Convertisseur analogique-numérique à interpolation La présente invention concerne de façon générale les dispositifs utilisés dans les systèmes de télécommunications et elle porte plus particulièrement sur un nouveau circuit de traitement audiofréquence pour ligne d'abonné dans lequel des signaux vocaux d'entrée sous forme analogique sont convertis et traités sous forme numérique avant d'être émis et, inversement, les signaux reçus sont traités sous forme numérique avant d'être reconvertis sous forme analogique.
Les dispositifs de télécommunications de l'art antérieur destinés à convertir des signaux vocaux en un format numérique pour leur émission comprennent de façon caractéristique un circuit d'interface de ligne d'abonné qui assure une conversion deux fils-quatre fils et une opération d'alimentation de ligne en employant des techniques de couplage par transformateur, ainsi que des circuits supplémentaires destinés à assurer les fonctions de test de supervision et de sonnerie, des filtres analogiques d'émission et de réception et un codeurdécodeur qui effectue la conversion réelle des signaux
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inverse des signaux MIC en signaux analogiques. Les fabricants de circuits intégrés tentent actuellement de remplacer ces composants de circuit individuels par des circuits intégrés qui accomplissent les diverses fonctions telles qu'elles sont accomplies actuellement, c'est-à-dire qu'un codeur-décodeur monolithique à une seule voie remplace la fonction de codage-décodage, des filtres à une seule voie remplacent la fonction de filtrage et un circuit d'interface de ligne d'abonné monolithique remplace le transformateur et le matériel qui lui est associé.
Du fait que les systèmes de l'art antérieur étaient basés sur une architecture de système qui a été développée il y a un certain nombre d'années et tirait parti des composants disponibles à cette époque, un simple remplacement des composants en utilisant la technologie des circuits intégrés complexes ne permet pas de tirer le meilleur parti de cette technologie.
Les systèmes de l'art antérieur accomplissent un certain nombre de fonctions qu'on peut diviser en trois catégories principales. (1) La fonction d'interface analogique à haute tension avec la ligne d'abonné, (2) le traitement du signal vocal, comprenant la conversion deux fils-quatre fils, le filtrage et le codage, et (3) la fonction d'interface avec le monde numérique comprenant les circuits de transmission des signaux MIC et la ligne de commande qui provient d'un processeur ou d'un contrôleur. Pour réaliser un nouveau système, il est raisonnable de découper le nouveau système conformément à ces catégories. L'interface analogique avec la ligne d'abonné nécessite des dispositifs à courant élevé et à tension élevée et elle est donc réalisée de la façon la plus avantageuse avec une technologie bipolaire à haute tension.
Les technologies bipolaires à haute tension ne sont pas des technologies à densité élevée et le dispositif correspondant devra donc être maintenu aussi simple que possible. Les fonctions de traitement du signal et d'interface numérique peuvent toutes deux être réalisées en technologie à basse tension. Les technologies à basse tension sont des technologies à haut niveau d'intégration et à densité élevée parmi lesquelles la technologie MOS à canal n correspond au choix optimal en ce qui concerne le coût.
A l'heure actuelle, le traitement du signal s'effectue sous la forme d'une conversion analogique deux fils-quatre fils suivie par un filtrage analogique, des
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conversion analogique-numérique ou numérique-analogique, Les fonctions de compression-extension sont également accomplies d'une manière analogique dans les convertisseurs analogique-numérique et numérique-analogique. Du fait que la technologie MOS à canal n est optimale pour les fonctions numériques, il apparaît possible en pratique de baser un nouveau système sur un traitement numérique du signal. Cependant, les concepteurs de tels systèmes étaient jusqu'à présent peu enclins à utiliser des filtres numériques, du fait que ces dispositifs sont des structures complexes qui nécessitent une grande quantité de matériel et qui dissipent une puissance importante.
Pour réaliser une structure de filtre numérique, il est nécessaire d'employer un convertisseur analogiquenumérique et numérique-analogique. Cependant, dans les fonctions de traitement audiofréquence de ligne d'abonné, des convertisseurs analogique-numérique et numériqueanalogique sont nécessaires même avec des filtres analogiques, si bien que l'emploi de tels convertisseurs ne représente pas une pénalité. Ils sont simplement placés dans des parties différentes du système. Les filtres numériques nécessitent également dès le départ une quantité raisonnable de matériel remplissant des fonctions d'ordre général. La réalisation d'un tel filtre nécessite une unité de traitement arithmétique, une mémoire morte et une mémoire vive. Par conséquent, un filtre très simple nécessite presque autant de matériel à base de silicium qu'un filtre complexe.
Bien que les filtres nécessaires pour les fonctions de ligne d'abonné soient des filtres complexes, le filtre numérique présente un avantage de coût lorsqu'on le compare au filtre analogique.
Lorsqu'on examine comment varie le coût d'un filtre (basé sur l'aire de silicium) en fonction de la complexité (ou du degré de difficulté) et des performances exigées du filtre, on constate qu'avec les filtres
de type analogique le coût augmente selon une fonction linéaire de la complexité. Cependant, dans le cas des filtres numériques, le coût initial est élevé mais le coût correspondant à une augmentation de complexité est fortement réduit. L'une des raisons de ceci consiste en ce que les filtres numériques peuvent utiliser le matériel en multiplex et temps partagé, alors que les filtres analogiques ne le peuvent pas. De plus, le filtre numérique ne nécessite pas de composants de précision tandis que le- filtre analogique nécessite un grand nombre de composants de précision (qui peuvent devoir être ajustés et doivent avoir une très faible dérive) afin de satis-faire les spécifications de performances. On peut également augmenter la précision du filtre numérique en ajoutant simplement des -bits supplémentaires dans le circuit de calcul.
La dissipation de puissance due à l'importance du traitement arithmétique a constitué une autre difficul-
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telles applications. Les filtres numériques caractéristiques nécessitent des multiplicateurs rapides qui dissipent beaucoup de puissance. Les systèmes de télécommunications nécessitent une très faible dissipation de puissance et les filtres analogiques ont eu tendance à demander moins de puissance que les filtres numériques. Par conséquent, les réalisations de l'art antérieur ont traditionnellement utilisé des filtres analogiques plutôt que des filtres numériques.
Un but essentiel de l'invention est donc de réaliser un nouveau circuit de traitement audiofréquence pour ligne d'abonné dans lequel tout le traitement du signal soit accompli après conversion sous forme numérique des signaux vocaux d'entrée.
L'invention a également pour but de réaliser un circuit de conversion analogique-numérique perfectionné destiné à être utilisé dans les parties de traitement audiofréquence d'un dispositif de télécommunications.
L'invention a également pour but d'offrir des techniques de filtrage numérique perfectionnées qui sont destinées à être utilisées dans les parties de traitement de signal d'un dispositif de télécommunications.
En résumé, un mode de réalisation préféré de l'invention est constitué par un circuit d'émission comprenant un filtre d'entrée, un convertisseur analogique-numérique, un circuit de traitement de signal numérique comprenant des dispositifs de filtrage numériques commandés par ordinateur et programmables par l'utilisateur, et un registre d'émission ; et un circuit de réception comprenant un système de réception, un circuit de traitement de signal numérique comprenant des dispositifs de filtrage numériques commandés par ordinateur et programmables par l'utilsateur, un convertisseur numérique-analogique et un filtre de sortie.
D'autres caractéristiques et avantages de.l'invention seront mieux compris à la lecture de la description qui va suivre de modes de réalisation et en se référant
aux dessins annexés sur lesquels:
'La figure 1 est un schéma synoptique montrant l'architecture de système d'un circuit de traitement audio- fréquence pour ligne d'abonné qui correspond à l'invention ; La figure 2 est un schéma représentant un filtre à réponse impulsionnelle finie ;
Les figures 3 et 4 sont des schémas représentant deux types de filtres à réponse impulsionnelle infinie ; La figure 5 est un schéma synoptique représentant un convertisseur analogique-numérique à interpolation de l'art antérieur, du type utilisé conformément à l'invention ;
Les figures 6a et 6b représentent respectivement l'interpolation à trois niveaux et l'interpolation à deux
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Les figures 7a et 7b illustrent le fonctionnement du dispositif correspondant à l'invention ;
La figure 8 est un graphique montrant la caractéristique de gain en fonction de la fréquence d'un convertisseur analogique-numérique utilisant un convertisseur du type représenté sur la figure 10 ; La figure 9 est un schéma synoptique représentant un convertisseur.analogique-numérique à interpolation modifié conformément à l'invention ; La figure 10 représente un autre mode de réalisation d'un convertisseur analogique-numérique à interpolation correspondant à l'invention ; La figure 11 illustre le fonctionnement du convertisseur analogique-numérique qui est représenté sur la figure 10 ; La figure 12 est un graphique représentant les rapports signal/bruit numérique pour un convertisseur ana-logique-numérique adaptatif correspondant à l'invention ;
La figure 13 est un schéma synoptique représentant un circuit destiné à modifier le fonctionnement du convertisseur qui est représenté sur la figure 10 La figure 14 est un driagramme illustrant le fonctionnement d'un convertisseur avec et sans la modification qui est représentée 'sur la figure 13 ; La figure 15 est un schéma synoptique d'un filtre numérique à réduction de fréquence d'échantillonnage correspondant à l'invention ; La figure 16 représente une réalisation par matériel du filtre qui est représenté sur la figure 15 ; La figure 17 est un schéma logique montrant une réalisation d'un filtre à réponse impulsionnelle finie correspondant à l'invention ; La figure 18 est un schéma logique représentant la réalisation d'un filtre à réponse impulsionnelle finie à 23 prises correspondant à l'invention ;
La figure 19 est un schéma logique représentant une réalisation d'un filtre à additionneur parallèle correspondant à 1 ' invention ; La figure 20 est un schéma logique représentant une réalisation d'un réseau de logique combinatoire d'un filtre à réponse impulsionnelle infinie à trois prises correspondant à l'invention ; La figure 21 est un schéma synoptique représentant un filtre à réponse impulsionnelle finie à cinq prises utilisant un dispositif de consultation d'une mémoire morte ; et La figure 22 est un schéma synoptique représentant une réalisation d'un filtre à réponse impulsionnelle finie à huit prises utilisant une consultation de mémoire morte.
On va maintenant considérer la figure 1 sur laquelle on voit un schéma synoptique d'un circuit de traitement audiofréquence de ligne d'abonné, 10, destiné à être utilisé en association avec un circuit d'interface de ligne d'abonné 12 dont un exemple est décrit dans <EMI ID=5.1>
De façon générale, le circuit de traitement audiofréquence de ligne d'abonné comprend des éléments formant un circuit d'émission qui comporte un filtre d'entrée 14,
un convertisseur analogique-numérique 16, un circuit de traitement de signal numérique 18 et un registre d'émission 20. Le circuit de signal reçu comprend un registre de réception 22, un circuit de traitement de signal de réception 24, un convertisseur numérique-analogique 26 et un filtre de sortie 28. En outre, il existe également un élément de commande d'entrée/sortie 30 ainsi que des circuits supplémentaires comprenant un circuit de commande de système 32 et un circuit de commande 34 pour le circuit de traitement audiofréquence de ligne d'abonné.
Plus précisément, le filtre d'entrée 14 est un simple filtre anti-repliement qui est utilisé pour éviter que les signaux proches de la cadence d'échantillonnage soient repliés dans la bande vocale au cours des opérations ultérieures de réduction de la cadence d'échantillonnage. Le filtre 14 doit avoir une atténuation d'au moins 10 dB à 508 kHz (si F = 512 kHz). On peut obtenir ceci en utilisant un filtre à un seul pôle placé à 114 kHz. Le retard qui se manifeste dans ce
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Comme on l'expliquera ci-après de façon plus
détaillée, le convertisseur analogique-numérique 16 est
un codeur à interpolation qui échantillonne le signal
analogique d'entrée (voix) à une fréquence d'échantillonnage relativement élevée, telle que 512 kHz (ou
256 kHz) et qui produit des mots numériques à plusieurs
bits représentatifs de l'amplitude du signal pour chaque échantillon.
Le convertisseur analogique-numérique est d'une
grande importance dans la détermination des performances du système et il crée la plupart des erreurs se manifestant dans le système. Ces performances déterminent le
rapport sign al/bruit, la stabilité du gain, le bruit de
la voie au repos, la distorsion harmonique, la réponse aux signaux hors bande, la distorsion d'intermodulation et elles peuvent limiter la réponse en fréquence.
Le circuit de traitement de signal d'émission
18 comprend deux filtres passe-bas de réduction de la fréquence d'échantillonnage, 40 et 42, un filtre d'équilibrage 44, un filtre de correction de la distorsion d'atténuation en émission,-46, un circuit de réglage du gain en émission 48, un filtre d'émission principal 50
et un circuit de compresseur numérique 52. Comme on l'expliquera ci-après de façon plus détaillée, le convertisseur analogique-numérique 16 est également capable de convertir de façon précise des signaux qui sont au-dessus de 3,4 kHz et ces signaux doivent donc être atténués
avec des filtres passe-bas, comme dans un système de filtrage classique. Conformément à l'invention, le filtrage est accompli au moyen d'une série de filtres passe-bas comprenant ceux qui sont représentés en 40,
42 et 50. Les filtres passe-bas 40 et 42 sont des filtres de réduction de la fréquence d'échantillonnage. Le filtre d'émission 50 ne constitue pas seulement un filtre passe-bas et il comporte en outre une section de filtre passe-haut pour effectuer la réjection à 50 Hz qui
est normalement effectuée dans le cadre du filtre antirepliement dans un système téléphonique.
Les filtres numériques nécessitent un volume
de calcul important et ce volume de calcul est d'autant plus grand que la fréquence est plus élevée, à cause de
la cadence de calcul plus élevée qui est nécessaire. Il
est donc important d'un point de vue économique de
réduire le nombre de calculs et de réduire aussi rapidement que possible la cadence d'échantillonnage. Les filtres 40 et 42 ont donc pour fonction de réduire la cadence d'échantillonnage. Plus précisément, le filtre 40 réduit la cadence d'échantillonnage de 512 kHz à 32 kHz
en accomplissant une fonction de filtrage passe-bas. Ce filtre doit faire en sorte qu'aucun signal supérieur à
32 kHz ne soit replié dans la bande passante qui s'étend
de 0 à 3,4 kHz. De plus, le filtre 40 doit avoir des carac-téristiques dans la bande passante qui soient aussi plates que possible. Il n'est cependant pas obligatoire .ni particulièrement critique que la caractéristique dans la bande passante soit maintenue absolument plate, car on peut compenser ceci dans d'autres sections de filtres numéri-
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Un avantage de l"'utilisation de filtres numériques consiste en ce qu'on peut utiliser d'autres filtres pour compenser les effets d'un filtre précédent, du'fait
que leurs caractéristiques sont définies de façon très précise. Lorsqu'on utilise un filtre analogique, il est
très difficile d'utiliser une section de filtre suivante pour annuler les effets d'une section précédente, du fait que les variations d'un filtre sont dues aux composants
de ce filtre.
Le signal à 32 kHz qui sort du filtre 40 est ensuite appliqué à un second filtre passe-bas de réduction de la fréquence d'échantillonnage, 42, qui réduit encore davantage la fréquence pour l'amener à 16 kHz.
Ce filtre doit faire en sorte qu'aucune composante ne
soit repliée dans la bande passante et qu'il n'existe
pas dans son signal de sortie des composantes qui représenteraient des fréquences supérieures à 12,6 kHz, c'est-à-dire 16 kHz moins 3,4 kHz. Ces deux filtres pourraient être combinés en une seule structure de filtre,
mais ils sont effectivement séparés en deux dans l'invention de façon à fournir des points correspondants à des signaux à 32 kHz et à 16 kHz qui sont destinés à être utilisés par d'autres composants de circuit.
On sautera pour l'instant les filtres 46 et 48 pour considérer le filtre d'émission principal 50 qui assure à la fois.des fonctions de filtrage passe-bas et passe-haut. La fonction de filtrage passe-bas définit un filtre passe-bas avec une caractéristique en pente des- cendante de 3,4 kHz à 4,6 kHz et cette fonction est analogue à celle qui est remplie par les filtres analogiques dans les systèmes de l'art antérieur. Ce filtre assure en outre une correction d'atténuation pour compenser les effets des filtres 40 et 42 ainsi que tout effet produit par le pré-filtre 14. La section passe-haut de ce filtre assure la réjection à 50 Hz et fait disparaître tout signal de basse fréquence qu'il n'est pas souhaitable d'émettre dans un système téléphonique. Le signal de sortie du filtre 50 consiste en un code linéaire. Il est nécessaire de choi-
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ces de rapport signal/bruit dans le système, ainsi que pour permettre un traitement aisé des signaux.
Le compresseur numérique 52 utilise un algorithme numérique pour convertir le code linéaire en un code correspondant à la loi p ou la loi A qui est nécessaire dans certains systèmes téléphoniques. Si on désire un signal de sortie en code linéaire, ce sous-ensemble du système peut être sauté. Le signal de sortie du compresseur est appliqué à un circuit de registre d'émission 20 qui, lorsqu'il est commandé par des signaux de commande de système appliqués en 21, émet les données vers un autocommutateur téléphonique qui est branché à la borne d'émission 50. Les sous-ensembles fonctionnels décrits jusqu'ici sont assez similaires à ceux correspondant
aux fonctions habituelles accomplies par le filtre d'émission et le convertisseur analogique-numérique des circuits de l'art antérieur. Les circuits de l'art antérieur comportent habituellement un élément de réglage de gain en'amont du sous-ensemble d'émission du système, cet élément étant constitué par un certain type d'amplificateur. Dans le mode de réalisation qui est représenté, la fonction de gain est accomplie par un circuit de réglage de gain 48 qui procure du gain en multipliant par une constante numérique le mot numérique qui provient du filtre de réduction de la fréquence d'échantillonnage 42.
