DE102017124818B4

DE102017124818B4 - Verfahren und Vorrichtung zur Signalumformung

Info

Publication number: DE102017124818B4
Application number: DE102017124818.8A
Authority: DE
Inventors: Dietmar Sträussnigg
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2017-10-24
Filing date: 2017-10-24
Publication date: 2022-12-22
Anticipated expiration: 2037-10-25
Also published as: US10439629B2; DE102017124818A1; CN109698699A; CN109698699B; KR20190045863A; US20190123753A1

Abstract

Verfahren, umfassend:- Addition eines Dither-Signals zu einem ersten Signal, wodurch ein zweites Signal erzeugt wird,- Subtraktion des Dither-Signals von dem ersten Signal oder Subtraktion des ersten Signals von dem Dither-Signal, wodurch ein drittes Signal erzeugt wird,- erstes Umformen des zweiten Signals zu einem digitalen vierten Signal,- zweites Umformen des dritten Signals zu einem digitalen fünften Signal,- Kombinieren des digitalen vierten Signals und des digitalen fünften Signals zu einem digitalen sechsten Signal, wobei das Dither-Signal ein periodisches Signal ist und wobei eine Dither-Frequenz des periodischen Dither-Signals kleiner als eine untere Nutzfrequenz des ersten Signals ist.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Diese Offenbarung bezieht sich im Allgemeinen auf Verfahren und Vorrichtung zur Signalumformung
HINTERGRUND
Rauschumformung (engl. noise shaping) bezeichnet ein Verfahren, bei dem Rauschen in bestimmten Frequenzbereichen stärker konzentriert wird und es dadurch zu einer für den Anwendungsfall vorteilhaften Verschiebung der Rauschenergie im Frequenzspektrum kommt. Rauschumformung kann mittels sog. Modulatoren/Noiseshapern durchgeführt werden.
Herkömmliche Implementierungen von digitalen Noiseshapern oder von analogen Noiseshapern, wie sie beispielsweise in Analog-Digitalwandlern (ADCs) zum Einsatz kommen, zeigen für kleine Eingangssignale starke Störsignale, im Falle von Mikrophonen sogenannte Idle-Töne, die beispielsweise bei der halben Abtastfrequenz eines digitalgewandelten Analogsignals auftreten können.
Digitale Mikrophone müssen für viele Anwendungen einen 1-Bit-Ausgabestrom bereitstellen, welcher von einem digitalen Modulator bereitgestellt werden kann.
Beispielsweise kann bei Stereo-Anwendungen eine Intermodulation der Idle-Töne auftreten, so dass ein Störsignal im Audioband, also im für das menschliche Gehör hörbaren Bereich, auftreten kann.
Auch im Falle von Mono-Anwendungen können Idle-Töne, insbesondere im Fall von hohen Lasten, auftreten.
Auch bei manchen Anwendungen von Analog-Digital-Wandlern können vergleichbare Störsignale auftreten.
Eine herkömmliche Herangehensweise in solchen Fällen besteht darin, ein sog. „Dither“-Signal mit einem Signaleingang eines Quantisierers eines verwendeten Analog-Digital-Wandlers oder Modulators zu überlagern.
Das Dither-Signal kann hierbei ein periodisches oder ein (pseudo)zufälliges Signal sein, welches beispielsweise mittels eines linearen, rückgekoppelten Schieberegister (engl.: linear feedback shift register, LFSR) realisiert werden kann. Dies hat die Auswirkung, dass das Signal-RauschVerhältnis (engl.: signal to noise ratio, SNR) durch das mittels dem Dither-Signal hinzugefügte Rauschen in einem bestimmten Frequenzbereich verbessert wird.
Aus der US 4 968 987 A ist ein Delta-Sigma-Modulator zum Umwandeln eines analogen Signals unter Verwendung eines Dither-Signals bekannt.
Aus der US 2017/0093410 A1 ist ein Verfahren zur Schwankungsreduktion(engl.: jitter reduction) in einem Digitalsignal mittels eines Dither-Signals bekannt.
Aus der GB 2 541 861 A Verfahren zur Digital-Analogwandlung von Audiosignalen mittels mehrerer Kanäle und eines Ausgabekombinierers bekannt.
Aus der US 5 073 777 A sind verschiedene Delta-Sigma-Wandler, die parallel betrieben werden und mit unabhängigen Dither-Generatoren arbeiten, bekannt.
Im Mikrophon-Anwendungsfall wird jedoch ein digitaler Noiseshaper zur Erzeugung des erwähnten 1-Bit-Ausgangsstroms benötigt und die herkömmlichen Ansätze sind unzureichend; eine Anwendung der o.g. Vorgehensweisen würde in manchen Fällen zu einer Verschlechterung des Signal-Rausch-Verhältnisses führen.
KURZFASSUNG
Es werden ein Verfahren gemäß Anspruch 1 und Vorrichtungen gemäß der Ansprüche 8 und 9 bereitgestellt. Die Unteransprüche definieren weitere Ausführungsbeispiele.
