DE3605928C2

DE3605928C2 - Circuit arrangement for A / D conversion with filters for band limitation

Info

Publication number: DE3605928C2
Application number: DE19863605928
Authority: DE
Inventors: Amar Dr Ali
Original assignee: Alcatel SEL AG
Current assignee: Alcatel Lucent Deutschland AG
Priority date: 1986-02-25
Filing date: 1986-02-25
Publication date: 1994-02-17
Anticipated expiration: 2006-02-26
Also published as: DE3605928A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Analog/Digital (A/D)-Wandlung mit Tiefpaß-Filtern zur Bandbegrenzung. Solche Schaltungsanordnungen werden z. B. in der Fernsehtechnik als Umsetzer für Bild- und Tonsignale verwendet. Übliche Schaltungsanordnungen dieser Art verwenden vor einer Abtastung des Analogsignals teure analoge Tiefpaß-Filter ("Anti-Aliasing"), die nicht in integrierter Schaltungstechnik herstellbar sind und die bei Fernsehsignalen aufwendige Allpässe zur Korrektur des Phasenverlaufs erfordern.The invention relates to a circuit arrangement for Analog / digital (A / D) conversion with low-pass filters for Band limitation. Such circuit arrangements are such. B. in television technology as a converter for picture and sound signals used. Usual circuit arrangements of this type use expensive before sampling the analog signal analog low-pass filters ("anti-aliasing") that are not in integrated circuit technology can be produced and the in the case of television signals, complex all-passports to correct the Require phase progression.

Ein Verfahren zum Analog/Digital-Wandeln sowie zum Digital/Analog- Wandeln ist aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 31 42 920 A1 zu entnehmen. Dabei wird die Aufgabe gelöst, aufwendige analoge Filter vor einer Analog/Digital-Wandlung zu vermeiden, in dem bei der A/D- Wandlung eine Abtastfrequenz angewendet wird, welche wesentlich höher (mindestens etwa dem Vierfachen der im Analogsignal enthaltenen höchsten Nutzfrequenz) als die im Hinblick auf das Abtasttheorem er forderliche Frequenz ist. Somit kann ein einfaches Vorfilter und ein digitales Filter nach der A/D-Wandlung verwendet werden.A process for analog / digital conversion as well as for digital / analog Change is from German published patent application DE 31 42 920 A1 remove. The task is solved, complex analog filters to avoid before an analog / digital conversion, in which with the A / D Conversion a sampling frequency is applied, which is much higher (at least about four times that contained in the analog signal highest useful frequency) than that with regard to the sampling theorem required frequency is. Thus, a simple prefilter and a digital filter after the A / D conversion can be used.

Die technische Aufgabe einer Schaltungsanordnung zur A/D-Wandlung besteht darin, ein Eingangssignal, bei dem eine zu übertragende Information in einem Kriterium (meist Amplitude) des Signals durch kontinuierliche Werte repräsentiert wird, in ein Ausgangssignal umzuwandeln, bei dem die gleiche Information durch digital gestufte Werte (z. B. PCM-Code) repräsentiert wird.The technical task of a circuit arrangement for A / D conversion is an input signal where information to be transmitted in one criterion (mostly amplitude) of the signal through continuous values is represented to convert into an output signal where the same information is digitally graded Values (e.g. PCM code) is represented.

Die Schaltungsanordnung der eingangs bezeichneten Art ist nach der Erfindung dadurch gekennzeichnet,The circuit arrangement of the type mentioned is characterized according to the invention,

a) that the output of a low-pass filter with the bandwidth n × B with the input of a first sampling circuit is connected to the sampling frequency 2n × B,
b) that the output of the first sampling circuit with the Input of an A / D converter with the working frequency 2n × B is connected,
c) that the output of the A / D converter with the input of a digital, phase-free low-pass filter arrangement with the bandwidth B is connected
d) that the output of the digital, phase-free low-pass Filter arrangement with the input of a second sampling circuit is connected, and
e) that the second sampling circuit every kth value of the Sequence of digital samples at the output of the Passes on the order,

wobei B die gewünschte Bandbreite des umzuwandelnden Analogsignals ist, und die Beziehungen k ≧ 1, n ≧ 2 und n ≧ k gelten (mit n und k als ganzen Zahlen).where B is the desired bandwidth of the to be converted Analog signal is, and the relationships k ≧ 1, n ≧ 2 and n ≧ k apply (with n and k as integers).