La constante numérique est programmable par l'utilisateur et elle peut être programmée de façon précise afin que le gain ait une plage de variation très étendue, allant de +12 dB jusqu'à pratiquement -00 dB, en fonction de ce qui est déterminé par un choix approprié des mots de commande de gain que l'utilisateur programme dans le dispositif.
Alors que dans les systèmes de l'art antérieur le gain doit être programmé par un certain réglage manuel du système, dans le dispositif de l'invention il n'y a aucun composant physique à modifier, du fait que le gain est programmé par un bus d'entrée/sortie de commande, 51, et le gain peut être programmé au moment de l'installation, sous la commande d'un ordinateur, ce qui représente une importante économie de temps et d'argent pour le constructeur. On utilise le filtre d'équilibrage 44 pour réaliser une fonction d'équilibrage transhybride, décrite ci-après de façon plus détaillée.
On va maintenant considérer le circuit de réception dans lequel les signaux reçus sur la borne 55 sont appliqués à l'entrée du registre de réception 22, puis ensuite au circuit de traitement 24 qui comprend un extenseur numérique 54, un filtre de réception principal
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correction de distorsion d'atténuation de réception 50,
deux circuits interpolateurs passe-bas 62 et 64, et un
filtre d'adaptation d'impédance 66.
L'extenseur 54 fonctionne sous commande du programme (ordre appliqué sur l'entrée 57) de façon à recevoir un code en loi u ou en loi A et à le convertir en
un code linéaire à 12 ou 13 bits, comme celui qui est utilisé'dans le circuit d'émission. Si le mot de commande indique que le mot d'entrée est linéaire, l'extenseur
peut être sauté. La cadence d'échantillonnage d'entrée
du système est de 8 kHz.
Le circuit de réception a pour but de simplifier
le filtre de réception qui doit ici filtrer une composante
à 8 kHz en utilisant une technique de filtrage passe-bas.
' En outre, les filtres de réception de l'invention doivent compenser la distorsion qui est produite par la faible cadence d'échantillonnage. Cette distorsion est appelée distorsion en sinX/X et elle produit une atténuation apparente des signaux lorsque la fréquence' des signaux devient
un pourcentage appréciable de la cadence d'échantillonnage.
Par exemple, un signal à 3,5 kHz dans un système à échantillonnage à 8 kHz présente environ 2 ou 2,5 dB d'atténuation qu'on doit. corriger.
Conformément à l'invention, on vise deux objectifs. L'un est d'utiliser des techniques de filtrage pour
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tous les points qui sont nécessaires pour parvenir à une cadence d'échantillonnage très supérieure, c'est-à-dire une cadence d'échantillonnage de 256 kHz (ou 128 kHz).
A la cadence d'échantillonnage supérieure, on bénéficie d'un double avantage. Premièrement, la distorsion en sinX/X est fortement réduite et elle est en fait réduite à un point tel qu'elle est si faible qu'il n'est pas nécessaire de la corriger. Secondement, la seule composante qui soit présente, en plus des composantes de la bande vocale au-dessous de 4 kHz,est la composante d'échantillonnage.
En utilisant une composante d'échantillonnage
à une fréquence très élevée, comme 256 kHz (ou 128 kHz), le niveau de cette composante est fortement réduit et
il est beaucoup plus facile de la filtrer du fait que
le filtre de réception 56 doit être plat pour les signaux en bande vocale et doit avoir une atténuation élevée à la cadence d'échantillonnage. La conception du filtre
est d'autant plus facile que la cadence d'échantillonnage est élevée, à cause de la plus grande différence entre la bande passante et la bande atténuée du filtre.
Conformément à l'invention, le filtrage est effectué à l'aide des trois filtres' 56, 62 et 64. Le filtre de réception principal 56 est un dispositif passebas similaire à l'élément passe-bas du filtre 50 et il fonctionne à 16 kHz, tandis que la section passe-haut
du filtre 50 fonctionne à 8 kHz. Le filtre 56 reçoit un signal à 8 kHz mais il fournit en sortie un signal à
16 kHz. Il doit donc présenter une atténuation considérable dans la bande comprise entre 4,6 kHz et 8 kHz, afin d'assurer la réjection de toute fréquence repliée et de la composante à 8 kHz qui est présente, à cause de la cadence d'échantillonnage. Alors que le filtre d'émission
50 est à la fois un_filtre passe-bas et un filtre passehaut, le filtre 56 est seulement un filtre passe-bas.
La raison pour laquelle le circuit d'émission comporte des éléments passe-bas et passe-haut alors que
le filtre de réception -ne comporte qu'un élément passebas consiste en ce que dans le circuit d'émission on
peut très facilement capter des signaux à 60 Hz aux E.U.A. et des signaux à 50 Hz en Europe, du fait que le signal
est reçu par une ligne téléphonique et que ces lignes s'étendent de façon caractéristique le long de lignes de transport d'énergie électrique. Une fraction de ces signaux s'introduit malheureusement dans le système téléphonique. La section de filtrage passe-haut 50 est conçu
de façon à assurer la réjection des signaux à 50 Hz et
une fois que la réjection de ces signaux a été effectuée
et que le système travaille sous forme numérique, les signaux à 50 Hz ne ,peuvent plus s'introduire dans des sections numériques ultérieures. De ce fait, le filtre
à 50 Hz n'est pas nécessaire dans le circuit de réception.
Le signal de sortie du filtre 56 est appliqué
a l'entrée d'un circuit de réglage de gain 58, puis à un filtre de correction d'atténuation de réception 60 et
ces deux éléments seront décrits ultérieurement de façon plus détaillée.
Le premier circuit interpolateur passe-bas 62 reçoit un signal d'entrée à 16 kHz provenant du circuit
58 et il produit un signal de sortie à 32 kHz. Il constitue un filtre passe-bas dont le but est d'atténuer fortement la composante à 16 kHz. Du fait que le signal de sortie est à 32 kHz, ce filtre introduit une composante
à 32 kHz.
Le second circuit interpolateur passe-bas 64 est également un filtre passe-bas qui fournit en sortie un signal à 256 kHz (ou 128 kHz) dans le système considéré
de façon à effectuer un filtrage passe-bas des composantes à 32 kHz et à introduire certaines composantes de plus fai-ble amplitude aux fréquences plus élevées. Les filtres 62 et 64 ont essentiellement pour fonction de filtrer les composantes de haute fréquence. S'ils ne sont pas parfaitement plats dans la bande passante, leurs caractéristiques peuvent être prévues de façon très précise et peuvent être compensées par le filtre 56, ce qui est effectivement le cas dans le système considéré, du fait que les filtres 62 et 64 atténuent effectivement certains des signaux voisins de l'extrémité haute de la bande passante, c'est-àdire autour de 2 ou 3 kHz. Par conséquent, le filtre 56 comporte un réseau de compensation qui compense l'atténuation qui est produite par les filtres 62 et 64.
Le signal de sortie du filtre 64 est ensuite appliqué au convertisseur numérique-analogique 26 qui convertit les signaux sous forme analogique et les transmet au filtre de sortie 28. Dans les systèmes téléphoniques, les composantes de haute fréquence doivent être atténuées d'au moins 28 dB par rapport aux composantes
de basse fréquence. Avec une cadence d'échantillonnage
de 256 kHz, le signal à cette fréquence est à un niveau inférieur de 28 dB. à celui de la composante à 3,4 kHz. Ainsi, aucun filtre de sortie ou de lissage n'est théoriquement nécessaire. Cependant, le système considéré comporte le filtre 28 dans un but de sécurité.
Les filtres numériques sont des processeurs arithmétiques complexes qui mettent en oeuvre l'équation fondamentale d'un filtre :
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dans laquelle X. représente les échantillons d'entrée et Y. représente les échantillons de sortie.
La figure 2 représente schématiquement un filtre à réponse impulsionnelle finie à 8 prises, appelé quelque-. fois filtre transversal ou non récursif, et ce filtre comprend sept éléments de retard ou de mémoire, huit multiplicateurs 69 et sept éléments additionneurs 70. Comme on le notera, ce circuit réalise un filtre de la forme re-présentée par l'équation :
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courantes et retardées�de X qui doivent être multipliées par les coefficients de prise respectifs. Le dispositif
à 8 prises qui est représenté est inconditionnellement stable dans la mesure où il ne comporte pas de réaction et où la valeur de sortie n'est fonction que d'un ensemble précédent de valeurs d'entrée.
La figure 3 représente un filtre à réponse impulsionnelle infinie de forme canonique appelé quelquefois filtre récursif du second ordre, qui comprend deux éléments de retard 71, quatre éléments additionneurs 72 et quatre éléments multiplicateurs 73. On peut utiliser ce circuit pour représenter schématiquement un filtre répondant à l'équation :
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et il convient à l'utilisation en tant que filtre passebas. De façon générale, ce filtre, beaucoup plus efficace que le filtre à réponse impulsionnelle finie (il ne comporte que deux éléments de mémoire), présente une atténuation croissant plus rapidement, etc.
La figure 4 représente schématiquement un filtre à réponse impulsionnelle infinie sous forme couplée. Ce dispositif convient à 1,'utilisation en tant que filtre passe-haut répondant à l'équation :
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dans laquelle :
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et
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on notera que ce filtre comporte deux éléments de retard
74, six multiplicateurs 75 et cinq additionneurs 76.
On peut considérer qu'un filtre a une réponse impulsionnelle infinie si dans l'équation (1) ci-dessus,
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on considère que le'filtre a une réponse impulsionnelle infinie. Les filtres à réponse impulsionnelle infinie tendent à être plus efficaces dans la mesure où ils permettent de réaliser une caractéristique de filtre donnée avec moins de coefficients. Les'compromis fondamentaux lorsqu'on considère des filtres portent sur le nombre total
de multiplications et d'additions par seconde, la capacité totale de mémoire nécessaire pour enregistrer les échantillons d'entrée et de sortie (mémoire vive) et la capacité totale de mémoire nécessaire pour enregistrer les coefficients (mémoire morte).
Pour obtenir l'efficacité maximale, les filtres doivent fonctionner avec une cadence d'échantillonnage aussi faible que possible. Ceci s'applique aux filtres
à réponse impulsionnelle finie comme aux filtres à réponse impulsionnelle infinie. Les dispositifs à réponse impulsionnelle finie nécessitent davantage de coefficients pour réaliser le filtre lorsque .la cadence d'échantillonnage augmente. En fait, le nombre de coefficients double approximativement lorsque la cadence d'échantillonnage double. Ainsi, lorsque la cadence d'échantillonnage augmente, la capacité de mémoire vive et de mémoire morte augmente de façon linéaire et la cadence arithmétique augmente comme le carré de l'augmentation de la cadence d'échantillonnage (cadence mathématique plus élevée x nombre de calculs plus élevé). Les filtres à réponse impulsionnelle infinie ne nécessitent pas davantage de coefficients lorsque la cadence d'échantillonnage augmente mais ils nécessitent des mots plus
longs, si bien que le calcul demande plus de temps (en utilisant des multiplicateurs série/parallèle) et la cadence de calcul augmente avec la cadence d'échantillon- nage.
Le choix correct en ce qui concerne l'architecture semble être d'essayer de réduire la cadence d'échantillonnage du système en utilisant un filtre passe-bas dont la bande atténuée commence à une fréquence très inférieure
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la cadence d'échantillonnage est réalisée en utilisant un sur huit des échantillons de sortie du filtre et en rejet- tant les sept autres. On notera que dans un convertisseur analogique-numérique à interpolation, les données sont échantillonnées à une cadence très élevée, soit 32 à 54 fois la fréquence à laquelle on s'intéresse; si bien que
le filtre nécessaire pour limiter le signal à F /16 demeure relativement simple. Dans les applications du
type téléphonique, la cadence d'échantillonnage peut être réduite de 512 kHz à 32 kHz avec un filtre passe-bande
dont la bande atténuée commence à 16 kHz. Du fait que la bande passante se termine à 3,4 kHz, ce filtre est beaucoup plus simple que le filtre qui est nécessaire
pour réaliser des fonctions réelles de filtrage passe-bas
(sa bande atténuée commence à 4.,6 kHz).
La façon la plus efficace de réaliser le filtre passe-bas consiste à employer un filtre à réponse impulsionnelle finie. Cette conclusion est basée sur le raisonnement suivant. Un filtre à réponse impulsionnelle infinie utilisé en tant que réducteur de la cadence d'échantillonnage passe-bas doit fonctionner à la cadence d'échantillonnage, calculer les résultats à la cadence d'échantillonnage initiale puis rejeter ensuite 7 des
8 résultats. Tous les résultats doivent être calculés du fait que chaque résultat est nécessaire pour calculer le résultat suivant. Cependant, le filtre passe-bas peut être un filtre du second ordre mais il nécessite 5 coefficients ou 5 multiplications et 5 additions toutes les 4 us, ou une cadence de multiplication de 2,5 MHz et une cadence d'addition de 2 MHz. Un filtre à réponse impulsionnelle finie -doit calculer seulement un résultat sur 8. Il n'a pas à calculer les sept résultats inutilisés du fait qu'ils ne sont pas nécessaires pour le calcul des échantil-Ions futurs. On peut réaliser un filtre à 20 coefficients qui nécessite 20 multiplications et 10 additions à 32 kHz. La fréquence de multiplication est réduite à 1,28 MHz et la cadence d'addition est de 1,204 MHz. On peut en outre montrer que la capacité de mémoire nécessaire est compa-
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être réalisé avec une structure simple d'additionneur série pour économiser du matériel.
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rique est la multiplication. La réalisation des multiplicateurs nécessite beaucoup de matériel et les multiplicateurs peuvent dissiper une puissance considérable. Comme il a été indiqué précédemment, le filtre de réduction de la cadence d'échantillonnage nécessite des cadences de
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multiplication est accomplie normalement dans un circuit combinatoire entièrement parallèle qui nécessite une très grande quantité de matériel, ou bien elle est accomplie selon une fonction série/parallèle avec addition et décalage. Le multiplicateur série/parallèle nécessite un registre à décalage à N bits, un additionneur à N+M
bits et N cycles d'horloge pour effectuer une multiplication N x M . Cependant, aucune de ces techniques n'est un bon choix pour un processeur réalisé en circuits intégrés complexes.
Une technique prometteuse consiste dans ce qu'on appelle l'optimisation de mot court. L'utilisation
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le coefficient et la multiplication ne nécessite que des
esz
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tre à décalage en anneau et un coefficient à 12 bits ne contenant que trois "1", on peut accomplir une multiplication en 3 périodes d'horloge en ignorant toutes les additions pour lesquelles des zéros apparaissent dans le coefficient. Les techniques de simplification des coefficients sont très complexes et-nécessitent certains compromis sur la conception du filtre (ceci peut être compensé par une augmentation de la complexité du filtre). Les filtres à réponse impulsionnelle finie qui ont davantage de coefficients semblent être moins sensibles à la simplification des coefficients, bien que des filtres à réponse impulsionnelle infinie conçus à partir de filtres réels à faible sensibilité peuvent également avoir une bonne insensibilité à la simplification des coefficients.
Du fait que le convertisseur analogique-numérique à interpolation est un système dont la cadence d'échantillonnage est très supérieure à la valeur strictement nécessaire, avec l'information intéressante dans une
bande de fréquence inférieure à celle du signal de sortie du système, des filtres numériques tels que ceux représentés en 40, 42, 46 et 50 sur la figure 1, sont nécessaires pour faire disparaître les composantes d'erreur à haute fréquence qui sont générées par le convertisseur, pour lisser les composantes des signaux de basse fréquence et pour en faire la moyenne, ainsi que pour accomplir
tout autre filtrage basse fréquence nécessaire. Le filtrage numérique peut être accompli avec diverses architectures différentes utilisant des filtres à réponse impulsionnelle finie et/ou des filtres à réponse impulsionnelle infinie pour réaliser le système.
Dans le mode de réalisation préféré du dispositif qui est représenté de façon générale sur la figure 1, le filtre passe-bas de réduction de cadence d'échantillonnage, 40, est constitué par un filtre à réponse impulsionnelle finie à quatre prises et par deux filtres
à réponse impulsionnelle finie à trois prises. Le premier d'entre-eux réduit à 128 kHz le signal à 512 kHz, le second réduit à 64 kHz le signal à 128 kHz et le troisième réduit à 32 kHz le signal à 64 kHz. Le second filtre passe-bas de réduction de cadence d'échantillonnage, 42 est réalisé sous la forme d'un filtre à réponse impulsionnelle finie à 5 prises qui réduit à 16 kHz le signal à
32 kHz et le filtre de correction de distorsion d'atténuation pour l'émission, 46, est un filtre à réponse impulsionnelle finie à 8 prises. Le filtre de réglage du
gain en émission 48 est un filtre à réponse impulsionnelle finie à une prise et le filtre d'émission principal 50 est un dispositif de filtrage à réponse impulsionnelle infinie à trois prises qui comprend deux filtres passebas de la forme canonique et un filtre passe-haut de la forme couplée. Le filtre d'émission principal réduit à
<EMI ID=25.1>
un dispositif à réponse impulsionnelle finie à 3 prises.
Le système permet le passage vers le filtre d'entrée 14 du signal audiofréquence entrant ainsi que d'une fraction du signal sortant (signal de réception). Cependant, du fait que le signal sortant généré est connu, de même que le temps nécessaire pour qu'il retourne après avoir traversé le système, on peut utiliser le filtre d'équilibrage 44 pour générer un signal d'annulation qui, additionné en 45 dans le circuit d'émission, annulera
le signal de retour. De plus, bien qu'on ne connaisse pas initialement les caractéristiques de la ligne, on connaît les caractéristiques du système. L'utilisateur peut cependant déterminer les caractéristiques de la ligne et programmer le filtre 44 pour assurer un équilibrage approprié et du fait que le filtre 44 est programmable sous forme numérique, une telle annulation peut être accomplie de façon très précise.
Le filtre de réception principal 56 comprend deux filtres passe-bas à réponse impulsionnelle infinie sous forme anonique qui augmentent la fréquence du signal reçu pour la faire passer de 8 kHz à 16 kHz. Le filtre de réglage du gain en réception 58 est un filtre à réponse impulsionnelle finie à une prise, le filtre de correction de la distorsion d'atténuation en réception, 60, est un filtre à réponse impulsionnelle finie à 8 prises, et l'interpolateur passe-bas 62 est un filtre à réponse impulsionnelle finie à 5 prises qui élève à 32 kHz le signal à.
16 kHz qui sort du filtre 60. Le second interpolateur passe-bas est constitué par trois filtres à réponse impulsionnelle finie à trois prises qui élèvent le signal à
32 kHz pour le porter respectivement à 64 kHz, 128 kHz et
512 kHz.
Le filtre d'adaptation d'impédance 66 est un filtre à réponse impulsionnelle finie à quatre prises (ou
à 8 prises) qui est utilisé pour assurer l'adaptation aux caractéristiques de la ligne. Plus précisément, on peut utiliser le filtre d'adaptation d'impédance 66 pour modifier l'impédance d'entrée du système, vue à l'accès d'entrée à 2 fils du système. Le filtre 66 renvoit effectivement dans le signal entrant la tension qui est générée
à l'accès d'entrée. Si ceci est effectué avec une amplitude et une polarité appropriées, la valeur de l'impédance d'entrée effective peut être modifiée pour être adaptée à l'impédance caractéristique de la ligne téléphonique. La commande de l'impédance du filtre 66 permet ainsi d'assurer la réjection des échos et l'adaptation à différentes lignes d'entrée. Cependant, le fait de modifier l'impédance d'entrée rend le gain du système sensible à la fréquence. On peut cependant programmer les filtres de correction de distorsion d'atténuation en émission et en réception, 46 et 60, de façon à compenser
toute distorsion d'atténuation ainsi créée par l'utilisation du filtre 66. On peut également utiliser les filtres
de réglage de gain pour ajouter des pertes incorporées
afin de faire disparaître des problèmes de transmission tels que des oscillations parasites.
La boucle de test 67 est destinée à permettre le test du'dispositif ou de la ligne et on peut l'employer pour faciliter la sélection des coefficients pour divers filtres.
Le circuit de traitement audiofréquence de
ligne d'abonné comprend également une interface de commande série 32 qui est connectée à un ordinateur de commande destiné à la programmation d'un certain nombre de fonctions
du dispositif. L'interface comporte un bus de commande série
33 qui est utilisé pour programmer les tranches de temps d'émission et de commande pour le circuit de traitement audiofréquence de ligne d'abonné, ainsi que pour fixer le gain du dispositif en émission et en réception. Elle comporte également une fonction de coupure de tension. Les signaux d'entrée de rythme comprennent un signal d'horloge de données DCLK, un signal d'entrée de données DIN, un signal de sortie de'données DOUT, un signal de sélection
de puce CS pour l'interface série, un signal d'horloge principale MCLK pour la commande de rythme des unités arithmétiques et logiques, des signaux d'horloge d'émission et de réception CLKX et CLKR, des impulsions de synchronisation
de trame d'émission et de réception FSX et FSR et un
signal d'échantillonnage de tranche de temps TSC pour l'interface avec le système MIC. Les affectations des tranches de temps sont définies par rapport aux impulsions de synchronisation de trame FS. Lorsque le circuit d'émission passe à l'état actif, une broche d'échantillonnage de tranche de temps (TSC) est amenée à l'état bas de façon à attaquer un circuit séparateur à trois états si ceci
est nécessaire dans le système. Les circuits séparateurs MIC d'émission et de réception ont.des entrées d'horloge séparées de façon à être capable de fonctionner de
manière asynchrone, mais dans la plupart des systèmes, les entrées d'horloge d'émission et de réception seront branchées en commun. Les impulsions de synchronisation de
trame sont également séparées pour l'émission et la réception, mais on utilisera une impulsion commune dans
la plupart des systèmes et si des tranches de temps différentes sont nécessaires, on pourra programmer cette caractéristique au moyen de l'entrée de commande de sélection
de tranche de temps.
En utilisant le bus de commande série 33, on programme dans le dispositif l'information de tranches de temps d'émission et de réception pour déterminer les 'instants auxquels le dispositif doit émettre et doit recevoir des données ; les coefficients pour le filtre d'adaptation d'impédance 66, le filtre d'équilibrage 44, le filtre de correction de distorsion d'atténuation en émission 46 et
le filtre de correction de distorsion d'atténuation en réception 60 sont tous programmés un multiplet à la fois ; et les coefficients de réglage de gain en émission et en réception sont également programmés dans le dispositif.
Toutes ces données peuvent être renvoyées pour lecture sur la ligne DOUT du bus 33, sous une commande appropriée. De plus, on peut programmer le dispositif à l'aide du bus 33 pour lui donner des configurations spéciales. On peut par exemple donner au dispositif une configuration le faisant
<EMI ID=26.1>
avec un codage linéaire.
En outre, les paramètres de l'ensemble des quatre filtres programmables 44, 46, 60 et 66 peuvent
être fixés à des valeurs prises par défaut, c'est-à-
dire que le filtre d'adaptation d'impédance 66 et le filtre d'équilibrage 44 peuvent être fixés à zéro et que les deux filtres de correction de distorsion d'atténuation
46 et 60 peuvent être fixés à une valeur égale à l'unité. Les filtres de réglage de gain 48 et 58 ont des valeurs prises par.défaut qui peuvent être fixées égales à l'unité. Le filtre de réglage du gain en réception 58
a également une seconde valeur prise par défaut qui est égale à zéro,pour bloquer le circuit de réception.
On fixe la condition de test en programmant
un ordre qui modifie le signal d'entrée appliqué aux divers filtres, c'est-à-dire que le signal de sortie de l'interpolateur passe-bas 64 est appliqué au filtre passebas de réduction de fréquence d'échantillonnage, 40, pour réaliser un bouclage numérique, tandis que le signal de sortie du convertisseur analogique-numérique 16 est ren- voyé au convertisseur numérique-analogique 26 pour réaliser un bouclage analogique. Ces opérations sont naturellement accomplies sous la commande du programme. Une caractéristique supplémentaire du dispositif consiste en ce qu'une bascule de type TTL est branchée aux sorties du circuit d'interface de ligne d'abonné, grâce à quoi les sorties sont programmables à l'aide de mots de commande appliqués sur le bus d'interface série 33.
On va maintenant considérer la figure 5 qui représente un schéma synoptique d'une version simplifiée d'un codeur à interpolation de l'art antérieur, du type utilisé pour réaliser le convertisseur analogique-numérique 16 qui est représenté sur la figure 1. Dans la boucle de codage de base, on utilise une réaction négative pour minimiser la différence moyenne entre le signal d'entrée analogique x(t) et sa représentation quantifiée q(t). Un amplificateur intégrateur 77 intègre la différence entre
x(t) et q(t) et fait la somme de cette différence et de
la différence instantanée entre x(t) et q(t), et un comparateur 78 détecte la polarité du résultat. Le signal de sortie du comparateur 78 est appliqué à un circuit logique de commande de décalage 79 qui commande une augmentation ou une diminution du signal quantifié q(t) qui est produit par un convertisseur numérique-analogique 80. Dans le mode de réalisation préféré, le circuit logique 79 comprend un'registre à décalage bidirectionnel à 8 bits
qui fonctionne à la manière d'un accumulateur numérique
en effectuant un remplissage par des "1" à la partie inférieure (bit de moindre poids) et par des "0" à la partie supérieure. Lorsque le registre s'emplit de "1" logiques, 'la valeur absolue de la grandeur quantifiée augmente. Le circuit logique 79 contrôle également la polarité de la grandeur quantifiée et il émet la polarité sur la ligne
81 sous la forme d'un bit de signe SB. La valeur absolue est émise sur des lignes-781.
On trouvera des détails supplémentaires et des caractéristiques de fonctionnement d'un circuit similaire
à celui représenté, dans un article de Bruce A. Wooley et James L. Henry intitulé "An Integrated Per-Channel PCM Encoder Based On Interpolation" pages 14-20, IEEE Journal
of Solid-State Circuits, Vol. SC 14, N[deg.] 1, février 1979.
Bien que le convertisseur analogique-numérique
à interpolation décrit ci-dessus et d'autres décrits dans l'art antérieur puissent être utilisés dans un système correspondant à l'invention, ces convertisseurs présentent plusieurs inconvénients. Du fait que le signal de sortie
du comparateur est échantillonné à la fréquence F (qui
est très supérieure à la plage de fréquence d'entrée à laquelle on s'intéresse) et que ce signal est utilisé pour commander le registre à décalage de façon à déterminer le nouveau signal de sortie quantifié, le signal de sortie du convertisseur numérique-analogique doit changer à chaque échantillon puisqu'un code à 1 bit n'autorise que deux conditions, c'est-à-dire une augmentation ou une diminution, et ne permet pas de disposer d'un état dans lequel le signal de sortie du'convertisseur numérique-analogique demeure constant. Plus précisément, la commande du registre à décalage autorise seulement les valeurs suivantes pour les signaux d'entrée du convertisseur numérique-
<EMI ID=27.1>
Comme il est indiqué dans l'article de Candy et col. intitulé "A Per-Channel A/D Converter Having 15-Segment u-255 Companding"; pages 33-42, IEEE Trans. on Communications, Vol. com-24, N[deg.] 1, janvier 1976, ces codes ont été choisis de façon à correspondre à la fraction 4/3 des points d'extrémité de la caractéristique définie par les cordes
<EMI ID=28.1>
conques est le point d'extrémité d'une corde de la loi
<EMI ID=29.1>
�orise que 17 niveaux dans le système, soit 8 niveaux positifs, 8 niveaux négatifs et 0. La boucle de réaction fait en sorte que le convertisseur analogique-numérique tente de forcer à zéro le signal de sortie de l'intégrateur, de façon que l'intégrale de q(t) tende à devenir égale à l'intégrale de x(t).
Pour des signaux d'entrée continus, et avec un amortissement approprié fixé par la résistance R et le condensateur C, le système générera une configuration telle que celle représentée sur la figure 6a qui est une oscillation à trois niveaux autour du signal d'entrée. On décrit ici un système à 256 kHz dans lequel 32 échantillons sont soumis effectivement à un calcul de moyenne en effectuant à chaque fois deux opérations. On calcule la moyenne de chaque ensemble de deux valeurs lues en prenant la plus faible de ces deux valeurs et en négligeant le facteur d'échelle 4/3. Par exemple, si une valeur lue représente 4/3 du point d'extrémité n, la valeur lue infé-rieure suivante représente 2/3 du point d'extrémité n, et la moyenne est le point d'extrémité n qui correspond au code de la valeur lue inférieure. Ce calcul de moyenne
<EMI ID=30.1>
moyenne de ces échantillons dans un additionneur parallèle à 12 bits pour donner, un résultat à 12 bits. La résolution dans l'additionneur est'fonction du nombre d'échantillons
(n) sur lesquels porte la moyenne et de la résolution de
<EMI ID=31.1>
lution d'un échantillon individuel = résolution du résultat.
Kawahara et col., et d'autres ont également décrits l'utilisation d'un système à 512 kHz dans lequel
le calcul de moyenne n'est effectué que jusqu'à 32 kHz. Cependant, tous ces systèmes présentent plusieurs problèmes qu'on va maintenant envisager en compagnie des solutions qui sont proposées, conformément à l'invention .
1. Variation du gain en fonction de la fréquence. En ce qui concerne ce problème, la cadence d'échantillonnage et le nombre de niveaux dans le convertisseur constituent les contraintes fondamentales au niveau du système. Lorsque.la fréquence d'entrée augmente, le système a plus de difficultés à suivre le signal, comme
le montrent les figures 7a et 7b. Comme on le remarque
sur la figure 7a,le système suit relativement bien à
250 Hz. Cependant, lorsque la fréquence est augmentée jusqu'à 4 kHz, le suivi se dégrade, comme le montre la figure 7b. Le temps nécessaire pour qu'un signal passe de la valeur de pleine échelle positive à la valeur de pleine échelle négative est de (2M-l)T, et la fréquence maximale à l'amplitude maximale que le système peut générer est de F /2(2M-1). Pour le système à 8 niveaux, cette valeur est égale à F /30. Cependant, le système crée des erreurs au voisinage de'ces fréquences. Même pour des fréquences inférieures, la distorsion du signal est importante. On peut observer une variation du gain en fonction de la fréquence en mesurant la composante de sortie du convertisseur analogique-numérique à la fréquence du
signal d'entrée, et la.figure 8 montre les résultats pour
une cadence d'échantillonnage de 256 kHz et un système à
8 niveaux. Le fait d'augmenter la cadence d'échantillonnage jusqu'à 512 kHz améliore la réponse aux fréquences basses
mais le gain demeure fonction de la fréquence pour'les fréquences élevées. Ceci peut faire apparaître des problèmes importants dans le système si on n'effectue pas de correction. Sur la figure 7a, FFT désigne 1' intervalle de transformation de Fourier.
2. Les signaux continus sont limités en fonction de la cadence d'échantillonnage. La limitation de la' résolution en continu est due à la différence entre les
niveaux et au nombre d'échantillons sur lequel porte le
calcul de moyenne. Dans le système décrit ci-dessus, un
niveau sur deux représente un niveau situé en position
médiane entre les deux niveaux adjacents. Dans la technique employée par Candy et col., supra, on effectue la
moyenne de 16 échantillons, si bien que la résolution du
signal est d'environ 1/32, soit une résolution similaire
à celle obtenue en suivant la pratique qui correspond à
la loi p ou à la loi A. Une cadence d'échantillonnage
plus élevée, soit 512 kHz, permettrait d'effectuer le
calcul de moyenne sur deux fois plus d'échantillons et permettrait d'obtenir une résolution plus élevée, soit
1/64. On peut dire que la résolution de ces systèmes est
de 1/(F-/F ) en désignant par F la cadence d'échantil-
lonnage de sortie.
3. La dynamique est limitée en fonction de la
cadence d'échantillonnage. La limitation de la dynamique
est un problème similaire à celui de la limitation de'la résolution. La dynamique est le rapport entre le plus
grand niveau et le plus petit niveau qui peut être résolu.
Le plus petit niveau résolu est voisin de zéro et il est
<EMI ID=32.1>
désignant par M le nombre de niveaux (positifs ou négatifs) dans le convertisseur numérique-analogique. La dynamique
<EMI ID=33.1> <EMI ID=34.1>
paraissent est diminuée.
4. Limitation des possibilités de traitement de signaux de fréquence élevée. Lorsqu'on applique au convertisseur des signaux de chaule fréquence qu'il ne peut pas suivre, le signal de sortie tend à s'effondrer et à prendre un déphasage de 180[deg.] par rapport au signal d'entrée. Dans certaines circonstances, le mode de fonctionnement sans suivi du signal fait également apparaître des signaux dans la bande (à basse fréquence) dont l'atténuation par rapport au niveau d'entrée est inférieure à -30 dB.
5. Signaux hors bande produisant des composantes de signal dans la bande. Le filtre numérique avec calcul de moyenne qui est utilisé dans le circuit
décrit ci-dessus ne constitue pas la configuration optimale du fait qu'il n'élimine pas correctement tous les signaux hors bande et qu'il peut provoquer un repliement des signaux hors bande dans la bande passante. Des signaux hors bande sont générés non seulement par les signaux d'entrée hors bande mais également par la conversion analogique-numérique à la cadence d'échantillonnage élevée
de 256 kHz ou de 512 kHz. Les signaux compris entre 4 et
8 kHz ne sont pas atténués correctement et ils se replieront dans la bande passante (en supposant que la bande passante s'étende de 0 à 3,4 kHz). Les signaux voisins de
12 kHz se replieront également dans la bande passante
<EMI ID=35.1>
il semble que ce convertisseur analogique-numérique nécessite un pré-filtre de précision pour être utile pour 'le traitement des signaux de la bande vocale.
La conversion analogique-numérique produit des signaux hors bande dans la gamme de -20 à -50 dB au-dessous du niveau d'entrée, et certains de ces signaux se replieront avec moins- de -30 dB d'atténuation et ils augmenteront le bruit dans la bande. Ils peuvent également diminuer le rapport signal/bruit du système. L'interpolateur fonctionnant avec une entrée à 512 kHz et un filtre effectuant en sortie un calcul de moyenne à 32 kHz présente de meilleures performances: Ce filtre nécessite un filtrage complexe par la suite mais il permet d'éliminer tout sauf un simple pré-filtre. Les signaux tombant à l'intérieur des bandes de 32 à 36 kHz, 60 à 68 kHz, etc, se replient toujours directement dans-la bande passante et une atténuation plus élevée est souhaitable dans ces bandes.
