專利名稱：采樣率轉(zhuǎn)換器的制作方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及一種能夠轉(zhuǎn)換采樣率的釆樣率轉(zhuǎn)換器。
背景技術(shù)：
當例如對過采樣型A/D轉(zhuǎn)換器的高速數(shù)字信號輸出進行下采樣時，產(chǎn) 生了一個問題，艮P，在期望的信號帶中生成量子噪聲的混疊(alias)分量，并 由此導致信號劣化。為了解決現(xiàn)有技術(shù)中的這個問題，已經(jīng)通過使用抽取 濾波器來消除混疊分量以及執(zhí)行下采樣。作為在這種情況下使用的抽取濾 波器，經(jīng)常使用能夠獲得包括相位線性度在內(nèi)的特性的有限沖擊響應(FIR) 濾波器，特別是，使用正弦型濾波器(例如，參見日本專利申請KOKAINo. 10-209815和美國專利No. 6501406)。
然而，由于正弦型濾波器具有梳形頻率特性，所以隨著期望信號變成 寬帶，混疊分量增加，不僅消除混疊分量的能力降低，而且信號幅度也劣 化。為此，在需要具有高混疊信號消除比的系統(tǒng)中，需要高階抽取濾波器， 并且硬件很大。
作為用于提高消除混疊的能力的手段，使用低通濾波器來形成抽取濾 波器是有效的。特別地，使用無限沖擊響應(HR)濾波器的實現(xiàn)方式是作為 利用小硬件來設計高階濾波器的手段的有效技術(shù)。然而，在這種系統(tǒng)中， 由于濾波器的特性導致不能確保相位線性度。
在常規(guī)的采樣率轉(zhuǎn)換器中，在期望信號帶中滿足平坦的幅度特性和相 位線性度的同時，獲得對不必需的信號的足夠的抑制特性是非常困難的， 并且產(chǎn)生下述問題，即，為了獲取期望的特性而硬件變大，以及相位特性 變?yōu)榉瞧教埂?br> 本發(fā)明的一個目的在于提供一種采樣率轉(zhuǎn)換器，其能夠利用相對小的 硬件數(shù)量來在期望信號帶中獲取平坦的幅度特性和平坦的相位特性，以及 能夠獲得必要的混疊信號消除能力。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個方面提供一種采樣率轉(zhuǎn)換器，其通過利用反饋混疊對以 頻率fs采樣的輸入信號進行濾波來對釆樣率進行轉(zhuǎn)換。所述采樣率轉(zhuǎn)換器 包括合成單元，其在從0到fs/N(其中N表示自然數(shù))的頻段中，以至少大于 1的增益，將以頻率fs采樣的輸入信號與頻率為fs的反饋信號進行合成， 以生成合成信號；下采樣器，其對所述合成信號進行下采樣，以獲取采樣 率為fs/N的輸出信號；以及上采樣器，其對所述輸出信號進行上采樣，以 生成所述反饋信號。


圖1是示出根據(jù)第一實施例的采樣率轉(zhuǎn)換器的配置的方框圖； 圖2是示出負反饋電路的配置的方框圖； 圖3是示出圖1中示出的采樣率轉(zhuǎn)換器的配置的方框圖； 圖4是示出圖1中示出的采樣率轉(zhuǎn)換器中的濾波器電路的頻率特性的 圖表；
圖5是示出圖1中示出的采樣率轉(zhuǎn)換器中的濾波器電路的頻率特性的 圖表；
圖6是示出在圖1中示出的采樣率轉(zhuǎn)換器處的混疊分量的功率水平和
期望信號的功率水平之間的比較的圖表；
圖7是示出圖1中示出的采樣率轉(zhuǎn)換器的配置實例的方框圖8是示出在圖7中示出的采樣率轉(zhuǎn)換器處的混疊分量的功率水平和
期望信號的功率水平之間的比較的圖表；
圖9是示出圖1中示出的采樣率轉(zhuǎn)換器的配置實例的方框圖； 圖10是示出在圖9中示出的采樣率轉(zhuǎn)換器處的混疊分量的功率水平和
期望信號的功率水平之間的比較的圖表；
圖11是示出圖1中示出的采樣率轉(zhuǎn)換器的配置實例的方框圖； 圖12是示出根據(jù)第二實施例的采樣率轉(zhuǎn)換器的配置的方框圖； 圖13是示出圖12中示出的采樣率轉(zhuǎn)換器的配置實例的方框圖； 圖14是示出根據(jù)第三實施例的采樣率轉(zhuǎn)換器的配置的方框圖15是示出根據(jù)第四實施例的采樣率轉(zhuǎn)換器的配置的方框圖16是示出根據(jù)第四實施例的采樣率轉(zhuǎn)換器的修改實例的配置的方框
圖17是示出根據(jù)實施例的釆樣率轉(zhuǎn)換器的修改配置的方框圖；和
圖18是示出圖17中示出的修改實例的效果的表格。
具體實施例方式
(第一實施例)
下面將會參照附圖來說明根據(jù)本發(fā)明第一實施例的釆樣率轉(zhuǎn)換器。圖1 中示出的采樣率轉(zhuǎn)換器包括濾波器電路1、下采樣器電路2和上采樣器電路 3，這些電路形成反饋回路電路。
濾波器電路1是線性濾波器電路，其輸入以頻率fs采樣的輸入信號和 從上采樣器電路3輸出的反饋信號，并輸出所述輸入信號和所述反饋信號 的合成信號。更為具體地，濾波器電路1具有在期望信號帶fS/N中向兩個 輸入信號提供至少大于1的增益以及輸出采樣率為頻率fs的所述輸入信號 的合成信號的功能。在下采樣時比期望信號帶中的增益小的增益被提供給 在期望信號帶中被反轉(zhuǎn)的信號帶。因此，從濾波器電路1輸出采樣率為頻 率fs的信號序列作為合成信號。
下采樣器電路2通過對從濾波器電路1輸出的采樣率為頻率fs的信號 序列執(zhí)行下采樣以從每N個采樣中抽取N-l個數(shù)據(jù)元素(其中N表示等于或 大于2的整數(shù))，來將合成信號的釆樣率下采樣為VN，并且將該下采樣后 的信號輸出到上采樣器電路3和后續(xù)級的電路(未示出)。