Der Vorteil dieser Schaltungsanordnung gegenüber üblichen Schaltungen liegt darin, daß sie mit vergleichsweise billigen Bauteilen realisiert werden kann, weil im höherfrequenten Teil keine hohe Flankensteilheit erforderlich ist und dann auch billige Bauteile phasenfrei arbeiten.The advantage of this circuit arrangement over conventional ones Circuits is that they are comparatively cheap components can be realized because in the higher frequency Part no high slope required is and then also work cheaply phase-free components.

Eine besonders günstige Ausgestaltung der enthaltenen Tiefpaß-Filteranordnung der Bandbreite B ist im Patentanspruch 2 gekennzeichnet.A particularly favorable embodiment of the contained Low-pass filter arrangement of bandwidth B is in the claim 2 marked.

Im Patentanspruch 3 ist die im Hinblick auf die Nyquistbedingungen optimale Wahl der Beziehung zwischen n und k mit n = k gekennzeichnet.In claim 3 is that in terms of Nyquist conditions optimal choice of the relationship between n and k marked with n = k.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand des in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels erläutert. Es zeigtThe invention is described below with reference to the drawings illustrated embodiment explained. It shows

Fig. 1 ein Blockschaltbild einer Schaltungsanordnung nach der Erfindung und Fig. 1 is a block diagram of a circuit arrangement according to the invention and

Fig. 2 Einzelheiten einer digitalen Filteranordnung 4 nach Fig. 1. FIG. 2 shows details of a digital filter arrangement 4 according to FIG. 1.

In der Schaltungsanordnung nach Fig. 1 liegt eine Reihenschaltung eines Tiefpaß-Filters 1, einer ersten Abtastschaltung 2, eines A/D-Wandlers 3, einer digitalen Filteranordnung 4 und einer zweiten Abtastschaltung 5 vor.In the circuit arrangement according to FIG. 1 there is a series connection of a low-pass filter 1 , a first sampling circuit 2 , an A / D converter 3 , a digital filter arrangement 4 and a second sampling circuit 5 .

Die Pfeile an den Verbindungen zwischen den einzelnen Komponenten in Fig. 1 kennzeichnen die jeweiligen Bandbreiten des Nutzsignals auf den Verbindungsleitungen, während die Pfeile in Richtung auf die einzelnen Komponenten die digitalen Arbeitsfrequenzen (bzw. Abtastfrequenzen) der jeweiligen Komponenten selbst bezeichnen.The arrows on the connections between the individual components in FIG. 1 indicate the respective bandwidths of the useful signal on the connecting lines, while the arrows in the direction of the individual components denote the digital working frequencies (or sampling frequencies) of the respective components themselves.

Das Filter 1 ist ein vergleichsweise billiges Filter mit geringer Flankensteilheit an der Grenzfrequenz. Dem Filter 1 wird das umzuwandelnde Analogsignal zugeführt. An seinem Ausgang ist das Signal auf die Bandbreite n × B begrenzt, wobei B die gewünschte Bandbreite des umzuwandelnden Analogsignals und n eine ganze Zahl ≧2 (z. B. 3. . .) ist. Dieses Signal wird in der ersten Abtastschaltung 2 mit einer Frequenz 2n × B abgetastet, das Nutzsignal an deren Ausgang hat weiterhin die Bandbreite n × B. Der A/D-Wandler 3 setzt mit einer Arbeitsfrequenz 2n × B die zugeführten analogen Abtastproben in digitale Abtastwerte um, die als Signal mit der Bandbreite n × B der Tiefpaß-Filteranordnung 4 zugeführt werden. Diese Filteranordnung 4 soll eine hohe Flankensteilheit und keinen Phasenfehler ("Null-Phase") haben. The filter 1 is a comparatively cheap filter with a low edge steepness at the cutoff frequency. The filter 1 is supplied with the analog signal to be converted. At its output, the signal is limited to the bandwidth n × B, where B is the desired bandwidth of the analog signal to be converted and n is an integer ≧ 2 (e.g. 3...). This signal is sampled in the first sampling circuit 2 with a frequency 2n × B, the useful signal at its output still has the bandwidth n × B. The A / D converter 3 uses an operating frequency 2n × B to convert the supplied analog samples into digital samples um, which are supplied as a signal with the bandwidth n × B of the low-pass filter arrangement 4 . This filter arrangement 4 should have a high edge steepness and no phase error ("zero phase").

