專利名稱：一種穩(wěn)定的σ-δ調(diào)變器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及集成電路設(shè)計中∑-Δ調(diào)變器(SDM)技術(shù)領(lǐng)域，特別是在保證∑-Δ調(diào)變器整體性能的基礎(chǔ)上徹底解決SDM穩(wěn)定性問題的一種穩(wěn)定的∑-Δ調(diào)變器。

背景技術(shù)：
∑-Δ調(diào)變器技術(shù)具有噪聲整形的特性，可將量化過程中產(chǎn)生的噪聲和諧波推往高頻帶，進而達到高解析度的數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換，∑-Δ調(diào)變器的基本單元為積分器，如圖1所示，因此∑-Δ調(diào)變器技術(shù)被廣泛應(yīng)用于許多領(lǐng)域。隨著SDM階數(shù)增加，噪聲整形效果將越為顯著，整體性能越好，但當SDM的階數(shù)大于二階時，會引發(fā)穩(wěn)定性的問題，導(dǎo)致穩(wěn)定輸入范圍受到很大的限制。
根據(jù)量化理論，若量化器輸入信號超出量化器的操作范圍，則量化器的量化誤差會加大。當量化器輸入遠遠超出量化器操作范圍時，量化誤差驟然劇增，致使還原時產(chǎn)生嚴重失真，這種情形稱為量化器過負載現(xiàn)象，從而引發(fā)SDM穩(wěn)定性問題。但量化器輸入信號只要不超出量化器的操作范圍，量化誤差便會被限制在一定的范圍內(nèi)，從而使SDM保持穩(wěn)定。
自從1962年第一種∑-Δ調(diào)變器架構(gòu)(即傳統(tǒng)單環(huán)結(jié)構(gòu))被提出以來，∑-Δ調(diào)變器發(fā)展至今已有數(shù)十年之久，對其穩(wěn)定性的研究探討取得了很大進展。目前實際應(yīng)用中，已經(jīng)能夠?qū)φＰ盘栐赟DM中的變化進行比較準確的預(yù)估。也就是說，正常信號經(jīng)過SDM時，會按照一定的規(guī)律穩(wěn)定變化，因此在實際應(yīng)用中，可以針對具體的正常信號特點設(shè)計SDM結(jié)構(gòu)，使正常信號經(jīng)過量化時不會超出量化器的操作范圍；而非正常信號經(jīng)過SDM時，變化特性不可預(yù)測，從而會超出量化器的操作范圍。大量研究和實驗表明，當SDM的階數(shù)大于二階時，就會出現(xiàn)穩(wěn)定性問題。
隨著SDM階數(shù)增加，穩(wěn)定輸入范圍越小，對穩(wěn)定輸入范圍之外的信號進行恢復(fù)時，達不到要求的恢復(fù)指標，甚至完全不能恢復(fù)，從而導(dǎo)致信號失真，如圖2所示，這樣會嚴重影響系統(tǒng)的性能。


發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對上述技術(shù)問題，提出了一種穩(wěn)定的∑-Δ調(diào)變器，可以在保證SDM整體性能的基礎(chǔ)上徹底解決SDM的穩(wěn)定性問題。
本發(fā)明的技術(shù)方案如下 一種穩(wěn)定的∑-Δ調(diào)變器，其特征在于對于2階以上的基于單環(huán)結(jié)構(gòu)的高階SDM，每經(jīng)過2階則插入連接一個信號振幅控制器AC，把高階SDM分割成多個2階SDM節(jié)。
所述SDM至少由2n+1個積分器和n個振幅控制器組成，其中n≥1； 所述積分器的輸出信號為輸入信號與前一個時間單位系統(tǒng)輸出信號之和； 振幅控制器的輸出信號取決于輸入信號與預(yù)設(shè)固定值進行數(shù)值大小的比較，當輸入信號數(shù)值大于預(yù)設(shè)固定值時，輸出信號為預(yù)設(shè)固定值，否則輸出信號為輸入信號。
積分器用于對噪聲進行整形，振幅控制器用于指定信號幅度的范圍，根據(jù)幅度范圍截取信號。
第2m-1級積分器的輸出信號端連接至第2m級積分器的輸入信號端，第2m級積分器的輸出信號端連接至第m級振幅控制器的輸入信號端，第m級振幅控制器的輸出信號端連接至第2m+1級積分器的輸入信號端，其中m＝1，……，n；系統(tǒng)輸出反饋信號端與每一級積分器輸入信號端連接。
第2m級積分器的輸入信號為第2m-1級積分器的輸出信號×增益系數(shù)(a2m-1)-系統(tǒng)輸出信號(Y)×反饋系數(shù)(c2m)； 第m級振幅控制器的輸入信號為第2m級積分器輸出信號×增益系數(shù)(a2m)-系統(tǒng)輸出信號(Y)×反饋系數(shù)(c2m+1)； 第2m+1級積分器的輸入信號為第m級振幅控制器的輸出信號； 系統(tǒng)的最終輸出信號(Y)為最后一級積分器的輸出信號與量化噪聲輸入信號(E)之和。