上采樣器電路3通過對采樣率為fs/N的下采樣后的信號執(zhí)行上采樣以 在采樣值數(shù)據(jù)之間插入N-l個0數(shù)據(jù)元素，來再次將下采樣器電路2所降 低的采樣率升高到fs，并且將該信號輸出給濾波器電路1作為反饋信號。
換言之，采樣率轉(zhuǎn)換器包括濾波器電路1、下采樣器電路2和上采樣器 電路3，這些電路形成反饋回路電路，濾波器電路1通過向通過下采樣而獲 得的期望信號的帶fs/N中的每個信號提供大于1的增益來合成輸入信號和 反饋信號，并且利用下采樣器電路2對合成信號進行下采樣，然后輸出下 采樣后的信號。由此，可以獲得在幅度上幾乎不劣化的基本上平坦的幅度特性和相位 線性度，作為經(jīng)過了采樣率轉(zhuǎn)換的期望信號。另外，所述采樣率轉(zhuǎn)換器可 以利用反饋效應有效地僅僅消除混疊分量。由此可以相對容易地消除高階 混疊分量，同時維持基本平坦的幅度特性。
這里將會參照圖2中示出的負反饋電路來說明采樣率轉(zhuǎn)換器的效果。 圖2示出了圖1中示出的采樣率轉(zhuǎn)換器的反饋回路電路的概念。如果負反 饋電路具有由X表示的輸入信號、由Y表示的輸出信號、由A表示的增益、 由/ 表示的反饋系數(shù)以及由E表示的在該電路中混合的誤差，則該負反饋 電路包括放大器電路4、加法器5和系數(shù)乘法器6，其中放大器電路4輸入 輸入信號X和反饋信號，以及輸出A倍的放大信號；加法器5輸出通過將 放大信號和誤差E相加而獲得的相加信號；系數(shù)乘法器6將所述相加信號 乘以反饋系數(shù)P。放大器電路4、加法器5和系數(shù)乘法器6形成反饋回路來 輸出所述相加信號作為反饋信號。
在該電路中，以下面的公式(l)表示輸入和輸出之間的關(guān)系
<formula>formula see original document page 10</formula>如果假設與l相比，放大器電路4的增益A足夠高，且反饋系數(shù)為l， 則公式(1)被修改為公式(2)。
y<formula>formula see original document page 10</formula>公式(2)表明，由于放大器電路4的增益A，使得誤差E對輸出的影響 變?yōu)樵黾?/A倍。因此，如果與1相比，放大器電路4的增益A足夠高， 則負反饋電路具有避免在放大器電路4的輸出中混合的誤差E的大部分影 響以及輸出幾乎不劣化的輸入信號的反饋效果。
圖1中示出的采樣率轉(zhuǎn)換器利用了所述反饋效果。與圖2中的誤差E 對應的分量相當于在圖1中的下釆樣時生成的混疊分量。由此，通過在濾 波器電路1中在期望信號帶中設置與1相比足夠高的增益，所述采樣率轉(zhuǎn) 換器可以輸出被下采樣而幾乎不受到混疊分量影響的期望信號，以實現(xiàn)線 性濾波器的特性。
因此，通過使用所述采樣率轉(zhuǎn)換器，可以獲得幅度幾乎不劣化的基本 上平坦的幅度特性和相位線性度，作為經(jīng)過了采樣率轉(zhuǎn)換的期望信號。另 外，所述采樣率轉(zhuǎn)換器可以利用反饋效應來有效地去除混疊分量。由此可 以相對容易地消除高階混疊分量，同時維持基本平坦的幅度特性。
所述采樣率轉(zhuǎn)換器例如可以使用如下的IIR型濾波器，如果該濾波器具 有上述特性，則其具有相位失真問題但是可以以小的電路面積來設計高階 濾波器。與現(xiàn)有技術(shù)相比，由此可以減小電路面積和功耗。
接著，將描述根據(jù)第一實施例的采樣率轉(zhuǎn)換器的更為具體的配置實例 1。圖3示出了該配置實例1。在該實例中，濾波器電路1包括加法器7、 加法器8、延遲單元9和延遲單元10。另外，濾波器電路1使用下采樣器 電路11和上采樣器電路12，下采樣器電路11將下采樣器電路2的頻分數(shù) 設置為2，上采樣器電路12將上采樣器電路3的倍數(shù)設置為2。
加法器7從以頻率fs采樣的輸入信號中減去由延遲單元10對來自上采 樣器電路12的反饋信號進行延遲而獲得的延遲信號101，并且輸出相減結(jié) 果作為合成信號102。
加法器8將合成信號102和由延遲單元10對要從加法器8輸出的合成 信號104進行延遲而獲得的延遲信號103相加，并且輸出相加結(jié)果作為合 成信號104。延遲單元9和延遲單元10將輸入信號延遲一個采樣。
下采樣器電路11輸入作為濾波器電路1的輸出的合成信號104，并且 對該輸入信號進行下采樣，以對信號序列進行抽取，從而使得采樣率變?yōu)?fs/2。
上采樣器電路12將0數(shù)據(jù)插入由下采樣器電路11下采樣后的信號中， 將該信號上采樣到二倍采樣率fs，并且將上采樣后的信號輸出給延遲單元 IO作為反饋信號。
通過這樣形成采樣率轉(zhuǎn)換器，當在下采樣器電路11中進行下采樣時， 在輸出信號中生成混疊分量。根據(jù)濾波器電路l的特性來抑制該混疊分量。 通過利用將極點插入DC點的一階積分器的特性作為濾波器電路1的特性， 圖3中示出的采樣率轉(zhuǎn)換器可以消除混疊分量，同時使得期望的信號特性 基本上平坦。
圖3中示出的采樣率轉(zhuǎn)換器中的濾波器電路1的傳遞函數(shù)可以表示為
公式(3)。
H(z)-~~...(3) 1-Z-1
該傳遞函數(shù)的頻率特性在圖4中示出的DC附近具有無限增益。為了理 解具有圖4中示出的濾波器電路的頻率特性的圖3中示出的下采樣器電路 的頻率特性，在圖5中示出了對下采樣器電路中的反饋信號的頻率特性的 觀測結(jié)果。由于反饋信號的采樣率為fs，所以圖5中示出的特性中的頻率 軸表示最大為Nyquist采樣率(fs/2)。如圖5的結(jié)果所示，通過使用圖4的濾 波器特性，可以獲得在期望信號處為1的幅度特性或在Nyquist采樣率處為 0的幅度特性。實際上，輸出圖6中示出的下采樣后的信號。下采樣后的信 號的特性在于，在fs/4處，在期望信號帶中頻率特性反轉(zhuǎn)。
