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TECHNISCHES
GEBIET
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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen parallelen Analog-Digital-Wandler
und ein Verfahren zum Umwandeln von Analogwerten in Digitalwerte
in parallelen, unabhängig
arbeitenden Verfahren.
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STAND DER
TECHNIK
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In
drahtlosen Kommunikationseinrichtungen müssen ankommende Signale häufig in
eine Digitalform umgewandelt werden. Auch müssen aus der Einrichtung auszugebende
Digitalsignale häufig
in eine Analogform umgewandelt werden. Ein Schaltschema einer bei
einer derartigen Kommunikation benutzten typischen einfachen Schaltung
ist in 1 dargestellt. Ein Analog-Digital-Wandler (ADC – analog-to-digital
converter) 1 ist mit einer Leitung 5 verbunden
und gibt Digitaldaten an einen Signalprozessor 9 ab, der
mit nicht gezeigten Benutzerschaltungen kommuniziert, um Informationen
dahin weiterzuleiten. In wirklichen Ausführungsformen weist der ADC
eine Übertragungsfunktion
auf, die immer Fehler enthält.
Die Fehler ergeben eine verschlechterte Leistung hinsichtlich des
Signal-Rausch-Verhältnisses
(SNR – signal-to-noise
ratio) und ungewollten freien Dynamikbereichs (SFDR – spurious
free dynamic range). Bei einer typischen Anwendung ist die Leitung 5 mit
irgendeiner Vorrichtung 8 zum Hochfrequenzempfang verbunden,
die eine Antenne 10 benutzt.
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Für einige
Anwendungen kann ein einziger Analog-Digital-Wandler zu langsam sein. Dann
wird eine Mehrzahl von einzelnen oder individuellen, ADC-Zellen
oder ADC-Kanälen
genannten ADC angeordnet, die die aufeinanderfolgenden Abtastwerte in
einem zyklischen Vorgang umwandeln, wobei die Umwandlung in jeder
Zelle parallel zu oder zeitlich gemultiplext mit der Umwandlung
in anderen Zellen durchgeführt
wird, wobei der Umwandlungsvorgang für die aufeinander abgetasteten
Analogwerte zu aufeinanderfolgenden Zeiten beginnt. Eine solche
zusammengesetzte Vorrichtung wird eine parallele ADC-Vorrichtung
genannt (PSA-ADC), siehe z.B. US-Patent 5,585,796 für Christer
M. Svensson et al.. In 2 ist schematisch eine solche
parallele ADC-Vorrichtung
mit m parallelen Kanälen
dargestellt. Das Eingangs-Analogsignal VS wird
durch sich nacheinander schließende
Schalter in Abtast- und Halteschaltungen 111 , 112 , ..., 11m abgetastet,
jeweils eine für
ADC 131 , 132 ,
..., 13m , die durch Taktsignale in
einer Zeitsteuereinheit 15 gesteuert werden, um den in
der entsprechenden Abtast- und Halteschaltung zu haltenden bzw.
zu speichernden Momentanwert von VS herzustellen.
Der mit einer Abtast- und Halteschaltung verbundene ADC vergleicht
den darin gehaltenen Wert mit Bezugswerten. Die ADC liefern die
Ausgangsworte auf Ausgangsleitungen an einen Multiplexer 17 ab,
von dem ein Fluß von
Digitalworten als Ausgabe der Gesamtvorrichtung erhalten wird. Die
Bandbreite der gesamten Signalinformationen von der zusammengesetzten
Vorrichtung wird daher ein Mehrfaches der Bandbreite von einem einzigen
ADC-Kanal sein.
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In 3 ist
ein Zeitdiagramm des Umwandlungsverfahren in der zusammengesetzten
ADC-Vorrichtung der 2 dargestellt. Es wird beobachtet, daß es für jeden
ADC eine Zeitperiode mit Länge
tc gibt, in der die Umwandlung eines Abtastwerts
ausgeführt
wird, gefolgt durch eine bei 19 abgedeutete kurze Zwischenzeitperiode,
die eine Länge
gleich 0 aufweisen kann.
