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    • 专利摘要:
    Ineinem Verfahren zum Unterdrückenvon in einem nicht-linearen Element 4 entstehenden geraden harmonischenVerzerrung wird ein Signal x(n) vor Durchgang durch das nicht-lineareElement 4 mit einer Pseudo-Random-Noise-Sequenz r(n) verknüpft unddadurch gespreizt. Nach Durchgang durch das nicht-lineare Element4 wird das Signal y*(n) erneut mit der Pseudo-Random-Noise-Sequenzr(n) verknüpft.Das Signal y*(n) wird dadurch entspreizt, wohingegen harmonische Beiträge geraderOrdnung erneut gespreizt werden und als breitbandiges Rauschen verbleiben.
    公开号:DE102004025577A1
    申请号:DE200410025577
    申请日:2004-05-25
    公开日:2005-12-22
    发明作者:Victor Dias
    申请人:Infineon Technologies AG；
    IPC主号:H03M1-06
    专利说明:
    [0001] DieErfindung betrifft ein Verfahren zur Unterdrückung von in einem nicht-linearenElement beim Durchgang von analogen oder digitalen Signalen entstehenden,geraden harmonischen Verzerrungen.
    [0002] HarmonischeVerzerrungen stellen einen der am stärksten begrenzenden Faktorenbezüglichdes Verhaltens von qualitativ hochwertigen, analogen mikroelektronischenSchaltkreisen und sonstigen elektronischen Schaltungen, wie Analog-Digital-Convertern (ADC),Digital-Analog-Convertern (DAC), Filtern, etc. dar. HarmonischeVerzerrungen entstehen allgemein durch Interferenzen, deren Stärke vomjeweiligen Signal abhängigist. Insbesondere entstehen harmonische Verzerrungen durch das nichtlineare Verhalten von aktiven (Transistoren, Verstärkern, etc.)oder passiven (Widerständen,Kondensatoren, etc.) elektronischen Bauteilen.
    [0003] In 1 ist ein nicht-linearesElement 4 mit dem analogen bzw. digitalen Eingangssignalx(t) bzw. x(n) und dem analogen bzw. digitalen Ausgangssignal y(t)bzw. y(n) schematisch dargestellt. Die Abbildung des analogen Eingangssignalsx(t) auf das analoge Ausgangssignal y(t) wird durch die Funktionf beschrieben, welche als Polynom in folgender Form geschriebenwerden kann: y(t)= f(x(t)) = a0 + a1x(t)+ a2x2(t) + a3x3(t) + ..., (1)wobei a0, a1, a2,a3 ... konstante Koeffizienten sind. ZurVereinfachung betrachten wir im Folgenden Polynome dritter Ordnung(ai = 0 für i = 0, 4, 5,...) und normierenden obigen Ausdruck (a1 = 1), wobei diesdie Allgemeingültigkeitder Betrachtung nicht einschränkt.Ist das Eingangssignal eine sinusförmige Schwingung der Form x(t)= cos(ωt),so erhältman aus Gleichung (1):
    [0004] Zielist es, die Nicht-Linearitätvon elektronischen Schaltungen, das heißt die Beträge der Koeffizienten nichtlinearerOrdnung a2, a3,...,zu minimieren.
    [0005] EineMöglichkeitzur Reduzierung von Nicht-Linearitäten besteht darin, hochlineareBauteile zum Aufbau der elektronischen Schaltungen zu verwenden,beispielsweise hochlineare, passive Bauelemente oder hochverstärkende Verstärker zusammenmit einem Rückkoppelmechanismus.
