DE60122334T2

DE60122334T2 - Verfahren und vorrichtung zur erzeugung einer digitalen wiedergabe eines signals

Info

Publication number: DE60122334T2
Application number: DE60122334T
Authority: DE
Inventors: Selina Anderson Malvern BALLANTYNE; Adrian Sean Malvern COFFEY; Martin Malvern JOHNSON; Robin Malvern JONES
Original assignee: Qinetiq Ltd
Current assignee: Qinetiq Ltd
Priority date: 2000-06-21
Filing date: 2001-06-20
Publication date: 2007-09-13
Anticipated expiration: 2021-06-21
Also published as: DE60122334D1; ATE336827T1; EP1295399B1; AU2001274254A1; KR100787789B1; US20030179018A1; US6803868B2; CN100403654C; WO2001099286A1; EP1295399A1; CA2410422A1; CN1437796A; GB0015148D0; JP2003536344A; KR20030043796A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erzeugung einer digitalen Wiedergabe eines Signals, insbesondere zur Erzeugung einer adaptiven digitalen Wiedergabe.
Herkömmliche Analog-Digital-Wandler (ADC) sind allgemein bekannt. Diese ermöglichen es, daß ein analoges Eingangssignal in eine digitale Wiedergabe des Eingangssignals umgesetzt wird.
Es sind verschiedene Typen von Analog-Digital-Wandlern bekannt. Der einfachste ist möglicherweise der Nulldurchgangs-Diskriminator, bei dem sich der Ausgangswert von einer logischen Null in eine logische Eins ändert, wenn der Ausgangswert eine Referenzspannung von Null Volt durchquert. Kompliziertere Analog-Digital-Wandler umfassen eine Reihe von schwellenwertüberquerenden Diskriminatoren, von denen jeder seine eigene Referenzspannung aufweist, wobei benachbarte Referenzspannungen um einen gemeinsamen Betrag beabstandet sind oder einige andere Mittel zur Erzielung eines ähnlichen Effekts aufweisen. So zeigen beispielsweise die Ausgangswerte von sechzehn Diskriminatoren, als binärer Code ausgedrückt, daß die Eingangsspannung irgendwo zwischen zwei bestimmten Referenzspannungen liegt. Wegen eines signifikanten Rauschwerts am Eingang kann jedoch das Eingangssignal während des Umsetzungsverfahrens nicht als statisch betrachtet werden, wodurch sich die digitale Wiedergabe des Ausgangswerts rapide ändert und beinahe unbestimmt ist. Zur Überwindung dieses Problems wird das Eingangssignal konstant gehalten, indem eine "Abtast-Halte"-Schaltung verwendet wird und die sich ergebende eindeutige digitale Wiedergabe des Ausgangswertes während der "Haltephase" durch Abtastimpulse, die an den gleich beabstandeten Zeitintervallen auftreten, in einem Register gespeichert wird.
Die Analog-Digital-Umsetzung, bei der das analoge Eingangssignal mit einer vorgegebenen konstanten Geschwindigkeit periodisch abgetastet wird und in einer digitalen Wiedergabe ausgedrückt wird, gehört zum Standard. Um ein analoges Signal umzusetzen, welches Komponenten mit einer hohen Frequenz aufweist, muß eine höhere Abtastgeschwindigkeit verwendet werden, was zu einer größeren Menge an digitalen Ausgangsinformationen führt. Ferner führt die hohe Abtastgeschwindigkeit zu einer größeren Menge unnötiger digitaler Informationen für Abschnitte der analogen Eingabe, die eine relativ niedrige Frequenz aufweisen. Bei analogen Signalen, die sowohl Komponenten mit einer hohen als auch mit einer niedrigen Frequenz aufweisen, ist eine niedrige Abtastrate nicht zweckmäßig, weil dann die Hochfrequenzkomponenten nicht korrekt erkannt werden können. Die Wahl einer gleichmäßigen Abtastrate unterliegt herkömmlicherweise den bekannten Nyquistschen Abtastkriterien, das heißt, die Abtastrate muß größer als das Doppelte der maximalen Frequenzkomponente des Signals sein.
In der internationalen Patentanmeldung PCT US 98/27592 ist für die Abtastung mit einer konstanten Rate eine Alternative beschrieben. Wenn sich die Amplitude des Eingangssignals um einen Betrag ändert, der einen vorgegebenen Schwellenwertpegel überschreitet, wird eine digitale Nachricht ausgegeben, die Informationen über die Änderung der Amplitude, die Polarität der Änderung und die abgelaufene Zeit der Änderung enthält. Daher werden Abtastungen nur dann vorgenommen, wenn sich das Signal selbst um einen vorgegebenen Betrag ändert und die Abtastrate wird somit durch das Signal selbst bestimmt. Das ist ein Beispiel für eine adaptive Abtasttechnik. Wie in der vorliegenden Patentschrift verwendet, soll der Begriff "adaptiv" zur Angabe eines Abtastsystems verwendet werden, bei dem die Erzeugung des digitalen Ausgangswerts auf der Evolution des Signals beruht.
Das in PCT US 98/27592 beschriebene ist ebenfalls ein System, das Feedback benötigt. Die Überquerung eines Schwellenwertpegels führt dazu, daß die Pegel der Vorrichtung zurückgesetzt werden. Die Notwendigkeit, daß Pegel geändert werden müssen, bedeutet, daß das System, verglichen mit einem Durchlaufsystem, wie dem herkömmlichen Analog-Digital-Wandler, langsam ist.