DAC中常見的SDM結(jié)構(gòu)有兩種單環(huán)結(jié)構(gòu)和級聯(lián)結(jié)構(gòu)。多個SDM互相串聯(lián)，形成級聯(lián)結(jié)構(gòu)。對應(yīng)級聯(lián)結(jié)構(gòu)，只有一個SDM的系統(tǒng)為單環(huán)結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明SDM的結(jié)構(gòu)具有不同于單環(huán)結(jié)構(gòu)和級聯(lián)結(jié)構(gòu)的新結(jié)構(gòu)。與傳統(tǒng)SDM相比，本發(fā)明結(jié)構(gòu)的SDM在不影響正常信號的前提下，通過在每個2階節(jié)點處控制信號振幅上下限，修正非正常信號的振幅。2階SDM節(jié)屬于低階結(jié)構(gòu)，不存在穩(wěn)定性問題。2階SDM節(jié)之間被振幅控制器隔斷，避免了量化器操作范圍外信號通過反饋在SDM各節(jié)間惡性累加，從而使所有信號被量化時都不會超出量化器操作范圍，因此在保證SDM整體性能的基礎(chǔ)上徹底解決了SDM的穩(wěn)定性問題。
本發(fā)明的有益效果如下 本發(fā)明結(jié)構(gòu)的SDM與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的SDM相比，可以在保證SDM整體性能的基礎(chǔ)上徹底解決SDM穩(wěn)定性問題，而且本發(fā)明與基于傳統(tǒng)單環(huán)結(jié)構(gòu)的SDM在正常信號的處理上沒有任何區(qū)別，其各項性能指標的理論推導(dǎo)過程及結(jié)論與基于傳統(tǒng)單環(huán)結(jié)構(gòu)的SDM相同。



圖1為積分器的結(jié)構(gòu)示意圖 圖2為恢復(fù)后的波形信號示意圖 圖3為基于傳統(tǒng)單環(huán)結(jié)構(gòu)的5階SDM架構(gòu)示意圖 圖4為本發(fā)明的5階SDM架構(gòu)示意圖 圖5為本發(fā)明的具體實施示意圖 具體實施例 一種穩(wěn)定的∑-Δ調(diào)變器，對于2階以上的基于傳統(tǒng)單環(huán)結(jié)構(gòu)的高階SDM，每經(jīng)過2階則插入連接一個信號振幅控制器AC，把高階SDM分割成多個2階SDM節(jié)。
所述SDM至少由2n+1個積分器和n個振幅控制器組成，其中n≥1； 所述積分器的輸出信號為輸入信號與前一個時間單位系統(tǒng)輸出信號之和； 振幅控制器的輸出信號取決于輸入信號與預(yù)設(shè)固定值進行數(shù)值大小的比較，當輸入信號數(shù)值大于預(yù)設(shè)固定值時，輸出信號為預(yù)設(shè)固定值，否則輸出信號為輸入信號。
積分器用于對噪聲進行整形，振幅控制器用于指定信號幅度的范圍，根據(jù)幅度范圍截取信號。
第2m-1級積分器的輸出信號端連接至第2m級積分器的輸入信號端，第2m級積分器的輸出信號端連接至第m級振幅控制器的輸入信號端，第m級振幅控制器的輸出信號端連接至第2m+1級積分器的輸入信號端，其中m＝1，……，n；系統(tǒng)輸出反饋信號端與每一級積分器輸入信號端連接。
如圖3-4所示，以5階基于傳統(tǒng)單環(huán)結(jié)構(gòu)的具有局部反饋環(huán)的SDM為例，與傳統(tǒng)SDM相比，本發(fā)明在不影響正常信號的前提下，通過在每個2階節(jié)點處控制信號振幅上下限，修正非正常信號的振幅。2階SDM節(jié)屬于低階結(jié)構(gòu)，不存在穩(wěn)定性問題。2階SDM節(jié)之間被振幅控制器隔斷，避免了量化器操作范圍外信號通過反饋在SDM各節(jié)間惡性累加，從而使所有信號被量化時都不會超出量化器操作范圍，因此在保證SDM整體性能的基礎(chǔ)上徹底解決了SDM的穩(wěn)定性問題。
圖3-4中，X為信號輸入，E為量化噪聲輸入，Y為系統(tǒng)最終的輸出，a1，a2，a3，a4為每級間的增益系數(shù)，b1，b2，c1，c2，c3，，c4，c5為反饋系數(shù)，z-1表示一個單位時間延遲。
本系統(tǒng)由五個積分器單元串聯(lián)組成，第二級和第四級積分器后分別插入一個振幅控制器。
第一級積分器的輸入信號為輸入信號(X)-系統(tǒng)輸出信號(Y)×反饋系數(shù)(c1)； 第二級積分器的輸入信號為第一級積分器的輸出信號×增益系數(shù)(a1)-第三級積分器的當前輸出信號×反饋系數(shù)(b1)-系統(tǒng)輸出信號(Y)×反饋系數(shù)(c2)； 第一個振幅控制器的輸入信號為第二級積分器輸出信號×增益系數(shù)(a2)-系統(tǒng)輸出信號(Y)×反饋系數(shù)(c3)。
第三級積分器的輸入信號為第一個振幅控制器的輸出信號。
