DE102008051632A1

DE102008051632A1 - Verringerung des Quantisierungsfehlers bei Umsetzern zur Pulsweitenmodulation mit mehrstufiger Rauschformung

Info

Publication number: DE102008051632A1
Application number: DE102008051632A
Authority: DE
Inventors: Luis Hernandez; Dietmar Straeussnigg; Andreas Wiesbauer
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2007-10-24
Filing date: 2008-10-14
Publication date: 2009-04-30
Anticipated expiration: 2028-10-15
Also published as: US20090189795A1; US20090109078A1; DE102008051632B4; US7868802B2; US7659842B2

Abstract

Ein Verfahren sowie eine entsprechende Schaltung (150) und eine entsprechende Vorrichtung (114) zur Verringerung eines Quantisierungsfehlers bei elektronischen Komponenten werden beschrieben.

Description

Hintergrund
Umsetzer, welche analoge Signale in digitale Signale und umgekehrt umsetzen, werden bei vielen Schaltungen und Vorrichtungen, beispielsweise bei CD-Spielern, DVD-Spielern, Signalprozessoren und verschiedenen anderen Systemen, welche Signale übertragen, eingesetzt. Im Allgemeinen erhöht sich die Genauigkeit und die Qualität des Signalumsetzungsprozesses mit steigender Abtastrate, vorausgesetzt, dass das Rauschen, welches durch den Digitalisierungsprozess (d. h. durch das Abtasten und Quantisieren) erzeugt wird, geeignet berücksichtigt wird.
Umsetzer, welche eine mehrstufige Rauschformung einsetzen, werden MASH-Umsetzer (MASH = „Multi-Stage Noise Shaping") oder Full-MASH-Umsetzer genannt. Diese Full-MASH-Umsetzer werden häufig eingesetzt, um Rauschen, welches inhärent durch die Digitalisierung erzeugt wurde, zu separieren und zu entfernen. Typischerweise steigt mit der Anzahl der Rauschformungsstufen eines MASH-Umsetzers die Qualität des erwünschten Signals an. MASH-Umsetzer werden insbesondere für Anwendungen verwendet, bei welchen eine Überabtastung eingesetzt wird, wie z. B. bei bestimmten Umsetzern zur Pulsbreitenmodulation, welche im Folgenden PWM-Umsetzer (PWM = „Pulse-Width-Modulation") genannt werden. Unter einer Überabtastung wird verstanden, dass die Abtastfrequenzen größer als eine Frequenz sind, welche durch das Nyquist-Theorem vorgeschrieben ist, um den Rauschabstand zu erhöhen und das Quantisierungsrauschen zu verringern.
Nachteiligerweise erhöht sich mit der Anzahl der Rauschformungsstufen (d. h. mit der Ordnung eines MASH- Umsetzers) der Leistungsverbrauch und auch die Ausmaße bzw. die zur Realisierung des Umsetzers notwendige Fläche auf einer mikroelektronischen Schaltung.
Zusammenfassung
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird eine Schaltung bereitgestellt, welche eine formende Komponente, einen Digitalisierungsabschnitt und einen Fehlerbestimmungsabschnitt umfasst. Die formende Komponente, welche beispielsweise ein analoges Filter sein kann, ist derart ausgestaltet, dass sie eingangsseitig ein analoges Signal empfängt und ausgangsseitig ein entsprechend geformtes (z. B. gefiltertes) Signal ausgibt oder bereitstellt. Der Digitalisierungsabschnitt nimmt das geformte Signal entgegen und digitalisiert es, so dass er ausgangsseitig eine digitalisierte Ausgabe bereitstellt. Der Fehlerbestimmungsabschnitt ist schaltungstechnischen parallel zu dem Digitalisierungsabschnitt angeordnet und bestimmt einen Fehler, mit welchem die digitalisierte Ausgabe entsprechend korrigiert wird, um als Ausgabe der Schaltung eine korrigierte digitale Ausgabe bereitzustellen. Dazu ermittelt der Fehlerbestimmungsabschnitt eine Kombination des geformten Signals und der digitalisierten Ausgabe, wobei bei dieser Kombination beispielsweise eine Differenz zwischen dem geformten Signal und der digitalisierten Ausgabe bestimmt wird. Schließlich kombiniert der Fehlerbestimmungsabschnitt den Fehler mit der digitalisierten Ausgabe (z. B. wird der Fehler dabei von der digitalisierten Ausgabe subtrahiert) derart, dass die Schaltung eine korrigierte digitalisierte Ausgabe bereitstellt.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird auch eine elektronische Vorrichtung bereitgestellt, welche einen Prozessor und eine Kommunikationskomponente umfassen. Dabei ist diese Kommunikationskomponente mit dem Prozessor gekoppelt und derart ausgestaltet, dass sie Kommunikationsignale empfangen und/oder aussenden kann. Die Kommunikationskomponente umfasst dabei die vorab beschriebene erfindungsgemäße Schaltung.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird auch ein Verfahren bereitgestellt welches folgende Schritte umfasst:

• Formen (z. B. Filtern) eines analogen Eingangssignals, um ein geformtes (z. B. gefiltertes) Signal bereitzustellen.
• Digitalisieren dieses geformten Signals, um ein digitalisiertes Signal bereitzustellen.
• Bestimmen eines Fehlers, welcher aufgrund der Digitalisierung erzeugt wird, wobei die Bestimmung dieses Fehlers abhängig von einer Kombination (beispielsweise einer Differenz) aus dem geformten Signals und dem digitalen Signal erfolgt.
• Kombinieren des Fehlers und des digitalisierten Signals (beispielsweise wird dabei der Fehler vom digitalisierten Signal abgezogen), um das digitalisierte Signal zu korrigieren und dieses korrigierte digitale Signal als eine digitale Ausgabe bereitzustellen.

