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TECHNISCHES GEBIET
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Die vorliegende Anmeldung betrifft Analog-Digital-Wandler-Anordnungen, bei welchen ein analoges Signal in ein digitales Signal gewandelt wird, sowie entsprechende Verfahren.
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HINTERGRUND
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Bei vielen Anwendungen werden analoge Signale, beispielsweise von einem Sensor gelieferte analoge Signale, in digitale Signale umgewandelt und dann digital verarbeitet. Ein Dynamikbereich eines hierfür verwendeten Analog-Digital-Wandlers (A/D-Wandlers) kann hierfür beispielsweise entsprechend einem maximalen Wertebereich eines Eingangssignals ausgelegt, wodurch für alle Signalpegel ein möglichst optimales Signal-Rausch-Verhältnis (SNR, vom Englischen „Signal to Noise Ratio“) erreicht wird.
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Bei manchen Anwendungen ist es jedoch nicht erforderlich, dass das Signal-Rausch-Verhältnis mit einem steigenden Signalpegel korreliert. Dies ist beispielsweise bei manchen Anwendungen der Fall, bei welchen Mikrophone als Signalquellen für analoge Signale verwendet werden. Bei manchen Anwendungen kann bei Mikrophonen ab einem gewissen Schallpegel das Signal-Rausch-Verhältnis gleich bleiben oder abfallen, ohne dass sich hinsichtlich der späteren Verwendung der Signale Probleme ergeben. Wird bei solchen Anwendungen ein entsprechender A/D-Wandler auf den maximalen Wertebereich mit entsprechendem Verlauf des Signal-Rausch-Verhältnisses ausgelegt, ergibt sich im Allgemeinen ein erheblicher Overhead, beispielsweise hinsichtlich benötigter Fläche oder Verlustleistung, oder ist für manche Anwendungen nicht realisierbar, beispielsweise bei Mikrophonen für sehr hohe Schallpegel, beispielsweise bis 140 dBSPL.
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Aus der
US 6 963 733 B2 ist eine automatische Verstärkersteuerung bekannt, welche zwei parallele Wandlungspfade benutzt, bei welchen eine Verstärkung zu verschiedenen Zeiten umgeschaltet wird, um Transienten, welche durch eine schlechte Abstimmung zwischen analogen und digitalen Verstärkern hervorgerufen werden, zu verringern.
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Aus der
US 2011 / 0 033 013 A1 ist ein Radioempfänger mit einer Verstärkungssteuerungsstufe bekannt, bei welcher Filter- und/oder Dezimationsfunktionen vorgesehen sein können.
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Weitere Vorrichtungen mit automatischer Verstärkersteuerung sind aus der
US 2008 / 0 014 889 A1 , der
US 7 327 294 B2 oder der
US 5 844 512 A bekannt.
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Die
US 2006 / 0 222 118 A1 offenbart eine automatische Verstärkungssteuerung für drahtlose Empfänger-Systeme. Dabei wird ein analoges Empfangssignal digitalisiert. Beim Auftreten von Transienten werden Abtastwerte verworfen.
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Die
US 2006 / 0 071 835 A1 offenbart eine Delta-Sigma-Schaltung mit Verstärkungssteuerung, welche einen einstellbaren Verstärker mit nachgeschaltetem Tiefpassfilter aufweist.
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Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Analog-Digital-Wandler-Anordnungen und entsprechende Verfahren bereitzustellen, welche beispielsweise bei analogen Signalen wie Mikrophonsignalen eine effiziente Analog-Digital-Wandlung mit reduziertem Overhead ermöglichen.
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KURZZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Es wird eine Analog-Digital-Wandler-Anordnung nach Anspruch 1 sowie ein Verfahren gemäß Anspruch 12 bereitgestellt. Die Unteransprüche definieren weitere Ausführungsbeispiele.
