PT96376B

PT96376B - Conversor analogo-digital interpolativo para sinais passa banda

Info

Publication number: PT96376B
Application number: PT96376A
Authority: PT
Inventors: Hans-Joachim Dressler
Original assignee: Aeg Mobile Communication
Priority date: 1989-12-27
Filing date: 1990-12-27
Publication date: 1998-07-31
Also published as: FI922956A7; DE3943072C2; NO180178C; FI922956A0; EP0573409A1; PT96376A; NO922548L; CA2072568A1; IE65822B1; DE3943072A1; ES2075418T3; AU6954491A; FI922956L; DE59009191D1; IE904663A1; EP0573409B1; WO1991010283A1; BR9007962A; NO922548D0; NO180178B

Description

invento refere-se a um conversor analógico-digital para digitalização de sinais de passa banda analógicos de acordo com a reivindicação 1, em especial para a frequência portadora ou frequência intermédia fem receptores rádio| A digitalização minimiza o custo de ligações no ponto de corte analógico/digital e contorna as dificuldades que surgem em soluções analógicas, através das características de elementos não ideais (ruído, envelhecimento, temperatura, desfasagem DC, etc).

A digitalização de sinais ZF é conhecida, por exemplo, do arquivo NTZ, Banda 5, caderno 12/1983 S. 353ff. A desvantagem das soluções conhecidas é devida ao conversor analógico-Jigital converter o sinal de passa banda logo no ponto de corte A/D com resolução total de amplitude, e assim tem de ser aperfeiçoado de forma muito dispendiosa com muitos elementos de precisão. Uma tal solução apresenta, por um lado, custos elevados e por outro na comversão A/D o momento de exploração tem de ser conservado tanto mais exacto, quanto mais elevado for o sinal de entrada a ser tratado. Por causa do comportamento destes elementos não se podem eliminar totalmente determinadas dispersões, a resolução de amplitude a atingir com processos tradicionais é limitada para cima.

Os processos pra conversão de sinais analógicos-digitais com poucas fases de quantificação apenas no ponto de corte analógico-digital, mas no entanto elevada resolução são processos interpolativos. Conversores analógico-digitais interpolativos são conhecidos por exemplo da IEEE Trans. Commun. Vol. Com 33, No. 3, S. 249ff. Estes são, no entanto, inadequados para a conversão A/D de sinais de passa banda , porque apenas os sinais cujas partes de espectro estão muito abaixo da frequência de patamar são convertidos com a resolução desejada.

objectivo do invento é executar a conversão A/D de elevada resolução de sinais passa banda com apenas uma ou poucas fases de quantificação. Este objectivo é solucionado com a característica indicada na parte assinalada da reivindicação 1. As reivindica71 928

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ções secundárias dão a entender vantajosos aperfeiçoamentos ou melhoramentos. 0 processo interpolativo para a conversão analógica-digital para sinais passa banda conduz à quantificação de amplitude dos valores de exploração através de duas fases ligadas uma a seguir ã outra. Neste caso, a primeira fase (Fase 1) contém o verdadeiro ponto de corte analógico-digital, enquanto a segunda fase (Fase 2) apresenta funções puramente digitais. A quantificação de amplitude dos valores de exploração processa-se aqui de forma diferente da dos processos não interpolativos, não com elementos de quantificação fina no ponto de corte analógico-digital mas sim através de sobre-exploração, formação de espectro do ruído de quantificação na primeira fase e interpolação digital na segunda fase.

invento é explicado seguidamente através das figuras.

Segundo a teoria de exploração para sinais passa banda, pode ser apresentado um sinal passa banda analógico com a largura de banda B através dos valores de exploração T=l/fa sem perda de informação, se for mantida a igualação entre a frequência de exploração f _A e a largura de Banda 3 do sinal passa banda.

f_A > 2B (1)

e a relação entre a frequência central fm do sinal de passa banda e a frequência de exploração f_A fm = (2m+l) . fA/4 (2) com m = 0, 1, 2, ..