因此，如圖6中所示，鑒于濾波器電路1的特性，可以基于反饋效應 來限制期望信號帶中的混疊分量。當期望信號帶是fs的1。％時，可以實現(xiàn)的 混疊信號消除比為25[dB]。
接著，將描述根據(jù)第一實施例的采樣率轉(zhuǎn)換器的更為具體的配置實例 2。圖7示出了該配置實例2。在該實例中，下采樣器電路2的頻分數(shù)被設 置為4，上采樣器電路3的倍數(shù)被設置為4。濾波器電路1包括加法器13、 加法器14、延遲單元15、加法器16、延遲單元17和除法器18。
加法器13從以頻率fs采樣的輸入信號中減去由延遲單元17對來自上 采樣器電路3的反饋信號進行延遲并由除法器18對信號幅度進行除法運算 而獲得的延遲信號105，并且輸出相減結(jié)果作為合成信號106。
加法器14將合成信號106和由延遲單元15對要從加法器14輸出的合 成信號107進行延遲而獲得的延遲信號108相加，并且輸出相加結(jié)果作為 合成信號107。延遲單元15和延遲單元17將輸入信號延遲一個采樣。
加法器16將合成信號107和延遲信號108相加，并且輸出相加結(jié)果作 為合成信號109。
下采樣器電路2輸入作為濾波器電路1的輸出的合成信號109，并且對 所述輸入信號進行下采樣，以對信號序列進行抽取，從而使得采樣率變?yōu)?fs/4。
上采樣器電路3將0數(shù)據(jù)插入由下采樣器電路2下采樣后的信號中， 將該信號上采樣到四倍采樣率fs，并且將上采樣后的信號輸出給延遲單元 17作為反饋信號。
通過將加法器16添加到圖3中示出的濾波器電路1并由此將由延遲單 元15延遲的延遲信號108和從加法器14輸出的合成信號107相加，采樣 率轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)了如下以公式(4)表示的傳遞函數(shù)。
1-Z-丄
具有此種配置的濾波器電路1可以通過以極點、頻率fs/2將零點插入 DC點中而在DC附近具有無限增益，并且具有在頻率為fs/2時變?yōu)?的頻 率特性?？梢曰诜答佇獊硐拗破谕盘枎е械幕殳B分量，同時初步降 低線性濾波器特性中的混疊分量，并且就二階特性而言，可以消除混疊分 量，同時獲得類似于圖3中示出的采樣率轉(zhuǎn)換器的基本平坦的期望信號特 性。
由于濾波器電路1可以獲得二階特性作為混疊分量消除能力，所以當 下采樣比為4時，與傳統(tǒng)正弦型濾波器相比，電路面積能夠減小到基本一 半。由此，通過對傳統(tǒng)電路進行較少的修改，與圖3中示出的采樣率轉(zhuǎn)換 器相比，使用圖7中示出的濾波器電路1的采樣率轉(zhuǎn)換器具有增強的混疊 分量消除能力。
圖8示出了仿真結(jié)果。在圖7中示出的濾波器電路1中，當期望信號 帶為fs的1%時，可以實現(xiàn)的混疊信號消除比為73[dB]，并且與圖3中示 出的采樣率轉(zhuǎn)換器相比，混疊信號消除比大約增強50[dB]。
接著，將描述根據(jù)第一實施例的采樣率轉(zhuǎn)換器的更為具體的配置實例 3。圖9示出了該配置實例3。在該實例中，濾波器電路1包括加法器19、 加法器20、延遲單元21和延遲單元22。下釆樣器電路2的頻分數(shù)被設置 為4，上采樣器電路3的倍數(shù)被設置為4。
加法器19從以頻率fs采樣的輸入信號中減去由延遲單元22對來自上 采樣器電路3的反饋信號進行延遲而獲得的延遲信號110，并且輸出相減結(jié) 果作為合成信號lll。
加法器20將合成信號111和由延遲單元21對要從加法器20輸出的合 成信號113進行延遲而獲得的延遲信號112相加，并且輸出相加結(jié)果作為 合成信號113。延遲單元21和延遲單元22將輸入信號延遲一個采樣。
下采樣器電路2輸入作為濾波器電路1的輸出的合成信號113，并且對 輸入信號進行下采樣，以對信號序列進行抽取，從而使得采樣率變?yōu)閒s/4。
上采樣器電路3將0數(shù)據(jù)插入由下采樣器電路2下采樣后的信號中， 將該信號上采樣到四倍采樣率fs，并且將上采樣后的信號輸出給延遲單元 21作為反饋信號。
通過由此形成采樣率轉(zhuǎn)換器，當在下采樣器電路2中進行下采樣時， 在輸出信號中生成混疊分量。根據(jù)濾波器電路1的特性來抑制混疊分量。 通過利用將極點插入DC點的一階積分器的特性作為濾波器電路1的特性， 圖9中示出的采樣率轉(zhuǎn)換器可以消除混疊分量，同時使得期望的信號特性 基本平坦。
另外，由于與圖3中示出的采樣率轉(zhuǎn)換器相比，下采樣的頻分數(shù)從2 增加到4，所以頻率變?yōu)?，即DC分量的混疊頻率變?yōu)閒s/2和fs/4，并且 與頻分數(shù)為2的情形相比，混疊分量增加。為了避免這點，在現(xiàn)有技術(shù)中， 需要對抽取濾波器進行設計，使得當頻分數(shù)為4時，在頻率fs/2和fs/4處 出現(xiàn)零點。換言之，在傳統(tǒng)抽取濾波器中，隨著頻分數(shù)增加，在濾波器的 設計上需要進行改變。
另一方面，在圖9中示出的采樣率轉(zhuǎn)換器中，由于即使下采樣的頻分 數(shù)增加也能夠減少期望信號帶中疊合的混疊分量，所以電路結(jié)構(gòu)不需要根 據(jù)下采樣器電路的頻分數(shù)進行改變，并且電路設計也會很方便。
圖10示出了圖9中示出的采樣率轉(zhuǎn)換器的仿真結(jié)果。在該采樣率轉(zhuǎn)換 器中，當期望信號帶為fs的l^時，可以實現(xiàn)的混疊信號消除比為24[dB]， 并且即使頻分比增加，也可以實現(xiàn)與圖3中示出的采樣率轉(zhuǎn)換器基本相同 的混疊信號消除比。
