CN103716055B - 一种预调制积分型多通道并行模拟信息转换电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种预调制积分型多通道并行模拟信息转换电路，包括由多路伪随机序列发生器、电平转换电路、乘法器、低通滤波器、模数转换器、时钟产生电路和多路选择器组成的多通道并行模拟信息转换电路。其特征在于，在所述多通道并行模拟信息转换电路之前还有一级预调制积分电路，用于预先降低模拟输入信号的频率，输出保留原始信号全部信息的低频信号。本发明在多通道并行模拟信息转换电路前加一级预调制积分电路，与传统多通道并行压缩采样的方法相比，在保证信号保留原始信号信息的情况下，大大降低了伪随机序列、低通滤波器和模数转换器的频率，从而降低了电路设计的复杂度和功耗，提高了模拟电路实现的可行性。

Description

一种预调制积分型多通道并行模拟信息转换电路

技术领域

本发明属于信号处理领域，涉及一种预调制积分型多通道并行模拟信息转换电路，可有效地降低多通道内部伪随机信号发生器、低通滤波器和模数转换器的频率。

背景技术

传统的信号采集过程必须遵循Nyquist采样定理，即采样信号频率必须大于原始信号频率的2倍才能将采集后的离散信号不失真地恢复为原始信号。随着电子信息技术的发展，以及人们对数据需求的快速增长，以Nyquist采样定理为指导协议的模数转换器（ADC）逐渐出现了一些难以克服的问题——当输入信号带宽过大时，要求ADC的采样速率也越高，但受工艺、模拟集成电路设计等限制，单个ADC不能同时满足高速率、高精度的要求。

近年来，D.Donoho等人提出了压缩感知（Compressed Sensing，CS）理论，该理论将压缩过程和采样过程合并在一起，在获取信号的同时对信号进行适当的压缩，当输入信号具有稀疏性时，就可以用较低的速率采样信号。CS理论最为成功的应用之一是模拟信息转换器（AIC），它可以代替传统的ADC。该转换器首先通过具有Nyquist采样频率的随机序列对输入信号进行随机调制，由于随机序列具有全频谱性，所以调制后的信号的每一处频谱都将携带原始信号的信息。然后利用积分器对调制后的输出信号进行积分，其功能等效为低通滤波器的作用，输出保留原始信息的低频信号。最后采用低速ADC对低通滤波后的信号进行采样，达到了以较低的采样速率采集更高速的模拟信号的效果，有效地解决了传统采样理论遇到的瓶颈。但是对于处理超带宽信号，频率的数量级通常为GHz，若想利用低速率的ADC，无疑给调制、低通滤波电路提出了更高的要求。因此，很多研究学者在AIC的结构框架的基础上提出了多通道并行模拟信息转换器结构。理论上采用M通道并行AIC结构可以利用M个低速ADC并行工作，从而使采样速率提高M倍，满足人们对高速度和高精度的需求。但是当多通道并行工作时，对于模拟电路来说，硬件实现复杂且功耗很大，其中，功耗的来源主要为调制电路、低通滤波器和ADC。

申请为20130092206.7的专利提出了一种基于压缩感知的稀疏信号欠采样方法，给出了一种单一通道的模拟信息转换技术及硬件实现，但是当输入信号为超带宽信号时，后端采样电路ADC需要更高的采样频率，速率的提高是以牺牲精度为代价，因此很难满足人们对高速度和高精度的需求。申请专利号为20120209404.2的专利提出了一种基于分组采样的模拟信息转换方法，但是只给出了分组采样的模拟信息转换算法并且计算量复杂，硬件不易实现。

发明内容

本发明的目的是提供一种预调制积分型多通道并行模拟信息转换电路，可有效地降低多通道内部伪随机信号发生器、低通滤波器和模数转换器的频率，降低硬件电路的复杂度和功耗，提高硬件电路实施的可行性。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种预调制积分型多通道并行模拟信息转换电路，包括由多路伪随机序列发生器、电平转换电路、乘法器、低通滤波器、模数转换器、时钟产生电路和多路选择器组成的多通道并行模拟信息转换电路。时钟产生电路将输入时钟信号进行移相，输出频率相同、相位差为2π/M的M路时钟信号，并送到伪随机序列发生器，M为通道数。伪随机序列发生器在时钟脉冲作用下产生符合伯努利分布的伪随机序列p_c(t)∈{0,1}，并送到电平转换电路。电平转换电路将“0”电平转换成负电平，即“-1”，输出伪随机序列p(t)∈{-1,1}，并送到乘法器。乘法器的两个输入端分别接伪随机序列p(t)∈{-1,1}和输入模拟信号，这两种信号相乘完成伪随机序列对输入模拟信号的调制后，输出到低通滤波器。低通滤波器对所述调制信号进行低通滤波，输出低频信号至模数转换器。模数转换器对滤波后的信号进行模数转换，得到数字输出信号，并送到多路选择器。多路选择器将M个模数转换后的输出合并成一路输出，得到输出结果y(n)，使采样速率提高M倍。

