專利名稱：一種用于采樣系統的窄帶大幅度抖動發生裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及數字處理采樣系統，具體的說是一種用于采樣系統的窄帶大幅度抖動
發生裝置。
背景技術：
由于數字處理方法有著模擬處理所沒有的靈活、穩定、速度、零溫漂等優越特性， 隨著集成電路技術的快速發展，越來越多的功能由數字處理的方式實現。其中高速高分辨 率的模擬數字轉換器(ADC)成為系統中至關重要的一環，與系統的信噪比、無雜散動態范 圍和ADC的位數(即精度)、線性息息相關。眾所周知ADC本身固有的微分非線性和量化誤 差不可避免，導致信號在量化后引入了輸入信號的諧波和雜散。而在一些周期性的輸入信 號的采樣系統中，由ADC微分非線性和量化誤差引入的失真尤為明顯。
為了克服這些失真，最好的方法是引入抖動。抖動的引入使ADC輸入信號變成無 周期的隨機信號，從而使ADC的非線性誤差隨機化，而由其引入的失真被抵消，淹沒入噪聲 基底內。 在多種抖動信號的實現形式中，大幅度的窄帶抖動信號實現起來較為容易，其頻 帶可處于DC —側或者Fs/2 (Fs為采樣頻率) 一側，其原則是確保窄帶抖動信號和分析頻帶 不重疊，同時抖動信號與輸入信號的交調產物也位于分析頻帶之外。 A亂0G DEVICE公司應用手冊AN-410 [Overcoming Co読rterNonli固rities with Dither]有設計一些抖動的基本理論及基礎的實現方法。介紹了一種基于噪聲二極管 產生寬帶白噪聲，然后級聯放大，低通濾波的方式產生DC —側的抖動信號。
申請號為01111823. 7的、發明名稱《用于模擬-數字變化的依賴于載波的抖動》專 利中采用的抖動的發生方式為方法是[隨機噪聲源]—[VGA]—[低通濾波器]—[信 號耦合器]—[幅度量化器](即ADC)其中VGA可由處理器根據載波功率之和的大小調整 抖動幅度，已防止量化溢出。該方法的實現結構與ANALOG DEVICE公司應用手冊AN-410提 到的方法類似，只是提及隨機噪聲源可以為數字偽隨機信號或其他模擬噪聲源。但發生的 抖動信號的形式是一樣的，同為DC —側的抖動信號。 但未查到具體的提出位于非DC —側的抖動信號的發生裝置，如頻率位于Fs/2處 的抖動信號的發生裝置。由此可知，現有的方法大都是產生DC—側的一定幅度的抖動信 號。未有提及如何產生Fs/2處抖動信號的方法。DC—側的抖動信號的發生裝置存在以下 不足 1、DC —側的一定幅度的抖動信號不能應用于基帶采集的系統，因為基帶分析系統 其分析帶寬為DC Fs/2 (Fs為采樣率)。這樣上述方法產生的抖動其頻帶與分析信號帶寬 相重疊，導致無法應用與基帶采集系統。 2、通過寬帶噪聲源產生寬帶噪聲，經過多級放大，再經過多級低通濾波器保留一 定帶寬內的噪聲信號作為抖動信號。這種方式因為產生的是寬帶白噪聲，所以需要足夠好 的濾波器，以防止在分析帶寬內引入噪聲，從而惡化信噪比。
發明內容
針對現有技術中存在的缺陷，本發明的目的在于提供一種用于采樣系統的窄帶大 幅度抖動發生裝置，通過在ADC的模擬輸入端引入抖動，減小了量化系統中ADC量化誤差、 非線性誤差及相關采樣引入的諧波失真和雜散，提高量化系統的無雜散動態范圍。
為達到以上目的，本發明采取的技術方案是 —種用于采樣系統的窄帶大幅度抖動發生裝置，其特征在于包括以下部件
模擬抖動電壓發生器06，產生模擬抖動電壓08 ;
