（微电子学与固体电子学专业论文）用于voip的sigmadelta调制器的信号后处理方法的研究.pdf

摘要 摘要 s i g m a - d e l t a 模数转换器( a d c ) 主要由s i g m a d e l t a 调制器和滤波器组成，相比于传 统的a d c ，其最主要的优势在于不需要复杂的模拟电路结构，使其成本可以持续下降， 同时其数字化特性使之可以集成到其它的数字芯片中，因此，s i g m a - d e l t aa d c 在数字 信号处理领域内得到了广泛应用。 本文首先对输入带宽为2 0k h z 的适用于v o i p 芯片的1 4 位三阶s i g m a - d e l t a 调制器 进行了研究。选用1 1 1 级联结构设计调制器，在m a t l a b 中建立了调制器的模型。对 各个积分器进行了仿真，讨论并调节了各个模块的系数，以确定积分器的输出没有过载。 对三阶s i g m a - d e l t a 调制器各级的输出进行了处理。通过对离散信号z 域的变换，推导 了各级输出的表达式，设计了量化噪声抵消电路，合并了各级的输出，对整个系统进行 了行为级仿真。结果表明，信噪比大于8 6 d b ，精度为1 4 ，基本满足设计要求。 接着对s i g m a - d i e m 调制器输出信号的后处理方法进行了研究。s i g m a - d l e t a 调制器 的结构近似于双斜率a d c ，包括1 个积分器和1 个比较器，以及1 个一位数模转换器 的反馈环。这个内置的数模转换器仅仅是一个开关，它将积分器输入切换到一个正或负 参考电压。s i g m a - d e l t a 调制器以极高的抽样频率对输入模拟信号进行抽样，并对两个 抽样之间的差值进行低位量化，从而得到用低位数码表示的数字信号，即s i g m a - d e l t a 码。然后将该码送到数字抽取滤波器进行抽取滤波，得到高分辨率的线性脉冲编码调制 的数字信号。这个抽取滤波器实际上相当于一个码型变换器。信号送入s i g m a - d e l t aa d c 后被以非常低的分辨率( 1 位) 进行量化，但采样频率却非常高。经过数字滤波处理后， 这种过采样被降低到一个比较低的采样率，同时a d c 的分辨率被提高。 本文设计了多级降采样滤波器来降低s i g m a - d e l t a 调制器输出的高频信号。对级联 积分滤波器( c i c ) 的频率特性进行了分析，选择了适当的结构与阶数，实现对输入信号 的采样频率下降1 6 倍、衰减了高频处的量化噪声。利用半带滤波器的特性，把它作为 第二级降采样滤波器，分别用k a i s e r 窗法和最佳一致逼近法设计了半带滤波器。对两种 方法所设计的滤波器分别进行了仿真，经过性能比较选择了最佳一致逼近法来设计半带 滤波器。另外，考虑到c i c 在通带频率内对有用信号的衰减比较大，设计了补偿滤波器 进行补偿处理，并且实现了降采样2 倍。对整体滤波器进行系统级仿真的结果显示，通 带截止频率为2 0k h z ，通带波纹为o 0 0 5 d b ，阻带衰减9 3 4d b ，降采样率为6 4 ，满足 了设计要求。 关键词：s i g m a - d e l t a 调制器；量化噪声；级联积分梳状滤波器；半带滤波器；补 偿滤波器 a b s t r a c t a b s t r a c t s i g m a - d e l t aa n a l o g t o - d i g i t a lc o n v e r t e r ( h d c ) i sc o m p o s e do fs i g m a d e l t am o d u l a t o r a n dd i g i t a lf i l t e r c o m p a r e dt ot r a d i t i o n a la d c s ，t h em o s t i m p o r t a n ta d v a n t a g eo f s i g m a - d e l t aa d c si st h a tn oc o m p l i c a t e da n a l o gc i r c u i ts t r u c t u r e sa r er e q u i r e d ，m a k i n gi t p o s s i b l et oc o n t i n u ed e c r e a s i n gt h ec o s ta n dt ob ei n t e g r a t e di n t oo t h e rd i g i t a lc h i p sa sw e l l t h e r e f o r e ，s i g m a - d e l t aa d c sh a v e b e e nw i d e l yu s e di nd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n ga r e a s i nt h i st h e s i s ，a 吐l i r d o r d e rs i g m a d e l t am o d u l a t o r 嘶l2 0k n zi n p