專利名稱：用于模擬－數(shù)字變換的依賴于載波的抖動的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器，并更特別地，涉及一種用于改進(jìn)模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器精度的技術(shù)。
隨著數(shù)字硬件逐漸變得更為快速、更復(fù)雜以及更加集成化，模擬信號的數(shù)字化處理變?yōu)橐环N逐步增加其吸引力的替換方法來代替模擬處理。并且一般而言，與模擬系統(tǒng)相比，數(shù)字系統(tǒng)其本質(zhì)上更為靈活并且對時間和溫度波動的敏感度較小。其結(jié)果，人們已經(jīng)將較大努力投入到這種用于將模擬信號轉(zhuǎn)換為能代表具有不斷增加的精度、速度以及清晰度信號的數(shù)字信號的模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC)的開發(fā)中。
模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器包括幅度量化，其中，一個可以連續(xù)在一個有限幅度范圍內(nèi)變化的模擬輸入信號被以相同的采樣速率所采樣從而將該模擬輸入信號變換為具有有限數(shù)量的離散幅度。一個ADC輸入信號的動態(tài)范圍被分成具有特定數(shù)量的可能的離散幅度(即，量化電平)，其中離散幅度電平的數(shù)量確定了該ADC的分辨率。例如，具有2m量化電平的ADC能產(chǎn)生一個m位的數(shù)字輸出信號，其中m的值確定了這個ADC的分辨率。
ADC的另一個重要特性是其線性度(或精度)，這個線性度是對于來自ADC轉(zhuǎn)換函數(shù)的直線中的變化的測量，即，輸入信號相對于相應(yīng)輸出信號的特性映射。ADC轉(zhuǎn)換函數(shù)中的非線性一般導(dǎo)致轉(zhuǎn)換尖峰(spur)，這是出現(xiàn)在具有與純線性響應(yīng)的偏離有關(guān)的不連續(xù)性的信號頻域(例如，在快速傅立葉變換(FFT)分析中)中的虛構(gòu)信號。用于增加ADC精度的現(xiàn)有大多數(shù)技術(shù)都依賴于模擬域方法來使由于內(nèi)部和外部噪聲源的出現(xiàn)而導(dǎo)致的誤差為最小，并且使ADC中的模擬元件的精度、時間和溫度穩(wěn)定性最佳。
對于許多應(yīng)用而言，諸如電信這樣的應(yīng)用，在沒有輸入信號的穩(wěn)定狀態(tài)情況中能具有低噪聲，并且當(dāng)包含一個或多個載波的輸入信號出現(xiàn)在ADC中時具有高的信噪比，這些都是非常重要的。因此，能提供一種能減小與ADC轉(zhuǎn)換函數(shù)非線性有關(guān)的變換尖峰的改進(jìn)的ADC將是非常有用的。
本發(fā)明涉及一種能增加ADC精度的技術(shù)。根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施例，在進(jìn)行幅度量化之前，將一個模擬抖動信號加到該模擬輸入信號中。本發(fā)明中的這個抖動信號具有一個由處理器控制的可變幅度，該處理器能分析代表抖動輸入信號的被量化數(shù)字從而確定用于這個被加到模擬輸入信號中的抖動信號的一個合適幅度。該抖動信號的幅度是以出現(xiàn)在這個模擬輸入信號中的一個或多個載波的功率電平為基礎(chǔ)的。加入這個抖動信號減小了由ADC轉(zhuǎn)換函數(shù)中的非線性所引起的所不希望的變換尖峰。
在一個實(shí)施例中，本發(fā)明是一個用于將一個模擬輸入信號轉(zhuǎn)換為一個數(shù)字輸出信號的模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC)，它包括(a)一個抖動信號發(fā)生器，它被構(gòu)造為能產(chǎn)生一個模擬抖動信號；(b)一個信號耦合器，被構(gòu)造為能夠?qū)⒃撃M抖動信號附加到模擬輸入信號中以產(chǎn)生一個抖動的模擬信號；(c)一個幅度量化器，被構(gòu)造為能將這個抖動模擬信號數(shù)字化從而產(chǎn)生數(shù)字輸出信號；以及(d)一個處理器，被構(gòu)造為能分析該數(shù)字輸出信號從而產(chǎn)生一個用于控制由抖動信號發(fā)生器所產(chǎn)生的抖動信號的幅度，其中，該處理器在這個模擬輸入信號中的一個或多個載波功率電平的總瞬時檢測值的基礎(chǔ)上產(chǎn)生控制信號。
