數據轉換器中數字信號處理技術分析

李英華　原立格

摘要：數據轉換器中數字信號處理技術的研究首先要分析數據轉換器中應用數字信號處理技術是否符合下一代系統標準，而后說明三個有關數字增強轉換器的例子：時間交替模數轉換器、全數字鎖相環、預校正功率放大器。協同操作系統是將數據轉換器的形式擴展形成，擴展方向是一個包含數字與模擬前后處理單元。分析結果表明，要想獲得轉換器的最佳整體性能需要采用整體設計方法。

關鍵詞：數據轉換器 數字增強 信號處理

中圖分類號：TN911.7 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2016）06-0232-01

目前混合信號系統已經遍及所有的電子設備，電子設備都是有數據轉換器組成。現在由于模擬信號處理與數字信號處理界限已經模糊不清，與通常不在相同，所以就不在嚴格區分信號處理領域問題。現在信號處理系統正被研究者和電路設計者用心的理念開發改變以往的數字信號處理的便利及數字CMOS技術，數據轉換器的性能得到增強。市場需求的混合信號系統是推動基于數字信號處理技術的數據轉換器朝靈活和高性價比方向發展。移動設備的發展使得系統設計成本問題和功耗都是需要重要考慮。目前，低功耗系統可以實現都是有數字CMOS器件的應用和電源電壓降低所致。系統級對整個系統進行優化在電路及優化器之前可以進一步的降低功效。

1 數字增強數據轉換器

由于數字電路的設計已經達到很高的自動化水平而模擬集成路設計復雜，所以兩者之間存在著成本與功耗的差別。功耗方面可以通過對ADC滿足增加數字邏輯不會增加系統功效條件進行比較，由此可以證明數字增強數據換器可以在混合信號系統中廣泛使用。混合信號整體系統的優化可以通過數字增強數據轉換器實現。可利用系統知識對整體的設計方法來設計協同操作各模塊，并非是將功能模塊分立設計。

2 數字增強數據轉換器的例子

2.1 數字增強TI-ADC

TI-ADC包括許多個并行ADC，采樣通過時間交替方式。因此，通道都會周期性的采集樣值。高速的CMOS/ADC產品被采樣示波器、低功率的中速ADC及下一代通信系統中必不可少的時間交替來實現的。

TI-ADC多通道匹配作為關鍵，如果特性不同的通道就會出現多余的調制項在輸出譜中，無雜散動與降低音噪的范圍會顯著降低。增益失配、偏置失配、時間偏置失配三個失配通道會受到影響，其中校準最難的是時間偏置失配，時間偏置因為是實際采樣時間和理想采樣時間的一個確定時間差，所以它每個通道ADC時鐘信號的不同時間延遲與通道特性本身引起的信號延遲兩個方面影響。近代數字算法與模擬接口電路相結合是由于數字集成電路的巨大發展實現的，但是權衡兩者之間的功耗，時間偏置很小，利用這種特性要滿足更嚴格的要求就要開發新的高效算法。實際上更加困難的情況是辨識時間偏置失配，目前關注的方法只關注面向應用，例如TI-ADC在通信接收機的校準。

構建一個好的ADC就要利用數字增強和時間交替，但采用的方法必須是整體的設計方法：即獲得實用的算法通過考慮整個系統來找到數字與模擬信號處理之間的最佳權衡。

2.2 數字增強全數字鎖

數字增強全數字鎖結構中的關鍵器件是數控振蕩器，是傳統的壓控振蕩器的代替品。反饋回路將模擬震蕩信號轉化為數字相應信號。

全數字鎖相環有兩個基本的數據轉換器：數字量可被數控振蕩器轉化為模擬頻率的模擬震蕩信號；震蕩信號被轉化成數字相應信號由計數器與時間/數字轉換器一起在反饋回路完成，非均勻時鐘CKB頻率是來自反饋回路的數字信號形式與參考信號比較，目的是要數控振蕩器輸出頻率與參考時鐘頻率一致，因此計數器在CKR一個時鐘周期內以數控振蕩器輸出頻率累計，產生的數字相位信號整數精度強，且TDC精度通過比較CKV與REF之間時間差提高，單個變容二極管頻率變化范圍限制了它的頻率分辨率，影響范圍一般在20KHz。非理想的毛刺出現和噪聲增強是強量化導致的。將量化誤差移向較高的頻率是為了提高瞬時頻率分辨率。

全數字鎖相環可通過調制達到模擬鎖相環的性能。全數字鎖相環要超過模擬鎖相環可有數字信號處理技術達到。全數字鎖相環與模擬鎖相環相比性能更優及靈活性更高，但是系統性復雜性增加是一缺點，因此要充分展現其優點，電路設計者除了要有模擬電路設計技巧之外要有很深的系統級知識。

2.3 效率增強型射頻功率放大器

高功率射頻收發器的功率效率是無線基站中重要參數之一，因為它會影響到生產成本和運行成本。在接收端誤碼增加是由于功率放大器的非線性所引起的失真，這都是由放大器線性度與效率之間近似成反比，此外，臨近通道間強干擾會由非線性引起。但是為了降低接收端誤碼率以及特殊要求，功率放大器必須是線性的。

數字基帶預校正是最有效的線性化技術之一，數字預校正電路是一個功能模塊置于功率放大器之間，作用是為了補償射頻功率放大器非線性失真。數字預校正電路與射頻功率放大器可在理想情況下構成一個線性系統，因為涉及的知識有功率放大器及射頻信號處理、數據轉換和模擬信號處理及預校正和數字信號處理，所以采用方案必須是整體設計。

如輸入信號為寬帶時就要將功率放大器的存儲效應考慮你在內，才能夠獲得充分的線性特征，輸入信號為窄帶則不用考慮，只要實現前置補償器常用靜態非線性就可充分獲得線性特性。此時，功率放大器的輸出信號要取決于輸入信號的當前值與輸入信號的過去值。

射頻功率放大器的數字增強技術要進一步發展，只有將數字信號及功率放大器的輸出信號等所有部分一起考慮才有可能實現這一目的。

3 結語

本文介紹了在深亞微米電路技術中模擬信號可以用數字增強型數據轉換器進行處理。為了性能指標能夠嚴格的滿足，所以要將數據轉換器范圍擴大，擴大范圍要到包括數/模預處理和模/數后處理單元。整體設計方案的采用使以前相互獨立的模塊變得相互依賴，提高了性能，但是設計的復雜程度有所增加。目前的數據轉換器電路設計基本部分是數字信號處理，但這一發展已成為目前的趨勢。

參考文獻

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