DE102013108573A1

DE102013108573A1 - Verfahren und Vorrichtungen zur Analog/Digital-Wandlung

Info

Publication number: DE102013108573A1
Application number: DE201310108573
Authority: DE
Inventors: Dietmar Sträussnigg; Andreas Wiesbauer
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2013-08-08
Filing date: 2013-08-08
Publication date: 2015-02-12
Also published as: US20150042496A1; US9100032B2

Abstract

Es werden Analog/Digital-Wandleranordnungen und entsprechende Verfahren bereitgestellt, wobei ein Verringerungssignal von einem analogen Eingangssignal subtrahiert wird, wenn ein Signalpegel des Eingangssignals einen Schwellenwert überschreitet.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Anmeldung betrifft Verfahren und Vorrichtungen zur Analog/Digital-Wandlung, beispielsweise für analoge Eingangssignale mit einem hohen Dynamikumfang.
HINTERGRUND
Analog/Digital-Wandler werden allgemein benutzt, um ein Analogsignal in ein Digitalsignal zu wandeln. Vor der Wandlung kann das Analogsignal dabei verstärkt werden.
Bei manchen Anwendungen weisen dabei zu wandelnde Analogsignale einen hohen Dynamikumfang auf. Beispielsweise werden bei manchen Anwendungen Mikrofone eingesetzt, die auch sehr große Schalldruckpegel, beispielsweise bis zu einem Schalldruckpegel von 140 dBSPL oder mehr, verarbeiten können. Bei herkömmlichen Vorrichtungen zur Analog/Digital-Wandlung wird dabei ein Dynamikbereich eines verwendeten Analog/Digital-Wandlers auf den maximalen Wertebereich, welchen eine Signalquelle wie ein Mikrofon, ggf. mit nachgeschaltetem Verstärker, liefern kann, ausgelegt. Hierdurch kann bei manchen Anwendungen für alle Signalpegel des analogen Eingangssignals ein optimales Signalrauschverhältnis (SNR, vom englischen „signal to noise ratio“ oder SNDR vom Englischen „signal to noise and distortion ratio“) erreicht werden. Wenn das analoge Eingangssignal jedoch einen großen Dynamikumfang aufweist, wie dies beispielsweise bei manchen Mikrofonanwendungen der Fall ist, muss bei dieser Herangehensweise ein verwendeter Analog/Digital-Wandler entsprechend für den gesamten großen Dynamikbereich ausgelegt werden, was im Allgemeinen einen erheblichen Overhead hinsichtlich Fläche und/oder Verlustleistung ergibt und für manche Anwendungen technisch schwer mit vertretbarem Aufwand realisierbar ist.
Es ist daher eine Aufgabe, Analog/Digital-Wandleranordnungen und entsprechende Verfahren bereitzustellen, welche Eingangssignale mit großem Dynamikumfang verarbeiten können und nach Möglichkeit einen geringeren Flächenbedarf und/oder eine geringere Stromaufnahme aufweisen als herkömmliche Lösungen.
KURZZUSAMMENFASSUNG
Es wird eine Analog/Digital-Wandleranordnung nach Anspruch 1 sowie ein Verfahren nach Anspruch 16 bereitgestellt. Die Unteransprüche definieren weitere Ausführungsbeispiele.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist ein Blockdiagramm einer Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel.
2 ist ein Blockdiagramm einer Vorrichtung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel.
3 ist ein Blockdiagramm einer Vorrichtung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel.
4 ist ein Blockdiagramm einer Vorrichtung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel.
5 ist ein Flussdiagramm zur Veranschaulichung eines Verfahrens gemäß einem Ausführungsbeispiel.
6 ist ein Blockdiagramm einer Vorrichtung, welches einer Simulation eines Ausführungsbeispiels zugrunde liegt.
7 ist ein Graph, welcher ein Simulationsergebnis des Ausführungsbeispiels der 6 zeigt.
8 ist ein Graph, welcher ein weiteres Simulationsergebnis des Ausführungsbeispiels der 6 zeigt.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSBEISPIELEN
Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung detailliert erläutert. Es ist zu bemerken, dass diese Ausführungsbeispiele lediglich der Veranschaulichung dienen und nicht als einschränkend auszulegen sind. Insbesondere sind auch andere Implementierungen als die dargestellten Ausführungsbeispiele möglich.
Merkmale verschiedener Ausführungsbeispiele können miteinander kombiniert werden, sofern nichts anderes angegeben ist. Zudem ist eine Beschreibung oder Darstellung eines Ausführungsbeispiels mit einer Vielzahl von Elementen nicht dahingehend auszulegen, dass alle diese Elemente zur Implementierung notwendig sind. Vielmehr können bei anderen Ausführungsbeispielen manche der dargestellten Elemente weggelassen sein oder durch alternative Merkmale ersetzt sein. Auch können bei anderen Ausführungsbeispielen zusätzliche Merkmale bereitgestellt sein.
Jegliche beschriebene Kopplung zwischen Elementen der Ausführungsbeispiele kann durch eine direkte Kopplung, d.h. eine Kopplung ohne dazwischen liegende Elemente, oder durch eine indirekte Kopplung, d.h. eine Kopplung mit einem oder mehreren dazwischen liegenden Elementen, implementiert werden, sofern nichts anderes angegeben ist und sofern der Zweck der Kopplung, beispielsweise ein Signal oder eine Information zwischen zwei Elemente zu übertragen, beibehalten wird. Übertragungen derartiger Signale oder Informationen können drahtgebunden oder drahtlos erfolgen.
Bei manchen der dargestellten Ausführungsbeispiele wird ein analoges Eingangssignal von einem Verstärker verstärkt und nachfolgend von einem Analog/Digital-Wandler in ein digitales Signal gewandelt. Wenn ein Signalpegel des analogen Eingangssignals einen Schwellenwert, insbesondere einen vorgegebenen Schwellenwert, überschreitet, wird ein Verringerungssignal von dem analogen Eingangssignal subtrahiert, bevor das analoge Eingangssignal dem Verstärker zugeführt wird. Das Verringerungssignal kann dabei beispielsweise in Abhängigkeit von dem analogen Eingangssignal, von einem Ausgangssignal des Verstärkers oder von einem Ausgangssignal des Analog/Digital-Wandlers erzeugt werden, ist jedoch nicht darauf begrenzt.
