DE2003995A1

DE2003995A1 - Process for analog-digital conversion

Info

Publication number: DE2003995A1
Application number: DE19702003995
Authority: DE
Inventors: Karl Dr-Ing Euler; Dr-Ing Jungmeister Ha Guenther
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1970-01-29
Filing date: 1970-01-29
Publication date: 1971-08-19

Description

Verfahren zur Analo,g-Digitalumsetsung Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Umsetzung eines analogen Signals, insbe.sondere eines sehr breitbandigen Signals, in ein n-stelliges digitales Signal. Method for analog, digital conversion The invention relates to a Method for converting an analog signal, especially a very broadband one Signal, into an n-digit digital signal.

In der elektrischen Nachrichtentechnik werden Verfahren zur schnellen Analog-Digitalumsetzung von Analogsignalen benötigt. Derartige Analog-Digitalumsetzer sind insbesondere bei hohen Bandbreiten des zu übertragenden Analogsignals schwer zu realisieren, da bereits eine Bandbreite von 5 MHz eine Abtastfrequenz von 10 Hz bedingt. Für die Umwandlung eines Analogsignals in ein Digitalsignal steht in diesem Fall ein Zeitraum von 100 Nanosekunden zur Verfügung. Die Messung von Amplituden mit hoher Genauigkeit bereitet in den hierfür zur Verfügung stehenden kurzen Zeiträumen große Schwierigkeiten.In electrical communications engineering, methods are used for rapid Analog-digital conversion of analog signals is required. Such analog-to-digital converters are particularly difficult with high bandwidths of the analog signal to be transmitted to be realized, since a bandwidth of 5 MHz already means a sampling frequency of 10 Hz conditional. For converting an analog signal into a digital signal, stands in in this case a period of 100 nanoseconds is available. The measurement of amplitudes prepares with high accuracy in the short periods of time available for this great difficulties.

Bekannt sind mehrere Verfahren zur Erhöhung der Arbeitsgeschwindigkeit von Analog-Digitalumsetzern. Ein erstes Verfahren verwendet zur Analog-Digitalumsetzung mehrere Codierer, die aufeinanderfolgenden Amplitudenstufen des Analogsignals werden in den verschiedenen Codierern nacheinander codiert. Damit steht für~die Codierung einer Amplitudenstufe eine um die Anzahl der Kodierer vervielfachte Zeit zur Verfügung.Several methods of increasing the operating speed are known of analog-to-digital converters. A first method used for analog-to-digital conversion multiple encoders that become successive amplitude levels of the analog signal coded one after the other in the different coders. So ~ stands for the coding a time multiplied by the number of encoders is available to an amplitude stage.

Weiterhin sind Verfahren mit zeitgestaffelter Codierung bekannt, -bei dem die einzelnen Teilcodierer eines Codierers über Verzbgerungsleitungen hintereinandergeschaltet sind.Furthermore, methods with time-graded coding are known, -bei that of the individual sub-coders of a coder via delay lines are connected in series.

Bei diesem Verfahren kann jeder einzelne Teilcodierer zu jedem Zeitpunkt eine der aufeinanderfolgenden Abtastproben verarbeiten. Auch hierbei ergibt sich eine wesentliche Erhöhung der Arbeitsgeschwindigkeit der Codiereinrichtung.With this method, each individual partial encoder can at any point in time process one of the successive samples. This also results a substantial increase in the operating speed of the encoder.

Alle derartigen Anordnungen erfordern insbesondere bei breitbandigen Signalen und bei hoher Elemente zahl der verwendeten Codes sehr hohen Aufwand, außerdem bereiten die hohen Genauigkeitsforderungen, die an die bei dem zuletzt genannten Codierer verwendeten Verzögerungsleitungen gestellt werden müssen, erhebliche Schwierigkeiten.All such arrangements require, especially in the case of broadband Signals and, with a high number of elements, the codes used are also very costly prepare the high demands on accuracy, which are to be met by the latter Encoder delay lines used must be provided, significant difficulties.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, für ein Verfahren zur Umsetzung eines analogen Signals in ein n-stelliges digitales Signal eine weitere Ldsung anzugeben, die sich durch besonders einfachen Aufbau auszeichnet.The invention is based on the object for a method for implementation to specify a further solution from an analog signal to an n-digit digital signal, which is characterized by its particularly simple structure.

