CH688459A5 - Verfahren zur Digitalisierung eines Signals, Verarbeitungseinheit zu dessen Ausfuehrung - Google Patents

Description

  
 



  Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 und eine Verarbeitungseinheit nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 8. 



  Insbesondere gerichtet auf die Verarbeitung analoger Sprachsignale, wie für digital arbeitende Hörhilfen, setzt sich die vorliegende Erfindung als erstes Ziel, ein Verfahren bzw. eine Einheit erstgenannter Art zu schaffen, bei welchen ein Analog-Digital-Quantisierer reduzierter Quantisierungsstufenzahl einsetzbar ist, dabei die Dynamik, bei Sprachsignalen von ungefähr 80 dB, des Analogsignals im wesentlichen beibehalten wird und dabei trotz der wenigen Quantisierungsstufen der Quantisierungsfehler, bezogen auf das Nutzsignal, klein bleibt. 



  Durch die Möglichkeit, am Quantisierer die Quantisierungsstufenzahl zu reduzieren, würde eine massgebliche Reduktion der notwendigen, zu installierenden Leistungen erzielt werden. 



  Diese Aufgabe wird verfahrensmässig durch Vorgehen nach dem Verfahren gemäss Anspruch 1 mit bevorzugten Ausführungsvarianten gemäss den Ansprüchen 2 bis 7  gelöst. 



  Die Erfindung wird anschliessend beispielsweise anhand von Figuren erläutert. 



  Aus dieser Beschreibung gehen auch weitere Vorteile der vorliegenden Erfindung unter ihren verschiedenen Aspekten hervor. 



  Es zeigen: 
 
   Fig. 1 ein vereinfachtes Funktionsblock-Signalfluss-Diagramm einer erfindungsgemässen Analog-Digital-Verarbeitungseinheit, arbeitend nach dem erfindungsgemässen Verfahren, 
   Fig. 2 eine bevorzugte Ausführungsvariante der Verstärkungsregelrückführung, wie sie an der Verarbeitungseinheit gemäss Fig. 1 eingesetzt wird, 
   Fig. 3a anhand eines vereinfachten Funktionsblock-Signalfluss-Diagrammes, eine erste Ausführungsvariante der anhand von Fig. 1 und 2 prinzipiell dargestellten, erfindungsgemässen Analog-Digital-Verarbeitungseinheit, arbeitend nach dem erfindungsgemässen Verfahren, 
   Fig. 3b eine weitere bevorzugte Ausführungsvariante einer an der Verarbeitungseinheit gemäss  Fig. 1 wie auch gemäss Fig. 3a vorgesehenen Speicher- und Skalierungseinheit in schematischer Form anhand eines Funktionsblockes, 
   Fig.

   4 anhand eines vereinfachten Funktionsblock-Signalfluss-Diagrammes eine bevorzugte Ausführungsvariante einer Speicher- und Skalierungseinheit an der Analog-Digital-Verarbeitungseinheit gemäss den Fig. 1 und 2, 
   Fig. 5 vereinfacht, die Darstellung des Speicherinhaltes an einer Speichereinrichtung an der wie in Fig. 4 dargestellt ausgebildeten Einheit und die Funktionsweise einer ihr nachgeschalteten, schieberegisterartig wirkenden Einheit, 
   Fig. 6 eine Quantisierer-Kennlinie des bevorzugterweise an der erfindungsgemässen Analog-Digital-Verarbeitungseinheit eingesetzten Quantisierers, 
   Fig. 7 eine bevorzugte Ausführungsvariante der schieberegisterartig wirkenden Einheit gemäss    Fig. 4 und 5, 
   Fig. 8 in Form eines vereinfachten Funktionsblock-Signalfluss-Diagrammes, eine nach dem erfindungsgemässen Filterverfahren arbeitende Digital-Filteranordnung, 
   Fig.

   9 anhand eines vereinfachten Funktionsblock-Signalfluss-Diagrammes eine erfindungsgemässe Analog-Digital-Verarbeitungseinheit, insbesondere für den Einsatz an Audiosignalen, insbesondere an Sprachsignalen, worin das an sich erfinderische Digitalfilter nach Fig. 8 der Einheit gemäss Fig. 5 nachgeschaltet ist. 
 



  In Fig. 1 ist ein Signalfluss/Funktionsblock-Diagramm einer erfindungsgemässen Analog-Digital-Verarbeitungseinheit, arbeitend nach dem erfindungsgemässen Verfahren, dargestellt. 



  Das Analogsignal 1 wird einer Verstärkereinheit 3 zugeführt, deren Verstärkung G in Stufen gesteuert einstellbar ist. Das verstärkte Ausgangssignal der Verstärkereinheit 3 wird einem Analog-Digital-Quantisierer 5 zugeführt, dessen digitales Ausgangssignal A5 einerseits an eine Speicher- und Skalierungseinheit 7 geführt, anderseits, auf eine Speichereinrichtung 9 für Verstärkungssteuerdaten, z.B. in Form des Wortes GCW, rückgeführt ist. 



  Grundsätzlich werden die digitalen Ausgangssignale A5 des Quantisierers 5 als IST-Wert auf die Speichereinrichtung 9 rückgeführt, worin die Steuerdaten für die  Verstärkung G der Verstärkereinheit 3 andauernd so verstellt werden, dass die Ausgangswerte A5 des Quantisierers 5, genauer: ihr mittlerer Absolutwert, einem vorgebbaren SOLL-Wert entspricht, womit der begrenzte Wertebereich des Quantisierers 5 optimal ausgenützt wird. Dies ist in Fig. 1 mit der die Regeldifferenz  DELTA  bildenden Differenzbildungseinheit 10 schematisch dargestellt. Die Verstärkungswerte G und deren Verstellungswerte  DELTA G sind vorzugsweise in dB gerechnet. 



