CN1030272C

CN1030272C - 一种相位量化a/d变换的方法及其装置

Info

Publication number: CN1030272C
Application number: CN 93107367
Authority: CN
Inventors: 周国富; 姬国良
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1993-06-24
Filing date: 1993-06-24
Publication date: 1995-11-15
Anticipated expiration: 2013-06-24
Also published as: CN1080796A

Abstract

本发明公开了一种相位量化A/D变换的方法及其装置。其装置包括：(a)一个移相装置[1]，把输入的模拟信号变换成具有2ⁿ-1个不同相位的输出信号；(b)与移相装置[1]的输出相连接的2ⁿ-1个电压比较器[2]，通过对由移相装置[1]产生的2ⁿ-1个输出信号进行极性比较，产生2ⁿ-1个二进制数字代码；(c)一个与2ⁿ-1个电压比较器[2]的输出相连接的编码器[3]，用于把电压比较器[2]产生的2ⁿ-1个二进制数字代码编码成n bit的二进制数字代码。本发明所述方法及其装置可用于雷达、通信、电子战及测试设备等领域。

Description

本发明涉及一种把模拟信号变换成数字信号的模拟/数字（A/D）变换方法及其装置，特别是一种把模拟信号变换成数字信号的相位量化A/D变换方法及其装置。

众所周知，随着数字信号处理技术的飞速发展，把模拟信号变换成数字信号的A/D变换方法和装置在电子技术和电子设备中占有越来越重要的地位。对模拟信号进行量化的方法主要有两种，即幅度量化和相位量化。幅度量化，即传统的量化方法，是根据信号幅度的大小把信号量化成2ⁿ个电平，其中n为量化位数，而相位量化方法是根据信号的相位把信号量化成2ⁿ个相位间隔（对应的幅度电平数为2^n-1+1），在“A GaAs Phase Digitizing and Summing System for Microwave Signal Storage”（见IEEE Journal of Solid-State Circuits，Vol.24，No.1，pp.104-117，1989）一文中对3位相位量化A/D变换方法及装置作了详细介绍，在“相位量化数字射频存储器的寄生信号性能分析”（见《电子学报》，Vol.20，No.12，pp.26-31，1992）一文中给出了这种量化方法在不同量化位数下的谐波寄生信号电平计算公式。这种量化方法的特征是，对于n bit的量化，需要2^n-1个比较器，产生2^n-1+1个量化电平。比如，当量化位数n＝3时，需要4个比较器，量化电平数为5。虽然这种量化方法具有一些优点，如：与幅度量化相比具有较大的动态范围和较低的近区峰值寄生信号电平，但这种方法也具有明显的缺点：（1）对于一定的量化位数，由量化引起的寄生信号电平较高，如n＝3时，峰值寄生信号电平为-16.9dB，寄生信号总功率为-12.5dB;（2）当把量化后的数字信号变换成模拟信号（D/A变换）时，需要进行加权处理，因而与一般的D/A变换装置不兼容。

本发明的目的在于提供一种相位量化A/D变换方法及其装置，可以避免上述现有技术的缺点，在保持大动态范围的同时，改善了寄生信号性能，并与现有D/A变换方法及装置兼容。

本发明的目的是通过采用下述的相位量化A/D变换方法及装置实现的：

一种把输入模拟信号变换成数字信号的相位量化A/D变换方法，包括以下步骤：

a.对输入模拟信号进行移相，产生相位分别为：

0，±θ_i，i＝1，2，…，2^n-1-1

的2ⁿ-1个具有不同相位的输出信号，其中，n为量化位数，n≥2;对θ_i值的选取可根据所要求的性能指标进行，一种可供选择的较好方法是，按照使量化后信号中谐波寄生信号总功率最小的准则进行，即使θ_i的值满足下列方程式：

4v/u＝cos（π/2-θ_i）＝2·i i＝1，2，…，2^n-1-1

其中：

n≥2;

b.对经移相产生的2ⁿ-1个信号进行极性比较，产生2ⁿ-1个二进制数字代码;

c.将经极性比较产生的2ⁿ-1个二进制数字代码进行编码，形成n bit的二进制数字代码，编码方法可根据后续处理所要求的格式进行，其中一种较好的方法是，把经极性比较得到的2ⁿ-1个二进制代码相加，其中所得到的n bit二进制代码｛C_n-1C_n-2C_n-3…C₁C₀｝＝｛000…00，000…01，000…10，……，111…11｝所表示的信号电平为：｛-2ⁿ+1，-2ⁿ+3，…，-3，-1，1，3，…，2ⁿ-1｝。

