DE60306629T2

DE60306629T2 - Erweiterter Dynamikbereich für Digital-Analog-Wandlung

Info

Publication number: DE60306629T2
Application number: DE60306629T
Authority: DE
Inventors: Ian Stuart Venice Robinson
Original assignee: Northrop Grumman Corp
Current assignee: Northrop Grumman Systems Corp
Priority date: 2003-06-18
Filing date: 2003-11-11
Publication date: 2007-06-28
Anticipated expiration: 2023-11-12
Also published as: DE60306629D1; JP2005012750A; US6822595B1; EP1489748B1; EP1489748A1

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein elektronische Vorrichtungen und im Besonderen zur Digital/Analog-Wandlung der in dem Oberbegriff von Anspruch 1 definierten Art.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Moderne Sender für Anwendungen wie beispielsweise mobile, persönliche und Satelliten-Kommunikationen verwenden digitale Modulationstechniken, wie beispielsweise die Quadraturphasenumtastung ("quadrature phase-shift keying"; QPSK) in Kombination mit einer CDMA ("code division multiple access"; Codemultiplex-Mehrfachzugangs) -Kommunikation bzw. -Datenübertragung. Das Formen der Datenpulse schwächt Außerband-Emissionen dahingehend ab, in benachbarten Spektralkanälen aufzutreten, erzeugt jedoch sich zeitlich ändernde Umhüllende. Eine gleichzeitige Aussendung bzw. Übertragung von Mehrfachträgern simultan führt ebenfalls zu sich mit der Zeit verändernden Umhüllenden. In vielen Fällen zeigen die sich mit der Zeit verändernden Umhüllenden große, aber seltene Spitzen. Diese Spitzen bedingen, dass Digital/Analog-Wandler ("digital-to-analog converters"; DAC) im Sender dynamische Bereiche aufweisen müssen, welche die Spitzenwerte umfassen, um ein Abschneiden des Signals zu vermeiden, was eine erhebliche Verzerrung des Signals bewirken würde. Diese Signalverzerrung kann sowohl zu Fehlern in den gewünschten Signalen als auch zu verstärkten Außerband-Abstrahlungen führen.
Der dynamische Bereich bezieht sich auf das Verhältnis zwischen dem größten Signal und dem Rauschpegel des D/A-Wandlers. Rauschquellen umfassen elektronisches Rauschen, Quantisierungsrauschen und Störsignale, die sich aus Nichtlinearitäten im D/A-Wandler ergeben. Der dynamische Bereich kann in Dezibel oder effektiven Bits gemessen werden.
Ein D/A-Wandler stellt Ausgangssignale über einen bestimmten Spannungsbereich bereit. Um über einen weiten Bereich hinweg zu arbeiten, werden sowohl die Spannungsstufengröße zwischen den Ausgabe als auch das zugehörige Quantisierungsrauschen erhöht, oder der dynamische Bereich muss erhöht werden. Für herkömmliche Mehrbit-D/A-Wandler ist das Quantisierungsrauschen als eine Funktion der Frequenz vergleichsweise konstant und erstreckt sich vom Gleichstrom zu einer Hälfte der Umwandlungsrate. Delta-Sigma-D/A-Wandler weisen ein sehr geringes Quantisierungsrauschen in ausgewählten Durchgangsbändern und hohe Rauschpegel sonst auf. Das Quantisierungsrauschen, welches in der Signalkette nicht gefiltert wird, wird verstärkt und ausgesendet und trägt so zu empfangenen Bitfehlern bei und bewirkt eine Interferenz in benachbarten Spektralbereichen.
In letzter Zeit hat sich ein neuer CDMA-Standard entwickelt, der als WCDMA ("wide code division multiple access", Breitband-Codemultiplex-Mehrfachzugang) bezeichnet wird, welcher mehrfache Frequenzträger verwendet. WCDMA weist Signalamplituden auf, welche sich über die Zeit erheblich verändern, wodurch große Spitzen-zu-Durchschnitt-Verhältnisse erzeugt werden. Andere Standards, welche Mehrfachträger oder ähnliche Rausch-geformten Signaturen umfassen (z. B. OFDM ("Orthogonal frequency-division multiplexing", orthogonales Frequenzmultiplexen) oder GSM ("Global System for Mobile Communication")) weisen ähnlich große Spitzen-zu-Durchschnitts-Verhältnisse auf. Diese Standards werden von zunehmend strikten internationalen Standards und nationalen Vorschriften bestimmt, welche niedrige Außerband-Abstrahlungen verlangen. Daher werden D/A-Wandler benötigt, die in der Lage sind, Signale mit hohen Spitzen-zu-Durchschnitts-Verhältnissen und/oder mit einem großen dynamischen Bereich in Anwendungen umzuwandeln, welche diese Standards nutzen, und zwar im Licht ihres großen zugeordneten Spitzen-zu-Durchschnitts-Signalverhältnisses.
Die US-Patentanmeldung 20020120457 offenbart ein System zum Nachstellen des dynamischen Betriebsbereichs eines Digital/Analog-Wandlers (DAC) in einem drahtlosen Kommunikationsgerät. Dieses System umfasst einen Empfänger, einen Speicher, einen Digital/Analog-Wandler und einen Lautsprecher. Das System empfängt ein digitales Signal von einer entfernten Stelle und bestimmt den geeigneten dynamischen Bereich, an welchem der Digital/Analog-Wandler arbeiten soll. Das System umfasst auch einen (DRC), welcher digitale Signale verarbeitet. Der Dynamikbereich-Controller erzeugt wahlweise ein Steuersignal, um den dynamischen Betriebsbereich des D/A-Wandlers auf der Grundlage eines empfangenen digitalen Signals, einer Eigenschaft eines gespeicherten digitalen Signals, einer Eigenschaft einer anderen Eingabe oder dergleichen nachzustellen. Das System kann auch eine Zeitschaltung umfassen, um den Dynamikbereich-Controller zu steuern. Das System kann Steuersignale erzeugen, um den dynamischen Betriebsbereich des D/A-Wandlers auf der Grundlage einer Eigenschaft eines digitalen Signals vom Empfänger nachzustellen. Der Dynamikbereich-Controller identifiziert eine Eigenschaft des empfangenen Signals, welche angibt, dass das Signal ein digitales Sprachsignal ist, und erzeugt Steuersignale, um den dynamischen Betriebsbereich des D/A-Wandlers festzusetzen.
US 5,270,715 offenbart einen Mehrkanal-D/A-Wandler, welcher eine Vielzahl von D/A-Wandlern in einem einzelnen Chip integriert. Der Mehrkanal-D/A-Wandler umfasst einen Dateneingabeanschluss, eine Vielzahl von Datenausgabeanschlüssen, die der Vielzahl der D/A-Wandler entsprechen und einen Referenzspannungseinstellanschluss, der für die Vielzahl der D/A-Wandler gemein ist. Er umfasst weiterhin ein Schieberegister, welches externe Eingabedaten vom Dateneingabeanschluss seriell empfängt, um die Daten in Form von D/A-Umwandlungsdaten, Dynamikbereich-Einstelldaten und Adressdaten zu speichern, ein D/A-Wandlerauswahlmittel zum Auswählen eines aus der Vielzahl der D/A-Wandler als eine Funktion der Adressdaten, um den ausgewählten D/A-Wandler dazu zu bringen, eine D/A-Wandlung an den D/A-Wandlerdaten durchzuführen. Er umfasst ferner ein Dynamikbereich-Einstellmittel zum Einstellen eines dynamischen Bereichs für eine analoge Ausgabe des ausgewählten D/A-Wandlers als eine Funktion einer Referenzspannung, welche vom Referenzspannungseinstellanschluss bereitgestellt wird, und der Dynamikbereich-Einstelldaten, um die analoge Ausgabe von einem der Datenausgabeanschlüsse auszugeben, welcher dem ausgewählten D/A-Wandler entspricht.
Das Dynamikbereich-Einstellmittel stellt den dynamischen Bereich für den analogen Ausgang des ausgewählten D/A-Wandlers als eine Funktion der Referenzspannung, welche vom Referenzspannungs-Einstellanschluss bereitgestellt wird, und der Dynamikbereich-Einstelldaten ein, welche in Übereinstimmung mit jedem der D/A-Wandler angelegt wird, um die analoge Ausgabe von dem entsprechenden Ausgabeanschluss auszugeben. Daher kann der individuelle dynamische Bereich in jedem der D/A-Wandler eingestellt werden. Der externe Anschluss, der zum Einstellen der dynamischen Bereiche der entsprechenden D/A-Wandler benötigt wird, ist nur der Referenzspannungseinstellanschluss, welcher der Vielzahl der D/A-Wandler gemein ist, als auch der Dateneingabeanschluss zum seriellen Eingeben der D/A-Wandlerdaten und der Dynamikbereich-Einstelldaten.
