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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Ausgleich der
Nicht-Linearität
eines Analog-Digital-Wandlers.
Sie wird bei der Herstellung von digitalen Kommunikationsempfängern angewendet.
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Eine
wichtige Eigenschaft der Funkempfänger ist ihre Fähigkeit,
schwache Signale in Gegenwart von Störsignalen hoher Amplitude zu
demodulieren. Diese Fähigkeit
wird durch eine Augenblicksdynamik gekennzeichnet und wird in Dezibel
gemessen.
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Bei
Analogempfängern
wird die Augenblicksdynamik durch Schmalbandfilterung stromaufwärts vor der
Verstärkungskette
erhalten und kann 120 dB erreichen.
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Prinzipiell
verfügen
die digitalen Breitbandempfänger
nicht über
Filter mit schmalem Frequenzband, die vor dem Analog-Digital-Wandler
angeordnet sind, was zur Wirkung hat, die Dynamik der Empfänger stark zu
verringern und Verzerrungen des demodulierten Signals hervorzurufen.
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Die
Dynamik der verwendeten Analog-Digital-Wandler liegt bei 70 dB.
Ihre Rauschdynamik, die im Englischen mit der Abkürzung S.F.D.R
für "Spurious Free Dynamic
Range" bezeichnet
wird, beträgt
80 dB bezüglich
des Vollbereichs PE des Wandlers. Diese Dynamik variiert in Abhängigkeit
vom Pegel des an den Wandler angelegten Signals, zum Beispiel ist
bei Signalen bei –20
dB des Vollbereichs die Dynamik um 20 dB verringert.
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Die
Verzerrungen des demodulierten Signals werden durch die Ungenauigkeit
der Umwandlung erzeugt, da die Schritte eines Wandlers nicht alle
den gleichen analogen Wert haben. Die Abweichungen von einem Schritt
zum anderen können
nämlich
mehr oder weniger 50 erreichen. Diese Nicht-Linearität, die in
der Fachliteratur "differentielle
Linearität" genannt wird, wird
im Gegensatz zur Nicht-Linearität
der analogen Schaltungen, die glatt ist, als "raue" Nicht-Linearität bezeichnet.
Für einen
Analog-Digital-Wandler gibt es in Wirklichkeit eine Vielzahl von
Kurven von differentiellen Nicht-Linearitäten von der in 1 gezeigten
Art, die eine Intermodulations-Verzerrungskurve
in zwei gleichen Tönen
in Abhängigkeit
vom Pegel des an den Eingang eines Analog-Digital-Wandlers angelegten
Signals darstellt, die sowohl von der Absolutfrequenz des Signals
als auch von seinem Verhältnis
zur Taktfrequenz abhängen.
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Eine
bekannte Methode zum Kompensieren der Nicht-Linearität eines Analog-Digital-Wandlers
besteht darin, zu dem an den Eingang des Wandlers angelegten Signal
ein Rauschsignal, englisch "Dither" genannt, hinzuzufügen, das
besondere Eigenschaften hat. Die Wirksamkeit der Methode ist nicht
optimal, um die Nicht-Linearität
von Analog-Digital-Wandlern von digitalen Funkempfängern mit
breitem Frequenzband, das sich über
einige zehn MHz erstreckt, und mit geringem Modulationsfrequenzband
von einigen zehn kHz zu korrigieren. Indem man zum Beispiel ein
Rauschsignal (Dither) mit –35
dB/PE mittlerer Leistung hinzufügt,
wird die Verzerrungskurve der 1, wie es 2 zeigt,
für die
Spitzenpegel zwischen –10
dB/PE und –25
dB/PE verbessert, wobei diese Verbesserung für die niederen Pegel noch deutlicher
wird. Man sieht ebenfalls, dass die Rauheit abgenommen hat. Die
Intermodulation der Ordnung 3 (IMD3) bleibt aber immer noch unter –80 dBc.
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Eine
noch genauere Betrachtung der Kurve der 2 zeigt,
dass man, um von der maximalen Linearität zu profitieren, das Rauschsignal
im Vollbereich des Wandlers positionieren sollte, was dazu führen würde, die
Verstärkung
um etwa 20 dB im analogen Bereich des Empfängers zu erhöhen, der
sich vor dem Wandler befindet, auch wenn dies nicht durch den Rauschboden des
Wandlers rechtfertigt wird und eine Instabilität des Empfängers durch die daraus entstehende
Erhöhung
der Dynamik der analogen Schleife der automatischen Verstärkungssteuerung
(CAG) nach sich ziehen kann, die vor dem Wandler angeordnet ist.
Aufgrund der schrittweisen Verwaltung der CAG-Schleife und der notwendigen
Hysteresis ist es aber praktisch unmöglich, das Signal oberhalb
eines Fensters zwischen –3
dB und –8
dB des Vollbereichs anzuordnen, was einen entsprechenden Verlust
der Augenblicksdynamik darstellt. Schließlich lässt die Tatsache, dass die
natürlichen Störsender
im Maximum des Vollbereichs positioniert werden, keinerlei Spielraum,
und das Impulsrauschen wird vom Wandler mit den daraus folgenden
Unannehmlichkeiten begrenzt.
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Ziel
der Erfindung ist es, die obigen Nachteile zu beseitigen.
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Das
Patent
US A 5525984 offenbart
ein analog-digitales Wandlungssystem, das eine Störstufe aufweist,
die an ihrem Ausgang ein mit Rauschen frequenzmoduliertes Störsignal
mit konstanter Amplitude liefert, das zum an den Eingang des Wandlers
angelegten Signal hinzugefügt
wird. Die Störstufe
enthält
einen Oszillator mit variabler Frequenz, der von dem weißen Rauschen
frequenzmoduliert wird, das von einem Rauschgenerator geliefert
wird, wobei das resultierende Signal von einem Amplitudenmodulator
in eine Addierschaltung übertragen
wird.
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Zu
diesem Zweck hat die Erfindung ein Verfahren zur Linearisierung
eines Analog-Digital-Wandlers zum Gegenstand, dadurch gekennzeichnet,
dass es mindestens einen Schritt aufweist, in dem ein mit Rauschen
frequenzmoduliertes Störsignal
mit konstanter Amplitude zu dem Signal hinzugefügt wird, das an den Eingang
des Wandlers angelegt wird, und dass es einen Schritt der Regelung
der Amplitude des Störsignals in
Abhängigkeit von
der Amplitude des umzuwandelnden analogen Signals aufweist, damit
der Pegel des Eingangssignals, der zum Pegel des Ausgangssignals
der Störstufe
hinzugefügt
wird, gleich dem Vollbereich-Signalpegel des Analog-Digital-Wandlers
ist.
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Gemäß einem
zweiten Merkmal weist das erfindungsgemäße Verfahren auch einen Schritt
der Regelung des Pegels des zum an den Eingang des Wandlers angelegten
Signal hinzugefügten
Störsignals
auf, derart, dass der resultierende Pegel gleich dem Vollbereich
des Wandlers ist.
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Die
Erfindung hat auch eine Vorrichtung zur Anwendung des erwähnten Verfahrens
zum Gegenstand.
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Das
Verfahren und die Vorrichtung gemäß der Erfindung haben den Vorteil,
zu einer Lösung
für die Linearisierung
der digitalen Empfänger
zu führen,
wenn die Linearität
von derjenigen des Analog-Digital-Wandlers abhängt. Das von der Erfindung
angewendete Verfahren hat in dem Maße einen universellen Charakter, als
es für
alle Arten von Analog-Digital-Wandlern angewendet werden kann.
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Weitere
Merkmale und Vorteile der Erfindung gehen aus der nachfolgenden
Beschreibung anhand der beiliegenden Zeichnungen hervor. Es zeigen:
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1 eine
Kurve, die die Schwankungen des Intermodulationspegels der Ordnung
3 in Abhängigkeit vom
Tonpegel ohne Korrektur durch Hinzufügen eines Rauschens gemäß dem Stand
der Technik zeigt.