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Figurenliste
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nunmehr unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:
- 1 ein Blockdiagramm einer Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel,
- 2 ein Blockdiagramm eines Teils einer Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel,
- 3 ein Flussdiagramm zur Veranschaulichung eines Verfahrens gemäß einem Ausführungsbeispiel,
- 4 ein detailliertes Blockdiagramm einer Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel,
- 5 und 6 Simulationen auf Basis der Vorrichtung der 4,
- 7 ein detailliertes Blockdiagramm einer Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel, und
- 8 und 9 Simulationsergebnisse auf Basis der Vorrichtung der 7.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
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Im Folgenden werden verschiedene Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung detailliert erläutert. Es ist zu bemerken, dass diese Ausführungsbeispiele lediglich der Veranschaulichung dienen und nicht als einschränkend auszulegen sind.
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Merkmale verschiedener Ausführungsbeispiele können miteinander kombiniert werden, sofern nichts anderes angegeben ist. Auf der anderen Seite ist eine Beschreibung eines Ausführungsbeispiels mit einer Vielzahl von Merkmalen nicht dahingehend auszulegen, dass alle diese Merkmale zur Ausführung der vorliegenden Erfindung notwendig sind, da andere Ausführungsbeispiele weniger Merkmale und/oder alternative Merkmale aufweisen können.
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Bei beschriebenen Verfahren sind die dargestellten Vorgänge oder Ereignisse nicht notwendigerweise in der dargestellten Reihenfolge auszuführen, sondern bei anderen Ausführungsbeispielen sind auch andere Reihenfolgen und/oder ein gleichzeitiges Ausführen verschiedener Vorgänge oder Ereignisse möglich.
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Bei Ausführungsbeispielen wird ein Analogsignal mit einem analogen Verstärker variabler Verstärkung verstärkt und dann einem Analog-Digital-Wandler zugeführt. Nach dem Analog-Digital-Wandler erfolgt eine digitale Verstärkung des Signals mit variabler Verstärkung. Bei Ausführungsbeispielen kann die Verstärkung des analogen Verstärkers einer Signalstärke eines analogen Signals angepasst werden, beispielsweise um den Analog-Digital-Wandler nicht zu übersteuern. Die Verstärkung des digitalen Verstärkers kann dann ebenfalls angepasst werden, so dass eine Gesamtverstärkung des analogen und des digitalen Verstärkers gleich bleibt. Dabei können die Auswirkungen von Transienten, welche bei einer Veränderung der Verstärkung des analogen Signals entstehen, auf verschiedene Weise verringert werden, beispielsweise durch Filterung, Interpolation und/oder Wiederholung von Signalen.
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In 1 ist ein Blockdiagramm eines Ausführungsbeispiels einer Analog-Digital-Wandler-Anordnung 10 dargestellt. Die Analog-Digital-Wandler-Anordnung 10 empfängt ein Eingangssignal Sein von einer Quelle 11. Die Quelle 11 kann beispielsweise einen Sensor umfassen, welcher analoge Signale erzeugt, beispielsweise ein Mikrophon. Zusätzlich kann die Quelle 11 auch weitere Elemente umfassen, welche die vom Sensor erzeugten Signale verarbeitet, beispielsweise Stromsignale in Spannungssignale umwandelt oder umgekehrt, Signale filtert oder dergleichen.
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Das Signal Sein wird einem variablen analogen Verstärker 13 der Analog-Digital-Wandler-Anordnung 10, d.h. einem analogen Verstärker mit einstellbarer Verstärkung, zugeführt. Dem variablen Verstärker 13 ist eine Bandbegrenzung 14 nachgeschaltet, welche beispielsweise als Tiefpass ausgestaltet sein kann und welche beispielsweise zum Reduzieren von Aliasing-Effekten dienen kann. Es ist zu bemerken, dass die Bandbegrenzung 14 als expliziter Tiefpass realisiert sein kann, sich jedoch auch aus intrinsischen Eigenschaften der verwendeten Bauelemente der Analog-Digital-Wandler-Anordnung 10 ergeben kann, also keine explizite Bandbegrenzung bereitgestellt sein muss.