調諧電壓發生器07，產生調諧電壓09 ; 電壓累加器IO，接收并放大模擬抖動電壓08和調諧電壓09，產生抖動調諧電壓 11 ; 壓控振蕩器12，根據輸入的抖動調諧電壓11產生隨機振蕩信號13，且隨機振蕩信 號13振蕩的中心頻率由調諧電壓09決定，振蕩的頻寬由模擬抖動電壓08決定；
帶通濾波器14，對輸入的隨機振蕩信號13進行濾波，濾除壓控振蕩器12產生的雜 散和諧波信號，輸出窄帶抖動信號15 ; 抗混疊濾波器17，對模擬輸入信號16進行抗混疊濾波處理產生無混疊的模擬輸 入信號18 ; 耦合器19，將無混疊的模擬輸入信號18和窄帶抖動信號15耦合，產生抖動的模擬 輸入信號20 ; ADC 21，將抖動的模擬輸入信號20量化成數字信號22 ; 數字濾波器23，將數字信號22中的窄帶抖動信號的頻率分量濾除。 在上述技術方案的基礎上，是可調諧電壓源，或者是數字模擬轉換器。 在上述技術方案的基礎上，所說的壓控振蕩器12為一個低相噪的壓控振蕩器。 在上述技術方案的基礎上，所說的模擬抖動電壓發生器06由數字偽隨機碼發生
器01、緩沖電路03和低通濾波電路05依次串接組成。 在上述技術方案的基礎上，所說的數字偽隨機碼發生器Ol為可編程邏輯器件或 數字電路。 在上述技術方案的基礎上，數字偽隨機碼發生器01產生數字偽隨機信號02，且數 字偽隨機信號02的周期長度要遠長于分析處理時間，以保持在分析時間內是隨機的。
在上述技術方案的基礎上，數字偽隨機信號02經過緩沖電路03轉換為隔直的模 擬電平信號04，然后經過低通濾波電路05，得到模擬抖動電壓08。 本發明所述的用于采樣系統的窄帶大幅度抖動發生裝置，在模擬輸入信號進入 ADC量化之前首先和一個模擬抖動信號相疊加，該模擬抖動信號為一種隨機調頻信號，與模 擬輸入信號疊加后，使得ADC的模擬輸入信號也變成一個無周期的隨機信號，能夠隨機化 ADC的非線性，提高ADC無雜散動態范圍。
本發明有如下附圖
圖1本發明的電路結構圖
圖2. A引入抖動之前對ADC的量化輸出進行傅立葉變換的結果
圖2. B引入抖動之后對ADC的量化輸出進行傅立葉變換的結果
具體實施例方式
以下結合附圖對本發明作進一步詳細說明。
圖1為本發明所述的用于采樣系統的窄帶大幅度抖動發生裝置的電路結構圖，包 括以下部件(下述各器件間的具體連接可采用現有技術實現，例如可以用線纜直接連接 兩器件間對應的輸入接口和輸出接口 ，本文不再詳述。)
模擬抖動電壓發生器06，產生模擬抖動電壓08 ;
調諧電壓發生器07，產生調諧電壓09 ; 電壓累加器IO，接收并放大模擬抖動電壓08和調諧電壓09，產生抖動調諧電壓 11 ; 壓控振蕩器12，根據輸入的抖動調諧電壓11產生隨機振蕩信號13，且隨機振蕩信 號13振蕩的中心頻率由調諧電壓09決定，振蕩的頻寬由模擬抖動電壓08決定；
帶通濾波器14，對輸入的隨機振蕩信號13進行濾波，濾除壓控振蕩器12產生的雜 散和諧波信號，輸出窄帶抖動信號15 ;帶通濾波器14目的是濾除振蕩器所產生的基波的諧 波信號或者雜散，以防止混疊進入系統的分析帶寬內；窄帶抖動信號15與模擬輸入信號16 所處的帶寬應不重合；窄帶抖動信號15與模擬輸入信號16的交調產物也應落在分析帶寬 之外；
抗混疊濾波器17，對模擬輸入信號16進行抗混疊濾波處理產生無混疊的模擬輸 入信號18 ; 耦合器19，將無混疊的模擬輸入信號18和窄帶抖動信號15耦合，產生抖動的模擬 輸入信號20 ; ADC 21，將抖動的模擬輸入信號20量化成數字信號22 ; 數字濾波器23，將數字信號22中的窄帶抖動信號的頻率分量濾除。 在上述技術方案的基礎上，所說的調諧電壓發生器07是可調諧電壓源，或者是數
