一种基于矢量滤波DEM的频谱整形电路

一种基于矢量滤波dem的频谱整形电路
技术领域
1.本发明属于模拟集成电路设计领域，具体涉及一种基于矢量滤波dem的频谱整形电路。

背景技术：

2.多比特sigma-delta调制器比单比特sigma-delta调制器具有更好的稳定性和信噪比，多位dac的缺点是由于单位元件失配而不能保证线性度。为了解决这个问题，研究人员发展了基于最小值减法稳定的dem电路以及基于标准积分全反馈dem电路的用于失配整形的技术，虽然这些技术可以实现高过采样率下的失配整形，然而在高阶条件下的噪声和谐波抑制能力非常有限。比如，基于标准积分全反馈dem电路在加有谐振回路条件下不仅不能实现陷波来提高snr，而且失配整形的稳定性也将受到限制。基于最小值减法稳定的dem电路虽然可以在加有谐振回路条件下实现陷波，但是矢量滤波器的输出又很大，降低了硬件效率。

技术实现要素：

3.本发明的目的在于针对上述现有技术中的问题，提供一种基于矢量滤波dem的频谱整形电路，克服现有dem电路在高阶条件下的噪声和谐波抑制能力有限的问题，提供稳定的失配整形，并且提高snr，能够实现高硬件效率的矢量滤波和有界的积分器矢量输出。
4.为了实现上述目的，本发明有如下的技术方案：
5.一种基于矢量滤波dem的频谱整形电路，包括sigma-delta调制器、dem电路和多比特dac；所述dem电路包括矢量滤波器和矢量排序器，所述矢量滤波器包括2个i型积分器、2个ii型积分器、增益分别为k
g1
和k
g2
的2条谐振回路、增益分别为k1、k2、k3和1的4条前馈通路、3个数字加法器以及1个延时器z-1
；
6.由1个数字加法器与1个i型积分器、1个ii型积分器串联组成1条矢量滤波器支路，按此方式组成第一矢量滤波器支路与第二矢量滤波器支路并进行串联；所述第一矢量滤波器支路的ii型积分器输出端与其数字加法器之间连接增益为k
g1
的谐振回路，所述第二矢量滤波器支路的ii型积分器输出端与其数字加法器之间连接增益为k
g2
的谐振回路；2条矢量滤波器支路的i型积分器、ii型积分器输出信号连接至1个数字加法器，此数字加法器的输出信号发送至矢量排序器，矢量排序器经延时器z-1
连接至第一矢量滤波器支路的数字加法器；
7.所述sigma-delta调制器接收输入信号u(t)，所述sigma-delta调制器的输出信号v[n]发送到所述dem电路的矢量排序器，再经过dem电路的矢量滤波器处理之后，所述矢量排序器输出信号发送到所述多比特dac，所述多比特dac输出整形后的信号r(t)。
[0008]
作为本发明的一种优选方案，所述i型积分器包括2个数字加法器、一个延时器z-1
、一条增益为k
*
的标量负反馈回路以及一个矢量转标量加法器∑
vts
{}，所述2个数字加法器相串联，按信号流向分别为第一级数字加法器和第二级数字加法器，信号由第一级数字加
法器输入并由第二级数字加法器输出，所述矢量转标量加法器∑
vts
{}由2个数字加法器之间引出并经过所述增益为k
*
的标量负反馈回路连接至第二级数字加法器，所述第二级数字加法器的输出端经过延时器z-1
反馈连接至第一级数字加法器。
[0009]
作为本发明的一种优选方案，所述ii型积分器包括2个数字加法器、一个延时器z-1
、一条增益为k
*
的标量负反馈回路以及一个矢量转标量加法器∑
vts
{}，所述2个数字加法器相串联，按信号流向分别为第一级数字加法器和第二级数字加法器，信号由第一级数字加法器输入并由第二级数字加法器输出，延时器z-1
连接在2个数字加法器之间，所述矢量转标量加法器σ
vts
{}由延时器z-1
与第二级数字加法器之间引出并经过所述增益为k
*
的标量负反馈回路连接至第二级数字加法器，所述第二级数字加法器的输出端反馈连接至第一级数字加法器。
[0010]
作为本发明的一种优选方案，所述增益为k