u tb a n d w i d t ha n d 14 - b i tp r e c i s i o n ，a p p l i c a b l et ov o l p ( v o i c eo v e ri p ) c h i p s ，w a sf i r s t l ys t u d i e d t h em a s h ( m u l t i - s t a g en o i s es h a p i n g ) s t r u c t u r ew a su s e dt od e s i g nt h i st h i r d - o r d e r1 - 1 - 1c a s c a d e s i g m a - d e l t am o d u l a t o r a f t e re s t a b l i s h i n gt h em o d u l a t o rm o d e li nm a t l a b ，e a c hi n t e g r a t o r w a ss i m u l a t e d ，a n dt h ec o e f f i c i e n t so fe a c hm o d u l ew e r ed i s c u s s e da n da d j u s t e d ，m a k i n gs u r e t h ei n t e g r a t o ro u t p u tn o to v e r l o a d b yz - t r a n s f o r m a t i o no fd i s c r e t es i g n a l s ，e x p r e s s i o n so ft h e s i g m a - d e l t am o d u l a t o ro u t p u ta te a c hs t a g ew e r ed e d u c t e d t h ec i r c u i tf o rr e m o v i n g q u a n t i z a t i o nn o i s ew a sd e s i g n e d ，a n do u t p u ts i g n a l so fa l ls t a g e sw e r eu n i f i e d t h e b e h a v i o r a l - l e v e ls i m u l a t i o nr e s u l t si n d i c a t eas n ro fl a r g et h a n8 6a n dap r e c i s i o no f1 4c a n b ea c h i e v e d ，m e e t i n gt h ed e s i g nr e q u i r e m e n t s t h e nt h e p o s t - p r o c e s s i n gm e t h o df o rs i g m a - d e l t am o d u l a t o r so u t p u ts i g n a l sw e r e s t u d i e d t h es t r u c t u r eo fs i g m a - d e l t am o d u l a t o ri ss i m i l a rt oa d u a l s l o p ea d c ，i n c l u d i n ga l l i n t e g r a t o ra n dac o m p a r a t o r , a n daf e e d b a c kl o o po fo n ed a c ( d i g i t a l - a n a l o gc o n v e r t e r ) t h eb u i l t - i nd a ca c t sl i k eas w i t c hb ys w i t c h i n gt h ei n t e g r a t o ri n p u tt oap o s i t i v eo ra n e g a t i v er e f e r e n c ev o l t a g e t h ei n p u ta n a l o gs i g n a li ss a m p l e da tav e r yh i g hf r e q u e n c ya n d t h ed i f f e r e n c eb e t w e e nt w os a m p l i n g si sq u a n t i f i e dt og e td i g i t a ls i g n a l ，i e ，s i g m a - d e l t ac o d e t h ec o d ei st h e ns e n tt oad i g i t a ld e c i m a t i o nf i l t e r , g e t t i n gt h eh i g h - r e s o l u t i o nl i n e a rp u l s e c o d em o d u l a t e dd i g i t a ls i g n a l s t