应用于Σ-ΔA/D转换器的数字抽取滤波器的设计

关键字： Σ-ΔA/D转换 抽取滤波器 多相结构

 利用超大规模集成电路技术实现高精度的A/D转换器通常采用过采样技术，该技术包括调制器和数字滤波两部分。由于调制器的输出仅仅是 对模拟信号的粗略量化，而数字滤波器主要是对调制器的输出进行处理，其处理包括：(1)将基带外的量化噪声进行过滤；(2)由于调制器的输出为输入信号 Nyquist率的M倍的数字码流，因此要对其进行M倍的降频，使输出的频率为Nyquist率；(3)将数据码流进行编码，得到与模拟信号对应的数字 值。因此数字滤波器是过采样A/D转换器中最大最复杂的器件，同时也决定了A/D转换器面积的大小。

1 抽取滤波器结构分析

从 滤波器结构的复杂程度上分析，当采用单级滤波器来实现时，根据FIR滤波器的系数数目正比于滤波器的输入频率fs与过渡带宽Δf的比值的理论[1]，如果 用多级滤波器来实现，每一级的fs/Δf都可以得到很大的降低，总的fs/Δf也可以得到降低，同时也减少了滤波器的系数数目，结构变得简单。

从 功耗和面积上分析，滤波器的功耗与滤波器的阶数和工作频率成正比，若采用多级实现，阶数和工作频率都将大大降低。一般而言[2]，过采样率在32~128 之间时，多级实现的功耗是单级实现功耗的8%~15%。根据以上理论，在实现抽取滤波器时采用多级来实现。本设计中前级调制器的过采样率为32，在抽取滤 波时将进行32：1的降频。由于梳状滤波器的阻带很窄，并以ω=2πk/N为中心周期重复，因此，可以用于多级抽取的第一级滤波器，后级可以采用多个半带 滤波器来实现。由于半带滤波器的过渡带过宽，加上梳状滤波器可能会导致通带内幅度下降，故最后一级可以采用一个FIR滤波器进行补偿。抽取滤液器框图如图 1所示，x(n)为输入信号按照Nyquist率采样得到的数字系列，y(m)为序列x(n)抽取后得到的新序列。


2 滤波器设计及仿真

在 本设计中，过采样率为32，对多级抽取滤波器来说，主要目的是减少运算量和数据的存储量，这两项都与滤波器的长度有关。长度N是级数和各级抽取率的复杂函 数，从N的最小角度出发[3]，选取第一级的梳状滤波器的抽取率为8，后面采用2个半带滤波器分别进行抽取率为2的降频。

由于单级梳状滤波器的传输函数在各区间内只有一个一阶零点，其衰减不足以使ADC实现更高分辨率。这时，最好采用(L+1)级梳状滤波器级联的形式(L为调制器的阶数[4])。本设计中前级调制器阶数为4，所以梳状滤波采用5级串联形式，抽取率M为8。

实现梳状滤波器有多种方式，本设计采用图2所示的开关降频方式来实现[5]。因为其差分操作是在较低频率下实现，功耗较低；频率抽取在积分器之后、差分器之前进行，减少了所需要的存储单元。

 

5阶的梳状滤波器可以采用流水线级联形式来实现，图3为3阶梳状滤波器的结构图。5阶的框图可以以此类推来实现。

对于滤波器的字长选择，理论上字长越长越好，但是字长的增加意味着运算量的增大，特别在硬件实现时，将增加电路的复杂度。由滤波器的频率响应可以看出，不计算归一化因子，滤波器的系数全部为正整数。若调制器输出Bi为1 bit码流，则梳状滤波器的字长可以用式(2)来确定[6]：


梳状滤波器的寄存器字长为16 bit，对滤波器的位数进行截断，最终的输出可以确定为13 bit。
经过梳状滤波器滤波后，输出噪声的频谱密度为：

由式(1)得到的梳状滤波器的幅频特性如图4所示。

 

2.2 半带滤波器的设计及仿真

半 带滤波器是一种特殊的FIR低通滤波器，本设计采用多相结构来实现[7]，如图5所示。输入开关把输入奇、偶序列的数据分别送到奇、偶两条支路；输出在两 条支路分别输入一个新的数值后才产生一个值，这样可以使采样率减半，而且滤波器一半的系数为零，计算的复杂度又降低近一半，同时系统的冲激响应对称，这就 大大降低了实现的复杂程度。

 

本设计采用窗函数法(凯泽窗法[8])设计。为了得到滤波器所需阶数L，首先要计算过渡带宽Δf。根据半带滤波器的特性：

同样地可以设计第二级的半带滤波器。图6给出了第一级、第二级半带滤波器的幅频特性图。

两级半带滤波的系数分别如表1、表2所示。

 

 

采用量化后的系数得到的滤波器的特性会有所变化，图7给出了第二级半带滤波器采用量化系数后幅频特性的变化。从图中可以看出其阻带波动变大，阻带衰减变小。

 

2.3 FIR补偿滤波器

由于梳状滤波器的通带内幅度响应一般有1 dB以上的下降，故在最后一级采用FIR线性相位滤波器来做基带补偿[9]。该补偿器没有抽取率的变化，因此可以不考虑在通带之外的频谱形状，只要不放大带外噪声就可以。设计过程如下：


但根据以上步骤，对FIR补偿器进行设计，由于未采用优化手段，因此阶数较大，且效果不很明显。

本文设计的滤波器，采用了开关降频法能有效地减小芯片功耗，多相结构实现的半带滤波器大大减少了数据量，信噪比达98 dB，可以用于16 bit的过采样A/D转换器的后级部分。为减少功耗、降低运算量、提高分辨率等方面的高精度数据采集有重要意义。