Am Eingang (E) der Filteranordnung 4 liegen die digitalen Abtastwerte mit einer Abtastfrequenz von 2n × B sowie einer Bandbreite des Nutzsignals von n × B vor. Die Bandbreite des Nutzsignals wird von der Filteranordnung 4 auf den Wert B begrenzt, wobei die Filteranordnung mit der Abtastfrequenz 2n × B arbeitet. Abschließend werden die am Ausgang (A) der Filteranordnung erscheinenden digitalen Werte der zweiten Abtastschaltung 5 zugeführt. Die zweite Abtastschaltung reduziert die Abtastfrequenz um den Faktor k, indem sie nur noch jeden k-ten digitalen Wert an den Ausgang der gesamten Anordnung weiterleitet. Somit beträgt die Abtastfrequenz am Ausgang der Anordnung 2n/k × B. Dabei ist k eine ganze Zahl ≧1, für die gleichzeitig die Beziehung n ≧ k gilt. Im Falle n = k wird die Abtastfrequenz auf den der Nyquistbedingung entsprechenden minimalen Wert von 2 × B reduziert.At the input (E) of the filter arrangement 4 , the digital samples are available with a sampling frequency of 2n × B and a bandwidth of the useful signal of n × B. The bandwidth of the useful signal is limited by the filter arrangement 4 to the value B, the filter arrangement operating at the sampling frequency 2n × B. Finally, the digital values appearing at the output (A) of the filter arrangement are fed to the second sampling circuit 5 . The second sampling circuit reduces the sampling frequency by a factor of k by only forwarding every kth digital value to the output of the entire arrangement. The sampling frequency at the output of the arrangement is thus 2n / k × B. Here, k is an integer ≧ 1, for which the relationship n ≧ k applies at the same time. If n = k, the sampling frequency is reduced to the minimum value of 2 × B corresponding to the Nyquist condition.

Die Schaltungsanordnung kann insgesamt mit vergleichsweise billigen Bauteilen realisiert werden, weil im höherfrequenten Teil keine hohe Flankensteilheit erforderlich ist und dann auch billige Bauteile phasenfrei arbeiten. Erst in der Filteranordnung 4 ist Flankensteilheit und Phasenfreiheit erforderlich. Dies läßt sich mit rekursiven digitalen Filtern erreichen.The overall circuit arrangement can be implemented with comparatively cheap components, because in the higher-frequency part no high edge steepness is required and then cheap components also work phase-free. It is only in the filter arrangement 4 that slope and phase freedom are required. This can be achieved with recursive digital filters.

Eine besonders günstige Ausgestaltung der digitalen Filteranordnung 4 wird anhand Fig. 2 erläutert.A particularly favorable embodiment of the digital filter arrangement 4 is explained with reference to FIG. 2.

Die Filteranordnung nach Fig. 2 besteht aus einer Reihenschaltung mit zwei Filtern F1, F2 bekannter Bauart und zwei Zwischenspeichern Z1, Z2. Als Filter F1, F2 eignen sich z. B. Cauer-, Tschebyscheff-Filter oder andere Filterarten. Beide Filter sollen die gleiche Übertragungsfunktion H(ω) haben. Dies bedeutet, wenn man ein elektrisches Signal mit beliebigen Frequenzkomponenten, aber mit endlicher Dauer gleichzeitig den Eingängen EF1 und EF2 der beiden voneinander isolierten Filter F1, F2 zuführen würde, dann würde an beiden Ausgängen AF1, AF2 der Filter F1, F2 ein übereinstimmendes elektrisches Signal auftreten. Die Filter F1, F2 können durchaus einfacher Bauart sein, so daß jeweils zwischen Eingangssignal und Ausgangssignal des Filters eine Phasenverzerrung auftritt.The filter arrangement according to FIG. 2 consists of a series connection with two filters F1, F2 of known construction and two intermediate stores Z1, Z2. As filters F1, F2 are, for. B. Cauer, Tschebyscheff filters or other types of filters. Both filters should have the same transfer function H (ω). This means that if an electrical signal with any frequency components but of finite duration were simultaneously fed to the inputs EF1 and EF2 of the two filters F1, F2 isolated from one another, then the filter F1, F2 would have a corresponding electrical signal at both outputs AF1, AF2 occur. The filters F1, F2 can be of simple construction, so that a phase distortion occurs between the input signal and the output signal of the filter.

