Wenn ein Audiosignal mit einer Abtastrate ausgelesen wird, welche wesentlich höher ist als die gemäß dem Nyquist-Theorem erforderliche Abtastrate, so spricht man von einer Überabta- stung des Audiosignals. Mit einer derartigen Überabtastung und einer nachfolgenden Tiefpassfilterung lässt sich der Si- gnal-Rausch-Abstand signifikant vergrößern. Das bei der Abta- stung entstehende Quantisierungsrauschen liegt als gleichver- teiltes weißes Rauschen in einem Frequenzbereich vor, dessen obere Grenzfrequenz aus der Abtastfrequenz ableitbar ist.

Durch Überabtastung des Audiosignals kann erreicht werden, dass sich das weiße Rauschen bis zu einer oberen Grenzfre- quenz erstreckt, die wesentlich höher ist als typische Audio- frequenzen. Dadurch ist im Audio-Frequenzbereich nurmehr ein geringer Teil der gesamten Rauschintensität zu finden. Mit einem Tiefpassfilter, der sämtliche Frequenzen oberhalb des typischen Audiofrequenzbandes unterdrückt, lässt sich daher ein Großteil des gleichverteilten Quantisierungsrauschens eliminieren. Der Signal-Rausch-Abstand des Audiosignals wird daher durch Überabtastung signifikant verbessert.

Zur weiteren Verbesserung des Signal-Rausch-Abstands sind so- genannte Noise-Shaping-Filter bekannt, welche meist aus zwei oder drei hintereinander angeordneten Filterstufen bestehen.

Das überabgetastete Signal wird jeweils mit verschiedenen Koeffizienten multipliziert und zu den vorhergehenden Filter- stufen zurückgekoppelt. Dadurch kann erreicht werden, dass das Rauschen"gefärbt"wird : Die Rauschintensität bei niedri-

gen Frequenzen wird reduziert, während die Rauschintensität bei höheren Frequenzen vergrößert wird. Die hochfrequenten Rauschanteile werden mittels des nachgeschalteten Tiefpasses eliminiert. Diese Rauschumformung bewirkt daher eine zusätz- liche Verbesserung des Signal-Rausch-Abstands.

Bei der Verwendung von Noise-Shaping-Filtern kommt es wegen der in diesen Filtern vorgesehenen Rückkopplungen zu Grenzzy- klen, die das Audiosignal überlagern. Die durch den Grenzzy- klus verursachten harmonischen Komponenten machen sich als Pfeifgeräusche störend bemerkbar.

Zur Lösung dieses Problems ist in der deutschen Patentschrift DE 44 08 768 C1 sowie in der europäischen Patentschrift EP 0 673 114 B1 ein zweistufiges Noise-Shaping-Filter be- schrieben, bei dem die Grenzzyklen mittels eines zusätzlichen Rückkopplungsblocks unterdrückt werden. Dieser Rückkopplungs- block bildet zusammen mit dem zweistufigen Noise-Shaping- Filter eine funktionelle Einheit. Das in diesen Patenten be- schriebene Verfahren sowie die zugehörige Schaltungsanordnung ist daher nur für das beschriebene zweistufige Noise-Shaping- Filter anwendbar. Ein weiterer Nachteil ist, dass die vorge- stellte Schaltungsanordnung zur Eliminierung der Grenzzyklen nur für Digitalfilter ausgelegt ist.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung sowie ein Ver- fahren zur Unterdrückung von Grenzzyklen zur Verfügung zu stellen, welche bzw. welches zusammen mit beliebigen Noise- Shaping-Filtern einsetzbar ist und insbesondere auch für die analoge Signalverarbeitung geeignet ist.

Diese Aufgabe der Erfindung wird durch eine Vorrichtung zur Unterdrückung von Grenzzyklen gemäß Anspruch 1, sowie durch ein Verfahren zur Unterdrückung von Grenzzyklen bei der Rau- schumformung gemäß Anspruch 21 gelöst.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Unterdrückung von Grenz- zyklen weist einen Filterblock zur Rauschumformung auf, wel- cher das Noise-Shaping durchführt. Darüber hinaus weist die Vorrichtung einen Addierer auf, an dessen erstem Eingang das Ergebnissignal des Filterblocks zur Rauschumformung anliegt, und an dessen zweitem Eingang ein Rückkopplungssignal an- liegt. Das Ausgabesignal des Addierers wird einer Teilerstufe zugeführt, die dieses Ausgabesignal in ein n Bit umfassendes Digitalsignal und in ein Fehlersignal umwandelt. Darüber hin- aus weist die Vorrichtung zur Unterdrückung von Grenzzyklen einen Rückkopplungsblock auf, welcher ausgehend von dem Feh- lersignal das Rückkopplungssignal erzeugt und dem Addierer zuführt.