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2 eine
Kurve der Schwankungen des Intermodulationspegels der Ordnung 3,
die durch Hinzufügen
eines Rauschens außerhalb
des Frequenzbands des Nutzsignals zum an den Eingang des Wandlers
angelegten Signal gemäß dem Stand
der Technik erhalten wird.
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3 zwei
Kurven, die für
den Pegel S.F.D.R in Abhängigkeit
vom Pegel des an den Wandler angelegten Eingangssignals repräsentativ
sind und ohne Linearisierung oder erfindungsgemäß mit Linearisierung erhalten
werden.
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4 eine
Ausführungsform
einer Linearisierungsvorrichtung gemäß der Erfindung.
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Um
zu erreichen, dass die Summe der Störsignale über den gesamten Bereich eines
Analog-Digital-Wandlers gleich verteilt ist, um dessen Nicht-Linearitäten zu glätten, besteht
das erfindungsgemäße Verfahren
darin, ein zusätzliches
Störsignal
mit einer solchen Amplitude hinzuzufügen, dass der Pegel des die
natürlichen
Störsignale überlagernden
und in Höhe
des hinzugefügten
Störsignals
hinzugefügten
Nutzsignals dem Vollbereich des Analog-Digital-Wandlers entspricht.
Das Spektrum des hinzugefügten
Störsignals
ist dasjenige eines weißen
Rauschens, wodurch es sowohl vom Nutzsignal als auch von den natürlichen
Störsignalen völlig dekorreliert
wird, wobei seine Breite mindestens gleich derjenigen dieser letzteren
ist.
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Diese
Lösung
ermöglicht
es, die die Rauschdynamik SFDR begrenzenden Linien auf einen relativen Pegel
zurückzuführen, der
demjenigen des Vollbereichs entspricht. Die Dynamik SFDR kann noch
durch eine Wirkung der Linienspreizung erhöht werden, die durch Verbreiterung
des Rauschbands des hinzugefügten Störsignals
erhalten wird. Dies ist mit einer leichten Erhöhung des Bodenrauschens verbunden,
was nicht störend
ist, solange dieses sich unter dem Rauschen SFDR befindet. Die erhaltenen
Ergebnisse sind dann umso besser, wenn der Pegel des hinzugefügten Störsignals
am Eingang des Analog-Digital-Wandlers vorherrschend ist.
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Da
es ebenfalls notwendig ist, für
hohe Pegel der natürlichen
Störsignale,
die ausreichend hoch über dem
Rauschen des Analog-Digital-Wandlers liegen, die Dynamik zu vergrößern, ist
es möglich,
durch Positionierung der CAG optimale Pegel für die zwei Arten von Störsignalen
zu erhalten.
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Indem
man zum Beispiel den Fall eines Analog-Digital-Wandlers mit einer Rauschdynamik SFDR
von 80 dB und einem Signal/Rausch-Verhältnis SNR von 68 dB nimmt,
der mit 65 MHz getastet wird, ist das in einen Frequenzbereich von
3 kHz rückgeführte Rauschen
gleich:
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Für natürliche Störsignale
mit –20
dB des Vollbereichs (10 %) beträgt
das hinzugefügte
Störsignal –1 dB des
Vollbereichs (80 %). Die Dynamik (natürliche Störsignale/Rauschen) beträgt dann –20 – (–111) =
91 dB.
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Um
dieses Ergebnis zu erhalten, muss das Frequenzband des hinzugefügten Störsignals
mindestens 10 Mal so groß sein
wie dasjenige des natürlichen
Störsignals.
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Wenn
man annimmt, dass das Band des natürlichen Störsignals 3 kHz beträgt, was
demjenigen der meisten Eingangssignale im HF-Bereich entspricht,
führt dies
dazu, ein hinzugefügtes
Störsignal
zu verwenden, das einen Frequenzbereich von mindestens 30 kHz belegt.
