DE3704585A1

DE3704585A1 - Analog-digital-umwandlungssystem

Info

Publication number: DE3704585A1
Application number: DE19873704585
Authority: DE
Inventors: Haruo Sakata
Original assignee: Clarion Co Ltd
Current assignee: Faurecia Clarion Electronics Co Ltd
Priority date: 1986-02-13
Filing date: 1987-02-13
Publication date: 1987-08-20
Also published as: JPH0666692B2; US4811018A; JPS62188430A

Description

Die Erfindung betrifft ein Analog-Digital-Umwandlungssystem. Insbesondere betrifft die Erfindung eine Verbesserung eines derartigen Systems dahingehend, daß es in der Lage ist, die Rauscheinflüsse zu verringern, die in ein analoges Signal eingehen, bevor es aus der analogen Form in die digitale Form umgewandelt wird.

In dem Fall, in dem ein in einen Digitalcode umgewandeltes Signal wieder in ein ursprüngliches Analogsignal, bei dem es sich zum Beispiel um ein Audiosignal handelt, umgewandelt wird, und in dem das wiederhergestellte Analogsignal weiter in einen Digitalcode umgewandelt wird und auf einem Aufzeichnungsmedium, beispielsweise auf einem digitalen Audioband, das nachfolgend mit "DAT" bezeichnet wird, aufgezeichnet wird, ist das Analogsignal häufig dann, wenn sein Signalpegel klein ist, durch Rauschsignale eines Verstärkers usw. überdeckt. Aufgrund dieser Tatsache kann ein Analog-Digital-Wandler seine ursprüngliche Pegelauflösung (16 Bits in einem DAT-Band) nicht aufrechterhalten. Das digitalisierte Aufzeichnungssignal wird daher verschlechtert.

Allgemein gesagt ist die zu erwartende Pegelauflösung bei der Analog-Digital-Umwandlung eines Analogsignales nicht ausreichend wirksam, wenn irgendwelche Rauschsignale in ein Analogsignal eingehen. In den meisten Fällen enthält das umgewandelte Analog-Signal selbst weniger Rauschen, so daß ein großes Signal-Rausch- Verhältnis hergestellt wird, wenn ein digitalisiertes Signal in ein Analogsignal umgewandelt wird. Rauschsignale gehen jedoch oft vor der nachfolgenden digitalen Aufzeichnung in das Signal ein.

Die durch eine ununterbrochene Linie dargestellte Kurve der Fig. 5a zeigt ein Analogsignal S. Wenn dieses Signal in ein Digitalsignal umgewandelt wird, stellen seine Bitpegel die durch die ausgezogene Linie in der Fig. 5c dargestellte Verteilung dar. Wenn ein in der Fig. 5b dargestelltes Rauschsignal N in das Signal vor der Analog-Digital-Umwandlung eingeht, nimmt das Analogsignal eine Wellenform S ₂ an, die in der Fig. 5a durch die unterbrochene Linie dargestellt ist und die sich beträchtlich von der durch die ununterbrochene Linie dargestellte Kurve unterscheidet. Dieser Unterschied hat keine Bedeutung für menschliche Ohren, wenn der Signalpegel groß ist. Menschliche Ohren hören jedoch den Unterschied, wenn der Signalpegel klein ist.

Das Analogsignal kann durch einen rauscharmen Verstärker vor der Analog-Digital-Umwandlung verstärkt werden, so daß das verstärkte Analogsignal nachfolgend in ein Digitalsignal umgewandelt wird, wobei die Bits mit dem niedrigen Pegel des Digitalsignals beseitigt werden. Wenn beispielsweise ein analoges Eingangssignal, das in der Fig. 4a durch die ununterbrochene Linie dargestellt ist, an einen Analog-Digital-Wandler angelegt wird, ist der Signalpegel in einer Periode T klein und wird ein Unterschied in der Periode T durch menschliche Ohren wahrgenommen. Aus diesem Grunde wird das Signal so verstärkt, wie dies in der Fig. 4a durch die unterbrochene Linie (im dargestellten Beispiel doppelt so groß) dargestellt ist. Dadurch wird die Amplitude in der Periode T vergrößert und wird der Einfluß des Rauschens verringert. Wenn sich jedoch diese Verstärkung auf die gesamte Länge des Signals erstreckt, überlappt der schraffierte Bereich beispielsweise den nicht linearen Bereich des Verstärkers und es wird eine auf Sättigung zurückzuführende Signalverstümmelung oder Signalverzerrung eingeführt.

