專(zhuān)利名稱(chēng)：一種提高a/d轉(zhuǎn)換器信噪比的方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電路降噪設(shè)計(jì)領(lǐng)域，特別是一種提高A/D轉(zhuǎn)換器信噪比的方法及裝置。
背景技術(shù)：
對(duì)于A/D轉(zhuǎn)換器來(lái)說(shuō)，量化誤差總是存在的。如果將量化誤差看作是一種加性噪聲的話，一個(gè)(B+1)位的A/D轉(zhuǎn)換器，其信號(hào)與加性量化噪聲之比用dB(分貝)可以表示為SNR=6.02B+10.8-10×log10(XmPx)(dB).]]>其中Xm為A/D轉(zhuǎn)換器的滿幅度值，Px是輸入信號(hào)的功率。
現(xiàn)有技術(shù)中提高A/D轉(zhuǎn)換器信噪比的方法一般是過(guò)采樣、濾波、增益自動(dòng)控制等。其中通過(guò)提高采樣頻率以及使用濾波器來(lái)提高A/D轉(zhuǎn)換器信噪比的方法，其電路參數(shù)都是固定的，即在采樣開(kāi)始之前就已經(jīng)設(shè)計(jì)好了采樣頻率或?yàn)V波器的參數(shù)，在采樣開(kāi)始之后，這些參數(shù)不會(huì)有變化。
但是在開(kāi)始采樣之后，輸入信號(hào)的幅值是不斷變化的，例如有時(shí)信號(hào)幅值可能小于A/D轉(zhuǎn)換器滿幅度值Xm的1/8，有時(shí)可能大于Xm的2/3。在這種情況下，對(duì)于遠(yuǎn)小于A/D轉(zhuǎn)換器滿幅度值的信號(hào)仍用原有放大倍數(shù)進(jìn)行放大，就無(wú)法充分利用A/D轉(zhuǎn)換器的采樣精度了。因此，如果運(yùn)用放大器增益自動(dòng)控制的方法，在信號(hào)幅度較大時(shí)用較小增益值，在小信號(hào)時(shí)用較大增益值，就可以充分地利用A/D轉(zhuǎn)換器的精度，從而提高A/D轉(zhuǎn)換器的信噪比。
現(xiàn)有技術(shù)中的增益自動(dòng)控制方法是通過(guò)將PGA放大輸出的電壓值與設(shè)定閾值相比較，然后根據(jù)比較結(jié)果調(diào)節(jié)PGA增益幅值較小則令PGA使用較大增益值，幅值較大則使用較小增益值。
但是，該方法也有不足之處由于通過(guò)PGA放大的電壓值不斷地與設(shè)定電壓值相比較，并調(diào)節(jié)PGA的增益，而經(jīng)過(guò)調(diào)節(jié)的PGA增益要穩(wěn)定下來(lái)總是需要一定的時(shí)間，這樣就會(huì)給系統(tǒng)帶來(lái)額外的噪聲。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)上述問(wèn)題，本發(fā)明的目的就是在保證自動(dòng)增益調(diào)節(jié)對(duì)提高A/D轉(zhuǎn)換器信噪比帶來(lái)的有益影響的同時(shí)，減少PGA增益調(diào)節(jié)的次數(shù)，從而降低PGA調(diào)節(jié)次數(shù)過(guò)多所帶來(lái)的噪聲。
為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明提出了一種提高A/D轉(zhuǎn)換器信噪比的方法。
一種提高A/D轉(zhuǎn)換器信噪比的方法，包括以下步驟(a)輸入的模擬信號(hào)通過(guò)可編程增益放大器PGA進(jìn)行放大；(b)所述經(jīng)過(guò)放大的模擬信號(hào)通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)輸出；(c)計(jì)算輸出數(shù)字信號(hào)的功率；(d)所述輸出數(shù)字信號(hào)的功率與預(yù)先設(shè)定的目標(biāo)功率值相比較；(e)根據(jù)所述功率比較所得到的結(jié)果，對(duì)所述PGA的增益進(jìn)行調(diào)節(jié)。
優(yōu)選的，所述輸出數(shù)字信號(hào)的功率值通過(guò)如下方法近似得到從所述模數(shù)轉(zhuǎn)換器輸出的數(shù)字信號(hào)中取一定數(shù)量的樣本數(shù)據(jù)，計(jì)算得到其均方根即為信號(hào)功率值。
