JPH08510100A - デジタル的にサンプルされた信号の再サンプリング同期装置 - Google Patents
デジタル的にサンプルされた信号の再サンプリング同期装置Info
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Abstract
(57)【要約】
第1のデジタル信号を第2のデジタル信号へ変換するために、互いにフェーズロックされていない2つの異なるサンプリングクロック速度を有するデジタル再サンプリングシステム(300)が提供される。フィルタ(302)は第1のクロック(H)によってクロックされ、以後に使用されないサンプルを任意選択的に除外して、第1のクロック速度で濾波されたサンプルを出力する。位相指示器(322)は、第1及び第2のクロックの相対位相位置を決定し、第1のクロックのチック間の何処に第2のクロックのチックがあるかを指示する整数位相値と端数位相値とを指示する。サンプルセレクタ(303)は整数位相値に基づいて非デシメーティングフィルタからM個のサンプルを選択する。重み発生器(324)は端数位相値に基づいてM個の重みを生成する。加重平均器(307)はM個の濾波されたサンプルにM個の重みで重み付けし、重み付けされたサンプルの合計もしくは平均を出力する。
Description
【発明の詳細な説明】
デジタル的にサンプルされた信号の再サンプリング同期装置
関連文書
本出願は、ドキュメント#274736として識別されているドキュメントディスク
ロージャプログラムの下で出願されたドキュメントに関連している。
発明の背景
本発明は、デジタル信号処理の分野に関する。より詳しく説明すれば、本発明
の一実施例は、第1のクロックによってサンプルされた時間連続信号のサンプル
された表現を、上記第1のクロックとは同期していない第2のクロックによって
サンプルされた時間連続信号のサンプルされた表現に変換するための手段を提供
する。
1つの応用である図1に示す通信システム10において、第1及び第2のクロ
ックは典型的には同期していない。通信システム10は、送信機12、受信機1
6、及び送信機12と受信機16とを接続しているアナログチャネル14からな
っている。送信機12は、エンコーダ18、及び多分図示してない他のモジュー
ルを備えている。受信機16は、シグマ・デルタ(ΣΔ)変調(SDM)アナロ
グ・デジタル変換器(ADC)20、再サンプラ22、及びクロック回復手段2
4を備えている。エンコーダ18は、デジタルサンプルのための入力と、アナロ
グ信号のための出力と、低周波クロックLに結合されていて、入力デジタルサン
プルを表すアナログ信号セグメントを出力するタイミングをとるためのクロック
入力とを有している。送信機12のアナログ出力はチャネル14の入力であり、
チャネル14はアナログ信号をSDM ADC 20の入力まで輸送する。SD
M ADC 20は高周波クロックHによって駆動されるクロック入力を有し、
この高周波クロックHはチャネル14から規則正しい間隔で出力されるアナログ
信号のデジタルサンプリングをトリガするために使用される。SDM ADC
20の出力は再サンプラ22へ接続される。再サンプラ22の出力が通信システ
ム10の出力であり、この出力は送信機12へ入力されたデジタルサン
プルストリームではあるが、若干の遅延と恐らくは若干の歪みとを伴っている。
再サンプラ22の出力はクロック回復手段24にも接続されている。クロック回
復手段24は、再サンプラ22の第2のクロック入力へ回復されたクロックL’
を出力する。代替通信システム10においては、クロックL’はデジタルサンプ
ル出力から回復されるのではなく、送信機12から外部クロックチャネル21を
介して再サンプラ22へ供給されるか、もしくは他の外部クロック源から受信機
16へ供給されるようになっている。
通信システム10はアナログチャネル14を通してデジタルサンプルを1つの
点から別の点へ転送するために使用される。デジタルデータは送信機12におい
てアナログ信号に変換され、アナログチャネル14を通して送られ、受信機16
においてデジタル化され、そして初めに送られたデジタルデータを回復するよに
デジタル的に処理される。これらのデジタル・アナログシステムはモデム通信、
コンパクトディスクプレーヤ、デジタルオーディオテープ、移動電話等に使用さ
れる。
典型的には、デジタルサンプルは有限の、取り得る値の集合から選択された値
をとり、この特定の値は転送されるデジタルデータによって決定される。例えば
モデム通信システムの特定実施例では、0及び1(ビット)の形状のデジタルデ
ータが9600ビット/秒の転送速度で送信機へ入力される。送信機はこれらのビッ
トを一時に4つ選択して“記号”を形成し、0から15までのデジタル値を生成す
る。送信機内のエンコーダはこれらのデジタル記号を受け、そのクロックサイク
ルの持続時間中にそのデジタル記号に関連付けられたアナログ信号のセグメント
を出力する。公知のように、デジタル記号を完全に回復するためには、アナログ
セグメントの持続時間はクロックLの少なくとも2クロックサイクルでなければ
ならない。換言すればエンコーダ18は、クロックLの少なくとも2クロックサ
イクルの期間にわたって記号を表すセグメントを出力する。
しかしながら、本システムに関する限り、もしタイミングが正しければ記号は
アナログ信号のサンプルから決定することができるから、実際の記号は重要では
ない。例えば、もしある記号を表す各アナログ記号セグメントの2つのサンプル
をとれば、通常はその特定の記号を決定することができる(雑音が完全な回復を
妨げ易い)。しかし、もし受信機16がアナログセグメントの境界が何処にある
のかを知っていなければ、隣接する記号からのサンプルを混合する恐れがある。
従って、アナログチャネル信号を、通常はクロック速度L(低周波クロック)と
比較できるような転送速度で送られてくる入信号と同期してサンプリングするこ
とが重要である。しかしながら、SDM ADCにおけるように、アナログ信号
が遥かに高い速度でサンプルされる場合には、このことが常に可能もしくは好都
合であるとは限らない。
典型的なデジタル受信機では、アナログ信号は先ずデジタル化され、次いでこ
の信号はデジタル信号プロセッサもしくはデジタルフィルタ回路によって処理さ
れる。アナログ信号とデジタル信号との間の一つの顕著な差異は、時間連続及び
振幅連続である。時間連続性とは、アナログ信号はどの時点においても測定する
ことができ、そしてその時点においてある値を有していることを意味している。
一方振幅連続性とは、測定した時点における値が有限の範囲内で無限数の値を有
し得ることを意味している。これに対して、一旦デジタル化されると、アナログ
信号は、一連のデジタルサンプルであるデジタル信号によって表される。デジタ
ルサンプルは有限数の値、通常はサンプルされたアナログ信号に最も近い値をと
る。デジタル信号はその一連のデジタルサンプルとサンプルとの間には限定され
た値をとらない。
以上の説明で指摘したように、デジタル信号はアナログ信号を有限近似するも
のであるという事実によって導入される誤差を最小にするためには、受信機はア
ナログ信号を正確にサンプルしなければならない。アナログ信号によって表され
るデータを回復するためには、信号を回復するだけでは不十分である。それは、
各アナログ信号セグメントの境界を見出さなければならないからである。若干の
システムでは、アナログ信号セグメント内の固定された点(通常は中心)におい
てアナログ信号を1回サンプリングすることによって、アナログセグメント(有
限の可能性の集合の)を決定することができる。勿論、セグメントの中心が何処
かを知るためには、デジタルサンプルをアナログ信号にエンコードするのにエン
コーダが使用するクロックLを回復する、もしくは受信機に供給しなければなら
ない。
若干の通信システム(図1に示す例のような)ではクロックLは分離したクロ
ックチャネル21を通して送信機12から受信機16へ送られ、他のシステムで
はクロックLは(非同期クロックを用いるデジタルミキサの場合のように)外部
クロック源から供給される。しかしながら、クロックチャネル21は通信容量を
使用するので、通信容量が重要視されるようなシステムではクロックLはアナロ
グ信号自体から回復される。例えばコンパクトディスクプレーヤではチャネルは
重要ではないから、クロッキング情報は容易にクロックチャネル上に供給するこ
とができる。しかし電話データ伝送の場合、別のクロックチャネルは費用がかか
る。2つの非同期的にサンプルされた信号を混合するデジタルミキサ例では、一
方の信号は、他方の信号を再サンプルするクロックとして使用して再サンプルさ
れる。回復可能なクロック情報を有するアナログデータ信号を送る多くの方法が
知られている。クロックを分離して転送するにしても、もしくはアナログ信号か
ら回復可能ならしめても、2つのクロック、即ちサンプリングクロックH及び信
号クロックLが同期していないという問題は残る。
クロックHとクロックLとを同期させ続けるための一つの明らかな方法は、ク
ロックLによって駆動されるクロック乗算器を使用してクロックHを生成させる
こと、換言すればクロックHをクロックLにフェーズロックさせることである。
クロックHはクロックLよりも高周波数であるからクロックLのジッタがクロッ
クHの周波数では増幅される。これが、クロックのフェーズロックが受入れられ
ない1つの理由である。SDM ADC 20がアナログ信号をオーバサンプル
して適切な分解能を得るためにはクロックHは高くする必要があるから、クロッ