Im Unterschied zu bisherigen Lösungen sind der Filterblock zur Rauschumformung (also der eigentliche Noise-Shaping- Filter) und der Rückkopplungsblock als separate funktionelle Einheiten ausgebildet. Der Rückkopplungsblock hat dabei die Aufgabe, das Rückkopplungssignal zu erzeugen, welches zur Be- seitigung der Grenzzyklen dient. Durch Addition dieses Rück- kopplungssignals zum Ergebnissignal des Noise-Shaping-Filters lassen sich die von den Grenzzyklen verursachten Störsignale wirkungsvoll beseitigen ; die Pfeifgeräusche auf dem Audiosi- gnal verschwinden.

Bei der erfindungsgemäßen Lösung ist der Rückkopplungsblock dem Filterblock nachgeschaltet. Dadurch kann der Rückkopp- lungsblock zusammen mit beliebigen digitalen oder analogen Filterblöcken implementiert werden und ermöglicht so eine größere Freiheit beim Design von Noise-Shaping-Filtern, als dies bei bisherigen Lösungen möglich war.

Umgekehrt kann jeder bekannte Noise-Shaping-Filter nachträg- lich mit einer Einheit zur Unterdrückung von Grenzzyklen ver- sehen werden, ohne dass das zugrundeliegende Filterdesign verändert werden müsste. Dazu ist es lediglich notwendig, den Addierer, den Rückkopplungsblock und eventuell die Teilerstu-

fe entsprechend der erfindungsgemäßen Lösung anzupassen. Der separate Rückkopplungsblock lässt sich in Form einer einfa- chen Schaltungsanordnung realisieren und verursacht insofern nur geringen zusätzlichen Aufwand.

Es ist von Vorteil, wenn der Filterblock zur Rauschumformung als zwei-oder dreistufiges Noise-Shaping-Filter ausgebildet ist. Ein zwei-bis dreistufiges Noise-Shaping-Filter ermög- licht bei moderatem Implementierungsaufwand eine wirkungsvol- le Umverteilung der Rauschintensität hin zu höheren Frequen- zen. Aus diesem Grund verfügen die meisten Noise-Shaping- Filter über zwei oder drei Filterstufen.

Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung um- fasst der Rückkopplungsblock einen Vorzeichenwandler zur Er- mittlung des positiven Werts des Fehlersignals sowie ein Ver- zögerungsglied. Zur Eliminierung des Grenzzyklus ist es un- verzichtbar, dass in einem ersten Schritt der positive Wert des Fehlersignals bestimmt wird. Dieser positive Wert des Fehlersignals wird im Verzögerungsglied gespeichert und liegt der weiteren Berechnung des Rückkopplungssignals zugrunde.

Es ist von Vorteil, wenn der Rückkopplungsblock einen Vorzei- chenwandler zur Ermittlung des positiven Werts des Fehlersi- gnals sowie ein Filterelement mit der Übertragungsfunktion 1 umfasst, wobei α = 2-s und s eine natürliche Zahl ist. z + a Bei dieser Ausführungsform der Erfindung wird das einfache Verzögerungsglied durch ein Filterelement mit der Übertra- gungsfunktion 1 ersetzt. Ein derartiges Filterelement z + a wirkt als modifiziertes Verzögerungsglied, bei dem der Aus- gang abgeschwächt zum Eingang hin rückgekoppelt wird. Mit ei- nem derartigen Filterelement lassen sich Grenzzyklen besser unterdrücken als mit einem einfachen Verzögerungsglied.

Gemäß einer ersten, digitalen Ausführungsform der Erfindung ist der Filterblock zur Rauschumformung ein Digitalfilter,

und der Addierer, die Teilerstufe und der Rückkopplungsblock sind als digitale Signalverarbeitungsstufen realisiert. Bei dieser Ausführungsform der Erfindung wird die überabgetastete digitale Wertefolge komplett digital verarbeitet. Erst am En- de der digitalen Signalverarbeitungskette erfolgt eine Um- wandlung des Digitalsignals in ein Analogsignal, und abgese- hen von dem hierfür vorgesehenen Digital-/Analog-Wandler sind keine weiteren analogen Bausteine erforderlich. Auf diese Weise können die einzelnen Signalverarbeitungsstufen einfach und kostengünstig in Digitaltechnik realisiert werden.

Eine vollständig digitale Signalverarbeitung ist insbesondere in Hinblick auf die Implementierung der Teilerstufe von Vor- teil, welche das Ausgabesignal des Addierers in ein n Bit um- fassendes Digitalsignal und in ein Fehlersignal umwandelt.

