專利名稱：產(chǎn)生信號(hào)的數(shù)字描述的方法和設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及產(chǎn)生信號(hào)的數(shù)字描述(digital depiction)特別是產(chǎn)生自適應(yīng)的數(shù)字描述的方法和設(shè)備。
傳統(tǒng)的模擬數(shù)字變換器(ADC)為眾所周知。這些模擬數(shù)字變換器能將模擬輸入信號(hào)變換成輸入信號(hào)的數(shù)字描述。
已知有各種類型的ADC?？赡茏詈?jiǎn)單的是過零鑒別器，在輸出越過零伏特的基準(zhǔn)電壓時(shí)輸出從邏輯0改變?yōu)檫壿?。較為復(fù)雜的ADC包括若干個(gè)各有自己的基準(zhǔn)電壓的過門限鑒別器，相鄰的基準(zhǔn)電壓相差一個(gè)共同的量，或者具有其他措施實(shí)現(xiàn)同等的效用。例如表示為一個(gè)二進(jìn)制碼的16個(gè)鑒別器的輸出就表示輸入電壓處在兩個(gè)特定的基準(zhǔn)電壓之間的某個(gè)電壓。然而，對(duì)于在輸入端有明顯的噪聲的情況，就不能將輸入信號(hào)認(rèn)為在變換過程期間是不變的，這使輸出的數(shù)字描述迅速改變，因此幾乎是不確定的。為了克服這個(gè)問題，用一個(gè)“跟蹤保持”電路將輸入信號(hào)保持不變，而在“保持階段”期間得到的不模糊的輸出數(shù)字描述由按等時(shí)間間隔出現(xiàn)的采樣脈沖鎖存入一個(gè)寄存器。
將輸入模擬信號(hào)以預(yù)定的恒定速率周期性采樣后變換成數(shù)字描述的模擬數(shù)字變換是標(biāo)準(zhǔn)的模擬數(shù)字變換。為了變換一個(gè)具有高頻分量的模擬信號(hào)，必須采用較高的采樣率，從而增加輸出的數(shù)字信息量。此外，高采樣率導(dǎo)致增加了對(duì)于模擬輸入的具有比較低的頻率的部分的不必要的數(shù)字信息量。對(duì)于具有高低兩種頻率分量的模擬信號(hào)來說，用低的采樣率是不適當(dāng)?shù)?，因?yàn)檫@樣不能正確地標(biāo)識(shí)那些高頻分量。在傳統(tǒng)上，固定采樣率的選擇服從眾所周知的奈奎斯特采樣準(zhǔn)則，即采樣率應(yīng)該大于信號(hào)的最高頻率分量的兩倍。
在國(guó)際專利申請(qǐng)No.PCT/US98/27592中揭示了一種可以代替以恒定速率采樣的方式。輸入信號(hào)在幅度上改變超過一個(gè)預(yù)定門限電平時(shí)輸出一個(gè)數(shù)字消息，它含有有關(guān)改變的幅度、極性和改變所經(jīng)過的時(shí)間的信息。因此，只是在信號(hào)本身改變了一個(gè)預(yù)定量時(shí)進(jìn)行采樣，這樣的采樣率由信號(hào)本身確定。這是自適應(yīng)采樣技術(shù)的一個(gè)例子。如在本說明書中所用的那樣，所謂“自適應(yīng)”用來表明采樣系統(tǒng)根據(jù)信號(hào)的演變產(chǎn)生數(shù)字輸出。
此外，在PCT/US98/27592中所揭示的系統(tǒng)是一個(gè)需要反饋的系統(tǒng)。越過一個(gè)門限電平將使設(shè)備的這些電平復(fù)位。需要這樣改變電平意味著這種系統(tǒng)天生比諸如傳統(tǒng)的ADC之類的流經(jīng)系統(tǒng)(flow throughsystem)慢。
因此，本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種產(chǎn)生信號(hào)的數(shù)字描述的方法和設(shè)備，這種方法和設(shè)備是自適應(yīng)的，可以減小前面所提到的至少一些缺點(diǎn)。
因此，本發(fā)明提供了一種產(chǎn)生信號(hào)的數(shù)字描述的設(shè)備，這種設(shè)備包括一個(gè)以由時(shí)鐘確定的恒定速率對(duì)信號(hào)采樣，提供含有在每個(gè)采樣時(shí)刻的信號(hào)幅度的信息的第一數(shù)字描述的采樣裝置和一個(gè)響應(yīng)第一數(shù)字描述、產(chǎn)生第二數(shù)字描述的變換裝置，其中變換裝置利用第一數(shù)字描述根據(jù)信號(hào)的演變產(chǎn)生第二數(shù)字描述。
自適應(yīng)采樣的一個(gè)例子是用如由第一數(shù)字描述表示的信號(hào)演變來確定輸出什么自適應(yīng)描述。