On va maintenant considérer la figure 9 qui représente un perfectionnement par rapport au convertisseur analogique-numérique qui est représenté sur la figure 5. Bien qu'elle soit représentée sous-une forme un peu simplifiée, la partie du circuit qui est encadrée par les lignes en pointillés 90 est essentiellement identique au circuit qui est représenté sur la figure 5. Conformément à l'invention, on a ajouté un second comparateur 91, une bascule 92 et un circuit logique de commande supplémentaire 93 pour générer un code à 2 bits au lieu du code à 1 bit que produit le mode de réalisation de la figure 2, et on a ajouté un circuit numérique de zéro automatique,
94, afin d'ajouter une tension de décalage à l'amplificateur 77.
On utilise le comparateur supplémentaire 91 pour échantillonner la différence instantanée entre le signal d'entrée x(t) et le signal de sortie quantifié q(t). La résistance d'amortissement R n'est plus nécessaire et elle est représentée court-circuitée par une ligne 95. De ce fait, le comparateur d'origine 78 compare uniquement l'intégrale du signal de différence
(x(t)-q(t)). Le système à deux comparateurs ne présente pas de. dépassement par valeur supérieure ou par valeur inférieure (par rapport à un niveau) et il ne nécessite pas d'amortissement analogique.
Avec un seul comparateur, il n'y avait que deux nouveaux états possibles, c'est-à-dire une augmentation ou une diminution par rapport à la valeur précédente. Avec deux comparateurs, il y a quatre nouveaux états possibles pour q(t). Les états supplémentaires peuvent correspondre à une augmentation (ou une diminution) d'une quantité supérieure (ou inférieure), ou à la conservation de la même valeur. Dqns le système considéré, le seul état supplémentaire utilisé maintient le signal .de sortie constant. L'aptitude à demeurer à un niveau particulier,fait que pour un signal d'entrée continu, le système oscille entre les deux niveaux qui encadrent le signal d'entrée,
en changeant de niveau à. la-cadence d'échantillonnage. Ceci constitue un perfectionnement par rapport au système à un seul comparateur qui, comme le montre la figure 6b, ne peut être réduit qu'à une oscillation à deux niveaux à
la moitié de la cadence d'échantillonnage. Le second comparateur procure un doublement effectif de l'information
(pour les signaux continus) et il procure 6 dB de plus pour la dynamique et 6 dB de plus pour la résolution,
sans augmentation de la cadence d'échantillonnage ou du nombre de niveaux.
Le second comparateur procure également une augmentation supplémentaire de dynamique de 2,5 dB en permettant aux signaux du convertisseur numérique-analogique 76 d'avoir une valeur inférieure de 2,5 dB. Le système à un seul comparateur nécessite que le signal de sortie maximal du convertisseur numérique-analogique soit égal à la fraction 4/3 du niveau d'entrée maximal, du fait que
ce niveau est représenté par l'oscillation du système
<EMI ID=36.1>
la même gamme de pleine échelle, il peut utiliser des niveaux correspondant à la fraction 3/4 de ceux du système à un seul comparateur. Ceci augmente la dynamique de 2,5 dB. Cependant, le traitement du signal numérique doit être modifié pour pouvoir utiliser le système à deux comparateurs. On ne peut plus faire la moyenne d'un échantillon sur deux en utilisant le code numérique de la valeur lue inférieure et, par conséquent, le calcul de moyenne (ou
un autre algorithme de traitement du signal) doit être appliqué à tous les échantillons.
Le circuit de zéro automatique 94 comporte un convertisseur numérique-analogique 96 et deux compteurs réversibles à 6 bits, 97 et 98. Les compteurs intègrent
le bit de signe du signal à 8 kHz qui est produit dans
le filtre d'émission 50, en amont de sa section de filtre passe-haut et qui est renvoyé par le conducteur 99. S'il existe un décalage dans le système, les compteurs 97 et
98 comptent en sens croissant ou décroissant jusqu'à ce que le code à six bits (bit de signe plus cinq bits de valeur absolue) appliqué au convertisseur numériqueanalogique 96 fasse apparaître en sortie de ce dernier
un niveau approprié pour être appliqué à l'amplificateur
70 afin de compenser le décalage. Ensuite, le nombre de bits de signe plus et moins demeurera le même et le compteur 97 oscillera simplement d'un incrément en sens croissant et en sens décroissant. Les six bits inférieurs contenus dans le compteur 98 sont utilisés en tant que bits d'amortissement pour réduire la fréquence de toute oscillation à une valeur inférieure à la bande passante du système, de façon que si une oscillation existe, elle ait une fréquence basse et soit éliminée par le filtre passe-haut suivant du filtre d'émission 50.
La figure 10 représente un autre perfectionnement indépendant apporté au système qui consiste à utiliser un procédé adaptatif pour la commande du processus de décalage, afin de permettre d'utiliser plus de niveaux pour obtenir une plus grande dynamique, mais en supprimant les niveaux inutiles pour améliorer la réponse en fréquence. Outre les composants du mode de réalisation qui est représenté sur la figure 9, ce mode de réalisation comprend un registre de valeur de crête 100, un comparateur 102, un soustracteur 104 et un comparateur
106. L'algorithme adaptatif est basé sur le fait que le système n'arrive pas à suivre les signaux d'amplitude élevée lorsque la fréquence augmente,du fait qu'il a des difficultés à suivre le signal. Le problème le plus important apparaît au moment où le signal passe par
zéro, c'est-à-dire dans une position dans laquelle le quantificateur a de nombreux signaux à faible niveau et le signal d'entrée change à sa vitesse maximale. Ce problème est celui que fait apparaître la figure 7b.
Les niveaux proches de zéro contiennent une information limitée pour les signaux alternatifs de grande amplitude et si on pouvait les supprimer, la précision du système ne serait pas sensiblement réduite. L'algorithme adaptatif détecte la valeur absolue de crête au cours de chaque cycle et supprime un nombre approprié de niveaux autour de zéro pour permettre au système de suivre le signal d'entrée. Plus précisément, la valeur de crête du signal quantifié, dans le registre 98, est enregistrée
dans le registre de.valeur de crête 100 et le comparateur
102 compare la valeur de crête enregistrée et la valeur courante. Simultanément, le soustracteur 104 soustrait
la valeur courante de la valeur de crête et la différence, est comparée avec un signal d'entrée de référence
qui est appliqué en 108 au comparateur 106. Cependant,
le signal de sortie du soustracteur n'est pas simplement
la différence entre les deux signaux d'entrée, mais la différence entre le nombre de "1" dans chacun des
signaux d'entrée A et B.
Le signal de sortie que produit le comparateur
106 fait changer le bit de signe (SB). Lorsque la valeur quantifiée s'approche de zéro, les niveaux autour de
zéro sont supprimés en étant sautés et en changeant le
bit de'signe. Le niveau de crête détermine le niveau auquel le bit de signe est changé. Dans l'adaptation qui est envisagée, ce niveau se trouve cinq niveaux au-dessous du niveau de crête du signal (à moins que le niveau de crête soit 00001111'ou moins, auquel cas l'adaptation retourne au fonctionnement normal) et on enlève un nombre de niveaux différent en fonction de l'amplitude d'entrée, de façon à conserver dix niveaux actifs.
La valeur de crête doit être capable de se réduire lorsque le niveau du signal change. On peut réaliser ceci de nombreuses manières. Par exemple, (a) en effectuant une réduction d'un niveau à chaque passage par zéro,
(b) en réduisant le niveau si un niveau particulier n'est <EMI ID=37.1>
un système MIC avec un signal de sortie final ayant une cadence d'échantillonnage de 8 kHz), ou (c) en réduisant la valeur de crête à une cadence périodique fixe. Le mode de réalisation qui est utilisé actuellement et qui est représenté sur la figure 11 réduit le niveau de crête à chaque passage par zéro. Cette technique d'adaptation
<EMI ID=38.1>
ce maximale qui peut être suivie est augmentée de
Fs/32 à F /18. le prix à payer pour ceci consiste en une très légère augmentation du rapport signal/bruit de quantification pour-les signaux alternatifs. Le bruit accru est dû à la suppression des niveaux voisins de zéro. Cependant, les niveaux supprimés représentent des signaux qui correspondent à moins de 1% de la période d'une onde sinusoïdale et l'augmentation du rapport signal/bruit
est minimale.
La caractéristique de variation du gain en fonction de la fréquence est également modifiée et repoussée plus haut en fréquence, avec beaucoup moins d'effet sur les signaux de basse fréquence, comme le montre la figure 8. Les figures 7b et 11 montrent respectivement la réponse avec et sans adaptation pour un signal à
0 dB, 4 kHz. Cette technique est avantageuse en ce qui concerne la réponse en fréquence, sans augmentation de la cadence'd'échantillonnage et sans pénalité réelle sur
les performances, en particulier en ce qui concerne la dynamique, la résolution et le rapport signal/bruit.
La technique d'adaptation peut permettre d'augmenter la dynamique du système sans pénaliser la réponse en fréquence. Le convertisseur numérique-analogique qui est représenté sur la figure 5 utilise 17 niveaux et sa dynamique et sa résolution sont juste suffisantes pour l'application considérée. On ne peut les augmenter que par une augmentation de la cadence d'échantillonnage et/ ou par l'ajout de niveaux supplémentaires. Cependant, le fait d'ajouter des niveaux nécessiterait l'emploi d'une cadence d'échantillonnage plus élevée, car sinon la carac-téristique de réponse en fréquence ne serait pas acceptable. Avec la technique d'adaptation qui est représentée sur la figure 10, on peut ajouter davantage de niveaux autour de zéro, sans dégrader la réponse en fréquence, du fait que ces niveaux ne seront utilisés que pour les très fai. blés signaux.
Un système utilisant un convertisseur numériqueanalogique à 10 bits avec 21 niveaux de 0000000000 à
<EMI ID=39.1>
les plus élevés, conformément à ce qu'indique le registre de valeur de crête, et il aurait 12 dB supplémentaires de dynamique du fait que le niveau le plus faible serait maintenant Vin . au lieu de Vin /256. Les niveaux
<EMI ID=40.1>
lise un seul comparateur). Le nombre de niveaux voisins
de zéro qu'on peut ajouter est limité par le bruit du système et tant qu'il y a toujours la même précision relative pour tous les niveaux du convertisseur numérique-analogique, les performances du système sont
accrues de façon à couvrir 12 autres dB de dynamique.
La figure 12 montre les rapports signal/bruit s/B oour des systèmes à 17 niveaux et à 21 niveaux utilisant l'al- <EMI ID=41.1>
L'algorithme adaptatif décrit ci-dessus. améliore la réponse en fréquence et la dynamique pour une cadence d'échantillonnage donnée. Il ne travaille que sur la valeur absolue du signal d'entrée et se comporte de façon identique, indépendamment de la fréquence.
On peut ajouter un autre élément qui permet au système de modifier l'adaptation sur la base de la fréquence d'entrée. Cet élément supplémentaire détecte le fait que la fréquence d'entrée dépasse une fréquence à laquelle le convertisseur analogique-numérique peut suivre le signal d'entrée avec précision et il modifie l'adaptation en supprimant davantage de niveaux autour de zéro. Ceci augmentera le bruit pour les signaux d'entrée à haute fréquence mais permettra de suivre le signal d'entrée jusqu'à des fréquences plus élevées. Une modification permettant de bénéficier de cette possibilité consiste à ajouter au circuit de la figure 10 le circuit qui est représenté sur la figure 13. Ce circuit compare
le bit de signe du signal d'entrée (produit par un comparateur 110) avec le bit- de signe quantifié (provenant du convertisseur numérique-analogique 96) sur une période de
32 échantillons, déterminée par un compteur à 4 bits
112. Dans le cas où les bits comparés sont différents pour plus de 50% des échantillons, le système ne suit pas de façon précise le signal d'entrée et l'adaptation est modifiée par la suppression de davantage de niveaux. Ce système permet au convertisseur analogique-numérique de suivre le signal d'entrée en utilisant tout d'abord
10 niveaux actifs, puis en réduisant le nombre de niveaux à 8, 6 et 4,conformément à ce que déterminent le compteur à 6 bits 114, le compteur à deux bits 116 et le décodeur
118. Voir à ce titre le tableau ci-dessous :
<EMI ID=42.1>
Ceci crée des points de commutation au voisinage de
<EMI ID=43.1>
tème cesse de suivre.
On pourrait également modifier le système de façon qu'il démarre en utilisant l'ensemble des 17 (ou
21) niveaux et supprime ensuite des niveaux lorsqu'il détecte qu'il ne suit plus le signal. Cette adaptation modifiée de façon dynamique présente un temps "d'attaque" rapide (32 échantillons) mais doit avoir un temps de "décroissance" (défini par le compteur à 6 bits 114) long de façon à demeurer stable. La figure 14 montre la réponse
<EMI ID=44.1>
Un autre domaine de perfectionnement possible réside dans le traitement numérique du signal qui est cons-titué par les résultats du convertisseur analogiquenumérique. Candy et col., supra, ont décrit l'utilisation d'un filtre à calcul, de moyenne pour réduire la fréquence de sortie du convertisseur analogique-numérique et Kuwahara et col.,dans l'article "Interpoiative PCM CODECS with Multiplexed Digital Filters", page 174, Proceedings
1980 IEEE International- Solid-State Circuits Conférence, février 1980, décrivent l'utilisation d'un filtre à calcul de moyenne pour réduire la fréquence de sortie à
4 fois la fréquence du signal de sortie final , puis
<EMI ID=45.1>
filtrer les fréquences inférieures. Cependant, deux points clés sont négligés dans ces techniques de l'art antérieur. Le premier consiste en ce que la cadence d'échantillonnage est réduite par les filtres de réduction de cadence d'échantillonnage et que la tâche la plus importante des filtres est de faire en sorte que les composantes de fréquence qui sont repliées dans la bande passante
soient correctement atténuées. Si des composantes situées dans la bande passante présentent une distorsion d'atténuation, on peut corriger cette distorsion dans un filtre fonctionnant à la cadence d'échantillonnage finale
ou au voisinage de celle-ci. Les filtres à calcul de moyenne ne procurent pas réellement une atténuation appropriée des signaux hors bande.
Le second point consiste en ce que le filtre de réduction de fréquence d'échantillonnage qui est utilisé avec le convertisseur analogique-numérique doit assurer une atténuation appropriée de toutes les bandes de largeur 2F pass. autour de toutes les fréquences de repliement. Un moyen d'obtenir ces performances consiste à placer des zéros de transmission multiples à toutes les fréquences de repliement. La figure 15 représente un filtre capable de réaliser ceci. Ce filtre comprend un processeur arithmétique 120, une mémoire morte de coefficients
<EMI ID=46.1>
<EMI ID=47.1>
de sortie RS. L'équation du filtre est :
<EMI ID=48.1>
<EMI ID=49.1>
filtre numérique final d'effectuer toute mise en forme du signal. Ce filtre comprend la combinaison de tous les étages de réduction de cadence d'échantillonnage qui sont nécessaires pour réduire la cadence d'échantillonnage à
16 kHz.
Ce filtre procure une protection contre les composantes hors bande qui est considérablement supérieure à celle d'un filtre à calcul de moyenne et il permet d'employer seulement un filtre simple à un seul pôle en amont du convertisseur analogique-numérique. Le filtre traite également plus de N termes pour une réduction
de fréquence de N et il permet d'obtenir une résolution .et une dynamique supérieures pour le même convertisseur analogique-numérique. L'idée de traiter plus de N termes dans un filtre de réduction de fréquence nécessite que le filtre ait une certaine mémoire, mais cette exigence peut être maintenue à un minimum, comme l'indique le mode de réalisation qui est représenté sur la figure 16. Ce mode de réalisation comporte un seul'étage de filtre avec un signal de sortie à 16 kHz, à la place du circuit décrit précédemment qui fonctionne avec plusieurs filtres simples réduisant la cadence d'échantillonnage au moyen de plusieurs étages intermédiaires. Le signal de sortie du convertisseur analogique-numérique est utilisé' dans trois sommations différentes qui sont enregistrées en mémoire.
De plus, le signal de sortie du convertisseur analogique-numérique est multiplié par trois constantes différentes et il est additionné à chaque sommation. Les sommations sont achevées à des instants différents après le début d'une nouvelle sommation.
Ainsi, en résumé, on peut perfectionner un convertisseur analogique-numérique à interpolation en utilisant n'importe quelles des trois'techniques indépen-dantes suivantes : (a) ajout d'un second comparateur pour obtenir 6 dB (8,5 dB) supplémentaires de dynamique et 6 dB supplémentaires de résolution à une cadence d'échantillonnage donnée, (b) ajout d'une technique d'adaptation, pour permettre un meilleur suivi des signaux de haute fréquence et pour obtenir autant de dynamique supplémentaire qu'il est nécessaire, la seule limitation venant du bruit du système ; ou (c) modification du filtre de réduction de fréquence pour remplacer un filtre à calcul de moyenne par un filtre qui procure plus d'atténuation autour des fréquences de repliement et par un filtre qui traite davantage d'échantillons pour améliorer la dynamique et la résolution et.pour réduire le bruit.