Bei der erfindungsgemäßen Schaltung und bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird zum einen eine Kombination aus einem analogen geformten Signal und einer digitalisierten Ausgabe (oder einem digitalisierten Signal) gebildet und zum anderen wird der Fehler abhängig von dieser Kombination bestimmt und anschließend mit diesem Fehler die digitalisierte Ausgabe korrigiert oder beispielsweise kombiniert. Zur Bildung der Kombination kann dabei entweder das analoge geformte Signal vorher digitalisiert oder die digitalisierte Ausgabe vorher mittels eines Digital-Analog-Umsetzers gewandelt werden. Falls die Kombination aus dem geformten Signal und der digitalisierten Ausgabe in analoger Form vorliegt, wird die Darstellung des Fehlers beispielsweise vorher in eine digitale Form (beispielsweise mittels eines Analog-Digital-Wandlers) gebracht, um die digitalisierte Ausgabe mit dem Fehler kombinieren zu können.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung werden verbesserte Techniken offenbart, um ein Quantisierungsrauschen zu verringern, welches durch Digitalisierungsverfahren in elektronischen Komponenten, beispielsweise in Umsetzern zur Pulsweitenmodulation mit mehrstufiger Rauschformung, erzeugt wird. Im Allgemeinen verringern die erfindungsgemäßen Verfahren vorteilhafterweise ein Quantisierungsrauschen und ermöglichen dadurch das elektronische Komponenten effektiv mit verringerten Abtastraten arbeiten können, wodurch im Vergleich zu herkömmlichen Verfahren zur Rauschformung eine entsprechende Verringerung eines Leistungsverbrauchs erzielt wird, eine entsprechend kleinere Fläche für entsprechend ausgestaltete Umsetzer benötigt wird und die Herstellungskosten für diese entsprechend ausgestalteten Umsetzer kleiner sind.
Erfindungsgemäße Verfahren messen einen Quantisierungsfehler, welcher durch einen Digitalisierungsprozess erzeugt wird, und entfernen diesen Quantisierungsfehler von dem digitalen Ausgangssignal. Da der Fehler, welcher durch den gesamten Digitalisierungsprozess (d. h. durch das Quantisieren und durch das Digitalisieren) erzeugt wird, gemessen wird, können die erfindungsgemäßen Verfahren mögliche Nicht-Linearitäten aufgrund einer Quantisierung bei PWM-Umsetzverfahren mit mehrstufiger Rauschformung berücksichtigen. Die Verringerung des Quantisierungsrauschens ermöglicht vorteilhafterweise, das elektronische Komponenten effektiv mit geringeren Abtastraten arbeiten können, eine entsprechend geringere Leistung benötigen und Verbesserungen bei der Dynamik des Ausgangssignals und bei der Stärke des Ausgangssignals erzielen. Die erfindungsgemäßen Verfahren ermöglichen, dass Analog-Digital-Wandler mit einer sehr hohen Auflösung arbeiten, welche bisher praktisch als unrealisierbar angesehen wurde. Daher führt die vorliegende Erfindung zu wesentlichen Vorteilen bei dem Leistungsverhalten und bei den Herstellungskosten entsprechender elektronischer Komponenten, indem der Quantisierungsfehler gemäß den Lehren der vorliegenden Offenbarung entfernt wird.
Erfindungsgemäße Verfahren oder erfindungsgemäße Techniken zur Verringerung des Quantisierungsrauschens, welches durch einen Digitalisierungsprozess erzeugt wird, können auf unterschiedliche Weisen implementiert werden, wie es beispielhaft im Folgenden beschrieben ist.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Falls bei den folgenden Figuren gleiche Bezugszeichen bei unterschiedlichen Ausführungsformen verwendet werden, sollen dabei in der Regel ähnliche oder identische Elemente bezeichnet werden.
1 stellt eine beispielhafte Umgebung dar, in welcher erfindungsgemäße Techniken eingesetzt sind.
In 2 ist schematisch ein erfindungsgemäßer Umsetzer zur Pulsweitenmodulation mit mehreren Rauschformungsstufen dargestellt.
3 stellt einen Flussplan eines Verfahrens dar, um ein Abtastrauschen gemäß einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform zu verringern.
4 stellt einen Flussplan eines Verfahrens dar, um einen Fehler gemäß einer erfindungsgemäßen Ausführungsform zu messen.
5 stellt Simulationsergebnisse dar, welche die Effektivität der Techniken zur Verringerung eines Digitalisierungsfehlers, einschließlich eines Quantisierungsrauschens, gemäß der vorliegenden Erfindung demonstrieren.
Detaillierte Beschreibung
Im Folgenden wird die vorliegende Erfindung anhand erfindungsgemäßer Ausführungsformen mit Bezug zu den Figuren im Detail beschrieben.
1 stellt eine beispielhafte Umgebung 100 dar, in welcher die Techniken und Verfahren gemäß den Lehren der vorliegenden Erfindung eingesetzt sein können. Dabei umfasst die Umgebung 100 eine erfindungsgemäße Kommunikationsvorrichtung 110, welche einen oder mehrere erfindungsgemäße Umsetzer 150 zur Pulsweitenmodulation mit mehrstufiger Rauschformung (PWM-Full-MASH-Umsetzer) aufweisen, die gemäß der erfindungsgemäßen Lehren ausgestaltet sind. Die Kommunikationsvorrichtung 110 kommuniziert betriebsfähig mittels einem oder mittels mehrerer Netze 140 mit einer Mehrzahl von anderen Vorrichtungen 142. Alternativ kann die Kommunikationsvorrichtung 110 die Netze 140 umgehen und direkt mit einem oder mit mehreren der anderen Vorrichtungen 142 kommunizieren. Eine genaue Beschreibung der verschiedenen Aspekte des PWM-Full-MASH-Umsetzers 150 erfolgt mit Hilfe der folgenden Beschreibung und mit Bezug auf die 2 bis 5.
