SE516135C2 - Sätt och anordning för digitalisering av en signal med stor frekvensbandbredd - Google Patents

Description

30 35 516 135 c Icnøtv 2 sådan unik representation tillhandahálles kan signalen re- konstrueras fullständigt till dess ursprungliga form utan informationsförlust. Om en långsammare samplingsfrekvens används för en signal kan annars falsk information inklu- ,deras i den samplade signalinformationen. Denna falska in- formation orsakas av aliasing (som också är känd som “vik- ning") som inträffar när en hög frekvenskomponent i spekt- rumet för en signal som samplas skenbart antar identiteten för en lägre frekvens i spektrumet för en samplad version av signalen.

Digitalisering av en signal kan lämpligen utföras med hjälp av en analog-digitalomvandlare, som föregås av ett lämpligt anti-aliasingfilter. Kombinationen av dessa tvà signalbehandlingselement betecknas normalt som en digita- liserare. En digitaliserare tar emot en inmatad analog signal som först filtreras för att begränsa bandbredden för signalen för att förhindra aliasing under en efterföl- jande samplingsprocess. Den filtrerade signalen samplas därefter för alstring av en digital representation av den inmatade signalens amplitud i olika punkter i tiden i en takt som i allmänhet bestäms av en systemsamplingsklock- signal. När samplingklocksignalen uppträder periodiskt, sägs signalen vara samplad med en likformig frekvens. And- ra tekniker, sàsom sampling med icke-likformiga frekven- ser, där samplingen inte sker med regelbundna tidsinter- vall, existerar ocksà. Hur följande uppfinningskoncept skall utvidgas från likformiga till icke-likformiga samp- lingsfrekvenser inses av fackmannen pà området.

Digitaliserare karakteriseras av olika specifikatio- ner, normalt den maximala samplingsfrekvensen i sampel per sekund och det alstrade antalet bitars upplösning. Samp- lingsfrekvensen måste vara åtminstone lika med Nyquist- frekvensen och företrädesvis högre än denna för att minska kraven på anti-aliasingfiltrering i digitaliseraren. Ett anti-aliasingfilter placeras uppströms digitaliseraren för att begränsa signalens bandbredd (dvs dämpa högfrekventa signalkomponenter utanför bandet) så att Nyquistkriteriet 10 15 20 25 30 35 51,6 135 3 uppfylls med en given samplingsfrekvens. Därtill kommer att det är allmänt önskvärt att åstadkomma ett så stort antal bitars upplösning som möjligt så att signalen kan digitaliseras noggrant med så lite kvantiseringsfel som möjligt. Kvantiseringsfel kan uppträda när de samplade värdena för en kontinuerlig meddelandesignal avrundas till närmsta representationsnivà. Olyckligtvis är ett stort an- tal bitars upplösning och en hög samplingsfrekvens mot- stridiga designmål och kompromisser måste ofta göras när digitaliseraren designas.

En rad olika tekniker är tillgängliga för sampling av signaler med stor frekvensbandbredd. En känd teknik är att helt enkelt öka samplingsfrekvensen till mycket höga vär- den, som ofta uppgår till hundratals megasampel per se- kund. Denna sampling med stor bandbredd åstadkommes olyck- ligtvis på bekostnad av högre effektförbrukning och lägre upplösning än vad som normalt önskas. Digitaliserarna har i allmänhet höga effektförlustnivåer, till följd av att anordningarnas effektförlust är proportionell mot kretsens driftshastighet, även om anordningarna är tillverkade i lågeffekt-CMOS-teknologi (CMOS = Semiconductor). Därtill kommer att upplösningen också kan bli lidande vid de högre samplingsfrekvenserna pga felak- tigheter som alstras i analog-digitalomvandlingsprocessen Complementary Metal Oxid och begränsningar i driftshastigheten för kretsen. De mest högfrekventa digitaliserarna är också dyra att tillverka och kräver ibland omfattande manuella anpassningar för op- timal prestanda. Det inses av fackmannen på området att även med de snabbaste tillgängliga digitaliserarna kan pga dessa designbegränsningar, den maximala behandlingsfrek- vensen för ett signalbehandlingssystem begränsas inte av de digitala signalbehandlingselementen i systemen utan av själva digitaliseraren.

