本发明涉及一种用于宽带通信的模拟数字A/D转换电路结构。特征是采用非线性放大器输出端与模数转换器ADC输入端相连；模数转换器ADC与反变换电路相连。非线性放大器包括两个电阻、放大器及两只二极管。所述的非线性放大器的输出函数特性是：对高概率模拟输入信号有较大增益，对低概率模拟输入信号有较小增益；本发明在不夹断大幅信号不增加额外电路的基础上对小幅信号有很好的处理能力；放大器和转换器ADC的共同作用使得模数转换既禁止小幅信号(高概率)的小量化噪声又禁止对高幅信号(低概率)的大量化噪声；转换器ADC得到的信号接下来可以用反变换电路处理以保持输入输出的线性关系。
1.一种用于宽带通信的模拟数字A/D转换电路结构，其特征是包括：一个非线性放大器(11)、一个模数转换器ADC(12)和一个反变换电路(13)，非线性放大器(11)输出端与模数转换器ADC(12)输入端相连；模数转换器ADC(12)输出端与反变换电路(13)输入端相连；
所需要处理的模拟输入信号首先传送到非线性放大器(11)；非线性放大器(11)按非线性输出函数把输入信号放大；放大后的信号传送到模数转换器ADC(12)；模数转换器ADC(12)实现这一信号的数字化；然后传送到反变换电路(13)；反变换电路(13)的输出函数为非线性放大器(11)输出函数的反函数；反变换电路(13)实现模拟输入和最后数字输出关系的线性化。
2.根据权利要求1所述的一种用于宽带通信的模拟数字A/D转换电路结构，其特征是所述的非线性放大器(11)包括：一个有两个输入端和一个输出端的放大器(21)；
一个电阻(R1)，电阻(R1)一端连接输入信号，另一端与放大器(21)的输入(1)端相连；
另一个电阻(Rf)，电阻(Rf)分别与放大器(1)端和输出端相连；
一个有输入端和输出端的二极管(24)，二极管(24)输入端与放大器(1)端相连，输出端与放大器(21)输出端相连；
另一个有输入端和输出端的二极管(25)，二极管(25)输入端与放大器输出端相连，输出端与放大器(1)端相连。
3.根据权利要求1所述的一种用于宽带通信的模拟数字A/D转换电路结构，其特征是所述的非线性放大器(11)的输出函数特性是：对高概率模拟输入信号有较大增益，对低概率模拟输入信号有较小增益。
4.根据权利要求3所述的一种用于宽带通信的模拟数字A/D转换电路结构，其特征在于所述的高概率模拟输入信号有相对较小幅度，低概率模拟输入信号有相对较大幅度。
5.根据权利要求1所述的一种用于宽带通信的模拟数字A/D转换电路结构，其特征在于所述的模数转换器ADC(12)为均匀转换器。
6.根据权利要求1所述的一种用于宽带通信的模拟数字A/D转换电路结构，其特征在于所述的模数转换器ADC(12)为非均匀转换器。
7.根据权利要求1所述的一种用于宽带通信的模拟数字A/D转换电路，其特征在于所述的模数转换器ADC(12)为线性转换器。
8.根据权利要求1所述的一种用于宽带通信的模拟数字A/D转换电路，其特征在于所述的模数转换器ADC(12)为非线性转换器。
9.根据权利要求1所述的一种用于宽带通信的模拟数字A/D转换电路，其特征在于所述的模数转换器ADC(12)为闪速型转换器。
10.根据权利要求1所述的一种用于宽带通信的模拟数字A/D转换电路，其特征在于所述的模数转换器ADC(12)为∑-Δ模数转换器。
一种用于宽带通信的模拟数字A/D转换电路结构
技术领域
[0001] 本发明涉及一种用于宽带通信的模拟数字A/D转换电路结构，具体地说是关于宽带数字通信的A/D转换电路，主要是改善A/D转换器的动态范围(Dynamic Range)。
背景技术
[0002] 当前的许多高速数字通信领域，模拟信号在向数字转换的过程中，在通过转换器ADC之前主要进行转换、滤波然后放大到一个特定的模拟基带频率。这样一来信号被限制在一定的频率范围内，而且使得A/D转换最后按均匀量化方式进行(即按相同步长增长)。
