CN103634005A - 一种模数转换器中量化噪声随机化的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种模数转换器中量化噪声随机化的方法，该方法为设置模数转换器的时钟频率f_ck2，在模数转换器中加入一个抖动信号发生器，抖动信号发生器产生的抖动信号频率由该模数转换器的时钟频率f_ck2决定，比较器、数模转换模块设置在与f_ck2锁定的较高的倍频f_ck1上，然后将抖动信号与环路滤波器的输出信号叠加后送入比较器，使比较器产生的量化噪声随机化，所述抖动信号的频率选取在抽取数字滤波器传输系数的零点上，该抖动信号被抽取数字滤波器滤除。本发明的模数转换器的输出信噪比不受抖动信号的影响，产生抖动信号的机理简单，容易实现，对抖动信号的幅度精度要求不高，节约抖动信号发生器的功耗、尺寸和成本。

Description

一种模数转换器中量化噪声随机化的方法

技术领域

本发明涉及模数转换器的技术领域，尤其是指一种模数转换器中量化噪声随机化的方法。

背景技术

现有的模数转换器中，尤其是希格玛-德尔塔（Sigma-Delta）模数转换器，其功能模块一般都包括有输入加法器、环路滤波器、比较器、反馈数模转换模块和FIR抽取数字滤波器，其基本原理是采用高频过采样，利用环路滤波器在需处理的信号频段附近的高增益，以及抽取数字滤波器的窄带频率响应，来达到使用比较粗略的模数转换模块来完成高精度模数转换的目的。这种模数转换器的输入信号为模拟信号V(t)，而输出信号则为数字信号d(n)。在实际转换中，输出的数字信号d(n)还会带有由比较器产生的量化噪声，该量化噪声在所需处理信号带宽内的幅度对模数转换器的信噪比有着重要影响。在典型的希格玛-德尔塔模数转换器中，如果采用了低阶环路滤波器的环路，导致比较器产生的量化噪声不符合白噪音频谱，而和输入信号V(t)的频谱有很强的关联性。在一定输入信号V(t)的强度和频谱下，量化噪声会在需要的信号频段内产生较大的频谱分量和幅度，通过抽取数字滤波波后，高频的量化噪声会被滤除，但是在输入信号V(t)频段附近，量化噪声有许多幅度较高的尖峰，这必然会降低模数转换器的输出信噪比。

目前解决这个问题的常用方法为在模数转换器的内部加入一个抖动信号发生器，该抖动信号发生器产生的信号y(t)为随机信号，其频谱为白噪声，该白噪声随机信号y(t)能起到打断输入信号和比较器输出信号的谐波关系，大大降低两者的关联性，使得量化噪声随机化。但是，用这种方法有很大的缺点，那便是对抖动信号的随机性要求严格，抖动信号必须在频率和幅度都要高度随机，产生该抖动信号的设备的精度要求高，会带来较大的功耗和成本。如果不能达到高度随机要求，在输入信号幅度较小时，量化噪声仍然会有很大的信号频段内的尖峰，同时，由于抖动信号本身亦为一个噪声，抖动信号会在抽取数字滤波器中输出，对于整个模数转换器的输出信噪比有一定影响。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种设计合理可靠、能有效使模数转换器内的量化噪声随机化、对抖动信号的幅度精度要求低、且输出信号信噪比完全不受抖动信号影响的模数转换器中量化噪声随机化的方法。

为实现上述目的，本发明所提供的技术方案为：一种模数转换器中量化噪声随机化的方法，它包括有：

第一、设置模数转化器的系统时钟频率f_ck2，在模数转换器中加入一个抖动信号发生器，该抖动信号发生器产生的抖动信号频率由该模数转换器的系统时钟频率f_ck2决定，即抖动信号频率f（t）=N*f_ck2，N为正整数；

第二、抽取数字滤波器的工作频率由模数转换器的系统时钟频率f_ck2决定，该抽取数字滤波器的工作频率与抖动信号频率完全一致，且相互跟随；环路的比较器，产生反馈信号的数模转换模块则工作在与f_ck2锁定的一个较高的倍频f_ck1上， f_ck1=M*f_ck2， M为一个较大的正整数。

第三、具有足够幅度和频率分量的抖动信号与环路滤波器的输出信号叠加后送入比较器，使比较器产生的量化噪声随机化；

第四、所述抖动信号的频率选取在抽取数字滤波器传输系数的零点上，该抖动信号被抽取数字滤波器滤除。

本发明在采用了上述方案后，其最大优点在于通过在模数转换器内部加入新的抖动信号发生器，该抖动信号发生器产生的抖动信号的频率与该模数转换器的系统时钟频率相关，即为系统时钟频率决定了抖动信号发生器的抖动信号频率，通过抖动信号与环路滤波器的输出信号叠加，然后送入比较器中，由于该抖动信号的幅度和频率分量足够大，使得比较器产生的量化噪声可随机化，同时，由于所述的抖动信号的频率和抽取数字滤波器的传输系数的零点都是由整个模数转换器的系统时钟频率决定的，两者是完全匹配且相互跟随的，这保证了抖动信号永远都处于抽取数字滤波器的零点上，这使抖动信号通过抽取数字滤波器后，该抖动信号被滤除，这使得抖动信号无论幅度大小如何，抽取数字滤波器的输出信号都不带有抖动信号，即整个模数转换器的输出信噪比不受抖动信号的影响，同时，产生抖动信号的机理简单，容易实现，而且对抖动信号的幅度精度要求不高，抖动信号发生器无需做复杂动作，因此能节约抖动信号发生器的功耗、尺寸和成本。