h ed e c i m a t i o nf i l t e ri st h u ss i m i l a rt oac o d e c o n v e r t e r s i g n a l ss e n tt os i g m a d e l t aa d ca r eq u a n t i z e da tv e r yl o wr e s o l u t i o n ( 1 - b i t ) ，b u tt h e s a m p l i n gf r e q u e n c yi sv e r yh i g h a f t e rb e i n gp r o c e s s e db yt h ed i g i t a lf i l t e r , t h i st h e o v e r - s a m p l i n gr a t ei sr e d u c e dt oar e l a t i v e l yl o w e rs a m p l i n gr a t e ，a n dt h er e s o l u t i o no fa d c c a nb er a i s e d i nt h i st h e s i s ，am u l t i - s t a g ed o w n - s a m p l i n gf i l t e rw a sd e s i g n e dt or e d u c et h eh i g h f r e q u e n c yo u t p u ts i g n a l so ft h em o d u l a t o r t h ef r e q u e n c yc h a r a c t e r i s t i c so ft h ec a s c a d e d i n t e g r a t o rc o m b ( c i c ) f i l t e rw a sa n a l y z e d ，w i t ha p p r o p r i a t es t r u c t u r ea n do r d e rd e t e r m i n e d t h es a m p l i n gf r e q u e n c yo ft h ei n p u ts i g n a ld e c r e a s e d16t i m e s ，a n dt h eq u a n t i z a t i o nn o i s ea t h i g hf r e q u e n c yw a sa t t e n u a t e d t h eh a l f - b a n df i l t e r , a sas e c o n d - l e v e ld o w n - s a m p l i n gf i l t e r , w a sd e s i g n e db yu s i n gk a i s e rw i n d o w sm e t h o da n dt h eb e s tu n i f o r ma p p r o x i m a t i o nm e t h o d ， r e s p e c t i v e l y b a s e do nd e t a i l e dc o m p a r i s o n so ft h e i rs i m u l a t e dp e r f o r m a n c ef r o mf i l t e r s d e s i g n e db yt h ea b o v e m e n t i o n e dt w om e t h o d s ，t h eb e s tu n i f o r l na p p r o x i m a t i o nm e t h o dw a s c h o s e nf o rd e s i g n m o r e o v e r , a f t e rc o n s i d e r i n gt h el a r g ea m p l i t u d ea t t e n u a t i o ne f f e c to fc i c f i l t e ro nu s e f u ls i g n a l si nt h ep a s s b a n df r e q u e n c y , ac o m p e n s a t i o nf i l t e rw a s d e s i g n e d ，a n d2 t i m e sd o w n - s a m p l i n gw a sr e a l i z e d f i n a l l y , t h es y s t e m - l e v e ls i m u l a t i o no ff i l t e rw a s p e r f o r m e d ，i n d i c a t i n gt h a tp a s s b a n dc u t o f ff r e q u e n c yw a s2 0r it z ，t h ep a s s b a n dr i p p l ew a s i i a b s 仃a c t 0 0 0 5 d b ，t h es