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Jeder
Kanal wiederholt den Umwandlungsvorgang mit einer Frequenz fc, wobei die Umwandlungszeit tc kleiner
als 1/fc, d.h. 1/fc > tc.
Die Umwandlungsfrequenz der gesamten Vorrichtung beträgt dann
fc.tot = m·fc.
Bei einer ADC-Vorrichtung ist eine ausreichende Anzahl paralleler
Zellen angeordnet, um diese Gesamt-Umwandlungsfrequenz so hoch wie erforderlich
zu machen.
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Die
schräge
Linie in 3 zeigt den Zeitversatz der
ADC-Zellen, wobei die Startzeiten zwischen aufeinanderfolgenden
Zellen die Neigung bestimmen, die dann gleich 1/(m·fc) ist. Wenn eine ADC-Vorrichtung eine Gesamtumwandlungsfrequenz
von fc.tot aufweisen soll und die Umwandlungszeit
tc für
eine Einzelzelle beträgt,
ist die erforderliche Anzahl m paralleler Zellen gegeben durch:
m = fc.tot/fc =
fc.tot·(1/fc) > fc.tot·tc und wird allgemein als die kleinste ganze
Zahl ausgewählt,
die diese Bedingung erfüllen.
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Die
Zellen in einer solchen parallelen ADC-Vorrichtung arbeiten stets
in einer vorbestimmten Reihenfolge. Weiterhin werden die einzelnen Wandler
in einer parallelen ADC-Vorrichtung jeweils irgendwelche charakteristischen
oder systematischen Fehler wie beispielsweise Jitter und Stärkungsfehler
aufweisen, die sich von den Eigenschaften des systematischen Fehlers
der anderen Wandlerelemente unterscheiden. Dadurch werden unerwünschte Töne in Ausgangssignal
der parallelen ADC-Vorrichtung erzeugt, wie beispielsweise Töne mit einer
Frequenz entsprechend x·fc ± fin, wobei x eine ganze Zahl und fin eine Frequenz ist, die einen Fehler in
den einzelnen ADC-Kanälen
darstellt. Dieses Muster wird im allgemeinen der Dynamikbereich der
zusammengesetzten ADC-Vorrichtung beschränkt.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ERFINDUNG
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Es
ist eine Aufgabe der Erfindung, eine parallele ADC-Vorrichtung mit einem
erhöhten
Dynamikbereich bereitzustellen.
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Es
ist eine weitere Aufgabe, eine parallele ADC-Vorrichtung bereitzustellen, bei der
die Amplitude von durch Unterschiede in den Eigenschaften der ADC-Elemente verursachten
unerwünschten
Tönen verringert
wird.
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In
einer parallelen ADC-Vorrichtung ist eine Anzahl von Element-Wandlervorrichtungen
vorgesehen, die parallel arbeiten, um aus periodisch mit einer vorbestimmten
Abtastperiode oder Abtastfrequenz aus einem Eingangs-Analogsignal abgetasteten Analogwerten
Digitalwerte zu bestimmen. Die Anzahl von Elementvorrichtungen und
die Abtastperiode/Frequenz werden so ausgewählt, daß in jedem Moment mindestens
eine Element-Wandlervorrichtung nicht aktiv ist und keine Umwandlung
durchführt. Nach
der durch eine Elementvorrichtung durchgeführten Umwandlung wird der nächste Abtastwert durch
diese Elementvorrichtung oder durch eine vorher ruhende Elementvorrichtung
umgewandelt. Diese Auswahl der nächsten
Elementvorrichtung zur Durchführung
einer Umwandlung wird durch einen Wahlgenerator gesteuert, der irgendein
Signalmuster bereitstellt. Mit diesem Signalmuster wird ein Wähler gesteuert,
der die eigentliche Auswahl durchführt. Der Wahlgenerator kann
eine Folge von zufallsmäßig verteilten
Nummern oder eine Folge mit einer langen Wiederholzeit, wie sie
beispielsweise von einem Pseudozufallsgenerator erhalten wird, bereitstellen. Auch
kann in manchen Fällen
eine Folge mit einer kurzen Periode wie beispielsweise 0, 1, 0,
1, ... benutzt werden.
