DE3800364C2 - Verfahren zur Rückgewinnung eines analogen Signals aus einem digitalen Signal, insbesondere für digitale Fernsprecheinrichtungen, sowie nach diesem Verfahren arbeitende Schaltungsanordnung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Rückgewinnung eines analogen Signals aus einem digitalen Signal, vor­ zugsweise einem PCM-Signal, insbesondere für digitale Fernsprecheinrichtungen,
bei dem in einer ersten Phase in einer Digital- Analog-Wandlung eine erste Rekonstruktion des analogen Signals gewonnen wird, wobei in das Frequenzspektrum eine mit der Signalfrequenz abnehmende Amplitudenverzerrungs­ komponente eingebracht wird,
und bei dem in einer zweiten Phase mit Hilfe eines mit Integratoren ausgestatteten Filters mit einer gege­ benen Grenzfrequenz eine Tiefpaßfilterung durchgeführt wird.

Die Erfindung betrifft ferner eine Schaltungsanordnung, insbesondere für digitale Fernsprecheinrichtungen, zur Rückgewinnung eines analogen Signals aus einem digitalen Signal, vorzugsweise einem PCM-Signals, mit einem Digi­ tal-Analog-Wandler, dessen Ausgang mit einem mit Inte­ gratoren ausgestatteten Tiefpaß-Filter verbunden ist, das eine Grenzfrequenz aufweist, wobei der Digital-Analog-Wandler in das Frequenzspektrum eine mit der Signal­ frequenz abnehmende Amplitudenverzerrungskomponente einfügt.

Bekanntlich müssen bei der Fernsprechübertragung digita­ ler Signale, insbesondere bei der Übertragung pulscode­ modulierter Signale (PCM-Signale) diese beim Empfang wieder in analoge Signale rückgewandelt werden.

Die durch Analog-Digital-Wandlung eines analogen Sprach­ signals gewonnenen digitalen Signale werden über einen Fernsprechkanal übertragen. Deshalb muß das Sprachsignal beim Empfang durch eine erneute Wandlung, und zwar eine Digital-Analog-Wandlung rückgewonnen werden.

Hierfür schlägt z. B. die US 45 80 128 die Verwendung eines Digital-Analog-Wandlers vor, dem ein Tiefpaß-Filter nach­ geordnet ist. Der Digital-Analog-Wandler nimmt an seinem Eingang das von der Übertragungsleitung kommende digitale Signal in Form einer Folge von logischen Binärwerten, sogenannten Bits, auf und liefert am Ausgang eine erste Rekonstruktion des ursprünglichen Sprachsignals. Diese erste Rekonstruktion besteht aus einem Signal in Form einer treppenförmigen analogen Welle. Jede der Treppenstufen entspricht den Amplitudenwerten des ursprünglichen Sprach­ signals, das in konstanten Zeitabschnitten T_s quantisiert ist. Mit anderen Worten, die erste Rekonstruktion des Signals besteht darin, daß das Signal während Perioden mit der Dauer T_s jeweils auf konstanten Werten gehalten wird. Die Funktion des Digital-Analog-Wandlers wird durch einen sogenannten Taktimpuls "getaktet", dessen Abtastfrequenz f_s international auf 8 kHz standardisiert ist. Die erwähnte Quantisierungsperiode ist der Kehrwert dieser Frequenz f_s.

Das Halten des Signals während der Perioden mit der Dauer T_s fügt in das das Frequenzspektrum des Signals eine Ampli­ tudenverzerrungskomponente ein, die beispielsweise die Form sin(πf/f_s)/πf/f_s) hat. Dies hat den Nachteil, daß eine sich mit der Frequenz verändernde Amplitudendämpfung des Signals erzeugt und infolgedessen das Signal selbst verzerrt wird.

Um diesem Nachteil zu begegnen, ist der Ausgang des Digi­ tal-Analog-Wandlers mit einem Tiefpaß-Filter verbunden. Dieses Filter ermöglicht die Eliminierung der hochfrequen­ ten Komponenten des Signals. Es handelt sich um ein Tief­ paßfilter mit einem Durchlaßbereich von 0 bis 3000 Hz, wobei der letztgenannte Wert die durch internationale Standards festgelegte Grenzfrequenz f_t ist.

