DE4319256A1 - Analog-Digital-Wandlerschaltung mit hoher Dynamik - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Analog-Digital-Wandlerschaltung zur Digitalisierung eines mit einem Modulationssignal amplitudenmodulierten analogen Hochfrequenzsignals mit

• - einem Analogeingang, dem das analoge Hochfrequenzsignal zuführbar ist,
• - einem Digitalausgang, an dem ein aus dem analogen Hoch­ frequenzsignal entstandenes digitales Hochfrequenzsignal ausgebbar ist,
• - einer Analog-Digital-Wandlerstufe mit einem Stufeneingang und einem Stufenausgang, wobei der Stufeneingang mit dem Analogeingang und der Stufenausgang mit dem Digital­ ausgang verbunden ist.

Hochfrequenzsignale in Megahertz-Bereich mit einer hohen Dynamik von bis zu 96 dB treten z. B. als Echosignale in Magnetresonanz-Anlagen (MR-Anlagen) auf. Die Signalverar­ beitung im Empfangskanal von MR-Anlagen ist deswegen auf­ wendig. Die Dynamik des Empfangssignals hängt von verschie­ den Parametern ab, wie z. B. von dem Gewicht eines Patien­ ten, von der Schichtlage, in der ein Schnittbild erstellt werden soll, von der Art der verwendeten Sequenz, von der Art der Empfangsantenne usw. Eine Digitalisierung des Emp­ fangssignals erfolgt in herkömmlichen Anlagen erst nach einer analogen Demodulation, wobei wegen der Dynamik noch immer hochauflösende Analog-Digital-Wandler von z. B. 16 Bit mit einer Abtastrate von 500 kHz nötig sind. Zusätzlich wird, um den Demodulator und die Analog-Digital-Wandler optimal auszusteuern, vor jeder Messung eine Empfänger­ justage durchgeführt, wodurch der Pegel des Empfangssignals entsprechend voreingestellt wird. Das erfolgt in Probemes­ sungen. Wünschenswert wäre eine Digitalisierung des Emp­ fangssignals möglichst früh in der Empfangskette, möglichst noch vor einer Demodulation. Dann könnte ein Empfangssignal zumindest ab einer Zwischenfrequenzebene digital weiterver­ arbeitet werden. Wenn die Digitalisierung mit hoher Dynamik erfolgen könnte, wäre die Empfängerjustage überflüssig, wodurch Untersuchungszeit eingespart werden könnte.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine Analog- Digital-Wandlerschaltung anzugeben, die amplitudenmodu­ lierte Hochfrequenzsignale im Megahertz-Bereich mit einer hohen Dynamik digitalisieren kann.

Die Aufgabe wird dadurch gelöst, daß

• - der Stufeneingang über einer in seiner Verstärkung steuerbaren Verstärkerstufe mit dem Analogeingang ver­ bunden ist, daß
• - der Stufenausgang über einen steuerbaren digitalen Dividierer mit dem Digitalausgang verbunden ist, daß
• - ein Eingang einer Quantisierungsstufe mit dem Analog­ eingang verbunden ist zur Zuordnung von Amplituden des analogen Hochfrequenzsignals zu einer Anzahl diskreter Amplitudenwerte und zur Ausgabe von Steuersignalen in Abhängigkeit der diskreten Amplitudenwerte an Steuer­ ausgängen, daß
• - die Steuerausgänge mit Verstärker-Steuereingängen des Verstärkers und mit Dividierer-Steuereingängen des Dividierers verbunden sind, daß
• - jedem Steuersignal eine Verstärkung so zugeordnet ist, daß die größte Amplitude, die jedem diskreten Amplituden­ wert zugeordnet ist, von der Analog-Digital-Wandlerstufe nach der Verstärkung gerade noch verzerrungsfrei digita­ lisiert werden kann und daß
• - jedem Steuersignal ein Divisor in dem digitalen Divi­ dierer zugeordnet ist, der dem Reziprokwert der Verstär­ kung entspricht, wodurch die Wirkung der Verstärkung im digitalisierten Hochfrequenzsignal wieder aufgehoben ist.