Enligt en annan känd teknik samplas repetitiva signa- ler via en relativt långsam, men repetitiv, slumpsamp- lingsprocess för att syntetisera effekten av en mycket högre samplingsfrekvens. Denna teknik ger inte en exakt 10 15 20 25 30 35 5 ~1>6 135 Icouøo 4 digitaliserad representation av en insignal när signalen som skall digitaliseras inte är repetitiv utan istället är slumpmässig eller stokastisk till sin natur. Stokastiska signaler med stor bandbredd tenderar att utgöra en bety- dande del av en normal signalkommunikation. Vid vissa tillfällen är stokastiska signaler med stor bandbredd van- ligare än repetitiva signaler. Därför finns ett behov av en digitaliserare med stor bandbredd som utnyttjar anord- ningar med lägre effektförlust, som har högre upplösning och som noggrannare representerar en insignal.

Sammanfattning av uppfinningen Ett sätt och en anordning för digitalisering av en Digi- taliseringen genomförs genom att signalen med stor frek- vensbandbredd separeras i ett flertal signaler med liten frekvensbandbredd med hjälp av ett flertal filter. efter alstrar en omvandlare digitaliserade sampel av signalerna med liten frekvensbandbredd. Slutligen alstras signal med stor frekvensbandbredd har àstadkommits.

Där- med hjälp av en kombinerare en sammansatt digitaliserad signal, som väsentligen representerar signalen med den stora frekvensbandbredden, fràn de digitaliserade samplen.

Kort beskrivning av ritningarna Fig 1 ett blockschema och visar en föredragen utfö- ringsform av en digitaliserare i enlighet med uppfin- ningen.

Fig 2 visar en frekvensdomänrepresentation av en elektrisk signal, som bestäms från en inmatad mottagen signal i enlighet med en föredragen utföringsform av före- liggande uppfinning.

Fig 3 visar en frekvensdomänrepresentation av den i Fig 2 visade elektriska signalen, på vilken är överlagrad tio analoga smalbandiga överlappande kanaler, som kombine- ras i enlighet med den föredragna utföringsformen av före- liggande uppfinning för bildande av en bredbandig kanal.

Fig 4 visar vilken del av den i Fig 2 visade elekt- riska signalen som mottas av varje i Fig 3 visad analog, smalbandig, överlappande kanal i enlighet med den före- dragna utföringsformen av föreliggande uppfinning.

IOIuOO 10 15 20 25 30 35 5.16 135 _, vovven Detaljerad beskrivning En föredragen utföringsform av en digitaliserare 100 i enlighet med uppfinningen visas i Fig 1. Digitaliseraren 100 enligt den föredragna utföringsformen kan användas i situationer där digitaliseringsmaskinvara inte är enkelt tillgänglig för understödjande av de höga samplingsfrek- venser som erfordras av en digitaliserare med stor frek- vensbandbredd. Det inses av fackmannen på området att för att en signal skall samplas digitalt på ett riktigt sätt måste samplingsfrekvensen för signalen vara åtminstone lika med och företrädesvis större än den dubbla bandbred- den för signalen för att Nyquistkriteriet skall vara upp- fyllt. Det är inte säkert att en digitaliserare i form av en enda analog-digitalomvandlare som kan arbeta vid en samplingsfrekvens som är tillräckligt hög för en signal med stor bandbredd är praktiskt möjlig eller tekniskt upp- nåbar med användning av dagens designtekniker.

Digitaliseraren 100 enligt den föredragna utförings- formen övervinner begränsningarna hos andra digitaliserare så att en signal 105 med stor frekvensbandbredd kan digi- taliseras med användning av analog-digitalomvandlare (A/D-omvandlare eller ADC) som arbetar vid mycket lägre samplingsfrekvenser än vad som Nyquistsamplingsfrekvenskriteriet anger. Digitaliseraren 100 utnyttjar frekvensdomänrepresentationen av den mottag- na signalen 105 genom konfigureringen av ett flertal anti- -aliasingfilter 110 med liten bandbredd, följda av lång- sammare samplingsanordningar 120, såsom A/D-omvandlare, som bara behöver uppfylla Nyquistkriteriet för den ringa bandbredden hos det föregående anti-aliasingfiltret 110.

Varje frekvensselektivt filter 110 bandbegränsar insigna- len till en A/D-omvandlare 120, så att varje A/D-omvand- lare 120 verkar på ett speciellt smalt delband (dvs en smalbandig signalväg) av den totala bandbredden för signa- len 105 som skall digitaliseras. De resulterande digitali- serade datana från alla dessa signalvägar med liten band- bredd kombineras 155 för bildande av bredbandiga digitali- 10 15 20 25 30 35 ' 5&6'135 6 serade data 160, som representerar all information i den ursprungligen mottagna signalen med stor frekvensband- bredd. Därefter kan digitala signalbehandlingstekniker användas för att utföra andra operationer pà de bredban- diga digitaliserade datana 160 (t ex avkodning och detek- tering av sända databitar från inom de bredbandiga digi- taliserade datana 160).

En elektrisk signal 200 visas som ett exempel i Fig 2. I frekvensdomänen representerar denna elektriska signal 200 den relativa amplituden (dvs vertikal skala) för frekvenskomponenterna (dvs horisontell skala) i in- signalen som mottas på ingången 105. Den elektriska signa- len 200, som finns på ingången 105, kopplas företrädesvis verksamt till resten av digitaliseraren 100 enligt den föredragna utföringsformen, vilken digitaliserar en del av den mottagna signalen 200 till ett flertal digitaliserade signaler. Såsom visas i Fig 3 delas den elektriska signa- len 200 av digitaliseraren 100 i tio analoga, smalbandiga, överlappande kanaler (dvs smalbandiga signalvägar) 202, 204, 206, 208, 210, 212, 214, 216, 218 och 220. Dessa tio analoga, smalbandiga, överlappande kanaler 202, 204, 206, 208, 210, 212, 214, 216, 218 och 220 delar företrädesvis en del av den elektriska signalen 200 i ett flertal över- lappande signaldelar (t ex överlappande signaldelar 203, 205, 207, 209, 211, 213, 215, 217, 219 resp 221, såsom visas i Fig 4). De överlappande signaldelarna 203, 205, 207, 209, 211, 213, 215, 217, 219 och 221 omvandlas före- trädesvis av analog-digitalomvandlare till ett flertal digitaliserade signaler. I den digitala domänen kombineras därefter den mottagna signalens smalbandiga komponenter (dvs digitaliserade signaler) för bildande av en samman- satt bredbandig kanal 160 (dvs en sammansatt bredbandig signal).

I det följande hänvisas mera specifikt till Fig 1.

Digitaliseraren enligt den föredragna utföringsformen beskrivs med avseende på en signal som är begränsad till det normala passbandet för en abonnenttelefonledning (dvs :canon 10 15 20 25 30 35 \ 51.6 135 7 frekvensbandet 250-2750 Hz). Eftersom denna signals band- bredd totalt är 2500 Hz, skulle det krävas en ensam A/D- -omvandlare med en lägsta samplingsfrekvens av åtminstone 5000 Hz för att korrekt sampla och digitalisera denna signalvàgform. Till följd av kravet pà den relativt höga samplingsfrekvensen är det emellertid inte önskvärt att använda en ensam A/D-omvandlare.