字模擬轉換器。在具體的實施例中，選用了一個SPI串行總線控制的8位模擬數字轉換器
來產生可調諧電壓。 在上述技術方案的基礎上，所說的壓控振蕩器12為一個低相噪的壓控振蕩器，在 具體的實施例中可采用集成射頻振蕩器MAX2620加諧振電路包含變容管搭建而成，由于變 容管電容隨著電壓的變化而發生改變，所以其諧振頻率也隨之改變，從而達到調諧的目的。 也可直接采用符合振蕩頻率要求的VCO。壓控振蕩器的振蕩中心頻率調諧至Fs/2附近。
在上述技術方案的基礎上，所說的模擬抖動電壓發生器06由數字偽隨機碼發生 器01、緩沖電路03和低通濾波電路05依次串接組成。 在上述技術方案的基礎上，所說的數字偽隨機碼發生器Ol為可編程邏輯器件或 數字電路。在上述技術方案的基礎上，數字偽隨機碼發生器01產生數字偽隨機信號02， 且數字偽隨機信號02的周期長度要遠長于分析處理時間，以保持在分析時間內是隨機的。 在上述技術方案的基礎上，數字偽隨機信號02經過緩沖電路03轉換為隔直的模擬電平信 號04，然后經過低通濾波電路05，得到模擬抖動電壓08。在一個具體的實施例中我們采用EPM240T100C5來實現數字偽隨機碼發生器，通過32階線性反饋移位寄存器(LFSR)來實現 偽隨機碼，抽頭位置[1，5，6，31]，工作時鐘為30MHz，可實現周期為143. 166s的數字偽隨機 信號02。采用一個模擬運算放大器放將將CPLD的產生的數字偽隨機信號轉換成模擬信號 并完成濾波和幅度調整。 在上述技術方案的基礎上，所說的電壓累加器10，在具體實施例中可采用運算放 大器完成模擬抖動電壓08和調諧電壓09的加法運算并完成一定比例的放大產生適合壓控 振蕩器12的調諧電壓。 在上述技術方案的基礎上，所說的耦合器19，在具體實施例中可由ADC的前級驅 動電路來完成無混疊的模擬輸入信號18和窄帶抖動信號15的疊加，耦合器具體可以是變 壓器或者高速運算放大器。舉例來說如果ADC采用AD6644,可采用AD9632來完成模擬輸 入信號與窄帶抖動信號的疊加并輸出至AD8138，由差分運算放大器AD8138，完成單端到差 分的轉換并驅動AD6644。 本發明中將一個隨機抖動電壓疊加到一個低相噪的壓控振蕩器的調諧電壓之上， 使壓控振蕩器輸出一個包絡恒定頻率隨機變化的信號。其頻率的中心由調諧電壓來控制， 頻率變化范圍由隨機抖動電壓來控制。該窄帶抖動信號相對于分析時間是一個周期很長的 的隨機信號，其周期和隨機抖動電壓的周期相關。通過調整調諧電壓，可以使壓控振蕩器振 蕩在其振蕩頻率范圍的任意一點。模擬輸入信號和振蕩器輸出的窄帶抖動信號相疊加后 也成為一個一定時間內隨機變化的信號，使ADC模擬輸入信號與采樣頻率不再相關，使ADC 固有的非線性誤差偏離原位且隨機化。通過引入抖動使得ADC所有碼的非線性更加一致統 一，不再具有周期性。那么由ADC量化誤差及非線性所帶來的諧波失真或者雜散被抵消，淹 沒入噪聲基底內。從頻譜搬移的角度考慮即是諧波失真或者雜散分量被搬移到一個很寬的 頻帶內，從而幅度小了 ，淹沒入噪聲基底內。 本發明中壓控振蕩器振蕩輸出的窄帶抖動信號調諧至Fs/2附近，窄帶抖動信號 在與模擬輸入信號疊加之前經過了一組帶通濾波器，來濾除振蕩器輸出的雜散及諧波信 號，以免影響輸入信號分析。 ADC的模擬輸入信號和窄帶抖動信號的幅度之和不應超過ADC的量程范圍，窄帶 抖動信號15不應和分析信號的頻帶重疊，否則會導致分析結果錯誤。且窄帶抖動信號的幅 度一般要大于ADC的非線性的周期。基于多級流水線結構的高速ADC其非線性主要來源于 多級流水結構級P肌to > PFulls。ale-201og(2N) (1)聯導致，其非線性的周期為第一級ADC的位 數。那么在實施過程中抖動到達ADC模擬前端的幅度需要滿足以下條件