Zur Erzeugung des n Bit umfassenden Digitalsignals müssen le- diglich die n höherwertigen Bits des (m + n) Bit umfassenden Ausgabesignals abgezweigt werden. Dabei ist es insbesondere von Vorteil, wenn die Teilerstufe das Fehlersignal als m Bit umfassendes digitales Fehlersignal zur Verfügung stellt. Dazu werden die verbleibenden niederwertigen m Bits des Ausgabesi- gnals des Addierers verwendet. Die Teilerstufe führt also le- diglich eine Aufteilung der Bitleitungen durch.

Es ist von Vorteil, wenn der Vorzeichenwandler den Betrag des Fehlersignals bestimmt. Dies kann beispielsweise durch Hinzu- fügen eines zusätzlichen höherwertigen Bits erfolgen, welches gleich Null gesetzt wird. Alternativ dazu ist es von Vorteil, wenn der Vorzeichenwandler des Rückkopplungsblocks das Zwei- erkomplement des Fehlersignals bestimmt.

Es ist von Vorteil, wenn das Filterelement mit der Übertra- gungsfunktion 1 mittels eines Verzögerungsglieds reali- z + a siert ist, wobei das um s Bitpositionen nach rechts verscho- bene Ausgabesignal des Verzögerungsglieds jeweils vom Ein- gangssignal des Verzögerungsglieds subtrahiert wird. Eine

Rechtsverschiebung um s Bitpositionen lässt sich in der digi- talen Signalverarbeitung sehr einfach mit Hilfe von Rechts- verschiebern realisieren.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfin- dung wird bei der Bestimmung des Rückkopplungssignals im Rückkopplungsblock mit einer um mindestens ein zusätzliches niederwertiges Bit erhöhten Genauigkeit gerechnet. Indem der relativ kleine Rückkopplungswert innerhalb des Rückkopplungs- blocks mit erhöhter Präzision dargestellt wird, kann die Re- chengenauigkeit innerhalb der Rückkopplungsschleife gestei- gert werden. Dadurch können Grenzzyklen noch wirksamer unter- drückt werden, und zwar auch dann, wenn der Rückkopplungswert dann wieder mit normaler Genauigkeit (also ohne das zusätzli- che niederwertige Bit) dargestellt wird.

Die Vorrichtung zur Unterdrückung von Grenzzyklen bei der Rauschumformung kann vorteilhaft mittels eines digitalen Si- gnalprozessors realisiert werden. Dabei ist es insbesondere möglich, sowohl die Signalverarbeitungsschritte zur Realisie- rung des Noise-Shaping-Filters als auch die Rückkopplungs- schleife komplett innerhalb des digitalen Signalprozessors zu programmieren. Daneben können noch weitere Signalverarbei- tungsroutinen auf dem digitalen Signalprozessor abgelegt sein. Die Implementierung mittels digitaler Signalprozessoren stellt die gebräuchlichste Ausführungsform der Erfindung dar und lässt sich mit gängigen Signalprozessoren kostengünstig realisieren. Ein weiterer Vorteil beim Einsatz digitaler Si- gnalprozessoren ist, dass sich die verschiedenen abgespei- cherten Routinen flexibel umprogrammieren lassen.

Alternativ dazu ist es von Vorteil, wenn die Vorrichtung zur Unterdrückung von Grenzzyklen bei der Rauschumformung als Schaltungsanordnung in Hardware realisiert ist. Diese Ausfüh- rungsform erfordert, einen speziellen Chip bzw. einen spezi- ellen funktionellen Block auf einem Chip für die Rauschumfor- mung und die Rückkopplungsschleife vorzusehen. Dies bietet

die Möglichkeit eines optimierten Signalflusses und ermög- licht bei speziellen Anforderungen eine bessere Performance als die entsprechende Lösung mit digitalen Signalprozessoren.

Es ist von Vorteil, wenn die Vorrichtung zur Umformung digi- talisierter Audiosignale insbesondere in Mobilfunkempfängern verwendet wird. Empfangene überabgetastete Audiosignale kön- nen mittels des Noise-Shaping-Filters so umgeformt werden, dass sie einen guten Signal-Rausch-Abstand aufweisen. Mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Unterdrückung uner- wünschter Grenzzyklen ist es möglich, diese Audiosignale ohne störende Pfeifgeräusche hörbar zu machen.

Bisher war eine vollständig digitale Ausführungsform der Er- findung beschrieben worden. Das Konzept eines Noise-Shaping- Filters mit nachgeordneter Rückkopplungsschleife zur Unter- drückung von Grenzzyklen lässt sich aber einfach auf analoge Noise-Shaping-Filter übertragen.