Die Schaltungsanordnung erlaubt es, ein amplitudenmodulier­ tes Hochfrequenzsignal von z. B. 8,5 MHz mit einer Abtast­ rate von 20 MHz und einer Auflösung von 16 Bit zu digitali­ sieren. Mit einer 16 Bit-Digitalisierung kann eine Dynamik von 96 dB erreicht werden. Dabei kann wegen des vorgeschal­ teten Verstärkers und des nachgeschalteten Dividierers als Analog-Digital-Wandlerstufe ein handelsüblicher 12-Bit- Analog-Digital-Wandler eingesetzt werden. Wegen der großen Dynamik kann auch bei Magnetresonanzanlagen weitgehend auf eine Empfängerjustage verzichtet werden. Die Untersuchungs­ zeit ist damit verkürzt.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung zeichnet sich dadurch aus, daß sich ein diskreter Amplitudenwert von seinem nächst­ niedrig benachbarten Amplitudenwert um den Faktor 2 unter­ scheidet und daß der Dividierer als Trommelschieberegister ausgebildet ist. Diese einfache Ausführung des Dividierers ist dann einsetzbar, wenn die Verstärkung des Verstärkers genau und mit hoher Konstanz eingestellt werden kann.

Der Quantisierer läßt sich mit herkömmlichen Bauelementen realisieren, wenn er in einer weiteren vorteilhaften Ausge­ staltung einen Analog-Digital-Wandler umfaßt, der das Hoch­ frequenzsignal mit eine Rate digitalisiert, die mindestens ungefähr der Abtastrate der Analog-Digital-Wandlerstufe entspricht, wenn dem Analog-Digital-Wandler eine Betrags­ stufe nachgeschaltet ist, die das digitalisierte Signal gleichrichtet, wenn der Betragsstufe ein Kodierer nachge­ schaltet ist, der das gleichgerichtete digitalisierte Signal den Amplitudenwerten zuordnet und wenn dem Kodierer ein Spitzenwertdetektor nachgeschaltet ist, der mit einer Rate zurückgesetzt wird, die oberhalb der Nyquist-Frequenz des Modulationssignals liegt.

An zwei Ausführungsbeispielen der Erfindung werden im fol­ genden anhand von zwei Figuren erläutert. Dabei zeigt:

Fig. 1 in einem Blockschaltbild den Aufbau einer Analog-Di­ gital-Wandlerschaltung, und

Fig. 2 eine Variante der Schaltung nach Fig. 1 mit zwei ab­ wechselnd aktiven Verstärkern.

In Fig. 1 ist mit 2 ein Analogeingang bezeichnet, dem ein analoges Hochfrequenzsignal zuführbar ist, das mit einem Modulationssignal amplitudenmoduliert ist. Die Träger­ frequenz des Hochfrequenzsignals beträgt z. B. 8,5 MHz, während das Modulationssignal eine obere Grenzfrequenz von 250 kHz aufweist. Das dem Analogeingang 2 zugeführte amplitudenmodulierte Hochfrequenzsignal wird durch die Analog-Digital-Wandlerschaltung mit einer Dynamik von 16 Bit im Zweierkomplement bei einer Abtastrate von 20 MHz digitalisiert und an einem Digitalausgang 4 ausgegeben.

Die Analog-Digital-Wandlung geschieht in einer Analog- Digital-Wandlerstufe 6 mit einem analogen Stufeneingang 8 und einem digitalen Stufenausgang 10, wobei die Digitali­ sierung mit einer geringeren Bit-Tiefe erfolgt - hier mit 12 Bit - als das am Digitalausgang ausgegebene Signal. Der Stufeneingang 8 ist über eine steuerbare Verstärkerstufe 12 mit dem Analogeingang 2 und der Stufenausgang 10 über einen steuerbaren digitalen Dividierer 14 mit dem Digitalausgang 4 verbunden. Der Dividierer 14 ist hier als Trommelschiebe­ register (Barrel Shifter) realisiert.