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Das so bandbegrenzte verstärkte Analogsignal wird einem Analog-Digital-Wandler 15 zugeführt, wobei hier im Wesentlichen jede herkömmliche Art von Analog-Digital-Wandler verwendet werden kann, beispielsweise Flash-Wandler, rückgekoppelte Wandler wie sogenannte Nachlaufwandler oder Wandler, die nach dem Prinzip der sukzessiven Approximation arbeiten, oder auch Delta-Sigma-Wandler.
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Das so erzeugte digitale Signal wird einer digitalen Rekonstruktionseinrichtung 16 zugeführt. Die digitale Rekonstruktionseinrichtung 16 führt bei manchen Ausführungsbeispielen eine Verstärkung des digitalen Signals aus. Zudem werden durch die Rekonstruktionseinrichtung 16 Maßnahmen ergriffen, um Auswirkungen von Transienten, welche sich bei einer Änderung der Verstärkung des variablen Verstärkers 13 ergeben, abzumildern oder zu beseitigen, was später näher erläutert werden wird.
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Dabei steuert bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel eine Steuerung 12 eine Verstärkung des variablen Verstärkers 13 und eine Verstärkung der digitalen Rekonstruktionseinrichtung 16 derart, dass eine Gesamtverstärkung konstant oder annähernd konstant bleibt, so dass ein Ausgangssignal Saus gegenüber dem Eingangssignal Sein um eine konstante Verstärkung verstärkt ist, was bei manchen Anwendungen für eine nachfolgende Verarbeitung des Signals Saus wünschenswert ist. Bei anderen Ausführungsbeispielen kann auch eine Gesamtverstärkung verändert werden.
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Um eine Verstärkung des variablen Verstärkers 13 (und somit auch der digitalen Rekonstruktionseinrichtung 16 in Fällen, in denen die Gesamtverstärkung gleich bleibt) zu bestimmen, kann das Signal Sein einer Steuerung 12 zugeführt werden. Die Steuerung 12 passt dann die Verstärkung des variablen Verstärkers 13 einem Wertebereich des Analog-Digital-Wandlers 15 an, insbesondere derart, dass der Analog-Digital-Wandler 15 nicht übersteuert wird. Dies wird bisweilen auch als Komprimierung des Signalpfads bezeichnet. Die entsprechende Verstärkung der in der digitalen Rekonstruktionseinrichtung 16 wird dann entsprechend als Dekomprimierung bezeichnet. Insbesondere kann mittels derartiger gegenläufiger Verstärkungen der Analog-Digital-Wandler 15 kleiner, beispielsweise mit einem geringerem Eingangswertebereich und/oder einer geringeren Anzahl von Bits, ausgestaltet werden, als dies bei einem Analog-Digital-Wandler, welcher stets einen gesamten Wertebereich eines Eingangssignals mit fester Verstärkung verarbeiten muss, der Fall ist.
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Zu bemerken ist, dass unter einer Verstärkung auch eine Verstärkung mit einem Verstärkungsfaktor kleiner als 1, d.h. eine effektive Abschwächung des Signals, sein kann. Beispielsweise kann, wenn ein Ausgangspegel des Signals Sein zu groß für einen möglichen Eingangsbereich des Analog-Digital-Wandlers 15 ist, der variable Verstärker 13 das Signals Sein soweit abschwächen, dass es dem Eingangswertebereich des Analog-Digital-Wandlers 15 entspricht.
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Weiter ist zu bemerken, dass die Steuerung 12, statt das Signal Sein direkt zu erhalten, auch ein anderes von dem Signal Sein abhängiges Signal oder ein die Signalstärke von Sein kennzeichnendes Signal auswerten kann, um den variablen Verstärker 13 und/oder die digitale Rekonstruktionseinrichtung 16 zu steuern. Beispielsweise kann ein anderes in der Vorrichtung der 1 vorliegendes und von Sein abhängiges Signal herangezogen werden, z.B. ein Ausgangssignal des Analog-Digital-Wandlers 15 oder ein anderes digitales Signal wie das Signal Saus. Ein derartiges Signal kann auch integriert werden, um ein integrales Maß der Signalstärke von Sein zu liefern. Bei manchen Ausführungsbeispielen kann ein Signal, welches eine Information bezüglich der Signalstärke von Sein beinhaltet, auch aus einer anderen Quelle, z.B. einem separaten Sensor, stammen. Somit gibt es verschiedene Möglichkeiten, den variablen Verstärker 13, insbesondere seine Verstärkung, direkt oder indirekt in Abhängigkeit von dem Signal Sein zu steuern.
