專利名稱：多級(jí)抽選過濾器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于對(duì)輸入的模擬信號(hào)進(jìn)行附加抽樣(oversample)的A/D轉(zhuǎn)換器中的抽選過濾器。更具體的，本發(fā)明涉及一種多級(jí)抽選過濾器，其利用級(jí)連的梳狀濾波器和一零插入過濾器以提供阻帶內(nèi)的高衰減，從而有效地抑制量化噪聲和衰減帶外噪聲，并提供通帶和阻帶之間的陡峭過渡。
背景技術(shù)：
在音頻設(shè)計(jì)和不同類型的信號(hào)處理中，通常在—以遠(yuǎn)高于奈奎斯特速率的速率對(duì)信號(hào)進(jìn)行抽樣的A/D轉(zhuǎn)換器中才使用A/D調(diào)制器，以便獲得一高分辨率的A/D轉(zhuǎn)換器，因?yàn)楸娝苤?，奈奎斯特速率A/D轉(zhuǎn)換器的分辨率受來自該A/D調(diào)制器的數(shù)字部分的噪音注入的限制，該噪音被混疊進(jìn)入通帶。此外，奈奎斯特速率A/D轉(zhuǎn)換器要求有效的反混疊過濾器、高性能的抽樣、保持電路和無顫動(dòng)的定時(shí)。
以遠(yuǎn)高于奈奎斯特速率的速率對(duì)模擬輸入信號(hào)進(jìn)行抽樣的A/D調(diào)制器被稱為附加抽樣A/D調(diào)制器。盡管已知有不同類型的附加抽樣A/D調(diào)制器，但一種廣為使用的附加抽樣A/D調(diào)制器為德爾塔-西格馬(delta-sigma)調(diào)制器。通常使用該delta-sigma調(diào)制器是因?yàn)槠淇刹捎孟鄬?duì)簡單且具有高耐受性的模擬元件實(shí)現(xiàn)，且同時(shí)由于該delta-sigma調(diào)制器通常采用一位量化而保持良好的線性。
在該A/D轉(zhuǎn)換器中，該A/D調(diào)制器以遠(yuǎn)高于奈奎斯特速率的速率對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行附加抽樣，從而形成短的數(shù)字字，該抽選器輸入這些短字，并以奈奎斯特速率對(duì)它們進(jìn)行下抽樣(down sample)以形成較長字的輸出。本專業(yè)技術(shù)人員熟知并理解在奈奎斯特速率下的信號(hào)處理，因此這里不再詳細(xì)描述，然而應(yīng)當(dāng)理解，奈奎斯特速率是用于被抽樣信號(hào)的截止頻率的兩倍。
因?yàn)楦郊映闃覣/D調(diào)制器的抽樣速率需要復(fù)雜的電路來進(jìn)行信號(hào)處理，因此，為提供一能夠被更容易地進(jìn)行處理的抽樣速率，通常要由一抽選過濾器對(duì)來自該A/D調(diào)制器的位流進(jìn)行抽選。該抽選的下抽樣階D為下抽樣頻率Fs與奈奎斯特頻率Fn的比值。對(duì)于使用一附加抽樣A/D調(diào)制器的A/D轉(zhuǎn)換器，為避免在該A/D轉(zhuǎn)換器前端使用一反混疊模擬濾波器，該抽選過濾器應(yīng)能夠在通帶和阻帶之間進(jìn)行陡峭過渡。此外，該抽選過濾器還應(yīng)抑制或衰減噪聲。
典型地，該抽選過濾器必需抑制或衰減兩種類型的噪聲。這兩種類型的噪聲為量化噪聲和帶外噪聲或信號(hào)。量化噪聲由A/D調(diào)制器在將模擬輸入轉(zhuǎn)換為數(shù)字輸出的過程中產(chǎn)生，且本專業(yè)技術(shù)人員將其看作一誤差信號(hào)。通常，在基帶位置，量化噪聲非常小，而在高于基帶的較高頻帶內(nèi)，量化噪聲會(huì)變得非常嚴(yán)重。帶外噪聲和信號(hào)是在所選頻率范圍之外的頻率處產(chǎn)生的信號(hào)，該所選頻率范圍內(nèi)的模擬信號(hào)被轉(zhuǎn)換為一數(shù)字信號(hào)。