其特征在于，在所述多通道并行模拟信息转换电路之前还有一级预调制积分电路，用于预先降低模拟输入信号的频率，输出保留原始信号全部信息的低频信号。所述预调制积分电路包括：伪随机序列发生器，电平转换电路，乘法器和低通滤波器。伪随机序列发生器产生伪随机序列p_c(t)∈{0,1}，并送到电平转换电路；电平转换电路将“0”电平转换成负电平，即“-1”，输出伪随机序列p(t)∈{-1,1}，并送到乘法器；伪随机序列在乘法器中与输入模拟信号相乘完成对输入模拟信号的调制后，经低通滤波器积分输出保留原始信号信息的低频信号，并送到所述多通道并行模拟信息转换电路。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

本发明在多通道并行模拟信息转换电路前加一级预调制积分电路，与传统多通道并行压缩采样的方法相比，在保证信号保留原始信号信息的情况下，大大降低了伪随机序列、低通滤波器和模数转换器的频率，从而降低了电路设计的复杂度和功耗，提高了模拟电路实现的可行性。

附图说明

图1为预调制积分型多通道并行模拟信息转换电路的结构图；

图2为本发明实施例的结构图；

图3为本发明实施例伪随机序列发生器的结构图；

图4为本发明实施例电平转换电路原理图；

图5是本发明实施例乘法器的电路原理图；

图6为本发明实施例低通滤波器电路原理图。

具体实施方式

以下结合附图说明本发明的具体实施方式。

本发明所述预调制积分型多通道并行模拟信息转换电路的结构框图如图1所示。图2为本发明实施例的结构图，是一个预调制积分型4通道并行模拟信息转换电路，由预调制积分电路和4通道并行模拟信息转换电路组成。其中，

预调制积分电路包括：伪随机序列发生器，电平转换电路，乘法器和低通滤波器。伪随机序列发生器的输出经电平转换电路后输出频率为400MH_Z的伪随机序列p(t)∈{-1,1}。伪随机序列p(t)与频率范围为0～200MH_Z的稀疏模拟输入信号x（t）在乘法器中相乘后送入截止频率为100MH_Z的低通滤波器，输出频率为100MH_Z的低频信号u（t）。由于伪随机序列p(t)具有全频谱特性，所以u（t）包含了输入信号x（t）的全部原始信息。

4通道并行模拟信息转换电路包括4路相同的伪随机序列发生器、电平转换电路、乘法器、低通滤波器和模数转换器，以及一级时钟产生电路和一级多路选择器。时钟产生电路输出4个频率为50MH_Z、相位分别为0°、90°、180°、270°的时钟信号，分别送到4个通道的伪随机序列发生器，经电平转换电路后输出4路伪随机序列p_m(t),m＝1,2,3,4，分别与u（t）相乘，再经截止频率为10MH_Z的低通滤波器滤波后输出频率为10MH_Z的低频信号，同理，该低频信号包含了原始信号的全部信息。最后，4路低频信号经4路采样频率为20MHz的模数转换电路进行模数转换，输出的数字信号由4路选择器合并一路输出，得到频率为80MHz的输出序列y(n)，使采样速率提高到4倍。

图2中的5个伪随机序列发生器均由10个D触发器（DFF）和一个异或门（XOR）串联组成，电路结构如图3所示。选择D触发器作为移位寄存器，具有产生容易、规律性强且周期长等特点，是一种重要的伪随机序列。将第1、4、10级移位寄存器的输出作为反馈信号输入到第一级，每个周期中，移位寄存器输出“1”码出现2¹⁰次，“0”码出现2¹⁰-1次，输出信号为符合伯努利分布的伪随机序列p₀(t)∈{0,1}。