Die Aufgabe der Erfindung besteht daher darin, ein Analog-Digital-Umwandlungssystem zu schaffen, durch das der Einfluß von Rauschsignalen bei niedrigen Pegeln (kleine Amplituden) eines Analogsignales so verringert wird, daß eine vollständige Herstellung einer Digitalaufzeichnung und die Wiedergabe eines großen Signal- Rauch-Abstandes erreicht werden.

Die Erfindung betrifft eine Analog-Digital-Umwandlungseinrichtung mit:

Einer Detektoreinrichtung zur Ermittlung einer Periode eines analogen Eingangssignales, in der die Amplitude des Analogsignales einen vorbestimmten Wert nicht überschreitet.
Eine Verstärkungsregelungseinrichtung, die auf ein Ermittlungssignal von der Detektoreinrichtung anspricht, um die Verstärkung des analogen Eingangssignales in der Periode zu vergrößern.
Einen Analog-Digital-Umwandler, der auf ein Ausgangssignal von der Verstärkungsregelungseinrichtung in der Form eines Analogsignales anspricht, um es in ein Digitalsignal umzuwandeln.
Eine Subtraktionseinrichtung, die von diesem Digitalsignal eine Anzahl von Bits entsprechend der Verstärkung in der Periode abzieht.

Im folgenden werden die Erfindung und deren Ausgestaltungen im Zusammenhang mit den Figuren näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 ein Blockschaltbild einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Analog-Digital-Umwandlungssystems;

Fig. 2 ein Diagramm, das Wellenformen von Signalen an verschiedenen Punkten des Systems der Fig. 1 zeigt;

Fig. 3 ein Blockschaltbild einer zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Analog-Digital-Umwandlungssystems;

Fig. 4 ein Diagramm, das Wellenformen von Signalen an verschiedenen Punkten des Systems der Fig. 3 zeigt; und

Fig. 5 Wellenformen zur Erläuterung der Digitalisierung und des Einganges von Rauschsignalen.