t o p b a n dc u t - o f ff r e q u e n c yw a s9 3 4d b ，a n dt h ed o w n - s a m p l i n gr a t ew a s6 4 ，a l l b a s i c a l l ym e e t i n gt h ed e s i g nr e q u i r e m e n t s k e y w o r d s ：s i g m a - d e l t am o d u l a t o r ；q u a n t i z a t i o nn o i s e ；c a s c a d e di n t e g r a t o rc o m bf i l t e r ； h a l f - b a n df i l t e r ；c o m p e n s a t i o nf i l t e r i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是芬人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含本人为获得江南 大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料与我一同工作的同志 对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 签 名：盛赵 日 期： 呈= ：! 垒幽丝 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解江南大学有关保留、使用学位论文的规定： 江南大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允 许论文被查阅和借阅，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文， 并且本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致 保密的学位论文在解密后也遵守此规定 签名： 遗趁 导师签名： 第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究的背景及意义 v o i p ( v o i c eo v e ri n t e r a c tp r o t o c 0 1 ) 就是将模拟声音( v o i c e ) 信号数字化，以数据封包 ( d a t ap a c k e 0 的形式在i p 数据网络上实时传递，其最大的优势是能充分利用i n t e m e t 和 全球i p 网络互连的环境，提供比传统业务更多、更好的服务。v o i p 可以在i p 网络上便 宜地开展传送语音、传真、视频和数据等业务，如统一消息、虚拟电话、虚拟语音传真 邮箱、查号业务、i n t e m e t 呼叫中心、i n t e m e t 呼叫管理、电视会议、电子商务、传真存 储转发和各种信息的存储转发等。s i g m a - d e l t a 模数转换器( a d c ) 是v o i p 系统中的一个 重要组成部分，它把模拟信号转换为数字信号，并服务于整个系统。本文针对无锡某集 成电路设计公司的科技部科技型中小企业技术创新基金资助项目，研究用于v o i p 芯片 的s i g m a - d e l t aa d c 中的调制器及信号后处理方法。 与传统转换器技术相比，过采样s i g m a - d e l t a 调制器通过提高过采样比和噪声整形 技术，可降低前端反混叠前置滤波器的复杂性【1 3 1 ，减少对模拟集成器件非线性的敏感 度和采样保持电路的精度的要求，从而以相对较低的成本实现具有线性变换特点、高分 辨率和高性能的转换器的设计。s i g m a - d e l t aa d c 是一种能进行高精度模数( a d ) 转换、 并且能很好地运用c m o s 集成技术来实现的结构。s i g m a - - d e l t aa d c 采用模拟电路来 实现调制功能，用降采样滤波器来进行后续信号处理，这样调制器结构可通过边界条件 来优化，设计出可实现高性能、低功耗的数据转换性能的电路拓扑结构。 近年来超大规模集成电路( v l s i ) 技术发展迅速。由于v l s i 技术的特点是数字器件 的集成工艺水平远远超过模拟器件的集成工艺水平，所以模拟集成电路中占有相当大比 例的传统数据转换器，要想在现有工艺水平上显著提高分辨率和性能，是非常困难的。 在当前v l s i 发展快、技术成熟的背景下，过采样调制器以其高分辨率、高线性以及和 数字电路完美兼容等特点，被广泛应用于音频等领域的数模混合电路中【4 】。研究s i g m a - d e l t aa d c 的结构及性能，不仅对提高v o i p 系统的性能有重大意义，而且在其他领域 也有广泛的应用前景。 1 2s i g m a d e l t aa d c 的发展历史及现状 s i g m a d e l t a a d c 并不是近年才出现的。