專利名稱：用于數(shù)字信號量化和濾除量化噪聲的電路布置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種用于數(shù)字信號量化和濾除量化噪聲的電路布置，該電路布置具有多個串聯(lián)的帶有量化器的數(shù)字控制環(huán)，并且對串聯(lián)電路的第一控制環(huán)饋送數(shù)字信號，所述數(shù)字信號具有為m比特的第一字長，每個量化器的量化誤差信號被濾出并反饋至相應的數(shù)字控制環(huán)，并且每個量化器的量化誤差信號被饋送給一后置的數(shù)字控制環(huán)。
根據(jù)∑-Δ方法工作的過取樣數(shù)/模轉換器具有一用于提高取樣速率的插入濾波器、一個用于量化和濾出量化噪聲的后置的電路布置(噪聲-形成環(huán))和一個具有短輸入字長的數(shù)/模轉換器。
US5,369,403披露了一種量化誤差很小的∑-Δ數(shù)/模轉換器，該數(shù)/模轉換器具有用于量化的第一和第二數(shù)字控制環(huán)。第二數(shù)字控制環(huán)對第一數(shù)字控制環(huán)的量化誤差進行處理。由第一和第二數(shù)/模轉換器將第一和第二數(shù)字控制環(huán)的量化的輸出信號分別轉換成第一和第二模擬信號。以模擬的方式濾出第二模擬信號并與第一模擬信號相加，所述第一模擬信號的的量化誤差很小。對第二信號的復雜的模擬濾波和在模擬相加時的誤差限制了被轉換的模擬信號的線性，上述都是該處理方式的缺點。
基于上述問題，本發(fā)明的目的在于提出一種數(shù)字信號量化和濾除量化噪聲的電路布置，該電路布置采用全數(shù)字手段并產生低量化噪聲的數(shù)字輸出信號。
實現(xiàn)該目的的技術方案如下一種用于對數(shù)字信號量化和濾除量化噪聲的電路布置，其中第一數(shù)字控制環(huán)的量化的輸出信號與為u比特的第三字長適應，第三字長短于第一字長；并且除第一數(shù)字控制環(huán)的量化輸出信號之外，串聯(lián)電路的數(shù)字控制環(huán)的量化的輸出信號被一個數(shù)字濾波器分別濾出并在一加法器中與串聯(lián)電路的第一數(shù)字控制環(huán)的量化的輸出信號相加，以便消除量化誤差，所述加法器的輸出信號具有為n比特的第二字長并且同時是電路布置的量化的輸出信號。
本發(fā)明涉及一種對數(shù)字信號量化和濾除量化噪聲的電路布置。該電路布置具有多個串聯(lián)的帶有量化器的數(shù)字控制環(huán)。對串聯(lián)電路中的第一控制環(huán)饋送數(shù)字信號，所述數(shù)字信號具有為m比特的第一字長。每個量化器的量化誤差信號被濾出并反饋至相應的數(shù)字控制環(huán)。并且每個量化器的量化誤差信號被饋送給一后置的數(shù)字控制環(huán)。第一數(shù)字控制環(huán)的量化的輸出信號與為u比特的第三字長適應，第三字長短于第一字長。除第一數(shù)字控制環(huán)的量化輸出信號之外，串聯(lián)電路的數(shù)字控制環(huán)的量化的輸出信號被一個數(shù)字濾波器分別濾出并在一加法器中與串聯(lián)電路中的第一數(shù)字控制環(huán)的量化的輸出信號相加，以便消除量化誤差，所述加法器的輸出信號具有為n比特的第二字長并且是電路布置的量化的輸出信號。應用數(shù)字手段有益地減小了由于量化誤差導致的量化噪聲。對完全應用數(shù)字手段實現(xiàn)的進一步的優(yōu)點是，所述數(shù)字手段實現(xiàn)了僅由計算電路的字長限定的精度。另外，應用的數(shù)字手段比模擬手段簡單，尤其可以將電路布置集成在一單片器件上。