*
的标量负反馈回路中的k
*
＝1/(2^n)。
[0011]
作为本发明的一种优选方案，所述dem电路中的矢量排序器以正反馈的方式反馈回矢量滤波器。
[0012]
作为本发明的一种优选方案，所述增益为k
g1
的谐振回路以负反馈的方式由第一矢量滤波器支路的ii型积分器输出端反馈回其数字加法器；所述增益为k
g2
的谐振回路以负反馈的方式由第二矢量滤波器支路的ii型积分器输出端反馈回其数字加法器。
[0013]
作为本发明的一种优选方案，所述第一矢量滤波器支路与第二矢量滤波器支路串联的i型积分器、ii型积分器按顺序编号，则第i-1级积分器的输出作为第i级积分器的输入；所述矢量排序器的输出信号与第i级积分器的输出信号都为n维向量，式中的i≥1且为整数。
[0014]
作为本发明的一种优选方案，所述sigma-delta调制器的阶数是任意的。
[0015]
作为本发明的一种优选方案，所述矢量排序器在任意时刻t＝nt，n为任意整数，t为dac采样周期，均满足以下表达式：
[0016][0017]
式中，svi[n]表示第i个dac单元的使能信号，v[n]为sigma delta调制器的输出，n为dac的单位元件数目。
[0018]
相较于现有技术，本发明至少具有如下的有益效果：
[0019]
与基于最小值减法稳定的dem电路相比，本发明dem电路中的矢量滤波器中每一级积分器的输出矢量均值保持恒定，从而提高了矢量滤波器的稳定性，并且极大地降低了dem的硬件位宽，提高了硬件效率。与基于最小值减法稳定的dem电路和基于标准积分全反馈dem电路相比，本发明频谱整形电路可以指数量级的减小反馈通路数目，从而降低设计复杂性。与基于标准积分全反馈dem电路相比，本发明频谱整形电路可以稳定工作在加有谐振回路的模式下，实现snr的提升和谐波失真的消除；与不加谐振回路的基于最小值减法稳定的dem电路和基于标准积分全反馈dem电路相比，本发明频谱整形电路可以获得更高的snr。
附图说明
[0020]
图1为本发明提出的一种基于矢量滤波dem的频谱整形电路的结构示意图；
[0021]
图2(a)为本发明提出的i型积分器结构示意图；
[0022]
图2(b)为本发明提出的ii型积分器结构示意图；
[0023]
图3为加谐振回路的条件下，基于标准积分全反馈dem电路和本发明电路的fft输出结果对比图；
[0024]
图4为基于标准积分全反馈dem电路和基于最小值减法稳定的dem电路和本发明电路fft输出结果对比图；
[0025]
图5为同样的矢量排序器的作用下，基于最小值减法稳定的dem电路和本发明频谱整形电路的矢量滤波器输出结果对比图：(a)基于最小值减法稳定的dem电路的矢量滤波器输出结果图；(b)本发明频谱整形电路的矢量滤波器输出结果图。
具体实施方式
[0026]
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明。
[0027]
本发明提出一种基于矢量滤波dem的频谱整形电路，相比于基于标准积分全反馈dem电路，本发明电路在加有谐振回路的条件下，不仅可以实现稳定工作，还可以提高snr，消除谐波失真。此外，本发明还开发了一种硬件高效的矢量滤波设计技术，相比于基于最小值减法稳定的dem电路，能实现矢量滤波器的矢量输出的平均值保持恒定有界，不仅提高了dem的稳定性，而且减小了矢量滤波器的位宽需求，提升了dem的硬件效率。
[0028]
参见图1，本发明实施例基于矢量滤波dem的频谱整形电路，包括sigma-delta调制器、dem电路和多比特dac。所述dem电路包括矢量滤波器和矢量排序器，所述矢量滤波器包括2个i型积分器、2个ii型积分器、增益分别为k
g1
和k
g2
的2条谐振回路、增益分别为k1、k2、k3和1的4条前馈通路、3个数字加法器以及1个延时器z-1
。
[0029]