US 6,362,764 offenbart eine niedrigrauschende D/A-Wandlervorrichtung mit hohem Dynamikbereich, welche ein Überblenden durch Verwenden eines Verzögerungsspeichers ermöglicht. Diese D/A-Wandlervorrichtung umfasst einen digitalen Signalprozessor (DSP), welcher eine Pegelumwandlung der gleichen digitalen Eingabedaten durch unterschiedliche Umwandlungsfaktoren in eine Vielzahl von pegelumgewandelten Digitaldaten ausführt. Der DSP wählt die am besten geeigneten Daten der Vielzahl von pegelumgewandelten Digitaldaten aus und gibt sie aus und schaltet zwischen den vorher als den am besten geeigneten Daten ausgewählten Daten aus, als auch zwischen Daten, welche neu als die am besten geeigneten Daten ausgewählt wurden, und zwar durch Ausführen eines Überblendens zwischen den vorher ausgewählten Daten und den neu ausgewählten Daten. Die D/A-Wandlervorrichtung weist eine Vielzahl von D/A-Wandlern auf, welche eine D/A-Wandlung der Vielzahl von Pegel-umgewandelten Digitaldaten, die von dem DSP ausgegeben werden, in entsprechende analoge Signale durchführt, und gibt die analogen Signale aus. Ferner weist die D/A-Wandlervorrichtung eine analoge Additionsvorrichtung auf, welches die Pegelumwandlung der analogen Signale, die von der Vielzahl der D/A-Wandler ausgegeben werden, durchführt, und zwar wiederum auf der Grundlage entsprechend zugehöriger Umwandlungsfaktoren dergestalt, dass sich ergebende Analogsignale einen Pegel aufweisen, der einem Pegel der digitalen Eingangsdaten entspricht, und dann alle Pegel-umgewandelten Analogsignale aufaddiert.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Das Folgende stellt eine vereinfachte Zusammenfassung der Erfindung dar, um ein grundsätzliches Verständnis einiger Gesichtspunkte der Erfindung bereitzustellen. Diese Zusammenfassung ist kein erschöpfender Überblick über die Erfindung. Sie ist weder dazu gedacht, Schlüssel- oder kritische Elemente der Erfindung zu identifizieren, noch den Umfang der Erfindung zu umreißen. Ihr einziger Zweck ist es, einige Konzepte der Erfindung in einer vereinfachten Form als ein Auftakt für die genauere Beschreibung darzulegen, welche später dargestellt wird.
Die vorliegende Erfindung betrifft ein System zum Umwandeln eines digitalen Eingangssignals in ein analoges Ausgangssignal, wie in Anspruch 1 definiert. Das System arbeitet, um den unmittelbaren dynamischen Bereich eines Systems einer oder mehrerer D/A-Wandlervorrichtungen als Antwort auf eine Eigenschaft des Eingangssignals zu verändern, um das bei der Umwandlung erzeugte Quantisierungsrauschen zu abzuschwächen. Weitere Gesichtspunkte der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.
Um das oben Gesagte und verwandte Aufgaben zu lösen, werden bestimmte dargestellte Gesichtspunkte der Erfindung hierin zusammen mit der folgenden Beschreibung und den beigefügten Zeichnungen beschrieben. Diese Gesichtspunkte zeigen jedoch lediglich einige von verschiedenen Arten, in welchen die Grundlagen der Erfindung umgesetzt werden können, und die vorliegende Erfindung ist dazu gedacht, all solche Gesichtspunkte und ihre Äquivalente zu umfassen. Andere Vorteile und neue Merkmale der Erfindung werden aus der folgenden genauen Beschreibung der Erfindung klar, wenn sie zusammen mit den Zeichnungen berücksichtigt wird.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 zeigt ein schematisches Blockdiagramm eines Signalumwandlungssystems.
2 zeigt ein beispielhaftes Eingabesignal mit einem hohen Spitzen-zu-Durchschnitts-Signalverhältnis.
3 zeigt eine Kurve des Durchschnittsrauschens über die Zeit für verschiedene Betriebsarten eines D/A-Wandlersystems.
4 zeigt ein schematisches Blockdiagramm eines beispielhaften Signalumwandlungsystems.
5 zeigt ein schematisches Blockdiagramm eines anderen beispielhaften Signalumwandlungssystems.
6 zeigt ein schematisches Blockdiagramm noch eines weiteren exemplarischen Signalumwandlungssystems.
7 zeigt ein schematisches Blockdiagramm noch eines weiteren beispielhaften Signalumwandlungssystems.
8 ist ein Blockdiagramm, das einen Teil eines Kommunikationssystems zeigt, welches ein Umwandlungssystem beinhaltet.
9 ist ein Blockdiagramm, das einen Teil eines Kommunikationssystems zeigt, welches ein Umwandlungssystem beinhaltet.
10 ist eine Methodik zum Umwandeln eines Eingangssignals aus einem Digitalsignal in ein Analogsignal über einen erweiterten Dynamikbereich.
GENAUE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft ein System zum Umwandeln eines Digitalsignals in ein Analogsignal. Das System wählt eine Betriebsart auf der Grundlage einer Eigenschaft, wie beispielsweise einer Amplitude oder einer Frequenz, des Eingangs- bzw. Eingabesignals aus. Jede Betriebsart entspricht einem augenblicklichen Dynamikbe reich und entspricht einem zugehörigen Quantisierungsrauschpegel eines Digital/Analog-Wandlersystems. Die Gruppe von Betriebsarten stellt einen erhöhten Dynamikbereich und/oder einen verringerten Quantisierungsrauschpegel im Vergleich zu einer einzelnen Betriebsart bereit. Das Eingabesignal kann daher bei einem Dynamikbereich umgewandelt werden, welcher mit seinen augenblicklichen Eigenschaften übereinstimmt. Dieser flexible Dynamikbereich verringert den durchschnittlichen Quantisierungsfehler des Ausgabesignals. Dies ist insbesondere nützlich bei Kommunikationsanwendungen, bei denen ein übergroßer Quantisierungsfehler zu Außerband-Abstrahlungen und anderen Signalverzerrungen führen kann. Daher ist das erfindungsgemäße Digital/Analog-Wandlersystem zur Verwendung in Sendern gut geeignet, einschließlich mobilen Sendern als auch solchen innerhalb einer Basisstation eines Kommunikationsnetzwerks. Das offenbarte System wird jedoch in jeglicher Anwendung nützlich sein, bei der eine Rauschverminderung über einen großen Dynamikbereich wünschenswert ist, und ist nicht auf die Verwendung in Kommunikations- bzw. Datenübertragungsausrüstung beschränkt.
Die vorliegende Erfindung überwindet ein oder mehrere bekannte Hürden beim Ausgestalten von Digital/Analog-Wandlern. Beispielsweise kann der Dynamikbereich eines D/A-Wandlers gegebener Auflösung (z. B., 8 Bit) nach dem Stand der Technik nur auf Kosten eines Anstiegs der Menge der Schaltkreise oder der Umwandlungsgeschwindigkeit erhöht werden. Beide Änderungen erhöhen normalerweise die Leistungsaufnahme und bedingen zusätzliche Komponentenkosten. Die maximale Ausgabesignalspannung kann erhöht werden, aber ohne zusätzlichen dynamischen Bereich, wobei der Quantisierungsrauschpegel sich proportional erhöht. Während ein Erhöhen der Auflösung des D/A-Wandlers dieser Rauschverstärkung entgegenwirken kann, gibt es praktische Grenzen der Bits der Auflösung eines herkömmlichen D/A-Wandlers. Die vorliegende Erfindung ermöglicht es dem augenblicklichen dynamischen Bereich eines D/A-Wandlers einer gegebenen Auflösung, ohne wesentliche Verstärkung des Quantisierungsrauschens erweitert zu werden.
1 zeigt ein System 10, welches ein digitales Eingabesignal in ein analoges Ausgabesignal über einen erweiterten Dynamikbereich in Übereinstimmung mit einem Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung umwandelt. Das System 10 empfängt ein digitales Eingabesignal an einer Betriebsartsteuerung 12. Die Betriebsartsteuerung 12 bewertet eine Eigenschaft des Eingabesignals, um einen aus einer Vielzahl von Betriebsbereichen eines D/A-Wandlersystems 14 zu bestimmen, welches eine D/A-Wandleranordnung 16 umfasst, die aus einer oder mehreren D/A-Wandlervorrichtungen besteht. Die Betriebsartsteuerung 12 kann eine programmierbare Logikvorrichtung umfassen, einen digitalen Signalprozessor (DSP) oder jegliche Kombination digitaler Hardware- und/oder Software-Komponenten, die geeignet sind, diese Bewertung und andere notwendige Funktionen durchzuführen. Jede Betriebsart des D/A-Wandlersystems 14 weist einen zugeordneten augenblicklichen Dynamikbereich, Quantisierungsrauschen und Ausgabespannungspegel auf. Die bewertete Eigenschaft des Eingabesignals kann die Frequenz, die Phase, die Amplitude oder jede andere leicht quantifizierbare Eigenschaft des Eingabesignals umfassen. Diese Eigenschaft kann mit einem oder mehreren Schwellwerten) beim Auswählen einer Betriebsart für das D/A-Wandlersystem 14 verglichen werden. Bei einer Alternative kann das Eingabesignal eine Signalgrenze umfassen, welches eine geeignete Betriebsart für das D/A-Wandler-System 14 anzeigt, und diese Signalgrenze kann als die bewertete Eigenschaft dienen. Sobald die Betriebsansteuerung 12 eine Betriebsart für das D/A-Wandlersystem 14 bestimmt hat, gibt sie ein Steuersignal an einen Betriebsanwähler 18 im D/A-Wandlersystem 14 aus.