Gemäß einem Aspekt wird eine Analog/Digital-Wandleranordnung bereitgestellt, umfassend:
einen Analogsignaleingang zum Empfangen eines analogen Eingangssignals,
einen Verstärker, wobei ein Eingang des Verstärkers mit dem Analogsignaleingang gekoppelt ist,
einen Analog/Digital-Wandler, wobei ein Eingang des Analog/Digital-Wandlers mit einem Ausgang des Verstärkers gekoppelt ist, und
eine Signalkorrektureinrichtung, welche eingerichtet ist, ein Verringerungssignal von dem analogen Eingangssignal zu subtrahieren, bevor das analoge Eingangssignal dem Verstärker zugeführt wird, wenn ein Signalpegel des analogen Eingangssignals oberhalb eines Schwellenwertes liegt.
Bei einer derartigen Analog/Digital-Wandleranordnung kann die Signalkorrektureinrichtung eingerichtet sein, zumindest einen Teil der Signalkorrektureinrichtung von einem Signalpfad zwischen dem Analogsignaleingang und dem Verstärker elektrisch zu trennen, wenn der Signalpegel des analogen Eingangssignals unterhalb des Schwellenwertes liegt, beispielsweise durch ausschalten eines zur Erzeugung des Verringerungssignals verwendeten Digital/Analog-Wandlers und/oder indem eine Verbindung zum Zuführen des Verringerungssignals hochohmig geschaltet wird.
Durch die Verringerung des Eingangssignals um das Verringerungssignal bei höheren Signalpegeln kann der Analog/Digital-Wandler bei manchen Ausführungsbeispielen für einen geringeren Wertebereich ausgelegt werden. Zur Kompensation der Verringerung des analogen Eingangssignals kann dann ein Kompensationssignal, welches beispielsweise im Wesentlichen dem verstärkten Verringerungssignal entsprechen kann, beispielsweise zu einem Ausgangssignal des Analog/Digital-Wandlers hinzuaddiert werden.
Bei manchen Ausführungsbeispielen kann dabei ein Signalrauschverhältnis eines schlussendlich ausgegebenen Signals schlechter sein als in einem Fall, in welchem ein Analog/Digital-Wandler verwendet wird, welcher für den gesamten Wertebereich des analogen Eingangssignals ausgelegt ist. Dies ist jedoch bei manchen Anwendungen unschädlich, beispielsweise bei Akustikanwendungen, bei welchen von einem Mikrofon gelieferte Signale verarbeitet werden. Hier führt beispielsweise ab einem gewissen Schallpegel ein geringfügig verschlechtertes Signalrauschverhältnis praktisch zu keinen hörbaren Verschlechterungen eines schlussendlich ausgegebenen Signals.
Bei manchen Ausführungsbeispielen werden bei Signalpegeln unterhalb des Schwellenwertes eine oder mehrere Komponenten, welche zur Bildung und/oder Subtraktion des Verringerungssignals verwendet werden, elektrisch abgekoppelt. Dies führt bei manchen Ausführungsbeispielen dazu, dass derartige Komponenten bei niedrigen Signalpegeln, insbesondere Signalpegeln unterhalb des Schwellenwertes, nicht zu einer Verschlechterung eines Signalrauschverhältnisses eines ausgegebenen Digitalsignals beitragen. Ein derartiges elektrisches Abkoppeln kann beispielsweise ein Ausschalten eines Digital/Analog-Wandlers umfassen.
In 1 ist ein Blockdiagramm einer Analog/Digital-Wandleranordnung gemäß einem Ausführungsbeispiel dargestellt. Bei dem Ausführungsbeispiel der 1 wird ein analoges Eingangssignal für die Analog/Digital-Wandleranordnung von einer Signalquelle 10, beispielsweise einem Mikrofon, erzeugt, welches als mikroelektromechanisches System (MEMS) implementiert sein kann. Es können jedoch auch andere Signalquellen verwendet werden.
Das Eingangssignal wird einem positiven Eingang eines Subtrahierers 13 zugeführt. Wie später näher erläutert werden wird, wird bei hohen Signalpegeln des analogen Eingangssignals einem negativen Eingang des Subtrahierers 13 ein Verringerungssignal zugeführt, sodass in diesem Fall an einem Ausgang des Subtrahierers 13 eine Differenz zwischen dem analogen Eingangssignal und dem Verringerungssignal ausgegeben wird. Bei niedrigeren Signalpegeln des analogen Eingangssignals, insbesondere Signalpegeln unterhalb des Schwellenwertes, wird kein Verringerungssignal zugeführt, sodass an dem Ausgang des Subtrahierers 13 im Wesentlichen das analoge Eingangssignal ausgegeben wird.
Der Ausgang des Subtrahierers 13 ist mit einem Eingang eines Verstärkers 11 gekoppelt. Der Verstärker 11 dient zum Verstärken des analogen Eingangssignals (ggf. verringert um das Verringerungssignal) und kann das ihm zugeführte Signal verstärken, beispielsweise um einen Faktor zwischen 2 und 10, beispielsweise ungefähr um einen Faktor 5, wobei auch andere Verstärkungsfaktoren je nach Anwendung und Bedarf verwendet werden können. Der Verstärker 11 kann dabei insbesondere als Verstärker mit niedrigem Rauschen (LNA, vom englischen „low noise amplifier“) implementiert sein. Ein derartiger rauscharmer Verstärker kann auf irgendeine herkömmliche Weise realisiert sein.