In der dargestellten Umgebung handelt es sich bei der Kommunikationsvorrichtung 110 um eine tragbare Vorrichtung, wie beispielsweise einen MP3-Spieler, einen Minicomputer (PDA („Personal Data Assistant")), eine globale Positionsbestimmungssystemeinheit (GPS-Einheit) oder eine ähnliche tragbare Vorrichtung. Die anderen Vorrichtungen 142 umfassen zum Beispiel einen Computer 142A, eine andere tragbare Vorrichtung 142B, einen CD-Spieler oder einen DVD-Spieler 142C, einen Signalprozessor 142D (z. B. ein Radio, eine Navigationseinheit, ein Fernseher, usw.) und ein Mobilfunkgerät 142E. Bei alternativen Ausführungsformen können die Vorrichtungen 110, 142 irgendeine andere geeignete Vorrichtung umfassen, und es sei darauf hingewisen, dass jede der Vorrichtungen 142 mit einem oder mit mehreren PWM-MASH- Umsetzern 150 ausgestattet sein kann, welche entsprechend der Lehren der vorliegenden Offenbarung arbeiten.
Darüber hinaus ist in 1 dargestellt, dass die Kommunikationsvorrichtung 110 einen oder mehrere Prozessoren 112 und eine oder mehrere Ein-/Ausgabevorrichtungen 114 (z. B. Sende-/Empfangsvorrichtungen, Sender, Empfänger, usw.), welche über einen Bus 116 mit einem Systemspeicher 120 gekoppelt sind, umfasst. Bei der in 1 dargestellten Ausführungsform ist der PWM-Full-MASH-Umsetzer 150 als eine Komponente innerhalb der Ein-/Ausgabevorrichtungen 114 der Kommunikationsvorrichtung 110 enthalten. Bei alternativen Ausführungsformen kann der PWM-Full-MASH-Umsetzer 150 in irgendeinem anderen geeigneten Abschnitt der Vorrichtung 110 integriert sein, oder er kann als eine abgetrennte, individuelle Komponente der Vorrichtung 110 vorhanden sein.
Der Systembus 116 der Kommunikationsvorrichtung 110 repräsentiert irgendeinen von mehreren möglichen Arten einer Busstruktur, was einen Speicherbus oder eine Speichersteuerung, einen peripheren Bus, einen beschleunigten Grafikanschluss und einen Prozessor oder einen lokalen Bus mit irgendeiner bekannten Busarchitektur einschließt. Die Ein-/Ausgabe-Komponente 114 kann derart ausgestaltet sein, dass sie betriebsfähig mit einem oder mit mehreren externen Netzen 140, wie z. B. einem zellulären Telefonnetz, einem Satellitennetz, einem Informationsnetz (wie z. B. dem Internet, einem Intranet, einem zellulären Netz, einem Kabelnetz, einem Glasfasernetz, einem LAN, einem WAN, usw.), einem auf Infrarot basierenden Kommunikationsnetz oder einem auf Funkwellen basierenden Kommunikationsnetz oder irgendeinem anderen geeigneten Netz kommuniziert.
Der Speicher 120 kann ein von einem Computer lesbares Medium umfassen, welches derart ausgestaltet ist, dass es Daten und/oder Programmmodule speichert, um die hierin offenbarten Techniken zu implementieren, so dass die Daten und die Programmmodule sofort von dem Prozessor 112 aus zugreifbar sind und auf diesem ablaufen können. Der Systemspeicher 120 kann zum Beispiel auch ein Basis-Ein-/Ausgabe-System (BIOS) 122, ein Betriebssystem 124, ein oder mehrere Anwendungsprogramme 126 und Programmdaten 128 umfassen, von welchen von dem Prozessor 112 aus zugegriffen werden kann, um verschiedene Aufgaben durchzuführen, welche von einem Benutzer der Kommunikationsvorrichtung 110 verlangt werden.
Darüber hinaus kann das von einem Computer lesbare Medium, welches in dem Systemspeicher 120 enthalten ist, irgendein verfügbares Medium sein, auf welches die Vorrichtung 110 zugreifen kann, was ein Computerspeichermedium und ein Kommunikationsmedium einschließt. Ein Computerspeichermedium kann sowohl ein flüchtiges als auch ein nicht flüchtiges, ein löschbares und ein nicht löschbares Medium umfassen, welches nach irgendeinem Verfahren oder irgendeiner Technologie zur Speicherung von Informationen, wie z. B. von einem Computer lesbaren Anweisungen, von Datenstrukturen, von Programmmodulen oder von anderen Daten, implementiert ist. Ein Computerspeichermedium umfasst, ist aber nicht darauf beschränkt, einen Direktzugriffspeicher (RAM), einen Festwertspeicher (ROM), einen elektrisch löschbaren programmierbaren Festwertspeicher (EEPROM), einen Flash-Speicher oder irgendeine Speichertechnologie, eine CD-ROM, eine DVD oder eine andere optische Speicherung auf einer Scheibe, Magnetkassetten, Magnetbänder, einen Magnetplattenspeicher oder irgendeine andere magnetische Speichervorrichtung oder irgendein anderes Medium, was Papier, Lochkarten und Ähnliches einschließt, was eingesetzt werden kann, um die erwünschte Information zu speichern und auf was von der Kommunikationsvorrichtung 110 aus zugegriffen werden kann.