    [0006] Eineandere Möglichkeitdie nicht-linearen Beiträgein elektronischen Schaltungen zu minimieren bietet die sogenannteDifferenztechnik. Sie besteht im Wesentlichen darin, zwei parallele,im Idealfall identische Signalpfade aufzubauen, von denen einerein Signal x+(t) und der andere die invertierteVersion des Signals x-(t) = -x+(t)verarbeitet. Das Eingangssignal x(t) wird durch die Differenz derSignale in den beiden Signalpfaden gebildet. Es gilt x(t) = x+(t) – x-(t) = 2x+(t), dasheißtdas Eingangssignal x(t) entspricht dem Doppelten des am positivenSignalpfad anliegenden Signals x+(t). UnterAnnahme des in Gleichung (1) beschriebenen nichtlinearen Zusammenhangszwischen Eingangs- und Ausgangssignal und der Vereinfachung a0 = 0 erhältman fürdie Ausgangssignale des positiven bzw. negativen Signalpfades y+(t) bzw. y-(t): y+(t)= a1x+(t) + a2x2+ (t) + a3x2+ (t) +... (3) und y-(t)= + a1x-(t) + a2x2- (t) + a3x3- (t) +... = – a1x+(t) + a2x2+ (t) – a3x3+ (t) + ... (4)
    [0007] Dasdifferentielle Ausgangssignal y(t) wird beschrieben durch: y(t) = y+(t) – y-(t) = 2a1x+(t) + 0 + 2a3x3+ (t)+ 0 + ... (5)
    [0008] Dabeiheben sich die Terme gerader Ordnung (a2,a4,...) weg. Im Idealfall löschen sichbei sinusförmigenEingangssignalen daher die Harmonischen gerader Ordnung aus.
    [0009] Diesehäufigangewandte Technik weist jedoch eine Reihe von Nachteilen auf: (1) Ungerade Harmonische heben sich nicht weg. (2) Die Auslöschungist abhängigvom Abgleich zwischen den beiden Signalpfaden. Eine Fehlanpassung derSignale y-(t) und y+(t)in den beiden Signalpfaden führtzu einer unvollständigenAuslöschung äquivalenterPolynom-Koeffizienten der Terme gerader Ordnung, und das Ausgangssignalenthältweiterhin die entsprechenden geraden Harmonischen. (3) Differentielle Schaltkreise führen beim Aufbau von Schaltungenzu höherenKosten und beanspruchen mehr Raum bzw. Chipfläche, da der Signalpfad doppeltausgelegt werden muss, vor Allem alle passiven Elemente, die alsRückkopplungselementevon Verstärkerngenutzt werden. AußerdemmüssenGleichtakt-Rückkopplungsschaltkreisehinzugefügtwerden.
    [0010] Aufgabeder Erfindung ist es daher, ein Verfahren anzugeben, welches durchnicht-lineare Elemente hervorgerufene, harmonische Verzerrungenunterdrückt.Insbesondere soll das erfindungsgemäße Verfahren die Nachteile(2) und (3) des herkömmlichenVerfahrens nicht oder in nur abgeschwächter Form aufweisen. Fernerzielt die Erfindung darauf ab, eine Vorrichtung zur Unterdrückung vondurch nicht-lineare Elemente hervorgerufenen, harmonischen Verzerrungenmit den oben genannten Eigenschaften zu schaffen.
    [0011] DieseAufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. VorteilhafteWeiterbildungen und Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
    [0012] Daserfindungsgemäße Verfahrenzum Unterdrückenvon in einem nicht-linearen Element entstehenden Verzerrungen geraderOrdnung umfasst den Schritt des Verknüpfens eines Signals vor Durchgangdurch das nicht-lineare Element mit einer Pseudo-Random-Noise-Sequenz, sowie des Verknüpfens desSignals nach Durchgang durch das nicht-lineare Element mit einervon der Pseudo-Random-Noise-Sequenz abgeleiteten Sequenz, insbesonderemit derselben Pseudo-Random-Noise-Sequenz.
