CN103326726A - 信号发生装置及信号发生方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种信号发生装置及信号发生方法，用于输出表示波形的波形数据列相应的输出信号，其中，该信号发生装置包括：DA转换部，用于根据采样时钟的定时，将波形数据列中包含的各个数据依次进行数模转换，并输出模拟信号；以及抖动施加部，用于向提供给DA转换部的采样时钟施加抖动，以降低输出信号的量化噪声成分。通过本发明能够输出抵销了量化噪声的精度优良的波形。

Description

信号发生装置及信号发生方法

技术领域

本发明涉及一种信号发生装置及信号发生方法。

背景技术

以前已知的技术是通过添加检测出的噪声的逆位相信号来抵销噪声。另外，专利文献1中还记载了一种将定时发生装置与多个波形发生装置进行组合，从而精确地产生任意波形的装置。

专利文献1：特开2001-223585号公报

发明内容

发明要解决的问题:

然而，以前，当由一个数模（Digital to Analog，DA）转换器产生任意波形时，很难降低由DA转换器的量化误差产生的噪声。

解决问题的方案:

本发明第一方式提供了一种信号发生装置及信号发生方法，所述信号发生装置用于输出与表示波形的波形数据列相应的输出信号，其中，该信号发生装置包括：DA转换部，用于根据采样时钟的定时，将所述波形数据列中包含的各个数据依次进行数模转换，并输出模拟信号；以及抖动施加部，用于向提供给所述DA转换部的采样时钟施加抖动，以降低所述输出信号的量化噪声成分。

另外，上述发明的概要并未列举出本发明的全部必要特征，所述特征组的子组合也有可能构成发明。

附图说明

图1示出了本实施方式所述信号发生装置10的结构。

图2示出了抖动数据列的生成处理流程。

图3示出了量化噪声的矩形波形ε′_Q（t）的一例。

图4示出了量化噪声的输出波形ε_Q（t）的一例。

图5示出了不包含抖动的输出信号的矩形波形f′（t）与包含有抖动的输出信号的矩形波形h′（t）的一例。

图6示出了抖动噪声的矩形波形ε′_S（t）的一例。

图7示出了抖动噪声的矩形波形ε′_S（t）的振幅及脉冲幅的一例。

图8示出了本实施方式的第一变形例所述信号发生装置10的结构。

图9示出了本实施方式的第二变形例所述信号发生装置10的结构。

符号说明:

10信号发生装置、12波形存储器、14DA转换部、16低通滤波器、18抖动计算部、20抖动存储器、22时钟发生部、24抖动施加部、32时钟图形发生部、34加法部、42抖动图形存储器、44定时发生部

具体实施方式

以下通过发明实施方式对本发明进行说明，但以下实施方式并非对权利要求书所涉及的发明进行限定。并且，实施方式中说明的特征组合也并非全部为本发明的必要特征。

图1示出了本实施方式所述信号发生装置10的结构。信号发生装置10用于输出表示波形的波形数据列所对应的模拟输出信号。

信号发生装置10包括：波形存储器12、DA转换部14、低通滤波器16、抖动计算部18、抖动存储器20、时钟发生部22和抖动施加部24。波形存储器12中存储有表示待输出模拟信号波形的波形数据列。

DA转换部14用于从波形存储器12依次读出波形数据列中包含的各个数据。然后，DA转换部14将波形数据列中包含的各个数据根据采样时钟的定时依次进行数模转换，并输出模拟信号。

低通滤波器16用于仅仅使DA转换部14输出的模拟信号中的低频成分通过。也就是说，低通滤波器16去除了从DA转换部14输出的模拟信号中的高频成分。信号发生装置10将通过低通滤波器16后的信号作为输出信号向外部输出。

抖动计算部18用于基于波形数据列及低通滤波器16的特性，计算并生成抖动（jitter）数据列，该抖动数据列中包含的数据表示待施加给提供到DA转换部14的采样时钟的抖动。更具体地说，抖动计算部18生成的抖动数据列中包含的数据表示用于降低输出信号量化噪声成分的抖动。

