DE3728514A1 - Verfahren und vorrichtung zum erzeugen eines differenz-pulscodemodulations (dpcm)-signals - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Erzeugen eines Differenz-Pulscodemodu­ lations (DPCM)-Signals.

Üblicherweise wird eine PCM-Signalverarbeitung durch digi­ tales Codieren abgetasteter Werte eines analogen Signals durchgeführt. Es ist auch ein DPCM (Differenz-Pulscodemodu­ lations)-System zum Verarbeiten eines Signals als Diffe­ renzen zwischen abgetasteten Werten bekannt. In dem DPCM-System wird eine Signalkompression ermöglicht, weil die Differenz zwischen gegenwärtigen PCM-Daten und den vorher­ gehenden PCM-Daten benutzt wird. Daher kann, obwohl im all­ gemeinen eine Signalverarbeitungsschaltung für 16 Bits für ein 16-bit-PCM-Signalverarbeitungssystem benötigt wird, der Hardware-Aufwand in dem DPCM-Signalverarbeitungssystem auf eine Signalverarbeitungsschaltung reduziert werden, die mit einer derart komprimierten Bitlänge korrespondiert.

Obgleich der zuvor genannte Bitkompressionseffekt in einem niederfrequenten Bereich Gültigkeit hat, wird er mit Erhö­ hung der Signalfrequenz weniger wirksam, und der Effekt wird praktisch aufgehoben, wenn die Signalfrequenz ¹/₆ der Ab­ tastfrequenz wird, wobei der Pegel, der durch das PCM-Signal repräsentiert ist, und der Pegel, der durch das DPCM-Signal repräsentiert ist, einander gleich werden.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Erzeugen von DPCM-Signa­ len zu schaffen, das bzw. die in der Lage ist, den Bitkom­ pressionseffekt des DPCM-Systems über ein breites Frequenz­ band zu erreichen. Desweiteren besteht die Aufgabe für die vorliegende Erfindung darin, ein Verfahren und eine Vor­ richtung zum Umsetzen eines Digitalsignals in ein Analogsi­ gnal zu schaffen, das bzw. die in der Lage ist, den Bitkom­ pressionseffekt des DPCM-Systems über einen breiten Fre­ quenzbereich zu erreichen.

Zur Lösung dieser Aufgabe werden ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Erzeugen eines Differenz-Pulscodemodulations (DPCM)-Signals vorgeschlagen, wobei erfindungsgemäß ein erster Schritt bzw. eine erste Schaltung zum Aufnehmen eines PCM-Datensignals, das eine Abtastfrequenz f _s hat, ein zwei­ ter Schritt bzw. eine zweite Schaltung zum Überabtasten oder Oversampling des PCM-Datensignals und Erzeugen eines weite­ ren PCM-Datensignals, das eine Abtastfrequenz n × f _s hat (wobei n eine positive ganze Zahl größer 1 ist), und ein dritter Schritt bzw. eine dritte Schaltung zum Erzeugen eines DPCM-Datensignals aus dem anderen PCM-Datensignal vorgesehen sind.

Gemäß der vorliegenden Erfindung werden außerdem ein Ver­ fahren und eine Vorrichtung zum Umsetzen eines Digitalsi­ gnals in ein Analogsignal vorgeschlagen, wobei erfindungs­ gemäß ein erster Schritt bzw. eine erste Schaltung zum Auf­ nehmen eines PCM-Datensignals, das eine Abtastfrequenz f _s hat, ein zweiter Schritt bzw. eine zweite Schaltung zum Überabtasten oder Oversampling des PCM-Datensignals und zum Erzeugen eines weiteren PCM-Datensignals, das eine Abtast­ frequenz n × f _s hat (wobei n eine positive ganze Zahl größer 1 ist), ein dritter Schritt bzw. eine dritte Schaltung zum Erzeugen eines DPCM-Datensignals aus dem weiteren PCM-Da­ tensignal sowie ein vierter Schritt bzw. eine vierte Schal­ tung zum Umsetzen des DPCM-Datensignals in ein Analogsignal vorgesehen sind.

Im folgenden wird die vorliegende Erfindung anhand mehrerer Figuren, die bevorzugte Ausführungsbeispiele für die vor­ liegende Erfindung betreffen, im einzelnen beschrieben.

Fig. 1 zeigt ein Diagramm zur Erklärung des Bitkompres­ sionseffekts in dem DPCM-System.

Fig. 2 zeigt ein Diagramm, das einen Fall darstellt, in dem kein Bitkompressionseffekt existiert.

Fig. 3 zeigt ein Diagramm, das die Frequenzabhängigkeit der Bitkompression angibt.