優(yōu)選的，A/D轉(zhuǎn)換器的頻率越高，則所需樣本數(shù)據(jù)越多。
優(yōu)選的，當(dāng)采樣頻率在8KHz～12KHz之間時(shí)，其所需樣本數(shù)為256個(gè)；當(dāng)采樣頻率在16KHz～24KHz之間時(shí)，其所需樣本數(shù)為512個(gè)；當(dāng)采樣頻率在44KHz～48KHz之間時(shí)，其所需樣本數(shù)為1024個(gè)。
優(yōu)選的，所述預(yù)先設(shè)定的目標(biāo)功率值P0的計(jì)算公式為P0=Xm×10-(6.02B+10.8-SNR010),]]>其中SNR0為系統(tǒng)要求達(dá)到的信噪比，B為模數(shù)轉(zhuǎn)換器的位數(shù)減1得到的值，Xm為模數(shù)轉(zhuǎn)換器的滿幅度值。
優(yōu)選的，步驟e)中所述的對(duì)PGA的增益進(jìn)行調(diào)節(jié)包括以下情況(e1)輸出數(shù)字信號(hào)的功率大于目標(biāo)功率值，則減小PGA的增益；
(e2)輸出數(shù)字信號(hào)的功率小于目標(biāo)功率值，則增加PGA的增益；(e3)輸出數(shù)字信號(hào)的功率等于目標(biāo)功率值，則PGA的增益保持不變。
優(yōu)選的，若輸出的數(shù)字信號(hào)的功率與目標(biāo)功率之間的絕對(duì)差值在允許誤差范圍內(nèi)，則保持PGA當(dāng)前的增益不變。
本發(fā)明還提出了一種提高A/D轉(zhuǎn)換器信噪比的裝置，包括PGA，用于以一定的增益放大輸入的模擬信號(hào)；A/D轉(zhuǎn)換器，用于對(duì)PGA放大后的信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換；輸出功率計(jì)算模塊，用于計(jì)算A/D轉(zhuǎn)換器輸出的數(shù)字信號(hào)的功率；功率比較模塊，用于比較A/D轉(zhuǎn)換器輸出的數(shù)字信號(hào)的功率和目標(biāo)功率的大小；PGA增益調(diào)節(jié)模塊，用于根據(jù)功率比較器得到的結(jié)果，相應(yīng)地調(diào)節(jié)PGA的增益。
優(yōu)選的，所述輸出功率計(jì)算模塊，從所述模數(shù)轉(zhuǎn)換器輸出的數(shù)字信號(hào)中取一定數(shù)量的樣本數(shù)據(jù)，計(jì)算得到其均方根即為信號(hào)功率值。
優(yōu)選的，當(dāng)所述功率比較模塊得到的結(jié)果為輸出數(shù)字信號(hào)的功率大于目標(biāo)功率時(shí)，所述PGA增益調(diào)節(jié)模塊令PGA的增益減小，反之則增加，若所述兩功率值相等，則PGA的增益保持不變。
優(yōu)選的，當(dāng)所述功率比較模塊得到的結(jié)果為輸出數(shù)字信號(hào)的功率與目標(biāo)功率之間的絕對(duì)差值在允許誤差范圍內(nèi)，則保持PGA當(dāng)前的增益不變。
本發(fā)明公開(kāi)的提高A/D轉(zhuǎn)換器信噪比的方法和裝置，可以根據(jù)A/D轉(zhuǎn)換器的輸出信號(hào)自動(dòng)設(shè)置A/D轉(zhuǎn)換器之前的PGA的增益，同時(shí)又避免了過(guò)于頻繁地調(diào)節(jié)PGA的增益給系統(tǒng)帶來(lái)的額外噪聲，能夠使輸入信號(hào)與A/D轉(zhuǎn)換器得到最佳匹配，從而得到最佳信噪比。


圖1是本發(fā)明方法的流程圖；圖2是本發(fā)明裝置的原理框圖。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明所公開(kāi)的提高A/D轉(zhuǎn)換器信噪比的方法及裝置，其核心思想是將A/D轉(zhuǎn)換器輸出信號(hào)的功率與預(yù)定的信噪比所對(duì)應(yīng)的目標(biāo)信號(hào)功率相比較，根據(jù)比較結(jié)果來(lái)調(diào)節(jié)連接在A/D轉(zhuǎn)換器之前的PGA的增益，使得輸入A/D轉(zhuǎn)換器的模擬信號(hào)與A/D轉(zhuǎn)換器得到最佳匹配，從而得到最佳信噪比。