In der Filteranordnung nach Fig. 2 ist der Ausgang AF1 des ersten Filters F1 mit dem Eingang EZ1 eines ersten Zwischenspeichers Z1 und der Ausgang AF2 des zweiten Filters F2 mit dem Eingang EZ2 eines zweiten Zwischenspeichers Z2 verbunden. Die Zwischenspeicher Z1, Z2 sollen übereinstimmend folgende Eigenschaften aufweisen: Ein dem Eingang EZ1 bzw. EZ2 zugeführtes elektrisches Signal bestimmter Dauer, das aus beliebigen Frequenzkomponenten bestehen kann, wird jeweils so zwischengespeichert, daß der zeitliche Verlauf des Eingangssignals erkennbar, zumindest abgreifbar bleibt. Durch eine interne, hier nicht dargestellte Steuerung wird erreicht, daß das Eingangssignal mit umgekehrter zeitlicher Folge, also gewissermaßen zeitlich gespiegelt, am jeweiligen Ausgang AZ1 bzw. AZ2 erscheint. Solche Zwischenspeicher sind in verschiedenen Ausführungsformen bekannt. In der Digitaltechnik nennt man solche Zwischenspeicher nach dem zugrundeliegenden Prinzip FILO-Speicher (First In Last Out). In the filter arrangement of FIG. 2, the output of the first filter F1 is AF1 a first latch Z1 and the output of the second filter F2 AF2 connected to the input EZ1 to the input EZ2 a second latch Z2. The buffers Z1, Z2 should have the following properties in agreement: An electrical signal of a certain duration which is fed to the input EZ1 or EZ2 and which can consist of any frequency components is buffered in such a way that the time course of the input signal remains recognizable, or at least tapped off. An internal control (not shown here) ensures that the input signal appears at the respective output AZ1 or AZ2 with the reverse chronological order, that is to say mirrored to a certain extent. Such buffers are known in various embodiments. In digital technology, such buffers are called FILO memories (First In Last Out) based on the underlying principle.

In der Filteranordnung nach Fig. 2 ist der Ausgang AZ1 des ersten Zwischenspeichers Z1 mit dem Eingang EF2 des zweiten Filters F2 verbunden und der Ausgang AZ2 des zweiten Zwischenspeichers Z2 ist mit dem Ausgang A der gesamten Filteranordnung verbunden.In the filter arrangement of FIG. 2, the output of the first latch is AZ1 Z1 connected to the input EF2 of the second filter F2 and the output of the second latch AZ2 Z2 is connected to the output A of the entire filter assembly.

Ein auf den Eingang E gegebenes elektrisches Signal begrenzter Dauer durchläuft also zunächst das erste Filter F1 und dann nach der Umwandlung im ersten Zwischenspeicher Z1 gewissermaßen mit invertierter Zeitachse das übereinstimmende zweite Filter F2, um dann im zweiten Zwischenspeicher Z2 der gleichen Umwandlung (Invertierung der Zeitachse) unterworfen zu werden.An electrical signal given to input E limited Duration therefore first passes through the first filter F1 and then after the conversion in the first buffer Z1, so to speak, with an inverted time axis matching second filter F2, then in the second Buffer Z2 of the same conversion (inversion the timeline).

Insgesamt hat die Filteranordnung die Übertragungsfunktion |H(ω)|², wenn H(ω) die Übertragungsfunktion jedes Filters F1, F2 ist. Da das erste zwischengespeicherte Signal nach der Zeitinvertierung im zweiten Filter F2 eine übereinstimmende Phasenverzerrung erfährt wie das Eingangssignal im ersten Filter F1, hebt sich insgesamt die Phasenverzerrung der Filter F1, F2 auf. Dies bedeutet, daß sich über den gesamten Frequenzbereich zwischen dem Signal am Eingang E und dem Signal am Ausgang A eine konstante Gruppenlaufzeit und ein linearer Phasenverlauf ergibt. Natürlich muß noch erwähnt werden, daß das Signal am Ausgang AZ2 und damit am Ausgang A wegen der erneuten Invertierung der Zeitachse im zweiten Zwischenspeicher Z2 wieder im ursprünglichen zeitlichen Verlauf erscheint, wie es auf den Eingang E gegeben wurde. Die Speicherkapazität der Zwischenspeicher Z1, Z2 muß auf den Anwendungsfall abgestimmt werden, da diese Speicherkapazität die verarbeitbare Eingangssignaldauer bestimmt. Overall, the filter arrangement has the transfer function | H (ω) | ² if H (ω) is the transfer function of each filter F1, F2. Since the first temporarily stored signal experiences a phase distortion in the second filter F2 after the time inversion, like the input signal in the first filter F1, the phase distortion of the filters F1, F2 is canceled out overall. This means that a constant group delay and a linear phase curve result over the entire frequency range between the signal at input E and the signal at output A. Of course, it must also be mentioned that the signal at output AZ2 and thus at output A reappears in the original time course as it was given to input E because of the renewed inversion of the time axis in the second buffer memory Z2. The storage capacity of the buffers Z1, Z2 must be matched to the application, since this storage capacity determines the processable input signal duration.