Ausgehend von einem Verfahren zur Umsetzung eines analogen Signals, insbesondere eines sehr breitbandigen Signale, in ein n-stelliges digitales Signal, bei dem dem analogen Signal für die Umsetzung Abtastproben entnommen werden, wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß die Amplitudenwerte der Abtastproben in Prequenzwerte umgewandelt und anschließend die so gewonnenen Signale durch Prequenzerkennung im Sinne der Erzeugung der gewünschten n-stelligen digitalen Signale ausgewertet werden.Based on a method for converting an analog signal, in particular a very broadband signal, into an n-digit digital signal, in which samples are taken from the analog signal for conversion This object is achieved according to the invention in that the amplitude values of the samples converted into frequency values and then the signals obtained in this way by frequency recognition evaluated in terms of generating the desired n-digit digital signals will.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß die genaue Messung von Zeiten und Prequenzen wesentlich geringere Schwierigkeiten mit sich bringt, als die Messung von Amplituden. Bei Prequenzmodulation einer Slnusachwingung mit dem zu codierenden Analogsignal verlagert sich die zu übertragende Information von der Amplitudebebene in die. Zeit ebene. Die Augenblicksfrequenz der Hochfrequenzschwingung des Oszillators steht jeweils in-einem festen Verhäl-tnis zu der zu quantisierenden Amplitude des Analogsignals.The invention is based on the knowledge that the precise measurement of times and prequences brings with it much less difficulty, than measuring amplitudes. With frequency modulation of a snus oscillation with the information to be transmitted is shifted from the analog signal to be coded the amplitude plane in the. Time level. The instantaneous frequency the high-frequency oscillation of the oscillator is always in a fixed ratio to the amplitude of the analog signal to be quantized.

Eine zweckmäßige Anordnung zur Durchführung dieses Verrlhrens ist dadurch gegeben, daß ein in seiner Frequenz um den Modulationshub #f steuerbarer Oszillator vorgeneben ist, an dessen Steuereingang die über eine Abtasteinrichtung gewonnenen Abtastproben des umzusetzenden Signals anliegen, daß ferner eine der Anzahl der Bit d-es zu erzeugenden digitalen- Signais entsprechende Anzahl von Teilcodierern mit einem Bit-ausgang und zwei Eingängen vorfinden ist, von denen die einen Eingänge mit dem Ausgang des Oszillators in Verbindung stehen und die anderen Eingänge dem Ausgang e.iner'Taktversorgung parallel angeschaltet sind, und daß die Teilcodierer im wesentlichen aus Schwellwertschaltungen bestehen, die einerseits vom zugeführten Taktpuls -gesteuert sind und andererseits mit einem das Steuerkriterium für den Bitausgang der Schwellwertschaitungen lie-fernden Prequenzdiskriminator zusammenwirken.A convenient arrangement for performing this procedure is given by the fact that a frequency can be controlled by the modulation deviation #f Oscillator is given, at whose control input the via a scanning device obtained samples of the signal to be converted are present that also one of the Number of bit d digital signals to be generated corresponding number of partial encoders with one bit output and two inputs, one of which is inputs are connected to the output of the oscillator and the other inputs to the Output e.iner'Taktversorgung are connected in parallel, and that the partial encoder consist essentially of threshold value circuits, on the one hand from the supplied Clock pulse -controlled and on the other hand with a control criterion for the Bit output of the threshold value circuits supplying frequency discriminator interact.

Dabei ist es vorteilhaft, wenn jeder Schwellwertschaltung ein eigener Prequenzdiskriminator zugeordnet ist.It is advantageous if each threshold value circuit has its own Prequency discriminator is assigned.