附图说明

图1为本发明的模数转换器功能方框图。

图2为本发明的抽取数字滤波器传输系数频谱图。

图3为本发明的抖动信号频谱图。

图4为本发明的主要节点信号的频谱图。

图5为本发明的抖动信号时域图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步说明：

参见附图1至附图4所示，本实施例所述的模数转换器中量化噪声随机化的方法，它包括有：

第一、设置模数转换器的系统时钟频率f_ck2，在模数转换器中加入一个抖动信号发生器，该抖动信号发生器产生的抖动信号频率由该模数转换器的系统时钟频率f_ck2决定，即抖动信号频率f（t）=N*f_ck2，N为正整数；

    第二、抽取数字滤波器的工作频率由模数转换器的系统时钟频率f_ck2决定，该抽取数字滤波器的工作频率与抖动信号频率完全一致，且相互跟随；环路的比较器，产生反馈信号的数模转换模块则工作在与f_ck2锁定的一个较高的倍频f_ck1上， f_ck1=M*f_ck2， M为一个较大的正整数；

    第三、具有足够幅度和频率分量的抖动信号与环路滤波器的输出信号叠加后送入比较器，使比较器产生的量化噪声随机化；

第四、所述抖动信号的频率选取在抽取数字滤波器传输系数的零点上，该抖动信号被抽取数字滤波器滤除，对于整个模数转换器的输出信噪比没有影响。

根据上述模数转换器中量化噪声随机化的方法，该模数转换器量化噪声随机化的处理方式为：该模数转换器的输入信号为模拟信号V(t)，模拟信号V(t)依次通过输入加法器和低阶环路滤波器后，在环路滤波器的输出与抖动信号发生器产生的抖动信号y(t)相叠加，并一并送入比较器中，比较器会产生量化噪声，在比较器输出的中间高速数字信号d1(n)包含输入信号v(t)、量化噪声和抖动信号y(t)，且由于该抖动信号y(t)具有足够的幅度和频率分量，与现有技术常用的白噪声抖动信号一样，能有效地使模数转换器的量化噪声随机化，保证了在输入信号V(t)频段附近不再出现的信号尖峰，而该方法采用的抽取数字滤波器在输出信号频率的整数倍频率中，这个传输系数有零点（该频点的信号被衰减到无穷小），即输出信号在这个频点上始终为零（参见图2抽取数字滤波器传输系数频谱图）。而抖动信号发生器是工作在模数转换器内部的系统时钟频率f_ck2上，而抽取数字滤波器同样工作在转换器的系统时钟频率f_ck2上，两者均是由系统时钟频率f_ck2所决定的，因此，这两个模块的工作频率是同步的，两者完全匹配且相互跟随，该抖动信号永远会处于该抽取数字滤波器传输系数的零点上，即该抖动信号会被给抽取数字滤波器消除，因此，输出信号d(n)不包含抖动信号y(t),抖动信号y(t)对模数转换器的输出信噪比没有任何影响，保证了输出信号的质量。

参见附图5所示，图5中的（a）、（b）、（c）图为本实施例中的抖动信号的类型，由于该方法产生的抖动信号为单频点信号或是单频点与其谐波，抖动信号在时域上可为正弦波、方波或是两者的拟合近似即可，只需满足f(t)=N*f_ck2即可,如图5中的（a）所示，该抖动信号采用正弦波，且f(t)=f_ck2，如（b）所示，该抖动信号采用正弦波，且f(t)=2*f_ck2,如（c）所示，该抖动信号采用方波，且f(t)=2*f_ck2。这可看出，本发明对抖动信号的精度等方面没有太高的要求，可用简单、较粗略的电路来实现，抖动信号发生器无需做复杂动作，因此能节约了抖动信号发生器的功耗、尺寸和成本。

以上所述之实施例子只为本发明之较佳实施例，并非以此限制本发明的实施范围，故凡依本发明之形状、原理所作的变化，均应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (1)

1.一种模数转换器中量化噪声随机化的方法，其特征在于，它包括有：

  第一、设置模数转换器的系统时钟频率f_ck2，在模数转换器中加入一个抖动信号发生器，该抖动信号发生器产生的抖动信号频率由该模数转换器的系统时钟频率f_ck2决定，即抖动信号频率f（t）=N*f_ck2，N为正整数；

  第二、数字抽取滤波器的工作频率由模数转换器的系统时钟频率f_ck2决定，该抽取数字滤波器的工作频率与抖动信号频率完全一致，且相互跟随；环路的比较器、产生反馈信号的数模转换模块则工作在与f_ck2锁定的一个较高的倍频f_ck1上， f_ck1=M*f_ck2， M为一个较大的正整数；

  第三、具有足够幅度和频率分量的抖动信号与环路滤波器的输出信号叠加后送入比较器，使比较器产生的量化噪声随机化；

  第四、所述抖动信号的频率选取在抽取数字滤波器传输系数的零点上，该抖动信号被抽取数字滤波器滤除。

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