An den Ausgang des Filters ist üblicherweise ein Opera­ tionsverstärker angeschlossen, der das analoge Signal mit einer niedrigen Ausgangsimpedanz reproduziert.

Derzeit werden die Filter mit Hilfe integrierter Schaltun­ gen realisiert. Diese Filter werden als Filter fünfter Ordnung bezeichnet, da sie fünf Integratoren mit Opera­ tionsverstärkern beinhalten. Solche Filter entsprechen den Forderungen, die von den internationalen Standards gestellt werden. Sie beseitigen auch die oben erwähnte Verzerrungs­ komponente.

Die bekannte Lösung wird zwar im Wesentlichen den an sie gestellten Anforderungen gerecht. Nachteilig sind jedoch die Größe der von den Operationsverstärkern besetzten Fläche der integrierten Schaltung sowie die hohe Verlust­ leistung.

Der die Basis der vorliegenden Erfindung bildende Lösungs­ gedanke besteht darin, die Frequenzantwort der in der Haltephase eingeführten Amplitudenverzerrungskomponenten als Substitution der Frequenzantwort eines singulären Pols des Rekonstruktionsfilters auszunutzen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Rekonstruktion eines analogen Signals aus einem digitalen Signal, insbesondere einem PCM-Signal, anzugeben, um die Verlustleistung bzw. den Flächenbedarf bei Realisierung als integrierte Schaltung zu verringern.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist das Verfahren gemäß der Erfindung nach Anspruch 1 ausgestaltet.

Die Aufgabe wird hinsichtlich der Schaltungsanordnung durch die Merkmale des Anspruchs 3 gelöst.

Weitere Merkmale und Vorteile des Verfahrens gemäß der Erfindung ergeben sich aus der in folgenden anhand der Zeichnungen gegebenen Beschreibung eines Ausführungs­ beispiels, auf das die Erfindung selbstverständlich nicht beschränkt ist.

Fig. 1 zeigt eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung zur Signal-Rückgewinnung,

Fig. 2 zeigt ein Diagramm der Frequenzantwort eines Verzer­ rungssignals in der Schaltungsanordnung von Fig. 1.

Mit 1 ist global und schematisch eine Schaltungsanordnung bezeichnet, die zur Rückgewinnung eines analogen Sprach­ signals 6 aus einem digitalen PCM-Signal dient, wie es in der digitalen Fernsprechtechnik verwendet wird.

Mit 2 ist ein Digital-Analog-Wandler herkömmlicher Bauart bezeichnet, dessen Eingang eine digitale Wellenform 3 zugeführt wird. Außerdem wird dem Wandler 2 als weiteres Eingangssignal ein Taktsignal mit einer Abtastfrequenz f_s von 8 kHz zugeführt.

Mit 9 ist eine analoge Wellenform bezeichnet, die sich am Ausgang des Wandlers 2 ergibt und die dem ursprünglichen Sprachsignal entspricht, wenn dieses für konstante Zeitperioden T_s = 1/f_s amplitudenquantisiert wird, wobei f_s die oben erwähnte Abtastfrequenz ist. Der Wandler 2 ist mit dem Eingang eines Tiefpaß-Filters 4 verbunden, das erfindungs­ gemäß ein Filter vierter Ordnung ist. Das Filter 4 enthält mithin vier aktive Integratoren, die von nicht dargestell­ ten Operationsverstärkern gebildet sind.

Die letzte Stufe des Filters 4 enthält den vierten der genannten Operationsverstärker, der vorzugsweise ein Leistungsverstärker 5 ist.

Dieser Leistungsverstärker 5 wird also vorteilhafterweise als letzte Stufe des Tiefpaß-Filters 4 integriert. Am Ausgang des Filters 4 tritt die analoge Wellenform 6 auf, die das rückgewonnene analoge Signal repräsentiert und der digitalen Wellenform 3 entspricht.