图2中的5个电平转换电路均由运放组成的减法器实现，如图4所示，R₁＝R₂＝R₃＝R₄，输出电压V_out＝V_in-V₂，V₂=2.5V。输入V_in接伪随机序列发生器输出p₀(t)∈{0,1}，“0”对应0V，“1”对应5V。当V_in=0V时，输出电压为-2.5V，即“-1”信号；当V_in=5V时，输出电压为V_in-V₂=2.5V即“+1”信号。

图2中的5个乘法器均采用模拟乘法器芯片AD834，电路如图5所示。AD834是一种基于吉尔伯特单元的一种四象限乘法器，具有差分x、y输入，每个差分电压输入的跨导带宽高，适合高频率应用。差分输出电流在两个相等负载R₁和R₂中流动，输出差分电压V_out＝K·V_x·V_y，其中，K为相乘器的增益系数，V_x、V_y为两个输入信号。

图2中的5个滤波器均采用运算放大器搭建的二阶巴特沃兹有源低通滤波器，电路结构如图6所示，截止频率为：

$f_0=\frac{1}{2\mathrm{\π}\sqrt{R_1{R}_2{C}_1{C}_2}}$

预调制积分电路中的低通滤波器0#的截止频率为100MHz，R₁＝R₂＝33.86kΩ，C₁＝C₂＝0.047pF，R₃=183.30kΩ，R₄=107.41kΩ；多通道并行模拟信息转换电路中的低通滤波器1#～4#的截止频率均为10MHz，R₁＝R₂＝1.59kΩ，C₁=C₂＝10pF，R₃＝8.61kΩ，R₄＝5.04kΩ。

利用预调制积分型多通道并行模拟信息转换电路，实现了对输入稀疏模拟信号的两次压缩（频域压缩，即频率降低）过程。由于预调制——积分过程对输入信号的第一次压缩，在保留原始信号信息的情况下，降低了信号的频率，从而降低了多通道并行模拟信息转换电路对输入信号频率的要求，降低了电路的复杂度和功耗，更加易于电路的实现。

Claims (2)

1.一种预调制积分型多通道并行模拟信息转换电路，包括由多路伪随机序列发生器、电平转换电路、乘法器、低通滤波器、模数转换器、时钟产生电路和多路选择器组成的多通道并行模拟信息转换电路；所述时钟产生电路将输入时钟信号进行移相，输出频率相同、相位差为2π/M的M路时钟信号，并送到所述伪随机序列发生器，M为通道数；所述伪随机序列发生器在时钟脉冲作用下产生符合伯努利分布的伪随机序列p_c(t)∈{0,1}，并送到所述电平转换电路；所述电平转换电路将“0”电平转换成负电平，即“-1”，输出伪随机序列p(t)∈{-1,1}，并送到所述乘法器；乘法器的两个输入端分别接伪随机序列p(t)∈{-1,1}和输入模拟信号，这两种信号相乘完成伪随机序列对输入模拟信号的调制后得到调制信号，输出到所述低通滤波器；所述低通滤波器对调制信号进行低通滤波，输出低频信号至所述模数转换器；所述模数转换器对滤波后的信号进行模数转换，得到数字输出信号，并送到所述多路选择器；所述多路选择器将M个模数转换后的输出合并成一路输出，得到输出结果y(n)；

其特征在于，在所述多通道并行模拟信息转换电路之前还有一级预调制积分电路，用于预先降低模拟输入信号的频率，输出保留原始信号全部信息的低频信号；所述预调制积分电路包括：伪随机序列发生器、电平转换电路、乘法器和低通滤波器；预调制积分电路的伪随机序列发生器产生伪随机序列p_c(t)∈{0,1}，并送到预调制积分电路的电平转换电路；预调制积分电路的电平转换电路将“0”电平转换成负电平，即“-1”，输出伪随机序列p(t)∈{-1,1}，并送到预调制积分电路的乘法器；电平转换电路输出的伪随机序列p(t)在预调制积分电路的乘法器中与输入模拟信号相乘完成对输入模拟信号的调制后，经预调制积分电路的低通滤波器积分后输出保留原始信号全部信息的低频信号，并送到所述多通道并行模拟信息转换电路。

2.根据权利要求1所述的一种预调制积分型多通道并行模拟信息转换电路，其特征在于，所述多路选择器输出的结果y(n)比所述多路选择器的输入信号的频率提高M倍，相当于采样速率提高M倍。