专利名称：避免交织图像和畸变产物的数据转换器系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及数据转换器，并且更具体地涉及避免交织图像(interleave image)和畸变产物(distortion product)的数据转换器系统。
背景技术：
诸如模拟到数字转换器(ADC)、数字到模拟转换器(DAC)和追踪保持器(track-and-hold) (T/Η)的数据转换器可以两种方式被使用。第一种方式是作为“基带数据转换器”，其中数据转换器以输入信号中所包含的最高频率的至少两倍那么高的采样率(“Fs”)进行采样。为了防止混叠，输入频率必须被局限于跨度为DC到Fs/2的频率范围，或者换句话说，输入频率必须被“限制”于第一“奈奎斯特区间(Nyquist zone)”，其中第一奈奎斯特区间是跨度为DC到Fs/2的频率范围，第二奈奎斯特区间是跨度为Fs/2到Fs的频率范围，第三奈奎斯特区间是跨度为Fs到3Fs/2的频率范围，诸如此类。数据转换器可以 被使用的第二种方式是作为“带通数据转换器”，其中输入频率被限制于较高的奈奎斯特区间中的一个。虽然输入频率在技术上是混叠的，但是只要数据转换器具有足够的模拟带宽，则带通数据转换器就可以从任何奈奎斯特区间提供高的保真度，并且如果必需防止其他奈奎斯特区间中的信号混叠进所关心的奈奎斯特区间并且破坏输入信号，那么用抗混叠滤波器来保护该数据转换器。以下论述有关带通数据转换器。无杂散动态范围(SFDR)被定义为数据转换器输入处的最大信号分量的均方根(RMS)值与其输出处的最大杂散分量的RMS值的比。SFDR对于诸如频谱分析仪、示波器和网络分析仪的使用T/Η和ADC来数字化模拟信号的测试和测量仪器以及对于诸如矢量信号发生器和任意波形发生器的使用DAC来产生模拟信号的测试和测量仪器都是非常重要的规格。数据转换器可通过引入各种类型的杂散单频(spurious tone)来损害SFDR。首先，数据转换器可引入与系统时钟、数据图案或系统中所使用的其他信号相关的残余单频。第二，两个或更多数据转换器可以被交织来提供具有更高的有效采样率(Fs’ )的单一数据转换器的等价物，然而交织的数据转换器还产生由单独的数据转换器之间的不匹配所引起的、被称为“交织图像”的不希望有的频谱分量。第三，数据转换器可引入谐波和互调畸变产物。有很多将这些杂散单频减少到可接受水平的技术。在一些应用中这些技术是可接受的，然而在其他应用中它们是非常昂贵的或消耗大量资源。所希望的是具有减少的杂散单频的数据转换器。
发明内容
因此，本发明的实施例提供数据转换器系统，该数据转换器系统将输入信号限制于指定频率带并且进行过采样使得经转换的输入信号“跨越(straddle) ”或“避免”杂散单频。杂散单频可以进而被过滤掉，从而与常规的数据转换器相比提供具有干净得多的SFDR的输出信号。例如，在一个实施例中，交织的数据转换器系统将被限制于交织的数据转换器中的一个的第二奈奎斯特区间的输入信号转换为交织的信号，并且进而用具有传输经转换的输入频率的通带和使杂散单频衰减的阻带的滤波器对交织的信号进行滤波。结果得到的输出信号具有与使用单一数据转换器可获得的相同的带宽，但是不受交织图像或某些畸变产物损害。当结合所附权利要求和附图阅读以下详细说明时，本发明的目的、优势及其他新特征从这些详细说明中是显而易见的。
