СПОСОБ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ АНАЛОГОВЫХ СИГНАЛОВ В ЦИФРОВЫЕ И ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ АНАЛОГОВОГО СИГНАЛА В ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТЬ ЦИФРОВЫХ СИГНАЛОВ Российский патент 1998 года по МПК H03M1/10 

Изобретение относится к способу обработки цифровых сигналов, а в более узком смысле относится к процессам и схемам преобразования аналоговых сигналов в цифровые представления этих аналоговых сигналов.

Как правило, системы цифровой обработки сигналов (DSP) снабжены аналого-цифровым преобразователем в качестве входного канала связи от аналогового домена. Всегда допускается, что аналого-цифровой (т.е. А/Ц) преобразователь будет образовывать цифровой сигнал, основанный на выходном уровне. Для какого-то конкретного ввода двойной амплитуды V_pp А/Ц преобразователь генерирует какое-то конкретное число кодов в своем выходном порту. Следовательно, очень важное значение будет иметь входная - выходная линейность А/Ц преобразователя.

Имеющиеся в настоящее время весьма дорогостоящие А/Ц преобразователи снабжены одним или более регуляторами линейности. Эти органы регулирования дают пользователю возможность регулировать вывод для какого-то конкретного уровня ввода (например, либо 50%, либо 25% и 75%) с конечной целью получения линейного выхода или выходного сигнала. Однако на промежуточных уровнях ввода довольно часто отмечается некоторая нелинейность.

Для многих коммерческих сортов бытовой радиоэлектроники, в которой используются аналого-цифровые преобразователи обычного или стандартного качества, например, изделия на основе видеосигналов, очень важно и просто необходимо, чтобы степень нелинейности аналого-цифрового преобразователя всегда находилась под контролем и чтобы ее можно было регулировать. Например, в схемах устройства гашения или устранения повторного изображения параметры повторного изображения можно рассчитать на основе перехода в какой-то конкретной области: в качестве примера сошлемся на сигнал синхронизации кадровой развертки (от - 40 до 0 IRE) (Институт радиоинженеров) или на сигнал вещательного телевидение (т.е. ВТА) от 0 до 70 IRE. Теперь на основе этих параметров можно будет устранить повторное изображение во всем диапазоне от 40 до примерно 120 IRE. Следовательно, для достижения надежной и эффективной характеристики устранения повторного изображения исключительно большое значение имеет "допущенная" линейность сигнала.

Предпринимаемые ранее усилия ученых на достижение специфических выходных характеристик аналого-цифровых преобразователей концентрировались на двух различных направлениях решения этой проблемы. В соответствии с первым направлением решение проблемы видели в использовании дорогостоящего и высококачественного аналого-цифрового преобразователя, который обязательно включает в себя регулируемые этапы усиления и изменения фазы. Еще до момента практического использования преобразователя необходимо было "настроить" каждый из регулируемых этапов, чтобы добиться оптимальных выходных характеристик. Двумя основными проблемами этого первого направления были высокая стоимость преобразователя и слишком длительная процедура необходимых регулировок. Следовательно, практическое использование таких преобразователей ограничивалось лишь исключительно специфическими и дорогостоящими случаями.

По второму направлению, по которому пошел Кимура, на имя которого выдан патент США N 4764751, выходной сигнал "Z" от схемы нелинейного аналого-цифрового преобразователя подается в память просмотровой таблицы, в которой содержатся данные о прямолинейном преобразовании, причем это делается с целью получения компенсированных цифровых значений "Z", хранимых в просмотровой таблице, а следовательно, и с целью образования преобразования, демонстрирующего какую-то специфическую нелинейную (например, логарифмическую) характеристику. К входному порту схемы нелинейного аналого-цифрового преобразования подключали несколько каскадов с целью лучшего регулирования смещения и усиления аналоговых сигналов, передаваемых к схему преобразования. Однако подобный подход предусматривает обязательное проведение измерений специфических данных преобразования используемого в данном случае нелинейного аналого-цифрового преобразователя, калибрации кривой специфических данных преобразования при исходном и максимальном значениях выходного сигнала (например, 2^N - 1) в качестве части этапа нормализации и подбора эмпирической кривой и вычисление компенсированных цифровых значений, соответствующих уровню входного сигнала на основе эталонных данных и специфических данных о преобразовании. Следовательно, поскольку этот способ предусматривает обязательное использование этапов регулировки смещения и усиления, то является также обязательным использование специализированных цифроаналоговых преобразователей и проведение измерений специфических данных о процессе преобразования самих преобразователей . Именно по этой причине этот способ не приемлем для совместного использования с аналого-цифровыми преобразователями серийного или массового изготовления. Более того, этот способ не признает и никак не связан с проблемами улучшения линейности процесса преобразования с помощью линейных цифроаналоговых преобразователей при значениях, которые будут промежуточными по отношению к двум крайностям диапазона преобразования.