    [0013] Durchdie Verknüpfungim ersten Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das Signalvorzugsweise breitbandig gespreizt und ein breitbandiges, quasi-weißes, spektralgleichmäßig verteiltesRauschsignal erzeugt. Das Quadrat von Pseudo-Random-Noise-Sequenzen ergibt zu jedemZeitpunkt 1. Beim Durchgang durch ein nicht-lineares Element zeigendie Terme gerader Ordnung (0-ter, 2-ter, 4-ter, ... Ordnung) inGleichung (1) daher ein qualitativ anderes Verhalten als die Termeungerader Ordnung (1-ter, 3-ter, 5-ter, ... Ordnung), wodurch eineAbtrennung der Terme gerader Ordnung von den Termen ungerader Ordnungermöglicht wird.Insbesondere werden die Terme gerader Ordnung bereits beim Durchgangdurch das nicht-lineare Element im Gegensatz zu den Termen ungeraderOrdnung entspreizt. Durch die Verknüpfung des Ausgangssignals desnicht-linearen Elementes mit der Pseudo-Random-Noise-Sequenz im zweitenSchritt des erfindungsgemäßen Verfahrens,werden alle Terme ungerader Ordnung, insbesondere der lineare Term,entspreizt, wohingegen die Terme gerader Ordnung erneut gespreiztwerden und ein breitbandiges Rauschsignal ergeben. Die Energie dernicht-linearen Terme gerader Ordnung bzw. im Falle von sinusförmigen Signalendie Energie des konstanten Offsets und der geraden Harmonischenwerden in breitbandiges, quasi-weißes Rauschen gespreizt undsomit effektiv aus dem Ausgangssignal entfernt. Zur korrekten Entspreizungmüssendabei eventuell im nicht-linearen Element auftretende Signalverzögerungenbei der Verknüpfungim zweiten Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens berücksichtigtwerden.
    [0014] DieVerknüpfungim zweiten Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens kann mit derselbenPseudo-Random-Noise-Sequenz geschehen, die bereits im ersten Schrittdes erfindungsgemäßen Verfahrensverwendet wurde. Es ist jedoch auch denkbar im zweiten Schritt eineaus der zuvor verwendeten Pseudo-Random-Noise-Sequenz abgeleitete Sequenz zuverwenden. Beispielsweise kann eine invertierte Version der Pseudo-Random-Noise-Sequenz verwendetwerden, welche bei der Verknüpfungim zweiten Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens qualitativ dasselbeVerhalten zeigt. Das resultierende Ausgangssignal ist jedoch invertiert.
    [0015] Daserfindungsgemäße Verfahrenkann als Alternative zu der bekannten Differenztechnik eingesetzt werden.Dadurch entfälltdas Erfordernis zwei parallele, identische Signalverar beitungspfadeaufzubauen, wodurch die Anzahl der notwendigen Bauteile und somitdie Kosten des Aufbaus sinken. Weiterhin wird der für die doppelteAusführungnotwendige Platz eingespart und der Verfahrensaufwand zur Unterdrückung vonVerzerrungen gerader Ordnung und somit die Stromaufnahme der gesamtenSchaltung sinkt.
    [0016] Daserfindungsgemäße Verfahrenkann jedoch auch als ergänzendeMaßnahmezur bekannten Differenztechnik eingesetzt werden. Dadurch können beispielsweisewegen einer Fehlanpassung der beiden Signalpfade noch verbliebeneTerme bzw. Harmonische gerader Ordnung in breitbandiges, quasi-weißes Rauschengespreizt werden. Insbesondere könnenzusätzlicheInterferenzsignale, welche durch Unterschiede der beiden Signalpfadeentstehen und in den Gleichungen (3) und (4) durch nicht-identische Koeffizientena0, a2, a4,... ausgedrückt werden, unterdrückt werden.
    [0017] Ineiner vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrenswird ein digitales Signal mit der Pseudo-Random-Noise-Sequenz verknüpft, indem das Signal mit einer ±1 Sequenzentsprechend der Pseudo-Random-Noise-Sequenz multipliziert wird.Die Frequenz der ±1Sequenz kann dabei gleich der Datenrate, das heißt der Taktfrequenz des digitalenSignals sein.