Deshalb ist es von Vorteil, wenn der Filterblock zur Rau- schumformung ein Analogfilter ist, und wenn der Addierer und der Rückkopplungsblock als analoge Signalverarbeitungsstufen realisiert sind. Die erfindungsgemäße Aufteilung der Filter- struktur in einen Filterblock und einen nachgeordneten Addie- rer sowie einen Rückkopplungsblock lässt sich also auf belie- bige Analogfilter verallgemeinern. Der Anwendungsbereich der Erfindung ist daher nicht auf die digitale Signalverarbeitung beschränkt, sondern lässt sich auch in der analogen Signal- verarbeitung nutzen.

Dabei ist es von Vorteil, wenn die Teilerstufe eine Mehrzahl von Komparatoren zur Erzeugung des n Bit umfassenden Digital- signals aufweist. Hierbei wird das eingehende Analogsignal mit verschiedenen. Schwellwerten verglichen. Je nachdem, ob das Eingangssignal größer oder kleiner als das jeweilige Ver- gleichssignal ist, wird ein bestimmtes Bit des Digitalsignals gesetzt bzw. nicht gesetzt. Das von der Teilerstufe erzeugte

Digitalsignal stellt das Ergebnissignal der ansonsten in Ana- logtechnik ausgeführten Rauschumformung dar. Dieses Digital- signal lässt sich mittels eines Digital-/Analog-Wandlers in ein analoges Ergebnissignal umwandeln.

Dabei ist es von Vorteil, wenn das Fehlersignal als analoges Fehlersignal aus dem analogen Ausgabesignal des Addierers und dem in ein Analogsignal rückgewandelten, n Bit umfassenden Digitalsignal am Ausgang der Teilerstufe erhalten wird. Das analoge Fehlersignal dient als Ausgangspunkt für die Berech- nung des Rückkopplungswerts ; Das analoge Fehlersignal reprä- sentiert den Fehler, der bei der Umsetzung des analogen Aus- gabesignals des Addierers in das von der Teilerstufe erzeug- te, n Bit umfassende Digitalsignal auftritt. Wenn man das di- gitale Ausgabesignal der Teilerstufe in ein Analogsignal rückwandelt, dann liegen sowohl das Ausgabesignal des Addie- rers als auch das quantisierte Signal am Ausgang der Teiler- stufe als Analogsignale vor. Das analoge Fehlersignal lässt sich dann durch Subtraktion von zwei Analogwerten erhalten.

Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist der Addierer mittels eines Operationsverstärkers realisiert.

Dabei werden die zu addierenden Analogsignale den entspre- chenden Eingängen des Operationsverstärkers zugeführt.

Um den positiven Wert des analogen Fehlersignals zu erhalten, ist es von Vorteil, den Vorzeichenwandler mittels eines Gleichrichters zu realisieren.

Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung sind die analogen Signalverarbeitungsstufen in Switched-Capacitor- Technik realisiert. Der Signalfluss wird hierbei mit Hilfe von elektrischen Ladungen verwirklicht, welche über getaktete Kapazitäten geführt werden. Bei der Switched-Capacitor- Technik handelt es sich um die derzeit gebräuchlichste Aus- führungsform für integrierte Analogschaltungen.

Es ist von Vorteil, wenn die Vorrichtung für die digitale Aufzeichnung von Analogsignalen eingesetzt wird. Die analoge Ausführungsform der Erfindung kommt insbesondere dann zum Einsatz, wenn ein eingangs anliegendes Analogsignal einer Rauschumformung unterworfen werden soll. Hierbei wird das Analogsignal zunächst einem analogen Noise-Shaping-Filter zu- geführt. Diesem Filter ist erfindungsgemäß ein Addierer sowie ein analoger Rückkopplungsblock nachgeschaltet, welcher die bei der Rauschumformung entstehenden unerwünschten Grenzzy- klen unterdrückt. Dadurch kann die Qualität bei der digitalen Aufzeichnung von Analogsignalen verbessert werden.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Unterdrückung von Grenzzyklen bei der Rauschumformung wird in einem ersten Schritt das Eingangssignal mittels eines Filterblocks zur Rauschumformung gefiltert. Anschließend wird ein Rückkopp- lungssignal zu dem Ergebnissignal des Filterblocks zur Rau- schumformung addiert. Im nächstfolgenden Schritt wird das Ausgabesignal der Addition in ein n Bit umfassendes Digital- signal und in ein Fehlersignal umgewandelt. Ausgehend vom Fehlersignal kann dann im nächsten Schritt das Rückkopplungs- signal erzeugt werden Das erfindungsgemäße Verfahren zur Unterdrückung von Grenzzy- klen bei der Rauschumformung lässt sich auf die Ergeb- nissignale von beliebigen Filterblocks zur Rauschumformung anwenden und ist unabhängig von der jeweiligen Implementie- rung des Filterblocks. Das erfindungsgemäße Verfahren zur Un- terdrückung von Grenzzyklen bei der Rauschumformung lässt sich insofern auf die Ergebnissignale von beliebigen Filter- blocks zur Rauschumformung anwenden und vereinfacht so das Design von Noise-Shaping-Filtern.

