CN1735882B - 具有m因数采样和保持抽取的一阶噪声整形编码器 - Google Patents

Abstract

本发明是关于一种具有多电平量化和抖动量化器的N阶噪声整形编码器。该编码器本质上稳定并产生纯白量化误差谱。在一具体实施例中，该编码器为一阶，并且应用一改进的抖动方案，包括对抖动序列应用M倍(例如，M＝2)采样和保持，在多个时钟周期有效地保持一恒定抖动。这样有效地使量化器在一个时钟周期内不事先经过零电位跳过两个量化区间的事件减少。本发明还公开了实现成形编码器的方法。

Description

具有M因数采样和保持抽取的一阶噪声整形编码器

技术领域

本发明涉及一种信号处理，特别是涉及一种用于有效地进行信号调制和噪声整形编码(noise-shaping encoding)谐振功率转换的编码器及其方法。

背景技术

本发明涉及同时提交的名称为“无线频率传输和方法的谐振功率变换器”的共有并共同审理中的美国专利申请10/382,297，并且该发明主张2002年3月4日提交的同名美国临时专利申请60/361,812的优先权，其公开内容在此全文引用。

一阶调制器是要研究的最早期的类型，大约出现在本发明50年前。大约20年前，delta-sigma编码器实现商品化。但是，产业界已经基本上放弃了一阶编码器，而青睐二阶或更高阶编码器，因为相对于要求的噪声本底(noise floor)来说，一阶编码器产生空闲信道音和相关噪声为不可接受的高电平。迄今为止，本发明受让人所知的一切这些多余的音抖动输出(dithering out)为纯粹的白量化误差的努力均告失败。还有，一阶编码器为了达到高阶编码器的频带内分辨率，需要更高的过采样率。大多数的电路设计人都将这些更高的过采样率视为一种不好的折衷方案。此外，现代VLSI技术实际上已经消除了实现高阶编码器所带来的复杂化的问题。因此普遍认为一阶编码器在工业上的实际应用已经非常有限。

抖动多位Δ∑调制器

抖动技术在PCM量化中是成熟的技术。请参阅图1和图2所示，其中图1是现有技术中典型的带抖动的脉冲编码调制(PCM)量化器。图2是现有技术中典型的带抖动的噪声整形编码器。如图1中所示，一个PCM量化器中加入跨越一个量化器电平的RPDF抖动，或是跨越二个量化器区间的一个TPDF抖动。带抖动的delta-sigma编码器在IEEE出版物，ISBN 0-7803-1045-4，《delta-sigma数据转换器》第3章中有所描述，在此全文引用。

通过上述显而易见的是，对于一位量化器来说，抖动一旦越过量化器半个区间，就会使编码器严重过载并导致不稳定。即使有该电平的抖动，低阶调制器仍然表现出空闲信道音和相关噪声。尽管如此，一位编码器仍然比较常用，道理很简单：两点确定一线。这样，它们本质上都是线性的，但同时也存在很多问题：二阶以上的单位编码器具有内在的不稳定性；频带外噪声密度相对较大，通过强烈的噪声整形在频带外频率更为加剧；在fs/2附近产生极大的音(tone)；其后在使用频带外滤波器时存在很大问题；需要较高的过采样率，这可能会导致较高的功率耗散。另一选择就是多位噪声整形编码。已经报导了多种为了降低多位数/模转换器中严格的匹配要求而采取的方案。将多位能力带入设计过程的结果就是对许多参数折衷和降低要求。

由上述可知，需要一种改进的用于射频或提供高效编码和量化实现的同等的通信系统等的信号调制装置。

有鉴于上述现有的信号调制装置存在的缺陷，本发明人基于从事此类产品设计制造多年丰富的实务经验及专业知识，并配合学理的运用，积极加以研究创新，以期创设一种新型结构的用于谐振功率转换的编码器及其方法，能够改进一般现有的信号调制装置，使其更具有实用性。经过不断的研究、设计，并经反复试作样品及改进后，终于创设出确具实用价值的本发明。

