CN100481729C - 一种提高a/d转换器信噪比的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种提高A/D转换器信噪比的方法，包括以下步骤：输入的模拟信号通过可编程增益放大器进行放大；所述经过放大的模拟信号通过模数转换器，转变为数字信号输出；取一定数量输出数据，计算所述数字信号的功率；比较所述数字信号的功率与预先设定的目标功率值；根据所述功率比较所得到的结果，对所述可编程增益放大器的增益进行调节。本发明还公开了一种提高A/D转换器信噪比的装置，包括PGA、A/D转换器、输出功率计算模块、功率比较模块及PGA增益调节模块。该方法和装置可以广泛应用于其中含有A/D转换器的电路中，使用该方法可以使输入信号与A/D转换器达到最佳匹配，从而显著地提高A/D转换器的信噪比。

Description

一种提高A/D转换器信噪比的方法及装置

技术领域

本发明涉及电路降噪设计领域，特别是一种提高A/D转换器信噪比的方法及装置。

技术背景

对于A/D转换器来说，量化误差总是存在的。如果将量化误差看作是一种加性噪声的话，一个(B+1)位的A/D转换器，其信号与加性量化噪声之比用dB(分贝)可以表示为：

$\mathrm{SNR}=6.02B+10.8-10\×{\log }_{10}\left(\frac{X_m}{P_x}\right)$    (dB)。

其中X_m为A/D转换器的满幅度值，P_x是输入信号的功率。

现有技术中提高A/D转换器信噪比的方法一般是：过采样、滤波、增益自动控制等。其中通过提高采样频率以及使用滤波器来提高A/D转换器信噪比的方法，其电路参数都是固定的，即在采样开始之前就已经设计好了采样频率或滤波器的参数，在采样开始之后，这些参数不会有变化。

但是在开始采样之后，输入信号的幅值是不断变化的，例如有时信号幅值可能小于A/D转换器满幅度值X_m的1/8，有时可能大于X_m的2/3。在这种情况下，对于远小于A/D转换器满幅度值的信号仍用原有放大倍数进行放大，就无法充分利用A/D转换器的采样精度了。因此，如果运用放大器增益自动控制的方法，在信号幅度较大时用较小增益值，在小信号时用较大增益值，就可以充分地利用A/D转换器的精度，从而提高A/D转换器的信噪比。

现有技术中的增益自动控制方法是通过将PGA放大输出的电压值与设定阈值相比较，然后根据比较结果调节PGA增益：幅值较小则令PGA使用较大增益值，幅值较大则使用较小增益值。

但是，该方法也有不足之处：由于通过PGA放大的电压值不断地与设定电压值相比较，并调节PGA的增益，而经过调节的PGA增益要稳定下来总是需要一定的时间，这样就会给系统带来额外的噪声。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的就是在保证自动增益调节对提高A/D转换器信噪比带来的有益影响的同时，减少PGA增益调节的次数，从而降低PGA调节次数过多所带来的噪声。

为了达到上述目的，本发明提出了一种提高A/D转换器信噪比的方法。

一种提高A/D转换器信噪比的方法，包括以下步骤：

(a)输入的模拟信号通过可编程增益放大器PGA进行放大；

(b)所述经过放大的模拟信号通过A/D转换器，转变为数字信号输出；

(c)计算输出数字信号的功率；

(d)所述输出数字信号的功率与预先设定的目标功率值相比较；

(e)根据所述功率比较所得到的结果，对所述PGA的增益进行调节。

优选的，所述输出数字信号的功率值通过如下方法近似得到：从所述模数转换器输出的数字信号中取一定数量的样本数据，计算得到其均方根即为信号功率值。

优选的，A/D转换器的频率越高，则所需样本数据越多。

优选的，

当采样频率在8KHz～12KHz之间时，其所需样本数为256个；

当采样频率在16KHz～24KHz之间时，其所需样本数为512个；

当采样频率在44KHz～48KHz之间时，其所需样本数为1024个。

优选的，所述预先设定的目标功率值P₀的计算公式为： $P_0=X_m\×{10}^{-\left(\frac{6.02B+10.8-{\mathrm{SNR}}_0}{10}\right)},$

