模数转换器设备的制作方法

1.本发明涉及一种模数转换器(analog-to-digital convertor，adc)设备和一种用于模数转换的方法。本发明大体上涉及数字信号处理和电信领域。更具体地，本发明涉及用于使用精确性较低的单独模数转换器提高多个模拟输入信号的模数转换精确性的技术。


背景技术：

2.将数字信号处理算法应用于多个模拟输入信号需要模拟信号和数字信号处理器之间的接口。模拟信号使用模数转换(analog-to-digital conversion，adc)单元进行采样和量化，以产生任何数字信号处理单元需要的数字输入。如果模拟输入信号以奈奎斯特速率或更高的速率采样，并以非常高的精度量化，则adc单元的影响可以忽略不计，因为数字信号处理 (digital signal processing，dsp)单元根据adc输出重建的数字信号近似于失真可忽略不计的模拟输入信号。
3.在某些应用中，精度非常高的模数转换器具有高成本和/或高功耗，甚至在当前技术下不可行。这就是宽带多ghz模拟信号的模数转换的情况。事实上，以非常高的采样速率和高分辨率工作的当前adc技术受限于时序(或孔径)抖动，即无法在精确定义的时间内采样。特别是，基于电子的adc无法实现小于1飞秒的时序抖动，因此，基于光子的adc架构用于满足数十ghz级的采样频率所需的严格时序抖动。尽管如此，分辨率非常高的宽带 adc在理论上也存在困难。事实上，精度严格低于8位，这在某些应用中是不够的。例如，不能保证预期的thz无线通信所需的高阶调制来支持非常高的吞吐量。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提供一种新的adc架构来解决上述问题。特别地，目标是提高可应用于宽带多ghz模拟信号的分辨率非常高的宽带adc的模数转换精度。
5.本发明描述了如何通过引入新的adc架构来突破上述限制的技术方案，该架构包括 adc之前模拟输入的额外模拟处理和数字输出的替代数字信号处理。因此，所公开的架构实现了比用于量化输入信号的单独adc的标称精度更高的“有效”精度。
6.本发明提供了一种装置和方法，用于通过有效地产生和利用待转换模拟信号之间的关联性来提高多个模拟信号的模数转换精度。相比于传统adc架构和最新单独adc，产生了更高的有效精度。假定所需的关联性不存在于模拟输入信号中，而是在adc单元内部产生。
7.根据第一方面，本发明涉及一种模数转换器(analog-to-digital converter，adc)设备，包括：模拟混频器，用于根据模拟混频参数集关联第一多个模拟输入信号，以提供第二多个关联模拟信号；模数转换器，用于根据模adc参数集将所述第二多个关联模拟信号转换为所述第二多个关联模拟信号的数字表示；数字估计器，用于根据所述模拟混频参数集和所述模adc参数集，将所述第二多个关联模拟信号的所述数字表示转换为所述第一多个模拟输入信号的数字表示，其中，所述模adc参数集是基于所述第二多个关联模拟信号
的关联性。
8.这种adc设备可用作具有非常高分辨率的宽带adc，可应用于宽带多ghz模拟信号。所述adc设备实现了比用于量化输入信号的单独adc的标称精度更高的“有效”精度。
9.如图12a和图12b所示，所述adc设备获得来自特定模块组合的精度增益，而不仅仅是来自增加单独adc的数量。所述adc设备实现的有效精度取决于单独adc的数量及其分辨率。所述adc设备的性能对模拟输入的精确关联性保持稳定性，不需要估计。
10.本发明中的模拟混频器是一种设备或电路，用于将电信号或电子信号组合成复合输出信号。
11.所述模拟混频器也称为模拟混频电路(analog mixing circuit或analog mixing circuitry) 或模拟混频处理电路。所述模拟混频器根据模拟混频参数集关联第一多个模拟输入信号，以提供第二多个关联模拟信号。
12.所述模数转换器也可以称为模数转换(analog-to-digital-conversion，adc)电路或adc 电路或adc处理电路。所述模数转换器根据模adc参数集将所述第二多个关联模拟信号转换为所述第二多个关联模拟信号的数字表示。所述模数转换器可以由处理器实现。
13.所述数字估计器也被称为数字估计电路(digital estimation circuit或digital estimationcircuitry)或数字估计处理电路。所述数字估计器根据所述模拟混频参数集和所述模adc参数集，将所述第二多个关联模拟信号的所述数字表示转换为所述第一多个模拟输入信号的数字表示。所述数字估计器可以由处理器实现，例如数字信号处理器。
14.所述模adc参数可以预先定义并离线设置，或者可以在操作期间提供，即在线。
15.在所述adc设备的示例性实现方式中，所述adc设备包括数字控制器，用于提供参数，特别是所述模拟混频参数集和/或所述模adc参数集。
16.通过使用这种数字控制器，必要时可以由所述数字控制器灵活提供和调整所述参数。或者，可以使用预配置的参数或固定的参数。
17.例如，可以通过使用所述模拟混频参数计算个模拟输入的个线性组合来提供第二多个关联模拟信号(402)的关联性。在这种情况下，所述模拟混频参数是所述线性组合的乘法因子。所述模拟混频参数可以作为混频矩阵提供，例如，使得所述第二多个关联模拟信号(402)由所述个模拟输入与所述混频矩阵的矩阵乘法产生。
