JPH07506714A - 広周波数帯域信号をデジタル化する方法および装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 広周波数帯域信号をデジタル化する方法および装置発１１の分野 本発明は、後続のデジタル信号処理のために広周波数帯域信号をデジタル化する デジタイザに関し、さらに詳しくは、デジタル化される信号についてナイキスト ・サンプリング・レートまたはそれ以上で動作するデジタル化ハードウェアを必 要としない高周波数帯域信号用のデジタイザに関する。

発明の背景 デジタイザの最大動作速度は、デジタル化できる信号の最大周波数帯域について 多くのシステムの制限を定めるが、一旦デジタル化されると、信号の処理はいず れにせよ適切なレートで行われる。

任意の信号をデジタル化でき、この信号のデジタル化された表現は各目的のため にさまざまな信号処理アルゴリズムで利用できる。例えば、信号の濾波および信 号の復調のためのデジタル信号処理アルゴリズムが存在する。さらに、デジタイ ザがサンプリングされた低域通過信号としてデジタル形式で信号を適切に表すた め、デジタイザは、この信号の最大周波数成分の２倍に少なくとも等しいサンプ リング・レートで動作しなければならない。同様に、デジタイザは、−帯域通過 信号の場合には、信号の最大帯域幅の少なくとも２倍でサンプリングしなければ ならない。この最小サンプリング・レートは、ナイキスト・サンプリング・レ− ）（Ｎｙｑｕｉｓ＊　ｓａｍｐｌｉｎｇ　ｒａｔｅ）ともいう。ナイキストＣサ ンプリング・レートで信号をデジタル化することにより、信号は信号周波数成分 のエイリアシング（ａｌｉ＠ｓｊｎｇ）なしにデジタル形式で独自に表すことが できる。このような独自の表現が行われると、信号は情報を失わずに元の形式に 完全に復元できる。あるいは、信号について遅いサンプリング・レートを用いる と、疑似情？１（ｆａｌｓｅ　ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ）が被サンプリング信号 情報に含まれることがある。この疑似情報は、サンプリングされる信号のスペク トルにおける高周波数成分が、この信号のサンプリングされたもののスペクトル における低周波数と一致するときに生じるエイリアシング（ａｌｉａｓｉｎｇ） 　（または折り返しくｆｏｌｄ−ｏｖｅｒ）ともいう）によって発生する。

信号のデジタル化は、適切なアンチエイリアス・フィルタが前にあるアナログ・ デジタル・コンバータによって便宜的に行われる。これら２つの信号処理素子の 組合せは、一般にデジタイザという。デジタイザは、入力アナログ信号を受け、 これはまず濾波されて、信号の帯域幅を制限し、その後のサンプリング処理にお けるエイリアシングを防ぐ。

濾波された信号はサンプリングされ、システム・サンプリング・クロックによっ て一般に決定さがるレートで、異なる時点で人力信号の振幅のデジタル表現を生 成する。サンプリング・クロックが周期的なレートで生じると、信号は均等レー トでサンプリングされる。サンプリングが規則的な間隔で行われない不均等なレ ートのサンプリングなど、他の方法も存在する。しがし、均等なサンプリング・ レートから不均等なサンプリング・レートへの以下の発明の概念の延長は、当業 者によって理解される。

デジタイザは、さまざまな仕様、一般にサンプル／秒単位の最大サンプリング・ レートや、生成できる分解能ビット数によって特徴づけられる。サンプリング・ レートは、少なくともナイキスト・レートに等しくなければならず、好ましくは 、デジタイザのアンチエイリアシング・フィルタ条件を緩和するためにナイキス ト・レートよりも高くなければならない。アンチエイリアシング・フィルタは、 ナイキスト条件が与えられたサンプリング・レートで満たされるように、信号の 帯域幅を制限する（すなわち、帯域外高周波数信号成分を減衰する）ためデジタ イザの前に置かれる。さらに、最小量の量子化誤り（ｑｕａｎ＋１ｚａｔｉｏｎ ｃｒｔｏｒ）で信号を正確にデジタル化できるように、できるだけ最大の分解能 ビット数を設けることが一般に望ましい。