Ein Ausgang des Verstärkers 11 ist mit einem Eingang eines Analog/Digital-Wandlers (ADC) 12 gekoppelt, welcher das von dem Verstärker 11 verstärkte Signal mit einer Abtastrate Fs in ein Digitalsignal wandelt, welches bei dem Ausführungsbeispiel der 1 einem Ausgangssignal do der Anordnung entspricht. Der Analog/Digital-Wandler 12 kann beispielsweise als Sigma-Delta-Wandler beliebiger Ordnung oder als Analog/Digital-Wandler nach dem Verfahren der sukzessiven Approximation (SAR, vom englischen „successive approximation register“) implementiert sein. Es können jedoch auch andere Arten von Analog/Digital-Wandlern verwendet werden.
Bei dem Ausführungsbeispiel der 1 ist weiterhin ein Signalgenerator 15 bereitgestellt, welcher wie durch einen Pfeil 17 angedeutet das digitale Ausgangssignal do empfängt, um das oben erwähnte Verringerungssignal in digitaler Form zu erzeugen. Möglichkeiten zur Erzeugung des Verringerungssignals und somit zur Implementierung des Signalgenerators 15 werden später näher erläutert.
Das Verringerungssignal in digitaler Form wird dann mittels eines Digital/Analog-Wandlers (DAC) 16 in eine analoge Form gewandelt und wie bereits erläutert dem negativen Eingang des Subtrahierers 13 zugeführt. Der Digital/Analog-Wandler 16 arbeitet dabei bei dem Ausführungsbeispiel der 1 ebenfalls mit der Abtastrate Fs. Der Signalgenerator 15 erzeugt das Verringerungssignal als von Null verschiedenes Signal bei dem Ausführungsbeispiel der 1 nur dann, wenn das Ausgangssignal do anzeigt, dass das analoge Eingangssignal einen Schwellenwert überschreitet. Beispielsweise kann das Verringerungssignal erzeugt werden, wenn das digitale Ausgangssignal do kurz vor der Sättigung steht oder die Sättigung, d.h. einen maximalen Wert, erreicht. Zusätzlich oder alternativ zu dem digitalen Ausgangssignal do kann das Verringerungssignal auch wie durch einen Pfeil 18 angedeutet auf Basis des von dem Verstärker 11 ausgegebenen Signals oder wie durch einen Pfeil 19 angedeutet auf Basis des analogen Eingangssignals bestimmt werden.
Der Digital/Analog-Wandler 16 kann dabei hinsichtlich Stromaufnahme und/oder Flächenverbrauch optimiert ausgelegt werden, beispielsweise ein so genanntes „low power design“ aufweisen.
Zudem wird bei dem Ausführungsbeispiel der 1 der Digital/Analog-Wandler 16 ausgeschaltet, wenn kein Verringerungssignal erzeugt wird, d.h. wenn der Signalpegel des analogen Eingangssignals unterhalb des Schwellenwertes liegt. Ausschalten des Digital/Analog-Wandlers 16 bedeutet im Kontext dieser Anmeldung insbesondere, dass der Digital/Analog-Wandler 16 elektrisch von dem negativen Eingang des Subtrahierers 13 getrennt wird. Hierdurch stellt der Digital/Analog-Wandler 16 und ggf. auch der Signalgenerator 15 im ausgeschalteten Zustand keine störende Last an dem Subtrahierer 13 dar. Dies kann bei manchen Ausführungsbeispielen verhindern, dass in diesem Fall der Digital/Analog-Wandler 16 durch die durch ihn dargestellte Last ein Signalrauschverhältnis des digitalen Ausgangssignals do in einem Bereich, in dem der Signalpegel des analogen Eingangssignals unterhalb des Schwellenwertes liegt, verschlechtert. Dieses Ausschalten bzw. elektrische Trennen kann beispielsweise mittels eines Schalters an dem Ausgang des Digital/Analog-Wandlers 16, welcher mit dem negativen Eingang des Subtrahierers 13 verbunden ist, erfolgen. Bei manchen Ausführungsbeispielen umfasst das elektrische Trennen, dass eine Kopplung mit dem negativen Eingang des Subtrahierers 13 hochohmig geschaltet wird, z.B. durch das erwähnte Ausschalten des Digital/Analog-Wandlers 13. „Hochohmig“ kann in diesem Zusammenhang z.B. einen elektrischen Widerstand von einigen kΩ, einigen 100 kΩ oder sogar im MΩ-Bereich bedeuten. Eine elektrische Trennung impliziert also nicht notwendigerweise eine „ideale“ Trennung mit einem Widerstand von unendlich, sondern es kann eine hochohmige Verbindung benutzt werde, z.B. um ein definiertes Potential, z.B. entsprechend dem Wert Null, an dem negativen Eingang des Subtrahierers 13 bereitszustellen. Wenn der Signalpegel des analogen Eingangssignals den Schwellenwert dann übersteigt, wird der Digital/Analog-Wandler 16 eingeschaltet, insbesondere wieder elektrisch mit dem negativen Eingang des Subtrahierers 13 gekoppelt. Das Einschalten oder Ausschalten kann beispielsweise durch den Signalgenerator 15 gesteuert werden. Das Einschalten und Ausschalten kann neben dem elektrischen Trennen oder Koppeln mit dem negativen Eingang des Subtrahierers 13 zudem ein Trennen und Verbinden mit einer Spannungsquelle, oder ein Verringern einer Spannung im ausgeschalteten Zustand umfassen, um so die Stromaufnahme im ausgeschalteten Zustand zu verringern.
In dem Fall, in welchem das Verringerungssignal von dem analogen Eingangssignal abgezogen wird, kann zudem ein digitales Kompensationssignal bei dem Analog/Digital-Wandler 12 zu dem digitalen Ausgangssignal do addiert werden, um einen im Wesentlichen korrekten Verlauf des Ausgangssignals do in Abhängigkeit von dem analogen Eingangssignal, beispielsweise ohne oder nur mit geringem Sprung beim Überschreiten des Schwellenwertes durch den Signalpegel des Eingangssignals, sicherzustellen. Das Hinzuaddieren eines derartigen Kompensationssignals ist in 1 nicht explizit dargestellt, wird aber später unter Bezugnahme auf die 2–4 sowie 6 anhand von Beispielen erläutert.