其中SNR₀为系统要求达到的信噪比，B为模数转换器的位数减1得到的值，

X_m为模数转换器的满幅度值。

优选的，步骤e)中所述的对PGA的增益进行调节包括以下情况：

(e1)输出数字信号的功率大于目标功率值，则减小PGA的增益；

(e2)输出数字信号的功率小于目标功率值，则增加PGA的增益；

(e3)输出数字信号的功率等于目标功率值，则PGA的增益保持不变。

优选的，若输出的数字信号的功率与目标功率之间的绝对差值在允许误差范围内，则保持PGA当前的增益不变。

本发明还提出了一种提高A/D转换器信噪比的装置，包括：

PGA，用于以一定的增益放大输入的模拟信号；

A/D转换器，用于对PGA放大后的信号进行模数转换；

输出功率计算模块，用于计算A/D转换器输出的数字信号的功率；

功率比较模块，用于比较A/D转换器输出的数字信号的功率和目标功率的大小；

PGA增益调节模块，用于根据功率比较器得到的结果，相应地调节PGA的增益。

优选的，所述输出功率计算模块，从所述模数转换器输出的数字信号中取一定数量的样本数据，计算得到其均方根即为信号功率值。

优选的，当所述功率比较模块得到的结果为输出数字信号的功率大于目标功率时，所述PGA增益调节模块令PGA的增益减小，反之则增加，若所述两功率值相等，则PGA的增益保持不变。

优选的，当所述功率比较模块得到的结果为：输出数字信号的功率与目标功率之间的绝对差值在允许误差范围内，则保持PGA当前的增益不变。

本发明公开的提高A/D转换器信噪比的方法和装置，可以根据A/D转换器的输出信号自动设置A/D转换器之前的PGA的增益，同时又避免了过于频繁地调节PGA的增益给系统带来的额外噪声，能够使输入信号与A/D转换器得到最佳匹配，从而得到最佳信噪比。

附图说明

图1是本发明方法的流程图；

图2是本发明装置的原理框图。

具体实施方式

本发明所公开的提高A/D转换器信噪比的方法及装置，其核心思想是将A/D转换器输出信号的功率与预定的信噪比所对应的目标信号功率相比较，根据比较结果来调节连接在A/D转换器之前的PGA的增益，使得输入A/D转换器的模拟信号与A/D转换器得到最佳匹配，从而得到最佳信噪比。

图2为本发明装置的原理框图，包括：

PGA，用于以一定的增益放大输入的模拟信号；

A/D转换器，用于对PGA放大后的信号进行模数转换；

输出功率计算模块，用于计算A/D转换器输出的数字信号的功率；

功率比较模块，用于比较A/D转换器输出的数字信号的功率和目标功率的大小；

PGA增益调节模块，用于根据功率比较器得到的结果，相应地调节PGA的增益。

图1为本发明方法的流程图，利用本发明公开的方法和装置对PGA增益进行调节的步骤如下：

步骤一、输入的模拟信号以一定增益通过PGA放大；

PGA的增益是可编程确定的，最初的增益值可以由设计人员计算设定，之后的增益由本发明的方法所确定。

在本例中，假设最初设定的增益值为100，则输入模拟信号A_in被PGA放大了100倍，记为100*A_in。

步骤二、A/D转换器对经过放大的模拟信号进行模数转换；

经过所述PGA放大的模拟信号100*A_in，由A/D转换器转换为数字信号输出，记为D(100*A_in)。

步骤三、计算A/D转换器输出的数字信号的功率P_x；

从所述A/D转换器输出的数字信号D(100*A_in)中取出部分数据，计算其信号功率。

数据的数量可以根据下面的原则确定：A/D转换器的采样频率在8KHz～12KHz时，样本数据的数量为256个；16KHz～24KHz之间的采样频率，对应的样本数可为512个；44KHz～48KHz之间的采样频率，其对应的样本数为1024个。在其它的采样频率之下，所应选取的数据量，基于上述原则，可以选择与其相同的数据量，或者适当地增加或减少数据量。上述原则中的样本数量值都是通过实验得到的最佳数量值，能够达到及时准确地调节PGA的增益的效果，当然在实际应用中，也可以选取其他数量值。

计算P_x，即从D(100*A_in)中取出的样本值的均方根，其计算公式为：

$P_x=\sqrt[2]{\frac{1}{m}\underset{n=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{D}_n^2}$

其中，D_n表示第n个样本值，m为样本总数。

例如，A/D转换器采样频率为16K，那么根据上述选择数据量的原则，可以在输出数字信号D(100*A_in)中选取512个数据，各个数据依次记为D₁，D₂，…D₅₁₂，则 $P_X=\sqrt[2]{\frac{1}{512}\underset{n=1}{\overset{512}{\mathrm{\Σ}}}{D}_n^2},$ 假设计算得到的结果P_x值为1532。

步骤四、输出信号的功率P_x与预先设定的目标功率值P₀相比较；

对于一个特定的A/D转换器，它的位数(B+1)和满幅度值X_m均为固定值。那么对于系统要求的特定的SNR₀，总可以由信噪比计算公式：

$\mathrm{SNR}=6.02B+10.8-10\×{\log }_{10}\left(\frac{X_m}{P_x}\right),$

反推出输入信号功率的目标值P₀： $P_0=X_m\×{10}^{-\left(\frac{6.02B+10.8-{\mathrm{SNR}}_0}{10}\right)},$

