專利名稱:一種對信號高效量化的模數(shù)轉(zhuǎn)換器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于雷達(dá)、聲納、圖像等數(shù)字信號處理領(lǐng)域，特別涉及一種對信號高效量化的模數(shù)轉(zhuǎn)換器。
背景技術(shù)：
自然界的信號通常是在時(shí)間和幅度上連續(xù)的，而數(shù)字信號處理系統(tǒng)要求輸入信號在時(shí)間上是離散的，并且表示成由0、1組成的數(shù)字序列。因此，需要將模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字形式。圖1表示了數(shù)字信號處理系統(tǒng)的基本組成。由信號源101得到的模擬信號首先通過一個(gè)采樣和保持電路102轉(zhuǎn)化為離散時(shí)間信號。由采樣和保持電路102輸出的信號輸入到一個(gè)模擬/數(shù)字(A/D)轉(zhuǎn)換器103，在那里經(jīng)過時(shí)間采樣的模擬信號被轉(zhuǎn)化為數(shù)字編碼的信號。然后數(shù)字信號處理(DSP)系統(tǒng)104就可以使用這些數(shù)字信號來完成特定的數(shù)字信號處理算法。根據(jù)不同的應(yīng)用，DSP系統(tǒng)的輸出可以直接使用數(shù)字形式輸出到顯示系統(tǒng)105，或者通過一個(gè)數(shù)字/模擬(D/A)轉(zhuǎn)換器106變換回模擬信號。
設(shè)置輸入信號的幅度范圍是
則B比特A/D轉(zhuǎn)換器的分層級差為Q＝A2-(B-1)。設(shè)輸入信號是s，則常規(guī)A/D轉(zhuǎn)換器量化后的信號為 其中
表示不超過
的最大整數(shù)。
時(shí)間上的采樣問題可以由采樣定理很好的解決，但是，信號幅度上的量化效應(yīng)卻因?yàn)樗姆蔷€性特點(diǎn)遠(yuǎn)沒有被完全理解。常用的一些A/D轉(zhuǎn)換器，比如FlashA/D、Successive Approximation A/D、Pipelined A/D、Cyclic A/D等(V.K.Madisetti等.Digital signal processing handbook.CRC Press，Boca Raton.1999)，需要盡量保持信號波形，即盡量減少在信號幅度上的非線性變換效應(yīng)。為了提高量化的分辨率和減小量化誤差，應(yīng)提高量化比特?cái)?shù)，但是在陣列信號處理、傳感器網(wǎng)絡(luò)等很多應(yīng)用中對多通道信號的傳輸能力構(gòu)成了巨大的挑戰(zhàn)。
圖2是FlashA/D轉(zhuǎn)換器的示意圖。因?yàn)槭褂昧烁叨炔⑿刑幚斫Y(jié)構(gòu)，F(xiàn)lashA/D轉(zhuǎn)換器能夠達(dá)到很高的轉(zhuǎn)換速度。Flash A/D轉(zhuǎn)換器包含了模擬比較器201和數(shù)字編碼器202。模擬比較器201的比較電壓V0、V1、……、V(2B-1)從小到大在輸入電壓幅度范圍內(nèi)均勻分布。經(jīng)過編碼器202編碼后，F(xiàn)lashA/D轉(zhuǎn)換器輸出B比特的數(shù)字序列203。
在小輸入信號的情況下，由于非線性的作用輸出波形已經(jīng)發(fā)生嚴(yán)重畸變，工程上可以采用“抖動”的辦法(B.Andò.Stochastic ResonanceTheory andApplications.Kluwer Academic Publishers，Boston.2000)，在信號輸入端加入一小量的噪聲(等于最大的量化誤差)，來接近于線性響應(yīng)。這種方法僅僅是在常規(guī)A/D轉(zhuǎn)換器的基礎(chǔ)上將傳輸函數(shù)“線性化”，并沒有改變常規(guī)A/D轉(zhuǎn)換器的本質(zhì)和結(jié)構(gòu)。為了得到質(zhì)量高的數(shù)字信號，仍然需要高量化比特?cái)?shù)。
在一些非線性系統(tǒng)中，噪聲的存在能夠提高信號的傳輸能力，這種現(xiàn)象稱為隨機(jī)共振(Gammaitoni等.Stochastic resonance.Reviews of Modern Physics.199870(1).pp.223-287)。簡單的量化系統(tǒng)，比如二值量化或三值量化系統(tǒng)中也能夠出現(xiàn)隨機(jī)共振現(xiàn)象(Saha等.Design of detectors based on stochastic resonance.SignalProcessing，200383.pp.1193-1212)。在這些系統(tǒng)中，輸出信噪比往往高于輸入信噪比，因此，這為采用較少量化比特?cái)?shù)得到高質(zhì)量的數(shù)字信號提供了理論基礎(chǔ)。