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Durch
Steuern der Wahl der nächsten
Elementvorrichtung zur Durchführung
einer Umwandlung auf zufällige
Weise oder auf irgendeine systematische Weise mit ausreichender
Periode wird das Muster im zusammengesetzten Ausgangssignal der parallelen
ADC-Vorrichtung
mit unerwünschten
Tönen in
Rauschen umgeformt. Die Gesamtenergie des durch die Unterschiede
der Umwandlungseigenschaften der Elementvorrichtung voneinander
verursachten Fehlers ist annähernd
die gleiche wie für
einen ADC ohne ruhende Elementvorrichtung, aber der Fehler ist im
Frequenzbereich verteilt. In manchen Fällen kann das durch die Differenzen
verursachte Rauschen sogar geringer als das Quantisierungsrauschen
sein.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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Die
Erfindung wird nunmehr mittels nichtbegrenzter Ausführungsformen
unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben. In
den Zeichnungen ist:
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1 ein
Schaltschema von Vorrichtungen zum Empfangen von Funksignalen,
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2 ein
Blockschaltbild einer parallelen ADC-Vorrichtung,
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3 ein
Diagramm der Umwandlungszeiten der Zellen in einer parallelen ADC-Vorrichtung,
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4 ein
Blockschaltbild einer parallelen ADC-Vorrichtung mit einem ruhenden Umwandlungskanal,
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5 ein
Diagramm der Umwandlungszeiten der Zellen in der parallelen ADV-Vorrichtung
der 4,
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6 ein
Blockschaltbild einer in der parallelen ADC-Vorrichtung der 4 benutzten
Zeitsteuereinheit,
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7 ein
simuliertes Histogramm von aus einem parallelen ADC ohne ruhenden
Kanal erhaltenen Ausgangscodes, und
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8 ein
simuliertes Histogramm von aus einem parallelen ADC mit einem ruhenden
Kanal erhaltenen Ausgangscodes.
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BESCHREIBUNG
BEVORUZGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
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In 4 ist
schematisch eine parallele ADC-Vorrichtung
dargestellt, die im allgemeinen der in Verbindung mit 2 beschriebenen
Vorrichtung des Standes der Technik ähnelt, aber (m + 1) parallele
Kanäle
aufweist. In den Figuren ist m als gleich Vier gewählt worden,
aber im allgemeinen Fall kann m jede beliebige Zahl größer als
1 sein. Das Eingangs-Analogsignal VS wird
durch Abtast- und Halteschaltungen 111 , 112 , ..., 11m+1 abgetastet,
jeweils eine für
jeden ADC 131 , 132 ,
..., 13m+1 , die durch Taktsignale
an einer Zeitsteuereinheit 15' gesteuert werden, um den in der
jeweiligen Abtast- und Halteschaltung zu haltenden bzw. speichernden
Momentanwert des Analogsignals herzustellen. Die Taktsignale werden
mit gleichförmiger
Rate erzeugt, um das Analog-Eingangssignal zu periodisch auftretenden
Zeiten abzutasten. Von dem mit einer Abtast- und Halteschaltung
verbundenen ADC wird der darin gehaltene Wert mit Bezugswerten verglichen.
Die ADC liefern die Ausgangsworte auf Ausgangsleitungen an einem
Multiplexer 17 ab, von dem ein Fluß von Digitalworten mit der
gleichen Rate wie der Abtastrate als Ausgabe der Gesamtvorrichtung
erhalten wird, wobei jedes Ausgangs-Digitalwort das Eingangs-Analogsignal
zu einer Zeit darstellt, die eine vorbestimmte Periode ist, die
Latenz- bzw. Verzögerungsperiode
der Umwandlungsvorrichtung, vor Abgabe des Ausgangsworts.