PFullScale = 101og[1000X[V2
FullScaleEMS
/|Z|]](2) PDithCT—到達ADC模擬輸入端的模擬抖動信號的功率 PFullScale——ADC滿量程功率 N——流水線ADC的第一級ADC位數 VFullSealeKMS——ADC模擬輸入的最大有效值 Z——模擬輸入阻抗50歐姆 如在 一 個具體實施例中模擬數字轉換器采用Analog Devices, Inc公司的 AD6644，它由3級ADC級聯組成，第一級為5_bit，第二級5_bit，第三級6_bit， VFullScaleEMS = 0. 7777V,根據公式(1) (2)可得PFullScale = 10. 83dBm， PDither = -19. 27dBm。抖動信號到達ADC前端幅度應大于-19. 27dBm。 ADC工作的采樣速率為30MSPS，模擬輸入信號的中心頻率 為7. 5MHz，我們將抖動的中心頻率設置為llMHz，在分析帶寬小于或等于2MHz時，使能抖動 信號。保證抖動信號與模擬輸入信號的頻帶不重疊。
本發明的工作過程如下 ADC的模擬輸入信號16，首先經過抗混疊濾波器17，濾除分析帶寬之外的帶外信 號，以防止產生混疊，之后通過耦合器19將無混疊的模擬輸入信號18和窄帶抖動信號15 疊加。窄帶抖動信號為一個幅度恒定，在一定頻率范圍內隨機振蕩的隨機信號。它將ADC 模擬輸入信號與ADC采樣率之間的相關性打亂，使ADC的非線性誤差與被量化信號抖動的 模擬輸入信號20不再有相關性。由ADC非線性產生的諧波的頻譜分量被擴展到很寬的頻 帶內，淹沒入噪聲基底內。數字濾波器23，將數字信號22中的窄帶抖動信號的頻率分量濾 除。 模擬抖動電壓發生器06產生的模擬抖動電壓08和調諧電壓發生器07產生的調 諧電壓09通過電壓累加器10相疊加產生抖動調諧電壓11。 壓控振蕩器12，根據輸入的抖動調諧電壓11產生隨機振蕩信號13，且隨機振蕩信 號13振蕩的中心頻率由調諧電壓09決定，振蕩的頻寬由模擬抖動電壓08決定。在本發明 中我們通過調整壓控振蕩器的調諧電壓09，使壓控振蕩器振蕩在Fs/2處。
帶通濾波器14，對輸入的隨機振蕩信號13進行濾波，濾除壓控振蕩器12產生的雜 散和諧波信號，輸出為窄帶抖動信號15。 模擬抖動電壓發生器06可通過線性反饋移位寄存的方法產生一種周期相對于分 析時間足夠長的數字偽隨機信號02 ;該偽隨機信號經過緩沖電路03轉換為隔直的模擬電 平信號04，然后經過低通濾波電路05，得到模擬抖動電壓08 圖2A和圖2B為同一采樣系統中，未引入抖動信號和引入抖動信號的對比圖。圖 表中分析帶寬10kHz，顯示10dB/格。 圖2A和圖2B中的大信號為模擬輸入信號，圖2A中的其他小信號為ADC非線性引 入的諧波和雜散，模擬輸入信號與諧波之差為71. lldB，在引入抖動信號后圖2B，諧波基本 淹沒到噪聲基底之下，模擬輸入信號與諧波之差增加至93. 92dB，將無雜散動態范圍提高了 20個dB之多。 本發明利用抖動電壓調制壓控振蕩器，使壓控振蕩器產生一定帶寬內的隨機調頻 信號，然后再作為抖動信號引入采樣系統以提高采樣系統的無雜散動態范圍。具有以下優 點 1.本發明發生的抖動信號由一個低相噪的振蕩器產生，其振蕩中心頻率可由調諧 電壓調整，也即本方法可產生幾乎任意頻帶內的抖動信號，以避免與分析信號的帶寬重合。 本發明的裝置適應更多的采樣系統。 2.振蕩器直接振蕩在設計者所設定的中心頻率點，以頻率點為中心左右一定帶寬 內隨機振蕩。使得在抖動信號頻帶外有著很低的相噪，對后級的帶通濾波器設計壓力較小， 對ADC信噪比不會產生惡化影響。