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In 2 ist ein Teil eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung näher dargestellt. Insbesondere ist eine digitale Rekonstruktionseinrichtung 26 näher erläutert, welche beispielsweise als digitale Rekonstruktionseinrichtung 16 der 1 dienen kann, jedoch auch unabhängig von dieser bei anderen Ausführungsbeispielen verwendet werden kann. Die digitale Rekonstruktionseinrichtung 26 empfängt ein digitales Signal von einem Analog-Digital-Wandler 25 und wird von einer Steuerung 22 gesteuert. Die Steuerung 22 und der Analog-Digital-Wandler 25 können bei manchen Ausführungsbeispielen entsprechend der Steuerung 12 der 1 bzw. entsprechend dem Analog-Digital-Wandler 15 der 1 eingerichtet sein.
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Die digitale Rekonstruktionseinrichtung 26 der 2 umfasst ein digitales Filter 27 zum Filtern des Digitalsignals 25. Das digitale Filter 27 kann beispielsweise ein Filter mit endlicher Impulsantwort (FIR-Filter, vom Englischen „Finite Impulse Response“) sein. Durch das digitale Filter 27 können Transienten, welche durch das Umschalten oder eine Änderung einer Verstärkung eines dem Analog-Digital-Wandler 25 vorgeschalteten Verstärkers wie des Verstärkers 13 der 1 verkürzt und/oder abgeschwächt werden. Diese Länge der Transienten hängt dabei unter anderem von einer Zeitkonstanten bzw. von Polstellen einer Bandbegrenzung wie der Bandbegrenzung 14 der 1 ab.
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Dem digitalen Filter 27 ist bei dem Ausführungsbeispiel der 2 eine weitere Rekonstruktionseinrichtung 28 nachgeschaltet, welche im Falle eines Umschaltens oder einer Änderung der Verstärkung des oben erwähnten Analog-Verstärkers von der Steuerung 22 aktiviert wird. Die weitere Rekonstruktionseinrichtung 28 rekonstruiert insbesondere denjenigen Abschnitt des Signals, in welchem noch die durch das digitale Filter 27 verkürzte und/oder abgeschwächte Transiente vorliegt. Dies kann beispielsweise durch Interpolation zwischen Werten vor der Transienten und Werten nach der Transienten geschehen, oder auch durch Wiederholung mittels eines sogenannten Repeaters, wobei beispielsweise die Transiente durch ein Wiederholen einer Signalfolge unmittelbar vor der Transienten ersetzt wird.
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Der weiteren Rekonstruktionseinrichtung 28 ist dann eine digitale variable Verstärkung 29 nachgeschaltet, welche bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel von der Steuerung 22 derart gesteuert wird, dass sie eine Änderung einer Verstärkung des dem Analog-Digital-Wandler 25 vorgeschalteten analogen Verstärkers ausgleicht, so dass eine Gesamtverstärkung konstant bleibt. Wiederum kann bei anderen Ausführungsbeispielen die Gesamtverstärkung auch veränderbar sein, falls dies für eine jeweilige Anwendung vorteilhafter ist. Durch die Kombination aus digitalem Filter 27 und der weiteren Rekonstruktionseinrichtung 28 können Auswirkungen von Transienten verringert werden und somit auch bei einer kleineren Ausgestaltung des Analog-Digital-Wandlers 25 ein gutes Signal-Rausch-Verhältnis erhalten werden, wie dies später anhand von Simulationen noch näher erläutert werden wird.