Das durch die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung durch­ geführte Verfahren zur Signal-Rückgewinnung sei im folgen­ den speziell unter Bezugnahme auf das Beispiel von Fig. 2 erläutert, in der die Frequenzkurven für die Amplitudenver­ zerrungskomponente sin(πf/f_s)/πf/f_s gezeigt sind (Kurve 7) sowie die Frequenzkurve der Funktion

Die Kurve 8 stellt das Modul der Frequenzantwort einer Übertragungsfuktion i mit einem einzigen Pol dar, die einem Integrator des Filters zur Signalrückgewinnung entspricht. Da die Kurven 7 und 8 für hohe Frequenzen, die wesentlich größer sind als die Abtastfrequenzen f_s, ähnlich verlaufen und beide im Unendlichen den Wert Null haben, wird in der Schaltungsanordnung gemäß der Erfindung die Frequenzantwort 7 der Verzerrungskomponenten anstelle eines Integrators verwendet, der einem Einzelpol mit einem Frequenzverlauf entspricht, wie er durch die Kurve 8 gegeben ist. Und zwar wird für Frequenzen bis zur Begrenzungsfrequenz f_T die Differenz zwischen der Dämpfung aufgrund dieser Verzerrung gegenüber derjenigen kompensiert, die man bei Verwendung eines Integrators zur Realisierung des Einzelpols erhalten würde.

Das Filter 4 besitzt vier Integratoren und läßt sich durch dem einschlägigen Fachmann bekannte Verfahren optimieren, um die Dämpfung zu kompensieren, die mit der Frequenz aufgrund der Differenz zwischen den Kurven 7 und 8 für zwischen der Frequenz 0 und der Begrenzungsfrequenz f_t liegende Frequenzen anwächst.

Mit dem Filter vierter Ordnung gemäß der Erfindung ergibt sich für die Digital-Analog-Wandlung dieselbe Qualität, die man mit einem Filter fünfter Ordnung gemäß dem Stand der Technik erhält.

Die mit einem Leistungsoperationsverstärker ausgestattete letzte Stufe des Filters 4 erfüllt sowohl die Funktion eines Integrators als auch die eines Steuerverstärkers, der für eine an den Ausgang des Filters angeschlossene Last niedrige Ausgangsimpedanz besitzt.

Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung zur Rückgewinnung eines analogen Signals hat den großen Vorteil, daß sie mit einer besonders geringen Anzahl von Komponenten realisier­ bar ist, wodurch sowohl die Verlustleistung als auch von der integrierten Schaltung besetzte Fläche verringert werden.

Claims (6)

1. Verfahren zur Rückgewinnung eines analogen Signals (6) aus einem digitalen Signal, vorzugsweise aus einem PCM-Signal, insbesondere für digitale Fernsprecheinrichtungen,
bei dem in einer ersten Phase in einer Digital-Analog-Wandlung eine erste Rekonstruktion (9) des analogen Signals (6) gewonnen wird, wobei in das Frequenzspektrum eine mit der Signalfrequenz abnehmende Amplitudenverzerrungskompo­ nente (7) eingebracht wird,
und bei dem in einer zweiten Phase mit Hilfe eines mit Integratoren ausgestatteten Filters (4) mit einer gegebenen Grenzfrequenz (f_t) eine Tiefpaßfilterung durchgeführt wird,
dadurch gekennzeichnet, daß die genannte Verzerrungskomponente (7) die Fre­ quenzantwort eines der Integratoren substituiert.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenzantwort der genannten periodisch dämpfenden Komponenten für Frequenzen bis zu der Grenzfrequenz (f_t) kompensiert wird, um die Frequenzantwort des genannten Integrators mit einem Einzelpol zu reproduzieren.

3. Schaltungsanordnung (1), insbesondere für digitale Fernsprecheinrichtungen, zur Rückgewinnung eines analogen Signals (6), mit einem Digital-Analog-Wandler (2), dessen Ausgang mit einem mit Integratoren ausgestatteten Tiefpaß-Filter (4) verbunden ist, das eine Grenzfrequenz (f_t) aufweist, wobei der Digital-Analog-Wandler (2) in das Frequenzspek­ trum eine mit der Signalfrequenz (f) abnehmende Amplituden­ verzerrungskomponente (7) einfügt, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Tiefpaß-Filter (4) die genannte Verzer­ rungskomponente (7) die Frequenzantwort eines der Integra­ toren substituiert.

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Tiefpaß-Filter (4) ein Filter vierter Ordnung ist und vier Integratoren besitzt und daß die genannte Verzerrungskomponente (7) einen Integrator sub­ stituiert.

5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die letzte Stufe (5) des Filters (4) einen Leistungs-Operationsverstärker (5) umfaßt.

6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Leistungs-Operationsverstärker (5) einen der Integratoren bildet.