Eine einfache Möglichkeit zur Realisierung derartiger Frequenzdiskriminatoren besteht. darin, daß jeder Frequenzdiskriminator aus einer am Ende kurzgeschlossenen Leitung mit der Phasengeschwindigkeit v besteht, daß ferner die Eingänge der Frequenzdiskriminatoren gegebenenfalls über Entkopplungagl-ieder zueinander parallelgeschaltet und mit dem- Ausgang des Oszillators verbunden sind, daß außerdem der eine Eingang jeder Schwellwertschaltung mit dem Eingang der ihm zugeordneten Leitung verbunden ist.A simple way of realizing such frequency discriminators consists. in that each frequency discriminator consists of a short-circuited at the end Line with the phase velocity v is that also the inputs of the frequency discriminators if necessary, connected in parallel to each other via decoupling members and Output of the oscillator are connected, that also the one input of each threshold value circuit is connected to the input of the line assigned to it.

Beim Durchfahren des gesamten Frequenzhubs #f bilden sich an den Leitungseingängen abwechselnd Spannungsbäuche und Knoten aus. Die Schwellwertschaltungen am Eingang der Leitungen zeigen an, ob die Amplitude oberhalb oder unterhalb eines bestimmten Schwellwertes liegt, was einer binären Einn bzw. Null entspricht.When driving through the entire frequency swing #f are formed at the line inputs alternating tension bulges and knots. The threshold value circuits at the input of the lines indicate whether the amplitude is above or below a certain Threshold value is, which corresponds to a binary one or zero.

Eine weitere Vereinfachung der Anordnung ergibt sich dadurch, daß sämtlichen Schwellwertschaltungen ein einziger Frequenzdiskriminator mit einer der Anzahl der Schwelwertschaltungen entsprechenden Anzahl von Ausgängen gemeinsam zugeordnet ist.A further simplification of the arrangement results from the fact that all threshold circuits a single frequency discriminator with one of the Number of threshold value circuits assigned to the corresponding number of outputs together is.

Auch in diesem Fall ist es vorteilhaft, den gemeinsamen Frequenzdiskriminator als am Emde kurzgeschlossenen Leitung zu realisieren, an die .n bestimmten Abständen über Ausgänge darstellende Abgrigge die Schwellwertschaltungen angeschaltet sind.In this case, too, it is advantageous to use the common frequency discriminator than to realize a short-circuited line at the Emde, to the .n certain distances The threshold value circuits are switched on via outputs representing outputs.

Die elektrische Länge der Leitungen ii bzw. der elektrische Abstand ai der Abgriffe der Schwellwertdetektoren vom kurzgeschlossenen Ende der Leitung kan dabei für das i-te Bit beispielsweise nach der aus den bekannten Leitungegleichungen abgeleiteten Gleichung bestimmt werden.The electrical length of the lines ii or the electrical distance ai of the taps of the threshold value detectors from the short-circuited end of the line kan for the i-th bit, for example, according to the equation derived from the known line equations to be determined.

Aus den Gleichungen fr die Lange der Leitungen bzw. für den Abstand der Schwellwetdetektoren vom kurzgeschlossenen Ende der Leitung laBt sich durch Umformungen der erforderliche Modulationshub df des Oszillators bzw. die Bandbreite b des zu tlbertragenden Analogsignals ermitteln: In diesen Gleichungen ist fT die Abtasttaktfrequenz, n die Anzahl der Stellen des Code und tmod die Einstellzeit des Oszillators auf eine durch die Amplitude einer Abtastprobe bestimmte Frequenz.The required modulation deviation df of the oscillator or the bandwidth b of the analog signal to be transmitted can be determined from the equations for the length of the lines or for the distance between the threshold detectors and the short-circuited end of the line: In these equations, fT is the sampling clock frequency, n is the number of digits in the code, and tmod is the time the oscillator settles to a frequency determined by the amplitude of a sample.

Anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele soll die Erfindung im folgenden noch näher erläutert werden. Es zeigen Fig. ein Ausführungsbeispiel eines Analog-Digitalumsetzers zur Durchführung des. Verfahrens nach der Erfindung mit einer der Anzahl der Binärstellen entsprechenden Zahl von am Ende kurzgeschlossenen Leitungen; Fig.? ein weiteres Ausfahrungsbeispiel eines Analog-Digitaiumsetzers zur Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung, bei dem nur eine Leitung erforderlich ist.Based on the embodiments shown in the drawing the invention will be explained in more detail below. FIG. 1 shows an exemplary embodiment an analog-digital converter for carrying out the. Method according to the invention with a number of short-circuited at the end corresponding to the number of binary digits Cables; Fig.? Another example of an analog digital setter for carrying out the method according to the invention, in which only one line is required is.