在另一個實(shí)施例中，本發(fā)明是一種用于將一個模擬輸入信號轉(zhuǎn)換為一個數(shù)字輸出信號的方法，它包括步驟(a)產(chǎn)生一個模擬抖動信號；(b)將該模擬抖動信號附加到模擬輸入信號中以產(chǎn)生一個抖動的模擬信號；(c)將這個抖動模擬信號數(shù)字化從而產(chǎn)生數(shù)字輸出信號；以及(d)分析該數(shù)字輸出信號從而產(chǎn)生一個用于控制抖動信號的幅度的控制信號，其中，該控制信號基于在這個模擬輸入信號中的一個或多個載波功率電平的總瞬時檢測值。
從隨后詳細(xì)的描述、后面所附的權(quán)利要求以及附圖中，可以使本發(fā)明的其他方面、特征以及優(yōu)點(diǎn)變得更為顯著，其中


圖1是根據(jù)本發(fā)明一個實(shí)施例的模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器的框圖，圖2示出了根據(jù)本發(fā)明的一個實(shí)施例通過圖1中的處理器來實(shí)現(xiàn)的處理流程圖，該處理過程產(chǎn)生了用于控制抖動信號幅度的VGA控制信號；以及圖3A和3B示范性地示出了顯示本發(fā)明如何促使減小ADC轉(zhuǎn)換函數(shù)中的非線性影響的檢測結(jié)果。
參考圖1，模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC)100包括一個信號耦合器101、一個幅度量化器103、一個處理器105、以及一個抖動信號發(fā)生器107。一般地，ADC 100將一個模擬輸入信號102轉(zhuǎn)換為一個數(shù)字輸出信號106。尤其是，信號耦合器101將由抖動信號發(fā)生器107所產(chǎn)生的模擬抖動信號114附加到這個模擬輸入信號102中。所得到的抖動的模擬信號104由幅度量化器103量化從而產(chǎn)生數(shù)字輸出信號106。處理器105分析這個數(shù)字輸出信號106從而產(chǎn)生一個用于控制由抖動信號發(fā)生器107所產(chǎn)生的這個模擬抖動信號114的幅度的控制信號108。附加這個抖動信號114的目的在于確保所得到的這個抖動模擬信號104是一個非相關(guān)信號從而使該數(shù)字輸出信號106減小由于ADC轉(zhuǎn)換函數(shù)中的非線性所導(dǎo)致的變換尖峰。
信號耦合器101可以是用于將該模擬抖動信號114附加到模擬輸入信號102中的任何一種合適的元件，諸如，類似于電阻或Wilkinson功率分配器或定向或混合耦合器這樣的無源器件，或類似于雙柵極FET或其它基于晶體管的加法器這樣的有源器件。幅度量化器103可以是任何一種用于量化高頻模擬信號的合適元件。該幅度量化器103的采樣頻率應(yīng)該至少是ADC工作帶寬高頻限制的兩倍。處理器105是任何一種合適的數(shù)字處理器，諸如數(shù)字信號處理器(DSP)或可編程邏輯器件(PLD)。在一個最佳實(shí)施例中，將ADC 100實(shí)現(xiàn)為一種單獨(dú)的集成電路，盡管還可以是分離元件的實(shí)現(xiàn)方式。
如圖1所示，抖動信號發(fā)生器107包括隨機(jī)噪聲源109、可變增益放大器(VGA)111、以及一個低通濾波器113。隨機(jī)噪聲源109產(chǎn)生一個模擬隨機(jī)噪聲信號110。根據(jù)該實(shí)現(xiàn)方式，隨機(jī)噪聲源109可以基于由一個或多個數(shù)字電路所控制的一個或多個偽隨機(jī)噪聲發(fā)生器來產(chǎn)生數(shù)字化噪聲，或者可以基于一個諸如噪聲二極管這樣的模擬噪聲源。在這兩種情況的任一種中，VGA 111放大來自隨機(jī)噪聲源109的模擬隨機(jī)噪聲信號110從而產(chǎn)生被放大的模擬噪聲信號112。通過來自處理器105的控制信號108來控制VGA 111的增益。