通過對除第一數(shù)字控制環(huán)以外的每個數(shù)字控制環(huán)的輸出信號的數(shù)字濾波和每個數(shù)字控制環(huán)的輸出信號的相加，可消除相應的前置的數(shù)字控制環(huán)的量化誤差。由于后面再沒有用于消除量化誤差的任何其它的數(shù)字控制環(huán)，因而串聯(lián)電路的最后的數(shù)字控制環(huán)的量化誤差仍保留。本發(fā)明在此情況時的優(yōu)點是，該電路布置用非常小的量化誤差可以實現(xiàn)甚至對基本信號的低取樣的信號的量化。在此情況下，不管顯然是建立在低取樣速率的取樣信號譜如何，都可以有效地從取樣信號的原始有效信號譜中濾除掉由量化誤差產生的噪聲譜。
在一優(yōu)選實施例中，每個數(shù)字濾波器具有一個高通濾波器。對由串聯(lián)電路的最后的數(shù)字控制環(huán)路的量化誤差造成的噪聲譜宜以低頻進行衰減并且對在低頻率上的有效信號的頻譜分量造成的干擾很小。
在一特別優(yōu)選的實施例中，每個數(shù)字濾波器具有兩個一階的串聯(lián)的微分器。采用數(shù)字方式實現(xiàn)的每個數(shù)字濾波器的簡單的設計是非常有益的。為實現(xiàn)此設計僅需要兩個減法器和兩個延時件。
在一優(yōu)選的實施例中，量化器通過采用對輸入信號的低階比特進行截止的方式對輸入信號進行量化。截止低階比特的方法有益的是為電路僅需付出很小的代價。
在另一優(yōu)選實施例中，量化器替代截止采用舍入方式對輸入信號進行量化。就電路而言，該方法勢必比采用截止的方式量化的方法復雜，但作為回報精度較高。
每個數(shù)字控制環(huán)優(yōu)選具有一個前置于量化器的限幅器、一個用于濾除量化誤差信號的濾波器結構和一個用于將輸入信號與濾出的量化誤差信號相加的加法器。在此情況時，該限幅器用于避免由后置的電路結構規(guī)定的量值范圍的過沖。
對每個數(shù)字控制環(huán)特別優(yōu)選的是，最好是二階的，以避免穩(wěn)定問題的出現(xiàn)。高于二階的階則需要采取改善穩(wěn)定性的措施，此點勢必導致將增大用于實現(xiàn)數(shù)字控制環(huán)的電路的代價。
下面將對照實施例并結合附圖對本發(fā)明的進一步的優(yōu)點、特征和應用舉例加以說明。圖中示出

圖1為本發(fā)明的用于對數(shù)字信號量化和濾除量化噪聲的電路布置的第一實施例；圖2為本發(fā)明的用于對數(shù)字信號量化和濾除量化噪聲的電路布置的第二實施例；圖3為本發(fā)明的用于對數(shù)字信號量化和濾除量化噪聲的電路布置的第三實施例；和圖4為沒有噪聲-形成環(huán)和具有一階和二階的噪聲-形成環(huán)的量化噪聲譜。
如圖1所示，具有為m比特的第一字長的數(shù)字輸入信號輸入被饋送給第一乘法器5。第一乘法器5用一個小于1的常數(shù)k與輸入信號輸入相乘，并且例如該乘法器為實現(xiàn)此目的可以設計成一個移位寄存器。通過用常數(shù)k相乘可縮小輸入信號輸入的量值范圍，以避免溢出進入后置電路。第一乘法器5的輸出信號被饋送給第一數(shù)字控制環(huán)1。
第一數(shù)字控制環(huán)具有第一加法器10，該加法器用于將反饋信號與饋送給第一數(shù)字控制環(huán)1的信號相加。加法器10的輸出端與第一限幅器或飽和器11連接，后者用于將饋送的信號的量值范圍與為(m+s)比特的字長適配。在第一限幅器或飽和器11的后面順序連接有第一量化器12，該量化器將第一輸入信號分離成具有高階(m+s-x)比特的第一量化信號8，和具有輸入信號的低階x比特的第一量化誤差信號71。而且還可以用舍入取代截止進行量化。將第一量化誤差信號71濾出并反饋給第一加法器10。為實現(xiàn)濾波的目的，反饋電路具有一第一延時件13、一后置的第二延時件15和一并聯(lián)的乘法器14，所述乘法器用常數(shù)k進行乘法運算并可設計成一個移位寄存器。在減法器16中第二延時件15的輸出信號減去第二乘法器14的輸出信號。
以低頻率對在第一量化信號8中含有的量化噪聲進行抑制并可以承受由于該反饋，即就頻率而言加權的所述的量化誤差的反饋的較高的頻率。因此，也應用了噪聲-形成環(huán)。出于穩(wěn)定的原因，第一數(shù)字控制環(huán)的階不得大于二，此點是通過在該反饋電路中的兩個延時件保證的。所以第一數(shù)字控制環(huán)是二階的噪聲-形成環(huán)。