作为一例，抖动计算部18生成的抖动数据列中包含的数据所表示的抖动用于抵销使根据不包含抖动的采样时钟对波形数据列进行数模转换后得到的信号通过低通滤波器16后产生的量化噪声成分。即，作为一例，抖动计算部18生成的抖动数据列中包含的数据所表示的抖动用于使通过低通滤波器16后的输出信号产生与量化噪声成分相位相反的抖动噪声成分。

抖动存储器20用于存储由抖动计算部18生成的抖动数据列。时钟发生部22用于产生预定周期的采样时钟。

抖动施加部24用于从抖动存储器20依次读出抖动数据列中包含的各个数据。抖动施加部24向由时钟发生部22产生的采样时钟施加在抖动存储器20中存储的抖动数据列中包含的各个数据相应的抖动。

作为一例，抖动施加部24根据抖动数据列中包含的相应数据所对应的延迟量将在每个预定周期产生的采样时钟的各个脉冲进行延迟。据此，抖动施加部24能够对采样时钟的每个脉冲施加不同延迟量的抖动。然后，抖动施加部24将施加了抖动的采样时钟提供给DA转换部14。

通过这种信号发生装置10，DA转换部14能够根据包含有用于降低输出信号量化噪声成分的抖动的采样时钟的定时，将波形数据列中包含的各个数据进行数模转换。据此，信号发生装置10利用抖动噪声成分抵销了量化噪声成分，从而能够输出在整体上降低了噪声的精度优良的模拟信号。

具体地，如下所述，通过信号发生装置10利用抖动噪声成分抵销量化噪声成分。

将信号发生装置10的输出信号（即从低通滤波器16输出的信号）表示为h（t）。将信号发生装置10在抖动噪声成分为0时的输出信号表示为f（t）。将信号发生装置10在量化误差为0时的理想输出信号表示为g（t）。

另外，将信号发生装置10的输出信号中包含的受采样时钟抖动影响而产生的噪声成分（抖动噪声成分）表示为ε_S（t）。将信号发生装置10的输出信号中包含的由量化误差产生的噪声成分（量化噪声成分）表示为ε_Q（t）。另外，t为表示时间的变量。

此时，如下式（1）所示，输出信号h（t）是将抖动噪声成分为0时的输出信号f（t）与抖动噪声成分ε_S（t）相加后得到的信号。

h（t）=f（t）+ε_S（t）…（1）

另外，如下式（2）所示，抖动噪声成分为0时的输出信号f（t）是将量化误差为0时的理想输出信号g（t）与量化噪声成分ε_Q（t）相加后得到的信号。

f（t）=g（t）+ε_Q（t）…（2）

将式（2）代入式（1）后成为下式（3）。

h（t）=g（t）+ε_Q（t）+ε_S（t）…（3）

根据式（3），如果ε_S（t）=-ε_Q（t），则信号发生装置10的输出信号h（t）成为理想输出信号g（t）。因此，信号发生装置10通过向采样时钟中施加抖动，且该抖动使输出信号中产生了用于抵销量化噪声成分ε_Q（t）的抖动噪声成分ε_S（t），即与量化噪声成分ε_Q（t）相位相反的抖动噪声成分ε_S（t），从而能够输出降低了量化噪声成分的精度良好的模拟信号。

图2示出了抖动计算部18中进行的抖动数据列的生成处理流程。抖动计算部18对波形存储器12存储的波形数据列f[k]，执行从以下的步骤S11到步骤S12的处理，生成表示待施加给采样时钟的抖动数据列Δt[k]。另外，k为表示采样时钟的采样编号（整数）的变量。

抖动计算部18在该信号发生装置10中的输出信号产生之前预先执行步骤S11到步骤S13的处理。据此，信号发生装置10能够在输出信号产生之前预先将抖动数据列Δt[k]存储于抖动存储器20中。对此可选地是，抖动计算部18也可以与产生输出信号的处理相并行地，实时地反复执行步骤S11到步骤S13的处理。

