185434. lajstromszámú szabadalom • Interpoláló analóg-digitál átalakító
1 1,2 MHz-től 2,25 MHz-ig terjedő szorzási frekvenciákat kíván A szorzást általában vagy egy teljesen párhuzamos kombinációs hálózattal valósítják meg, vagy egy soros/ párhuzamos összeadó és léptető áramkörrel. Az első esetben félelmetes mennyiségű hardware szükséges, a másodikban pedig az N és M mennyiségek soros/párhuzamos szorzását egy N-bítes léptető regiszter és egy N + M bites összeadó N órajelciklus alatt hajtja végre. Mindazonáltal egy LSI processzor számára sem az első, sem a második megoldás nem alkalmas. Egy ígéretes módszer az űn. „rövid szó optimalizálás”. Ezt a módszert használva az együtthatóban lévő 1-esek számát minimalizáljuk, mert a szorzási művelet során csak 1-es jelenléte esetén van szükség összeadásra. Például, egy „barrel shifter” és egy csupán három 1-est tartalmazó 12 bites együttható alkalmazásával egy szorzást három órajel periódus alatt végrehajthatunk azáltal, hogy az összeadásokat minden olyan esetben kihagyjuk, ahol az együtthatóban zérusok álinak. Az együtthatók egyszerűsítésének módszerei igen bonyolultak, és a szűrő teljesítőképessége szempontjából némi megalkuvást igényelnek (ez azonban a bonyolultság fokozása árán ellensúlyozható). Ügy látszik, hogy a több együtthatót alkalmazó FIR-szűrők kevésbé érzékenyek az együtthatóegyszerűsítéssel járó hatásokra. Ebből a szempontból eléggé érzéketlenek a nagy toleranciájú valóságos szűrőkből fejlesztett IIR-szűrők is. A digitális szűrök alkalmazásából, és általában a digitális jelfeldolgozásból eredő számos előnyt akkor tudjuk igazán kihasználni, ha a hírközlőberendezések analóg és digitális szakaszai közé nagy feloldóképességű, gyors működésű és széles dinamikájú A/D átalakítókat iktatunk. Az A/D átalakítónak van a legjelentősebb befolyása a rendszer teljesítőképességére, és a legtöbb hibát okozhatja a rendszerben. Az A/D átalakító tulajdonságai határozzák meg a jel—zaj viszonyt, az erősítési karakterisztikát, az üres csatornák zajszintjét, a harmonikus torzítást, a sávon kívüli jelek hatását, az intermodulációs torzítást, és korlátozhatják az átviteli frekvenciasávot. Az ismert A/D átalakító típusok közül digitális jelfeldolgozás céljaira a legalkalmasabbnak látszik az ún. interpoláló kódoló, amely a bemenő analóg (beszéd) jelet viszonylag nagy frekvenciával, pl. 512 kHz-cel (vagy 256 kHz-cel) mintavételezi és előállítja az egyes jelamplitúdókat reprezentáló sokbites digitális szavakat. A 4. ábrán egyszerűsített változatban mutatjuk be azt a régebbi interpoláló kódolót, amelyet a találmány szerinti interpoláló A/D átalakító kidolgozásakor alapul vettünk. Ebben az alapvető kódoló hurokban az x(t) analóg bemenőjel és annak kvantált q(t) reprezentánsa közötti átlagos eltérést negatív visszacsatolás minimalizálja. Az x(t) és a q(t) közötti különbség az 1 erősítőből, az R ellenállásból és a C kondenzátorból álló integrátorban integrálódik és Összegződik az x(t)—q(t) különbség pillanatnyi értékével. Az eredmény polaritását a 2 komparátor detektálja. Á komparátor kimenőjele a 3 léptetésvezérlő logikába jut, amely a 4 D/A átalakítóban képződő kvantált q(t) jel növekedését vagy csökkenését szabja meg. A léptetés-vezérlő logika célszerűen egy 8- bites, kétirányú léptető regisztert foglal magában, amely digitális akkumulátorként működik oly módon, hogy a legalsó szinten, vagyis a legkisebb helyiértéken (LSB) egyesekkel, a legfelső szinten (MSB) pedig zérusokká! telik meg. Amint