低通濾波器113將來自VGA 111的放大模擬噪聲信號112濾波以產(chǎn)生將輸入到信號耦合器101中的模擬抖動信號114。根據(jù)這種實(shí)現(xiàn)方式，低通濾波器113最好能將該模擬抖動信號的頻率限制為用于ADC100帶寬的奈奎斯特音調(diào)(tone)的一小部分。例如，當(dāng)ADC 100被設(shè)計為工作于從大約10-20MHZ直到大約500MHZ(或更高)的范圍內(nèi)時，低通濾波器113限制該模擬抖動信號114的頻率使其低于大約1MHZ(即，ADC工作帶寬的低頻限制的大約1/20到1/10)。
處理器105處理數(shù)字輸出信號106中的每個第n值從而確定并特性化出現(xiàn)在模擬輸入信號102中的載波以便于產(chǎn)生VGA控制信號108，其中n是一個正整數(shù)。抖動信號114的幅度最好對應(yīng)于ADC工作帶寬內(nèi)出現(xiàn)的一個或多個載波功率電平的總和。
圖2示出了根據(jù)本發(fā)明的一個實(shí)施例通過圖1中的處理器105來實(shí)現(xiàn)的處理流程圖，該處理過程產(chǎn)生了用于控制VGA 111的控制信號108。處理器105將數(shù)字輸出信號106進(jìn)行采樣(圖2中的步驟201)并對采樣的數(shù)字輸出信號進(jìn)行傅立葉分析(例如，F(xiàn)FT)(步驟203)。從FFT中所得到的低頻部分(bins)對應(yīng)于抖動信號114，而高頻FFT部分對應(yīng)于輸入信號102。處理器105將保留在高頻FFT部分中這些值的幅度中的顯著較大的峰值作為輸入信號102中的每個載波而將其識別出(步驟205)。該識別包括對相應(yīng)于每個載波低頻和高頻限制的FFT部分的識別，例如，通過該部分幅度電平限制在一個特定幅度電平上或限制在該載波峰值幅度電平的百分比上。
處理器105使用FFT分析結(jié)果來計算輸入信號102中被識別出的載波的總瞬時功率電平以及抖動信號114的總瞬時功率電平(分別為步驟207和209)。通過下列方程(1)給出輸入信號102中的載波的總瞬時載波功率電平ST(t)ST(t)=Σi=1N∫flowfhighSi(f)df---(1)]]>其中；N是識別出的不同的載波數(shù)(即，高頻FFT部分中顯著的較大峰值數(shù))；flow是用于第ⅰ載波的低頻限制；fhigh是用于第ⅰ載波的高頻限制；以及Si(f)是頻率f處的第ⅰ載波的幅度(即，相應(yīng)FFT部分中值的大小)。
同樣地，由下列方程(2)給出抖動信號功率D(t)的總瞬時值D(t)=∫0fLPFd(f)df---(2)]]>其中fLPF是低通濾波器113的截止頻率；以及d(f)是頻率f處的抖動信號114的幅度(即，相應(yīng)FFT部分中的值的大小)。
處理器105產(chǎn)生用于控制信號108的一個值以便于設(shè)置VGA 111的增益從而可以例如均衡總瞬時抖動信號功率電平D(t)和總瞬時載波功率電平ST(t)(步驟211)。附加這種抖動信號114可以確保在輸入端幅度均衡器103可以得到一個相當(dāng)不相干的信號功率從而將可以減少由于ADC轉(zhuǎn)換函數(shù)的非線性所引起的變換尖峰。通過在頻率間隔處重復(fù)處理器105的操作過程，可以將抖動信號114的幅度修正為能保持ADC數(shù)字輸出信號106的品質(zhì)。
圖3A和3B示出了可示范的測試結(jié)果，這些測試結(jié)果顯示了本發(fā)明的抖動信號如何促使減小ADC轉(zhuǎn)換函數(shù)中的非線性影響。圖3A示出了由用于具有兩個不同載波(一個為大約3MHZ而另一個為大約15MHZ)并且沒有附加任何抖動信號的一個模擬輸入信號的ADC所產(chǎn)生的數(shù)字輸出信號的32k快速傅立葉變換(FFT)分析。圖3B示出了由用于相同模擬輸入信號的ADC所產(chǎn)生的數(shù)字輸出信號的32k快速傅立葉變換(FFT)分析，其中，在量化過程之前，附加根據(jù)本發(fā)明的抖動信號。如圖所示，抖動信號的附加消除了圖3A中明顯的變換尖峰，如圖3B所示，這與改進(jìn)的數(shù)字化輸出頻譜的品質(zhì)相對應(yīng)。