早在1 9 5 2 年，j a g e r 提出了d e l t a 调制器的 概念【5 j ，这种调制器的前向通路中只有一个量化器，在反馈回路中包含一个环路的滤波 器，这样信号和量化噪声同时经滤波后被反馈回来，最后输出滤波后的信号和量化噪声。 1 9 5 4 年，c u t l e 提出利用反馈来改善普通量化器的信噪比1 6 j 。1 9 6 2 年，y a s u d a 和 m u r a k a m i 首次提出了s i g m a - d e l t a 调制器的概念【7 】，即在j a g e r 的d e l t a 调制器的前端加 入一个环路滤波器，并将其移入d e l t a 调制器的内部环路中。最简单的环路滤波器是一 个积分器，这样，整个系统在前向通路中包含一个积分器及一个一位量化器，在反馈通 路中包含一位d a c 。整个系统包含了积分和差值模块，被称为s i g m a - d e l t a 调制器。 江南大学硕士学位论文 1 9 7 7 年，r i t c h i e 等人提出了高阶s i g m a d e l t a 调制器的概念【8 l ，即在前向通路中将 几级积分器级联以增加环路滤波器的阶数。同时，在调制器中每一个积分器接受来自 d a c 的一个输入，以提高系统的稳定性。 1 9 8 6 年，h a y a s h i 等人提出了m a s h ( m u l t i - s t a g en o i s es h a p i n g ) 这种设计稳定的高 阶s i g m a - d e l t aa d c 的方法【9 】。另一种改善s i g m a d e l t aa d c 性能的方法则采用多位内 部量化器，但这同时也要求在反馈回路中使用多位d a c ；多位d a c 的有限的线性度限 制了整个a d c 的线性度。1 9 9 0 年，l e s l i e 和s i n g h 提出了使用一位d a c 和多位a d c 的结构，能同时达到很好的线性度和很低的量化噪声【l0 1 。 2 0 0 3 年，p e t e rk i s s 和j e s u sa r i a s 等人实现了一个具有良好稳定性的过采样d a c ， 仅以4 倍的过采样率达到了超过6 0d b 的信噪比【1 1 j 。2 0 0 6 年，y o n g h e e l e e ，m o o y e o l c h o i 和s e u n g b i ny o u 等人实现了每个通道2 0 位的立体声音频d a c ，在2 7v 工作电 压下，功耗仅为4m w l l 2 j 。 目前国内外对s i g m a d e l t aa d c 的研究主要有以下几个方面： 1 ) 稳定性 当调制器中的开关电容积分器、量化器发过载时，调制器就会变的不稳定，能提高 调制器稳定性的方法大致可以分为三种：第一种是用稳定的低阶( 一阶、二阶) 调制器级 联而成高阶调制器( 即m a s h 结构) 【1 3 1 。第二种是采用多位量化器、多电平反馈结构【1 4 】。 第三类方法主要是针对高阶单环路调制器【1 5 1 ，通过限制调制器输入范围、改变各积分器 输出信号、外加检测过载信号等方法来提高稳定性。 2 ) 低功耗 a d c 的内部集成了数字逻辑电路、模拟电路、存储器等，因此降低s i g m a - d e l t a 转换 器的功耗主要以研究如何降低芯片内部电路的复杂度，具体主要研究调制器中积分器、 比较器以及抽取滤波器的结构、乘法器等方面。比如，使用阈值较低的晶体管，通过优 化结构达到低功耗目的，在积分器中使用单极运算跨导放大器( o t a ) 也是设计低功耗转 换器常用的方法【l 们。 3 ) 高阶调制器 高阶s i g m a - d e l t a 调制器比低阶的具有更好的性能，因此得到了广泛的应用。但是， 大于二阶的s i g m a - d e l t a 调制器不能用线性模型描述，必须采用一些复杂的技术来确保系 统的稳定性【1 7 1 。 4 ) 多位结构 多位结构的s i g m a - d e l t aa d c 可提高转换速率和分辨率，这对于声音信号处理器的 性能来说是一个大飞跃【l 引。多位结构的s i g m a - d e l t aa d c 含有一个n 位的并行a d c 和 一个n 位d a c ，对一个给定的过采样比和滤波器阶数，这种结构可以提供更大的动态 范围。但多位结构在混合信号大规模集成电路中实现极为困难，因为它的线性度取决于 n 位模数转换器的线性度，对工艺要求也更加严格【1 9 】。多位调制器采用d w a 技术，在 信号带宽2 5m h z 时信噪比达到8 8 5d b ，总谐波失真1 0 3d b 2 0 1 。 2 第一章绪论 1 3 论文的主要工作 本文首先对s i g m a - d e l t a 调制器进行设计、研究。在m a t l a b 中建立了一款三阶级 联s i g m a - d e l t a 调制器的模型，对各个积分器进行了仿真，讨论并调节了各个模块的系 数，以确定积分器的输出没有过载。对三阶s i g m a - d e l t a 调制器各级的输出进行了处理， 通过对离散信号z 域的变换，推导了各级输出的表达式。设计了量化噪声抵消电路，合 并了各级的输出，最后得到一个高采样频率的数字信号。对调制器的设计指标为输入信 号的带宽为2 0k h z ，过采样率为6 4 ，经过调制器后精度达到1 4 位、信噪比大于8 6d b ， 适用于v o i p 系统在音频方面对s i g m a d e l t a 调制器的要求。 对三阶s i g m a - d e l t a 调制器输出的信号进行后处理，即降采样滤波器的设计是本文 的一个主要工作。由于调制器输出的信号为高采样率、低分辨率，并且带外存在大量的 量化噪声，因此必须对输出信号进行降采样滤波处理。 工作中对级联积分滤波器的频率特性进行了分析，基于公式推导进行了结构选择， 并选择了合适的阶数。相应的仿真结果表明，实现了对输入信号降采样1 6 倍、衰减了 高频处的量化噪声。利用半带滤波器的特性，把它作为第二级降采样滤波器，分别用 k a i s e r 窗法和最佳一致逼近法设计了半带滤波器。对两种方法设计的滤波器也分别进行 了仿真，考虑到滤波器设计的复杂性以及功耗问题，在满足设计指标的条件下，选择了 最佳一致逼近法设计半带滤波器。考虑到级联积分滤波器在通带频率内，对有用信号的 衰减比较大，设计了补偿滤波器进行补偿处理，实现了降采样2 倍。对半带滤波器和补 偿滤波器的系数进行了优化，用c s d 码表示滤波器的系数，为实际设计电路实现乘法 器减少了硬件的开销。整体滤波器的设计指标为通带截止频率为2 0k h z ，通带波纹为 0 0 0 5 d b ，阻带衰减为9 3 4d b ，降采样6 4 倍；相应的仿真结果表明达到了这些设计要 求。 3 江南大学硕士学位论文 第二章a d c 的基本原理及结构 2 1a d c 的基本原理 在a d c 中，因为输入的模拟信号在时间上是连续的，而输出的数字信号是离散的， 所以转换只能在一系列选定的瞬间对输入模拟信号取样，然后再把这些取样值转换成输 出的数字量。因此，a d 转换的过程是首先对输入的模拟电压信号取样，取样结束后进 入保持时间，在这段时间内将取样的电压量化为数字量，并按一定的编码形式给出转换 结果。然后，再开始下一次取样。 如图2 1 所示，a d c 主要由前置滤波器、采样电路、量化器和数字编码电路等四个 部分组成。输入信号x ( t ) 首先经过前置滤波器滤波，滤波的目的是为了避免在对输入信 号采样时引入高频信号的混迭失真。前置滤波器的输出信号被采样频率为的采样电路 均匀采样后产生离散时间信号x n x 其中t = 1 f s ，接着对x n t 进行量化，产生时间和幅 度都离散的输出信号y n t ，经数字编码器产生相应的二进制数码。 前置滤坡器器彬请昆叠)采样量化 编码 图2 - 1 模教转换器的结构框图 f i g 2 - 1t y p i c a lb l o c kd i a g r a mo fa d c 2 1 1 信号的采样 采样定理，又称香农采样定理、奈奎斯特采样定理，是信息论，特别是通讯与信号 处理学科中的一个重要基本结论。e t w h i t t a k e r ( 1 9 1 5 年发表了统计理论) ，克劳德香 农与h a r r yn y q u i s t 都对它作出了重要贡献。另外，va k o t e l n i k o v 也对该定理做了重要 贡献。 采样是将一个信号( 即时间或空间上的连续函数) 转换成一个数值序列( 即时间或 空间上的离散函数) 。采样定理指出，如果信号是带限的，并且采样频率高于信号带宽 的一倍，那么，原来的连续信号可以从采样样本中完全重建出来。 带限信号变换的快慢受到它的最高频率分量的限制，也即它的离散时刻采样表现信 号细节的能力是有限的。采样定理指，如果信号带宽小于采样频率( 即奈奎斯特频率的 2 倍) ，那么此时这些离散的采样点能够完全表示原信号。高于或处于奈奎斯特频率的频 率分量会导致混叠现象。大多数应用都要求避免混叠，混叠问题的严重程度与这些混叠 频率分量的相对强度有关。从采样定理中可以得出以下结论。 如果已知信号的最高频率矗，采样定理给出了保证完全重建信号的最低采样频率。 这一最低采样频率称为临界频率或奈奎斯特采样率，表示为，相反，如果已知采样频 率，采样定理给出了保证完全重建信号所允许的最高信号频率。以上两种情况都说明， 4 第二章a d c 的基本原理及结构 被采样的信号必须是带限的，即信号中高于某一给定值的频率成分必须是零，或至少非 常接近于零，这样在重建信号中这些频率成分的影响可忽略不计。在第一种情况下，被 采样信号的频率成分已知，比如声音信号，由人类发出的声音信号中，频率超过5k h z 的成分通常非常小，因此以1 0k h z 的频率来采样这样的音频信号就足够了。在第二种 情况下，我们得假设信号中频率高于采样频率一半的频率成分可忽略不计。这通常是用 一个低通滤波器来实现的。 2 1 2 信号的量化和编码 数字信号不仅在时间上是离散的，而且数值大小的变化也是不连续的。也就是说， 任何一个数字量的大小值能是某个规定的最小数量单位的整数倍。在进行a d 转换时， 必须把取样电压表示为这个最小单位的整数倍，这个转换过程叫做量化，所取的最小数 量单位叫做量化单位，用表示。显然，数字信号最低有效位( l s b ) 的1 所代表的数量 大小就等于。 把量化的结果用代码表示出来，称为编码。这些编码就是a d 转换的输出结果。