In einem Beispiel umfasst ein Verfahren die Addition eines Dither-Signals zu einem ersten Signal, wodurch ein zweites Signal erzeugt wird. Ferner umfasst das Verfahren die Subtraktion des Dither-Signals von dem ersten Signal oder Subtraktion des ersten Signals von dem Dither-Signal, wodurch ein drittes Signal erzeugt wird. Es erfolgt ein erstes Umformen des zweiten Signals zu einem digitalen vierten Signal und ein zweites Umformen des dritten Signals zu einem digitalen fünften Signal. Ferner erfolgt ein Kombinieren des digitalen vierten Signals und des digitalen fünften Signals zu einem digitalen sechsten Signal. Hierbei ist das Dither-Signal ein periodisches Signal und eine Dither-Frequenz des periodischen Dither-Signals ist kleiner als eine untere Nutzfrequenz des ersten Signals.
In einem weiteren Beispiel umfasst eine Vorrichtung eine Signalleitung und einen ersten Umformer, der einen ersten Umformungseingang und einen ersten Umformungsausgang aufweist. Die Vorrichtung umfasst auch einen zweiten Umformer, der einen zweiten Umformungseingang und einen zweiten Umformungsausgang aufweist, wobei der erste Umformungseingang und der zweite Umformungseingang mit der Signalleitung gekoppelt sind.
Ferner umfasst die Vorrichtung einen Dithergenerator, der mit dem ersten Umformungseingang additiv und mit dem zweiten Umformungseingang subtraktiv gekoppelt ist. Der Dithergenerator ist hierbei eingerichtet, ein Dither-Signal bereitzustellen.
Die Vorrichtung umfasst auch eine Ausgangssignalleitung und eine Kombinationsschaltung, welche mit dem ersten Umformungsausgang und dem zweiten Umformungsausgang sowie der Ausgangssignalleitung gekoppelt ist. Das Dither-Signal ist hierbei ein periodisches Signal und das periodische Dither-Signal weist eine Dither-Frequenz kleiner als eine untere Nutzfrequenz des ersten Signals auf.
In einem weiteren Beispiel umfasst eine Vorrichtung einen Addierer zur Addition eines Dither-Signals zu einem ersten Signal zur Erzeugung eines zweiten Signals und einen Subtrahierer zur Subtraktion des Dither-Signals von dem ersten Signal oder zur Subtraktion des ersten Signals von dem Dither-Signal zur Erzeugung eines dritten Signals. Die Vorrichtung umfasst auch einen ersten Umformer zum Umformen des zweiten Signals zu einem digitalen vierten Signal und einen zweiten Umformer zum Umformen des dritten Signals zu einem digitalen fünften Signal. Die Vorrichtung umfasst auch eine Kombinationsschaltung zum Kombinieren des digitalen vierten Signals und des digitalen fünften Signals zu einem digitalen sechsten Signal. Das Dither-Signal ist hierbei ein periodisches Signal und das periodische Dither-Signal weist eine Dither-Frequenz kleiner als eine untere Nutzfrequenz des ersten Signals auf.
Die obige Kurzfassung ist lediglich als eine knappe Übersicht über manche mögliche Implementierungen zu verstehen und nicht als einschränkend auszulegen. Insbesondere können andere Ausführungsbeispiele andere Merkmale als die oben erläuterten verwenden.
Figurenliste

1 zeigt ein Flussdiagramm eines Verfahrens gemäß eines Ausführungsbeispiels.
2 illustriert schematisch eine Schaltung gemäß verschiedener Ausführungsbeispiele.
3 illustriert schematisch eine Schaltung gemäß verschiedener Ausführungsbeispiele.
4 illustriert schematisch einen digitalen Modulator gemäß verschiedener Ausführungsbeispiele.
5 illustriert schematisch eine mögliche Implementierung der Schaltung gemäß 2 gemäß verschiedener Ausführungsbeispiele.
6 zeigt ein simuliertes Fast-Fourier-Transform (FFT)-Spektrum mit starkem Idle-Ton.
7 zeigt ein simuliertes FFT-Spektrum mit reduziertem Idle-Ton gemäß einem Ausführungsbeispiel.
8 zeigt ein simuliertes FFT-Spektrum eines einzelnen Modulatorausgangs gemäß einem Ausführungsbeispiel.
9 zeigt ein simuliertes FFT-Spektrum eines Ausgangssignals gemäß einem Ausführungsbeispiel.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Im Folgenden werden verschiedene Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen detailliert beschrieben. Diese Ausführungsbeispiele sind lediglich als Beispiel zu betrachten und sind nicht als einschränkend aufzufassen. Beispielsweise können bei anderen Ausführungsbeispielen manche von den beschriebenen Merkmalen oder Komponenten weggelassen werden und/oder durch alternative Merkmale oder Komponenten ersetzt werden. Merkmale oder Komponenten verschiedener Ausführungsbeispiele können kombiniert werden, um weitere Ausführungsbeispiele zu bilden. Variationen und Modifikationen, die im Hinblick auf ein Ausführungsbeispiel beschrieben werden, können auch auf andere Ausführungsbeispiele angewendet werden. Des Weiteren können andere Merkmale oder Komponenten als die beschriebenen oder gezeigten bereitgestellt sein, beispielsweise in herkömmlichen Bandlückenschaltungen oder Schaltungen zur Erzeugung einer Referenzspannung verwendete Merkmale oder Komponenten.