Das US-Patent 4 680 797 beschreibt einen Codierer für eine sichere Kommunikation mit Sprache, welcher bestimmte kritische Punkte innerhalb eines Signals bestimmt und die Vektoren zwischen den Schlüsselpunkten bestimmt und diese Vektoren überträgt. Der Aufsatz von Balasubramanian K. u.a. ("A Novel Method for Optimal Sampled Data Selection, Transmission and Reconstruction: A Proposal", 1995 IEEE Instrumentation and Measurement Technology Conference; IMTC/95 Waltham Ma. 23–26. April 1995, Proceedings of the Instrumentation and Measurement Technology Conference) offenbart in ähnlicher Weise ein System, das Schlüsselpunkte im Signal kennzeichnet und Abtastungen nur an diesen Punkten überträgt. Allerdings benötigen beide Systeme eine Analyse des Signals, um Schlüsselpunkte oder kritische Punkte zu bestimmen.
Honary B. u.a., "Adaptive-Rate Sampling Applied to the Efficient Encoding of Speech Waveforms", National Conference on Telecommunications, York, 2.–5. April 1989, London IEE, Band CONF 2, 2. April 1989, London IEE. Bd. CONF 2, 2. April 1989, Seiten 352–357, lehrt ein System, bei dem das Signal analysiert und, auf der Grundlage der Analyse, die Abtastrate entsprechend geändert wird, um eine genaue Abtastung zu gewährleisten. Das sich ergebende Signal ist jedoch komplex und die Bandbreite des Signals muß rasch eingeschätzt werden.
US 4 839 649 lehrt ein Signalverarbeitungsverfahren, welches eine Signalkompression angibt. Ein Analog-Digital-Wandler tastet ein Signal mit konstanter Geschwindigkeit ab. Ein Prozessor wird dann auf den Ausgabewert des Analog-Digital-Wandlers hin aktiv und vergleicht das aktuelle Signal mit bestimmten vorhergesagten Punkten. Der Prozessor operiert in einer von mehreren verschiedenen Moden auf der Basis der erwarteten Signalevolution und stellt verschiedene Vorhersagepunkte in jedem Modus ein. US 4 908 622 lehrt eine Abtastvorrichtung und ein -verfahren, welches, anstatt an festen Abtastpunkten, das Signal in Übereinstimmung mit seinem Wert aufzeichnet.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erzeugung einer digitalen Wiedergabe eines Signals anzugeben, welche adaptiv sind und einige der oben angegebenen Nachteile zumindest abmildert.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist daher eine Vorrichtung zur Erzeugung einer digitalen Wiedergabe eines Signals angegeben, wie in Anspruch 1 spezifiziert ist.
Das vorliegende ist ein Beispiel einer adaptiven Abtastung, bei dem die Evolution des Signals, wie in der ersten digitalen Wiedergabe gezeigt ist, für eine Bestimmung verwendet wird, welche adaptierte Wiedergaben ausgegeben werden.
Durch die Verwendung der Evolution des Signals selbst zur Erzeugung der zweiten digitalen Wiedergabe, kann der Ausgangswert des zweiten digitalen Signals signifikant geringer als bei der ersten digitalen Wiedergabe sein. Wenn beispielsweise die Änderungsrate des Signals niedrig ist, kann diese Tatsache für die Erzeugung einer kompakteren digitalen Wiedergabe mit weniger Informationen als in der ersten digitalen Wiedergabe genutzt werden. Die erste digitale Wiedergabe wird mit ei ner konstanten Geschwindigkeit abgetastet und wird somit eine niedrige Frequenzkomponente des Signals überabtasten, die zweite digitale Wiedergabe kann das aber vermeiden.
Die zweite digitale Wiedergabe kann ebenfalls die Informationen über das Signal in einer Form präsentieren, die für eine bestimmte Anwendung eher geeignet ist. So kann es beispielsweise in Wellenformanpassungs-Anwendungen erwünscht sein, ähnliche Wellenformen, die sich in verschiedenen Zeitskalen entwickeln, anzupassen. Die konstant abgetastete erste digitale Wiedergabe ist zeitlich vom Abtastverfahren abhängig, die zweite digitale Wiedergabe, die die Signalevolution nutzt, kann das aber vermeiden.
Wenn ferner eine Abtasteinrichtung verwendet wird, kann ein Lauf mit einer konstanten Rate, um Hochgeschwindigkeitskomponenten einer ersten digitalen Wiedergabe zu erzeugen, und die herkömmliche digitale Abtasttechnologie angewendet werden und der adaptive Teil der Abtastung kann im digitalen Betrieb durchgeführt werden.
Die zweite digitale Wiedergabe ist bevorzugt eine digitale Darstellung. Wie durchgängig in der vorliegenden Schrift verwendet, soll der Begriff "digitale Wiedergabe" einen beliebigen digitalen Ausgangswert bedeuten, der Informationen über das Signal enthält. Der Begriff "digitale Darstellung" soll jedoch eine Darstellung bedeuten, die ein Signal digital in der Weise beschreibt, daß das Signal direkt, ohne eine vorherige Verarbeitung zu benötigen, durch Zuführung der Wiedergabe in eine geeignete Rückbildungseinheit, wie beispielsweise einen Digital-Analog-Wandler, reproduziert werden könnte. Die in der PCT US 98/27592 erzeugten digitalen Nachrichten benötigen beispielsweise eine vorherige Verarbeitung und sind daher keine digitale Darstellung.
In einer zweckmäßigen Ausführungsform ist die Umwandlungseinrichtung zur Bestimmung befähigt, daß das Signal einen vorgegebenen Schwellenwertpegel überschritten hat, und zur Bestimmung des Zeitintervalls zwischen der Überquerung eines ersten vorgegebenen Schwellenwertpegels und eines zweiten, anderen vorgegebenen Schwellenwertpegels und zur Erzeugung einer zweiten digitalen Wiedergabe des Signals. Die Umwandlungseinrichtung enthält zweckmäßigerweise eine Zeitgeber-Zähleinrichtung zur Zählung der Anzahl der Zyklen eines Taktsignals für eine Bestimmung des Zeitintervalls zwischen den vorgegebenen Schwellenwertübergängen.