18.此外，或可选地，所述个模拟输入可以由于物理信道上的传输而关联。在一种示例性实现方式中，所述个模拟输入由天线阵列接收。在这种情况下(所述个模拟输入已经关联)，所述模拟混频参数可以用于提供所述关联模拟信号402的附加关联性，或者可以替换地省略。
19.在所述adc设备的示例性实现方式中，所述第二多个关联模拟信号大于所述第一多个模拟输入信号。
20.这提供了一个技术优点，即可以在所述多个关联模拟信号之间实现更高的关联性，从而提高所述ad转换的精度。
21.在所述adc设备的一种示例性实现方式中，所述模拟混频器用于根据所述第一多个模拟输入信号的线性组合，通过使用所述模拟混频参数集生成所述第二多个关联模拟信号。
22.这提供了一个技术优点，即所述多个关联模拟信号之间的关联性可以容易地调整。
23.所述模拟混频参数是所述模拟输入信号的所述线性组合的乘法因子。
24.在所述adc设备的一种示例性实现方式中，所述模adc参数集是基于所述第一多个模拟输入信号的所述数字表示与所述第一多个模拟输入信号的偏差。
25.通过使用所述adc设备，可以应用自适应算法来控制ad转换收敛到最小偏差或失真。
26.在所述adc设备的一种示例性实现方式中，所述模数转换器用于根据应用于所述第二多个关联模拟信号的放大器增益集处理所述第二多个关联模拟信号，其中，所述放大器增益集是基于所述模adc参数集。
27.这提供了一个优点，即所述放大器增益可用于调整每个关联模拟信号的动态范围，以提高所述数字估计的精度。
28.在所述adc设备的一种示例性实现方式中，所述模数转换器用于根据应用于所述放大的第二多个关联模拟信号的抖动信号集，处理所述第二多个关联模拟信号，其中，所述抖动信号集由所述模数转换器生成。
29.抖动可以定义为一种有意应用的噪声形式，用于随机化量化误差。通过根据一组抖动信号处理所述第二多个关联模拟信号，所述量化噪声独立于所述第二多个关联模拟信号。
30.在所述adc设备的一种示例性实现方式中，所述模数转换器用于根据模拟取模运算，然后是采样和量化操作，处理所述第二多个抖动放大的关联模拟信号中的每个信号，以提供第二多个量化指数。
31.格表示提供了一种替代表示，这对于分析和推导是有用的。
32.在所述adc设备的一种示例性实现方式中，所述模数转换器用于根据量化码本集和重建矩阵处理所述第二多个量化指数，其中，所述重建矩阵是基于所述模adc参数集。
33.通过根据量化码本集处理所述第二多个量化指数，可以使用可用的数学模型，从而降低设计的复杂性。
34.在所述adc设备的一种示例性实现方式中，所述模数转换器用于根据一组模格运算处理所述第二多个量化指数。
35.通过基于一组模格运算进行这种处理，可以利用所述多个关联模拟信号的关联性来提高所述数字表示的精度。
36.在所述adc设备的一种示例性实现方式中，所述模数转换器用于根据所述第一多个模拟输入信号的信号模型提供所述第二多个关联模拟信号的所述数字表示，其中，所述信号模型是基于所述模adc参数集、模拟混频参数集和量化噪声。
37.通过使用这种信号模型，可以应用最小二乘方法来迭代地反转系统。
38.在所述adc设备的一种示例性实现方式中，所述信号模型是线性系统，表示为：其中，表示所述第一多个模拟输入信号，表示所述第二多个关联模拟信号，表示所述第二多个关联模拟信号的所述数字表示，表示量化噪声，表示混频矩阵，表示重建矩阵，表示包括所述放大器增益的对角矩阵。
39.通过使用这种线性信号模型，可以应用较不复杂的数学方法，如摩尔-彭罗斯伪逆来确定逆转所述系统。
40.在所述adc设备的一种示例性实现方式中，所述数字估计器用于根据由所述模数转换器提供的所述第一多个模拟输入信号的所述信号模型的逆转，提供所述第一多个模拟输入信号的所述数字表示。
41.通过应用这种逆转，可以有效地重建原始传输的信号，从而可以提高所述adc设备的精度。
42.在所述adc设备的一种示例性实现方式中，所述信号模型的逆转是基于使用所述第一多个模拟输入的统计信息和所述量化噪声的统计信息的最小均方差准则。
43.这提供了一个优点，即可以有效地应用最小均方差估计的标准算法。
44.在所述adc设备的一种示例性实现方式中，所述放大器增益矩阵和所述重建矩阵是基于所述模拟混频参数集。
45.这提供了一个技术优点，即所述模拟混频参数的反馈可用于提高数字表示的精度。
46.在所述adc设备的一种示例性实现方式中，所述放大器增益矩阵和所述重建矩阵是基于所述第一多个模拟输入信号的协方差矩阵。
47.这提供了一个技术优点，即有关所述模拟输入信号关联性的信息可用于提高ad转换的精度。
48.根据第二方面，本发明涉及一种用于模数转换的方法，所述方法包括：根据模拟混频参数集关联第一多个模拟输入信号，以提供第二多个关联模拟信号；根据模adc参数集将所述第二多个关联模拟信号转换为所述第二多个关联模拟信号的数字表示；根据所述模拟混频参数集和所述模adc参数集，将所述第二多个关联模拟信号的所述数字表示转换为所述第一多个模拟输入信号的数字表示，其中，所述模adc参数集是基于所述第二多个关联模拟信号的关联性。
49.这种adc方法可用作具有非常高分辨率的宽带ad转换，可应用于宽带多ghz模拟信号。如图12a和图12b所示，所述ad转换方法获得来自特定模块组合的精度增益，而不仅仅是来自增加单独adc的数量。所述ad转换的性能对模拟输入的精确关联性保持稳定性，不需要估计。
50.在所述方法的一种示例性实现方式中，所述第二多个关联模拟信号大于所述第一多个模拟输入信号。
51.在所述方法的一种示例性实现方式中，所述方法包括根据所述第一多个模拟输入信号的线性组合，通过使用所述模拟混频参数集生成所述第二多个关联模拟信号。