一种按上述方法把输入模拟信号变换成数字信号的相位量化A/D变换装置，包括：

a.一个移相装置，把输入的模拟信号变换成具有2ⁿ-1个不同相位的输出信号，所述移相装置可由下述部件构成：（1）一个同相/正交（I/Q）信号产生器，用于把输入模拟信号变换成具有差动输出的同相/正交（I/Q）输出信号I，Q，-I，-Q;（2）一个具有四个臂，每个臂上有2ⁿ-1个电阻的电阻环，电阻环的四个顶点顺序接到同相/正交（I/Q）信号产生器输出的I，Q，-I，-Q四个输出上，而由电阻环上除Q和-Q输入端所对应节点外的相对的2ⁿ-1对节点上产生2ⁿ-1个差动输出移相信号;

b.与移相装置的输出相连接的2ⁿ-1个电压比较器，通过对由移相装置产生的2ⁿ-1个输出信号进行极性比较，产生2ⁿ-1个二进制数字代码;

c.一个与2ⁿ-1个电压比较器的输出相连接的编码器，用于把电压比较器产生的2ⁿ-1个二进制数字代码编码成n bit的二进制数字代码。

利用本发明，在保留了传统相位量化A/D变换方法所具有的大动态范围的优点之外，还具有如下优点：（1）由于采用了与现有D/A变换方法兼容的编码方法，使当需要把经A/D变换后得到的数字信号恢复成模拟信号（D/A变换）时不需加权处理;（2）对于一定的量化位数，通过优化选择移相信号的相位，可使量化后信号的谐波寄生信号性能得到改善。表1给出了本发明方法与现有相位量化方法在不同量化位数n下的结果对比。可以看出，在量化位数少1（此时的量化电平数较接近）的情况下，利用本发明可使峰值寄生信号电平得到明显改善。本发明的方法及其装置可用于雷达、通信、电子战及测试设备等领域。

表1.本发明方法与现有相位量化方法在不同量化位数n下的结果比较

量化位数量化电平数峰值寄生信号寄生信号总功

（n）电平（dB）率（dB）

＊1 ＊2 ＊1 ＊2 ＊1 ＊2 ＊1 ＊2

3 2 5 4 -16.9 -20.1 -12.5 -13.6

4 3 9 8 -23.5 -26.7 -18.9 -20.0

5 4 17 16 -29.8 -35.8 -24.9 -26.1

说明：＊1.表示现有技术中的相位量化A/D变换方法;

＊2.表示本发明的相位量化A/D变换方法。

下面结合附图对本发明的实施例做进一步的详细描述。

图1为本发明的原理框图。

图2为本发明一个实施例的原理框图。

图3为图2所示实施例各点的波形图。

以n＝2为例，参照图2，本发明所述相位量化A/D变换方法是按下述步骤进行的：（1）将输入的信号进行移相，产生相位分别为-34.7π/180，0，+34.7π/180的三个信号S₁，S₂，S₃;（2）对经移相获得的三个信号S₁，S₂，S₃进行极性比较，获得3个二进制数字代码I₁，I₂，I₃;（3）把由极性比较获得的二进制数字代码I₁，I₂，I₃相加，其输出代码｛C₁C₀｝就是本发明所述相位量化A/D变换方法当n＝2时的输出，｛C₁C₀｝＝｛00，01，10，11｝所代表的信号电平为｛-3，-1，+1，+3｝。

图3利用波形进一步解释了本发明。图3中，横坐标为ωt，其中ω为角频率，t为时间，纵坐标代表信号幅度。图3（a）中的3条曲线16，17，18分别对应于输入模拟信号经移相后的三个信号，即：实曲线16表示输入信号S_i经移相0时的信号S₂，两条虚曲线17，18分别表示S_i经移相-34.7π/180和+34.7π/180后的两个信号S₁，S₃;图3（b），（c），（d）中的波形26，27，28分别表示图3（a）中三个信号16，17，18经极性比较得到的二进制代码的波形I₂，I₁，I₃，图3（e），（f）中的波形36，37分别为一位全加器的进位输出端C₁和加法输出端C₀输出的二进制代码波形，也即本发明之一实施例-2位相位量化A/D变换的输出结果;图3（g）所示波形表示图3（e），（f）所示2位相位量化A/D变换装置输出二进制代码｛C₁C₀｝所代表的输入信号经量化后的电平。

图2所示为当n＝2时本发明所述装置的一个实施例。如图2所示，它包括一个同相/正交（I/Q）信号产生器11，一个由四个臂组成，每个臂上有2个电阻的电阻环12，一组（3个）比较器2，和一个全加器3。同相/正交信号产生器11的输入为输入的模拟信号S_i，其四个输出端I，Q，-I，-Q顺次接到电阻环12的四个顶点A₂，A₄，B₂，B₄上。电阻环12的三组输出A₂/B₂，A₁/B₁和A₃/B₃分别加到三个较器2的+/-输入端上。三个比较器2的输出I₂、I₁、I₃分别接到全加器3的三个输入端A、B、C₁上。全加器3的进位输出端C₁和加法输出端C₀即为本发明所述实施例的输出。

在图2中，输入的模拟信号S_i经过同相/正交（I/Q）信号产生器11后，产生I，Q的差动输出信号I，Q，-I，-Q，这四个信号顺序接到电阻环12的四个顶点上，电阻环12上的电阻R1和R2的阻值应满足：R1＝0.41R，R2＝0.59R，其中R＝R₁+R₂。这时，可在电阻环12的A₁，A₂，A₃节点得到相位分别为-34.7π/180，0，+34.7π/180的三个信号，而由B₁，B₂，B₃节点得到的是对应于A₁，A₂，A₃节点相应信号的反相信号。这样，就完成了对输入模拟信号S_i的移相。为了对由A₁，A₂，A₃三个节点输出的信号进行极性比较，可把由电阻环12上A₁与B₁，A₂与B₂，A₃与B₃，三对节点输出的三个差动信号分别加到三个比较器2的+/-输入端，则在三个比较器2的输出端分别得到表示A₁，A₂，A₃ 节点信号极性的3个二进制代码I₁，I₂，I₃。把I₂，I₁，I₃分别作为1位全加器3的A，B输入端及进位输入端C_i的输入，则由一位全加器3进位输出端C₁和加法输出端C₀所表示的二进制代码｛C₁C₀｝＝｛00，01，10，11｝表示输入的模拟信号S_i经量化后的四个电平｛-3，-1，1，3｝。

Claims

1、一种把输入模拟信号变换成数字信号的相位量化A/D变换方法，包括以下步骤：

a.对输入模拟信号进行移相，产生相位分别为：

O，±θ_i，i=1，2，…，2^-1-1

的2ⁿ-1个具有不同相位的输出信号，其中，n为量化位数，n≥2；

b.对经移相产生的2ⁿ-1个信号进行极性比较，产生2ⁿ-1个二进制数字代码；

c.将经极性比较产生的2ⁿ-1个二进制数字代码进行编码，形成nbit的二进制数字代码。

2、如权利要求1所述的相位量化A/D变换方法，其特征在于，对θ_i值的选取是按照使量化后信号中谐波寄生信号总功率最小的准则进行，即使θ₁的值满足下列方程式：

4v/u＝cos（π/2-θ_i）＝2·i i＝1，2，…，2^n-1-1

其中：

u = 0.5+ Σ_{k = 1}^{2^{n - 1}- 1} {sin( π / 2- θ}_{k})

v= \frac{π}{16} + Σ_{k = 1}^{2^{n - 1}-1} {k · ( π / 2 - θ}_{k})

n≥2

3、如权利要求2所述的相位量化A/D变换方法，其特征在于，当所述的量化位数n＝2时，所述移相信号的相位θ₁＝34.7π/180。

4、如权利要求1所述的相位量化A/D变换方法，其特征在于，所述编码方法是把经极性比较得到的2ⁿ-1个二进制代码相加，其中所得到的n bit二进制代码｛C_n-1C_n-2C_n-3…C₁C₀｝＝｛000…00，000…01，000…10，……，111…11｝所表示的信号电平为：-2ⁿ+1，-2ⁿ+3，…，-3，-1，1，3，…，2ⁿ-1｝。

5、如权利要求4所述的相位量化A/D变换方法，其特征在于，当所述的量化位数n＝2时，所述的编码方法是把经极性比较得到的3个二进制代码相加，其中所得到的2bit二进制代码｛C₁C₀｝＝｛00，01，10，11｝所表示的信号电平为：｛-3，-1，+1，+3｝。

6、一种按权利要求1所述方法把输入模拟信号变换成数字信号的相位量化A/D变换装置，包括：

a.一个移相装置[1]，把输入的模拟信号变换成具有2ⁿ-1个不同相位的输出信号;

b.与移相装置[1]的输出相连接的2ⁿ-1个电压比较器[2]，通过对由移相装置[1]产生的2ⁿ-1个输出信号进行极性比较，产生2ⁿ-1个二进制数字代码;

c.一个与2ⁿ-1个电压比较器[2]的输出相连接的编码器[3]，用于把电压比较器[2]产生的2ⁿ-1个二进制数字代码编码成n bit的二进制数字代码。

7、如权利要求6所述的相位量化A/D变换装置，其特征在于，所述的移相装置[1]包括：

a.一个同相/正交（I/Q）信号产生器[11]，把输入模拟信号变换成具有差动输出的同相/正交（I/Q）输出信号I，Q，-I，-Q;

b.一个具有四个臂，每个臂上有2ⁿ-1个电阻的电阻环[12]，电阻环[12]的四个顶点顺序接到同相/正交（I/Q）信号产生器[11]输出的I，Q，-I，-Q四个输出上，而由电阻环[12]上除Q和-Q输入端所对应节点外的相对的2ⁿ-1对节点上产生2ⁿ-1个差动输出移相信号。

8、如权利要求7所述的相位量化A/D变换装置，其特征在于，当所述量化位数n＝2时，电阻环[12]的每个臂上有2个电阻，其阻值为，R₁＝0.41R，R₂＝0.59R，其中R＝R₁+R₂。

9、如权利要求6所述的相位量化A/D变换装置，其特征在于，当所述的量化位数n＝2时，所述的编码器[3]是一个1 bit全加器。