量子化誤りは、連続するメツセージ信号の被サンプリング値が最も近い表現レベ ルに丸められるときに生じる。残念ながら、高い分解能ビット数および高いサン プリング・レートは相反する設計目標−であり、デジタイザ設割過腹で妥協しな ければならない場合が多い。

広周波数帯域幅信号をサンプリングするためのさまざまな手法がある。１つの既 知の方法として、サンプリング・レートを極めて高い値、多くの場合数百メガサ ンプル７秒まで、単純に増加する方法がある。残念ながら、この広帯域サンプリ ングは、電力消費量が多く、一般に要求されるよりも低い分解能になることを犠 牲にして達成される。一般に、デジタイザは、高い電力放散レベルを有するが、 これはたとえデバイスが低電力ＣＭＯ５技術で製造されていても、デバイスは回 路の動作速度に比例する電力放散を有するためである。さらに、分解能は、アナ ログ／デジタル変換処理中に発生する不正確さおよび回路動作速度の制限のため 、高いサンプリング・レートで落ちることがある。

また、最大レートのデジタイザは、製造コストが高く、最適性能を得るためには 多大な手作業による調整を必要とすることがある。これらの設計上の制約により 、最も速いデジタイザでも、信号処理システムの最大処理レートは、システムの デジタル信号処理要素ではなく、デジタイザ自体によって制限されることが当業 者に理解される。

別の既知の方法として、比較的遅いが反復的なランダム・サンプリング処理によ り、反復的な信号をサンプリングして、より高いサンプリング・レートの効果を 合成する方法がある。この方法は、デジタル化される信号が反復的でなく、ラン ダムまたは確率的（ｓｚｏｃｈａｓ＋ｉｃ）な性質である場合には、入力信号を 正確にデジタル化できない。広帯域幅のｓｉ率内的信号、一般的な信号通信の大 部分を占める傾向にある。ある場合には、広帯域幅の確率的信号は反復的な信号 よりも一般的である。よって、低電力放散デバイスを利用し、分解能が高く、し がも入力信号をより正確に表現する広帯域幅デジタイザが必要とされる。

広周波数帯域幅信号をデジタル化する方法および装置が提供される。デジタル化 は、複数のフィルタで広周波数帯域幅信号を複数の狭帯域周波数信号に分離する ことによって行われる。次に、コンバータは狭帯域周波数信号のデジタル化サン プルを生成する。最後に、合成り　（ｃ　ｏ　ｍ　ｂ　ｉ　ｎ　ｅ　ｒ　）によ って、デジタル化サンプルから複合デジタル化信号が生成され、これは実質的に 広帯域周波数信号を表す。

図面の簡単な説明 第１図は、本発明によるデジタイザの好適な実施例を示すブロック図である。

第２図は、本発明の好適な実施例により、人力受信信号から導出された電気信号 の周波数領域を表す。

第３図は、本発明の好適な実施例により、広帯域チャネルを形成するために合成 される１０本のアナログ狭帯域幅重複チャネルとともに、第２図に示す電気信号 の周波数領域を表す。

第４図は、本発明の好適な実施例により、第３図に示す各アナログ状帯域幅重複 チャネルによって第２図に示す電気信号のどの部分が受信されるかを示す。

詳細な説明 本発明によるデジタイザ１００の好適な実施例を第１図に示す。好適な実施例の デジタイザ１００は、広周波数帯域幅デジタイザに要求される高サンプリング・ レートに対処するデジタル化ハードウェアがない場合に利用できる。

信号を適切にデジタル的にサンプリングするためには、この信号のサンプリング ・レートは、ナイキスト条件を満たすため信号の帯域幅の２倍に少なくとも等し く、好ましくはそれよりも大きくなければならないことが当業者に理解される。