Durch die Messung des Zeitintervalls zwischen dem Signal, das die vorgegebenen Schwellenwertpegel überquert, wird die Änderungsrate des Signals verwendet, um zu bestimmen, wann Abtastungen erfolgen. Wenn sich das Signal beispielsweise langsam ändert, gibt es keine redundante Abtastung, es wird nur ein längeres Intervall aufgezeichnet. Das führt zur zweiten digitalen Wiedergabe, die sehr viel weniger digitale Ausgangswerte als die erste digitale Wiedergabe aufweist.
Die Abtasteinrichtung tastet in einer gleichmäßigen Rate ab, die durch den Taktgeber bestimmt wird. Der Ausgangswert der Abtasteinrichtung gibt eine Schätzung der Amplitude des Signals zu dem Zeitpunkt aus, an dem es abgetastet wird. Die Umwandlungseinrichtung schaut auf die erste digitale Wiedergabe und bestimmt von diesem Signal, wann ein vorgegebener Schwellenwertpegel überschritten wurde, und beginnt mit dem Timing des Zeitintervalls, bis die Umwandlungseinrichtung feststellt, daß ein anderer vorgegebener Schwellenwertpegel überschritten wurde.
Der Zeitpunkt, an dem das Signal den vorgegebenen Schwellenwertpegel überschritten hat, ist nicht genau bekannt. Jedoch werden die Zeitintervalle digital durch Zählen der Anzahl der Zyklen eines Taktge bers gemessen, die zwischen den Pegelübergängen liegen. Diesem Verfahren ist ein Maximalfehler der Messung des Intervalls gleich der Zeit zwischen den Taktzyklen eigen. Der Meßfehler des Intervalls dominiert jeden Fehler bei der Bestimmung, wann ein vorgegebener Schwellenwert überschritten wurde. Wegen dieses Fehlers ist es nicht notwendig, genau zu wissen, wann ein vorgegebener Schwellenwert überschritten wird.
Das Taktsignal, das die Abtasteinrichtung und die Umwandlungseinrichtung treibt, wird bevorzugt vom gleichen Taktgeber erhalten. Wenn zum Antrieb der Abtasteinrichtung und der Umwandlungseinrichtung Signale verwendet werden, die vom gleichen Taktgeber stammen, gewährleistet dies, daß kein Fehler eingeführt wird, weil die Taktgeber nicht synchronisiert sind, wodurch der Fehler des Systems, verglichen mit der Verwendung ganz unabhängiger Taktsignale, reduziert wird. Wenn für die Abtasteinrichtung und die Umwandlungseinrichtung unabhängige Taktsignale verwendet werden, ist das Taktsignal der Umwandlungseinrichtung bevorzugt schneller als das der Abtasteinrichtung. Wenn die Taktsignale vom gleichen Taktgeber erhalten werden, haben sie bevorzugt die gleiche Rate. Hierdurch ergibt sich aber eine minimale Intervallanzeige entweder von 1 oder von 0, je nachdem, wie das System eingestellt ist. Wenn eine andere Zahl für das minimale Intervall erforderlich wäre, könnte die Umwandlungseinrichtung um einen Faktor K schneller sein, wobei K die erwünschte Zahl für das minimale Intervall darstellt.
Die Abtasteinrichtung umfaßt bevorzugt einen Analog-Digital-Wandler. Schnelle Analog-Digital-Wandler sind einfach verfügbar. Der verwendete Analog-Digital-Wandler könnte zweckmäßigerweise ein Abtast-Flash-Analog-Digital-Wandler sein.
Die Abtasteinrichtung enthält bevorzugt ein Anti-Aliasing-Filter, das dazu dient, die schnellste Änderungsrate des Eingangssignals zu begrenzen.
Die Umwandlungseinrichtung umfaßt zweckmäßigerweise eine Anordnung logischer Gates. Die Umwandlungseinrichtung könnte auch eine in geeigneter Weise programmierte frei programmierbare Gate-Anordnung (FPGA) oder eine anwenderspezifisch integrierte Schaltung (ASIC) enthalten.
Die zweite digitale Wiedergabe besteht aus Informationen über die abgelaufene Zeit zwischen den vorgegebenen Schwellenwertpegelübergängen. Die Umwandlungseinrichtung kann vorteilhafterweise auch eine Einrichtung zur Bestimmung umfassen, in welcher Richtung das Signal über einen vorgegebenen Schwellenwertpegel gegangen ist, und bei der die zweite digitale Wiedergabe ein digitales Aufwärts/Abwärts-Ausgangssignal enthält, um anzuzeigen, in welcher Richtung, Aufwärts oder Abwärts, das Signal den vorgegebenen Schwellenwertpegel überschritten hat.
In einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Erzeugung einer digitalen Wiedergabe eines Signals gemäß Anspruch 9 angegeben.
Die zweite digitale Wiedergabe ist bevorzugt eine digitale Darstellung.
In einer speziellen Ausführungsform umfaßt das Verfahren die Schritte der Bestimmung, wann ein vorgegebener Schwellenwertpegel überschritten wurde, der Bestimmung der abgelaufenen Zeit zwischen der Überschreitung eines ersten vorgegebenen Schwellenwertpegels durch das Signal und eines zweiten, davon verschiedenen, vorgegebenen Schwellenwertpegels unter Verwendung eines zweiten Taktsignals und des Vorsehens einer zweiten digitalen Wiedergabe des Signals.