為滿足該抽選過濾器中的這些標(biāo)準(zhǔn)，單級(jí)有限脈沖響應(yīng)過濾器(FIR)或單級(jí)無限脈沖響應(yīng)過濾器(IIF)會(huì)顯得非常復(fù)雜且難以實(shí)現(xiàn)。在1990年5月的IEEE論文集ISCAS’90，pp3279-3282，名稱為“使用兩極四階調(diào)制器的附加抽樣的delta-sigma轉(zhuǎn)換器電路”中，Karema等人提出了一種多級(jí)、多速率抽選過濾器作為實(shí)現(xiàn)該抽選過濾器的有效方式。
Karema等人公開了一種兩級(jí)抽選過濾器。該抽選過濾器的第一級(jí)使用了長度為D0、D0+1或D0+2的級(jí)連梳狀濾波器，用于附加抽樣位流達(dá)2Fn或4Fn的抽選。本專業(yè)技術(shù)人員都會(huì)理解，長度D0是第一級(jí)的下抽樣階，通常等于D/4或D/2。如上所述，D代表該抽選總的下抽樣階，等于Fs與Fn的比值。該級(jí)連梳狀濾波器相對(duì)比較簡單且提供阻帶內(nèi)的衰減。該抽選過濾器的第二級(jí)為四分之一譜帶或半譜帶過濾器，其對(duì)阻帶的限制相對(duì)較少，但要求陡峭的過渡。該抽選過濾器的第二級(jí)實(shí)現(xiàn)起來比第一級(jí)更復(fù)雜。
盡管已知的抽選過濾器在阻帶范圍內(nèi)提供了一定量的衰減，在通帶和阻帶之間的過渡具有一定的陡峭性，但與現(xiàn)有技術(shù)相比，在阻帶范圍內(nèi)仍需更大的衰減，在通帶和阻帶之間的過渡需要更加陡峭。此外，還要求以非常有效的方式實(shí)現(xiàn)該抽選過濾器，以降低該抽選過濾器在集成電路中所需的硅面積。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明，一抽選器被用作一在該抽選過濾器的阻帶具有高衰減且在其阻帶和通帶之間能夠陡峭過渡的過濾器。實(shí)現(xiàn)該抽選器的過濾器所具有的阻帶內(nèi)高衰減及阻帶和通帶之間陡峭過渡的特性被用于防止在由該抽選器對(duì)自A/D調(diào)制器的高抽樣率輸出進(jìn)行下抽樣之后，量化噪聲和帶外噪聲或信號(hào)混疊返入基帶。
根據(jù)本發(fā)明，一抽選器包括一零插入過濾器，其具有一輸入和輸出，其中，該輸入形成該抽選過濾器的一個(gè)輸入。該零插入過濾器的輸入為一以1.28MHz附加抽樣的1比特輸入流。該零插入過濾器的輸出為一抽樣率為1.28MHz的6位字。該零插入過濾器的輸出與四個(gè)級(jí)連的梳狀過濾器連接，所述梳狀過濾器具有一第一累加級(jí)和第二級(jí)，該第二級(jí)具有第一微分電路部分和第二微分電路部分，所述第一級(jí)具有一輸入和輸出，該輸入與所述零插入過濾器的輸出連接，所述第一微分電路部分具有一輸入和輸出，該輸入與所述第一級(jí)的輸出連接，且所述第二微分電路部分具有一輸入和輸出，該輸入與所述第一微分電路部分的輸出連接。在第一累加級(jí)中進(jìn)行因子為32的下抽樣以提供抽樣率為40KHz的31位字。在第二級(jí)的第一微分電路部分中進(jìn)行因子為2的下抽樣以提供抽樣率為20KHz的31位字。第二級(jí)的第二微分電路部分的輸出是抽樣率為20KHz的26位字。一頻率整形過濾器具有一輸入和輸出，該輸入與所述第二微分電路部分的輸出連接，其執(zhí)行26位加法和減法以提供16位的輸出，用于形成該抽選過濾器的輸出。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，所述零插入過濾器包括一串行移位寄存器和一加法器。