图I描绘了按照本发明的实施例的、四路交织的模拟到数字转换器系统的高级框图。图2示意了交织图像和畸变产物在使用图I的四路交织的模拟到数字转换器系统所产生的交织的数字信号的频谱中的位置。 图3描绘了按照本发明的实施例的、四路交织的数字到模拟转换器系统的高级框图。图4描绘了按照本发明的实施例的、四路交织的追踪保持器系统的高级框图。图5描绘了按照本发明的实施例的、非交织的模拟到数字转换器系统的高级框图。
具体实施例方式如上面所提及的那样，两个或更多数据转换器可以被交织来提供具有较高的有效采样率的单一数据转换器的等价物，然而交织的数据转换器还产生由单独的数据转换器之间的不匹配所引起的交织图像。现在，更详细地，单一数据转换器中的DC偏置错误导致了位于DC上的错误项。在交织的系统中，交织的数据转换器之间的DC偏置不匹配导致了位于单一数据转换器的基采样率以及那个频率的倍频上的交织图像。因此，在本发明的一个实施例中，通过限制输入信号使得它不落在DC、交织的系统中所使用的数据转换器中的一个的基采样率或那个频率的倍频上，使得经转换的输入频率“跨越”或“避免”杂散单频，交织的数据转换器系统避免了由DC偏置不匹配所引起的交织图像。杂散单频可以进而被过滤掉，从而与常规的数据转换器相比提供具有干净得多的SFDR的输出信号。交织的数据转换器之间的输入增益和相位不匹配以及采样时钟定时不匹配产生了位于其他奈奎斯特区间中的单频(tone)。如果数据转换器完美地匹配，那么这些单频具有相等的振幅但是相对于彼此是异相的，并且因此完全抵消。然而，如果匹配不完美，那么所述单频将不会完全抵消，从而留下残余的交织图像。因此，在本发明的另一个实施例中，通过将输入信号限制于交织的系统中所使用的单一数据转换器的奈奎斯特区间，使得经转换的输入频率“跨越”或“避免”杂散单频，交织的数据转换器系统避免了由输入增益和相位不匹配以及采样时钟定时不匹配所引起的交织图像。杂散单频可以进而被过滤掉，从而与常规的数据转换器相比提供具有干净得多的SFDR的输出信号。
谐波畸变产物位于输入频率的倍频上。例如，IOMHz信号的二次和三次谐波产物分别落在20MHz和30MHz上。为了确定数据转换器如何可以避免谐波畸变产物，考虑以下内容如果输入信号被限制于数据转换器的第一奈奎斯特区间，那么二次谐波畸变产物一般将落在那同一频带内。例如，假设数据转换器以每秒100兆个样点(MSa/s)进行采样，使得第一奈奎斯特区间是跨度为DC到50MHz的频率范围。如果该数据转换器对IOMHz输入信号进行采样，那么二次谐波畸变产物将落在20MHz上，其仍然在第一奈奎斯特区间中。然而，如果输入信号被限制于第二奈奎斯特区间，那么二次谐波畸变产物将落在第三奈奎斯特区间中。例如，如果那同一数据转换器对60MHz输入信号进行采样，那么二次谐波畸变产物将落在120MHz上，其为第三奈奎斯特区间。因此，数据转换器只在第二奈奎斯特区间中操作是有利的。数学上，这可以通过处于包含输入信号的频带的低端的频率(“F1”)必须大于或等于处于该频带的高端的频率(“Fh”)的一半的要求来表达Fl > Fh/2(方程 I)第二个要求是二次谐波畸变产物不应该马上又混叠回到包含输入信号的频带中。混叠对于Fs-Fh到Fs-Fl的范围发生。为了将二次谐波畸变保持在这个频带之外需要
2 X Fh 彡 Fs-Fh(方程 2)将Fh加入方程2的两边并且进而将两边都除以3得到Fh ( Fs/3(方程 3)将方程3代入方程I中得到Fl > (Fs/3) /2 > Fs/6(方程 4)因此，在本发明的另一个实施例中，通过将输入信号限制于Fs/6与Fs/3之间的频率，即宽度为Fs/6或Fs的16. 66%的频率带，数据转换器可以避免二次谐波畸变产物。数据转换器可以是单一数据转换器或多个交织的数据转换器(在该情况下，Fs变为Fs’，即交织的系统的有效采样率)。