发明内容

本发明的目的在于，克服现有的信号调制装置存在的缺陷，而提供一种新的用于谐振功率转换的编码器及其方法，本发明与现有技术相比较具有明显的优点和有益效果，本发明的主要技术内容如下：

本发明的第一个方面，公开了一种改进的信号调制装置。该装置一般包括一个多电平量化的噪声整形编码器和一带抖动的量化器。该装置的优点是具有内在稳定性并且产生纯的“白”量化误差谱。在一个实施例中，该装置包括一个具有抖动和三电平量化的非过载稳定一阶噪声整形编码器。该装置的优点是具有内在稳定性并且产生纯的“白”量化误差谱。在另一实施例中，该装置包括一个具有采样/保持M抽取(decimation-by-M)抖动和三电平量化的非过载稳定一阶噪声整形编码器。

本发明的第二个方面，公开了一种实施噪声整形编码的改进方法。该方法一般包括提供一输入信号；并对其采用多电平量化，包括对抖动序列采用M倍采样和保持，从而为多个时钟周期有效保持一个恒定抖动。

本发明的第三个方面，公开了一种改进的M因数采样和保持抽取装置(decimation apparatus)。在一具体实施例中，该装置包括一个伪噪声序列发生器，其具有少于编码器采样时钟频率M倍的时钟频率。

经由上述可知，本发明是关于一种具有多电平量化和抖动量化器的N阶噪声整形编码器。该编码器本质上稳定并产生纯白量化误差谱。在一具体实施例中，该编码器为一阶，并且应用一改进的抖动方案，包括对抖动序列应用M倍(例如，M＝2)采样和保持，在多个时钟周期有效地保持一恒定抖动。这样有效地使量化器在一个时钟周期内不事先经过零电位跳过两个量化区间的事件减少。本发明还公开了实现成形编码器的方法。

本发明的第四个方面，公开了一种数字驱动谐振功率变换器，包括：一完全抖动的一阶多电平量化的噪声整形编码器，用于以Fc/L1的时钟频率接收数字数据，其中L1是载波频率Fc倍数，还用于对上述数字数据编码；一电源，具有DC或基本接近DC的频率；一谐振器，具有与上述载波频率Fc相同或接近的谐振频率；一负载阻抗，连接到上述谐振器，用于接收存储于上述谐振器内的电能；和一充电开关，该充电开关连接到上述的一阶噪声整形编码器、上述电源、上述谐振器，和一个时钟频率为L2Fc的时钟，其中L2是上述载波频率Fc的倍数，该充电开关适合于：(1)接收来自上述一阶噪声整形编码器的编码数据；(2)对上述电源的电压或电流进行采样；以及(3)将上述电源电压或电流采样结果送至上述谐振器。同时在具体实施中将名称为“无线频率传输和方法的谐振功率变换器”的美国专利申请10/382297，以及美国临时专利申请60/361812中的内容与该技术方案的内容相结合实现该技术方案。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。

附图说明

图1是典型的现有带抖动的脉冲编码调制(PCM)量化器的结构原理框图。

图2是典型的现有带抖动的噪声整形编码器的结构原理框图。

图3是本发明的示例性的带抖动和三电平量化的非过载稳定一阶噪声整形编码器的结构原理框图。

图4是本发明的示例性的带采样/保持抽取抖动和三电平量化的非过载稳定一阶噪声整形编码器的结构原理框图。

图5是示例性的带有采样/保持抽取抖动的噪声整形编码器通用结构原理图。

具体实施方式

为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明提出的用于谐振功率转换的编码器及其方法其具体实施方式、结构、方法、步骤、特征及其功效，详细说明如后。

所有附图中相同的标记代表相同的内容。

为方便起见，本文中出现的术语“传送”(transmit、transmission和transmitting)，根据上下文均指信号的传输和接收。

本文中出现的术语“存储器”(memory)和“存储装置”(storagedevice)指任何存储数据或信息的工具，包括但不限于：RAM(例如：SRAM以及SDRAM、DRAM、SDRAM、EDR-DRAM、DDR)、ROM(例如：PROM、EPROM、EEPROM和UV-EPROM)、磁泡存储器、光存储器、嵌入式闪速存储器，等等。

应该理解，尽管下面讨论的主要对象是无线RF手机(例如是：蜂窝电话)，但是本发明并不限于任何一特定的无线手段、空中接口(airinterface)，或体系结构，或在此方面的无线应用。本发明在任何种类的非无线系统中也同样适用，与本文中所述的局限性一致。

带抖动的稳定度试验

具有抖动的多位噪声整形编码器和调制器的一般稳定性在前述Norsworthy的文章第3章130～131页中已经进行分析。该稳定性测试以滤波器的脉冲响应的L1-norm为基础，假定量化器为了保持稳定必须在非过载区操作。对于位数较少的量化器来说，该假定有时过于保守，因为许多噪声整形编码器体系结构是在非过载区以其内部量化器进行操作的。尽管如此，此种稳定性分析对于检查问题和折衷方案(the issues andtrade-offs)仍然是有用的。

以下分析的信号适用于图1和图2。如前，量化误差占用一个量化步(step)区间Δ。如果抖动占用了δ的范围，则相对峰值抖动振幅为δ/Δ。所以，由|e(n)|≤Δ/2和|d(n)|＝(δ/Δ)(Δ/2)得到：

$\left|u\left(n\right)\right|\≤\left|x\left(n\right)\right|+\left|\underset{k=1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}h\left(k\right)e(n-k)\right|+\left|\underset{k=1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}h\left(k\right)d(n-k)\right|$

$\left|u\left(n\right)\right|\≤{\left|\right|x\left|\right|}_{\∞}+\frac{\mathrm{\Δ}}{2}\underset{k=1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\left|h\left(k\right)\right|+\left(\frac{\mathrm{\δ}}{\mathrm{\Δ}}\right)\frac{\mathrm{\Δ}}{2}\underset{k=1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\left|h\left(k\right)\right|$

$\left|u\left(n\right)\right|\≤{\left|\right|x\left|\right|}_{\∞}+\frac{\mathrm{\Δ}}{2}(1+\frac{\mathrm{\δ}}{\mathrm{\Δ}})({\left|\right|h\left|\right|}_1-1)---\left(1.1\right)$

其中||h||₁由下式给出的成比例脉冲(scaled impulse)的∠₁-norm

${\left|\right|h\left|\right|}_1\≡\underset{k=1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\left|h\left(k\right)\right|---\left(1.2\right)$

且||x||_∞是输入的∠_∞-norm，就是最大峰值

||x||_∞＝||x||_max

对于从不过载的L电平量化器，式(1.1)变为

$\frac{L}{L-1}\≥{\left|\right|x\left|\right|}_{\∞}+\frac{1}{L-1}(1+\frac{\mathrm{\δ}}{\mathrm{\Δ}})({\left|\right|h\left|\right|}_1-1)$

从而

${\left|\right|h\left|\right|}_1\≤1+\frac{L-(L-1){\left|\right|x\left|\right|}_{\∞}}{1+\mathrm{\δ}/\mathrm{\Δ}}---\left(1.3\right)$

为了方便对L的规定，重新整理式(1.3)得到

$L\≥\frac{(1+\mathrm{\δ}/\mathrm{\Δ})({\left|\right|h\left|\right|}_1-1)-{\left|\right|x\left|\right|}_{\∞}}{1-{\left|\right|x\left|\right|}_{\∞}}---\left(1.4\right)$

因此，如果量化器要保持在非过载区，则该量化器必须具有足够的动态范围(steps)以容纳滤波器的最大可能输出值与最大输入采样相加的同时发生的情况。否则量化器会过载，引起潜在的回路不稳定性。从式(1.4)可知，加入的抖动所带来的操作是可以预见的，但是这种损失实际上是非常有限的。如果相对峰值抖动δ/Δ是整数(unity)，L的结果值就正好是不抖动的二倍，并要求量化器中增加一位的动态范围。

带抖动的多电平调制器

对于当L＝2时的典型情况，如果δ/Δ是整数(unity)，则量化器将被完全抖动，但这样会将非过载输入电平限制为零。当L＝3时，通过采用式(1.4)的关系式，非过载输入范围为量化区间的二分之一。这样，当编码器的有用输入被减半时，并且被完全抖动的量化器将噪声误差加倍的同时，该系统同时产生白噪声误差并且内在稳定。