該串行移位寄存器被實(shí)現(xiàn)為一四相延遲線，用以降低在該串行移位寄存器中，一給定延遲時(shí)間周期數(shù)所需的存儲(chǔ)單元數(shù)。在用于串行移位寄存器的四相延遲線中，有若干存儲(chǔ)單元，其被依次分為3個(gè)存儲(chǔ)單元為一組的若干組。在每三個(gè)存儲(chǔ)單元的一組之后，放置一自由存儲(chǔ)單元。四個(gè)互不重疊的時(shí)針信號(hào)CLK0、CLK1、CLK2、CLK3分別被提供給該每個(gè)存儲(chǔ)單元和所述自由存儲(chǔ)單元。通過采用四相延遲線而不是更為通用的兩相延遲線來實(shí)現(xiàn)該串行移位寄存器，可大大降低實(shí)現(xiàn)該串行移位寄存器所需的集成電路的面積，其中所述兩相延遲線在每個(gè)存儲(chǔ)單元之間包括一自由存儲(chǔ)單元。


圖1A所示為根據(jù)本發(fā)明的包括一零插入過濾器、級(jí)連梳狀過濾器和一頻率整形過濾器的抽選過濾器的方框圖。
圖1B為示出根據(jù)本發(fā)明的圖1A的抽選過濾器的傳遞函數(shù)的方框圖。
圖2所示為根據(jù)本發(fā)明的一適用的零插入過濾器的方框圖。
圖3A為根據(jù)本發(fā)明的級(jí)連梳狀過濾器的第一級(jí)的信號(hào)流程圖。
圖3B為根據(jù)本發(fā)明的級(jí)連梳狀過濾器的第二級(jí)的第一部分的信號(hào)流程圖。
圖3C為根據(jù)本發(fā)明的級(jí)連梳狀過濾器的第二級(jí)的第二部分的信號(hào)流程圖。
圖4為根據(jù)本發(fā)明的頻率整形過濾器的信號(hào)流程圖。
圖5為根據(jù)本發(fā)明的抽選過濾器響應(yīng)于來自第三階A/D調(diào)制器的4KHz信號(hào)的輸出表。
具體實(shí)施例方式
本專業(yè)普通技術(shù)人員將會(huì)意識(shí)到本發(fā)明的以下描述僅用于示例的目的而決不是限定性的。本專業(yè)技術(shù)人員會(huì)容意地聯(lián)想到本發(fā)明其它一些實(shí)施例。
根據(jù)本發(fā)明，這里公開了一種適合于和A/D轉(zhuǎn)換器中的附加抽樣A/D調(diào)制器一起使用的抽選器。該抽選器被用作一在該抽選過濾器的阻帶具有高衰減且在其阻帶和通帶之間可陡峭過渡的過濾器。根據(jù)本發(fā)明，實(shí)現(xiàn)該抽選器的過濾器所具有的阻帶內(nèi)高衰減和在阻、通帶之間可陡峭過渡的特性被用于防止在由該抽選器對(duì)自A/D調(diào)制器的高抽樣率輸出進(jìn)行下抽樣之后，量化噪聲和帶外噪聲或信號(hào)混疊返入基帶。
現(xiàn)在轉(zhuǎn)到圖1A和1B，其示出根據(jù)本發(fā)明的抽選過濾器10的方框圖。在抽選過濾器10中，被以1.28MHz的頻率抽樣并從A/D調(diào)制器輸出的數(shù)字信號(hào)Fs被送進(jìn)一零插入過濾器12。零插入過濾器12的輸出被以1.28MHz的頻率輸入到級(jí)連梳狀過濾器14。當(dāng)該數(shù)字信號(hào)經(jīng)過該級(jí)連梳狀過濾器14時(shí)，該數(shù)字信號(hào)被下抽樣至20KHz。該級(jí)連梳狀過濾器14的輸出被送進(jìn)一頻率整形過濾器16。該頻率整形過濾器的輸出為一頻率為奈奎斯特頻率的數(shù)字信號(hào)Fn。由于附加抽樣頻率Fs為1.28MHz而奈奎斯特頻率Fn為20KHz，所以該抽選過濾器10的抽選階為64。該零插入過濾器12、級(jí)連梳狀過濾器14和頻率整形過濾器16共同形成該抽選過濾器10的過濾器特性。