Die Fig. 1 zeigt ein Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen Analog-Digital-Umwandlungssystems, das so beschaffen ist, daß ein Audiosignal in einer Periode mit einem niedrigen Pegel um ein vorgegebenes Verhältnis verstärkt wird. Das Umwandlungssystem enthält Gleichrichtungskreise 1 und 6, Vergleicher 2 und 7, Anschlüsse 3 und 8 zum Anlegen einer Bezugsspannung, Verstärkungs- und Amplitudenbegrenzungskreise 4 und 9, einen Differenzierkreis 5, einen AND-Kreis 10, einen Verstärkungsregelungskreis 11, einen Analog-Digital- Wandler 12 (A/D-Wandler), einen Bit-Subtraktionskreis 13, ein Bit-Gatter 14, einen N-Bit-Generator 15, einen Ausgangsanschluß 16 und einen Eingangsanschluß 16′. Es wird hier angenommen, daß ein an den Eingangsanschluß 16′ angelegtes Audiosignal eine Wellenform besitzt, die in der Fig. 2a durch die ununterbrochene Linie dargestellt ist, und daß der Pegel in einer Periode T ₀ kleiner ist als ein vorgegebener Wert Δ ₁. Die Amplitude in der Periode T ₀ wird mit n (entsprechend N Bits) multipliziert. In diesem Zusammenhang wird darauf hingewiesen, daß das Audiosignal durch den Gleichrichtungskreis 1 so gleichgerichtet wird, daß es eine gleichbleibende Polarität (d. h. Vorwärtsgleichspannung) aufweist, und nachfolgend durch der Vergleicher 2 mit der Bezugsspannung Δ ₁ verglichen wird, die an den Anschluß 3 für die Bezugsspannung anliegt, so daß ein Ausgangssignal mit einem Pegel, der kleiner ist als die Bezugsspannung Δ ₁, herausgezogen wird, um die Wellenform der Fig. 2b herzustellen. Das Ausgangssignal wird innerhalb einer begrenzten Amplitude durch den Verstärkungs- und Amplitudenbegrenzungskreis 4 verstärkt. Andererseits wird das Audiosignal durch den Differenzierkreis 5 differenziert, so daß ein Signal mit der Wellenform der Fig. 2c erhalten wird. Das Signal der Fig. 2c wird durch den Gleichrichtungskreis 6 gleichgerichtet. Die sich ergebende Ausgangsgleichspannung wird mit einer Bezugsspannung Δ ₂ verglichen, die an den Anschluß 8 für die Bezugsspannung angeliegt, und es wird ein Ausgangssignal, das einen Pegel besitzt, der kleiner ist als die Bezugsspannung Δ ₂, herausgezogen, um die Wellenform der Fig. 2d herzustellen. Das Signal der Fig. 2d wird durch den Verstärkungs- und Amplitudenbegrenzungskreis 9 geformt. Die Ausgangssignale der Verstärkungs- und Amplitudenbegrenzungskreise 4 und 9 werden an den AND-kreis 10 angelegt, der wiederum ein Ausgangssignal erzeugt, das die in der Fig. 2e dargestellte Wellenform besitzt, dessen Pegel kleiner ist als die Bezugsspannung Δ ₁ und das nicht den großen Neigungsbereich des analogen Eingangssignales enthält. Das Ausgangssignal vom AND- Kreis 10 wird an den Verstärkungsregelungskreis 11 angelegt, der das analoge Eingangssignal in der Periode T ₀ zu der in der Fig. 2a durch die unterbrochene Linie dargestellten Wellenform verstärkt. Ein Rauschsignal 20 gelangt in das Ausgangssignal des Verstärkungsregelungskreises 11 vor der Analog-Digital- Umwandlung und das das Rauschsignal 20 enthaltende Signal wird durch den Analog-Digital-Wandler 12 in ein Digitalsignal umgewandelt. Bei diesem Aufbau beträgt jedoch die Amplitude in der Periode T ₀ ein n-faches der ursprünglichen Amplitude, wie sie in der Fig. 2a dargestellt ist, und wird das Analogsignal mit der n- fachen Amplitude in ein Digitalsignal umgewandelt. Aus diesem Grunde erzeugt der N-Bit-Generator 15 N-Bits entsprechend der n-fachen Amplitudenkomponente und legt diese an den Bit-Subtraktionskreis 13 über das Bit-Gatter 14 an, so daß der Bit-Subtraktionskreis 13 Bits der Periode T ₀ vom Ausgangssignal des Analog- Digital-Wandlers 12 abzieht (was einer 1/n-Teilung eines Analogsignales entspricht).

Wenn man annimmt, daß n = 2^N beträgt, entspricht die Subtraktion der Entfernung von letzten N-Bits aus einem Ausgangssignal des Analog-Digital-Wandlers 12 und der Verschiebung der Restbits zum Ende des Ausgangssignales. Auf diese Weise wird am Ausgangsanschluß 16 ein Digitalsignal erhalten, das der durchgehenden Linie der Fig. 2a entspricht und wird der Signal-Rausch-Abstand (in Bezug auf das Rauschen 20) in der Periode T ₀ mit dem niedrigen Pegel in einem ausreichenden Maße vergrößert.

Wenn man annimmt, daß n = 4 und N = 2 in einem Sechs- Bit-Analog-Digital-Wandler sind, kann es sich bei der Subtraktion um die folgende zwei-Bit-Verschiebung handeln.

Es wird daher von dem N-Bit-Generator 15, dem Bit- Subtraktionskreis 13 und dem Bit-Gatter 14 gefordert, daß die Bits in der Periode T ₀ lediglich verschoben werden. Auf diese Weise wird der Einfluß des Rauschens in der Periode T ₀ auf 1/n verringert.