ez a regiszter megtelik logikai egyesekkel, a kvantálási lépcső nagysága növekszik. A 3 léptetésvezérlő logika figyeli a kvantálás polaritását is, és az 5 vonalra küldött SB előjelbit alakjában ad róla információt. A kvantálási lépcső nagyságára vonatkozó informálj ció pedig a digitális kimeneten jelenik meg. A bemutatotthoz hasonló áramkörre vonatkozó további részleteket és működési karakterisztikákat találhatunk Bruce A. Wooley és Janes L. Henry „An Integrated Per-Channel PCM Encoder Based on Interpolation” című cikkében, amely az IEEE Journal of Solid-State Circuits, Vol. SC 14, No. 1, 1979. februári számának 14—20. oldalain jelent meg. Bár a fentebb leírt interpoláló A/D átalakító és még néhány régebben leközölt társa használható ugyan egy ,digitális hírközlőrendszerben, ezek az átalakítók azonban több hátránnyal rendelkeznek. Mivel a komparátor kimenete mintavételezve van az Fs frekvenciával (amely jóval fölötte van az érdekes bemenő frekvenciatartománynak), és mivel ez a kimenet vezérli az új kvantált 2^ kimenetet meghatározó léptető regisztert, a D/A átalakító kimenetének minden mintavétel alkalmával meg kell változni, mivel az 1-bites kód csak két állapotot tesz lehetővé, mégpedig a növekvést vagy a csökkenést. Nem létezhet viszont olyan állapot, hogy a D/A átalakító 2p, kimenete állandó maradjon. Részletesebben kifejtve a léptető regiszter vezérlése csak azt engedi meg, hogy a D/A átalakító bemenetel 0, ±00000001, ±00000011, ±00000111, ±00001111, ±00011111, ±00111111, ±01111111, vagy ± 11111111 értékűek legyenek. 3£ Amint Candy és társai rámutattak a „A Per-Channel A/D Converter Having 15-Segment q-255 Companding” című közleményükben, amely az IEEE Trans, on Communications, Vol. com-24, No.l, 1976 januári számában található, a fenti kódok úgy lettek kiválasztva, hogy 35 a q-karakterisztikát alkotó szegmensek végpontjai 4/3- szorosának feleljenek meg, vagyis bármelyik két ponthoz tartozó kódok átlaga éppen az illető szegmens végpontját adja meg. A léptető regiszter vezérlése csak 17 szintet enged létezni a rendszerben, pl. 8 pozitív szintet, 8 nega- 4Q tív szintet és az egy zérusszintet. A visszacsatoló hurok hatására az A/D átalakító az integrátor kimenetét a zérus felé kényszeríti, úgyhogy a q(t) integrálja igyekszik azonos lenni az x(t) integráljának értékével. Egyenfeszültségű bemenőjclek esetén, ha az R ellenig állással és C kondenzátorral megfelelő csillapítást állítottunk be, a rendszer az 5(a) ábrán illusztrált hullámalakot fogja gerjeszteni. Ez a tulajdonképpen egy a bemenőjelre szuperponált háromszintes oszcilláció. Az emh'tett szerzők leírnak egy 256 kHz-es rendszert, amely- 50 ben 32 minta célszerűen páronként egyidejűleg átlagolólik. Mindegyik pár átlagolása úgy megy végbe, hogy a <ét minta közül a kisebbiket vesszük és elhagyjuk a 4/3-os arányossági tényezőt. Például ha az egyik minta az n végpont értékének 4/3-a, a legközelebb eső kisebb 55 minta pedig 2/3-része a végértéknek, akkor az átlag rppen az n végpont maga, amelynek kódja azonos a kiíebb mintáéval. Ez az átlagolási mód a minták számát 6-ra csökkenti, és egy párhuzamos 12-bites összeadó- 1 an végrehajtva 12-bites eredményt ad. Az összeadóval 60 elérhető felbontás az átlagolt minták N számának és az egyes minták felbontásának a függvénye, vagyis az eredmény felbontása nem más mint a log2N érték szorozva egyetlen minta felbontásával. Kawahara és társai és még mások is leírtak olyan 65 512 kHz-es rendszert, amely az átlagolást már csak 4