Следовательно, целью настоящего изобретения является создание улучшенных способа и схемы для осуществления цифроаналогового преобразования.

Другой целью настоящего изобретения является создание способа и схемы, обладающих повышенной степенью линейности в процессе преобразования аналоговых сигналов в цифровые.

Еще одной целью настоящего изобретения является создание способа и схемы, пригодных для выполнения недорогих корректирующих отклонений в линейности аналого-цифровых преобразователей серийного производства.

Еще одной целью настоящего изобретения является создание способа и схемы, отличающихся повышенной линейностью выходного сигнала к выходному сигналу процесса цифроаналогового преобразования независимо от регулировок смещений, усиления и фазы.

Эти и некоторые другие цели достигаются с помощью способа и схемы, которые предусматривают использование запоминающего устройства для хранения значений данных о линеаризации, вводимых между аналого-цифровым преобразователем и системой обработки цифрового сигнала. Известный аналоговый испытательный сигнал, например десятиступенчатый сигнал IRE, инкрементально подается во входной порт цифроаналогового преобразователя, а этап программирования обеспечивает подачу цифровых значений для известных амплитуд аналогового сигнала в запоминающее устройство на каждом этапе, чтобы гарантировать соответствие между условным цифровым сигналом, генерируемым аналого-цифровым преобразователем, и соответствующими адресами линейных цифровых значений, хранимых в запоминающем устройстве. Поскольку соответствующие адреса для линейных цифровых значений хранятся в упомянутом запоминающем устройстве, то этап программирования становится ненужным, а последовательно соединенные аналогоцифровой преобразователь и запоминающее устройство будут надежно обеспечивать образование более высокой степени линейности между аналоговыми сигналами, подаваемыми в преобразователь, и цифровыми значениями, подаваемыми из запоминающего устройства.

Более полную оценку сути настоящего изобретения и основных его преимуществ можно будет сделать на основе детального описания со ссылками на сопровождающие описание чертежи, на которых одинаковые элементы и детали обозначены одинаковыми ссылочными позициями.

На фиг. 1 дана блок-схема обычного применения аналого-цифрового преобразователя; на фиг. 2 - блок-схема аналого-цифрового преобразователя, схема которого построена в соответствии с основными принципами настоящего изобретения; на фиг. 3 - графическое представление десятиступенчатого сигнала IRE; на фиг. 4 - двухкоординатная графическая иллюстрация отклонений в степени линейности, которые имеют место в типичном аналого-цифровом преобразователе серийного производства; на фиг. 5 - двухкоординатная графическая иллюстрация одного варианта реализации способа для осуществления аналого-цифрового преобразователя в соответствии с основными принципами настоящего изобретения; на фиг. 6 - двухкоординатная графическая иллюстрация фактических и теоретических характеристик, полученных с помощью одного из вариантов по настоящему изобретению; на фиг. 7, 8, 9 - двухкоординатные графические иллюстрации, демонстрирующие расширенное представление подробности о смежных участках значений, показанных в графическом представлении фиг. 6.

Сошлемся прежде всего на фиг. 1, где схематически показана обычная типичная система обработки цифрового сигнала. Подобные системы обычно имеют аналого-цифровой преобразователь в качестве входного канала связи от аналогового домена. В показанной на фиг. 1 системе аналоговый сигнал подается во входной порт входного контура 10, который включает в себя каскад регулировки коэффициента усиления, каскад регулировки смещения постоянного тока и фиксатор. Аналоговый синхронизирующий импульс V_c, который передается входным контуром 10, подается во входной порт аналого-цифрового преобразователя 12, режим работы которого регулируется дискретизирующим сихронизирующим импульсом V_c, чтобы обеспечить подачу находящихся в N-разрядной информационной шине 14 цифровых данных V_d в систему обработки цифровых данных DSP 20 (DSP - цифровая обработка данных). Теперь обратимся к фиг. 4, где показаны кривые сравнения нескорректированных цифровых данных V_d генерируемых преобразователем 12, с прямолинейным помеченным словом "истинный" выходным сигналом линейного аналого-цифрового преобразователя; результаты этого сравнения указывают на то, что цифровые данные V_d почти непрерывно отклоняются на протяжении всего диапазона преобразования, которое осуществляет преобразователь 12, от желаемого истинного линейного отношения или связи между входным аналоговым сигналом V_i аналого-цифрового преобразователя, подаваемым во входной порт преобразователя 12, и цифровыми данными V_d генерируемыми преобразователем 12.

На фиг. 2 показана очень простая схема, которая отлично иллюстрирует схему аналого-цифрового преобразователя по настоящему изобретению. Из данных фиг. 1 ясно, что передаваемый входным контуром 10 аналоговый сигнал V_i подается на входной порт аналого-цифрового преобразователя 12, режим работы которого регулируется дискретизирующим синхронизирующим импульсом, чтобы гарантировать подачу в N-разрядную информационную шину 14 цифровых данных V_d.

Аналого-цифровое линеаризирующее запоминающее устройство 16, например программируемая постоянная память (PROM), в которой хранится просмотровая таблица цифровых значений, соединена с шиной 14, чтобы принимать цифровые данные V_d и реагировать на эти цифровые данные V_d путем образования истинных линейных цифровых значений на основе просмотровой таблицы и направлять их через N-разрядную информационную шину 18 в систему цифровой обработки данных DSP 20.

С помощью информационной шины 14 и в интервале между выходным портом преобразователя 12 и выходным портом запоминающего устройства 16 можно временно устанавливать микропроцессор 22, который будет выполнять функцию переключателя между шиной 14 и программирующей памятью 24, в которой содержится таблица истинных линейных цифровых значений
Показанный на фиг. 3 известный испытательный сигнал, например десятиступенчатый сигнал IRE, можно использовать в качестве аналогового входного сигнала, подаваемого во входной контур 10. В данном случае хранимые в программирующей памяти 24 истинные линейные цифровые значения V_d образуют точную и надежную связь с какой-то специфической характеристикой, например с амплитудой каждой степени известного испытательного сигнала, на всем протяжении диапазона известного испытательного сигнала. Показанная вдоль абсциссы графика фиг. 3 зона IRE определяется как выходной диапазон между уровнями, захваченными от испытательного сигнала. A и B являются аналого-цифровыми выходными значениями, определяющими k-ю зону для входного уровня или интервал от V_k до V_k+1 A_t и B_t являются соответствующими правильными (истинными линейными) значениями для этой зоны. Затем с помощью приводимых ниже уравнений можно будет рассчитывать скорректированное значение Y_t для цифрового значения Y нелинейного аналого-цифрового преобразования:

где C_k и D_k являются параметрами, рассчитанными для k-й зоны на основе не измеренных значений A и B для какого-то конкретного аналого-цифрового устройства с помощью соответствующих теоретических аналого-цифровых выходных значений A_t и B_t.

Аналого-цифровой выходной сигнал, который выводится на основе известного испытательного сигнала, например на основе десятиступенчатого сигнала IRE, стробируется в микропроцессор 22, например, для десятиразрядного аналого-цифрового преобразования 12, причем это происходит после регулирования основного коэффициента усиления и смещения постоянного тока в пределах входного контура 10 для ввода сигнала от 0 до + 1 B_pp (pp - двойная амплитуда напряжения). Именно поэтому аналоговое выходное цифровое значение будет колебаться в пределах 2N (с N - 9), т.е. в диапазоне от - 256 до + 255 при поразрядном дополнении смещения до двух. Микропроцессор 22 получает истинные цифровые значения V_t из просмотровой таблицы, хранимой в программирующей памяти 24, для известных уровней IRE. Для специально сконструированного аналого-цифрового преобразователя заранее известны правильные цифровые значения для каждого из этих уровней амплитуды ступенчатого испытательного сигнала IRE; упомянутые значения хранятся в просмотровой таблице в пределах программирующей памяти 24. В ответ на подачу во входной контур 10 каждого уровня ступенчатого испытательного сигнала IRE микропроцессор 22 будет считывать соответствующее истинное цифровое значение V_t из программирующей памяти 24 и будет хранить это истинное цифровое значение в просмотровой таблице линеаризирующей памяти 16, а соответствующее истинное цифровое значение вместе с адресом каждого из истинных цифровых значений, которые хранятся в линеаризирующей памяти 16, будут представлены соответствующими нескорректированными цифровыми данными V_d , образованными преобразователем 12. Микропроцессор 22 запрограммирован на определение аналитическим образом значений между ступенями входного сигнала, что и показано на фиг. 5, для ступени и от V_k до V_k+1. После того как все истинные цифровые значения на протяжении диапазона срабатывания преобразователя 12 будут отправлены на хранение в просмотровую таблицу линеаризирующей памяти 16 и будут храниться в адресе, соответствующем значениям цифровых данных V_d, образуемых преобразователем 12, и в ответ на ввод каждого уровня известного испытательного сигнала, отключаются из работы микропроцессор 22 и программирующая память 24, а линейный аналого-цифровой преобразователь, включающий в себя входной контур 10, сам преобразователь 12 и линеаризирующую память 16, будет иметь возможность точно образовывать и выдавать цифровые значения V_d , демонстрирующие истинную линейную связь со специфической характеристикой, например амплитудой, входного аналогового сигнала V_i на протяжении всего диапазона работы преобразователя 12. Таким образом, только за счет генерирования соответствующего преобразования данных с помощью постоянной памяти ("ROM") 16 мы имеем возможность надежным и недорогим способом полностью устранить или значительно уменьшить нелинейность входа-выхода, присущую аналого-цифровому преобразователю 12 серийного производства.