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In 5 ist
ein Zeitdiagramm dargestellt, das den Umwandlungsvorgang beispielhaft
zeigt. Insbesondere ist zu beobachten, daß es für jeden ADC eine Zeitperiode
mit einer Länge
tc gibt, in der die Umwandlung eines Abtastwerts
ausgeführt
wird. Jeder Kanal kann daher den Umwandlungsvorgang mit einer Höchstfrequenz
fc,max = 1/tc wiederholen.
Es arbeiten jedoch in jedem Moment nur m ADC-Zellen parallel, was
bedeutet, daß in
jedem Moment immer irgendeine der ADC-Zellen ruht. Die Umwandlungsfrequenz
der Gesamtvorrichtung beträgt
dann fc,tot ≥ m·fc.max und
wird durch die Neigung der schrägen
Linie in 3 bestimmt. Jede Einzelzelle
arbeitet, außer
zu solchen Zeiten, wenn sie ruht, mit einer Rate fc =
fc.tot/m ≤ fc,max. Eine Bedingung über die Anzahl (m + 1) von
Zellen wird aus dieser Ungleichheit erhalten: m ≥ fc.tot/fc,max = fc.tot·fc und daher ist m + 1 ≥ fc.tot·fc + 1. Die Anzahl (m + 1) von Zellen kann
im allgemeinen als die kleinste ganze Zahl ausgewählt werden,
die diese Bedingung erfüllt.
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Im
Beispiel der 5, wo fünf parallele Kanäle benutzt
werden und daher m = 4 ist, werden die Taktsignale zum Beginnen
der Umwandlung mit regelmäßiger Rate
zu den Zeiten t1, t2,
t3, ... gegeben. Kanal 1 beginnt die Umwandlung
eines Abtastwerts zur Zeit t1, Kanal 2 beginnt
die Umwandlung zur nachfolgenden Zeit t2,
Kanal 3 beginnt die Umwandlung zur Zeit t3 und
Kanal 4 beginnt die Umwandlung zur Zeit t4.
Zur nächsten
Zeit t5 ist die Umwandlung im Kanal 1 beendet
und Kanal 5 hat noch nicht begonnen und daher können sowohl Kanal 1 als auch
5 zur Umwandlung des nächsten
analogen Abtastwerts benutzt werden. Die Kanalwahl wird dann in
einem ersten Fall auf systematische Weise und in einem zweiten Fall
auf zufallsmäßige Weise
oder zumindestens auf pseudozufallsmäßige Weise auf Grundlage des
Signals von einem entsprechenden Generator von Zufalls- oder Pseudozufallszahlen
durchgeführt werden.
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Ein
Pseudozufallszahlengenerator kann auf herkömmliche Weise als eine Folge
von Schieberegistern hergestellt werden, die miteinander auf vorbestimmte
Wiese verbunden sind, um einen Generator einer Pseudozufalls-Binärfolge zu
erhalten, einen PRBS-Generator (Pseudo Random Binary Sequence).
Wenn der Generator ein Ausgangssignal erzeugt, das eine logische
1 anzeigt, wird z.B. der Kanal gewählt, der für die kürzeste Zeit bereit gewesen
ist, einen neuen Abtastwert zu empfangen. Wenn der Generator ein
Ausgangssignal erzeugt, das eine logische 0 anzeigt, kann der Kanal
gewählt
werden, der für
die längste
Zeit bereit gewesen ist, einen neuen Abtastwert zu empfangen.