当使用编码器的输出以驱动一个功率器件时(例如，蜂窝电话)，三电平量化器对于省电十分重要。首先，如果系统具有相等的事件{+1，0，-1}概率，那么系统有三分之一的时间处于不必向输出端传送电能的闲置状态。但是，这一优点在传统的抖动中将会得不到体现。抖动信号通常被认为是伪随机PN序列，相对于进入调制器的最低频率输入信号来说相对较长。它还被认为在每个取样时钟周期都会改变数值。这样导致在量化器跨度的输出的时钟到时钟的偏移达到两个量化区间。这样，对于三电平的完全抖动量化器，会频繁发生量化器输出未经过零就从+1跳向-1(反之亦然)的情况。本发明人实施的模拟表明：只要将抖动上的二因数的采样和保持置放，即，每隔一个时钟周期改变抖动采样，结果是发生的次数会大大减少(远大于二因数)，而量化器在一个时钟周期步过(step through)两个量7化区间。这一结果对于功率效率来说非常重要，因为宽偏移会防止系统经常空闲，并强迫系统在这些区间耗费电能。

以下请参阅图3～5所示，对本发明的几个典型实施例进行更为具体的描述。图3是本发明的示例性的带抖动和三电平量化的非过载稳定一阶噪声编码器300的结构原理框图。

图4是本发明的示例性的带采样/保持抽取抖动和三电平量化的非过载稳定一阶噪声编码器的结构原理框图。本实施例中使用了一个“M”因数抽取采样和保持元件402，“M”包括任何大于1的数，包括但不限于2的乘幂(例如，2¹，2²，2³，等)，以及其他非2的乘幂的抽取因数。

图5是示例性的带有采样/保持抽取抖动的噪声整形编码器500的通用结构原理图。这里，一个M因数抽取电路502与一个任一阶(H(z)-1)编码器504结合使用，表明了本发明可能的应用范围。

参见前述的Norsworthy等人的著作，在现有技术中关于抖动的噪声整形编码器的说明中，假定抖动的采样率与编码器自身的采样率相同。为了节省能耗，在最高频率的应用中，尽可能以可能最低的时钟频率运行电路。典型的抖动发生源就是伪随机伪噪声序列发生器，其通常由几乎与编码器自身采样频率相同的时钟频率下的移位寄存器组成。本发明的受让人已经通过大量的模拟发现，如果抖动样本以低于编码器的采样率的频率生成，该抖动几乎可以变得同样有效。这在上述的图4和图5所代表的实施例中已有表现。特别是，显示出该抖动经历一因数M的后处理采样/保持抽取。

在一个示范性的实施例中，可以容易地通过将伪随机序列发生器的时钟频率设定为小于编码器采样时钟频率M倍来实现。例如，如果M＝2，那么抖动采样就会被有效地保持到编码器的两个时钟周期，或者换句话说，该编码器的状态变量的变化可能会比抖动变化快两倍。这样，伪噪声序列发生逻辑的能耗可以被大大降低。如果伪噪声寄存器长度足够大，甚至还会带来更多的好处。典型的是伪噪声编码的越长，抖动的随机性越强，并且编码器更为有效地被抖动。但是应该认识到，还可以采用其他手段替代上述基于伪噪声的抽取，这些手段均是本技术领域的一般技术人员根据本发明的公开内容能够实现的。

本发明的一个独特的应用是与一共振功率转换器一起同使用，正如本发明人的共同审理中的于2003年3月4日提交的名称为“无线频率传输和方法的共振功率变换器”美国专利申请10/382,297，其公开内容在此已全文引用。但是，应该理解，本发明除了前述的共振变换器，还存在无数其他方面的应用，并且本发明不限于前述的示范性的应用中。