Der Analog-Digitalumsetzer nach Fig.i enthält die Abtast-und Halteschaltung 1, den um den Modulationshub #f in seiner Frequenz steuerbaren Oszillator 2, den Abtasttaktgenerator 3, die Schwellwertschaltungen D1 ... Dn und die am Ende kurzgeschlossenen Leitungen L1...Ln. Der Eingang fir das Analogsignal E ist über die Abtast- und Halteschaltung mit dem Steuereingang S des frequenzmodulierten Oszillators 2 verbunden. In den Ausgang 1 des frequenzmodulierten Oszillators ) sind die zueinander parallelgeschalteten Eingänge der Leitungen L1...Ln angeschaltet.The analog-digital converter according to Fig.i contains the sample and hold circuit 1, the frequency controllable oscillator 2 by the modulation swing #f, the Sampling clock generator 3, the threshold value circuits D1 ... Dn and the short-circuited at the end Lines L1 ... Ln. The input for the analog signal E is via the sample and hold circuit with the control input S of the frequency-modulated Oscillator 2 connected. In output 1 of the frequency-modulated oscillator) are the parallel-connected Inputs of the lines L1 ... Ln switched on.

An den Eingängen der Leitungen sind jeweils Schwellwertschaltungen D1...Dn angeordnet, deren Ausgänge die Ausgänge fhr die einzelnen Bit Bit ts Bit n darstellen. sowohl die Abtast- und Halteschaltung 1 als auch die Schwellwertschaltungen D1...Dn werden vom Abtasttaktgenerator 3 gesteuert.There are threshold value circuits at the inputs of the lines D1 ... Dn arranged, the outputs of which are the outputs for the individual bit bits ts bit represent n. both the sample and hold circuit 1 and the threshold value circuits D1 ... Dn are controlled by the sampling clock generator 3.

Das Analogsignal wird in der Abtast- und Halteschaltung abgetastet und jeweils bis zum nächsten Abtastzeitpunkt gespeichert. In der Zeit zwischen zwei Abtastzeitpunkten muß sich der Oszillator auf den entsprechenden Frequenzwert, der der Höhe des Analogsignals zum ersten Abtastzeitpunkt entspricht, einstellen. Die Hochfrequenzschwingung des frequenzmodulierten Oszillators 2 bildet auf den Leitungen L1...Ln stehende Wellen aus, die erstmals nach Ablauf der doppelten Laufzeit auf der Leitung entstehen.The analog signal is sampled in the sample and hold circuit and stored until the next sampling time. In the time between two Sampling times, the oscillator must adjust to the corresponding frequency value, the corresponds to the level of the analog signal at the first sampling time. the High-frequency oscillation of the frequency-modulated oscillator 2 forms on the lines L1 ... Ln standing waves that appear for the first time after twice the running time has elapsed the line arise.

Der Bauch- bzw. Knotenabstand ist der Frequenz der Oszillatorschwingung umgekehrt proportional. Beim Durchfahren des gesamten Frequenzhubs wird also am Leitungseingang eine sich kontinuierlich ändernde Spannung wirksam, bei der sich Spannungsbäuche und -knoten abwechseln. Die Schwellwertschaltungen am Eingang der Leitungen zeigen an, ob die Amplitude oberhalb oder unterhalb eines bestimmten Pegels liegt. Liegt der Pegel oberhalb der Schwellsertamplitude, so wird eine binäre Eins abgegeben, liegt er unterhalb, so wird eine binäre Null abgegeben. Jeder Binärstelle ist eine kurzgeschlossene Leitung mit einer Schwellwertschaltung zugeordnet. Die elektrische Länge li der zur i-ten Binärstelle zugehörigen Leitung Li kann aus der Gleichung ermittelt werden.The abdominal or node spacing is inversely proportional to the frequency of the oscillator oscillation. When driving through the entire frequency swing, a continuously changing voltage becomes effective at the line input, in which voltage bulges and nodes alternate. The threshold value circuits at the input of the lines indicate whether the amplitude is above or below a certain level. If the level is above the threshold amplitude, a binary one is output; if it is below the threshold, a binary zero is output. A short-circuited line with a threshold value circuit is assigned to each binary digit. The electrical length li of the line Li belonging to the i-th binary digit can be derived from the equation be determined.