In ähnlicher Weise konkretisiert oder überträgt ein Kommunikationsmedium typischerweise vom Computer lesbare Anweisungen, Datenstrukturen, Programmmodule oder andere Daten in einem modulierten Datensignal, wie z. B. einer Trägerwellen oder einem anderen Transportmechanismus, und umfasst jegliche Art einer Informationsübertragung. Der Begriff "moduliertes Datensignal" beschreibt ein Signal, bei welchem eine oder mehrere seiner Eigenschaften in einer Weise eingestellt oder verändert werden, dass eine Information in dem Signal kodiert wird. Ein Kommunikationsmedium umfasst, ist aber nicht darauf beschränkt, drahtgestützte Medien, wie ein drahtgestütztes Netz oder eine direkt verbundene Verbindung, und drahtlose Medien, wie akustische Medien, Funkfrequenzen, Infrarotmedien und andere drahtlose Medien. Kombinationen von irgendwelchen vorab erwähnten Medien fallen auch unter den Begriff des Kommunikationsmediums im Sinne der vorliegenden Erfindung.
Im Allgemeinen umfassen Programmmodule, welche in der Vorrichtung 110 (1) ausgeführt werden, Softwareroutinen, Programme, Objekte, Komponenten, Datenstrukturen, usw., um bestimmte Aufgaben auszuführen und bestimmte abstrakte Datentypen zu implementieren. Diese Programmmodule und dergleichen können als Maschinencode ausgeführt werden, sie können in eine virtuelle Maschine geladen und dort ausgeführt werden oder sie können in einer anderen Umgebung mittels einer bedarfsorientierten Kompilierung oder Interpretierung ausgeführt werden. Typischerweise wird die Funktionalität der Programmmodule derart kombiniert oder verteilt, wie es für die entsprechende Implementierung vorteilhaft ist.
Obwohl die beispielhafte Umgebung 100 in 1 als ein Kommunikationsnetz dargestellt ist, wird dadurch ein nicht einschränkendes Beispiel einer geeigneten Umgebung zum Einsatz eines PWM-Full-MASH-Umsetzers 150 gemäß der vorliegenden Offenbarung dargestellt. In ähnlicher Weise handelt es sich bei der Vorrichtung 110 um ein nicht einschränkendes Beispiel einer geeigneten Vorrichtung, welche erfindungsgemäße PWM-Full-MASH-Umsetzer 150 umfassen kann.
MASH-Umsetzer bzw. Umsetzer mit einer mehrstufigen Rauschformung
Im Folgenden werden strukturelle und betriebliche Aspekte von Implementierungen von PWM-MASH-Umsetzern bzw. Umsetzern zur Pulsweitenmodulation mit mehrstufiger Rauschformung gemäß der vorliegenden Offenbarung beschrieben. Ein Beispiel eines PWM-Full-MASH-Umsetzers 150 gemäß einer erfindungsgemäßen Ausführungsform ist in 2 dargestellt. Bei dieser Ausführungsform handelt es sich bei dem PWM-Full-MASH-Umsetzer 150 um einen Analog-Digital-Umsetzer.
Wie in 2 dargestellt ist, empfängt eine erste Kombinationsvorrichtung (oder Kombinationskomponente) 154 ein analoges Eingangssignal 152 und kombiniert ein rückgekoppeltes Signal 156 mit diesem analogen Eingangssignal 152. Die erste Kombinationsvorrichtung 154 kann eine addierende (oder eine subtrahierende) Komponente sein, welche das rückgekoppelte Signal 156 und das analoge Eingangssignal 152 addiert (oder das rückgekoppelte Signal 156 von dem analogen Eingangssignal 152 subtrahiert). Die erste Kombinationsvorrichtung 154 kann diese Signale in irgendeiner Weise kombinieren. Ein Ergebnissignal 158 von der ersten Kombinationsvorrichtung 154 wird einem Filter 160 (oder einer Signal formenden Komponente) bereitgestellt, welche derart ausgestaltet ist, dass sie eine komplexe Übertragungsfunktion H(s) in der Laplace-Ebene aufweist. Die komplexe Übertragungsfunktion H(s) kann bei anderen alternativen Ausführungsformen durch eine andere komplexe Übertragungsfunktion, welche die Tätigkeit des Filters 160 beschreibt, ersetzt werden. Das Filter 160 kann ein Tiefpassfilter oder irgendein anderes geeignetes asynchrones, veränderliches Filter sein. Bei bestimmten Ausführungsformen kann das Filter 160 eine MASH-Komponente mit einer beliebigen Anzahl von Stufen (d. h. einer Ordnung von M = 1, 2, ... N) sein.
Ein von dem Filter 160 geformtes Signal 162 wird von einem ersten Verstärker 174 einer Messschleife 175 empfangen. Der erste Verstärker 174 weist einen sogenannten äquivalenten Verstärkungsfaktor eines nicht linearen Quantisierers (wird im Folgenden erläutert) gemäß der Theorie der "Harmonic Balance" auf. Das geformte Signal 162 wird von der Messschleife 175 eingesetzt, um den Fehler zu messen, welcher durch einen Digitalisierungsprozess erzeugt wird. Bei einer bestimmten Ausführungsformen veranlasst eine Ausbildung einer analogen Differenz der Messschleife 175 eine Einzelbit-Digital-Analog-Wandlung, welche im Folgenden im Detail beschrieben wird.
Wie darüber hinaus in 2 dargestellt ist, wird das von dem Filter 160 ausgegebene geformte Signal 162 auch einem Komparator 164 bereitgestellt. Der Komparator 164 (oder eine andere entsprechende Analysevorrichtung) stellt auf der Grundlage des geformten Signals 162 eine Komparatorausgabe 166 bereit. Dabei kann die Komparatorausgabe 166 wie folgt berechnet werden: die Komparatorausgabe 166 = A, wenn das geformte Signal 162 größer oder gleich Null ist, und die Komparatorausgabe 166 = b, wenn das geformte Signal 162 < 0 ist. Bei einer bestimmten Ausführungsform gilt A = 1 und b = –1, wenn das analoge Eingangssignal 152 in einem Bereich von –1 bis 1 (d. h. –1 ≤ Wert des analogen Eingangssignals 152 ≤ 1) liegt.
Die Komparatorausgabe 166 wird einer Abtastkomponente 168 zugeführt. Die Abtastkomponente 168 führt eine zeitliche Diskretisierung auf der Komparatorausgabe 166 (z. B. eine Abtastung der Komparatorausgabe 166) mit einer Abtastfrequenz (oder f_CLK) 170 durch, um eine digitalisierte Ausgabe 172 bereitzustellen. Die digitalisierte Ausgabe 172 wird als das rückgekoppelte Signal 156 (beispielsweise nach einer Digital-Analog-Wandlung) zu der ersten Kombinationsvorrichtung 154 zurückgeführt.
Wie darüber hinaus in 2 dargestellt ist, wird die digitalisierte Ausgabe 172 auch einem Digital-Analog-Umsetzer (DAC) 178 bereitgestellt, welcher die digitalisierte Ausgabe 172 in ein analoges Zwischensignal 180 umsetzt. Eine zweite Kombinationsvorrichtung (beispielsweise ein Addierer oder Subtrahierer) 182 der Messschleife 175 stellt ein analoges Ergebnis 184 bereit, indem das analoge Zwischensignal 180 und ein verstärktes Signal 176, welches von dem ersten Verstärker 174 ausgegeben wird, kombiniert werden. Dabei wird das analoge Zwischensignal 180 beispielsweise von dem verstärkten Signal 176 subtrahiert. Das analoge Ergebnis 184 repräsentiert eine Messung des Quantisierungsfehlers, welcher durch den Komparator 164 und die Abtastkomponente 168 eingeführt oder erzeugt wird.
Zur Optimierung des Dynamikbereiches kann das analoge Ergebnis 184 durch ein Tiefpassfilter 186 gefiltert werden und wenn nötig mittels eines zweiten Verstärkers 187 weiter abgeschwächt werden, um den Wertebereich der maximalen Ausgangssignalamplitude eines gefilterten analogen Fehlersignals 188 zu erhöhen. (Dabei wird unter einem Verstärker auch eine Vorrichtung verstanden, welche ein Eingangssignal mit einer Verstärkung < 1 'verstärkt', wie es im Folgenden noch im Detail beschrieben wird.) Das gefilterte analoge Fehlersignal 188 (oder das analoge Ergebnis 184) werden durch einen Analog-Digital-Umsetzer 190 zu einem digitalen Zwischensignal 192 gewandelt. Eine Komponente 194 (NTF-Komponente 194) mit einer Rauschübertragungsfunktion (NTF(„Noise Transfer Function")) empfängt das digitale Zwischensignal 192 und verarbeitet es unter Verwendung der NTF, welche der invertierten komplexen Übertragungsfunktion H(s) des Schleifenfilters 160 entspricht (, so dass für NTF z. B. NTF = (1 + H(z))^–1 gilt). Falls sich die komplexe Übertragungsfunktion H(s) der Signal formenden Komponente 160 ändert, ändert sich demnach auch die Rauschübertragungsfunktion NTF der NTF-Komponente 194 entsprechend, so dass weiterhin NTF = (1 + H(z))^–1 gilt.
Anschließend empfängt eine dritte Kombinationsvorrichtung 198 eine Fehlerkorrektur 196 von der NFT-Komponente 194 und die digitalisierte Ausgabe 172 von der Abtastkomponente 168 und kombiniert die Fehlerkorrektur 196 und die digitalisierte Ausgabe 172 (beispielsweise wird die Fehlerkorrektur 196 von der digitalisierten Ausgabe 172 abgezogen), um eine korrigierte Ausgabe 199 bereitzustellen. Da es sich bei der Fehlerkorrektur 196 um den Fehler handelt, welcher durch den Digitalisierungsprozess (durch den Komparator 164 und die Abtastkomponente 168) erzeugt wird, ist die korrigierte Ausgabe 199 (d. h. die Ausgabe des PWM-Full-MASH-Umsetzers 150) praktisch frei von einem Quantisierungsfehler. Da die Messschleife 175 den Fehler misst, welcher durch den gesamten Digitalisierungsprozess (d. h. den Komparator 164 und die Abtastkomponente 168) eingeführt bzw. erzeugt wird, berücksichtigt die Fehlerkorrektur 196 auch mögliche Nicht-Linearitäten aufgrund der Quantisierung durch den Komparator 164 bei dem erfindungsgemäßen PWM-Full-MASH-Umsetzer bzw. bei dem erfindungsgemäßen Verfahren.
Es sei darauf hingewiesen, dass der vorab beschriebene PWM-Full-MASH-Umsetzer 150 nur eine bestimmte erfindungsgemäße Ausführungsform darstellt, und dass es eine Vielzahl von alternativen erfindungsgemäßen Ausführungsformen von elektronischen Komponenten gemäß den Lehren der vorliegenden Offenbarung gibt. Zum Beispiel sind alternative erfindungsgemäße Ausführungsformen für andere Arten von Umsetzern denkbar, was auch Nicht-PWM-Umsetzer und Nicht-MASH-Umsetzer einschließt. Bei anderen Ausführungsformen sind andere elektronische Komponenten denkbar, welche eine Digitalisierung durchführen und Techniken zur Verringerung der Abtastfehler gemäß der Lehren der vorliegenden Offenbarung einsetzen, was abtastende Komponenten (z. B. Vorrichtungen zur Digitalisierung von Fotografien, Magnetbändern, Text, usw.), digitale Audiokomponenten oder andere geeignete Digitalisierungsvorrichtungen einschließt.