Показанные на фиг. 6, 7, 8 и 9 графики вычерчены для оценочной платы модели N ТС 1020 EIC девятиразрядного аналого-цифрового преобразователя TRW. График фиг. 6 образует двухкоординатную графическую иллюстрацию фактических и теоретических рабочих характеристик, полученных с помощью одного из вариантов изобретения, который был создан в соответствии с описанными выше принципами настоящего изобретения, тогда как графики на фиг. 7 8 и 9 образуют увеличенные двухкоординатные графические иллюстрации, характеризующие расширенное представление детали смежных секций значений, показанных через графическое представление фиг. 6. Графики фиг. 6, 7, 8 и 9 иллюстрируют выход, аналого-цифровой выход V_o (в виде пунктирных линий) и скорректированные значения (в виде сплошных линий), использующие описанную выше концепцию. Расширенные варианты ясно указывают на возможность практического устранения нелинейности на протяжении всего диапазона цифрового преобразования.

Изобретение относится к способу обработки цифровых сигналов, а точнее к процессам и схемам преобразования аналоговых сигналов в цифровые представления этих аналоговых сигналов. Техническим результатом предложения является создание способа и преобразователя, обладающих повышенной степенью линейности в процессе преобразования, пригодных для выполнения недорогих корректирующих отклонений в линейности независимо от регулировок смещения, усиления и фазы. Способ преобразования аналоговых сигналов в цифровые заключается в преобразовании исходного аналогового сигнала, дискретизированного на заданных временных интервалах, в первую последовательность цифровых сигналов, величины которых соответствуют величинам амплитуд исходного аналогового сигнала на заданных временных интервалах, в первую последовательность цифровых сигналов, величины которых соответствуют величинам амплитуд исходного аналогового сигнала на заданных временных интервалах, формировании последовательности адресных сигналов и последовательности эталонных цифровых сигналов, каждый из которых соответствует одноименному адресному сигналу, отличающийся тем, что эталонные цифровые сигналы формируют в соответствии с линейным изменением амплитуды исходного аналогового сигнала и формируют выходную последовательность цифровых сигналов из эталонных цифровых сигналов, адресные сигналы которых соответствуют цифровым сигналам первой последовательности. 2 с. и 2 з.п. ф-лы, 9 ил.

1. Способ преобразования аналоговых сигналов в цифровые, заключающийся в преобразовании исходного аналогового сигнала, дискретизированного на заданных временных интервалах, в первую последовательность цифровых сигналов, величины которых соответствуют величинам амплитуд исходного аналогового сигнала на заданных временных интервалах, формировании последовательности адресных сигналов и последовательности эталонных цифровых сигналов, каждый из которых соответствует одноименному адресному сигналу, отличающийся тем, что эталонные цифровые сигналы формируют в соответствии с линейным изменением амплитуды исходного аналогового сигнала и формируют выходную последовательность цифровых сигналов из эталонных цифровых сигналов, адресные сигналы окоторых соответствуют цифровым сигналам первой последовательности. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что сформированные эталонные цифровые сигналы сравнивают с одноименными цифровыми сигналами первой последовательности и корректируют их с учетом результатов сравнения. 3. Преобразователь аналогового сигнала в последовательностьть цифровых сигналов, содержащий согласующий элемент, выход которого подключен ко входу аналого-цифрового преобразователя, и блок памяти, отличающийся тем, что в преобразователь введен кодер, блок памяти выполнен программируемым и предназначен для хранения цифровых сигналов, соответствующих линейному изменению амплитуды исходного аналогового сигнала, информационные выходы аналого-цифрового преобразователя подключены к адресным входам программируемого блока памяти, выход которого подключен ко входу кодера. 4. Преобразователь по п.3, отличающийся тем, что преобразователь содержит блок корректирования цифровых сигналов и второй программируемый блок памяти для хранения цифровых сигналов, соответствующих линейному изменению амплитуды исходного аналогового сигнала, шина данных которого соединена с первой шиной данных блока корректирования цифровых сигналов, вторая шина данных которого объединена с адресными входами первого программируемого блока памяти.