Der Betriebsanwähler 18 wählt eine Betriebsart für das D/A-Wandlersystem 14 auf der Grundlage der Eingabe der Betriebsarteuerung 12 aus. Der Betriebsartwähler 18 modifiziert den Betrieb des D/A-Wandlersystems 14, um zu bewirken, dass das D/A-Wandlersystem 14 mit einem augenblicklichen Dynamikbereich arbeitet, als auch mit dem Ausgabesignalpegel, welcher der Betriebsart zugeordnet ist, die durch die Betriebsansteuerung festgelegt worden ist. Der Betriebsartwähler 18 kann den dem D/A-Wandlersystem 14 zugeordneten Dynamikbereich auf eine Anzahl von Wegen modifizierten. Es ist anzumerken, dass der Betriebsartwähler 18 und die Betriebsartsteuerung 12 in einer einzigen Komponente kombiniert sein können, um die Funktion beider Komponenten auszuführt.
Die D/A-Wandleranordnung 16 wandelt das Eingabesignal von einem Digitalsignal in ein Analogsignal bei einem Dynamikbereich um, der durch die Betriebsart festgelegt wird, welche durch den Betriebsartwähler 18 ausgewählt wird. Die Zusammensetzung der D/A-Wandleranordnung 16 kann sich ändern. Beispielsweise kann die D/A-Wandleranordnung 16 jegliche Zahl von D/A-Wandlervorrichtungen mit einer Vielzahl dynamischer Bereiche und Auflösungen enthalten. Der bestimmte Betrieb des D/A-Wandlersystems 14 wird durch den Betriebsanwähler 18 festgelegt, welcher über die D/A-Wandleranordnung 16 hinüber verteilt sein kann. Der Betriebsartwähler 18 kann Schalter, Verstärker, Skaliervorrichtungen, zusätzliche D/A-Wandler-Komponenten und andere digitale oder analoge Komponenten umfassen, die notwendig sind, um das D/A-Wandlersystem 14 beim augenblicklichen dynamischen Bereichen zu betreiben, welche der Gruppe von Betriebsarten zugeordnet sind.
Die ein oder mehreren D/A-Wandlervorrichtungen in der D/A-Wandleranordnung 16 können zusammen mit Delta-Sigma-Modulatoren arbeiten. Die Delta-Sigma-Modulation ist eine Technik, die verwendet wird, um eine grobe Abschätzung eines Signals unter Verwendung einer kleinen Anzahl von Quantisierungspegeln und einer hohen Abtastrate zu erzeugen. Die beschränkte Anzahl an diskreten Signalpegeln führt ein "Quantisierungs"-Rauschen in das System ein. Der Effekt des Überabtastens und die Verwendung einer Integrator-Rückkopplungsschleife bei der Delta-Sigma-Modulation sind effektiv beim Verschieben des Rauschens, einschließlich des Quantisierungsrauschens, zu Außerband-Frequenzen hin. Die Rauschverschiebungseigenschaften ermöglichen eine effiziente Verwendung von folgenden Filterstufen, um das Rauschen zu entfernen und eine genauere Abbildung der Eingabe zu erzeugen.
Wie oben beschrieben, benötigt eine erfolgreiche Digital/Analog-Wandlung einen dynamischen Bereich, welcher den gesamten Bereich von Signalen umfasst, die vom System empfangen werden. Dies jedoch kommt zum Preis einer erhöhten Bitauflösung. Beispielsweise kann ein 8-Bit-D/A-Wandler 256 diskrete Spannungspegel umwandeln, welche als Quantisierungspegel bezeichnet werden. Falls das gewünschte analoge Signal einen Wert hat, welcher nicht einen dieser Pegel genau trifft, wird ein Grad eines Fehlers, Quantisierungsfehler genannt, durch die Umwandlung erzeugt. Die Auflösung eines D/A-Wandlers ist proportional zum Signalunterschied zwischen benachbarten Quantisierungspegeln. Um digitale Signale mit größeren Bereichen (mehr Bits) umzuwandeln, wird ein D/A-Wandler mit größerer Auflösung benötigt, um den gleichen Pegel des Quantisierungsfehlers aufrechtzuerhalten. Dies erhöht die Komplexität und die Kosten des Systems.
2 und 3 zeigen Signale, die dem Betrieb eines beispielhaften D/A-Wandlersystems in Übereinstimmung mit einem Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung zugeordnet sind. Das beispielhafte System wird als zwei Betriebsarten aufweisend beschrieben, nämlich eine Hochsignal-Betriebsart und eine Niedrigsignal-Betriebsart. Ferner bewertet die beispielhafte Ausführungsform die Signalamplitude gegen einen Schwellwert T, um eine geeignete Betriebsart für das System festzusetzen. Es ist anzumerken, dass das Folgende lediglich beispielhaft ist und dass ein erfindungsgemäßes D/A-Wandlersystem mehr als zwei Betriebsarten, mehrere Schwellwerte und andere ausgewertete Eigenschaften als die Amplitude aufweisen kann.
2 zeigt eine Kurve 20 der Amplitude eines Eingabesignals 22 über eine Zeitdauer. Das Signal stellt ein Eingabesignal mit einem hohen Spitze-zu-Durchschnitts- Signalverhältnis ähnlich dem verschiedener gemeinsamer Trägersignale dar. Eine Spitzenleistung, P_PEAK, wird am Graphen als die maximale Signalamplitude markiert, welche während eines normalen Betriebs erreicht wird. Ein Schwellwert T wird eingestellt, um eine Mehrheit der Signalspitzen zu umfassen, welche während des Betriebs empfangen werden. In der Praxis kann dieser Schwellwert so eingestellt werden, dass er durch die Eingabesignalamplitude grob bei 10 % der Zeit während des Betriebs überschritten wird. Dieser Wert ist jedoch zufällig und wird sich mit der Anwendung und der Konfiguration des D/A-Wandlersystems ändern. Es ist zu beachten, dass das Auftreten von Spitzen in dieser beispielhaften Eingabe übertrieben ist; bei einem typischen Signal neigen Spitzen, welche sich dem Signalmaximum nähern, dazu, selten zu sein.
3 zeigt eine Kurve 30 eines durchschnittlichen Quantisierungsrauschpegels eines D/A-Wandlers mit erweitertem Bereich gemäß einem Gesichtspunkt der Erfindung. Die dargestellten Mittelwerte entsprechen einem D/A-Wandler mit zwei Betriebsarten, nämlich einer Niedrigsignal-Betriebsart, welche einen Bereich von einer bei Null liegenden Signalamplitude bis zum Schwellwert T umfasst, und eine Hochsignal-Betriebsart, welche den gesamten Bereich von Signalen umfasst, nämlich von Null bis zum Maximalspitzenpegel, P_PEAK.
Wenn das D/A-Wandlersystem in der Niedrigsignal-Betriebsart arbeitet, brauchen die Quantisierungspegel, welche durch die Auflösung einer D/A-Wandlervorrichtung bereitgestellt werden, nur den verkürzten Dynamikbereich der Vorrichtung aufzulösen. Das Quantisierungsrauschen des Systems wird in der Niedrigsignal-Betriebsart viel kleiner sein als in der Hochsignal-Betriebsart. Bei einer exemplarischen Umsetzung wurde die Quantisierungsrauschleistung zu ungefähr 6 Dezibel unter der Maximalsignal-Ausgabeleistung für jedes D/A-Wandler-Bit während des Niedrigsignal-Betriebs aufgefunden. Beim Betrieb nur über das untere Ende des Signalbereichs wird das Quantisierungsrauschen proportional zu T verringert. Wenn das D/A-Wandlersystem bei einem hohen Dynamikbereich arbeitet, stellt jeder Quantisierungspegel der D/A-Wandlervorrichtung einen größeren Bereich der Signalamplitude dar und zeigt ein proportional höheres Quantisierungsrauschen. Es ist anzumerken, dass das Quantisierungsrauschen 34, welches während dieser Hochsignal-Betriebsart erzeugt wird, wesentlich größer sein wird als das während des Betriebs bei einer Niedrigsignal-Betriebsart erzeugte Rauschen. Das gesamte Quantisierungsrauschen ist der gewichtete Mittelwert des in beiden Betriebsarten erzeugten Rauschens. Falls die Signalstatistik so aussieht, dass die Signale T nur in 10 % der Zeit überschreiten, wird der Einfluss des größeren Quantisierungsrauschens in der Großsignal-Betriebsart einen kleinen Effekt haben.