利用信號(hào)本身的演變產(chǎn)生第二數(shù)字描述可以使第二數(shù)字信號(hào)的速率顯著地比第一數(shù)字描述慢。例如，在信號(hào)的變化率低時(shí)，這個(gè)情況可用來產(chǎn)生信息比第一數(shù)字描述少的更為緊湊的數(shù)字描述。第一數(shù)字描述是以恒定速率采樣，因此會(huì)對(duì)信號(hào)的低頻分量過采樣，但第二數(shù)字描述可以避免這種情況。
此外，第二數(shù)字描述可以用更適合具體應(yīng)用的形式給出有關(guān)信號(hào)的信息。例如，在波形匹配應(yīng)用中可能希望對(duì)一些以不同的時(shí)間比例演變的類似波形進(jìn)行匹配。恒定采樣的第一數(shù)字描述在時(shí)間上依賴于采樣過程，而利用信號(hào)演變的第二數(shù)字描述可以避免這種情況。
此外，由于用以恒定速率工作的采樣裝置產(chǎn)生第一數(shù)字描述，因此可以應(yīng)用高速器件和傳統(tǒng)的數(shù)字采樣技術(shù)，而采樣的自適應(yīng)部分可以在數(shù)字域執(zhí)行。
可取的是，第二數(shù)字描述是一個(gè)數(shù)字表示(digitalrepresentation)。如在本說明書中所用的那樣，所謂“數(shù)字描述”是指任何含有信號(hào)信息的數(shù)字輸出。然而，“數(shù)字表示”是指這樣的數(shù)字描述信號(hào)的表示法，使信號(hào)可以通過將這描述直接饋給一個(gè)適當(dāng)?shù)闹貥?gòu)器(例如數(shù)模轉(zhuǎn)換器)重放而不需要任何預(yù)處理。例如，在PCT/US98/27592中提出的數(shù)字消息需要預(yù)處理，因此不是數(shù)字表示。
在一個(gè)方便的實(shí)施例中，變換裝置能確定信號(hào)越過預(yù)定門限電平和確定越過一個(gè)第一預(yù)定門限電平到越過一個(gè)與第一預(yù)定門限電平不同的第二預(yù)定門限電平之間的時(shí)間間隔，產(chǎn)生信號(hào)的第二數(shù)字描述。方便的是，變換裝置包括一個(gè)通過對(duì)時(shí)鐘信號(hào)的周期進(jìn)行計(jì)數(shù)確定越過預(yù)定門限電平之間的時(shí)間間隔的定時(shí)計(jì)數(shù)裝置。
通過測(cè)量信號(hào)越過預(yù)定門限電平之間的時(shí)間間隔，可以用信號(hào)的變化率來確定進(jìn)行采樣的時(shí)間。例如，在信號(hào)變化緩慢時(shí)，就沒有多余的采樣，僅僅以較長(zhǎng)的時(shí)間間隔進(jìn)行錄取。這使第二數(shù)字描述具有比第一數(shù)字描述少得多的數(shù)字輸出。
采樣裝置以由時(shí)鐘確定的固定速率采樣。采樣裝置的輸出給出了信號(hào)在采樣時(shí)刻的幅度的估計(jì)。變換裝置監(jiān)視第一數(shù)字描述，根據(jù)這信號(hào)確定越過一個(gè)預(yù)定門限電平的時(shí)間和啟動(dòng)對(duì)到變換裝置確定越過另一個(gè)不同的預(yù)定門限電平的時(shí)間間隔的計(jì)時(shí)。
不會(huì)確切知道信號(hào)越過預(yù)定門限電平的時(shí)間。然而，時(shí)間間隔是通過對(duì)在越過電平之間出現(xiàn)的時(shí)鐘脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)以數(shù)字方式測(cè)量的。這樣處理固有的時(shí)間間隔測(cè)量誤差最大等于時(shí)鐘周期。在測(cè)量時(shí)間間隔中這項(xiàng)誤差比在確定越過預(yù)定門限的時(shí)間中出現(xiàn)的任何誤差都要大得多，將起主要作用。由于有這項(xiàng)誤差，確切知道越過預(yù)定門限電平的時(shí)間就是不必要的。
可取的是，驅(qū)動(dòng)采樣裝置和變換裝置的時(shí)鐘信號(hào)是從同一個(gè)時(shí)鐘得出的。用從同一個(gè)時(shí)鐘得出的信號(hào)驅(qū)動(dòng)采樣裝置和變換裝置保證了不會(huì)由于時(shí)鐘不同步而引入誤差，從而與用完全獨(dú)立的時(shí)鐘信號(hào)相比減小了系統(tǒng)的誤差。如果采樣裝置和變換裝置用獨(dú)立的時(shí)鐘信號(hào)，最好變換裝置的時(shí)鐘信號(hào)比采樣裝置的快。如果時(shí)鐘信號(hào)從同一個(gè)時(shí)鐘得出，時(shí)鐘信號(hào)最好以同一速率工作。然而，這將給出一個(gè)為1或0的最小時(shí)間間隔指示，這取決于系統(tǒng)建立情況。如果最小時(shí)間間隔要是不同的數(shù)，變換裝置的時(shí)鐘可以快到K倍，K為最小時(shí)間間隔所希望的數(shù)。
最好，采樣裝置包括一個(gè)模擬數(shù)字變換器。快速ADC是可以很容易得到的。很方便的是，所用的ADC可以是一個(gè)閃速采樣ADC(sampledflash ADC)。
最好，采樣裝置包括一個(gè)抗混疊濾波器，用來限制輸入信號(hào)的最快變化率。
方便的是，變換裝置包括一個(gè)邏輯門電路。也可以是變換裝置包括一個(gè)經(jīng)適當(dāng)編程的現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(FPGA)或?qū)Ｓ眉呻娐?ASIC)。
第二數(shù)字描述可以包括有關(guān)越過預(yù)定門限電平之間所經(jīng)過的時(shí)間的信息。有益的是，變換裝置還可以包括確定信號(hào)越過預(yù)定門限電平的方向的裝置，而第二數(shù)字描述包括一個(gè)指出信號(hào)是向上(UP)還是向下(DOWN)越過預(yù)定門限電平的方向的UP/DOWN數(shù)字輸出信號(hào)。
就本發(fā)明的第二方面來說，提供了一種產(chǎn)生信號(hào)的數(shù)字描述的方法，這種方法包括下列步驟以由一個(gè)時(shí)鐘信號(hào)確定的恒定速率對(duì)信號(hào)進(jìn)行采樣，提供具有有關(guān)信號(hào)在每個(gè)采樣時(shí)刻的幅度的信息的第一數(shù)字描述；監(jiān)視所述第一數(shù)字描述；以及根據(jù)信號(hào)的演變產(chǎn)生信號(hào)的第二數(shù)字描述。
可取的是，第二數(shù)字描述是一個(gè)數(shù)字表示。
在一個(gè)具體實(shí)施例中，這種方法包括下列步驟確定越過一個(gè)預(yù)定門限電平的時(shí)間；用一個(gè)第二時(shí)鐘信號(hào)確定信號(hào)越過一個(gè)第一預(yù)定門限電平到越過一個(gè)與第一預(yù)定門限電平不同的第二預(yù)定門限電平之間所經(jīng)過的時(shí)間；以及提供信號(hào)的第二數(shù)字描述。
最好，信號(hào)的采樣率足夠高，使得信號(hào)在相繼采樣之間不會(huì)越過一個(gè)以上的預(yù)定門限電平。這在需要產(chǎn)生數(shù)字表示時(shí)是很重要的。
方便的是，這種方法包括確定信號(hào)在越過一個(gè)預(yù)定門限電平時(shí)改變的方向和在第二數(shù)字描述中提供一個(gè)是向上(UP)還是向下(DOWN)改變的方向的數(shù)字輸出。
最好，第二時(shí)鐘信號(hào)與第一時(shí)鐘信號(hào)從同一個(gè)時(shí)鐘得出。方便的是，第一和第二時(shí)鐘信號(hào)以同樣的速率工作。作為一個(gè)不很可取的備選方案，第一和第二時(shí)鐘信號(hào)可以從不同的時(shí)鐘得出，在這種情況下，第二時(shí)鐘信號(hào)工作在比第一時(shí)鐘信號(hào)快是有益的。
本發(fā)明可以用于現(xiàn)有的傳統(tǒng)ADC，使它可以自適應(yīng)采樣。因此，就本發(fā)明的第三方面來說，提供了一種使恒定采樣率的ADC可以執(zhí)行自適應(yīng)采樣的方法，這種方法包括下列步驟取一個(gè)響應(yīng)一個(gè)時(shí)鐘信號(hào)以恒定速率對(duì)信號(hào)采樣的模擬數(shù)字變換器；以及將模擬數(shù)字變換器的輸出引入一個(gè)變換裝置。
其中，變換裝置響應(yīng)模擬數(shù)字變換器的輸出，能產(chǎn)生一個(gè)基于信號(hào)演變的第二數(shù)字描述。
可取的是，第二數(shù)字描述是一個(gè)數(shù)字表示。
在一個(gè)實(shí)例中，變換裝置能確定信號(hào)越過一個(gè)預(yù)定門限電平的時(shí)間、確定信號(hào)越過這個(gè)預(yù)定門限電平到越過另一個(gè)預(yù)定門限電平之間所經(jīng)過的時(shí)間和產(chǎn)生信號(hào)的數(shù)字描述。
方便的是，這種方法包括用控制模擬數(shù)字變換的采樣率的同一個(gè)時(shí)鐘為變換裝置提供時(shí)鐘信號(hào)的步驟。
可取的是，變換裝置包括一個(gè)邏輯門電路。方便的是，變換裝置包括一個(gè)定時(shí)計(jì)數(shù)器。
最好，將模擬數(shù)字變換裝置的采樣率調(diào)整成使信號(hào)在相繼采樣之間越過最多一個(gè)預(yù)定門限電平。
下面將結(jié)合附圖就實(shí)例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步說明，在這些附圖中

圖1a示出了傳統(tǒng)的以固定時(shí)間間隔對(duì)信號(hào)采樣的模擬數(shù)字采樣過程；圖1b示出了對(duì)信號(hào)高度過采樣的傳統(tǒng)采樣過程；圖2示出了本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的方框圖；圖3例示了模擬數(shù)字變換器的處在最大振幅的帶限輸入信號(hào)；以及圖4示出了確定信號(hào)越過一個(gè)預(yù)定門限電平的時(shí)間和測(cè)量越過預(yù)定門限電平之間所經(jīng)過的時(shí)間的邏輯電路。
在傳統(tǒng)的ADC中，以固定的速率對(duì)輸入模擬系統(tǒng)采樣，樣點(diǎn)經(jīng)變換后給出原始信號(hào)的數(shù)字描述(實(shí)際上是數(shù)字表示)。圖1例示了這種采樣過程。因此，為了變換具有高頻分量的模擬信號(hào)，必須采用比較短的采樣周期。然而，這導(dǎo)致輸出的數(shù)字碼的速率提高。此外，高采樣率導(dǎo)致增加了對(duì)于模擬輸入的具有比較低的頻率的部分的不必要的數(shù)字碼量。傳統(tǒng)上，如果不知道模擬信號(hào)的最高頻率分量，采樣頻率由加到輸入的帶限濾波器確定，采樣頻率必須至少為帶限濾波器的帶寬的兩倍。
在圖1a中，以速率稍大于由尼奎斯特準(zhǔn)則確定的最小采樣率進(jìn)行采樣?？梢钥吹?，信號(hào)在采樣之間可以越過ADC的許多電平。圖1b例示了一個(gè)傳統(tǒng)的采樣過程，信號(hào)高度過采樣，即采樣率比由尼奎斯特準(zhǔn)則確定的最低速率大得多。可以看到，ADC在各個(gè)時(shí)刻t1…tn進(jìn)行采樣。ADC具有若干不同的門限電壓，示為電平N0…Nm。在每個(gè)采樣時(shí)刻，ADC的讀數(shù)給出信號(hào)幅度在這個(gè)時(shí)刻處在任何兩個(gè)特定的電平之間的指示。每個(gè)電平與相鄰的電平之差為一個(gè)固定的量ΔV。
因此，ADC輸出的數(shù)字描述將是信號(hào)在采樣時(shí)處在哪兩個(gè)電壓電平之間的數(shù)字描述。由于每次采樣在都相隔固定的時(shí)間，因此可用這信息來重構(gòu)信號(hào)。
然而，在本發(fā)明中實(shí)現(xiàn)了可以用信號(hào)本身來確定應(yīng)該采樣的時(shí)間而不是只是以固定速率進(jìn)行采樣。還可以看到，由于由傳統(tǒng)的ADC產(chǎn)生的數(shù)字描述確切是信號(hào)的數(shù)字描述，因此可以用這個(gè)數(shù)字描述作為自適應(yīng)采樣的基礎(chǔ)。
圖2示出了本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的原理圖。傳統(tǒng)的ADC2由第一時(shí)鐘信號(hào)4驅(qū)動(dòng)以恒定速率進(jìn)行采樣。ADC還有一個(gè)抗混疊濾波器8，用來限制輸入信號(hào)10的可以傳送給ADC的最高頻率。ADC對(duì)輸入信號(hào)10進(jìn)行采樣，產(chǎn)生第一數(shù)字描述12。以上所述的配置是傳統(tǒng)的配置。
然而，設(shè)備還包括邏輯電路14。這個(gè)邏輯電路響應(yīng)第一數(shù)字描述12，確定越過預(yù)定門限電平的時(shí)間。邏輯電路還包括一個(gè)定時(shí)計(jì)數(shù)器。
再來看圖1b，對(duì)于圖中所示的信號(hào)來說，可以將ADC輸出的數(shù)字描述看作只是信號(hào)在采樣時(shí)刻出現(xiàn)的電平的數(shù)字序列。在這個(gè)例子中這個(gè)數(shù)字序列可以表示為N1，N1，N2，N2，N2，N3，N3，N2，N1。
可以看到，在采樣周期t2與采樣周期t3之間ADC輸出的電平從N1改變?yōu)镹2。這可用來表示信號(hào)越過了一個(gè)預(yù)定門限電平，這個(gè)預(yù)定門限為電平N2。由于ADC的輸出是數(shù)字碼，因此每個(gè)電平表示為一個(gè)數(shù)。這樣，將在任何采樣時(shí)間的輸出減去在前一采樣時(shí)間的輸出就可以揭示是否越過了一個(gè)預(yù)定門限電平。在這個(gè)簡(jiǎn)單的例子中，結(jié)果為零為沒有越過電平，而如果越過的只是一個(gè)電平，結(jié)果就為+1或-1。
再來看圖2，在邏輯電路14確定越過了一個(gè)預(yù)定門限電平時(shí)它就開始對(duì)到下一次出現(xiàn)越過電平的時(shí)間間隔進(jìn)行計(jì)時(shí)。邏輯電路14對(duì)從時(shí)鐘6得出的第二時(shí)鐘信號(hào)16的時(shí)鐘周期進(jìn)行計(jì)數(shù)。
然后，可以看到，在圖1b所示的這個(gè)例子中在時(shí)間周期t5與t6之間ADC輸出的電平再次改變，從N2改變?yōu)镹3。同樣，邏輯電路14確定這個(gè)改變。此時(shí)邏輯電路將已計(jì)了若干個(gè)第二時(shí)鐘信號(hào)16的周期，因此輸出這個(gè)數(shù)作為越過電平N1到越過電平N2之間的時(shí)間間隔的描述。同時(shí)將定時(shí)計(jì)數(shù)器復(fù)位，開始對(duì)下個(gè)時(shí)間間隔進(jìn)行計(jì)數(shù)。
還可以確定越過電平的方向，作為第二數(shù)字描述的一部分。再來看圖1，可見將在上一個(gè)采樣點(diǎn)的電平減去在當(dāng)前采樣點(diǎn)的電平的操作將導(dǎo)致在時(shí)間周期t3為+1，這表示越過了一個(gè)電平，而且信號(hào)是向上越過這個(gè)電平的。在時(shí)間周期t4，結(jié)果將為零，表示沒有越過電平。然而，在時(shí)間周期t9操作將給出為-1的結(jié)果，表示越過了一個(gè)電平，而且信號(hào)是向下越過的。
可以納入越過電平的方向的信息作為設(shè)備輸出的第二數(shù)字描述的一部分。
所關(guān)注的預(yù)定門限電平可以是ADC的一個(gè)以上的電平，從而配置相應(yīng)的邏輯。例如，如果所關(guān)注的預(yù)定門限電平相隔2ΔV，邏輯電路就必須能確定越過所關(guān)注的一個(gè)預(yù)定門限電平的時(shí)間而忽略越過不是所關(guān)注的門限電平的ADC電平。在圖1b中，如果電平N1和N3是所關(guān)注的預(yù)定門限電平而N2不是，邏輯就必須能確定從電平N1到電平N2的穿越不表示越過預(yù)定門限電平，而從電平N2到N3的穿越表示越過預(yù)定門限電平。所屬技術(shù)領(lǐng)域的專業(yè)人員會(huì)很清楚怎樣取得這樣的結(jié)果，例如，可以將在所關(guān)注的一個(gè)預(yù)定門限電平的值存儲(chǔ)在邏輯電路內(nèi)，直到這個(gè)電平與當(dāng)前所采樣的電平之間的差為±2時(shí)才檢測(cè)到越過另一個(gè)預(yù)定門限電平。
此外，邏輯電路最好調(diào)整成在越過所關(guān)注的一個(gè)特定的預(yù)定門限電平時(shí)開始對(duì)一個(gè)時(shí)間間隔計(jì)時(shí)而直到越過所關(guān)注的一個(gè)不同的電平時(shí)才停止。因此，如果ADC的每個(gè)電平都是預(yù)定門限電平，邏輯電路就會(huì)在時(shí)間t6檢測(cè)到越過預(yù)定門限值，因?yàn)樾盘?hào)將從電平N2穿越到電平N3。然而對(duì)時(shí)間間隔的計(jì)時(shí)一直要繼續(xù)到時(shí)間t9信號(hào)從電平N2穿越到電平N1。因此，系統(tǒng)將忽略信號(hào)重復(fù)越過同一個(gè)門限電平N2。
這樣做的原因是輸入信號(hào)實(shí)際上幾乎都有一定的噪聲。這噪聲將以濾波器所允許的最快變化率對(duì)信號(hào)調(diào)制。因此，對(duì)于一個(gè)有噪聲的信號(hào)來說，信號(hào)通常將連續(xù)迅速地越過和再次越過同一個(gè)門限電平若干次，然而“真實(shí)的”信號(hào)實(shí)際上只越過一次。因此，為了避免得到多個(gè)虛假的讀數(shù)，系統(tǒng)只記錄在越過一個(gè)不同的預(yù)定門限電平時(shí)的時(shí)間間隔。
再來看圖1b，應(yīng)注意的是，并不是確切測(cè)量越過一個(gè)特定的預(yù)定門限的絕對(duì)時(shí)間。因此，從第一數(shù)字描述得出的越過電平的指示只是近似的。
因此，就有一項(xiàng)誤差引入時(shí)間間隔測(cè)量，它與超出某個(gè)最低頻率的采樣頻率成正比，而且取決于ΔV。然而，穿越電平之間的時(shí)間間隔的測(cè)量通過對(duì)時(shí)鐘信號(hào)在穿越電平之間的周期進(jìn)行計(jì)數(shù)用數(shù)字方式執(zhí)行。這種處理固有地引入了一項(xiàng)等于時(shí)間間隔計(jì)時(shí)器的一個(gè)時(shí)鐘周期的誤差。
這項(xiàng)誤差，在時(shí)間間隔測(cè)量的誤差中，將比不能確切檢測(cè)越過預(yù)定門限電平的時(shí)間引入的誤差大得多，占支配地位，因此就沒有必要確切知道越過預(yù)定門限電平的時(shí)間。為了產(chǎn)生一個(gè)有用的第二數(shù)字描述和產(chǎn)生信號(hào)的數(shù)字表示，重要的是保證信號(hào)在相繼采樣之間的這段時(shí)間內(nèi)不越過一個(gè)以上的預(yù)定門限電平。因此，在信號(hào)移動(dòng)2ΔV的這段時(shí)間內(nèi)系統(tǒng)應(yīng)該取兩樣點(diǎn)，這是確定最小采樣頻率的準(zhǔn)則。
大多數(shù)ADC都有一個(gè)對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行濾波的濾波器，用來限制可以傳送給ADC的最大或者說帶限頻率fbi。 ADC能識(shí)別N個(gè)相隔ΔV的電平，因此最大幅度為NΔV。
設(shè)想有一個(gè)如圖3所示的處在頻帶極限頻率、幅度等于NΔV的正弦波輸入?？梢钥吹?，信號(hào)變化最快的是在越過N/2電平的區(qū)域。因此，為了在每改變?chǔ)中至少有一個(gè)樣點(diǎn)，ADC必須以時(shí)間間隔S1或更快的速度采樣，其中S1＝sin-1(2/N)/(2πfbi)因此最小采樣頻率fsam為Fsam＝(2πfbi)/sin-1(2/N)以這種速度采樣應(yīng)該保證檢測(cè)到越過每個(gè)電平。當(dāng)然，不是ADC的每個(gè)電平都可以是一個(gè)所關(guān)注的門限電平，如果要求每隔三個(gè)電平或說3ΔV一個(gè)預(yù)定門限，ADC進(jìn)行工作所需的采樣率就要相應(yīng)減小。
再來看圖2，邏輯裝置通過對(duì)與用來控制ADC采樣的相同的時(shí)鐘得出的時(shí)鐘信號(hào)的周期進(jìn)行計(jì)數(shù)確定越過預(yù)定門限電平之間所經(jīng)過的時(shí)間。因此，時(shí)鐘6為邏輯電路提供一個(gè)時(shí)鐘信號(hào)，而邏輯電路為ADC2提供第一時(shí)鐘信號(hào)4。由于保證這兩個(gè)時(shí)鐘信號(hào)都是從同一個(gè)時(shí)鐘得出，可以對(duì)它們進(jìn)行鎖相。這保證了不會(huì)由于時(shí)間間隔測(cè)量開始時(shí)間與實(shí)際采樣時(shí)間的差異而引入誤差。因此，誤差固定為計(jì)數(shù)器時(shí)鐘的一個(gè)時(shí)鐘周期。
如果用不同的時(shí)鐘信號(hào)，兩個(gè)不同的信號(hào)之間的拍頻會(huì)將一些誤差引入系統(tǒng)。然而，如果一個(gè)時(shí)鐘信號(hào)用于邏輯電路的定時(shí)計(jì)數(shù)器，最好它來自一個(gè)以比ADC快的速度工作的穩(wěn)定的時(shí)鐘系統(tǒng)，以便減小在時(shí)間間隔測(cè)量中的誤差。
在上面所述的系統(tǒng)采用一個(gè)通常需要有一個(gè)抗混疊濾波器配合的傳統(tǒng)ADC時(shí)，為了產(chǎn)生第一數(shù)字描述可以調(diào)整現(xiàn)有的執(zhí)行傳統(tǒng)的恒定速率采樣的ADC來產(chǎn)生一個(gè)自適應(yīng)的數(shù)字描述。
參見圖2，現(xiàn)有的ADC12使一定的邏輯14處理來自ADC的數(shù)字描述。很可能現(xiàn)有的ADC電路不會(huì)過采樣，足以達(dá)到上面所述的最小采樣頻率。
因此，或者可以用一個(gè)不同的時(shí)鐘信號(hào)使ADC可以更快采樣或者可以改變?yōu)V波器使可以傳送給ADC的帶限頻率減小。如果需引入一個(gè)新的時(shí)鐘信號(hào)，現(xiàn)有的采樣時(shí)鐘可以用一個(gè)更快的時(shí)鐘代替，而這個(gè)時(shí)鐘還將一個(gè)信號(hào)提供給邏輯電路14?；蛘撸部梢杂矛F(xiàn)有的ADC時(shí)鐘，從中得出一個(gè)更快的時(shí)鐘信號(hào)。為ADC提供一個(gè)較快的采樣信號(hào)比較簡(jiǎn)單，避免了需要改變?yōu)V波器，因?yàn)楦淖優(yōu)V波器可能較為復(fù)雜而且不經(jīng)濟(jì)。此外，采用較高的采樣率，ADC能應(yīng)付的帶寬較大。如果ADC不能用較高的采樣率，較容易的通常是升級(jí)ADC而不是改變?yōu)V波器。然而，如果ADC不能再工作得快，也不用較快的ADC代替，就必需限制可以傳送給ADC的最高頻率，以得到足夠的過采樣。這可以通過代替或改變現(xiàn)有的濾波器或者再添加另一個(gè)濾波器來實(shí)現(xiàn)。在這個(gè)實(shí)施例中，ADC時(shí)鐘可以傳送給邏輯電路，邏輯電路可以用這個(gè)信號(hào)進(jìn)行控制。
圖4示出了一個(gè)適合實(shí)現(xiàn)上面所述的自適應(yīng)采樣的系統(tǒng)，其中同樣的成分標(biāo)以同樣的數(shù)字。ADC2接收輸入信號(hào)10，產(chǎn)生第一數(shù)字描述12。它的輸出傳送給延遲前一個(gè)數(shù)字輸出的延遲電路20、22，因此減法器24可以在輸出端將差值傳送給邏輯26。邏輯26于是產(chǎn)生表示電平改變的方向28和時(shí)間間隔30的輸出。
熟悉該技術(shù)領(lǐng)域的人員清楚，有不同類型的ADC輸出。例如，輸出可以是二進(jìn)制碼、二進(jìn)制編碼的十進(jìn)制或溫度計(jì)編碼(thermometercoding)。所用的邏輯電路將按所用的編碼而不同，這是熟悉該技術(shù)領(lǐng)域的人員容易理解的。
應(yīng)注意的是，上述說明集中在自適應(yīng)采樣的一種有用的形式上，但是熟悉該技術(shù)領(lǐng)域的人員清楚其他方式也是可行的。例如可以利用信號(hào)的較長(zhǎng)的過去歷史，即與最近越過的幾個(gè)所關(guān)注的預(yù)定電平有關(guān)的信息。不應(yīng)該將本發(fā)明看作局限于任何一種自適應(yīng)采樣形式。
權(quán)利要求
1.一種產(chǎn)生信號(hào)的數(shù)字描述的設(shè)備，所述設(shè)備包括一個(gè)以由一個(gè)時(shí)鐘確定的恒定速率對(duì)信號(hào)采樣、提供含有與在每個(gè)采樣時(shí)間的信號(hào)幅度有關(guān)的信息的第一數(shù)字描述的采樣裝置和一個(gè)響應(yīng)第一數(shù)字描述、產(chǎn)生第二數(shù)字描述的變換裝置，其中變換裝置利用第一數(shù)字描述根據(jù)信號(hào)的演變產(chǎn)生第二數(shù)字描述。
2.一種按照權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中所述第二數(shù)字描述具有比第一數(shù)字描述少的數(shù)字輸出。
3.一種按照權(quán)利要求1或權(quán)利要求2所述的設(shè)備，其中所述變換裝置能確定信號(hào)越過一個(gè)預(yù)定門限電平和確定越過一個(gè)第一預(yù)定門限電平與越過一個(gè)與第一預(yù)定門限電平不同的第二預(yù)定門限電平之間的時(shí)間間隔，產(chǎn)生信號(hào)的第二數(shù)字描述。
4.一種如在權(quán)利要求3中所提出的設(shè)備，其中所述變換裝置包括一個(gè)對(duì)一個(gè)時(shí)鐘信號(hào)的周期進(jìn)行計(jì)數(shù)以確定越過預(yù)定門限電平之間的時(shí)間間隔的定時(shí)計(jì)數(shù)裝置。
5.一種按照權(quán)利要求4所述的設(shè)備，其中所述驅(qū)動(dòng)采樣裝置和變換裝置的時(shí)鐘信號(hào)是從同一個(gè)時(shí)鐘得出的。
6.一種按照任何以上權(quán)利要求所述的設(shè)備，其中所述采樣裝置以調(diào)整成信號(hào)在相繼采樣之間不越過一個(gè)以上的預(yù)定門限電平的速度工作
7.一種按照任何以上權(quán)利要求所述的設(shè)備，其中所述采樣裝置包括一種模擬數(shù)字變換器。
8.一種按照權(quán)利要求7所述的設(shè)備，其中所述模擬數(shù)字變換器包括一個(gè)閃速模擬數(shù)字變換器。
9.一種按照任何以上權(quán)利要求所述的設(shè)備，其中所述采樣裝置包括一個(gè)抗混疊濾波器，用來限制輸入信號(hào)的最快變化率。
10.一種按照任何以上權(quán)利要求所述的設(shè)備，其中所述變換裝置包括一個(gè)邏輯門電路。
11.一種按照任何權(quán)利要求3-10所述的設(shè)備，其中所述變換裝置包括確定信號(hào)越過一個(gè)預(yù)定門限電平的方向的裝置，而所述第二數(shù)字描述包括一個(gè)表示信號(hào)是向上還向下越過預(yù)定門限電平的方向的UP/DOWN數(shù)字輸出信號(hào)。
12.一種產(chǎn)生信號(hào)的數(shù)字描述的方法，所述方法包括下列步驟以由一個(gè)時(shí)鐘信號(hào)確定的恒定速率對(duì)信號(hào)進(jìn)行采樣，提供具有有關(guān)信號(hào)在每個(gè)采樣時(shí)刻的幅度的信息的第一數(shù)字描述；監(jiān)視所述第一數(shù)字描述；以及根據(jù)信號(hào)的演變產(chǎn)生信號(hào)的第二數(shù)字描述。
13.一種按照權(quán)利要求12所述的方法，其中所述方法還包括下列步驟確定越過一個(gè)預(yù)定門限電平的時(shí)間；用一個(gè)第二時(shí)鐘信號(hào)確定信號(hào)越過一個(gè)第一預(yù)定門限電平到越過一個(gè)與第一預(yù)定門限電平不同的第二預(yù)定門限電平之間所經(jīng)過的時(shí)間；提供信號(hào)的第二數(shù)字描述。
14.一種按照權(quán)利要求13所述的方法，其中所述信號(hào)的采樣率足夠高，使得信號(hào)在相繼采樣之間不會(huì)越過一個(gè)以上的預(yù)定門限電平。
15.一種按照權(quán)利要求13或權(quán)利要求14所述的方法，其中所述方法還包括確定信號(hào)在越過一個(gè)預(yù)定門限電平時(shí)改變的方向、在第二數(shù)字描述中提供是向上還是向下改變的方向的數(shù)字輸出的步驟。
16.一種按照任何權(quán)利要求13-15所述的方法，其中所述第二時(shí)鐘信號(hào)是從得出第一時(shí)鐘信號(hào)的同一個(gè)時(shí)鐘得出的。
17.一種調(diào)整恒定采樣率的ADC執(zhí)行自適應(yīng)采樣的方法，所述方法包括下列步驟取一個(gè)響應(yīng)一個(gè)時(shí)鐘信號(hào)以恒定速率對(duì)信號(hào)進(jìn)行采樣的模擬數(shù)字變換器，以及將模擬數(shù)字變換器的輸出引入一個(gè)變換裝置，其中，所述變換裝置響應(yīng)模擬數(shù)字變換器的輸出，能根據(jù)信號(hào)演變產(chǎn)生第二數(shù)字描述。
18.一種如在權(quán)利要求17中所提出的方法，其中所述變換裝置能確定信號(hào)越過一個(gè)預(yù)定門限電平的時(shí)間、確定信號(hào)越過這個(gè)預(yù)定門限電平到越過另一個(gè)預(yù)定門限電平之間所經(jīng)過的時(shí)間和產(chǎn)生信號(hào)的一個(gè)數(shù)字描述。
19.一種按照權(quán)利要求18所述的方法，其中所述方法還包括為變換裝置提供一個(gè)從控制模擬數(shù)字變換的采樣率的同一個(gè)時(shí)鐘得出的時(shí)鐘信號(hào)的步驟。
20.一種按照權(quán)利要求18或權(quán)利要求19所述的方法，其中所述變換裝置包括一個(gè)邏輯門電路。
21.一種按照任何權(quán)利要求18至20所述的方法，其中所述模擬數(shù)字變換裝置的采樣率調(diào)整成使信號(hào)在相繼采樣之間越過最多一個(gè)預(yù)定門限電平。
全文摘要
本發(fā)明提出了一種產(chǎn)生信號(hào)(19)的數(shù)字描述的設(shè)備，它對(duì)信號(hào)本身是自適應(yīng)的。一個(gè)諸如模擬數(shù)字變換器(2)之類的的恒定速率采樣裝置以恒定速率對(duì)信號(hào)(10)采樣，產(chǎn)生信號(hào)的第一數(shù)字描述(12)。變換裝置(14)響應(yīng)第一數(shù)字描述(12)根據(jù)信號(hào)的演變產(chǎn)生第二數(shù)字描述。變換裝置可以確定信號(hào)越過一個(gè)預(yù)定門限電平的時(shí)間和測(cè)量在越過預(yù)定門限電平之間的時(shí)間間隔。變換裝置(14)可以包括一個(gè)邏輯電路和一個(gè)定時(shí)計(jì)數(shù)器，按從驅(qū)動(dòng)采樣裝置的同一個(gè)時(shí)鐘(6)得出的時(shí)鐘信號(hào)(16)工作。本發(fā)明還提供了一種通過添加一個(gè)按與ADC(2)相同的時(shí)鐘(6)工作的變換裝置(14)將傳統(tǒng)的ADC(2)調(diào)整成對(duì)信號(hào)(10)進(jìn)行自適應(yīng)采樣的方法。
文檔編號(hào)H03M7/30GK1437796SQ0181161
公開日2003年8月20日 申請(qǐng)日期2001年6月20日 優(yōu)先權(quán)日2000年6月21日
發(fā)明者S·A·巴蘭坦, A·S·科菲, M·約翰森, R·瓊斯 申請(qǐng)人:秦內(nèi)蒂克有限公司