TWI677192B - 諧波補償裝置 - Google Patents

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Chung-Chieh Cheng
杜益昌
Yi-Chang Tu
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Abstract

本發明揭露了一種諧波補償裝置，能夠有效地減少一類比輸出訊號的諧波失真。該諧波補償裝置的一實施例包含一諧波補償器、一混波器、一數位至類比轉換器以及一類比輸出電路。該諧波補償器用來依據一數位輸入訊號產生一數位補償訊號，其中該數位補償訊號包含該數位輸入訊號的諧波。該混波器用來依據該數位輸入訊號與該數位補償訊號產生一數位輸出訊號。該數位至類比轉換器用來依據該數位輸出訊號產生一類比輸入訊號。該類比輸出電路用來依據該類比輸入訊號產生一類比輸出訊號。

Description

諧波補償裝置
本發明是關於補償裝置，尤其是關於諧波補償裝置。
運算放大器(Operational Amplifier,OP)被廣泛地應用在類比電路中。然而，若輸入運算放大器的訊號太小或太大，使得運算放大器之輸入端的電位差過大，運算放大器會工作在飽合區(或說非線性區)，這會使得運算放大器的輸出包含諧波(harmonic)，而有諧波失真的問題。
本發明之一目的在於提供一種諧波補償裝置，能夠減少一類比輸出訊號的諧波失真。
本發明揭露了一種諧波補償裝置，能夠於數位端產生諧波來抵銷或減少類比端的諧波失真。該諧波補償裝置的一實施例包含一諧波補償器、一混波器、一數位至類比轉換器以及一類比輸出電路。該諧波補償器用來依據一數位輸入訊號產生一數位補償訊號，其中該諧波補償器之參數為固定參數或包含可調參數，該數位補償訊號包含該數位輸入訊號的諧波。該混波器用來依據該數位輸入訊號與該數位補償訊號產生一數位輸出訊號。該數位至類比轉換 器用來依據該數位輸出訊號產生一類比輸入訊號。該類比輸出電路用來依據該類比輸入訊號產生一類比輸出訊號。
該諧波補償裝置的另一實施例進一步包含一量測電路。該量測電路用來量測該類比輸出訊號的諧波失真，以產生至少一調整訊號用來設定該諧波補償器的參數。本實施例中，該諧波補償裝置是一積體電路。
有關本發明的特徵、實作與功效，茲配合圖式作較佳實施例詳細說明如下。
100‧‧‧諧波補償裝置
110‧‧‧諧波補償器
115‧‧‧轉換電路
120‧‧‧混波器
130‧‧‧DAC(數位至類比轉換器)
140‧‧‧類比輸出電路
DIN‧‧‧數位輸入訊號
DHM‧‧‧數位補償訊號
DOUT‧‧‧數位輸出訊號
AIN‧‧‧類比輸入訊號
AOUT‧‧‧類比輸出訊號
210‧‧‧諧波產生器
220‧‧‧增益調整電路
230‧‧‧相位調整電路
SHM‧‧‧諧波
SGA‧‧‧增益調整諧波
SPH‧‧‧相位調整諧波
300‧‧‧諧波補償裝置
310‧‧‧延遲電路
DIN_DL‧‧‧延遲數位輸入訊號
400‧‧‧諧波補償裝置
410‧‧‧量測電路
SCTRL‧‧‧調整訊號
510‧‧‧ADC(類比至數位轉換器)
520‧‧‧處理電路
DFB‧‧‧數位回授訊號
610‧‧‧濾波器
620‧‧‧比較電路
DFILTER‧‧‧數位濾波訊號
700‧‧‧諧波補償裝置
705‧‧‧轉換電路
710‧‧‧DAC(數位至類比轉換器)
720‧‧‧混波器
AIN1‧‧‧第一類比輸入訊號
AIN2‧‧‧第二類比輸入訊號
〔圖1〕顯示本發明之諧波補償裝置的一實施例；〔圖2〕顯示圖1之諧波補償器的一實施例；〔圖3〕顯示本發明之諧波補償裝置的另一實施例；〔圖4〕顯示本發明之諧波補償裝置的另一實施例；〔圖5〕顯示圖4之量測電路的一實施例；〔圖6〕顯示圖5之處理電路的一實施例；以及〔圖7〕顯示本發明之諧波補償裝置的另一實施例。
