ITRM960095A1

ITRM960095A1 - Procedimento ed apparecchio per ridurre il rumore di quantizzazione nella elaborazione di segnali digitali

Info

Publication number: ITRM960095A1
Application number: IT96RM000095A
Authority: IT
Inventors: Yoda Yehuda Luz; James Frank Long
Original assignee: Motorola Inc
Priority date: 1995-02-14
Filing date: 1996-02-09
Publication date: 1997-08-09
Also published as: CA2185026A1; CN1145707A; GB9602899D0; IT1283923B1; US5602874A; FI963491A; SE9603698L; WO1996025809A1; DE19581576T1; IL116661A0; AU4610796A; FI963491A0; IL116661A; KR970702630A; FR2730590A1; GB2298069A; ITRM960095A0; SE9603698D0; JPH09512413A

Abstract

In un circuito (200) di riduzione del rumore di quantizzazione, un segnale di retroazione (W) viene sommato ad un segnale di ingresso (X) per il circuito di quantizzazione in modo da ridurre il rumore di quantizzazione. Il segnale di retroazione viene generato come differenza filtrata fra un campione di un segnale (X') di N bit ed un campione coincidente nel tempo di un segnale quantizzato di M bit, in cui M < N. Il segnale di retroazione viene sottratto dal segnale di ingresso (X) prima della quantizzazione. Introducendo così un rumore fuori di banda nel segnale di ingresso per ridurre il rumore interno alla banda nel segnale quantizzato (Y).

Description

DESCRIZIONE

a corredo di una domanda di Brevetto d'invenzione, avente per titolo:

"Procedimento ed apparecchio per ridurre il rumore di quantizzazione nella elaborazione di segnali digitali"

La presente invenzione si riferisce in generale alla elaborazione di segnali digitali e, più particolar mente, ad un procedimento e ad un apparecchio per ridur re il rumore di quantizzazione in applicazioni di elabo razione di segnali digitali.

Precedenti dell'Invenzione

La elaborazione di segnali digitali sta evolven do come preferita implementazione in molte applicazioni di elaborazione di segnali. L'avvento di perfezionati elaboratori di segnali digitali (DSP) capaci di operare a velocità più elevate ed aventi un minor costo, nonché di altri elementi di circuiti digitali, unitamente con l'aumento della flessibilità e della accuratezza dei circuiti digitali, rappresenta una forte spinta alla conversione di un certo numero di applicazioni di elabo razione di segnali dal forum analogico al forum digitale. La elaborazione di segnali digitali, seppure offra i summenzionati vantaggi ed anche altri aspetti favorevoli, non si presenta senza inconvenienti. Per esempio, alcune applicazioni, particolarmente nel campo delle co municazioni a radio frequenza (RF), sono intrinsecamente analogiche. La elaborazione di segnali per applicazioni a radio frequenza spesso richiede la conversione di un segnale analogico, per esempio un segnale a radio frequenza oppure un segnale a frequenza intermedia (IF), in un segnale digitale e similmente la conversione di segnali digitali in segnali analogici.

In molte applicazioni di elaborazione di segnali digitali, incluse quelle realizzate in un ricetrasmettitore digitale a larga banda, la precisione di un segnale deve essere convertita da un elevato livello di precisione ad un livello di precisione inferiore. Per esempio, un segnale rappresentato come 32 bit di i_n formazione può dover essere ridotto ad un segnale rappresentato come 16 bit di informazione. Ciò è dovuto al le limitate capacità di alcuni elementi di elaborazione digitale, per esempio i convertitori digitale-analogici (DAC). Nella esecuzione di una tale conversione, tuttavia, si verifica una perdita di informazione. Si potrà apprezzare dall'esempio sopra riportato che 32 bit possono rappresentare maggiore informazione che non 16 bit, a parità di frequenza o cadenza dei dati. Il risultato di questa perdita di informazione è il rumore di quantizzazione.