Die vorliegende Erfindung bietet wichtige Vorteile. Da zum Beispiel der Quantisierungsfehler mit der Messschleife 175 gemessen wird, kann er erfasst und in dem Ausgangssignal 199 entfernt werden. Da der Quantisierungsfehler kompensiert wird, können durch die erfindungsgemäßen Techniken geringere Abtastraten ohne einen Performanceverlust eingesetzt werden. Darüber hinaus ermöglichen die erfindungsgemäßen Verfahren einen Einsatz von Analog-Digital-Umsetzern mit einer sehr hohen Rauschunterdrückung („Cancellation"), was bisher aufgrund der sehr hohen Taktraten, welche nach dem Stand der Technik dazu nötig sind, als unmöglich angesehen wurde.
Beispielhaftes Verfahren
Ein beispielhaftes Verfahren zur erfindungsgemäßen Verringerung von Quantisierungsfehlern wird im Folgenden beschrieben. Zur Vereinfachung wird das Verfahren mit Bezug auf die beispielhafte Umgebung 100 und den beispielhaften erfindungsgemäßen PWM-Full-MASH-Umsetzer 150, welche vorab mit Bezug auf 1–2 beschrieben sind, erläutert.
In 3 ist ein Flussplan eines erfindungsgemäßen Verfahrens 300 zur Verringerung von Fehlern, welche durch eine Digitalisierung während eines Verfahrens zur Analog-Digital-Umsetzung erzeugt werden, dargestellt. Bei 302 wird ein analoges Signal empfangen und bei 304 wird ein rückgekoppeltes Signal empfangen. Ein kombiniertes Signal, welches sich aus einer Kombination (z. B. einer Differenz) des analogen Signals und des rückgekoppelten Signals ergibt, wird bei 306 bestimmt und eine Formung (z. B. eine Filterung) des kombinierten Signals wird bei 308 durchgeführt.
Eine geformte analoge Ausgabe, welche sich durch die Formung (bei 308) ergibt, wird bei 310 digitalisiert und das digitalisierte Ausgabesignal wird bei 312 bereitgestellt. Zum Beispiel kann die Digitalisierung bei 310 durch einen Komparator (oder eine andere entsprechende Analysevorrichtung) und eine Abtastkomponente durchgeführt werden. Der Komparator kann eine Komparatorausgabe bereitstellen, welche von der Abtastkomponente bei der Taktfrequenz (oder f_CLK) abgetastet wird.
Weiter mit Bezug auf 3 misst das Verfahren 300 bei 314 einen Fehler, welcher durch das Verfahren zur Digitalisierung des analogen Signals (bei 310–312) erzeugt wird, was mögliche Nicht-Linearitäten, welche durch einen Quantisierer erzeugt werden, einschließt. Die Messung des Fehlers kann auf irgendeine bekannte Weise durchgeführt werden. Zum Beispiel wird in 4 ein erfindungsgemäßes Verfahren 400 zur Messung eines Fehlers dargestellt. Bei dieser Ausführungsform wird bei 402 ein analoges Signal (vor einer Digitalisierung) bereitgestellt. Das analoge Signal kann das geformte Signal 162 sein, welches vorab mit Bezug auf 2 beschrieben ist. Das analoge Signal kann entsprechend verstärkt werden, um ein verstärktes analoges Signal bei 404 bereitzustellen.
Nachdem das analoge Signal digitalisiert (d. h. abgetastet und quantisiert) worden ist, wird das sich ergebende digitalisierte Signal bei 406 empfangen. Die Digitalisierung kann unter Einsatz eines Komparators 164 und einer Abtastkomponente 168 bewerkstelligt werden, wie es vorab mit Bezug auf die 2 beschrieben ist. Bei 408 wird eine Digital-Analog-Umsetzung bezüglich des digitalen Signals durchgeführt, um ein analoges Zwischensignal bereitzustellen, und das analoge Zwischensignal und das verstärkte analoge Signal werden kombiniert (z. B. voneinander abgezogen), um bei 410 ein Fehlersignal zu erhalten. Das Fehlersignal, welches bei 410 berechnet wird, umfasst vorteilhafterweise die Fehler, welche durch das gesamte Digitalisierungsverfahren eingeführt wurden (d. h. die Quantisierungs- und die Abtastfehler) und kann daher auch mögliche Nicht-Linearitäten aufgrund der Quantisierung bei einem PWM-Full-MASH-Umsetzer oder bei einem PWM-Full-MASH-Umsetzungsverfahren berücksichtigen.
Bei einigen Ausführungsformen kann eine zusätzliche Verarbeitung erwünscht sein, um den Dynamikbereich des gemessenen Fehlers zu verbessern oder zu optimieren. Zum Beispiel kann in einem optionalen Verfahrensabschnitt 411 das Fehlersignal mittels eines Tiefpassfilters bei 412 gefiltert werden und wenn notwendig mittels einer zweiten Verstärkung bzw. Verstärkerschaltung bei 414 abgeschwächt werden, um den Bereich der maximalen Ausgangssignalamplituden des gemessenen Fehlersignals zu erhöhen. Mit dieser zweiten Verstärkung bei 414 wird das gemessene Fehlersignal beispielsweise an einen zu verarbeitenden Eingangsspannungsbereich des Analog-Digital-Umsetzers 190 (siehe 2) angepasst, so dass die maximale Amplitude des gemessenen Fehlersignals unterhalb der maximalen von dem Analog-Digital-Umsetzer 190 zu verarbeitenden Signalamplitude liegt. Unter einer Verstärkung wird dabei auch verstanden, dass das Eingangssignal um einen Faktor < 1 verstärkt wird, was man auch als eine Signalabschwächung bezeichnen könnte.