如果数据转换器是三路交织的数据转换器系统，那么这个频率带等于交织的数据转换器中的一个的第二奈奎斯特区间，并且因此三路交织的数据转换器系统还如上面所论述的那样避免了交织图像。这个原理不限定于避免二次谐波畸变产物，而是可以被用于避免任意次谐波畸变产物。例如，为了确定数据转换器如何可以避免三次谐波畸变产物，可以通过用“3”代替“2”来重写方程2，如下所示3 X Fh 彡 Fs-Fh (方程 5)如上面所描述的那样解方程5和1，会发现通过将输入信号限制于Fs/8与Fs/4之间的频率，即宽度为Fs/8或Fs的12. 5%的频率带，数据转换器可以避免三次谐波畸变产物。数据转换器可以是单一数据转换器或多个交织的数据转换器(在该情况下，Fs变为Fs’，即交织的系统的有效采样率)。如果数据转换器是四路交织的数据转换器系统，那么这个频率带就等于交织的数据转换器中的一个的第二奈奎斯特区间，并且因此四路交织的数据转换器系统也如上面所论述的那样避免了交织图像。概括上面的结果，通过将输入信号限制于跨度为Fs/(2X (n+1))到Fs/(n+l)的频率带并且进而使剩余的奈奎斯特区间衰减来消除杂散单频，数据转换器可以避免η次谐波畸变产物，其中η是大于或等于2的整数。所使用的交织和过采样的次(degree)越高，可以被避免的谐波畸变产物的次就越高，其中折衷在于更少的可用带宽被使用。数据转换器可以是单一数据转换器或多个交织的数据转换器(在该情况下，Fs变为Fs’，交织的系统的有效采样率)。如果数据转换器是(n+1)路交织的数据转换器，那么跨度为Fs’ /(2X (n+1))到Fs’ / (n+1)的频率带等于交织的数据转换器中的一个的第二奈奎斯特区间，并且因此交织的数据转换器也如上面所论述的那样避免了交织图像。根据上面所论述的原理，图I示意了按照本发明的实施例的四路交织的数据转换器系统100。四路交织的数据转换器系统100接收被限制于指定频率带的模拟输入信号。如果必需防止混叠，那么可选的抗混叠滤波器105对模拟输入信号进行滤波来产生经滤波的模拟信号。四个交织的ADC 110、115、120和125将经滤波的模拟信号转换为四个经转换的信号。这四个交织的ADC根据采样时钟的四个相位(标称地为0°、90°、180°和270° )定时使得每个ADC以基采样率Fs进行采样，其中Fs是ADC所支持的任何采样频率。多路复用器130将四个经转换的信号合并来形成具有有效采样率4Fs或Fs’的交织的数字信号。 在一些实施例中，多路复用器130可以被实现为硬件多路复用器或串行器。在其他实施例中，四个经转换的信号可以被存储在存储器中并且进而使用软件将它们多路复用。具有大体上等于指定频率带的通带的数字滤波器135对交织的数字信号进行滤波来产生具有减少的畸变产物和交织图像的数字输出信号。在不同的实施例中，数字滤波器135可以被实现为硬件滤波器(即使用数字信号处理器、现场可编程门阵列等等)或软件滤波器。在操作中，如果指定频率带是四个交织的ADC中的一个的第二奈奎斯特区间，SPFs/2到Fs，那么由四个交织的ADC所产生的交织图像和畸变产物将出现在交织的数字信号的频谱中，处于图2所示的位置。由于四路交织的数据转换器系统100以有效采样率4Fs或Fs’进行采样，所以交织图像和畸变产物被混叠并且关于有效奈奎斯特频率2Fs或Fs’ /2形成镜像。此外，DC与4Fs之间的整个频带还每隔4Fs在4Fs上方和在DC下方重复。为了简单起见，这些图像没有被示出或论述。四个交织的ADC中的每一个的奈奎斯特区间被指示在水平轴上。