広帯域幅信号について十分高いサンプリング・レートで動作できるアナログ／デ ジタル信号コンバータとしてのデジタイザは、実際的でなく、あるいは今現在の 設計方法を用いても技術的に実現できない。

好適な実施例のデジタイザ１００は、他のデジタイザの制限を克服し、ナイキス ト・サンプリング・レートよりもはるかに低いサンプリング・レートで動−作す るアナログ／デジタル（Ａ／Ｄ）コンバータを利用して広周波数帯域幅信号１０ ５をデジタル化できる。デジタイザ１００は、複数の狭帯域アンチエイリアシン グ・フィルタ１１０（７）４Ｆｌ成と、それに続いて、前段のアンチエイリアシ ング・フィルタ１１０の狭帯域幅についてナイキスト条件を満たすだけのＡ／Ｄ コンバータなどの低速サンプリング・デバイス１２０とによって、受信信号１０ ５の周波数領域の表現を利用する。各周波数選択フィルタ１１０は、Ａ／Ｄコン バータ１２０に対する人力を帯域制限し、各Ａ／Ｄコンバータ１２０は、デジタ ル化される信号１０５の全帯域幅の異なる狭帯域幅サブバンド（すなわち、狭帯 域幅信号路）で動作する。これらすべての狭帯域幅信号路からのデジタル化デー タは合成１５５され、元の受信された広周波数帯域幅信号に含まれるすべての情 報を表す広帯域幅デジタル化データ１６０となる。次に、デジタル信号処理方法 を利用して、広帯域幅デジタル化信号１６０に対して他の処理（例えば、広帯域 幅デジタル化データ１６０から被送信データ・ビットの復号および検出）を行う ことができる。

−例として、電気信号２００を第２図に示す。周波数領域では、この電気信号２ ００は、人力１０５において入力された受信信号の周波数成分（すなわち横軸） の相対的な振幅（すなわち縦軸）を表す。入力１０５で伝達される電気信号２０ ０は、好ましくは、受信信号２００を複数のデジタル化信号にデジタル−化する 好適な実施例のデジダイザ１００の残りの部分に動作可能に結合される。第３図 に示すように、電気信号は１０本のアナログ狭帯域幅重複チャネル（すなわち狭 帯域幅信号路）２０２，２０４，２０６゜２０８．２１０，２１４，２１６，２ １８，２２０にデジタイザ１００によって分離される。これらの１０本のアナロ グ狭帯域重複チャネル２０２，２０４，２０６，２０８゜２１０．２１４，２１ ６，２１８，２２０は、好ましくは、電気信号２００の一部をいくつかの重複す る信号部分（例えば、第４図にそれぞれ示すような重複する信号部分２０３．２ ０５，２０７，２０９，２１１，２１３，２１５゜２１７．２１９，２２１）に 分離する。重複する信号部分２０３．２０５，２０７，２０９，２１１，２１３ ，２１５．２１７，２１９，２２１は、好ましくは、アナログ／デジタル・コン バータによって複数のデジタル化信号に変換される。次に、デジタル領域におい て、受信信号の狭帯域幅成分（すなわちデジタ１に化信号）は合成され、１つの 合成広帯域幅チャネル１６０（すなわち複合広帯域幅信号）となる。

ここで第１図を参照して、加入者？ｒ！、話回線（すなわち、２５０、−２７５ ０Ｈｚ　（ヘルツ）周波数バンド）の一般的な通過帯域に制限される信号につい て、好適な実施例のデジタイザを説明する。この信号の’５’ｌ域幅は全部で２ ５００Ｈｚであるので、この信号波形を正確にサンプリングしデジタル化するた めには、少なくとも５０００Ｈｚの最小サンプリング・レートを有する単一のＡ ／Ｄコンバータが必要である。しかし、比較的高いサンプリング・レート条件の ため、単一のＡ／Ｄコンバータを用いることは望ましくない。