本發明揭露一種諧波補償裝置，能夠依據一數位輸入訊號產生諧波，以抵銷或減少一類比電路依據該數位輸入訊號所產生之一類比輸出訊號中的諧波。
圖1顯示本發明之諧波補償裝置的一實施例。圖1之諧波補償裝置100包含一諧波補償器110、一混波器(mixer)120、一數位至類比轉換器(digital-to-analog converter,DAC)130以及一類比輸出電路140，其中混波器120與數位至類比轉換器130包含於一轉換電路115中。
請參閱圖1。諧波補償器110用來依據一數位輸入訊號DIN產生一數位補償訊號DHM，該數位輸入訊號DIN的一實作範例為一單頻訊號，像是源自於一無線通訊裝置(例如：無線區域網路裝置或藍牙裝置)或一音訊裝置的單頻訊號，該數位補償訊號DHM包含該數位輸入訊號DIN的諧波。諧波補償器110的參數為固定參數或包含可調參數；當諧波補償器110的參數為固定參數時，在該數位輸入訊號DIN不變的情形下，該數位補償訊號DHM不會隨著類比輸出電路140之輸出而改變；當諧波補償器110的參數包含可調參數時，在該數位輸入訊號DIN不變的情形下，該可調參數可選擇性地依據類比輸出電路140之輸出而改變，從而改變該數位補償訊號DHM。諧波補償器110的細節說明於後。
請參閱圖1。混波器120用來依據該數位輸入訊號DIN與該數位補償訊號DHM產生一數位輸出訊號DOUT。於本實施例的一實作範例中，諧波補償器110對該數位補償訊號DHM的諧波施以反相處理，因此混波器120的設計是將該數位輸入訊號DIN加上該數位補償訊號DHM以產生該數位輸出訊號DOUT。於本實施例的另一實作範例中，諧波補償器110未對該數位補償訊號DHM的諧波施以反相處理，因此混波器120的設計是將該數位輸入訊號DIN減去該數位補償訊號DHM以產生該數位輸出訊號DOUT。由於上述反相處理與混波器120的設計可藉由已知或自行開發的技術來實現，因此其細節在此省略。
請參閱圖1。數位至類比轉換器130用來依據該數位輸出訊號DOUT產生一類比輸入訊號AIN。由於數位至類比轉換器130中包含類比電路，因此在該數位輸出訊號DIN過大或過小的情形下，數位至類比轉換器130所產生的類比輸入訊號AIN原本可能包含諧波，但因該數位補償訊號DHM的補償效果，該類比輸入訊號AIN的諧波會被抵銷或減少。
請參閱圖1。類比輸出電路140用來依據該類比輸入訊號AIN產生一類比輸出訊號AOUT。在該數位輸出訊號DIN過大或過小的情形下，類比輸出電路140所產生的類比輸出訊號AOUT原本可能包含諧波，但因該數位補償訊號DHM的補償效果，該類比輸出訊號AOUT的諧波會被抵銷或減少。於本實施例的一實作範例中，數位至類比轉換器130與類比輸出電路140的至少其中之一包含一電子元件(例如：運算放大器)，該電子元件工作於一非線性區或引起一非線性效應，從而引起該類比輸出訊號AOUT的諧波失真。
圖2顯示圖1之諧波補償器110的一實施例。如圖2所示，諧波補償器110包含一諧波產生器210、一增益調整電路220以及一相位調整電路230。諧波產生器210用來依據該數位輸入訊號DIN產生K個諧波SHM，該K個諧波SHM的每一個的頻率為該數位輸入訊號DIN之頻率的N倍，該K為正整數(例如：不小於2的整數)，該N的值與該K個諧波SHM所包含的諧波類型(例如：整數倍諧波、非整數倍諧波、次諧波...)相關；舉例來說，當該數位輸入訊號DIN之頻率為1kHz且該K個諧波的類型僅包含整數倍諧波時，該N為大於1的正整數，該K個諧波分別為2kHz的訊號、3kHz的訊號、4kHz的訊號...，該K可依實施需求來決定。於本實施例的一實作範例中，諧波產生器210對該數位輸入訊號DIN執行二次方的運算、三次方的運算...等等，以產生該K個諧波。由於依據給定的 數位訊號來產生諧波的技術可藉由已知或自行開發的技術來實現，其細節在此省略。
