CN102118167A - 一种多通道模数转换器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种多通道模数转换器。多通道模数转换器至少包含第一通道子模数转换器及第二通道子模数转换器，数字后台校准电路具有插值滤波器和有限冲击响应的最小均方根自适应滤波器。且与第一通道子模数转换器相连的插值滤波器能依据第一通道子模数转换输出的模数转换结果，输出第二通道子模数转换器的期望信号，与所述插值滤波器相连的有限冲击响应的最小均方根自适应滤波器能依据期望信号对第二通道子模数转换器输出的模数转换结果进行校准。本发明通过数字后台校准电路内的差值滤波器输出的期望信号对其它通道子模数转换器输出的模数转换结果进行校准，从而达到同时消除增益失配误差和采样时间误差的效果，提高多通道模数转换器的分辨率。

Description

一种多通道模数转换器

技术领域

本发明涉及一种模数转换器，尤其涉及一种多通道模数转换器。

背景技术

随着技术的不断发展，人们对高转换速度、高分辨率的模数转换器的需求也越迫切。模数转换器开始采用多通道子模数转换器对原始模拟信号分不同的时间段进行模数转换，从而提高模数转换器的转换速度。如图1所示的一种M(M为不小于2的整数)通道模数转换器，它主要包括一个时钟控制单元，M个通道子模数转换器和一个数据选择器，其工作原理为：当时钟处于第M×k(k为整数)时刻，第一通道子模数转换器对第M×k时刻采样到的模拟信号进行模拟数字转换，并输出该时刻模拟输入的数字转换结果；在第M×k+1(k为整数)时，第二通道子模数转换器对第M×k+1时刻采样到的模拟信号进行模拟数字转换，并输出该时刻模拟输入的数字转换结果；依此类推，第M×k+M-1(k为整数)时，第M通道子模数转换器对第M×k+M-1时刻采样到的模拟信号进行模拟数字转换，并输出该时刻模拟输入的数字转换结果。最后利用数据选择器，输出不同时刻模拟输入所对应的数字转换结果。

由于工艺偏差以及环境温度变化，子模数转换器之间会有一定程度的不匹配，会产生增益失配误差及失调失配误差。且不同通道的子模数转换器之间很难做到采样时间的完全匹配，从而产生采样时间误差。如图2所示，可以通过数学建模的方式来研究这些非理想因素误差对模数转换器的输出结果的影响。假设单余弦信号x(t)＝cos(ω₀t+φ)输入图1所示的多通道模数转换器，则可以分别输出含失调失配误差、增益失配误差及采样时间误差的数字转换结果：

$y\left[n\right]=\cos ({\mathrm{\ω}}_o\mathrm{nT}+\mathrm{\φ})+V_{\mathrm{os}}+\frac{\mathrm{\Δ}{V}_{\mathrm{os}}}{2}\cos \left[\frac{{\mathrm{\ω}}_s}{2}\mathrm{nT}\right];---\left(1\right)$

$y\left[n\right]=G\cos ({\mathrm{\ω}}_o\mathrm{nT}+\mathrm{\φ})+\frac{\mathrm{\ΔG}}{2}\cos [({\mathrm{\ω}}_o-\frac{{\mathrm{\ω}}_s}{2})\mathrm{nT}+\mathrm{\φ}];---\left(2\right)$

$y\left[n\right]=\cos \left(\frac{{\mathrm{\ω}}_o\mathrm{\Δt}}{2}\right)\cos ({\mathrm{\ω}}_o\mathrm{nT}+\frac{{\mathrm{\ω}}_o\mathrm{\Δt}}{2}+\mathrm{\φ})+\sin \left(\frac{{\mathrm{\ω}}_o\mathrm{\Δt}}{2}\right)\sin [({\mathrm{\ω}}_o-\frac{{\mathrm{\ω}}_s}{2})\mathrm{nT}+\frac{{\mathrm{\ω}}_o\mathrm{\Δt}}{2}+\mathrm{\φ}];---\left(3\right)$