[0003] 然而，随着近年来有线数字电视和移动电话技术如CDMA的兴起使得宽带信号的应用大幅增加，这些信号通常可以按高斯概率分布函数来估计，总体是小幅度的信号但是有很大幅度的尖刺。因此，前述的均匀转换器ADC的动态范围是不够的，因为均匀转换器ADC或者是牺牲小幅信号，或者是夹断大幅信号。
发明内容
[0004] 本发明的目的在于克服上述不足之处，从而提供一种用于宽带通信的模拟数字A/D转换电路结构，电路可以用一个线性转换器ADC实现；在ADC转换器之前为一个非线性放大器，此放大器对较小信号有相对较高的增益，对较大的信号有相对较低的增益；放大器和转换器ADC的共同作用使得模数转换既禁止小幅信号(高概率)的小量化噪声又禁止对高幅信号(低概率)的大量化噪声；转换器ADC得到的信号接下来可以用反变换电路处理以保持输入输出的线性关系。
[0005] 本发明的主要解决方案是这样实现的：
[0006] 本发明实现模数(A/D)转换的电路，电路包括：一个非线性放大器和一个模数转换器ADC，非线性放大器输出端与模数转换器ADC输入端相连； 所述的非线性放大器的输出函数特性是：对高概率模拟输入信号有较大增益，对低概率模拟输入信号有较小增益；
[0007] 所述的模拟数字(A/D)转换电路还包括：一个反变换电路，模数转换器ADC输出端与反变换电路输入端相连；
[0008] 所需要处理的模拟输入信号首先传送到非线性放大器；非线性放大器按非线性输出函数f(x)把输入信号放大；放大后的信号传送到模数转换器ADC；模数转换器ADC实现这一信号的数字化；然后传送到反变换电路；反变换电路的输出函数为非线性放大器输出-1函数的反函数(即f (x))；反变换电路实现模拟输入和最后数字输出关系的线性化。
[0009] 所述的非线性放大器包括：
[0010] 一个有两个输入端(1端、2端)和一个输出端的放大器；
[0011] 一个有两端的电阻R1，一端连接输入信号，另一端与放大器的输入1端相连；放大器的输入2端接地；
[0012] 另一个两端电阻Rf，电阻Rf分别与放大器输入1端和输出端相连；
[0013] 一个有输入端和输出端的二极管，输入端与放大器端相连，输出端与放大器输出端相连；
[0014] 另一个有输入端和输出端的二极管，输入端与放大器输出端相连，输出端与放大器1端相连；
[0015] 所述的高概率模拟输入信号有相对较小幅度，低概率模拟输入信号有相对较大幅度。
[0016] 所述的模数转换器ADC为均匀转换器。
[0017] 所述的模数转换器ADC为非均匀转换器。
[0018] 所述的模数转换器ADC为线性转换器。
[0019] 所述的模数转换器ADC为非线性转换器。
[0020] 所述的模数转换器ADC为闪速型转换器(快速型转换器)。
[0021] 所述的模数转换器ADC为Sigma-Delta型∑-Δ转换器。
[0022] 本发明与已有技术相比具有以下优点：
[0023] 本发明结构简单、紧凑，合理；在不夹断大幅信号不增加额外电路的基础上对小幅信号有很好的处理能力；非均匀模数转换器ADC对宽带输入信号的信噪比(SNR)要高于均匀模数转换器ADC；例如某含有10QAM频道的输入，其中一个频道的能量低于其它频道10dB(有线电视和无线通信的典型情况)，一个有前置开方非线性放大器的7位模数转换器ADC的信噪比(SNR)相对均匀7位模数转换器ADC会有10dB的提高；既不牺牲小幅信号又不夹断大幅信号的A/D转换器。
附图说明
[0024] 图1是本发明A/D转换电路方框原理图。
[0025] 图2是本发明非线性放大器元器件连接原理图。
具体实施方式
[0026] 下面本发明将结合附图中的实施例作进一步描述：
[0027] 如图1所示：图1的电路图包括非线性放大器11、模数转换器ADC12和反变换电路13。非线性放大器11输出端与模数转换器ADC12输入端相连；模数转换器ADC12输出端与反变换电路13输入端相连。