    [0018] Ineiner weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrenswird ein analoges Signal mit der Pseudo-Random-Noise-Sequenz verknüpft, indemdas Vorzeichen des analogen Signals entsprechend der Pseudo-Random-Noise-Sequenzinvertiert wird.
    [0019] Ineiner weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird ein analoges Signalmit der Pseudo-Random-Noise-Sequenz verknüpft, indem das analoge Signalentsprechend der Pseudo-Random-Noise-Sequenz mit einer Rechteckspannung multipliziertwird. Die Rechteckspannung weist insbesondere zwei vom Betrag her identischeSpannungswerte mit entgegengesetzten Vorzeichen auf.
    [0020] Nachfolgendwird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindungmit den Zeichnungsfiguren nähererläutert.Es zeigen:
    [0021] 1 eineschematische Darstellung eines nicht-linearen Elements;
    [0022] 2 einenGenerator fürPseudo-Random-Noise-Sequenzen; und
    [0023] 3 eineVorrichtung zur Durchführungdes erfindungsgemäßen Verfahrens.
    [0024] 2 zeigtein Ausführungsbeispieleines Pseudo-Random-Noise-Generatorsmit einem Schieberegister mit 20 Speicherzellen (beispielsweiseD-Typ Flip-Flops) und einem XOR-Gatter zur Rückkopplung. Die Pseudo-Random-Noise-Sequenzwird am Ausgang der letzen Speicherzelle #20 des Schieberegistersabgegriffen.
    [0025] 3 zeigtein Ausführungsbeispieleiner Vorrichtung zur Durchführungdes erfindungsgemäßen Verfahrensam Beispiel eines Abtast-Schaltkreises, wie er beispielsweise inAnalog-Digital-Wandlern,geschalteten Kondensatorschaltkreisen und geschalteten Stromschaltkreisenverwendet wird. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel tastet eineAbtastvorrichtung 1 ein analoges Signal x(t) mit einerTaktfrequenz Fclk ab und gibt ein abgetastetesSignal x(n) aus. Ein Pseudo-Random-Noise-Generator 2 erzeugt eine Pseudo-Random-Noise-Sequenzr(n) und gibt diese in Form einer logischen ±1 Folge, deren spektraleEigenschaft weißemRauschen entspricht, ab. Die Frequenz der Pseudo-Random-Noise-Sequenzist dabei gleich der Abtastrate Fclk. In derVerknüpfungseinheit 3 wirddie Pseudo-Random-Noise-Sequenzr(n) in Form der logischen ±1Folge mit dem di gitalen Abtastsignal x(n) multipliziert und dasEingangssignal x*(n) = x(n)·r(n) desnicht-linearen Elements 4 erzeugt.