好ましくは、サンプリング・レート条件が厳しくないデジタイザ１００が用いら れる。この好適な実施例のデジタイザ１００では、受信された広帯域幅信号１０ ５はアナログ・アンチエイリアシング・フィルタ１１０（すなわち、不完全な（ ブリックウオール（ｂｒｉｃｋｗａｌｌ））アナログ・フィルタ）のバンクに入 る。フィルタ・バンク１１０は、広帯域幅信号１０５を一連の狭・：１７域輻ア ナログ信号路に分離する働きをする。各アンチエイリアシング・アナログ・フィ ルタ１１０の所望の特性は、指定された帯域幅（例えば５ＱＯＨｚ）以外の信号 に対して除波性が極めて高く、比較的平坦な振幅の良好な通過帯域特性を有し、 かつその帯域幅の約半分（すなわち、中間の２５０Ｈｚ）でのみ群遅延応答を有 することである。

各狭帯域アナログ・フィルタ１１０の出力は、サンプリングＡ／Ｄコンバータ１ ２０のバンクに印加され、各Ａ／Ｄコンバータ１２０は、簡単にサンプラと呼ば れるサンプル・ホールド回路と、それに続くアナログ／デジタＪし・コンバータ とによって構成される。アナログ／デジタル・コンバータの変換時間が十分速い 場合、サンプル・ホールド機能は汎用性を失わずに省略できることが当業者に理 解される。さらに、望ましくないエイリアシングを避は各ため、サンプラ１２０ のサンプル・レートはアンチエイリアシング・フィルタ１１０の帯域幅の少なく とも２倍でなければならないことが理解される。よって、好適な実施例のアナロ グ・アンチエイリアシング・フィルタ１１０では、１０００Ｈｚのサンプリング ・レートが適切である。各サンプラ１２０からの被サンプリング出力は、それぞ れＡ／Ｄコンバータ１２０に送られ、このＡ／Ｄコンバータ１２０はサンプルを ｍ子化し、サンプルの大きさに対応して各サンプルにデジタル表現を割り当てる 。

この時点で、元の広帯域幅入力信号１０５のスペクトル部分（狭帯域幅信号路） を表す複数のＡ／Ｄサンプル・ストリームが存在する。しかし、元の広帯域入力 信号１０５を正確に表す１つのデジタル被サンプリング信号１６０が望ましい。

この１つのデジタル被サンプリング信号１６０は、複数のＡ／Ｄ出力信号の適切 なデジタル信号処理１５５によって生成される。

サンプリング処理は、各狭帯域幅チャネル信号をベースバンドまたは０〜５００ Ｈｚの信号（それぞれが１０００Ｈｚのデジタル化サンプル・ストリーム）に実 質的に変換している。全人力信号波形１０５の複合表現１６０を行うだめには、 各チャネルのデジタル信号表現をその実際の絶対低域通過等価周波数で復元する 必要がある。これを行う方法は当技術分野で周知であり、例えば、補間とその次 に適切なフィルタリングを利用して、あるいは補間を用し１て、生成信号をＩＳ Ｉ素指数で乗じて信号を周波数シフトすることによって行うことができる。

第１段階では、補間により各狭’ｎ’ｊ域幅信号路をその適切な周波数に戻す。

これは、補間器（ｉｎｔｅｒｐｏｌａｔｏｒ）　１３０のバンクを利用して行う ことができる。各補間器１３０は、各サンプルの間に７つのゼロ・サンプルを挿 入すること【こよって、各信号のサンプル・レートを８だけ増加する。この処理 は、１０００Ｈｚの倍数で・：１７域通過信号の複数のエイリアスを生成する。