由1个数字加法器与1个i型积分器、1个ii型积分器串联组成1条矢量滤波器支路，按此方式组成第一矢量滤波器支路与第二矢量滤波器支路并进行串联；所述第一矢量滤波器支路的ii型积分器输出端与其数字加法器之间连接增益为k
g1
的谐振回路，所述第二矢量滤波器支路的ii型积分器输出端与其数字加法器之间连接增益为k
g2
的谐振回路；2条矢量滤波器支路的i型积分器、ii型积分器输出信号连接至1个数字加法器，此数字加法器的输出信号发送至矢量排序器，矢量排序器经延时器z-1
连接至第一矢量滤波器支路的数字加法器。
[0030]
在一种可选的实施方式中，所述dem电路中的矢量排序器以正反馈的方式反馈回矢量滤波器。所述增益为k
g1
的谐振回路以负反馈的方式由第一矢量滤波器支路的ii型积分器输出端反馈回其数字加法器；所述增益为k
g2
的谐振回路以负反馈的方式由第二矢量滤波器支路的ii型积分器输出端反馈回其数字加法器。所述第一矢量滤波器支路与第二矢量滤波器支路串联的i型积分器、ii型积分器按顺序编号，则第i-1级积分器的输出作为第i级积分器的输入；所述矢量排序器的输出信号与第i级积分器的输出信号都为n维向量，式中的i≥1且为整数。所述sigma-delta调制器的阶数是任意的。所述矢量排序器在任意时刻t＝nt，n为任意整数，t为dac采样周期，均满足以下表达式：
[0031]
[0032]
式中，svi[n]表示第i个dac单元的使能信号，v[n]为sigma delta调制器的输出，n为dac的单位元件数目。
[0033]
所述sigma-delta调制器接收输入信号u(t)，所述sigma-delta调制器的输出信号v[n]发送到所述dem电路的矢量排序器，再经过dem电路的矢量滤波器处理之后，所述矢量排序器输出信号发送到所述多比特dac，所述多比特dac输出整形后的信号r(t)。
[0034]
参见图2(a)，本发明的i型积分器包括2个数字加法器、一个延时器z-1
、一条增益为k
*
的标量负反馈回路以及一个矢量转标量加法器σ
vts
{}，所述2个数字加法器相串联，按信号流向分别为第一级数字加法器和第二级数字加法器，信号由第一级数字加法器输入并由第二级数字加法器输出，所述矢量转标量加法器∑
vts
{}由2个数字加法器之间引出并经过所述增益为k
*
的标量负反馈回路连接至第二级数字加法器，所述第二级数字加法器的输出端经过延时器z-1
反馈连接至第一级数字加法器。本发明i型积分器的工作原理如下：
[0035][0036]
参见图2(b)，本发明的ii型积分器包括2个数字加法器、一个延时器z-1
、一条增益为k
*
的标量负反馈回路以及一个矢量转标量加法器∑
vts
{}，所述2个数字加法器相串联，按信号流向分别为第一级数字加法器和第二级数字加法器，信号由第一级数字加法器输入并由第二级数字加法器输出，延时器z-1
连接在2个数字加法器之间，所述矢量转标量加法器∑
vts
{}由延时器z-1
与第二级数字加法器之间引出并经过所述增益为k
*
的标量负反馈回路连接至第二级数字加法器，所述第二级数字加法器的输出端反馈连接至第一级数字加法器。
[0037]
本发明ii型积分器的工作原理如下：
[0038]
其中
[0039]
本发明频谱整形电路中的dem电路采用了谐振回路，因此，在矢量滤波器的幅频响应中产生陷波，从而降低了带内的噪声和谐波失真；通过设计新型的i型积分器和ii型积分器，可以实现矢量滤波器中每一级积分器的输出均值恒定，并且降低输出矢量的无穷范数，提高矢量滤波器的稳定性。
[0040]
在一种可选的实施方式中，增益为k
*
的标量负反馈回路中的k
*
＝1/(2^n)。
[0041]
本发明实施例的矢量滤波器可以使得矢量滤波器的输出矢量均值有界，能通过减小进入矢量排序器中的矢量的无穷范数，来极大地提高环路稳定性；并且能减小硬件位宽来提高了dem电路的硬件效率；提出的电路设计如下：