クHの周波数を下げることは実行可能な解決法ではない。
図2は、通信システム10(図1)に使用されるような典型的な再サンプリン
グ受信機25のブロック線図である。受信機25は、SDM ADC 26と、
SDM ADC 26の出力に結合されている再サンプラ28と、信号を再サン
プルするのに使用されるクロックの位相を調整するクロック回復手段29とを備
えている。クロック回復手段29は、再サンプラ28が出力したデジタルデータ
ストリームを受け、位相シフト値もしくは回復されたクロックを再サンプラ28
の入力に供給する。代替実施例では、クロックは信号自体から回復するのではな
く、他の手段によって生成される。
SDM ADC 26は、SDM ADC 26へのアナログ入力を整形する
雑音整形回路30と、SDM ADC 26へのオーバサンプリングクロック入
力のクロックチック(立ち上がり、もしくは立ち下がり縁のようなタイミング点
)において、整形されたアナログ入力をNデジタルサンプルレベルの1つに変換
するA/D 32と、デジタルサンプルストリームを濾波し、デシメート(deci
mate)する低域通過フィルタ(LPF)34とを備えている。“アナログ・デジ
タル変換器”とは変換器自体(A/D 32のような)のことであり、一方“Σ
Δ変調アナログ・デジタル変換器”即ちSDM ADCとは変換器と、濾波を使
用する場合にはΣΔ変換器(SDM ADC 26のような)に便宜的に関連付
けられる関連濾波のことである。図2では、この差がSDM ADC 26とA
/D 32とによって示されている。
再サンプラ28は、再サンプラ28の入力に結合されているアップサンプラ3
6と、アップサンプラ36の出力に結合されているLPF 38と、LPF 3
8の出力に結合されているサンプルセレクタ40とを備えている。代替実施例で
はLPF 38は補間器に置換されている。
受信機25は、以下のようにしてアナログ時間連続信号を、クロックL’のク
ロックチックにおけるアナログ信号の値を表すデジタルサンプルのストリームに
変換する。
アナログ信号は雑音整形回路30に印加され、雑音整形回路30は、SDM
ADCにおいて普通に行われているように、雑音を整形したアナログ信号をA/
D 32へ出力する。A/D 32は、入力アナログ信号のナイキスト比率(帯
域幅の2倍)よりも遥かに高いクロック速度Hで(オーバサンプリング)入力ア
ナログ信号をサンプリングする。A/D 32の出力は、デジタル・アナログ変
換器(D/A)41を通して雑音整形回路30へフィードバックされる。雑音整
形回路30はアナログ信号を整形し、A/D 32が振幅連続入力アナログ信号
をNレベル(典型的にはN=2または3)だけでサンプリングすることによって
生ずる量子化誤差雑音を減少させる。量子化雑音は、入力信号を高速度でサンプ
リングし、雑音を(雑音整形回路を使用して)信号の帯域幅よりも高い周波数範
囲まで移動させ、その信号を低域通過濾波して雑音を含む高周波数を排除するこ
とによって減少させられる。
LPF 34は高周波数を濾波して除去し、データサンプリング速度を係数D
によってデシメートして信号帯域幅の2倍に匹敵するサンプリング速度を得る。
H/Dクロック速度へのデシメーションは、デジタルサンプルの数を係数Dだけ
減少させてデジタルサンプルの処理を簡易化すると共に、帯域制限された信号を
表すデジタルサンプルの冗長度を排除するために行われるのである。アナログ信
号は(1/2*H/D)より低い周波数に帯域制限されるので、デシメーション
によって情報が失われることはない。N積分器、デシメータ、及びN微分器から
なるsincフィルタを使用すると必要ハードウェアはおおよそD/2に減少するが
、このようなフィルタは固定されたデシメーション位相を誘起する。これは、異
なる、そして多分変化するサンプリング位相へ再サンプリングする時には望まし
くない副作用である。
SDM ADC 26からクロック速度H/Dで出力されるデジタルサンプル
はクロックLのチックとは一致しない(H、もしくはH/D、及びLは互いに無
関係であるから)ので、信号は元のクロックLに再同期させなければならない。
これは受信機25内において、信号を元のクロックLにフェーズロックされてい
る新しいクロックL’を用いて再サンプリングすることによって行われる。連動
(インタロック)ドリフトの故に、クロックL及びH/Dのチックは必ずしも時
間的に一致しないから、クロックL’のチックにおけるアナログ信号の値は、ク
ロック速度H/Dのデジタルサンプルから直接使用することはできない。
再サンプラ28は、SDM ADC 26の出力から入手できるクロックH/
Dチックにおける信号のサンプルからクロックL’チック時の時間連続アナログ
信号の値を推定することによって、クロックL’チックにおけるこれらの値を供
給する。以下に説明する図3は、この再サンプリングプロセスを示している。
モデムのための典型的な低周波クロックLは9600もしくは19200Hzであり、典
型的な高周波クロックHは2.5MHz(即ち2,457,600Hz、D=128もしくは256)、
または受信機が高速度でデータを処理することができればそれ以上である。クロ
ックHは、典型的には安定した水晶発振器から導出する。クロックL
も本来安定した発振器から導出することができるが、両発振器は無関係であるの
でクロックL発振器はクロックHに対して自由にドリフトする。更に、アナログ
チャネル遅延の変化がクロックLに見掛け上のドリフトを導入する。元のクロッ
クLがアナログ信号から受信機25において回復される場合には、回復されたク
ロックはチャネル遅延によって生ずるジッタを打ち消すが、もしクロックHがク
ロックL’に結合されていれば、クロックL’上のジッタが雑音問題をもたらす
ようになる。
図3(a)は、SDM ADC 26に印加される時間連続アナログ信号のグ
ラフである。図3(b)は、H/Dの速度で離散した時間にサンプルされたデジ
タル値からなるSDM ADC 26の出力のグラフである。図3(e)は、ク
ロックL’のチックと一致する時点のアナログ信号のサンプルを表すデジタル値
のグラフである。図3(c)−(d)は、クロックH/Dにおける値からクロッ
クL’における値を導出する方法を示している。
図3(c)はアップサンプラ36の出力のグラフであって、クロック速度H/
Dのサンプルの間に0値のデジタルサンプルが挿入されてサンプルの数を増加さ
せている。
図3(d)は、元のアナログ信号のグラフに重ね書きされたLPF 38の出
力のグラフである。図3(d)内の付加的なサンプルは元のアナログ信号を正確
にサンプルしてはいないが、アナログ信号が(1/2*H/D)より低い周波数
に制限されている帯域制限された信号であるので、それらは接近している。図3
(e)のデジタルサンプルは、アップサンプルされ、低域通過濾波されたサンプ
ルの数(この場合は、3)の補間によって計算されたものである。
図2に示すように、SDM ADC及び再サンプラが組合わされている場合に
は、デジタル信号はダウンサンプルされ、濾波され、アップサンプルされ、そし
て再濾波されるが、これらの全てによって精度が失われ、不要な信号処理資源が
消費される。入力アナログ信号は、先ず1つのクロック速度Hでデジタル化され
、別のクロック速度H/Dにダウンサンプルされ、更に別のクロック速度U*(
H/D)にアップサンプルされ、そしてクロック速度L’で再サンプルされる。
このことからサンプルされた信号を任意位相で再サンプルする改善された手段が
必
要であることが理解されよう。
発明の概要
本発明によれば、改良された再同期化サンプラが提供される。
本発明によるデジタル再サンプリングシステムの一実施例においては、第1の
デジタル信号が第2のデジタル信号に変換される。両デジタル信号は、互いにフ
ェーズロックされていない2つの異なるクロック速度でサンプルされた同一のア
ナログ信号を表している。システムは、非デシメーティングフィルタ、位相指示
器、サンプル選択器、重み発生器、加重平均器、及び出力クロッカを含む。
第1のクロックによってクロックされる非デシメーティングフィルタは、第1
のクロックのクロックサイクル当たり1つの濾波されたサンプルを出力する。但
し、若干の実施例ではこのフィルタは、その後の信号経路において使用されない
サンプルについては濾波されたサンプルを出力しない。
位相指示器は、第1及び第2のクロックの相対位相位置を決定し、第2のクロ
ックチック(立ち上がりもしくは立ち下がり縁、またはサイクルの他の識別可能
な点)に対する第1のクロックチックを決定し、第2のクロックのチックが発生
する第1のクロックのクロックサイクルを識別する整数を表す整数位相信号と、
第1のクロックのそのクロックサイクル内における第2のクロックチックの位置
を識別する端数を表す端数位相信号とを出力する。この整数は、時間原点と、第
2のクロックの最新クロックサイクルのチックとの間の第1のクロックチックの
数のモジュロカウントであってよく、このモジュロは第1と第2のクロック周波
数の比に近い数である。若干の実施例では、整数位相出力が調停された(arbitr
ated)クロックになる。
サンプルセレクタは、非デシメーティングフィルタから供給される濾波された
サンプルから、整数位相値に基づく濾波されたサンプルを選択する。サンプルセ
レクタは、第2のクロックのクロックサイクル当たりM個の濾波されたサンプル
を選択する。特定的には、第2のクロックのチック近辺のサンプルを選択する。
重み発生器は端数位相に基づいてM個の重みを生成し、加重平均器はM個の濾波