Direkte Verbindungen oder Kopplungen, die in den Zeichnungen gezeigt oder im Folgenden beschrieben sind, d.h. elektrische Verbindungen oder Kopplungen ohne dazwischenliegende Elemente (beispielsweise einfache Metallleiterbahnen) können auch durch eine indirekte Verbindung oder Kopplung realisiert werden, d.h. eine Verbindung oder Kopplung, die ein oder mehrere zusätzliche dazwischenliegende Element umfasst, und umgekehrt, solange die generelle Funktionsweise der Verbindung oder Kopplung, beispielsweise ein Bereitstellen einer Spannung, ein Bereitstellen eines Stroms oder ein Bereitstellen eines Steuersignals, im Wesentlichen beibehalten wird.
Eine Verbindung oder Kopplung kann drahtgebunden oder drahtlos implementiert sein. Funktionale Einheiten können als Hardware, Software oder eine Kombination aus Hardware und Software implementiert werden.
In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder ähnliche Elemente. Die Figuren sind schematische Repräsentationen verschiedener Ausführungsbeispiele. In den Figuren dargestellte Elemente sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu dargestellt. Vielmehr sind die verschiedenen in den Figuren dargestellten Elemente derart wiedergegeben, dass ihre Funktion und genereller Zweck dem Fachmann verständlich wird.
Die beschriebenen Techniken können in verschiedenen Anwendungsgebieten eingesetzt werden. Zum Beispiel kann eine Umformung, wie nachfolgend beschrieben, im Zusammenhang mit Messtechniken verwendet werden, bei welchen ein analoges Eingangssignal von einem Sensor oder mehrere Eingangssignale von mehreren Sensoren empfangen werden. Der Sensor oder die Sensoren können auch selbst Umformer umfassen, die dann ein digitales Signal als Eingangssignal oder Eingangssignale bereitstellen können. Das Eingangssignal oder die Eingangssignale sind dann typischerweise indikativ für eine oder mehrere physikalische Observable. Zum Beispiel kann die Umformung im Zusammenhang mit Mikrofonen verwendet werden, welche zum Beispiel basierend auf einem Drucksensor Umgebungsgeräusche im Eingangssignal abbilden.
In einigen Ausführungsbeispielen umfasst die Umformung hierbei eine Analog-Digital-Wandlung (ADC).
Im Folgenden und zuvor beschriebene Ausführungsbeispiele können Dither-Signale verwenden.
Ein Dither-Signal im Rahmen der vorliegenden Anmeldung kann ein analoges oder digitales Signal sein. Das Dither-Signal kann zufällig sein oder eine Periodizität aufweisen. Im Falle einer Periodizität wird die Frequenz, mit der sich das Dither-Signal wiederholt, im Rahmen dieser Anmeldung als Dither-Frequenz bezeichnet. Ein periodisches Dither-Signal kann beispielsweise die Form eines Sinus, eines Sägezahns oder beliebige Kombinationen von periodischen Signalen aufweisen. Ein zufälliges Dither-Signal kann ebenfalls pseudozufällig generiert sein. In einer Ausführungsvariante kann es beispielsweise mittels eines linear rückgekoppelten Schieberegisters (engl.: Linear Feedback Shift Register, LFSR) realisiert sein.
Die Dither-Frequenz kann im Verhältnis zu einer Nutzfrequenz und/oder einem Nutzfrequenzbereich (im Folgenden Nutzbereich) des Anwendungsfalls, beispielsweise im Bezug zu einem Eingangssignal, gewählt werden. Beispielsweise kann die Dither-Frequenz eines periodischen Dither-Signals unterhalb einer unteren Nutzfrequenz gewählt werden. Auch andere Frequenzen im Verhältnis zu dem Nutzbereich sind denkbar. Beispielsweise kann die Dither-Frequenz des periodischen Dither-Signals auch größer als die obere Nutzfrequenz, also oberhalb des Nutzbereichs, des ersten Signals gewählt werden. Bei manchen Anwendungsfällen kann die Dither-Frequenz auch innerhalb des Nutzfrequenzbereichs gewählt werden.
Unter dem Nutzbereich eines Signals wird im Rahmen dieser Anmeldung ein Bereich verstanden, welcher durch eine untere Nutzfrequenz und eine obere Nutzfrequenz beschrieben werden kann. Der Nutzbereich des Signals liegt dann zwischen der unteren Nutzfrequenz des Eingangssignals und der oberen Nutzfrequenz des Eingangssignals. Bei der Verwendung für Audiosignale für das menschliche Gehör kann obere und untere Nutzfrequenz an dem Bereich des vom menschlichen Gehör wahrnehmbaren Spektrums orientiert sein. Beispielsweise kann sich ein gewählter Nutzbereich von 20 Hz bis 20 kHz erstrecken.
In diesem Fall kann die Dither-Frequenz beispielsweise im Bereich ~1 Hz gewählt werden. Sie kann aber, wie oben ausgeführt, auch andere Werte annehmen, im hörbaren Bereich, oder oberhalb des hörbaren Bereichs gewählt werden.
Bei Verwendungen für andere Zwecke oder aber auch im Audiobereich sind auch andere Nutzbereiche und/oder nur Teilbereiche der o.g. Beispiele als Nutzbereich möglich.
In einigen Ausführungsbeispielen kann ein Teil des Verfahrens oder der Vorrichtung bei einer ersten Abtastfrequenz (Arbeitsfrequenz) arbeiten. Diese erste Abtastfrequenz kann gegenüber der ursprünglichen Abtastfrequenz und/oder gegenüber einer zweiten Abtastfrequenz (Zwischenfrequenz) eines ausgegebenen Zwischensignals reduziert sein.