由于四个交织的ADC中的每一个以基采样率Fs进行采样，所以第一奈奎斯特区间是跨度为DC到Fs/2的频率范围，第二奈奎斯特区间是跨度为Fs/2到Fs的频率范围，诸如此类。四个交织的ADC中的一个或更多个中DC偏置错误导致位于DC上的错误项205。四个交织的ADC之间的DC偏置不匹配导致位于单一 ADC的基采样率(Fs)以及那个频率的倍频(2Fs、3Fs和4Fs)上的交织图像210、215、220和225，但是它们没有落在第二奈奎斯特区间或其在第七奈奎斯特区间中的镜像(image)中。四个交织的ADC之间的输入增益和相位不匹配以及采样时钟定时不匹配导致了落在第一、第三和第四奈奎斯特区间中的交织图像230、235和240以及混叠进第八、第六和第五奈奎斯特区间的交织图像230’、235’和240’，但是同样地，它们没有落在第二或第七奈奎斯特区间中。这些交织图像随输入频率移动而移动，并且因此它们被描绘为示意它们的可能位置的频带。二次谐波畸变产物245落在第三和第四奈奎斯特区间中并且将245’混叠进第五和第六奈奎斯特区间，但是没有落在第二或第七奈奎斯特区间中。三次谐波畸变产物250落在第四、第五和第六奈奎斯特区间中并且将250’混叠进第三、第四和第五奈奎斯特区间，但是没有落在第二或第七奈奎斯特区间中。如上面所论述的那样，唯一确实落在第二或第七奈奎斯特区间中的谐波畸变产物是四次及更高次的产物(未示出)。
当施加双频(two-tone)信号Finl和Fin2时，255所产生的主要的互调畸变产物是2XFinl、2XFin2和Finl+Fin2，其落在第三和第四奈奎斯特区间中并且将255’混叠进第五和第六奈奎斯特区间，但是同样地，没有落在第二或第七奈奎斯特区间中。唯一确实落在第二或第七奈奎斯特区间中的互调畸变产物是位于2 XFinl-Fin2和2 XFin2_Finl上的近处的(close-in)产物(未示出)。总的来说，因为四路交织的数据转换器系统100将模拟输入信号限制于单一数据转换器的第二奈奎斯特区间并且进行4倍过采样，所以经转换的输入信号落在单一数据转换器的第二奈奎斯特区间及其镜像中而杂散单频落在第一、第三和第四奈奎斯特区间及它们的镜像中。换句话说，经转换的输入信号“跨越”或“避免”杂散单频。杂散单频可以进而被过滤掉，从而与常规的数据转换器系统相比提供具有干净得多的SFDR的输出信号。由于数字滤波器135的目的是传输指定频率带并且使剩余的奈奎斯特区间衰减，所以将理解的是数字滤波器135优选地是所谓的“矩形”滤波器，即在通带中提供完整传输 而在阻带中提供完全衰减并且在两者之间提供无比陡峭的过渡的滤波器。然而，矩形滤波器在许多应用中是物理上不可实现的。因此，在其他实施例中，数字滤波器135可以是大体上传输指定频率带并且大体上使剩余的奈奎斯特区间衰减的任何类型的滤波器。在一些实施例中，数字滤波器135可以被实现为具有大体上等于指定频率带的通带的带通滤波器。在其他实施例中，经转换的输入频率可以在它们被滤波之前从指定频率带被转移到其他频率位置，在该情况下数字滤波器135的通带必须也相应地被转移。例如，可以使用混频器、振荡器和滤波器(未示出)将经转换的输入频率从第二奈奎斯特区间下变频到基带，在该情况下数字滤波器135可以被实现为低通滤波器。