在输出结果所含的失调失配误差、增益失配误差与采样时间误差中，如(1)式中的失调失配误差可以根据输入准确的测得，因而只需在结果中进行相应的补偿即可；增益失配误差也可以根据输入准确的测得，传统的增益失配误差的消除方法也是根据测得的误差在结果中进行相应的补偿。由(2)和(3)式，发现增益失配和采样时间误差的非理想因素导致了一个出现在采样频率和输入频率之差上的杂散，非常严重地影响了模拟数字转换器的工作精度。且传统的多通道模数转换器还没有对采样时间误差进行校准处理。

在通信和其他应用领域，可以将高射频模拟信号转化成数字信号的模数转换器是须要兼顾高速、高精度等特点。由于时间交织带来的误差严重的影响有效位数，故对高精度模数转换器使用校准技术被广泛应用于信号处理系统中的模拟数字接口电路中。针对不同领域，校准技术分为模拟校准技术和数字校准技术。根据是否阻断正常输出又分为前台校准技术和后台校准技术。数字后台校准由于能随着工艺尺寸缩减比例(scaling-down)、灵活性好、集成度高，且不中断正常的转换过程，已成为目前主流的校准技术。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能消除采样时间误差、增益误差的多通道模数转换器。

本发明提供一种多通道模数转换器，它至少包含第一通道子模数转换器及第二通道子模数转换器，且多通道模数转换器还具有数字后台校准电路。上述数字后台校准电路具有与第一通道子模数转换器相连的插值滤波器，及与插值滤波器相连的有限冲击响应的最小均方根自适应滤波器，其中：

插值滤波器，用于依据第一通道子模数转换输出的模数转换结果，输出第二通道子模数转换器的期望信号；

有限冲击响应的最小均方根自适应滤波器，用于依据期望信号对第二通道子模数转换器输出的模数转换结果进行校准。

进一步的，上述插值滤波器用于依据输入信号输出相位差为180度的输出信号。

进一步的，上述插值滤波器用于依据输入信号输出幅度相同的输出信号。

进一步的，上述插值滤波器还具有校准条件探测单元，所述校准条件探测单元用于输出校准信号到有限冲击响应的最小均方根自适应滤波器。

更进一步的，上述有限冲击响应的最小均方根自适应滤波器用于依据校准信号判断是否对进行校准动作。

进一步的，上述有限冲击响应的最小均方根自适应滤波器用于依据期望信号对第二通道子模数转换器输出的模数转换结果进行相位校准。

进一步的，上述有限冲击响应的最小均方根自适应滤波器用于依据期望信号对第二通道子模数转换器输出的模数转换结果进行增益校准。

进一步的，上述有限冲击响应的最小均方根自适应滤波器用于依据期望信号对第二通道子模数转换器的输出结果进行相位校准和增益校准。

进一步的，上述子模数转换器为闪烁型模数转换器、逐次比较型模数转换器和流水线型模数转换器组合中的任意一种。

本发明通过数字后台校准电路内的差值滤波器输出的期望信号对其它通道子模数转换器输出的模数转换结果进行校准，从而达到同时消除增益失配误差和采样时间误差的效果，提高多通道模数转换器的分辨率。

附图说明

图1为传统多通道模数转换器的工作原理图；

图2为图1所示的双通道模数转换器中子模数转换器的数学建模示意图；

图3为本发明一种具数字后台校准电路的双通道模数转换器的架构图；

图4为本发明另一种具数字后台校准电路的双通道模数转换器的架构图；

图5为图3中失调消除器的工作原理示意图；

图6为图3中插值滤波器的电路结构图；

图7为图3中插值滤波器内的条件检测单元的校准算法中判决条件的子频带规划示意图；

图8为图3中LMS-FIR自适应滤波器的电路结构图；

图9为图8中LMS-FIR自适应滤波器内的45阶FIR滤波器的一种电路结构图；

图10为本发明一种具数字后台校准电路的多通道模数转换器的架构图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的数字后台校准电路进行详细说明。

针对上述传统多通道模数转换器易产生失调失配误差、增益失配误差及采样时间误差的缺陷，本发明提供一种具有数字后台校准电路的多通道模数转换器。

为了简化说明上述具有数字后台校准电路的多通道模数转换器的工作原理，本发明提供一种双通道模数转换器，如图3所示，它具有时钟控制单元，第一通道子模数转换器、第二通道子模数转换器，数字后台校准电路，以及与数字校准电路相连的数据选择器。其中，各通道子模数转换器依据时钟控制单元输出的控制信号对输入的模拟信号进行采样和数字转换结果输出；数字后台校准电路则对各通道子模数转换器输出的数字转换结果进行校准，以便输出高精度的数字信号输出；数据选择器最后输出不同时刻模拟输入所对应校准后的数字转换结果。