第四級積分器的輸入信號為第三級積分器輸出信號×增益系數(shù)(a3)-第五級積分器的當前輸出信號×反饋系數(shù)(b2)-系統(tǒng)輸出信號(Y)×反饋系數(shù)(c4)。
第二個振幅控制器的輸入信號由兩部分組成第四級積分器輸出信號×增益系數(shù)(a4)-系統(tǒng)輸出信號(Y)×反饋系數(shù)(c5)。
第五級積分器的輸入信號為第二個振幅控制器的輸出信號。
系統(tǒng)的最終輸出信號(Y)為第五級積分器輸出信號與量化噪聲輸入信號(E)之和。
如圖5所示，在多媒體數(shù)字信號編解碼器(CODEC)中，利用具有本發(fā)明結(jié)構(gòu)的∑-Δ調(diào)變器實現(xiàn)高精度高性能數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)。
原有SDM為基于傳統(tǒng)單環(huán)結(jié)構(gòu)的具有局部反饋環(huán)的5階SDM，通過音頻分析儀，對采用兩種結(jié)構(gòu)SDM的CODEC的性能指標進行測試。測試結(jié)果如表1所示，兩種CODEC的性能指標完全相同。
表1 采用大量測試信號對兩種CODEC進行FPGA測試，結(jié)合音頻分析儀測試結(jié)果，得出如下結(jié)論 輸入正常信號時，二者性能指標完全相同。輸入非正常信號時，采用原SDM的CODEC對超出穩(wěn)定輸入范圍的信號不能正?；謴?fù)；采用具有本發(fā)明結(jié)構(gòu)SDM的CODEC對測試中所有非正常信號都能夠正?；謴?fù)，達到了在保證∑-Δ調(diào)變器整體性能的基礎(chǔ)上徹底解決SDM穩(wěn)定性問題的目的。
權(quán)利要求
1.一種穩(wěn)定的∑-Δ調(diào)變器，其特征在于對于2階以上的基于傳統(tǒng)單環(huán)結(jié)構(gòu)的高階SDM，每經(jīng)過2階則插入連接一個信號振幅控制器AC，把高階SDM分割成多個2階SDM節(jié)。
所述SDM至少由2n+1個積分器和n個振幅控制器組成，其中n≥1；
所述積分器的輸出信號為輸入信號與前一個時間單位系統(tǒng)輸出信號之和；
振幅控制器的輸出信號取決于輸入信號與預(yù)設(shè)固定值進行數(shù)值大小的比較，當輸入信號數(shù)值大于預(yù)設(shè)固定值時，輸出信號為預(yù)設(shè)固定值，否則輸出信號為輸入信號。
積分器用于對噪聲進行整形，振幅控制器用于指定信號幅度的范圍，根據(jù)幅度范圍截取信號。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種穩(wěn)定的∑-Δ調(diào)變器，其特征在于第2m-1級積分器的輸出信號端連接至第2m級積分器的輸入信號端，第2m級積分器的輸出信號端連接至第m級振幅控制器的輸入信號端，第m級振幅控制器的輸出信號端連接至第2m+1級積分器的輸入信號端，其中m＝1，……，n；系統(tǒng)輸出反饋信號端與每一級積分器輸入信號端連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述一種穩(wěn)定的∑-Δ調(diào)變器，其特征在于
第2m級積分器的輸入信號為第2m-1級積分器的輸出信號×增益系數(shù)a2m-1-系統(tǒng)輸出信號Y×反饋系數(shù)c2m；
第m級振幅控制器的輸入信號為第2m級積分器輸出信號×增益系數(shù)a2m-系統(tǒng)輸出信號Y×反饋系數(shù)c2m+1；
第2m+1級積分器的輸入信號為第m級振幅控制器的輸出信號；
系統(tǒng)的最終輸出信號Y為最后一級積分器的輸出信號與量化噪聲輸入信號E之和。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種穩(wěn)定的∑-Δ調(diào)變器，對于2階以上基于傳統(tǒng)單環(huán)結(jié)構(gòu)的SDM，每經(jīng)過2階則插入一個信號振幅控制器AC，把高階SDM分割成多個2階SDM節(jié)；本發(fā)明與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的SDM相比，可以在保證SDM整體性能的基礎(chǔ)上徹底解決SDM穩(wěn)定性問題，而且本發(fā)明與基于傳統(tǒng)單環(huán)結(jié)構(gòu)的SDM在正常信號的處理上沒有任何區(qū)別，其各項性能指標的理論推導(dǎo)過程及結(jié)論與基于傳統(tǒng)單環(huán)結(jié)構(gòu)SDM相同。
文檔編號H03M3/00GK101764615SQ20091021641
公開日2010年6月30日 申請日期2009年11月27日 優(yōu)先權(quán)日2009年11月27日
發(fā)明者趙世赟, 鄧吉建, 楊修 申請人:四川和芯微電子股份有限公司