圖2為本發(fā)明裝置的原理框圖，包括PGA，用于以一定的增益放大輸入的模擬信號(hào)；A/D轉(zhuǎn)換器，用于對(duì)PGA放大后的信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換；輸出功率計(jì)算模塊，用于計(jì)算A/D轉(zhuǎn)換器輸出的數(shù)字信號(hào)的功率；功率比較模塊，用于比較A/D轉(zhuǎn)換器輸出的數(shù)字信號(hào)的功率和目標(biāo)功率的大小；PGA增益調(diào)節(jié)模塊，用于根據(jù)功率比較器得到的結(jié)果，相應(yīng)地調(diào)節(jié)PGA的增益。
圖1為本發(fā)明方法的流程圖，利用本發(fā)明公開(kāi)的方法和裝置對(duì)PGA增益進(jìn)行調(diào)節(jié)的步驟如下步驟一、輸入的模擬信號(hào)以一定增益通過(guò)PGA放大；PGA的增益是可編程確定的，最初的增益值可以由設(shè)計(jì)人員計(jì)算設(shè)定，之后的增益由本發(fā)明的方法所確定。
在本例中，假設(shè)最初設(shè)定的增益值為100，則輸入模擬信號(hào)Ain被PGA放大了100倍，記為100*Ain。
步驟二、A/D轉(zhuǎn)換器對(duì)經(jīng)過(guò)放大的模擬信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換；經(jīng)過(guò)所述PGA放大的模擬信號(hào)100*Ain，由A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)輸出，記為D(100*Ain)。
步驟三、計(jì)算A/D轉(zhuǎn)換器輸出的數(shù)字信號(hào)的功率Px；從所述A/D轉(zhuǎn)換器輸出的數(shù)字信號(hào)D(100*Ain)中取出部分?jǐn)?shù)據(jù)，計(jì)算其信號(hào)功率。
數(shù)據(jù)的數(shù)量可以根據(jù)下面的原則確定A/D轉(zhuǎn)換器的采樣頻率在8KHz～12KHz時(shí)，樣本數(shù)據(jù)的數(shù)量為256個(gè)；16KHz～24KHz之間的采樣頻率，對(duì)應(yīng)的樣本數(shù)可為512個(gè)；44KHz～48KHz之間的采樣頻率，其對(duì)應(yīng)的樣本數(shù)為1024個(gè)。在其它的采樣頻率之下，所應(yīng)選取的數(shù)據(jù)量，基于上述原則，可以選擇與其相同的數(shù)據(jù)量，或者適當(dāng)?shù)卦黾踊驕p少數(shù)據(jù)量。上述原則中的樣本數(shù)量值都是通過(guò)實(shí)驗(yàn)得到的最佳數(shù)量值，能夠達(dá)到及時(shí)準(zhǔn)確地調(diào)節(jié)PGA的增益的效果，當(dāng)然在實(shí)際應(yīng)用中，也可以選取其他數(shù)量值。
計(jì)算Px，即從D(100*Ain)中取出的樣本值的均方根，其計(jì)算公式為Px=1mΣn=1mDn22]]>其中，Dn表示第n個(gè)樣本值，m為樣本總數(shù)。
例如，A/D轉(zhuǎn)換器采樣頻率為16K，那么根據(jù)上述選擇數(shù)據(jù)量的原則，可以在輸出數(shù)字信號(hào)D(100*Ain)中選取512個(gè)數(shù)據(jù)，各個(gè)數(shù)據(jù)依次記為D1，D2，...D512，則PX=1512Σn=1512Dn22,]]>假設(shè)計(jì)算得到的結(jié)果Px值為1532。
步驟四、輸出信號(hào)的功率Px與預(yù)先設(shè)定的目標(biāo)功率值P0相比較；對(duì)于一個(gè)特定的A/D轉(zhuǎn)換器，它的位數(shù)(B+1)和滿幅度值Xm均為固定值。那么對(duì)于系統(tǒng)要求的特定的SNR0，總可以由信噪比計(jì)算公式SNR=6.02B+10.8-10×log10(XmPx),]]>反推出輸入信號(hào)功率的目標(biāo)值P0P0=Xm×10-(6.02B+10.8-SNR010),]]>P0是事先計(jì)算并保存下來(lái)的，在本例中，假設(shè)由已知的Xm、B和SNR0計(jì)算得到的P0的值為1600。
功率比較過(guò)程如下a)Px＞P0？如果結(jié)果為是，執(zhí)行步驟五中的a)步驟，如果結(jié)果為否，則繼續(xù)執(zhí)行下面的比較步驟b)；b)Px＜P0？如果結(jié)果為是，執(zhí)行步驟五中的b)步驟，如果結(jié)果為否，則執(zhí)行步驟五中的c)步驟。