發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是為了解決常規(guī)A/D轉(zhuǎn)換器只能采用高量化比特?cái)?shù)來得到高質(zhì)量數(shù)字信號，以及小輸入信號情況經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器后的輸出波形嚴(yán)重畸變的缺陷，提供一種對信號高效量化的A/D轉(zhuǎn)換器。
為實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明提供的對信號高效量化的模數(shù)轉(zhuǎn)換器(A/D轉(zhuǎn)換器)由圖3所示的并行處理結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)，包括噪聲發(fā)生器301、B′個(gè)雙通道加法器302、B′個(gè)比較器303、多通道加法器304，其中B′＝2B-1，B′為并行通道數(shù)，B為模數(shù)轉(zhuǎn)換器的比特?cái)?shù)。需要量化的信號s輸入到B′個(gè)并行通道，噪聲發(fā)生器301產(chǎn)生B′個(gè)獨(dú)立同分布白噪聲ξ1，ξ2，…，ξB′，分別輸入B′個(gè)并行通道并在雙通道加法器302中與待量化的輸入信號s疊加，雙通道加法器302的輸出端分別作為B′個(gè)比較器303的一個(gè)輸入端，比較器303的另一輸入端分別輸入門限信號ηi，其中i＝1，2，…，B′；所述B′個(gè)比較器303的輸出端與多通道加法器304的輸入端連接。
上述技術(shù)方案中，第i個(gè)通道上的所述比較器中，若其輸入的混合信號s+ξi大于第i個(gè)通道的門限信號ηi，則該比較器的輸出sqi等于1，否則sqi等于0。
上述技術(shù)方案中，所述的輸入信號s，是模擬信號，或者是經(jīng)過常規(guī)高比特模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(量化精度高，接近于模擬信號)。
上述技術(shù)方案中，所述的B′個(gè)獨(dú)立同分布白噪聲，包括均勻分布噪聲、高斯分布噪聲，以及更廣義的廣義高斯噪聲和混合高斯噪聲，以及其它類型的噪聲。
上述技術(shù)方案中，所述的B′個(gè)獨(dú)立同分布白噪聲，其方差相等。
上述技術(shù)方案中，所述的B′個(gè)比較器的門限信號，其數(shù)值相等。
與圖2的Flash A/D轉(zhuǎn)換器比較，本發(fā)明也采用了高度的并行處理結(jié)構(gòu)，但增加了噪聲發(fā)生器301和兩種加法器302和304，數(shù)字輸出的編碼方式也不同因?yàn)橥ㄟ^多通道加法器304后的輸出sq已經(jīng)是由二進(jìn)制表示的整型值，所以不需要另外再編碼。另外，F(xiàn)lash A/D轉(zhuǎn)換器和本發(fā)明的隨機(jī)共振A/D轉(zhuǎn)換器雖然都包含比較器(分別是201和303)，但本發(fā)明中比較器303的門限ηi(i＝1，2，…，B′)數(shù)值相等，在多數(shù)情況下，ηi(i＝1，2，…，B′)可以全部設(shè)置為0。
與普通A/D轉(zhuǎn)換器相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于在非高斯噪聲情況下本發(fā)明的輸出能提高信噪比(高斯噪聲下基本等效)；本發(fā)明的輸出不受小輸入信號的影響；在圖像的量化中，低量化比特?cái)?shù)時(shí)本發(fā)明量化后的結(jié)果有明顯更好的視覺效果。因此采用本發(fā)明能夠使用很少的量化比特?cái)?shù)就得到高質(zhì)量的數(shù)字信號。本發(fā)明可以應(yīng)用于信號處理、高速數(shù)據(jù)傳輸和圖像壓縮等領(lǐng)域中。