    [0026] Für das Ausgangssignaly*(n) des nicht-linearen Elements 4 giltgemäß Gleichung(1) y*(n)= a0 + a1x*(n) + a2(x*(n))2 + a3(x*(n))3 +a4(x*(n))4 + a5(x*(n))5 + ... (6)
    [0027] Mitobiger Definition fürx*(n) lässtsich dies schreiben als: y*(n) = a0 + a1[x(n)·r(n)]+ a2[x(n)·r(n)] 2 +a3[x(n)·r(n)]3 +a4[x(n)·r(n)] 4 +a5[x(n)·r(n)]5 +... (7)
    [0028] Wieoben erwähntgilt fürPseudo-Random-Noise-Sequenzen r(n)2i = 1für jedesganzzahlige i. Damit lässtsich Gleichung (7) umschreiben zu: y*(n)= a0 + a1x(n)·r(n) +a2x2(n) + a3x3(n)·r(n) +a4x4(n) + a5x5(n)·r(n) +... = r(n)·[a1x(n) + a3x3(n) + a5x5(n) + ...] + a0 +a2x2(n) + a4x4(n) + ...(8)
    [0029] DasAusgangssignal y*(n) des nicht-linearenElements 4 wird in der zweiten Verknüpfungseinheit 5 erneutmit der Pseudo-Random-Noise-Sequenzr(n) multipliziert und fürdas Ausgangssignal y(n) gilt: y(n) = y*(n)·r(n) =a1x(n) + a3x3(n) + a5x5(n) + ... + r(n)·[a0 +a2x2(n) + a4x4(n) + ...] =a1x(n) + a3x3(n) + a5x5(n) + ... + breitbandiges Rauschen (9)
    [0030] InGleichung (9) werden der konstante Term und die Terme gerader Ordnungdes Ausgangssignals y(n), welche die geraden Harmonischen erzeugen,mit der Pseudo-Random-Noise-Sequenz r(n) multipliziert. Ihre Energiewird somit in ein breitbandiges, quasi-weißes Rauschen gespreizt. Für das Ausgangssignaly(n) gilt daher effektiv: y(n) = a1x(n) + a3x3(n) + a5x5(n) + ... + breitbandigesRauschen (10)
    [0031] Durchdas erfindungsgemäße Verfahrenwerden konstante Offsets und gerade Harmonische, welche beim Durchgangdurch ein nicht-lineares Element entstehen, unterdrückt. Siewerden breitbandig gespreizt und somit effektiv aus dem Signal entfernt.
    [0032] Daserfindungsgemäße Verfahrenkann ebenso auf analoge Signale angewandt werden. Beispielsweisewird ein analoges Signal mit der Pseudo-Random-Noise-Sequenz verknüpft, indemdas Vorzeichen des analogen Signals entsprechend der Pseudo-Random-Noise-Sequenz invertiertwird oder das analoge Signal entsprechend der Pseudo-Random-Noise-Sequenzmit einer Rechteckspannung multipliziert wird, welche vorteilhafterweisezwei vom Betrag her identische Spannungswerte mit entgegengesetztenVorzeichen aufweisen.
    [0033] Daserfindungsgemäße Verfahrenzum Unterdrückenvon in einem nicht-linearen Element entstehenden, geraden harmonischenVerzerrungen ist anwendbar auf alle passiven und aktive Typen vonnicht-linearen Elementen. Insbesondere kann das Verfahren zur Unterdrückung vongeraden harmonischen Verzerrungen in Analog-Digital-Konvertern,Digital-Analog-Konvertern, Filtern, Verstärkern und Schaltkreisen mitgeschalteten Kondensatoren oder geschalteten Strömen verwendet werden.
    权利要求:
    Claims (12)
    [1] Verfahren zum Unterdrücken von in einem nicht-linearenElement (4) entstehenden, geraden harmonischen Verzerrungenumfassend die Schritte: – Verknüpfen einesSignals vor Durchgang durch das nichtlineare Element (4)mit einer Pseudo-Random-Noise-Sequenz (r(n)); und – Verknüpfen desSignals nach Durchgang durch das nichtlineare Element (4)mit einer von der Pseudo-Random-Noise-Sequenz (r(n)) abgeleiteten Sequenz,insbesondere mit derselben Pseudo-Random-Noise-Sequenz (r(n)).
    [2] Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,dass das Signal (x(n), y*(n)) durch daserste Verknüpfengespreizt und durch das zweite Verknüpfen entspreizt wird.
    [3] Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,dass ein digitales Signal (x(n), y(*n))mit der Pseudo-Random-Noise-Sequenz(r(n)) verknüpftwird, indem das digitale Signal (x(n), y(*n))mit einer ±1-Sequenzentsprechend der Pseudo-Random-Noise-Sequenz (r(n)) multipliziertwird.
    [4] Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,dass ein analoges Signal (x(t)) mit der Pseudo-Random-Noise-Sequenz verknüpft wird,indem das Vorzeichen des analogen Signals (x(t)) entsprechend derPseudo-Random-Noise-Sequenz invertiert wird.