  In der Speicher- und Skalierungseinheit 7 sind alle möglichen Werte des Ausgangssignals A5 vorabgespeichert, und sie sind auch, mit je allen möglichen Werten der inversen Verstärkung G, d.h. G<-><1> skaliert, vorbestimmt. Kann mithin das Ausgangssignal A5 die Anzahl na unterschiedlicher Werte annehmen und die Verstärkung G die Anzahl ng, so sind in der Speicher- und Skalierungseinheit die Anzahl na . ng Werte vorbestimmt, dabei mindestens teilweise vorabgespeichert, wie dies durch die Eingabe P dargestellt ist. Am Eingang E71 der Speicher- und Skalierungseinheit 7 liegen die Ausgangssignale A5 des Quantisierers 5 als Adresse an und ebenso an E72 das GCW. Entsprechend dem momentanen Wert des Signals A5 wird an der Einheit 7 der zugehörige, mit der momentanen inversen Verstärkung G<-><1> skalierte Datensatz adressiert.

  Ausgangsseitig A7 der Speicher- und Skalierungseinheit 7 erscheint somit der Zahlenwert des (unverstärkten bzw. unabgeschwächten) Analogsignals 1. 



  Dank der eingangsseitigen Verstärkung, vor der Digitalisierung, und der ausgangsseitigen, nach der Digi talisierung erfolgenden Verstärkungskompensation wird mit einem Quantisierer 5 mit wenigen Quantisierungsstufen die volle Dynamik des Analogsignals in den Zahlenbereich abgebildet. 



  Aufgrund der Einregelung des mittleren Absolutwertes des Ausgangssignals A5 des Quantisierers 5 auf einen vorgegebenen SOLL-Wert wird weiter die zur Verfügung stehende Dynamik des Quantisierers voll ausgenützt und damit der Quantisierungsfehler im Rahmen der vorgegebenen Anzahl Quantisierungsstufen minimiert, unabhängig vom eintreffenden Analogsignalpegel und den andauernden Pegelschwankungen. Die Möglichkeit des Einsatzes eines Quantisierers mit relativ wenigen Stufen und trotzdem einer Analog-Digital-Wandlung über die ganze Analogsignaldynamik mit stets genügend kleinem relativem Quantisierungsfehler ergibt wesentliche Vorteile, wenn man bedenkt, dass der Quantisierer hinsichtlich Leistungsaufnahme, nebst Anti-Aliasing-Filter, den kritischen Schaltungsteil bei einer Analog/Digitalwandlung darstellt. 



   In Fig. 2 ist eine bevorzugte Ausführungsvariante der Rückführung des Ausgangssignals A5 des Quantisierers 5 auf die Verstärkung G der Verstärkereinheit 3 von Fig. 1 dargestellt. 



  In einer Speichereinrichtung 10a sind in Funktion der absoluten Signalwerte, ausgangsseitig des Quantisierers 5, Verstärkungsänderungsgrössen  DELTA G beider Polaritäten abgespeichert. Durch Festsetzung, bei welchem Absolutwert des Ausgangssignals A5 die Verstärkungsänderungen  DELTA G das Vorzeichen wechseln, entsprechend  dem im Block 10a eingetragenen Wert A5S, wird der einzuregelnde SOLL-Wert des mittleren Absolutwertes des Ausgangssignals A5 des Quantisierers 5 vorgegeben. Bei 13 ist der Absolutwertbildner für das Signal A5 dargestellt. Die in Funktion des Signals A5 aus dem Tabellenspeicher 10a ausgegebenen Verstärkungsänderungen +/-  DELTA G werden der Speichereinrichtung 9 mit den Verstärkungssteuerdaten, entsprechend dem Verstärkungssteuerwort GCW, zugeführt, welches, entsprechend, die Verstärkung G erhöht bzw. reduziert. 



  In Fig. 3a ist, ausgehend von den Fig. 1 und 2, eine mögliche Ausführungsvariante der Speicher- und Skalierungseinheit 7 von Fig. 1 dargestellt. Es sind die bereits anhand von Fig. 1 und 2 verwendeten Positionsziffern für gleiche Funktionen bzw. Funktionsblöcke etc. verwendet. 



  Die Verstärkung G an der Verstärkereinheit 3 ist, in Stufen Go ..., Gn, durch die Steuerdaten in der Speichereinrichtung 9 verstellbar. Entsprechend der Anzahl möglicher Verstärkungen ng = n + 1 sind eine Anzahl (n + 1) Speicherabschnitte 110, 111 ..., 11n vorgesehen. In allen Speicherabschnitten 11x mit 0 </= x </= n sind je alle möglichen Werte des Ausgangssignals A5, wie bei P dargestellt, vorabgespeichert, jedoch in jedem Abschnitt 11x mit dem inversen Wert der zugehörigen Verstärkung Gx<-><1> skaliert, d.h. mit G0<-><1>, G1<-><1> ..., Gn<-><1>.