圖1是表示使用A/D轉(zhuǎn)換器的數(shù)字信號處理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是表示Flash A/D轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是表示本發(fā)明隨機(jī)共振A/D轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)示意圖；圖4是表示采用微程序控制器實(shí)現(xiàn)的噪聲發(fā)生器示意圖；圖5是說明工控型計(jì)算機(jī)基本單元的方框圖；圖6是普通A/D轉(zhuǎn)換器和隨機(jī)共振A/D轉(zhuǎn)換器在高斯噪聲中的量化比特?cái)?shù)與檢測概率的變化關(guān)系圖；圖7是表示將常規(guī)高比特A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號作為隨機(jī)共振A/D轉(zhuǎn)換器輸入的數(shù)字信號處理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；圖8a-圖8c是表示普通A/D轉(zhuǎn)換器和隨機(jī)共振A/D轉(zhuǎn)換器在圖像量化中的性能比較圖；圖9是隨機(jī)共振A/D轉(zhuǎn)換器在圖像增強(qiáng)中的一個(gè)應(yīng)用。
具體實(shí)施方式實(shí)施例1本發(fā)明是一種利用隨機(jī)共振對信號高效量化的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的隨機(jī)共振A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行詳細(xì)說明。如圖1，A/D轉(zhuǎn)換器103是采用電路結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的隨機(jī)共振A/D轉(zhuǎn)換器，并將接收到的信號源101的模擬信號經(jīng)過隨機(jī)共振A/D轉(zhuǎn)換器103進(jìn)行轉(zhuǎn)換，以達(dá)到使用較少比特?cái)?shù)就能得到高質(zhì)量數(shù)字信號的目的。本例采用檢測方式來衡量輸出數(shù)字信號的質(zhì)量高低。如圖3，隨機(jī)共振A/D轉(zhuǎn)換器中的雙通道加法器302采用模擬加法器器件，比較器303采用可調(diào)基準(zhǔn)模擬比較器器件，多通道加法器304采用多位數(shù)字加法器器件。噪聲發(fā)生器301可以由微程序控制器編程實(shí)現(xiàn)。如圖4所示，各種類型噪聲可以使用文獻(xiàn)中成熟的算法和程序計(jì)算得到，程序存儲在微程序控制器401中，得到的噪聲數(shù)字序列，再經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換器402得到B′路的模擬噪聲。
本實(shí)施例中，模擬信號源101產(chǎn)生噪聲(電壓方差1的高斯白噪聲)和正弦信號(電壓幅度1)的混合信號，經(jīng)采樣和保持電路102輸入到隨機(jī)共振A/D轉(zhuǎn)換器103。隨機(jī)共振A/D轉(zhuǎn)換器103中噪聲發(fā)生器301產(chǎn)生的ξi是標(biāo)準(zhǔn)方差為0.5的均勻分布噪聲，比較器303中的門限ηi都調(diào)到0值。
數(shù)字信號處理系統(tǒng)104可以由工控計(jì)算機(jī)501實(shí)現(xiàn)。如圖5，隨機(jī)共振A/D轉(zhuǎn)換器103輸出的數(shù)字信號通過第一網(wǎng)卡502傳送進(jìn)來后首先由正值信號轉(zhuǎn)化到正負(fù)值信號(減去B′/2)，然后由匹配濾波檢測器檢測正弦信號，其程序是使用文獻(xiàn)中成熟的算法實(shí)現(xiàn)，存儲在工控型計(jì)算機(jī)501中。由工控型計(jì)算機(jī)501的第二網(wǎng)卡503將處理結(jié)果傳送給顯示器105。
圖6中的實(shí)點(diǎn)線、虛點(diǎn)線分別是固定虛警概率0.1后，在不同的量化比特?cái)?shù)B下得到的隨機(jī)共振A/D轉(zhuǎn)換器和普通A/D轉(zhuǎn)換器量化后的檢測概率結(jié)果。方框線是直接對模擬信號檢測的結(jié)果。從圖6看到，在輸入信號不能充分利用A/D轉(zhuǎn)換動態(tài)范圍的情況下，低量化比特?cái)?shù)，比如1至3比特時(shí)普通A/D轉(zhuǎn)換器量化后的結(jié)果遠(yuǎn)差于隨機(jī)共振A/D轉(zhuǎn)換器。對信號使用隨機(jī)共振A/D轉(zhuǎn)換器，即使使用很少的量化比特?cái)?shù)，也能得到很高質(zhì)量的數(shù)字信號。
