[發明專利]一種用于壓縮采樣模數轉換器的可變壓縮比采樣電路

有效

• 申請號: 201610032486.6
• 申請日: 2016-01-18
• 公開（公告）號: CN105720985B
• 公開（公告）日: 2018-12-11
• 發明（設計）人: 李冬梅;魏經緯;韓晨曦
• 申請（專利權）人: 清華大學
• 主分類號: H03M1/12
• 分類號: H03M1/12;H03M1/46
• 代理公司: 北京清亦華知識產權代理事務所(普通合伙) 11201
• 代理人: 羅文群

本發明涉及一種用于壓縮采樣模數轉換器的可變壓縮比采樣電路，屬于混合信號集成電路設計領域；本發明提出了一種可以根據系統需求及性能測試結果調整系統壓縮比的壓縮采樣模數轉換器，信號壓縮比是壓縮采樣模數轉換器的重要指標之一，取決于每一幀信號觀測長度及并行隨機采樣的支路數量。傳統電路實現中需要在設計階段通過仿真對二者取值加以確定，一旦設計完成則無法調整修改，加之電路硬件實現存在非理想因素，存在由于本模塊取值不合理造成整個系統性能降低的風險，同時也不利于適用到后端不同的恢復算法。本發明提出的可變壓縮比結構包括調整采樣信號幀長及并行觀測支路數量兩方面功能，可有效解決上述各項問題，提升壓縮采樣模數轉換器性能，增強電路的通用性及適配性。

技術領域

本發明涉及一種用于壓縮采樣模數轉換器的可變壓縮比采樣電路，屬于混合信號集成電路設計技術領域。

背景技術

模數轉換器(Analog-to-Digital Converter，以下簡稱ADC)的基本思想是將連續的一定范圍內的模擬信號，通過采樣、保持、量化、編碼的步驟，用特定的方式進行量化，將量化結果用一組特定的數字編碼來表示，并使之作為數字處理系統的輸入信號。傳統的模數轉換器受到奈奎斯特(Nyquist)采樣定理的限制，必須以高于處理信號帶寬二倍的頻率對信號進行采樣，因此高頻信號處理方面的應用對ADC的性能提出了更高的要求，受制于工藝等因素，目前量化器的速度與精度無法與當前數字處理系統所處理的信息要求相匹配。

自然界的信息通常包含大量冗余，具有較高的可壓縮性，傳統的處理方法中在模數轉換階段依據Nyquist采樣定理對信息進行完全采集，再輸入到數字系統進行壓縮，然后對壓縮的結果進行傳輸或者存儲。但是這種方式存在一定缺陷，即中間環節包含大量冗余信息的處理過程，而且需要引入額外的數字系統進行壓縮編碼，增加了硬件實現的成本。

壓縮采樣理論在2006年由Candes和Donoho等人提出，其核心思想是針對自然界的信號通常具有稀疏性這一特點，在采樣階段即實現數據壓縮，用隨機矩陣進行信號的觀測，觀測結果的采樣頻率遠低于Nyquist頻率，利用先驗的信號稀疏性，在數字系統中進行信息的重構，隨后進行處理。壓縮采樣理論可以用如下的公式表示，對于一個N維稀疏信號x，用一個M×N(M＜＜N)的觀測矩陣Φ去觀測，得到一個M維的觀測結果，再根據信號的稀疏性完成信號的恢復：

將壓縮采樣理論應用到模數轉換器的實現，即為壓縮采樣模數轉換器，與傳統的模數轉換器結構相比，采樣量化電路具有較大區別。不同于傳統ADC對信號的直接采樣，壓縮采樣ADC需要實現壓縮采樣，即數學意義上的隨機觀測，觀測一個值實際上是實現對信號的內積，所以在實現觀測的過程中需要實現對輸入信號的隨機采樣并加和；而同時觀測矩陣又需要同時獲取一段信息的多個觀測值，所以在實現時需要有多個獲取信號內積的通路彼此獨立工作，采樣量化模塊的實現效果也將直接影響到后續的恢復等過程。

采樣量化電路實現的信號壓縮效率可用信號壓縮比定量表示。壓縮比在數學上定義為隨機觀測矩陣列數與行數之比，在電路實現中對應于每一支路積分器完整積分的信號幀長與并行支路支路數之比?？筛鶕唧w系統要求在設計中確定積分周期及采樣支路路數。

以上所述的觀測矩陣及采樣量化電路，在實際電路中對應于一個多路并行隨機采樣結構，觀測矩陣的規模和取值對應于具體電路的實現結構，本發明著眼于觀測矩陣規模的選擇。設觀測矩陣大小為M×N(通常取M<N以實現壓縮采樣)，N即對應每一個采樣幀的信號長度，而M對應并行隨機采樣的支路數，傳統電路實現中需要在設計階段通過仿真對二者取值加以確定，一旦設計完成則無法調整修改，加之電路硬件實現存在非理想因素，存在由于本模塊取值不合理造成整個系統性能降低的風險，同時也不利于適用到后端不同的恢復算法。

發明內容