Unter Umformen ist im Rahmen dieser Anmeldung zu verstehen, dass ein Signal A zu einem Signal B mit einem zum Signal A unterschiedliches Signalformat umgeformt wird.
Insbesondere kann das unterschiedliche Signalformat darin bestehen, dass das Signal A ein Analogsignal und das Signal B ein Digitalsignal mit einer Bitbreite und einer Abtastfrequenz ist, oder darin, dass das Signal A ein erstes Digitalsignal mit einer ersten Bitbreite und einer ersten Abtastfrequenz ist und dass das Signal B ein zweites Digitalsignal mit einer von dem Signal A abweichenden zweiten Bitbreite und/oder zweiten Abtastfrequenz ist.
In einigen Ausführungsbeispielen findet mindestens ein Umformungsvorgang statt. Im Falle eines Digitalsignals kann die Umformung beispielsweise eine Umformung eines Bitstroms mit n >= 2 Bit zu einem Bitstrom mit n = 1 Bit umfassen. Dies kann beispielsweise mit einem digitalen Modulator realisiert werden. Im Falle eines analogen Eingangssignals, beispielsweise in einem Analog-Digital-Wandler (ADC), kann ein Analogsignal zu einem Digitalsignal, beispielsweise zu einem 1-Bit-Strom, umgewandelt werden. In diesem Falle kann die Umformung beispielsweise mit einem Sigma-Delta-Analog-Digitalwandler n. Ordnung realisiert werden. Bspw. kann n=1 oder n=5 gewählt werden, aber auch andere Werte für n sind möglich.
Unter einem zum Kombinieren eingerichteten Kombinationselement oder einer Kombinationsschaltung wird ein Element bzw. eine Schaltung verstanden, welches zwei Eingänge für ein erstes Eingangs-Digitalsignal C und ein zweites Eingangs-Digitalsignal D und einen Ausgang für ein Ausgangs-Digitalsignal E aufweist, wobei E von dem Kombinationselement als Funktion von C und D bereitgestellt wird.
Die Abtastfrequenz der Eingangs-Digitalsignale C und D und des Ausgangs-Digitalsignals E kann hierbei unterschiedlich sein.
Die Abtastfrequenz des Ausgangs-Digitalsignals E kann der Summe oder einem Vielfachen der Summe der Eingangs-Digitalsignal C und D entsprechen. Die Abtastfrequenz von erstem Eingangs-Digitalsignal C und zweitem Eingangs-Digitalsignal D kann identisch sein.
Das Kombinieren der ersten und zweiten Eingangs-Digitalsignale C und D kann als ein alternierendes Kombinieren erfolgen. In diesem Fall wird alternierend eine Anzahl von Bits des Eingangs-Digitalsignals C genommen, dann die gleiche Anzahl von Bits des Eingangs-Digitalsignals D genommen und zu einem Ausgangssignal E kombiniert. Bei dem alternierenden Kombinieren kann insbesondere ein Ausgangssignal mit der doppelten Frequenz der Eingangs-Digitalsignale C und D durch alternierendes Kombinieren erreicht werden.
Alternativ kann das Kombinieren der Arbeitsweise eines Repeaters ähneln; so kann beispielsweise ein Signal E durch Kombinieren von Signalen C und D und durch Wiederholen von Teilsignalen der Signale C und D erzeugt werden. Als Teilsignal eines Signals können beispielsweise ein einzelner Abtastwert oder eine Anzahl an Abtastwerten gewählt werden. Im Falle eines 1-Bit-Stroms sind die Abtastwerte einzelne Bits.
Beispielsweise kann ein Ausgangssignal E des Kombinierers mit vierfacher Frequenz der Signals C und D durch Kombinieren, beispielsweise alternierendes Kombinieren von Teilsignalen und durch Wiederholen von Werten von Teilsignalen der Eingangssignale C und/oder D erzeugt werden.
Liefert das erste Signal die Abtastwerte C1,C2, das zweite Signal die Abtastwerte D1,D2, jeweils mit einer ersten Abtastfrequenz für ein festgelegtes Zeitintervall T, so kann das Kombinieren ein Ausgangssignal E mit doppelter Abtastfrequenz der ersten Abtastfrequenz C1|D1|C2|D2 für das gleiche Zeitintervall T ausgeben, oder mit vierfacher Ausgangsfrequenz der ersten Abtastfrequenz z.D. mit C1|D1|C1|D1|C2|D2|C2|D2 für das gleiche Zeitintervall T. Dies ist lediglich beispielhaft und nicht als einschränkend zu verstehen.
Die Begriffe Addition und Subtraktion bzw. Addierer und Subtrahierer sind funktional zu verstehen und beziehen sich auf Vorgänge bzw. Vorrichtungen, bei der als Ergebnis der gewünschten Effekt erreicht wird, der einer Addition bzw. einer Subtraktion entspricht.
Unter Addition eines Signals F zu einem Signal G ist beispielsweise im Falle von analogen Signalen das Überlagern von Signal F und Signal G zu verstehen. Im Falle von digitalen Signal mit gleicher Abtastfrequenz ist unter Addition beispielsweise die Addition der digitalen Werte zu verstehen.