該零插入過濾器12被用于提供在阻帶和通帶之間更陡峭的過渡。該零插入過濾器12通過在截止頻率周圍增加零點(diǎn)來實(shí)現(xiàn)通帶和阻帶之間更加陡峭的過渡。由該零插入過濾器12所提供的附加零點(diǎn)使該過濾器在截止頻率周圍獲得凹槽。根據(jù)本發(fā)明，該該零插入過濾器12的傳遞函數(shù)可表示如下H(Z)Πi=0mZ-M1]]>為獲得高于90dB的動(dòng)態(tài)范圍，可對(duì)該零插入過濾器12的傳遞函數(shù)的參數(shù)進(jìn)行如下選擇m＝3、M0＝51、M1＝37、M2＝29、M3＝20。相應(yīng)地，該傳遞函數(shù)可由下式來表示(1+Z-51)(1+Z-37)(1+Z-29)(1+Z-20)該零插入過濾器12的傳遞函數(shù)的實(shí)現(xiàn)示于圖2。該零插入過濾器12包括一138位串行移位寄存器18和一加法器20。加法器20的6位輸出作為該零插入過濾器12的輸出。根據(jù)本發(fā)明，138位串行移位寄存器18被實(shí)現(xiàn)為一四相延遲線，以降低在該138位串行移位寄存器中一給定延遲時(shí)間周期數(shù)所需的存儲(chǔ)單元數(shù)。應(yīng)當(dāng)理解，本專業(yè)普通技術(shù)人員還知曉該零插入過濾器12的其它實(shí)現(xiàn)方式。
在用該138位串行移位寄存器18的四相延遲線中，有138個(gè)存儲(chǔ)單元，標(biāo)號(hào)為Z0至Z-137。這138個(gè)存儲(chǔ)單元依次被分成每三個(gè)存儲(chǔ)單元22-1、22-2和22-3一組。該每三個(gè)存儲(chǔ)單元22-1、22-2和22-3的一組之后，設(shè)置一自由存儲(chǔ)單元24，標(biāo)號(hào)為X。(在單元Z-137之后沒有自由存儲(chǔ)單元X，因?yàn)閿?shù)據(jù)被從該存儲(chǔ)寄存器18移出。)四個(gè)不重疊的時(shí)針信號(hào)CLK0、CLK1、CLK2、CLK3分別被提供給該每個(gè)存儲(chǔ)單元22-3、22-2和22-1和所述自由存儲(chǔ)單元。通過采用四相延遲線而不是更為通用的兩相延遲線來實(shí)現(xiàn)該138位串行移位寄存器18，可大大降低實(shí)現(xiàn)該138位串行移位寄存器18所需的集成電路的面積，其中所述兩相延遲線在每個(gè)存儲(chǔ)單元之間包括一自由存儲(chǔ)單元。
在該移位寄存器18的操作過程中，四個(gè)互不重疊的時(shí)針信號(hào)CLK0、CLK1、CLK2、CLK3分別被提供給該存儲(chǔ)單元22-3、22-2和22-1和自由存儲(chǔ)單元24。首先，CLK0信號(hào)將存儲(chǔ)單元22-3的內(nèi)容移入自由存儲(chǔ)單元24。接著，CLK1信號(hào)將存儲(chǔ)單元22-2的內(nèi)容移入存儲(chǔ)單元22-3。接著，CLK2信號(hào)將存儲(chǔ)單元22-1的內(nèi)容移入存儲(chǔ)單元22-2。最后，CLK3信號(hào)將自由存儲(chǔ)單元24的內(nèi)容移入存儲(chǔ)單元22-1。在加法器20中對(duì)與相應(yīng)的存儲(chǔ)單元22-1、22-2和22-3有關(guān)的位b0、b20、b29、b37、b49、b51、b57、b66、b71、b80、b86、b88、b100、b108、b117和b137求和，以獲得該零插入過濾器12的六位輸出，圖中示出了作為示例的與標(biāo)號(hào)為Z0的存儲(chǔ)單元相關(guān)的b0位。