Die Abtastrate des Signals ist ausreichend, so daß das Signal nicht mehr als einen vorgegebenen Schwellenwertpegel zwischen aufeinanderfolgenden Abtastungen überschreitet. Das ist wichtig, wenn eine digitale Darstellung erzeugt werden soll.
Das Verfahren enthält zweckmäßigerweise den Schritt der Bestimmung der Änderungsrichtung des Signals, wenn es einen vorgegebenen Schwellenwertpegel überschreitet, und des Vorsehens eines digitalen Ausgangswertes der Richtung der Änderung, Aufwärts oder Abwärts, in der zweiten digitalen Wiedergabe.
Das zweite Taktsignal wird bevorzugt vom selben Taktgeber wie das erste Taktsignal erhalten. Zweckmäßigerweise haben das erste und das zweite Taktsignal die gleiche Rate. Als weniger bevorzugte Alternative können das erste und das zweite Taktsignal von verschiedenen Taktgebern erhalten werden, wobei in diesem Fall das zweite Taktsignal vorteilhafterweise schneller als das erste ist.
Zur Ermöglichung einer adaptiven Abtastung kann die vorliegende Erfindung mit vorhandenen herkömmlichen Analog-Digital-Wandlern verwendet werden. Gemäß einem dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist daher ein Verfahren zur Anpassung eines Analog-Digital-Wandlers auf eine konstante Abtastrate zur Durchführung einer adaptiven Abtastung angegeben, welches die Schritte umfaßt: Verwendung eines Analog-Digital-Wandlers, welcher ein Signal mit einer konstanten Rate in Reaktion auf ein Taktsignal abtastet und den Ausgangswert des Analog-Digital-Wandlers in eine Umwandlungseinrichtung eingibt, und das dadurch gekennzeichnet ist, daß die Umwandlungseinrichtung auf den Ausgangswert des Analog-Digital-Wandlers reagiert und befähigt ist, zu bestimmen, wann sich die Amplitude des Signals um einen bestimmten Schwellenwertbetrag geändert hat, und die abgelaufene Zeit bestimmt, in der sich das Signal um diesen Betrag ändert, und eine zweite Signalwiedergabe erzeugt, die auf den abgelaufenen Zeiträumen beruht, in denen sich das Signal um vorgegebene Beträge ändert, und dadurch, daß die Abtastrate derart eingestellt ist, daß sich das Signal zwischen aufeinanderfolgenden Abtastungen um weniger als den vorgegebenen Betrag ändert.
Die zweite digitale Wiedergabe ist bevorzugt eine digitale Darstellung.
In einem Beispiel ist die Umwandlungseinrichtung zur Bestimmung befähigt, wann das Signal einen vorgegebenen Schwellenwertpegel überschritten hat, sie bestimmt die abgelaufene Zeit zwischen dieser Überschreitung und dem Signal, welches einen anderen vorgegebenen Schwellenwertpegel überschreitet, und erzeugt eine digitale Wiedergabe des Signals.
Das Verfahren umfaßt zweckmäßigerweise den Schritt der Zuführung eines Taktsignals zur Umwandlungseinrichtung vom selben Taktgeber, der auch die Abtastrate der Analog-Digital-Umwandlung steuert.
Die Umwandlungseinrichtung umfaßt zweckmäßigerweise eine Anordnung logischer Gates. Die Umwandlungseinrichtung enthält zweckmäßigerweise einen Zeitgeber-Zähler.
Die Abtastrate der Analog-Digital-Wandlereinrichtung ist derart eingerichtet, daß das Signal nicht mehr als einen vorgegebenen Schwellenwertpegel zwischen aufeinanderfolgenden Abtastungen überschreitet.
Die Erfindung ist im folgenden lediglich beispielhaft unter Bezug auf die folgenden Zeichnungen beschrieben, in denen zeigen:
1a ein herkömmliches Analog-Digital-Wandlerverfahren, in welchem das Signal in einem festgelegten Zeitintervall abgetastet wird,
1b ein herkömmliches Abtastverfahren, in dem das Signal im hohen Maße überabgetastet wird,
2 ein Blockdiagramm einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
3 ein Eingangssignal, dessen Bandbreite begrenzt ist, an der maximalen Amplitude des Analog-Digital-Wandlers, und
4 eine Logikanordnung zur Bestimmung, wann das Signal einen vorgegebenen Schwellenwertpegel überschritten hat, und zur Messung der abgelaufenen Zeit zwischen den vorgegebenen Schwellenwertübergängen.
In einem herkömmlichen Analog-Digital-Wandler wird das analoge Eingangssystem mit einer festen Rate abgetastet und die Abtastungen werden dann derart umgewandelt, daß sie eine digitale Wiedergabe des Ursprungssignals ergeben (was bereits eine digitale Darstellung ist). Dieses Abtastverfahren ist in 1 dargestellt. Um analoge Signale umzuwandeln, die Hochfrequenzkomponenten aufweisen, muß daher eine relativ kurze Abtastzeit, Δt, verwendet werden. Das jedoch führt zu einer erhöhten digitalen Ausgangscoderate. Des weiteren führt die hohe Abtastrate zu einer höheren unnötigen digitalen Codemenge für Abschnitte des analogen Eingangs mit einer relativ niedrigen Frequenz. Wenn die höchste Frequenzkomponente eines analogen Signals nicht bekannt ist, wird herkömmlicherweise die Abtastfrequenz mit Hilfe eines auf den Eingang aufgebrachten Bandbegrenzungsfilters bestimmt und die Abtastfrequenz muß mindestens das Doppelte der Bandbreite dieses Filters betragen.
