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1、(10)申请公布号 CN 103577152 A (43)申请公布日 2014.02.12 CN 103577152 A (21)申请号 201310601768.X (22)申请日 2013.11.25 G06F 7/58(2006.01) G06F 17/14(2006.01) (71)申请人 电子科技大学 地址 611731 四川省成都市高新区 （西区） 西 源大道 2006 号 (72)发明人 郭连平 王志刚 刘涛 罗光坤 黄林达 (74)专利代理机构 成都行之专利代理事务所 ( 普通合伙 ) 51220 代理人 温利平 (54) 发明名称 一种提高数据截位后信号无杂散动态范围的 方法。
2、 (57) 摘要 本发明一种提高数据截位后信号无杂散动态 范围的方法， 通过设计产生一定幅度范围的均匀 分布随机整数信号序列， 且随机整数信号序列的 位宽与截掉的位宽一致， 将随机整数信号序列叠 加到截位前的信号上， 然后再进行位宽截断， 获取 到截位后的随机信号， 这样使得截位误差的谐波 幅度快速衰减， 从而消除直接截位引起的谐波失 真， 改善截位后随机信号的动态范围。 (51)Int.Cl. 权利要求书 1 页 说明书 5 页 附图 1 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书1页 说明书5页 附图1页 (10)申请公布号 CN 103577152 A C。
3、N 103577152 A 1/1 页 2 1. 一种提高数据截位后信号无杂散动态范围的方法， 其特征在于， 包括以下步骤 ： （1） 、 通过随机信号产生模块生成随机整数信号序列 d， d 在 0,N-1 上服从均匀分布， 其中， N 2A-B， A 为前级模块产生的被截取信号 x(n) 的位宽， B 为截位后的信号 z(n+d) 位 宽， 且 A B, 随机整数序列 d 的位宽与截掉的位宽一致 ； （2） 、 将前级模块产生的被截取信号x(n)与随机整数信号序列d相加， 然后截掉最低的 A-B 位， 得到高 B 位信号 z(n+d)， 完成截位操作 ； 随机整数信号序列 d 的分布律函数为。
4、 p(m)，则 p(m) 的傅里叶 变换 p(ej) 为 ： 设新的截位误差信号为 z (n)， 则 z (n) 可表示为 ： 其中， z(n+d) 是指在截位前信号 x(n) 加上随机整数信号序列 d 后截位得到的信号 ； z (n) 即为信号 z(n) 与 p(m) 的互相关函数， 根据互相关函数与时域卷积函数之间的 关系， 可得到 z (n) 的频谱表达式为 ： Z (ej) Z(e-j)P(ej) 则 z (n) 的幅频特性为 ： 权 利 要 求 书 CN 103577152 A 2 1/5 页 3 一种提高数据截位后信号无杂散动态范围的方法 技术领域 0001 本发明属于数字信号处理。
5、技术领域， 更为具体地讲， 涉及一种提高数据截位后信 号无杂散动态范围的方法。 背景技术 0002 目前， 实现数字信号处理的主要器件是 FPGA 和 DSP。数字处理器件都会受到 “有 限字长效应” 的影响， 即信号序列的各个值都是以有限位宽的形式存在。一般来说， FPGA 中 执行的各种运算都是基于整型数来完成的， 因此， FPGA 内部运算过程中， 每一次的运算都可 能会带来数据位宽的增加， 导致最终运算结果位宽超出预期所需要的位宽， 这时需要对最 终运算结果进行截位处理 ； 或者当后级处理位宽较低时， 也需要对前级的高位宽运算结果 截位处理。例如 ALTERA 公司的大部分 FPGA 。
6、芯片内部快速傅里叶变换 （FFT） IP core 所能 支持的最大位宽为 24 位， 如果输入信号经过量化、 混频、 滤波及加窗等多个操作后， 最终运 算结果位宽有可能会大于 24 位。这时候， 需要截去多余的位数以满足 24 位的要求。 0003 在现有技术中， 数字信号处理过程常见的截位做法是直接截掉最低的某几位， 以 符合后级处理的位宽要求， 这种对多位数据的直接截位处理， 实现将数据从高量化精度向 低量化精度的转换过程， 转换过程中， 由于数据量化阶的减少， 描述相邻两个样点之间信号 细节的信息也随之减少， 导致高量化精度信号多个采样点代表的连续变化信息变为一级没 有变化的阶梯， 导。