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So
muß die
Zeitsteuereinheit der 4 einen die Wahl steuernden
Generator umfassen. Im Blockschaltbild der Zeitsteuereinheit in 6 ist
der Generator ein Zufallszahlengenerator 21, der eine zufallsmäßig verteilte
Folge von binären „Einsen" und „Nullen" bereitstellt. Diese
Bit werden zu den durch Taktsignale an einem Signalgenerator 23 definierten Zeiten
bereitgestellt. Auch steuern die Taktsignale vier Register 25; 251 , 252 , 253 , 254 ,
die in einer zyklischen Folge die Nummern der aktiven Kanäle halten, die
in jedem Moment eine Umwandlungsoperation durchführen. Ein 1:4-Wähler 27 und
ein 4:1-Wähler 29 sind
mit den Eingangs- bzw. Ausgangsseiten der vier Register 25 für aktive
Kanäle
verbunden. Die Steuereingänge
der Wähler 27, 29 sind
mit dem Taktsignalgenerator 23 und werden durch das Taktsignal angesteuert,
um die Wähler
zyklisch um einen Schritt für
jeden Taktimpuls zu ändern.
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Ein
weiteres Register 31 hält
stets die Nummer des Kanals der gegenwärtig inaktiv ist bzw. ruht. Die
Ausgangsseite des Registers für
den ruhenden Kanal ist mit einem Eingang eines 2:1-Wählers 33 verbunden,
der auch an dem anderen Eingang eine Leitung am Ausgang des 4:1-Wählers 29 an
der Ausgangsseite der Register 25 empfängt. Dieser 2:1-Wäher ist
zur Weiterleitung einer Kanalnummer von einem seiner Eingänge nach
Ansteuerung durch das Signal von Wahlgenerator 21 gesteuert,
so daß er
für eine
binäre „0" die Nummer auf dem
Eingang vom 4:1-Wähler 29 und
für eine
binäre „1" die Nummer am Eingang
von Register 31 für
den ruhenden Kanal weiterleitet. Die ausgewählte Kanalnummer wird vom Ausgang
des 2:1-Wählers 33 weitergeleitet, um über eine
Verzögerungsschaltung 35 einen 1:5-Wähler 37 anzusteuern,
dessen Eingang mit dem Taktsignalgenerator 23 und die fünf Ausgänge mit den
Abtast- und Halteschaltungen 111 ,
..., verbunden sind, siehe 4.
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Um
einen Austausch des Inhalts der Register für den ruhenden Kanal und des
Registers, das den Kanal hält,
der gegenwärtig
seine Umwandlungsoperation beendet hat, zu erlauben, ist ein Zwischenregister 35 vorgesehen,
in dem die Nummer des gegenwärtig
durch zwei Wähler 27, 29 ausgewählten Kanals
gespeichert ist. Die Eingangsseite des Zwischenregisters 35 ist
damit mit der Ausgangsseite des 4:1-Registers an der Ausgangsseite
der Register 25 verbunden. Die Ausgangsseite des Zwischenregisters 31 ist
durch eine Steuerschaltung 41 mit dem Register 31 für den Ruhekanal
verbunden, wobei die Steuerschaltung 41 mit dem Wahlgenerator 21 verbunden
ist, um auch die Bitfolge zu empfangen. Die Ausgangsseite des Registers 31 für den Ruhekanal ist
auch über
eine Steuerschaltung 43 mit der Eingangsseite des 1:4-Wählers 27 an
der Eingangsseite der Register 25 verbunden.
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Die
Funktionsweise der Zeitsteuereinheit 15 ist wie folgt.
