DE3733739C1 - Anordnung zur A/D-Wandlung mit A/D-Wandler - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur A/D-Wandlung mit A/D-Wandler. Häufig besteht die Notwendigkeit, Analogsignale in Digitalsignale umzusetzen.

Insbesondere bei Tonsignalen soll dabei die Dynamik nicht beeinträchtigt werden, damit Rauschanteile nicht störend hervortreten. Der Dynamikumfang üblicher A/D-Wandler genügt aber oft nicht, um dieses Ziel zu erreichen.

Dementsprechend ist es Aufgabe der Erfindung, eine Anordnung zur A/D-Wandlung anzugeben, die es erlaubt, Signale mit einem größeren Dynamikumfang zu verarbeiten, als es der dabei verwendete A/D-Wandler eigentlich erlaubt.

Diese Aufgabe wird gelöst durch die Anordnung mit den Merkmalen des Patentanspruches 1. Eine vorteilhafte Weiterbildung ist im Unteranspruch angegeben.

Aus der deutschen Auslegeschrift 18 03 222 ist bereits ein Verfahren bekannt, bei dem Einzelnachrichten nach einer komprimierenden Kennlinie pulscodiert werden. Anschließend werden diese Einzelnachrichten in linear codierte umgewandelt, also digital expandiert, bevor sie einer Additionsstufe zugeführt werden, nach welcher die entstandene Summennachricht durch eine weitere Umcodierung wieder digital komprimiert wird, entsprechend dem Code, nach welchem die Einzelnachrichten nach der ersten Kompression codiert waren.

Abgesehen von der anderen Aufgabe, welche diesem Stand der Technik zugrunde liegt, nämlich die lineare Addition von Einzelnachrichten nach einer komprimierenden Pulscodierung zu ermöglichen, wird mit dem bekannten Verfahren nicht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung gelöst, Signale mit einem größeren Dynamikumfang zu verarbeiten, als es der dabei verwendete A/D-Wandler eigentlich erlaubt; denn bei dem bekannten Verfahren muß der erste Pulscodierer die volle Dynamik eines zugeführten Analogsignals verarbeiten können. Dabei treten genau die Probleme auf, die mit der vorliegenden Erfindung behoben werden sollen.

Der Erfindung liegen folgende Überlegungen zugrunde. Würden dem A/D-Wandler die zu wandelnden Analogsignale unmittelbar zugeführt, so würde durch den A/D-Wandler ein Dynamikverlust eintreten, wenn die Dynamik der Analogsignale den Dynamikumfang überschreitet, den der A/D-Wandler verarbeiten kann. Mit Hilfe der Erfindung wird dies dadurch vermieden, daß das Analogsignal zunächst einem analogen Kompressor zugeführt wird. Dessen komprimiertes und analoges Ausgangssignal hat einen reduzierten Dynamikumfang. Wenn dieser Dynamikumfang so weit reduziert ist, daß der dem Kompressor nachgeschaltete A/D-Wandler diesen Dynamikumfang ohne Einschränkung verarbeiten kann, ist zunächst einmal die Schwachstelle des A/D-Wandlers, nämlich dessen beschränkter Dynamikumfang, überwunden. Man könnte jetzt das erhaltene Digitalsignal digital weiterverarbeiten und erst vor der analogen Wiedergabe digital/analog-wandeln und anschließend analog expandieren. Mit der Erfindung wird aber ein anderer Weg beschritten, der darin besteht, daß unmittelbar nach der A/D-Wandlung eine digitale Expansion, und zwar invers zur analogen Kompression des dem A/D-Wandler vorgeschalteten analogen Kompressors durchgeführt wird. Durch die unmittelbare Aufeinanderfolge des analogen Kompressors, des A/D-Wandlers und des digitalen Expanders ist am besten gewährleistet, daß die Expansion genau invers zur Kompression durchgeführt werden kann. Von zusätzlichem Vorteil ist dabei, daß am Ausgang des Expanders wieder ein Signal mit voller Dynamik zur Verfügung steht, das mit üblichen digitalen Signalverarbeitungsmethoden weiter bearbeitet werden kann.

