一種模數轉換器中量化噪聲隨機化的方法
【專利摘要】本發明提供一種模數轉換器中量化噪聲隨機化的方法，該方法為設置模數轉換器的時鐘頻率f_ck2，在模數轉換器中加入一個抖動信號發生器，抖動信號發生器產生的抖動信號頻率由該模數轉換器的時鐘頻率f_ck2決定，比較器、數模轉換模塊設置在與f_ck2鎖定的較高的倍頻f_ck1上，然后將抖動信號與環路濾波器的輸出信號疊加后送入比較器，使比較器產生的量化噪聲隨機化，所述抖動信號的頻率選取在抽取數字濾波器傳輸系數的零點上，該抖動信號被抽取數字濾波器濾除。本發明的模數轉換器的輸出信噪比不受抖動信號的影響，產生抖動信號的機理簡單，容易實現，對抖動信號的幅度精度要求不高，節約抖動信號發生器的功耗、尺寸和成本。
【專利說明】一種模數轉換器中量化噪聲隨機化的方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及模數轉換器的【技術領域】，尤其是指一種模數轉換器中量化噪聲隨機化的方法。
【背景技術】
[0002]現有的模數轉換器中，尤其是希格瑪-德爾塔(Sigma-Delta)模數轉換器，其功能模塊一般都包括有輸入加法器、環路濾波器、比較器、反饋數模轉換模塊和FIR抽取數字濾波器，其基本原理是采用高頻過采樣，利用環路濾波器在需處理的信號頻段附近的高增益，以及抽取數字濾波器的窄帶頻率響應，來達到使用比較粗略的模數轉換模塊來完成高精度模數轉換的目的。這種模數轉換器的輸入信號為模擬信號V(t)，而輸出信號則為數字信號d(n)。在實際轉換中，輸出的數字信號d(η)還會帶有由比較器產生的量化噪聲，該量化噪聲在所需處理信號帶寬內的幅度對模數轉換器的信噪比有著重要影響。在典型的希格瑪-德爾塔模數轉換器中，如果采用了低階環路濾波器的環路，導致比較器產生的量化噪聲不符合白噪音頻譜，而和輸入信號V(t)的頻譜有很強的關聯性。在一定輸入信號V(t)的強度和頻譜下，量化噪聲會在需要的信號頻段內產生較大的頻譜分量和幅度，通過抽取數字濾波波后，高頻的量化噪聲會被濾除，但是在輸入信號V(t)頻段附近，量化噪聲有許多幅度較高的尖峰，這必然會降低模數轉換器的輸出信噪比。
[0003]目前解決這個問題的常用方法為在模數轉換器的內部加入一個抖動信號發生器，該抖動信號發生器產生的信號y(t)為隨機信號，其頻譜為白噪聲，該白噪聲隨機信號y(t)能起到打斷輸入信號和比較器輸出信號的諧波關系，大大降低兩者的關聯性，使得量化噪聲隨機化。但是，用這種方法有很大的缺點，那便是對抖動信號的隨機性要求嚴格，抖動信號必須在頻率和幅度都要高度隨機，產生該抖動信號的設備的精度要求高，會帶來較大的功耗和成本。如果不能達到高度隨機要求，在輸入信號幅度較小時，量化噪聲仍然會有很大的信號頻段內的尖峰，同時，由于抖動信號本身亦為一個噪聲，抖動信號會在抽取數字濾波器中輸出，對于整個模數轉換器的輸出信噪比有一定影響。

【發明內容】

[0004]本發明的目的在于克服現有技術的不足，提供一種設計合理可靠、能有效使模數轉換器內的量化噪聲隨機化、對抖動信號的幅度精度要求低、且輸出信號信噪比完全不受抖動信號影響的模數轉換器中量化噪聲隨機化的方法。
[0005]為實現上述目的，本發明所提供的技術方案為:一種模數轉換器中量化噪聲隨機化的方法，它包括有:
