FR2730590A1 - Procede et appareil pour reduire et bruit de quantification - Google Patents

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FR2730590A1
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FR9600651A
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Yuda Yehuda Luz
James Franck Long
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Motorola Inc
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Abstract

Dans un circuit de réduction de bruit de quantification (200), un signal de rétroaction (W) est ajouté à un signal d'entrée (X) d'un circuit de quantification pour réduire le bruit de quantification. Le signal de rétroaction est généré comme une différence filtrée entre un échantillon d'un signal de N bits (X') et un échantillon coïncidant dans le temps d'un signal quantifié de M bits, où M < N. Le signal de rétroaction est soustrait du signal d'entrée (X) avant la quantification, introduisant ainsi du bruit hors bande dans le signal d'entrée pour réduire le bruit de bande dans le signal quantifié (Y).

Description

Titre:
PROCEDE ET APPAREIL POUR REDUIRE LE BRUIT DE
QUANTIFICATION
Domaine de l'invention La présente invention concerne généralement le traitement de signaux numériques et, plus particulièrement, un procédé et un appareil pour réduire le bruit de quantification dans des
applications de traitement de signaux numériques.
Arrière-plan technologique de l'invention Le traitement de signaux numériques devient la mise en oeuvre préférée d'un grand nombre d'applications de traitement de signaux. L'avènement de processeurs de signaux numériques (DSP) perfectionnés, plus rapides et plus économiques et d'autres éléments de circuits numériques, associé à un accroissement de flexibilité et de précision dans les circuits numériques, incite une progression vers la conversion d'un certain nombre d'applications de traitement de signaux du domaine analogique vers le domaine numérique. Bien qu'il fournisse les avantages mentionnés ci-dessus ainsi que d'autres, le traitement de signaux numériques présente néanmoins certains inconvénients. Par exemple, certaines applications, en particulier dans le domaine des communications radiofréquence (R.F.), sont intrinsèquement analogiques. Le traitement de signaux pour des applications R.F. exige souvent la conversion d'un signal analogique, par exemple un signal R.F. ou de fréquence intermédiaire (F.I.), en un signal numérique ainsi que la conversion de signaux numériques en
signaux analogiques.
Dans grand nombre d'applications de traitement
numérique, y compris celles réalisées dans un émetteur-
récepteur numérique & large bande, la précision d'un signal doit être convertie d'un niveau de précision élevé à un niveau de précision moins élevé. Par exemple, il peut être nécessaire de réduire un signal représenté en tant que 32 bits d'informations à un
signal représenté en tant que 16 bits d'informations.
Ceci est dû aux capacités limitées de certains éléments de traitement numérique tels, par exemple, les convertisseurs numérique/analogique (CNA). Cependant,
une telle conversion entraine une perte d'informations.
On comprendra dans l'exemple ci-dessus que 32 bits peuvent représenter plus d'informations que 16 bits à un débit déterminé. Le résultat de cette perte
d'informations constitue le bruit de quantification.
En référence à la figure 1, un exemple typique est représenté pour illustrer les effets du bruit de quantification. Dans l'application illustrée, un signal numérique de 16 bits X d'une fréquence donnée doit être
converti en un signal analogique par le CNA 10.
Cependant, le CNA 10 n'est qu'un dispositif à 12 bits.
Par conséquent, le signal X doit d'abord être converti en un signal de 12 bits. Une approche typique consiste à employer un quantificateur matériel 12 qui tronque les bits de poids faible (LSB), dans ce cas, les 4 LSB du signal X afin de créer un signal de 12 bits Y. Le bruit, en décibels (dB), lié au signal porteur de cette application est donné par: bruit (dB) = 20 log2-n o n est le nombre de bits du CNA. Par conséquent, le niveau de bruit est (-72) dB pour le CNA de 12 bits et serait, par exemple, (-78) dB pour un CNA de 13 bits, etc. Le bruit est souvent réparti sur la largeur de bande de Nyquist tout entière et la puissance de bruit spécifique est négligeable. Cependant, le bruit apparaît fréquemment à des fréquences discrètes, telles les deuxième et troisième harmoniques du signal, ce qui
pose des problèmes considérables.
Afin de surmonter le problème du bruit à des fréquences particulières, il a été proposé d'introduire du bruit pseudo-aléatoire dans le signal, ce qui est souvent appelé juxtaposition. Un certain nombre de techniques de juxtaposition sont décrites dans les brevets américains numéro 4901265, 4951237, 5073869, 5228054 et 5291428. La juxtaposition présente un inconvénient majeur du fait de la nécessité de prévoir des circuits de génération de bruit pseudo-aléatoire qui est souvent complexe et rend la mise en oeuvre de
l'application compliquée et coûteuse.
Par conséquent, il existe un besoin pour un procédé et un appareil pour réduire le bruit de quantification sans augmenter le coût et la complexité du circuit de traitement de signaux numériques de façon considérable.
Brève description des dessins
La figure 1 est un schéma fonctionnel d'un circuit de quantification de 16 bits à 12 bits de la technique antérieure; La figure 2 est une représentation sous forme de schéma fonctionnel d'un circuit de quantification selon un mode de réalisation préféré de la présente invention; La figure 3 est une représentation sous forme de fonction de transfert d'un filtre destiné à être employé dans le circuit de quantification représenté sur la figure 2; La figure 4 est un graphique illustrant, sous forme spectrale, le bruit de quantification fondé sur la troncature sans la présente invention; et La figure 5 est un graphique illustrant, sous forme spectrale, la performance du circuit de
quantification de la figure 2.
Description détaillée du mode de réalisation préféré
Selon la présente invention, un signal de rétroaction est fourni à l'entrée d'un circuit de
quantification pour réduire le bruit de quantification.