Um die dynamischen Bereiche der Übertragung vorteilhaft auszunutzen, wird bevorzugt eine in der Fig. 4c dargestellte Verstärkungsregelung gegenüber dem analogen Eingangssignal, das in der Fig. 4b durch die ununterbrochene Linie dargestellt ist, bewirkt, und wird die Amplitude in der Periode mit dem niedrigen Pegel, die durch die ununterbrochene Linie in der Fig. 4b dargestellt ist, verstärkt, um eine im wesentlichen gleichförmige Amplitude herzustellen. Genauer gesagt ist die Ausführungsform der Fig. 4 so beschaffen, daß die Verstärkung von der Verstärkung A ₁ in der Periode T ₁ zur Verstärkung A ₂ in der Periode T ₂ verändert wird, während die Vestärkung in der zuvor genannten Ausführungsform in der Periode T ₀ gleichmäßig ist. Diese Verstärkungsregelung bewirkt einen Einfluß des Rauschsignales auf das analoge Eingangssignal der Fig. 4b, der in der Periode T ₁ kleiner ist als in der Periode T ₂. Dieses Verfahren wird als AGC-System bezeichnet. Die Fig. 3 zeigt ein Blockschaltbild einer weiteren Ausführungsform der Erfindung, die as AGC- System anwendet.

Die Einrichtung der Fig. 3 entspricht im wesentlichen derjenigen der in Fig. 1, abgesehen davon, daß der Verstärkungsregelungskreis 11 der Fig. 1 durch den AGC- (Automatic Gain Control)-Kreis 17 ersetzt ist, so daß der AGC-Kreis 17 in den Perioden T ₁ und T ₂ des Ausgangssignales des AND-Kreises 10, die in der Fig. 4c dargestellt sind, aktiviert wird. Ein Ausgangssignale 19 vom AGC-Kreis 17 enthält Verstärkungsregelungsausgangssignale A ₁ und A ₂, die in Bit-Ausgangssignale durch einen Analog-Digital-Wandler 18 (für eine Verstärkungs- Bit-Umwandlung) umgewandelt werden. Der Bit- Subtraktionskreis 13 subtrahiert die Bits von dem Bit- Ausgangssignal des Wandlers 12, um die Anzahl der Bits des Digitalsignales um einen Betrag zu verringern, der der Amplitudenzunahme in den Perioden T ₁ und T ₂ der Fig. 4b entspricht, um die in der Fig. 4b durch die ununterbrochene Linie dargestellte Wellenform herzustellen.

Wie dies oben beschrieben wurden, wird der Einfluß des Rauschens, das in das Signal vor der Analog-Digital- Umwandlung eingeht, beträchtlich verringert, weil die Erfindung die Analog-Digital-Umwandlung nach der Verstärkung eines kleinen Rauschsignales in einem analogen Signal während einer Periode desselben mit einem niedrigen Pegel bewirkt. Nebenbei begünstigt die erfindungsgemäße Einrichtung keine Verzerrungen, die durch eine nichtlineare Charakteristik im Verstärkungsschritt bei der Signalverstärkung bewirkt werden, weil das Analogsignal nur in einer begrenzten Periode und nicht auf seine Gesamtlänge verstärkt wird. Außerdem ist, weil die erfindungsgemäße Einrichtung eine begrenzte Signalkomponente in einer Periode mit einem niedrigen Signalpegel verstärkt, ein Analog-Digital- Wandler mit einer vorbestimmten Anzahls von Bits ausreichend und ein Analog-Digital-Wandler ist nicht erforderlich, der eine große Pegelauflösung aufweist, die unerläßlich ist, wenn das Analogsignal während seiner gesamten Länge vor der Analog-Digital-Umwandlung verstärkt wird.