    [5] Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,dass ein analoges Signal (x(t)) mit der Pseudo-Random-Noise-Sequenz verknüpft wird,indem das analoge Signal (x(t)) entsprechend der Pseudo-Random-Noise-Sequenzmit einer Rechteckspannung multipliziert wird.
    [6] Verfahren nach Anspruch einem oder mehreren der vorhergehendenAnsprüche,dadurch gekennzeichnet, dass das nicht-lineare Element (4),einen Verstärkeroder einen Schaltkreis mit geschalteten Kondensatoren oder geschaltetenStrömenaufweist.
    [7] Vorrichtung zur Unterdrückung von in einem nicht-linearenElement (4) entstehenden, geraden harmonischen Verzerrungenumfassend: – einenPseudo-Random-Noise-Generator (2) zur Erzeugung einer Pseudo-Random-Noise-Sequenz(r(n)), – eineerste Verknüpfungseinheit(3), die die Pseudo-Random-Noise-Sequenz (r(n)) mit einem Signal(x(n)) verknüpftund ein Eingangssignal (x*(n)) für ein nicht-linearesElement (4) erzeugt, – ein nicht-lineares Element(4), das das in der ersten Verknüpfungseinheit (3)erzeugte Eingangssignal (x*(n)) entgegennimmtund ein Ausgangssignal (y*(n)) ausgibt,und – einezweite Verknüpfungseinheit(5), welche das Ausgangssignal (y*(n))des nicht-linearen Elements (4) mit einer von der Pseudo-Random-Noise-Sequenz(r(n)) abgeleiteten Sequenz, insbesondere mit derselben Pseudo-Random-Noise-Sequenz (r(n)), verknüpft.
    [8] Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet,dass das Signal (x(n), y*(n)) in der erstenVerknüpfungseinheit(3) gespreizt und in der zweiten Verknüpfungseinheit (5)entspreizt wird.
    [9] Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet,dass die Verknüpfungseinheiten(3, 5) die Pseudo-Random-Noise-Sequenz (r(n)) mit einem digitalen Signal(x(n), y*(n)) durch Multiplikation mit einer ±1-Sequenzentsprechend der Pseudo-Random-Noise-Sequenz(r(n)) verknüpfen.
    [10] Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet,dass die Verknüpfungseinheiten(3, 5) die Pseudo-Random-Noise-Sequenz (r(n)) mit einem analogen Signal(x(t)) durch Invertierung des Vorzeichens des analogen Signals (x(t))entsprechend der Pseudo-Random-Noise-Sequenz (r(n)) verknüpfen.
    [11] Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet,dass die Verknüpfungseinheiten(3, 5) die Pseudo-Random-Noise-Sequenz (r(n)) mit einem analogen Signal(x(t)) durch Multiplikation mit einer Rechteckspannung entsprechendder Pseudo-Random-Noise-Sequenz(r(n)) verknüpfen.
    [12] Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 7 bis11, dadurch gekennzeichnet, dass das nicht-lineare Element (4)einen Verstärkeroder einen Schaltkreis mit geschalteten Kondensatoren oder geschaltetenStrömenaufweist.
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    同族专利:
    公开号 | 公开日
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    引用文献:
    公开号 | 申请日 | 公开日 | 申请人 | 专利标题
    法律状态:
    2005-12-22| OP8| Request for examination as to paragraph 44 patent law|
    2010-11-04| 8364| No opposition during term of opposition|
    优先权:
    申请号 | 申请日 | 专利标题
    DE200410025577|DE102004025577B4|2004-05-25|2004-05-25|Unterdrückung von geraden harmonischen Verzerrungen in einem nicht-linearen Element|DE200410025577| DE102004025577B4|2004-05-25|2004-05-25|Unterdrückung von geraden harmonischen Verzerrungen in einem nicht-linearen Element|
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