Con riferimento alla Figura 1, è rappresentato un esempio tipico per illustrare gli effetti del rumore di quantizzazione. Nella applicazione illustrata, un s_e gnale digitale X di 15 bit di una data frequenza deve essere convertito in un segnale analogico dal convertitore digitale-analogico 10. Tuttavia, il convertitore digitale-analogico 10 è soltanto un dispositivo da 12 bit. Pertanto, il segnale X deve prima essere convertito in un segnale di 12 bit. Una soluzione tipica consiste nel l impiegare un quantizzatore duro 12 il quale tronca i bit meno significativi (LSB), in questo caso i 4 bit meno significativi del segnale X per creare un se gnale Y di 12 bit. Il rumore relativo al segnale portan. te in decibel (dBc) di questa applicazione è dato come:

rumore (dBc) = 20 log 2 <n >in cui n rappresenta il numero dei bit del convertitore digitale-analogico. Perciò, il livello di rumore è dì (-72) dBc per il convertitore digitale-analogico di 12 bit e sarebbe per esempio di (-78) dBc per un convertitore digitale-analogico da 13 bit, etc. Spesso, il rumo re è distribuito attraverso la intera larghezza di banda di Nyquist e la potenza di rumore per Hertz è trasciJ rabile. Tuttavia, frequentemente il rumore appare su frequenze discrete, come la seconda e la terza armonica del segnale, cosa che pone significativi problemi.

Per superare il problema del rumore che.si concentra su particolari frequenze, è stato proposto di i_n trodurre nel segnale del rumore in pseudorandom, spesso riferito come "tremolio" o "dithering". Un numero di tecniche di tremolio sono esposte nei brevetti statunitensi 4.901.265, 4.951.237, 5.073.869, 5.228.054 e 5.291.428. Un inconveniente maggiore del tremolio è la necessità di dover fornire un circuito generatore di r_u more pseudorandom che spesso è complesso, rendendo impe gnativa e costosa la implementazione della applicazione.

Pertanto, esiste il bisogno di un procedimento e di un apparecchio per ridurre il rumore di quantizzazione, senza aumentare significativamente il costo e la complessità del circuito di elaborazione dei segnali dj_ gitali.

Breve descrizione dei Disegni La Figura 1 è una rappresentazione in forma di schema a blocchi di un precedente circuito di quantizza^ zione da 16 bit a 12 bit,

la Figura 2 è una rappresentazione in forma di schema a blocchi di un circuito di quantizzazione in conformità con una preferita forma di realizzazione del la presente invenzione,

la Figura 3 rappresenta una funzione di trasferimento di un filtro da impiegare nel circuito di quantizzazione mostrato nella Figura 2,

la Figura 4 è un grafico che illustra spettralmente il rumore di quantizzazione basato su effetto di troncatura senza la presente invenzione; e

la Figura 5 è un grafico che illustra spettralmente il comportamento del circuito di quantizzazione della Figura 2.

Descrizione dettagliata della preferita forma di realizzazione Secondo la presente invenzione, un segnale di retroazione viene applicato all'ingresso di un circuito di quantizzazione per ridurre il rumore di quantizzazio ne. Il segnale di retroazione viene generato come una differenza filtrata fra un campione del segnale di N bit ed un campione coincidente nel tempo di un segnale quantizzato di M bit, in cui Ni<N. Il segnale di retroazione viene sottratto dal segnale di ingresso prima della quantizzaz!one, per introdurre cosi un rumore fuo ri di banda nel segnale di ingresso allo scopo di ridur re il rumore interno alla banda nel segnale quantizzato.

Con riferimento alla Figura 2, un circuito di quant izzazìone 200 da N bit a M bit, in cui M<N è rappresentato in conformità con la presente invenzione. Un segnale X di N bit viene applicato ad un sommatore 202 in cui viene sottratto un segnale di retroazione W di N bit. Il segnale risultante X<1 >viene quindi sottoposto a campionamento in un elemento di tenuta o latch 204 di N bit e viene concomitantemente quantizzato in un quanti^ zatore duro 206 da M bit. Il quantizzatore duro esegue una operazione di troncatura dei N-M bit meno significa tivi del segnale X<1>, ponendo cosi i M-N bit meno significativi ad un valore zero. Un segnale di errore E da N bit viene generato nel sommatore 208 come la differenza fra i M bit più significativi (MSB) del campione del s£ gnale di X' di N bit contenuto nell'elemento di tenuta 204 ed il campione quantizzato di M bit contenuto nel quantizzatore duro 206. I bit meno significativi del campione di N bit del segnale X' passano invariati. Il segnale di errore E viene filtrato attraverso il filtro 210 creando il segnale di retroazione W di N<1 >bit. Dovrebbe essere apprezzato, tuttavia, che M bit del segn^ le X<1 >possono essere trattenuti nel quantizzatore duro 206 in dipendenza dalla particolare applicazione.