權利要求
一種用于采樣系統的窄帶大幅度抖動發生裝置，其特征在于包括以下部件模擬抖動電壓發生器(06)，產生模擬抖動電壓(08)；調諧電壓發生器(07)，產生調諧電壓(09)；電壓累加器(10)，接收并放大模擬抖動電壓(08)和調諧電壓(09)，產生抖動調諧電壓(11)；壓控振蕩器(12)，根據輸入的抖動調諧電壓(11)產生隨機振蕩信號(13)，且隨機振蕩信號(13)振蕩的中心頻率由調諧電壓(09)決定，振蕩的頻寬由模擬抖動電壓(08)決定；帶通濾波器(14)，對輸入的隨機振蕩信號(13)進行濾波，濾除壓控振蕩器(12)產生的雜散和諧波信號，輸出窄帶抖動信號(15)；抗混疊濾波器(17)，對模擬輸入信號(16)進行抗混疊濾波處理產生無混疊的模擬輸入信號(18)；耦合器(19)，將無混疊的模擬輸入信號(18)和窄帶抖動信號(15)耦合，產生抖動的模擬輸入信號(20)；ADC(21)，將抖動的模擬輸入信號(20)量化成數字信號(22)；數字濾波器(23)，將數字信號(22)中的窄帶抖動信號的頻率分量濾除。
2. 如權利要求1所述的用于采樣系統的窄帶大幅度抖動發生裝置，其特征在于所說 的調諧電壓發生器(07)是可調諧電壓源，或者是數字模擬轉換器。
3. 如權利要求1所述的用于采樣系統的窄帶大幅度抖動發生裝置，其特征在于所說 的壓控振蕩器(12)為一個低相噪的壓控振蕩器。
4. 如權利要求1所述的用于采樣系統的窄帶大幅度抖動發生裝置，其特征在于所說的模擬抖動電壓發生器(06)由數字偽隨機碼發生器(01)、緩沖電路(03)和低通濾波電路 (05)依次串接組成。
5. 如權利要求4所述的用于采樣系統的窄帶大幅度抖動發生裝置，其特征在于所說 的數字偽隨機碼發生器(01)為可編程邏輯器件或數字電路。
6. 如權利要求4所述的用于采樣系統的窄帶大幅度抖動發生裝置，其特征在于數字 偽隨機碼發生器(01)產生數字偽隨機信號(02)，且數字偽隨機信號(02)的周期長度要遠 長于分析處理時間，以保持在分析時間內是隨機的。
7. 如權利要求4所述的用于采樣系統的窄帶大幅度抖動發生裝置，其特征在于數字 偽隨機信號(02)經過緩沖電路(03)轉換為隔直的模擬電平信號(04)，然后經過低通濾波 電路(05)，得到模擬抖動電壓(08)。
全文摘要
一種用于采樣系統的窄帶大幅度抖動發生裝置，電壓累加器接收模擬抖動電壓和調諧電壓，產生抖動調諧電壓；壓控振蕩器根據輸入的抖動調諧電壓產生隨機振蕩信號；隨機振蕩信號經過帶通濾波器得到窄帶抖動信號；經抗混疊濾波器處理后的模擬輸入信號，在耦合器中與窄帶抖動信號耦合，再經ADC量化成數字信號；最后由數字濾波器濾除窄帶抖動信號的頻率分量。本發明所述的用于采樣系統的窄帶大幅度抖動發生裝置，在模擬輸入信號進入ADC量化之前首先和一個模擬抖動信號相疊加，該模擬抖動信號為一種隨機調頻信號，與模擬輸入信號疊加后，使得ADC的模擬輸入信號也變成一個無周期的隨機信號，能夠隨機化ADC的非線性，提高ADC無雜散動態范圍。
文檔編號H03M1/06GK101707483SQ20091021090
公開日2010年5月12日 申請日期2009年11月12日 優先權日2009年11月12日
發明者張超, 杜以濤, 杜會文, 詹永衛, 許建華 申請人:中國電子科技集團公司第四十一研究所