On peut concevoir un filtre à réponse impulsionnelle finie pour le signal de sortie d'un convertisseur analogique-numérique à interpolation en utilisant le fait que le signal de sortie du convertisseur analogiquenumérique peut être converti en un code qui ne contient qu'un seul "1". Le filtre peut être réalisé en employant seulement des additions et des décalages et le nombre d'additions est égal au nombre de coefficients. La capacité de mémoire est fortement réduite du fait que chaque échantillon n'affecte que quelques mots de sortie. Par exemple, dans un filtre à 20 prises avec une réduction de.fréquence de 8, chaque échantillon d'entrée est utilisé uniquement pour calculer deux ou trois échantillons de sortie,.au lieu de vingt. Par conséquent, on peut conserver une somme tournante de a.Ax. et il n'est pas nécessaire d'enregistrer l'échantillon d'entrée.
L'échantillon d'entrée est multiplié par a. pour la somme n[deg.]l, par
<EMI ID=50.1>
Lorsque la sommation contient 20 valeurs elle est présentée en sortie et le registre de mémoire correspondant est effacé. On peut effectuer cette multiplication à l'aide d'un réseau de décalage entièrement parallèle ou d'un registre à décalage à prises.
Un décalage entièrement parallèle utilisant un circuit de décalage parallèle et un additionneur parallèle permet de faire en sorte que chaque multiplication ne demande qu'une période d'horloge. Un filtre à 20 prises
avec une fréquence de sortie de 32 kHz nécessite une cadence d'addition de 640 kHz. Si on disposait d'une horloge de système à 2 MHz, ce circuit de décalage et cet additionneur seraient disponibles pour effectuer 1 360 000 opérations supplémentaires.par seconde. Une structure para)_lèle simple utilisant des additionneurs à un bit et un réseau de 10 portes nécessite 2 registres à décalage et
un additionneur pour chaque somme ou 6 registres à décalage et 3 additionneurs à un bit au total. Une longueur
de mot de 16 bits nécessiterait une horloge à 4 MHz (en supposant une.cadence d'échantillonnage de 512 kHz).
Le traitement numérique remplit fondamentalement une fonction de filtrage passe-bas pour supprimer
les composantes d'erreur de haute fréquence dans le signal de sortie du convertisseur analogique-numérique,
sans atténuation des signaux dans la bande. Le signal de sortie du processeur de signal peut avoir une cadence d'échantillonnage très inférieure à celle du convertisseur si les composantes de haute fréquence sont supprimées. Cette fonction de filtre de réduction de cadence d'échantillonnage est généralement accomplie par des filtres à réponse impulsionnelle finie du fait que le nombre de calculs peut être réduit de façon à calculer seulement les échantillons de sortie à la cadence d'échantillonnage de sortie. Bien que la plupart des systèmes utilisent un filtre de calcul de moyenne d'un
type simple pour faire la moyenne de N échantillons et réduire la fréquence par un facteur de N, la technique
du filtre à calcul de moyenne n'assure pas une atténuation appropriée des signaux hors bande et il est nécessaire d'employer des filtres plus complexes qui nécessitent certaines multiplications en plus des additions,
et on se trouve en présence d'un problème de matériel.
On trouvera ci-après la description de techniques, conformes à l'invention, qui utilisent un traitement simple
et à faible vitesse pour accomplir les opérations complexes de filtrage.
Le convertisseur analogique-numérique à interpolation qui est représenté sur la figure 5 comporte un ensemble limité de codes numériques qui sont :
<EMI ID=51.1> un système à 17 niveaux. Cependant, ces codes sont étroitement liés et on peut les modifier légèrement pour qu'ils deviennent d'une grande utilité pour des structures de filtre spéciales. La modification du code fait appel à une modification du convertisseur numérique-analogique dans le codeur de façon que le bit de faible poids (LSB) soit doublé et ait une valeur égale à celle du second bit. Si on effectue ceci, les signaux de sortie .réels du convertisseur numérique-analogique sont équivalents aux
<EMI ID=52.1>
- 100000000. Le circuit logique destiné à convertir au nouveau format numérique les codes du registre à décalage est représenté en 156 sur la figure 17. Ce nouveau code présente les avantages suivants : (a) chaque code contient un seul 1 (ou un seul 0) et (b) chaque code est exactement le double du code immédiatement inférieur
(sauf pour le code au-dessus de zéro). Ces caractéristiques peuvent conduire à plusieurs structures de filtre originales. Bien qu'on réalise généralement les filtres en employant des multiplicateurs et des additionneurs coûteux, on peut réaliser ce filtre avec un simple additionneur série, deux registres.à décalage et 8 portes ET, comme le montre la figure 17.
Le mot de coefficient formé par 8 bits est chargé dans le registre à décalage 154 à partir de la mémoire morte 152 et il est effectivement décalé de N bits par le réseau de portes qui prélève un bit du registre à décalage en fonction du code de sortie du convertisseur analogique-numérique. Lorsque le coefficient est décalé dans le registre à décalage 154, il est décalé de M positions par le réseau de portes 156 et il est ajouté à la sommation précédente qui est enregistrée dans le registre 158. Après M opérations de ce type, la multiplication et l'accumulation de cet échantillon sont terminées (avec M = 8 bits plus la largeur de coefficient
(W) plus les bits éventuels prévus en cas de dépassement de capacité). Si les registres ont une longueur inférieure à 8 + W, les résultats sont tronqués.
Après n accumulations de ce type, le registre
<EMI ID=53.1>
dans le registre est ensuite présenté en sortie et la nouvelle sommation est commencée en invalidant la porte de réaction FG pour la première accumulation d'un nouvel échantillon. Cette structure série simple fonctionne bien si le filtre de réduction de fréquence d'échantillonnage
<EMI ID=54.1>
supérieur ou égal à n. Cependant, pour la plupart des filtres généraux de réduction de fréquence à réponse impul-
<EMI ID=55.1>
chaque échantillon d'entrée doit faire partie de plusieurs échantillons de sortie. La figure 18 représente un exem-
<EMI ID=56.1>
n = 23. Dans ce cas, on doit conserver des sommes tournan-
<EMI ID=57.1>
système utilise des registres à décalage à 16 bits recevant continuellement un signal d'horloge à 2,048 MHz et chaque sommation est effectuée de façon déphasée par rapport aux autres à une cadence de 48 kHz, de façon que les résultats totaux soient disponibles à la cadence de
16 kHz.
On peut réaliser cette structure de filtre d'une autre manière en utilisant un additionneur parallèle et un multiplexeur/réseau de décalage. Le multiplexeur/réseau de décalage permet de décaler un mot d'entrée de M positions. Si le mot d'entrée est le coefficient approprié et si le réseau de décalage est commandé par le convertisseur analogique-numérique, le signal de sortie du réseau de déca-
<EMI ID=58.1>
réseau de décalage est additionné à la somme des valeurs précédentes de a.x. jusqu'à la sommation du nombre d'échan-tillons nécessaire. Comme avec la technique de l'additionneur série, si on utilise n échantillons dans le filtre et si le rapport de réduction de fréquence d'échantillonnage
<EMI ID=59.1>
faire partie de n/R sommations. Ainsi, l'exemple utilisé pour la technique série.peut également être appliqué à une technique parallèle, comme'le montre la figure 19. Dans
ce cas, une unité arithmétique et logique (UAL) parallèle
et le réseau de décalage nSD peuvent être utilisés pour d'autres traitements arithmétiques lorsqu'ils ne sont pas utilisés pour le filtre considéré. Dans cet exemple, le processeur doit effectuer trois opérations de décalage
et d'addition qui peuvent être effectuées en trois cycles d'horloge à une cadence de 256 kHz, ou à une cadence d'addition de 760 kHz. Si la structure de décalage et d'addition peut fonctionner par exemple à 2,048 MHz, sa capacité n'est utilisée qu'à 37,5% et elle peut effectuer
de nombreuses autres opérations mathématiques.
Le signal de sortie du convertisseur analogiquenumérique à interpolation attaque un réseau de décalage
qui consiste simplement en un multiplexeur à M entrées.
Un bit du réseau est représenté en 156 sur la figure 17
qui montre que le réseau peut facilement être attaqué
par le code contenant un 1. On peut utiliser un multiplexeur classique dans le cas où le signal de sortie du convertisseur analogique-numérique est codé. On peut effectuer ceci en employant un codeur à priorité qui décode la position du 1 unique et qui comprime le code à M bits pour donner un code d'une largeur de logo M, c'est-à-dire qu'un code de 9 à 15 bits est comprimé en un code à 4 bits. Ce code comprimé peut attaquer des multiplexeurs classiques.
On peut également réaliser un autre type de filtre en notant que les signaux de sortie successifs du convertisseur analogique-numérique sont mutuellement liés. Si on connaît le code présent, l'échantillon précédent devait.nécessairement être la moitié, le double ou l'opposé du code présent, dans le cas d'un système à un seul comparateur. Pour un système à deux comparateurs, il existe un état possible supplémentaire correspondant à l'égalité entre le code précédent et le code présent. La seule exception à ceci correspond au cas où le code est adjacent à zéro et on peut éliminer ce cas en ne permettant pas l'existence d'un code 0 dans le convertisseur analogique-numérique
(0 n'est pas nécessaire,, du fait qu'il peut être représenté par une oscillation entre des codes positif et négatif égaux).
Du fait qu'il n'existe qu'un nombre limité de changements possibles (3 ou 4), l'état précédent peut
être représenté par un code à 2 bits dans lequel
<EMI ID=60.1>
un seul comparateur). Du fait que les échantillons précédents peuvent 'être enregistrés avec seulement 2 bits, on peut enregistrer ou traiter une série d'échantillons d'une manière simple. Deux possibilités consistent à utiliser un circuit de logique combinatoire ou une consultation de table en mémoire morte.
Le circuit combinatoire représenté sur la figure 20 est utile pour de petits filtres à réponse impulsionnelle finie dont un exemple pourrait correspondre à une réduction de fréquence de deux à un en utilisant un filtre à 0 double de la forme :
<EMI ID=61.1>
On peut réaliser un tel filtre d'une manière combinatoire
<EMI ID=62.1>
<EMI ID=63.1>
2 ou -1 (pour des interpolateurs à un seul comparateur), la sommation n'a que 9 résultats possibles parmi lesquels l'un ne peut pas exister. On peut calculer le résultat
<EMI ID=64.1>
k.valeurs sont générées par le circuit logique qui ccmmande le registre à décalage et elles consistent en un mot à deux bits dans lequel un bit indique un changement de signe (si le signe change, l'autre bit est ignoré) et l'autre
bit indique une augmentation (x2) ou une diminution (xO,5) de la valeur du registre à décalage. Le circuit combinatoire demande peu de mémoire et est très rapide mais
il est limité à des filtres très simples. La valeur d'échantillon de zéro fait apparaître des problèmes du fait
qu'une valeur k supplémentaire est nécessaire et que k produits sont distordus. Par conséquent, le convertisseur analogique-numérique n'utilise pas la valeur zéro et
il représente zéro en oscillant entre +1 et -1, au lieu
de +1, 0, -1. Il n'y a cependant aucune dégradation des performances.
Cette technique d'utilisation de k valeurs
peut être considérablement développée en utilisant une mémoire morte. Un filtre général de la forme :
<EMI ID=65.1>
.peut être récrit de la manière suivante :
<EMI ID=66.1>
La mémoire morte peut être adressée par les k valeurs et elle peut enregistrer les sommations. Le résultat est ensuite décalé de n positions, conformément à ce qui est
<EMI ID=67.1> La figure 21 représente un exemple d'un filtre à réponse impulsionnelle finie à 5 prises. La mémoire morte né comporte que 49 mots, du fait que 49 seulement des 81 combinaisons (34) sont possibles. Cependant, la mémoire morte a effectivement 8 lignes d'adresse et on utilise un décodeur pour réduire les 256 états à 49.
<EMI ID=68.1>
<EMI ID=69.1>
l'utilisation en arithmétique à complément à 1) ou bien il est inversé et on lui additionne 1 (complément à 2).
On peut utiliser un perfectionnement futur du système pour les filtres à phase linéaire dans lesquels les coefficients sont symétriques, c'est-à-dire qu'on a:
<EMI ID=70.1> <EMI ID=71.1> ment deux moitiés. On effectue ceci en enregistrant deux
<EMI ID=72.1>
<EMI ID=73.1>
Le circuit de translation logique applique une
<EMI ID=74.1>
pour les amener sous un format qui permet d'utiliser la même mémoire morte que pour les quatre premiers coefficients. La mémoire morte pour ce système à 8 prises est maintenue à 27 mots, la capacité de mémoire est de 6 valeurs K (12 bits) et de 2 valeurs X (8 à 10 bits) et un additionneur est nécessaire pour faire la somme de deux résultats partiels. Cependant, un seul additionneur est nécessaire pour réaliser ce filtre.
Sur les diverses figures; on désigne des bascules
<EMI ID=75.1>
calage par RD, des réseaux de décalage par RSD, des regis-
<EMI ID=76.1>
<EMI ID=77.1>
Il va de soi que de nombreuses modifications peuvent être apportées au dispositif décrit et représenté, sans sortir du cadre de l'invention.
The present invention relates generally to devices used in telecommunications systems and relates more particularly to a new audio processing circuit for subscriber line in which input voice signals in analog form are converted and processed in digital form before being transmitted and, conversely, the received signals are processed in digital form before being reconverted in analog form.
Prior art telecommunications devices for converting voice signals to a digital format for transmission typically include a subscriber line interface circuit which provides two-wire to four-wire conversion and operation line supply using transformer coupling techniques, as well as additional circuits to provide supervisory and ringing test functions, analog transmit and receive filters, and an encoder-decoder that performs actual signal conversion
<EMI ID = 1.1>
reverse MIC signals into analog signals. Integrated circuit manufacturers are currently attempting to replace these individual circuit components with integrated circuits which perform the various functions as they are currently performed, i.e., a single channel monolithic codec decoder replaces the coding-decoding function, single-channel filters replace the filtering function and a monolithic subscriber line interface circuit replaces the transformer and the equipment associated with it.
Because the prior art systems were based on a system architecture which was developed a number of years ago and took advantage of the components available at that time, simple replacement of the components using the technology of Complex integrated circuits does not allow you to make the most of this technology.
The systems of the prior art perform a certain number of functions which can be divided into three main categories. (1) The high-voltage analog interface function with the subscriber line, (2) voice signal processing, including two-wire to four-wire conversion, filtering and coding, and (3) the d interface with the digital world comprising the circuits for transmitting MIC signals and the command line which comes from a processor or a controller. To make a new system, it is reasonable to cut the new system according to these categories. The analog interface with the subscriber line requires high current and high voltage devices and is therefore most advantageously achieved with high voltage bipolar technology.
High voltage bipolar technologies are not high density technologies and the corresponding device should therefore be kept as simple as possible. Both signal processing and digital interface functions can be performed in low voltage technology. Low-voltage technologies are technologies with a high level of integration and high density among which the n-channel MOS technology corresponds to the optimal choice as regards cost.
At present, signal processing is carried out in the form of a two-wire to four-wire analog conversion followed by analog filtering,
<EMI ID = 2.1>
analog-digital or digital-analog conversion, The compression-extension functions are also performed in an analog way in analog-digital and digital-analog converters. Since n-channel MOS technology is optimal for digital functions, it seems possible in practice to base a new system on digital signal processing. However, the designers of such systems have so far been reluctant to use digital filters, since these devices are complex structures which require a large amount of material and which dissipate significant power.
To achieve a digital filter structure, it is necessary to use an analog-to-digital and digital-to-analog converter. However, in subscriber line audio processing functions, analog to digital and analog digital converters are required even with analog filters, so the use of such converters does not represent a penalty. They are simply placed in different parts of the system. Digital filters also require a reasonable amount of equipment from the start that performs general functions. The realization of such a filter requires an arithmetic processing unit, a read only memory and a random access memory. Therefore, a very simple filter requires almost as much silicon-based material as a complex filter.
Although the filters required for subscriber line functions are complex filters, the digital filter has a cost advantage when compared to the analog filter.
When we examine how the cost of a filter (based on the silicon area) varies according to the complexity (or degree of difficulty) and performance required of the filter, we see that with filters
of analog type the cost increases according to a linear function of the complexity. However, in the case of digital filters, the initial cost is high but the cost corresponding to an increase in complexity is greatly reduced. One of the reasons for this is that digital filters can use multiplex and time-sharing equipment, while analog filters cannot. In addition, the digital filter does not require precision components while the analog filter requires a large number of precision components (which may need to be adjusted and must have very little drift) in order to meet performance specifications. . You can also increase the precision of the digital filter by simply adding additional -bits in the calculation circuit.
Another difficulty was power dissipation due to the importance of arithmetic processing.
<EMI ID = 3.1>
such applications. Characteristic digital filters require fast multipliers that dissipate a lot of power. Telecommunication systems require very little power dissipation and analog filters have tended to require less power than digital filters. Consequently, the embodiments of the prior art have traditionally used analog filters rather than digital filters.
An essential aim of the invention is therefore to produce a new audio frequency processing circuit for subscriber line in which all the signal processing is carried out after conversion of the input voice signals into digital form.
The invention also aims to produce an improved analog-digital conversion circuit intended for use in the audio-frequency processing parts of a telecommunications device.
The object of the invention is also to offer improved digital filtering techniques which are intended to be used in the signal processing parts of a telecommunications device.
In summary, a preferred embodiment of the invention consists of a transmission circuit comprising an input filter, an analog-digital converter, a digital signal processing circuit comprising digital filtering devices controlled by computer and user programmable, and a transmission register; and a reception circuit comprising a reception system, a digital signal processing circuit comprising digital filtering devices controlled by computer and programmable by the user, a digital-analog converter and an output filter.