Zusätzlich ist ein Eingang 16 einer Quantisierungsstufe 18 mit dem Analogeingang 2 verbunden. Die Quantisierungsstufe 18 ordnet Amplituden des über den Analogeingang 2 zuge­ führten Hochfrequenzsignals einer Anzahl diskreter Ampli­ tudenwerte zu und gibt an Steuerausgängen 20 Steuersignale in Abhängigkeit der diskreten Amplitudenwerte aus. Es soll darauf hingewiesen werden, daß die Quantisierungsstufe nicht die Augenblickswerte des Hochfrequenzsignals quanti­ siert, sondern die Amplituden des Hochfrequenzsignals. Da­ her können sich die am Steuerausgang ausgegebenen Steuer­ signale nur dann ändern, wenn der Unterschied aufeinander­ folgender Amplituden so groß ist, daß sie verschiedenen diskreten Amplitudenwerten zugeordnet werden, wobei die Amplitudenwerte durch das Modulationssignal vorgegeben sind. Hier genügen als Steuersignale digitale 3 Bit-Sig­ nale, mit denen maximal acht verschiedene Amplitudenwerte darstellbar sind.

Die Steuerausgänge 20 sind mit Verstärker-Steuereingängen. 22 und mit Dividierer-Steuereingängen 24 verbunden. In der Verstärkerstufe 12 ist jedem Steuersignal eine Verstärkung so zugeordnet, daß die größte Amplitude, die jedem diskre­ ten Amplitudenwert zugeordnet ist, von der Analog-Digital- Wandlerstufe 6 nach seiner Verstärkung durch die Verstär­ kerstufe 12 gerade noch verzerrungsfrei digitalisiert wer­ den kann. Zusätzlich ist jedem Steuersignal im Dividierer 14 ein Divisor zugeordnet, der dem Reziprokwert der ent­ sprechenden Verstärkung entspricht. Somit wird die Wirkung der Verstärkung im digitalisierten Hochfrequenzsignal durch den Dividierer wieder aufgehoben.

Die Verstärkungen in der Verstärkerstufe 12 sind hier in fünf Stufen von 6 dB ausgeführt, wodurch sich für den Dividierer 14 ein besonders einfacher Aufbau ergibt. Das bedeutet, daß die Verstärkerstufe 12 hier die Verstärkungen 1 (das entspricht einer unveränderten Zuführung des am Analogeingang 2 anstehenden Hochfrequenzsignals zum Stufen­ eingang 8), 2, 4, 8, 16 aufweist, während der Dividierer 14 das von der Analog-Digital-Wandlerstufe 6 digitalisierte Signal entsprechend mit 1 (also keine Abschwächung), 1/2, 1/4, 1/8, 1/16 abschwächt. Damit wird durch den digitalen Dividierer 14 die Wirkung der Verstärker wieder aufgehoben. Das digitalisierte Signal erhält jeweils entsprechend der Bitauflösung der Analog-Digital-Wandlerstufe 6 eine konstante Anzahl von zählenden Bits. Das ergibt bei großen Amplituden eine geringere Auflösung als bei niedrigen Amplituden, die jedoch in der Praxis nicht störend ist.

Der Quantisierer 18 besteht hier aus einem Analog-Digital- Wandler 26 mit einer groben Auflösung von 8 Bit über den gesamten Bereich der Amplituden des Modulationssignals. Der Analog-Digital-Wandler 26 tastet mit 40 MHz ab, um ohne ein nachgeschaltetes Filter die Scheitelwerte der Hochfrequenz­ schwingungen, also die Amplituden, ausreichend genau zu er­ fassen. Das vom Analog-Digital-Wandler 26 digitalisierte Signal wird über eine Betragsstufe 28 einem Lin-Log₂-Ko­ dierer 30 zugeführt. Der Lin-Log₂-Kodierer 30 führt eine Quantisierung der digitalisierten Augenblickswerte des Hochfrequenzsignals durch, indem die Augenblickswerte aus vorgegebenen Bereichen Amplitudenwerten zugeordnet werden. Die Abstufung ist hier logarithmisch zur Basis 2 gewählt, wodurch sich bei einer Verdopplung des am Lin-Log₂-Ko­ dierers 30 anstehenden Eingangssignals ein nächsthöherer Amplitudenwert ergibt. Die quantisierten Augenblickswerte werden nun in einem Spitzenwertdetektor 32 erfaßt, der nur dann ein an seinem Eingang zugeführtes Signal an seinen Ausgang weitergibt, wenn es größer ist als das Eingangs­ signal, sonst bleibt das ursprüngliche Ausgangssignal stehen. Damit der Spitzenwertdetektor 32 die Amplituden­ änderungen, d. h. das Modulationssignal erkennt, muß er mit mindestens der doppelten oberen Grenzfrequenz des Modulati­ onssignals zurückgesetzt werden.

Die Taktsteuerung der Analog-Digital-Wandlerschaltung geht aus von einem Taktgenerator 34, der ein Taktsignal von 40 MHz erzeugt. Das Taktsignal wird dem Analog-Digital-Wandler 26 und zwei Teilern 36 und 38 zugeführt. Der Teiler 36 hal­ biert die Taktfrequenz auf 20 MHz zur Steuerung der Analog- Digital-Wandlerstufe 6 und des Dividierers 14. Der Teiler 38 teilt das Taktsignal des Taktgenerators 40 auf 1 MHz zur Steuerung des Spitzenwert-Detektors 32. Die Steuertakte liegen über der Nyquistfrequenz des jeweils abgetasteten Signals, so daß keine Information verlorengeht.

Im folgenden wird die Funktion der Analog-Digital-Wandler­ schaltung erläutert. Liegen die Amplituden des zu digita­ lisierenden Hochfrequenzsignals im Bereich zwischen 90 dB und 96 dB, dann gibt der Spitzenwert-Detektor 32 an seinem Ausgang 20 Steuersignale für 0 dB Verstärkung und 0 dB Abschwächung ab. Die Analog-Digital-Wandlerstufe 6 digi­ talisiert die unverstärkten Augenblickswerte mit 12 Bit. Im am Ausgang 4 ausgegebenen 16-Bit-Signale sind die 12 höchstwertigsten Bitstellen entsprechend besetzt, wobei die vier niedrigstwertigen Stellen mit Nullen ausgefüllt wer­ den.

Liegen die Amplituden im Bereich von 84 dB bis 90 dB, sind sie also im Bereich von 1/4 bis 1/2 der maximalen Ampli­ tude, erscheinen am Ausgang 20 Steuersignale für eine Ver­ stärkung von 6 dB für den Verstärker 12 und für den Divi­ dierer 14 Steuersignale für eine Abschwächung um 6 dB. Damit ist die Analog-Digital-Wandlerstufe 6 wieder optimal ausgesteuert. Das am Stufenausgang 10 ausgegebenen 12-Bit- Signal wird dann im Dividierer 14 um eine Stelle nach rechts verschoben, also durch "2" dividiert, dem 16-Bit- Signal zugeordnet. Damit sind im 16-Bit-Signal die höchst­ wertigste Bitstelle mit dem Vorzeichen und die drei niedrigstwertigsten Bitstellen mit Nullen besetzt. Bei noch kleineren Amplituden wird entsprechend höher verstärkt und das 12-Bit-Signal weiter nach rechts verschoben.

An die Verstärkerstufe 12 werden hohe Anforderungen bezüg­ lich des Einschwingverhaltens bei einer Umschaltung der Verstärkung gestellt. Schwingt die Verstärkung zu langsam auf einen neuen Wert ein, würde die Analog-Digital-Wandler­ stufe 6 ein verzerrtes Signal digitalisieren. Geringere Anforderungen an das Einschwingverhalten können an den Verstärker in der Verstärkerstufe 12 gestellt werden, wenn statt eines Verstärkers zwei Verstärker 12a und 12b paral­ lel geschaltet sind, wie in Fig. 2 angegeben. Dabei sind die Ausgänge der Verstärker 12a und 12b über einen Umschalter 40 mit dem Eingang 8 der Analog-Digital-Wandlerstufe 6 verbunden. Der Umschalter 40 wird vom halben Steuertakt des Teilers 38 abwechselnd umgeschaltet, gleichzeitig wird dieser Steuertakt auch als Freigabesignal für die Ver­ stärker 12a, 12b verwendet und den Verstärkern 12a, 12b über einen Freigabeeingang 42 zugeführt. Die parallel geschalteten Verstärker 12a und 12b sind somit abwechselnd ausgangsseitig über den Umschalter 40 mit der Analog- Digital-Wandlerstufe 6 verbunden, wobei der jeweils nicht mit der Analog-Digital-Wandlerstufe 6 verbundene Verstärker für eine Umschaltung der Verstärkung freigegeben ist, wäh­ rend der mit der Analog-Digital-Wandlerstufe 6 verbundene Verstärker an einer Umschaltung der Verstärkung gehindert ist. Bei der in Fig. 2 gezeigten Schaltstellung des Um­ schalters 40 ist der Verstärker 12b zur Umschaltung der Verstärkung freigegeben.