Wieder mit Bezug auf 3 wird, nachdem der Fehler bei 314 gemessen worden ist, der gemessene Fehler unter Verwendung einer Rauschübertragungsfunktion bei 316 bearbeitet oder transformiert. Der transformierte Quantisierungsfehler wird dann von dem digitalen Ausgangssignal bei 318 abgezogen, wodurch der Fehler von dem Ausgangssignal entfernt wird.
Es sei darauf hingewiesen, dass es sich bei dem Verfahren 300, 400 um mögliche Ausführungen der vorliegenden Erfindung handelt und dass die vorliegende Erfindung nicht auf diese speziellen Ausführungsformen, welche vorab beschrieben und in 3 und 4 dargestellt sind, beschränkt ist. Zum Beispiel können alternative Ausführungsformen bestimmte Schritte in einer anderen Reihenfolge, als es bisher beschrieben ist, durchführen oder bestimmte Schritte modifizieren und/oder abhängig von Gegebenheiten vollständig weglassen.
In 5 ist ein Graph 500 mit Simulationsergebnissen dargestellt, wobei die Effektivität der erfindungsgemäßen Techniken zur Verringerung eines Digitalisierungsfehlers, was ein Quantisierungsrauschen einschließt, demonstriert wird. Die in 5 dargestellten Simulationsdaten wurden unter Verwendung der Simulationssoftware Simulink^® erzeugt, welche handelsüblich von The Mathworks, Inc. of Natick, Massachusetts verfügbar sind. Dabei ist das Signalrauschverhältnis (SNR) als eine Funktion einer Eingangsamplitude für einen PWM-Full-MASH-Umsetzer, welcher eine erfindungsgemäße Quantisierungsfehlerkorrektureigenschaft aufweist, wie es vorab beschrieben ist (510) und im Vergleich zu einem herkömmlichen PWM-Full-MASH-Umsetzer (520) beschrieben. Wie 5 zeigt, wird das SNR aufgrund der Entfernung des Quantisierungsfehlers gemäß der Lehren der vorliegenden Erfindung wesentlich verbessert.
Die vorliegende Erfindung verringert oder eliminiert ein Rauschen, welches aufgrund einer Digitalisierung in elektronischen Komponenten erzeugt wird, was auch eine Verringerung oder Eliminierung von Quantisierungsfehlern bei PWM-Full-MASH-Umsetzern einschließt. Die Eliminierung eines Quantisierungsrauschens ermöglicht vorteilhafterweise, dass elektronische Komponenten effektiv mit verringerten Abtastraten arbeiten können, wodurch sich eine entsprechende Verringerung im Leistungsverbrauch ergibt. Der Dynamikbereich solcher elektronischer Komponenten wird entscheidend verbessert, und auch die maximale Ausgangssignalamplitude wird erhöht oder verbessert. Darüber hinaus können Flächenanforderungen und Herstellungskosten für MASH-Filter im Vergleich zu herkömmlichen elektronischen Komponenten verringert werden. Die vorliegende Erfindung ermöglicht darüber hinaus das Analog-Digital-Umsetzer mit einer sehr hohen Auflösung arbeiten, welche bis heute als nicht realisierbar angesehen wurde.
Zusammenfassung
Bei der vorliegenden Erfindung wurden die Begriffe "gekoppelt" und "verbunden" verwendet, um zu beschreiben, wie verschiedene Elemente in Beziehung stehen. Dabei soll sowohl der Begriff "gekoppelt" als auch der Begriff "verbunden" derart verstanden werden, dass damit eine beschriebene Beziehung von verschiedenen Elementen sowohl als eine direkte als auch als eine indirekte (über weitere Elemente verlaufende) Beziehung angesehen wird.

Claims

Schaltung umfassend: eine formende Komponente (160), welche derart ausgestaltet ist, dass sie ein analoges Eingangssignal (158) empfängt und ein geformtes Signal (162) bereitstellt, einen Digitalisierungsabschnitt (164, 168), welcher derart angeordnet und ausgestaltet ist, dass er das geformte Signal (162) empfängt und eine digitalisierte Ausgabe (172) bereitstellt, und einen Fehlerbestimmungsabschnitt (174, 178, 182; 174, 178, 182, 190, 194; 174, 178, 182, 186, 187, 190, 194), welcher parallel zu dem Digitalisierungsabschnitt (164, 168) angeordnet ist und derart ausgestaltet ist, dass er einen Fehler (196) abhängig von einer Kombination des geformten Signals (162) und der digitalisierten Ausgabe (172) bestimmt und dass er den Fehler (196) mit der digitalisierten Ausgabe (172) derart kombiniert, dass er eine korrigierte digitale Ausgabe (199) bereitstellt.
Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Digitalisierungsabschnitt umfasst: eine Analysevorrichtung (164), welche derart angeordnet und ausgestaltet ist, dass sie das geformte Signal (162) empfängt und eine Analyseausgabe (166) bereitstellt, welche einen ersten Wert und einen zweiten Wert aufweist, wobei die Analyseausgabe (166) den ersten Wert aufweist, wenn das geformte Signal (162) innerhalb eines ersten Wertebereichs liegt, und wobei die Analyseausgabe (166) den zweiten Wert aufweist, wenn das geformte Signal (162) innerhalb eines zweiten Wertebereichs liegt, und eine Abtastkomponente (168), welche derart ausgestaltet ist, dass sie die Analyseausgabe (166) und ein Taktsignal (170) empfängt und die digitalisierte Ausgabe (172) abhängig von dem Taktsignal (170) bereitstellt.
Schaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Analysevorrichtung einen Komparator (164) umfasst.
Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Fehlerbestimmungsabschnitt umfasst: eine Verstärkerkomponente (174), welche derart ausgestaltet ist, dass sie das geformte Signal (162) mit einer Verstärkung beaufschlagt, um ein verstärktes Signal (176) bereitzustellen, einen Digital-Analog-Umsetzer (178), welcher derart ausgestaltet ist, dass er die digitale Ausgabe (172) in ein analoges Zwischensignal (180) umsetzt, und eine Kombinationsvorrichtung (182), welche derart ausgestaltet ist, dass sie den Fehler (196) abhängig von einer Kombination des verstärkten Signals (176) und des analogen Zwischensignals (180) bestimmt.
Schaltung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Fehlerbestimmungsabschnitt darüber hinaus umfasst: einen Analog-Digital-Umsetzer (190), welcher derart ausgestaltet ist, dass er die Kombination des verstärkten Signals (176) und des analogen Zwischensignals (180) in ein digitales Zwischensignal (192) umsetzt, und eine Komponente (194) mit einer Rauschübertragungsfunktion (NFT), welche derart ausgestaltet ist, dass sie die Rauschübertragungsfunktion (NFT) auf das digitale Zwischensignal (192) anwendet, um einen transformierten Fehler (196) bereitzustellen, wobei der transformierte Fehler (196) mit der digitalisierten Ausgabe (172) kombiniert wird, um die korrigierte digitale Ausgabe (199) bereitzustellen.
Schaltung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die formende Komponente (160) durch eine komplexe Übertragungsfunktion ((H(s)) gekennzeichnet ist, und dass die Rauschübertragungsfunktion (NFT) eine inverse Transformation der komplexen Übertragungsfunktion (H(s)) ist.
Schaltung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Fehlerbestimmungsabschnitt darüber hinaus umfasst: ein Tiefpassfilter (186), welches derart ausgestaltet ist, dass es die Kombination (184) des verstärkten Signals (176) und des analogen Zwischensignals (180) filtert, und eine weitere Verstärkungskomponente (187), welche derart ausgestaltet ist, dass sie einer Ausgabe von dem Tiefpassfilter (186) vor einer Umsetzung durch den Analog-Digital-Umsetzer (190) mit einer weiteren Verstärkung beaufschlagt.
Schaltung nach einem der Ansprüche 4–7, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltung (150) darüber hinaus eine weitere Kombinationsvorrichtung (154) umfasst, welche derart ausgestaltet ist, dass sie die digitalisierte Ausgabe (172) mit einem initialen Eingangssignal (152) kombiniert, um das analoge Eingangssignal (158) bereitzustellen.
Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die formende Komponente ein Filter (160) und/oder eine mehrstufige Rauschformungskomponente umfasst.
Elektronische Vorrichtung, umfassend: einen Prozessor (112), und eine Kommunikationskomponente (114), welche betriebsfähig mit dem Prozessor (112) gekoppelt ist und derart ausgestaltet ist, dass sie Kommunikationssignale empfängt und/oder aussendet, wobei die Kommunikationskomponente (114) eine Schaltung (150) nach einem der Ansprüche 1–9 umfasst.
Verfahren umfassend: Formen eines Eingangssignals (158), Digitalisieren des geformten Signals (162), um ein digitalisiertes Signal (172) bereitzustellen, Bestimmen eines Fehlers (196), welcher durch die Digitalisierung erzeugt wird, abhängig von einer Kombination des geformten Signals (162) und des digitalisierten Signals (172), und Kombinieren des Fehlers (196) und des digitalisierten Signals (172), um eine korrigierte digitale Ausgabe (199) bereitzustellen.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Digitalisieren des geformten Signals (162) umfasst: Analysieren des geformten Signals (162), Bereitstellen einer Analyseausgabe (166), welche einen ersten Wert und einen zweiten Wert aufweist, wobei die Analyseausgabe (166) den ersten Wert aufweist, wenn das geformte Signal (162) innerhalb eines ersten Wertebereichs liegt, und wobei die Analyseausgabe (166) den zweiten Wert aufweist, wenn das geformte Signal (162) innerhalb eines zweiten Wertebereichs liegt, und Abtasten der Analyseausgabe (166) bei einer Taktfrequenz (170), um das digitalisierte Signal (172) bereitzustellen.
Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestimmung des Fehlers (196) umfasst: Verstärken des geformten Signals (162), um ein verstärktes Signal (176) bereitzustellen, Umsetzen des digitalisierten Signals (172) in ein analoges Zwischensignal (180), und Bestimmen des Fehlers (196) abhängig von einer Kombination des verstärkten Signals (176) und des analogen Zwischensignals (180).
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Bestimmen des Fehlers (196) darüber hinaus umfasst: Umsetzen der Kombination des verstärkten Signals (176) und des analogen Zwischensignals (180) in ein digitales Zwischensignal (192), und Anwenden einer Rauschübertragungsfunktion (NFT) auf das digitale Zwischensignal (192), um einen transformierten Fehler (196) bereitzustellen, wobei der transformierte Fehler (196) mit dem digitalisierten Signal (172) kombiniert wird, um die korrigierte digitale Ausgabe (199) bereitzustellen.
Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Bestimmen des Fehlers (196) darüber hinaus umfasst: Tiefpassfiltern der Kombination des verstärkten gefilterten Signals (176) und des analogen Zwischensignals (180), und Verstärken einer Ausgabe von der Tiefpassfilterung bevor das digitale Zwischensignal (192) erzeugt wird.