Le signal de rétroaction est généré comme une différence filtrée entre un échantillon du signal de N bits et un échantillon coïncidant dans le temps d'un signal quantifié de M bits, o M < N. Le signal de rétroaction est soustrait au signal d'entrée avant la quantification, introduisant ainsi du bruit hors bande dans le signal d'entrée pour réduire le bruit de bande
dans le signal quantifié.
En référence à la figure 2, un circuit de quantification 200 de N bits à M bits selon la présente invention, o M < N, est représenté. Un signal de N bits X est couplé à un additionneur 202 dans lequel un signal de rétroaction de N bits W est soustrait. Le signal résultant X' est ensuite échantillonné dans un loquet de N bits 204 et quantifié de façon concomitante dans un quantificateur matériel de N bits 206. Le quantificateur matériel tronque les N - M LSB du signal X', fixant efficacement les M - N LSB à une valeur de zéro. Un signal d'erreur de N bits E est généré dans l'additionneur 208 comme la différence entre les M bits de poids fort (MSB) de l'échantillon de N bits de X' contenu dans le loquet 204 et l'échantillon quantifié
de M bits contenu dans le quantificateur matériel 206.
Les LSB de l'échantillon de N bits de X' restent inchangés. Le signal d'erreur E est filtré à travers le filtre 210, créant un signal de rétroaction de N bits W. Cependant, on comprendra que n'importe quel signal de M bits X' peut être retenu dans le quantificateur
matériel 206 selon l'application particulière.
La figure 2 représente également un CNA de 12 bits 212 pour convertir le signal de sortie Y du
quantificateur matériel en un signal analogique.
Cependant, on comprendra que le circuit de quantification 200 de la présente invention est utile dans n'importe quelle application de traitement de signaux numériques nécessitant une conversion d'un signal d'informations de haute précision à un signal d'informations de précision moins élevée dans laquelle il est indispensable d'éviter l'introduction de bruit
de quantification.
Le filtre 210 est sélectionné de façon à laisser passer uniquement les composantes du signal d'erreur E qui sont hors bande par rapport au signal d'entrée X. Dans le mode de réalisation préféré, le filtre 210 est un filtre passe-bas qui maintient sensiblement les composantes de bruit introduites dans le signal X' par le signal de rétroaction W à des fréquences peu élevées et hors de la bande d'intérêt. Ceci est illustré dans les figures 4 et 5. Comme le montre la figure 4, sans la présente invention, des composantes de bruit parasites, indiquées par fs, présentant une énergie considérable sont présentes autour du signal d'intérêt indiqué par fx. Comme le montre la figure 5, bien qu'il existe une quantité considérable d'énergie au-dessous d'une fréquence ffco, la fréquence de coupure du filtre 210, il existe uniquement un faible niveau de bruit répartit de façon sensiblement égale autour du signal d'intérêt à la fréquence fX. Lorsque la présente invention a été testée, un palier inférieur de bruit de (-93) dB a été relevé autour de fx, par comparaison avec les (-72) dB typiquement obtenus à partir d'un
quantificateur de 12 bits sans la présente invention.
Ces données ont été générées en établissant une référence pour la sortie de signal analogique du CNA
212.
Une autre caractéristique du circuit de quantification 200 consiste en ce que lorsque le signal X n'est pas présent, ou lorsqu'il est sensiblement égal à zéro, il n'y a pas de sortie de bruit. Avec les techniques de juxtaposition antérieures, du bruit pseudo- aléatoire est continuellement introduit dans le circuit de quantification. Lorsque aucun signal d'entrée n'est présent, le signal de sortie du circuit
de quantification correspond au bruit pseudo-aléatoire.
Dans la présente invention, lorsque le signal d'entrée X est absent ou sensiblement égal à zéro, la différence obtenue entre l'échantillon de N bits de X' et l'échantillon quantifié de M bits est sensiblement égale à zéro. Par conséquent, la sortie du circuit de quantification 200 est égale à zéro lorsque aucun
signal d'entrée n'est présent.
Tel que décrit par rapport à une mise en oeuvre préférée du circuit de quantification 200, le signal d'erreur E est un signal de 16 bits. Cependant, puisque ce sont les N - M LSB qui contribuent principalement au signal d'erreur E, un signal de N - M bits pourrait être substitué. Dans une telle mise en oeuvre, l'information de signe du signal d'erreur E sera perdue. Par conséquent, il peut être plus souhaitable de mettre un oeuvre un signal d'erreur de (N - M) + 1 bits qui retient le bit de signe du signal X'. Une telle mise en oeuvre simplifie le chemin de données pour le signal d'erreur E et réduit également la taille
du filtre 210.
En référence à la figure 3, une fonction de transfert pour une mise en oeuvre préférée du filtre 210 est représentée. Comme le montre la figure 3, le filtre 210 est un filtre à 3 pôles réels qui peut être mis en oeuvre en employant trois additionneurs complets 302, 304 et 306 et un élément de retard 308. Dans le mode de réalisation préféré de la présente invention, les pôles du filtre 210 sont sélectionnés de façon à présenter une configuration 15/16 qui permet d'obtenir la mise en oeuvre simplifiée représentée sur la figure 3. Tel que représenté, cette mise en oeuvre élimine de façon avantageuse le besoin de multiplicateurs, ce qui permet une mise en oeuvre simplifiée du filtre 210 dans un circuit intégré spécifique (ASIC). Le filtre 210 comporte en outre un facteur de gain total, d'environ dB dans le mode de réalisation préféré. Un gain est fourni à chaque étage du filtre 210, ce qui augmente le niveau du signal de rétroaction W par rapport au signal d'entrée X et, par conséquent, l'effet générateur de bruit du signal de rétroaction W sur le signal d'entrée X. Tel qu'il sera remarqué à la lecture de la
description ci-dessus, le circuit de quantification 200
de la présente invention propose une mise en oeuvre hautement simplifiée, en particulier par rapport à la mise en oeuvre du type ASIC. L'élimination du générateur de bruit pseudo-aléatoire requis auparavant pour les techniques de juxtaposition et la sélection avantageuse de la configuration du filtre minimisent les grilles requises dans 'ASIC. Les avantages et utilisations de la présente invention ainsi que d'autres seront compris par les personnes ayant une connaissance ordinaire de la technique à la lecture de
la description ci-dessus et des revendications
annexées.