P₀是事先计算并保存下来的，在本例中，假设由已知的X_m、B和SNR₀计算得到的P₀的值为1600。

功率比较过程如下：

a)P_x>P₀？如果结果为是，执行步骤五中的a)步骤，如果结果为否，则继续执行下面的比较步骤b)；

b)P_x<P₀？如果结果为是，执行步骤五中的b)步骤，如果结果为否，则执行步骤五中的c)步骤。

当然，功率比较中的两个判断步骤P_x>P₀？和P_x<P₀？的先后顺序是可以调换的，只要保证P_x>P₀时，减小PGA的增益；P_x<P₀时，增加PGA的增益；P_x＝P₀时PGA增益不变即可。

由前面的步骤可知，P_x值为1532，P₀值为1600，所以P_x<P₀。

步骤五、根据比较结果调节PGA的增益；

对于PGA的增益调节，在步骤四中已有叙述，需要根据步骤四的比较结果来进行，现具体说明如下：

a)P_x<P₀时，增加PGA的增益；

b)P_x>P₀时，减小PGA的增益；

c)P_x＝P₀时，保持PGA的增益不变。

因为由步骤四可知P_x<P₀，所以在本步骤中应该增加PGA的增益。

上述PGA的最初增益为100倍，那么调节后的增益应该为101倍，在调节后，输入信号应该被PGA放大101倍后再由A/D转换器进行模数据转换。

所述调节程序一直在进行，在本例中，A/D转换器每输出512个数据，就要利用该512个数据近似计算出功率值P_x，与事先计算并存储下来的P₀做比较，并根据比较结果调节PGA的增益值。

因为输入的模拟信号可能时刻都在变化，导致用输出数据近似计算出的功率P_x与P₀很难达到相等的状况。一般情况下，P_x会逐渐趋近于P₀，之后在P₀值上下做小幅度的波动。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1、一种提高A/D转换器信噪比的方法，包括以下步骤：

(a)输入的模拟信号通过可编程增益放大器PGA进行放大；

(b)所述经过放大的模拟信号通过A/D转换器，转变为数字信号输出；

(c)计算输出数字信号的功率；

(d)所述输出数字信号的功率与预先设定的目标功率值相比较；

(e)根据所述功率比较所得到的结果，对所述PGA的增益进行调节，

其中所述输出数字信号的功率值通过如下方法近似得到：从所述模数转换器输出的数字信号中取一定数量的样本数据，计算得到其均方根即为信号功率值。

2、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，A/D转换器的频率越高，则所需样本数据越多。

3、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，

当采样频率在8KHz～12KHz之间时，其所需样本数为256个；

当采样频率在16KHz～24KHz之间时，其所需样本数为512个；

当采样频率在44KHz～48KHz之间时，其所需样本数为1024个。

4、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述预先设定的目标功率值P₀的计算公式为： $P_0=X_m\&times;{10}^{-\left(\frac{6.02B+10.8-\mathrm{SN}{R}_0}{10}\right),}$

其中SNR₀为系统要求达到的信噪比，B为模数转换器的位数减1得到的值，X_m为模数转换器的满幅度值。

5、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤e)中所述的对PGA的增益进行调节包括以下情况：

(e1)输出数字信号的功率大于目标功率值，则减小PGA的增益；

(e2)输出数字信号的功率小于目标功率值，则增加PGA的增益；

(e3)输出数字信号的功率等于目标功率值，则PGA的增益保持不变。

6、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，若输出的数字信号的功率与目标功率之间的绝对差值在允许误差范围内，则保持PGA当前的增益不变。

7、一种提高A/D转换器信噪比的装置，包括：

PGA，用于以一定的增益放大输入的模拟信号；

A/D转换器，用于对PGA放大后的信号进行模数转换；

输出功率计算模块，用于计算A/D转换器输出的数字信号的功率；

功率比较模块，用于比较A/D转换器输出的数字信号的功率和目标功率的大小；

PGA增益调节模块，用于根据功率比较器得到的结果，相应地调节PGA的增益，其中

所述输出功率计算模块，从所述模数转换器输出的数字信号中取一定数量的样本数据，计算得到其均方根即为信号功率值。

8、根据权利要求7所述的装置，其特征在于，当所述功率比较模块得到的结果为输出数字信号的功率大于目标功率时，所述PGA增益调节模块令PGA的增益减小，反之则增加，若所述两功率值相等，则PGA的增益保持不变。

9、根据权利要求7所述的装置，其特征在于，当所述功率比较模块得到的结果为：输出数字信号的功率与目标功率之间的绝对差值在允许误差范围内，则保持PGA当前的增益不变。

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