专利名称:一种对信号高效量化的模数转换器的制作方法
技术领域：
本发明属于雷达、声纳、图像等数字信号处理领域，特别涉及一种对信号高效量化的模数转换器。
背景技术：
自然界的信号通常是在时间和幅度上连续的，而数字信号处理系统要求输入信号在时间上是离散的，并且表示成由0、1组成的数字序列。因此，需要将模拟信号转化为数字形式。图1表示了数字信号处理系统的基本组成。由信号源101得到的模拟信号首先通过一个采样和保持电路102转化为离散时间信号。由采样和保持电路102输出的信号输入到一个模拟/数字(A/D)转换器103，在那里经过时间采样的模拟信号被转化为数字编码的信号。然后数字信号处理(DSP)系统104就可以使用这些数字信号来完成特定的数字信号处理算法。根据不同的应用，DSP系统的输出可以直接使用数字形式输出到显示系统105，或者通过一个数字/模拟(D/A)转换器106变换回模拟信号。
设置输入信号的幅度范围是
则B比特A/D转换器的分层级差为Q＝A2-(B-1)。设输入信号是s，则常规A/D转换器量化后的信号为 其中
表示不超过
的最大整数。
时间上的采样问题可以由采样定理很好的解决，但是，信号幅度上的量化效应却因为它的非线性特点远没有被完全理解。常用的一些A/D转换器，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)，需要尽量保持信号波形，即尽量减少在信号幅度上的非线性变换效应。为了提高量化的分辨率和减小量化误差，应提高量化比特数，但是在阵列信号处理、传感器网络等很多应用中对多通道信号的传输能力构成了巨大的挑战。
图2是FlashA/D转换器的示意图。因为使用了高度并行处理结构，FlashA/D转换器能够达到很高的转换速度。Flash A/D转换器包含了模拟比较器201和数字编码器202。模拟比较器201的比较电压V0、V1、……、V(2B-1)从小到大在输入电压幅度范围内均匀分布。经过编码器202编码后，FlashA/D转换器输出B比特的数字序列203。
在小输入信号的情况下，由于非线性的作用输出波形已经发生严重畸变，工程上可以采用“抖动”的办法(B.Andò.Stochastic ResonanceTheory andApplications.Kluwer Academic Publishers，Boston.2000)，在信号输入端加入一小量的噪声(等于最大的量化误差)，来接近于线性响应。这种方法仅仅是在常规A/D转换器的基础上将传输函数“线性化”，并没有改变常规A/D转换器的本质和结构。为了得到质量高的数字信号，仍然需要高量化比特数。
在一些非线性系统中，噪声的存在能够提高信号的传输能力，这种现象称为随机共振(Gammaitoni等.Stochastic resonance.Reviews of Modern Physics.199870(1).pp.223-287)。简单的量化系统，比如二值量化或三值量化系统中也能够出现随机共振现象(Saha等.Design of detectors based on stochastic resonance.SignalProcessing，200383.pp.1193-1212)。在这些系统中，输出信噪比往往高于输入信噪比，因此，这为采用较少量化比特数得到高质量的数字信号提供了理论基础。
发明内容本发明的目的是为了解决常规A/D转换器只能采用高量化比特数来得到高质量数字信号，以及小输入信号情况经A/D转换器后的输出波形严重畸变的缺陷，提供一种对信号高效量化的A/D转换器。
为实现上述发明目的，本发明提供的对信号高效量化的模数转换器(A/D转换器)由图3所示的并行处理结构来实现，包括噪声发生器301、B′个双通道加法器302、B′个比较器303、多通道加法器304，其中B′＝2B-1，B′为并行通道数，B为模数转换器的比特数。需要量化的信号s输入到B′个并行通道，噪声发生器301产生B′个独立同分布白噪声ξ1，ξ2，…，ξB′，分别输入B′个并行通道并在双通道加法器302中与待量化的输入信号s叠加，双通道加法器302的输出端分别作为B′个比较器303的一个输入端，比较器303的另一输入端分别输入门限信号ηi，其中i＝1，2，…，B′；所述B′个比较器303的输出端与多通道加法器304的输入端连接。
上述技术方案中，第i个通道上的所述比较器中，若其输入的混合信号s+ξi大于第i个通道的门限信号ηi，则该比较器的输出sqi等于1，否则sqi等于0。
上述技术方案中，所述的输入信号s，是模拟信号，或者是经过常规高比特模数转换器转换后的数字信号(量化精度高，接近于模拟信号)。
上述技术方案中，所述的B′个独立同分布白噪声，包括均匀分布噪声、高斯分布噪声，以及更广义的广义高斯噪声和混合高斯噪声，以及其它类型的噪声。