請參閱圖2。增益調整電路220用來調整該K個諧波SHM的增益以產生K個增益調整諧波SGA。相位調整電路230用來調整該K個增益調整諧波SGA的相位以產生K個相位調整諧波SPH作為該數位補償訊號DHM。增益調整電路220與相位調整電路230之每一個的參數可以是固定參數或包含可調參數。於本實施例的一實作範例中，增益調整電路220與相位調整電路230的參數均為固定參數，該固定參數是藉由一外部量測裝置或一內部量測電路(例如：圖4之量測電路410)單次或多次調整增益調整電路220與相位調整電路230的參數以及量測該類比輸出訊號AOUT的諧波的強度而決定；舉例而言，該外部量測裝置可協助於該類比輸出訊號AOUT之諧波的強度小於一門檻值時決定該固定參數，其中該門檻值可依實施需求而定。於本實施例的另一實作範例中，增益調整電路220與相位調整電路230的參數均包含可調參數，該可調參數是藉由一內部量測電路(例如：圖4之量測電路410)依據該類比輸出訊號AOUT之諧波的強度而決定，更明確地說，該內部量測電路持續地調整該可調參數直到該類比輸出訊號AOUT之諧波的強度小於一門檻值，其中該門檻值可依實施需求而定。值得注意的是，前述外部量測裝置不包含於本發明之諧波補償裝置中。
圖3顯示本發明之諧波補償裝置的另一實施例。相較於圖2，圖3之諧波補償裝置300進一步包含一延遲電路310。延遲電路310用來抵銷或減少諧波補償器110所引起的傳輸延遲，以使某一時間點的數位輸入訊號DIN與源自於該時間點之訊號DIN的數位補償訊號DHM能夠同步地抵達混波器120。圖3中，延遲電路310用來延遲該數位輸入訊號DIN以輸出一延遲數位輸入訊號DIN_DL給 混波器120，其中延遲電路310的延遲量是依據諧波補償器110所引起的傳輸延遲而決定；舉例而言，若諧波補償器110所引起的傳輸延遲相當於X個參考時脈的時間，延遲電路310的延遲量是依據該X個參考時脈的時間而被設定(例如：該延遲量等於該X個參考時脈的時間)，其中該參考時脈是諧波補償器110之操作時脈或其它可量化該傳輸延遲的時脈，該X為正整數，該傳輸延遲(亦即該X個時脈的時間)是藉由已知或自行開發的模擬與分析工具、外部儀器量測、或時脈計數器而得。
值得注意的是，圖3之延遲電路310也可用來取代相位調整電路230，更明確地說，延遲電路310與相位調整電路230均是用來調整該數位輸入訊號DIN與該數位補償訊號DHM之間的相位關係，因此相位調整電路230所貢獻的相位調整量可由延遲電路310來實現；此時相位調整電路230可以選擇性地被省略，且該K個增益調整諧波SGA是作為該數位補償訊號DHM。另值得注意的是，在實施為可能的情形下，延遲電路310所貢獻的延遲量也可由相位調整電路230來實現，此時延遲電路310可以選擇性地被省略。
圖4顯示本發明之諧波補償裝置的另一實施例。相較於圖1，圖4之諧波補償裝置400包含一量測電路410以及選擇性地包含延遲電路310(以虛線表示)。量測電路410用來量測該類比輸出訊號AOUT的諧波失真，以產生至少一調整訊號SCTRL用來設定諧波補償器110的參數以及選擇性地用來設定延遲電路310的延遲量，本實施例中，諧波補償裝置400及其所包含的電路均是積體電路。於本實施例的一實作範例中，該至少一調整訊號SCTRL包含一增益調整訊號與一相位調整訊號分別用來設定圖2之增益調整電路220的參數與相位調整電路230的參數。於本實施例的另一實作範例中，該至少一調整訊號SCTRL包含一 增益調整訊號與一相位調整訊號分別用來設定圖3之增益調整電路220的參數與延遲電路310的延遲量。