實(shí)施例2如圖7所示，本實(shí)施例是將常規(guī)高比特A/D轉(zhuǎn)換器701轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號再經(jīng)過本發(fā)明的隨機(jī)共振A/D轉(zhuǎn)換器703進(jìn)行轉(zhuǎn)換，以達(dá)到使用較少比特?cái)?shù)就能得到高質(zhì)量數(shù)字信號的目的。本例采用檢測方式來衡量輸出數(shù)字信號的質(zhì)量高低。如圖7所示，隨機(jī)共振A/D轉(zhuǎn)換器703的輸入信號702是噪聲(電壓方差1的高斯白噪聲)中的正弦信號(電壓幅度1)使用16比特量化的常規(guī)A/D轉(zhuǎn)換器701(最高輸入電壓設(shè)定為±8)量化后的結(jié)果。將信號702傳送到隨機(jī)共振A/D轉(zhuǎn)換器703，該隨機(jī)共振A/D轉(zhuǎn)換器703采用市場上購買的工控型計(jì)算機(jī)501；并將噪聲發(fā)生器301、雙通道加法器302、比較器303、多通道加法器304等程序存儲在工控型計(jì)算機(jī)501中，如圖3所示，其中噪聲發(fā)生器301產(chǎn)生的ξi是標(biāo)準(zhǔn)方差為0.5的均勻分布噪聲，比較器303中的門限ηi都設(shè)為0。均勻分布噪聲可以使用文獻(xiàn)中成熟的算法和程序?qū)崿F(xiàn)。信號702通過第一網(wǎng)卡502傳送進(jìn)來后，經(jīng)隨機(jī)共振A/D轉(zhuǎn)換器703處理后輸入到數(shù)字信號處理系統(tǒng)704，在本例中數(shù)字信號處理系統(tǒng)704首先將隨機(jī)共振A/D轉(zhuǎn)換器703輸出的正值信號轉(zhuǎn)化到正負(fù)值信號(減去B′/2)，然后由匹配濾波檢測器檢測正弦信號，其程序也是使用文獻(xiàn)中成熟的算法實(shí)現(xiàn)，存儲在工控型計(jì)算機(jī)501中。由工控型計(jì)算機(jī)501的第二網(wǎng)卡503將處理結(jié)果傳送給顯示器705。
圖6中的實(shí)點(diǎn)線、虛點(diǎn)線分別是固定虛警概率0.1后，在不同的量化比特?cái)?shù)B下得到的隨機(jī)共振A/D轉(zhuǎn)換器和普通A/D轉(zhuǎn)換器量化后的檢測概率結(jié)果。方框線是直接對模擬信號檢測的結(jié)果。從圖6看到，在輸入信號不能充分利用A/D轉(zhuǎn)換動態(tài)范圍的情況下，低量化比特?cái)?shù)，比如1至3比特時(shí)普通A/D轉(zhuǎn)換器量化后的結(jié)果遠(yuǎn)差于隨機(jī)共振A/D轉(zhuǎn)換器。對信號使用隨機(jī)共振A/D轉(zhuǎn)換器，即使使用很少的量化比特?cái)?shù)，也能得到很高質(zhì)量的數(shù)字信號。
實(shí)施例3下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的隨機(jī)共振A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行詳細(xì)說明。如圖7，本實(shí)施例是將常規(guī)高比特A/D轉(zhuǎn)換器701轉(zhuǎn)換后的數(shù)字圖像信號再經(jīng)過本發(fā)明的隨機(jī)共振A/D轉(zhuǎn)換器703進(jìn)行轉(zhuǎn)換，以達(dá)到使用較少比特?cái)?shù)就能得到高質(zhì)量數(shù)字圖像的目的。如圖7所示，隨機(jī)共振A/D轉(zhuǎn)換器703的輸入信號702是使用8比特量化的常規(guī)A/D轉(zhuǎn)換器701量化后的Lena圖。將圖像灰度信號702歸一化([-0.5，0.5]間)后傳送到隨機(jī)共振A/D轉(zhuǎn)換器703，該隨機(jī)共振A/D轉(zhuǎn)換器703采用市場上購買的工控型計(jì)算機(jī)501；并將圖像灰度歸一化計(jì)算、噪聲發(fā)生器301、雙通道加法器302、比較器303、多通道加法器304等程序存儲在工控型計(jì)算機(jī)501中，如圖3所示，其中比較器303中的門限ηi都設(shè)為0，噪聲發(fā)生器301產(chǎn)生的ξi是均勻分布噪聲，強(qiáng)度在下面說明。均勻分布噪聲可以使用文獻(xiàn)中成熟的算法和程序?qū)崿F(xiàn)。圖像信號702通過第一網(wǎng)卡502傳送進(jìn)來后，經(jīng)隨機(jī)共振A/D轉(zhuǎn)換器703處理后的輸出圖像，由工控型計(jì)算機(jī)501的第二網(wǎng)卡503傳送給顯示器705。