Wenn man ein kontinuierliches Signal längerer Dauer einer solchen Filterung unterziehen will, so kann man z. B. anstelle des einen ersten Zwischenspeichers Z1 zwei solche parallele Speicher vorsehen, die alternierend mit dem Ausgang AF1 des ersten Filters F1 verbunden werden und deren Ausgänge zeitversetzt alternierend mit dem Eingang EF2 des zweiten Filters F2 verbunden werden, so daß insgesamt ein kontinuierliches Signal am Eingang EF2 liegt. Dieses kontinuierliche Signal besteht jedoch aus portionsweise (im Rhythmus der alternierenden Umschaltung der Ein- und Ausgänge der beiden parallelen Speicher) zeitlich invertierten und ineinandergeschachtelten Teilsignalfolgen.If you have a continuous signal of a longer duration want to undergo such filtering, you can e.g. B. instead of the first buffer Z1 two such provide parallel memories that alternate with the Output AF1 of the first filter F1 can be connected and the outputs of which alternate with the input at different times EF2 of the second filter F2 are connected, so that a total there is a continuous signal at input EF2. However, this continuous signal consists of portions (in the rhythm of the alternating switching of the inputs and outputs of the two parallel memories) temporally inverted and nested partial signal sequences.

Wenn die Umschaltdauer für die zeitversetzte Anschaltung der beiden parallelen Speicher nicht vernachlässigbar kurz ist, so kann man drei parallele Speicher mit überlappter Steuerung verwenden. Mehr benötigt man sicher nicht, denn man kann davon ausgehen, daß näherungsweise jeweils die Einschreibdauer gleich der Auslesedauer ist.If the switching time for the delayed connection of the two parallel memories is not negligible is short, you can have three parallel memories with overlapped Use control. You surely need more not, because one can assume that approximately the registration period is the same as the readout period.

Entsprechendes gilt natürlich für den zweiten Zwischenspeicher Z2, der für eine Verarbeitung kontinuierlicher Eingangssignale in zwei bzw. drei parallele, umschaltbare Speicher aufgeteilt werden kann.The same naturally applies to the second buffer Z2, for continuous processing Input signals in two or three parallel, switchable Memory can be split.

Wenn man jeweils mit einem ersten und einem zweiten Zwischenspeicher auskommen will, so hängt, wie oben erwähnt, deren Kapazität von der Länge der zu verarbeitenden Signalabschnitte ab.If you have a first and a second buffer wants to get by, as mentioned above, whose capacity depends on the length of the signal sections to be processed from.

Claims

1. Circuit arrangement for A / D conversion with filters for band limitation, characterized in that the output of a low-pass filter ( 1 ) with the bandwidth n × B is connected to the input of a first sampling circuit ( 2 ) with the sampling frequency 2n × B that the output of the first sampling circuit ( 2 ) is connected to the input of an A / D converter ( 3 ) with the operating frequency 2n × B, that the output of the A / D converter ( 3 ) with the input of a digital, phase-free Low-pass filter arrangement ( 4 ) is connected to the bandwidth B, that the output of the digital, phase-free filter arrangement ( 4 ) is connected to the input of a second sampling circuit ( 5 ) and that the second sampling circuit ( 5 ) has every kth value of the Passes the sequence of digital samples to the output of the arrangement, where B is the desired bandwidth of the analog signal to be converted and the relationships k ≧ 1, n ≧ 2 and n ≧ k apply (with n and k as integers).

2. Circuit arrangement according to claim 1, characterized in that the digital phase-free low-pass filter arrangement ( 4 ) from the series connection of a first recursive low-pass filter (F1), a time-inverting first buffer (Z1), a second recursive low-pass filter (F2) and a second time-buffer-inverting buffer (Z2).

3. Circuit arrangement according to one of claims 1 or 2, characterized in that the relationship n = k applies.

4. Circuit arrangement according to one of claims 1 to 3, characterized in that instead of low-pass filters Bandpass filters are used.