Other characteristics and advantages of the invention will be better understood on reading the following description of embodiments and with reference to
to the accompanying drawings in which:
FIG. 1 is a block diagram showing the system architecture of an audio-frequency processing circuit for subscriber line which corresponds to the invention; Figure 2 is a diagram showing a finite impulse response filter;
Figures 3 and 4 are diagrams showing two types of filters with infinite impulse response; FIG. 5 is a block diagram representing an analog-digital converter with interpolation of the prior art, of the type used in accordance with the invention;
FIGS. 6a and 6b respectively represent the interpolation at three levels and the interpolation at two
<EMI ID = 4.1>
Figures 7a and 7b illustrate the operation of the device corresponding to the invention;
Figure 8 is a graph showing the gain characteristic as a function of the frequency of an analog-to-digital converter using a converter of the type shown in Figure 10; FIG. 9 is a block diagram representing an analog-digital converter with digital interpolation modified according to the invention; FIG. 10 represents another embodiment of an analog-digital converter with interpolation corresponding to the invention; Figure 11 illustrates the operation of the analog-to-digital converter which is shown in Figure 10; FIG. 12 is a graph representing the digital signal / noise ratios for an adaptive analog-digital-digital converter corresponding to the invention;
Figure 13 is a block diagram showing a circuit for modifying the operation of the converter which is shown in Figure 10 Figure 14 is a driagram illustrating the operation of a converter with and without the modification which is shown in Figure 13 ; FIG. 15 is a block diagram of a digital filter with reduction in sampling frequency corresponding to the invention; FIG. 16 represents an embodiment by material of the filter which is represented in FIG. 15; FIG. 17 is a logic diagram showing an embodiment of a finite impulse response filter corresponding to the invention; FIG. 18 is a logic diagram representing the production of a 23-tap finite impulse response filter corresponding to the invention;
Figure 19 is a logic diagram showing an embodiment of a parallel adder filter corresponding to one invention; FIG. 20 is a logic diagram showing an embodiment of a combinational logic network of a three tap infinite impulse response filter corresponding to the invention; FIG. 21 is a block diagram showing a finite impulse response filter with five taps using a device for consulting a read-only memory; and Figure 22 is a block diagram showing an embodiment of an eight tap finite impulse response filter using read-only memory consultation.
We will now consider FIG. 1 in which we see a block diagram of a subscriber line audiofrequency processing circuit, 10, intended for use in association with a subscriber line interface circuit 12, an example of which is described in <EMI ID = 5.1>
In general, the subscriber line audiofrequency processing circuit comprises elements forming a transmission circuit which comprises an input filter 14,
an analog to digital converter 16, a digital signal processing circuit 18 and a transmission register 20. The received signal circuit comprises a reception register 22, a reception signal processing circuit 24, a digital to analog converter 26 and an output filter 28. In addition, there is also an input / output control element 30 as well as additional circuits comprising a system control circuit 32 and a control circuit 34 for the audio frequency processing circuit of subscriber line.
More specifically, the input filter 14 is a simple anti-aliasing filter which is used to prevent signals close to the sampling rate from being folded back into the voice band during subsequent operations to reduce the sampling rate. . Filter 14 must have attenuation of at least 10 dB at 508 kHz (if F = 512 kHz). This can be achieved by using a single pole filter placed at 114 kHz. The delay that manifests in this
<EMI ID = 6.1>
As will be explained further below
detailed, the analog-to-digital converter 16 is
an interpolation encoder that samples the signal
analog input (voice) at a relatively high sampling frequency, such as 512 kHz (or
256 kHz) and which produces digital words with several
bits representative of the signal amplitude for each sample.
The analog-to-digital converter is of
great importance in determining system performance and it creates most of the errors manifesting in the system. These performances determine the
signal to noise ratio, gain stability, noise
channel at rest, harmonic distortion, response to out-of-band signals, intermodulation distortion and they can limit the frequency response.
The transmission signal processing circuit
18 includes two low-pass filters for reducing the sampling frequency, 40 and 42, a balancing filter 44, a filter for correction of the attenuation distortion in transmission, -46, a gain adjustment circuit in emission 48, a main emission filter 50
and a digital compressor circuit 52. As will be explained in more detail below, the analog-to-digital converter 16 is also capable of precisely converting signals which are above 3.4 kHz and these signals must therefore be mitigated
with low-pass filters, as in a conventional filter system. According to the invention, the filtering is accomplished by means of a series of low-pass filters including those which are represented at 40,
42 and 50. The low pass filters 40 and 42 are filters for reducing the sampling frequency. The emission filter 50 is not only a low-pass filter and it further comprises a high-pass filter section for performing the rejection at 50 Hz which
is normally performed as part of the anti-aliasing filter in a telephone system.
Digital filters require volume
of significant computation and this computation volume is all the greater the higher the frequency, because of
the higher rate of computation which is necessary. he
is therefore important from an economic point of view of
reduce the number of calculations and reduce the sampling rate as quickly as possible. The filters 40 and 42 therefore have the function of reducing the sampling rate. More specifically, the filter 40 reduces the sampling rate from 512 kHz to 32 kHz
by performing a low pass filtering function. This filter should ensure that no signal greater than
32 kHz is not folded back into the expanding bandwidth
from 0 to 3.4 kHz. In addition, the filter 40 must have characteristics in the passband which are as flat as possible. However, it is not obligatory, nor particularly critical, that the characteristic in the passband be kept absolutely flat, since this can be compensated for in other sections of digital filters.
<EMI ID = 7.1>
An advantage of using digital filters is that you can use other filters to compensate for the effects of a previous filter, du'fait
that their characteristics are very precisely defined. When using an analog filter, it is
very difficult to use a next filter section to cancel the effects of a previous section, because the variations of a filter are due to the components
of this filter.
The 32 kHz signal from filter 40 is then applied to a second sample frequency reduction low pass filter, 42, which further reduces the frequency to 16 kHz.
This filter must ensure that no component
is folded back into the bandwidth and that there is
not in its output signal components that would represent frequencies greater than 12.6 kHz, that is, 16 kHz minus 3.4 kHz. These two filters could be combined into a single filter structure,
but they are effectively separated in two in the invention so as to provide dots corresponding to 32 kHz and 16 kHz signals which are intended for use by other circuit components.
For the moment, filters 46 and 48 will be skipped to consider the main emission filter 50 which provides both low-pass and high-pass filtering functions. The low-pass filtering function defines a low-pass filter with a descending slope characteristic from 3.4 kHz to 4.6 kHz and this function is analogous to that which is fulfilled by analog filters in digital systems. prior art. This filter also provides attenuation correction to compensate for the effects of filters 40 and 42 as well as any effect produced by the pre-filter 14. The high-pass section of this filter provides rejection at 50 Hz and makes any signal disappear. low frequency that is not desirable to transmit in a telephone system. The output signal of the filter 50 consists of a linear code. It is necessary to choose
<EMI ID = 8.1>
signal-to-noise ratios in the system, as well as for easy signal processing.
The digital compressor 52 uses a digital algorithm to convert the linear code to a code corresponding to the p-law or the A-law which is necessary in some telephone systems. If a linear code output signal is desired, this subset of the system can be skipped. The output signal of the compressor is applied to a transmission register circuit 20 which, when controlled by system control signals applied at 21, transmits the data to a telephone exchange which is connected to the terminal. emission 50. The functional subsets described so far are quite similar to those corresponding
to the usual functions performed by the emission filter and the analog-digital converter of the circuits of the prior art. The circuits of the prior art usually include a gain adjustment element upstream of the transmission sub-assembly of the system, this element being constituted by a certain type of amplifier. In the embodiment which is represented, the gain function is accomplished by a gain adjustment circuit 48 which provides gain by multiplying by a digital constant the digital word which comes from the sampling frequency reduction filter 42.
The digital constant is user programmable and can be precisely programmed so that the gain has a very wide range of variation, from +12 dB to almost -00 dB, depending on what is determined by an appropriate choice of gain control words that the user programs in the device.
While in the systems of the prior art the gain must be programmed by a certain manual adjustment of the system, in the device of the invention there is no physical component to be modified, since the gain is programmed by a command input / output bus, 51, and the gain can be programmed at the time of installation, under the control of a computer, which represents a significant saving of time and money for the manufacturer. The balancing filter 44 is used to perform a transhybrid balancing function, described below in more detail.
We will now consider the reception circuit in which the signals received on terminal 55 are applied to the input of reception register 22, then then to processing circuit 24 which includes a digital expander 54, a main reception filter
<EMI ID = 9.1>
reception attenuation distortion correction 50,
two low-pass interpolator circuits 62 and 64, and one
impedance matching filter 66.
The expander 54 operates under command of the program (order applied on the input 57) so as to receive a code in law u or in law A and to convert it into
a 12 or 13 bit linear code, like the one used in the transmission circuit. If the control word indicates that the input word is linear, the expander
can be skipped. The input sampling rate
of the system is 8 kHz.
The receiving circuit aims to simplify
the reception filter which must here filter a component
at 8 kHz using a low pass filtering technique.
In addition, the reception filters of the invention must compensate for the distortion which is produced by the low sampling rate. This distortion is called sinX / X distortion and it produces an apparent attenuation of the signals when the frequency of the signals becomes
an appreciable percentage of the sampling rate.
For example, a 3.5 kHz signal in an 8 kHz sampling system has about 2 or 2.5 dB of attenuation that is required. correct.
According to the invention, there are two objectives. One is to use filtering techniques to
<EMI ID = 10.1>
all the points that are necessary to achieve a much higher sampling rate, i.e. a sampling rate of 256 kHz (or 128 kHz).
At the higher sampling rate, there is a double advantage. First, the distortion in sinX / X is greatly reduced and it is in fact reduced to such an extent that it is so small that it is not necessary to correct it. Secondly, the only component that is present, in addition to the components of the voice band below 4 kHz, is the sampling component.
Using a sampling component
at a very high frequency, such as 256 kHz (or 128 kHz), the level of this component is greatly reduced and
it is much easier to filter it because
the reception filter 56 must be flat for voice band signals and must have a high attenuation at the sampling rate. Filter design
the easier the higher the sampling rate, because of the greater difference between the passband and the attenuated band of the filter.
According to the invention, the filtering is carried out using the three filters 56, 62 and 64. The main reception filter 56 is a low-pass device similar to the low-pass element of the filter 50 and it operates at 16 kHz, while the high pass section
of the filter 50 operates at 8 kHz. The filter 56 receives a signal at 8 kHz but it outputs a signal at
16 kHz. It must therefore have considerable attenuation in the band between 4.6 kHz and 8 kHz, in order to ensure the rejection of any folded frequency and of the 8 kHz component which is present, because of the sampling rate. While the emission filter
50 is both a low pass filter and a high pass filter, filter 56 is only a low pass filter.
The reason why the transmit circuit has low pass and high pass elements while
the reception filter -includes that a low-pass element consists in that in the transmission circuit
can very easily receive signals at 60 Hz in the USA and signals at 50 Hz in Europe, because the signal
is received by a telephone line and these lines typically extend along power lines. A fraction of these signals unfortunately enter the telephone system. The high pass filter section 50 is designed
so as to ensure rejection of the signals at 50 Hz and
once these signals have been rejected
and that the system works in digital form, the signals at 50 Hz can no longer be introduced into subsequent digital sections. Therefore, the filter
at 50 Hz is not necessary in the reception circuit.
Filter 56 output signal is applied
at the input of a gain adjustment circuit 58, then at a reception attenuation correction filter 60 and
these two elements will be described later in more detail.
The first low-pass interpolator circuit 62 receives an input signal at 16 kHz from the circuit
58 and it produces an output signal at 32 kHz. It constitutes a low-pass filter whose purpose is to strongly attenuate the component at 16 kHz. Because the output signal is at 32 kHz, this filter introduces a component
at 32 kHz.
The second low-pass interpolator circuit 64 is also a low-pass filter which outputs a signal at 256 kHz (or 128 kHz) in the system considered.
so as to perform a low-pass filtering of the components at 32 kHz and to introduce certain components of lower amplitude at the higher frequencies. The filters 62 and 64 essentially have the function of filtering the high frequency components. If they are not perfectly flat in the bandwidth, their characteristics can be predicted very precisely and can be compensated for by the filter 56, which is indeed the case in the system considered, since the filters 62 and 64 effectively attenuate some of the signals near the high end of the bandwidth, that is to say around 2 or 3 kHz. Consequently, the filter 56 includes a compensation network which compensates for the attenuation which is produced by the filters 62 and 64.
The output signal of the filter 64 is then applied to the digital-analog converter 26 which converts the signals into analog form and transmits them to the output filter 28. In telephone systems, the high frequency components must be attenuated by at least 28 dB relative to the components
low frequency. With a sampling rate
at 256 kHz, the signal at this frequency is 28 dB lower. to that of the 3.4 kHz component. Thus, no output or smoothing filter is theoretically necessary. However, the system considered comprises the filter 28 for security purposes.
Digital filters are complex arithmetic processors that implement the fundamental equation of a filter:
<EMI ID = 11.1>
where X. represents the input samples and Y. represents the output samples.
FIG. 2 schematically represents an 8-tap finite impulse response filter, called a few. times transverse or non-recursive filter, and this filter comprises seven delay or memory elements, eight multipliers 69 and seven additive elements 70. As will be noted, this circuit realizes a filter of the form represented by the equation:
<EMI ID = 12.1>
<EMI ID = 13.1>
current and delayed de of X which must be multiplied by the respective tap coefficients. The device
with 8 taps which is represented is unconditionally stable insofar as it does not involve a reaction and since the output value is only a function of a previous set of input values.
FIG. 3 represents a filter with infinite impulse response of canonical form sometimes called a recursive second order filter, which comprises two delay elements 71, four addition elements 72 and four multiplier elements 73. This circuit can be used to schematically represent a responding filter to the equation:
<EMI ID = 14.1>
and it is suitable for use as a low pass filter. In general, this filter, much more efficient than the finite impulse response filter (it has only two memory elements), exhibits an attenuation increasing more rapidly, etc.
FIG. 4 schematically represents a filter with infinite impulse response in coupled form. This device is suitable for 1, use as a high-pass filter corresponding to the equation:
<EMI ID = 15.1>
in which :
<EMI ID = 16.1>
and
<EMI ID = 17.1>
note that this filter has two delay elements
74, six multipliers 75 and five adders 76.
We can consider that a filter has an infinite impulse response if in equation (1) above,
<EMI ID = 18.1>
the filter is considered to have an infinite impulse response. Filters with infinite impulse response tend to be more efficient in that they allow a given filter characteristic to be achieved with fewer coefficients. The basic compromises when considering filters relate to the total number
multiplications and additions per second, the total memory capacity needed to save the input and output samples (RAM) and the total memory capacity needed to save the coefficients (ROM).
To achieve maximum efficiency, filters should operate with as low a sampling rate as possible. This applies to filters
with finite impulse response as with infinite impulse response filters. Finite impulse response devices require more coefficients to make the filter as the sampling rate increases. In fact, the number of coefficients approximately doubles when the sampling rate doubles. Thus, when the sampling rate increases, the RAM and ROM capacity increases linearly and the arithmetic rate increases as the square of the increase in the sampling rate (higher mathematical rate x number of calculations higher). Infinite impulse response filters do not require more coefficients as the sampling rate increases, but they require more words
Long, so that the computation takes more time (using serial / parallel multipliers) and the computation rate increases with the sampling rate.
The correct choice for architecture seems to be to try to reduce the system's sampling rate by using a low-pass filter whose attenuated band begins at a much lower frequency.
<EMI ID = 19.1>
the sampling rate is achieved by using one in eight of the filter output samples and rejecting the other seven. It will be noted that in an analog-digital converter with interpolation, the data are sampled at a very high rate, that is to say 32 to 54 times the frequency with which one is interested; so that
the filter needed to limit the signal to F / 16 remains relatively simple. In the applications of
telephone type, the sampling rate can be reduced from 512 kHz to 32 kHz with a bandpass filter
whose attenuated band begins at 16 kHz. Because the bandwidth ends at 3.4 kHz, this filter is much simpler than the filter that is required
to perform real low pass filtering functions
(its attenuated band starts at 4. 6 kHz).
The most efficient way to achieve the low pass filter is to use a finite impulse response filter. This conclusion is based on the following reasoning. An infinite impulse response filter used as a low-pass sample rate reducer should operate at the sample rate, calculate the results at the initial sample rate, and then discard 7 of the
8 results. All results must be calculated since each result is necessary to calculate the next result. However, the low pass filter can be a second order filter but it requires 5 coefficients or 5 multiplications and 5 additions every 4 us, or a multiplication rate of 2.5 MHz and an addition rate of 2 MHz. A finite impulse response filter - must calculate only one result out of 8. It does not have to calculate the seven unused results because they are not necessary for the calculation of future samples. A filter with 20 coefficients can be produced which requires 20 multiplications and 10 additions at 32 kHz. The multiplication frequency is reduced to 1.28 MHz and the rate of addition is 1.204 MHz. It can also be shown that the memory capacity required is comparable
<EMI ID = 20.1>
be realized with a simple series adder structure to save material.
<EMI ID = 21.1>
risk is multiplication. The realization of the multipliers requires a lot of material and the multipliers can dissipate considerable power. As noted earlier, the sample rate reduction filter requires frame rates of
<EMI ID = 22.1>
multiplication is normally accomplished in a fully parallel combinational circuit which requires a very large amount of hardware, or it is accomplished according to a series / parallel function with addition and offset. Serial / parallel multiplier requires N bit shift register, N + M adder
bits and N clock cycles to perform an N x M multiplication. However, none of these techniques is a good choice for a processor made in complex integrated circuits.