圖5顯示圖4之量測電路410的一實施例。如圖5所示，量測電路410包含一類比至數位轉換器(analog-to-digital converter,ADC)510與一處理電路520。類比至數位轉換器510用來依據該類比輸出訊號AOUT產生一數位回授訊號DFB。處理電路520用來依據該數位回授訊號DFB與該數位輸入訊號DIN產生該至少一調整訊號SCTRL。於本實施例的一實作範例中，處理電路520包含一混波器用來從該數位回授訊號DFB減去該數位輸入訊號DIN以得到該數位回授訊號DFB之一諧波部分，接著處理電路520依據該諧波部分產生該至少一調整訊號SCTRL。於本實施例的一實作範例中，處理電路520包含一濾波器用來依據指出該數位輸入訊號DIN之頻率的參數對該數位回授訊號DFB進行濾波，以得到一諧波部分，接著處理電路520依據該諧波部分產生該至少一調整訊號SCTRL。
圖6顯示圖5之處理電路520的一實施例。如圖6所示，處理電路520包含一濾波器610與一比較電路620。濾波器610用來依據指出該數位輸入訊號DIN之頻率的參數對該數位回授訊號DFB進行一濾波操作，以產生一數位濾波訊號DFILTER；舉例而言，該濾波操作是用來濾除該數位回授訊號DFB的一非諧波部分，該非諧波部分的頻率等於該數位輸入訊號DIN的頻率。比較電路620用來比較該數位濾波訊號DFILTER的強度與一預設門檻，以輸出至少一比較結果作為該至少一調整訊號SCTRL。於本實施例的一實作範例中，當該數位濾波訊號DFILTER的強度大於該預設門檻時，該至少一調整訊號SCTRL有效地調整該諧波補償器110的參數；當該數位濾波訊號DFILTER的強度不大於該預設門檻時，該至少一調整訊號SCTRL不調整諧波補償器110的參數。
圖7顯示本發明之諧波補償裝置的另一實施例。相較於圖1，圖7之諧波補償裝置700中，數位輸入訊號DIN與數位補償訊號DHM是先分別輸入數位至類比轉換器(DAC)710，數位至類比轉換器710之一第一數位至類比轉換電路依據數位輸入訊號DIN產生第一類比輸入訊號AIN1，數位至類比轉換器710之一第二數位至類比轉換電路依據數位補償訊號DHM產生第二類比輸入訊號AIN2，接著混波器720依據第一類比輸入訊號AIN1以及第二類比輸入訊號AIN2產生類比輸入訊號AIN，其中數位至類比轉換器710與混波器720包含於一轉換電路705中。由於本領域具有通常知識者能夠依據前述實施例來理解圖7之實施例的細節與變化，重複及冗餘的說明在此省略。
值得注意的是，在實施為可能的前提下，本技術領域具有通常知識者可選擇性地實施前述任一實施例中部分或全部技術特徵，或選擇性地實施前述複數個實施例中部分或全部技術特徵的組合，藉此增加本發明實施時的彈性。另值得注意的是，除了運算放大器，其它元件(例如：倍頻器)的非線性操作也可能引起諧波，既然本案發明是依據類比輸出訊號的諧波來決定諧波補償器的參數設定，無論該諧波是由運算放大器或由其它元件引起，本案發明均能予以補償。
綜上所述，本發明能夠依據一數位輸入訊號產生諧波預失真，以抵銷一類比電路依據該數位輸入訊號所產生之一類比輸出訊號中的諧波失真。
雖然本發明之實施例如上所述，然而該些實施例並非用來限定本發明，本技術領域具有通常知識者可依據本發明之明示或隱含之內容對本發明之技術特徵施以變化，凡此種種變化均可能屬於本發明所尋求之專利保護範 疇，換言之，本發明之專利保護範圍須視本說明書之申請專利範圍所界定者為準。