52.在所述方法的一种示例性实现方式中，所述模adc参数集是基于所述第一多个模拟输入信号的所述数字表示与所述第一多个模拟输入信号的偏差。
53.在所述方法的一种示例性实现方式中，所述方法包括根据所述第一多个模拟输入信号的信号模型提供所述第二多个关联模拟信号的所述数字表示，其中，所述信号模型是基于所述模adc参数集、模拟混频参数集和量化噪声。
54.在所述方法的一种示例性实现方式中，所述信号模型是线性系统，表示为：表示为：其中，表示所述第一多个模拟输入信号，
表示所述第二多个关联模拟信号，表示所述第二多个关联模拟信号的所述数字表示，表示量化噪声，表示混频矩阵，表示重建矩阵，表示所述放大器增益的对角矩阵。
55.在所述方法的一种示例性实现方式中，所述方法包括：根据由所述第一多个模拟输入信号的所述信号模型的逆转，提供所述第一多个模拟输入信号的所述数字表示。
56.在所述方法的一种示例性实现方式中，所述信号模型的逆转是基于使用所述第一多个模拟输入的统计信息和所述量化噪声的统计信息的最小均方差准则。
57.在所述方法的一种示例性实现方式中，所述放大器增益矩阵和所述重建矩阵是基于所述模拟混频参数集。
58.在所述方法的一种示例性实现方式中，所述放大器增益矩阵和所述重建矩阵是基于所述第一多个模拟输入信号的协方差矩阵。
59.根据第三方面，本发明涉及一种计算机程序，包括程序代码，当在计算机中执行所述程序代码时，执行根据第二方面所述的方法。
60.根据第四方面，本发明涉及一种在其上存储有指令的非瞬时性计算机可读介质，其中，当所述指令由电子设备中的处理器执行时，使所述处理器执行上述方法的任何实现方式的操作。
附图说明
61.本发明的其它实施例将结合以下附图进行描述，在附图中：
62.图1示出了数字信号处理系统100的示意图；
63.图2示出了图1的数字信号处理系统100的示例性实现方式200的示意图；
64.图3示出了用于模数转换的模adc架构300的示意图；
65.图4是本发明提供的模数转换器(analog-to-digital converter，adc)设备400的示意图；
66.图5示出了图4中描绘的adc设备400的模adc单元500的示例性实现方式的示意图；
67.图6示出了图5中描绘的模adc单元500的模拟块600的示例性实现方式的示意图；
68.图7示出了图6中描绘的模拟模块603的示例性特性的示意图；
69.图8示出了图4中描绘的adc设备400的数字联合重建单元800的示例性实现方式的示意图；
70.图9示出了图4中描绘的adc设备400的数字控制块480执行的示例性过程900的示意图；
71.图10是本发明提供的模数转换器(analog-to-digital converter，adc)设备1000的一般表示的示意图；
72.图11是本发明提供的用于模数转换的方法1100的示意图；
73.图12a示出了本发明提供的用于不关联输入信号的adc设备的示例性性能图；
74.图12b示出了本发明提供的用于关联输入信号的adc设备的示例性性能图。
具体实施方式
75.以下结合附图进行详细描述，所述附图是描述的一部分，并通过图解说明的方式
示出可以实施本发明的具体方面。可以理解的是，在不脱离本发明范围的情况下，可以利用其它方面，并可以做出结构上或逻辑上的改变。因此，以下详细描述不应以限制性的意义来理解，本发明的范围由所附权利要求书界定。
76.可以理解的是，与所描述的方法有关的注释对于与用于执行方法对应的设备或系统也同样适用，反之亦然。例如，如果描述了特定的方法步骤，则对应的设备可以包括执行所描述的方法步骤的单元，即使在附图中没有明确描述或示出这样的单元。此外，应理解，除非另外明确说明，否则本文中描述的各种示例性方面的特征可以相互组合。
77.所述设备可以包括集成电路，且可以根据各种技术进行制造。例如，电路可以设计为逻辑集成电路、模拟集成电路、混合信号集成电路、光电路、存储电路和/或集成无源电路。
78.本文中描述的设备、方法和系统可以包括处理器。在以下描述中，术语“处理器”描述了可用于处理特定任务(或块或步骤)的任何设备。处理器可以是单个处理器或多核处理器，或者可以包括一组处理器，或者可以包括处理模块。处理器可以处理软件、固件或应用等。
79.所公开的adc架构包括新型adc单元，用于将多个模拟输入信号转换为dsp单元进一步处理的多个数字信号。提供了一种新型adc架构，其能够通过包括以下部分创建并利用模拟信号之间的关联性：
80.(i)adc单元中的模拟混频块，其组合模拟输入信号以产生(更大)数量的关联模拟信号；
81.(ii)模adc单元和相应的数字联合重建块；
82.(iii)附加的数字信号处理功能，以共同实现dsp单元侧的接收信号的数字重建；
83.(iv)数字控制块，用于使块(ii)和(iii)的行为适应由块(i)创建的关联性。
84.这样，与使用相同量化分辨率的传统adc相比，有效分辨率得到了提高。事实上，当相应参数由(iv)正确选择时，(i)、(ii)和(iii)的组合相比于传统adc单元将数字重建信号中量化噪声的影响降至最低，因为传统adc单元最终受限于单独量化器的分辨率。