級(jí)連梳狀過濾器14的傳遞函數(shù)可表示如下H(Z)=Πi=0n1-Z-N11-Z-1]]>為獲得高于90dB的動(dòng)態(tài)范圍，可對(duì)該四個(gè)梳狀過濾器14的傳遞函數(shù)的參數(shù)進(jìn)行如下選擇n＝3、N0＝64，且N1＝N2＝N3＝96。N0＝64，意味著第一梳狀過濾器的長度為64，N1＝N2＝N3＝96，意味著第二、第三和第四梳狀過濾器的長度均為96。應(yīng)該知道，該四個(gè)級(jí)連梳狀過濾器的長度每一個(gè)都遠(yuǎn)大于以前所采用的梳狀過濾器的長度D0。根據(jù)本發(fā)明，該梳狀過濾器14的實(shí)現(xiàn)分為兩極14-1和14-2。
該級(jí)連梳狀過濾器14的第一級(jí)14-1實(shí)現(xiàn)該級(jí)連梳狀過濾器14的傳遞函數(shù)的分母，其輸入為零插入過濾器12的6位輸出。一執(zhí)行頻率為1.28MHz的31位模數(shù)累加器實(shí)現(xiàn)以下表達(dá)式1(1-Z-1)4]]>圖3A示出實(shí)現(xiàn)第一級(jí)14-1的信號(hào)流程圖。在該信號(hào)流程圖中，信號(hào)抽樣延遲由Z-1表示。在本技術(shù)領(lǐng)域中，圖3A所示的第一級(jí)14-1的信號(hào)流程圖的其它不同的電路實(shí)現(xiàn)方式是眾所周知的，這里將不再進(jìn)行描述，以免使對(duì)本發(fā)明的講解過于復(fù)雜并掩蓋本發(fā)明。第一級(jí)14-1的輸出為32位字，其被進(jìn)行因子為32的下抽樣，以便每第32位字被選作該第二級(jí)14-2的一個(gè)輸入。
該級(jí)連梳狀過濾器14的第二級(jí)14-2實(shí)現(xiàn)該級(jí)連梳狀過濾器14的傳遞函數(shù)的分子，其被分成兩個(gè)部分14-2-1和14-2-2。由于該級(jí)連梳狀過濾器14的第一級(jí)14-1和第二級(jí)14-2之間的下抽樣，該級(jí)連梳狀過濾器14的第二級(jí)14-2的第一部分14-2-1以40KHz的頻率對(duì)31位進(jìn)行操作。該級(jí)連梳狀過濾器14的第二級(jí)14-2的第一部分14-2-1可實(shí)現(xiàn)以下表達(dá)式(1-Z-3)(1-Z-3)(1-Z-3)圖3B示出實(shí)現(xiàn)第二級(jí)14-2的第一部分14-2-1的信號(hào)流程圖。在該信號(hào)流程圖中，信號(hào)抽樣延遲由Z-1表示。在本技術(shù)領(lǐng)域中，圖3B所示的第二級(jí)14-2的第一部分14-2-1的信號(hào)流程圖的其它不同的電路實(shí)現(xiàn)方式是眾所周知的，這里將不再進(jìn)行描述，以免使對(duì)本發(fā)明的講解過于復(fù)雜并掩蓋本發(fā)明。
該級(jí)連梳狀過濾器14的第二級(jí)14-2的第一部分14-2-1的輸出為31位字，其被進(jìn)行因子為2的下抽樣，使得每第32位字被選作該級(jí)連梳狀過濾器14的第二級(jí)14-2的第二部分14-2-2的一個(gè)輸入。該第二級(jí)14-2的第二部分14-2-2以20KHz的頻率對(duì)31位進(jìn)行操作。該級(jí)連梳狀過濾器14的第二級(jí)14-2的第二部分14-2-2可實(shí)現(xiàn)以下表達(dá)式(1-Z-1)
圖3C示出實(shí)現(xiàn)該第二級(jí)14-2的第二部分14-2-2的信號(hào)流程圖。在該信號(hào)流程圖中，信號(hào)抽樣延遲由Z-3表示。在本技術(shù)領(lǐng)域中，圖3C所示的第二級(jí)14-2的第二部分14-2-2的信號(hào)流程圖的其它不同的電路實(shí)現(xiàn)方式是眾所周知的，這里將不再進(jìn)行描述，以免使對(duì)本發(fā)明的講解過于復(fù)雜并掩蓋本發(fā)明。
已知級(jí)連梳狀過濾器或者采用長度較長的梳狀過濾器都能提高一濾波器的阻帶內(nèi)的衰減，并改進(jìn)在通帶和阻帶之間過渡的陡峭程度。然而，與上述采用其后跟隨一半譜帶或四分之一譜帶過濾器的相同長度如D0、D0+1或D0+2的梳狀過濾器的已有技術(shù)不同，本發(fā)明的級(jí)連梳狀過濾器14采用更長的長度，大約為D至2D，而且沒有附加的半譜帶或四分之一譜帶過濾器。根據(jù)本發(fā)明的級(jí)連梳狀過濾器14中的梳狀過濾器可以具有相同的長度或不同的長度。
該頻率整形過濾器16以20KHz的頻率對(duì)26位輸入進(jìn)行操作，該輸入來自該級(jí)連梳狀過濾器14的第二級(jí)14-2的第二部分14-2-2的輸出。該頻率整形過濾器16執(zhí)行26位加減運(yùn)算以形成20KHz的16位輸出。該頻率整形過濾器16完成以下傳遞函數(shù)H(Z)=(1-Z-1)(1-0.5Z-1)(1-(1-2-5)Z-1)(1+0.5Z-1)]]>圖4示出實(shí)現(xiàn)該頻率整形過濾器16的信號(hào)流程圖。在本技術(shù)領(lǐng)域中，圖4所示的頻率整形過濾器16的信號(hào)流程圖的其它不同的電路實(shí)現(xiàn)方式是眾所周知的，這里將不再進(jìn)行描述，以免使對(duì)本發(fā)明的講解過于復(fù)雜并掩蓋本發(fā)明。
在圖5中，示出了根據(jù)本發(fā)明的抽選過濾器10響應(yīng)于來自第三階A/D調(diào)制器的4KHz信號(hào)的輸出。由圖5所示的輸出頻譜，通過在整個(gè)基帶范圍內(nèi)集成該噪聲，可確定信噪比為93dB。
盡管已示出并描述了本發(fā)明的實(shí)施例和應(yīng)用，但對(duì)本專業(yè)技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的情況下，可進(jìn)行比以上所述更多的改進(jìn)。然而本發(fā)明僅由后附的權(quán)利要求的精神所限定。
權(quán)利要求
1.一種抽選過濾器，包括一零插入過濾器，其具有一輸入和輸出，所述輸入形成所述抽選過濾器的一個(gè)輸入；一級(jí)連梳狀濾波器，其具有第一累加級(jí)和第二級(jí)，該第二級(jí)具有第一微分電路部分和第二微分電路部分，所述第一級(jí)具有一輸入和輸出，所述輸入與所述零插入過濾器的所述輸出連接，所述第一微分電路部分具有一輸入和輸出，所述輸入與所述第一級(jí)的所述輸出連接，且所述第二微分電路部分具有一輸入和輸出，所述輸入與所述第一微分電路部分的所述輸出連接；和一頻率整形過濾器，其具有一輸入和輸出，所述輸入與所述第二微分電路部分的所述輸出連接且所述輸出形成所述抽選過濾器的一個(gè)輸出。
全文摘要
一種抽選過濾器,包括一零插入過濾器,具有一輸入和輸出,其中,所述輸入形成該抽選過濾器的一個(gè)輸入;一級(jí)連的梳狀濾波器,具有第一累加級(jí)和第二級(jí),該第二級(jí)具有第一微分電路部分和第二微分電路部分,所述第一級(jí)具有一輸入和輸出,所述輸入與所述零插入過濾器的輸出連接,所述第一微分電路部分具有一輸入和輸出,所述輸入與所述第一級(jí)的輸出連接,且所述第二微分電路部分具有一輸入和輸出,所述輸入與所述第一微分電路部分的輸出連接;和一頻率整形過濾器,其具有一輸入和輸出,所述輸入與所述第二微分電路部分的輸出連接且所述輸出形成該抽選過濾器的一個(gè)輸出。
文檔編號(hào)H03H17/06GK1349682SQ00807204
公開日2002年5月15日 申請日期2000年3月29日 優(yōu)先權(quán)日1999年4月5日
發(fā)明者方曉凌, 黃乍源 申請人:聲波創(chuàng)新有限公司