Erfindungsgemäß wird das D/A-Wandlersystem allgemein in einem Niedrigsignalbereich arbeiten. Das System wird nur dann in eine Hochsignal-Betriebsart umschalten, wenn die Amplitude des Eingabesignals einen Schwellwert überschreitet. Wie oben besprochen, wird der Schwellwert so eingestellt, dass ein Betrieb in einem hohen Dynamikbereich nur zu einem kleineren Teil der Zeit notwendig wird.
Im Beispiel werden zwei D/A-Wandler mit der gleichen Zahl von Bits oder Quantisierungspegeln verwendet, um den Hochsignal-Bereich und den Niedrigsignal-Bereich darzustellen. Es ist anzumerken, dass die zwei D/A-Wandler unterschiedliche Eigenschaften haben können. Es ist auch anzumerken, dass Systeme, welche einen D/A-Wandler oder mehr als zwei D/A-Wandler verwenden, mit einem ähnlichen Vorteil innerhalb des Umfangs der vorliegenden Erfindung benutzt werden können. Verglichen mit einem herkömmlichen System mit einzelner Betriebsart stellt das erfindungsgemäße System Ausgabesignale über einen weit höheren Bereich mit nur einer kleinen Verschlechterung im Quantisierungsrauschen bereit. Der Dynamikbereich eines D/A-Wandlers, welcher eine Gruppe von Betriebsarten verwendet, ist weit größer als der dynamische Bereich eines Einzelbetriebsart-D/A-Wandlers.
Die 4 bis 7 zeigen jeweils eine beispielhafte Umsetzung der vorliegenden Erfindung. Diese beispielhaften Ausführungsformen sind nicht dazu gedacht, erschöpfend zu sein, und die Erfindung umfasst Äquivalente der beschriebenen Ausführungsformen, welche nicht darin beschrieben sind. Um die Erklärung dieser Beispiele zu vereinfachen, verwendet jede Umsetzung bzw. Implementierung die Amplitude des Eingabesignals als die bewertete Eigenschaft des Eingabesignals. Diese Beispiele sind ausschließlich darstellend und sollten nicht so gelesen werden, dass sie die beigefügten Beispiele beschränken. Beispielsweise kann in der Praxis jede quantifizierbare Eigenschaft des Eingabesignals bewertet werden.
Gemäß einem Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung zeigt 4 ein beispielhaftes System 40, welches ein digitales Eingabesignal in ein analoges Ausgabesignal über einen erweiterten Dynamikbereich umwandelt. Ein Eingabesignal wird an einer Betriebsartsteuerung 42 empfangen. Die Betriebsartsteuerung 42 bewertet das Signal, um festzustellen, ob die Amplitude des Signals einen oder mehrere Schwellwerte überschreitet. Das Eingabesignal wird auch parallel einer Vielzahl von D/A-Wandlervorrichtungen (z. B. 46 und 48) bereitgestellt, welche jeweils einen unterschiedlichen Dynamikbereich aufweisen. Die Betriebsartsteuerung 42 gibt ein Steuersignal (UMSCHALTSTEUERUNG) an einen Schalter bzw. Umschalter 50 aus, und zwar auf der Grundlage der Ergebnisse der Bewertung des Eingabesignals. Der Umschalter 50 wählt die Ausgabe eines der Vielzahl von D/A-Wandlervorrichtungen auf der Grundlage des Steuersignals aus.
Jede der Vielzahl von D/A-Wandlervorrichtungen weist einen unterschiedlichen Ausgabesignalbereich auf. Beispielsweise kann eine erste D/A-Wandlervorrichtung 46 ein 8-Bit-D/A-Wandler mit einem dynamischen Bereich sein, welcher ein Signalamplitudenbereich von Null bis zu einem Signalamplitudenbereich von 3,6 Dezibel über ein durchschnittliches Signal überspannt. Eine zweite D/A-Wandlervorrichtung 48 kann ein 8-Bit-D/A-Wandler mit einem dynamischen Bereich sein, welcher einen Signalamplitudenbereich von Null von 15 Dezibel über dem durchschnittlichen Signal überstreicht. Im Beispiel weist die erste D/A-Wandlervorrichtung 46 erheblich kleinere Quantisierungspegel auf als die zweite D/A-Wandlervorrichtung 48, und zwar aufgrund ihres Ausgabesignalbereichs. Die Betriebsartsteuerung 42 würde die Signalamplitude mit einem Schwellwert vergleichen, welcher grob der äußersten oberen Grenze des Dynamikbereiches der ersten D/A-Wandlervorrichtung 46 entspricht. In einem System mit mehr als zwei D/A-Wandlervorrichtungen können mehrere Schwellwerte verwendet werden, von denen jeder die obere Grenze des dynamischen Bereichs eines der D/A-Wandlervorrichtungen darstellt.
Falls die Betriebsartsteuerung 42 festlegt, dass das Eingabesignal eine Amplitude aufweist, die kleiner als der Schwellwert ist, wird ein Steuersignal an den Umschalter 50 ausgesandt, um die Ausgabe der ersten D/A-Wandlervorrichtung 46 auszuwählen. Das zu den D/A-Wandlervorrichtungen 46 und 48 gesandte Eingabesignal wird an einer Verzögerungsvorrichtung (z. B. 52 und 54) an jedem Pfad verzögert, um den Betriebsschalter 50 mit der Umschaltung des Eingabesignals zu synchronisieren. Die erste D/A-Wandlervorrichtung 46 wird daher das analoge Ausgabesignal bereitstellen, wann immer die Amplitude des Eingabesignals in den Dynamikbereich der ersten D/A-Wandlervorrichtung 46 fällt. Wie oben besprochen, sind große Spitzen innerhalb eines Eingabesignals vergleichsweise selten. Die Ausgabe der ersten D/A-Wandlervorrichtung 46 wird für eine überwiegende Zeit ausgewählt sein. Falls beispielsweise der Schwellwert auf 3,6 Dezibel über dem gemittelten Signal für eines der üblichen Telekommunikationsformate eingestellt wird, wird die Signalamplitude für ca. 90 % der Zeit unter den Schwellwert fallen. Dementsprechend wird für die Mehrheit der Signale der Quantisierungsfehler sehr klein, da die digitalen Pegel des D/A-Wandlers eng über den verkleinerten Dynamikbereich der ersten D/A-Wandlervorrichtung beabstandet sind. Es ist anzumerken, dass der Umschalter 50 im vorderen Ende des Systems angebracht sein kann, so dass er das Eingabesignal von der Betriebsartsteuerung 42 empfängt. In einem solchen Fall wählt der Umschalter 50 eine D/A-Wandlervorrichtung (46 oder 48) aus, welche das Eingabesignal empfängt, im Gegensatz zum Auswählen der Ausgabe einer der D/A-Wandlervorrichtungen.
Wenn die Amplitude des Eingangssignals den Schwellwert überschreitet, sendet die Betriebsansteuerung 42 ein Steuersignal an den Umschalter 50, um die Ausgabe der zweiten D/A-Wandlervorrichtung 48 auszuwählen. Die Betriebsartsteuerung 42 kann auch einen zweiten Umschalter (nicht gezeigt), welcher der ersten D/A-Wandlervorrichtung 46 vorausgeht, veranlassen, zu öffnen, um zu verhindern, dass das Signal hoher Amplitude die D/A-Wandlervorrichtung erreicht. Dieses Umschalten kann ein Beschädigen der ersten D/A-Wandlervorrichtung 46 durch ein Signal mit einer Amplitude, welche viel größer als sein vorgesehener Bereich ist, verhindern. Wie vorher, wird das Eingabesignal verzögert, bevor es die D/A-Wandlervorrichtungen erreicht, um eine Synchronisierung mit den D/A-Wandlervorrichtungsausgaben und dem Schalter 50 aufrechtzuerhalten. Die zweite D/A-Wandlervorrichtung 48 kann das Ausgabesignal bereitstellen, wann immer die Amplitude des Eingabesignals zu groß für die erste D/A-Wandlervorrichtung 46 ist, als dass diese umwandelt, ohne Signalspitzen abzuschneiden. Ein höherer Grad an augenblicklichem Fehler wird vorhanden sein, wenn die Ausgabe der zweiten D/A-Wandlervorrichtung 48 ausgewählt wird, aber, wie oben besprochen, wird die Ausgabe der zweiten D/A-Wandlervorrichtung nur bei einem kleinen Teil der Zeit verwendet werden. Daher wird ihr Beitrag zum durchschnittlichen Signalfehler minimal sein, und das gezeigte System 40 wird eine große Verbesserung im Signalrauschen über ein System zeigen, welches nur eine einzelne D/A-Wandlervorrichtung über den gleichen dynamischen Bereich verwendet.
