DE4319256C2 - Analog-Digital-Wandlerschaltung mit hoher Dynamik - Google Patents
Analog-Digital-Wandlerschaltung mit hoher DynamikInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Analog-Digital-Wandlerschaltung
zur Digitalisierung eines mit einem Modulationssignal ampli
tudenmodulierten analogen Hochfrequenzsignals mit
- - einem Analogeingang, dem das analoge Hochfrequenzsignal zu führbar ist,
- - einer Analog-Digital-Wandlerstufe, die über eine in ihrer Verstärkung steuerbaren Verstärkerstufe mit den Analogein gang verbunden ist,
- - einem Digitalausgang, der über einen steuerbaren Dividierer mit der Analog-Digital-Wandlerstufe verbunden ist und an dem ein aus dem analogen Hochfrequenzsignal entstandenes digitales Hochfrequenzsignal ausgebbar ist, und mit
- - einer Quantisierungsstufe, die mit dem Analogeingang ver bunden ist zur Zuordnung von Amplituden des analogen Hoch frequenzsignals zu einer Anzahl diskreter Steuersignale für die steuerbare Verstärkerstufe und den steuerbaren Dividie rer.
Hochfrequenzsignale in Megahertz-Bereich mit einer hohen Dy
namik von bis zu 96 dB treten z. B. als Echosignale in Mag
netresonanz-Anlagen (MR-Anlagen) auf. Die Signalverarbeitung
im Empfangskanal von MR-Anlagen ist deswegen aufwendig. Die
Dynamik des Empfangssignals hängt von verschieden Parametern
ab, wie z. B. von dem Gewicht eines Patienten, von der
Schichtlage, in der ein Schnittbild erstellt werden soll, von
der Art der verwendeten Sequenz, von der Art der Empfangsan
tenne usw. Eine Digitalisierung des Empfangssignals erfolgt
in herkömmlichen Anlagen erst nach einer analogen Demodula
tion, wobei wegen der Dynamik noch immer hochauflösende Ana
log-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 Empfängerjustage durchgeführt, wodurch der Pegel
des Empfangssignals entsprechend voreingestellt wird. Das er
folgt in Probemessungen. Wünschenswert wäre eine Digitalisie
rung des Empfangssignals möglichst früh in der Empfangskette,
möglichst noch vor einer Demodulation. Dann könnte ein Emp
fangssignal zumindest ab einer Zwischenfrequenzebene digital
weiterverarbeitet werden. Wenn die Digitalisierung mit hoher
Dynamik erfolgen könnte, wäre die Empfängerjustage überflüs
sig, wodurch Untersuchungszeit eingespart werden könnte.
So ist eine Analog-Digital-Wandlerschaltung der eingangs ge
nannten Art aus der US-PS 4 851 842 bekannt, mit der die Di
gitalisierung kleiner Signale im Audio-Bereich verbessert
wird. Insbesondere verhindert die dort offenbarte Schaltung
eine Verschlechterung des Signal-Rauschverhältnisses bei der
Digitalisierung kleiner Signale. Der Dynamikbereich der Digi
tal-Analog-Wandlung ist somit erhöht. Das wird durch den vor
der eigentlichen Analog-Digital-Wandlerstufe angeordneten
steuerbaren Verstärker und den nach der Analog-Digital-Wand
lerstufe angeordneten steuerbaren Dividierer bewirkt, deren
Steuersignale in Abhängigkeit der Einhüllenden des analogen,
zu digitalisierenden Eingangssignals erzeugt werden. Jedoch
ist die Schaltung nicht zur Analog-Digital-Wandlung von Sig
nalen mit Frequenzen im Megahertzbereich geeignet, wie sie in
der diagnostischen Magnetresonanztechnik verwendet werden.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine Analog-Di
gital-Wandlerschaltung anzugeben, die in diagnostischen Mag
netresonanzanlagen auftretende amplitudenmodulierte Hochfre
quenzsignale im Megahertz-Bereich mit einer hohen Dynamik di
gitalisieren kann.
Die Aufgabe wird dadurch gelöst, daß der Quantisierer einen
Analog-Digital-Wandler umfaßt, der das Hochfrequenzsignal mit
einer Rate digitalisiert, die mindestens ungefähr der Abtast
rate der Analog-Digital-Wandlerstufe entspricht, daß dem Ana
log-Digital-Wandler eine Betragsstufe nachgeschaltet ist, die
das digitalisierte Signal gleichrichtet, daß der Betragstufe
ein Kodierer nachgeschaltet ist, der das gleichgerichtete di
gitalisierte Signalden diskreten Steuersignalen zuordnet, und
daß dem Kodierer ein Spitzenwertdetektor nachgeschaltet ist,
der mit einer Rate zurückgesetzt wird, die oberhalb der
Nyquist-Frequenz des Modulationssignals liegt.
Die Schaltungsanordnung erlaubt es, ein amplitudenmoduliertes
Hochfrequenzsignal von z. B. 8,5 MHz, wie es als Zwischenfre
quenzsignal in diagnostischen Magnetresonanzanlagen auftritt,
mit einer Abtastrate von 20 MHz und einer Auflösung von 16 Bit
zu digitalisieren. Mit einer 16 Bit-Digitalisierung kann
eine Dynamik von 96 dB erreicht werden. Dabei kann wegen des
vorgeschalteten Verstärkers und des nachgeschalteten Dividie
rers als Analog-Digital-Wandlerstufe ein handelsüblicher 12-
Bit-Analog-Digital-Wandler eingesetzt werden. Zusätzlich kann
wegen der großen Dynamik beim Einsatz der Magnetresonanzanla
gen auch weitgehend auf eine Empfängerjustage verzichtet wer
den. Die Untersuchungszeit ist damit verkürzt. Der Quantisie
rer ist an die Grenzfrequenz des Basisbandsignals angepaßt
und läßt sich mit herkömmlichen Bauelementen realisieren.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung zeichnet sich dadurch aus,
daß sich ein diskreter Amplitudenwert von seinem nächstnied
rig benachbarten Amplitudenwert um den Faktor 2 unterscheidet
und daß der Dividierer als Trommelschieberegister ausgebildet
ist. Diese einfache Ausführung des Dividierers ist dann ein
setzbar, wenn die Verstärkung des Verstärkers genau und mit
hoher Konstanz eingestellt werden kann.
Zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden
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
sierurng 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 Steuersignale
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 Modulationssiganls. 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 Augenblickwerte 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 verschoden, 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 (4)
1. Analog-Digital-Wandlerschaltung zur Digitalisierung eines
mit einem Modulationssignal amplitudenmodulierten analogen
Hochfrequenzsignals mit
einem Analogeingang (2), dem das analoge Hochfrequenzsignal zuführbar ist,
einer Analog-Digital-Wandlerstufe (6), die über eine in ih rer Verstärkung steuerbare Verstärkerstufe (12) mit den Analogeingang (2) verbunden ist,
einem Digitalausgang (4), der über einen steuerbaren Divi dierer (14) mit der Analog-Digital-Wandlerstufe (6) verbun den ist und an dem ein aus dem analogen Hochfrequenzsignal entstandenes digitales Hochfrequenzsignal ausgebbar ist, und mit
einer Quantisierungsstufe (18), die mit dem Analogeingang (2) verbunden ist zur Zuordnung von Amplituden des analogen Hochfrequenzsignals zu einer Anzahl diskreter Steuersignale für die steuerbare Verstärkerstufe (12) und den steuerbaren Dividierer (14),
dadurch gekennzeichnet, daß
der Quantisierer (18) einen Analog-Digital-Wandler (26) um faßt, der das Hochfrequenzsignal mit einer Rate digitali siert, die mindestens ungefähr der Abtastrate der Analog-Di gital-Wandlerstufe (6) 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 gleichge richtete digitalisierte Signal den diskreten Steuersignalen zuordnet, und daß dem Kodierer (30) ein Spitzenwertdetektor (32) nachgeschaltet ist, der mit einer Rate zurückgesetzt wird, die oberhalb der Nyquist-Frequenz des Modulationssig nals liegt.
einem Analogeingang (2), dem das analoge Hochfrequenzsignal zuführbar ist,
einer Analog-Digital-Wandlerstufe (6), die über eine in ih rer Verstärkung steuerbare Verstärkerstufe (12) mit den Analogeingang (2) verbunden ist,
einem Digitalausgang (4), der über einen steuerbaren Divi dierer (14) mit der Analog-Digital-Wandlerstufe (6) verbun den ist und an dem ein aus dem analogen Hochfrequenzsignal entstandenes digitales Hochfrequenzsignal ausgebbar ist, und mit
einer Quantisierungsstufe (18), die mit dem Analogeingang (2) verbunden ist zur Zuordnung von Amplituden des analogen Hochfrequenzsignals zu einer Anzahl diskreter Steuersignale für die steuerbare Verstärkerstufe (12) und den steuerbaren Dividierer (14),
dadurch gekennzeichnet, daß
der Quantisierer (18) einen Analog-Digital-Wandler (26) um faßt, der das Hochfrequenzsignal mit einer Rate digitali siert, die mindestens ungefähr der Abtastrate der Analog-Di gital-Wandlerstufe (6) 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 gleichge richtete digitalisierte Signal den diskreten Steuersignalen zuordnet, und daß dem Kodierer (30) ein Spitzenwertdetektor (32) nachgeschaltet ist, der mit einer Rate zurückgesetzt wird, die oberhalb der Nyquist-Frequenz des Modulationssig nals liegt.
2. Analog-Digital-Wandlerschaltung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß sich
benachbarte Verstärkungen in der Verstärkerstufe (12) um den
Faktor 2 unterscheiden und daß der Dividierer (14) als Trom
melschieberegister ausgebildet ist.
3. Analog-Digital-Wandlerschaltung nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, daß der Ko
dierer (30) als Lin-Log-Kodierer ausgebildet ist, dessen Aus
gangssignal dem zur Basis Zwei logarithmierten digitalen Ein
gangssignal entspricht.
4. Analog-Digital-Wandlerschaltung nach einem der Ansprüche 1
bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß
die Verstärkerstufe (12) zwei ausgangsseitig über einen Um
schalter (40) parallelgeschaltete umschaltbare Verstärker
(12a, 12b) umfaßt.
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