可以將本發(fā)明用于各種應(yīng)用中，包括用于具有一個或多個包含具有相關(guān)或不相關(guān)數(shù)據(jù)的RF載波的輸入信號的ADC的各種應(yīng)用，諸如，TDMA、GSM、或CDMA應(yīng)用。根據(jù)實(shí)現(xiàn)方式，在這些應(yīng)用中，抖動信號可以具有與RF載波相比相對小的幅度。
可以理解的是，上述描述是說明了本發(fā)明的最佳示范性實(shí)施例，并且本發(fā)明不局限于所示的特定形式。在不脫離后面所附的權(quán)利要求所表達(dá)的本發(fā)明實(shí)質(zhì)的情況下，可以在最佳實(shí)施例的設(shè)計以及元件安排上進(jìn)行各種其它替換、變型、改變以及刪除。
權(quán)利要求
1．一種集成電路，包含有用于將模擬輸入信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字輸出信號的模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC)，該ADC包括(a)一個抖動信號發(fā)生器，它被構(gòu)造為能產(chǎn)生一個模擬抖動信號；(b)一個信號耦合器，被構(gòu)造為能夠?qū)⒃撃M抖動信號附加到模擬輸入信號中以產(chǎn)生一個抖動的模擬信號；(c)一個幅度量化器，被構(gòu)造為能將這個抖動模擬信號數(shù)字化從而產(chǎn)生數(shù)字輸出信號；以及(d)一個處理器，被構(gòu)造為能分析該數(shù)字輸出信號從而產(chǎn)生一個用于控制由抖動信號發(fā)生器所產(chǎn)生的抖動信號的幅度的控制信號，其中，該處理器在這個模擬輸入信號中的一個或多個載波功率電平的總瞬時檢測值的基礎(chǔ)上產(chǎn)生控制信號。
2．根據(jù)權(quán)利要求1的集成電路，其中抖動信號發(fā)生器包括(1)一個隨機(jī)噪聲源，被構(gòu)造來產(chǎn)生一個隨機(jī)噪聲信號；以及(2)一個可變增益放大器(GA)，被構(gòu)造為在來自處理器的控制信號的基礎(chǔ)上放大來自隨機(jī)噪聲源的隨機(jī)噪聲信號從而產(chǎn)生一個模擬抖動信號。
3．根據(jù)權(quán)利要求2的集成電路，其中，該抖動信號發(fā)生器進(jìn)一步包括一個低通濾波器，該低通濾波器被構(gòu)造為在信號耦合器中附加模擬輸入信號之前將該模擬抖動信號濾波。
4．根據(jù)權(quán)利要求1的集成電路，其中，該處理器表現(xiàn)出每個單獨(dú)載波的瞬時功率電平特性，然后將這些單獨(dú)載波的瞬時功率電平求和從而產(chǎn)生總的瞬時功率電平。
5．根據(jù)權(quán)利要求4的集成電路，其中，處理器通過將在對應(yīng)于各個載波的頻率范圍內(nèi)的若干頻率處的功率電平求和從而體現(xiàn)出單獨(dú)載波的瞬時功率電平特性。
6．根據(jù)權(quán)利要求1的集成電路，其中，處理器周期性地重復(fù)分析數(shù)字輸出信號以修正控制信號。
7．一種用于將模擬輸入信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字輸出信號的模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC)，包括(a)一個抖動信號發(fā)生器，它被構(gòu)造為能產(chǎn)生一個模擬抖動信號；(b)一個信號耦合器，被構(gòu)造為能夠?qū)⒃撃M抖動信號附加到模擬輸入信號中以產(chǎn)生一個抖動的模擬信號；(c)一個幅度量化器，被構(gòu)造為能將這個抖動模擬信號數(shù)字化從而產(chǎn)生數(shù)字輸出信號；以及(d)一個處理器，被構(gòu)造為能分析該數(shù)字輸出信號從而產(chǎn)生一個用于控制由抖動信號發(fā)生器所產(chǎn)生的模擬抖動信號幅度的控制信號，其中，該處理器在這個模擬輸入信號中的一個或多個載波功率電平的總瞬時檢測值的基礎(chǔ)上產(chǎn)生控制信號。