圖8a-圖8c分別是對輸入Lena圖采取1、2、3比特量化后的結(jié)果圖，左邊對應(yīng)普通A/D轉(zhuǎn)換器，右邊對應(yīng)隨機(jī)共振A/D轉(zhuǎn)換器。隨機(jī)共振A/D轉(zhuǎn)換器中均勻分布噪聲ξi的標(biāo)準(zhǔn)方差分別是0.05、0.07、0.10?？梢钥吹?，低量化比特?cái)?shù)時(shí)兩者的圖像顯示效果完全不一樣，隨機(jī)共振A/D轉(zhuǎn)換器量化后的結(jié)果圖有明顯更好的視覺效果。因此，隨機(jī)共振A/D轉(zhuǎn)換能應(yīng)用于信號壓縮和信號傳輸領(lǐng)域中。
圖9是將輸入Lena圖淹沒在強(qiáng)噪聲中(標(biāo)準(zhǔn)方差為0.3的混合高斯噪聲)，采用普通A/D轉(zhuǎn)換器(左邊)和隨機(jī)共振A/D轉(zhuǎn)換器(右邊)8比特量化后的結(jié)果。隨機(jī)共振A/D轉(zhuǎn)換器中均勻分布噪聲ξi的標(biāo)準(zhǔn)方差是0.10?？梢婋S機(jī)共振A/D轉(zhuǎn)換能夠大大提高圖像信噪比。
權(quán)利要求
1.一種對信號高效量化的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，采用具有B′個(gè)通道的并行處理結(jié)構(gòu)，包括B′個(gè)比較器，其特征在于，還包括噪聲發(fā)生器、B′個(gè)雙通道加法器、多通道加法器，其中B′＝2B-1，B′為并行通道數(shù)，B為模數(shù)轉(zhuǎn)換器的比特?cái)?shù)；所述噪聲發(fā)生器產(chǎn)生B′個(gè)獨(dú)立同分布白噪聲ξ1，ξ2，...，ξB′，分別輸入B′個(gè)并行通道并在雙通道加法器中與待量化的輸入信號s疊加，雙通道加法器的輸出端分別作為B′個(gè)比較器的一個(gè)輸入端，比較器的另一輸入端分別輸入門限信號η1，其中i＝1，2，...，B′；所述B′個(gè)比較器的輸出端與多通道加法器的輸入端連接。
2.按權(quán)利要求
1所述的對信號高效量化的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其特征在于，在第i個(gè)通道上的所述比較器中，若其輸入的混合信號s+ξi大于第i個(gè)通道的門限信號ηi，則該比較器的輸出sqi等于1，否則輸出sqi等于0；其中i＝1，2，...，B′。
3.按權(quán)利要求
1所述的對信號高效量化的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其特征在于，所述的輸入信號s，是模擬信號，或者是經(jīng)過高精度量化的數(shù)字信號。
4.按權(quán)利要求
1所述的對信號高效量化的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其特征在于，所述的B′個(gè)獨(dú)立同分布白噪聲，包括均勻分布噪聲、高斯分布噪聲，以及更廣義的廣義高斯噪聲和混合高斯噪聲，以及其它類型的噪聲。
5.按權(quán)利要求
1所述的對信號高效量化的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其特征在于，所述的B′個(gè)獨(dú)立同分布白噪聲，其方差相等。
6.按權(quán)利要求
1所述的對信號高效量化的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其特征在于，所述的B′個(gè)比較器的門限信號的數(shù)值相等。
專利摘要
本發(fā)明涉及一種對信號高效量化的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，采用具有B′個(gè)通道的并行處理結(jié)構(gòu)，包括噪聲發(fā)生器、B′個(gè)雙通道加法器、B′個(gè)比較器、多通道加法器，其中B′＝文檔編號H03M1/36GK1992531SQ200510135366
公開日2007年7月4日 申請日期2005年12月31日
發(fā)明者葉青華, 黃海寧, 王正, 諶穎, 張春華 申請人:中國科學(xué)院聲學(xué)研究所導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan