一種提高模數轉換器動態范圍的裝置和方法
【專利摘要】本發明公開了一種提高模數轉換器動態范圍的裝置和方法，它包括AGC功分模塊、模數轉換器ADC1、數字移相增益模塊、模擬延時器1、高動態數模轉換模塊、加法器、濾波放大模塊、模擬延時器2、模數轉換器ADC2、數字延時器、聯合器、參數搜索/估計模塊和控制接口。本發明沒有采用非線性器件，從而減少了最終輸出信號中的非線性分量且降低了小信號處理的風險；利用較低性能的模數轉換器和低成本的數模轉換器實現高的動態范圍；不存在反饋預測環路，所以魯棒性更好且無信號帶寬限制。
【專利說明】一種提高模數轉換器動態范圍的裝置和方法

【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種本發明涉及數字通信領域中的模擬信號到數字信號的轉換裝置 和方法，特別是涉及一種提高模數轉換器動態范圍的裝置和方法。

【背景技術】
[0002] 在數字通信中，模數轉換器負責模擬域到數字域的映射，模數轉換器的動態范圍 直接限制了數字域所能獲得的最高信噪比。因此，如何提高模數轉換器的動態范圍成了數 字通信中關鍵點。
[0003] 現有的旨在提高ADC動態范圍的方法主要有三種：
[0004] 前置對數放大器：在ADC之前將模擬信號經過一個對數放大器，將高電平信號壓 縮到ADC的最大量程以內實現ADC動態范圍的提高。首先，由于對數放大器的非線性會殘 留到ADC的采樣輸出中，因此對對數放大器的線性度有著很高的要求。其次，對數放大器在 零附近反向并且趨于負無窮的特性需要特別的處理，這增加了實現難度。
[0005] 多級量化：對采樣保持電路之后的電平信號進行逐次逼近量化，得到高精度的量 化輸出，典型的包括Two-Step和Pipelined兩種結構。這種方法在當下的ADC產品中應用 廣泛，但是這種結構針對的是如何精確的獲取采樣保持信號輸出電平的量化結果，話句話 說，這種結構處理的目標信號是固定的電平信號，而不是變化的信號。受制于工藝和材料的 影響，這種方法受到積分非線性、差分非線性和量化噪聲的影響嚴重，價格高昂，并且只能 在產品設計初期實施，在售芯片的這種結構是不可更改的。
[0006] 信號預測：預測模塊根據ADC的采樣信號對下一時刻的模擬信號進行預測，DAC將 預測信號轉變到模擬域并和模擬信號相減得到誤差信號，誤差信號經過放大處理被ADC采 樣后和預測模塊輸出相加得到最終結果。這種方法通過采用精確的預測算法和額外的一片 DAC可以有效的提高ADC的動態范圍，但其缺點在于信號的相干時間不得短于預測環路的 延時，否則誤差信號的功率不會得到明顯降低，而這意味著模擬信號的帶寬受限。


【發明內容】

[0007] 本發明的目的在于解決寬帶信號的模數轉換器采樣中動態范圍受制于非線性和 量化噪聲的問題，提供一種提高模數轉換器動態范圍的裝置和方法。
[0008] 本發明的目的是通過以下技術方案來實現的：一種提高模數轉換器動態范圍的裝 置，其特征在于：包括AGC功分模塊、模數轉換器ADC1、數字移相增益模塊、模擬延時器1、高 動態數模轉換模塊、加法器、濾波放大模塊、模擬延時器2、模數轉換器ADC2、數字延時器、 聯合器、參數搜索/估計模塊和控制接口，AGC功分模塊的兩路輸出分別與模數轉換器ADC1 和模擬延時器1連接，模數轉換器ADC1的輸出端與數字移相增益模塊連接，數字移相增益 模塊的輸出分別與數模轉換器DAC1和數字延時器連接，模擬延時器1和高動態數模轉換 器的輸出分別與加法器的兩個輸入端連接，加法器的輸出與濾波放大模塊連接，濾波放大 模塊的輸出與模擬延時器2連接，模擬延時器2的輸出與模數轉換器ADC2連接，數字延時 器和模數轉換器ADC2的輸出分別與聯合器的兩個輸入端連接，數字延時器和模數轉換器 ADC2的輸出還與參數搜索/估計模塊連接，參數搜索/估計模塊輸出五路控制信號，其中有 三路連接到控制接口，其余兩路分別與數字延時器和數字移相增益模塊連接，控制接口的 輸出分別與模擬延時器2、濾波放大模塊和模擬延時器1連接。