In 2 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel dargestellt. Elemente des Ausführungsbeispiels der 2, welche Elementen des Ausführungsbeispiels der 1 entsprechen, tragen die gleichen Bezugszeichen und werden nicht nochmals erläutert. Insbesondere umfasst auch das Ausführungsbeispiel der 2 eine Signalquelle 10, einen Subtrahierer 13, einen Verstärker 11, einen Analog/Digital-Wandler 12 sowie einen Digital/Analog-Wandler 16. Sämtliche Varianten und Abwandlungen dieser Elemente, welche unter Bezugnahme auf 1 diskutiert wurden, sind auch auf das Ausführungsbeispiel der 2 anwendbar.
Als Signalgenerator dient bei dem Ausführungsbeispiel der 2 ein Analog/Digital-Wandler 20, welchem wie durch einen Pfeil 19 dargestellt das analoge Eingangssignal, welches von der Signalquelle 10 ausgegeben wird, zugeführt wird. Der Analog/Digital-Wandler 20 führt dabei eine grobe Quantisierung des Signals mit vergleichsweise wenigen Stufen durch, beispielsweise vier Stufen oder acht Stufen. Dabei kann der Analog/Digital-Wandler 20 beispielsweise derart ausgelegt sein, dass er bei Signalpegeln des analogen Eingangssignals, welche unterhalb des Schwellenwertes liegen, den Wert 0 ausgibt, und nur bei darüberliegenden Werten einen von 0 verschiedenen Wert ausgibt. Über diesen von dem Analog/Digital-Wandler 20 ausgegebenen Wert kann dann auch das Einschalten und Ausschalten des Digital/Analog-Wandlers 16 im Wesentlichen wie unter Bezugnahme auf 1 erläutert gesteuert werden, d.h. wenn der Analog/Digital-Wandler 20 den Wert 0 ausgibt, wird der Digital/Analog-Wandler 16 ausgeschaltet, und bei einem von 0 verschiedenen Wert eingeschaltet. Der Digital/Analog-Wandler 16 wandelt dann das von dem Analog/Digital-Wandler 20 ausgegebene Digitalsignal wieder in ein Analogsignal um, um das Verringerungssignal zu erzeugen, welches dem negativen Eingang des Subtrahierers 13 zugeführt wird. Somit wird bei dem Ausführungsbeispiel der 2 bei Signalpegeln oberhalb des Schwellenwertes nur der „Rest“, d.h. das analoge Eingangssignal minus einem Signal, welches sich aus der groben Quantisierung des analogen Eingangssignals durch den Analog/Digital-Wandler 20 ergibt, durch den Verstärker 11 verstärkt und durch den Analog/Digital-Wandler 12 gewandelt. Der Analog/Digital-Wandler 12 muss daher nur für einen vergleichsweise geringen Wertebereich ausgelegt werden. Auf der anderen Seite kann der Analog/Digital-Wandler 20, da er nur grob quantisieren muss, relativ einfach aufgebaut sein.
Zudem wird das digitale Ausgangssignal des Analog/Digital-Wandlers 20 einem digitalen Filter 21 zugeführt. Ein Ausgangssignal des digitalen Filters 21 wird einem Eingang eines Addierers 22 zugeführt. Das Ausgangssignal des Analog/Digital-Wandlers 12 wird einem weiteren Eingang des Addierers 22 zugeführt. Der Addierer 22 gibt dann schließlich das digitale Ausgangssignal do aus. Durch das digitale Filter 21 wird insbesondere ein Kompensationssignal erzeugt, um das Erniedrigen des Signalpegels durch das Verringerungssignal an dem Subtrahierer 13 zu kompensieren und ein dem analogen Eingangssignal im Wesentlichen entsprechendes digitales Ausgangssignal do zu erzeugen. Insbesondere kann dabei das digitale Filter 21 eine Signalübertragungsfunktion des Analog/Digital-Wandlers 12, beispielsweise eines Schleifenfilters im Falle eines Sigma-Delta-Wandlers, nachbilden, sodass das Kompensationssignal zu dem Ausgangssignal des Analog/Digital-Wandlers 12 „passt“. Auch eine Signalübertragungsfunktion des Verstärkers 11 kann mittels des digitalen Filters 21 berücksichtigt werden.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Analog/Digital-Wandleranordnung ist in 3 dargestellt. Wiederum sind Elemente, welche bereits unter Bezugnahme auf 1 oder auf 2 diskutiert wurden, mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet und werden nicht nochmals detailliert erläutert.
Im Falle des Ausführungsbeispiels der 3 dient ein digitales Trackingfilter 30 als Signalgenerator. Dem digitalen Trackingfilter 30 wird wie durch einen Pfeil 17 dargestellt das Ausgangssignal des Analog/Digital-Wandlers 12 zugeführt. Ein Ausgang des digitalen Trackingfilters 30 wird einerseits dem Digital/Analog-Wandler 16 zugeführt und andererseits einem Eingang des Addierers 22 zugeführt. Somit wird über das Ausgangssignal des digitalen Trackingfilters 30 zum einen als Verringerungssignal über den Digital/Analog-Wandler 16 und den Subtrahierer 13 von dem analogen Eingangssignal subtrahiert und andererseits als Kompensationssignal durch den Addierer 22 zu dem Ausgangssignal des Analog/Digital-Wandlers 12 addiert. Mittels des digitalen Trackingfilters wird insbesondere, wenn das Ausgangssignal des Analog/Digital-Wandlers 12 anzeigt, dass ein Signalpegel des analogen Eingangssignals den bereits angesprochenen Schwellenwert überschreitet, ein entsprechendes Verringerungssignal sowie Kompensationssignal erzeugt. Bei niedrigem Signalpegel des Eingangssignals wird demgegenüber beispielsweise bei Ausführungsbeispielen eine 0 ausgegeben. Dies führt bei dem Ausführungsbeispiel der 3 dann wiederum zu einem Ausschalten des Digital/Analog-Wandlers 16, d.h. einer elektrischen Trennung des Digital/Analog-Wandlers 16 von dem Subtrahierer 13, wie oben erläutert.
