模數(shù)混合型FIR噪聲濾波器設(shè)計(jì)

作者：時(shí)間：2012-02-11 來源：網(wǎng)絡(luò)

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一般的相位反饋系統(tǒng)中使用鎖相環(huán)通過分頻器的比例關(guān)系，可以輸出一個(gè)頻率是輸入?yún)⒖夹盘?hào)N倍的時(shí)鐘。由于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的分頻比只能是整數(shù)限制，使得頻率分辨率直接取決于輸入信號(hào)頻率。△-∑分?jǐn)?shù)鎖相環(huán)通過采用數(shù)字調(diào)制，實(shí)現(xiàn)了分?jǐn)?shù)分頻比，從而可以提供更高精度的頻率分辨率，這為時(shí)鐘信號(hào)的產(chǎn)生和頻率規(guī)劃帶來更大的靈活性。然而，△-∑調(diào)制器的使用也引入了量化噪聲，在低過采樣率的環(huán)路中限制了帶外相位噪聲性能，需要加以解決?，F(xiàn)有的量化噪聲抑制技術(shù)仍然需要較大的硬件代價(jià)，并設(shè)法減小失配等非理想因素才能得到比較好的性能。由此可見，數(shù)字FIR噪聲濾除技術(shù)具有結(jié)構(gòu)簡單，可靠性高的優(yōu)點(diǎn)，但存在噪聲增益問題。目前針對這一問題還投有很好的解決辦法，本文結(jié)合模擬和數(shù)字實(shí)現(xiàn)各自的優(yōu)點(diǎn)，設(shè)計(jì)出一種混合型FIR噪聲濾波技術(shù)，該技術(shù)能有效地解決上述問題。

　　1 電路設(shè)計(jì)原理

　　混合型FIR噪聲濾除電路的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示。在△-∑鎖相環(huán)或△-∑延時(shí)鎖定環(huán)中，鑒相器輸入端的2個(gè)信號(hào)之間存在受調(diào)制器控制的瞬時(shí)相位誤差，電荷泵將這個(gè)數(shù)字控制的相位誤差轉(zhuǎn)換為模擬域電荷。為了實(shí)現(xiàn)對量化噪聲的FIR濾波功能，結(jié)構(gòu)中采用了多個(gè)鑒相器并聯(lián)的形式?！?∑調(diào)制器的輸出并不像傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)中直接去控制分頻器或相位選擇器實(shí)現(xiàn)量化操作，而是經(jīng)過一個(gè)寄存器鏈實(shí)現(xiàn)一個(gè)或數(shù)個(gè)時(shí)鐘周期的延時(shí)，并從中選出若干抽頭分別去控制對應(yīng)的分頻器或相位選擇器，量化所產(chǎn)生的瞬時(shí)相位誤差經(jīng)過各支路鑒相器后在一個(gè)多輸入電荷泵中合成為模擬域誤差電荷。

　　該結(jié)構(gòu)對應(yīng)的S域和Z域混合模型如圖2所示。經(jīng)過推導(dǎo)可以得到電荷泵的輸出為：

式中：θref為參考信號(hào)相位;θsig為環(huán)路返回信號(hào)相位;θqn為相位域的量化噪聲;ni為調(diào)制器輸出的延時(shí)深度，Ii為多輸入電荷泵的各支路電流;fref為鑒相器工作頻率;H(z)為針對量化噪聲的等效FIR濾波的傳遞函數(shù)：

　　電荷泵電流在該結(jié)構(gòu)中扮演了雙重角色。從式(1)可以看出，同常規(guī)結(jié)構(gòu)一樣，總電流影響了環(huán)路動(dòng)態(tài)特性;另一方面，式(2)表明各支路電流決定了所實(shí)現(xiàn)FIR濾波器傳遞函數(shù)的各項(xiàng)系數(shù)。只要根據(jù)所要實(shí)現(xiàn)的傳遞函數(shù)設(shè)置調(diào)制器輸出的延時(shí)深度以及電荷泵各支路電流的分配比例，就可以實(shí)現(xiàn)全定制的噪聲整形。此外，式(2)中當(dāng)f=0時(shí)，將有H(z)≡1。這表明無論設(shè)計(jì)參數(shù)如何選取，該結(jié)構(gòu)所實(shí)現(xiàn)的FIR濾波器恒有單位直流增益，因此從根本上解決了現(xiàn)有數(shù)字FIR噪聲濾除技術(shù)中的噪聲增益問題。

　　現(xiàn)以8抽頭混合型FIR濾波器為例，分析該結(jié)構(gòu)所實(shí)現(xiàn)的全定制噪聲整形。通過采用并行8支路鑒相器和1個(gè)8輸入的電荷泵，并給電荷泵各支路分配相同的電流，設(shè)置圖1中調(diào)制器輸出的每級(jí)延遲為單個(gè)時(shí)鐘周期，可以實(shí)現(xiàn)如圖3所示的濾波器頻域響應(yīng)。對應(yīng)的傳遞函數(shù)為：

　　圖4是行為級(jí)仿真得到的采用混合型FIR濾波器的新結(jié)構(gòu)鎖相環(huán)輸出的頻譜，并與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)做了對比。所有模塊均為無噪聲理想模型，因此頻譜中只含△-∑調(diào)制帶來的量化噪聲。所用參考時(shí)鐘頻率為14.318 MHz;輸出頻率為532 MHz，對應(yīng)的分頻比為37.156;電荷泵總電流為320μA，對應(yīng)每個(gè)支路40μA;振蕩器增益為250 MHz/V;環(huán)路濾波器采用2階;環(huán)路帶寬設(shè)為700 kHz，對應(yīng)的過采樣率僅為10;所用調(diào)制器為3階MASH結(jié)構(gòu)。圖中橫坐標(biāo)按照參考時(shí)鐘頻率歸一化。對比圖4和圖3可以看出，混合型FIR濾波器按照其傳遞函數(shù)實(shí)現(xiàn)了預(yù)期的對量化噪聲的抑制。