[0009] 所述的控制接口包括控制接口 1、控制接口 2和控制接口 3,控制接口 1、控制接收 2和控制接口 3的輸入分別與參數搜索/估計模塊的三路輸出連接，控制接口 1、控制接口 2和控制接口 3的輸出分別與模擬延時器2、濾波放大模塊和模擬延時器1連接。
[0010] 一種提高模數轉換器動態范圍的方法，其特征在于：包含信號處理步驟和參數搜 索/估計步驟，其中，所述的信號處理步驟包括以下子步驟：
[0011] S101 :AGC功分模塊接收模擬信號a(t)，將模擬信號a(t)放大，并分為兩路模擬信 號ai⑴和a2⑴；
[0012] S102 :將模擬信號ai(t)送入模數轉換器ADC1，通過模數轉換器ADC1的采樣和量 化，得到數字信號b (η);
[0013] S103 :將數字信號b (η)送入數字移相增益模塊，數字移相增益模塊校正數字信號 b(n)的增益和相位，得到校正后的數字信號c(n);
[0014] S104 :將數字信號c (η)送入高動態數模轉換模塊，高動態數模轉換模塊將校正后 的數字信號c (η)轉換到模擬域得到模擬信號d(t);
[0015] S105 :將模擬信號a2(t)送入模擬延時器1，模擬信號a2(t)經過模擬延時器1延 遲過后得到模擬信號e(t);
[0016] S106 :將模擬信號d(t)和模擬信號e(t)送入加法器，加法器將模擬信號e(t)和 模擬d(t)相減，得到模擬信號f(t);
[0017] S107 :將模擬信號f (t)送入濾波放大模塊，濾波放大模塊對模擬信號f (t)進行濾 波，經過放大器放大，得到模擬信號g(t);
[0018] S108 :將模擬信號g(t)送入模擬延時器2中進行延時處理，得到模擬信號h(t);
[0019] S109 :將模擬信號h (t)送入模數轉換器ADC2,模數轉換器ADC2對模擬信號h (t) 進行采樣和量化，得到數字信號i (η);
[0020] SI 10 :將數字信號c (η)送入數字延時器，經過延時處理得到數字信號j (η);
[0021] Sill :將數字信號i (η)和數字信號j (η)送入聯合器，生成最終輸出的數字信號 k(n)；
[0022] 所述的參數搜索/估計步驟，包括以下子步驟：
[0023] S201 :將信號處理步驟中的數字信號i (η)和數字信號j (η)送入參數搜索/估計 模塊，得到模擬延時器1的調整量h、濾波放大器模塊中的增益G、模擬延時器2的調整量 t2、數字移相增益模塊的復增益S和數字延時器的調整量t3 ;
[0024] S202 :將模擬延時器1的調整量h、濾波放大器模塊中的增益G、模擬延時器2的 調整量t2分別通過控制接口 3、控制接口 2和控制接口 1輸出到模擬延時器1調整e(t)的 延時量、濾波放大器模塊調整g(t)的功率和模擬延時器2調整h(t)的分數倍采樣周期延 時量，將數字移相增益模塊的復增益S和數字延時器的調整量t 3分別輸出到數字移相增益 模塊調整c (η)的功率和相位和數字延時器調整j (η)的整數采樣周期延時。
[0025] 本發明的有益效果是：1，沒有采用非線性器件，如對數放大器，從而減少了最終輸 出信號中的非線性分量且降低了小信號處理的風險；
[0026] 2,成本降低，利用較低性能的ADC (模數轉換器ADC1和模數轉換器ADC2)和低成 本的DAC (高動態數模轉換器）實現高的動態范圍，可以直接采用在售芯片實現。
[0027] 3,由于不存在反饋預測環路，所以魯棒性更好，而且無信號帶寬限制。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0028] 圖1為本發明結構框圖；