当输入模拟信号时，时钟控制单元依据抽样频率fs输出高低电平的控制信号Φ1、Φ2。当时钟控制单元输出的Φ1是高电平时，第一通道子模数转换器对输入信号进行采样，Φ1是低电平时，第一通道子模数转换器进行保持和数字信号换转后，最后输出数字转换结果到数字后台校准电路；当时钟控制单元输出的Φ2是高电平时，第二通道子模数转换器对输入信号进行采样，Φ2是低电平时，第二通道子模数转换器进行保持和数字信号转换，最后输出数字转换结果到数字后台校准电路。需要特别强调的是，本发明提供的各通道子模数转换器均具有采样保持放大器模块(SHA)和模拟数字转化模块(ADC)，与传统的仅由一个采样放大器模块并联多个模拟数字转换模块组成的模数转换器不同。采样保持放大器模块作为奈奎斯特模数转换器的首个输入电子器件模块，其采样速度和采样的线性特性直接影响着整个多通道模数转换器的性能。由于同时采用多个采样放大器模块对输入信号进行采样，因而能有效提高多通道模数转换器的采样频率，从而提高多通道模数转换器的转换速度。需要指出的是，上述子模数转换器可以为闪烁型模数转换器、逐次比较型模数转换器或流水线型模数转换器等各种类型的模数转换器。

如图3所示，本发明提供的的数字后台校准电路具体包含失调消除器，插值滤波器和有限冲击响应的最小均方根自适应滤波器(LMS-FIR)。其中，失调消除器，连接于子模数转换器，用于消除各通道子模数转换器的失调失配；插差值滤波器，连接于失调消除器，根据第一通道子模数转换器输出的模数转换结果，输出第二通道子模数转换器的模数转换结果的期望信号；有限冲击响应的最小均方根自适应滤波器(LMS-FIR)依据第一通道子模数转换器输出的模数转换结果及上述期望信号，对第二通道子模数转换器的模数转换结果进行校准。如果失调失配误差较少或不存在，则本发明的多通道滤波器可以不含有失调滤波器，如图4所示。

本发明提供的数字后台校准电路首先使用失调消除器消除各通道子模数转换器之间的失调失配。假设输入信号的统计期望收敛，那么失调消除器可以通过累计器得到输入信号的统计期望，并通过数字逻辑的加减法电路消除失调失配对电路结果的影响。其实际工作原理如图5所示，将各通道与第一通道(即参考通道)的信号之差进行平均，提取直流分量的偏差后在各通道输出上加以扣除即可。电路实现上使用了一个IIR(无限冲击响应)滤波器来实现图5中的累加平均模块，该IIR滤波器满足：

本发明所提出的数字后台校准电路还包含具有校准条件探测单元的插值滤波器(Interpolation Filter)和有限冲击响应的最小均方根自适应滤波器(LMS-FIR)。且习惯上有限冲击响应的最小均方根自适应滤波器被称为LMS自适应滤波器。

图6为具有校准条件探测单元的插值滤波器的电路图。插值滤波器部分61是一个28阶系数对称的FIR抽头半带滤波器，其具体电路由28个D寄存器，及一些对应的加法器和乘法器组成。由于FIR抽头半带滤波器系数对称，28个乘法器可以通过折叠的形式减少至14个。由于FIR抽头半带滤波器其线性相位的特性，当输入信号是第一通道的模数转换结果时，输出为该信号在同频率幅度不变但相变为180度的输出信号。该输出信号可以看作是第二通道子模数转换器输出的转换结果的期望信号。由于FIR半带滤波器的实现需要一定的硬件开销成本，也可以使用级联积分器的梳状滤波器组成插值滤波器，这样可以降低硬件开销成本。当然，如果是M(M为大于3的整数)通道模数转换器，则插值滤波器可以对应调节相差的角度，对输入信号进行相应角度的相位校准。