Nachfolgend. wird die Erfindung anhand von mehreren. in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen weiter be- schrieben. Es zeigen :

Fig. 1A eine erste Ausführungsform der Erfindung, bei der die verschiedenen Signalverarbeitungsstufen voll- ständig in digitaler Signalverarbeitungstechnik realisiert sind ; Fig. 1B eine Ausschnittsvergrößerung des in digitaler Si- gnalverarbeitungstechnik realisierten Rückkopp- lungsblocks ; Fig. 2A das Spektrum des Ausgabesignals am Noise-Shaping- Filter (durchgezogene Linie) bei konstantem Ein- gangssignal ohne den erfindungsgemäßen nichtlinea- ren Rückkopplungsblock für das in Fig. 1A gezeigte digitale Filter ; Fig. 2B das Spektrum des Ausgabesignals am Noise-Shaping- Filter (durchgezogene Linie) bei Verwendung des er- findungsgemäßen nichtlinearen Rückkopplungsblocks bei konstantem Eingangssignal für das in Fig. 1A gezeigte digitale Filter ; Fig. 3 eine zweite Ausführungsform der Erfindung, bei der der Filterblock, der Addierer sowie der Rückkopp- lungsblock in analoger Schaltungstechnik aufgebaut sind ; Fig. 4A das Spektrum des Ausgabesignals am Noise-Shaping- Filter (durchgezogene Linie) ohne den erfindungsge- mäßen nichtlinearen Rückkopplungsblock für das in Fig. 3 gezeigte Analogfilter ; Fig. 4B das Spektrum des Ausgabesignals am Noise-Shaping- Filter (durchgezogene Linie) bei Verwendung des er- findungsgemäßen nichtlinearen Rückkopplungsblocks für das in Fig. 3 gezeigte Analogfilter.

In den Fig. 1A und 1B ist ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt, bei dem die einzelnen Signalverarbeitungs- stufen vollständig in Digitaltechnik realisiert sind. Das di- gitale Eingangssignal x, das in Fig. 1A links oben dargestellt ist, wird dem Filterblock l zur Rauschumformung zugeführt. Bei dem Eingangssignal x handelt es sich um ein überabgetastetes digitales Eingangssignal, welches aus einer Folge von bei- spielsweise 23 Bit breiten Datenwörtern besteht. Bei dem Ein- gangssignal kann es sich um ein überabgetastetes Audiosignal handeln, wobei die Abtastrate beispielsweise 4 MHz betragen kann. Dem eigentlichen Nutzsignal ist ein Quantisierungsge- räusch überlagert, das eine gleichmäßige spektrale Verteilung aufweist (weißes Rauschen).

Bei dem Filterblock 1 handelt es sich um ein Noise-Shaping- Filter dritter Ordnung, welches drei hintereinandergeschaltete Filterstufen aufweist. Dem Filterblock 1 wird neben dem Ein- gangssignal x auch das am Ausgang der Schaltungsanordnung er- scheinende Digitalsignal y zugeführt, das die n höchstwertigen Bits ("Most Significant Bits") des Ausgabesignals umfasst.

Das Eingangssignal x wird durch den Multiplizierer 2 mit dem Filterkoeffizienten a multipliziert und dem Addierer 3 zuge- führt. Im Multiplizierer 4 wird das rückgeführte Signal y mit dem Filterkoeffizienten a multipliziert ; das resultierende Si- gnal a-y wird dem Addierer 3 mit negativem Vorzeichen zuge- führt. Der Ausgang des Addierers 3 ist mit dem Integrator 5 verbunden, der sich mittels der Übertragungsfunktion 1 z-1 beschreiben lässt. Der Addierer 3, die beiden Multiplizierer 2 und 4 sowie der Integrator 5 bilden zusammen die erste Filter- stufe des dreistufigen Noise-Shaping-Filters.

Die zweite Filterstufe umfasst den Addierer 6, den Multipli- zierer 7 sowie den Integrator 8. Dem Addierer 6 wird das Aus- gabesignal des Integrators 5 mit positivem Vorzeichen zuge- führt. Daneben wird dem Addierer 6 das mit dem Filterkoeffizi- enten b multiplizierte rückgeführte Signal y mit negativem Vorzeichen zugeführt. Der Ausgang des Addierers 6 ist mit dem Integrator 8 verbunden.