One promising technique is what is called short word optimization. Use
<EMI ID = 23.1>
the coefficient and the multiplication only requires
esz
<EMI ID = 24.1>
Being a ring shift and a 12-bit coefficient containing only three "1s", one can accomplish a multiplication in 3 clock periods by ignoring all the additions for which zeros appear in the coefficient. The techniques for simplifying the coefficients are very complex and require certain compromises on the design of the filter (this can be offset by an increase in the complexity of the filter). Finite impulse response filters that have more coefficients seem to be less sensitive to simplification of the coefficients, although infinite impulse response filters designed from real filters with low sensitivity can also have a good insensitivity to the simplification of the coefficients.
Because the interpolation analog-to-digital converter is a system whose sampling rate is much higher than the strictly necessary value, with the interesting information in a
frequency band lower than that of the system output signal, digital filters such as those shown at 40, 42, 46 and 50 in Figure 1 are required to remove the high frequency error components that are generated by the converter, to smooth and average the components of low frequency signals, as well as to accomplish
any other low frequency filtering required. Digital filtering can be accomplished with various different architectures using finite impulse response filters and / or infinite impulse response filters to implement the system.
In the preferred embodiment of the device which is generally represented in FIG. 1, the low-pass filter for reducing the sampling rate, 40, is constituted by a finite impulse response filter with four taps and by two filters
impulse response over three taps. The first of these reduces the signal to 512 kHz to 128 kHz, the second reduces the signal to 128 kHz to 64 kHz and the third reduces the signal to 64 kHz to 32 kHz. The second low-pass sampling rate reduction filter, 42 is implemented as a 5-tap finite impulse response filter which reduces the signal to 16 kHz.
32 kHz and the attenuation distortion correction filter for transmission, 46, is an 8-tap finite impulse response filter. The adjustment filter
emission gain 48 is a one-tap finite impulse response filter and the main emission filter 50 is a three-tap infinite impulse response filtering device which includes two low pass filters of canonical form and one high pass filter of the coupled form. The main emission filter reduces to
<EMI ID = 25.1>
a 3-tap finite impulse response device.
The system allows the incoming audio signal as well as a fraction of the outgoing signal (reception signal) to pass to the input filter 14. However, since the generated outgoing signal is known, as well as the time it takes for it to return after passing through the system, the balancing filter 44 can be used to generate a cancellation signal which, added at 45 in the transmission circuit, will cancel
the return signal. In addition, although the characteristics of the line are not initially known, the characteristics of the system are known. The user can however determine the characteristics of the line and program the filter 44 to ensure proper balancing and since the filter 44 is programmable in digital form, such cancellation can be accomplished very precisely.
The main reception filter 56 includes two low-pass filters with infinite impulse response in anonic form which increase the frequency of the received signal from 8 kHz to 16 kHz. The reception gain adjustment filter 58 is a one-tap finite impulse response filter, the reception attenuation distortion correction filter, 60, is an 8-tap finite impulse response filter, and the interpolator lowpass 62 is a 5 tap finite impulse response filter which raises the signal to 32 kHz.
16 kHz coming out of filter 60. The second low-pass interpolator consists of three filters with finite impulse response with three taps which raise the signal to
32 kHz to bring it to 64 kHz, 128 kHz and
512 kHz.
The impedance matching filter 66 is a finite impulse response filter with four taps (or
with 8 sockets) which is used to adapt to the characteristics of the line. More specifically, the impedance matching filter 66 can be used to modify the system input impedance, seen at the 2-wire input access of the system. The filter 66 effectively returns the voltage which is generated in the incoming signal
at the entrance access. If this is done with appropriate amplitude and polarity, the value of the effective input impedance can be changed to match the characteristic impedance of the telephone line. The control of the impedance of the filter 66 thus makes it possible to ensure the rejection of the echoes and the adaptation to different input lines. However, changing the input impedance makes the system gain frequency sensitive. However, you can program the attenuation distortion correction filters in transmission and reception, 46 and 60, so as to compensate
any attenuation distortion thus created by the use of filter 66. Filters can also be used
gain control to add incorporated losses
in order to eliminate transmission problems such as parasitic oscillations.
The test loop 67 is intended to allow the testing of the device or of the line and can be used to facilitate the selection of the coefficients for various filters.
The audio frequency processing circuit of
subscriber line also includes a serial control interface 32 which is connected to a control computer for programming a number of functions
of the device. Interface has a serial control bus
33 which is used to program the transmission and control time slots for the subscriber line audio processing circuit, as well as to fix the gain of the device in transmission and in reception. It also includes a voltage cut-off function. Rhythm input signals include a DCLK data clock signal, a DIN data input signal, a DOUT data output signal, a select signal
CS chip for serial interface, MCLK main clock signal for timing control of arithmetic and logic units, CLKX and CLKR transmit and receive clock signals, synchronization pulses
FSX and FSR transmit and receive frame and one
TSC time slot sampling signal for interface with the MIC system. The time slot assignments are defined with respect to the FS frame synchronization pulses. When the transmission circuit goes to the active state, a time slot sampling pin (TSC) is brought to the low state so as to attack a three-state separator circuit if this
is required in the system. The transmitter and receiver MIC splitter circuits have separate clock inputs so as to be able to operate from
asynchronously, but in most systems, the transmit and receive clock inputs will be connected in common. The synchronization pulses of
frame are also separated for transmission and reception, but we will use a common pulse in
most systems and if different time slots are required, this feature can be programmed using the selection command input
time slice.
Using the serial control bus 33, the information in transmission and reception time slots is programmed into the device to determine the instants at which the device must transmit and receive data; the coefficients for the impedance matching filter 66, the balancing filter 44, the transmission attenuation distortion correction filter 46 and
the reception attenuation distortion correction filter 60 are all programmed one byte at a time; and the transmission and reception gain adjustment coefficients are also programmed in the device.
All this data can be sent back for reading on the DOUT line of bus 33, under an appropriate command. In addition, the device can be programmed using bus 33 to give it special configurations. We can for example give the device a configuration making it
<EMI ID = 26.1>
with linear coding.
In addition, the parameters of all four programmable filters 44, 46, 60 and 66 can
be set to default values, i.e.
say that the impedance matching filter 66 and the balancing filter 44 can be set to zero and that the two attenuation distortion correction filters
46 and 60 can be set to a value equal to unity. The gain adjustment filters 48 and 58 have default values which can be set equal to unity. The reception gain adjustment filter 58
also has a second default value which is zero, to block the receiving circuit.
We set the test condition by programming
an order which modifies the input signal applied to the various filters, i.e. the output signal from the low-pass interpolator 64 is applied to the sampling frequency reduction low-pass filter, 40, to perform a digital loopback, while the output signal from the analog-digital converter 16 is sent back to the digital-analog converter 26 to perform an analog loopback. These operations are naturally accomplished under the control of the program. An additional feature of the device is that a flip-flop type TTL is connected to the outputs of the subscriber line interface circuit, whereby the outputs are programmable using command words applied on the bus. serial interface 33.
We will now consider FIG. 5 which represents a block diagram of a simplified version of an interpolation coder of the prior art, of the type used to make the analog-digital converter 16 which is represented in FIG. basic coding loop, a negative reaction is used to minimize the average difference between the analog input signal x (t) and its quantized representation q (t). An integrating amplifier 77 integrates the difference between
x (t) and q (t) and add up this difference and
the instantaneous difference between x (t) and q (t), and a comparator 78 detects the polarity of the result. The output signal from comparator 78 is applied to a logic shift control circuit 79 which controls an increase or a decrease in the quantized signal q (t) which is produced by a digital-analog converter 80. In the preferred embodiment, logic circuit 79 includes an 8-bit bidirectional shift register
which works like a digital accumulator
by filling with "1" at the bottom (least significant bit) and with "0" at the top. When the register is filled with logic "1", the absolute value of the quantized quantity increases. The logic circuit 79 also controls the polarity of the quantized quantity and it transmits the polarity on the line
81 in the form of a sign bit SB. The absolute value is issued on lines-781.
Additional details and operating characteristics of a similar circuit can be found
to that shown, in an article by Bruce A. Wooley and James L. Henry entitled "An Integrated Per-Channel PCM Encoder Based On Interpolation" pages 14-20, IEEE Journal
of Solid-State Circuits, Vol. SC 14, N [deg.] 1, February 1979.
Although the analog-to-digital converter
With interpolation described above and others described in the prior art can be used in a system corresponding to the invention, these converters have several drawbacks. Because the output signal
of the comparator is sampled at frequency F (which
is much higher than the input frequency range we are interested in) and that this signal is used to control the shift register so as to determine the new quantized output signal, the output signal of the digital-analog converter must change with each sample since a 1-bit code authorizes only two conditions, that is to say an increase or a decrease, and does not allow to have a state in which the output signal of the ' digital to analog converter remains constant. Specifically, the shift register control allows only the following values for the digital converter input signals -
<EMI ID = 27.1>
As indicated in the article by Candy et al. titled "A Per-Channel A / D Converter Having 15-Segment u-255 Companding"; pages 33-42, IEEE Trans. on Communications, Vol. com-24, N [deg.] 1, January 1976, these codes were chosen to correspond to the fraction 4/3 of the end points of the characteristic defined by the strings
<EMI ID = 28.1>
conch shell is the end point of a law rope
<EMI ID = 29.1>
� Orise that 17 levels in the system, that is 8 positive levels, 8 negative levels and 0. The feedback loop causes the analog-digital converter to try to force the output signal of the integrator to zero, so that the integral of q (t) tends to become equal to the integral of x (t).
For continuous input signals, and with appropriate damping set by resistor R and capacitor C, the system will generate a configuration like that shown in Figure 6a which is a three-level oscillation around the input signal. Here we describe a 256 kHz system in which 32 samples are effectively subjected to an averaging by performing two operations each time. The mean of each set of two values read is calculated by taking the lower of these two values and neglecting the scale factor 4/3. For example, if a read value represents 4/3 of the end point n, the next lower read value represents 2/3 of the end point n, and the average is the end point n which corresponds to the code of the lower read value. This averaging
<EMI ID = 30.1>
average these samples in a 12-bit parallel adder to give a 12-bit result. The resolution in the adder is a function of the number of samples
(n) to which the average and the resolution of
<EMI ID = 31.1>
reading of an individual sample = resolution of the result.
Kawahara et al., And others have also described the use of a 512 kHz system in which
averaging is only performed up to 32 kHz. However, all these systems present several problems which will now be considered in the company of the solutions which are proposed, in accordance with the invention.
1. Variation in gain as a function of frequency. With regard to this problem, the sampling rate and the number of levels in the converter constitute the fundamental constraints at the system level. As the input frequency increases, the system has more difficulty tracking the signal, such as
shown in Figures 7a and 7b. As we notice
in Figure 7a, the system follows relatively well at
250 Hz. However, when the frequency is increased to 4 kHz, the tracking degrades, as shown in Figure 7b. The time required for a signal to pass from the positive full scale value to the negative full scale value is (2M-1) T, and the maximum frequency to the maximum amplitude that the system can generate is F / 2 (2M-1). For the 8-level system, this value is equal to F / 30. However, the system creates errors in the vicinity of these frequencies. Even at lower frequencies, the signal distortion is important. You can observe a variation of the gain as a function of the frequency by measuring the output component of the analog-digital converter at the frequency of the
input signal, and Figure 8 shows the results for
a sampling rate of 256 kHz and a
8 levels. Increasing the sampling rate to 512 kHz improves response at low frequencies
but the gain remains a function of the frequency for the high frequencies. This can lead to significant problems in the system if no correction is made. In FIG. 7a, FFT designates the Fourier transformation interval.
2. Continuous signals are limited according to the sampling rate. The limitation of the continuous resolution is due to the difference between the
levels and the number of samples to which the
averaging. In the system described above, a
level on two represents a level located in position
median between the two adjacent levels. In the technique used by Candy et al., Supra, the
average of 16 samples, so the resolution of the
signal is about 1/32, a similar resolution
to that obtained by following the practice which corresponds to
law p or law A. A sampling rate
higher, 512 kHz, would
averaging over twice as many samples and would provide higher resolution,
1/64. We can say that the resolution of these systems is
1 / (F- / F) by designating by F the sample rate-
output lonnage.
3. The dynamics are limited depending on the
sampling rate. Limiting the dynamics
is a problem similar to that of limiting resolution. Dynamics is the relationship between the most
great level and the smallest level that can be solved.
The smallest resolved level is close to zero and it is
<EMI ID = 32.1>
denoting by M the number of levels (positive or negative) in the digital-analog converter. The dynamic
<EMI ID = 33.1> <EMI ID = 34.1>
appear is diminished.
4. Limitation of possibilities for processing high frequency signals. When applying frequency converter signals which it cannot track, the output signal tends to collapse and take a phase shift of 180 [deg.] From the input signal. In certain circumstances, the mode of operation without signal tracking also causes signals to appear in the band (at low frequency) whose attenuation relative to the input level is less than -30 dB.
5. Out-of-band signals producing in-band signal components. The digital filter with averaging which is used in the circuit
described above is not the optimal configuration since it does not correctly eliminate all out-of-band signals and can cause aliasing of out-of-band signals in bandwidth. Out-of-band signals are generated not only by out-of-band input signals but also by analog-to-digital conversion at high sampling rate
256 kHz or 512 kHz. Signals between 4 and
8 kHz is not attenuated properly and will fall back into the bandwidth (assuming the bandwidth ranges from 0 to 3.4 kHz). The neighboring signals of
12 kHz will also fall back in bandwidth
<EMI ID = 35.1>
it seems that this analog-to-digital converter requires a precision pre-filter to be useful for processing voice band signals.
Analog-to-digital conversion produces out-of-band signals in the range of -20 to -50 dB below the input level, and some of these signals will fall back with less than -30 dB of attenuation and will increase the noise in the band. They can also decrease the signal-to-noise ratio of the system. The interpolator operating with an input at 512 kHz and a filter performing an average calculation at 32 kHz has better performance: This filter requires complex filtering later on, but it eliminates everything except a simple pre-filter . Signals falling within the 32-36 kHz, 60-68 kHz, etc. bands always fall directly back into the bandwidth and higher attenuation is desirable in these bands.
We will now consider FIG. 9 which represents an improvement with respect to the analog-digital converter which is represented in FIG. 5. Although it is represented in a slightly simplified form, the part of the circuit which is framed by the lines in dotted lines 90 is essentially identical to the circuit which is represented in FIG. 5. In accordance with the invention, a second comparator 91, a flip-flop 92 and an additional control logic circuit 93 have been added to generate a 2-bit code instead 1-bit code produced by the embodiment of FIG. 2, and an automatic digital zero circuit has been added,
94, in order to add an offset voltage to the amplifier 77.
Additional comparator 91 is used to sample the instantaneous difference between the input signal x (t) and the quantized output signal q (t). The damping resistor R is no longer necessary and it is shown short-circuited by a line 95. As a result, the original comparator 78 compares only the integral of the difference signal
(x (t) -q (t)). The two comparator system has no. overshoot by higher or lower value (relative to a level) and it does not require analog damping.
With a single comparator, there were only two new possible states, that is to say an increase or a decrease compared to the previous value. With two comparators, there are four possible new states for q (t). The additional states can correspond to an increase (or decrease) of a greater (or less) quantity, or to the conservation of the same value. In the system under consideration, the only additional state used keeps the output signal constant. The ability to remain at a particular level means that for a continuous input signal, the system oscillates between the two levels which surround the input signal,
by changing level to. the sampling rate. This constitutes an improvement over the single comparator system which, as shown in FIG. 6b, can only be reduced to a two-level oscillation at
half the sampling rate. The second comparator provides an effective doubling of information
(for continuous signals) and it provides 6 dB more for dynamics and 6 dB more for resolution,
without increasing the sampling rate or the number of levels.
The second comparator also provides an additional 2.5 dB dynamic boost by allowing the signals from digital to analog converter 76 to be 2.5 dB lower. The single comparator system requires that the maximum output signal from the digital-to-analog converter be equal to the 4/3 fraction of the maximum input level, since
this level is represented by the oscillation of the system
<EMI ID = 36.1>
the same full scale range, it can use levels corresponding to the fraction 3/4 of those of the system with a single comparator. This increases the dynamics by 2.5 dB. However, the digital signal processing must be modified in order to use the system with two comparators. You can no longer average every other sample using the numeric code of the lower read value, and therefore averaging (or
another signal processing algorithm) must be applied to all samples.
The automatic zero circuit 94 includes a digital-analog converter 96 and two reversible 6-bit counters, 97 and 98. The counters integrate
the sign bit of the 8 kHz signal which is produced in
the emission filter 50, upstream of its high-pass filter section and which is returned by the conductor 99. If there is an offset in the system, the counters 97 and
98 count in ascending or descending direction until the six-bit code (sign bit plus five absolute bits) applied to the digital converter 96 shows at the output of the latter
an appropriate level to be applied to the amplifier
70 to compensate for the offset. Then, the number of plus and minus bits will remain the same and counter 97 will simply oscillate one increment up and down. The lower six bits in counter 98 are used as damping bits to reduce the frequency of any oscillation to a value below the system bandwidth, so that if an oscillation exists, it has a low frequency and either eliminated by the next high-pass filter from the emission filter 50.