85.图1示出了数字信号处理系统100的示意图。数字信号处理系统100包括模数转换 (analog-to-digital convertion，adc)单元110，用于接收多个个模拟信号101并将这个模拟信号101转换为多个个数字信号102。个数字信号102中的每个信号分别包括个比特到个比特，并表示对应指数103。数字信号处理系统100还包括数字信号处理 (digital signal processing，dsp)单元120，包括数字重建电路121和数字信号处理算法122。数字重建电路121处理个数字信号102以提供输入信号101的数字表示104。输入信号 101的这种数字表示104可以通过数字信号处理算法122进一步处理。
86.因此，在数字信号处理系统100中，个模拟输入101由adc单元110转换为个数字信号102，使得个模拟信号101可以进行数字化重建104，并在dsp单元120中通过一些数字信号处理算法122进一步处理。
87.将数字信号处理算法应用于多个模拟输入信号101需要模拟信号101和数字信号处理器 120之间的接口。如图1所示，模拟信号101使用模数转换(analog-to-digital conversion， adc)单元110进行采样和量化，以产生任何数字信号处理单元120需要的数字
410中)；
97.(ii)模adc块(或模adc架构)411，包括具有个模拟输入402的模adc单元 500(在adc单元410中)和提供个数字输出405的对应数字联合重建块800(在dsp单元420中)；
98.(iii)具有个数字输入405和个数字输出406的数字估计块(或数字估计算法)460 (在dsp单元420中)；
99.(iv)数字控制块480(在dsp单元420中)，其传送控制信号481、482、483以适应之前块的行为。
100.在dsp单元420中，还实现了数字信号处理算法470。模拟混频块430也可以称为模拟混频器、模拟混频电路(analog mixing circuit或analog mixing circuitry)或模拟混频处理电路。模adc块411也可以称为模adc、模adc电路(modulo-adc circuit或modulo-adccircuitry)或模adc处理电路。数字估计块460也可以称为数字估计器、数字估计电路(digital estimation circuit或digital estimation circuitry)或数字估计处理电路。数字控制块 480也可以称为数字控制器、数字控制电路(digital control circuit或digital control circuitry) 或数字控制处理电路。
101.这些功能块430、411、500、800、460、480不必配置在空间或独特物理设备的一部分中，但也可以在共同充当独特数字信号处理系统的不同物理设备中实现。下面提供了前述块的描述和可能的实施例。
102.模拟混频块430接收以下各者作为输入：个模拟输入信号401：其中，模拟混频块430输出：个模拟关联信号402：其中，
103.模拟混频块430的一个目的是从个模拟输入信号401中创建(通常)个关联模拟信号402以进行数字转换。虽然该块430的行为可以由数字控制块480适应，但优选保持其固定以降低后续块的适应率。
104.在一个实施例中，模拟混频块430可以例如通过使用混频矩阵模拟混频块430可以例如通过使用混频矩阵计算个模拟输入401的个线性组合来实现：
[0105][0106]
在矢量中收集所有个输出402，可以等效地写入
[0107][0108]
在这种情况下，输出信号402的关联矩阵由以下公式给出：
[0109][0110]
模adc块411接收以下各者作为输入：模拟关联信号402，和由数字控制块480提供的模拟/数字控制信号482(例如，放大器增益和重建矩阵)。
[0111]
模adc块411输出数字重建矢量
[0112]
模adc块411可以对应于上面关于图3描述的模adc架构300。
[0113]
模adc块411包括将在下面关于图5描述的模adc单元500(在adc单元410中)。模adc
块411还包括下面关于图8描述的对应数字联合重建块(或数字联合重建单元)800。
[0114]
在数字联合重建单元800中，如下面结合图5所描述，由模adc单元500提供的所有个量化码字在dsp单元420中联合处理，以获得重建矢量405，如下面结合图8所描述。
[0115]
数字估计算法460，也称为数字联合估计块460从模adc块411接收数字重建矢量405，从数字控制块480接收模拟混频参数481(例如，混合矩阵) 和模adc参数481(放大器增益和重建矩阵)作为输入。
[0116]
数字估计算法460输出联合数字重建信号
[0117]
数字联合估计块460用于联合处理数字重建矢量405，的所有个条目，使得输出 406，提供个模拟输入信号401，的数字表示406。给定模拟混频参数(例如，混合矩阵)和模adc参数(放大器增益和重建矩阵)，该估计块460通过最小化单独失真的一些损失函数来设计。该块 460中的特定处理取决于在之前块中采用的特定实施例。
[0118]
下面描述数字联合估计块460的示例性实现方式。
[0119]
假设模拟混频块430根据上述实现方式实现，则认为
[0120][0121]
进一步假设模adc块411根据上述实现方式实现，即模adc单元500包括根据下面结合图5和6描述的实施例实现的个模拟处理块600和根据下面结合图5描述的实施例的个均匀对称中升量化器513，对应的数字联合重建块800根据下面关于图8描述的实施例实现。然后，之前实施例的组合可以近似建模为
[0122][0123]
其中，表示均匀分布在中且与感兴趣信号不关联的量化噪声。给定公式(13)中的信号模型，可以应用从重建矢量估计的任何估计算法。具体的选择取决于根据.已知或假设的数量。