首先，在步骤S11中，抖动计算部18计算出量化噪声的矩形波形ε′_Q（t）。此处，量化噪声的矩形波形ε′_Q（t）是表示从DA转换部14输出的模拟信号（即输入到低通滤波器16之前的模拟信号）中包含的量化噪声的波形。

将由DA转换部14进行数模转换后的M比特（M为2以上的整数）波形数据列表示为f[k]。将从该信号发生装置10输出的波形表示为M比特以上的理想波形数据列，并以g[k]表示。

此时，抖动计算部18针对每个采样编号（k），从理想波形数据列g[k]的各个数据中减去波形数据列f[k]对应的数据，从而算出量化噪声数据列ε_Q[k]。然后，抖动计算部18将这种量化噪声数据列ε_Q[k]中各个数据所对应的矩形波形表示为量化噪声的矩形波形ε′_Q（t）。例如，如图3所示，如此产生的量化噪声的矩形波形ε′_Q（t）成为在采样时钟的定时时刻发生了电平变化的台阶状波形。

另外，波形存储器12也可以存储分辨率大于M比特的理想波形数据列g[k]。此时，作为一例，DA转换部14可以将理想波形数据列g[k]中包含的各个数据中的前M比特数据读出作为波形数据列f[k]，并进行数模转换处理。另外，此时，作为一例，抖动计算部18可以将理想波形数据列g[k]中包含的各个数据中的后M比特数据读出作为量化噪声数据列ε_Q[k]。

接下来，在步骤S12中，抖动计算部18计算出量化噪声的离散波形数据列ε_Q,2[k]。此处，量化噪声的离散波形数据列ε_Q,2[k]是根据采样时钟对信号发生装置10的输出信号中包含的量化噪声成分进行重新采样后得到的数据列。

在步骤S12中，首先，抖动计算部18计算出使步骤S11中算出的量化噪声的矩形波形ε′_Q（t）通过低通滤波器16后的波形ε_Q（t）。作为一例，抖动计算部18将量化噪声的矩形波形ε′_Q（t）与低通滤波器16的时间响应函数进行卷积，从而算出波形ε_Q（t）。另外，作为另一例，抖动计算部18也可以将量化噪声的矩形波形ε′_Q（t）进行傅里叶变换，在频域上乘以低通滤波器16的频率响应函数，对相乘结果进行傅里叶逆变换，从而算出波形ε_Q（t）。

例如，如图4所示，使这种量化噪声的矩形波形ε′_Q（t）通过低通滤波器16后得到的波形ε_Q（t）成为在两个采样时钟之间平滑连接的波形。然后，抖动计算部18在采样时钟的各个时刻点对使量化噪声的矩形波形ε′_Q（t）通过低通滤波器16后得到的波形ε_Q（t）进行重新采样，从而生成量化噪声的离散波形数据列ε_Q,2[k]。

接下来，在步骤S13中，抖动计算部18基于表示抖动噪声的离散波形数据列ε_S[k]的函数以及在步骤S12中算出的量化噪声的离散波形数据列ε_Q,2[k]，计算出抖动数据列Δt[k]，以产生抵销量化噪声的抖动。

此处，将表示抖动噪声的离散波形数据列ε_S[k]的函数表示如下。

首先，例如，如图5所示，从DA转换部14输出的模拟信号中包含的抖动噪声的矩形波形ε′_S（t）是从DA转换部14输出的抖动噪声成分为0时的模拟信号波形f′（t）中减去从DA转换部14输出的含有抖动噪声成分时的模拟信号的波形h′（t）后得到的波形。因此，如图6所示，抖动噪声的矩形波形ε′_S（t）例如成为使产生的多个离散脉冲在时间方向被连接的波形。

如图7所示，这种抖动噪声的矩形波形ε′_S（t）的各个脉冲的振幅表示从DA转换部14输出的模拟信号波形f′（t）的变化量（f[k-1]-f[k]）。另外，这种抖动噪声的矩形波形ε′_S（t）的脉冲宽度表示从DA转换部14输出的模拟信号波形h′（t）的抖动（Δt[k]）。