Wenn die zu verarbeitenden Analogsignale (als Folge schneller Regelvorgänge im Kompressor) so steile Flanken aufweisen, daß der A/D-Wandler überfordert werden kann, ist es nicht mehr ohne weiteres gewährleistet, daß die digitale Expansion genau invers zur Kompression durchgeführt werden kann; denn wenn der A/D-Wandler dem Analogsignalverlauf nicht mehr schnell genug folgen kann, stellen sich Verzerrungen ein, die nur schwer wieder entzerrt werden können. Deshalb ist es sinnvoll, die Anordnung nach der Erfindung in der nach Patentanspruch 2 weitergebildeten Ausführung zu nutzen, bei welcher der Kompressor in Serie zwei entgegengesetzt pegelabhängig gesteuerte Verstärker aufweist.

Anhand der Zeichnungen wird die Erfindung und ein Ausführungsbeispiel näher erläutert.

Fig. 1 zeigt ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Anordnung,

Fig. 2 ein Ausführungsbeispiel für den in Fig. 1 enthaltenen analogen Kompressor, wozu in den

Fig. 3 und 4 Zeitdiagramme dargestellt sind.

Fig. 1 zeigt in Serienschaltung einen Verstärker V für Analogsignale, einen analogen Kompressor 1, einen A/D-Wandler 2 und einen digitalen Expander 3. Die dem Verstärker V zugeführten Analogsignale, die einer A/D-Wandlung unterzogen werden sollen, weisen eine Dynamik auf, die den zulässigen Dynamikumfang des A/D-Wandlers 2 übersteigt. Der analoge Kompressor 1 reduziert den Dynamikumfang auf das für den A/D-Wandler 2 zulässige Maß.

Unmittelbar auf den A/D-Wandler 2 folgt im Signalweg ein digitaler Expander 3, der die analoge Kompression des Kompressors 1 wieder rückgängig macht. Am Ausgang des digitalen Expanders 3 stehen Digitalsignale mit dem vollen Dynamikumfang der vom Verstärker V gelieferten Analogsignale zur Verfügung.

Für den analogen Kompressor 1 in Fig. 1 kann bevorzugt der in Fig. 2 dargestellte, schnelle, oberwellenarme Kompressor eingesetzt werden. Er weist eingangsseitig einen Spannungs/Strom-Wandler 10 auf, dem eine Serienschaltung von zwei entgegengesetzt pegelabhängig gesteuerten Verstärkern, sogenannten VCAs (Voltage Controlled Amplifiers) 20, 40 mit zwischengeschaltetem Verzögerungsglied 30 folgt. Der erste gesteuerte Verstärker 20 bewirkt eine Dynamikreduzierung um 40 Prozent. Wenn seine Eingangsdynamik mit Δ p _e und seine Ausgangsdynamik mit Δ p _a bezeichnet wird, gilt:

Δ p _a = Δ p _e - 0,40 Δ p _e = 0,60 Δ p _e .

Der Verstärker 20 ist sehr rauscharm ausgelegt. Er ist Teil eines Kompressors, zu welchem auch ein gesteuerter Hilfsverstärker 50 mit einer Dynamikreduzierung um 60 Prozent und ein Hüllkurven-Doppelweggleichrichter 60 gehören. Durch die Dynamikreduzierungen durch die Verstärker 20 und 50 entsteht am Schaltungspunkt 61 ein Signal ohne Dynamik. Sollten hier doch Abweichungen von diesem eingeschwungenen Zustand auftreten, so werden diese über die Leitung 62 ausgeregelt.

Am Ausgang 21 des ersten gesteuerten Verstärkers 20 ist die Dynamik um 40 Prozent reduziert. Die hier auftretenden Signale durchlaufen zunächst das Verzögerungsglied 30 und gelangen dann zum zweiten gesteuerten Verstärker 40, der den Dynamikbereich wieder um bis zu 40 Prozent ausdehnen kann; er ist Teil eines Expanders, zu welchem außer dem Verzögerungsglied 30, dem gesteuerten Verstärker 50 und dem Hüllkurven-Doppelweggleichrichter 60 auch noch die Parallelschaltung eines weiteren Verzögerungsgliedes 70 und eines Tiefpasses 80 mit nachfolgenden Umkehrverstärker 85 gehören. Die Eckfrequenz des Tiefpasses 80 und die untereinander gleichen Laufzeiten der Verzögerungsglieder 30 und 70 sind aufeinander abgestimmt, und der Tiefpaß hat einen möglichst ebenen Laufzeitverlauf. Die Laufzeiten τ _o betragen beispielsweise jeweils eine Millisekunde und die Eckfrequenz des Tiefpasses 80 liegt dann bei 1,2 kHz.