[0029] 圖2為AGC功分模塊結構框圖；
[0030] 圖3為數字移相增益模塊結構框圖；
[0031] 圖4為高動態數模轉換模塊結構框圖；
[0032] 圖5為濾波放大模塊結構框圖；
[0033] 圖6為聯合器結構框圖；
[0034] 圖7為參數搜索/估計模塊結構框圖。

【具體實施方式】
[0035] 下面結合附圖進一步詳細描述本發明的技術方案：如圖1所示，一種提高模數轉 換器動態范圍的裝置，其特征在于：包括AGC功分模塊、模數轉換器ADC1、數字移相增益模 塊、模擬延時器1、高動態數模轉換模塊、加法器、濾波放大模塊、模擬延時器2、模數轉換器 ADC2、數字延時器、聯合器、參數搜索/估計模塊和控制接口，AGC功分模塊的兩路輸出分別 與模數轉換器ADC1和模擬延時器1連接，模數轉換器ADC1的輸出端與數字移相增益模塊 連接，數字移相增益模塊的輸出分別與數模轉換器DAC1和數字延時器連接，模擬延時器1 和高動態數模轉換器的輸出分別與加法器的兩個輸入端連接，加法器的輸出與濾波放大模 塊連接，濾波放大模塊的輸出與模擬延時器2連接，模擬延時器2的輸出與模數轉換器ADC2 連接，數字延時器和模數轉換器ADC2的輸出分別與聯合器的兩個輸入端連接，數字延時器 和模數轉換器ADC2的輸出還與參數搜索/估計模塊連接，參數搜索/估計模塊輸出五路控 制信號，其中有三路連接到控制接口，其余兩路分別與數字延時器和數字移相增益模塊連 接，控制接口的輸出分別與模擬延時器2、濾波放大模塊和模擬延時器1連接。
[0036] 所述的控制接口包括控制接口 1、控制接口 2和控制接口 3,控制接口 1、控制接收 2和控制接口 3的輸入分別與參數搜索/估計模塊的三路輸出連接，控制接口 1、控制接口 2和控制接口 3的輸出分別與模擬延時器2、濾波放大模塊和模擬延時器1連接。
[0037] -種提高模數轉換器動態范圍的方法，其特征在于：包含信號處理步驟和參數搜 索/估計步驟，其中，所述的信號處理步驟包括以下子步驟：
[0038] S101 :AGC功分模塊接收模擬信號a (t)，將模擬信號a (t)放大，并分為兩路模擬信 號ai⑴和a2⑴；
[0039] S102 :將模擬信號ai(t)送入模數轉換器ADC1，通過模數轉換器ADC1的采樣和量 化，得到數字信號b (η);
[0040] S103 :將數字信號b (η)送入數字移相增益模塊，數字移相增益模塊校正數字信號 b(n)的增益和相位，得到校正后的數字信號c(n);
[0041] S104 :將數字信號c (η)送入高動態數模轉換模塊，高動態數模轉換模塊將校正后 的數字信號C (η)轉換到模擬域得到模擬信號d(t);
[0042] S105 :將模擬信號a2(t)送入模擬延時器1，模擬信號a2(t)經過模擬延時器1延 遲過后得到模擬信號e(t);
[0043] S106 :將模擬信號d(t)和模擬信號e(t)送入加法器，加法器將模擬信號e(t)和 模擬d(t)相減，得到模擬信號f(t);
[0044] S107 :將模擬信號f (t)送入濾波放大模塊，濾波放大模塊對模擬信號f (t)進行濾 波，經過放大器放大，得到模擬信號g(t);
[0045] S108 :將模擬信號g(t)送入模擬延時器2中進行延時處理，得到模擬信號h(t);
[0046] S109 :將模擬信號h (t)送入模數轉換器ADC2,模數轉換器ADC2對模擬信號h (t) 進行采樣和量化，得到數字信號i (η);
[0047] SI 10 :將數字信號c (η)送入數字延時器，經過延時處理得到數字信號j (η);
[0048] Sill :將數字信號i (η)和數字信號j (η)送入聯合器，生成最終輸出的數字信號 k(n)；