Fig. 2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Analog-Digitalumsetzers nach der Erfindung, der nur eine einzige am Ende kurzgeschlossene Leitung L verwendet.Fig. 2 shows a further embodiment of an analog-to-digital converter according to the invention, which uses only a single line L short-circuited at the end.

Bei diesem Analog-Digitalumsetzer sind die einzelnen Leitungen des ersten Ausführungsbeispiels zu einer Leitung zusammengefaßt, an die über eine der Anzahl der Binärstellen entsprechende Zahl von Abgriffen a1...an Schwellwertschaltungen angeschaltet sind. Der Abstand ai des Abgriffs für das i-te Bit vom kurzgeschlossenen Ende der Leitung kann nach der-Gleichung ermittelt werden. Im übrigen entspricht die Arbeitsweise und der Auft-au dieses Analog-Digitalsumsetzers dem Analog-Digitalumsetzer des ersten Ausführungsbeispiels.In this analog-digital converter, the individual lines of the first exemplary embodiment are combined into one line to which a number of taps a1... Are connected to threshold value circuits via a number of taps a1. The distance ai of the tap for the i-th bit from the short-circuited end of the line can be calculated according to the equation be determined. Otherwise, the mode of operation and the structure of this analog-digital converter corresponds to the analog-digital converter of the first exemplary embodiment.

2 Figuren 7 Patentasprüche2 figures 7 patent claims

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e 1. Procedure for implementing an analog Signal, especially a very broadband signal, into an n-digit digital one Signal in which samples are taken from the analog signal for conversion, it is noted that the amplitude values of the samples converted into freluence values and then the signals obtained in this way by frequency detection evaluated in terms of generating the desired n-digit digital signals will.

2. Arrangement for performing the method according to claim 1, characterized characterized in that a frequency can be controlled by the modulation deviation #f Oscillator (2) is provided, at whose control input (S) the via a scanning device (1) obtained samples of the signal to be converted are present, that also a the number of bits corresponding to the number of bits of the digital signal to be generated Part encoders with one bit output and two inputs is available, of which the one of the inputs is connected to the output of the oscillator, and the other Inputs are connected in parallel to the output of a clock supply, and that the Part encoders essentially consist of threshold circuits (Di. ..Dn) which are controlled on the one hand by the supplied clock pulse and on the other hand with a das Control criterion for the bit output of the frequency discriminator supplying the threshold value circuits cooperate.

3. Arrangement according to claim 2, characterized in that each threshold value circuit its own frequency discriminator is assigned.

4. Arrangement according to claim 2 and 3, characterized in that each Frequency discriminator from a line short-circuited at the end (Ll ... Ln) with the phase velocity v is that also the inputs of the frequency discriminators optionally connected in parallel to each other via decoupling members and with the Output of the oscillator (2) are connected that also-one input each Threshold circuit (Dl ... Dn) connected to the input of the line assigned to it is.

5. Arrangement according to claim 2, characterized in that all Threshold circuits a frequency discriminator with one of the number of threshold circuits corresponding number of outputs is jointly assigned.

6. Arrangement according to claim 2 and 5, characterized in that the common frequency discriminator from a line short-circuited at the end (L) to which taps (a1 ... an) representing outputs at certain intervals the threshold value circuits (D1 ... Dn) are switched on.

7. Arrangement according to claim 4 and 6, characterized in that for the i-th bit, the electrical length li of the line or the electrical distance ai of the tap of the threshold circuit from the short-circuited end of the line according to the equation is determined. L eerseite