虽然上面所描述的本发明的实施例将模拟输入信号限制于单一数据转换器的第二奈奎斯特区间，但将被认可的是模拟输入信号也可以被限制于是第二奈奎斯特区间的镜像的任何其他奈奎斯特区间，诸如第七、第十或第十五奈奎斯特区间，只要交织的数据转换器在那个奈奎斯特区间中具有足够的模拟带宽并且如果有必要的话，用抗混叠滤波器来保护这些交织的数据转换器。虽然上面所描述的本发明的实施例使用ADC，将理解的是在此所描述的原理等同地适用于使用其他类型的数据转换器的系统。例如，如图3所示，按照本发明的实施例的四路交织的数据转换器系统300接收被限制于指定频率带的数字输入信号。如果必需防止混叠，那么可选的抗混叠滤波器305对数字输入信号进行滤波来产生经滤波的数字信号。四个交织的DAC 310、315、320和325将经滤波的数字信号转换为四个经转换的信号。这四个交织的DAC根据采样时钟的四个相位(标称地为0°、90°、180°和270° )定时使得每个DAC以基采样率Fs进行采样，其中Fs是DAC所支持的任何采样频率。多路复用器330将四个经转换的信号合并来形成具有有效采样率4Fs或Fs’的交织的模拟信号。在不同的实施例中，多路复用器330可以被实现为模拟多路复用器、匹配的宽带功率合成器或适合于合并模拟信号的任何其他电路。具有大体上等于指定频率带的通带的、被称为“重构滤波器”的模拟滤波器335对交织的模拟信号进行滤波来产生模拟输出信号。如果指定频率带是四个交织的DAC中的一个的第二奈奎斯特区间，即Fs/2到Fs，那么模拟输出信号将具有减少的畸变产物和交织图像。在图4所示出的另一个示例中，按照本发明的实施例的四路交织的数据转换器系统400接收被限制于指定频率带的模拟输入信号。如果必需防止混叠，那么可选的抗混叠滤波器405对模拟输入信号进行滤波来产生经滤波的模拟信号。四个交织的T/Η 410、415、420和425将经滤波的模拟信号转换为四个经转换的信号。在不同的实施例中，这四个交织的T/Η中的每一个可以是零阶保持T/Η、归零(RZ) T/Η、不归零(NRZ) T/Η、高阶函数T/H、采样器等等。这四个交织的T/Η根据采样时钟的四个相位(标称地为0°、90°、180°和270° )定时使得每个T/Η以基采样率Fs进行采样，其中Fs是T/Η所支持的任何采样频率。多路复用器430将四个经转换的信号合并来形成具有有效采样率4Fs或Fs’的交织的模拟信号。在不同的实施例中，多路复用器430可以被实现为模拟多路复用器、匹配的宽带功率合成器或适合于合并模拟信号的任何其他电路。具有大体上等于指定频率带的通带的模拟滤波器435对交织的模拟信号进行滤波来产生模拟输出信号。如果指定频率带是四个交织的T/Η中的一个的第二奈奎斯特区间，即Fs/2到Fs，那么模拟输出信号将具有减少的畸变产物和交织图像。虽然图1、3和4所示意的本发明的实施例避免了交织图像和畸变产物两者，将理 解的是通过使用不同的指定频率带，其他实施例可以只避免交织图像或只避免畸变产物。此外，虽然图1、3和4所示意的本发明的实施例使用了交织的数据转换器，将理解的是只避免畸变产物的实施例中的一些可以使用单一数据转换器。作为这两种变化的示例，图5示出了按照本发明的实施例的非交织的模拟到数字转换器系统500，其通过将模拟输入信号限制于跨度为Fs/(2X (n+1))到Fs/(n+1)的指定频率带而避免了 η次谐波畸变产物，其中η是大于或等于2的整数。如果必需防止混叠，那么可选的抗混叠滤波器505对模拟输入信号进行滤波来产生经滤波的模拟信号。以采样率Fs进行采样的单一 ADC 510将经滤波的模拟信号转换为经转换的信号，其中Fs是ADC所支持的任何采样频率。具有大体上等于指定频率带的通带的数字滤波器535对经转换的信号进行滤波来产生具有减少的畸变产物的数字输出信号。从前面的论述中将理解的是本发明表现了数据转换器领域中的重要改进。虽然已为示意的目的示意并且描述了本发明的特定实施例，但将理解的是可以进行各种修改而不背离本发明的精神和范围。因此，本发明除了受所附权利要求限制以外不受其他限制。
权利要求
1.一种避免杂散单频的数据转换器系统，其包括 用于将输入信号转换为经转换的信号的数据转换器，所述输入信号被限制于指定频率带；以及 用于对所述经转换的信号进行滤波以产生输出信号的滤波器，所述滤波器具有传输经转换的输入频率的通带和使杂散单频衰减的阻带。
2.如权利要求I所述的数据转换器系统，其中 所述杂散单频包括n次谐波畸变产物，其中n是大于或等于2的整数； 所述数据转换器是单一数据转换器； 所述指定频率带包括跨度为Fs/(2X (n+1))到Fs/(n+l)的频率带，其中Fs是所述单一数据转换器的采样率。
3.如权利要求I所述的数据转换器系统，其中 所述杂散单频包括交织图像； 所述数据转换器包括用于将所述输入信号转换为多个交织的信号的多个交织的数据转换器，以及用于将所述多个交织的信号合并成所述经转换的信号的装置；并且所述指定频率带包括所述交织的数据转换器中的一个的奈奎斯特区间。
4.如权利要求I所述的数据转换器系统，其中 所述杂散单频包括n次谐波畸变产物，其中n是大于或等于2的整数； 所述数据转换器包括用于将所述输入信号转换为多个交织的信号的多个交织的数据转换器，以及用于将所述多个交织的信号合并成所述经转换的信号的装置；并且 所述指定频率带包括跨度为Fs’/(2X(n+l))到Fs’/(n+l)的频率带，其中Fs’是所述多个交织的数据转换器的有效采样率。
5.如权利要求I所述的数据转换器系统，其中 所述杂散单频包括交织图像和n次谐波畸变产物，其中n是大于或等于2的整数；所述数据转换器包括用于将所述输入信号转换为n+1个交织的信号的n+1个交织的数据转换器，以及用于将所述n+1个交织的信号合并成所述经转换的信号的装置；并且 所述指定频率带包括跨度为Fs’/(2X(n+l))到Fs’/(n+l)的频率带，其中Fs’是所述多个交织的数据转换器的有效采样率，所述指定频率带还包括所述交织的数据转换器中的一个的第二奈奎斯特区间。
6.如权利要求1-5中任何一项所述的数据转换器系统，其中 所述数据转换器中的每一个包括模拟到数字转换器； 所述输入信号是模拟信号； 所述经转换的信号和输出信号是数字信号；并且 所述滤波器包括数字滤波器。
7.如权利要求1-5中任何一项所述的数据转换器系统，其中 所述数据转换器中的每一个包括数字到模拟转换器； 所述输入信号是数字信号； 所述经转换的信号和输出信号是模拟信号；并且 所述滤波器包括模拟滤波器。
8.如权利要求1-5中任何一项所述的数据转换器系统，其中所述数据转换器中的每一个包括追踪保持器；所述输入信号是模拟信号； 所述经转换的信号和输出信号是模拟信号；并且所述滤波器包括模拟滤波器。
全文摘要
本发明涉及避免交织图像和畸变产物的数据转换器系统。数据转换器系统通过将输入信号限制于指定频率带并且进行过采样使得经转换的输入信号“跨越”或“避免”杂散单频来提供具有减少的杂散单频的输出信号。所述杂散单频可以进而被过滤掉，从而与常规的数据转换器相比提供具有干净得多的无杂散动态范围的输出信号。例如，在一个实施例中，交织的数据转换器系统将被限制于交织的数据转换器中的一个的第二奈奎斯特区间的输入信号转换为交织的信号，并且进而用具有传输经转换的输入频率的通带和使杂散单频衰减的阻带的滤波器对交织的信号进行滤波。结果得到的输出信号具有与使用单一数据转换器可获得的同样的带宽，但是不受交织图像或某些畸变产物损害。
文档编号H03M1/10GK102801418SQ20111015373
公开日2012年11月28日 申请日期2011年5月26日 优先权日2011年5月26日
发明者R·D·舍帕德 申请人:特克特朗尼克公司