當(dāng)然，功率比較中的兩個(gè)判斷步驟Px＞P0？和Px＜P0？的先后順序是可以調(diào)換的，只要保證Px＞P0時(shí)，減小PGA的增益；Px＜P0時(shí)，增加PGA的增益；Px＝P0時(shí)PGA增益不變即可。
由前面的步驟可知，Px值為1532，P0值為1600，所以Px＜P0。
步驟五、根據(jù)比較結(jié)果調(diào)節(jié)PGA的增益；對(duì)于PGA的增益調(diào)節(jié)，在步驟四中已有敘述，需要根據(jù)步驟四的比較結(jié)果來(lái)進(jìn)行，現(xiàn)具體說(shuō)明如下a)Px＜P0時(shí)，增加PGA的增益；b)Px＞P0時(shí)，減小PGA的增益；c)Px＝P0時(shí)，保持PGA的增益不變。
因?yàn)橛刹襟E四可知Px＜P0，所以在本步驟中應(yīng)該增加PGA的增益。
上述PGA的最初增益為100倍，那么調(diào)節(jié)后的增益應(yīng)該為101倍，在調(diào)節(jié)后，輸入信號(hào)應(yīng)該被PGA放大101倍后再由A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行模數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。
所述調(diào)節(jié)程序一直在進(jìn)行，在本例中，A/D轉(zhuǎn)換器每輸出512個(gè)數(shù)據(jù)，就要利用該512個(gè)數(shù)據(jù)近似計(jì)算出功率值Px，與事先計(jì)算并存儲(chǔ)下來(lái)的P0做比較，并根據(jù)比較結(jié)果調(diào)節(jié)PGA的增益值。
因?yàn)檩斎氲哪M信號(hào)可能時(shí)刻都在變化，導(dǎo)致用輸出數(shù)據(jù)近似計(jì)算出的功率Px與P0很難達(dá)到相等的狀況。一般情況下，PX會(huì)逐漸趨近于P0，之后在P0值上下做小幅度的波動(dòng)。
以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種提高A/D轉(zhuǎn)換器信噪比的方法，包括以下步驟(a)輸入的模擬信號(hào)通過(guò)可編程增益放大器PGA進(jìn)行放大；(b)所述經(jīng)過(guò)放大的模擬信號(hào)通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)輸出；(c)計(jì)算輸出數(shù)字信號(hào)的功率；(d)所述輸出數(shù)字信號(hào)的功率與預(yù)先設(shè)定的目標(biāo)功率值相比較；(e)根據(jù)所述功率比較所得到的結(jié)果，對(duì)所述PGA的增益進(jìn)行調(diào)節(jié)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述輸出數(shù)字信號(hào)的功率值通過(guò)如下方法近似得到從所述模數(shù)轉(zhuǎn)換器輸出的數(shù)字信號(hào)中取一定數(shù)量的樣本數(shù)據(jù)，計(jì)算得到其均方根即為信號(hào)功率值。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，A/D轉(zhuǎn)換器的頻率越高，則所需樣本數(shù)據(jù)越多。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，當(dāng)采樣頻率在8KHz～12KHz之間時(shí)，其所需樣本數(shù)為256個(gè)；當(dāng)采樣頻率在16KHz～24KHz之間時(shí)，其所需樣本數(shù)為512個(gè)；當(dāng)采樣頻率在44KHz～48KHz之間時(shí)，其所需樣本數(shù)為1024個(gè)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述預(yù)先設(shè)定的目標(biāo)功率值P0的計(jì)算公式為P0=Xm×10-(6.02B+10.8-SNR010),]]>其中SNR0為系統(tǒng)要求達(dá)到的信噪比，B為模數(shù)轉(zhuǎn)換器的位數(shù)減1得到的值，Xm為模數(shù)轉(zhuǎn)換器的滿幅度值。