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Die
gesamten obigen Betrachtungen führen
das erfindungsgemäße Verfahren
dazu, die drei folgenden Kriterien zu berücksichtigen, nämlich:
- a)– um
permanent im Vollbereich des Analog-Digital-Wandlers zu arbeiten, muss das hinzugefügte Störsignal
vorzugsweise auf den Pegel geregelt werden, der vom Eingang des
Empfängers
kommt, und dies mit einem Durchlassband der Regelung mindestens
gleich demjenigen der Modulation,
- b)– muss
das hinzugefügte
Störsignal
eine konstante Amplitude haben, um nicht Rauschspitzen zu begrenzen
und das Signal/Rausch-Verhältnis
SNR des Analog-Digital-Wandlers zu verringern, was dazu führt, eine
durch weißes
Rauschen frequenzmodulierte Trägerwelle
zu verwenden,
- c)– muss
das Frequenzband des hinzugefügten
Störsignals
außerhalb
des Nutzbands liegen und ausreichend gefiltert sein, um nicht auf
dieses mit einem Pegel überzugreifen,
der über
dem Rauschen des Analog-Digital-Wandlers liegt, d.h. –110 dB
im vorhergehenden Beispiel.
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Die
Kurven der 3 zeigen die Ergebnisse, die
erhalten werden können,
wenn das erfindungsgemäße Verfahren
für die
Linearisierung eines Analog-Digital-Wandlers von der Art angewendet wird,
die unter der Referenz AD6640 bekannt ist und von der Gesellschaft
amerikanischen Rechts "ANALOG
DEVICES" in den Handel
gebracht wird.
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Eine
Vorrichtung zur Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens, die die drei
obigen Kriterien berücksichtigt,
ist in 4 innerhalb einer geschlossenen gestrichelten
Linie 1 dargestellt, die in die Empfangskette eines Funkempfängers zwischen
einerseits den Ausgang eines Empfangsverstärkers 2, der die Signale einer
Antenne 3 über
ein Bandfilter 4 empfängt,
und andererseits einen Analog-Digital-Wandler 5 eingefügt ist.
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Die
Vorrichtung 1 weist eine Störstufe 6 auf, die
ebenfalls innerhalb einer geschlossenen gestrichelten Linie dargestellt
ist und aus einem Rauschgenerator 7, einem Oszillator mit
variabler Frequenz 8 und einer Amplitudenmodulationsstufe 9 besteht.
Die Frequenz des Oszillators 8 wird vom weißen Rauschen
frequenzmoduliert, das vom Rauschgenerator 7 geliefert
wird, und der Pegel des resultierenden Signals, das vom Oszillator 8 geliefert
wird, wird von der Modulationsstufe 9 in Abhängigkeit
vom Pegel des am Ausgang des Empfangsverstärkers 2 erhaltenen
Signals amplitudenmoduliert. Der Ausgangspegel des Empfangsverstärkers 2 wird
an die Modulationsstufe 9 über eine Erfassungszelle 10 und
einen Differentialverstärker 11 angelegt.
Eine Addierschaltung 12 führt die Addition des am Ausgang
des Empfangsverstärkers 2 erhaltenen
Signals und des durch die Modulationsvorrichtung 9 modulierten
und durch ein Tiefpassfilter 13 gefilterten Rauschpegels
durch, das zwischen den Ausgang der Modulationsvorrichtung 9 und
die Addierschaltung 12 eingefügt ist. Das von der Addierschaltung 12 kommende
Signal wird dann an den Analog-Digital-Wandler 5 übertragen.
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Gemäß einer
anderen Ausführungsform
der Erfindung könnte
auch in Betracht gezogen werden, das hinzugefügte Störsignal nicht zu regeln, indem
es nur zum Beispiel auf 30 % des Vollbereichwerts des Analog-Digital-Wandlers
positioniert wird. Die Gesamtdynamik ist dann um 3 dB reduziert,
und der Gewinn an Linearität
ist weniger groß,
aber diese Anordnung könnte
trotzdem noch für
viele Fälle
geeignet sein.