需要强调的是，如图7所示，当输入信号的带宽在(0，f₁/2)，即为第一通道子模数转换器的奈奎斯特抽样频率时，插值滤波器的输出d_1-int在理论上与第二通道子模数转换器的输出结果的期望值相符，但是当输入信号在(f₁/2，3f₁/2)时，插值滤波器的输出d_1-int是第二通道子模数转换器的输出结果的期望值的相反数。更广泛的，同输入信号位于((i+1/4)/f_s，(i+3/4)/f_s)时，所需要的校准信号是d_1-int的相反数，当信号位于((i-1/4)/f_s，(i+1/4)/f_s)，则d_1-int即所需校准信号。其中，i为整数，f_s时间交织滤波器的采样频率，f₁是子转换器的采样频率。对于双通道的模拟数字转换电路，

对于n通道的模拟数字转换电路，

如图6所示，校准条件探测单元部分62使用相关性计算逻辑单元求得d_1-int与第二通道子模数转换器的转换结果之间的相关系数。为方便硬件实施，仅采用高三位的逻辑计算来计算相关系数。当相关度的绝对值高于有效内插阈值(corrcoeff)时，即corrcoeff＞Thes_P，或者corrcoeff＜Thes N时，则信号位于输入频率如图7所示同一个有效范围，“+”或者“--”。当输入信号都位于“+”区时，corrcoeff＞Thes_P，输出为1的校准条件信号，后段数据选择器选择插值滤波器的输出结果；当输入信号都位于“--”区时，输出为0，后段数据选择器选择插值滤波器的输出结果的相反数。当输入信号的绝对值小于有效内插阈值，则证明d_1-int与d₂不相关，输入信号可能会跨越图7所示的子频带区域，此时本发明提出的算法会导致误收敛，此时校准条件探测单元输出LMSen的校准信号到有限冲击响应的最小均方根自适应滤波器，使得有限冲击响应的最小均方根自适应滤波器停止校准工作，直接输出第二通道子模数转换器的模数转换结果。当然，如果输入信号均为较好信号，即都在有限冲击响应的最小均方根自适应滤波器的工作范围内，则插值滤波器也可以不包含校准条件探测单元。

本发明的有限冲击响应的最小均方根自适应滤波器实现如图8所示，它具体包含一个45阶的FIR滤波器和系数更新电路。FIR滤波器具体由45个寄存器，和一些乘法器和加法器组成，且该45阶的FIR滤波器还可以通过图9所示的电路结构形式节约22个乘法器的开销。系数更新电路包含45个子系数累加器，利用最小均方根(LMS)算法进行更新数据。根据每一个输入信号和输出的参考信号的误差，每个时钟周期内对每一个系数进行大小为μ*error_(n)d_2(n-i)的微调。LMS算法在数学被证明可以提供较快的收敛速度和收敛稳定性，同时算法的复杂度低，所以成为本发明中自适应滤波算法的首选。系数更新电路具体包含45个子系数更新电路和一个乘法器计算步长。每个子系数更新电路含有一个累加器、一个用于计算新的滤波器系数乘法器，以及一个用于计算更新步长的乘法器。实际应用中可以通过折叠的方法将子系数更新电路减少为23个。

实际工作时，将有限冲击响应的最小均方根自适应滤波器的参考输入信号配置为经过校准判决的插值滤波器输出的期望信号，将待校准输入信号配置为第二通道子模数转换器的模数转换结果，从而对其进行校准。有限冲击响应的最小均方根自适应滤波器的初始系数是{0，...，0，1，0，...，0}(对于45阶的滤波器，初始时，“1”位于第23阶寄存器中)。在有限冲击响应的最小均方根自适应滤波器收敛以后，在其频率特性上将满足：(1)在输入信号带内的增益为第一通道和第二通道输出结果的增益之比，从而依据期望信号对第二通道的模数转换结果进行增益误差校准；(2)在输入信号带内，相位频率响应保持为一个线性偏移，即带内群速度恒定，以补偿采样时间误差，从而依据期望信号对第二通道的模数转换结果进行相位校准；(3)在幅度和相位的频率相应上都适当地补偿传递函数失配带来的影响。

需要特别指出的是，本发明仅以具有数字后台校准功能的双通道模数转换器作为具体实施例进行解释说明。但本发明的多通道模数转换器可以扩展到三通道，或拓展到如图10所示的具有数字后台校准功能的m通道模数转换器。且从图10还可以明确看出，第一通道子模数转换器输出结果作为参考信号输入到插值滤波器得到第二通道子模数转换器输出结果的期望信号，且该期望信号还可以作为除第一通道子模数转换器外的其它个通道子模数转换器输出结果的期望信号。

本发明电路复杂度相对较低，且在校准过程中能同时校准增益失配失配、采样时间误差和传递函数失配。本校准算法具有自适应性，符合通信和其他模数转化器应用领域的实行标准，实际情况中信号的输入频率范围受到的限制很小，因此具有广泛的普适性。

显然，本领域的技术人员可以根据本发明将双通道的时间交织模数转换器校准原理拓展到更多通道，以及进行其他各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (13)

1.一种多通道模数转换器，所述多通道模数转换器至少包含第一通道子模数转换器及第二通道子模数转换器，其特征在于，所述多通道模数转换器具有数字后台校准电路，所述数字后台校准电路具有与第一通道子模数转换器相连的插值滤波器，及与所述插值滤波器相连的有限冲击响应的最小均方根自适应滤波器，其中：

插值滤波器，用于依据所述第一通道子模数转换输出的模数转换结果，输出第二通道子模数转换器的期望信号；

有限冲击响应的最小均方根自适应滤波器，用于依据所述期望信号对所述第二通道子模数转换器输出的模数转换结果进行校准。

2.如权利要求1所述的多通道模数转换器，其特征在于，所述插值滤波器用于依据输入信号输出相位差为180度的输出信号。

3.如权利要求1所述的多通道模数转换器，其特征在于，所述插值滤波器用于依据输入信号输出幅度相同的输出信号。

4.如权利要求1所述的多通道模数转换器，其特征在于，所述插值滤波器具有校准条件探测单元，所述校准条件探测单元用于输出校准信号到所述有限冲击响应的最小均方根自适应滤波器。

5.如权利要求4所示的多通道模数转换器，其特征在于，所述有限冲击响应的最小均方根自适应滤波器用于依据所述校准信号判断是否进行校准工作。

6.如权利要求1所述的多通道模数转换器，其特征在于，所述有限冲击响应的最小均方根自适应滤波器用于依据所述期望信号对所述第二通道子模数转换器输出的模数转换结果进行相位校准。

7.如权利要求1所述的多通道模数转换器，其特征在于，所述有限冲击响应的最小均方根自适应滤波器用于依据所述期望信号对所述第二通道子模数转换器输出的模数转换结果进行增益校准。

8.如权利要求1所述的多通道模数转换器，其特征在于，所述有限冲击响应的最小均方根自适应滤波器用于依据所述期望信号对所述第二通道子模数转换器的输出结果进行相位校准和增益校准。

9.如权利要求1所述的多通道模数转换器，其特征在于，所述子模数转换器为闪烁型模数转换器、逐次比较型模数转换器和流水线型模数转换器组合中的任意一种。

10.如权利要求1所述的多通道模数转换器，其特征在于，所述数字后台校准电路还具有与所述子模数转换器相连的失调消除器，所述失调消除器用于消除所述子模数转换器输出的模数转换结果的失调失配误差。

11.如权利要求1所述的多通道模数转换器，其特征在于：所述插值滤波器为28阶的插值滤波器，所述有限冲击响应的最小均方根自适应滤波器为45阶的有限冲击响应的最小均方根自适应滤波器。

12.一种多通道模数转换器，其特征在于，所述多通道模数转换器包含M个通道子模数转换器，且M个通道子模数转换包含第一通道子模数转换器，所述多通道模数转换器还具有数字后台校准电路，所述数字后台校准电路具有与第一通道子模数转换器相连的插值滤波器，及与所述插值滤波器相连的有限冲击响应的最小均方根自适应滤波器，其中：

插值滤波器，用于依据所述第一通道子模数转换输出的模数转换结果，输出除第一通道子模数转换器外的M个子通道模数转换器的期望信号；

有限冲击响应的最小均方根自适应滤波器，用于依据所述期望信号对所述除第一通道子模数转换器外的M个子通道模数转换器输出的模数转换结果进行校准。

13.如权利要求12所述的多通道模数转换器，其特征在于，所述M为不小于2的整数。

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