Die dritte Filterstufe umfasst den Addierer 9, den Multipli- zierer 10 und den Integrator 11. Im Addierer 9 wird das mit dem Filterkoeffizienten c multiplizierte Signal y vom Ausgabe- signal des Integrators 8 subtrahiert ; das Ergebnis der Sub- traktion wird dem Integrator 11 zugeführt.

Am Ausgang des Integrators 11 kann das Ergebnissignal yQ des Filterblocks abgegriffen werden. Das Signal yQ liegt als Da- tenwort der Bitbreite m+n vor, wobei beispielsweise m = 7 und n = 5 gewählt werden kann. Im Addierer 12 wird zu dem Ergeb- nissignal YQ das m Bit breite Rückkopplungssignal yB addiert, das vom Rückkopplungsblock 13 erzeugt wird. Am Ausgang des Ad- dierers 12 erscheint das Signal xQ, wobei xQ = yQ + YD gilt.

Das m+n Bit umfassende Ausgabesignal XQ wird dem Teiler 14 zu- geführt, der das Signal xQ in das Digitalsignal y und in das Fehlersignal ye aufspaltet, wobei das Digitalsignal y die hö- herwertigen n Bit des Signals xk und das Fehlersignal ye die niederwertigen m Bit des Signals XQ umfasst.

Das Digitalsignal y wird zum einen zum Filterblock 1 rückge- koppelt und zum anderen dem Digital-/Analog-Wandler 15 zuge- führt, der das Digitalsignal y in das Analogsignal YD/A umwan- delt.

Mit Hilfe des Filterblocks 1 zur Rauschumformung wird das an- fangs gleichverteilte Quantisierungsrauschen zu höheren Fre- quenzen hin verlagert. Insofern weist auch das analoge Ergeb- nissignal YD/A keine gleichverteilte Rauschintensität mehr auf ; statt dessen ist bei höheren Frequenzen überproportional viel

Rauschintensität vorhanden. Durch eine Tiefpaßfilterung des Signals YD/A kann daher ein Großteil der Rauschintensität be- seitigt werden.

Das Fehlersignal ye, das die niederwertigen m Bit des Signals XQ umfasst, dient als Ausgangspunkt zur Berechnung des Rück- kopplungssignals ypB. Hierzu wird das Fehlersignal ye dem Rück- kopplungsblock 13 zugeführt, der den Vorzeichenwandler 16 so- wie das Filterelement 17 umfasst. Der Vorzeichenwandler 16 be- stimmt den positiven Wert des Fehlersignals ye. Dies kann da- durch erfolgen, dass der Betrag ly"l des Fehlersignals ye ge- bildet wird. Dazu ist es beispielsweise möglich, das m Bit um- fassende Bitmuster des Signals ye um ein höchstwertiges Vor- zeichenbit zu ergänzen, welches gleich Null gesetzt wird. Al- ternativ dazu ist es möglich, das Zweierkomplement des Fehler- signals ye zu bestimmen. Je nach verwendetem Zahlenformat kann hierzu beispielsweise das m Bit umfassende Bitmuster des Feh- lersignals um ein zusätzliches, niederwertiges Bit ergänzt werden.

Der positive Wert des Fehlersignals ye wird dem Filterelement 17 zugeführt, dessen Übertragungsfunktion sich darstellen lässt als 1 z-a wobei a = 2-s ist, und wobei s eine natürliche Zahl ist. Am Ausgang des Filterelements 17 kann das Rückkopplungssignal YFB abgegriffen werden, welches dem Addierer 12 zugeführt wird.

In Fig. 1B ist der Rückkopplungsblock 13 noch einmal in einer detaillierteren Darstellung gezeigt. Das m Bit umfassende Feh- lersignal ye wird dem Vorzeichenwandler 16 zugeführt. Im Vor- zeichehwandler 16 wird der Betrag bzw. das Zweierkomplement des Fehlersignals ye gebildet. Am Ausgang des Vorzeichenwand- lers 16 liegt der positive Wert des Fehlersignals als (m+1)

Bit breites Signal an ; dieses Signal ist mit einem Eingang des Addierers 18 verbunden. Der jeweilige Ausgang des Addierers 18 wird im Verzögerungsglied 19 abgespeichert, an dessen Ausgang das Rückkopplungssignal YFB abgegriffen werden kann.

Das am Ausgang des Verzögerungsglieds 19 anliegende Signal wird darüber hinaus dem Rechtsverschieber 20 zugeführt, der eine Rechtsverschiebung des anliegenden Bitmusters um s Bitpo- sitionen durchführt. Dies entspricht einer Multiplikation des Rückkopplungssignals YFB mit dem Faktor 2-5. Empirisch wurde ermittelt, dass Werte von s = 6 und s = 7 gute Ergebnisse lie- fern. Das um s Bitpositionen nach rechts verschobene Bitmuster liegt mit negativem Vorzeichen am zweiten Eingang des Addie- rers 18 an. Bei dem Addierer 18 handelt es sich vorzugsweise um einen gesättigten Addierer.