Wie oben besprochen, kann das System 40 mit mehr als zwei D/A-Wandlervorrichtungen und mit mehrfachen Schwellwertamplituden umgesetzt werden. In einem solchen Fall kann eine erste D/A-Wandlervorrichtung vorhanden sein, die den gesamten Dynamikbereich des Systems abdecken, als auch eine Vielzahl von anderen D/A-Wandlervorrichtungen, von denen jede einen dynamischen Bereich von Null bis zu einem Wert ungefähr gleich einer der Schwellwertamplituden aufweist. In der Alternative können die Signalbereiche der D/A-Wandlervorrichtungen den gesamten Signalbereich des Systems in einer Reihe mit nur leichtem Überlapp abdecken, wobei die untere Grenze des dynamischen Bereichs jeder der D/A-Wandlervorrichtungen bei einem Wert beginnt, der etwas kleiner ist als die obere Grenze der vorangehen den D/A-Wandlervorrichtungen. Daher wird das Quantisierungsrauschen nur dann größer, wenn die Signalleistung größer ist. Bei einigen Anwendungen ist das Bewertungskriterium bzw. der Gütefaktor das augenblickliche Signal-zu-Rausch-Verhältnis, so dass ein größeres Quantisierungsrauschen bei einem hohen Signalpegel akzeptabel ist. Unabhängig davon wird die Betriebsartsteuerung 42 eine geeignete Betriebsart für das System durch Vergleichen der Amplitude mit einer Vielzahl von Schwellwerten festlegen, welche die oberen Grenzen der Ausgabebereiche der D/A-Wandlervorrichtungen widerspiegeln. Jede der Vielzahl der D/A-Wandlervorrichtungen verarbeitet das Eingabesignal, und die Betriebsansteuerung 42 sendet ein Steuersignal zum Umschalter 50, um die Ausgabe der geeigneten D/A-Wandlervorrichtung auszuwählen. Die Verwendung zusätzlicher D/A-Wandlervorrichtungen verringert das (gewichtete) durchschnittliche Rauschen des Systems 40, aber auf Kosten des Erhöhens der Komplexität und der Kosten des Systems.
Gemäß einem Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung stellt 5 ein weiteres beispielhaftes System 60 dar, das ein digitales Eingabesignal in ein analoges Ausgabesignal über einen erweiterten Dynamikbereich umwandelt, welches ein D/A-Wandlersystem 70 verwendet. Ein Eingabesignal wird von einer Betriebsansteuerung 62 empfangen. Die Betriebsansteuerung 62 bestimmt eine geeignete Betriebsart für das System auf der Grundlage eines Vergleichs der Eingabesignalamplitude mit einem oder mehreren Schwellwerten. Die Betriebsansteuerung 62 stellt dann ein Steuersignal (SKALIERUNGSSTEUERUNG) einer Skaliereinheit 64 und einem Zusatzverstärkungsumschalter 68 bereit, was sie veranlasst, einen augenblicklichen dynamischen Bereich für das D/A-Wandlersystem 70 auszuwählen. Die Skaliereinheit kann als ein digitaler Signalprozessor oder eine andere digitale Hardware oder Software umgesetzt werden, die dazu geeignet ist, ein digitales Signal zu skalieren. Falls die Eingabesignalamplitude einen oder mehrere der Schwellwerte überschreitet, wird der Skalierer 64 die Amplitude des Signals mittels eines aus einem Satz von mindestens einem vorbestimmten Skalierungsfaktor skalieren, welcher dem höchsten überschrittenen Schwellwert zugeordnet ist. Wenn das Eingabesignal einer D/A-Wandlervorrichtung 72 innerhalb des D/A-Wandlersystems 70 bereitgestellt wird, kann die Skaliereinheit 64 die Amplitude des Eingabesignals auf eine Amplitude innerhalb des Ausgabesignalbereichs der D/A-Wandlervorrichtung skalieren. Diese Skalierung wird am Zusatzverstärkungsschalter 68 nach der Digital/Analog-Wandlung durch die D/A-Wandlervorrichtung 72 umgekehrt oder invertiert.
Nun zu den bestimmten Eigenschaften des gezeigten Systems 60 zurückkehrend, vergleicht die Betriebsansteuerung 62 die Amplitude des Eingabesignals mit einem oder mehreren Schwellwerten. Der erste Schwellwert kann an oder gerade unter die obere Grenze des Dynamikbereichs der D/A-Wandlervorrichtung 72 eingestellt werden. Andere Schwellwerte können auf einen Wert eingestellt werden, der kleiner oder gleich der oberen Grenze des Dynamikbereichs der D/A-Wandlervorrichtung 72, geteilt durch einen der Skalierungsfaktoren, ist. Wenn daher die Signalamplitude einen oder mehrere Schwellwerte überschreitet, ist bekannt, dass der dem größten Schwellwert zugeordnete Skalierungsfaktor ausreichend sein wird, um die Signalamplitude auf einen akzeptablen Bereich zu verringern. Zum Zwecke des Beispiels wird das gezeigte System 60 als einen einzigen Schwellwert aufweisend beschrieben. In einem solchen System gibt es zwei Betriebsarten, eine Hochbereichsbetriebsart mit einem zugeordneten Skalierungsfaktor und eine Niedrigbereichsbetriebsart, welche einen zweiten zugeordneten Skalierungsfaktor aufweisen kann, diesen aber nicht benötigt.
Falls der Signalwert den Schwellwert nicht überschreitet, kann die Betriebsartsteuerung 62 die Skaliereinheit 64 anweisen, einen ersten Skalierfaktor anzunehmen, und einen Verstärker 76, einen ersten Verstärkungsfaktor anzunehmen. In der Alternative kann es dem Eingabesignal ermöglicht werden, die Skaliereinheit 64 und/oder den Verstärker 76 zu umgehen, wenn die Signalamplitude den Schwellwert nicht überschreitet. Beispielsweise kann ein mechanischer Schalter, als der Zusatzverstärkungsschalter 68 gezeigt, verwendet werden, um den Verstärker zu umgehen. Auf gleiche Weise kann, wenn die Skaliereinheit 68 als eine Softwarekomponente eines Digitalprozessors implementiert ist, die Skalierroutine einfach nicht aufgerufen werden, wodurch die Skaliereinheit effektiv umgangen wird. Im vorliegenden Beispiel wird der Skaliereinheit ein erster Skalierfaktor mit einem Wert von 1 bereitgestellt. Dieser Wert wird nur zur einfacheren Beschreibung ausgewählt, und das System 60 kann jeden Wert für den ersten Skalierfaktor verwenden, welcher für die gedachte Anwendung nützlich ist. Wenn sich der erste Skalierfaktor von 1 unterscheidet, kann der von der Betriebsartsteuerung 62 verwendete Schwellwert entsprechend nachgestellt werden, so dass der Bereich der Signalamplituden, welche die D/A-Wandlervorrichtung 72 erreichen, ungefähr den Dynamikbereich der D/A-Wandlervorrichtung trifft.
Das Eingabesignal wird an der Skaliereinheit 64 skaliert, da jedoch der beispielhafte Skalierfaktor von 1 verwendet wird, läuft das Eingabesignal ohne eine Änderung in der Amplitude durch die Skaliereinheit. Das skalierte Signal wird dann an einer Verzögerungsvorrichtung 74 verzögert, um den Empfang an dem Zusatzverstärkungsumschalter 68 mit der Implementierung der geeigneten Betriebsart zu synchronisie ren. Die D/A-Wandlervorrichtung 72 wandelt dann das Eingabesignal in ein analoges Signal um. Das Ausgabesignal wird dann zu dem Zusatzverstärkungsschalter 68 weitergeleitet, wo es an einem Verstärker 76 um einen ersten Verstärkungsfaktor verstärkt werden kann, der gleich dem Inversen des ersten Skalierungsfaktors ist. Im vorliegenden Beispiel wird das Signal nicht verstärkt, da der Zusatzverstärkungsschalter 68 so angeschaltet ist, dass er es dem Analogsignal ermöglicht, den Verstärker 76 zu umgehen. Wo daher das Eingabesignal den Schwellwert nicht überschreitet, nimmt das D/A-Wandlersystem 70 des vorliegenden Beispiels eine Betriebsart mit einem augenblicklichen Dynamikbereich gleich dem der D/A-Wandlervorrichtung 72 an. Wo der erste Skalierungsfaktor nicht gleich Eins ist, wird der augenblickliche Dynamikbereich des D/A-Wandlersystems 70 von dem der D/A-Wandlervorrichtung 72 um einen Faktor abweichen, welcher gleich dem Inversen des Skalierungsfaktors ist.
Wenn die Eingabesignalamplitude den Schwellwert überschreitet, weist die Betriebsartsteuerung 62 die Skaliereinheit an, einen zweiten Skalierfaktor anzunehmen, und den Zusatzverstärkungsschalter, einen zweiten Verstärkungsfaktor anzunehmen. Die Werte der Skalierungsfaktoren werden gemäß der Anwendung und den erwarteten maximalen Werten des Eingabesignals vorausgewählt, um sogar ein Maximalspitzensignal auf eine Amplitude innerhalb des Dynamikbereichs der D/A-Wandlervorrichtung zu verringern.