Unter Subtraktion eines Signals I von einem Signal H ist im Falle von analogen Signalen beispielsweise das Überlagern von Signal H und Signal B zu verstehen, wobei I mit einem negativem Vorzeichen versehen wird. Im Falle von digitalen Signalen mit gleicher Abtastfrequenz ist unter Subtraktion die Subtraktion der digitalen Werte von Signal I von Signal H zu verstehen.
Alternativ kann beispielsweise eine Subtraktion auch dadurch erreicht werden, dass eine Phasenverschiebung zwischen zwei periodischen Signalen zusammen mit einer Addition verwendet wird, welche ein im wesentlichen gleiches Resultat wie eine Addition/Subtraktion herbeiführt, ohne dass es sich um ein Subtrahierer/eine Subtraktion handelt. Dies kann beispielsweise durch einen Multiphasenoszillator (engl. Multi-Phase-Oscillator) erreicht werden. Gleiches gilt beispielsweise für einen Inverter und ähnliche bekannte Vorrichtung, die dazu verwendet werden können, eine Wirkung entsprechend einer Addition bzw. Subtraktion herbeizuführen. Beispielsweise kann der Effekt einer Addition und einer Subtraktion auch durch die Verwendung von zwei Additionsschritten, wobei ein Additionsschritt mit einer Vorzeichenänderung („Invertierung“) verknüpft wird, erreicht werden. Die Verwendung der Begriffe Addition und Subtraktion bzw. der Vorrichtung Addierer und Subtrahierer ist in diesem Sinne zu verstehen und erstreckt sich auf sämtliche äquivalente Möglichkeiten um die beschriebenen Resultate zu erreichen.
1 zeigt ein Flussdiagram eines Verfahrens gemäß eines Ausführungsbeispiels.
Die Reihenfolge der beschriebenen Verfahrensvorgänge muss nicht notwendigerweise der zeitlichen Abfolge der Verfahrensvorgänge entsprechen. Verfahrensvorgänge können auch zeitgleich oder in einer Reihenfolge ablaufen, die nicht der Nummerierungsreihenfolge entspricht.
Zunächst wird bei 101 ein Dither-Signal zu einem ersten Signal addiert und dadurch ein zweites Signal erzeugt. Das erste Signal kann beispielsweise ein von einem Sensor kommendes digitales oder analoges Signal sein. Bei 102 wird das gleiche Dither-Signal von dem ersten Signal subtrahiert und dadurch ein drittes Signal erzeugt.
Das erste Signal kann in verschiedenen Ausführungsbeispielen entweder digital oder analog vorliegen. Digital kann es in Form eines Bitstroms mit n > 1 Bit Bitbreite digitalisiert sein.
Die erzeugten zweiten und dritten Signale können ebenfalls je nach Ausführungsbeispiel analog oder digital sein.
In 103 erfolgt ein Umformen des zweiten Signals zu einem digitalen vierten Signal. In 104 erfolgt ein Umformen des dritten Signals zu einem digitalen fünften Signal. Im Falle analoger zweiter und dritter Signale beinhaltet das Umformen dabei ein Digitalisieren. Das erste Umformen 103 und das zweite Umformen 104 kann ein Umformungsvorgang wie oben beschrieben sein.
Bei 105 erfolgt das Kombinieren von vierten Signal und fünften Signal zu einem sechsten Signal.
Das Kombinieren kann den Effekt haben, dass das Dither-Signal in dem sechsten Signal nicht mehr enthalten ist. Dies kann vorteilhaft sein, da das Dither-Signal, auch in dem Fall dass es außerhalb eines Nutzbereichs gewählt ist, sich störend für nachgeschaltete Signalverarbeitungsstufen auswirken kann und/oder durch Intermodulation Signale in anderen Frequenzbereichen erzeugen kann.
In einem Ausführungsbeispiel des Verfahrens kann das digitale vierte Signal und/oder das digitale fünfte Signal und/oder das digitale sechste Signal ein 1-Bit-Strom sein.
Das Umformen in 103 und das Umformen in 104 kann hierbei in einigen Ausführungsbeispielen einander entsprechen.
Unter entsprechend ablaufendem Umformen zweier Umformungen oder Umformungseinheiten ist zu verstehen, dass die Resultate der Umformungen bzw. die Ausgangssignale der Umformungseinheit bei identischer Eingabe einander entsprechend, d.h. im Wesentlichen nicht zu unterscheiden sind.
Dies kann beispielsweise durch die Verwendung von identischen oder nahezu identischen Umformern bzw. Umformungen erreicht werden.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel kann das digitale vierte Signal und das digitale fünfte Signal eine erste Abtastfrequenz und das digitale sechste Signal eine zweite Abtastfrequenz aufweisen. Die erste Abtastfrequenz kann dabei geringer als die zweite Abtastfrequenz sein.
In einer weiteren Ausführungsvariante kann die zweite Abtastfrequenz ein ganzzahliges Vielfaches von der zweifachen ersten Abtastfrequenz sein.
In Ausführungsbeispielen kann die zweite Abtastfrequenz die doppelte, oder die vierfache Frequenz der ersten Abtastfrequenz sein.
2 illustriert schematisch eine Schaltung zur Signalumformung gemäß verschiedener Ausführungsbeispiele.