Ein Blockdiagramm eines weiteren Ausführungsbeispiels einer Analog/Digital-Wandleranordnung ist in 4 dargestellt. Wiederum sind Elemente, welche Elementen entsprechen, die bereits unter Bezugnahme auf die 1–3 diskutiert wurden, mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet und werden nicht nochmals detailliert erläutert.
Bei dem Ausführungsbeispiel der 4 wird ein Sigma-Delta-Wandler, beispielsweise ein Sigma-Delta-Wandler erster Ordnung, als Analog/Digital-Wandler verwendet, welcher das Ausgangssignal des Verstärkers 11 empfängt. Der Sigma-Delta-Wandler umfasst bei dem Ausführungsbeispiel der 4 ein Schleifenfilter 42, einen Quantisierer 43, einen Digital/Analog-Wandler 46 sowie einen Subtrahierer 45. Das Schleifenfilter kann beispielsweise als Integrator wirken. Ein Aufbau eines Sigma-Delta-Digital/Analog-Wandlers mit Schleifenfilter, Quantisierung und einer Rückkopplung eines ausgegebenen Signals über einen Digital/Analog-Wandler wie den Digital/Analog-Wandler 46, um es von einem Eingangssignal des Wandlers in einen Subtrahierer wie den Subtrahierer 45 zu subtrahieren, entspricht grundsätzlich einem herkömmlichen Aufbau eines Sigma-Delta-Digital/Analog-Wandlers erster Ordnung. Bei anderen Ausführungsbeispielen können auch andere Arten von Sigma-Delta-Wandlern, z.B. höherer Ordnung, verwendet werden.
Bei dem Ausführungsbeispiel der 4 wird ein von der Signalquelle 10 erzeugtes analoges Eingangssignal zum einen einem positiven Eingang des Subtrahierers 13 und zum anderen dem Analog/Digital-Wandler 20 zugeführt, welcher wie bereits unter Bezugnahme auf 2 erläutert lediglich eine grobe Quantisierung durchführt und insbesondere derart eingerichtet sein kann, dass er bei Signalpegeln des analogen Eingangssignals, welche unterhalb einem Schwellenwert liegen, eine 0 ausgibt. Im letzteren Fall arbeitet die Analog/Digital-Wandleranordnung wie eine herkömmliche Analog/Digital-Wandleranordnung mit Verstärker und nachgeschaltetem Digital/Analog-Wandler.
Bei höheren Signalpegeln gibt der Analog/Digital-Wandler 20 demgegenüber ein von 0 verschiedenes Digitalsignal aus. Das von dem Analog/Digital-Wandler 20 ausgegebene Signal wird einem Eingang des Addierers 22 zugeführt, welcher in diesem Fall dem Quantisierer 43 nachgeschaltet ist und „innerhalb“ des Sigma-Delta-Digital/Analog-Wandlers angeordnet ist. Einem zweiten Eingang des Addierers 22 wird das Ausgangssignal des Quantisierers 43 zugeführt. Ein Ausgangssignal des Addierers 22 dient zum einen als digitales Ausgangssignal do der Anordnung der 4.
Zum anderen wird das Ausgangssignal des Addierers 22 einer Bitsplitter-Vorrichtung 44 zugeführt, welche das von dem Addierer 22 ausgegebene Signal in niederwertigere Bits (LSB, vom englischen „least significant bits“) und höherwertige Bits (MSB, vom englischen „most significant bits“) aufgeteilt. Die Aufteilung kann dabei insbesondere derart erfolgen, dass die höherwertigen Bits solchen Bits entsprechen, welche den Wert 1 annehmen können, wenn das analoge Eingangssignal über dem Schwellenwert liegt. In anderen Worten weisen in diesem Fall die höherwertigen Bits und somit ein durch die höherwertigen Bits gebildetes Signal den Wert 0 auf, wenn das Signal unter dem Schwellenwert liegt. Auch eine andere Aufteilung ist möglich.
Die niederwertigen Bits werden in der Rückkopplungsschleife des Sigma-Delta-Wandlers dem Digital/Analog-Wandler 46 zugeführt. Die höherwertigen Bits werden über einen Skalierer 41, welcher bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel eine Skalierung um 1/k durchführen, wobei k der Verstärkungsfaktor des Verstärkers 11 ist, einem Digital/Analog-Wandler 40 zugeführt. Der Digital/Analog-Wandler 40 entspricht hinsichtlich seiner Funktion dem Digital/Analog-Wandler 16 der 1–3. Ein Ausgang des Digital/Analog-Wandlers 40 ist mit einem negativen Eingang des Subtrahierers 13 verbunden und stellt somit ein Verringerungssignal bereit.
Die Kompensation erfolgt bei dem Ausführungsbeispiel der 4 durch das Zuführen des Ausgangssignals des Analog/Digital-Wandlers 20 zu dem Addierer 22. Wie für den Digital/Analog-Wandler 16 der vorstehenden Ausführungsbeispiele erläutert kann der Digital/Analog-Wandler 40 ausgeschaltet werden, wenn die höherwertigeren Bits, welche ihm zugeführt werden, den Wert 0 aufweisen. Dies kann insbesondere eine elektrische Trennung von dem Subtrahierer 13 bedeuten, sodass der Digital/Analog-Wandler 40 auch im ausgeschalteten Zustand keine Last für die Signalkette über den Verstärker 11 und den Sigma-Delta-Digital/Analog-Wandler darstellt und somit bei niedrigen Signalpegeln das Rauschverhalten nicht verschlechtert.
Da bei dem Ausführungsbeispiel der 4 das Ausgangssignal des Analog/Digital-Wandlers 20 mittels des Addierers 22 innerhalb der Schleife des Sigma-Delta-Digital/Analog-Wandlers eingespeist wird, ist in diesem Fall kein digitales Filter wie das digitale Filter 21 aus 2 nötig, um beispielsweise das Schleifenfilter 42 nachzubilden. Bei manchen Ausführungsbeispielen kann dies Probleme wie Nichtidealitäten unterdrücken oder reduzieren, welche durch Fehlanpassungen oder unzureichende Übereinstimmungen verschiedener Komponenten entstehen können, beispielsweise durch Abweichungen zwischen dem Verhalten eines Schleifenfilters und eines digitalen Filters, welches das Schleifenfilter nachbildet.