Claims (6)

1. Analog-Digital-Wandlerschaltung zur Digitalisierung eines mit einem Modulationssignal amplitudenmodulierten analogen Hochfrequenzsignals mit

• - einem Analogeingang (2), dem das analoge Hochfrequenz­ signal zuführbar ist,
• - einem Digitalausgang (4), an dem ein aus dem analogen Hochfrequenzsignal entstandenes digitales Hochfrequenz­ signal ausgebbar ist,
• - einer Analog-Digital-Wandlerstufe (6) mit einem Stufen­ eingang (8) und einem Stufenausgang (10), wobei der Stufeneingang (8) mit dem Analogeingang (2) und der Stufenausgang (10) mit dem Digitalausgang (4) verbunden ist,

dadurch gekennzeichnet, daß

• - der Stufeneingang (8) über einer in seiner Verstärkung steuerbaren Verstärkerstufe (12) mit dem Analogeingang (2) verbunden ist, daß
• - der Stufenausgang (10) über einen steuerbaren digitalen Dividierer (14) mit dem Digitalausgang (4) verbunden ist, daß
• - ein Eingang (16) einer Quantisierungsstufe (18) mit dem Analogeingang (2) verbunden ist zur Zuordnung von Ampli­ tuden des analogen Hochfrequenzsignals zu einer Anzahl diskreter Amplitudenwerte und zur Ausgabe von Steuer­ signalen in Abhängigkeit der diskreten Amplitudenwerte an Steuerausgängen (20), daß
• - die Steuerausgänge (20) mit Verstärker-Steuereingängen (22) der Verstärkerstufe (12) und mit Dividierer-Steuer­ eingängen (24) des Dividierers (14) verbunden sind, daß
• - jedem Steuersignal eine Verstärkung so zugeordnet ist, daß die größte Amplitude, die jedem diskreten Amplituden­ wert zugeordnet ist, von der Analog-Digital-Wandlerstufe (6) nach der Verstärkung gerade noch verzerrungsfrei digitalisiert wird und daß
• - jedem Steuersignal ein Divisor in dem digitalen Divi­ dierer (14) zugeordnet ist, der dem Reziprokwert der Ver­ stärkung entspricht, wodurch die Wirkung der Verstärkung im digitalisierten Hochfrequenzsignal wieder aufgehoben ist.

2. Analog-Digital-Wandlerschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich ein diskreter Amplitudenwert von seinem nächstniedrig be­ nachbarten Amplitudenwert um den Faktor 2 unterscheidet und daß der Dividierer (14) als Trommelschieberegister ausge­ bildet ist.

3. Analog-Digital-Wandlerschaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Quantisierer (18) einen Analog-Digital-Wandler (26) umfaßt, der das Hochfrequenzsignal mit einer Rate digitalisiert, die mindestens ungefähr der Abtastrate der Analog-Digital- Wandlerstufe entspricht, daß dem Analog-Digital-Wandler (26) eine Betragsstufe (28) nachgeschaltet ist, die das digitalisierte Signal gleichrichtet, daß der Betragsstufe (28) ein Kodierer (30) nachgeschaltet ist, der das gleich­ gerichtete digitalisierte Signale einem der Amplitudenwerte zuordnet und daß dem Kodierer (30) ein Spitzenwertdetektor (32) nachgeschaltet ist, der mit einer Rate zurückgesetzt wird, die oberhalb der Nyquist-Frequenz des Modulationssignals liegt.

4. Analog-Digital-Wandlerschaltung nach Anspruch 3, da­ durch gekennzeichnet, daß der Ko­ dierer (30) als Lin-Log-Kodierer ausgebildet ist, dessen Ausgangssignal dem zur Basis Zwei logarithmierten digitalen Eingangssignal entspricht.

5. Analog-Digital-Wandlerschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstärkerstufe (12) zwei ausgangsseitig über einen Umschalter (40) parallelgeschaltete umschaltbare Verstärker (12a, 12b) umfaßt.