Bei der Schaltung der 2 leitet eine Signalleitung 204 leitet ein erstes Signal zu einem Addierer 205, der eingerichtet ist eine Addition durchzuführen und zu einem Subtrahierer 206 der eingerichtet ist eine Subtraktion durchzuführen. Ein Dither-Generator 203 erzeugt ein Dither-Signal, welches an den Addierer 205 und den Subtrahierer 206 bereitgestellt wird. Im Addierer 205 wird das Dither Signal zu dem ersten Signal addiert und ein zweites Signal erzeugt welches an den ersten Umformer 201 an einem ersten Umformungseingang 209 bereitgestellt wird. Vom Subtrahierer 206 wird entsprechend ein drittes Signal an einen zweiten Umformer 202 an einem zweiten Umformungseingang 211 bereitgestellt. Der erste Umformer 201 formt das zweite Signal zu einem digitalen vierten Signal um und gibt dieses an einem ersten Umformungsausgang 210 aus, der zweite Umformer 202 formt das dritte Signal zu einem digitalen fünften Signal um und gibt dieses an einem zweiten Umformungsausgang 212 aus. Das digitale vierte Signal und das digitale fünfte Signal werden an eine Kombinationsschaltung 207 bereitgestellt. Die Kombinationsschaltung 207 kombiniert das digitale vierte und das digitale fünfte Signal zu einem digitalen sechsten Signal. Das digitale sechste Signal wird mittels der Ausgangssignalleitung 208 für die weitere Verarbeitung bereitgestellt.
In einer Variante des in 2 gezeigten Ausführungsbeispiels kann der Subtrahierer 206 auch das erste Signal von dem Dither-Signal subtrahieren um das dritte Signal zu bilden. In diesem Fall wird dann das fünfte Signal vor dem Kombinieren mit dem vierten Signal invertiert, was im Wesentlichen das gleiche sechste Signal ergibt wie in 2. Bezüglich der in diesem Beispiel beschriebenen Umformungsvorgänge, der Signale, des Dither-Signals und der Kombinationsschaltung gelten auch hier die obigen allgemeinen Ausführungen.
3 illustriert schematisch eine Schaltung gemäß verschiedener Ausführungsbeispiele. Von einem Dither-Generator 301 wird ein analoges Dither-Signal an ein Addierer 302 und an einen Subtrahierer 303 bereitgestellt. Der Addierer 302 und der Subtrahierer 303 kombinieren das Dither-Signal mit einem in einer Signalleitung 304 bereitgestellten ersten Signal. Gemäß der hier beschriebenen Ausführungsbeispiele liegt das erste Signal in analoger Form vor. Das im Addierer 302 kombinierte Signal wird an einen ersten ADC 305 bereitgestellt. Das im Subtrahierer 303 kombinierte Signal wird an einen zweiten ADC 306 bereitgestellt. Erster ADC 305 und zweiter ADC 306 weisen eine erste Abtastrate F1 auf. Im in 3 dargestellten Ausführungsbeispiel liefern erster ADC 305 und zweiter ADC 306 jeweils einen 1-Bit-Strom als Ausgangssignal. Die beiden Bitströme werden an einen Kombinierer 307 bereitgestellt. Im Kombinierer wird aus den beiden Bit-Strömen mit der Abtastfrequenz F1 durch alternierendes Kombinieren oder durch ein anderes geeignetes Verfahren ein Ausgangssignal 308 erzeugt, welches in diesem Ausführungsbeispiel ein 1-Bit-Strom mit einer Abtastfrequenz F2 ist. Hierbei kann F2 ein Vielfaches von F1 sein. Beispielsweise kann F2 den doppelten Wert von F1 haben. In einem weiteren Ausführungsbeispiel kann F2 Den vierfachen Wert von F1 aufweisen, aber auch andere Kombinationen sind möglich.
4 illustriert schematisch einen digitalen Modulator gemäß verschiedener Ausführungsbeispiele.
In 4 wird ein digitaler Modulator n. Ordnung gezeigt. Ein digitaler Modulator oder digitaler Noiseshaper kann zum Umformen, wie beispielsweise in 1, 103, 104 gezeigt oder als Umformer eingesetzt werden, wie beispielsweise in 2 (201, 202) und im Folgenden in 5 gezeigt.
Ein Eingangssignal 402, welches eine Bitbreite m > 1 aufweist wird mittels einem Subtrahierer 403 mit einem Schleifenfilter 401 verbunden. Die Ordnung des Schleifenfilters 401 bestimmt die Ordnung n des Modulators. Ein Ausgang des Schleifenfilters wird einem Quantisierer 404 bereitgestellt. Das Ausgangssignal des Quantisierers 404 bildet zum einen das Ausgangssignal 405, zum anderen wird das Ausgangssignal mittels einer Rückkopplungsleitung 406 an den Addierer 403 bereitgestellt und wird von dem Eingangssignal 402 subtrahiert. 5 illustriert schematisch eine mögliche Implementierung der Schaltung gemäß 2 gemäß verschiedener Ausführungsbeispiele.
In der in 5 gezeigten Variante wird ein analoges Eingangssignal von einem MEMS-System 501 bereitgestellt. Das MEMS-System 501 kann einen Schallwandler bilden, der eingerichtet ist, akustische Schwingungen in elektrische Signale umzuwandeln und als ein Mikrofonsignal bereitzustellen. Wie oben bezüglich Messtechniken ausgeführt, sind aber auch andere Eingangssignale möglich. Das Eingangssignal wird von einem ADC 502 digitalisiert. Hierbei verwendet der ADC 502 eine Abtastrate F2 für die Digitalisierung. In 503 wird die Frequenz des Digitalsignals auf eine niedrigere Frequenz F1 herabgesetzt. Das Signal durchläuft einen Boost-Filter 504 gefolgt von einem digitalen Tiefpassfilter 505.