[0049] 所述的參數搜索/估計步驟，包括以下子步驟：
[0050] S201 :將信號處理步驟中的數字信號i (η)和數字信號j (η)送入參數搜索/估計 模塊，得到模擬延時器1的調整量h、濾波放大器模塊中的增益G、模擬延時器2的調整量 t2、數字移相增益模塊的復增益S和數字延時器的調整量t3 ;
[0051] S202 :將模擬延時器1的調整量、濾波放大器模塊中的增益G、模擬延時器2的 調整量t2分別通過控制接口 3、控制接口 2和控制接口 1輸出到模擬延時器1調整e(t)的 延時量、濾波放大器模塊調整g(t)的功率和模擬延時器2調整h(t)的分數倍采樣周期延 時量，將數字移相增益模塊的復增益S和數字延時器的調整量t 3分別輸出到數字移相增益 模塊調整c (η)的功率和相位和數字延時器調整j (η)的整數采樣周期延時。
[0052] 如圖2所示，AGC功分模塊由AGC和功率分配電路構成。目標模擬信號&1(〇進 入AGC，AGC輸出連接功率分配電路，功率分配電路的兩個輸出分別為 ai(t)和&2(〇,其中 送給叫⑴模數轉換器ADCl，a2(t)送入模擬延時器1。AGC功分模塊中的AGC引入的誤差 必須得到保證，如果AGC引入的誤差達到或者超過了模數轉換器ADC1的非線性和量化噪聲 水平，那么進一步提高模數轉換器ADC1的動態范圍就沒有任何意義。
[0053] 模擬信號⑴經過模數轉換器ADC1采樣和量化之后得到數字信號b (η)，實際上 數字信號b(n)中除了 ai(t)的線性部分以外，還有非線性和量化噪聲。
[0054] 如圖3所示，數字移相增益模塊由乘法器1、乘法器2、一個低通濾波器LPF、一個復 本振發生器、一個共軛轉換電路Conj和一個實部選擇電路Re構成。數字信號b (η)和復校 正系數S及復本振信號連接乘法器1進行變頻處理，乘法器1的輸出連接低通濾波器LPF， 復本振信號同時連接共軛轉換電路Con j，低通濾波器LPF和共軛轉換電路Con j的輸出同時 連接乘法器2再次進行變頻處理，乘法器2的輸出連接實部選擇電路Re，實部選擇電路輸出 信號c (η)。數字移相增益模塊校正數字信號b (η)的增益和相位，使得模擬信號d(t)和模 擬信號e(t)中的關于的線性分量的幅度相同相位相差p。這些增益和相移校正量是由模數 轉換器ADC1、高動態數模轉換模塊、AGC功分模塊和模擬延時器1共同引起的，并且實際中 通常是固定的。矯正過后的數字信號為c (η)。
[0055] 如圖4所示，高動態數模轉換模塊包含非線性模型、延遲單元、數模轉換器DAC1、 數模轉換器DAC2、衰減器和模擬加法器。數字信號c(n)分別送入非線性模型和延遲單 元，延遲單元的延遲量和非線性模型的算法延遲量相同，延遲單元的輸出連接數模轉換器 DAC1，非線性模型的輸出連接數模轉換器DAC2,數模轉換器DAC2的輸出連接衰減器，數模 轉換器DAC1和衰減器的輸出連接至模擬加法器的輸入，模擬加法器的輸出為d (t)，d⑴的 非線性和量化噪聲遠低于c(n)中的非線性和量化噪聲。數模轉換器DAC1的非線性模型通 常是固定的，事先估計出其非線性模型之后利用數字信號生成非線性分量的負信號，兩者 在模擬域相加將會有效抑制非線性分量從而達到較高的動態范圍。
[0056] 模擬信號a2(t)經過模擬延時器1延遲過后得到信號e(t)，實際中的延遲量由模 數轉換器ADC1、數字移相增益模塊和數模轉換器DAC1以及之間的連接線共同確定，且在硬 件狀態一定的情況下，這個延遲量是一個固定值。
[0057] 加法器將e(t)和相減d(t)，得到線性部分被抑制了的信號f(t)，因此f (t)的功 率遠小于e(t)和d(t)的功率。