[0042]
根据图2(a)和图2(b)的两种积分器的工作方式，可以得出，当k
*
＝1/(2^n)时，i型积分器和ii型积分器的输出矢量的均值都为恒定值，因此无论积分器输入矢量的数目大小和输入矢量的数值大小，都可以保证矢量滤波器中的每一级的积分的输出矢量的均值恒定，从而实现整体矢量滤波器的输出矢量无穷范数减小，提高了环路的稳定性。
[0043]
本发明的频谱整形电路，相比于基于标准积分全反馈dem电路，可以稳定工作在加有谐振回路的模式下；因此，相比于基于标准积分全反馈dem电路，本发明可以在的输出频谱中引入陷波，进而对带宽内高频处的噪声进行抑制，从而提升了snr。
[0044]
图3为本发明的加谐振回路的条件下，基于标准积分全反馈dem电路和本发明电路
的fft输出结果对比图，从图3中可以看出，当引入2条谐振回路后，基于标准积分全反馈dem电路由于不稳定，而出现非常高的噪底和谐波失真；相比于基于标准积分全反馈dem电路，本发明的频谱整形电路可以稳定地工作，并且具有明显的陷波，因此，本发明的频谱整形电路实现了很低的噪底，并且消除了谐波失真，极大地提高了snr。
[0045]
本发明的频谱整形电路，相比于基于标准积分全反馈dem电路和基于最小值减法稳定的dem电路，本发明电路可以极大地提升snr。如图4所示，相比基于标准积分全反馈dem电路和基于最小值减法稳定的dem电路，本发明电路在带宽内的低频出具有更低的噪底，从而可以极大地抑制由于dac元件失配引入的噪声，从而提升了snr。
[0046]
图5为同样的矢量排序器的作用下，基于最小值减法稳定的dem电路和本发明频谱整形电路的矢量滤波器的输出结果对比图，从图5中的(a)和(b)图可以看出，基于最小值减法稳定的dem电路的矢量滤波器的输出较大，而本发明频谱整形电路的矢量滤波器的输出较小，从而减小了进入矢量排序器中的矢量的无穷范数，极大地提高了环路稳定性；并且，因为减小了硬件位宽，从而也提高了dem电路的硬件效率。
[0047]
本发明基于矢量滤波dem的频谱整形电路，对于m(m为任意整数)阶矢量滤波，相比于基于标准积分全反馈dem电路和基于最小值减法稳定的dem电路，本发明矢量滤波器的反馈通路数目得到了指数级别的减小。如图1所示，本发明中只需要2^n个反馈通路；然而，基于标准积分全反馈dem电路和基于最小值减法稳定的dem电路需要4*(2^n)条反馈通路。因此，本发明可以极大地减小反馈通路数目，并且降低设计复杂性。
[0048]
本发明所提出的基于矢量滤波dem的频谱整形电路，相比于基于最小值减法稳定的dem电路和基于标准积分全反馈dem电路，本发明有三个重要提升：1)相比于基于最小值减法稳定的dem电路，本发明矢量滤波器中每一级积分器的输出矢量均值保持恒定，从而提高了矢量滤波器的稳定性，并且极大地降低了dem的硬件位宽，提高了硬件效率；2)相比于基于最小值减法稳定的dem电路和基于标准积分全反馈dem电路，本发明的频谱整形电路可以指数量级的减小反馈通路数目，从而降低设计复杂性。3)相比于基于标准积分全反馈dem电路，本发明的频谱整形电路可以稳定工作在加有谐振回路的模式下，实现snr的提升和谐波失真的消除；4)相比于不加谐振回路的基于最小值减法稳定的dem电路和基于标准积分全反馈dem电路，本发明的频谱整形电路可以获得更高的snr。
[0049]
以上所述实施例仅用以说明本技术的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本技术进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本技术各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本技术的保护范围之内。

技术特征：

1.一种基于矢量滤波dem的频谱整形电路，其特征在于，包括sigma-delta调制器、dem电路和多比特dac；所述dem电路包括矢量滤波器和矢量排序器，所述矢量滤波器包括2个i型积分器、2个ii型积分器、增益分别为k
g1
和k
g2
的2条谐振回路、增益分别为k1、k2、k3和1的4条前馈通路、3个数字加法器以及1个延时器z-1
；由1个数字加法器与1个i型积分器、1个ii型积分器串联组成1条矢量滤波器支路，按此方式组成第一矢量滤波器支路与第二矢量滤波器支路并进行串联；所述第一矢量滤波器支路的ii型积分器输出端与其数字加法器之间连接增益为k
g1
的谐振回路，所述第二矢量滤波器支路的ii型积分器输出端与其数字加法器之间连接增益为k
g2
的谐振回路；2条矢量滤波器支路的i型积分器、ii型积分器输出信号连接至1个数字加法器，此数字加法器的输出信号发送至矢量排序器，矢量排序器经延时器z-1
连接至第一矢量滤波器支路的数字加法器；所述sigma-delta调制器接收输入信号u(t)，所述sigma-delta调制器的输出信号v[n]发送到所述dem电路的矢量排序器，再经过dem电路的矢量滤波器处理之后，所述矢量排序器输出信号发送到所述多比特dac，所述多比特dac输出整形后的信号r(t)。2.根据权利要求1所述基于矢量滤波dem的频谱整形电路，其特征在于，所述i型积分器包括2个数字加法器、一个延时器z-1
、一条增益为k
*
的标量负反馈回路以及一个矢量转标量加法器∑
vts
{}，所述2个数字加法器相串联，按信号流向分别为第一级数字加法器和第二级数字加法器，信号由第一级数字加法器输入并由第二级数字加法器输出，矢量转标量加法器∑
vts
{}由2个数字加法器之间引出并经过所述增益为k
*
的标量负反馈回路连接至第二级数字加法器，所述第二级数字加法器的输出端经过延时器z-1
反馈连接至第一级数字加法器。3.根据权利要求2所述基于矢量滤波dem的频谱整形电路，其特征在于，所述ii型积分器包括2个数字加法器、一个延时器z-1
、一条增益为k
*
的标量负反馈回路以及一个矢量转标量加法器∑
vts
{}，所述2个数字加法器相串联，按信号流向分别为第一级数字加法器和第二级数字加法器，信号由第一级数字加法器输入并由第二级数字加法器输出，延时器z-1
连接在2个数字加法器之间，所述矢量转标量加法器σ
vts
{}由延时器z-1
与第二级数字加法器之间引出并经过所述增益为k
*
的标量负反馈回路连接至第二级数字加法器，所述第二级数字加法器的输出端反馈连接至第一级数字加法器。4.根据权利要求3所述基于矢量滤波dem的频谱整形电路，其特征在于，所述增益为k
*
的标量负反馈回路中的k
*
＝1/(2^n)。5.根据权利要求1所述基于矢量滤波dem的频谱整形电路，其特征在于，所述dem电路中的矢量排序器以正反馈的方式反馈回矢量滤波器。6.根据权利要求5所述基于矢量滤波dem的频谱整形电路，其特征在于，所述增益为k
g1
的谐振回路以负反馈的方式由第一矢量滤波器支路的ii型积分器输出端反馈回其数字加法器；所述增益为k
g2
的谐振回路以负反馈的方式由第二矢量滤波器支路的ii型积分器输出端反馈回其数字加法器。7.根据权利要求1所述基于矢量滤波dem的频谱整形电路，其特征在于，所述第一矢量滤波器支路与第二矢量滤波器支路串联的i型积分器、ii型积分器按顺序编号，则第i-1级积分器的输出作为第i级积分器的输入；所述矢量排序器的输出信号与第i级
积分器的输出信号都为n维向量，式中的i≥1且为整数。8.根据权利要求1所述基于矢量滤波dem的频谱整形电路，其特征在于，所述sigma-delta调制器的阶数是任意的。9.根据权利要求1所述基于矢量滤波dem的频谱整形电路，其特征在于，所述矢量排序器在任意时刻t＝nt，n为任意整数，t为dac采样周期，均满足以下表达式：式中，sv
i
[n]表示第i个dac单元的使能信号，v[n]为sigma delta调制器的输出，n为dac的单位元件数目。

技术总结

一种基于矢量滤波DEM的频谱整形电路，包括Sigma-Delta调制器、DEM电路和多比特DAC；所述DEM电路包括矢量滤波器和矢量排序器，矢量滤波器包括2个I型积分器、2个II型积分器、增益分别为K

技术研发人员：

张国和 常科 邢乾 王冉

受保护的技术使用者：

西安交通大学

技术研发日：

2022.07.06

技术公布日：

2022/11/8