一种采用采样量化电路的压缩采样模数转换器的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种采用采样量化电路的压缩采样模数转换器，属于混合信号集成电 路设计技术领域。
【背景技术】
[0002] 模数转换器(Analog-to-Digital Converter，以下简称ADC)的基本思想是将连续 的一定范围内的模拟信号，通过采样、保持、量化、编码的步骤，用特定的方式进行量化，将 量化结果用一组特定的数字编码来表示，并使之作为数字处理系统的输入信号。传统的模 数转换器受到奈奎斯特(Nyquist)采样定理的限制，必须以高于处理信号带宽二倍的频率 对信号进行采样，因此高频信号处理方面的应用对ADC的性能提出了更高的要求，受制于工 艺等因素，目前量化器的速度与精度无法与当前数字处理系统所处理的信息要求相匹配。
[0003] 自然界的信息通常包含大量冗余，具有较高的可压缩性，传统的处理方法中在模 数转换阶段依据Nyqui st采样定理对信息进行完全采集，再输入到数字系统进行压缩，然后 对压缩的结果进行传输或者存储。但是这种方式存在一定缺陷，即中间环节包含大量冗余 信息的处理过程，而且需要引入额外的数字系统进行压缩编码，增加了硬件实现的成本。
[0004] 压缩采样理论在2006年由Candes和Donoho等人提出，其核心思想是针对自然界的 信号通常具有稀疏性这一特点，在采样阶段即实现数据压缩，用随机矩阵进行信号的观测， 观测结果的采样频率远低于Nyquist频率，利用先验的信号稀疏性，在数字系统中进行信息 的重构，随后进行处理。压缩采样理论可以用如下的公式表示，对于一个N维稀疏信号X，用 一个MXN(M<<N)的观测矩阵〇去观测，得到一个M维的观测结果，再根据信号的稀疏性完 成信号的恢复：
[0005] y= Ox求解卩|y = 且8满足x的稀疏性}
[0006] 将压缩采样理论应用到模数转换器的实现，即为压缩采样模数转换器，通常的实 现结构包括采样量化及信号恢复，与传统的模数转换器结构相比，有以下几点差别：
[0007] 首先，模数转换器的采样量化电路具有较大区别。不同于传统ADC对信号的直接采 样，压缩采样ADC需要实现压缩采样，即数学意义上的随机观测，观测一个值实际上是实现 对信号的内积，所以在实现观测的过程中需要实现对输入信号的随机采样并加和;而同时 观测矩阵又需要同时获取一段信息的多个观测值，所以在实现时需要有多个获取信号内积 的通路彼此独立工作，采样量化模块的实现效果也将直接影响到后续的恢复等过程。目前 压缩采样ADC的采样量化电路有两种主要的实现形式：
[0008] -种为单路随机采样及量化模型，利用信号的稀疏特性，通过较少的量化数据重 构原始信号，其最基本的思想是利用一个符合Nyquist采样频率的时钟对信号进行采样，但 只选取当中少量的点进行量化。但是这种实现方法，丢弃了许多采样点的信息，会导致信号 重构的效果较差。具体实现上，采样伪随机序列与处理信号相乘，通过一个低通滤波器实现 观测数据的线性组合，降低采样数据量，如图1所示，但是由于在实际的设计中，低通滤波器 的输出不会只与当前信号有关，还会与之前的状态有关，所以相邻两次量化器的输出会有 较大的相关性，等效观测矩阵受到了极大的限制。
[0009] 另一种为多路随机控制A 5：调制，多路数字积分型，结构如图2所示。这个结构巧 妙的结合了 A 5：调制器的过采样特性和积分特性，每一路的量化为一个单独的A 5： ADC，过 采样的频率符合信号的Nyquist采样频率即可，在内部实现简单的量化，并对差值进行反 馈。以1阶调制器为例，ADC的输出累加和即为这段时间A 5：调制器输入信号的累加。在实际 应用中将信号进行分帧，并在进入调制器之前加上前置的随机采样控制，调节A 5：输入的 信号的系数，这样就是完成了一次内积运算，即完成了对一帧信号的一个观测。当多路结构 进行并行工作时，即可实现对输入信号的多次观测，而且由于随机采样的控制每一路彼此 之间相互独立，相关系数为零，所以通过合理的随机控制，可以在极大程度上满足RIP条件。 由于这种结构ADC的输出累加和做为输出，所以可以使用比较简单的量化器实现较高精度 的观测，但是在这种结构中量化器的输出数据速率并没有下降。而且这种结构每一路均需 要一个量化器，所以总体结构比较复杂，而且同时存在着量化器失配与环路滤波器失配问 题。
[0010] 其次，与传统的模数转换器结构相比，压缩采样模数转换器在完成硬件层面对模 拟信号的采样量化之后，得到的并非满足Nyquist采样定理的对原始信号的直接采样量化 结果，而是降低了采样率的压缩采样数据点的量化结果，欲得到原始信号信息还需要根据 压缩采样理论，根据原始信号的稀疏性应用凸优化等方法进行信号的恢复。即传统模数转 换器从模拟信号输入到数字信号输出，需要经过采样、保持、量化、编码四个过程，而压缩采 样模数转换器则需要稀疏变换、压缩采样、保持、量化、编码、信号恢复等六个过程，对整个 系统设计提出了新的要求。与应用到数字图像处理等领域不同，将压缩采样理论应用到模 数转换器的设计实现中，压缩采样不再只是软件层面的算法实现工作，需要将信号的稀疏 变换及压缩采样通过硬件实现，而信号恢复需要使用恢复算法对压缩采样得到的数字编码 信号进行恢复，成为了一项需要多平台、软硬件结合的工作，传统的在软件层面进行的恢复 算法研究需要针对硬件实现带来的诸多新的问题进行改进。
【发明内容】
[0011] 本发明的目的是提出一种采用采样量化电路的压缩采样模数转换器，结合压缩采 样在理论研究方面已经取得的进展，弥补传统模数转换器在宽带信号处理领域的不足以及 压缩采样理论在实际应用中的空白，
【发明内容】
包括采样量化电路的设计以及信号处理流程 的优化。针对目前压缩采样模数转换器常用的采样量化电路结构上的不足，提出一种新型 的用于压缩采样模数转换器的采样量化电路实现结构。针对硬件实现中产生的误差对整体 性能的影响，提出进行误差校准的信号处理流程。
[0012] 本发明提出的采用采样量化电路的压缩采样模数转换器，包括N个随机采样支路 和一个量化器，每个随机米样支路由N个随机米样开关、N个模拟积分器、N个输出控制开关、 量化器、随机采样控制信号发生器和输出时钟组成，所述的N个模拟积分器的输入端分别通 过N个随机米样开关与模拟信号输入相连，N个模拟积分器的输出端分别通过N个输出控制 开关与所述的量化器的输入端相连，量化器的输出端输出数字信号;所述的N个随机采样开 关分别与所述的随机采样控制信号发生器相连，所述的N个输出控制开关分别与所述的输 出时钟相连。
[0013] 本发明的压缩采样模数转换器中，所述的随机采样支路中的采样开关和模拟积分 器为受控开关电容积分器，采用全差分结构，实现对信号的{_1，1}加权控制，由运算放大 器、积分电容以及受控开关构成，将受控开关两端分别命名为左端和右端，输入信号由两个 输入端VIP和VIN接入，VIP端口与受控开关〇 2和受控开关〇 4左端相连，VIN端口与受控开关