第一量化信號8被饋送給第三乘法器6，該乘法器將為(m+s-x)比特的第一量化信號8的字長與為u比特的第三字長適配，為u比特的第三字長小于為m比特的第一字長。例如為實現(xiàn)此目的可以將第三乘法器6設計成簡單的移位寄存器。
第一量化誤差信號71被饋送給第二控制環(huán)2。
第二控制環(huán)2被設計成一個一階噪聲-形成環(huán)并具有用于實現(xiàn)此目的的第二加法器20，該加法器用于將作為輸入信號的第一量化誤差信號71與第二濾出的量化誤差信號72相加，所述量化誤差信號的字長為y比特。為實現(xiàn)字長與(x+r)比特的適應，第二加法器20的輸出信號被饋送給第二限幅器或飽和器21，并饋送給后置于第二限幅器或飽和器21的第二量化器22。第二量化器22將饋送的信號分離成具有高階(x+r-y)比特的的第二量化信號9和饋送的信號的具有低階y比特的第二量化誤差信號。為進行濾波，第二量化誤差信號72被饋送給第三延時件23，所述延時件的輸出信號被依次饋送給第二加法器20。
這時具有的字長為(x+r-y)比特的第二量化信號9被饋送給數(shù)字濾波器3。數(shù)字濾波器3具有一個第一和第二串聯(lián)的一階的微分器。第一和第二微分器分別具有一第四延時件30和第五延時件32和第二減法器31和第三減法器33。數(shù)字濾波器3的轉移函數(shù)與高通轉移函數(shù)相符。
在第二加法器4中，數(shù)字濾波器3的輸出信號與第三乘法器6的輸出信號相加，形成具有為n比特的第二字長的電路布置的輸出信號輸出，該字長小于為m比特的第一字長。
通過在數(shù)字濾波器3中的濾波消除在第一數(shù)字控制環(huán)1中產生的量化誤差。僅第二數(shù)字控制環(huán)2的量化誤差被保留下來。
圖2示出根據(jù)本發(fā)明的用于數(shù)字信號量化和噪聲誤差濾波的電路布置的實施例舉例，其中輸入各信號的字長。采用對圖1中的元器件所用的相同的附圖標記表示圖2中的元器件。與圖1中所示的電路相比，在圖2中沒有第一限幅器和第二限幅器或飽和器11和21，如果由單個元器件規(guī)定的量值范圍沒有過沖的話，則可以省去第一和第二限幅器或飽和器。
另外，很明顯由于第二減法器31的規(guī)定的量值范圍沒有過沖，所以不需要第二減法器31的轉移信號。這同樣也適用于第二加法器。
圖3示出根據(jù)本發(fā)明的用于數(shù)字信號量化和噪聲誤差濾波的電路布置的實施例舉例，具有一第一數(shù)字控制環(huán)1，該數(shù)字控制環(huán)與圖2所示的數(shù)字控制環(huán)相同；和一第二數(shù)字控制環(huán)50，該數(shù)字控制環(huán)與第一數(shù)字控制環(huán)1的設計相同。因此有兩個二階的噪聲-形成環(huán)串聯(lián)在一起，從而整個形成一四階的噪聲-形成環(huán)。
第二數(shù)字控制環(huán)50具有一個加法器51、一個后置于加法器的量化器52和反饋電路。與第一數(shù)字控制環(huán)1中的反饋電路相同，反饋電路具有一第一延時件53、一后置于第一延時件53的第二延時件55和與前者并聯(lián)的乘法器54。第二延時件55和乘法器54的輸出信號被饋送給減法器56，減法器的輸出信號被饋送給加法器51，以便實現(xiàn)將該輸出信號與第二數(shù)字控制環(huán)的輸入信號的相加。
(與第一和第二實施例的第二數(shù)字控制環(huán)2的設計相比)第二數(shù)字控制環(huán)50的設計較為復雜，該設計與等于第一和第二實施例的電路布置的信躁比的量化輸出信號的信躁比相配合，可以實現(xiàn)對有待量化的信號的較低的取樣速率。
在所需的信躁比為94分貝、用于數(shù)字信號量化和量化噪聲濾波的電路布置的16比特的輸入信號和7比特輸出信號的情況下，可以將取樣速率由12次過取樣減少到8次過取樣。