In 1a erfolgt die Abtastung mit einer etwas höheren Rate als der minimalen, von den Nyquist-Kriterien vorgegebenen, Abtastrate. Wie zu sehen ist, kann das Signal zwischen den Abtastungen viele Pegel des Analog-Digital-Wandlers überschreiten. 1 zeigt ein herkömmliches Abtastverfahren, in dem das Signal im hohen Maße überabgetastet wird, d.h. die Abtastrate ist sehr viel größer als die minimale Abtastrate, welche durch die Nyquist-Kriterien bestimmt wird. Es ist zu sehen, daß der Analog-Digital-Wandler zu verschiedenen Zeiten, t₁ ... t_n, abtastet. Der Analog-Digital-Wandler hat eine bestimmte Anzahl verschiedener Schwellenspannungen, gezeigt als Pegel N₀ ... N_m. Zu jeden Abtastzeitpunkt gibt die Auslesung des Analog-Digital-Wandlers eine Anzeige aus, daß die Signalamplitude zu diesem Zeitpunkt zwischen zwei speziellen Pegeln liegt. Jeder Pegel ist von einem benachbarten Pegel um einen fixen Betrag, ΔV, getrennt.
Die digitale, vom Analog-Digital-Wandler ausgegebene Wiedergabe, wäre daher eine digitale Wiedergabe, darüber, zwischen welchen Spannungspegeln das Signal war, als die Abtastung erfolgte. Da jede Abtastung um einen festen Betrag zeitlich getrennt erfolgt, könnte diese Information verwendet werden, um das Signal zu rekonstruieren.
In der vorliegenden Erfindung wurde jedoch realisiert, daß das Signal selbst verwendet werden kann, um zu bestimmen, wann Abtastungen erfolgen sollten, anstatt nur bei einer festen Rate abzutasten. Es ist ferner anzumerken, daß, da die von einem herkömmlichen Analog-Digital-Wandler erzeugte digitale Widergabe genau das ist, nämlich eine digitale Wiedergabe des Signals, kann diese digitale Wiedergabe auch als Basis für eine adaptive Abtastung verwendet werden.
2 ist eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Ein herkömmlicher Analog-Digital-Wandler 2 wird bei einer konstanten, von einem ersten Taktsignal 4 vorgegebenen Rate abgetastet. Der Analog-Digital-Wandler weist ferner ein Anti-Aliasing-Filter 8 auf, das die maximale Frequenz des Eingangssignals 10 bestimmt, das zum Analog-Digital-Wandler weitergegeben werden kann. Der Analog-Digital-Wandler tastet das Eingangssignal 10 ab und erzeugt eine erste digitale Wiedergabe 12. Die hier beschriebene Anordnung ist eine herkömmliche Anordnung.
Die Vorrichtung enthält jedoch auch eine Logikanordnung 14. Diese Logikanordnung spricht auf die erste digitale Wiedergabe 12 an und stellt fest, wann ein vorgegebener Schwellenwertpegel überschritten wurde. Die Logikanordnung enthält ferner einen Zeitgeber-Zähler.
In 1b kann man sich die digitale Wiedergabe des dort gezeigten, vom Analog-Digital-Wandler ausgegebenen Signals einfach als eine Sequenz der Pegel denken, die das Signal hatte, als die Abtastung erfolgte. Das könnte in diesem Beispiel als N₁, N₁, N₂, N₂, N₃, N₃, N₂, N₁ dargestellt werden.
Wie zu sehen ist, ändert sich zwischen der Abtastzeit t₂ und der Abtastzeit t₃ der vom Analog-Digital-Wandler ausgegebene Pegel von N₁ zu N₂. Das kann dazu verwendet werden, anzuzeigen, daß das Signal einen vorgegebenen Schwellenwertpegel überschritten hat, bei welchem es sich um den Pegel N₂ handelt. Da es sich bei dem Ausgangswert des Analog-Digital-Wandlers um einen digitalen Code handelt, wird jeder Pegel als eine Zahl dargestellt. Wenn man daher den Ausgangswert zu einem beliebigen Abtastzeitpunkt nimmt und den Ausgangswert am vorherigen Zeitpunkt abzieht, ergibt sich, ob ein vorgegebener Schwellenwertpegel überschritten wurde. In diesem einfachen Beispiel wäre das Ergebnis Null für keinen Pegelübergang, aber +1 oder –1, wenn ein einziger Pegel überschritten wurde.
Wenn die Logikanordnung 14 in 2 bestimmt, daß ein vorgegebener Schwellenwertpegel überschritten wurde, beginnt dieselbe mit dem Timing des Intervalls, bis ein anderer Pegelübergang stattfindet. Die Logikanordnung 14 zählt die Anzahl der Taktzyklen eines zweiten Taktsignals 16 vom Taktgeber 6.
Es ist ersichtlich, daß in den in 1b gezeigten Beispielen zwischen den Zeiträumen t₅ und t₆ sich der Pegelausgangswert des Analog-Digital-Wandlers wieder von N₂ zu N₃ ändert. Die Logikanordnung 16 bestimmt wieder diese Änderung. Die Logikanordnung hat dann eine bestimmte Anzahl von Zyklen des zweiten Taktsignals 16 gezählt und gibt somit diese Zahl als eine Wiedergabe des Intervalls zwischen den Pegelübergängen N₁ und N₂ aus. Der Zeitgeber-Zähler wird dann ebenfalls auf Start zurückgesetzt und zählt das nächste Zeitintervall.
Die Richtung des Pegelübergangs kann ebenfalls bestimmt werden und kann Teil der zweiten digitalen Wiedergabe sein. Wenn 1 wieder betrachtet wird, kann man erkennen, daß die Operation der Subtraktion des Pegels am gegenwärtigen Abtastpunkt vom Pegel der vorherigen Abtastung im Zeitraum t₃ + 1 ergibt, was anzeigt, daß ein Pegel überschritten wurde und das Signal eine Aufwärtsrichtung hatte. Beim Zeitraum t₄ wäre das Ergebnis Null, was anzeigt, daß kein Pegel überschritten wurde. Beim Zeitraum t₉ ergibt jedoch die gleiche Operation -1, womit das Ergebnis anzeigt, daß ein Pegel überschritten wurde, und das Signal eine Abwärtsrichtung hatte.
Die Informationen über die Richtung des Pegelübergangs können als Teil der zweiten digitalen Wiedergabe angegeben werden, die von der Vorrichtung ausgegeben wird.
Die interessierenden vorgegebenen Schwellenwertpegel können somit mehr als ein Pegel des Analog-Digital-Wandlers sein und die Logikschaltung ist entsprechend angeordnet. Wenn die interessierenden vorgegebenen Schwellenwertpegel beispielsweise 2ΔV sind, muß die Logikanordnung befähigt sein, zu bestimmen, wann ein interessierender vorgegebener Schwellenwertpegel überschritten wurde, aber Übergänge von Pegeln des Analog-Digital-Wandlers zu ignorieren, die keine Schwellenwertpegel von Interesse sind. Wenn in 1b die Pegel N₁ und N₃ interessierende vorgegebene Schwellenwertpegel sind, N₂ aber nicht, muß die Logikschaltung dazu befähigt sein, zu bestimmen, daß der Übergang von Pegel N₁ zu Pegel N₂ kein vorgegebener Schwellenwertpegelübergang ist, der Übergang von Pegel N₂ zu Pegel N₃ ein solcher ist. Der Fachmann auf diesem Gebiet weiß, wie man ein solches Ergebnis erzielt, zum Beispiel könnte der Wert an einem interessierenden vorgegebenen Schwellenwertpegel in der Logikanordnung gespeichert werden und erst, wenn die Differenz zwischen diesem Pegel und dem gegenwärtig abgetasteten Pegel ± 2 beträgt, würde ein anderer vorgegebener Schwellenwertpegel erfaßt.
Die Logikanordnung ist ferner derart ausgeführt, daß erst dann damit begonnen wird, ein Timing für ein Intervall durchzuführen, wenn ein bestimmter interessierender vorgegebener Schwellenwertpegel überschritten, aber nicht unterbrochen wird, bis ein anderer interessierender vorgegebener Schwellenwertpegel überschritten wurde. Wenn also jeder Pegel des Analog-Digital-Wandlers ein vorgegebener Schwellenwertpegel wäre, würde die Logikanordnung einen vorgegebenen Schwellenwertpegelübergang zum Zeitpunkt t₆ erfassen, da das Signal von Pegel N₂ zu Pegel N₃ gegangen sein würde. Sie würde aber bis zum Zeitpunkt t₉, wo das Signal von Pegel N₂ zu Pegel N₁ geht, nicht mit dem Timing des Intervalls aufhören. Somit ignoriert das System das Signal, das denselben Schwellenwertpegel N₂ noch einmal überschreitet.
Der Grund hierfür liegt darin, daß das Eingangssignal beinahe sicher einen Rauschbetrag hat. Effektiv ist dieses Rauschen eine Modulation des Signals bei der schnellsten Änderungsrate sein, die das Filter erlaubt. Daher wird das Signal, wenn es sich um ein Signal mit Rauschen handelt, über denselben Schwellenwertpegel im allgemeinen mehrere Male in rascher Folge hin- und hergehen, während das "wahre" Signal nur ein einziges Mal hinübergeht. Um daher mehrere falsche Ablesungen zu vermeiden, registriert das System ein Intervall nur, wenn ein anderer vorgegebener Schwellenwertpegel überschritten wurde.
Zu 1b ist noch anzumerken, daß die Absolutzeit, an dem ein bestimmter vorgegebener Schwellenwert überschritten wird, nicht exakt gemessen wird. Somit sind die Anzeigen der Pegelüberschreitung, die von den ersten digitalen Wiedergaben genommen werden, nur Annäherungen.
In die Messung des Zeitintervalls wird somit ein Fehler eingeführt, der proportional zur Frequenz der Abtastung über einem bestimmten Minimum ist und von ΔV abhängt. Die Messung des Zeitintervalls zwischen den Pegelübergängen erfolgt jedoch digital durch Zählung der Anzahl der Zyklen des Taktsignals zwischen den Pegelübergängen. Zu diesem Verfahren gehört, daß es einen Fehler gleich einem Taktzyklus des Intervallzeitgebers einführt.
Dieser Fehler, der Fehler in der Intervallmessung, dominiert den eingeführten Fehler, indem er nicht exakt erfaßt, wann ein vorgegebener Schwellenwertpegel überschritten wird, und somit ist es nicht erforderlich, genau zu wissen, wann ein vorgegebener Schwellenwertpegel überschritten wurde. Zur Erzeugung einer zweckmäßigen zweiten digitalen Wiedergabe und zur Erzeugung einer digitalen Darstellung des Signals ist es wichtig, zu gewährleisten, daß das Signal in der Zeit zwischen aufeinanderfolgenden Abtastungen nicht mehr als einen vorgegebenen Schwellenwertpegel überschreitet. Daher muß das System in der Zeit, in der sich das Signal um ΔV bewegt, zwei Abtastungen vornehmen, und dieses Kriterium bestimmt die minimale Abtastfrequenz.
Die meisten Analog-Digital-Wandler haben einen Filter am Eingangssignal, um die maximale oder die vom Band begrenzte Frequenz f_bi zu definieren, die an den Analog-Digital-Wandler weitergegeben werden kann. Der Analog-Digital-Wandler ist zur Unterscheidung von N Pegeln, die durch ΔV getrennt sind, befähigt, weshalb die maximale Amplitude NΔV beträgt.