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，步驟e)中所述的對(duì)PGA的增益進(jìn)行調(diào)節(jié)包括以下情況(e1)輸出數(shù)字信號(hào)的功率大于目標(biāo)功率值，則減小PGA的增益；(e2)輸出數(shù)字信號(hào)的功率小于目標(biāo)功率值，則增加PGA的增益；(e3)輸出數(shù)字信號(hào)的功率等于目標(biāo)功率值，則PGA的增益保持不變。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，若輸出的數(shù)字信號(hào)的功率與目標(biāo)功率之間的絕對(duì)差值在允許誤差范圍內(nèi)，則保持PGA當(dāng)前的增益不變。
8.一種提高A/D轉(zhuǎn)換器信噪比的裝置，包括PGA，用于以一定的增益放大輸入的模擬信號(hào)；A/D轉(zhuǎn)換器，用于對(duì)PGA放大后的信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換；輸出功率計(jì)算模塊，用于計(jì)算A/D轉(zhuǎn)換器輸出的數(shù)字信號(hào)的功率；功率比較模塊，用于比較A/D轉(zhuǎn)換器輸出的數(shù)字信號(hào)的功率和目標(biāo)功率的大??；PGA增益調(diào)節(jié)模塊，用于根據(jù)功率比較器得到的結(jié)果，相應(yīng)地調(diào)節(jié)PGA的增益。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的裝置，其特征在于，所述輸出功率計(jì)算模塊，從所述模數(shù)轉(zhuǎn)換器輸出的數(shù)字信號(hào)中取一定數(shù)量的樣本數(shù)據(jù)，計(jì)算得到其均方根即為信號(hào)功率值。
10.根據(jù)權(quán)利要求8或9所述的裝置，其特征在于，當(dāng)所述功率比較模塊得到的結(jié)果為輸出數(shù)字信號(hào)的功率大于目標(biāo)功率時(shí)，所述PGA增益調(diào)節(jié)模塊令PGA的增益減小，反之則增加，若所述兩功率值相等，則PGA的增益保持不變。
11.根據(jù)權(quán)利要求8或9所述的方法，其特征在于，當(dāng)所述功率比較模塊得到的結(jié)果為輸出數(shù)字信號(hào)的功率與目標(biāo)功率之間的絕對(duì)差值在允許誤差范圍內(nèi)，則保持PGA當(dāng)前的增益不變。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種提高A/D轉(zhuǎn)換器信噪比的方法，包括以下步驟輸入的模擬信號(hào)通過(guò)可編程增益放大器進(jìn)行放大；所述經(jīng)過(guò)放大的模擬信號(hào)通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)輸出；取一定數(shù)量輸出數(shù)據(jù)，計(jì)算所述數(shù)字信號(hào)的功率；比較所述數(shù)字信號(hào)的功率與預(yù)先設(shè)定的目標(biāo)功率值；根據(jù)所述功率比較所得到的結(jié)果，對(duì)所述可編程增益放大器的增益進(jìn)行調(diào)節(jié)。本發(fā)明還公開(kāi)了一種提高A/D轉(zhuǎn)換器信噪比的裝置，包括PGA、A/D轉(zhuǎn)換器、輸出功率計(jì)算模塊、功率比較模塊及PGA增益調(diào)節(jié)模塊。該方法和裝置可以廣泛應(yīng)用于其中含有A/D轉(zhuǎn)換器的電路中，使用該方法可以使輸入信號(hào)與A/D轉(zhuǎn)換器達(dá)到最佳匹配，從而顯著地提高A/D轉(zhuǎn)換器的信噪比。
文檔編號(hào)H03M1/12GK1744441SQ20051010803
公開(kāi)日2006年3月8日 申請(qǐng)日期2005年10月9日 優(yōu)先權(quán)日2005年10月9日
發(fā)明者溫小勇, 馮宇紅 申請(qǐng)人:北京中星微電子有限公司