Nella Figura 2 è ulteriormente rappresentato un convertitore digitale-analogico 212 da 12 bit per convertire il segnale di uscita Y del quantizzatore duro in un segnale analogico. Dovrebbe essere compreso, tuttavia, che il circuito di quantizzazione 200 della presente invenzione è utile in una qualsiasi applicazione di elaborazione di segnali digitali che richieda una conversione da un segnale di informazione di elevata precisione ad un segnale di informazione di precisione inferiore, in cui è critico evitare la introduzione di rumore di quantizzazione.

II filtro 210 è stato scelto in modo da far pa_s sare soltanto le componenti del segnale di errore E che sono fuori di banda rispetto al segnale di ingresso X. Nella preferita forma di realizzazione, il filtro 210 è un filtro passa basso il quale mantiene sostanzialmeni te le componenti di rumore introdotte nel segnale X<1 >dal segnale di retroazione W a basse frequenze e lontane dalla banda di interesse. Ciò è illustrato nelle Figure 4 e 5. Come si può vedere nella Figura 4, in asse_n za della presente invenzione, componenti di rumore spurie illustrate come f aventi un significativo contenuto energetico sono presenti intorno al segnale di interesse illustrato con ίχ. Come si può vedere nella Figura 5, mentre vi è una sostanziale quantità di energia al disotto di una frequenza , la frequenza di taglio del filtro 210, vi è soltanto un basso livello di rumore che è distribuito in modo sostanzialmente unifor me intorno al segnale di interesse sulla frequenza f^. Nel collaudo della presente invenzione, è stato osserva to un pavimento di rumore di (-93) dBc intorno alla fre quenza fx, in confronto con (-72) dBc che può essere t_i_ picamente previsto da un quantizzatore di 12 bit senza la presente invenzione. Questi dati sono stati generati con riferimento all'uscita del segnale analogico dal convertitore digitale-analogico 212.

Un'altra caratteristica del circuito di quanti^ zazione 200 è che, quando il segnale X non è presente oppure è sostanzialmente zero, non vi è alcun rumore di uscita. Con le tecniche di tremolio o di dithering della tecnica precedente, rumore pseudorandom viene applicato continuamente in ingresso al circuito di quantizza, zione. Quando non è presente alcun segnale di ingresso, il segnale di uscita del circuito di quantizzazione è costituito dal rumore pseudorandom. Nella presente invenzione, quando il segnale di ingresso X è assente oppure sostanzialmente zero, la differenza eseguita fra il campione di N bit del segnale X<1 >ed il campione qua_n tizzato di M bit è sostanzialmente zero. Quindi, l'usc_i_ ta del circuito di quantizzazione 200 è zero quando non è presente alcun segnale di ingresso.

Come descritto con riferimento ad una preferita implementazione del circuito di quantizzazione 20C, il segnale di errore E è un segnale di 16 bit. Tuttavia, poiché sono i N-M bit meno significativi che contribuiscono fondamentalmente al segnale di errore E, si p£ trebbe sostituire un segnale di N-M bit. In una tale im plementazione , l'informazione di segno del segnale di errore E sarà perduta. Quindi, può essere più desiderabile implementare un segnale di errore di (N-M) 1 bit che preservi il bit di segno dal segnale X'. Una tale implementazione semplifica il percorso dei dati per il segnale di errore E, oltre a ridurre la grandezza del filtro 210.

Con riferimento alla Figura 3, è rappresentata una funzione di trasferimento per una preferita implementazione del filtro 210. Come si può vedere nella Figura 3, il filtro 210 è un filtro a 3 poli reali che può essere implementato impiegando tre sommatori per i_n teri 302, 304 e 306 ed un elemento di ritardo 308. Nella preferita forma di realizzazione della presente invenzione, i poli del filtro 210 vengono scelti in modo da trovarsi su 15/16, cosa che consente la semplificata implementazione rappresentata nella Figura 3. Come si può vedere, questa implementazione elimina vantaggi semente la necessito di moltiplicatori, cosa che consen te una semplificata implementazione del filtro 210 in un circuito integrato specifico per applicazione (ASIC). Il filtro 210 inoltre comprende un fattore di guadagno complessivo, approssimativamente 100 dB nella preferita forma di realizzazione . Il guadagno vi ene fornito su ciascuno stadio del filtro 210 che migliora il livello del segnale di retroazione W rispetto al segnale di ingresso X e quindi l'effetto di generazione di rumore del segnale dì retroazione W sul segnale di ingresso X.

Sarà apprezzato da quel che precede che il circuito di quantizzazione 200 della presente invenzione fornisce una implementazione sensibilmente semplificata, particolarmente per quanto riguarda una implementazione A5IC. La eliminazione del generatore di rumore pseudorandom precedentemente richiesto per le tecniche di tremolio e la vantaggiosa scelta della progettazione del filtro minimizzano i richiesti circuiti porta del circuito ASIC. Questi e molti altri vantaggi ed usi de_l_ la presente invenzione saranno apprezzati da coloro che sono esperti nel ramo dalla precedente descrizione e dalle seguenti rivendicazioni.

Claims

RIVENDICAZIONI 1. Apparecchio per ridurre il rumore di quantiz. zazione, comprendente: un primo sommatore avente un primo ingresso co\_ legato per ricevere un segnale di ingresso di N bit; un elemento di tenuta o latch di N bit avente un ingresso collegato in modo da ricevere una uscita del primo sommatore; un quantizzatore duro da Nibit avente un ingre_s so collegato per ricevere una uscita dell'elemento di tenuta di N bit, in cui K < N, ed una uscita di M bit; un secondo sommatore avente un primo ingresso collegato per ricevere un campione di N bit dall'elemen to di tenuta di N bit ed un secondo ingresso collegato per ricevere un campione di N bit dal quantizzatore duro di M bit, in cui il campione di N bit dal quantizzatore duro di K bit comprende M bit del campione di N bit ed almeno un bit di N-M zero; un filtro avente un ingresso collegato per ric£ vere una uscita del secondo sommatore ed una uscita co_l_ legata ad un secondo ingresso del primo sommatore.
2. Apparecchio secondo la rivendicazione 1, in cui il primo sommatore è azionabile per ricavare la dif ferenza fra il primo ingresso ed il secondo ingresso.
3. Apparecchio secondo la rivendicazione 1, in cui il secondo sommatore è azionabile per ricavare la differenza fra il primo ingresso ed il secondo ingresso .
4. Apparecchio secondo la rivendicazione 1, in cui il filtro è un filtro passa basso.
5. Apparecchio secondo la rivendicazione 1, in cui il filtro presenta una frequenza di taglio sostanzialmente inferiore ad una larghezza di banda utilizzabile del segnale di ingresso di N bit.
6. Apparecchio secondo la rivendicazione 1, in cui il filtro presenta un guadagno superiore all'unità.
7. Apparecchio secondo la rivendicazione 1, in cui il campione di N bit dal quantizzatore duro di M bit comprende M bit più significativi del campione di N bit ricavato dall’elemento di tenuta di N bit ed almeno un bit di N-M zero.
8. Apparecchio secondo la rivendicazione 1, in cui il campione di N bit dal quantizzatore duro di M bit comprende M bit più significativi corrispondenti a M bit più significativi del campione di N bit dall'elemento di tenuta di N bit e N-M bit zero.
9. Procedimento per ridurre il rumore di quantizzazione comprendente le seguenti operazioni: ricavare la differenza fra un campione di N bit di un segnale di ingresso di N bit ed un campione quantizzato di N bit comprendente M bit del campione di N bit, in cui M<N, e N-M.bit zero; filtrare la differenza per formare una differen. za filtrata; e sottrarre la differenza filtrata dal segnale di ingresso di N bit.
10. Procedimento per ridurre il rumore di quantizzazione secondo la rivendicazione 9, in cui l'operazione di ricavo della differenza consiste nel ricavare la differenza fra un campione di N bit di un segnale di ingresso di N bit ed un campione quantizzato di N bit comprendente i M bit più significativi del segnale di ingresso di N bit e N-M bit zero.