Es wird eine Sinuswelleneingabe an der Bandbegrenzungsfrequenz angenommen und die Amplitude beträgt NΔV, wie in 3 gezeigt ist. Es kann festgestellt werden, daß die schnellste Signaländerung in dem Bereich der Überschreitung des N/2-Pegels stattfindet. Daher muß für mindestens eine Abtastung bei jeder Änderung von ΔV der Analog-Digital-Wandler mit einem Zeitintervall von S₁ oder schneller abtasten, wobei S1 = sin-1 (2/N)/(2πfbi).
Die minimale Abtastfrequenz f_sam beträgt daher fsam = (2πfbi) sin-1 (2/N).
Die Abtastung mit dieser Rate muß gewährleisten, daß jeder Pegelübergang erfaßt wird. Natürlich muß nicht jeder Pegel des Analog-Digital-Wandlers ein interessierender Schwellenwertpegel sein, und wenn ein vorgegebener Schwellenwert von beispielsweise drei Pegeln, oder 3ΔV, erforderlich ist, ist die Abtastrate, die der Analog-Digital-Wandler zum Arbeiten braucht, entsprechend verringert.
In 2 bestimmt die Logikanordnung die abgelaufene Zeit zwischen den vorgegebenen Schwellenwertpegelübergängen durch Zählung der Zyklen eines Taktsignals, die vom selben Taktgeber erhalten wurden, der zur Steuerung des Abtast-Analog-Digital-Wandlers verwendet wird. Somit liefert der Taktgeber 6 ein Signal an die Logikanordnung, die dann das erste Taktsignal 4 an den Analog-Digital-Wandler 2 liefert. Indem sichergestellt wird, daß die zwei Taktsignale vom selben Taktgeber erhalten werden, können die Signale phasengesperrt werden. Dadurch wird gewährleistet, daß kein Fehler infolge einer Differenz dahingehend eingeführt wird, wann die Intervallmessung beginnt und wann die Abtastung aktuell stattgefunden hat. Somit ist der Fehler so festgelegt, daß er gleich einem Taktzyklus des Zähl-Taktgebers ist.
Wenn verschiedene Taktsignale zu verwendet werden müßten, würde die Schwebungsfrequenz zwischen den zwei verschiedenen Signalen Fehler in das System einführen. Wenn jedoch ein Taktsignal für den Zeitgeber-Zähler der Logikanordnung verwendet werden müßte, sollte dieses bevorzugt von einem stabilen Taktsystem stammen, welches mit einer schnelleren Rate läuft, als der Analog-Digital-Wandler, damit Fehler bei der Intervallmessung minimiert werden können.
Da das oben beschriebene System einen herkömmlichen Analog-Digital-Wandler verwendet – was normalerweise die Verwendung eines Anti-Aliasing-Filters erfordert –, um die erste digitale Wiedergabe zu erzeugen, ist es möglich, einen vorhandenen Analog-Digital-Wandler mit einer herkömmlichen Abtastung mit einer konstanten Rate anzupassen, um eine adaptive digitale Wiedergabe zu erzeugen.
Gemäß 2 weist der vorhandene Analog-Digital-Wandler einige hinzugefügte Logikschaltungen 14 zur Verarbeitung der digitalen Wiedergabe vom Analog-Digital-Wandler auf. Es ist wahrscheinlich, daß die vorhandene Analog-Digital-Wandler-Anordnung beim Analog-Digital-Wandler keine ausreichende Überabtastung vornimmt, damit die oben beschriebene minimale Abtastfrequenz erzielt wird.
Daher kann entweder der Analog-Digital-Wandler schneller abgetastet werden, indem ein anderes Taktsignal verwendet wird, oder das Filter kann geändert werden, um die durch das Band begrenzte Frequenz zu reduzieren, die an den Analog-Digital-Wandler weitergegeben werden kann. Wenn ein neues Taktsignal eingeführt werden soll, kann der vorhandene Abtasttaktgeber durch einen schnelleren Taktgeber ersetzt werden, der auch ein Signal an die Logikanordnung 14 liefert. Alternativ dazu könnte der vorhandene Analog-Digital-Wandler-Taktgeber mit einem schnelleren Signal verwendet werden. Ein schnelleres Abtastsignal an den Analog-Digital-Wandler zu liefern, ist relativ einfach und es ist dann nicht mehr notwendig, das Filter zu wechseln, welches komplex und teuer sein könnte. Auch die Bandbreite, die der Analog-Digital-Wandler meistern kann, ist bei einer schnelleren Abtastrate größer. Wenn der Analog-Digital-Wandler die erhöhte Abtastrate nicht meistern kann, ist es normalerweise einfacher, den Analog-Digital-Wandler aufzurüsten, als das Filter zu ändern. Wenn aber der Analog-Digital-Wandler nicht schneller laufen kann und nicht ersetzt werden kann, wird es notwendig sein, die maximale Frequenz, die an den Analog-Digital-Wandler weitergegeben werden kann, zu begrenzen, um eine ausreichende Überabtastung zu erzielen. Das kann durch einen Ersatz oder eine Änderung des vorhandenen Filters, oder indem ein anderes Filter hinzugefügt wird, erreicht werden. In der vorliegenden Ausführungsform kann der Taktgeber des Analog-Digital-Wandlers zur Logikanordnung geleitet werden, die dieses Signal zur Steuerung der Logikanordnung verwenden kann.
4 zeigt ein geeignetes System zur Realisierung der oben beschriebenen adaptiven Abtastung, in der dieselben Komponenten dieselben Bezugsziffern haben. Der Analog-Digital-Wandler 2 erhält das Eingangssignal 10 und erzeugt eine erste digitale Wiedergabe 12. Dieser Ausgangswert geht zu einer Verzögerungsanordnung 20, 22, die einen vorherigen digitalen Ausgangswert verzögert, so daß der Substraktor 24 die Differenz im Ausgangswert an die Logikschaltung 26 weitergeben kann. Die Logikschaltung 26 erzeugt dann einen Ausgangswert, der die Richtung der Pegeländerung 28 und das Zeitintervall 30 anzeigt.