  Die Speicherabschnitte 11 werden alle gemeinsam durch das am Ausgang A5 des Quantisierers 5 erscheinende Signal adressiert, derart, dass bei einem betrachteten digitalen Ausgangssignalwert an A5 = A5k an allen Speicherabschnitten 11 die zugehörigen  Datenwerte adressiert sind, welche, ohne Beschränkung der Allgemeinheit, im Abschnitt 110, infolge der Wahl G0 =1, mit dem Wert A5k am Ausgang A5 gleichwertig, an den übrigen Abschnitten 11x je mit dem zugeordneten inversen Verstärkungsfaktor Gx<-><1> skaliert erscheinen. 



  Ausgangsseitig der Abschnitte 11x stehen somit die Werte A11k = A5k . Gx<-><1> (0 </= x </= n an. 



  Diese aufgerufenen Werte A11k, d.h. alle Ausgänge der Abschnitte 11, sind einer Multiplexer-Einheit 15 zugeschaltet. Die Multiplexer-Einheit 15 wird, am Eingang E15, entsprechend dem Eingang E72 zur Speicher- und Skalierungseinheit 7 gemäss Fig. 1, mit den Verstärkungssteuerdaten GCW aus der Speichereinrichtung 9 adressiert bzw. angesteuert, so dass bei Vorherrschen momentaner Ausgangssignale A11k und gleichzeitigem Vorherrschen einer momentanen Verstärkung Gk derjenige Ausgang A11k angewählt und durchgeschaltet wird, für den   x = k gilt, somit wird A15k = A5k . Gk<-><1>. 



  Wie ersichtlich, ergibt dieses Vorgehen die Möglichkeit, ohne aufwendige Multiplikatoren die Verstärkungskompensation vorzunehmen. 



  In Fig. 3a wurde eine mögliche Realisationsvariante der Speicher- und Skalierungseinheit 7 dargestellt, welche insbesondere der Anschaulichkeit dient. 



  Wie in Fig. 3b dargestellt, wird aber in bevorzugter Art und Weise die Speicher- und Skalierungseinheit 7  als Speichereinheit 7a ausgebildet, worin alle möglichen Werte des Signals A5, je multipliziert mit allen inversen Verstärkungswerten G<-><1>, abgespeichert sind. Die Adressierung des hinsichtlich Quantisierung A5k wie auch Verstärkung Gk richtigen Wertes erfolgt, wie in Fig. 3b ersichtlich, durch die Adressierung der Speichereinheit 7a mittels einer sowohl aus dem Wert von A5k wie aus dem Wert von Gk gebildeten Adresse, in Analogie zur Darstellung von Fig. 1, an den Adressierungseingängen E71 vom Ausgang des Quantisierers 5 bzw. E72 vom Ausgang der Speichereinrichtung 9 mit dem Verstärkungssteuerwort GCW. Damit entfällt der in   Fig. 3a dargestellte Multiplexer 15. 



  Der Speicheraufwand beim Vorgehen gemäss den Fig. 3b ist insbesondere bei grösseren Zahlen ng von Verstärkungsstufen  DELTA G wesentlich. 



  Betrachtet man einen 5-Stufenquantisierer 5 zuzüglich separater Berücksichtigung des Vorzeichens und mithin eine mögliche Anzahl na von 64 (2<5> x 2) und beispielsweise ein Verstärkungssteuerwort in der Speichereinrichtung 9 von 5 Bit, so wäre bei Vorgehen nach den Fig. 3 ein Speicheraufwand für 64 . 32 = 2048 Werten notwendig. 



  Diesbezüglich wird durch das nachfolgend beschriebene Vorgehen ein wesentlicher Vorteil erzielt. 



  Dabei wird davon ausgegangen, dass sich der Wert einer binären Zahl, wenn sie, z.B. bezüglich eines Gleitkommas, um eine Stelle verschoben wird, um den Faktor 2, entsprechend näherungsweise 6 dB, ändert. 



  Davon ausgehend, wird der vorgesehene Dynamikbereich in eine Anzahl Z 6 dB-Schritte unterteilt. Ohne Beschränkung der Allgemeinheit sei, wie schon zuvor, G0 = 0 dB gewählt und damit der Dynamikbereich gleich der maximalen Verstärkung Gmax, also
 Gmax = Z . 6 dB + R,
 



  wobei R < 6 dB eine Restgrösse bezeichnet. Reicht eine Verstärkungsabstufung in  DELTA G-Schritten von 6 dB aus, so müssen, rückblickend auf die Fig. 3a, b, nur alle na Werte von A5 vorabgespeichert werden, die Kompensation der Verstärkung in den erwähnten 6 dB-Schritten kann durch entsprechendes Schieben der einen momentanen Wert von A5 anzeigenden Binärzahl um eine der momentanen Verstärkung entsprechende Anzahl Stellen erfolgen. In diesem Fall müsste sogar gar nichts abgespeichert werden, weil Adresse und Inhalt des Speichers übereinstimmen. 



  In den allermeisten Fällen genügt eine Abstufung der Verstärkung G entsprechend  DELTA G-Schritten in    6 dB nicht. Um dieses Problem bei gleichzeitiger Weiterverfolgung des Ziels, den Speicheraufwand zu reduzieren, zu lösen, werden die 6 dB-Verstärkungsschritte in k1 Verstärkungsschritte  DELTA G unterteilt, wobei k1 ganzzahlig ist. Entsprechend der Anzahl k1 Unterteilungsschritte der 6 dB-Abstufungen ergibt sich eine grössere oder kleinere Zahl notwendigen Speicherplatzes, indem alle zwischen den 6 dB-Schritten enthaltenen Zwischenabstufungen der Verstärkungskompensation, je mit allen möglichen na Werten des Signals A5 multipliziert, abzuspeichern sind. 