Seguidamente, m é caracterizado como indice de passa banda e a exploração de sinais de passa banda como exploração de passa banda.

Na exploração real de passa banda com um conversor analógico-digital para além da exploração do sinal de passa banda (quantificação temporal) é ainda executada uma quantificação da amplitude de acordo com a resolução do conversor analógico-digital. 0 conversor analógico-digital, de acordo com o invento, converte os sinais passa banda em duas fases ligadas uma a seguir

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à outra, sendo ambas postas a funcionar com a frequência temporizada fft > 2N8 (3) sendo N muito maior que um (elevada sobrexploração). A equação (2) continua válida. Assim resulta para a frequência de exploração :

fft =------fm > 2NB (4)

2m+l

A figura 1 apresenta a primeira fase do conversor A/D de acordo com o invento. Ela é um circuito de regulação composto por um conversor A/D de quantificação grosseira (em casos extremos com apenas um bit de resolução), um conversor. D/A de resolução correspondente, locais de comparação, funções de transferência linear H(p) e coeficiente (ai) e ^br. 0 valor de frequência sequencial fA para o conversor tanto A/D como D/A deve ser seleccionada de acordo com a equação (4).

Os coeficientes ai e bi devem ser seleccionados de forma que o circuito de regulação seja estável e o ruído de quantificação na zona de frequência útil seja mínimo. Os critérios de estabilidade são solucionados com os processos técnicos de regulação gerais como, por exemplo, ojáiagrama Bode. 0 ruído é minimizado quando se solucionam os coeficientes ai e bi de modo que a ligação reage em aproximação como um sistema autêntico de ordem n-ter, representando η o número das funções de transferência H(p) utilizados.

As funções de transferência lineares H(p) são ressonâncias cuja frequência de ressonância está sintonizada para a frequência média ou ambiente, próxima da frequência média. Como ressonâncias são indicadas as funções de transferência que possuam um comportamento igual ou semelhante ao das funções de transferência que resultam da transformação de passa baixo/passa banda de funções de transferência de 1§. ordem integráveis ou aproximadamente integráveis. Estas são por exemplo:

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As funções de transferência lineares que, com uma onda sinusoidal excitada de frequência fm, que é ligada no momento t=0 reage à saída com uma onda sinusoidal, cuja amplitude aumenta proporcionalmente ao tempo t;

ou as funções de transferência lineares que com uma onda sinusoidal excitada de frequência fm que é ligada no momento t=0, reage à saída com uma onda sinusoidal, cuja amplitude num intervalo de tempo final 0 < t < to, aumenta proporcionalmente ao tempo ti. to deve aqui ser muito mais pequeno que o período de exploração; ou ressonâncias, cuja frequência de ressonância está de acordo com ou aproxima-se muito da frequência média do sinal de entrada; ou ressonâncias, cuja frequência de ressonância está de acordo com ou aproxima-se muito da frequência média do sinal de entrada, bem como possuem um comportamento igual ou semelhante ãs funções de transferência que resultam das transformações passa baixo/passa banda de funções de transferência de lã. ordem integráveis ou de integração aproximada;

ou em comparação com a largura de banda do sinal de entrada de passa banda de banda estreita, cuja frequência média do sinal de entrada está de acordo exactamente com ou se aproxima muito; ou em comparação com a largura de banda do sinal de entrada de passa banda de banda estreita, cuja frequência média está de acordo exactamente com ou se aproxima muito da frequência média do sinal de entrada, bem como possuem um compartamento igual ou semelhante às funções de transferência, que resultam da transformação de passa baixo/passa banda de funções de transferência de lã. Ordem de integração aproximada.

Devido ao retorno dos valores de exploração de quantificação grosseira e comparação com o sinal _de entrada, bem como as evoluções de sinal na saída das funções de transferência H(p), as partes de sinal dos sinais de erro são ponderadas ou conformadas

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de modo espectral na proximidade da frequência de ressonância em comparação com outras partes de sinal. Os sinais de saída das funções de transferência H(p) são adicionados, em conformidade, com os factores de ponderação ai e conduzidos para o A/D que executa uma quantificação grosseira da amplitude. Devido ao acoplamento por reacção coloca-se na saída do conversor A/D uma sequência de valores de exploração quantificados de forma grosseira para que estes estejam em conformidade na zona de frequência útil até um ruído residual com o sinal de entrada explorado idealmente.

A figura 2 apresenta a evolução do ruído de quantificação 1 e do sinal de passa banda 2, que ainda contém um valor diminuto de ruido residual. Reconhece-se que as partes significativas do ruido de quantificação se situam essencialmente fora da zona de frequência útil.

Na segunda fase do conversor^A/D jde acordo com o invento para sinais de passa banda, processa-se a quantificação fina dos valores de exploração antes quantificados de forma grosseira através da interpolação digital. Também esta fase é excitada com a mesma frequência sequencial fA, de acordo com a equação (4), como na primeira fase. Para execução desta interpolação existem duas possibilidades básicas ou seja, interpolação digital com uma banda passa banda digital, cujo centro de banda e largura de banda concorda de forma exacta ou aproximada com a frequência de banda útil do sinal passa banda com a exploração ideal da banda passa banda sem quantificação de amplitude ou interpolação digital com um modulador de quadratura digital.

Na interpolação digital antes descrita com uma banda de passa banda digital, as partes significativas do ruído de quantificação situam-se fora da zona de frequência útil. Assim estão disponíveis na saída desta banda passa banda valores de exploração com quantificação fina.

A figura 3 apresenta um modulador -de quadratura digital para o conversor A/D, de acordo com o invento, para sinais passa banda. Ele é formado por um misturador de quadratura com dois

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Ρ 39 43 072.3 multiplicadores digitais 5, 6 e duas bandas passa baixo digitais Ί, 8. As bandas passa baixo digitais 7, 8 estão concebidas de forma que as suas zonas de passagem concordam exactamsnte ou de forma aproximada com a zona de frequência útil do sinal passa baixo equivalente (Frequência limite fg = B/2). Porque o conteúdo de informação de um sinal passa banda não está contido na sua posição de suporte (frequência média) mas sim no sinal passa banda equivalente é possível executar uma quantificação fina do sinal passa baixo equivalente. 0 sinal de saída da primeira fase é multiplicado no misturador de quadratura 4 com o multiplicador digital 5 com Cos (π/2 x K) e depois enviado através da banda passa baixo 7 digital, em cuja saída está disponível a parte real de quantificação fina do sinal passa baixo equivalente. De igual modo o sinal de saida da primeira fase é multiplicado no misturador de quadratura digital 4 com o multiplicador digital com -sin (π/2 x K) e depois enviado através da banda passa baixo 8 digital, em cuja saida está disponível a parte imaginária de quantificação fina do sinal de passa baixo digital.

A cota de exploração à saída de ambas as bandas passa baixo 5, 6 pode ser reduzida de acordo com a largura de banda do filtro de interpolação digital para o factor 2 N.

A figura 4 apresenta o misturador de quadratura digital 4 e é colocado à sua frente, um misturador de quadratura digital simplificado 9. Porque ambas as sequências de suporte digitais e Sin (kxTr/2)

Cos (k x π/2)/só aceitam valores da quantidade (-1,0,1) na realização do misturador de quadratura digital 4 pode prescindir-se dos multiplicadores digitais 5, 6. Em vez disso utiliza-se os interruptores 10, 11 que percorrem de forma sincronizada e periodicamente com a frequência de exploração ffi, as posições de ligação 0, 1, 2, 3 e elementos digitais que executam a multiplicação trivial com os factores 0,1 e -1.

A figura 5 apresenta uma realização técnica de ligação de uma função de transferência H(p). Ela é formada por um circuito de oscilação paralela com o condensador 12 e a bobina 13 que é acumulada pelo transistor 14 na ligação do Emiter como fonte de

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-8corrente comandada por tensão. As resistências ohrnicas para afinação do ponto de trabalho não estão representadas.