されたサンプルをM個の重みによって重み付けし、そして重み付けされたサンプ
ルの和もしくは平均を出力する。もし必要であれば、出力クロッカは、第2のク
ロックのサイクル当たり1回平均されたサンプルの出力を第2のクロックのチッ
クに同期させる。
本発明の別の実施例では、再サンプリングシステムがSDM ADCシステム
内に使用され、第1のクロックは高周波ΣΔサンプリングクロックであり、そし
て第2のクロックは信号クロックであって、この信号クロックはアナログ信号か
ら回復されるか、もしくはクロックチャネルまたは外部クロック源から供給され
るの何れかである。SDM ADCシステムでは、非デシメーティングフィルタ
は通常は(必ずしもそうである必要はないが)低域通過フィルタである。
本発明の更に別の実施例では、再サンプリングシステムがSDMデジタル・ア
ナログ変換器(DAC)システム内に使用され、低周波クロックでクロックされ
るデジタルデータは、これもまた低周波クロックでサンプルされる1群M個のサ
ンプルに選択される。位相検出器は、低周波クロックと高周波サンプリングクロ
ックとの相対位相を検出する。これらのクロックは無関係であるから、これらは
互いに他に対してドリフトし、相対位相は一定ではない。位相検出器は整数位相
信号もしくは調停されたクロック(これは低周波クロックのチックに最も近い、
またはそれに続く高周波クロックチックを識別する)と、端数位相信号、即ち値
を出力する。端数位相クロックは、低周波チックが、識別されたクロックHサイ
クルのクロックサイクルの中の何処にあるのかを指示する。
端数位相値は、Mサンプル群内のサンプルに重みを付ける重み付け手段に印加
され、入力配置手段は、M個の重み付けされたサンプルの1つを高周波クロック
の各クロックサイクルに高周波出力線上に配置する。この高周波信号は高周波ク
ロックで作動中のSDM ADCへ出力される。これにより、低周波デジタル信
号は、デジタル・アナログ変換器(D/A)へ入力される前に、高周波クロック
で再サンプルされる。代替実施例では、M個のサンプルの群は有限インパルス応
答(FIR)フィルタによって濾波され、入力配置手段はそれに供給されたM個
の濾波されたサンプルを平均し、平均して得られた1つの値をクロックLクロッ
クサイクル内の各クロックH(高周波クロック)毎にその出力に供給する。
もし入力配置手段の後で、且つSDM DACの前に、低域通過もしくは他の
フィルタを使用するのであれば、高周波クロックの各チックにおいて入力サンプ
ルを受け入れることができるフィルタを使用する。しかしながら、M個の自由に
選択可能な、連続高周波クロックチックにおいて入力を受け入れることができる
ような別のフィルタを使用することも可能である。このように選択可能にすると
、以降に使用することが予め分かっている各サンプルだけを確実にフィルタヘ入
力することができる。
本発明の本質及び長所は、以下の添付図面に基づく説明からより一層明白にな
るであろう。
図面の簡単な説明
図1は、通信システムのブロック線図である。
図2は、アナログ信号をサンプリングし、サンプルされた信号を再サンプリン
グしてアナログ信号から回復されたクロックに同期させる公知の方法を示すブロ
ック線図である。
図3(a)−(e)は、再サンプリング動作を示すグラフである。
図4は、SDM ADC、低域通過フィルタ、及び再サンプラを含む本発明に
よるサンプリング及び再サンプリングシステムの実施例のブロック線図である。
図5は、図4のシステムに使用されるSDM ADCの一実施例のブロック線
図である。
図6は、図4のシステムに使用される低域通過フィルタの一実施例のブロック
線図である。
図7は、図4のシステムに使用される低域通過フィルタの代替実施例のブロッ
ク線図である。
図8は、図4のシステムに使用される再サンプラの一実施例のブロック線図で
ある。
図9は、低速度でクロックされるデータを、より高い、無関係な速度で出力す
るSDM ADCシステムのブロック線図である。
図10は、図9のSDM ADCシステムに使用される非デシメーティング低
域通過フィルタのブロック線図である。
図11は、図9のSDM ADCシステムに使用されるSDM ADCのブロ
ック線図である。
図12は、図9のSDM ADCシステムに使用される低域通過フィルタの代
替実施例のブロック線図である。
図13は、本発明によるデジタル・デジタル再サンプリングシステムのブロッ
ク線図である。
図14は、中間の高周波クロックを使用するデジタル・デジタル再サンプリン
グシステムのブロック線図である。
好ましい実施例の説明
図4は、シグマ・デルタ(ΣΔ)変調(SDM)再サンプリングADCシステ
ム42のブロック線図であって、このシステム42は、クロック速度Lでクロッ
クされたアナログ信号セグメントからなるアナログ信号を、クロック速度L’で
クロックされたデジタル信号に変換する。ここに、クロックL’はクロックLに
フェーズロックされており、またデジタル信号はアナログ信号セグメントのサン
プルを表すデジタルサンプルからなっている。
ADCシステム42は、SDM ADC 44、非デシメーティング低域通過
フィルタ(LPF)46、再サンプラ48、及びクロック回復手段50からなっ
ている。代替実施例ではクロック回復手段50は使用されず、クロックL’は外
部クロック源から供給される。ADCシステム42への入力はアナログ信号であ
り、外部クロックが使用される場合、クロックチャネル51上に、またはその他
によって供給されるクロックL’が、アナログ信号をアナログ信号セグメントに
分割することを指示する。
SDM ADC 44の出力はクロック速度Hを有するデジタル信号であり、
LPF 46への入力である。LPF 46の出力はクロック速度Hのデジタル
信号(低めの出力速度の典型的なデシメーティング低域通過フィルタとは対照的
である)であり、再サンプラ48への入力である。再サンプラ48の出力がAD
Cシステム42の出力である。もしクロック回復手段50を使用していれば、そ
の入力は再サンプラ48の出力であり、クロック回復手段50の出力であるクロ
ックL’が再サンプラ48の再サンプリングクロック入力になる。一方、もしク
ロックチャネル51を使用するのであれば、それが再サンプラ48の再サンプリ
ングクロック入力になる。若干の実施例では、クロックL’は物理的な信号で
はなく、クロックL’のサイクルのタイミングを指示する一連の数である。クロ
ックの分野においては公知のように、一連のサイクルタイミング標識から物理的
なクロック信号を再構成することができ、また物理的なクロックを一連のサイク
ルタイミング標識に分解することができる。クロックHは数に分解することがで
きる。例えば、関心デジタル信号がクロック速度Hでサンプルされた信号である
場合、信号プロセッサ内の特定点を通過したサンプルの数を計数する簡単なカウ
ンタにクロックHを供給することができる。
代替実施例では、部分的デシメーティングLPF 46が得られるようにAD
Cシステム42を設計することができ、この場合LPF 46の出力は中間のク
ロック速度Iを有するデジタル信号になる。これは、非デシメーティングフィル
タを後続させたデシメーティングフィルタ段として実現することができる。
図5は、SDM ADC 44の一つの考え得る例としての一つの所与の型の
二次ΣΔ変換器のブロック線図である。SDM ADC 44の順方向信号経路
は、順番に、加算器52、54、積分器56、増幅器58、加算器60、積分器
62及びNレベルアナログ・デジタルサンプラ(A/D)64である。この順方
向信号経路内の全ての成分の入力はアナログ信号(時間及び振幅連続)であり、
またA/D 64を除く全ての成分の出力はアナログ信号である。A/D 64
の出力は、クロックHのクロックサイクル当たり1回出力され、それぞれがNレ
ベルの1つを表すデジタルサンプルからなるデジタル信号である。
SDM ADC 44のフィードバック経路は、デジタル・アナログ変換器(
D/A)66、及び増幅器68、70及び72を含む。D/A 66はA/D6
4 のデジタル出力に結合され、その出力を変換してアナログに戻す。増幅器6
8及び70はそれらの入力にD/A 66の出力を受けており、増幅器68の出
力は加算器54への入力であり、増幅器70の出力は加算器60への入力である
。増幅器72は、積分器62の出力に結合された入力を有しており、増幅器72
の出力は加算器52への入力である。増幅器58、68、70、72の増幅度は
それぞれC0、C1、C2、C3である。特定の設計に依存して、これらの数値は1
よりも大きく、1に等しく(この場合、増幅器を省くことができる)、または1
よりも小さくすることができ、0にすることさえもできる。一つの応用、
例えばモデムにおいては、これらの数値はC0=1/2、C1=−1/2、C2=−1/2、
C3=0とすることができる。
動作中、SDM ADC 44へのアナログ信号入力は、Hのクロック速度で
デジタルNレベルサンプルとして出力される。レベルの数Nを2の累乗とし、ま
たN=2が1ビット出力を与えるように選択されることが多い。1ビットサンプ
リングは入力信号を比較するための電圧レベルが複数になる問題を排除するが、
1ビットサンプリングはかなりの量子化雑音を発生する。ΣΔ変換器の分野にお
いては公知のように、この量子化雑音はSDM ADC 44のアナログ成分に
よってより高い周波数帯域内へ移動(整形)させられる。
図6はLPF 46のブロック線図である。このLPF 46は、通常は量子
化雑音を含むSDM ADC 44からのデジタル信号出力の高周波数成分を濾