[0058] 如圖5所示，濾波放大模塊包含濾波器和放大器。模擬信號f(t)進入濾波器進行 高動態數模轉換模塊的輸出乃奎斯特區間選擇，濾波器輸出連接放大器，放大器受到增益 參數G的控制，輸出對應功率的模擬信號g (t)。這一步中，對放大器的噪聲系數和濾波器的 帶內波動需要有一定要求，以保證對c (η)中的量化噪聲和非線性影響可以忽略不計。
[0059] 信號g(t)送入模擬延時器2中進行延時處理生成h(t)。這是因為要保證i (η)和 j (η)到達聯合器的時間是同步的，而數字延時器只能調整數字芯片時鐘周期的整數倍，因 此需要在模擬域實現數字芯片時鐘周期分數倍延時。
[0060] 模數轉換器ADC2對h (t)進行采樣和量化得到數字信號i (η)。信號i (η)包含了 除h(t)的線性分量以外的非線性分量和量化噪聲。
[0061] 數字延時器對c(n)進行延時處理得到j(n)。這里的延時量是路徑 c(n) - d(t) - f⑴一g(t) - h(t) - i(n)的延時量對數字芯片周期的整數倍部分。
[0062] 如圖6所示，聯合器包含乘法器3、乘法器4、乘法器5、一個復本振發生器、兩個低 通濾波器、一個復增益估計算法電路和一個加法器。數字信號j (η)和復本振發生器連接至 乘法器3進行運算，數字信號i (η)和復本振發生器通過乘法器4相連接，乘法器3和乘法 器4的輸出分別連接至低通濾波器1和低通濾波器2,低通濾波器1和低通濾波器2的輸出 同時連接至復增益估計算法電路，低通濾波器2的輸出還連接至乘法器3,復增益估計算法 電路的輸出連接至乘法器3,乘法器3輸出和低通濾波器1的輸出同時連接至加法器，加法 器的輸出為數字信號k (η)。
[0063] 所述的參數搜索/估計方法包括以下步驟：
[0064] 如圖7所示，參數搜索/估計模塊包含延時估計算法電路、取功率電路、向上取整 Ceil電路、減法器、功率校準算法電路和功率最小化搜索電路。i (η)和j (η)同時連接延時 估計算法電路，延時估計算法電路同時連接向上取整Ceil電路和減法器負端口，向上取整 Ceil電路的輸出連接減法器的正端口，同時輸出信號為數字延時器的調整量t3，加法器輸 出為模擬延時器2的調整量t 2, i (η)連接取功率電路，取功率電路輸出同時連接功率校準 算法電路和功率最小化搜索電路，功率校準算法電路輸出濾波放大模塊的增益G，功率最小 化搜索輸出三維搜索參量數字移相增益模塊的復增益S (幅度和相位共兩個維度）和模擬 延時器1的調整量h (-個維度）。功率校準算法電路和功率最小化搜索電路需要進行合 理的設計以保證兩者不會發生沖突。
[0065] 模擬延時器1的調整量^通過控制接口 3輸出到模擬延時器1，調整e(t)的延時 量；濾波放大模塊的增益G通過控制接口 2輸出到濾波放大器模塊，調整g (t)的功率；模擬 延時器2的調整量t2通過控制接口 1輸出到模擬延時器2中，調整h (t)的分數倍采樣周 期延時量；數字移相增益模塊的復增益S輸出到數字移相增益模塊，調整c (η)的功率和相 位；數字延時器的調整量t3輸出到數字延時器，調整j (η)的整數采樣周期延時。
[0066] 模擬延時器1的調整量h、濾波放大模塊的增益G和模擬延時器2的調整量t2需 要分別通過控制接口 3、控制接口 2和控制接口 1進行片間交互，比如但不限于SPI、串口、 GP10等接口或協議。
[〇〇67] 數字移相增益模塊的復增益S和數字延時器的調整量t3通過軟件接口進行模塊 間交互。
【權利要求】