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Zu bemerken ist, dass bei manchen Ausführungsbeispielen das digitale Filter 27 auch weggelassen sein kann. In diesem Fall kann die weitere digitale Rekonstruktionseinrichtung 28 eingerichtet sein, das Signal entsprechend der ursprünglichen Länge der Transienten zu rekonstruieren, beispielsweise durch Interpolation oder durch Wiederholung. Bei wieder anderen Ausführungsbeispielen kann die weitere Rekonstruktionseinrichtung 28 weggelassen sein. In diesem Fall liegt durch das digitale Filter 27 lediglich eine verkürzte und/oder abgeschwächte Transiente und z.B. keine Transiente voller Länge mehr vor. Des Weiteren ist zu bemerken, dass bei anderen Ausführungsbeispielen auch andere Anordnungen der Elemente 27-29 möglich sind. Beispielsweise kann bei einem Ausführungsbeispiel die digitale Verstärkung 29 dem digitalen Filter 27 nachgeschaltet sein, und die weitere Rekonstruktionseinrichtung 28 kann dann der digitalen Verstärkung 28 nachgeschaltet sein. Die Reihenfolge der Einheiten 28, 29 kann also beispielsweise vertauscht sein.
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In 3 ist ein Flussdiagramm zur Veranschaulichung eines Verfahrens gemäß einem Ausführungsbeispiel dargestellt. Das Verfahren der 3 kann insbesondere in den bereits diskutierten Vorrichtungen der 1 und 2 oder in den später zu diskutierenden Vorrichtungen der 4 und 7 implementiert sein, kann jedoch auch unabhängig hiervon verwendet werden. Variationen und Abwandlungen, welche im Hinblick auf die oben erwähnten Vorrichtungen diskutiert wurden, können auch in entsprechender Form auf das Verfahren der 3 angewendet werden.
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Bei 30 wird ein analoges Signal, beispielsweise ein Ausgangssignals eines Sensors wie eines Mikrophons, verstärkt. Bei 31 wird das verstärkte analoge Signal in ein digitales Signal gewandelt. Bei 32 wird dann das digitale Signal verstärkt. Zu bemerken ist, dass insbesondere bei niedrigen Signalpegeln die digitale Verstärkung auch weggelassen sein kann (entspricht einem Verstärkungsfaktor von 1). 30-32 können beispielsweise einen Betrieb einer entsprechenden Vorrichtung bei niedrigen Signalpegeln beschreiben.
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Bei 33 wird die Verstärkung des analogen Signals geändert, was zu einer Transienten in dem Signal führen kann, welche insbesondere durch eine Bandbegrenzung verursacht sein kann. Beispielsweise kann sich ein Signalpegel des analogen Signals derart erhöhen, dass ein Eingangsbereich eines für die Wandlung bei 31 verwendeten Analog-Digital-Wandlers überschritten würde. In diesem Fall kann die Verstärkung des analogen Signals beispielsweise verringert werden. Bei 34 wird die Auswirkung der Transienten verringert, beispielsweise durch eine digitale Filterung, eine Interpolation und/oder ein Wiederholen von einer Signalfolge vor der Transienten anstatt der Transienten. Bei 35 wird schließlich eine Verstärkung des digitalen Signals derart geändert, dass eine Gesamtverstärkung unter Berücksichtigung der Verstärkung des analogen Signals und der Verstärkung des digitalen Signals konstant bleibt.
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In 4 ist ein Blockdiagramm eines weiteren Ausführungsbeispiels schematisch dargestellt. Die in 4 dargestellte Vorrichtung stellt dabei insbesondere ein Modell dar, welches für nachfolgend unter Bezugnahme auf 5 und 6 diskutierte Simulationen verwendet wurde. Dabei ist das Ausführungsbeispiel der 4 eine Variante, bei welcher eine Verringerung von Auswirkungen einer Transienten nur durch ein digitales Filter 410 ohne weitere Maßnahmen wie Interpolation oder Wiederholung von Signalwerten erfolgt.