Ein Boost-Filter 504 kann ein Filter mit negativer Gruppenlaufzeit sein, welches im Passband einen flachen Amplitudengang aufweist und höhere Frequenzen verstärkt und im Zusammenwirken mit dem digitalen Tiefpassfilter 505 so ausgelegt ist, dass im Zusammenwirken von Boost-Filter und Tiefpassfilter die (positive) Gruppenlaufzeit von durch den Filter laufenden Signalen möglichst klein ist.
Das Ausgangssignal des digitalen Tiefpassfilters wird jeweils an ein Addierer 506 und ein Subtrahierer 507 bereitgestellt. Ein Dithergenerator 508 erzeugt ein Dither-Signal welches jeweils an den Addierer 506 und den Subtrahierer 507 bereitgestellt wird. Das in dem Addierer 506 kombinierte Signal wird an einen ersten Modulator 508 bereitgestellt. Dieser moduliert das Signal und stellt das modulierte Signal einer Kombinationsschaltung 509 bereit. Das so bereitgestellte Signal von des Subtrahierers 507 wird einem zweiten Modulator 510 bereitgestellt. Das Ausgangssignal des zweiten Modulators 510 wird ebenfalls der Kombinationsschaltung 509 bereitgestellt. Die Kombinationsschaltung kombiniert die beiden Signale zu einem 1-Bit-Strom. Dieser erzeugte 1-Bit-Strom weist abermals die Abtastfrequenz F2 auf und kann als ein Zwischensignal, IF 511, zur weiteren Verarbeitung bereitgestellt werden.
6 zeigt ein simuliertes FFT-Spektrum mit einem starken Idle-Ton (601; 602). Dies kann dem Zwischensignal 511 der Vorrichtung der 5 ohne Dither-Signal entsprechen.
Hierbei ist der Amplitudenbetrag in Dezibel als Funktion der Frequenz aufgetragen. In 6 ist ein simuliertes Spektrum für einen bekannten Mikrofonaufbau gezeigt. Ein starker Idle-Ton (601; 602) mit einer Amplitude von -8 dBFS ist deutlich im Spektrum zu erkennen. Ein solcher Idle-Ton (601; 602) kann für einen Benutzer einen unangenehmen Höreindruck erzeugen und/oder möglicherweise nachgeschaltete weitere Signalverarbeitungsstufen, beispielsweise Spracherkennung, stören.
7 zeigt ein simuliertes FFT Spektrum mit reduziertem Idle-Ton (701; 702) gemäß eines Ausführungsbeispiels, z.B. das Zwischensignal 511 der Vorrichtung der 5 mit Dither-Signal. In 7 ist ebenfalls ein simuliertes Spektrum gezeigt. Dieses simulierte Spektrum kann beispielsweise an dem Signalausgang IF 511 in 5 gewonnen sein. Im in 7 gezeigten Fall wurde als Dither-Signal ein Sinus mit einer Frequenz von 0,5 Hz benutzt. Der Idle-Ton (701; 702) ist deutlich auf -24 dBFS reduziert. Das Dither-Signal ist im gezeigten Spektrum nicht zu sehen.
8 und 9 zeigen simulierte FFT Spektren, die für ein Ausführungsbeispiel an verschiedenen Positionen der Vorrichtung gewonnen wurden.
8 zeigt ein simuliertes FFT Spektrum eines einzelnen Modulator-Ausgangs gemäß eines Ausführungsbeispiels. Die Daten für das dargestellte Spektrum können beispielsweise am Ausgang des ersten Modulators 508 in 5 gewonnen sein. Im niedrigen Frequenzbereich kleiner 1000 Hz ist ein Dither-Peak 801 aufgrund des sinusförmigen Dithersignals deutlich zu erkennen. Wie bei dem in 7 gezeigten Fall wurde als Dither-Signal auch in 8 ein Sinussignal mit einer Frequenz von 0,5 Hz verwendet. Die Peakbreite des Dither-Peaks 801 im Spektrum ist ein Artefakt aufgrund der verwendeten Anzahl an Simulationswerten zur Berechnung des Spektrums. Als simuliertes Nutzsignal wurde ein Ton mit 500 Hz simuliert. Dieser ist ebenfalls deutlich im Spektrum als ein Nutzsignal-Peak 802 zu erkennen.
9 zeigt ein simuliertes FFT Spektrum eines Ausgangssignals gemäß eines Ausführungsbeispiels. Dieses Spektrum kann beispielsweise das Ausgangssignal der Kombinationsschaltung 509 in 5 sein. Wie deutlich im niedrigen Frequenzbereich kleiner 1000 Hz zu erkennen ist, ist das Dither-Signal nicht mehr nachweisbar. Dies kann für die weitere Signalverarbeitung vorteilhaft sein, da weitere Verarbeitungsschritte, im Falle von Mikrofonen beispielsweise Spracherkennung, durch Signale auch außerhalb des hörbaren Bereiches negativ beeinflusst werden können. Durch das Entfernen des Dither-Signals kann ebenfalls vermieden werden, dass durch Intermodulation hörbare Komponenten des Dither-Signals im Ausgangssignal auftreten. Der simulierte Ton mit einer Frequenz von 500 Hz wie in 8 hingegen ist unverändert im Spektrum als ein Nutzsignal-Peak 901 zu erkennen.

