЛИ" сигналы двоичных разрядов, подаваемые на их первые входы, проходят на выходы без изменения и поступают на входы ЦАП. При этом на выходе ЦАП восстанавливаются отсчетные значения сигнала. При подаче "1" на объединенные вторые входы схем "Исключающее ИЛИ" сигналы двоичных разрядов, подаваемые на их первые входы, инвертируются, т.е. происходит замена на "1" и "1" на "0". В результате происходит и инверсия восстанавливаемых отсчетных сигналов.It follows that when "0" is applied to the combined second inputs of the exclusive-OR circuits, the signals of binary bits supplied to their first inputs pass to the outputs without change and go to the inputs of the DAC. In this case, the reference values of the signal are restored at the output of the DAC. When "1" is applied to the combined second inputs of the exclusive-OR circuits, the signals of the binary bits supplied to their first inputs are inverted, i.e. replacing “1” and “1” by “0”. As a result, the inversion of the reconstructed reference signals also occurs.
В данном случае эта инверсия необходима для осуществления второго варианта цифроаналогового преобразования. Процесс и соотношения сигналов иллюстрирует фиг.5. Здесь сплошной горизонтальное линией обозначено максимальное напряжение Umax на выходе ЦАП, а штриховой горизонтальной линией - среднее значение этого напряжения. Восстанавливаемый полосовой сигнал не содержит постоянной составляющей и, следовательно, имеет симметричный характер относительно среднего значения напряжения на выходе ЦАП. Сплошными вертикальными линиями показаны отсчетные значения сигнала Un, которые действуют в течение первой половины каждого отсчетного периода. Штриховыми вертикальными линиями показаны значения отсчетных сигналов, которые действуют в течение второй половины каждого отсчетного периода.In this case, this inversion is necessary for the implementation of the second variant of digital-to-analog conversion. The process and signal ratios are illustrated in FIG. Here, the solid horizontal line indicates the maximum voltage U max at the output of the DAC, and the dashed horizontal line indicates the average value of this voltage. The reconstructed strip signal does not contain a constant component and, therefore, has a symmetrical character with respect to the average voltage value at the output of the DAC. Solid vertical lines show the reference values of the signal U n , which are valid during the first half of each reference period. The dashed vertical lines show the values of the reference signals that operate during the second half of each reference period.
Отсчетные значения относительно среднего значения выражаются какThe reference values relative to the average value are expressed as
Un-Umax/2.U n -U max / 2.
Для реализации второго варианта предлагаемого способа требуется, чтобы во второй половине каждого отсчетного периода было образовано инверсное отсчетное значение относительно среднего значения. Оно имеет видTo implement the second variant of the proposed method, it is required that in the second half of each reference period an inverse reference value is formed relative to the average value. It has the form
-(Un-Umax/2).- (U n -U max / 2).
Следовательно, абсолютное значение отсчета во второй половине каждого отсчетного периода должно быть равноTherefore, the absolute value of the reference in the second half of each reference period should be equal to
Un(inv)=Umax/2-(Un-Umax/2)=Umax-Un.U n (inv) = U max / 2- (U n -U max / 2) = U max -U n .
Если перейти к двоичной форме записи, то получим (например, для 8-разрядного ЦАП)If we go to the binary form of writing, we get (for example, for an 8-bit DAC)
Umax=11111111U max = 11111111
Значения Un могут изменяться в пределах от 00000000 до 11111111. Пусть, например, Un=10110100. Тогда Un(inv) будет иметь значениеThe values of U n can vary from 00000000 to 11111111. Let, for example, U n = 10110100. Then U n (inv) will matter
т.е. является двоичной инверсией значения Un, которая может быть получена с помощью схем "Исключающее ИЛИ", на объединенные вторые входы которых во второй половине каждого отсчетного периода должна быть подан сигнал "1". Таким образом, в первой половине отсчетного периода на вторые входы схем "Исключающее ИЛИ" подается "0", а во второй половине - "1". Для этого необходим симметричный прямоугольный сигнал (меандр) тактовой частоты, в котором чередуются во времени значения логических "1" и "0".those. is a binary inversion of the value of U n , which can be obtained using the exclusive OR circuits, to the combined second inputs of which in the second half of each reference period a signal "1" should be given. Thus, in the first half of the reference period, “0” is supplied to the second inputs of the Exclusive OR circuits, and “1” in the second half. For this, a symmetrical rectangular signal (meander) of the clock frequency is needed, in which the values of logical "1" and "0" alternate in time.
Полосовой фильтр 5 на выходе ЦАП завершает восстановление полосового сигнала по второму варианту способа.The
Как видно из предыдущего описания, схемотехнически оба варианта устройства реализуются весьма просто с помощью наборов известных простых логических схем.As can be seen from the previous description, both variants of the device are implemented very simply using sets of well-known simple logic circuits.
Симметричный прямоугольный сигнал (меандр) тактовой частоты во многих случаях присутствует в аппаратуре. При необходимости для его формирования могут понадобиться известные технические средства, например удвоитель тактовой частоты, выполненный в виде схемы ФАПЧ (фазовой автоподстройки частоты) с последующим двоичным делителем на 2, выполняемым, например, на D-триггере. На выходе такой схемы образуется требуемый симметричный прямоугольный сигнал.A symmetrical rectangular signal (meander) of the clock frequency is in many cases present in the equipment. If necessary, for its formation, well-known technical means may be needed, for example, a clock frequency doubler, made in the form of a PLL (phase locked loop) with a subsequent binary divider by 2, performed, for example, on a D-trigger. At the output of such a circuit, the required symmetrical rectangular signal is formed.