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Ein Eingangssignal 40, beispielsweise aus einer Quelle, welche einen Sensor wie ein Mikrophon enthält, wird einem als Multiplizierer repräsentierten analogen Verstärker 43 zugeführt. Das Übertragungsverhalten dieses Zuführens kann durch eine entsprechende Transferfunktion 41 beschrieben werden. Eine Verstärkung, insbesondere eine durch das Divisionszeichen des Elements 43 repräsentierte Abschwächung, wird dabei durch später beschriebene Elemente 415 bis 432 bestimmt. Das so verstärkte Signal wird einem Quantisierer 48, also einem Analog-Digital-Wandler, zugeführt, wobei dieses Zuführen im Fall der 4 durch eine Transferfunktion 44, welche insbesondere ein Tiefpassfilter erster Ordnung umfassen kann, ein Halteglied nullter Ordnung 46 sowie einen Addierer 47, über welchen Rauschen 47 zu dem Signal hinzugeführt wird, dargestellt ist.
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Dem Quantisierer 48 ist bei der Darstellung der 4 ein Sättigungselement 49 gefolgt von einem digitalen Filter 410 mit endlicher Impulsantwort erster Ordnung, dessen Funktion es ist, eine Länge von Transienten bei einer Änderung der Verstärkung des Verstärkers 43 zu verkürzen, wie bereits unter Bezugnahme auf 2 beschrieben, nachgeschaltet. Dem digitalen Filter 410 ist ein als Multiplizierer dargestellter digitaler Verstärker 411 nachgeschaltet, welcher über ein Verzögerungsglied 433 den gleichen Verstärkungsfaktor wie der analoge Verstärker 43 erhält, wobei dieser Verstärkungsfaktor im Falle des digitalen Verstärkers 411 multiplikativ, im Falle des analogen Verstärkers 43 jedoch als Division angewendet wird, so dass die Gesamtverstärkung gleich bleibt. Das Verzögerungsglied 433 berücksichtigt dabei die Laufzeit von dem analogen Verstärker 43 zu dem digitalen Verstärker 411. Dieser Verstärkungsfaktor kann auch bei 434 abgegriffen werden.
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Das so digital verstärkte Ausgangssignal kann mittels eines Schalters 413 an einem Ausgang 414 wahlweise direkt oder über ein Verzögerungsglied 412 verzögert abgegriffen werden. Zu Testzwecken kann über den Schalter 413 auch ein konstanter Wert 435 an dem Ausgang 414 ausgegeben werden.
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Zur Bestimmung des Verstärkungsfaktors wird das dem analogen Verstärker 43 zugeführte Signal einem Halteglied nullter Ordnung 415 gefolgt von einer Einheit 416 zur Absolutwertbildung zugeführt. Von dem so gebildeten Absolutwert werden dann den Subtrahierern 422 bis 426 verschiedene Konstanten 417-421, welche in den dargestellten Beispielen Werten von 2, 4, 8, 16 und 32 entsprechen, abgezogen. Die sich so ergebenden Differenzen werden weiter Elementen 427 bis 431 zugeführt, welche im Wesentlichen überprüfen, ob sich die durch die Subtrahierer 422 ergebenden Differenzen jeweils in einem bestimmten Bereich bewegen, und das Ergebnis an einen Addierer 432 weitergeben. Auf diese Weise wird der Absolutwert des Eingangssignals des Verstärkers gleichsam mit verschiedenen Schwellenwerten, welche den Konstanten 417 bis 421 entsprechen, verglichen, und in Abhängigkeit von diesen Vergleichen wird von dem Addierer 432 ein entsprechender Verstärkungsfaktor ausgegeben, welcher umso höher ist, desto höher der Absolutwert des Eingangssignals ist, um somit eine entsprechend stärkere Signalabschwächung in dem Verstärker 43 und korrespondierend eine höhere Verstärkung in dem Verstärker 411 hervorzurufen.
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Transienten, welche durch Änderungen dieses Verstärkungsfaktors erzeugt werden, werden wie bereits beschrieben durch das digitale Filter 410 verkürzt.