   Ist k1 = 2, so müssen 128 Werte vorabgespeichert werden, die  DELTA G-Abstufung beträgt 3 dB, bei k1 = 3, 192 die  DELTA G = 2 dB etc. Ohne Beschränkung der Allgemeinheit sei im weiteren k1 = 4 und mithin der  DELTA G entsprechende Skalierungsfaktor 2<1/4>, also  DELTA G näherungsweise 1,5 dB. Der Speicheraufwand reduziert sich damit auf 4 Datensätze, je entsprechend mit 0 dB, 1,5 dB, 3 dB, 4,5 dB skalierter na Werte von A5 und mithin, gemäss obigem Beispiel, auf die Abspeicherung von 256 Werten. 



  Die momentane Verstärkung Gk kann somit angeschrieben werden zu
 



  Gk = Gk1 + Gk2 = Zk (6 dB) + Lk (1,5 dB)
 
 mit 0 </= Lk </= 3. 



  Für die inverse Verstärkung gilt damit
 



  Gk<-><1>= Gk1<-><1> + Gk2<-><1> = -Zk (6 dB) -Lk (1,5 dB). 



  In Fig. 4 ist das Funktionsblock/Signalfluss-Diagramm dargestellt, wie in bevorzugter Art und Weise die Speicher- und Skalierungseinheit 7 gemäss Fig. 1 realisiert wird. 



  In einem Speicherblock 7b sind alle möglichen na Ausgangswerte A5, welche am Ausgang des Quantisierers 5 auftreten können, abgespeichert, und zwar je skaliert mit den Werten 1, - DELTA G,        -2 .  DELTA G, ..., -(k1-1) .  DELTA G. Bei der bevorzugten Wahl von  DELTA G zu 1,5 dB, mithin entsprechend je den na Werten A5; -1,5 dB . A5; -3 dB . A5  und   -4,5 dB . A5. Bei einem am Ausgang des Quantisierers A5 auftretenden Momentanwert wird, über den Adressierungseingang E71, dieser Wert und, mit einem ersten Teil des Verstärkungssteuerwortes GCW, über den Adressierungseingang E721, mit einem der momentanen Verstärkung entsprechenden inversen Wert -Lk ( DELTA G) skaliert, an den Ausgang A7b ausgegeben. 



  Bei einem 5 Bit-Verstärkungssteuerwort GCW werden hierzu, wie in [ ] angegeben, die zwei LSB von GCW eingesetzt, mit welchen die Lk Werte 0, 1, 2, 3 adressiert werden. 



  Die übrigen Bits des Verstärkungskontrollwortes GCW, beim Beispiel eines derartigen 5 Bit-Wortes die drei MSB, werden einer Schiebereinheit 7c zugeführt, woran die aus dem Speicherblock 7b ausgelesene Zahl, bezüglich Gleitkomma, um die durch die am Steuereingang E722 angegebene Anzahl Zk Stellen geschoben wird. 



  Um dies weiter zu erläutern, ist in Fig. 5 beispielsweise der maximale Wert des Speicherblokkes 7b dargestellt. Daraus ist vorerst ersichtlich, dass im Speicherblock 7b 21 Bit breite Worte abgespeichert sind, wobei die linken sieben Bit Vorzeichen-Erweiterungs-Bits sind, das achte Bit ein Vorzeichen-Bit ist, das neunte bis dreizehnte Bit für Lk = 0 einem Wert am Ausgang A5 entsprechen, und ebenfalls für Lk = 0 die Bits 15 bis 21 mit Nullen gefüllt sind. Für Lk = 0 ist ferner das vierzehnte Bit stets auf 1 gesetzt, was mit der besonderen Quantisierer-Kennlinie zu tun hat, die in Fig. 6 dargestellt ist. Wie aus Fig. 6 ersichtlich ist, entspricht dieser Quantisierung die  Zuordnung
 



  m .  DELTA  </= x < (m + 1) .  DELTA   -> y = (m + 1/2),
 



  worin x das analoge Eingangssignal,  DELTA  eine feste Quantisierungsstufe und y der in Einheiten dieser Quantisierungsstufe gemessene digitale Wert bedeuten. Damit nimmt m nur ganzzahlige Werte an. 



  Für Lk ungleich Null gelten die oben beschriebenen Beziehungen selbstverständlich nicht, sondern es sind dann die, wie vorgängig erklärt, skalierten Werte abgespeichert. 



  Mit dem Rahmen A7 ist das mit dem Schieber 7c ausgegebene Wort dargestellt. Daraus ist ersichtlich, dass in Funktion der Steuerung am Eingang E722, bei den beispielsweise noch drei verbleibenden MSB des 5-Bit Verstärkungssteuerwortes GCW, am Ausgang des Schiebers 7b ein Wert ausgegeben wird, welcher in einer von acht Möglichkeiten bezüglich des Gleitkommas GK verschoben ist. Nach unten fortschreitend, ergeben sich um jeweils -Zk . 6 dB abgeschwächte Werte. Am erläuterten Beispiel ergibt sich durch die Schiebereinheit 7c eine mögliche Verstärkungskompensation von max. 42 dB (7 . 6 dB). 



  Bei der Schiebereinheit 7c handelt es sich vorzugsweise um ein Schieberegister 8, wie es in   Fig. 7 dargestellt ist, welches zwischen 14 und 21 mal getaktet wird für den Fall, dass, wie in bevorzugter Weise, ein serielles Laden des Registers vorgesehen ist. 