Claims (10)

  1. 一種諧波補償裝置，包含：一諧波補償器，用來依據一數位輸入訊號產生一數位補償訊號，其中該數位補償訊號包含該數位輸入訊號的諧波，該諧波補償器包含：一諧波產生器，用來依據該數位輸入訊號產生K個諧波，其中該K個諧波的每一個的頻率為該數位輸入訊號之頻率的N倍，該K為正整數，該N的值與該K個諧波的類型有關；以及一增益調整電路，用來調整該K個諧波的增益以產生K個增益調整諧波，其中該增益調整電路的參數是依據一類比輸出訊號而決定，該數位補償訊號是該K個增益調整諧波，或是依據該K個增益調整諧波所產生的K個相位調整諧波；一轉換電路，用來依據該數位輸入訊號與該數位補償訊號產生一類比輸入訊號；以及一類比輸出電路，用來依據該類比輸入訊號產生該類比輸出訊號。
  2. 一種諧波補償裝置，包含：一諧波補償器，用來依據一數位輸入訊號產生一數位補償訊號，其中該數位補償訊號包含該數位輸入訊號的諧波；一轉換電路，用來依據該數位輸入訊號與該數位補償訊號產生一類比輸入訊號，該轉換電路包含：一數位至類比轉換器，用來依據該數位輸入訊號產生一第一類比輸入訊號以及依據該數位補償訊號產生一第二類比輸入訊號；以及一混波器，用來依據該第一類比輸入訊號與該第二類比輸入訊號產生該類比輸入訊號；以及一類比輸出電路，用來依據該類比輸入訊號產生一類比輸出訊號。
  3. 一種諧波補償裝置，包含：一諧波補償器，用來依據一數位輸入訊號產生一數位補償訊號，其中該數位補償訊號包含該數位輸入訊號的諧波；一轉換電路，用來依據該數位輸入訊號與該數位補償訊號產生一類比輸入訊號；一類比輸出電路，用來依據該類比輸入訊號產生一類比輸出訊號；以及一量測電路，用來量測該類比輸出訊號的諧波失真，以產生至少一調整訊號用來設定該諧波補償器的參數，其中該諧波補償裝置是一積體電路。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之諧波補償裝置，其中該量測電路包含：一類比至數位轉換器，用來依據該類比輸出訊號產生一數位回授訊號；以及一處理電路，用來依據該數位回授訊號與該數位輸入訊號產生該調整訊號。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之諧波補償裝置，其中該諧波補償器包含：一相位調整電路，用來依據該K個增益調整諧波產生該K個相位調整諧波作為該數位補償訊號，其中該相位調整電路之參數是依據該類比輸出訊號而決定。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之諧波補償裝置，進一步包含：一延遲電路，用來延遲該數位輸入訊號以輸出一延遲數位輸入訊號給該轉換電路，其中該延遲電路的延遲量是依據該諧波補償器所引起的傳輸延遲而決定。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之諧波補償裝置，其中該延遲電路的延遲量是依據該諧波補償器所引起的傳輸延遲以及該類比輸出訊號而決定，且該數位補償訊號是該K個增益調整諧波。
  8. 如申請專利範圍第2項或第3項所述之諧波補償裝置，進一步包含：一延遲電路，用來延遲該數位輸入訊號以輸出一延遲數位輸入訊號給該轉換電路，其中該延遲電路的延遲量是依據該諧波補償器所引起的傳輸延遲而決定。
  9. 如申請專利範圍第1項、第2項、或第3項所述之諧波補償裝置，其中該數位輸入訊號是一單頻訊號。
  10. 如申請專利範圍第9項所述之諧波補償裝置，其中該單頻訊號源自於一無線通訊裝置或是一音訊裝置。
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