An der Skaliereinheit 64 wird die Amplitude des Signals um den zweiten Skalierungsfaktor verringert. Beim vorliegenden Beispiel wird der Skalierungsfaktor so ausgewählt, dass dann, wenn der zweite Skalierungsfaktor an die maximal erwartete Amplitude des Eingabesignals angewandt wird, diese auf einen Wert innerhalb des Dynamikbereichs der D/A-Wandlervorrichtung 72 skaliert wird. Wo mehr als zwei Skalierungsfaktoren verwendet werden, kann einer dem erwarteten Signalmaximum entsprechen, und der andere kann Werten entsprechen, welche zwischen die obere Grenze des Dynamikbereichs der D/A-Wandlervorrichtung 72 und das erwartete Signalmaximum fallen. Die D/A-Wandlervorrichtung 72 kann daher Signale verarbeiten, welche ihren Dynamikbereich um einen Faktor überschreiten, der gleich dem Inversen des kleinsten Skalierungsfaktors ist, wodurch der augenblickliche Dynamikbereich des D/A-Wandlersystems 70 erhöht wird.
Das skalierte Signal wird an der Verzögerungsvorrichtung 74 verzögert, bevor es an die D/A-Wandlervorrichtung 72 weitergeleitet wird. Die D/A-Wandlervorrichtung 72 wandelt das skalierte Signal in ein analoges Signal um. Das Ausgabesignal von der D/A-Wandlervorrichtung 72 wird an den Zusatzverstärkungsumschalter 68 weitergereicht. Der Zusatzverstärkungsschalter 68 verstärkt das Ausgabesignal, um einen zweiten Verstärkungsfaktor, der gleich dem Inversen des zweiten Skalierfaktors ist, und zwar mittels des Verstärkers 76. Dies stellt das Signal auf seine ursprüngliche Amplitude wieder her. Unglücklicher Weise erzeugt die Verstärkung am Zusatzverstärkungsumschalter 68 eine entsprechende Erhöhung im Quantisierungsrauschen des Systems. Wie oben besprochen, sind jedoch hochamplitudige Spitzen im Eingabesignal vergleichsweise selten. Daher kann die Mehrheit der Systemoperationen unter Verwendung des Skalierungsfaktors stattfinden, welcher keine wesentliche Änderung im Eingabesignal erzeugt. Wo beispielsweise das Eingabesignal eine Amplitude aufweist, die in den Dynamikbereich der D/A-Wandlervorrichtung 72 fällt, wäre ein Skalierungsfaktor geeignet, der gleich oder etwas geringer als Eins ist. Diese Skalierung würde eine geringe oder keine Verstärkung des Quantisierungsrauschens erzeugen. Bei den vergleichsweise seltenen Fällen, bei denen die Signalamplitude den Dynamikbereich der D/A-Wandlervorrichtung 72 überschreitet, kann sie wahlweise skaliert und verstärkt werden, wodurch ein augenblickliches Rauschen erzeugt wird, das aber sehr wenig zum durchschnittlichen Rauschen des Signals beiträgt. Das System aus 5 verwendet im Vergleich zum System von 4 nur eine einzelne D/A-Wandlervorrichtung, aber benötigt eine zusätzliche kleine Signalverstärkungs- und Umschalt-Hardware.
Gemäß einem Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung zeigt 6 noch ein weiteres beispielhaftes System 80, das ein digitales Eingabesignal in ein analoges Ausgabesignal über einen erweiterten Dynamikbereich umwandelt. Das System umfasst eine D/A-Wandlervorrichtung 82 mit einem variablen Ausgabesignalbereich, welcher unter Verwendung eines Leistungs- bzw. Stromversorgungspegels 84 eingestellt werden kann, welcher auf einen aus einer Vielzahl von vorbestimmten Bereichen eingestellt werden wird. Ein Eingabesignal wird von einer Betriebsartsteuerung 86 empfangen. Die Betriebsansteuerung 86 vergleicht die Amplitude des Signals mit einem oder mehreren Schwellwerten und gibt ein Steuersignal zum Spannungsversorgungseingang 84 der D/A-Wandlervorrichtung 82 aus, wodurch sie angewiesen wird, einen neuen Ausgabesignalbereich auszuwählen. Wo das System mehrfache Schwellwerte enthält, weist jeder Schwellwert einen zugeordneten Dynamikbereich auf, der ausgewählt wird, wenn der Schwellwert der kleinste Schwelwert ist, der durch die Eingabesignalamplitude nicht überschritten wird. Im vorliegenden Beispiel wird der zugeordnete Dynamikbereich jedes Schwellwerts eine obere Grenze aufweisen, die etwas größer als die Schwellwertamplitude ist.
Das Eingabesignal wird an einer Verzögerungsvorrichtung 90 verzögert, um den Empfang des Eingabesignals an der D/A-Wandlervorrichtung 82 mit der Auswahl des Dynamikbereichs zu synchronisieren. Das Eingabesignal wird an die D/A-Wandlervorrichtung 82 weitergereicht, wo sie in ein Analogsignal umgewandelt wird. Durch Auswählen des Dynamikbereichs gemäß dem Eingabesignal ist es dem System 80 möglich, immer den Bereich zu verwenden, welcher die beste Auflösung für ein bestimmtes Signal ergibt, wodurch das gemittelte Quantisierungsrauschen des Signals verringert wird. Wie bei den obigen Ausführungsformen besprochen, kann, für ein Signal mit einem hohen Spitzen-zu-Durchschnitts-Signalverhältnis, sogar die Verwendung von zwei getrennten Dynamikbereichen das durchschnittliche Quantisierungsrauschen verringern, da der höhere Dynamikbererich im Vergleich zum Bereich mit niedrigerer Dynamik kaum benötigt wird.
Gemäß einem Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung zeigt 7 noch ein anderes System 100, welches ein digitales Eingabesignal in ein analoges Ausgabesignal über einen erweiterten Dynamikbereich hinweg umwandelt. In diesem Beispiel werden eine Betriebsartsteuerung und ein Betriebsartwähler in einem einzelnen Betriebsart-Steuerungs/Auswahl-Modul 102 kombiniert. Dieses Betriebsart-Steuerungs/Auswahl-Modul 102 kann als ein digitaler Prozessor oder in jede geeignete Kombination von digitaler Hardware oder Software implementiert werden. Dieses Betriebsart-Steuerungs/Auswahl-Modul 102 ist sowohl für das Bewerten des Eingabesignals als auch für ein Anpassen des augenblicklichen Dynamikbereichs des D/A-Wandlersystems verantwortlich. Das Betriebsart-Steuerungs/Auswahl-Modul 102 empfängt ein Eingabesignal und wertet das Signal aus, um eine geeignete Betriebsart für das D/A-Wandlersystem festzusetzen. Das Betriebsart-Steuerungs/Auswahl-Modul 102 empfängt eine zusammengesetzte Signalkomponente, welche eine polare Darstellung eines Eingabesignals ist. Das Eingabesignal ist ein Phasen- und amplitudenmoduliertes Signal, welches in polarer Form durch die folgende Gleichung dargestellt werden kann: A(t)B*cos(ωc(t) + Φ(t)),wobei A(t) die amplitudenmodulierte Komponente und B*cos(ω_c(t) + Φ(t)) die phasenmodulierte Komponente ist, B ein Skalar, Φ(t) die Phasenkomponente und ω_c(t) die Trägerfrequenz ist. Das Eingabesignal kann in einer Vielzahl unterschiedlicher amplituden- und/oder phasenmodulierten Formen vorliegen. Es sollte klar sein, dass Gleichung (1) eine Polardarstellung eines einzelnen Trägereingabesignals darstellt, wobei das tatsächliche Signal ein Mehrträgersignal sein kann.
Beispielsweise kann das Signal ein Signal sein, welches mit WCDMA, Mehrträger-GSM, OFDM oder anderen Signalen konform geht, welche Signaturen mit hohen Spitzen-zu-Durchschnitts-("peak-to-average"; Par) Verhältnissen aufweisen. Das Eingabesignal kann durch das Betriebsart-Steuerungs/Auswahl-Modul 102 in ein polares zusammengesetztes Signal umgewandelt werden. Alternativ kann das Eingabesignal direkt in Polarform dem Betriebsart-Steuerungs/Auswahl-Modul 102 bereitgestellt werden. Das Betriebsart-Steuerungs/Auswahl-Modul 102 empfängt einen Schwellwertpegel, welcher eine oder mehrere feste, wählbare oder programmierbare Eigenschaften (z. B. einen Hüllenamplitudenpegel) aufweist, die dem Eingabesignal zugeordnet sind. Beim gezeigten Beispiel entspricht der Schwellwertpegel einer Schwellwertamplitude des Eingabesignals.