接著，將描述根據(jù)第一實施例的采樣率轉(zhuǎn)換器的更為具體的配置實例 4。圖11示出了該配置實例4。在該實例中，濾波器電路1包括加法器24、 加法器25、延遲單元26、加法器27、加法器28、延遲單元29和延遲單元 30。另外，還使用下采樣器電路31和上采樣器電路32，在下采樣器電路
31中，下采樣器電路2的頻分數(shù)被設置為2，在上采樣器電路32中，上采 樣器電路3的倍數(shù)被設置為2。
加法器24從以頻率fs采樣的輸入信號中減去由延遲單元25對來自上 采樣器電路32的反饋信號進行延遲而獲得的延遲信號114，并且輸出相減 結(jié)果作為合成信號115。
加法器25將合成信號115和由延遲單元26對要從加法器25輸出的合 成信號117進行延遲而獲得的延遲信號116相加，并且輸出相加結(jié)果作為 合成信號1H。
加法器27從合成信號117中減去由延遲單元30延遲的延遲信號114， 并且輸出相減結(jié)果作為合成信號118。
加法器28將合成信號118和由延遲單元29對要從加法器28輸出的合 成信號120進行延遲而獲得的延遲信號119相加，并且輸出相加信號作為 合成信號120。延遲單元29和延遲單元30將輸入信號延遲一個采樣。
下采樣器電路31輸入作為濾波器電路1的輸出的合成信號120，并且 對所述輸入信號進行下采樣以對信號序列進行抽取，從而使得采樣率變?yōu)?fs/2。
上采樣器電路32將0數(shù)據(jù)插入由下采樣器電路31下采樣后的信號中， 以將該信號上采樣到二倍采樣率fs，并且將上采樣后的信號輸出給延遲單 元30作為反饋信號。
通過由此形成采樣率轉(zhuǎn)換器，當在下采樣器電路31中進行下采樣時， 在輸出信號中生成混疊分量。根據(jù)濾波器電路1的特性來抑制混疊分量。 通過利用其中將極點插入DC點且階數(shù)為一階的積分器的特性作為濾波器 電路1的特性，圖11中示出的采樣率轉(zhuǎn)換器可以消除混疊分量，同時使得 期望的信號特性基本平坦。
另外，由于與圖3中示出的采樣率轉(zhuǎn)換器相比，傳遞函數(shù)的階數(shù)更高， 所以與圖3中示出的采樣率轉(zhuǎn)換器相比，可以增強混疊分量消除能力。為 了說明簡單，圖ll中示出的濾波器電路的階數(shù)為二階。然而，當階數(shù)為二 階或更高時，可以獲得增強混疊分量消除能力的效果。
(第二實施例)
將說明根據(jù)本發(fā)明的第二實施例的采樣率轉(zhuǎn)換器。圖12中示出的采樣 率轉(zhuǎn)換器包括濾波器電路33、下采樣器電路34、上采樣器電路35和內(nèi)插 濾波器電路36，這些電路形成反饋回路電路。
濾波器電路33是線性濾波器電路，其輸入以頻率fs采樣的輸入信號， 還輸入從上采樣器電路35經(jīng)由內(nèi)插濾波器電路36輸出的反饋信號，輸出 所述輸入信號和所述反饋信號的合成信號。更為具體地，濾波器電路33具 有在期望信號帶中向兩個輸入信號提供至少大于1的增益以及以頻率fs的 采樣率輸出輸入信號的合成信號的功能。因此，從濾波器電路33輸出采樣 率為頻率fs的信號序列作為合成信號。
下采樣器電路34通過對從濾波器電路33輸出的采樣率為頻率fs的信 號序列執(zhí)行下采樣以從每N個采樣中抽取N-l個數(shù)據(jù)元素(其中N表示等于 或大于2的整數(shù))，來將合成信號的采樣率下釆樣為fs/N，并且將該下采樣 后的信號輸出到上采樣器電路35和后續(xù)級的電路沐示出)。
上采樣器電路35通過對采樣率為fs/N的下采樣后的信號執(zhí)行上采樣以 在采樣值數(shù)據(jù)之間插入N-l個0數(shù)據(jù)元素，來再次將下采樣器電路2所降 低的采樣率升高到fs，并且將該信號輸出給內(nèi)插濾波器電路36作為反饋信 號。
內(nèi)插濾波器電路36包括例如FIR濾波器，通過將從上采樣器電路35 輸出的采樣率為fs的輸出與窗口函數(shù)相乘來執(zhí)行濾波，并且將濾波結(jié)果輸 出到濾波器33作為反饋信號。
同樣，在具有上述配置的采樣率轉(zhuǎn)換器中，通過在濾波器電路33中的 期望信號帶中設置與1相比足夠高的增益，可以基于反饋效應來實現(xiàn)線性 濾波器的特性，并輸出基本上沒有受到混疊分量影響的經(jīng)過下采樣后的期 望信號。
因此，通過使用上述采樣率轉(zhuǎn)換器，可以獲得幅度幾乎沒有惡化的基 本上平坦的幅度特性和相位線性度，作為采樣率轉(zhuǎn)換后的期望信號。所述 采樣率轉(zhuǎn)換器可以利用反饋效應來有效地僅僅消除混疊分量。由此可以相 對容易地消除高階混疊分量，同時維持基本平坦的幅度特性。
另外，在圖12中示出的采樣率轉(zhuǎn)換器中，內(nèi)插濾波器電路36設置在 反饋回路中。通過將反饋信號的幅度特性與窗口函數(shù)相乘，內(nèi)插濾波器電
路36可以校正被濾波器電路33降低或失真的幅度特性。由此可以將期望 信號的幅度特性改進為平坦的。
所述采樣率轉(zhuǎn)換器可以使用如下的IIR濾波器，其滿足上述特性，具有 相位失真問題但是可以以小的電路面積來設計高階濾波器。與現(xiàn)有技術(shù)相 比，由此可以減小電路面積和功耗。
接著，將描述根據(jù)第二實施例的采樣率轉(zhuǎn)換器的更為具體的配置實例。 圖13示出了該配置實例。在該實例中，濾波器電路33包括加法器37、加 法器38、延遲單元39、延遲單元40、加法器41和延遲單元42。另外，濾 波器電路33使用下采樣器電路43和上采樣器電路44，下采樣器電路43將 下采樣器電路34的頻分數(shù)設置為2，上采樣器電路44將上采樣器電路35 的倍數(shù)設置為2。
加法器37從以頻率fs采樣的輸入信號中減去由延遲單元42對經(jīng)由內(nèi) 插濾波器電路36來自上采樣器電路44的反饋信號進行延遲而獲得的延遲 信號201，并且輸出相減結(jié)果作為合成信號202。
加法器38將合成信號202和由延遲單元39對要從加法器38輸出的合 成信號204進行延遲而獲得的延遲信號203相加，并且輸出相加結(jié)果作為 合成信號204。
加法器41將合成信號204和由延遲單元40對合成信號204進行延遲 而獲得的延遲信號205相加，并且輸出相加結(jié)果作為合成信號206。延遲單 元39、延遲單元40和延遲單元42將輸入信號延遲一個采樣。延遲單元39 的輸出可以被加法器41用作延遲信號205，而不使用延遲單元40。
下采樣器電路43輸入作為濾波器電路33的輸出的合成信號206，并且 對輸入信號進行下采樣，以對信號序列進行抽取，從而使得采樣率變?yōu)閒s/2。
上采樣器電路44將0數(shù)據(jù)插入由下采樣器電路43下采樣后的信號中， 將該信號上采樣到二倍采樣率fs。
內(nèi)插濾波器電路36包括加法器45和延遲單元46。加法器45將從上釆 樣器電路44輸出的采樣率為fs的輸出和通過延遲單元46對該輸出進行延 遲而獲得的延遲信號207相加，并將相加結(jié)果輸出給延遲單元42作為反饋 信號。
通過由此形成采樣率轉(zhuǎn)換器，當在下采樣器電路43中進行下采樣時，
在輸出信號中生成混疊分量。根據(jù)濾波器電路33的特性來抑制混疊分量。 濾波器電路33是具有雙線性頻率特性的濾波器電路，該雙線性頻率特性在 DC附近具有極點以及在采樣頻率fs的Nyquist頻率附近具有零點。因此， 可以獲得將極點插入DC點的一階積分器的特性作為濾波器電路33的特性， 并且可以消除混疊分量，同時使得期望的信號特性基本平坦。
另外，在具有上述配置的釆樣率轉(zhuǎn)換器中，由于內(nèi)插濾波器電路36設 置在反饋回路中，所以可以改進高通部分的幅度衰減。為了說明簡單，圖 13中所示的濾波器電路33的階數(shù)被設置為二階，即使階數(shù)為二階或更高， 也可以獲得相同的增強混疊分量消除能力的效果。
(第三實施例)
接著，將描述根據(jù)本發(fā)明的第三實施例的采樣率轉(zhuǎn)換器。圖14是示出 該采樣率轉(zhuǎn)換器的配置的方框圖。在該采樣率轉(zhuǎn)換器中，濾波器電路1包 括加法器47、加法器48、延遲單元49、延遲單元50和加法器51。另外， 該采樣率轉(zhuǎn)換器包括下采樣器電路52和D觸發(fā)器電路53，這些電路形成 反饋回路電路。
加法器47從以頻率fs采樣的輸入信號中減去從下采樣器電路52經(jīng)由 D觸發(fā)器電路53輸入反饋信號而獲得的延遲信號301，并且輸出相減結(jié)果 作為合成信號302。
加法器48將合成信號302和由延遲單元49對要從加法器48輸出的合 成信號304進行延遲而獲得的延遲信號303相加，并且輸出相加結(jié)果作為 合成信號304。
加法器51將合成信號304和由延遲單元50對合成信號304進行延遲 而獲得的延遲信號305相加，并且輸出相加結(jié)果作為合成信號306。延遲單 元49和延遲單元50將輸入信號延遲一個采樣。延遲單元49的輸出可以被 加法器51用作延遲信號305，而不使用延遲單元50。
下采樣器電路52輸入作為濾波器電路1的輸出的合成信號306，并且 對所述輸入信號進行下采樣，以對信號序列進行抽取，從而使得采樣率變 為fs/2。
通過以時鐘2/fs對下采樣器電路52的輸出進行采樣，D觸發(fā)器電路53
用作上采樣器電路和內(nèi)插濾波器電路。另外，D觸發(fā)器電路53還用作延遲 單元，該延遲單元通過以1/fs采樣率將采樣邊緣延遲1個時鐘(即，對下采 樣器電路52的時鐘的相位進行反相)，對反饋信號進行延遲。
通過由此形成采樣率轉(zhuǎn)換器，當在下采樣器電路52中進行下采樣時， 在輸出信號中生成混疊分量。根據(jù)濾波器電路1的特性來抑制混疊分量。 因此，通過利用將極點插入DC點的一階積分器的特性作為濾波器電路1 的特性，可以消除混疊分量，同時使得期望的信號特性基本平坦。
另外，在具有上述配置的采樣率轉(zhuǎn)換器中，由于D觸發(fā)器電路53設置 在反饋回路中作為內(nèi)插濾波器電路，所以可以改進高通部分的幅度衰減。 為了說明簡單，圖14中示出的濾波器電路1的階數(shù)被設置為二階，即使階 數(shù)為二階或更高，也可以獲得相同的增強混疊分量消除能力的效果。
由于圖13中示出的上采樣器電路44、內(nèi)插濾波器電路36和延遲單元 42的功能由D觸發(fā)器電路53來實現(xiàn)，所以可以簡化電路配置和減小電路 面積。
(第四實施例)
接著，將描述根據(jù)第四實施例的采樣率轉(zhuǎn)換器。通過使圖1中示出的 濾波器電路具有如圖15中所示的二階濾波器特性，可以形成該采樣率轉(zhuǎn)換 器。
在該采樣率轉(zhuǎn)換器中，濾波器電路1包括加法器54、加法器55、延遲 單元56、加法器57、加法器58、延遲單元59、延遲單元60和乘法器61。 另外，采樣率轉(zhuǎn)換器包括圖1中示出的下采樣器電路2和上采樣器電路3。
來自上采樣器電路3的反饋信號由延遲單元60進行延遲，并被輸出作 為延遲信號401。延遲信號401被輸出到加法器57，并且在乘法器61中與 系數(shù)1^相乘，并被輸出給加法器54作為信號402。