Von dem positiven Fehlersignal wird somit jeweils der mit dem Faktor 2-s gewichtete Vorgängerwert des Rückkopplungssignals YFB abgezogen, um so den aktuellen Wert des Rückkopplungs- signals y ? B zu erhalten. Es gilt also jeweils : YFB(t) = #ye(t - 1)# - 2-s.yFB(t - 1) wobei yFB (t-1) den Vorgängerwert und YFB (t) den aktuellen Wert des Rückkopplungssignals bezeichnet. Bei der Durchführung die- ser Berechnung ist es von Vorteil, wenn innerhalb des Rück- kopplungsblocks 13, also im Addierer 18, im Verzögerungsglied 19 sowie im Rechtsverschieber 20 mit einer um mindestens ein niederwertiges Bit erweiterten Genauigkeit gerechnet wird.

Dies bedeutet, dass in diesen Blöcken mit wenigstens (m+1) Bits gerechnet wird. Dieses zusätzliche niederwertige Bit bleibt allerdings beim Rückkopplungssignal YFB unberücksich- tigt. Darüber hinaus sind im gesamten Rückkopplungsbereich die jeweils benötigten höchstwertigen Bits ("Most Significant Bits") dergestalt vorgesehen, dass kein Überlauf auftritt.

Der Addierer 18, das Verzögerungsglied 19 sowie der Rechtsver- schieber 20 entsprechen in ihrem Zusammenwirken einem Filtere- lement mit der Übertragungsfunktion 1, wobei α = 2-s und s eine natürliche Zahl ist. z+a In Fig. 2A ist das Spektrum des Ausgabesignals y des Noise- Shaping-Filters ohne den nichtlinearen Rückkopplungsblock dar- gestellt, wobei das Eingangssignal x jeweils konstant gehalten wird. Nach rechts ist die Frequenz in Hertz, nach oben die Signalamplitude in Dezibel aufgetragen. Das entsprechende Spektrum wurde in Fig. 2B noch einmal unter Verwendung des Rückkopplungsblocks 13 aufgezeichnet. Wieder ist das Spektrum des Ausgabesignals y am Noise-Shaping-Filter bei konstantem Eingangssignal x als durchgezogene Linie dargestellt. Darüber hinaus ist der Trendverlauf des Spektrums als gestrichelte Li- nie eingezeichnet.

Durch Vergleich der in den Fig. 2A und 2B gezeigten Spektren erkennt man, dass die dem eigentlichen Spektrum in Fig. 2A überlagerten harmonischen Komponenten mit Hilfe des Rückkopp- lungsblocks 13 wirksam unterdrückt werden können. Offensicht- lich vermag also der nichtlineare Rückkopplungsblock die im Filterblock 1 entstehenden Grenzzyklen zu eliminieren.

In Fig. 3 ist eine alternative Ausführungsform der Erfindung dargestellt, die zum überwiegenden Teil in analoger Schal- tungstechnik aufgebaut ist. Das analoge Eingangssignal xa liegt am Eingang des analogen Filterblocks 21 an, der als zweistufiger Noise-Shaping-Filter aufgebaut ist. Das Eingangs- signal xa wird durch den analogen Multiplizierer 22 mit dem Filterkoeffizienten a multipliziert und liegt mit positivem Vorzeichen am ersten Eingang des analogen Addierers 23 an. Das rückgeführte Ergebnissignal 24 wird im analogen Multiplizierer 25 mit dem Filterkoeffizienten b multipliziert und liegt mit negativem Vorzeichen am zweiten Eingang des Addierers 23 an.

Der analoge Addierer 23 kann vorteilhafterweise als Operati- onsverstärker ausgeführt sein.

Das Ausgabesignal des Addierers 23 wird dem Integrator 26 zu- geführt, dessen Ausgang mit dem Eingang des Addierers 27 ver- bunden ist. Am zweiten Eingang des Addierers 27 liegt das rückgeführte Ergebnissignal 24 mit negativem Vorzeichen an.

Der Multiplizierer 28 multipliziert das Ausgabesignal des Ad- dierers 27 mit dem Filterkoeffizienten c, und das Ausgabesi- gnal des Multiplizierers 28 wird im Integrator 29 aufinte- griert. Am Ausgang des Integrators 29 kann das analoge Ergeb- nissignal ho, a des Filterblocks 21 abgegriffen werden.

Im Addierer 30 wird das analoge Rückkopplungssignal YFB, a zu dem Signal yQ, a addiert, um so das analoge Signal X4, a zu erhal- ten. Dieses Signal xQ, a wird im Verstärkungsglied 32 mit dem Verstärkungsfaktor G1 multipliziert, um das analoge Signal ya zu erhalten. In der Teilerstufe 33 wird das analoge Signal ya in ein n Bit umfassendes Digitalsignal YA/D umgewandelt, wobei beispielsweise n = 4 gewählt werden kann. Die Teilerstufe 33 ist mittels einer Vielzahl von Komparatoren aufgebaut, die je- weils einen Vergleich des analogen Eingangssignals ya mit ver- schiedenen Schwellwerten vornehmen. In Abhängigkeit von den Ergebnissen dieser Vergleichsoperationen werden die n Bitlei- tungen, die das Digitalsignal YA/D repräsentieren, auf"Null" oder"Eins"gesetzt.

Als Ausgangspunkt zur Berechnung des analogen Rückkopplungs- signals YFB, a wird das analoge Fehlersignal ye, a benötigt, das den bei der Analog-/Digital-Wandlung auftretenden Quantisie- rungsfehler repräsentiert. Dieses Fehlersignal ye,a wird als Differenz des analogen Signals ya und des n Bit umfassenden Digitalsignals YA/D erhalten. Hierzu muss das Digitalsignal YA/D aber zuerst in das Analogsignal YD/A rückverwandelt werden.

Dies geschieht mit Hilfe des Digital-/Analog-Wandlers 34, an dessen Ausgang das Analogsignal yD/A anliegt. Dieses Signal wird im Multiplizierer 35 mit dem Skalierungsfaktor

1<BR> <BR> <BR> <BR> <BR> Gl multipliziert, um das rückgeführte Ergebnissignal 24 zu erhal- ten. Außerdem wird das Analogsignal yD/A dem analogen Addierer 36 mit negativem Vorzeichen zugeführt. Der Addierer 36 berech- net das analoge Fehlersignal ye, a als Differenz der Analogsi- gnale ya und YD/A. Es gilt also ye, a = Ya-YD/A- Das analoge Fehlersignal ye, a wird durch den analogen Rückkopp- lungsblock 31 in das analoge Rückkopplüngssignal yFB, a umgewan- delt. Hierzu wird zunächst durch den Vorzeichenwandler 37 der Absolutbetrag jye, a) des Fehlersignals ye, a gebildet. Der Vor- zeichenwandler 37 kann als analoger Gleichrichter ausgeführt sein. Das Signal ye, a wird anschließend durch das Filterele- ment 38 mit der Filterfunktion 1 gefiltert. Die Filter- Z+a funktion-ist in der z-Ebene dargestellt, wobei der Fil- z+a terparameter a z. B. als a = 2-6 gewählt werden kann. Am Aus- gang des Filterelements 38 liegt das Rückkopplungssignal yFB, a des analogen Rückkopplungsblocks 31, das dann zum Signal yQ, a addiert werden kann.

Der nichtlineare Rückkopplungsblock wird in eine vorgegebene Noise-Shaper-Struktur in Hardware eingefügt. Dabei bietet es sich an, die analogen Signalverarbeitungsstufen in Switched- Capacitor-Schaltungstechnik zu realisieren.

Bei dem n Bit umfassenden Digitalsignal YA/D handelt es sich um das Ergebnissignal der Filterschaltung. Anhand der Fig. 4A und 4B soll gezeigt werden, dass sich mit Hilfe des analogen Rück- kopplungsblocks 31 Grenzzyklen und harmonische Komponenten wirkungsvoll unterdrücken lassen.

In Fig. 4A ist das Spektrum des Ausgabesignals y des Noise- Shaping-Filters ohne den nichtlinearen Filterblock als durch-

gezogene Linie dargestellt. Als Eingangssignal xa wurde ein konstantes Signal mit einem überlagerten Sinussignal der Fre- quenz 2 MHz verwendet. Nach rechts ist die Frequenz in Hertz, nach oben die Signalamplitude in Dezibel aufgetragen.

Dagegen ist in Fig. 4B das Spektrum des Ergebnissignals ya bei Verwendung des erfindungsgemäßen analogen Rückkopplungsblocks aufgetragen. Wieder wurde als Eingangssignal xa ein konstantes Signal mit überlagertem Sinussignal der Frequenz 2 MHz verwen- det. Der Trendverlauf des Spektrums ist in Fig. 4B als gestri- chelte Linie eingezeichnet. Insbesondere bei höheren Frequen- zen im Bereich zwischen 105 und 107 Hz ist eine deutliche Ab- nahme der durch Grenzzyklen verursachten harmonischen Störun- gen zu erkennen.