Wenn ein neuer Taktimpuls durch den Taktsignalgenerator 23 ausgegeben
wird, durchläuft das
Taktsignal den Ausgangs-1:5-Wähler 37 zu
dessen j-ten Ausgang und zu der Abtast- und Halteschaltung 11j für
den ausgewählten
Kanal. Das startet den Umwandlungsvorgang im j-ten Kanal. Zur gleichen Zeit
verschiebt der Taktimpuls 2 Wähler 27, 29 an den
Eingangs- und Ausgangsseiten der Register 25 für aktive
Kanäle
in zyklischer Reihenfolge mit zum nächsten Register 25i . Dann wird von den zwei Wählern das
Register 25i ausgewählt, das
seine Umwandlungszeit eine kurze Zeitperiode vor dem Taktimpuls
beendet hat. Die in diesem Register 25i gespeicherte
Kanalnummer wird dem Eingang des 2:1-Wählers 33 zugeführt, an
dessen anderem Eingang die Nummer des Ruhekanals von Register 31 bereitgestellt
wird. Die Position des 2:1-Wählers 33 wird
durch das Ausgangssignal des Generators 21 gesteuert, der
bei Empfang des Taktimpulses ein neues Bit ausgibt. Die gewählte Nummer
des bereitstehenden Kanals und des ruhenden Kanals wird durch die
Verzögerungsschaltung 35 für den Ausgangswähler 37 bereitgestellt
und ändert
dessen Stellung auf den richtigen Ausgang. Die Nummer des bereitstehenden
Kanals ist dann in das Zwischenregister 39 einkopiert worden.
Nach Ansteuerung durch die Steuereinheiten 41, 43 als
Reaktion auf das Ausgangsbit des Wahlgenerators 21 nur
für ein
eine logische „1" bedeutendes Bit
wird die im Register 31 für den ruhenden Kanal gespeicherte
Kanalnummer in das Register 25i einkopiert,
nach Auswahl durch den Wähler 27 an
der Eingangsseite der aktiven Kanalregister 25, und danach
wird die im Zwischenregister 39 gespeicherte Kanalnummer
in das Register 31 für den
ruhenden Kanal eingespeichert.
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Wie
oben erwähnt
weist eine parallele ADC-Vorrichtung systematische Fehler wie beispielsweise
Jitter und Verstärkungsfehler
auf, d.h. die einzelnen ADC weisen voneinander unterschiedliche
Eigenschaften auf, wobei z.B. die Verstärkung für die einzelnen ADC unterschiedlich
ist. Die systematischen Fehler oder Differenzen verursachen unerwünschte Töne in dem
Ausgangssignal der zusammengesetzten ADC-Vorrichtung. Durch diese
Töne wird
der Dynamikbereich der parallelen ADC-Vorrichtung beschränkt. Wenn
der nächste
Kanal, der eine Umwandlung durchführen soll, zufallsmäßig oder
auf irgendeine systematische Weise mit einer ausreichenden Periode
zwischen mindestens zwei einzelnen ADC ausgewählt wird, wird das Muster unerwünschter
Töne, das
eine Signalverzerrung genannt werden kann, in Rauschen umgeformt.
Die Gesamtenergie des Fehlers ist immer noch annähernd die gleiche, aber dessen
Eigenschaften sind vollständig geändert worden.
Der Fehler ist nunmehr im Frequenzbereich verteilt und ist nicht
an irgendwelchen Spitzen angesammelt. In manchen Fällen kann
das Rauschen niedriger als das Quantisierungsrauschen sein und ist
dann praktisch verschwunden. Dies ist durch die Histogramme der 7 und 8 dargestellt.
So ist in 7 ein simuliertes Histogramm
von Ausgangscodes gezeichnet, die von einem herkömmlichen parallelen ADC erhalten
werden, der nach der Darstellung in 2 konfiguriert
ist. Es ist zu beobachten, daß einige
Ausgangscodes wie schon in der Einführung besprochen auf wiederholte Weise
häufiger
oder seltener auftreten. Der Begriff „Ausgangscodes" bezieht sich auf
die digitalen Ausgangswerte der ADC-Vorrichtung. Das Histogramm von Ausgangscodes
von 8 wird durch Simulieren eines parallelen ADC mit
einem auf die oben beschriebene Weise funktionierenden ruhenden
Kanal unter Verwendung des gleichen Eingangssignals wie bei dem
Histogramm der 7 erhalten. Es ist ersichtlich,
daß das
Histogramm viel glatter als das der 7 ist und
daß es
insbesondere keine Werte gibt, die viel häufiger oder seltener als andere
Werte auftreten.