さらに、帯域通過フィルタ・バンク１４０は、所望のエイリアス応答を除くすべ てを除去する。しかし、各狭１７域輻チャネルのデジタル表現は、元のアナログ ・アンチエイリアシング・フィルタによって与えられた整形応答の近似を反映し ているにすぎない。よって、十分制御されたデジタル・フィルタリング動作１４ ０が各狭帯域幅チャネルこｊ号して行われ、厳密な箇所に対して所望の振幅・位 相制御力τ行われ、元の信号の正確なデジタル表現は、独立した狭帯域幅チャネ ルの組合せによって生成できる。所望の通過帯域および遷移特性を有するこのよ うなフィルり１４０１よ、信号処理技術分野で周知であり、直交鏡映フィルり（ ｑｕａｄｒａｔｕｒｅ　ｍ１ｒｒｏｒ　ｆｉｌｔｅｒ）　（または多相フィルタ ）として知られている。これらの直交鏡映フィルタ（および他のデジタル処理方 法）に一ついては、Ｐ、Ｐ、　Ｖｉｉｄｙｉｎａｌｈａｎによる論文”Ｑｕａｄ ｒａｔｕｒｅ　Ｍｉｒｒｏｒ　Ｆｉｌｔｅｒ　Ｂａｎｋｓ。

Ｍ−Ｂａｎｄ　Ｅｘｚｅｎｓｊｏｎｓ　ａｎｄ　Ｐｅｒｆｅｃｔ　Ｒｅｃｏｎｓ ｔｒｕｃ＋１ｏｎＴｅｃｈｎｉｑｕｅｓ″　ＩＥＥＥ　ＡＳＳＰ　Ｍａｇａｚｉ ｎｅ　ｏｒ　Ｊｕｌｙ　１９８フ。

ｐａｇｅｓ　４−２０で説明されている。これらのフィルタ特性は、復元フィル タ・バンク１０４で適切に適用される。直交鏡映フィルタ機能は、前記論文で説 明されている復元フィルタ機能から区別できることが当業者に理解される。

最後に、元の広帯域幅信号１０５の正確なデジタル表現は、フィルタ・バンク１ ４０の各出力を線形的に合成１５０することによって得られる。好適な実施例で は、これは、各デジタル・フィルタ・バンクからのＮ番目のサンプルを単純に加 算することによって行われる。その結果、補間された信号に等しいサンプル・レ ート（すなわち、好適な実施例では８ＫＨｚ）を有する複合信号１６０が得られ る。

さらに、複合信号１６０は、２０５Ｈｚから２７５０Ｈｚまでの周波数スペクト ルを有する。

本発明についである程度の具体性で図説してきたが、実施例の本開示は一例にす ぎず、請求される発明の精神および範囲から逸脱せずに、各要宋の構成および組 合せ、ならびに段階における多くの変更が当業者により可能なことが理解される 。例えば、好適な実施例のデジタイザはｌＯ本の狭帯域幅信号路を含み、これら が１つのデジタル化された広帯域幅信号にその後合成された。しかし、当業者に 理解されるように、任意の数の狭帯域幅受信路を１つのデジタル化広帯域幅信号 に合成してもよい。さらに、２つ以上の広帯域幅信号路をいくつかの狭帯域幅信 号路から形成できる。また、アンチエイリアシング・フィルタの不完全さは、そ の後のデジタル信号処理機能で補−正できる。さらに、信号混合およびフィルタ リング機能を行う順序は、本発明の範囲および精神から逸脱せずに変更できる。

最後に、同じサンプリング周波数の信号をデジタル化およびサンプリングする必 要はないことが理解される。間引き（ｃｌｃｃｉｍａｔｉｏｎ）、フィルタリン グおよび補間の処理により被サンプリング信号を任意の所望の信号サンプリング 周波数にデジタル信号処理で処理する方法は当技術分野で周知である。また、異 なるサンプリング・レートの複数の信号を合成して、複合信号を表す方法も周知 である。

１１ＪＳｌ　（ＨＺｌ 第２図 ｌｌ１ｉｆｉ（＋ｚ） 第３図 第４図

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. １．広周波数帯域幅信号をデジタル化するデジタイザであって： （ａ）前記広周波数帯域幅信号を複数の狭周波数帯域幅信号に分離する複数のフ ィルタ手段； （ｂ）前記各フィルタ手段に動作可能に結合され、前記狭周波数帯域幅信号のデ ジタル化サンプルを生成する変換手段；および （ｃ）前記変換手段に動作可能に結合され、前記デジタル化サンプルを合成して 、前記広周波数帯域幅信号と実質的に同じスペクトル特性をデジタル形式で有す る複合デジタル化信号を［生成〕出力する合成手段；によって構成されることを 特徴とするデジタイザ。
2. ２．アナログ信号をデジタル化するデジタイザであって：（ａ）前記アナログ信 号の異なる周波数成分を選択し、第１および第２狭帯域幅信号をそれぞれ出力す る第１および第２周波数セレクタ； （ｂ）前記第１および第２周波数セレクタにそれぞれ結合され、前記第１および 第２狭帯域幅信号の第１および第２デジタル化信号をそれぞれ生成する第１およ び第２コンバータ；および （ｃ）前記第１および第２コンバータに結合され、前記第１および第２デジタル 化信号を、前記アナログ信号と実質的に同じスペクトル特性をデジタル形式で有 する複合デジタル信号に合成する合成器； によって構成されることを特徴とするデジタイザ。
3. ３．前記第１および第２周波数セレクタは、前記アナログ信号の重複部分を選択 するように適応されたフィルタであることを特徴とする請求項２記載のデジタイ ザ。
4. ４．前記合成器は、前記第１および第２コンバータにそれぞれ結合された第１お よび第２補間器であって、前記第１および第２周波数セレクタによってそれぞれ 選択されたアナログ信号の周波数成分と実質的に同じサンプル・レートに前記第 １および第２デジタル化信号を復元する第１および第２補間器からなることを特 徴とする請求項２または３記載のデジタイザ。
5. ５．前記合成器は： （ａ）前記第１および第２コンバータにそれぞれ結合され、前記第１および第２ 周波数セレクタによってそれぞれ選択されたアナログ信号の周波数成分と実質的 に等しい低域通過周波数に前記第１および第２デジタル化信号を復元する第１お よび第２補間器； （ｂ）前記第１および第２補間器にそれぞれ結合され、濾波された復元された第 １および第２デジタル化信号が前記複合信号となるように、前記復元された第１ および第２デジタル化信号の重複部分を濾波する第１および第２フィルタ；およ び （ｃ）前記濾波された復元された第１および第２デジタル化信号を前記複合デジ タル信号に合成する加算回路；からなることを特徴とする請求項２または３記載 のデジタイザ。
6. ６．広周波数帯域幅信号をデジタル化する方法であって：（ａ）前記広周波数帯 域幅信号を第１および第２狭周波数帯域幅信号に分離する段階； （ｂ）前記第１および第２狭周波数帯域幅信号の第１および第２デジタル化サン プルをそれぞれ生成する段階；および （ｃ）前記広周波数帯域幅信号と実質的に同じスペクトル特性をデジタル形式で 有する複合デジタル化信号を、前記第１および第２デジタル化サンプルから生成 する段階；によって構成されることを特徴とする方法。
7. ７．前記広周波数帯域幅信号を分離する前記段階は、前記広周波数帯域幅信号の 重複する周波数部分から、前記第１および第２狭周波数帯域幅信号を選択するこ とからなる請求項６記載の方法。
8. ８．複合デジタル化信号を生成する前記段階は：（ａ）前記第１および第２デジ タル化サンプルを、前記第１および第２狭周波数帯域幅信号と実質的に同じサン プル・レートに補間する段階； （ｂ）濾波され、補間された第１および第２デジタル化サンプルが前記複合デジ タル信号となるように、前記補間された第１および第２デジタル化サンプルの重 複部分を濾波する段階；および （ｃ）前記濾波され、復元された第１および第２デジタル化信号を前記複合デジ タル信号に合成する段階；によって構成されることを特徴とする請求項６または ７記載の方法。