7、致得到的低量化精度信号出现明显的谐波失真， 降低转换后信号的无杂 散动态范围 （SFDR） 。 0004 假设 x(n) 是经过一系列运算后得到的最终信号， 有效位宽为 A， 数据截位之后得 到的信号为 y(n)， 有效位数为 B。设 z(n) 表示截去的误差信号， 位宽为 A-B， 有以下关系成 立 ： 0005 x(n) y(n)*2A-B+z(n) （1） 0006 设 x(n)、 y(n) 和 z(n) 的离散傅里叶变换 （DFT） 分别为 X(ej)、 Y(ej) 和 Z(ej)， 对 （1） 式等号两边求离散傅里叶变换 ： 0007 0008 即 ： X(ej) 2A-BY(ej)。
8、+Z(ej) （3） 0009 从式 （3） 可以看出， 在 x(n) 的相关频谱参数一定的情况下， 截位得到的信号 y(n) 的频谱质量受到截位误差 z(n) 的影响。 说 明 书 CN 103577152 A 3 2/5 页 4 0010 z(n)表示的是截去的A-B位误差信号， 则z(n)x(n)(mod2A-B)， mod为同余运算， 表示取 x(n) 除以 2A-B得到的余数。 0011 在 x(n) 0,2A-1 范围内， 截位误差信号 z(n) 是以 N（N 2A-B） 为周期的离散 锯齿波函数， 并且当 x(n) 0,N-1 时， z(n) n。由此可以求出 N 点 z(n) 。
9、的傅里叶级数 展开式 ： 0012 0013 其中傅里叶级数系数 ak的值为 ： 0014 0015 由式 （6） 可得周期信号 z(n) 傅里叶变换在一个周期内的表达式为 ： 0016 0017 k 值较小时， 幅频特性函数表达如下式 ： 0018 0019 从式 （7） 可以看出， 谐波幅度分布与 k 存在近似反比例的关系， 衰减较慢。截位误 差引入了具有一定幅度的谐波毛刺， 必然导致信号无杂散动态范围下降。 发明内容 0020 本发明的目的在于克服现有技术的不足， 提供一种提高数据截位后信号无杂散动 态范围的方法， 消除直接截位引起的谐波失真， 改善截位后信号的动态范围。 0021 为实。
10、现上述发明目的， 本发明一种提高数据截位后信号无杂散动态范围的方法， 其特征在于， 包括以下步骤 ： 0022 （1） 、 通过随机信号产生模块生成随机整数信号序列d， d在0,N-1上服从均匀分 布， 其中， N 2A-B， A 为前级模块产生的被截取信号 x(n) 的位宽， B 为截位后的信号 z(n+d) 位宽， 且 A B, 随机整数信号序列 d 的位宽与截掉的位宽一致 ； 0023 （2） 、 将前级模块产生的被截取信号x(n)与随机整数信号序列d相加， 然后截掉最 低的 A-B 位， 得到高 B 位信号 z(n+d)， 完成截位操作 ； 0024 随机整数信号序列d的分布律函数为p。
11、(m)，则p(m)的傅 里叶变换 p(ej) 为 ： 说 明 书 CN 103577152 A 4 3/5 页 5 0025 0026 设新的截位误差信号为 z (n)， 则 z (n) 可表示为 ： 0027 0028 其中， z(n+d) 是指在截位前信号 x(n) 加上随机整数信号序列 d 后截位得到的信 号 ； 0029 z (n) 即为信号 z(n) 与 p(m) 的互相关函数， 根据互相关函数与时域卷积函数之 间的关系， 可得到 z (n) 的频谱表达式为 ： 0030 Z (ej) Z(e-j)P(ej) 0031 则 z (n) 的幅频特性为 ： 0032 0033 本发明的发。
12、明目的是这样实现的 ： 0034 本发明一种提高数据截位后信号无杂散动态范围的方法， 通过设计产生一定幅度 范围的均匀分布随机整数信号序列， 且随机整数信号序列的位宽与截掉的位宽一致， 将随 机整数信号序列叠加到截位前的信号上， 然后再进行位宽截断， 使得截位误差的谐波幅度 快速衰减， 从而消除直接截位引起的谐波失真， 改善截位后信号的动态范围。 0035 同时， 本发明提高数据截位后信号无杂散动态范围的方法还具有以下有益效果 ： 0036 （1） 、 本发明能够使截位误差的谐波幅度快速衰减， 从而消除直接截位引起的谐波 失真， 改善截位后信号的动态范围 ； 0037 （2） 、 本发明具有简。