既 然模拟电压是连续的，那么它就不一定能被整除，因而量化过程不可避免地会引入误 差。这种误差称为量化误差。将模拟电压信号划分为不同的量化等级时通常有均匀量化、 非均匀量化两种方法。 在均匀量化中，每个量化区间的量化电平平均取在各区间的中点，其量化间隔取决 于输入信号的变化范围和量化电平数。当信号的变化范围和量化电平数确定后，量化间 隔也被确定。非均匀量化是根据信号的不同区间来确定量化间隔的。对于信号取值小的 区间，量化间隔也小；反之量化间隔也就大。和均匀量化相比，它有两个突出的优点。 首先，当输入量化器的信号具有非均匀分布的概率密度时，非均匀量化器的输出端可以 得到较高的平均信号量化噪声功率比；其次，非均匀量化时，量化噪声功率的均方根值 基本上与信号抽样值成比例。因此量化噪声对于大、小信号的影响大致相同。即改善了 小信号时的信号量噪比。 2 2a d c 的特性 2 2 1 静态特性 a d c 的静态特性是指实际量化特性与理想量化特性之间存在的偏差，通常用下面 四个概念来描述a d c 的静态特性 2 1 , 2 2 ： 1 ) 失调误差( o f f s e te r r o r ) ：主要由元件失配造成，表现为在输入不为零的情况下， 输出为零，如图2 2 所示。 2 ) 增益误差( g a i ne r r o r ) ：连接第一个量化台阶的中点和最后一个量化台阶的中点 的直线的斜率与理想值( 通常为1 ) 的偏差，如图2 3 所示。 3 ) 微分非线性误差( d i f f e r e n t i a ln o n l i n e a r i t y ，d n l ) ：相邻两个转换点之间的距离 与理想值的最大偏差，如图2 4 所示。 4 ) 积分非线性误差( i n t e g r a ln o n l i n e a r i t y ，i n l ) ：实际模数转换曲线的代码中点与 5 江南大学硕士学位论文 理想模数转换曲线的代码中点的连线之间的最大偏差，如图2 5 所示。 图2 - 2 失调误差 f i g 2 - 2 o f f s e te r r o r 输出 图2 - 4 微分非线性误差 f i g 2 - 4d i f f e r e n ti a1n o n li n e a rit ye r r o r 2 2 2 动态特性 图2 - 3 增益误差 f i g 2 3g a i ne r r o r i m 。 输出 出 图2 - 5 积分非线性误差 f i g 2 - 5i n t e g r a ln o n l i n e a r i t ye r r o r a d c 的动态特性包括信噪比、信号与噪声加谐波失真比、动态范围、有效位数等， 下面分别加以说明【2 1 ，2 2 1 。 l 、信噪比( s i g n a lt o n o i s er a t i o ，s n r ) s n r 为信号功率与噪声功率之比。实际a d c 中的噪声应包括带内的量化噪声、随 机噪声、谐波畸变引起的噪声等，但通常只考虑对调制器性能影响较大的量化噪声。 2 、信号与噪声加谐波失真比( s i g n a lt o n o i s ea n dd i s t o r t i o nr a t i o ，s n d r ) s n d r 又称信噪失真比，即输入为正弦信号时，输出端的信号功率与总的噪声和谐 波功率之比。 3 、动态范围( d y n a m i cr a n g e ，d r ) d r 指s n r 为正时输入信号的幅度范围。对于正弦信号，d r 定义为满度输入时的 信号功率和信噪比为0 时的信号功率之比。 4 、有效位数( e f f e c t i v en u m b e ro f b i t s ，e n o b ) 6 数字“銎 n 尬 吼 ，：00砌 髓 出 输 数字蕈 n 蛐 l o o o o 第二章a d c 的基本原理及结构 e n o b 即精度，一般定义为： e 眦：s n d r p , , , 止- 1 7 6( 2 1 ) 6 0 2 2 3a d c 的结构 2 3 1 传统a d c 的结构 传统的a d c 按速率可以分为高速、中速及低速a d c 三类【2 3 1 。高速a d c 有并行 a d c ( f l a s ha d c ) ，内插a d c ( i n t e r p o l a t i n ga d c ) ，两步a d c ( t w o - s t e pa d c ) ， 流水线a d c ( p i p e l i n ea d c ) 和时间交错a d c ( t i m e i n t e r l e a v e da d c ) 等。这类a d c 可以在一到两个时钟周期内完成一次转换，主要用于视频、图像和雷达等系统中。中速 a d c 有逐次逼近式a d c ( s u c c e s s i v e a p p r o x i m a t i o na d c ) 、算法a d c ( a l g o r i t h m i ca d c ) 等，这类a d c 可在n ( n 为a d c 的位数) 个时钟周期内完成一次转换，主要用在远程 通讯、控制和中低速测试等系统中。