  Ist Zk = 0 so werden von dem 21-Bit-Wort im Speicher 7b durch 14 Takte, die 14 rechten Bit in das Schieberegister 8 eingetaktet. Am Ausgang A7 erscheinen die 14 Bit entsprechend der A7-Rahmenposition in Fig. 5 für Zk = 0. 



  Ist Zk = 1, werden von dem 21-Bit-Wort im Speicher 7b durch 15 Takte, die rechten 15 Bit in das Schieberegister 8 eingetaktet, das rechtsäusserste Bit des 21-Bit-Wortes geht bei 8a verloren. Am Ausgang A7 erscheint das 14-Bit-Wort entsprechend der A7-Rahmenposition in Fig. 5 für Zk = 1 etc. 



  In jedem Fall werden aus dem 21-Bit-Wort nach dem 14. Takt, also ab 15. Takt, nur noch Vorzeichen-Erweiterungs-Bits ausgelesen. Nach dem 14. Takt ist das Vorzeichen-Bit aber bereits im MSB-Speicher des Schieberegisters. Somit wird bevorzugterweise der Inhalt der MSB-Stufe ab dem 15. Takt, wie in Fig. 4c dargestellt, nicht mehr verändert, sondern lediglich noch den folgenden Stufen des Schieberegisters zugeführt. Damit können aber auch die 7 Vorzeichen-Erweiterungs-Bits VE im Speicher 7b entfallen, er wird um 1/3 kleiner. 



  Am dargestellten Beispiel mit einem 5 Bit + Vorzeichen-Bit-Quantisierer und einem 5-Bit-Verstärkungssteuerwort GCW wird mithin, mit den zwei LSB von GCW und dem Ausgangswert des Quantisierers als Adresse, im Speicherblock 7b, der entsprechend mit -Lk  DELTA G skalierte A5-Wert angewählt, und es wird, mittels der Schiebereinheit 7c, dieser angewählte Wert, in Funktion der verbleibenden drei MSB aus dem GCW, mit -Zk  . 6 dB weiter skaliert. 



  Die beschriebene Analog-Digital-Verarbeitungseinheit eignet sich insbesondere für die Verarbeitung von Audiosignalen, insbesondere von Sprachsignalen. Hierzu werden in noch zu beschreibender Art und Weise der bereits beschriebenen Anordnung Filter vor- und nachgeschaltet, wobei das nachgeschaltete Digitalfilter, bzw. das gewählte Vorgehen zur digitalen Filterung, für sich betrachtet und für weitere Anwendungsfälle einsetzbar, erfinderisch ist. 



  In Fig. 8 ist der prinzipielle Aufbau des erfindungsgemässen Digitalfilters dargestellt. Bei dessen Erläuterung wird auf die Berechnungstheorie digitaler Filter nicht eingegangen, worüber, wie dem Fachmann geläufig, ein weites Schrifttum besteht. 



   Das digitale, zu filternde Signal wird, wie bei 20 dargestellt, einer gestrichelt umrandeten Speichereinheit 21 zugeführt. Bei einer je nach gewähltem Filter bestimmten Anzahl Filterkoeffizienten bk ist in der Speichereinheit 21 eine entsprechende Anzahl Speicherabschnitte M0 bis Mk vorgesehen. In jedem der Speicherabschnitte M0 bis Mk sind alle möglichen Werte des zugeführten, digitalen Signals 20, wie bei P dargestellt, vorabgespeichert bzw. vorbestimmt. Diese Werte sind skaliert im Abschnitt M0 mit dem Filterkoeffizienten b0, im Abschnitt M1 mit dem Filterkoeffizienten b1 etc. 



  Die Ausgänge der Speicherabschnitte M0 bis Mk sind einer Zeitverzögerungseinheit 23 zugeführt, worin,  bezogen auf die Taktperiode Ta eines Taktgenerators 24, welcher die digitale Verarbeitung taktet, der Ausgang des Abschnittes M0, um eine Anzahl k Taktintervalle zeitverzögert, an den Ausgang A230 gegeben wird. 



  Entsprechend werden die Ausgänge des Abschnittes M1 bis Mk, wie angegeben zeitverzögert, ausgegeben. Die Ausgänge der Verzögerungseinheit 23 sind alle auf einen Addierer 25 geführt. 



  Mit den digitalen Eingangsdaten 20 werden an den Speicherabschnitten M die dem jeweiligen Wert der Eingangsdaten 20 entsprechenden, mit den zugehörenden Filterkoeffizienten skalierten, vorabgespeicherten Werte abgerufen und über die Zeitverzögerungseinheit 23 der Additionseinheit 25 zugespiesen. Auf diese Art und Weise wird ein linearphasiges Transversalfilter realisiert, welches keine aufwendigen Multiplikatoren verwendet. 



  Ein solches Filter eignet sich ausgezeichnet in Kombination mit der vorbeschriebenen Analog-Digital-Verarbeitungseinheit, was bereits daraus ohne weiteres ersichtlich ist, dass, sowohl ausgangsseitig der erwähnten Analog-Digital-Verarbeitungseinheit wie auch eingangsseitig des anhand von Fig. 8 erläuterten, erfindungsgemässen Filters, teilweise vorabgespeicherte Werte entsprechend den möglichen Werten des zu behandelnden Digitalsignals eingesetzt werden. 



  In Fig. 9 ist ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemässen Analog-Digital-Verarbeitungs einheit für Sprachsignale dargestellt, welches sich aus erfindungsgemässer Kombination der anhand der Fig. 1 bis 7 dargestellten Einheit und des prinzipiell anhand von Fig. 8 erläuterten Digitalfilters mit weiteren zusätzlichen Aggregaten ergibt. 