Företrädesvis används en digitaliserare 100 med ett mindre strängt krav pà samplingsfrekvensen. I digitalise- raren 100 enligt den föredragna utföringsformen kommer en mottagen bredbandig signal 105 in i en bank av analoga anti-aliasingfilter 110 (dvs ofullkomliga (tegelstensmur) analoga filter). Filterbanken 110 tjänar till att dela in den bredbandiga signalen 105 i en uppsättning analoga signalvägar med smalare band. Önskvärda egenskaper hos varje analogt anti-aliasingfilter 110 är att det har mycket hög spärrförmága för signaler utanför dess designe- rade bandbredd (t ex 500 Hz) och att det har goda band- passegenskaper med relativt platt amplitud och gruppför- dröjningssvar över endast ca hälften av dess bandbredd (t ex de mittersta 250 Hz).

Utsignalerna från vart och ett av dessa smalbandiga analoga filter 110 matas till en bank av samplings-A/D- -omvandlare 120, vilka var och en innefattar en samlings- och hàllkrets, som också vanligtvis helt enkelt betecknas som en samplare, följd av en analog-digitalomvandlare. Det inses av fackmannen pá området att om omvandlingstiden för analog-digitalomvandlarna är tillräckligt kort kan samp- lings- och hàllfunktionen utelämnas utan förlust av all- mängiltighet. Det bör vidare inses att för att undvika oönskad aliasing skall samplingsfrekvensen för samplaren 120 vara åtminstone två gànger bandbredden för anti- -aliasingfiltret 110. För de analoga anti-aliasingfiltren 110 enligt den föredragna utföringsformen är sålunda en samplingsfrekvens av 1000 Hz lämplig. De samplade utsigna- lerna från varje samplare 120 matas till varsin A/D-om- vandlare 120, som kvantifierar samplen och tilldelar varje 10 15 20 25 30 35 ^5 1,61 »155 Uuunv! 8 sampel en digital representation som motsvarar samplets storlek.

Vid denna punkt existerar multipla A/D-sampelström- mar, som representerar ett spektralt segment (smalbandig signalväg) av den ursprungliga bredbandiga insignalen 105.

Vad som önskas är emellertid en enda digital samplad signal 160 som noggrant representerar den ursprungliga bredbandiga insignalen 105. Denna enda digitala samplade signal 160 alstras genom lämplig digital signalbehandling 155 av de multipla A/D-utsignalerna.

Samplingsprocessen har i huvudsak översatt var och en av de smalbandiga kanalernas signalrepresentationer till basband eller en signalrepresentation mellan 0 och 500 Hz (var och en är en digitaliserad sampelström vid 1000 Hz).

För att göra en sammansatt representation 160 av hela in- signalvàgformen 105 är det nödvändigt att rekonstruera en digital signalrepresentation för varje kanal vid dess verkliga absoluta làgpassekvivalenta frekvens. Teknikerna för att genomföra detta är välkända på området och kan exempelvis bestå i att använda interpolation följd av lämplig filtrering, eller av att använda interpolation och multiplicera den resulterade signalen med en komplex expo- nentialfunktion för att frekvensförskjuta signalen.

Det första steget är att translatera varje smalbandig signalväg tillbaka upp till dess riktiga frekvens genom interpolation. Detta kan utföras med användning av en bank av interpolatorer 130. Varje interpolator 130 ökar samp- lingsfrekvensen för varje signal med åtta genom att införa sju nollsampel mellan varje sampel. Denna process skapar multipla aliaser av basbandsignalen vid multipler av 1000 Hz.

Därtill kommer att en bandpassfilterbank 140 tar bort alla svar utom det önskade aliasade svaret. Den digitala representationen av varje smalbandig kanal återspeglar emellertid bara en approximation av det formningssvar som àstadkommes av det ursprungliga analoga anti-aliasingfilt- ret. Följaktligen utföres en välkontrollerad digital filt- 10 15 20 25 30 35 'S16 135 50 9 rering 140 i varje smalbandig signalväg så att den önskade amplitud- och fasstyrningen över en exakt del av segmentet àstadkommes så att en noggrann digital representation av den ursprungliga signalen kan skapas genom kombination av de oberoende smalbandiga kanalerna. Sådana filter 140, som ger de önskade passbands- och övergàngsegenskaperna, är välkända pà signalbehandlingsomrádet och är kända som kvadraturspegelfilter (eller flerfasfilter). Dessa kvadra- turspegelfilter (och andra digitala behandlingsoperatio- ner) beskrivs i en artikel av P.P. Vaidyanathan med titeln "Quadrature Mirror Filter Banks, M-Band Extensions and Perfect Reconstruction Techniques" i IEEE ASSP Magazine, juli 1987, sidorna 4-20. Dessa filteregenskaper tillämpas pà lämpligt sätt i rekonstruktionsfilterbanken 140. Det inses av fackmannen pà området att kvadraturspegelfiltre- ringsfunktionen kan separeras från rekonstruktionsfiltre- ringsfunktionen som beskrivs däri.

Slutligen erhålls en noggrann digital representation av den ursprungliga bredbandiga signalen 105 genom linjär kombinering 150 av var och en av utsignalerna fràn filter- banken 140. I den föredragna utföringsformen utförs detta genom att helt enkelt addera det Nze samplet från var och en av de digitala filterbankarna. Resultatet är en samman- satt signal 160 med en samplingsfrekvens som är lika med den för den interpolerade signalen (dvs 8 kHz i den före- dragna utföringsformen). Därtill kommer att den samman- satta signalen 160 vidare har ett frekvensspektrum som sträcker sig fràn 250 Hz till 2750 Hz. Även om uppfinningen har beskrivits och illustrerats med en viss grad av detaljrikedom inses det att förelig- gande beskrivning av utföringsformer endast är ett exempel och att åtskilliga ändringar i arrangemanget och kombina- tionen av delar liksom i åtgärderna är tänkbara för fack- mannen pà omrâdet inom ramen för uppfinningen. Digitalise- raren enligt den föredragna utföringsformen visas exempel- vis såsom innefattande tio smalbandiga signalvägar, som därefter kombinerades till en enda digitaliserad bredban- IOIIIO 10 15 20 25 30 35 *S16 135 10 dig signal. Fackmannen förstár emellertid att vilket som helst antal smalbandiga mottagarvägar kan kombineras till en enda digitaliserad bredbandig signal. Därtill kommer att mer än en bredbandig signalväg kan bildas från flera smalbandiga signalvägar. Brister i anti-aliasingfilter kan vidare korrigeras i en efterföljande funktion för digital signalbehandling. Den sekvens i vilken signalblandningen och -filtreringen utförs kan vidare ändras inom ramen för föreliggande uppfinning. Det inses slutligen att det inte är nödvändigt att digitalisera och sampla signalerna med samma samplingsfrekvens. Det är välkänt pà området hur en samplad signal skall manipuleras genom digital signalbe- handling i vilken som helst önskad signalsamplingsfrekvens via decimering, filtrering och interpolering. Det är också välkänt hur multipla signaler med olika samplingsfrekven- ser skall kombineras för bildande av en representation av en sammansatt signal.

Claims (8)

10 15 20 25 30 35 i 5-16 1552- 109000 ll PATENTKRAV

1. l. Digitaliserare för digitalisering av en signal med stor frekvensbandbredd, innefattande: (a) ett flertal filtreringsorgan för separering av signalen med stor frekvensbandbredd i ett flertal signaler med liten frekvensbandbredd; (b) ett omvandlingsorgan, som är verksamt kopplat till vart och ett av filtreringsorganen, för alstring av digitaliserade sampel av signalerna med liten frekvens- bandbredd; (c) kombineringsorgan, omvandlingsorganet, för kombinering av de digitaliserade samplen och utmatning av en sammansatt digitaliserad som är verksamt kopplade till signal som har väsentligen samma spektrala egenskaper i digital form som signalen med stor frekvensbandbredd.

2. Digitaliserare för digitalisering av en analog signal, innfattande: (a) en första och en andra frekvensväljare, som är verksamma för val av olika frekvensdelar av den analoga signalen och utmatning av en första respektive en andra smalbandig signal; (b) en första och en andra omvandlare, som är koppla- de till den första respektive den andra frekvensväljaren och verksamma för alstring av en första och en andra di- gitaliserad signal av den första respektive den andra smalbandiga signalen; och (c) en kombinerare, som är kopplad till den första och den andra omvandlaren och verksam för kombinering av den första och den andra digitaliserade signalen till en sammansatt digital signal med väsentligen samma spektrala egenskaper i digital form som den analoga signalen.

3. Digitaliserare enligt krav 2, varvid den första och den andra frekvensväljaren är filter som är anordnade att välja överlappande delar av den analoga signalen. OOIIII 10 15 20 25 30 35 516 135 12

4. Digitaliserare enligt krav 2 eller 3, varvid kom- bineraren innefattar en första och en andra interpolator, som är kopplade till den första respektive den andra om- vandlaren och som är verksamma för àterställning av den första och den andra digitaliserade signalen till väsent- ligen samma samplingsfrekvens som den för de frekvensdelar av den analoga signalen som väljs av den första respektive den andra frekvensväljaren.

5. Digitaliserare enligt krav 2 eller 3, varvid kom- bineraren innefattar: (a) en första och en andra interpolator, som är kopp- lade till den första respektive den andra omvandlaren och verksamma för rekonstruering av den första och den andra digitaliserade signalen till en làgpassfrekvens, som är väsentligen ekvivalent med de frekvensdelar i den analoga signalen som väljs av den första respektive den andra frekvensväljaren; (b) ett första och ett andra filter, som är kopplade till den första respektive den andra interpolatorn och verksamma för filtrering av överlappande delar av den re- konstruerade första och andra digitaliserade signalen, så att den filtrerade och rekonstruerade första och andra di- gitaliserade signalen bildar den sammansatta digitala signalen; och (c) en adderingskrets, som är verksam för kombinering av den filtrerade och rekonstruerade första och andra di- gitaliserade signalen till en sammansatt digital signal.

6. Sätt att digitalisera en signal med stor frekvens- bandbredd, (a) separera signalen med stor frekvensbandbredd i en innefattande stegen att: första och en andra signal med liten frekvensbandbredd; (b) alstra första och andra digitaliserade sampel från den första respektive den andra signalen med liten frekvensbandbredd; och (c) alstra en sammansatt digitaliserad signal från de första och andra digitaliserade samplen, vilken sammansatt digitaliserad signal har väsentligen samma spektrala egen- IOIIOO 10 15 20 25 30 35 5116 135 13 skaper i digital form som signalen med stor frekvensband- bredd. _

7. Sätt enligt krav 6, varvid steget att separera signalen med stor frekvensbandbredd innefattar val av den första och den andra signalen med liten frekvensbandbredd från överlappande frekvensdelar av signalen med stor frek- vensbandbredd.

8. Sätt enligt krav 6 eller 7, varvid steget att alstra en sammansatt digitaliserad signal innefattar ste- gen att: (a) interpolera de första och andra digitaliserade samplen till väsentligen samma samplingsfrekvens som den första och den andra signalen med liten frekvensbandbredd; (b) filtrera överlappande delar av de interpolerade första och andra digitaliserade samplen, så att de filtre- rade och interpolerade första och andra digitaliserade samplen bildar den sammansatta digitala signalen; och (c) kombinera den filtrerade och àterställda första och andra digitaliserade signalen till den sammansatta di- gitala signalen.