第一、設置模數轉化器的系統時鐘頻率f_ck2，在模數轉換器中加入一個抖動信號發生器，該抖動信號發生器產生的抖動信號頻率由該模數轉換器的系統時鐘頻率f_ck2決定，即抖動信號頻率f (t) =N*f_ck2，N為正整數；
第二、抽取數字濾波器的工作頻率由模數轉換器的系統時鐘頻率f_ck2決定，該抽取數字濾波器的工作頻率與抖動信號頻率完全一致，且相互跟隨；環路的比較器，產生反饋信號的數模轉換模塊則工作在與f_ck2鎖定的一個較高的倍頻f_ckl上，f_ckl=M*f_ck2，M為一個較大的正整數。
[0006]第三、具有足夠幅度和頻率分量的抖動信號與環路濾波器的輸出信號疊加后送入比較器，使比較器產生的量化噪聲隨機化；
第四、所述抖動信號的頻率選取在抽取數字濾波器傳輸系數的零點上，該抖動信號被抽取數字濾波器濾除。
[0007]本發明在采用了上述方案后，其最大優點在于通過在模數轉換器內部加入新的抖動信號發生器，該抖動信號發生器產生的抖動信號的頻率與該模數轉換器的系統時鐘頻率相關，即為系統時鐘頻率決定了抖動信號發生器的抖動信號頻率，通過抖動信號與環路濾波器的輸出信號疊加，然后送入比較器中，由于該抖動信號的幅度和頻率分量足夠大，使得比較器產生的量化噪聲可隨機化，同時，由于所述的抖動信號的頻率和抽取數字濾波器的傳輸系數的零點都是由整個模數轉換器的系統時鐘頻率決定的，兩者是完全匹配且相互跟隨的，這保證了抖動信號永遠都處于抽取數字濾波器的零點上，這使抖動信號通過抽取數字濾波器后，該抖動信號被濾除，這使得抖動信號無論幅度大小如何，抽取數字濾波器的輸出信號都不帶有抖動信號，即整個模數轉換器的輸出信噪比不受抖動信號的影響，同時，產生抖動信號的機理簡單，容易實現，而且對抖動信號的幅度精度要求不高，抖動信號發生器無需做復雜動作，因此能節約抖動信號發生器的功耗、尺寸和成本。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0008]圖1為本發明的模數轉換器功能方框圖。
[0009]圖2為本發明的抽取數字濾波器傳輸系數頻譜圖。
[0010]圖3為本發明的抖動信號頻譜圖。
[0011]圖4為本發明的主要節點信號的頻譜圖。
[0012]圖5為本發明的抖動信號時域圖。
【具體實施方式】
[0013]下面結合具體實施例對本發明作進一步說明:
參見附圖1至附圖4所示，本實施例所述的模數轉換器中量化噪聲隨機化的方法，它包括有:
第一、設置模數轉換器的系統時鐘頻率f_ck2，在模數轉換器中加入一個抖動信號發生器，該抖動信號發生器產生的抖動信號頻率由該模數轉換器的系統時鐘頻率f_ck2決定，即抖動信號頻率f (t) =N*f_ck2，N為正整數；
第二、抽取數字濾波器的工作頻率由模數轉換器的系統時鐘頻率f_ck2決定，該抽取數字濾波器的工作頻率與抖動信號頻率完全一致，且相互跟隨；環路的比較器，產生反饋信號的數模轉換模塊則工作在與f_ck2鎖定的一個較高的倍頻f_ckl上，f_ckl=M*f_ck2，M為一個較大的正整數；
第三、具有足夠幅度和頻率分量的抖動信號與環路濾波器的輸出信號疊加后送入比較器，使比較器產生的量化噪聲隨機化； 第四、所述抖動信號的頻率選取在抽取數字濾波器傳輸系數的零點上，該抖動信號被抽取數字濾波器濾除，對于整個模數轉換器的輸出信噪比沒有影響。