  Das Audiosignal, insbesondere Sprachsignal, wird über ein Mikrofon 30 einem Hochpassfilter 32 erster Ordnung, mit einer Grenzfrequenz von ungefähr 1 kHz, zugeführt. Durch dieses Filter wird das Spektrum des Sprachsignals, welches im Mittel eine Überhöhung im Bereiche von 500 Hz aufweist, abgeflacht, womit das Signal-zu-Quantisierungsrausch-Verhältnis über die ganze Bandbreite ausgeglichener wird. Eine Kompensation der dadurch erfolgten Klangveränderung ist in einer der Analog-Digital-Verarbeitungseinheit folgenden digitalen Signalverarbeitung auf einfache Art und Weise möglich. 



  Es ist eingangsseitig der Analog-Digital-Verarbeitungseinheit kein Anti-Aliasing-Filter vorgesehen. 



  Ausgangsseitig des Hochpassfilters 32 wird das Analogsignal dem Verstärker 33 zugeführt, welcher, in Analogie zum vorbeschriebenen Verstärker 3, eine in 1,5-dB-Stufen verstellbare Verstärkung G aufweist. Das verstärkte Analogsignal wird dem zum vorbeschriebenen Quantisierer 5 analogen Quantisierer 35 zugeführt, darin, über eine Gleichrichtereinheit 34, einem 5-Bit-Quantisierer 36 und, in Parallelstruktur, einer Vorzeichen-Detektoreinheit 37. Abgesehen von der ausgangsseitig der Einheit 37 auftretenden Vorzeichen-Information VZ wird, in Analogie zum vorbeschriebenen  Ausgang A5, der Ausgang A36 des 5-Bit-Quantisierers 36 über die Verstärkungsänderungs-Tabelle 40, in Analogie zur vorbeschriebenen 10a, über eine hier nicht dargestellte Speichereinrichtung, analog zu 9, wie vorbeschrieben, auf den Verstärker 33 rückgeführt. 



  Die Verstärkungssteuerdaten GCW, die Vorzeichen-Information VZ und der Ausgang A36 des Quantisierers 36 werden einer Speicher- und Skalierungseinheit 42 zugeführt. Diese ist in vier gleich aufgebaute Speicher- und Skalierungsabschnitte M0, M1, M3, M5 unterteilt. Der Abschnitt M0 der Speicher- und Skalierungseinheit 42 ist, wie in   Fig. 4 bei 7 dargestellt und im Zusammenhang mit den Fig. 5 bis 7 erläutert, aufgebaut und ist entsprechend den Erläuterungen zu Fig. 5, in          2<-1/4>-Inkrementen, darüber hinaus jedoch noch zusätzlich mit einem Filterkoeffizienten b0 skaliert. 



  Der Abschnitt M1 ist ebenfalls aufgebaut wie in Fig. 4 unter 7 dargestellt. Die im Abschnitt M1 vorabgespeicherten Datensätze sind jedoch nicht wie jene in M0 mit b0, sondern mit einem Filterkoeffizienten b1 skaliert. Entsprechendes gilt für M3 und M5. 



  Ausgangsseitig der Speicher- und Skalierungseinheit 42 erscheinen, jeweils jedem der Abschnitte M0, M1, M3, M5 zugeordnet, Digitalsignale, welche folgendem entsprechen: 



  Aus M0: Dem Momentanwert am Ausgang A36, gesteuert durch die Verstärkungssteuerdaten GCW - entsprechend der inversen momentanen Verstärkung am Verstärker 33  -, und zusätzlich mit b0 skaliert. 



  Aus M1: Wie bei M0, aber zusätzlich mit b1 anstelle von b0 skaliert. 



  Sinngemässes gilt für M3 und M5. 



  Die Verstärkung G am Verstärker 33 ist zwischen 0 und 46,5 dB in Schritten von 1,5 dB verstellbar, abgestimmt auf die 2<-1/4>-Skalierungen in M0 und damit M1 bis M5. 



  Die diesen Abschnitten zugeordneten Schiebereinheiten, gemäss 7c von Fig. 4, weiter Fig. 7, erzeugen 14-Bit-Worte. Anwahl der Skalierung und das Auslesen an den Schiebereinheiten 7b wird gesteuert durch das Verstärkungssteuerwort GCW. 



  Um ohne analoges Anti-Aliasing-Filter auszukommen, wird an der Analog-Digital-Verarbeitungseinheit eine Abtastrate von vorzugsweise 32 kHz eingesetzt und ausgangsseitig der Speicher- und Skalierungseinheit 42 ein Tiefpass-Digitalfilter, prinzipiell aufgebaut gemäss Fig. 8, vorgesehen. Dieses Filter ist so ausgelegt, dass Signalkomponenten oberhalb 8 kHz genügend gedämpft werden, damit die Abtastrate, ohne störende Aliasing-Komponenten zu erzeugen, auf 16 kHz reduziert werden kann. Ferner ist das Filter auch so ausgelegt, dass die Filterkoeffizienten bk für alle geradzahligen k ungleich Null verschwinden. Damit wird der Realisationsaufwand wesentlich gesenkt. Es werden lediglich vier Filterkoeffizienten verwendet, nämlich für k = 0, +/- 1, +/- 3 und +/- 5.

   Wie erwähnt wurde, sind, entsprechend, die Datenwerte in den Abschnitten M0,  M1, M3, M5 mit den zugeordneten, eben erwähnten Filterkoeffizienten skaliert bzw. multipliziert gespeichert. 