Claims

Verfahren, umfassend: - Addition eines Dither-Signals zu einem ersten Signal, wodurch ein zweites Signal erzeugt wird, - Subtraktion des Dither-Signals von dem ersten Signal oder Subtraktion des ersten Signals von dem Dither-Signal, wodurch ein drittes Signal erzeugt wird, - erstes Umformen des zweiten Signals zu einem digitalen vierten Signal, - zweites Umformen des dritten Signals zu einem digitalen fünften Signal, - Kombinieren des digitalen vierten Signals und des digitalen fünften Signals zu einem digitalen sechsten Signal, wobei das Dither-Signal ein periodisches Signal ist und wobei eine Dither-Frequenz des periodischen Dither-Signals kleiner als eine untere Nutzfrequenz des ersten Signals ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das digitale vierte Signal und/oder das digitale fünfte Signal und/oder das digitale sechste Signal ein 1-Bit-Strom ist.
Verfahren nach Anspruch 1-2, wobei das erste Umformen und das zweite Umformen entsprechend ablaufen.
Verfahren nach Anspruch 1-3, wobei das digitale vierte Signal und das digitale fünfte Signal eine erste Abtastfrequenz und das digitale sechste Signal eine zweite Abtastfrequenz aufweisen, wobei die erste Abtastfrequenz geringer als die zweite Abtastfrequenz ist.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei die zweite Abtastfrequenz ein ganzzahliges Vielfaches von der zweifachen ersten Abtastfrequenz ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1-5, wobei das erste Umformen und das zweite Umformen Entweder das Umformen eines Analogsignals in ein digitales Signal oder das Umformen eines digitalen Signals von einer ersten Bitbreite zu einer zweiten Bitbreite umfasst.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Kombinieren ein alternierendes Kombinieren von dem digitalen vierten Signal und dem digitalen fünften Signal umfasst.
Vorrichtung, umfassend: eine Signalleitung ein erster Umformer, der einen ersten Umformungseingang und einen ersten Umformungsausgang aufweist, ein zweiter Umformer, der einen zweiten Umformungseingang und einen zweiten Umformungsausgang aufweist, wobei der erste Umformungseingang und der zweite Umformungseingang mit der Signalleitung gekoppelt sind, einen Dithergenerator, der eingerichtet ist ein Dither-Signal bereitzustellen und mit dem ersten Umformungseingang additiv gekoppelt ist und mit dem zweiten Umformungseingang subtraktiv gekoppelt ist, eine Ausgangssignalleitung, eine Kombinationsschaltung, welche mit dem ersten Umformungsausgang und dem zweiten Umformungsausgang sowie der Ausgangssignalleitung gekoppelt ist, wobei das Dither-Signal ein periodisches Signal ist und wobei das periodische Dither-Signal eine Dither-Frequenz kleiner als eine untere Nutzfrequenz des ersten Signals aufweist.
Vorrichtung, umfassend: ein Addierer zur Addition eines Dither-Signals zu einem ersten Signal zur Erzeugung eines zweiten Signals, einen Subtrahierer zur Subtraktion des Dither-Signals von dem ersten Signal oder zur Subtraktion des ersten Signals von dem Dither-Signal zur Erzeugung eines dritten Signals, einen ersten Umformer zum Umformen des zweiten Signals zu einem digitalen vierten Signal, einen zweiten Umformer zum Umformen des dritten Signals zu einem digitalen fünften Signal, eine Kombinationsschaltung zum Kombinieren des digitalen vierten Signals und des digitalen fünften Signals zu einem digitalen sechsten Signal, wobei das Dither-Signal ein periodisches Signal ist und wobei das periodische Dither-Signal eine Dither-Frequenz kleiner als eine untere Nutzfrequenz des ersten Signals aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, wobei der erste Umformer und der zweite Umformer einander entsprechen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8-10, wobei der erste Umformer und der zweite Umformer eingerichtet sind, entweder ein Analogsignal in ein digitales Signal oder ein digitales Signal von einer ersten Bitbreite auf eine zweite Bitbreite umzuformen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9-11, wobei das digitale vierte Signal und/oder das digitale fünfte Signal und/oder das digitale sechste Signal ein 1-Bit-Strom ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9-12, wobei das digitale vierte Signal und das digitale fünfte Signal eine erste Abtastfrequenz und das digitale sechste Signal eine zweite Abtastfrequenz aufweisen, wobei die erste Abtastfrequenz geringer als die zweite Abtastfrequenz ist.
Vorrichtung nach Anspruch 13, wobei die zweite Abtastfrequenz ein ganzzahliges Vielfaches von der zweifachen ersten Abtastfrequenz ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9-14, wobei die Kombinationsschaltung eingerichtet ist, ein alternierendes Kombinieren von dem digitalen vierten Signal und dem digitalen fünften Signal vorzunehmen.
Mikrofon, welches - einen Schallwandler, der eingerichtet ist, akustische Schwingungen in elektrische Signale umzuwandeln und als ein Mikrofonsignal bereitzustellen und - eine Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9-15 umfasst, wobei das Mikrofonsignal als das erste Signal bereitgestellt wird und ein Ausgangssignal des Mikrofons als das digitale sechste Signal bereitgestellt wird.