加法器54從以頻率fs采樣的輸入信號中減去信號402，并且輸出相減 結(jié)果作為合成信號403。
加法器55將合成信號403和由延遲單元56對要從加法器55輸出的合 成信號405進行延遲而獲得的延遲信號404相加，并且輸出相加結(jié)果作為 合成信號405。
加法器57從合成信號405中減去由延遲單元60延遲的延遲信號401， 并且輸出相減結(jié)果作為合成信號406。
加法器58將合成信號406和由延遲單元59對從加法器58輸出的合成 信號408進行延遲而獲得的延遲信號407相加，并且輸出相加結(jié)果作為合 成信號408。延遲單元56、延遲單元59和延遲單元60將輸入信號延遲一 個采樣。
下采樣器電路2輸入作為濾波器電路1的輸出的合成信號408,并且通 過對信號408執(zhí)行下采樣以從每N個采樣中抽取N-l個數(shù)據(jù)元素(其中N表 示等于或大于2的整數(shù))，來將合成信號的采樣率下采樣為fs/N，并且將該 下采樣后的信號輸出到上采樣器電路3和后續(xù)級的電路(未示出)。
上采樣器電路3通過對采樣率為fs/N的下采樣后的信號執(zhí)行上采樣以 在采樣值數(shù)據(jù)之間插入N-l個0數(shù)據(jù)元素，來再次將下采樣器電路2所降 低的采樣率升高到fs，并且將該信號輸出給濾波器電路1作為反饋信號。
這樣，濾波器電路1使用兩個反饋信號來實現(xiàn)二階濾波器特性，將所 述反饋信號中的一個與系數(shù)^相乘，并且使用相乘的輸出作為反饋信號。 由此，通過適當?shù)卦O置用于下采樣和上采樣的比值N以及系數(shù)kp可以獲 得與二階正弦函數(shù)相同的濾波器特性。
因此，由于該采樣率轉(zhuǎn)換器包含具有與二階正弦函數(shù)相同的濾波器特 性的濾波器電路1，所以與圖3中示出的采樣率轉(zhuǎn)換器相比，可以進一步地 增強混疊分量消除能力，并且該采樣率轉(zhuǎn)換器可以應用于要求高混疊分量 消除比的系統(tǒng)中。
在圖15中示出的采樣率轉(zhuǎn)換器中，濾波器電路1的濾波器特性是二階 濾波器特性，但是它可以是三階濾波器特性。圖16中示出了其一個實例。
在該采樣率轉(zhuǎn)換器中，濾波器電路1包括加法器54、加法器55、延遲 單元56、加法器57、加法器58、延遲單元59、延遲單元60、乘法器61、 加法器62、乘法器63、加法器64和延遲單元65。另外，該采樣率轉(zhuǎn)換器 包括圖1中示出的下采樣器電路2和上采樣器電路3。
來自上采樣器電路3的反饋信號由延遲單元60進行延遲，并被輸出作 為延遲信號401。延遲信號401被輸出到加法器62，并且在乘法器61中與 系數(shù)k,相乘，并作為信號402輸出給加法器54。同樣地，延遲信號401在
乘法器63中與系數(shù)k2相乘，并作為信號409被輸出給加法器57。
加法器54從以頻率fs采樣的輸入信號中減去信號402，并且輸出相減
結(jié)果作為合成信號403。
加法器55將合成信號403和由延遲單元56對要從加法器55輸出的合
成信號405進行延遲而獲得的延遲信號404相加，并且輸出相加結(jié)果作為
合成信號405。
加法器57從合成信號405中減去信號409，并且輸出相減結(jié)果作為合 成信號406。
加法器58將合成信號406和由延遲單元59對從加法器58輸出的合成 信號408進行延遲而獲得的延遲信號407相加，并且輸出相加結(jié)果作為合 成信號408。
加法器62從合成信號408中減去延遲信號401 ，并且輸出相減結(jié)果作 為合成信號410。
加法器64將合成信號410和由延遲單元65對要從加法器64輸出的合 成信號412進行延遲而獲得的延遲信號411相加，并且輸出相加結(jié)果作為 合成信號412。延遲單元56、延遲單元59、延遲單元60和延遲單元65將
輸入信號延遲一個采樣。
下采樣器電路2輸入作為濾波器電路1的輸出的合成信號412，并且通 過對信號412執(zhí)行下采樣以從每N個采樣中抽取N-1個數(shù)據(jù)元素(其中N表 示等于或大于2的整數(shù))，來將合成信號的采樣率下采樣為fs/N，并且將該 下采樣后的信號輸出到上采樣器電路3和后續(xù)級的電路(未示出)。
上采樣器電路3通過對采樣率為fs/N的下采樣后的信號執(zhí)行上采樣以 在采樣值數(shù)據(jù)之間插入N-l個0數(shù)據(jù)元素，來再次將下釆樣器電路2所降 低的采樣率升高到fs，并且將該信號輸出給濾波器電路1作為反饋信號。
這樣，濾波器電路1使用三個反饋信號來實現(xiàn)三階濾波器特性，將所 述反饋信號中的一個與系數(shù)k,相乘，將另一個與系數(shù)k2相乘，并且使用它
們中每個作為反饋信號。由此，通過適當?shù)卦O置用于下采樣和上采樣的比 值N以及系數(shù)k,和k2，可以獲得與三階正弦函數(shù)相同的濾波器特性。
因此，由于該采樣率轉(zhuǎn)換器包含具有與三階正弦函數(shù)相同的濾波器特 性的濾波器電路1，所以與圖3中示出的采樣率轉(zhuǎn)換器相比，可以進一步地
增強混疊分量消除能力，并且該采樣率轉(zhuǎn)換器可以應用于要求高混疊分量 消除比的系統(tǒng)中。
在二階或更高階濾波器中，通過以與圖15或圖16中所示相同的方式， 適當?shù)貙⒎答佇盘柵c一個系數(shù)相乘，可以實現(xiàn)與正弦函數(shù)相同的特性。