[0028] 所需要处理的模拟输入信号首先传送到非线性放大器11。非线性放大器11按非线性输出函数f(x)把输入信号放大。放大后的信号传送到模数转换器ADC12。模数转换器ADC12实现这一信号的数字化，然后传送到反变换电路13。反变换电路13的输出函数为非-1线性放大器11输出函数的反函数(即f (x))。反变换电路13实现模拟输入和最后数字输出关系的线性化。
[0029] 如图2所示：包括放大器21，电阻R122、电阻Rf23，匹配二极管24、25。放大器21可为运算放大器(op-amp)。一个电阻R1一端连接输入信号，另一端与放大器21的输入1端相连；另一个电阻Rf分别与放大器1端和输出端相连；一个有输入端和输出端的二极管24，二极管24输入端与放大器1端相连，输出端与放大器21输出端相连；另一个有输入端和输出端的二极管25，二极管25输入端与放大器输出端相连，输出端与放大器1端相连。
[0030] 所述的二极管24、25以相反的方向并联并相互匹配以实现非线性放大器11的零输入对称性。即非线性放大器11的输出只取决于输入的幅度。
[0031] 非线性放大器11的增益取决于电阻R122、电阻Rf 23和二极管24、25的电学参数。特别的，在给点的压降下通过二极管24、25的电流I(两管的方程相同)：
[0032] I＝Io×(exp(V/Vo)-1)
[0033] Io和Vo是取决于二极管电学参数的常数。把表达式转化为阻抗Zd的形式：
[0034] Zd＝V/I＝V/(Io×(exp(V/Vo)-1))
[0035] 二极管24的的阻抗Zd，24，此正向工作的二极管将决定非线性放大器的输出函数(管25的影响相对管24可以忽略不计)。进而非线性放大器的输出函数可以用R1(电阻22的阻值)，Rf(电阻23的反馈电阻)和Zd，24表示：
[0036] f(x)＝x(t)×(Rf×Zd，24/(Rf+Zd，24))/R1
[0037] 由上式可见，当输入信号电压较低时(即小幅信号)，二极管24的阻抗远大于Rf，非线性放大器11的增益近似为Rf/R1。另一方面，当输入信号较大时，二极管24的阻抗远小于Rf，非线性放大器11的增益与输入信号成对数关系。因此，非线性放大器11的整体效果是限定小幅输入信号的增益、压缩大幅信号的增益。当放大后的信号输入到模数转换器ADC量化时，在效果上小输入信号的量化步长小于大信号的，因此在只添加较小低成本元件的基础上使得均匀模数转换器ADC实现了非均匀量化。由非线性放大器得到非均匀量化可以减少模数转换器ADC的量化噪声，从而有效提高模数转换器ADC的信噪比(SNR)。
[0038] 经非线性放大器11处理后的非线性数据被模数转换器ADC数字化，之后送到反变换电路13。反变换电路13的目的是处理非线性数字数据使得最终数字输出和最初模拟输入保持线性关系。因此，如果图2非线性放大器有前述的输出函数，那么反变换电路13应有如下的输出函数：
[0039] f-1(x)＝x(t)×((Rf+Zd)/(Rf×Zd))×R1
[0040] 虽然并未给出此函数的示例电路，但是可以很容易的通过很多电路予以实现。例如，类似非线性放大器11，反变换电路13也可以用运放和二极管及线性电阻来实现。
[0041] 如前所述虽然本发明只阐述了一款特定的非线性放大器和模数转换器ADC，但是其他形式的非线性放大器和模数转换器ADC仍在本发明涵盖范围内。例如，可采用其他输出函数或不同电路组成的非线性放大器，非线性放大器的输出函数可以根据给定输入信号的概率密度函数进行更改；此外，除了均匀、线性模数转换器ADC还可以采用其他模数转换器ADC，例如本发明也可以采用各种非线性模数转换器ADC(即阶梯式)，从而进一步改善电路的动态范围。线性模数转换器ADC后面接非线性模数转换器ADC也可以用来代替反变换电路。根据不同的应用，模数转换器ADC可以采用闪速型(FlashADC)、Sigma-Delta型(∑-ΔADC)或其他任何已知类型的模数转换器ADC。