A figura 6 apresenta uma realização técnica de ligação da primeira fase com apenas uma função de transferência linear H(p). Ela é composta pelo circuito de oscilação paralela com o condensador 16 e a bobina 17, com o comparador 18, com o biestável 19, com os transístores 20, 21 e uma fonte de corrente comandada por tensão 22. 0 biestável 19 é accionado pela frequência fA e assume assim a situação de ligação do comparador 18. Este por sua vez é orientado pelo circuito de oscilações paralelas com o condensador 16 e a bobina 17. As correntes de colector de ambos os transístores são comandadas pela diferença das tensões Ux e Uy. Assim actua o amplificador de diferenças formado pelos transístores 20, 21 e a fonte de corrente constante 22, simultaneamente como ponto de comparação e como fonte de corrente comandada por tensão para alimentação do circuito de oscilações paralelas formado pelo condensador 16 e bobina 17 e pela fonte de corrente constante 22. A fonte de corrente constante 22 pode por exemplo ser realizada através de uma resistência ohmica ou de uma ligação de transístores.

Claims

REIVINDICAÇÕES

1 - Conversor analógico-digital para sinais passa banda da lai gura da banda B, caracterizado por compreender meios para a realização de um processo interpolativo.
2 - Conversor analógico-digital, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por os referidos meios actuarem com a frequência de exploração:

f_{A =}------_fm > 2 NB

2m+l sendo f_m a frequência média dos sinais passa banda m = 0; 1; 2; 3;.... e Ν » 1 por numa primeira fase se quantificar grosseiramente o sinal de entrada com a frequência de exploração dentro da amplitude e o ruído espectral de quantificação produzido pela quantificação grosseira da amplitude, por as partes significativas de ruído se situarem fora da zona útil da frequência, e por o sinal recebido na primeira fase ser interpolado numa segunda fase digital.
3 - Conversor analógico-digital de acordo com a reivindicação 2, caracterizado por os referidos meios executarem a interpolação do sinal na segunda fase através de uma passa banda digital.
4 - Conversor analógico-digital de acordo com a reivindicação 2, caracterizado por o sinal na fase 2 ser primeiramente misturado em quadratura e através de duas passagens profundas digitais ser interpolado digitalmente e nas saídas estarem dispostos valores de exploração dentro de fases e componentes de quadratura dos sinais de entrada.
5 - Conversor analógico-digital de acordo com a reivindicação 3, caracterizado por a passa banda digital na sua zona de passagem concordar

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6 - Conversor analógico-digital de acordo com a reivindicação 4, caracterizado por a zona de passagem das passagens digitais profundas concordarem de forma exacta ou muito aproximada com os sinais de passagem profunda equivalentes ao sinal de passa banda.
7 - Conversor analógico^digital de acordo com as reivindicações 4 a 6, caracterizado por, o misturador de quadratura ser composto, de preferência, por dois interruptores electrónicos que percorrem periodicamente as posições de ligação 0, 1, 2, 3 e por as respectivas posições de ligação estarem subordinados elementos digitais que executam a multiplicação com 0, 1 e -1.
8 - Conversor analógico-digital, de acordo com uma das reivindicações 2 a 7, caracterizado por a estrutura da primeira fase de um conversor A/D ser formada com, pelo menos, um bit de resolução, de um conversor D/A de resolução correspondente, com pelo menos uma função de transferência H(p) de elementos de coeficiente a^ e b^, que podem receber também os valores 0 e 1, bem como de pontos de comparação.
9 - Conversor analógico-digital, de acordo com a reivindicação 8, caracterizado por os coeficientes aj_ e b^ serem seleccionados de modo que a ligação da primeira fase seja estável e que o ruído de quantificação seja formado de modo optimizado.
10 - Conversor analógico-digital, de acordo com a reivindicação 8 ou 9, caracterizado por a função de transferência H(p) ou as funções de transferência H(p) serem formadas por ressoadores, cujas frequências de ressonância são exactamente iguais à frequência média fm do sinal de entrada ou se aproximarem muito destas.