Dem Fachmann auf diesem Gebiet wird klar sein, daß es verschiedene Ausgangstypen in Analog-Digital-Wandlern geben kann. So kann beispielsweise der Ausgang ein Binärcode sein, ein binärcodiertes Dezimal oder eine Thermometercodierung. Die verwendete Logikanordnung ist in Abhängigkeit von der verwendeten Codierung unterschiedlich, wie dem Fachmann auf diesem Gebiet einleuchtend ist.
Es wird angemerkt, daß sich die obige Beschreibung auf eine zweckmäßige Form der adaptiven Abtastung konzentriert, dem Fachmann auf diesem Gebiet ist aber einleuchtend, daß auch andere Schemata möglich sind. So könnte beispielsweise ein länger zurückliegendes Signalereignis verwendet werden, das heißt, Informationen bezüglich mehrerer letzter interessierender vorgegebener Pegelübergänge. Die vorliegende Erfindung ist nicht als Einschränkung in Bezug auf irgendeine Form der adaptiven Abtastung anzusehen.

Claims

Vorrichtung zur Erzeugung einer digitalen Wiedergabe eines Signals (10), welche umfaßt: eine Abtasteinrichtung (2) zur Abtastung des Signals mit einer konstanten Rate, die durch einen Taktgeber (6) bestimmt wird, und zur Lieferung einer ersten digitalen Wiedergabe (12), die Informationen in Bezug auf die Signalamplitude zu jedem Abtastzeitpunkt enthält, und eine Umwandlungseinrichtung (14), die zur Erzeugung einer zweiten digitalen Wiedergabe auf die erste digitale Wiedergabe anspricht, wobei die Umwandlungseinrichtung (14) zur Bestimmung befähigt ist, daß das Signal einen vorgegebenen Schwellenwertpegel überschritten hat und, im Betrieb, zur Bestimmung des Zeitintervalls, in dem das Signal einen ersten vorgegebenen Schwellenwertpegel und einen zweiten vorgegebenen Schwellenwertpegel überschreitet, wobei der erste und der zweite vorgegebenen Schwellenwertpegel nicht gleich sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Abtastrate der Abtasteinrichtung so eingestellt ist, daß das Signal nicht mehr als einen Schwellenwertpegel zwischen aufeinanderfolgenden Abtastungen der Abtasteinrichtung überschreiten kann, die Umwandlungseinrichtung (14) eine Einrichtung (20, 22, 24, 26) zur Bestimmung umfaßt, in welcher Richtung das Signal einen vorgegebenen Schwellenwertpegel überschritten hat, und die zweite digitale Wiedergabe nur das Zeitintervall und die Richtung des Schwellenwertübergangs umfaßt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die zweite digitale Wiedergabe einen kleineren digitalen Ausgangswert als die erste digitale Wiedergabe aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Umwandlungseinrichtung (14) eine Zeitgeber-Zählereinrichtung zum Zählen der Anzahl der Zyklen eines Taktsignals (16) zur Bestimmung des Zeitintervalls zwischen den vorgegebenen Schwellenwertpegelübergängen enthält.
Vorrichtung nach Anspruch 3, bei der das Taktsignal (16), das die Abtasteinrichtung (2) und die Umwandlungseinrichtung (14) treibt, vom selben Taktgeber (6) erhalten wird.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Abtasteinrichtung (2) einen Analog-Digital-Wandler umfaßt.
Vorrichtung nach Anspruch 5, bei der der Analog-Digital-Wandler ein Flash-Analog-Digital-Wandler ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Abtasteinrichtung (2) ein Anti-Aliasing-Filter (8) enthält, das zur Begrenzung der schnellsten Änderungsrate des Eingangssignals dient.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Umwandlungseinrichtung (14) eine Anordnung logischer Gates (24, 26) umfaßt.
Verfahren zur Herstellung einer digitalen Wiedergabe eines Signals, welches die folgenden Schritte umfaßt: Abtastung eines Signals mit einer konstanten Rate, die von einem ersten Taktsignal (16) bestimmt wird, zur Lieferung einer ersten digitalen Wiedergabe mit Informationen über die Amplitude des Signals zu jedem Abtastzeitpunkt, und Überwachung der ersten digitalen Wiedergabe zur Bestimmung der abgelaufenen Zeit zwischen dem Signal, das einen ersten vorgegebenen Schwellenwertpegel und einem zweiten vorgegebenen Schwellenwertpegel überschreitet, unter Verwendung eines zweiten Taktsignals, wobei der erste und der zweite vorgegebene Schwellenwertpegel nicht gleich sind, und Erzeugung einer zweiten digitalen Wiedergabe auf der Grundlage der abgelaufenen Zeit, die das Signal benötigt, um zu den zweiten vorgegebenen Schwellenwertpegel zu überqueren, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt der Abtastung des Signals die Abtastung des Signals mit einer solchen Rate beinhaltet, daß das Signal nicht mehr als einen Schwellenwertpegel zwischen aufeinanderfolgenden Abtastungen der Abtasteinrichtung überqueren kann, das Verfahren den Schritt der Bestimmung der Änderungsrichtung des Signals umfaßt, wenn dieses einen vorgegebenen Schwellenwertpegel überschreitet, und die zweite digitale Wiedergabe nur das Zeitintervall und die Richtung des Schwellenwertübergangs umfaßt.
Verfahren nach Anspruch 9, bei dem das zweite Taktsignal von demselben Taktgeber (6) wie das erste Taktsignal erhalten wird.