Способ аналого-цифрового и цифро-аналогового преобразования с неравномерным квантованием по амплитуде
ANALOGUE-TO-DIGITAL AND DIGITAL-TO-ANALOGUE CONVERSION METHOD WITH NON-UNIFORM AMPLITUDE QUANTISATION

Изобретение относится к электронно-вычислительной технике и электронике, предназначено для аналого-цифрового и цифро-аналогового преобразования и может быть использовано в системах радиолокации, навигации и связи, а также в аудиотехнике.
Наиболее близким техническим решением (прототипом) к предлагаемому является способ расширения динамического диапазона аппаратуры заключающийся в том, что вводится N блоков операционных усилителей, имеющих разные коэффициенты усиления, а также набор из  К1.N ключей, которые подключают свой собственный усилитель. При передаче/записи сигнала в ОЗУ они подключаются таким образом, чтобы уменьшить динамический диапазон записываемого (или передаваемого) сигнала. При обработке (или приеме) сигнала, расширитель динамического диапазона также имеет N блоков операционных усилителей, которые подключаются при помощи К2.N ключей и восстанавливает исходный сигнал, подключая соответствующие блоки усилителей [1]..
Однако, известный способ расширения динамического диапазона не позволяет в полной мере реализовать свои преимущества, так как в нем используется равномерное квантование по амплитуде аналогового сигнала.
Достигаемый технический результат – расширение динамического диапазона радиотехнических систем при аналого-цифровом и цифро-аналоговом преобразовании сигналов при одинаковой разрядности АЦП и ЦАП.
Технический результат достигается за счет того, что предложен способ и устройства аналого-цифрового и цифро-аналогового преобразования с неравномерным квантованием по амплитуде, отличающийся тем, что перед аналого-цифровым преобразованием входной аналоговый сигнал поступает на компаратор с уровнем компарирования, равному 1/10 от максимального значения амплитуды АЦП; при этом если входной сигнал превышает уровень компарирования, то старшему разряду АЦП присваивается значение «1», если входной сигнал меньше уровня компарирования, то старший разряд будет равен «0»; аналого-цифровой преобразователь содержит дополнительные блоки: компаратор, два источника опорного напряжения, демультиплексор; входной аналоговый сигнал одновременно поступает на входы компаратора и АЦП с равномерным квантованием по амплитуде; если входной сигнал превышает уровень компарирования, то старший разряд принимает значение «1», если не превышает – то старший разряд принимает значение «0»; старший разряд является управляющим для демультиплексора, который определяет какой источник опорного напряжения подключен к АЦП равномерного квантования по модулю 2; значения опорных напряжений отличаются в 10 раз, поэтому квантование по уровню для  старшего разряда производится по модулю 10, а для остальных N-1 разрядов – по модулю 2; цифро-аналоговый преобразователь также содержит дополнительные блоки: демультиплексор и два источника опорного напряжения, значения которых также отличаются в 10 раз; при этом старший разряд поступает на управляющий вход демультиплексора: если его значение равно «1», то к ЦАП подключается первый источник опорного напряжения, если старший разряд равен «0», то к ЦАП подключается второй источник опорного напряжения; остальные N-1 разрядов поступают на соответствующие информационные входы ЦАП и дальнейшее цифро-аналоговое преобразование производится с равномерным квантованием по модулю 2.
Способ аналого-цифрового и цифро-аналогового  преобразования с неравномерным квантованием по уровню заключается в том, что перед аналого-цифровым преобразованием входной аналоговый сигнал поступает на компаратор с уровнем компарирования, равному 1/10 от максимального значения амплитуды АЦП. Если входной сигнал превышает уровень компарирования, то старшему разряду АЦП присваивается значение «1», если входной сигнал меньше уровня компарирования, то старший разряд равен «0» (старший  разряд является управляющим для демультиплексора).
Аналого-цифровой преобразователь содержит дополнительные блоки: компаратор, два источника опорного напряжения (ИОН), демультиплексор (фиг. 1). Входной аналоговый сигнал одновременно поступает на входы компаратора и АЦП с равномерным квантованием по амплитуде. Если входной сигнал превышает уровень компарирования, равный 1/10 максимального значения амплитуды, то старший разряд принимает значение «1», если не превышает – то старший разряд принимает значение «0». Старший разряд является управляющим, если он равен «1», то к АЦП с равномерным квантованием по амплитуде подключается первый источник опорного напряжения; если старший разряд равен «0», то – второй  источник опорного напряжения. Значения опорных напряжений отличаются в 10 раз, поэтому квантование по уровню в старшем разряде производится по модулю 10. Аналого-цифровое преобразование для остальных N-1 разрядов производится обычным способом с равномерным квантованием по модулю 2 (N – разрядность АЦП).
Цифро-аналоговый преобразователь с неравномерным квантованием по амплитуде также содержит дополнительные блоки: демультиплексор и два источника опорного напряжения, значения которых также отличаются в 10 раз (фиг. 2). При цифро-аналоговом преобразовании старший разряд поступает на управляющий вход демультиплексора; при этом если его значение равно «1», то к ЦАП подключается первый источник опорного напряжения, имеющий номинальное значение; если старший разряд равен «0», то к ЦАП подключается второй источник опорного напряжения, который имеет значение 1/10 от номинального уровня. Остальные N-1 разрядов поступают на соответствующие информационные входы ЦАП и цифро-аналоговое преобразование производится с равномерным квантованием по модулю 2.
Произведем сравнительную оценку динамического диапазона при аналого-цифровом преобразовании при равномерном и неравномерном способе квантования по амплитуде при разрядности АЦП – 16 бит.
Для равномерного квантования по модулю 2 динамический диапазон
A = 6,02 × N = 6,02 × 16 = 96,32 дБ.
Так значения опорных напряжений отличаются в 10 раз, то по мощности это соотношение составит 10 дБ, а по амплитуде – 20 дБ согласно формуле:
Для предлагаемого способа неравномерного квантования число разрядов по модулю 2 – 15 бит. по модулю 10 – 1 бит.
A = 6,02 × (N-1) + 20 = 6,02 × 15  + 20 = 90.3 +20 = 110,3 дБ.
Таким образом, выигрыш по динамическому диапазону составит примерно 14 дБ, что крайне важно для аналого-цифрового преобразования слабых сигналов.
Литература
1. Патент РФ № 2614345. МПК H03B 1/00. Способ расширения динамического диапазона в радиотехнических системах / Рябов И.В., Клюжев Е.С., Дедов А.Н., Гарифуллина А.В. Заявл.21.12.2015. Опубл. 24.03.2017. Бюл. № 9. – 7 с. (прототип).