13、单易行的特点， 尤其是在工程上， 用于数字信号处理， 对信号无 杂散动态范围优化效果很好 ； 0038 （3） 、 本发明中采用的随机整数信号序列位宽与截掉的位宽一致， 这样不会因幅度 过大而抬高截位后低精度信号的底噪， 也不会因幅度过小而改变截位后低精度信号的阶梯 性。 说 明 书 CN 103577152 A 5 4/5 页 6 附图说明 0039 图 1 是本发明提高数据截位后信号无杂散动态范围的方法一种原理框图 ； 0040 图 2 采用本发明前的信号频谱 ； 0041 图 3 采用本发明后的信号频谱。 具体实施方式 0042 下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述， 以便本领域的。
14、技术人员更好地 理解本发明。 需要特别提醒注意的是， 在以下的描述中， 当已知功能和设计的详细描述也许 会淡化本发明的主要内容时， 这些描述在这里将被忽略。 0043 实施例 0044 图 1 是本发明提高数据截位后信号无杂散动态范围的方法一种原理框图。在本实 施例中， 如图 1 所示， 随机信号产生模块以 FPGA 设计为例， 在 FPGA 中均匀分布的随机整数 信号序列的产生借助于matlab工具和FPGA内部存储资源实现的只读存储器ROM， 具体操作 步骤包括 ： 0045 （1） 、 在 matlab 中利用函数 unidrnd(N,L,1) 产生长度为 L 的在 0,N-1 上服从均。
15、 匀分布的随机整数信号序列 d， 其中， N=2A-B， A 为前级模块产生的被截取信号 x(n) 的位宽， B 为截取后的信号 z(n+d) 位宽， 且 A B, 随机整数信号序列 d 的位宽与截掉的位宽一致， 并生成 .mif 文件， 在 FPGA 调用 ROM 核并加载 .mif 文件， 生成新的 ROM 核， 新的 ROM 核位宽 为 A-B， 深度为 L ； 0046 （2） 、 将被截取信号 x(n) 与 ROM 存储的随机整数信号序列 d 相加， 然后截掉最低的 A-B 位， 得到高 B 位信号 z(n+d)， 完成截位操作 ； 0047 随机整数信号序列 d 的分布律函数为 p。
16、(m)，则 p(m) 的傅 里叶变换 p(ej) 为 ： 0048 0049 设新的截位误差信号为 z (n)， 则 z (n) 可表示为 ： 0050 0051 其中， z(n+d) 是指在截位前信号 x(n) 加上随机整数信号序列 d 后截位得到的信 号 ； 0052 z (n) 即为信号 z(n) 与 p(m) 的互相关函数， 根据互相关函数与时域卷积函数之 间的关系， 可得到 z (n) 的频谱表达式为 ： 说 明 书 CN 103577152 A 6 5/5 页 7 0053 Z (ej) Z(e-j)P(ej) 0054 则 z (n) 的幅频特性为 ： 0055 0056 图 2。
17、 采用本发明前的信号频谱。 0057 图 3 采用本发明后的信号频谱。 0058 如图 2 所示， 是未经过本发明处理过的信号频谱， 在整个频谱上可以观察到谐波 分量没有得到很好抑制， 具有一定幅度的谐波毛刺， 通过本发明处理过的信号如图 3 所示， 这个频谱的谐波分量得到很好抑制， 改善信号无杂散动态范围效果明显。 0059 尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述， 以便于本技术领域的技术 人员理解本发明， 但应该清楚， 本发明不限于具体实施方式的范围， 对本技术领域的普通技 术人员来讲， 只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内， 这些 变化是显而易见的， 一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。 说 明 书 CN 103577152 A 7 1/1 页 8 图 1 图 2 图 3 说 明 书 附 图 CN 103577152 A 8 。