Fig. 4 zeigt ein Blockschaltbild, das ein Ausführungsbei­ spiel für die vorliegende Erfindung darstellt.

Fig. 5A bis Fig. 5C zeigen jeweils erläuternde diagramme zur Beschreibung der Arbeitsweise des Ausführungsbei­ spiels gemäß Fig. 4.

Fig. 6 zeigt ein Prinzipschaltbild, das ein Ausführungsbei­ spiel für einen D/A-Umsetzer zur Verwendung in dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 4 darstellt.

Zunächst wird eine Beschreibung, die sich auf das DPCM- System bezieht, anhand von Fig. 1 bis Fig. 3 gegeben.

Wie in Fig. 1 gezeigt, werden DPCM-Daten D ₁′ (0011) aus den gegenwärtigen PCM-Daten D ₁ (1000) und den vorhergehenden PCM-Daten D ₂ (0101) gewonnen. DPCM-Daten D ₂′ (0010) werden aus den gegenwärtigen PCM-Daten D ₂ (0101) und den vorherge­ henden PCM-Daten D ₃ (0011) usw. gewonnen.

In Fig. 2 repräsentiert die gestrichelte Linie eine analoge Wellenform, die aus PCM-Daten umgesetzt worden ist, und ein Signal, das eine Frequenz von ¹/₆ der Abtastfrequenz hat. Die ausgezogene Linie repräsentiert eine analoge Wellenform, die aus DPCM-Daten umgesetzt wurde und die mit den PCM-Daten korrespondiert. Es ist festzustellen, daß die Spitzenwerte der DPCM-Daten und der PCM-Daten einander gleich sind und daß die Phasendifferenzen von Abtastpunkten der Abtastproben, die die genannten Spitzenwerte aufweisen, dargestellt sind. Mit Bezug auf die Bitkompression in diesem Fall ergibt sich, da die Spitzenwerte gleich sind, daß der Bitkompressionsef­ fekt bei derjenigen Signalfrequenz Null ist, die ¹/₆ der Abtastfrequenz beträgt. Demzufolge wird, wenn die Verarbei­ tungsbitlänge für das DPCM-Signal beispielsweise 10 bit mit einer Abtastfrequenz von 44.1 kHz - wie in dem bekannten Compact-Disc-System - beträgt, wie in Fig. 3 gezeigt eine Auflösung von 16 bit bei einer Signalfrequenz von 115 Hz und eine Auflösung von 13 bit bei einer Signalfrequenz von 920 Hz erreicht. Indessen wird die Auflösung auf 10 bit bei einer Signalfrequenz von 7.35 kHz (44.1 kHz/6) herabgesetzt, und daher ist der Quantisierungsfehler in einem derart hochfrequenten Bereich nicht mehr vernachlässigbar.

Fig. 4 zeigt eine blockschaltbildmäßig dargestellte Schal­ tungsanordnung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels, in dem ein Doppel-Überabtastungsfilter 1 (beispielsweise ein Digitalfilter) vorgesehen ist, das sein Ausgangssignal an eine Subtraktionsschaltung 2 (beispielsweise eine Signal­ verarbeitungseinrichtung) abgibt, die ihr Ausgangssignal an einen D/A-Umsetzer 3 abgibt.

Vor dem Anlegen von PCM-Daten, die eine Abtastfrequenz f _s haben, wie dies in Fig. 5A gezeigt ist, an das Überabta­ stungsfilter 1 weisen die PCM-Daten in sich eingefügt "0"- Daten in Intervallen von ½f _s auf, wie dies in Fig. 5B gezeigt ist. Daher werden diese PCM-Daten so betrachtet, als hätten sie eine scheinbare Abtastfrequenz 2f _s . Wenn die PCM-Daten dann durch das Überabtastungsfilter 1 geleitet werden, werden die Abschnitte, in die "0"-Daten eingefügt sind, einer Interpolation unterzogen. Im allgemeinen können, wenn eine Filterung mit einem N-fach-Überabtastungsfilter auf PCM-Daten mit (n - 1) "0"-Daten, die darin eingefügt sind, ausgeübt wird, äquivalente Ausgangsdaten von n-facher Abtastfrequenz gewonnen werden.

Wenn derartige Daten der Subtraktionsschaltung 2 zugeführt werden, in der sie der DPCM-Verarbeitung unterzogen werden, wie dies anhand von Fig. 1 beschrieben ist, kann der Quan­ tisierungsfehler reduziert werden, und in dem Fall eine 2fach-Überabtastens kann er um zumindest 6 dB verglichen mit dem herkömmlichen DPCM-System reduziert werden.

In dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist desweiteren der D/A-Umsetzer 3 vorgesehen. Da üblicherweise in einer digi­ talen Audio-Einrichtung, beispielsweise einem Compact-Disc- System, ein 16-bit-D/A-Umsetzer benutzt wird, besteht ein Nachteil dahingehend, daß die Herstellungskosten aufgrund der Schwierigkeiten hoch sind, die sich aus dem IC-Design und der Herstellung ergeben. Indessen ist das menschliche Hörvermögen zu einem hochfrequenten Signal hin geringer, und außerdem enthält die Quellenseite einer derartigen Disc keine Komponenten mit Frequenzen, die höher als 10 kHz sind, so daß das Signal prinzipiell lediglich mittelfrequente und niederfrequente Komponenten enthält. Dies bedeutet, daß die 16 Bits, die in dem zur Zeit üblichen D/A-Umsetzer-Typ be­ nutzt werden, nicht für die gesamten Komponenten des Durch­ laßbereichs erforderlich sind.

Es ist daher bekannt, daß die Auflösung für hochfrequente Signale, die keinen großen Informationsgehalt für das menschliche Gehör haben, reduziert werden kann. Dementspre­ chend kann, wenn beispielsweise ein 10-bit-D/A-Umsetzer für den D/A-Umsetzer in Fig. 4 vorgesehen ist, eine Auflösung von 14 bis 16 bit in den mittelfrequenten und niederfre­ quenten Bereichen (die angenähert 220 bis 920 Hz reichen) durch Betreiben der Vorrichtung bei einer 2fach- (88.2 kHz)- oder 4fach (176.4 kHz)-Abtastfrequenz erreicht wer­ den, wie dies in Fig. 3 gezeigt ist. Zusätzlich kann eine Verschlechterung der Auflösung in dem hochfrequenten Bereich (angenähert 3.7 bis 7.4 kHz) weiter verglichen mit einer herkömmlichen Anordnung unterdrückt werden. Beispielsweise ist, wie in Fig. 3 gezeigt, wenn die Signalfrequenz 7.35 kHz beträgt, die Auflösung bei einer Abtastfrequenz von 44.1 kHz 10 bit, jedoch wird die Auflösung auf 11 bit bei einer 2fach-Abtastfrequenz von 88.2 kHz oder auf 12 bit bei einer 4fach-Abtastfrequenz von 176.4 kHz erhöht. Aus diesen Daten ist ersichtlich, daß es möglich ist, die Auflösung zu ver­ bessern und einen Bitkompressionseffekt selbst in einem hochfrequenten Bereich durch Erhöhen der Abtastfrequenz zu erreichen.

Da ein hochgenauer Präzisions-D/A-Umsetzer durch einen der­ zeit üblichen MOS-Prozeß herzustellen ist, wenn die Auflö­ sung 10 bit oder dergl. beträgt, und ein 16-bit-Umsetzer nur durch einen Bipolar-Prozeß hergestellt werden kann, wird ein wesentlicher Vorteil deutlich, nachdem herkömmliche Bipo­ lar-16-bit-Umsetzer Stromverbrauchsprobleme mit sich brin­ gen. Durch Einsetzen der vorliegenden Erfindung wird es jedoch möglich, einen hochgenauen D/A-Umsetzer herzustellen, der die MOS-Technik verwendet, wobei kein Feinabgleich er­ forderlich ist.

Gemäß der vorliegenden Erfindung, wie sie zuvor beschrieben wurde, werden Eingangs-PCM-Daten überabgetastet (Over­ sampling), um N-fach-Daten zu erzeugen, die dann verarbeitet werden, um Differenz-PCM-Daten zu gewinnen, so daß der Bit­ kompressionseffekt bei Differenz-PCM oder DPCM über ein breites Frequenzband erreicht wird. Im Falle der Doppel- Überabtastung kann der Quantisierungsfehler beispielsweise um über 6 dB reduziert werden, was gestattet, damit korre­ spondierend eine Verringerung der erforderlichen Hardware zu erreichen.

Für den D/A-Umsetzer 3 kann beispielsweise die Anordnung, die in Fig. 6 gezeigt ist, benutzt werden. In dieser Anord­ nung werden DPCM-Daten aus der Subtraktionsschaltung in ein analoges Signal, das einen Analogwert hat, der mit den DPCM-Daten korrespondiert, in einem Digital/Analog-Umsetzer 31 umgesetzt. Das Signal, das den Umsetzer 31 verläßt, wird über einen Widerstand 32 an eine Spannungsspitzenunter­ drückungsschaltung 33 gelegt, die einen Gatteranschluß 34 hat, an den ein Spannungsspitzenunterdrückungs-Impuls gelegt wird. Das Ausgangssignal der Spannungsspitzenunter­ drückungsschaltung 33 wird in einer Integrationsschaltung 35 integriert, um ein analoges Signal, das mit den originären PCM-Daten korrespondiert, zu erzeugen, welches analoge Si­ gnal über eine Ausgangsklemme 36 ausgegeben wird. Die Inte­ grationsschaltung 35 enthält einen Verstärker und eine Rückkopplungskondensator.