FIG. 10 represents another independent improvement made to the system which consists in using an adaptive method for controlling the shifting process, in order to allow the use of more levels to obtain greater dynamics, but by removing unnecessary levels to improve the frequency response. In addition to the components of the embodiment which is represented in FIG. 9, this embodiment comprises a peak value register 100, a comparator 102, a subtractor 104 and a comparator
106. The adaptive algorithm is based on the fact that the system cannot follow the signals of high amplitude when the frequency increases, because it has difficulties in following the signal. The biggest problem arises when the signal goes through
zero, i.e. in a position in which the quantizer has many low level signals and the input signal changes at its maximum speed. This problem is that shown in Figure 7b.
Levels close to zero contain limited information for large amplitude AC signals, and if they could be suppressed, the accuracy of the system would not be significantly reduced. The adaptive algorithm detects the absolute peak value during each cycle and removes an appropriate number of levels around zero to allow the system to track the input signal. More specifically, the peak value of the quantized signal, in register 98, is recorded
in the peak value register 100 and the comparator
102 compares the recorded peak value with the current value. Simultaneously, the subtractor 104 subtracts
the current value of the peak value and the difference, is compared with a reference input signal
which is applied at 108 to comparator 106. However,
the subtractor output signal is not just
the difference between the two input signals, but the difference between the number of "1" in each of
input signals A and B.
The output signal produced by the comparator
106 causes the sign bit (SB) to change. When the quantized value approaches zero, the levels around
zero are deleted by being skipped and changing the
bit of sign. The peak level determines the level at which the sign bit is changed. In the adaptation which is envisaged, this level is five levels below the peak level of the signal (unless the peak level is 00001111 'or less, in which case the adaptation returns to normal operation) and we remove a different number of levels depending on the input amplitude, so as to keep ten active levels.
The peak value should be able to decrease when the signal level changes. There are many ways to do this. For example, (a) by reducing one level on each zero crossing,
(b) by reducing the level if a particular level is not <EMI ID = 37.1>
a MIC system with a final output signal having a sampling rate of 8 kHz), or (c) by reducing the peak value to a fixed periodic rate. The embodiment which is currently used and which is represented in FIG. 11 reduces the peak level at each passage through zero. This adaptation technique
<EMI ID = 38.1>
this maximum which can be followed is increased by
Fs / 32 to F / 18. the price to pay for this consists of a very slight increase in the signal-to-noise quantization ratio for the alternative signals. The increased noise is due to the suppression of levels close to zero. However, the suppressed levels represent signals which correspond to less than 1% of the period of a sine wave and the increase of the signal / noise ratio
is minimal.
The characteristic of variation of the gain as a function of the frequency is also modified and pushed higher in frequency, with much less effect on the low frequency signals, as shown in Figure 8. Figures 7b and 11 respectively show the response with and without adaptation for a signal to
0 dB, 4 kHz. This technique is advantageous with regard to the frequency response, without increasing the sampling rate and without any real penalty on
performance, in particular with regard to dynamics, resolution and signal-to-noise ratio.
The adaptation technique can increase the dynamics of the system without penalizing the frequency response. The digital-analog converter which is represented in figure 5 uses 17 levels and its dynamics and its resolution are just sufficient for the considered application. They can only be increased by increasing the sampling rate and / or by adding additional levels. However, adding levels would require the use of a higher sampling rate, since otherwise the frequency response characteristic would not be acceptable. With the adaptation technique which is represented on figure 10, one can add more levels around zero, without degrading the frequency response, because these levels will be used only for the very weak. wheat signals.
A system using a 10-bit analog digital converter with 21 levels from 0000000000 to
<EMI ID = 39.1>
the highest, as indicated by the peak value register, and it would have an additional 12 dB of dynamic since the lowest level would now be Vin. instead of Vin / 256. Levels
<EMI ID = 40.1>
read only one comparator). The number of neighboring levels
of zero that can be added is limited by the noise of the system and as long as there is always the same relative precision for all the levels of the digital-analog converter, the performance of the system is
increased to cover another 12 dB of dynamics.
Figure 12 shows the signal-to-noise ratios s / B for 17-level and 21-level systems using al- <EMI ID = 41.1>
The adaptive algorithm described above. improves frequency response and dynamics for a given sampling rate. It only works on the absolute value of the input signal and behaves identically, regardless of the frequency.
Another element can be added which allows the system to modify the adaptation on the basis of the input frequency. This additional element detects that the input frequency exceeds a frequency at which the analog-to-digital converter can follow the input signal precisely and it modifies the adaptation by suppressing more levels around zero. This will increase the noise for high frequency input signals but will allow the input signal to be tracked to higher frequencies. A modification making it possible to benefit from this possibility consists in adding to the circuit of figure 10 the circuit which is represented on figure 13. This circuit compares
the sign bit of the input signal (produced by a comparator 110) with the quantized sign bit (coming from the digital-analog converter 96) over a period of
32 samples, determined by a 4-bit counter
112. In the case where the compared bits are different for more than 50% of the samples, the system does not follow the input signal precisely and the adaptation is modified by the suppression of more levels. This system allows the analog-to-digital converter to track the input signal by first using
10 active levels, then reducing the number of levels to 8, 6 and 4, as determined by the 6-bit counter 114, the two-bit counter 116 and the decoder
118. See the table below:
<EMI ID = 42.1>
This creates switching points in the vicinity of
<EMI ID = 43.1>
teme stops following.
We could also modify the system so that it starts using all 17 (or
21) levels and then deletes levels when it detects that it is no longer following the signal. This dynamically modified adaptation has a fast "attack" time (32 samples) but must have a long "decay" time (defined by the 6-bit counter 114) so as to remain stable. Figure 14 shows the answer
<EMI ID = 44.1>
Another area for possible improvement lies in the digital processing of the signal which is constituted by the results of the analog-to-digital converter. Candy et al., Supra, described the use of a calculation filter, of average to reduce the output frequency of the analog-digital converter and Kuwahara et al., In the article "Interpoiative PCM CODECS with Multiplexed Digital Filters ", page 174, Proceedings
1980 IEEE International- Solid-State Circuits Conference, February 1980, describes the use of an averaging filter to reduce the output frequency to
4 times the frequency of the final output signal, then
<EMI ID = 45.1>
filter the lower frequencies. However, two key points are overlooked in these prior art techniques. The first is that the sampling rate is reduced by the sampling rate reduction filters and that the most important task of the filters is to ensure that the frequency components which are folded back into the bandwidth
are properly attenuated. If components located in the bandwidth have an attenuation distortion, this distortion can be corrected in a filter operating at the final sampling rate.
or in the vicinity thereof. Averaging filters do not actually provide adequate attenuation of out-of-band signals.
The second point is that the sampling frequency reduction filter which is used with the analog-digital converter must ensure an adequate attenuation of all the bands of width 2F pass. around all the aliasing frequencies. One way to achieve this performance is to place multiple transmit zeros at all aliasing frequencies. Figure 15 shows a filter capable of doing this. This filter includes an arithmetic processor 120, a read-only memory of coefficients
<EMI ID = 46.1>
<EMI ID = 47.1>
RS output. The equation of the filter is:
<EMI ID = 48.1>
<EMI ID = 49.1>
final digital filter to perform any signal shaping. This filter includes the combination of all of the sampling rate reduction stages that are necessary to reduce the sampling rate to
16 kHz.
This filter provides protection against out-of-band components which is considerably superior to that of an averaging filter and allows the use of only a single, single pole filter upstream of the analog-to-digital converter. Filter also processes more than N terms for reduction
of frequency of N and it makes it possible to obtain a resolution and a higher dynamic range for the same analog-digital converter. The idea of processing more than N terms in a frequency reduction filter requires that the filter has some memory, but this requirement can be kept to a minimum, as indicated by the embodiment which is shown in Figure 16 This embodiment comprises a single filter stage with an output signal at 16 kHz, in place of the circuit described above which operates with several simple filters reducing the sampling rate by means of several intermediate stages. The output signal from the analog-to-digital converter is used in three different summations which are stored in memory.
In addition, the output signal of the analog-digital converter is multiplied by three different constants and it is added to each summation. Summons are completed at different times after the start of a new summation.
Thus, in summary, an analog-digital interpolation converter can be perfected using any of the following three independent techniques: (a) addition of a second comparator to obtain an additional 6 dB (8.5 dB) dynamics and an additional 6 dB of resolution at a given sampling rate, (b) addition of an adaptation technique, to allow better monitoring of high frequency signals and to obtain as much additional dynamics as necessary , the only limitation coming from the noise of the system; or (c) modifying the frequency reduction filter to replace an averaging filter with a filter that provides more attenuation around the aliasing frequencies and with a filter that processes more samples to improve dynamics and resolution and to reduce noise.
A finite impulse response filter can be designed for the output signal from an interpolated analog to digital converter using the fact that the output signal from the analog to digital converter can be converted to a code that contains only one "1 ". The filter can be achieved by using only additions and offsets and the number of additions is equal to the number of coefficients. The memory capacity is greatly reduced because each sample affects only a few output words. For example, in a 20 tap filter with a frequency reduction of 8, each input sample is used only to calculate two or three output samples, instead of twenty. Therefore, one can keep a revolving sum of a.Ax. and there is no need to save the input sample.
The input sample is multiplied by a. for the sum n [deg.] l, by
<EMI ID = 50.1>
When the summation contains 20 values it is presented as output and the corresponding memory register is erased. This multiplication can be done using a fully parallel shift network or a tap shift register.
A fully parallel offset using a parallel offset circuit and a parallel adder allows each multiplication to require only one clock period. A filter with 20 sockets
with an output frequency of 32 kHz requires an addition rate of 640 kHz. If a 2 MHz system clock were available, this offset circuit and this adder would be available to perform an additional 1,360,000 operations per second. A simple para) _lele structure using one-bit adders and a 10-gate network requires 2 shift registers and
one adder for each sum or 6 shift registers and 3 one-bit adders in total. A length
16-bit word processor would require a 4 MHz clock (assuming a 512 kHz sampling rate).
Digital processing basically performs a low-pass filtering function to remove
the high frequency error components in the output signal of the analog-digital converter,
without attenuation of the signals in the band. The signal processor output signal can have a much lower sampling rate than the converter if the high frequency components are removed. This sampling rate reduction filter function is generally accomplished by finite impulse response filters since the number of calculations can be reduced so as to calculate only the output samples at the output sampling rate. Although most systems use an averaging filter of one
simple type to average N samples and reduce the frequency by a factor of N, the technique
of the averaging filter does not provide adequate attenuation of out-of-band signals and it is necessary to use more complex filters which require certain multiplications in addition to the additions,
and there is a hardware problem.
The following is a description of techniques, in accordance with the invention, which use simple processing
and at low speed to accomplish complex filtering operations.
The analog-to-digital interpolation converter which is represented in FIG. 5 comprises a limited set of digital codes which are:
<EMI ID = 51.1> a 17-level system. However, these codes are closely related and can be changed slightly to make them useful for special filter structures. The modification of the code calls for a modification of the digital-analog converter in the encoder so that the least significant bit (LSB) is doubled and has a value equal to that of the second bit. If this is done, the actual output signals from the digital-to-analog converter are equivalent to
<EMI ID = 52.1>
- 100000000. The logic circuit intended to convert the codes of the shift register to the new digital format is represented at 156 in FIG. 17. This new code has the following advantages: (a) each code contains a single 1 (or a single 0) ) and (b) each code is exactly double the code immediately below
(except for the code above zero). These characteristics can lead to several original filter structures. Although filters are generally made using expensive multipliers and adders, this filter can be made with a simple serial adder, two shift registers and 8 AND gates, as shown in Figure 17.
The coefficient word formed by 8 bits is loaded into the shift register 154 from the read-only memory 152 and it is effectively shifted by N bits by the gate network which takes a bit from the shift register as a function of the exit code. of the analog-to-digital converter. When the coefficient is shifted in the shift register 154, it is shifted by M positions by the gate network 156 and it is added to the previous summation which is recorded in the register 158. After M operations of this type, the multiplication and the accumulation of this sample is completed (with M = 8 bits plus the coefficient width
(W) plus any bits provided in case of overflow). If the registers are less than 8 + W in length, the results are truncated.
After n accumulations of this type, the register
<EMI ID = 53.1>
in the register is then presented as output and the new summation is started by invalidating the reaction gate FG for the first accumulation of a new sample. This simple serial structure works well if the sample rate reduction filter
<EMI ID = 54.1>
greater than or equal to n. However, for most general impulse response frequency reduction filters
<EMI ID = 55.1>
each input sample must be part of several output samples. Figure 18 shows an example
<EMI ID = 56.1>
n = 23. In this case, we must keep revolving sums
<EMI ID = 57.1>
system uses 16-bit shift registers continuously receiving a clock signal at 2.048 MHz and each summation is performed out of phase with the others at a rate of 48 kHz, so that the total results are available at the rate of
16 kHz.
This filter structure can be realized in another way by using a parallel adder and a multiplexer / shift network. The shift multiplexer / shift network makes it possible to shift an input word by M positions. If the input word is the appropriate coefficient and if the shift network is controlled by the analog-to-digital converter, the output signal of the shift network
<EMI ID = 58.1>
shift network is added to the sum of the previous values of a.x. until the required number of samples is summed. As with the serial adder technique, if n samples are used in the filter and the sampling frequency reduction ratio
<EMI ID = 59.1>
be part of n / R summations. Thus, the example used for the serial technique can also be applied to a parallel technique, as shown in Figure 19. In
this case a parallel arithmetic and logic unit (UAL)
and the nSD shift network can be used for other arithmetic processing when they are not used for the filter considered. In this example, the processor must perform three shift operations
and addition which can be carried out in three clock cycles at a rate of 256 kHz, or at an addition rate of 760 kHz. If the shift and addition structure can operate for example at 2.048 MHz, its capacity is only used at 37.5% and it can perform
many other mathematical operations.
The output signal from the interpolation analog to digital converter drives an offset network
which simply consists of a multiplexer with M inputs.
A network bit is shown at 156 in Figure 17
which shows that the network can easily be attacked
by the code containing a 1. A conventional multiplexer can be used in the case where the output signal of the analog-digital converter is coded. This can be done by using a priority encoder which decodes the position of the unique 1 and which compresses the code to M bits to give a code with a width of logo M, i.e. a code of 9 15-bit is compressed into 4-bit code. This compressed code can attack conventional multiplexers.
Another type of filter can also be produced by noting that the successive output signals of the analog-digital converter are mutually linked. If the present code is known, the previous sample must necessarily have been half, double or the opposite of the present code, in the case of a system with a single comparator. For a system with two comparators, there is an additional possible state corresponding to the equality between the previous code and the present code. The only exception to this corresponds to the case where the code is adjacent to zero and we can eliminate this case by not allowing the existence of a code 0 in the analog-digital converter
(0 is not necessary, because it can be represented by an oscillation between equal positive and negative codes).
Because there are only a limited number of possible changes (3 or 4), the previous state may
be represented by a 2-bit code in which
<EMI ID = 60.1>
only one comparator). Since the preceding samples can be recorded with only 2 bits, a series of samples can be recorded or processed in a simple manner. Two possibilities are to use a combinational logic circuit or a read-only table consultation.
The combinatorial circuit shown in Figure 20 is useful for small filters with finite impulse response, an example of which could correspond to a frequency reduction from two to one using a double 0 filter of the form:
<EMI ID = 61.1>
We can make such a filter in a combinatorial way
<EMI ID = 62.1>
<EMI ID = 63.1>
2 or -1 (for interpolators with a single comparator), the summation has only 9 possible results, one of which cannot exist. We can calculate the result
<EMI ID = 64.1>
k.values are generated by the logic circuit which controls the shift register and consist of a two-bit word in which one bit indicates a change of sign (if the sign changes, the other bit is ignored) and the other
bit indicates an increase (x2) or a decrease (xO, 5) in the value of the shift register. The combinatorial circuit requires little memory and is very fast but
it is limited to very simple filters. Sample value of zero causes problems due to
that an additional k value is necessary and that k products are distorted. Therefore, the analog-to-digital converter does not use the value zero and
it represents zero by oscillating between +1 and -1, instead
+1, 0, -1. There is however no degradation in performance.
This technique of using k values
can be greatly expanded using ROM. A general filter of the form:
<EMI ID = 65.1>
can be rewritten as follows:
<EMI ID = 66.1>
The read only memory can be addressed by the k values and it can store the summations. The result is then shifted by n positions, in accordance with what is
<EMI ID = 67.1> Figure 21 shows an example of a 5 tap finite impulse response filter. The ROM is only 49 words in length, since only 49 of the 81 combinations (34) are possible. However, the ROM does indeed have 8 address lines and a decoder is used to reduce the 256 states to 49.
<EMI ID = 68.1>
<EMI ID = 69.1>
use in arithmetic with complement to 1) or it is inverted and one adds 1 to it (complement to 2).
One can use a future improvement of the system for the filters with linear phase in which the coefficients are symmetrical, that is to say that one has:
<EMI ID = 70.1> <EMI ID = 71.1> two halves. We do this by recording two
<EMI ID = 72.1>
<EMI ID = 73.1>
The logic translation circuit applies a
<EMI ID = 74.1>
to bring them in a format that allows the same ROM to be used as for the first four coefficients. The ROM for this 8-outlet system is kept at 27 words, the memory capacity is 6 K values (12 bits) and 2 X values (8 to 10 bits) and an adder is required to sum two partial results. However, only one adder is required to make this filter.
In the various figures; we designate scales
<EMI ID = 75.1>
calibration by RD, shift networks by RSD, registers
<EMI ID = 76.1>
<EMI ID = 77.1>
It goes without saying that many modifications can be made to the device described and shown, without departing from the scope of the invention.