上述技术方案中，所述的B′个独立同分布白噪声，其方差相等。
上述技术方案中，所述的B′个比较器的门限信号，其数值相等。
与图2的Flash A/D转换器比较，本发明也采用了高度的并行处理结构，但增加了噪声发生器301和两种加法器302和304，数字输出的编码方式也不同因为通过多通道加法器304后的输出sq已经是由二进制表示的整型值，所以不需要另外再编码。另外，Flash A/D转换器和本发明的随机共振A/D转换器虽然都包含比较器(分别是201和303)，但本发明中比较器303的门限ηi(i＝1，2，…，B′)数值相等，在多数情况下，ηi(i＝1，2，…，B′)可以全部设置为0。
与普通A/D转换器相比，本发明的优点在于在非高斯噪声情况下本发明的输出能提高信噪比(高斯噪声下基本等效)；本发明的输出不受小输入信号的影响；在图像的量化中，低量化比特数时本发明量化后的结果有明显更好的视觉效果。因此采用本发明能够使用很少的量化比特数就得到高质量的数字信号。本发明可以应用于信号处理、高速数据传输和图像压缩等领域中。
图1是表示使用A/D转换器的数字信号处理系统结构示意图；图2是表示Flash A/D转换器结构示意图；图3是表示本发明随机共振A/D转换器的结构示意图；图4是表示采用微程序控制器实现的噪声发生器示意图；图5是说明工控型计算机基本单元的方框图；图6是普通A/D转换器和随机共振A/D转换器在高斯噪声中的量化比特数与检测概率的变化关系图；图7是表示将常规高比特A/D转换器转换后的数字信号作为随机共振A/D转换器输入的数字信号处理系统结构示意图；图8a-图8c是表示普通A/D转换器和随机共振A/D转换器在图像量化中的性能比较图；图9是随机共振A/D转换器在图像增强中的一个应用。
具体实施方式实施例1本发明是一种利用随机共振对信号高效量化的模数转换器，下面结合附图对本发明的随机共振A/D转换器进行详细说明。如图1，A/D转换器103是采用电路结构实现的随机共振A/D转换器，并将接收到的信号源101的模拟信号经过随机共振A/D转换器103进行转换，以达到使用较少比特数就能得到高质量数字信号的目的。本例采用检测方式来衡量输出数字信号的质量高低。如图3，随机共振A/D转换器中的双通道加法器302采用模拟加法器器件，比较器303采用可调基准模拟比较器器件，多通道加法器304采用多位数字加法器器件。噪声发生器301可以由微程序控制器编程实现。如图4所示，各种类型噪声可以使用文献中成熟的算法和程序计算得到，程序存储在微程序控制器401中，得到的噪声数字序列，再经过D/A转换器402得到B′路的模拟噪声。
本实施例中，模拟信号源101产生噪声(电压方差1的高斯白噪声)和正弦信号(电压幅度1)的混合信号，经采样和保持电路102输入到随机共振A/D转换器103。随机共振A/D转换器103中噪声发生器301产生的ξi是标准方差为0.5的均匀分布噪声，比较器303中的门限ηi都调到0值。
数字信号处理系统104可以由工控计算机501实现。如图5，随机共振A/D转换器103输出的数字信号通过第一网卡502传送进来后首先由正值信号转化到正负值信号(减去B′/2)，然后由匹配滤波检测器检测正弦信号，其程序是使用文献中成熟的算法实现，存储在工控型计算机501中。由工控型计算机501的第二网卡503将处理结果传送给显示器105。
图6中的实点线、虚点线分别是固定虚警概率0.1后，在不同的量化比特数B下得到的随机共振A/D转换器和普通A/D转换器量化后的检测概率结果。方框线是直接对模拟信号检测的结果。从图6看到，在输入信号不能充分利用A/D转换动态范围的情况下，低量化比特数，比如1至3比特时普通A/D转换器量化后的结果远差于随机共振A/D转换器。对信号使用随机共振A/D转换器，即使使用很少的量化比特数，也能得到很高质量的数字信号。
实施例2如图7所示，本实施例是将常规高比特A/D转换器701转换后的数字信号再经过本发明的随机共振A/D转换器703进行转换，以达到使用较少比特数就能得到高质量数字信号的目的。本例采用检测方式来衡量输出数字信号的质量高低。如图7所示，随机共振A/D转换器703的输入信号702是噪声(电压方差1的高斯白噪声)中的正弦信号(电压幅度1)使用16比特量化的常规A/D转换器701(最高输入电压设定为±8)量化后的结果。将信号702传送到随机共振A/D转换器703，该随机共振A/D转换器703采用市场上购买的工控型计算机501；并将噪声发生器301、双通道加法器302、比较器303、多通道加法器304等程序存储在工控型计算机501中，如图3所示，其中噪声发生器301产生的ξi是标准方差为0.5的均匀分布噪声，比较器303中的门限ηi都设为0。均匀分布噪声可以使用文献中成熟的算法和程序实现。信号702通过第一网卡502传送进来后，经随机共振A/D转换器703处理后输入到数字信号处理系统704，在本例中数字信号处理系统704首先将随机共振A/D转换器703输出的正值信号转化到正负值信号(减去B′/2)，然后由匹配滤波检测器检测正弦信号，其程序也是使用文献中成熟的算法实现，存储在工控型计算机501中。由工控型计算机501的第二网卡503将处理结果传送给显示器705。