Источники информацииInformation sources
1. Kester Walt. - Analog-Digital Conversion. - Analog Devices, 2004, p.134-138.1. Kester Walt. - Analog-Digital Conversion. - Analog Devices, 2004, p.134-138.
2. Цифровые и аналоговые интегральные микросхемы: Справочник / С.В.Якубовский, Л.И.Ниссельсон, В.И.Кулешова и др.; Под ред. С.В.Якубовского. - М.: Радио и связь, 1989, с.422-432.2. Digital and analog integrated circuits: Reference book / S.V. Yakubovsky, L.I. Nisselson, V.I. Kuleshov and others; Ed. S.V.Yakubovsky. - M .: Radio and communications, 1989, p. 424-432.
3. Волович Г.И. Схемотехника аналоговых и аналогово-цифровых устройств. - М.: Додека, 2007, с.388-392.3. Volovich G.I. Circuitry of analog and analog-digital devices. - M .: Dodeka, 2007, p. 388-392.
4. Н.К.Игнатьев. Дискретизация и ее приложения. - М.: Связь, 1980, с.90-93.4. N.K. Ignatiev. Discretization and its applications. - M .: Communication, 1980, p. 90-93.
Claims (4)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2007125095/09A RU2353053C1 (en) | 2007-07-02 | 2007-07-02 | Digit-to-analogue conversion method for sub-sampling bandpass signals and associated device (versions) |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2007125095/09A RU2353053C1 (en) | 2007-07-02 | 2007-07-02 | Digit-to-analogue conversion method for sub-sampling bandpass signals and associated device (versions) |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2007125095A RU2007125095A (en) | 2009-01-10 |
| RU2353053C1 true RU2353053C1 (en) | 2009-04-20 |
Family
ID=40373893
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2007125095/09A RU2353053C1 (en) | 2007-07-02 | 2007-07-02 | Digit-to-analogue conversion method for sub-sampling bandpass signals and associated device (versions) |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2353053C1 (en) |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP0186757A2 (en) * | 1984-11-06 | 1986-07-09 | Nec Corporation | QAM modulator and demodulator |
| RU2113055C1 (en) * | 1995-05-03 | 1998-06-10 | Агрич Юрий Владимирович | Integrated-circuit n-bit digital-to-analog converter (design versions) |
| RU2159506C1 (en) * | 1999-04-19 | 2000-11-20 | Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет | Code-analog converter |
| US6583743B2 (en) * | 2000-12-04 | 2003-06-24 | Catena Networks, Inc. | Differential bipolar stray-insensitive pipelined digital-to-analog converter |
-
2007
- 2007-07-02 RU RU2007125095/09A patent/RU2353053C1/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP0186757A2 (en) * | 1984-11-06 | 1986-07-09 | Nec Corporation | QAM modulator and demodulator |
| RU2113055C1 (en) * | 1995-05-03 | 1998-06-10 | Агрич Юрий Владимирович | Integrated-circuit n-bit digital-to-analog converter (design versions) |
| RU2159506C1 (en) * | 1999-04-19 | 2000-11-20 | Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет | Code-analog converter |
| US6583743B2 (en) * | 2000-12-04 | 2003-06-24 | Catena Networks, Inc. | Differential bipolar stray-insensitive pipelined digital-to-analog converter |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| ВОЛОВИЧ Г.И. Схемотехника аналоговых и аналого-цифровых устройств. - М.: Додека, 2007, с.388-392. * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU2007125095A (en) | 2009-01-10 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Wepman | Analog-to-digital converters and their applications in radio receivers | |
| US6476749B1 (en) | High speed analog-to-digital converter and digital-to-analog converter | |
| US11329660B2 (en) | VCO-based continuous-time pipelined ADC | |
| US6583742B1 (en) | Digital to analogue converter with dynamic element matching | |
| Henderson et al. | Dynamic element matching techniques with arbitrary noise shaping function | |
| EP2489128B1 (en) | Systems, devices, and methods for continuous-time digital signal processing and signal representation | |
| US7982648B2 (en) | Dynamic element matching digital/analog conversion system and sigma-delta modulator using the same | |
| CN105471435B (en) | Segmented digital analog converter | |
| EP1847021B1 (en) | Resolver arrangement | |
| WO1998038745A1 (en) | A method of and a device for analog signal sampling | |
| KR102499229B1 (en) | High-linearity sigma-delta converter | |
| EP2339754A1 (en) | A converter | |
| US6965339B2 (en) | Method and system for analog to digital conversion using digital pulse width modulation (PWM) | |
| US7183955B1 (en) | Sigma-delta modulator, D/A conversion system and dynamic element matching method | |
| US10153778B2 (en) | High-linearity sigma-delta converter | |
| US20200343905A1 (en) | Incremental analog-to-digital converter | |
| WO1998002838A1 (en) | A four quadrant multiplying apparatus and method | |
| Farag et al. | Mixed signal VLSI wireless design: circuits and systems | |
| EP3245740B1 (en) | Efficient dithering technique for sigma-delta analog-to-digital converters | |
| RU2353053C1 (en) | Digit-to-analogue conversion method for sub-sampling bandpass signals and associated device (versions) | |
| EP4220962A1 (en) | Shuffler free adc error compensation | |
| KR100360632B1 (en) | Decimation Circuits and Methods for Filtering Quantized Signals and Provision of Phase Angle Compensation with Actual Linear Phase Response | |
| JP2011066619A (en) | Ad converter | |
| US6567027B2 (en) | Method and apparatus for analog to digital conversion utilizing a moving sum | |
| CN107624223B (en) | Signal processing apparatus and method for processing signal |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20140703 |