Bei ausreichend langsamen Änderungen des an einer Eingangsklemme 9 zugeführten Analogsignales, hier also bei Hüllkurven-Frequenzen unterhalb von 1,2 kHz werden in einem Addierer 90 zwei entgegengesetzt gleiche Signale addiert mit der Folge, daß der gesteuerte Verstärker 40 kein Steuersignal erhält und dementsprechend keine Expansion durchführt. Analogsignale mit einer Hüllkurve relativ niedriger Frequenz werden also lediglich durch den Kompressor 20-21-50-60-61-62 komprimiert, aber durch den nachfolgenden Expander mit dem gesteuerten Verstärker 40 nicht mehr expandiert.

Analogsignale mit höherfrequenten Hüllkurven (z. B. mit Pegelsprüngen) dagegen werden durch den Expander mit dem gesteuerten Verstärker 40 mit steigender Steuerfrequenz (Hüllkurvenfrequenz) zunehmend expandiert, so daß die komprimierende Wirkung des gesteuerten Verstärkers 20 mit zunehmender Steuerfrequenz kompensiert wird. Dies rührt daher, daß der Tiefpaß 80 mit zunehmender Steuerfrequenz undurchlässiger wird, so daß der gesteuerte Verstärker 40 zunehmend über das Verzögerungsglied 70 gesteuert wird und seine Expansionswirkung erhöht.

Dabei ist zu berücksichtigen, daß der Pegel der analogen Signale am Eingang 9 so gewählt ist, daß bei Vollaussteuerung am Ausgang 99 ein Signal erscheint, welches den A/D-Wandler 2 in Fig. 1 gerade nicht übersteuert. Durch den ersten gesteuerten Verstärker 20 wird dann eine Kompression in der Weise herbeigeführt, daß Schwingungen kleiner Amplitude mehr verstärkt werden als Schwingungen größerer Amplitude; die Schwingungen der größten Amplitude durchlaufen den gesteuerten Verstärker 20 unverändert. Im gesteuerten Verstärker 40 werden dann die Schwingungen kleiner Amplitude wieder abgesenkt, und zwar mit steigender Steuerfrequenz in zunehmendem Maße, falls diese 1,2 kHz überschreitet.

Die Zahlenwerte (40%, 60%, 1 ms, 1,2 kHz) sind lediglich Beispielswerte; es sind auch andere Werte möglich.

In der Fig. 3 und 4 sind zeitliche Pegel- bzw. Spannungsverläufe an den Klemmen oder Leitungen 9, 99 bzw. 21, 31, 61, 62, 71, 81, 86 und 91 dargestellt, und zwar für einen Pegelsprung von -70 dB auf -20 dB innerhalb von 0,05 ms. Am Ausgang 21 des ersten Verstärkers 20 entsteht (abgesehen von einem kurzen Überschwingen) ein auf 60% reduzierter Pegelsprung von -42 dB (=60% vom Eingangspegel) auf -12 dB. Dieser Sprung erscheint auf der Leitung 31 um 1 ms verzögert.

Aufgrund des Steuerspannungsverlaufes am Schaltungspunkt 61 und auf der Leitung 62 entstehen die Verläufe auf den Leitungen 81 und (umgepolt) 86. Der Verlauf 61 erscheint um 1 ms verzögert auf der Leitung 71, und die Summe von 71 und 86 ergibt den Verlauf 91.

Der Verstärker 40 mit seinem Eingangspegel 31 liefert dann durch die Steuerung mit dem Steuerspannungsverlauf 91 den Pegelverlauf 99 an seiner Ausgangsklemme. also einen Verlauf, bei dem die als störend empfundene Pegelspitze (die beim Verlauf 21 zur Zeit t = 0,25 ms noch vorhanden ist) vermieden ist.

Claims (2)

1. Anordnung zur A/D-Wandlung mit A/D-Wandler und unmittelbar nachgeschaltetem digitalen Expander (3), dadurch gekennzeichnet, daß dem A/D-Wandler (2) ein analoger Kompressor (1) vorgeschaltet ist.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kompressor (1) in Serie zwei entgegengesetzt pegelabhängig gesteuerte Verstärker (20, 40) aufweist, wobei sich die Verstärkungssteuerungen beider Verstärker (20, 40) bei derart höherfrequenten Steuervorgängen gegenseitig mit steigender Steuerfrequenz zunehmend entgegenwirken, durch die der nachfolgende A/D-Wandler (2) überfordert sein kann, während die Expansionswirkung des expandierenden (40) der beiden Verstärker bei niederfrequenteren Steuervorgängen mit abnehmender Steuerfrequenz nachläßt.