Claims (10)

REVEND I CATIONS
1. Appareil pour réduire le bruit de quantification comprenant: un premier additionneur présentant une première entrée couplée pour recevoir un signal d'entrée de N bits; un loquet de N bits présentant une entrée couplée pour recevoir une sortie du premier additionneur; un quantificateur matériel de M bits présentant une entrée couplée pour recevoir une sortie du loquet de N bits, o M < N, et une sortie de M bits; un deuxième additionneur présentant une première entrée couplée pour recevoir un échantillon de N bits du loquet de N bits et une deuxième entrée couplée pour recevoir un échantillon de N bits du quantificateur matériel de M bits, dans lequel l'échantillon de N bits provenant du quantificateur matériel de M bits comprend M bits de l'échantillon de N bits et au moins un bit zéro N - M; un filtre présentant une entrée couplée pour recevoir une sortie du deuxième additionneur et une sortie couplée à une deuxième entrée du premier additionneur.
2. Appareil selon la revendication 1, dans lequel le premier additionneur est exploitable pour calculer une différence entre la première entrée et la deuxième entrée.
3. Appareil selon la revendication 1, dans lequel le deuxième additionneur est exploitable pour calculer une différence entre la première entrée et la deuxième entrée.
4. Appareil selon la revendication 1, dans lequel
le filtre est un filtre passe-bas.
5. Appareil selon la revendication 1, dans lequel le filtre présente une fréquence de coupure sensiblement en-dessous d'une largeur de bande
utilisable du signal d'entrée de N bits.
6. Appareil selon la revendication 1, dans lequel
le filtre présente un gain supérieur à l'unité.
7. Appareil selon la revendication 1, dans lequel l'échantillon de N bits provenant du quantificateur matériel de M bits comprend M bits de poids fort de l'échantillon de N bits provenant du loquet de N bits et au moins un bit zéro N - M.
8. Appareil selon la revendication 1, dans lequel l'échantillon de N bits provenant du quantificateur matériel de M bits comprend M bits de poids fort correspondant aux M bits de poids fort de l'échantillon de N bits provenant du loquet de N bits et N - M bits zéro.
9. Procédé de réduction du bruit de quantifi-
cation: calculant une différence entre un échantillon de N bits d'un signal d'entrée de N bits et un échantillon quantifié de N bits comprenant M bits de l'échantillon de N bits, o M < N, et N - M bits zéro; filtrant la différence pour former une différence filtrée; et soustrayant la différence filtrée du signal
d'entrée de N bits.
10. Procédé de réduction du bruit de quantification selon la revendication 9, dans lequel l'étape consistant à calculer une différence comprend le calcul d'une différence entre un échantillon de N bits d'un signal d'entrée de N bits et un échantillon quantifié de N bits comprenant M bits de poids fort du
signal d'entrée de N bits et N - M bits zéro.
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