Wenn die Amplitude des Eingabesignals den Schwellwert überschreitet, wird das Betriebsart-Steuerungs/Auswahl-Modul 102 das Eingabesignal in eine phasenmodulierte Komponente mit einer konstanten Signalumhüllenden und in eine amplitudenmodulierte Komponente aufspalten. Die amplitudenmodulierte Komponente wird zu einer ersten D/A-Wandlervorrichtung 108 weitergeleitet. Allgemein kann die erste D/A-Wandlervorrichtung 108 eine vergleichsweise niedrige Auflösung aufweisen, ohne dass dadurch die Leistung des Systems 100 wesentlich behindert wird, aber die notwendige Auflösung für die erste D/A-Wandlervorrichtung 108 wird sich mit der Anwendung ändern. Die erste D/A-Wandlervorrichtung 108 wandelt die amplitudenmodulierte Komponente in ein Analogsignal mit einem aus einer Vielzahl von Amplitudenwerten um. Die Zahl der für das amplitudenmodulierte Signal verfügbaren Werte wird sich mit der Auflösung der ersten D/A-Wandlervorrichtung 108 verändern. Beispielsweise wird eine 6-Bit-D/A-Wandlervorrichtung 64 diskrete Werte erzeugen. Das analoge amplitudenmodulierte Signal wird in eine Verzögerungsvorrichtung 110 zu Synchronisationszwecken eingegeben. Das Signal wird dann an einem Verstärker 112 als eine Versorgungseingabe empfangen.
Die phasenmodulierte Komponente wird zunächst zu Synchronisationszwecken zu einer Verzögerungsvorrichtung 114 gesandt. Die phasenmodulierte Komponente wird dann in eine zweite D/A-Wandlervorrichtung 116 eingegeben. Im vorliegenden Beispiel weist die zweite D/A-Wandlervorrichtung 116 eine Auflösung auf, welche größer als die der ersten D/A-Wandlervorrichtung 108 ist, aber die relativen Auflösungen können sich mit der Anwendung ändern. Die zweite D/A-Wandlervorrichtung 116 verarbeitet nur die phasenmodulierte Komponente des Signals, welche eine im Wesentlichen konstante Signalumhüllende aufweist. Dementsprechend kann der Dyna mikbereich der zweiten D/A-Wandlervorrichtung 116 erheblich kleiner sein als der eines einzelnen D/A-Wandlers, welcher das zusammengesetzte Signal umwandelt.
Wo die Eingabesignalamplitude die Schwellwertamplitude nicht überschreitet, richtet das Betriebsart-Steuerungs/Auswahlmodul 102 das Eingabesignal durch die Verzögerungsvorrichtung 114 zur zweiten D/A-Wandlervorrichtung 116. Ein Versorgungssignal mit konstantem Pegel wird durch die erste D/A-Wandlervorrichtung 108 an den Verstärker 112 gesandt. Das Eingabesignal wird dann an der zweiten D/A-Wandlervorrichtung 116 umgewandelt, und die Ausgabe wird durch den Verstärker 112 auf der konstanten Spannungsversorgung hindurchgeführt. Bei der beispielhaften Ausführungsform stellt der konstante Versorgungspegel einen Verstärkungsfaktor von Eins bereit, wodurch angezeigt wird, dass das Ausgabesignal nicht verstärkt wird. Alternativ jedoch kann das Eingabesignal vor seiner Eingabe in die zweite D/A-Wandlervorrichtung 116 skaliert werden, und die konstante Spannungsversorgung würde einem Verstärkungsfaktor entsprechen, der notwendig ist, um die Skalierung umzukehren. Der Verstärker kann auch dazu verwendet werden, das Eingabesignal in Vorbereitung zum Aussenden des Signals hochzuskalieren.
Bei dem gezeigten Beispiel wird der von dem Betriebsart-Steuerungs/Auswahl-Modul 102 verwendete Schwellwert aus dem Dynamikbereich der zweiten D/A-Wandlervorrichtung 116 abgeleitet und so festgelegt, dass die zweite D/A-Wandlervorrichtung 116 die Mehrheit der Signale verarbeitet. Alternativ kann der Schwellwert auf Null gesetzt werden, so dass alle Signale als ihre amplituden- und phasenmodulierten Komponenten verarbeitet werden. Die Auswirkung des Verringerns der Auflösung der ersten D/A-Wandlervorrichtung 108 und/oder der zweiten D/A-Wandlervorrichtung 116 ist eine Erhöhung im Quantisierungsrauschen sowohl benachbart zum gewünschten Signal als auch in naheliegenden Spektralkanälen. Letzteres mag die Auflösungsanforderung bestimmen. Ein Filter, insbesondere einer, dessen Durchlassband so ausgewählt werden kann, dass es mit dem gewünschten Signal übereinstimmt, welcher die Signale in daneben liegenden und/oder angrenzenden Spektralbändern entfernt, kann die Zahl der benötigten Bits erheblich verringern.
8 ist ein Beispiel eines Teils eines Senders 120, welcher unter Verwendung eines D/A-Wandlersystems mit erweitertem Bereich gemäß einem Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung umgesetzt werden kann. In dem gezeigten Beispiel wird eine Direkt-zu-Funkfrequenz-D/A-Wandlung durch Verwendung eines Delta-Sigma-Modulators zusammen mit einem D/A-Wandlersystem mit erweitertem Bereich vereinfacht. Ein digitales Eingabesignal wird von einer zentralen Verarbeitungseinheit ("Central Processing Unit"; CPU) 122 an einen Eingang eines D/A-Wandlersystems mit erweitertem Bereich 124 geliefert. Das D/A-Wandlersystem umfasst einen Delta-Sigma-Modulator zum Erhöhen der Trägerfrequenz für das digitale Eingabesignal. Der Delta-Sigma-Modulator stellt ein quantisiertes Ausgabesignal im D/A-Wandlersystem 124 bereit. Diese quantisierte Ausgabe kann bei einer gröberen Auflösung und einer höheren Abtastrate im Vergleich zum digitalen Eingabesignal bereitgestellt werden.
In diesem Beispiel wandelt das D/A-Wandlersystem 124 das quantisierte Signal direkt in ein analoges Signal bei einer gewünschten Übertragungsfrequenz um (z. B. Ultrahochfrequenz oder Mikrowellenfrequenzen). Mittels eines bestimmten Beispiels für GSM kann die gewünschte Übertragungsfrequenz ein Spektrum (z. B. von ca. 10 MHz) mit einer Mittelfrequenz bei ca. 940 MHz sein. Es sollte klar verstanden sein, dass andere Übertragungsfrequenzen (beispielsweise im MHz-Bereich oder höher) effektiv und kostengünstig in Übereinstimmung mit einem Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung bereitgestellt werden können.
Das Analogsignal wird dann gefiltert, wie beispielsweise mittels eines anlogen Bandpassfilters 126, um Außerband-Abstrahlungen und Quantisierungsrauschen zu entfernen. Die gefilterte Ausgabe wird dann einem Leistungsverstärker 128 zugeführt, welcher das Signal auf einen gewünschten Pegel verstärkt. Der Leistungsverstärker 128 speist dann eine oder mehrere Antennen 130, welche das verstärkte Signal durch die Luft oder ein anderes drahtloses Medium (z. B. den Weltraum) verbreiten.
9 ist ein weiteres Beispiel eines Teils eines Sendemoduls 140, welches unter Verwendung eines D/A-Wandlersystems mit erweitertem Bereich gemäß einem Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung implementiert werden kann. Das vordere Ende des Moduls 140 ist ähnlich zu dem in Bezug aus 8 gezeigten und beschriebenen. Kurz gesagt wird ein digitales Eingabesignal von einer CPU 142 an ein D/A-Wandlersystem 144 mit erweitertem Bereich ausgegeben. Das D/A-Wandlersystem 144 wandelt das Signal in ein analoges Ausgangssignal bei einer vorbestimmten Frequenz um. Die vorbestimmte Frequenz wird sich gemäß der Anwendung und dem bestimmten Aufbau des D/A-Wandlersystems 144 ändern, aber allgemein wird die Frequenz niedriger sein als eine gewünschte Übertragungs- bzw. Sendefrequenz.
Das Analogsignal wird einem Hochmischsystem 146 bereitgestellt. Das Hochmischsystem 146 kann ein oder mehrere Stufen zum Hochwandeln und Mischen umfassen, wie sie benötigt werden, um das Signal auf eine gewünschte Trägerfrequenz hoch zumischen. Das Hochmischsystem 146 kann mindestens einen Lokaloszillator 148 und mindestens einen Mischer 150 umfassen, welche ein Signal erzeugen, das eine gewünschte Übertragungsfrequenz aufweist. Beim gezeigten Beispiel ist nur eine jeder Struktur mit einer einzelnen Mischerstufe gezeigt, aber mehrfache Mischerstufen können, abhängig von der ursprünglichen Frequenz des Analogsignals, notwendig sein. Bei dem gezeigten Beispiel wird der Lokaloszillator 148 verwendet, um eine gewünschte Trägerfrequenz bei einer gewünschten Übertragungsfrequenz bereitzustellen. Der Mischer 150 erzeugt ein Funkfrequenzsignal durch Kombinieren des analogen Ausgabesignals mit einem Trägersignal, das durch den Lokaloszillator 148 bereitgestellt wird.
