一种用于压缩采样模数转换器的可变压缩比采样电路的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种用于压缩采样模数转换器的可变压缩比采样电路，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求解丨％ = ?兔且交满足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，与传统的 模数转换器结构相比，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。
[0007] 采样量化电路实现的信号压缩效率可用信号压缩比定量表示。压缩比在数学上定 义为随机观测矩阵列数与行数之比，在电路实现中对应于每一支路积分器完整积分的信号 帧长与并行支路支路数之比。可根据具体系统要求在设计中确定积分周期及采样支路路 数。
[0008] 以上所述的观测矩阵及采样量化电路，在实际电路中对应于一个多路并行随机采 样结构，观测矩阵的规模和取值对应于具体电路的实现结构，本发明着眼于观测矩阵规模 的选择。设观测矩阵大小为MXN(通常取M〈N以实现压缩采样），N即对应每一个采样帧的信 号长度，而M对应并行随机采样的支路数，传统电路实现中需要在设计阶段通过仿真对二者 取值加以确定，一旦设计完成则无法调整修改，加之电路硬件实现存在非理想因素，存在由 于本模块取值不合理造成整个系统性能降低的风险，同时也不利于适用到后端不同的恢复 算法。
【发明内容】
[0009] 本发明的目的是提出一种用于压缩采样模数转换器的可变压缩比的采样电路，根 据系统需求及性能测试结果调整采样电路的压缩比，传统电路实现中需要在设计阶段通过 仿真对二者取值加以确定，一旦设计完成则无法调整修改，加之电路硬件实现存在非理想 因素，存在由于本模块取值不合理造成整个系统性能降低的风险，同时也不利于适用到后 端不同的恢复算法。本发明提出的可变压缩比结构包括调整采样信号帧长及并行观测支路 数量两方面功能，采用多路模拟积分，单一量化器量化的结构，使得压缩比调整极为方便。
[0010] 本发明提出的用于压缩采样模数转换器的可变压缩比采样电路，包括N个随机采 样支路、一个量化器、一个压缩比控制器、一个随机采样控制信号发生器、一个输出时钟、N 个随机采样开关和N个输出控制开关，每个随机采样支路由随机采样开关、模拟积分器和输 出控制开关组成;N个随机采样支路中的N个模拟积分器的输入端分别通过N个随机采样开 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;所述的随机采 样控制信号发生器和输出时钟分别与所述的压缩比控制器相连。
[0011] 上述可变压缩比采样电路，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，米用全差分结构，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，受控开关两端分别命名为左端和右端，信号由两个输入端VIP和VIN接 入，VIP端口与受控开关①2和受控①4左端相连，VIN端口与受控开关①1和受控开关①5左端 相连，受控开关①1和受控开关①2右端分别与受控开关? 3左端相连，受控开关? 4和受控开 关〇 5右端分别与受控开关〇 6左端相连，受控开关〇 3左端通过积分电容C1连接到共模输入 电压VCM上，受控开关〇 6左端通过积分电容C2连接到共模输入电压VCM上，受控开关〇 3右端 连接所述的运算放大器的正输入端，受控开关〇 6右端连接运算放大器的负输入端，运算放 大器的正负输入端之间通过积分电容相连，运算放大器的正负输出端之间通过积分电 容〇。 2相连，运算放大器的正相输入输出端之间通过反馈电容C3相连，运算放大器的负相输 入输出端之间通过反馈电容C4相连，运算放大器正负相输出信号通过输出端口 V0P和V0N输 出。
[0012] 上述可变压缩比采样电路，所述的输出控制开关为乒乓式模拟电压寄存器，由电 容及开关组成，两个电容下端接地，电容C1正端与单联双控开关〇 h中间端相连，电容C2正 端与单联双控开关^中间端相连，单联双控开和单联双控开关^的左端都与信号输 入端相连，单联双控开关? 单联双控开关^的右端都与开关〇。左端相连，开关〇。右端 则连接到输出端，该结构通过控制单联双控开关和单联双控开关^在两端之间交替开 闭，使得两个电容交替保持输入电压，并交替输出。
[0013] 上述可变压缩比采样电路，所述的量化器选择逐次逼近模数转换器实现，采用全 差分结构，包括采样开关、数模转换器、比较器以及逻辑控制;逐次逼近模数转换器对输入 信号做二分查找，即对输入信号每次与数模转换器产生的当期搜索范围的中值进行比较， 根据比较结果确定下一次比较的搜索范围，通过多次比较逐次地逼近输入信号，搜索范围 逐步减小到量化步长。
[0014] 上述可变压缩比采样电路，所述的随机采样控制信号发生器为M序列发生器，采用 线性移位寄存器阵列结构，将N个寄存器首尾相连并引入反馈结构，即组成一个N级M序列发 生器，引入控制电平V T，用来消除锁死状态，进行全局的同步，VT长时间为高使得寄存器状态 全部置为1状态，通过控制Vt的电平状态用来同步Fabonacci序列产生器的状态，进而在恢 复系统中进行观测矩阵的同步恢复。
[0015] 本发明提出