Beim Erzeugen von DPCM-Daten kann ein sog. prädiktives oder vorausbestimmendes Filter zum Erzeugen eines vorbestimmten Werts aus ggf. mehreren vorhergehenden und folgenden abge­ tasteten Daten anstelle der Subtraktionsschaltung 2 verwen­ det werden.

Obwohl die Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele beschrieben wurde, ist sie nicht auf diese beschränkt. Vielmehr können durch den Fachmann Modifikationen und Vari­ ationen dieser Ausführungsbeispiele vorgenommen werden, ohne dazu den allgemeinen Erfindungsgedanken und den Schutzum­ fang, wie er durch die Ansprüche bestimmt ist, verlassen zu müssen.

Claims (5)

1. Verfahren zum Erzeugen eines Differenz-Pulscodemodulati­ ons (DPCM)-Signals, gekennzeichnet durch Schritte zum

• - Aufnehmen eines ersten Pulscodemodulations (PCM)- Datensignals, das eine Abtastfrequenz f _s hat,
  - Überabtasten oder Oversampling des aufgenommenen PCM- Datensignals und Erzeugen eines zweiten PCM-Datensi­ gnals, das eine Abtastfrequenz n × f _s hat (wobei n eine positive ganze Zahl größer 1 ist), und
  - Erzeugen eines Differenz-Pulscodemodulations (DPCM)- Datensignals aus dem zweiten PCM-Datensignal.

2. Vorrichtung zum Erzeugen eines Differenz-Pulscodemodula­ tions (DPCM)-Signals, gekennzeichnet durch

• - ein erstes Mittel (1), das ein erstes Pulscodemodula­ tions (PCM)-Datensignal aufnimmt, welches eine Ab­ tastfrequenz f _s hat,
  - ein zweites Mittel (2), das das Ausgangssignal des ersten Mittels (1) aufnimmt und zum Überabtasten oder Oversampling des ersten PCM-Datensignals und Erzeugen eines zweiten PCM-Datensignals, welches eine Abtast­ frequenz n × f _s hat (wobei n eine positive ganze Zahl größer 1 ist), bestimmt ist, und
  - ein drittes Mittel (3), das das Ausgangssignal des zweiten Mittels (2) aufnimmt und zum Erzeugen eines Differenz-Pulscodemodulations (DPCM)-Datensignals aus dem zweiten PCM-Datensignal bestimmt ist.

3. Verfahren zum Umsetzen eines digitalen Signals in ein analoges Signal, gekennzeichnet durch Schritte zum

• - Aufnehmen eines ersten Pulscodemodulations (PCM)- Datensignals, das eine Abtastfrequenz f _s hat,
  - Überabtasten oder Oversampling des ersten PCM-Daten­ signals und Erzeugen eines zweiten PCM-Datensignals, das eine Abtastfrequenz n × f _s hat (wobei n eine po­ sitive ganze Zahl größer 1 ist),
  - Erzeugen eines Differenz-Pulscodemodulations (DPCM)- Datensignals aus dem zweiten PCM-Datensignal und
  - Umsetzen des DPCM-Datensignals in ein analoges Signal.

4. Vorrichtung zum Umsetzen eines digitalen Signals in ein analoges Signal, gekennzeichnet durch

• - ein erstes Mittel (1), das ein erstes Pulscodemodula­ tions (PCM)-Datensignal aufnimmt, welches eine Ab­ tastfrequenz f _s hat,
  - ein zweites Mittel (2), das das Ausgangssignal des ersten Mittels (1) aufnimmt und das erste PCM-Daten­ signal überabtastet und ein zweites PCM-Datensignal erzeugt, welches eine Abtastfrequenz n × f _s hat (wobei n eine positive ganze Zahl größer 1 ist),
  - ein drittel Mittel, das das Ausgangssignal des zweiten Mittels (2) aufnimmt und ein Differenz-Pulscodemodula­ tions (DPCM)-Datensignal aus dem zweiten PCM-Daten­ signal erzeugt, und
  - ein viertes Mittel, das das Ausgangssignal des dritten Mittels aufnimmt und das DPCM-Datensignal in ein ana­ loges Signal umsetzt.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch eine Spannungsspitzenunterdrückungsschaltung, die das Ausgangssignal des vierten Mittels aufnimmt, und eine Integrationsschaltung, die das Ausgangssignal der Span­ nungsspitzenunterdrückungsschaltung aufnimmt.