1. 一種提高模數轉換器動態范圍的裝置，其特征在于：包括AGC功分模塊、模數轉換器 ADC1、數字移相增益模塊、模擬延時器1、高動態數模轉換模塊、加法器、濾波放大模塊、模擬 延時器2、模數轉換器ADC2、數字延時器、聯合器、參數搜索/估計模塊和控制接口，AGC功 分模塊的兩路輸出分別與模數轉換器ADC1和模擬延時器1連接，模數轉換器ADC1的輸出 端與數字移相增益模塊連接，數字移相增益模塊的輸出分別與數模轉換器DAC1和數字延 時器連接，模擬延時器1和高動態數模轉換器的輸出分別與加法器的兩個輸入端連接，力口 法器的輸出與濾波放大模塊連接，濾波放大模塊的輸出與模擬延時器2連接，模擬延時器2 的輸出與模數轉換器ADC2連接，數字延時器和模數轉換器ADC2的輸出分別與聯合器的兩 個輸入端連接，數字延時器和模數轉換器ADC2的輸出還與參數搜索/估計模塊連接，參數 搜索/估計模塊輸出五路控制信號，其中有三路連接到控制接口，其余兩路分別與數字延 時器和數字移相增益模塊連接，控制接口的輸出分別與模擬延時器2、濾波放大模塊和模擬 延時器1連接。
2. 根據權利要求1所述的一種提高模數轉換器動態范圍的裝置，其特征在于：所述的 控制接口包括控制接口 1、控制接口 2和控制接口 3,控制接口 1、控制接收2和控制接口 3 的輸入分別與參數搜索/估計模塊的三路輸出連接，控制接口 1、控制接口 2和控制接口 3 的輸出分別與模擬延時器2、濾波放大模塊和模擬延時器1連接。
3. -種提高模數轉換器動態范圍的方法，其特征在于：包含信號處理步驟和參數搜索 /估計步驟，其中，所述的信號處理步驟包括以下子步驟： 5101 :AGC功分模塊接收模擬信號a(t)，將模擬信號a(t)放大，并分為兩路模擬信號 a!⑴和a2⑴； 5102 :將模擬信號ai(t)送入模數轉換器ADC1，通過模數轉換器ADC1的采樣和量化，得 到數字信號b (η); 5103 :將數字信號b (η)送入數字移相增益模塊，數字移相增益模塊校正數字信號b (η) 的增益和相位，得到校正后的數字信號c(n); 5104 :將數字信號c (η)送入高動態數模轉換模塊，高動態數模轉換模塊將校正后的數 字信號c (η)轉換到模擬域得到模擬信號d(t); 5105 :將模擬信號a2(t)送入模擬延時器1，模擬信號a2(t)經過模擬延時器1延遲過 后得到模擬信號e(t); 5106 :將模擬信號d(t)和模擬信號e(t)送入加法器，加法器將模擬信號e(t)和模擬 d(t)相減，得到模擬信號f(t); 5107 :將模擬信號f(t)送入濾波放大模塊，濾波放大模塊對模擬信號f(t)進行濾波， 經過放大器放大，得到模擬信號g(t); 5108 :將模擬信號g(t)送入模擬延時器2中進行延時處理，得到模擬信號h(t); 5109 :將模擬信號h(t)送入模數轉換器ADC2,模數轉換器ADC2對模擬信號h(t)進行 采樣和量化，得到數字信號i (η); SI 10 :將數字信號c (η)送入數字延時器，經過延時處理得到數字信號j (η); Sill :將數字信號i (η)和數字信號j (η)送入聯合器，生成最終輸出的數字信號k(η); 所述的參數搜索/估計步驟，包括以下子步驟： S201 :將信號處理步驟中的數字信號i (η)和數字信號j (η)送入參數搜索/估計模塊， 得到模擬延時器1的調整量ti、濾波放大器模塊中的增益G、模擬延時器2的調整量t2、數 字移相增益模塊的復增益S和數字延時器的調整量t3 ; S202 :將模擬延時器1的調整量h、濾波放大器模塊中的增益G、模擬延時器2的調整 量心分別通過控制接口 3、控制接口 2和控制接口 1輸出到模擬延時器1調整e(t)的延時 量、濾波放大器模塊調整g(t)的功率和模擬延時器2調整h(t)的分數倍采樣周期延時量， 將數字移相增益模塊的復增益S和數字延時器的調整量t 3分別輸出到數字移相增益模塊 調整c (η)的功率和相位和數字延時器調整j (η)的整數采樣周期延時。
【文檔編號】H03M1/10GK104104387SQ201410369699
【公開日】2014年10月15日 申請日期:2014年7月30日 優先權日:2014年7月30日
【發明者】魯宏濤, 徐強, 邵士海, 潘文生, 唐友喜 申請人:電子科技大學