低速a d c 有积分a d c ( i n t e g r a t i n ga d c ) 和计数 a d c ( c o u n t i n ga d c ) 等，这类a d c 完成n 位的模数转换大约需要2 n 个时钟周期， 主要用在数字电压表等数字仪表设备中。下面分别介绍这些a d c l 2 4 。 1 高速a d c 1 ) 并行a d c 并行a d c ，又称快闪a d c ( f l a s ha d c ) ，是结构上最简单、速度最快的a d c 之 一。图2 - 6 为n 位并行a d c 的结构框图【2 5 1 ，它由2 n 1 个比较器，由2 n 个电阻组成的 电阻串和代码转换电路组成。电阻串将参考电压进行等分，各分段电压分别与一个比较 器的负输入端相连。输入信号则与所有比较器的正输入端相连，比较器将二者进行比较。 例如，若输入v i n 在v j 和v j + l 之间，则比较器a l 到a 输出1 ，而其余的比较器均输出 0 ，即所有比较器的输出构成一组温度计编码，再通过代码转换电路转换为二进制码。 e i t a l u t p u t 图2 - 6n 位并行a d c 的结构框图 f i g 2 - 6b l o c kd i a g r a mo fa l ln - b i tf l a s ha d c 并行a d c 的精度主要取决于电阻串的匹配精度和比较器的失调电压【2 3 1 。另外，比 较器的非线性输入电容及其工作时所引入的噪声等都会影响它的性能口5 1 。并行a d c 的 优点是速度快，每个时钟可产生一个数字字。缺点是精度每增加l 位，其面积和功耗成 7 江南大学硕士学位论文 倍增长，通常只限于实现精度小于8 位的a d c 【z 3 1 。并行a d c 的实例有：采用0 2 5 1 m a c m o s 工艺实现的6 位、4 0 0 m s s 的a d c ，它采用数字技术来消除比较器对a d c 精度 的限制犯6 】；采用0 3 5 nc m o s 工艺实现的6 位、1 3 g s s 的a d c 2 7 等等。 2 ) 两步a d c 两步a d c ( t w o s t e pa d c ) 的基本框图如图2 8 t 2 5 1 所示，伊1 ，缈2 为两相不交迭时 钟。电路的工作原理如下：电路首先对输入信号v i n 进行采样得、，a ，在采样电路进入保 持后，通过第一个并行a d c 对其进行粗量化，得到其数字字表示的高几位，即图2 7 中的m s b 。，随后的d a c 将该数字字转换为与其相对应的模拟值v b ，然后再从v a 中 减去该模拟值，获得v c ( 称为余量) 。该值再通过第二个并行a d c 转换为数字字，得到 其数字字表示的低几位，即图2 7 中的l s b 。如前所述，n 位转换精度的并行a d c 需 要2 n 1 个比较器，而对于n 位精度的两步a d c ，若每个并行a d c 实现n 2 位的a d 转换，则它只需2 ( 2 n 2 1 ) 个比较器，从而大大减少了所用比较器的个数，面积和功 耗上优于前者；但速度低于前者。其速度主要受限于余量放大器和减法电路的带宽和所 需的建立时间【2 引，其精度主要依赖于第一个a d c 的线性度。另外，采样保持电路的线 性度和动态范围、余量放大器的有限增益、有限带宽和非线性等等都会影响整个转换器 的性能【2 1 2 2 1 ，其精度一般限于1 2 位左右【2 引。 图2 7 两步a d c 的基本框图 f i g 2 7t w o s t e pa d ca r c h it e c t u r e 在两步a d c 中，还有其它的硬件实现方式，如两步迭代结构和两步s u b r a n g i n g 结 构等。前者只用一个并行a d c 通过复用实现a d 转换，而后者是用第一个并行a d c 来 确定输入信号所处的电压分区，然后再用第二个并行a d c 在该分区内进行低位的模数 转换，这样使电路实现时无需减法电路。两步a d c 的例子有：采用0 3 5 1 x mc m o s 工艺 实现的1 0 位、2 5m s s 的a d c 2 9 】；采用0 2 5 i _ t mc m o s 工艺实现的2 5 v 电源电压、1 2 位、5 4m s s 的a d c t 3 0 】等等。两步s u b r a n g i n ga d c 的例子有：采用0 5 1 x mc m o s 工艺 实现的1 0 位、2 0m s s 的a d c t 3 1 1 ；采用0 3 5 1 x mc m o s 工艺实现的电源电压在2 2 v 和 3 8 v 之间可变的、8 位、1 0 0m s s 的a d c t 3 2 】等等。 3 ) 流水线a d c 流水线a d c ( p i p e l i n e d a d c )n 级串联而成，如图2 8 【2 5 】所示。每一级包含一个k 位的a d c ，一个k 位的d a c ，一个采样保持电路( s h ) ，一个减法电路和一个放大器。 每一级实现k 位的a d 转换，这样可以用较小的面积实现相对快的速度和相对高的精度 ( 1 0 1 3 位) 【2 引。 由于流水线a d c 中各级的工作原理是相同的，下面以图2 8 中的第一级为例来说 8 第二章a d c 的基本原理