模數(shù)混合型FIR噪聲濾波器設(shè)計(jì)

　　圖5(b)是對(duì)比采用混合型FIR濾波器的新結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)在環(huán)路鎖定時(shí)的瞬時(shí)相位誤差電壓(即2階環(huán)路濾波器中電阻兩端的電壓)。從中可以看到，盡管環(huán)路呈現(xiàn)相同的動(dòng)態(tài)特性，但新結(jié)構(gòu)中的瞬時(shí)相位誤差電壓遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)。這表明高頻量化噪聲得到了混合型FIR濾波器的有效抑制。

2 失配的影響

　　相比現(xiàn)有數(shù)字FIR噪聲濾除技術(shù)，所提出的混合型FIR濾波在實(shí)現(xiàn)過(guò)程中引入了模擬域的操作，因此需要考慮失配的影響。由于最終噪聲濾除效果是用濾波器傳遞函數(shù)來(lái)描述的，所以失配的影響因素同樣也可以歸結(jié)到對(duì)濾波器傳遞函數(shù)的改變，主要包括以下3個(gè)方面：

　　(1)電荷泵各支路電流的失配△Ii改變了傳遞函數(shù)的系數(shù);

　　(2)延時(shí)失配引起調(diào)制器輸出延時(shí)深度改變△ni;

　　(3)并行支路間非同步引入附加相位偏移△φi。

　　考慮到這些因素后，式(2)所示的FIR濾波器傳遞函數(shù)將轉(zhuǎn)變?yōu)椋?/P>

　　其中，作為模擬模塊的電荷泵，電流鏡失配引起的各支路電流的改變是不可避免的，因此是影響FIR濾波器傳遞系數(shù)的主要因素。通過(guò)在上電初始化時(shí)對(duì)并行各支路加以同步復(fù)位后影響因素(3)，將與影響因素(2)一樣，由于相關(guān)的電路模塊為寄存器鏈、分頻器以及鑒頻鑒相器等離散時(shí)間域工作的數(shù)字模塊，因此主要受時(shí)鐘抖動(dòng)影響，從而相對(duì)△Ii而言，△ni和△φi可以忽略。

　　基于以上考慮，假設(shè)電流失配、延時(shí)失配以及非同步引起的附加相差分別滿足3σ=15%，3σ=1%和3σ=0.01π的正態(tài)分布。對(duì)由式(3)給出的混合型FIR濾波器的頻域響應(yīng)做Monte-Carlo分析，可以得到如圖6所示的結(jié)果。

　　對(duì)于其他純模擬的量化噪聲抑制技術(shù)，比如采用數(shù)/模轉(zhuǎn)換器補(bǔ)償量化誤差的方法，失配將造成整個(gè)頻帶上噪聲抑制效果的惡化。從圖6可以看到，混合型FIR噪聲濾除技術(shù)中，失配主要影響傳遞函數(shù)的零點(diǎn)位置。在遠(yuǎn)離零點(diǎn)的頻偏處，濾波器增益的變化在±3 dB以內(nèi);而在預(yù)期的零點(diǎn)位置處，即便有失配存在，仍然能保證有至少25 dB的抑制，這通常已經(jīng)足以把量化噪聲降低到不再影響整體性能的水平。此外，從圖中虛線給出的不失一般性的個(gè)例可以看到，盡管失配使得在一些頻偏處的噪聲抑制程度不如預(yù)期值，但也使得在其他頻偏處的噪聲抑制要優(yōu)于預(yù)期值。這個(gè)特性進(jìn)一步使得量化噪聲的總體改善對(duì)失配不敏感。

　　3 并行支路間的準(zhǔn)同步

　　傳統(tǒng)△-∑鎖相環(huán)或△-∑延時(shí)鎖定環(huán)中只有一個(gè)鑒相器，其輸入端的參考時(shí)鐘和環(huán)路反饋回來(lái)的信號(hào)時(shí)鐘之間在鎖定后只存在由式(4)給出的瞬時(shí)相位誤差，這決定了電荷泵的開(kāi)啟時(shí)間和對(duì)應(yīng)的噪聲注入。而在采用混合型FIR噪聲濾除技術(shù)的結(jié)構(gòu)中，存在并行多支路鑒相器。它們一方面共享同一個(gè)參考時(shí)鐘，另一方面則是由各自對(duì)應(yīng)的分頻器或相位選擇器產(chǎn)生各自的信號(hào)時(shí)鐘，因此存在是否需要對(duì)這些信號(hào)時(shí)鐘加以同步的問(wèn)題。

　　支路間處于異步狀態(tài)時(shí)將造成的問(wèn)題如圖7所示。

　　為不失一般性，此處假設(shè)要實(shí)現(xiàn)一個(gè)簡(jiǎn)單的2抽頭FIR濾波器，其傳遞函數(shù)為(1+z-1)/2，因此環(huán)路中將需要用到2個(gè)支路的鑒相器。如圖7所示，在環(huán)路建立后，參考時(shí)鐘沿將被鎖定在2個(gè)信號(hào)時(shí)鐘沿的中間。因此，如果兩個(gè)信號(hào)時(shí)鐘沿的相位差為△φ，則對(duì)于每個(gè)鑒相器而言，輸入端的瞬時(shí)相位誤差比原來(lái)增加了△φ/2。此外，為了保持環(huán)路的鎖定，2個(gè)電荷泵支路需要在每個(gè)鑒相周期內(nèi)交替充放電。支路間的相位差△φ越大，也就意味著電荷泵開(kāi)啟時(shí)閶以及噪聲注入時(shí)間越長(zhǎng)，從而嚴(yán)重惡化帶內(nèi)相位噪聲以及參考雜散性能。另一方面，支路間異步引入的附加相位偏移還將影響所要實(shí)現(xiàn)的混合型FIR濾波器的傳遞函數(shù)。

　　為了避免這些性能上的惡化，混合型FIR噪聲濾除技術(shù)在電路實(shí)現(xiàn)上需要保證并行支路間處于準(zhǔn)同步狀態(tài)，即各信號(hào)時(shí)鐘的相位差應(yīng)滿足：

　　式中：φi和φj分別為第i和j路信號(hào)相位;Ni和Nj為支路對(duì)應(yīng)的控制字;φstep為相位量化步長(zhǎng)?？梢?jiàn)，這里的“準(zhǔn)同步”包含2個(gè)含義：一方面，由于各支路的信號(hào)時(shí)鐘受控于不同的控制字，因此不可能實(shí)現(xiàn)零相位差的完全同步;另一方面，各支路信號(hào)時(shí)鐘的相位差應(yīng)當(dāng)僅由量化控制字的差異引起，無(wú)任何附加相位差。