本發(fā)明并不限于上述實施例，而是在不背離本發(fā)明的精神和范圍的情 況下本發(fā)明的組成元素可以以各種方式進行修改。還可以從實施例中公開 的多個組成元素的任意合適組合中提取出本發(fā)明的各個方面。在實施例中 公開的所有組成元素中，可以刪除部分組成元素?？梢匀我饨M合不同實施 例中描述的組成元素。
例如，在上述實施例中，使用一個采樣率轉(zhuǎn)換器，但是可以串聯(lián)連接 多個采樣率轉(zhuǎn)換器。
例如，如圖17中所示，可以串聯(lián)連接常規(guī)使用的正弦型濾波器66和 與第一到第四實施例中描述的采樣率轉(zhuǎn)換器中的任何一個相對應的采樣率 轉(zhuǎn)換器67。
常規(guī)正弦型濾波器電路的問題在于，當實現(xiàn)高的下采樣比時，功耗不 增加但電路面積增加。另一方面，在本發(fā)明的采樣率轉(zhuǎn)換器中，可以減小 電路面積，但是功耗可能增加，以實現(xiàn)高的下采樣比。
為了解決這個問題，將長處在于功耗的常規(guī)正弦型濾波器電路66布置 為前段電路，而將本發(fā)明的電路布置為后段電路，如圖17中所示。在此種 配置中，與單獨利用常規(guī)正弦型濾波器來實現(xiàn)高的下采樣比的電路相比， 電路面積變小，并且可以實現(xiàn)具有小功耗的電路。前段中的正弦型濾波器 電路66的階數(shù)被設置為與后段中的采樣率轉(zhuǎn)換器67的階數(shù)相同。
圖18示出了小功耗和小面積方面的效果。在圖18中，將單獨使用正 弦型濾波器電路66情況下的功耗和電路面積與使用正弦型濾波器電路66 和采樣率轉(zhuǎn)換器67的組合的情況下的功耗和電路面積進行比較。在該實例 中，當總的下采樣量為16時，正弦型濾波器電路的電路面積被設置為1， 以及當總的下采樣量為16時，正弦型濾波器電路的功耗被設置為1。
在上述實施例中，對過采樣型A/D轉(zhuǎn)換器的輸出進行采樣率轉(zhuǎn)換。然 而，本發(fā)明并不局限于此，而是可以廣泛地一般性地應用于數(shù)字信號的采 樣率轉(zhuǎn)換。
另外，利用頻率fs對輸入到實施例的濾波器電路的輸入信號進行采樣。 例如，利用將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號的ddta-sigma轉(zhuǎn)換器將輸入信號轉(zhuǎn) 換為數(shù)字信號。濾波器函數(shù)的傳遞函數(shù)的階數(shù)可以設置為等于或高于 delta-sigma轉(zhuǎn)換器的階數(shù)。
權(quán)利要求
1、一種采樣率轉(zhuǎn)換器，包括合成單元，其在從0到fS/N(其中N表示自然數(shù))的頻段中，以至少大于1的增益，將以頻率fs采樣的輸入信號與頻率為fS的反饋信號進行合成，以生成合成信號；下采樣器，其對所述合成信號進行下采樣，以獲取采樣率為fs/N的輸出信號；以及上采樣器，其對所述輸出信號進行上采樣，以生成所述反饋信號。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的采樣率轉(zhuǎn)換器，其中，所述合成單元包括-第一延遲單元，其對所述反饋信號進行延遲，以生成第一延遲信號； 減法器，其從所述輸入信號中減去所述第一延遲信號，以生成相減信號；加法器，其將所述相減信號和第二延遲信號相加，以生成所述合成信 號；以及第二延遲單元，其對所述合成信號進行延遲，以生成所述第二延遲信號。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的采樣率轉(zhuǎn)換器，其中，所述合成單元包括 第一延遲單元，其對所述反饋信號進行延遲，以生成第一延遲信號； 除法器，其對所述第一延遲信號進行除法運算，以生成相除信號； 減法器，其從所述輸入信號中減去所述相除信號，以生成相減信號； 第一加法器，其將所述相減信號和第二延遲信號相加，以生成相加信號；第二延遲單元，其對所述相加信號進行延遲，以生成第二延遲信號；以及第二加法器，其將所述相加信號和所述第二延遲信號相加，以生成所 述合成信號。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的采樣率轉(zhuǎn)換器，其中，所述合成單元包括 第一延遲單元，其對所述反饋信號進行延遲，以生成第一延遲信號； 第一減法器，其從所述輸入信號中減去所述第一延遲信號，以生成第一相減信號；第一加法器，其將所述第一相減信號和第二延遲信號相加，以生成第 一相加信號；第二延遲單元，其對所述第一相加信號進行延遲，以生成所述第二延遲信號；以及第二減法器，其從所述第一相加信號中減去所述第一延遲信號，以生 成第二相減信號；第二加法器，其將所述第二相減信號和第三延遲信號相加，以生成所 述合成信號；以及第三延遲單元，其對所述合成信號進行延遲，以生成所述第三延遲信號。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的采樣率轉(zhuǎn)換器，其中，所述合成單元包括 第一延遲單元，其對所述反饋信號進行延遲，以生成第一延遲信號； 乘法器，其將所述第一延遲信號和預設的系數(shù)相乘；第一減法器，其從所述輸入信號中減去與所述系數(shù)相乘后的所述第一 延遲信號，以生成第一相減信號；第一加法器，其將所述第一相減信號和第二延遲信號相加，以生成第 一相加信號；第二延遲單元，其對所述第一相加信號進行延遲，以生成所述第二延 遲信號；以及第二減法器，其從所述第一相加信號中減去所述第一延遲信號，以生 成第二相減信號；第二加法器，其將所述第二相減信號和第三延遲信號相加，以生成所 述合成信號；以及第三延遲單元，其對所述合成信號進行延遲，以生成所述第三延遲信號。