[0014]根據上述模數轉換器中量化噪聲隨機化的方法，該模數轉換器量化噪聲隨機化的處理方式為:該模數轉換器的輸入信號為模擬信號v(t)，模擬信號V(t)依次通過輸入加法器和低階環路濾波器后，在環路濾波器的輸出與抖動信號發生器產生的抖動信號y(t)相疊加，并一并送入比較器中，比較器會產生量化噪聲，在比較器輸出的中間高速數字信號dl(n)包含輸入信號v(t)、量化噪聲和抖動信號y(t)，且由于該抖動信號y(t)具有足夠的幅度和頻率分量，與現有技術常用的白噪聲抖動信號一樣，能有效地使模數轉換器的量化噪聲隨機化，保證了在輸入信號V(t)頻段附近不再出現的信號尖峰，而該方法采用的抽取數字濾波器在輸出信號頻率的整數倍頻率中，這個傳輸系數有零點(該頻點的信號被衰減到無窮小)，即輸出信號在這個頻點上始終為零(參見圖2抽取數字濾波器傳輸系數頻譜圖)。而抖動信號發生器是工作在模數轉換器內部的系統時鐘頻率f_ck2上，而抽取數字濾波器同樣工作在轉換器的系統時鐘頻率f_ck2上，兩者均是由系統時鐘頻率f_ck2所決定的，因此，這兩個模塊的工作頻率是同步的，兩者完全匹配且相互跟隨，該抖動信號永遠會處于該抽取數字濾波器傳輸系數的零點上，即該抖動信號會被給抽取數字濾波器消除，因此，輸出信號d(n)不包含抖動信號y(t)，抖動信號y(t)對模數轉換器的輸出信噪比沒有任何影響，保證了輸出信號的質量。
[0015]參見附圖5所示，圖5中的(a)、(b)、(C)圖為本實施例中的抖動信號的類型，由于該方法產生的抖動信號為單頻點信號或是單頻點與其諧波，抖動信號在時域上可為正弦波、方波或是兩者的擬合近似即可，只需滿足f (t)=N*f_ck2即可，如圖5中的(a)所示，該抖動信號采用正弦波，且f(t)=f_ck2，如(b)所示，該抖動信號采用正弦波，且f(t)=2*f_ck2,如(c)所示，該抖動信號采用方波，且f(t)=2*f_ck2。這可看出，本發明對抖動信號的精度等方面沒有太高的要求，可用簡單、較粗略的電路來實現，抖動信號發生器無需做復雜動作，因此能節約了抖動信號發生器的功耗、尺寸和成本。
[0016]以上所述之實施例子只為本發明之較佳實施例，并非以此限制本發明的實施范圍，故凡依本發明之形狀、原理所作的變化，均應涵蓋在本發明的保護范圍內。
【權利要求】
1.一種模數轉換器中量化噪聲隨機化的方法，其特征在于，它包括有: 第一、設置模數轉換器的系統時鐘頻率f_ck2，在模數轉換器中加入一個抖動信號發生器，該抖動信號發生器產生的抖動信號頻率由該模數轉換器的系統時鐘頻率f_ck2決定，即抖動信號頻率f (t) =N*f_ck2，N為正整數； 第二、數字抽取濾波器的工作頻率由模數轉換器的系統時鐘頻率f_ck2決定，該抽取數字濾波器的工作頻率與抖動信號頻率完全一致，且相互跟隨；環路的比較器、產生反饋信號的數模轉換模塊則工作在與f_ck2鎖定的一個較高的倍頻f_ckl上，f_ckl=M*f_ck2，M為一個較大的正整數； 第三、具有足夠幅度和頻率分量的抖動信號與環路濾波器的輸出信號疊加后送入比較器，使比較器產生的量化噪聲隨機化； 第四、所述抖動信號的頻率選取在抽取數字濾波器傳輸系數的零點上，該抖動信號被抽取數字濾波器濾除。
【文檔編號】H03M1/08GK103634005SQ201310677856
【公開日】2014年3月12日 申請日期:2013年12月13日 優先權日:2013年12月13日
【發明者】陶海 申請人:戴祖渝