[0124]
在一个示例性实现方式中，可以采用最小二乘法，并且可以仅通过使用摩尔-彭罗斯伪逆逆转(13)中的线性系统：
[0125][0126]
可以利用的统计信息和量化噪声的统计信息来最小化单独失真的损失函数例如，假设失真是通过重建均方差(mean squared error，mse)测量的：
[0127][0128]
然后，在(13)中的模型下，将(15)中的失真(其中，)最小化的线性
估计器由下式给出：
[0129][0130]
其中，引入输入关联矩阵并且它认为量化噪声满足并且它认为量化噪声满足(见上文)。
[0131]
通过应用公式(7)，可以更准确地计算重建矢量的数学模型。考虑到这一事实，可以得到以下几点
[0132][0133]
其中，表现为均匀分布在中的随机信号。然后，在(17)中的模型下，将(15)中的失真(其中，)最小化的线性估计器由下式给出：
[0134][0135]
其中，和是使用以下项定义的
[0136][0137]
其中，和表示的第列。
[0138]
数字控制块480接收模拟混频参数(例如，混频矩阵)和(可选地)信号401，(其中，)的关联矩阵作为输入483。
[0139]
数字控制块480输出模adc参数481、482(放大器增益和重建矩阵)。
[0140]
下面描述数字控制块480的功能。
[0141]
数字控制块480的一个目的是将模adc块411，即adc单元500中的个模拟处理块 600(见图5和图6)的行为，以及dsp单元420中的数字联合重建块800(见图8)的行为，与模拟混频块430引入的关联性和(可能)与模拟输入401的关联性(如果它们之间存在任何关联性)适应。由于最终目标是最小化单独失真的一些损失函数数字控制块480通过解决以下优化问题获得模adc参数483：
[0142]
[0143]
其中，表示重建矩阵814(见图8)，表示对应的可行集，包括要应用于模adc单元500中的个放大器增益，表示对应的可行集。单独失真对优化变量和的精确依赖性，基本上由模拟混频块430、模adc块411和数字联合估计块460中采用的实施例以及所采用的失真度量确定。
[0144]
在一个实施例中，可以假设(i)模拟混频块430遵循上述实施例，(ii)模adc块411 遵循上述实施例。回顾前面实施例的组合可以像公式(17)中那样以数学方式描述，使得重建矢量的第个条目仅提供具有概率的有意义的信息
[0145][0146]
因此，计算中一些放大器增益的重建矩阵的方法是同时最大化(21)(其中，)中的概率的结果。观察到
[0147][0148]
以及
[0149][0150]
这可以通过最大化公式(22)中的下界来近似地完成，如
[0151][0152]
其中，当输入关联矩阵不可用时，可以设置其中，表示第个模拟输入的功率。(24)中的优化问题可以表述为格连续极小问题 (successive minima problem，smp)，例如可以使用j.wen、l.li、x.tang、w.h.mow和c.tellambura描述的算法求解：“整数强制线性mimo接收器设计的高效优化算法”，2017年 ieee国际通信会议(icc)，巴黎，2017年，第1至6页”。
[0153]
然后，给定公式(24)中的重建矩阵可以获得放大器增益其中，
[0154][0155]
最后，输出放大器增益和重建矩阵来自于图10所示的(24)和(25)中的优化问题之间的迭代。
[0156]
所述块的输出仅取决于通过关联矩阵的模拟输入信号。可以设置使得所有计算都离线执行，并且指示所公开的adc架构400行为的参数在操作期间不改变。这样，相对于图3所示的模adc架构300，所公开的adc架构在dsp单元420所需的计算复杂性大幅降低。此外，所公开的adc架构400可以提供与模 adc架构300相反的性能保证。
[0157]
图5示出了图4中描绘的adc设备400的模adc单元500的示例性实现方式的示意图。模adc单元500可以对应于上面结合图3描述的模adc单元310。
[0158]
对于处理个模拟信号402的个路径中的每个路径，模adc单元500包括模拟块600，模拟块600提供相应的模拟输出信号501，模拟输出信号501由采样单元512和量化单元 513进一步处理。下面结合图6进一步描述模拟块600。个数字信号403或其对应指数 404分别由模adc单元500输出。
[0159]
模adc单元500的功能可以描述如下。首先，模拟输入信号402，中的每个信号由模拟处理块600独立处理以获得信号501，并由采样单元512采样以产生离散时间信号502，下面如图6所述来实现模拟处理块600。
[0160]
模拟处理块600放大具有增益601，(参见图6)的输入信号402，添加随机抖动信号605，(可以均匀分布在范围内)，并将模拟模运算603应用于使得所得模拟信号501，由以下公式给出：
[0161][0162]
其中，表示图7中所示的模拟取模运算。放大器增益601，根据如上所述的数字控制块480提供的一些信息482进行适配。
[0163]
然后，由信号502，表示的信号501，的离散时间版本逐样本映射到对应于量化码本中的码字的量化指数404，假设第个模拟块600之后的第个量化器513是分辨率为比特403、输入范围为量化步长为和重建步长为的均匀中升量化器。将模拟处理块600与adc 单元中的对称均匀量化器513组合的效果可以通过一维格来更好地理解，如r.zamir在文档“信号和网络的格编码；英国：剑桥大学出版社，2014年”所述。考虑对嵌套一维格其中，
[0164][0165]
形成个量化码本为其中其中表示的 voronoi区域。然后，对应于第个量化器输出的量化码字可以数学方式建模为
[0166][0167]
其中，是对应于每个量化分支的抖动信号605的离散时间版本。第二个等式遵循针对(5)中一维格和的格量化相对于以及模减相对于运算的交换律。公式(6)使用格编码文献中描述的标准符号，例如r.zamir在文件“信号和网络的格编码；英国：剑桥大学出版社，2014”中所述。
[0168]
图6示出了图5中描绘的模adc单元500的模拟块600的示例性实现方式的示意图。
[0169]
模拟处理块600用增益601放大输入信号402，添加随机抖动信号605 (可以均匀分布在范围内)，并对应用模拟取模运算603，使得所得模拟信号501由以下公式给出：
[0170][0171]
其中，表示图7中所示的模拟取模运算。放大器增益601，根据上文结合图 4所述的数字控制块480提供的一些信息482进行适配。
[0172]
图7示出了图6中描绘的模拟模块603的示例性特性的示意图。该特性可以是图7所示的周期性斜坡，周期为在间隔中，以下关系成立：在间隔中，以下关系成立：在间隔中，以下关系成立：等等。
[0173]
图8示出了图4中描绘的adc设备400的数字联合重建单元800的示例性实现方式的示意图。
[0174]
在数字联合重建单元800中，由模adc单元500(见图5)提供的所有个量化码字在dsp单元420中联合处理，以获得重建矢量405，如下所述。给定重建矩阵814，重建矩阵814，具有整数系数和非零行列式，使得由上面结合图4描述的数字控制块480提供的是可逆的，重建矢量可以计算为
[0175][0176]
其中，根据r.zamir：“信号和网络的格编码；英国，剑桥大学出版社，2014”应用格运算的标准属性，公式(7)可重写为
[0177][0178]
其中，其中，和表示量化误差，
[0179]
均匀分布在中。现在注意到，每当
[0180][0181]
得出
[0182][0183]
因此，每个条目都是中关联模拟信号的线性独立线性组合的数字重建，使用重建矩阵的行给出的系数加上一些量化噪声。
[0184]
图9示出了可以由图4中描绘的adc设备400的数字控制块480执行的示例性过程 900的示意图。
[0185]
作为输入901，提供混频矩阵和可选的输入关联矩阵在第一个框902中，将权重矩阵911，初始化为某个初始值。在第二个框903中，通过解决上面结合图4所述的格连续极小问题，将矩阵更新到更新的矩阵912，
[0186][0187]
在第三个框904中，根据以下信息更新权重矩阵
[0188][0189]
在获得更新的矩阵913，和之后，在第四个框905中，使用任何期望的过程或准则检查收敛性。如果不存在收敛907，则该过程返回下一次迭代908到第二个框 903。如果存在收敛906，则过程900结束。
[0190]
图10是本发明提供的模数转换器(analog-to-digital converter，adc)设备1000的一般表示的示意图。
[0191]
adc设备1000包括模拟混频器1010、模数转换器1020和数字估计器1030。
[0192]
例如，根据图4至图9的描述，模拟混频器1010用于根据模拟混频参数集1001关联第一多个模拟输入信号401，以提供第二多个关联模拟信号402。
[0193]
例如，根据图4至图9的描述，模数转换器1020用于根据模adc参数集1002将所述第二多个关联模拟信号402转换为所述第二多个关联模拟信号402的数字表示405。
[0194]
例如，根据图4至图9的描述，数字估计器1030用于根据模拟混频参数集1001和模 adc参数集1002，将第二多个关联模拟信号402的数字表示405转换为所述第一多个模拟输入信号401的数字表示406。
[0195]
模adc参数集1002是基于第二多个关联模拟信号402的关联性，例如，根据图 4至图9所述。
[0196]
模拟混频参数集1001可以包括混频矩阵如上文关于图4至图9所述。模adc参数集1002可以包括重建矩阵和放大器增益矩阵，也称为上文关于图4至图9描述的权重矩阵。
[0197]
adc设备1000可以被视为上面关于图4描述的adc设备400的一般表示。模拟混频器1010对应于模拟混频块430，模数转换器1020可以代表图4的模adc架构411，数字估计器可以代表图4的数字估计算法460。
[0198]
第二多个关联模拟信号402可以大于第一多个模拟输入信号401，例如，如上文关于图4所述。
[0199]
模拟混频器1010可以用于根据第一多个模拟输入信号401的线性组合，通过使用模拟混频参数集1001生成第二多个关联模拟信号402。
[0200]
模adc参数集1002可以基于第一多个模拟输入信号401的数字表示406所述第一多个模拟输入信号401的偏差。
[0201]
模数转换器1020可以用于根据应用于第二多个关联模拟信号402的放大器增益集处理第二多个关联模拟信号402，其中，所述放大器增益集是基于所述模adc参数集1002。
[0202]
模数转换器1020可以用于根据应用于放大的第二多个关联模拟信号402的抖动信号集605，例如，如上文关于图6所述，处理第二多个关联模拟信号402，其中，所述抖动信号集605由所述模数转换器1020生成。
[0203]