  Bei der erwähnten Abtastrate von vorzugsweise 32 kHz werden die Signalkomponenten der Schallquelle oberhalb von 16 kHz, wie dem Fachmann vertraut, auf den Frequenzbereich 0 ... 16 kHz heruntergefaltet (Aliasing-Effekt). Das digitale Tiefpassfilter dämpft die Signalkomponenten der Schallquelle im Frequenzbereich 8 ... 16 kHz, wie auch jene, welche aus dem Frequenzbereich 16 ... 24 kHz in den Bereich 8 ... 16 kHz gefaltet wurden. Für Eingangssignale mit nur verschwindenden Signalkomponenten oberhalb 24 kHz, also für elektrisch gewandelte akustische Signale, wird somit der Aliasing-Effekt durch Überabtastung (f1 = 32 kHz) und anschliessende digitale Tiefpassfilterung einschliesslich Reduktion der Abtastrate vermieden. 



   Das Digitalfilter kann mit der reduzierten Abtastrate von 16 kHz betrieben werden. Die Anordnung der Zeitverzögerungsglieder 44, ausgelegt entsprechend der halben, verwendeten Taktfrequenz 1/2 f1, ergibt sich ohne weiteres aus Fig. 6 mit pro Abschnitt M entsprechender Signalaufteilung je für b+k und b-k. Die verzögerten Signale F0 bis F5, je für b+/-k und je aus einem der Abschnitte M0 bis M5, werden, wie anlässlich von Fig. 5 erläutert wurde, einer Additionseinheit 45 zugeführt, an deren Ausgang A45 pro Takt ein Digitalwert erscheint als Ausgangswert der erfindungsgemässen Analog-Digital-Verarbeitungseinheit mit eingebauter Anti-Aliasing-Verarbeitung. 

Claims (20)

1. Verfahren zur Digitalisierung eines bandbegrenzten, analogen Signals, dadurch gekennzeichnet, dass - das analoge Signal (1) gesteuert verstärkt (3) wird, - das verstärkte Analogsignal mit einer vorgegebenen Anzahl Quantisierungsstufen digitalisiert (5) wird, - mit den digitalisierten Analogsignalen die Verstärkung (G) des Analogsignals (1) so gestellt wird, dass der zeitliche Mittelwert des Betrages des digitalisierten Analogsignals (A5) auf einen SOLL-Wert geregelt wird, - alle entsprechend der Anzahl Quantisierungsstufen möglichen Werte des digitalisierten Analogsignals (A5) vorabgespeichert (7) werden, - mit dem jeweiligen digitalisierten Analogsignal (A5) und der jeweils vorherrschenden Verstärkung (G) das dem digitalisierten Analogsignal (A5) entsprechende, vorabgespeicherte (7) Signal,

verstärkt mit der der vorherrschenden Verstärkung (G) inversen Verstärkung (G<-><1>), abgerufen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mit dem digitalisierten Analogsignal (A5) Verstärkungsänderungswerte ( DELTA G) abgerufen werden und der SOLL-Wert durch Wahl, bei welchem Wert des digitalisierten Analogsignals (A5) ein Vorzeichenwechsel der abgerufenen Verstärkungsänderungswerte ( DELTA G) erfolgt, vorgegeben wird.

3.

Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass, zur Berücksichtigung der vorherrschenden Verstärkung (G), alle möglichen Werte des digitalisierten Analogsignals (A5) je mit allen inversen Werten (G<-><1>) der Verstärkung vorabgespeichert (P) und durch ein jeweils vorherrschendes, digitalisiertes Analogsignal (A5) sowie einen jeweils vorherrschenden Verstärkungssteuerwert (GCW) adressiert (E71, E72) und abgerufen werden.

4.

Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass mittels eines vorherrschenden Wertes des digitalisierten Analogsignals (A5) der entsprechende, vorabgespeicherte (7b) Wert adressiert (E71) und zur mindestens teilweisen Berücksichtigung der vorherrschenden Verstärkung (G) der adressierte Wert bezüglich eines Gleitkommas (GK), um eine durch mindestens einen Faktor des vorherrschenden Verstärkungssteuerwertes (GCW) angegebene (E722) Anzahl Stellen geschoben, ausgegeben wird.

5.

Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass alle möglichen Werte des digitalisierten Analogsignals (A5), je mit vorgegebenen, ersten inversen Verstärkungsfaktoren skaliert, vorabgespei chert werden (7b) und, zur Berücksichtigung der vorherrschenden Verstärkung, mit dem vorherrschenden Wert des digitalisierten Analogsignals (A5) und einem ersten Faktor des vorherrschenden Verstärkungssteuerwertes (GCW) ein vorabgespeicherter Wert aufgerufen (E71, E721) und, um eine durch einen weiteren Faktor des vorherrschenden Verstärkungssteuerwertes gegebene (E722) Anzahl Stellen bezüglich des Gleitkommas (GK) geschoben, ausgegeben wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkung in Stufen entsprechend einem Faktor gemäss dem Basiswert der digitalen Darstellung des digitalisierten Analogsignals verstellbar ist.

7.

Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Stufen weiter unterteilt werden, vorzugsweise in Stufen entsprechend Faktoren entsprechend näherungsweise 1,5 dB bzw. 2<1/4>.