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In den 5 und 6 sind Simulationsergebnisse auf Basis der Vorrichtung der 4 dargestellt, um die Wirkungsweise des Ausführungsbeispiels der 4 zu veranschaulichen. Dabei ist jeweils ein Signal-Rausch-Verhältnis SNR über einem Signalpegel SPL des Eingangssignals angegeben.
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In 5 ist dabei zu sehen, dass bis zu einer Signalstärke von knapp 100 dB das Signal-Rausch-Verhältnis entsprechend der Signalstärke ansteigt. Eine Kurve 52 zeigt dann das weitere Verhalten in einem ersten Fall, bei welchem keine Komprimierung und Dekomprimierung des Signalpfads, d.h. keine Abschwächung des Signals vor einem Analog-Digital-Wandler mit nachfolgender Verstärkung nach dem Analog-Digital-Wandler, vorgesehen ist.
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Eine Kurve 51 zeigt den Verlauf des Signal-Rausch-Verhältnisses in einem Fall, in welchem eine derartige Komprimierung und Dekomprimierung erfolgen, aber kein Filter zur Verkürzung und/oder Abschwächung der Transienten vorgesehen ist, also im Wesentlichen das Filter 410 der 4 weggelassen ist. Eine Kurve 50 zeigt schließlich das Verhalten mit Filter. Wie hier zu sehen ist, wird im Falle der Kurve 50 bei hohen Signalstärken das beste Signal-Rausch-Verhältnis erreicht.
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Die Kurven der 5 zeigen insofern einen idealen Fall, als dass hier eine Eckfrequenz der Bandbegrenzung, beispielsweise des oben erwähnten Tiefpassfilters, exakt einen nominellen Wert aufweist und insbesondere das verwendete Filter exakt auf diesen nominellen Wert abgestimmt ist. In der Praxis kann es jedoch beispielsweise durch Prozess- oder Temperaturschwankungen zu einer Variation der Eckfrequenz kommen. 6 zeigt Kurven entsprechend den Kurven der 5 für den Fall, dass die Eckfrequenz um 10 % von ihrem nominellen Wert abweicht. Kurve 62 zeigt das Verhalten ohne Komprimierung und Dekomprimierung, eine Kurve 61 zeigt das Verhalten mit Komprimierung und Dekomprimierung, aber ohne Filter, und eine Kurve 60 zeigt das Verhalten mit Komprimierung und Dekomprimierung und mit entsprechendem Filter. Auch wenn die Werte des Signal-Rausch-Verhältnisses entsprechend der Kurve 60 unter denen der Kurve 50 der 5 liegen, ist das Signal-Rausch-Verhältnis dennoch deutlich besser als im Fall ohne Filter.
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Ein weiteres Ausführungsbeispiel, für welches Simulationen durchgeführt wurden, ist in 7 dargestellt. Das Ausführungsbeispiel der 7 stellt gleichsam eine Erweiterung des Ausführungsbeispiels der 4 dar, wobei hier zusätzlich eine Interpolation erfolgt, um die Werte, welche während des Auftretens der (durch Filter verkürzten) Transienten vorliegen, durch interpolierte Werte zu ersetzen.
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Dabei entsprechen Elemente 70 bis 711 Elementen 40 bis 411 der 4, Elemente 715 bis 732 der 7 entsprechen Elementen 415 bis 432 der 7 und Elemente 713, 714 und 735 entsprechen Elementen 413, 414 und 435 der 4. Diese Elemente werden hier nicht nochmals beschrieben.