另外，低通滤波器16的输出信号中包含的抖动噪声成分ε_S（t）是使抖动噪声的矩形波形ε′_S（t）通过低通滤波器16之后得到的波形。即，抖动噪声成分ε_S（t）是将抖动噪声的矩形波形ε′_S（t）与低通滤波器16的时间响应函数进行卷积后得到的波形。

据此，抖动噪声成分ε_S（t）由如下式（4）所示的数学式表示。另外，m表示采样时钟的任意采样编号（整数）。a（t）表示低通滤波器16的时间响应函数。T_s表示采样时钟的周期。τ为表示卷积用的平移量的变量。

【式1】

${\mathrm{\ϵ}}_S\left(t\right)=\underset{m=0}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\left\{f\right[m-1]-f[m\left]\right\}{\∫}_{m{T}_S}^{m{T}_S+\mathrm{\Δt}\left[m\right]}a(t-\mathrm{\τ})\mathrm{d\τ}\·\·\·\left(4\right)$

即，抖动噪声成分ε_S（t）是将第m号采样时钟对应的脉冲波形与低通滤波器16的时间响应函数a（t）进行卷积后的值，从m=0到m=无限大（运算范围内的最大值）进行求和运算（相加总和）后得到的值。

此处，当τ′=t-τ时，式（4）变形为下述的式（5）。

【式2】

${\mathrm{\ϵ}}_S\left(t\right)=-\underset{m=0}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\left\{f\right[m-1]-f[m\left]\right\}{\∫}_{t-m{T}_S}^{t-m{T}_S-\mathrm{\Δt}\left[m\right]}a\left({\mathrm{\τ}}^{\′}\right)d{\mathrm{\τ}}^{\′}\·\·\·\left(5\right)$

抖动噪声的离散波形数据列ε_S[k]是t=k·Ts（k=0,1,2,3,…）时的抖动噪声成分ε_S（t）。因此，离散波形数据列ε_S[k]表示为如下的式（6）。

【式3】

${\mathrm{\ϵ}}_S\left[k\right]=-\underset{m=0}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\left\{f\right[m-1]-f[m\left]\right\}{\∫}_{[k-m]T_S}^{[k-m]T_S-\mathrm{\Δt}\left[m\right]}a\left({\mathrm{\τ}}^{\′}\right)d{\mathrm{\τ}}^{\′}\·\·\·\left(6\right)$

在各个采样时刻（k），为了利用抖动噪声成分抵销量化噪声成分，就最好要满足下述的式（7）所示的条件。

【式4】

${\mathrm{\ϵ}}_S\left[k\right]=-\underset{m=0}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\left\{f\right[m-1]-f[m\left]\right\}{\∫}_{[k-m]T_S}^{[k-m]T_S-\mathrm{\Δt}\left[m\right]}a\left({\mathrm{\τ}}^{\′}\right)d{\mathrm{\τ}}^{\′}=-{\mathrm{\ϵ}}_{Q,2}\left[k\right]\·\·\·\left(7\right)$

因此，抖动计算部18在各个采样时刻（k）计算出满足式（7）的条件的抖动Δt[k]。据此，在步骤S13中，抖动计算部18能够基于表示抖动噪声的离散波形数据列ε_S[k]的函数以及在步骤S12中算出的量化噪声的离散波形数据列ε_Q,2[k]，计算出抖动数据列Δt[k]，以产生抵销量化噪声的抖动。

信号发生装置10根据施加有与如上算出的抖动数据列Δt[k]相应抖动的采样时钟对波形数据列进行DA转换，能够输出量化噪声较少的信号。据此，信号发生装置10能够使用分辨率较小的DA转换部14输出量化噪声较少的信号。其结果是，信号发生装置10能够高速地输出具有目标精度的信号。

另外，抖动计算部18也可以使用近似于低通滤波器16的滤波器模型的响应特性相应的量化噪声成分及抖动噪声成分计算出抖动数据列。作为一例，近似于低通滤波器16的滤波器模型是具有与低通滤波器16大致相同截止频率的低通滤波器的滤波器模型。更具体地，例如，近似于低通滤波器16的滤波器模型是具有与低通滤波器16的截止频率大致相同的截止频率的矩形滤波器。

如此一来，抖动计算部18通过利用与低通滤波器16近似的滤波器模型的响应特性，能够减少用于计算抖动数据列的运算量。另外，如果将用于计算抖动数据的运算量增大，则能够使其更精确地近似于低通滤波器16，从而使抖动计算部18能够计算出抖动数据列，以产生精确抵销量化噪声的抖动。与此相对，如果将用于计算抖动数据的运算量减小，则信号发生装置10能够更高速地算出抖动数据列。

另外，当连续输出同一电平的信号时，即使在采样时钟中包含抖动，在输出信号中也不会包含抖动噪声成分。因此，抖动施加部24可以在输出与前一采样时钟输出的信号相同电平的信号时施加预定的抖动。据此，抖动计算部18能够减少连续输出同一电平信号时用于计算抖动数据的运算量。

图8示出本实施方式的第一变形例所述信号发生装置10的结构。本变形例所述信号发生装置10由于采用与如图1所示同一符号的部件大致相同的结构及功能，因此除以下的不同点外，省略了相关说明。

本变形例所述信号发生装置10进一步包括时钟图形发生部32和加法部34。时钟图形发生部32用于输出产生根据采样时钟周期发生电平变化的波形的时钟图形数据。作为一例，时钟图形发生部32依次产生表示根据采样时钟周期以直流（DirectCurrent，DC）电平为中心进行电平反转后的波形的数据（例如，…1,-1,1,-1,1,…这样的图形）。

加法部34用于在每个采样时钟从波形存储器12依次读出波形数据列中包含的各个数据。加法部34在波形数据列中包含的各个数据上加上由时钟图形发生部32产生的时钟图形数据。DA转换部14对将波形数据列中包含的各个数据与时钟图形数据相加后得到的数据进行数模转换。

对加上了时钟图形数据的波形数据列的各个数据进行数模转换后产生了输出信号的量化噪声，由抖动计算部18生成抖动数据列，其中包含有表示抵销该量化噪声的抖动的数据。对加上了时钟图形数据的波形数据列的各个数据进行数模转换后产生了输出信号的量化噪声，由抖动施加部24将抖动施加于采样时钟上，以抵销该量化噪声。

这种信号发生装置10即使在连续输出同一电平信号时，也能够在采样时钟上施加抖动，从而抵销量化噪声成分。另外，在信号发生装置10中，由时钟图形数据引起的输出信号的波动成分呈现为奈奎斯特频率的整数倍，因此会被低通滤波器16截止，从而不会对输出信号造成影响。

图9示出本实施方式的第二变形例所述信号发生装置10的结构。本变形例所述信号发生装置10由于采用与如图1所示同一符号的部件大致相同的结构及功能，因此除以下的不同点外，省略了相关说明

本变形例所述信号发生装置10包括：波形存储器12、DA转换部14、低通滤波器16、抖动图形存储器42、定时发生部44。即，信号发生装置10具有抖动图形存储器42及定时发生部44，以代替抖动计算部18、抖动存储器20、时钟发生部22及抖动施加部24。

抖动图形存储器42产生用于输出包含有抖动的采样时钟的数据图形。定时发生部44产生与抖动图形存储器42产生的数据图形相应的波形信号。即，定时发生部44产生与抖动图形存储器42产生的时钟图形相应的采样时钟。定时发生部44将所产生的采样时钟提供给DA转换部14。然后，DA转换部14根据由定时发生部44提供的采样时钟的定时，对波形存储器12中存储的波形数据中包含的各个数据进行数模转换。

据此，抖动图形存储器42产生了用于输出包含有降低输出信号量化噪声成分的抖动的采样时钟的数据图形。更具体地，抖动图形存储器42产生了用于输出与如图1所示抖动施加部24相同的采样时钟的数据图形。