8. Analog-Digital-Verarbeitungseinheit zur Ausführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass vorgesehen sind: - eine Verstärkereinheit (3), der das Analogsignal (1) zugeführt ist und deren Verstärkung (G) in Stufen (Go-Gn, DELTA G) verstellbar ist, - der Verstärkereinheit (3) nachgeschaltet, ein Analog-Digital-Quantisierer (5), - dem Analog-Digital-Quantisierer (5) nachgeschaltet, eine Speicher- und Skalierungseinheit (7), wobei:

: - der Ausgang des Quantisierers (A5) über eine Vergleichseinheit (10) in regelndem Sinne auf einen Verstärkungssteuereingang (9) an der Verstärkereinheit (3) rückgeführt ist, - der Ausgang des Quantisierers (5) und der Ausgang der Vergleichseinheit (10) auf Adresseingänge (E71, E72) an der Speicher- und Skalierungseinheit (7) wirken.

9. Analog-Digital-Verarbeitungseinheit nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Vergleichseinheit (10) einen Tabellenspeicher (10a) umfasst, dem eingangsseitig mindestens der Absolutwert des digitalisierten Analogsignals vom Ausgang (A5) des Quantisierers (5) zugeführt ist und welcher ausgangsseitig auf den Verstärkungssteuereingang (9) wirkt

10.

Analog-Digital-Verarbeitungseinheit nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Speicher- und Skalierungseinheit eine Speichereinrichtung (7a, 11x, 15) umfasst und sowohl der Ausgang des Quantisierers (5, 35) wie auch derjenige der Vergleichseinheit (10a) auf Adresseingänge (E71, E72) an der Speichereinrichtung (7a, 11x, 15) wirken.

11.

Analog-Digital-Verarbeitungseinheit nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Speicher- und Skalierungseinheit (7) eine Speichereinrichtung (7b) sowie eine schieberegisterartig arbeitende, der Speichereinrichtung (7b) nachgeschaltete Einheit (7c) umfasst und dass der Ausgang des Quantisierers (5) auf Adresseingänge (E71) an der Speichereinrichtung (7b) und mindestens ein Teil des Ausganges der Vergleichseinheit (10a) auf Steuereingänge (E722) an der schieberegisterartig arbeitenden Einheit (7c) geführt sind und dabei vorzugsweise ein weiterer Teil des Ausganges der Vergleichseinheit (10a) auch auf Adresseingänge (E721) an der Speichereinrichtung (7b) geführt ist.

12.

Analog-Digital-Verarbeitungseinheit nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Einheit (7c) ein Schieberegister (8) umfasst, das vorzugsweise seriell aus der Speichereinrichtung (7b) geladen wird, und dass eine eingangsseitige Registerstufe (MSB) ausgangsseitig, ab einer vorgegebenen Anzahl Einlesezyklen, auf ihren Eingang schaltbar ist.

13. Analog-Digital-Verarbeitungseinheit nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein Ausgangswert (A5) des Quantisierers (5) über eine Verstärkungsänderungstabelle (10) mit positiven und negati ven Verstärkungsänderungen ( DELTA G) auf den Verstärkungssteuereingang (9) wirkt.

14. Analog-Digital-Verarbeitungseinheit nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Digitalverarbeitung in binärer Form erfolgt und die Verstärkung (G) in Schritten von 2<1/4>, im wesentlichen entsprechend 1,5 dB, abgestuft ist.

15.

Analog-Digital-Verarbeitungseinheit nach einem der Ansprüche 8 bis 14, für die Verarbeitung bandbegrenzter Analogsignale, insbesondere von Sprachsignalen, dadurch gekennzeichnet, dass der Quantisierer (5, 35) ein 6 Bit-Quantisierer ist, darin eingeschlossen ein Vorzeichen-Bit, welcher vorzugsweise einen Absolutwertbildner (34) mit nachgeschaltetem 5 Bit-Quantisierer (5) sowie einen Vorzeichendetektor (37) umfasst.

16. Analog-Digital-Verarbeitungseinheit nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die digitale Verarbeitung bei einer Taktfrequenz erfolgt, die höher ist als die doppelte Grenzfrequenz des Analogsignalbandes, vorzugsweise bei ca. vierfacher Grenz-Frequenz.

17.

Analog-Digital-Verarbeitungseinheit einem der Ansprüche 8 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Verstärkereinheit (33) ein Hochpassfilter (32) vorgeschaltet ist, bei der Verarbeitung von Sprachsi gnalen vorzugsweise ein Filter erster Ordnung mit einer Grenzfrequenz von ca. 1 kHz.

18. Analog-Digital-Verarbeitungseinheit nach einem der Ansprüche 8 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Speicher- und Skalierungseinheit (42) ein digitales Tiefpassfilter (44, 45) nachgeschaltet ist.

19.

Analog-Digital-Verarbeitungseinheit nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Speicher- und Skalierungseinheiten (M0, M1 ...) vorgesehen sind, deren vorabgespeicherte Werte mit Filterkoeffizienten (bk) skaliert sind, und dass die Ausgänge der Speicher- und Skalierungseinheiten zur Bildung des digitalen Tiefpassfilters spezifisch über Zeitverzögerungsglieder (44), einer Additionseinheit (45) zugeführt sind.

20. Analog-Digital-Verarbeitungseinheit nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass der digitale Tiefpassfilter bei tieferer, vorzugsweise halber Frequenz betrieben ist als die ihm vorgeschalteten Speicher- und Skalierungseinheiten (42; M0, M1, ...) Verstärkungseinheit (33), Quantisierer (5, 35), Absolutwertbildner (34) und Vorzeichendetektor (37).