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Verfahren zur Verringerung der Datenuebertragungsrate zwischen Baugruppen bei Uebertragung eines digitalisierten bandbegrenzten Signals

IP.com Disclosure Number: IPCOM000021468D
Published in the IP.com Journal: Volume 4 Issue 2 (2004-02-25)
Included in the Prior Art Database: 2004-Feb-25
Document File: 3 page(s) / 126K

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Siemens

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Abstract

Die Datenraten, die bei Systemen mit rein digitalen oder gemischten digitalen und analogen Signalen auftreten, liegen zunehmend sehr hoch. Hinzu kommt, dass oft mit einer zusaetzlich erhoehten Abtastrate gearbeitet wird, wenn vorangehende Filteroperationen zur Bandbegrenzung keine Dezimation (engl.: decimation - Dezimierung, Ausduennung) bis zur minimalen Abtastrate erlauben oder die hohe Signalbandbreite fuer eine nachfolgende Signalverarbeitung benoetigt wird. Die gaengigste Methode, zeit- und wertkontinuierliche Signale digital darzustellen, ist in Form eines aequidistant abgetasteten PCM-Signals (Pulse Code Modulation). Dabei wird nach Zeitabschnitten der Laenge T der Momentanwert des Signals festgestellt und als digitaler Wert mit linearem diskretem Wertebereich quantisiert. Um eine fehlerhafte Darstellung des Signals zu verhindern, muss fuer die Signalbandbreite B die Nyquist-Bedingung (B ist kleiner oder gleich 1/T) erfuellt sein.

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S

© SIEMENS AG 2003 file: 2003J17938.doc page: 1

Verfahren zur Verringerung der Datenuebertragungsrate zwischen Baugruppen bei Uebertragung eines digitalisierten bandbegrenzten Signals

Idee: Alexander Pelzer, DE-Muenchen

Die Datenraten, die bei Systemen mit rein digitalen oder gemischten digitalen und analogen Signalen auftreten, liegen zunehmend sehr hoch. Hinzu kommt, dass oft mit einer zusaetzlich erhoehten Abtastrate gearbeitet wird, wenn vorangehende Filteroperationen zur Bandbegrenzung keine Dezimation (engl.: decimation - Dezimierung, Ausduennung) bis zur minimalen Abtastrate erlauben oder die hohe Signalbandbreite fuer eine nachfolgende Signalverarbeitung benoetigt wird.

Die gaengigste Methode, zeit- und wertkontinuierliche Signale digital darzustellen, ist in Form eines aequidistant abgetasteten PCM-Signals (Pulse Code Modulation). Dabei wird nach Zeitabschnitten der Laenge T der Momentanwert des Signals festgestellt und als digitaler Wert mit linearem diskretem Wertebereich quantisiert. Um eine fehlerhafte Darstellung des Signals zu verhindern, muss fuer die Signalbandbreite B die Nyquist-Bedingung (B ist kleiner oder gleich 1/T) erfuellt sein.

Fuer Signale geringer Stationaritaet kann davon ausgegangen werden, dass der durch die Quantisierung hervorgerufene Fehler statistisch unabhaengig vom Eingangssignal ist. Durch den Quantisierungsfehler entsteht demnach ein so genanntes Weisses Rauschen, das sich gleichmaessig ueber den Frequenzbereich von 0 bis 1/(2T) erstreckt. Das mit einer bestimmten Anzahl Bits n erzielbare maximale Signal-zu-Rausch-Verhaeltnis (Signal-to-Noise-Ratio SNR) laesst sich ueber folgenden Zusammenhang bestimmen, wobei OSR (OverSampling Rate) die Ueberabtastrate fs/(2*B)= 1/(2*B*T) ist:

SNR = 6.02*n + 1.763 + 10*log(OSR)

Vor einer Uebertragung eines PCM-codierten Signals werden zur Reduzierung der Datenrate haeufig die Ergebnisse vorangehender Signalverarbeitungsstufen, die mit grosser interner Wortbreite arbeiten, auf eine minimal notwendige Wortbreite gebracht. Dies geschieht im Allgemeinen durch eine schwellwertabhaengige Rundung, bei der eine vorgegebene Anzahl LSBs (Least Significant Bits) entsprechend einer festen Rundungsvorschrift bei Unterschreiten des jeweiligen Schwellwertes abgeschnitten und beim Ueberschreiten zum naechsthoeheren moeglichen gerundeten Wert aufgefuellt werden. Da zwischen der Rundungsoperation und dem Eingangssignal weiterhin keine statistische Abhaengigkeit besteht, ist das durch den Rundungsfehler generierte Rauschen ebenfalls spektral weiss, aber durch die geringere Amplitudenaufloesung mit einer hoeheren Rauschleistung behaftet.

Bei einer Abtastrate hoeher als die Nyquist-Rate, also bei Ueberabtastung, steigt die benoetigte Datenrate durch die groessere Anzahl zu uebertragender Abtastwerte schnell an. Zwar verringert sich auch die erforderliche Anzahl von Bits pro Abtastwert (~1bit pro Vervierfachung der Abtastfrequenz), jedoch ist dieser Effekt deutlich geringer ausg...