图6中的实点线、虚点线分别是固定虚警概率0.1后，在不同的量化比特数B下得到的随机共振A/D转换器和普通A/D转换器量化后的检测概率结果。方框线是直接对模拟信号检测的结果。从图6看到，在输入信号不能充分利用A/D转换动态范围的情况下，低量化比特数，比如1至3比特时普通A/D转换器量化后的结果远差于随机共振A/D转换器。对信号使用随机共振A/D转换器，即使使用很少的量化比特数，也能得到很高质量的数字信号。
实施例3下面结合附图对本发明的随机共振A/D转换器进行详细说明。如图7，本实施例是将常规高比特A/D转换器701转换后的数字图像信号再经过本发明的随机共振A/D转换器703进行转换，以达到使用较少比特数就能得到高质量数字图像的目的。如图7所示，随机共振A/D转换器703的输入信号702是使用8比特量化的常规A/D转换器701量化后的Lena图。将图像灰度信号702归一化([-0.5，0.5]间)后传送到随机共振A/D转换器703，该随机共振A/D转换器703采用市场上购买的工控型计算机501；并将图像灰度归一化计算、噪声发生器301、双通道加法器302、比较器303、多通道加法器304等程序存储在工控型计算机501中，如图3所示，其中比较器303中的门限ηi都设为0，噪声发生器301产生的ξi是均匀分布噪声，强度在下面说明。均匀分布噪声可以使用文献中成熟的算法和程序实现。图像信号702通过第一网卡502传送进来后，经随机共振A/D转换器703处理后的输出图像，由工控型计算机501的第二网卡503传送给显示器705。
图8a-图8c分别是对输入Lena图采取1、2、3比特量化后的结果图，左边对应普通A/D转换器，右边对应随机共振A/D转换器。随机共振A/D转换器中均匀分布噪声ξi的标准方差分别是0.05、0.07、0.10。可以看到，低量化比特数时两者的图像显示效果完全不一样，随机共振A/D转换器量化后的结果图有明显更好的视觉效果。因此，随机共振A/D转换能应用于信号压缩和信号传输领域中。
图9是将输入Lena图淹没在强噪声中(标准方差为0.3的混合高斯噪声)，采用普通A/D转换器(左边)和随机共振A/D转换器(右边)8比特量化后的结果。随机共振A/D转换器中均匀分布噪声ξi的标准方差是0.10。可见随机共振A/D转换能够大大提高图像信噪比。
权利要求
1.一种对信号高效量化的模数转换器，采用具有B′个通道的并行处理结构，包括B′个比较器，其特征在于，还包括噪声发生器、B′个双通道加法器、多通道加法器，其中B′＝2B-1，B′为并行通道数，B为模数转换器的比特数；所述噪声发生器产生B′个独立同分布白噪声ξ1，ξ2，...，ξB′，分别输入B′个并行通道并在双通道加法器中与待量化的输入信号s叠加，双通道加法器的输出端分别作为B′个比较器的一个输入端，比较器的另一输入端分别输入门限信号η1，其中i＝1，2，...，B′；所述B′个比较器的输出端与多通道加法器的输入端连接。
2.按权利要求
1所述的对信号高效量化的模数转换器，其特征在于，在第i个通道上的所述比较器中，若其输入的混合信号s+ξi大于第i个通道的门限信号ηi，则该比较器的输出sqi等于1，否则输出sqi等于0；其中i＝1，2，...，B′。
3.按权利要求
1所述的对信号高效量化的模数转换器，其特征在于，所述的输入信号s，是模拟信号，或者是经过高精度量化的数字信号。
4.按权利要求
1所述的对信号高效量化的模数转换器，其特征在于，所述的B′个独立同分布白噪声，包括均匀分布噪声、高斯分布噪声，以及更广义的广义高斯噪声和混合高斯噪声，以及其它类型的噪声。
5.按权利要求
1所述的对信号高效量化的模数转换器，其特征在于，所述的B′个独立同分布白噪声，其方差相等。
6.按权利要求
1所述的对信号高效量化的模数转换器，其特征在于，所述的B′个比较器的门限信号的数值相等。
专利摘要
本发明涉及一种对信号高效量化的模数转换器，采用具有B′个通道的并行处理结构，包括噪声发生器、B′个双通道加法器、B′个比较器、多通道加法器，其中B′＝文档编号H03M1/36GK1992531SQ200510135366
公开日2007年7月4日 申请日期2005年12月31日
发明者叶青华, 黄海宁, 王正, 谌颖, 张春华 申请人:中国科学院声学研究所导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan