模数混合型FIR噪声滤波器设计

　一般的相位反馈系统中使用锁相环通过分频器的比例关系，可以输出一个频率是输入参考信号N倍的时钟。由于传统结构的分频比只能是整数限制，使得频率分辨率直接取决于输入信号频率。△-∑分数锁相环通过采用数字调制，实现了分数分频比，从而可以提供更高精度的频率分辨率，这为时钟信号的产生和频率规划带来更大的灵活性。然而，△-∑调制器的使用也引入了量化噪声，在低过采样率的环路中限制了带外相位噪声性能，需要加以解决。现有的量化噪声抑制技术仍然需要较大的硬件代价，并设法减小失配等非理想因素才能得到比较好的性能。由此可见，数字FIR噪声滤除技术具有结构简单，可靠性高的优点，但存在噪声增益问题。目前针对这一问题还投有很好的解决办法，本文结合模拟和数字实现各自的优点，设计出一种混合型FIR噪声滤波技术，该技术能有效地解决上述问题。

　　1 电路设计原理

　　混合型FIR噪声滤除电路的结构设计如图1所示。在△-∑锁相环或△-∑延时锁定环中，鉴相器输入端的2个信号之间存在受调制器控制的瞬时相位误差，电荷泵将这个数字控制的相位误差转换为模拟域电荷。为了实现对量化噪声的FIR滤波功能，结构中采用了多个鉴相器并联的形式。△-∑调制器的输出并不像传统结构中直接去控制分频器或相位选择器实现量化操作，而是经过一个寄存器链实现一个或数个时钟周期的延时，并从中选出若干抽头分别去控制对应的分频器或相位选择器，量化所产生的瞬时相位误差经过各支路鉴相器后在一个多输入电荷泵中合成为模拟域误差电荷。

　　该结构对应的S域和Z域混合模型如图2所示。经过推导可以得到电荷泵的输出为：

　　这种结构对电荷泵非线性的改善还可以从另一个角度来解释，即造成电荷泵非线性的一个重要原因是其上下电流存在和输出电压相关的动态失配。图5(b)表明，在采用了混合型FIR噪声滤除技术后，电荷泵输出电压摆幅远小于传统结构，这就意味着电荷泵的线性度得到了提高。

　　可以看出，混合型FIR滤波器在实现预期噪声整形的同时，也减小了由于电荷泵非线性造成带内噪声的恶化。作为一个特例，尽管各支路存在如图9所示的非线性，但当它们叠加之后恰好是线性特性时，该结构将能完全消除每个支路非线性的影响。但是由于这种巧合在实际电路中几乎不存在，因此通常不能实现彻底的线性化改善，在设计中仍然需要注意结合其他一些提高线性度的考虑。

　　5 额外的开销

　　从图1给出实现混合型FIR噪声滤波的电路结构可以看出，该技术相比传统结构需要额外的硬件开销，包括一个多输入电荷泵、多个鉴相器，以及用于实现调制器输出延时的寄存器链。此外，由于送至鉴相器的环路反馈信号在锁相环和延时锁定环中分别由分频器和相位选择器或插值器得到，这意味着这些模块也需要有多个。

　　对于多输入电荷泵，由于其总电流必须和传统结构中的电荷泵一致，以维持环路原始动态特性，因此电路中只是存在更多的开关管，几乎没有额外的面积和功耗的开销。

　　对于其他模块，由于它们都属于单端数字电路，因此面积和功耗可以随着CMOS工艺的进步得到成比例的改善。这也意味着如果采用先进的工艺，则可以在较低的代价下实现更多抽头数的FIR滤波器，以达到更好的噪声抑制效果。

　　然而由于分频器消耗的电流随着工作频率的提高而急剧增加，这使得在高频无线应用中采用混合型FIR噪声滤除技术时存在巨大的功耗开销。为了解决这个问题，在分频器设计上可以遵照移相的方法来实现等效分频，从而使并行支路问可以共用最耗电流的前级预分频器，以降低总功耗。

　　6 结语

　　本文提出的一种混合型FIR噪声滤波技术，其基本电路结构是：将△-∑调制器的输出经过一个寄存器链加以延时，从中选取若干抽头去控制并行的多支路分频器或相位选择器，并各自经过鉴相器判别相位差，最后各支路对应的误差电荷在一个多输入电荷泵中加以合成，由此可以在不改变环路动态特性的同时，实现对量化噪声的等效FIR滤波。由于这种技术基于离散时间域工作，因此继承了现有数字FIR噪声滤除技术对PVT变化以及模拟失配不敏感的优点;同时又结合模拟域的电荷合成解决了数字FIR滤波器的噪声增益问题;而其并行多支路工作配合依序控制的结构特点又带来降低对电荷泵线性度要求的额外好处。此外，相比其他纯模拟的量化噪声抑制技术，该技术也有硬件成本上的优势。