据此，根据本变形例所述信号发生装置10，DA转换部14能够根据包含有降低输出信号量化噪声成分的抖动的采样时钟的定时，对波形数据列中包含的各个数据进行数模转换。据此，信号发生装置10能够利用抖动噪声成分抵销量化噪声成分，从而输出降低了噪声的精度优良的模拟信号。

以上，使用本发明的实施方式进行了说明，但本发明的技术范围不限于上述实施方式所记载的范围。本领域技术人员应当清楚，在上述实施方式的基础上可加以增加各种变更和改进。由权利要求的记载可知，这种加以变更和改进的实施方式也包含在本发明的技术范围内。

应当注意的是，权利要求书、说明书及附图中所示的装置、***、程序以及方法中的动作、顺序、步骤及阶段等各个处理的执行顺序，只要没有特别明示“更早”、“早于”等，或者只要前面处理的输出并不用在后面的处理中，则可以以任意顺序实现。关于权利要求书、说明书及附图中的动作流程，为方便而使用“首先”、“然后”等进行了说明，但并不意味着必须按照这样的顺序实施。

Claims (10)

1.一种信号发生装置，用于输出与表示波形的波形数据列相应的输出信号，其中，包括：

DA转换部，用于根据采样时钟的定时，将所述波形数据列中包含的各个数据依次进行数模转换，并输出模拟信号；以及

抖动施加部，用于向提供给所述DA转换部的采样时钟施加抖动，以降低所述输出信号的量化噪声成分。

2.根据权利要求1所述的信号发生装置，其中：

所述DA转换部用于通过低通滤波器输出模拟信号；

所述抖动施加部向所述采样时钟施加的抖动用于抵销使根据不包含抖动的所述采样时钟将所述波形数据列进行数模转换后的信号通过所述低通滤波器后产生的量化噪声成分。

3.根据权利要求2所述的信号发生装置，其中：所述抖动施加部向所述采样时钟施加的抖动用于使通过所述低通滤波器后的输出信号产生与所述量化噪声成分相位相反的抖动噪声成分。

4.根据权利要求3所述的信号发生装置，其中，进一步包括：抖动计算部，用于计算出包含有表示待施加给所述采样时钟的抖动的数据的抖动数据列。

5.根据权利要求4所述的信号发生装置，其中：所述所述抖动计算部用于使用与近似于所述低通滤波器的滤波器模型的响应特性相应的所述量化噪声成分及所述抖动噪声成分计算出抖动数据列。

6.根据权利要求1所述的信号发生装置，其中：所述抖动施加部当输出与前一采样时钟输出的信号电平相同的信号时，施加预定值的抖动。

7.根据权利要求1所述的信号发生装置，其中，进一步包括：加法部，用于在所述波形数据列中包含的各个数据上加上产生根据所述采样时钟周期发生电平变化的波形的时钟图形数据；

所述DA转换部对将所述波形数据列中包含的各个数据与所述时钟图形数据相加运算后得到的数据进行数模转换；

所述抖动施加部向所述采样时钟施加的抖动用于抵销对加上了所述时钟图形数据后的所述波形数据列的各个数据进行数模转换时产生的输出信号的量化噪声成分。

8.根据权利要求1～7中任一项所述的信号发生装置，其中，进一步包括：波形存储器，用于存储所述波形数据列；

所述DA转换部用于从所述波形存储器分别读出所述波形数据列中包含的各个数据。

9.根据权利要求8所述的信号发生装置，其中，进一步包括：抖动存储器，用于存储表示待施加给所述采样时钟的抖动的抖动数据列；

所述抖动施加部用于产生施加了与所述抖动数据列中包含的各个数据相应的抖动后的采样时钟，并提供给所述DA转换部。

10.一种信号发生方法，用于输出与表示波形的波形数据列相应的输出信号，该信号发生方法包括：

由DA转换部根据采样时钟的定时对所述波形数据列中包含的各个数据依次进行数模转换，并输出模拟信号；

向提供给所述DA转换部的所述采样时钟施加抖动，以降低所述输出信号的量化噪声成分。

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