波して除去する。重要なのは、LPF 46からのサンプル出力の数がサンプル
入力の数と同一であることである。
LPF 46は、幾つかの信号処理要素からなる順方向経路を有している。こ
れらの要素は、順番に、加算器80、加算器82、1クロックサイクルの後にそ
の入力を出力する単位遅延器84、乗算器86、加算器88、単位遅延器90、
乗算器93、及び加算器91である。加算器は、フィードバック信号(加算器8
0、82、88)もしくはフィードフォワード信号(加算器91)の何れかを順
方向経路信号に加算するのに使用される。幾つかのフィードバック経路が存在し
ている。乗算器92は単位遅延器90の出力にC0を掛けた後に加算器80の一
方の入力に印加し、乗算器94は単位遅延器84の出力にC1を掛けた後に加算
器82の一方の入力に印加し、乗算器96は単位遅延器90の出力にC2を掛け
た後に加算器88の一方の入力に印加する。単位遅延器84の出力からのフィー
ドフォワード経路は、乗算器95によってC5が掛けられた後に加算器91の入
力に印加される。順方向経路内の乗算器86及び乗算器93は、それぞれC3及
び4を掛ける。以上により、LPF 46は二次の無限インパルス応答(IIR
)フィルタを形成する。
特定の設計に依存してC0、C1、C2、C3、C4及びC5は各々、1よりも大き
く、1に等しく(この場合、増幅器は省くことができる)、または1より
も小さくすることができ、0にすることさえできる。前記のモデムの例において
は、これらの値は、C0=1/128、C1=1、C2=1−1/128、C3=1/64、C4=1
/128及びC5=0である。
図6には二次IIRを示してあるが、好ましいフィルタはSDM ADCの雑
音整形回路よりも少なくとも一次は多い次数を有しているものである。フィルタ
の最終出力内の雑音を排除するためには、この要求を満足した方がよい。もし二
次SDM雑音整形回路を使用すれば、雑音は12db/オクターブの割合でより高い
周波数内へ上昇するように整形される。もし二次フィルタを使用すれば、このフ
ィルタのロールオフは12db/オクターブであるから雑音は高周波数まで平坦にな
ってしまう。従って少なくとも18db/オクターブのロールオフを有する三次フィ
ルタを使用すべきである。このようなフィルタは、LPF 46のようなLPF
を2つ直列にして信号経路内に配置することによって容易に構成できる。第2の
フィルタは一次フィルタに落とす(合計三次にする)こともできる。この場合C0
=C2=C3=C4=0にセットし、もしそれがハードウェアもしくはソフトウェ
アを節約するのであれば単位遅延器90を省き、C1=1−1/128、C5=1/128に
セットする。1組の値を例示したが、他の応用に対しては他の値が好ましいであ
ろう。更に、可能な限り2の累乗で与えたこれらの値が理想的ではないかも知れ
ず、そのような場合これらの値をより細かく分割しても差し支えない。
図7は、ADCシステム42の若干の実施例に使用される低域通過フィルタ4
6’の代替実施例のブロック線図である。LPF 46’は、積分器経路、セレ
クタシステム111、及び微分器アレイからなっている。積分器経路は、N段の
積分器からなり、これらは積分器102、108、及び110で示されている。
各積分器は同一であるので、積分器102だけを詳細に図示してある。積分器1
02は、加算器104(モジュロ加算器である)と単位遅延器106とからなっ
ている。積分器102の入力は加算器104の入力に結合され、加算器104の
出力は単位遅延器106の入力に結合されている。
単位遅延器106の出力が積分器102の出力であり、また単位遅延器106
の出力は加算器104の第2の入力へフィードバックされている。このようにす
ると、積分器102は古典的な積分器インパルス応答、即ち
z-1/(1−z-)
を発生する。単位遅延器106はクロックHによってクロックされている。クロ
ックHは、図4に示すように、LPF 46’へのデジタル信号入力のサンプル
と同期している。他のN−1の各積分器もクロックHによってクロックされてい
る単位遅延器を有している。
積分器110の出力はセレクタシステム111へ供給される。セレクタシステ
ム111は、積分器110からの積分されたサンプルをクロックHで入力し、積
分器110からの連続サンプルをM個出力する。この連続サンプルの特定の数M
は、再サンプラ34(図8を参照して後述する)から供給される調停されたクロ
ックによって決定される。LPF 46’はM段の微分器段も備えている。段1
116はセレクタシステム111から第1の入力を受け、入力の微分された信
号を出力する。セレクタシステム111の別々の出力に結合されている段2 1
28及び段M 130も図示してある。典型的な1つの段、段1 118の詳細
を示してある。段は、クロックL’によってクロックされるN個の微分器からな
っている。微分器1 118のような微分器は、クロックL’によってクロック
される単位遅延器120、及び単位遅延器120の出力と単位遅延器120への
入力との差を出力する減算器122(モジュロ減算器である)からなり、従って
インパルス伝達関数(1−z-1)を有するフィルタになっている。
LPF 46’はN次のsincフィルタであるが、その出力を実効的にデシメー
トしないフィルタである。典型的なsincフィルタでは、出力は固定された位相に
デシメートされ、フィルタ以降の信号経路内の要素はこの固定されたサンプリン
グ位相を持つように調整しなければならない。図2のシステムでは、この調整は
アップサンプラ36の追加である。従ってH/L微分器段を有するLPF 46
’のようなフィルタは、M=H/Lに設定することによって入力と同程度の値を
出力することができる。しかしながら、実際にはM=2または3で十分であるこ
とが多く、使用しようとするサンプルだけを処理するようにサンプルの選択のタ
イミングをとることによって、多くのハードウェアもしくはソフトウェアを節約
することができる。
セレクタシステム111を実現するには多くの方法があり、その一つを図7に
示す。図7に示すセレクタシステム111は、M段の遅延線112とラッチ11
4とからなり、遅延線112はクロック速度Hでクロックされ、ラッチ114は
クロック速度Lでクロックされている。微分器段へ送られるM値はクロックLの
チック(これは多分入力クロックHに対して変化する)に対してタイミングをと
っているから、再サンプリングプロセスに使用される位相の全てをカバーするた
めに必要な微分器段はM段だけでよい。
LPF 46’の若干の実施例では、セレクタシステム111はカウンタ及び
デマルチプレクサを備え、カウンタは各クロックLのチックから始まるクロック
Hのチックを計数し、デマルチプレクサはM個のサンプルの第1のサンプルを出
力線の第1の線へ通過させ、次いでデマルチプレクサは次のM−1入力サンプル
を残余のM−1出力線上へ通過させ、そして次のクロックLのチックまで次の値
を無視する。他の実施例では、各微分器段の第1段のクロックは正しい入力サン
プルをラッチするようにタイミングがとられている。
図7では、N及びMは少なくとも3であるが、設計要求に依存してこれらの値
は3より小さいことも可能である。例えば、Hを高くする程、Mを低くすること
ができる。また、最も内側の積分器及び微分器は、デジタルsincフィルタ設計の
分野において公知のように、ホールド回路によって置換することができる。更に
、必要であれば、クロックチックをM段遅延線の内容に対して中心決めするよう
にクロックLチックを移動させる他の手段を設けることもできる。
設計要求に依存して、LPF 46もしくはLPF 46’の何れかを使用す
ることができる。LPF 46は使用されるハードウェア(または、もしソフト
ウェアで実現されていれば、使用される計算能力)に関してより効率的であり、
そして全てのサンプルを供給する。一方LPF 46’はデジタル信号に群遅延
を導入せず、実際に使用されるH/Lの中からMサンプルを供給する。LPF
46は、乗算器係数を適切に選択することによって、一層効率的にすることさえ
もできる。もし係数が(前記の例で使用しているように)2の累乗であれば、乗
算器はビットシフタに置換することができる。
図8は、再サンプラ48のブロック線図である。再サンプラ48は、LPF
46(図4、6参照)もしくはLPF 46’(図4、7参照)の何れかから入
力を受けて、所望の信号、即ちADCシステム42への元の入力であるアナログ
信号のデジタル表現を出力するが、それはクロック速度L’でサンプルされたデ
ジタル表現である。クロッキング信号が供給される若干の実施例では、クロック
L’はクロックLと同一である。
再サンプラ48は、サンプルセレクタ138、位相検出器144、重み発生器
146、加重平均器139、及び出力ラッチ152からなる。サンプルセレクタ
138は、M段遅延線140及びラッチ142を備えている。加重平均器139
は乗算器148及び加算器150を備えている。
遅延線140はクロックHによってクロックされ、クロックHサイクル当たり
1回LPF 46から入力サンプルを受信し、受信した最後のMサンプルを蓄積
する。遅延線140のM出力はラッチ142への入力であり、ラッチ142は調
停されたクロックL’のクロックチックでそれらをラッチする。調停されたクロ
ックチックは、クロックL’チックに続くクロックHのクロックチックとのみ調
和(例えば適当な遅延の後にそれらに追随するように)する。従って調停された
クロックは、M値がM段遅延内で変化している間にM値がラッチされるのを防ぐ
ことができるが、調停されたクロックはクロックL’のチックの位置に関する全