圖4示出量化器的量化噪聲譜，其中量化器沒有噪聲-形成環(huán)和具有一階和二階的噪聲-形成環(huán)。由此可以看出，雖然噪聲形成略增大了總噪聲功率，通過與沒有噪聲形成的簡單的量化器的比較，可以看出，在低頻率時噪聲功率較低。后置于用于將量化的信號轉換成模擬信號的數(shù)/模轉換器的低通濾波器具有陡濾波特性，以便對量化噪聲的高頻噪聲分量進行衰減。
權利要求
1．一種用于數(shù)字信號量化和濾除量化噪聲的電路布置，該電路布置具有多個串聯(lián)的帶有量化器(12、22)的數(shù)字控制環(huán)(1、2)，并且數(shù)字信號被饋送給串聯(lián)的第一控制環(huán)(1)，所述數(shù)字信號具有為m比特的第一字長，每個量化器的量化誤差信號(71、72)被濾出并反饋至相應的數(shù)字控制環(huán)(1、2)，并且每個量化器(12、22)的量化誤差信號(71、72)被饋送給一后置的數(shù)字控制環(huán)，其特征在于，-第一數(shù)字控制環(huán)(1)的量化的輸出信號(8)與為u比特的第三字長適應，第三字長短于第一字長；并且-除第一數(shù)字控制環(huán)(1)的量化輸出信號(8)外的串聯(lián)的數(shù)字控制環(huán)(2)的量化的輸出信號(9)被由一個數(shù)字濾波器(3)分別濾出并在一加法器(4)中與串聯(lián)的第一數(shù)字控制環(huán)(1)的量化的輸出信號(8)相加，以便消除量化誤差，所述加法器的輸出信號具有為n比特的第二字長并且是電路布置的量化的輸出信號。
2．按照權利要求1所述的電路布置，其特征在于，每個數(shù)字濾波器(3)具有一高通濾波器。
3．按照上述權利要求中任一項所述的電路布置，其特征在于，每個數(shù)字濾波器(3)具有兩個一階(30-33)的串聯(lián)的微分器。
4．按照上述權利要求中任一項所述的電路布置，其特征在于，每個量化器(12、22)采取截斷低階比特的方式對輸入信號進行量化。
5．按照權利要求1至3中任一項所述的電路布置，其特征在于，每個量化器(12、22)采取舍入方式對輸入信號進行量化。
6．按照上述權利要求中任一項所述的電路布置，其特征在于，每個數(shù)字控制環(huán)(1、2)具有一前置于量化器(12、22)的限幅器(11、21)、一個用于濾出量化誤差信號(71、72)的濾波器結構(13-16、23)，和一個加法器(10、20)，該加法器用于將輸入信號與濾出的量化誤差信號相加。
7．按照上述權利要求中任一項所述的電路布置，其特征在于，每個數(shù)字控制環(huán)(1、2)至多是二階的，以避免穩(wěn)定問題的出現(xiàn)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于數(shù)字信號量化和濾除量化噪聲的電路布置,所述電路布置具有多個串聯(lián)的帶有量化器的數(shù)字控制環(huán)和量化器。數(shù)字信號被饋送給串聯(lián)的第一控制環(huán),所述數(shù)字信號具有為m比特的第一字長。每個量化器的量化誤差信號被濾出并反饋至相應的數(shù)字控制環(huán)。接著每個量化器的量化誤差信號被饋送給一后置的數(shù)字控制環(huán)。第一數(shù)字控制環(huán)的量化輸出信號與為u比特的第三字長相適應,第三字長短于第一字長。除第一數(shù)字控制環(huán)的量化輸出信號外的串聯(lián)的數(shù)字控制環(huán)的量化的輸出信號被一個數(shù)字濾波器分別濾出。在一加法器中所述量化輸出信號與串聯(lián)的第一數(shù)字控制環(huán)的量化的輸出信號相加,以便消除量化誤差。加法器的輸出信號具有為n比特的第二字長并且是電路布置的量化的輸出信號。
文檔編號H03H17/04GK1325565SQ99813126
公開日2001年12月5日 申請日期1999年11月15日 優(yōu)先權日1998年11月20日
發(fā)明者耶爾格·豪普特曼, 彼得·佩斯勒, 迪特馬爾·施特羅伊斯尼希 申請人:印芬龍科技股份有限公司