In 5 ist ein Flussdiagramm zur Veranschaulichung eines Verfahrens gemäß einem Ausführungsbeispiel dargestellt. Das Verfahren der 5 kann beispielsweise mittels einer der Analog/Digital-Wandleranordnungen der 1–4 implementiert werden, kann jedoch auch unabhängig hiervon verwendet werden.
Während das Verfahren in 5 als Abfolge verschiedener Vorgänge dargestellt ist, müssen die Vorgänge nicht notwendigerweise in der dargestellten Reihenfolge ausgeführt werden. Insbesondere können manche der dargestellten Vorgänge auch gleichzeitig durchgeführt werden, und die Vorgänge können wiederholt, beispielsweise im Takt einer Abtastrate, durchgeführt werden.
Bei 50 wird ein Analogsignal als Eingangssignal empfangen, beispielsweise von einer Signalquelle wie einem Mikrofon. Wenn der Signalpegel des Analogsignals über einem Schwellenwert liegt (JA bei 51), wird bei 52 ein Verringerungssignal von dem Analogsignal subtrahiert. In diesem Fall wird bei 53 das durch das Verringerungssignal korrigierte, insbesondere verringerte, Analogsignal verstärkt, ansonsten wird das Analogsignal, im Wesentlichen wie es bei 50 empfangen wurde, verstärkt. Zu bemerken ist, dass die Überprüfung, ob der Signalpegel oberhalb des Schwellenwertes liegt, nicht notwendigerweise durch einen expliziten Vergleich des Signalpegels mit dem Schwellenwert ausgeführt werden muss. Es kann auch eine zur Implementierung des Verfahrens verwendete Schaltung so ausgestaltet sein, dass nur bei Überschreiten des Schwellenwertes ein Verringerungssignal von dem Analogsignal subtrahiert wird, beispielsweise durch Verwendung eines Analog/Digital-Wandlers mit entsprechend grober Quantisierung wie unter Bezugnahme auf 2 und 4 erläutert oder durch Benutzung eines digitalen Trackingfilters wie unter Bezugnahme auf 3 erläutert.
Bei 54 wird dann das bei 53 verstärkte Analogsignal in ein Digitalsignal gewandelt, beispielsweise mittels eines Sigma-Delta-Digital/Analog-Wandlers oder eines anderen geeigneten Wandlers.
Wenn der Signalpegel bei 51 nicht oberhalb des Schwellenwertes lag, stellt das so gewandelte Signal das Ausgangssignal dar, und das Verfahren wird bei 56 beendet. Anderenfalls wird bei 55 ein Kompensationssignal zu dem Digitalsignal addiert, um das Verringern des Eingangswertes vor der Wandlung bei 52 zu kompensieren. Beispielsweise kann dies mittels eines Addierers wie des Addierers 22 der 2–4 geschehen. Wie unter Bezugnahme auf 5 erläutert kann das Korrektursignal dabei auch innerhalb eines für die Wandlung bei 54 verwendeten Analog/Digital-Wandlers addiert werden, beispielsweise in einer Schleife eines Sigma-Delta-Wandlers.
Zur Veranschaulichung der Funktionsweise von Ausführungsbeispielen werden nachfolgend Simulationsergebnisse eines Ausführungsbeispiels dargestellt. 6 zeigt schematisch eine für die Simulation verwendete Anordnung, welche eine Simulationsimplementierung des Ausführungsbeispiels der 3 darstellt.
Als Signalquelle zu Simulationszwecken dient eine Sinuswelle 60, welche einem Halteglied nullter Ordnung 61 zugeführt wird. Das so erzeugte Signal wird einem Subtrahierer 62 zugeführt, welcher im Wesentlichen dem Subtrahierer 13 der 3 entspricht, d.h. der Subtraktion eines Verringerungssignals dient, falls der Signalpegel des durch die Elemente 60, 61 erzeugten Eingangssignals einen Schwellenwert überschreitet. Ein Ausgangssignal des Subtrahierers 62 wird einem Verstärker 63 mit Verstärkungsfaktor g zugeführt, welcher im Wesentlichen dem Verstärker 11 der 3 entspricht.
Ein Ausgangssignal des Verstärkers 63 wird einem Sigma-Delta-Analog/Digital-Wandler 64 zugeführt, welcher wie dargestellt aufgebaut ist. Es ist jedoch zu bemerken, dass der dargestellte Aufbau des Sigma-Delta-Analog/Digital-Wandler lediglich als Beispiel dient und andere Implementierungen ebenso möglich sind.
Das Ausgangssignal des Sigma-Delta-Analog/Digital-Wandlers 64 wird zum einen einem Addierer 65 zugeführt, welcher im Wesentlichen dem Addierer 22 der 3 entspricht, d.h. zum Addieren eines Kompensationssignals dient. Ein Ausgangssignal des Addierers 65 bildet ein digitales Ausgangssignal 66. Zum anderen wird das Ausgangssignal des Sigma-Delta-Analog/Digital-Wandlers 64 einem digitalen Trackingfilter 67 zugeführt, welches im Wesentlichen dem Filter 30 der 3 entspricht.
Das Trackingfilter 67 umfasst zum einen eine Filterkomponente 68 mit einer Signalübertragungsfunktion num(z)/den(z), wobei num(z) den Zähler (numerator) und den(z) den Nenner (denominator) darstellt. Die Signalübertragungsfunktion wird dabei geeignet gewählt, um ein gewünschtes Ausgangssignal, welches beispielsweise unterhalb eines Schwellenwertes des Eingangssignals gleich 0 und oberhalb des Schwellenwertes von 0 verschieden ist, zu erzeugen. Zudem umfasst das digitale Trackingfilter 67 eine Einrichtung zur Requantisierung mit einem Addierer 69, einem Quantisierer 610 sowie einem Verzögerungsglied 611 in einer Rückkopplungsschleife. Durch die Einrichtung zur Requantisierung wird eine gröbere Quantisierung des ausgegebenen Signals für die Simulation erreicht.
Das Ausgangssignal des digitalen Trackingfilters 67 wird über ein Verzögerungsglied 612 und einen Skalierer 613, welcher einen Skalierungsfaktor 1/g verwendet, einem negativen Eingang des Subtrahierers 62 zugeführt. Der Skalierer 613 gleicht somit die Verstärkung des Verstärkers 63 aus, welche das Signal erfahren hat. Zudem wird das Ausgangssignal des Trackingfilters über einen Verstärker 614, welcher die Wirkung des Skalierers 613 wieder aufhebt, einem Eingang des Summierers 65 als Kompensationssignal zugeführt. Die dargestellte Art der Implementierung mit dem Skalierer 613 und dem Verstärker 614 dient dabei insbesondere den Simulationszwecken, und in einer Hardware-Implementierung kann das Ausgangssignal des Trackingfilters 67 auch auf andere Weise als Verringerungssignal dem Subtrahierer 62 und als Kompensationssignal dem Addierer 65 zugeführt werden.
In 7 zeigt eine Kurve 70 einen Verlauf des Signalrausch-Verzerrungsverhältnisses SNDR in dB über einen gesamten Amplitudenbereich Ain des Eingangssignal in dBV. Bei dem dargestellten Beispiel liegt der Schwellenwert, ab welchem das digitale Trackingfilter 67 der 6 ein Verringerungssignal sowie ein Kompensationssignal erzeugt, bei einem Eingangspegel von etwa 100 dBSPL. Eine Linie 71 zeigt einen Eingangspegel von 94 dBSPL an. Wie zu sehen ist, steigt das Signalrauschverhältnis zunächst linear mit dem Eingangspegel an. Selbst bei höherem Pegel, wenn ein Verringerungssignal und ein Kompensationssignal vorliegt, erfolgt noch ein näherungsweiser linearer Anstieg, wobei hier Abweichungen wie eingangs erläutert bei vielen Anwendungen nicht ins Gewicht fallen, da bei derartig hohen Schallpegeln eine Verschlechterung des Signalrauschverhältnisses in Maßen nicht zu merklich hörbaren Qualitätseinbußen des entstehenden Signals führt.
In 8 ist ein Diagramm des Eingangssignals über der Zeit dargestellt, um den Effekt des Verringerungssignals zu veranschaulichen. Mit 80 ist das analoge Eingangssignal vor dem Subtrahierer 62 bezeichnete, welches in diesem Fall einen Signalpegel deutlich oberhalb des Schwellenwertes aufweist. Nach Abzug des Verringerungssignals verbleibt ein in 8 dargestelltes Signal 81 mit deutlich geringerem Pegel, sodass ein Wertebereich eines folgenden Analog/Digital-Wandlers wie des Analog/Digital-Wandlers 64 der 6 nicht für den gesamten möglichen Wertebereich des Signals 80 ausgelegt werden muss. Die sinusförmige Wellenform des Signals 80 dient dabei lediglich zur Veranschaulichung, und in praktischen Anwendungen von Ausführungsbeispielen können beliebige Wellenformen, beispielsweise durch ein Mikrofon auf Basis von aufgenommenem Schall erzeugte Wellenformen, auftreten.
Die oben dargestellten Ausführungsbeispiele stellen lediglich einige Möglichkeiten zur Implementierung dar, und andere Ausführungsbeispiele sind ebenso möglich. Beispielsweise können andere Arten von Signalquellen als dargestellt oder andere Arten von Analog/Digital-Wandlern verwendet werden.

Claims

Analog/Digital-Wandleranordnung, umfassend: einen Analogsignaleingang zum Empfangen eines analogen Eingangssignals, einen Subtrahierer (13), wobei ein positiver Eingang des Subtrahierers (13) mit dem Analogsignaleingang gekoppelt ist, einen Verstärker (11), wobei ein Eingang des Verstärkers (11) mit einem Ausgang des Subtrahierers (13) einen Analog/Digital-Wandler (12), wobei ein Eingang des Analog/Digital-Wandlers (12) mit einem Ausgang des Verstärkers (11) gekoppelt ist, und eine Signalkorrektureinrichtung (40, 41, 44), welche eine Bitsplitter-Anordnung (44) umfasst, wobei ein Eingang der Bitsplitter-Anordnung (44) mit einem Ausgang des Analog/Digital-Wandlers (12) gekoppelt ist, wobei die Bitsplitter-Anordnung (44) eingerichtet ist, ein ihr zugeführtes digitales Signal in ein erstes Signal mit höherwertigen Bits und ein zweites Signal mit niederwertigen Bits aufzuteilen, wobei die Signalkorrektureinrichtung eingerichtet ist, ein Verringerungssignal in Abhängigkeit von dem ersten Signal zu bilden und das Verringerungssignal einem negativen Eingang des Subtrahierers zuzuführen.
Analog/Digital-Wandleranordnung nach Anspruch 1, wobei die Signalkorrektureinrichtung (40, 41, 44) eingerichtet ist, zumindest einen Teil der Signalkorrektureinrichtung (40, 41, 44) von einem Signalpfad zwischen dem Analogsignaleingang und dem Verstärker elektrisch zu trennen, wenn das erste Signal einen Wert 0 aufweist.
Analog/Digital-Wandleranordnung nach Anspruch 1, wobei die Signalkorrektureinrichtung einen Digital/Analog-Wandler (40) umfasst, wobei der negative Eingang des Subtrahierers (13) mit einem Ausgang des Digital/Analog-Wandlers (40) gekoppelt ist, und wobei die Signalkorrektureinrichtung eingerichtet ist, einem Eingang des Digital/Analog-Wandlers das erste Signal zuzuführen, wobei die Signalkorrektureinrichtung (40, 41, 44) weiter eingerichtet ist, den Digital/Analog-Wandler (16) auszuschalten, wenn das erste Signal einen Wert 0 aufweist.