8．根據(jù)權(quán)利要求7的模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器，其中抖動信號發(fā)生器包括(1)一個隨機(jī)噪聲源，被構(gòu)造為產(chǎn)生一個隨機(jī)噪聲信號；以及(2)一個可變增益放大器(VGA)，被構(gòu)造為在來自處理器的控制信號的基礎(chǔ)上放大來自隨機(jī)噪聲源的隨機(jī)噪聲信號從而產(chǎn)生一個模擬抖動信號。
9．根據(jù)權(quán)利要求8的模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器，其中，該抖動信號發(fā)生器進(jìn)一步包括一個低通濾波器，該低通濾波器被構(gòu)造為在信號耦合器中附加模擬輸入信號之前將該模擬抖動信號濾波。
10．根據(jù)權(quán)利要求7的模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器，其中，該處理器表現(xiàn)出每個單獨(dú)載波的瞬時功率電平特性，然后將這些單獨(dú)載波的瞬時功率電平求和從而產(chǎn)生總的瞬時功率電平。
11．根據(jù)權(quán)利要求10的模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器，其中，處理器通過將在對應(yīng)于各個載波的頻率范圍內(nèi)的若干頻率處的功率電平求和從而體現(xiàn)出單獨(dú)載波的瞬時功率電平特性。
12．根據(jù)權(quán)利要求7的模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器，其中，處理器周期性地重復(fù)分析數(shù)字輸出信號以修正控制信號。
13．一種用于將模擬輸入信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字輸出信號的方法，包括步驟(a)產(chǎn)生一個模擬抖動信號；(b)將該模擬抖動信號附加到模擬輸入信號中以產(chǎn)生一個抖動的模擬信號；(c)將這個抖動模擬信號數(shù)字化從而產(chǎn)生數(shù)字輸出信號；以及(d)分析該數(shù)字輸出信號從而產(chǎn)生一個用于控制抖動信號的幅度的控制信號，其中，該控制信號基于這個模擬輸入信號中的一個或多個載波功率電平的總瞬時檢測值。
14．根據(jù)權(quán)利要求13的方法，其中步驟(a)包括步驟(1)產(chǎn)生一個隨機(jī)噪聲信號；以及(2)在控制信號的基礎(chǔ)上放大該隨機(jī)噪聲信號從而產(chǎn)生模擬抖動信號。
15．根據(jù)權(quán)利要求14的方法，其中步驟(a)進(jìn)一步包括在附加模擬輸入信號之前將該模擬抖動信號進(jìn)行低通濾波的步驟。
16．根據(jù)權(quán)利要求13的方法，其中步驟(d)包括體現(xiàn)每個單獨(dú)載波的瞬時功率電平特性以及隨后將這些單獨(dú)載波的瞬時功率電平求和以產(chǎn)生總的瞬時功率電平的步驟。
17．根據(jù)權(quán)利要求16的方法，其中步驟(d)包括通過將在對應(yīng)于各個載波的頻率范圍內(nèi)的若干頻率處的功率電平求和從而體現(xiàn)出單獨(dú)載波的瞬時功率電平特性的步驟。
18．根據(jù)權(quán)利要求13的方法，其中周期性地重復(fù)步驟(d)以修正該控制信號。
全文摘要
一個模擬－數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC)包括一個抖動信號發(fā)生器，它被構(gòu)造成在數(shù)字化(即量化)之前將一個模擬抖動信號附加到該ADC的模擬輸入信號中?；诔霈F(xiàn)在將ADC設(shè)計為可工作于其中的帶寬內(nèi)的一個或多個載波功率電平，選擇該抖動信號的幅度。將抖動信號附加到模擬域的輸入信號中可以減小諸如由于ADC轉(zhuǎn)換函數(shù)中的非線性所導(dǎo)致的變換尖峰這樣的量化噪聲。
文檔編號H03M1/12GK1317880SQ0111182
公開日2001年10月17日 申請日期2001年3月13日 優(yōu)先權(quán)日2000年3月14日
發(fā)明者阿里爾德·T·科爾斯拉德 申請人:朗迅科技公司