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的采樣率轉(zhuǎn)換器，其中，所述合成單元包括 第一延遲單元，其對所述反饋信號進行延遲，以生成第一延遲信號； 第一乘法器，其將所述第一延遲信號與預設的第一系數(shù)相乘； 第一減法器，其從所述輸入信號中減去與所述第一系數(shù)相乘后的所述第一延遲信號，以生成第一相減信號；第一加法器，其將所述第一相減信號和第二延遲信號相加，以生成第 一相加信號；第二延遲單元，其對所述第一相加信號進行延遲，以生成所述第二延 遲信號；第二乘法器，其將所述第一延遲信號與預設的第二系數(shù)相乘； 第二減法器，其從所述第一相加信號中減去與所述第二系數(shù)相乘后的所述第一延遲信號，以生成第二相減信號；第二加法器，其將所述第二相減信號和第三延遲信號相加，以生成第二相加信號；第三延遲單元，其對所述第二相加信號進行延遲，以生成所述第三延 遲信號；第三減法器，其從所述第二相加信號中減去所述第一延遲信號，以生 成第三相減信號；第三加法器，其將所述第三相減信號和第四延遲信號相加，以生成所 述合成信號；以及第四延遲單元，其對所述合成信號進行延遲，以生成所述第四延遲信號。
7、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的采樣率轉(zhuǎn)換器，其中，所述N是等于或大于 4的自然數(shù)。
8、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的采樣率轉(zhuǎn)換器，還包括FIR濾波器，所述FIR 濾波器通過將所述輸入信號與窗口函數(shù)相乘來對所述輸入信號進行濾波，其中，所述合成單元將濾波后的輸入信號和所述反饋信號進行合成。
9、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的采樣率轉(zhuǎn)換器，還包括內(nèi)插器，其對所述反 饋信號執(zhí)行內(nèi)插處理，其中，所述合成單元通過在從0到fs/N(其中N表示自然數(shù))的頻段內(nèi)， 以所述至少大于1的增益，將所述輸入信號和經(jīng)過所述內(nèi)插處理的所述反 饋信號進行合成，來生成所述合成信號。
10、 根據(jù)權(quán)利要求9所述的采樣率轉(zhuǎn)換器，其中，所述內(nèi)插器通過執(zhí) 行將所述反饋信號與窗口函數(shù)相乘的濾波來執(zhí)行所述內(nèi)插處理。
11、 根據(jù)權(quán)利要求9所述的采樣率轉(zhuǎn)換器，其中，所述內(nèi)插器包括-延遲單元，其對所述反饋信號進行延遲，以生成延遲信號；以及 加法器，其將所述反饋信號和所述延遲信號相加，以生成經(jīng)過所述內(nèi)插處理的所述反饋信號。
12、 根據(jù)權(quán)利要求9所述的采樣率轉(zhuǎn)換器，其中，所述內(nèi)插器包括D 型觸發(fā)器，所述D型觸發(fā)器以頻率N/fs進行操作，并且根據(jù)上采樣后的輸 出信號來生成經(jīng)過所述內(nèi)插處理的所述反饋信號，并且所述合成單元包括-減法器，其從所述輸入信號中減去經(jīng)過所述內(nèi)插處理后的所述反饋信 號，以生成相減信號；第一加法器，其將所述相減信號和第一延遲信號相加，以生成相加信號；第一延遲單元，其對所述相加信號進行延遲，以生成所述第一延遲信號；第二延遲單元，其對所述相加信號進行延遲，以生成第二延遲信號；以及第二加法器，其將所述相加信號和所述第二延遲信號相加，以生成所 述合成信號。
13、 根據(jù)權(quán)利要求9所述的采樣率轉(zhuǎn)換器，其中，所述內(nèi)插器包括D 型觸發(fā)器，所述D型觸發(fā)器以頻率N/fs進行操作，并且根據(jù)上采樣后的輸 出信號來生成經(jīng)過所述內(nèi)插處理的所述反饋信號，并且所述合成單元包括減法器，其從所述輸入信號中減去經(jīng)過所述內(nèi)插處理的所述反饋信號， 以生成相減信號；第一加法器，其將所述相減信號和延遲信號相加，以生成相加信號； 延遲單元，其對所述相加信號進行延遲，以生成所述延遲信號；以及 第二加法器，其將所述相加信號和所述延遲信號相加，以生成所述合 成信號。
14、 根據(jù)權(quán)利要求9所述的采樣率轉(zhuǎn)換器，還包括FIR濾波器，所述 FIR濾波器通過將所述輸入信號與窗口函數(shù)相乘來對所述輸入信號進行濾 波，其中，所述合成單元將濾波后的輸入信號和經(jīng)過所述內(nèi)插處理的所述 反饋信號進行合成。
15、 一種串聯(lián)連接型采樣率轉(zhuǎn)換器，其中，多個與根據(jù)權(quán)利要求1所 述的采樣率轉(zhuǎn)換器相同的采樣率轉(zhuǎn)換器串聯(lián)連接。
全文摘要
一種采樣率轉(zhuǎn)換器，包括合成單元，其在從0到f_S/N(其中N表示自然數(shù))的頻段中，以至少大于1的增益，將以頻率f_S采樣的輸入信號與頻率為f_S的反饋信號進行合成，以生成合成信號；下采樣器，其對所述合成信號進行下采樣，以獲取采樣率為f_S/N的輸出信號；以及上采樣器，其對所述輸出信號進行上采樣，以生成所述反饋信號。
文檔編號H03H17/00GK101394161SQ20081012596
公開日2009年3月25日 申請日期2008年6月11日 優(yōu)先權(quán)日2007年9月20日
發(fā)明者上野武司, 古田雅則, 山路隆文 申請人:株式會社東芝