Die Erfindung betrifft ein Analog-Digital-Umwandlungssystem zum Umwandeln eines Analogsignales in ein Digitalsignal für Aufzeichnungszwecke. Diese System ist so beschaffen, daß eine Periode T ₀ mit einem niedrigen Pegel in dem Analogsignal ermittelt wird, in der ermittelten Periode T ₀ ein Rauschsignal mit einem niedrigen Pegel des Analogsignales durch ein vorbestimmtes Multiplikationsverhältnis oder durch einen Betrag verstärkt wird, der der Signalamplitude entspricht, und von dem umgewandelten Digitalsignal eine Anzahl von Bits entsprechend dem Verstärkungsgrad in derselben Periode T ₀ nach der Analog-Digital-Umwandlung subtrahiert werden, so daß der Einfluß eines in das Analogsignal vor der Analog-Digital-Umwandlung eingehenden Rauschsignales verringert wird.

Claims

1. Analog-Digital-Umwandlungseinrichtung, gekennzeichnet durch:
eine Detektoreinrichtung (2, 7, 10) zur Ermittlung einer Periode (T ₀) eines analogen Eingangssignales (an 16′), in der die Amplitude des Analogsignales einen vorbestimmten Wert nicht überschreitet;
eine Verstärkungsregelungseinrichtung (11), die auf ein Ermittlungssignal von der Detektoreinrichtung (1, 2, 4, 6, 7, 9, 10) anspricht, um die Verstärkung des analogen Eingangssignales (an 16′) in der Periode (T ₀) zu vergrößern;
eine Analog-Digital-Wandlungseinrichtung (12), die auf ein Ausgangssignal von der Verstärkungsregelungseinrichtung (11) in der Form eines Analogsignales anspricht, um dieses in ein Digitalsignal umzuwandeln; und
eine Subtraktionseinrichtung (13, 14, 15) zum Subtrahieren einer Anzahl von Bits entsprechend der Verstärkung in der Periode (T ₀) von dem Digitalsignal.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Detektoreinrichtung eine erste Pegelvergleichseinrichtung (1, 2, 4), eine zweite Pegelvergleichseinrichtung (6, 7, 9,) und einen AND- Kreis (10) aufweist, daß die erste Pegelvergleichseinrichtung (1, 2, 4) und die zweite Pegelvergleichseinrichtung (6, 7, 9) jeweils einen Eingang zum Empfang des Analogsignales und jeweils einen Ausgang aufweisen, der mit einem Eingang des AND-Kreises (10) verbunden ist, daß der AND-Kreis (10) das an die Verstärkungsregelungseinrichtung (11) anzulegende Ermittlungssignal erzeugt, daß die erste Pegelvergleichseinrichtung einen ersten Gleichrichtungskreis (1), einen ersten Pegelvergleicher (2) und einen ersten Verstärkungs- und Amplitudenbegrenzungskreis (4), einen zweiten Gleichrichtungskreis (6), einen zweiten Pegelvergleicher (7) und einen zweiten Verstärkungs- und Amplitudenbegrenzungskreis (9) umfaßt.

3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Subtraktionseinrichtung einen N- Bit-Generator (15), ein Bit-Gatter (14) und einen Bit- Subtraktionskreis (13) umfaßt, daß das Bit-Gatter (14) auf das Ausgangssignal von dem AND-Kreis (10) anspricht, um an den Bit-Subtraktionskreis (13) ein Bit- Ausgangssignal von dem N-Bit-Generator (15) anzulegen, daß der Bit-Subtraktionsklreis (13) das Bit-Ausgangssignal des N-Bit-Generators (15) von dem Bit-Ausgangssignal der Analog-Digital-Wandlereinrichtung (12) subtrahiert.

4. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Subtraktionseinrichtung einen Analog-Digital-Wandler (12) und einen Bit-Subtraktionskreis (13) aufweist, daß der Analog-Digital- Wandler (12) ein Verstärkungsausgangssignal der Verstärkungsregelungseinrichtung (11) in ein Bit-Ausgangssignal umwandelt und dieses an den Bit-Subtraktionskreis (13) anlegt, und daß der Bit-Subtraktionskreis (13) das Bit-Ausgangssignal des Analog-Digital- Wandlers (12) von dem Bit-Ausgangssignal der Analog- Digital-Wandlereinrichtung subtrahiert.