Ein Filter 152 optimiert wiederum die Bandbreite und schwächt unerwünschte Außerband-Abstrahlungen und Quantisierungsfehler ab, wie sie sich beispielsweise aus dem Digital/Analog-Wandlungsprozess als auch aus dem Hochmischen ergeben. Das Filter 152 stellt das gefilterte analoge Ausgabesignal einem zugeordneten Leistungsverstärker 154 bereit. Der Leistungsverstärker 154 wiederum stellt ein verstärktes Signal einer zugeordneten Antenne 156 zur drahtlosen Übertragung bereit. Der Fachmann wird verschiedene andere Arten des Filterns und der Hochwandlung verstehen und würdigen, die verwendet werden können, um ein gewünschtes Funkfrequenzsignal unter Verwendung des D/A-Wandlersystems mit erweitertem Bereich in Übereinstimmung mit einem Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung bereitzustellen.
10 ist ein Flussdiagramm, welches eine Methodik 200 zum Umwandeln eines Eingabesignals aus einem digitalen Signal in ein analoges Signal über einen erweiterten Dynamikbereich gemäß einem Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung darstellt. Der Prozessablauf beginnt bei 210, wo das System initialisiert wird. Während der Initialisierung werden ein oder mehrere Schwellwerte, Skalierungsfaktoren, D/A-Wandler-Dynamikbereiche und andere Parameter für die Anwendung ausgewählt. Diese Parameter können durch einen Bediener bzw. Benutzer oder durch einen oder mehrere automatisierte Abläufe ausgewählt werden. Bei 220 bewertet eine Betriebsarsteuerung eine Eigenschaft eines Eingabesignals, um eine geeignete Betriebsart an einem D/A-Wandlersystem aus einer Vielzahl von Betriebsarten festzulegen. Jede der Vielzahl der Betriebsarten weist einen zugeordneten effektiven Ausgabesignalbereich und Quantisierungsrauschpegel auf. Jede einfach quantifizierbare Eigenschaft des Eingabesignals kann in dieser Bewertung verwendet werden. Die Eigenheiten der Bewertung werden sich mit der Anwendung ändern. Beispiele der Bewertung der Amplitudeneigenschaft werden oben in Bezug auf die 4–7 beschrieben. Ein Fachmann wird im Licht der Lehren der vorliegenden Erfindung verstehen, dass andere Bewertungsverfahren der Signalamplitude existieren und dass unterschiedliche Verfahren zur Bewertung nützlich sein können, wenn man unterschiedliche Signaleigenschaften auswertet, wie beispielsweise die Phase oder die Frequenz des Signals. Jede dieser Verfahren wird von der vorliegenden Erfindung und den angehängten Ansprüchen umfasst.
Bei 230 sendet die Betriebsartsteuerung ein Steuersignal an einen Betriebsartwähler im D/A-Wandlersystem, um den Betriebsartwähler dazu zu bringen, die geeignete Betriebsart auszuwählen. Die Zusammensetzung des Betriebsartwählers wird sich mit der Anwendung ändern, aber sie kann Hardware- oder Software-Verkörperungen eines oder mehrerer Schalter, Verstärker, Skalierungsvorrichtungen oder jeder anderen Komponente zum Auswählen einer Betriebsart mit dem D/A-Wandlersystem umfassen. Die Auswahl kann mittels jeder Zahl von Mitteln durchgeführt werden, aber die Auswahl arbeitet, um den augenblicklichen Dynamikbereich des D/A-Wandlersystems zu ändern. Beispiele des Auswahlprozesses umfassen ein einfaches Ändern des Dynamikbereichs eines D/A-Wandlers, Auswählen zwischen zwei oder mehr D/A-Wandlern mit unterschiedlichen Bereichen oder ein Ändern des Eingabesignals, um es einem D/A-Wandler zu ermöglichen, seinen Dynamikbereich zu überschreiten. Ein Fachmann wird verstehen, dass es andere Verfahren zum Ändern des augenblicklichen Dynamikbereichs eines D/A-Wandlersystems gibt, und diese Verfahren werden von der vorliegenden Erfindung und den angehängten Ansprüchen umfasst.
Bei 240 wandelt das D/A-Wandlersystem das Eingabesignal von einem digitalen Signal in ein analoges Signal unter Verwendung der ausgewählten Betriebsart um. Das D/A-Wandlersystem, welches den Betriebsartwähler als auch eine Anordnung von einem oder mehreren D/A-Wandlern umfasst, wird durch den Betriebsartwähler konfiguriert, um bei dem ausgewählten augenblicklichen Dynamikbereich zu arbeiten. Der augenblickliche Dynamikbereich wird sich mit der Eigenschaft des Eingabesignals ändern. Es kann daher erwartet werden, dass das augenblickliche Rauschen des Signals sich entsprechend ändert. Dementsprechend wird das analoge Ausgabesignal eine veränderliche Rauschgröße zu jedem einzelnen Punkt aufweisen, aber der Dynamikbereich der Gruppe wird größer sein als der jeder Einzelbetriebsart, und das durchschnittliche Rauschen des Signals wird durch in Übereinstimmung bringen eines geeigneten Dynamikbereichs mit dem Eingabesignal verringert.
Was oben beschrieben worden ist, umfasst beispielhafte Umsetzungen der vorliegenden Erfindung. Es ist selbstverständlich nicht möglich, jede denkbare Kombination von Komponenten oder Methodiken zum Zweck des Beschreibens der vorliegenden Erfindung zu beschreiben, aber ein Fachmann wird erkennen, dass viele weitere Kombinationen und Vertauschungen der vorliegenden Erfindung möglich sind. Dementsprechend ist die vorliegende Erfindung dazu vorgesehen, alle solche Änderungen, Modifikationen und Variationen zu umfassen, welche in die angehängten Ansprüche fallen.

Claims

Umwandlungssystem, das ein Eingabesignal von einem Digitalsignal in ein Analogsignal umwandelt, wobei das System aufweist: ein Digital/Analog-Wandlersystem (70); und einen Betriebsartenwähler (18), der eine Betriebsart für das Digital/Analog-Wandlersystem (70) aus einer Vielzahl von Betriebsarten auf Grundlage einer Eigenschaft des Eingabesignals auswählt, wobei jede Betriebsart einen zugeordneten augenblicklich Dynamikbereich aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass das Digital/Analog-Wandlersystem (70) eine Digital/Analog-Wandlervorrichtung (16) mit einem veränderlichen Ausgabesignalbereich aufweist, wobei der Betriebsartenwähler (18) den Ausgabebereich der Digital/Analog-Wandlervorrichtung (16) durch Auswählen eines Energieversorgungspegels auswählt.
System nach Anspruch 1, ferner aufweisend eine Skalierungseinheit (64), die das Eingabesignal mittels eines geeigneten Skalierungsfaktors in mindestens einer aus der Vielzahl der Betriebsarten skaliert, um eine skalierte Version des Eingabesignals innerhalb eines Dynamikbereichs der Digital/Analog-Wandlervorrichtung bereitzustellen, wobei die skalierte Version des Eingabesignals durch die Digital/Analog-Wandlervorrichtung in ein analoges Signal umgewandelt wird, wobei das Analogsignal einem Verstärker (76) zugeführt wird, der des Analogsignal um einen Verstärkungsfaktor verstärkt, welcher im wesentlichen gleich einem Inversen des Skalierungsfaktors ist.
System nach Anspruch 2, ferner aufweisend eine Betriebsartensteuerung, die einen Amplitudenpegel des Eingabesignals bewertet und zwischen dem Skalieren des Eingabesignals und dem Nichtsklieren des Eingabesignals auf Grundlage der Bewertung auswählt.
System nach Anspruch 1, wobei das Digital/Analog-Wandlersystem eine erste und eine zweite Digital/Analog-Wandlervorrichtung (116, 108) und einen Verstärker (112) umfasst, wobei der Verstärker (112) einen Eingabeanschluss und einen Spannungsversorgungsanschluss aufweist, und wobei der Betriebsartenwähler (102) eine phasenmodulierte Signalkomponente des Eingabesignals an den Eingabeanschluss durch die erste Digital/Analog-Wandlervorrichtung (116) übermittelt, als auch eine amplitudenmodulierte Signalkomponente des Eingabesignals durch die zweite Digital/Analog-Wandlervorrichtung (108) an den Spannungsversorgungsanschluss.
System (10) nach Anspruch 4, wobei der Betriebsartwähler (102) zwischen einer ersten und einer zweiten Betriebsart auf Grundlage der Eigenschaft des Eingabesignals auswählt, und wobei der Betriebsartwähler (102) während der ersten Betriebsart eine phasenmodulierte Signalkomponente an den Eingabeanschluss und eine amplitudenmodulierte Signalkomponente des Eingabesignals an den Spannungsversorgungsanschluss übermittelt, und der Betriebsartwähler (102) während der zweiten Betriebsart eine zusammengesetzte Signalkomponente an den Eingabeanschluss und eine im wesentlichen konstante Amplitudensignalkomponente an den Spannungsversorgungsanschluss übermittelt.