模数转换器1020可以用于根据模拟取模运算603，例如，如上文关于图6所述，然后是采样512和量化513操作，例如，如上文关于图5所述，处理第二多个失真放大的关联
模拟信号402中的每一个，以提供第二多个量化指数404，例如，如上文关于图4 所述。
[0204]
模数转换器1020可以用于根据量化码本集811和重建矩阵814，例如，如上文关于图8 所述，处理第二多个量化指数404，其中，所述重建矩阵814是基于所述模adc参数集1002。
[0205]
模数转换器1020可以用于根据一组模格运算处理所述第二多个量化指数(404)，例如，如上文关于图4所述。
[0206]
模数转换器1020可以用于根据第一多个模拟输入信号401的信号模型，提供第二多个关联模拟信号402的数字表示405，其中，所述信号模型是基于模adc参数集1002、模拟混频参数集1001和量化噪声，例如，如上文关于图4所述。
[0207]
信号模型可以是线性系统，表示为：例如，如上文关于图4所述，其中，表示第一多个模拟输入信号401，表示第二多个关联模拟信号402，表示第二多个关联模拟信号402的数字表示405，表示量化噪声，表示混频矩阵，表示重建矩阵，表示放大器增益矩阵。
[0208]
数字估计器1030用于根据由模数转换器1020提供的第一多个模拟输入信号401 的信号模型的逆转，提供第一多个模拟输入信号401的数字表示406，例如，如上文关于图4所描述。
[0209]
信号模型的逆转是基于使用所述第一多个模拟输入信号(401)的统计信息和所述量化噪声的统计信息的最小均方差准则，例如，如上文关于图4所述。
[0210]
放大器增益矩阵和重建矩阵可以基于模拟混频参数集1001，例如，如上文关于图4所述。
[0211]
放大器增益矩阵和重建矩阵可以基于第一多个模拟输入信号401的协方差矩阵，例如，如上文关于图4所述。
[0212]
图11是本发明提供的用于模数转换的方法1100的示意图。例如，方法1100可以应用于上面关于图4至图10描述的公开的adc设备400和1000。
[0213]
方法1100包括：根据模拟混频参数集1001关联1101第一多个模拟输入信号401，以提供第二多个关联模拟信号402；根据模adc参数集1002将所述第二多个关联模拟信号402转换1102为所述第二多个关联模拟信号402的数字表示405；根据所述模拟混频参数集1001和所述模adc参数集1002，将所述第二多个关联模拟信号402的所述数字表示405转换1103为所述第一多个模拟输入信号401的数字表示406，其中，所述模adc参数集1002是基于所述第二多个关联模拟信号402的关联性。
[0214]
所述第二多个关联模拟信号(402)大于所述第一多个模拟输入信号401。
[0215]
方法1100还可以包括：根据第一多个模拟输入信号401的线性组合，通过使用模拟混频参数集1001生成第二多个关联模拟信号402。
[0216]
模adc参数集1002可以基于第一多个模拟输入信号401的数字表示406所述第一多个模拟输入信号401的偏差。
[0217]
方法1100还可以包括：根据第一多个模拟输入信号401的信号模型，提供第二多个关联模拟信号402的数字表示405，其中，所述信号模型是基于模adc参数集1002、模拟混频参数集1001和量化噪声，例如，如上文关于图4至图10所述。
[0218]
信号模型可以是线性系统，表示为：其中，表示第一多个模拟输入信号401，表示第二多个关联模拟信号 402，表示第二多个关联模拟信号402的数字表示405，表示量化噪声，表示混频矩阵，表示重建矩阵，表示包括放大器增益矩阵，例如，如上文关于图4至图10所述。
[0219]
方法1100还可以包括：根据第一多个模拟输入信号401的信号模型的逆转，提供第一多个模拟输入401的数字表示406。
[0220]
信号模型的逆转可以基于使用第一多个模拟输入信号401的统计信息和量化噪声的统计信息的最小均方差准则，例如，如上文关于图4至图10所述。
[0221]
放大器增益矩阵和重建矩阵可以基于模拟混频参数集1001，例如，如上文关于图4至图10所述。
[0222]
放大器增益矩阵和重建矩阵可以基于第一多个模拟输入信号401的协方差矩阵，例如，如上文关于图4至图10所述。
[0223]
图12a和图12b示出了根据本发明的adc设备的示例性性能图。图12a示出了不关联输入信号的结果，而图12b示出了关联输入信号的结果。在图12a中，图1201示出了所公开的个6位adc的adc架构400的性能，图1202示出了所公开的个7位adc的 adc架构400的性能，图1203示出了所公开的个8位adc的adc架构400的性能。在图12b中，图1211示出了所公开的个6位adc的adc架构400的性能，图1212示出了所公开的个7位adc的adc架构400的性能，图1213示出了所公开的个8位adc的 adc架构400的性能。
[0224]
为了说明本发明中提出的新型adc架构的优点和有益效果，通过数值模拟比较了所公开的adc架构的性能和传统adc的性能。认识到模拟真实adc的困难，采用了一个非常简单的数学模型，该模型仍然能够捕获不同adc架构的特征。
[0225]
特别地，实施了以下架构：
[0226]
(a)传统adc架构200：见图(2)。adc单元210具有4个位均匀对称中升量化器213、动态范围和4个非独立重建块221。
[0227]
(b)模adc架构300：见图3。adc单元310具有根据图6实施例实现的4个模拟块 311和根据图7实施例实现的4个位均匀对称中腰量化器313和动态范围联合数字重建321，以及计算模adc以最小化重建均方差之和的数字控制块323。
[0228]
(c)公开的adc架构400：参见图4和关于图4描述的实施例。具体地，
[0229]
(i)模拟混频块430遵循上面关于图4描述的实施例，混频矩阵是随机截断的酉矩阵；
[0230]
(ii)模adc块411遵循上面关于图4描述的实施例，包括具有根据图6实施例实现的个模拟块600的adc单元500和根据图8实施例实现的个位均匀对称中腰量化器513和动态范围联合数字重建800；
[0231]
(iii)数字联合估计块460遵循上面关于图4描述的实施例，使用公式(18)中的估计器，假设
[0232]
(iv)数字控制块480遵循上面关于图4描述的实施例，当通过重建均方差测量单独失真(参见(15))，并且损失函数由以下公式给出
[0233][0234]
假设模adc参数使用图9所示的过程离线计算，并且对于给定的混合矩阵.保持恒定。
[0235]
当模拟输入信号生成如下时，以前架构的精度由信号量化噪声比衡量：
[0236]
(a)不关联的情况：输入信号遵循高斯分布，均值和单位方差为零，其中，输入信号不关联：其中，
[0237]
(b)关联的情况：输入信号遵循高斯分布，均值和单位方差为零，其中，输入信号关联：其中，
[0238]
图12(a)和图12(b)分别示出了根据情况(a)和(b)生成模拟信号时，之前adc 架构实现的信号量化噪声比(signal-to-quantization noise ratio，sqnr)。
[0239]
在分析模拟结果后，可以得出结论：
[0240]
传统adc架构200(见图2)最终受到单独adc的精度的限制。将位分辨率增加1位， sqnr的增益预期约为6db。
[0241]
模adc架构300(见图3)使用具有8位分辨率的单独adc，提供小于6位的有效精度。这一事实是预期的，因为模adc架构300所要求的条件不满足。
[0242]
所公开的adc架构400(见图4)设法产生模adc单元500所需的关联性，以优于传统adc架构200，从而提供高于所公开架构中使用的单独adc的分辨率的有效分辨率。增加单独adc的数量会产生更高的关联性，从而获得更高的有效精度。图12(a)和图 12(b)中的结果支持了这一说法。
[0243]
图12(a)和图12(b)中公开的adc架构400获得的精度增益来自所公开的本发明中的块的特定组合，而不仅仅是来自增加单独adc的数量。使用所公开的模拟混频块将传统 adc架构200中的adc数量从增加到仅产生的sqnr增益。
[0244]
所公开的adc架构400实现的有效精度取决于单独adc的数量及其分辨率。例如，使用与传统adc 200中相同的两倍数量的单独adc使得使用6位adc时的精度高于8位，使用7位adc时的精度高于10位，使用8位adc时的精度高于13位。需要记住，在传统adc架构200中，将单独adc的数量翻一番只会相对于单独adc的标称精度提高1/2位的有效精度。
[0245]
给定目标有效精度，单独adc的数量取决于单独adc的分辨率。例如，为了实现12位的目标精度，使用12个6位adc、9个7位adc或8个8位adc。
[0246]
通过比较图12(a)和图12(b)中公开的adc架构400实现的sqnr，可以得出结论，公开的adc架构400的性能对模拟输入的精确关联性是稳定的，并且不需要估计它。需要记住，模拟中采用的实施例离线计算所有参数，而不假定输入信号的任何统计信息。
[0247]
本发明还支持包含计算机可执行代码或计算机可执行指令的计算机程序产品，这些计算机可执行代码或计算机可执行指令在执行时使得至少一台计算机执行本文所述的执行及计算步骤。此计算机程序产品可以包括其上存储程序代码以供计算机使用的可读非暂时性存储媒体。程序代码可以执行本文描述的处理和计算步骤。
[0248]
尽管本发明的特定特征或方面可能已经仅结合几种实现方式中的一种进行公开，
但此类特征或方面可以和其它实现方式中的一个或多个特征或方面相结合，只要对于任何给定或特定的应用是有需要或有利。而且，在一定程度上，术语“包括”、“有”、“具有”或这些词的其它变形在详细的说明书或权利要求书中使用，这类术语和所述术语“包含”是类似的，都是表示包括的含义。同样，术语“示例性地”、“例如”仅表示为示例，而不是最好或最优的。可以使用术语“耦合”和“连接”及其派生词。应理解，这些术语可以用于指示两个元件彼此协作或交互，而不管它们是直接物理接触还是电接触，或者它们彼此不直接接触。
[0249]
尽管本文中已说明和描述特定方面，但所属领域的技术人员应了解，多种替代和/或等效实现方式可在不脱离本发明的范围的情况下所示和描述的特定方面。该申请旨在覆盖本文论述的特定方面的任何修改或变化。
[0250]
尽管以上权利要求书中的元件是利用对应的标签按照特定顺序列举的，除非对权利要求的阐述另有暗示用于实现部分或所有这些元件的特定顺序，否则这些元件不必限于以所述特定顺序来实施。
[0251]
通过以上启示，对于本领域技术人员来说，许多替代产品、修改及变体是显而易见的。当然，所属领域的技术人员容易意识到除本文所述的应用之外，还存在本发明的众多其它应用。虽然已参考一个或多个特定实施例描述了本发明，但所属领域的技术人员将认识到在不偏离本发明的范围的前提下，仍可对本发明作出许多改变。因此，应理解，只要是在所附权利要求书及其等效文句的范围内，可以用不同于本文具体描述的方式来实践本发明。