ての情報を有してはおらず、どのクロックHチックが最も近かったかだけを有し
ているのである。この意味では、調停されたクロックは整数位相だけを指示して
いると言える。
M出力線は、乗算器148への入力線である。位相検出器144は低クロック
入力を有している。この入力は再サンプラ48の再サンプリングクロック入力で
あり、この入力からクロックL’を受ける。また位相検出器144は高クロック
入力をも有し、この入力からクロックHを受ける。しかし若干の実施例では、ク
ロックL’は、再サンプラ48の再サンプリングクロック入力におけるクロック
L’の到着時点によってクロックL’の各サイクルのタイミングが決定されるよ
うな物理的なクロック信号によって表されるのではなく、クロックL’の各サイ
クルの位置を表すメモリ内の値によって表されるのである。位相検出器144は
整数位相出力を有しており、この出力はラッチ142(もしLPF 46を使用
していれば)をクロックするか、もしくはLPF 46’(もし図7に示すよう
なLPF 46’が使用されていれば)へ出力される。位相検出器144は端数
位相出力をも有しており、この出力は重み発生器146への入力である。前述し
たように、整数位相出力は調停されたクロックであることができる。
重み発生器146はM個の重み付け値のためのM個の出力を有し、これらは乗
算器148への入力である。乗算器148はM個の出力を有し、これらは加算器
150への入力である。加算器150は1つの出力を有している。加算器150
の1つの出力は出力ラッチ152への入力である。出力ラッチ152はクロック
L’によってクロックされるクロック入力をも有している。出力ラッチ152の
出力は再サンプラの出力でもあり、またADCシステム42の出力でもある。
LPF 46’が使用される代替実施例においては、サンプルセレクタ138
の機能はLPF 46’内のサンプルセレクタ111によって与えられる。Mデ
ジタル信号線であるLPF 46’の出力は乗算器148への入力である。もし
LPF 46’が使用されていれば、ラッチ142へ調停されたクロックを供給
する整数位相信号は、代わりにLPF 46’へ供給される。
実質的に、再サンプラ48が何を行うのかを説明すれば、クロックL’のチッ
ク付近のクロック速度HにおいてMサンプルを選択し、クロックL’のチックか
らのMサンプルの距離に基づいてそれらに重みを付け、重み付けされたサンプル
の平均をとり、そしてこの平均された値をクロックL’のチックにおける信号の
値として出力することである。Mは一定の値であり、再サンプラ48はデジタル
システムであるので、Mによる除算は単に付加された機能であるから、M個の重
み付けされたサンプルの平均をとるのか、もしくは合計をとるのかは重要ではな
い。しかしながら論理的には、再サンプラ48の出力を平均したサンプルとして
使用すると、より有意義になる。
非デシメーティングフィルタLPF 46及び準非デシメーティングフィルタ
LPF 46’は、L’のチックに最も近いクロックHのMチックからMサンプ
ルを供給し、これらのサンプルはL’のチックにおける元の信号の値を補間する
ために使用される。若干の設計では、再サンプラはクロックHの速度でデータを
処理することはできないので、信号経路内にデシメーティングフィルタを含ませ
てサンプル速度をHからH’へ低下させている。勿論、この低めのクロック速度
H’を使用したのでは、MサンプルはクロックL’のチックに近接しなくなり、
従って元の信号の良好な近似は得られなくなる。応用に依存して、正確さと、低
めのサンプル速度とのトレードオフは決定されるが、何れにしても、M信号サン
プルをクロックL’のチックの付近で取得するのにアップサンプリングを必要と
しないように、低めのクロック速度H’を十分に高くすることが好ましい。もし
より高い精度が必要であれば、Mを増加させることができる。
位相検出器144は2つの入力を使用して位相オフセットを決定する。この位
相オフセットはクロックHのチックと、クロックL’のチックとの相対オフセッ
トを表す実数(整数と端数)である。例えば、もしクロックH及びL’の立ち上
がり縁をチックとして使用するのであれば、その位相オフセットはクロックL’
の立ち上がり縁がクロックHの立ち上がり縁に対して何処にあったかを指示する
ことになる。勿論、両クロックは無関係、即ち互いに独立しているから、この位
相オフセット値はクロックL’の各立ち上がり縁毎に変化する。位相オフセット
の測定の単位はクロックHのクロックサイクルの数であり、L’チックが数で表
されるような実施例では、これらの数はクロックHを測定するのに使用される時
間単位に同期した時間単位であり、この場合位相検出は2つの数の減算演算にな
る。論理的に、他の実施例では位相検出器144の2つの出力を整数クロック、
もしくは前述したように調停されたクロック、及び端数位相出力信号と考えるこ
とができる。
参照点が必要であるから、ADCシステム42が動作を開始する時にクロック
Hの立ち上がり縁を原点に指定し、その点に対して位相の全ての測定を行う。A
DCシステム42の動作にとって重要なのは実際の原点が全てではないから、ど
のサイクルを使用することもでき、原点をDクロックサイクル毎に移動させてモ
ジュロDの実数である位相オフセットを与えることが可能である。原点のこの移
動が、位相オフセットを単調に成長させ続ける。更に、もし比H/L’に最も近
い整数にDを選択すれば、位相オフセット値はH/L’とDとの小さい差だけ変
化するに過ぎなくなる。このように、位相オフセットは、クロックHの立ち上が
り縁(もしくは他のチック)に対するクロックL’の立ち上がり縁(もしくは
他のチック)の位置をモジュロDで記述する。
位相検出器144は、位相オフセットを整数位相と、残余の端数位相とに分離
する。L’クロック速度で更新されるこれらの2つの値は、整数位相信号及び端
数位相信号として位相検出器144から出力される。整数位相信号または値は、
Hクロック速度で再サンプラ48へ入力されるMサンプルを選択するために使用
される。整数位相値はクロックL’のチックが発生しているクロックHのクロッ
クサイクルを識別しているから、時間的にクロックL’のチックに最も近い入力
サンプル(クロックHによってクロックされている)を識別することができる。
一つの特定実施例では、M=3である。M=3の場合には、サンプルセレクタ1
38はクロックL’チックに最も近いクロックHサンプルと、この第1の選択さ
れたサンプルの前後の1つずつのサンプルを選択する。M=4である別の実施例
では、サンプルセレクタ138は、時間的にクロックL’チックの直前の2つの
Hサンプルと、そのチックに後続する2つのクロックHサンプルとを選択する。
たとえクロックL’チックに後続するMサンプルを使用するとしても、必要なら
ば、後に信号を適切な量だけ移動させることができる。
適切に補間するために、MサンプルはクロックL’からのそれらの距離に依存
する異なる重みを付けるべきである。例えばM=4である場合、クロックL’に
最も近い2つのサンプルには、各側上で遠くの位置にある2つのサンプルよりも
重い重みを付ける。またもし2つの内側のサンプルの一方がクロックL’チック
により近ければ、その近い方のサンプルには他方のサンプルよりも大きい重みを
与えるべきである。M=2である一例では、2つのサンプルの一方に与えられる
重みの1つは他方のサンプルに対するクロックL’からの距離に比例する。即ち
2つの点間の値の古典的な線形補間が行われる。もしM=3であれば、放物線補
間を行うことができる。
重み発生器146は、M個の選択されたサンプルに重み付けするための重み付
け値を生成するこのプロセスを遂行する。重み発生器146は、クロックL’チ
ックとMサンプルとの相対位置を指示する端数位相値から、M個の各選択された
サンプル当たり1つずつのM個の重みを発生する。サンプルセレクタ138の故
に、M個の選択されたサンプル内でクロックL’チックがとり得る位置はクロッ
クHの1サイクルまでしか変化することができず、それ以上に変化する場合には
異なるサンプルを選択する(クロックL’の何等かの一定の位相シフトを無視す
る)。例えばもしM=4であれば、クロックL’のチックは2つのサンプルの中
間の何れかに位置する。もしMが、例えばM=3のように奇数であれば、使用さ
れる特定のサンプルは、サンプルセレクタ138がどのように実現されているか
に依存する。一実施例では3つの選択されたサンプルの中心のサンプルはクロッ
クL’チックの直前に発生するサンプルであり、一方他の実施例では中心サンプ
ルはチックの前後で最もチックに近いサンプルである。
加重平均器139は、M個の重みの1つによってそれぞれ重み付けされたM個
の選択されたサンプルの加重平均(もしくは前述したように合計)を出力する。
もし乗算器148がデジタルハードウェア内に組込まれていれば、乗算器148
はM個の選択されたサンプルを受け、M個の各選択されたサンプルを関連付けら
れた重みと対にし、そして各対の積を出力する並列乗算器であることができる。
もしデジタル信号プロセッサ内に実現されていれば、乗算器148はアレイ乗算
ルーチンであることができる。乗算器148のM出力を合計する加算器150と
の組合せでは、加重平均器139は本質的に2つのベクトル(M個の選択された
サンプル値のベクトルと、重みのベクトル)のスカラドット積を発生する。
加重平均器139はクロックL’の各チック毎に出力を計算するが、出力ラッ
チ152は出力のタイミングをクロックL’自体に確実に同期させるのに使用さ
れる。勿論、もし(例えば、クロックL’がソフトウェア内のみに存在する仮想
クロックである場合のように)再サンプラ48による値の出力が同期を必要とし
ないならば、出力ラッチ152は不要である。またもし再サンプラ48の成分が
計算のために常に同一の時間量を使用するのであれば、出力ラッチ152は不要
である。
図9はΣΔ変調デジタル・アナログ(SDM DAC)システム152のブロ
ック線図であって、低速度(クロックL)でクロックされているデータは、より
高い無関係な速度(クロックH)でSDM DACへクロックされる。SDM
DACシステム152は、有限インパルス応答(FIR)フィルタ153、サン
プル重み付け手段158、サンプル速度変換器163、SDM DAC 164
、
アナログフィルタ166、及び位相検出器168を備えている。
FIRフィルタ153は、クロック速度Lでデータを受けるための入力と、ク
ロッキング入力と、濾波されたサンプルのためのM出力とを備えている。サンプ
ル重み付け手段158は、M個の濾波されたサンプルのためのM入力と、重み付
け用の位相値のための入力と、M個の重み付けされたサンプルのためのM出力と
を備えている。サンプル速度変換器163は、M個の重み付けされたサンプルの
ためのM入力と、配置位相のための入力と、クロッキング入力と、クロックされ
た出力とを備えている。SDM DAC 164は、デジタル信号のための入力
と、デジタル信号のタイミングをとるクロック入力と、アナログ信号出力とを備
えている。
FIRフィルタ153のデータ入力は、クロックLのチックにおける信号のサ
ンプルを表しているデジタルからアナログへ変換すべきデータを受ける。FIR
フィルタ153の出力は、M個の濾波された信号である。図9に示すFIRフィ
ルタはK次FIRフィルタからなっているが、フィルタの若干はパススルーフィ
ルタ(即ち、伝達関数=1であって、整合された遅延を伴う)であってよい。M
個の独立K次フィルタは各々K遅延段を使用し、また各フィルタのK遅延段は同
一のデータを含むので、これらは1つの遅延線とM組のK値に組合わせることが
できる。
FIRフィルタ153のM個の出力は、サンプル重み付け手段158へのM個
の濾波されたサンプル入力であり、サンプル重み付け手段158のM個の重み付
けされた出力はサンプル速度変換器163へのM個の重み付けされた信号入力で
ある。若干の実施例では、サンプル速度変換器163は、M個の重み付けされた
信号入力を受けるように結合された入力配置器160と、出力とを有しており、
出力信号は出力される前に低域通過フィルタ162によって濾波される。何れの
場合も、サンプル速度変換器163の出力は、SDM DAC 164のデジタ
ル信号入力に結合される。SDM DAC 164のクロック入力はクロックH
によってクロックされる。SDM DAC 164の出力はアナログ低域通過フ
ィルタ166への入力であり、このアナログ低域フィルタがデジタル・アナログ
システムのアナログ信号出力である。
SDM DAC 164の動作について以下に説明する。以下の説明ではクロ
ックLがクロックHに結合されていないものとする。システム152は、それら
がフェーズロックされていても動作するが、そのようなことは一般的ではない。
例えば、もしクロックL及びクロックHがフェーズロックされていればFIRフ
ィルタ153、サンプル重み付け手段158及びサンプル速度変換器163は、
クロックHのサイクルの数を計数してクロックHのサイクルの固定された数に対
する各入力データ値を出力する簡単なカウンタに置換することができる。また、
ΣΔ信号処理システムは処理されている信号よりも高いクロック速度で動作する
から、以下の説明ではクロックHはクロックLよりも高い周波数クロックである
ものとする。
入力デジタル信号がフィルタ153によって受けられると、信号は濾波されて
M個の濾波された信号にされる。簡単な実施例では、フィルタ153は遅延線の
ようにしか動作せず、M個の濾波された出力は、クロックLのMチックまでだけ
遅延された濾波されないサンプルからなる。M=2である場合には、2つの入力
サンプルが重み付け手段158へ渡される。より複雑な場合には、フィルタ15
3から出力されたM個の濾波された値は、クロックHの周期によって分離された
M個の隣接チックにおけるアナログ信号の近似である。この複雑な場合、M個の
信号の1つは整合遅延されてはいるが濾波されていない入力であることができ、
他の信号はK段を使用してFIRによって濾波される。Kの値を高くする程、隣
接クロックチックにおけるアナログ信号の近似はより良好になる。両方の場合共
M個の信号はクロックLのチックによって重み付け手段158へ印加されるが、
両者は入力配置器160(後述)内では別々に処理される。
位相検出器168は位相検出器144と同じように動作してクロックLとクロ
ックHとの間の相差を検出し、クロックHチックに対するクロックLチックの位
置を指示する整数値(もしくは裁定されたクロック)及び端数値をクロックLの
各サイクル毎に出力する。若干の実施例では、整数位相出力は最後のクロックL
チックからのクロックHのサイクルの数の計数であり、一方他の実施例では、ク
ロックHサイクルの計数は合理的な境界内の計数を維持するためにあるモジュロ
数に保たれ、整数位相出力はクロックHサイクルの計数の関数としてのクロック
Lチックを指示する。この説明から明白なように、相対位相を指示する両方法は
等価である。
サンプル重み付け手段158は、端数位相信号(1つの端数位相値/クロック
Lサイクル)を使用し、M個の濾波された信号(これも、1サンプル/出力線/
クロックLサイクル)に重みを付ける。サンプル重み付け手段158は、重み発
生器146及び乗算器148(図8参照)と同じように動作する。次いで重み値
(M/クロックLサイクル)は入力配置器160へ出力される。
上述した簡単な場合には、入力配置器160はクロックHのクロックサイクル
当たりM個の重み付けされた値の1つを出力する。位相整数信号がクロックLチ
ックの後の最初のクロックHサイクルを指示した後に第1の重み付けされた値が
出力され、次いで第2の重み付けされた値が出力される等々と、位相整数信号が
再度クロックLチックの後の最初のクロックHサイクルを指示するまで続けられ
る。他の実施例では、入力配置器160は、クロックLの次のチックまで、クロ
ックHの最初のMクロックサイクルの後のクロックHの各クロックサイクルにM
番目の値を出力する。勿論、クロックLのクロックサイクル中に、Mよりも多く
のクロックHのクロックサイクルが発生する場合に限って、M出力の各々の間に
何(ある値もしくは0)を出力するのかを決定する必要がある。
上述した、より複雑な場合には、入力配置器160はそのM個の重み付けされ
た入力信号を平均し、クロックLサイクルの持続時間の間この1つの結果をその
出力に配置する。クロックLサイクルの持続時間にわたって一定の出力値を要求
するような応用においては、このより複雑な場合が好ましい。
図10はLPF 162のブロック線図であり、図6に示すLPF 46と同
じように動作するが、多分係数は異なる。LPF 46と同じように、LPF
162の次数を増加させるために付加的な段の追加が可能である。どのように実
現されていてもLPF 162は入力配置器160から各入力サンプルを受け入
れる。もし入力配置器160とLPF 162とが組合わされていればLPF
162はM段のLPF 46’と同じように実現することができる。
図11は、二次ΣΔデジタル・アナログ変換器であるSDM DAC 164
のブロック線図であって、加算器182、2つの積分器183、184、3つの
フィードバック経路185、187、189、Nレベル変換器186、及びNレ
ベルD/A 188を備えている。積分器183は、加算器192、単位遅延器
190、及び単位乗算器194を備えている。積分器184は、加算器198、
単位遅延器196、及び単位乗算器200を備えている。
順方向信号経路は入力信号を、加算器82、積分器183、積分器184、N
レベル変換器186、及びD/A 188の順にクロックHで通過させる。積分
器183内では、積分器183の入力は加算器192へ印加され、加算器192
は単位遅延器190へ信号を出力し、そして単位遅延器190は積分器184へ
信号を出力する。積分器183内には、単位遅延器190から単位乗算器194
を通して加算器192の別の入力までのフィードバック経路が設けられている。
若干の実施例では、単位乗算器194は省かれるか、もしくは非単位係数乗算器
に置換されている。積分器184内では、積分器184の入力は加算器198へ
印加され、加算器198は単位遅延器196へ信号を出力し、そして単位遅延器
196は変換器186へ信号を出力する。積分器184内には、単位遅延器19
6から単位乗算器200を通して加算器198の別の入力までのフィードバック
経路が設けられている。若干の実施例では、単位乗算器200は省かれるか、も
しくは非単位係数乗算器に置換されている。
フィードバック経路185は変換器186の出力の信号を乗算器202を通し
て加算器192へフィードバックし、フィードバック経路187は変換器186
の出力の信号を乗算器204を通して加算器198へフィードバックし、フィー
ドバック経路189は積分器184の出力の信号を乗算器206を通して加算器
182へフィードバックする。
動作を説明する。デジタル信号はクロック速度HでSDM DAC 164へ
入力され、デジタル要素によって濾波され、そして濾波された信号はクロック速
度HでNレベル変換器186へ印加される。ラッチ186はN個のとり得る値か
ら1つのデジタル値を出力し、そのデジタル値によって表されるアナログ信号レ
ベルがD/A 188から出力される。例えば、もし変換器186が2レベル変
換器であれば、変換器186は積分器184によって出力されるデジタル値の最
上位のビットを出力することができ、D/A 188は高電圧もしくは低電圧の
何れかを出力する。3レベル変換器では、D/A 188は正電圧、0電圧、も
しくは負電圧の1つを出力することができる。
図12はサンプル速度変換器220の代替実施例のブロック線図であって、こ
の実施例は図9に示すSDM DACシステム152内のサンプル速度変換器1
63の代わりに使用することができる。サンプル速度変換器220は、クロック
Lサイクル当たりM個の入力値を受入れ、クロックHのクロックサイクル当たり
1つの出力値を出力する。サンプル速度変換器220は、M微分器段222、2
24、・・・、226、入力配置器250、及び積分器段251を備えている。
各微分器段は同じように構成されているので段1 222だけを詳細に図示して
ある。微分器段は、クロックLによってクロックされているN微分器228、2
30、・・・、232を備えている。各微分器は、単位遅延器及び加算器を備え
ている。例えば、微分器1 228は単位遅延器234及び加算器236を備え
ている。
微分器段はクロックLによってクロックされ、まとまってM個の信号を出力し
(1つの値/信号/クロックLサイクル)、これらのM個の信号は入力配置器2
50に印加される。入力配置器250は、入力配置器160(図9参照)と同様
に、クロックHの各クロックサイクルにM値の1つ(もしくは、若干の場合には
0)を出力する。クロックHによってクロックされた出力信号は積分器段251
へ印加される。出力されるM値の特定の1つもしくは0は、入力配置器160に
関して説明したように、入力配置器250への整数位相信号入力によって決定さ
れる。
積分器段251は、同じように構成されたN個の積分器を備えている。これら
の積分器の1つ、積分器1 252を詳細に示してある。積分器1 252は、
普通の積分器のように結合されている加算器258及び単位遅延器260を備え
ている。
図13はデジタル・デジタル再サンプリングシステム300のブロック線図で
あって、高周波数でサンプルされた信号は低周波数で再サンプルされる。これら
2つの周波数は互いに無関係である。この再サンプリングシステム300は、非
デシメーティングフィルタ302(LPF 46もしくはLPF 46’のよう
な)、サンプルセレクタ303、加重平均器307、ラッチ312、位相検出器
322、及び重み発生器324を備えている。
入力信号はクロック速度Hでフィルタ302に印加され、フィルタ302は濾
波された信号をクロック速度Hで出力する。フィルタ302及びサンプルセレク
タ303はクロックHによってクロックされ、ラッチ312はクロックLによっ
てクロックされる。非デシメーティングフィルタ302の出力はサンプルセレク
タ303への入力である。サンプルセレクタ303のM出力は加重平均器307
への入力である。
サンプルセレクタ303はM段遅延線304及びラッチ306を備えている。
加重平均器307は乗算器308及び加算器310を備えている。遅延線304
はクロックHによってクロックされ、クロックHサイクル当たり1回フィルタ3
02から入力サンプルを受け、そしてM出力を有している。遅延線304のM出
力はラッチ306への入力であり、ラッチ306はM出力線を有していて調停さ
れたクロックによってクロックされる。ラッチ306のM出力線は乗算器308
のための入力線である。位相検出器322は、クロックLに結合されている低ク
ロック入力と、クロックHを受信する高クロック入力とを有しているが、若干の
実施例ではクロックHはフィルタ302への値の入力に結合されている仮想クロ
ックである。
位相検出器322は、ラッチ306への入力である整数位相出力(調停された
クロック)と、重み発生器324への入力である端数位相出力とを有している。
重み発生器324は、乗算器308への入力であるM個の重み付け値のためのM
個の出力を有している。乗算器308は、加算器310への入力であるM個の出
力を有し、加算器310は1つの出力を有している。加算器310のこの1つの
出力は、出力ラッチ312への入力であり、出力ラッチ312もクロックLによ
ってクロックされるクロック入力を有している。出力ラッチ312の出力は、再
サンプリングシステム300の出力でもある。
サンプルセレクタ138(図8参照)と同様に、若干の実施例では、サンプル
セレクタ303の機能は、M個の要素遅延線及びラッチによって与えられるので
はなく、入力サンプルからクロック速度Hで連続的に選択されるM個のサンプル
を出力するモジュールによって与えられる。但し、これらのM個のサンプルの選
択は、位相検出器322からサンプルセレクタ303に供給される整数位相値(
調停されたクロック)によって決定される。
再サンプラ48と同様に、再サンプリングシステム300は、クロックLのチ
ック付近のクロック速度Hで信号入力のM個のサンプルを選択し、クロックLの
チックからのそれらの距離に基づいてM個のサンプルに重み付けし、重み付けさ
れたサンプルの平均をとり、そして平均された値を信号の値としてクロックLチ
ックにおいて出力する。このようにするのにアップサンプラは必要としない。
図14は、中間の高周波数クロックを使用するデジタル・デジタル再サンプリ
ングシステム400のブロック線図である。再サンプリングシステム400は、
K次FIRフィルタ404、サンプル重み付け手段408、入力配置器410、
非デシメーティングフィルタ414(LPF 46もしくはLPF 46’のよ
うな)、サンプルセレクタ、加重平均器420、ラッチ424、及び位相検出器
428、430を備えている。再サンプリングシステムは、クロック速度L1で
入力信号をフィルタ404の入力に受け、この同じ信号を、クロックHを使用し
て、クロックL2でサンプルされた入力信号として表される再サンプルされた信
号を出力する。ここに、クロックHはクロックL1及びL2よりも高い周波数であ
り、またこれら3つのクロックは互いに無関係である。
このようなシステムは、独立したクロックでサンプルされたデジタル信号を混
合するのに有用である。
フィルタ404は、M信号(Mサンプル/クロックL1サイクル)をサンプル
重み付け手段408へ出力する。サンプル重み付け手段408は、位相検出器4
28から端数位相信号(1つの値/クロックL1サイクル)を入力し、M個の重
み付けされた信号(Mサンプル/クロックL1サイクル)を入力配置器410へ
出力する。入力配置器410は、位相検出器428からの整数位相信号とクロッ
クHとを受け、クロックHのクロックサイクル当たり1つのサンプルを非デシメ
ーティングフィルタ414へ出力する。非デシメーティングフィルタ414は、
クロックHのクロックサイクル当たり1つの濾波された値をサンプルセレクタ4
18へ出力する。
サンプルセレクタは、クロックHによってクロックされ、位相検出器430か
ら整数位相信号(調停されたクロック)を受け、そしてクロックL2のクロック
サイクル当たりM個の選択されたサンプルを出力する。サンプルセレクタ418
は、クロックL2を直接受けることによって、もしくは整数位相信号及びクロッ
クHを使用してクロックL2のチックを決定することによって、M個のサンプル
の出力のタイミングをとることができる。この出力はラッチ424への入力であ
る。ラッチ424は、もし使用されていれば、信号サンプルがクロックL2のチ
ックと同期して出力されるのを確実にする。
クロックL1における信号をクロックL2における信号へ再サンプリングするこ
とに関して以下に説明する。クロックL1信号は、フィルタ404へ入力される
。フィルタ153(図9参照)と同一のフィルタ404は、L1クロック速度で
M個の信号を出力する。位相検出器428は、クロックHのチックに対してクロ
ックL1のチックが時間的に何処にあるのかを決定し、2つの信号を出力する。
整数位相信号(調停されたクロック)は、クロックL1チックを挟んでいるクロ
ックHチックを指示する。一方、端数位相信号は、これらのクロックHチック間
の何処にクロックL1チックがあるのかを指示する。
端数位相信号はサンプル重み付け手段408へ供給される。サンプル重み付け
手段408は、M個の各信号に、それらのクロックHチックに対する位置に応じ
て重みを付ける。重み付けされた値は入力配置器410へ渡される。
入力配置器410は、供給された整数位相信号を参照し、クロックHサイクル
当たりM個の入力信号サンプルの1つを出力する。入力配置器410の動作は、
入力配置器160(図9参照)のそれと同一である。入力配置器410は、クロ
ックH当たり1つのサンプルを非デシメーティングフィルタ414へ出力し、非
デシメーティングフィルタ414はこれらの値を濾波してクロックHサイクル当
たり1つのサンプル、即ち濾波された信号を出力する。勿論、先ず更に高い周波
数でサンプリングすることによって、非デシメーティングフィルタ414を内部
的にデシメートすることができる。
非デシメーティングフィルタ414の出力はサンプルセレクタ418への入力
である。サンプルセレクタ418は、クロックL2の各クロックサイクルに、ク
ロック速度HでサンプルMを出力する。選択される特定Mサンプルは、サンプル
セレクタ303(図13参照)と同様に、整数位相(調停されたクロック)信号
によって決定される。これらのMサンプルは、加重平均器420によって重み付
けされ、平均されてクロックL2のクロックサイクル当たり1つのサンプルにさ
れる。加重平均器420へのM個の各サンプル入力に与えられる重みは、重み発
生器324及び加重平均器307(図13参照)におけると同様に、端数位相信
号によって決定される。位相検出器430は、クロックL2とクロックHとの相
差の整数及び端数部分を指示する。最後に、ラッチ424は、もし使用されてい
れば、加重平均器420のクロック速度L2出力がクロックL2と同期するのを確
実にする。
以上の説明は、例示であって限定するものではない。当分野に精通していれば
以上の説明から本発明の種々の変化は明白であろう。単なる例であるが、本発明
はデジタルハードウェア、もしくはデジタル信号プロセッサ内で類似機能を遂行
するソフトウェアモジュールで実現することができる。従って本発明の範囲は、
以上の説明に関連して決定されるものではなく、請求の範囲に関連して決定され
るべきである。
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 1.アナログ信号を表す第1のデジタル信号を上記アナログ信号を表す第2のデ ジタル信号に変換するためのデジタル再サンプリング装置において、上記第1の デジタル信号は第1のクロックのチックにおける上記アナログ信号のレベルをそ れぞれが表している一連のデジタルサンプルからなり、上記第2のデジタルは第 2のクロックのチックにおける上記アナログ信号のレベルを各々が表している一 連のデジタルサンプルからなり、そして上記第1は上記第2のクロックとは無関 係で、且つ上記第2のクロックより高い周波数であり、上記デジタル再サンプリ ング装置は、 上記第1のクロックによってクロックされ、上記第1のデジタル信号を受ける ように結合され、上記第1のクロックの各クロックサイクル毎に濾波されたサン プルを出力する非デシメーティングフィルタと、 上記第1のクロック及び上記第2のクロックに結合され、上記第1のクロック の各クロックサイクル毎に、上記第2のクロックのチックに対する上記第1のク ロックのチックの位置を指示する相対位相位置を指示するために、上記第2のク ロックのチックが発生した上記第1のクロックのクロックサイクルを識別する整 数を表す整数位相信号を出力する整数位相出力と、上記第1のクロックの上記ク ロックサイクル内の上記第2のクロックの上記チックの位置を識別する端数を表 す端数位相信号とを出力する端数位相出力とを備えている位相指示手段と、 上記非デシメーティングフィルタから上記濾波されたサンプルを受けるように 結合され、また上記位相指示手段から上記整数位相信号を受けるように結合され 、複数Mの上記濾波されたサンプルを選択するようになっていて、上記整数位相 信号がM個の整数値の固定された範囲内の整数位相値を指示した時に上記所与の サンプルを選択するサンプルセレクタと、 上記位相指示手段から上記端数位相信号を受けるように結合され、上記端数位 相信号の関数であるM個の重み付け係数を出力する重み発生手段と、 上記重み発生手段からの上記M個の重み付け係数と、上記サンプルセレクタ からの上記M個の濾波されたサンプルとを受けるように結合され、上記M個の濾 波されたサンプルの各々を上記M個の重み付け係数の対応する重み付け係数によ って重み付けし、上記重み付けされたサンプルの合計を出力する加重平均手段と 、 上記加重平均手段の上記出力に結合され、上記第2のクロックのクロックサイ クル当たり1回重み付けされた合計を出力する出力クロッキング手段と を備え、上記出力クロッキング手段の上記出力が上記第2のデジタル信号である ことを特徴とするデジタル再サンプリング装置。 2.上記非デシメーティングフィルタは、三次無限インパルス応答フィルタであ る請求項1に記載の装置。 3.上記非デシメーティングフィルタは、M微分段を有する三次sincフィルタで ある請求項1に記載の装置。 4.アナログ信号をデジタル信号に変換するためのアナログ・デジタル変換器装 置において、上記デジタル信号は信号クロックのチックによって指示された時点 における上記アナログ信号のサンプルを表す一連のデジタルサンプルであり、上 記アナログ・デジタル変換器装置は、 上記アナログ信号の誤差成分を整形した雑音整形信号を出力するために、上記 アナログ信号と、上記誤差成分を決定するために使用されるフィードバック信号 とを受入れるように構成されている雑音整形器と、 上記雑音整形器の出力に結合され、上記信号クロックとは無関係で、且つ上記 信号クロックよりも高い周波数のクロックであるサンプリングクロックのタイミ ング縁においてサンプルされた上記雑音整形信号のデジタルサンプルからなる中 間デジタル信号を出力するアナログ・デジタルサンプラと、 上記アナログ・デジタルサンプラの出力に結合され、上記フィードバック信号 を上記雑音整形器へ供給するデジタル・アナログ変換器と、 上記アナログ・デジタルサンプラの出力に結合され、上記中間デジタル信号の 高周波数成分を濾波して除去し、Mを0より大きい整数として、上記信号クロッ クのサイクル当たり少なくともM個のサンプルを出力する低域通過フィルタと、 上記信号クロックと上記サンプリングクロックとに結合され、上記サンプリン グクロック及び上記信号クロックのタイミング縁のサイクルの相対位相位置を指 示するために、時間的に信号クロックタイミング縁がどのサンプリングクロック タイミング縁の間に入るかを指示する整数位相信号と、上記サンプリングクロッ クタイミング縁の間の上記信号クロックタイミング縁のタイミングを指示する端 数位相信号とを出力する位相指示手段と、 上記低域通過フィルタと上記位相指示手段とに結合され、上記低域通過フィル タの上記出力から上記信号クロックのサイクル毎に上記整数位相信号によって決 定されるM個のサンプルを選択するサンプルセレクタと、 上記位相指示手段から上記端数位相信号を受けるように結合され、上記端数位 相信号の関数であるM個の重み付け係数を出力する重み発生手段と、 上記重み発生手段からの上記M個の重み付け係数と、上記サンプルセレクタか らの上記M個のサンプルとを受けるように結合され、上記M個のサンプルの各々 を上記M個の重み付け係数の対応する重み付け係数によって重み付けし、そして 上記重み付けされたサンプルの合計を出力する加重平均手段と、 上記加重平均手段の上記出力に結合され、上記信号クロックのクロックサイク ル当たり1回重み付けされた合計を出力する出力クロッキング手段と を備え、上記出力クロッキング手段の上記出力が上記デジタル信号であることを 特徴とするアナログ・デジタル変換器装置。 5.上記雑音整形器及び上記アナログ・デジタルサンプラは少なくとも1つのS DM段のアナログ・デジタル変換器を形成し、上記低域通過フィルタは上記SD Mアナログ・デジタル変換器の次数と少なくとも同一次数のフィルタである請求 項4に記載の装置。 6.上記雑音整形器及び上記アナログ・デジタルサンプラは少なくとも1つのS DM段のアナログ・デジタル変換器を形成し、上記低域通過フィルタは上記シグ マ・デルタアナログ・デジタル変換器の次数よりも少なくとも1つ多い次数のフ ィルタである請求項4に記載の装置。 7.デジタル信号をアナログ信号に変換するためのデジタル・アナログ変換装置 において、上記デジタル信号は信号レベルをそれぞれが表している複数のデジ タルサンプルであり、信号クロックの連続チックで上記変換装置によって受信さ れるようになっており、上記デジタル・アナログ変換装置は、 上記信号クロックによってクロックされ、上記変換装置の入力において最新に 受信された複数Kのデジタルサンプルを蓄積するデジタル遅延線と、 上記最新に受信されたK個のデジタルサンプルを受けるように結合され、上記 信号クロックのクロックサイクル当たり1つのデジタルサンプルからなるM個の 濾波された信号を出力する複数MのK次デジタルフィルタのアレイと、 上記信号クロックを受けるように結合され、また信号クロックとは無関係のク ロック源から上記変換装置へ供給されるサンプリングクロックを受けるように結 合され、上記サンプリングクロック及び上記信号クロックのチックのサイクルの 相対位相位置を指示するために、時間的に信号クロックチックがどのサンプリン グクロックチックの間に入るかを指示する整数位相信号と、上記サンプリングク ロックチックの間の上記信号クロックチックのタイミングを指示する端数位相信 号とを出力する位相指示手段と、 上記位相指示手段から上記端数位相信号を受けるように結合され、上記端数位 相信号の関数であるM個の重み付け係数を出力する重み発生手段と、 上記重み発生手段からの上記M個の重み付け係数と、上記デジタルフィルタア レイからの信号クロックサイクル当たりM個のサンプルとを受けるように結合さ れ、上記M個のサンプルの各々を上記M個の重み付け係数の対応する重み付け係 数によって重み付けし、上記重み付けされたM個のサンプルを出力する重み付け 手段と、 上記重み付け手段と上記位相指示手段とに結合され、上記サンプリングクロッ クの各サイクルに上記整数位相信号によって決定され、選択されたM個のサンプ ルの1つを出力するサンプルセレクタと、 上記サンプリングクロックによってクロックされ、上記サンプルセレクタによ って出力された上記デジタルサンプルによって表されるデジタル信号に対応する アナログ信号を出力するシグマ・デルタアナログ・デジタル変換器と、 を備えていることを特徴とするデジタル・アナログ変換装置。
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