例如，图4所示的示范性的一阶编码器可以用于时分多路存取(TDMA)系统，或者是类似的系统例如GSM、地面通信线调制解调器(land linemodem)、ADSL调制解调器、数字音频带宽(TM-UWB)系统。TDMA和其他类似系统通常具有不太严格的频带外噪声要求，有可能使用一阶编码器。在如TDMA的系统中，接收者和发送者不同时，相关的传输频带之外的量化噪声抑制不似其他接收者和发送者在同时的系统中那样重要，如CDMA，尽管应该理解本发明的申请不仅限于接收者和发送者不在同一时间的系统。

还应明白，本文中所述的抖动方案和装置适用于任何类型的码编器，而与其阶数无关(n＝1，2，3……)。例如，本发明可用于一阶编码器、二阶编码器或三阶编码器，等等。

还应认识到，关于本发明的作为某一方法的某一特定步骤顺序或用于本发明的方法的装置中的元件的阶的某些方面进行了说明，这些说明仅为说明本发明之用，并且可以根据某一应用的要求而进行改进。某些步骤/元件在某些情况下可以被不必要地生成或成为可选的。此外，某些步骤/元件或功能可以被加入公开的实施例，或者将两个或更多步骤或元件的次序改变。所有这些变化均被视为在本发明的公开和要求的范围之内。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的方法及技术内容作出些许的更动或修饰为等同变化的等效实施例，但是凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (10)

1. 一种一阶噪声整形编码器，用于无线通信系统，其特征在于其包括具有三电平量化和抖动序列的量化器，所述的编码器适于在无线通信系统中处理输入信号。

2. 根据权利要求1所述的一阶噪声整形编码器，其特征在于抖动序列包括采用M倍采样和保持元件。

3. 根据权利要求2所述的一阶噪声整形编码器，其特征在于其进一步包括一伪噪声序列发生器，该发生器具有一个少于所述编码器的时钟采样率M倍的时钟频率。

4. 一种N阶噪声整形编码器，用于无线通信系统，其特征在于其包括具有量化的L数量的电平的量化器，其中L大于1，以及一个抖动方案，该方案包括采用M倍采样和保持元件。

5. 一种M因数采样和保持抽取装置，用于具有编码器的数据通信装置，其特征在于其包括具有一伪噪声序列发生器的编码器，所述的伪噪声序列发生器具有小于该编码器采样时钟频率M倍的时钟频率。

6. 根据权利要求5所述的M因数采样和保持抽取装置，其特征在于其中M是大于1的整数并等于2的幂。

7. 一种在编码器装置中实现噪声整形编码的方法，用于具有编码装置的无线通信系统，其特征在于其包括以下步骤：

提供一输入信号给所述的编码装置；和

对上述输入信号应用多电平量化，该应用包括对所述编码装置的抖动序列采用M倍的采样和保持，从而至少在多个时钟周期内保持一恒定抖动。

8. 根据权利要求7所述的方法，其特征在于其中所述的应用包括以下步骤：

提供一伪随机序列给所述的输入信号，其中所述的伪随机序列以小于所述编码器的采样时钟频率M倍的频率生成。

9. 一种数字驱动谐振功率变换器，其特征在于其包括：

一完全抖动的一阶多电平量化的噪声整形编码器，用于以Fc/L1的时钟频率接收数字数据，其中L1是载波频率Fc倍数，还用于对上述数字数据编码；

一电源，具有DC或基本接近DC的频率；

一谐振器，具有与上述载波频率Fc相同或接近的谐振频率；

一负载阻抗，连接到上述谐振器，用于接收存储于上述谐振器内的电能；和

一充电开关，该充电开关连接到上述的一阶噪声整形编码器、上述电源、上述谐振器，和一个时钟频率为L2Fc的时钟，其中L2是上述载波频率Fc的倍数，该充电开关适合于：

(1)接收来自上述一阶噪声整形编码器的编码数据；

(2)对上述电源的电压或电流进行采样；以及

(3)将上述电源电压或电流采样结果送至上述谐振器。

10. 一种用于射频装置的一阶噪音整形编码器，其特征在于其包括具有多级量化的抖动量化器，其中该编码器适合于在所述的射频装置中处理一输入信号，以及其中的量化器包括具有采用M倍采样和保持元件的抖动序列。

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