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Zwischen dem Schalter 713 und dem Ausgang 714 und dem digitalen Verstärker ist im Falle der 7 noch eine Interpolationsschaltung geschaltet, welche zudem den Verstärkungsfaktor als Eingangswert erhält. Insbesondere umfasst diese Interpolationsschaltung ein dem Verstärker 711 nachgeschaltetes Verzögerungsglied 736, ein weiteres Verzögerungsglied 737, welches eine höhere Verzögerung, beispielsweise die vierzehnfache Verzögerung des Verzögerungsglieds 736 aufweist, Subtrahierer 738, 739, und ein weiteres Verzögerungsglied 741. Zur Auswertung des Verstärkungsfaktors umfasst die Interpolationsschaltung weiterhin Schalter 743, 752, welchen konstante Werte 742 bzw. 749, 751 zuführbar sind, getriggerte Subsysteme 744, 750, einen Differenzierer 746, eine Einrichtung zur Absolutwertbildung 747, und weitere Filter 745 und 753, welche als diskrete FIR-Filter ausgestaltet sind. Diese Komponenten der Interpolationsschaltung sind wie in 7 dargestellt miteinander verschaltet. Es ist zu bemerken, dass dieser Aufbau einer Interpolationsschaltung lediglich als Beispiel dient, und jede beliebige Art von Interpolationsschaltungen verwendet werden kann. Das Ausführungsbeispiel der 7 zeigt dabei insbesondere eine lineare Interpolation, wobei auch andere Arten der Interpolation möglich sind.
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Wie bereits erwähnt kann statt des Interpolierens auch ein Wiederholen von Werten verwendet werden. Hierzu können beispielsweise eine Reihe von Signalwerten des digitalisierten Signals in einem Speicher gespeichert werden und im Falle des Auftretens einer Transienten statt der Werte der Transienten wieder aus dem Speicher ausgelesen werden. Manche Ausführungsbeispiele können sowohl über eine Interpolationseinrichtung als auch über eine Einrichtung zur Ausgabe wiederholter Werte verfügen, wobei hier beispielsweise die Auswahl, welches Verfahren angewendet werden soll, benutzergesteuert erfolgen kann.
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In den 8 und 9 sind Simulationen auf Basis des Ausführungsbeispiels der 7 dargestellt. 8 zeigt dabei Diagramme entsprechend denen der 5, d.h. mit einer nominellen Eckfrequenz. Dabei entspricht eine Kurve 82 der Kurve 52 der 5, d.h. ohne Komprimierung und Dekomprimierung, und eine Kurve 81 zeigt eine Kurve mit Dekomprimierung und Komprimierung, aber ohne Filterung und Interpolation, d.h. eine Kurve entsprechend der Kurve 51 der 5. Die Kurve 80 zeigt schließlich eine Simulation für den Fall mit digitaler Filterung und Interpolation. In diesem Fall werden die besten Signal-Rausch-Verhältnisse bei hohen Eingangssignalpegeln erzielt.
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9 zeigt wiederum Simulationen für einen Fall, bei welchem eine Eckfrequenz einer Bandbegrenzung von einem nominellen Wert um 10 % abweicht. Eine Kurve 92 zeigt wiederum den Fall ohne Komprimierung und Dekomprimierung, eine Kurve 91 zeigt einen Fall mit Komprimierung und Dekomprimierung, jedoch ohne Filterung und Interpolation, und eine Kurve 90 zeigt einen Fall mit Komprimierung und Dekomprimierung sowie mit Filterung und Interpolation. Verglichen mit dem Fall der 6 ist festzustellen, dass bei zusätzlicher Verwendung von Interpolation auch bei einer Variation der Eckfrequenz kaum ein merklicher Abfall des Signal-Rausch-Verhältnisses bei hohen Signalintensitäten erfolgt. Zu bemerken ist jedoch, dass, da eine Interpolationsschaltung aufwändiger zu implementieren ist, auch Ausführungsbeispiele ohne Interpolationsschaltung verwendet werden können, wenn die so erreichte Signalqualität akzeptabel ist.
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Die obigen Simulationen sind dabei lediglich zur Veranschaulichung gedacht, und die genauen Kurven bei tatsächlichen Implementierungen der dargestellten Ausführungsbeispiele können von den dargestellten Kurven je nach Implementierung mehr oder weniger deutlich abweichen.
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Wie bereits bemerkt ist die Darstellung einer Vielzahl von Ausführungsbeispielen nicht dahingehend auszulegen, dass der Bereich der Erfindung auf diese Ausführungsbeispiele beschränkt ist, da die hier erläuterten Konzepte und Herangehensweisen auch auf andere Weise als konkret in den Ausführungsbeispielen dargestellt implementiert werden können.