Analog/Digital-Wandleranordnung nach einem der Ansprüche 1–3, wobei der Analog/Digital-Wandler (12) einen Rückkopplungspfad umfasst, wobei die Signalkorrektureinrichtung (40, 41, 44) eingerichtet ist, das zweite Signal dem Rückkopplungspfad zuzuführen.
Analog/Digital-Wandleranordnung nach einem der Ansprüche 1–4, wobei die Signalkorrektureinrichtung (40, 41, 44) weiter zum Addieren eines digitalen Kompensationssignals zu einem Signal bei einem Ausgang des Analog/Digital-Wandlers eingerichtet ist, wenn das erste Signal einen von 0 verschiedenen Wert anzeigt.
Analog/Digital-Wandleranordnung nach Anspruch 5, wobei der Analog/Digital-Wandler einen Sigma-Delta-Wandler umfasst, und wobei die Signalkorrektureinrichtung eingerichtet ist, das digitale Kompensationssignal innerhalb einer Schleife des Sigma-Delta-Wandlers zu addieren.
Vorrichtung nach Anspruch 6, wobei die Signalkorrektureinrichtung einen weiteren Analog/Digital-Wandler (20) und einen Addierer (22) umfasst, wobei ein Eingang des weiteren Analog/Digital-Wandlers (20) mit dem Analogsignaleingang gekoppelt ist, wobei ein Ausgang eines Quantisierers (43) des Sigma-Delta-Wandlers mit einem ersten Eingang des Addierers verbunden ist und ein Ausgang des weiteren Analog/Digital-Wandlers (20) mit einem zweiten Eingang des Addierers verbunden ist, wobei ein Ausgang des Addierers (42) mit einem Digitalsignalausgang der Analog/Digital-Wandleranordnung gekoppelt ist.
Analog/Digital-Wandleranordnung nach Anspruch 7, wobei der Ausgang des Addierers mit der Bitsplitter-Anordnung (44) gekoppelt ist, wobei das zweite Signal mit niederwertigen Bits über einen Digital/Analog-Wandler (46) und ein Schleifenfilter (42) einem Eingang des Quantisierers (43) zuführbar ist.
Analog/Digital-Wandleranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das erste Signal nur dann von 0 verschieden ist, wenn der Signalpegel des analogen Eingangssignals oberhalb eines Schwellenwertes liegt.
Analog/Digital-Wandleranordnung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Signalkorrektureinrichtung einen weiteren Analog/Digital-Wandler (20) umfasst, wobei ein Eingang des weiteren Analog/Digital-Wandlers mit dem Analogsignaleingang gekoppelt ist und wobei die Signalkorrektureinrichtung (40, 41, 44) eingerichtet ist, das Verringerungssignal in Abhängigkeit von einem Ausgangssignal des weiteren Analog/Digital-Wandlers (20) zu erzeugen.
Analog/Digital-Wandleranordnung nach Anspruch 10, weiter umfassend ein digitales Filter, wobei ein Eingang des digitalen Filters mit einem Ausgang des weiteren Analog/Digital-Wandlers (20) gekoppelt ist und wobei ein Ausgang des digitalen Filters mit einem Ausgang des Analog/Digital-Wandlers (12) gekoppelt ist, wobei das digitalen Filter (21) eine Signalübertragungsfunktion des Analog/Digital-Wandlers (12) nachbildet.
Analog/Digital-Wandleranordnung nach einem der Ansprüche 10 oder 11, wobei Quantisierungsstufen des weiteren Analog/Digital-Wandlers (20) derart gewählt sind, dass der weitere Analog/Digital-Wandler (20) nur dann ein von 0 verschiedenes Signal ausgibt, wenn der Signalpegel des analogen Eingangssignals einen Schwellenwert überschreitet.
Analog/Digital-Wandleranordnung nach einem der Ansprüche 1–12, wobei die Signalkorrektureinrichtung ein digitales Trackingfilter (30) umfasst, wobei ein Ausgang des digitalen Trackingfilters (30) mit einem Ausgang des Analog/Digital-Wandlers (12) gekoppelt ist und wobei die Signalkorrektureinrichtung eingerichtet ist, das Verringerungssignal in Abhängigkeit von einem Ausgangssignal des digitalen Trackingfilters (30) zu erzeugen.
Verfahren zur Analog/Digital-Wandlung, umfassend: Empfangen eines analogen Eingangssignals, Verstärken des analogen Eingangssignals, Wandeln des verstärkten analogen Eingangssignals in ein Digitalsignal, Erzeugen eines ersten Signals mit höherwertigen Bits und eines zweiten Signals mit niederwertigeren Bits in Abhängigkeit von dem Digitalsignal, Erzeugen eines Verringerungssignals in Abhängigkeit von dem ersten Signal, und Subtrahieren eines Verringerungssignals von dem analogen Eingangssignal vor dem Verstärken.
Verfahren nach Anspruch 14, weiter umfassend Addieren eines Korrektursignals zu dem Digitalsignal, wenn das erste Signal einen von 0 verschiedenen Wert aufweist.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei das Wandeln des verstärkten Signals in ein Digitalsignal mittels eines Sigma-Delta-Analog/Digital-Wandlers vorgenommen wird, wobei das Addieren des Korrektursignals zu dem Digitalsignal ein Addieren innerhalb einer Schleife des Sigma-Delta-Analog/Digital-Wandlers umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 14–16, weiterhin umfassend Zuführen des zweiten Signals zu einem Rückkopplungspfad eines zum Wandeln des verstärkten analogen Eingangssignals in das Digitalsignal verwendeten Analog/Digital-Wandlers.
Verfahren nach einem der Ansprüche 14–17, weiter umfassend elektrisches Trennen zumindest eines Teils eines Signalpfades zum Erzeugen des Verringerungssignals von einem Signalpfad zu einem für das Verstärken benutzen Verstärker, wenn das erste Signal einen Wert 0 aufweist.