连续时间带通Sigma-Delta调制器的设计方法及实现技术研究
发布时间：2021-02-15 20:28
Sigma-Delta ADC由基于过采样技术的模拟调制器将A/D转换过程中的量化噪声整形,再由数字滤波器将噪声滤除,从而实现高精度、高信噪比的A/D转换。其中模拟调制器的结构决定了整个转换器的精度及速度。连续时间带通Sigma-Delta调制器由于其固有的抗混叠效果和带通整形特性可以有效提高A/D转换的精度并减小系统功耗,顺应了近年来数字通讯、便携式电子设备等领域低功耗高精度的发展趋势,研究其设计方法在当今的数字信息时代具有重要意义。在对速度、功耗以及精度的综合考量之下,本文设计了一种可应用于低中频接收机中的3阶1位连续时间复数带通调制器。调制器整体由I、Q两个正交通路交叉耦合而成,单路为单环前馈结构连续时间低通调制器,由全差分有源RC积分器、动态比较器、采样开关以及电阻式FIR反馈DAC组成。本设计在SCR反馈DAC前引入了FIR滤波,在单位量化结构中得到近似于多位DAC的反馈波形,结合了单位量化结构的良好线性以及多位量化结构的低时钟抖动敏感性。本文借助Delta-Sigma Toolboox得到相应的离散时间低通调制器的噪声传输函数,采用脉冲响应不变变换实现DT-CT变换,得到连...
【文章来源】：沈阳工业大学辽宁省
【文章页数】：62 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
带有连续时间带通调制器的低中频接收机Fig.1.1Low-IFreceiverwithcontinuous-timebandpassmodulator
5第2章连续时间带通Σ-Δ调制器基本原理本章将以离散时间低通Σ-Δ调制器为例，分析Σ-Δ调制器作为近似线性系统对信号和噪声进行调制的工作机制，重点讨论过采样技术以及噪声整形技术。研究连续时间调制器和离散时间调制器之间的差异、带通调制器的种类及实现方式，并对复数带通调制器的原理进行详细分析。2.1Σ-Δ调制器基本原理ADC将模拟信号X(t)转换为数字信号Y(n)的过程如图2.1所示，该过程主要分为采样和量化两个步骤，首先间隔几个信号周期对输入信号进行采样，将时间上连续的模拟量转化为离散的数字量，再以一个阈值作为参考对输入信号的幅值进行调制整取舍得到量化后的数字信号。而这一模数转换过程会受到模拟电路非理想因素的干扰而产生误差，这种量化期间产生的误差被称为量化噪声，Σ-ΔADC便是一种能够消除量化噪声具有高信噪比的模数转换器类型。图2.1模数转换过程Fig.2.1Analog-to-digitalconversionprocessΣ-ΔADC由一个Σ-Δ调制器和一个数字滤波器级联而成，其中Σ-Δ调制器应用过采样技术和噪声整形技术将A/D转换过程中的量化噪声推向高频，再由数字低通滤波器将高频噪声滤除，最后通过降采样将信号频率还原，由此来减小量化噪声的影响得到较高的信噪比。Σ-Δ调制器基本结构如图2.2所示，环路滤波器、量化器和反馈DAC组成了一个调制器环路。其中环路滤波器对输入信号和反馈信号的差U(n)进行积分，在信号带宽内以足够大的增益将信号放大，积分后的信号V(n)送到量化器产生数字信号，再经由反馈DAC将输出的数字量转化为模拟量反馈回输入端，形成一个闭环反馈系统[14]。沈阳工业大学硕士学位论文
沈阳工业大学硕士学位论文6图2.2Σ-Δ调制器基本结构Fig.2.2Basicstructureofsigma-deltamodulator由于量化器存在非线性，其输出数字量中混杂的量化噪声会进入环路，使整个闭环系统也处于非线性状态，而非线性系统不稳定且无法控制。为了将调制器环路近似为线性系统，将量化噪声假设为来自系统外的与输入信号完全无关的白噪声Q(n)，得到如图2.3所示的Σ-Δ调制器线性模型，由于白噪声的功率频谱密度在频谱上是一个常量，则Σ-Δ调制器系统可以近似等效为一个叠加了一个常量的线性系统[15-17]，此时Σ-Δ调制器中的信号和噪声就可以通过线性计算来进行调制。2.3Σ-Δ调制器线性等效模型Fig.2.3Linearequivalentmodelofsigma-deltamodulator2.1.1过采样技术根据采样频率划分，采样分为奈奎斯特（Nyquist）采样和过采样两种。奈奎斯特采样以两倍的信号带宽2fB为频率采样，过采样的采样频率则远远大于奈奎斯特频率，过采样率（OverSamplingRatio，OSR）指过采样频率fs与奈奎斯特频率的比值，表示如式（2.1）：BSff2OSR（2.1）设输入信号的满量程为F，量化器的最小步长为Δ。对于幅值在[-F/2,F/2]的输入信号，奈奎斯特采样调制器中的量化噪声eq均匀分布在[-Δ/2,Δ/2]之间，调制器中的量化噪声总功率EQ可以表示如式（2.2）：
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于有源电感的连续时间带通Sigma-Delta调制器设计[J]. 霍安邦,于波,韩玉斌. 电子设计工程. 2019(05)
[2]四阶连续时间正交带通ΣΔ调制器的设计[J]. 汤黎明,吴建辉. 电子器件. 2010(01)
博士论文
[1]低压低功耗△∑调制器的研究与设计[D]. 吕立山.电子科技大学 2018
硕士论文
[1]射频接收机中连续时间带通Δ∑调制器设计[D]. 卜亮宇.东南大学 2016
[2]用于光纤陀螺仪的带通Sigma-Delta调制器的研究与设计[D]. 吕凤铭.电子科技大学 2015
[3]一种低速高精度Sigma-Delta调制器的研究与设计[D]. 李靖.吉林大学 2013
[4]复数带通ΔΣ调制器的设计与仿真[D]. 林雪.西安电子科技大学 2007
本文编号：3035488
【文章来源】：沈阳工业大学辽宁省
【文章页数】：62 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
带有连续时间带通调制器的低中频接收机Fig.1.1Low-IFreceiverwithcontinuous-timebandpassmodulator
5第2章连续时间带通Σ-Δ调制器基本原理本章将以离散时间低通Σ-Δ调制器为例，分析Σ-Δ调制器作为近似线性系统对信号和噪声进行调制的工作机制，重点讨论过采样技术以及噪声整形技术。研究连续时间调制器和离散时间调制器之间的差异、带通调制器的种类及实现方式，并对复数带通调制器的原理进行详细分析。2.1Σ-Δ调制器基本原理ADC将模拟信号X(t)转换为数字信号Y(n)的过程如图2.1所示，该过程主要分为采样和量化两个步骤，首先间隔几个信号周期对输入信号进行采样，将时间上连续的模拟量转化为离散的数字量，再以一个阈值作为参考对输入信号的幅值进行调制整取舍得到量化后的数字信号。而这一模数转换过程会受到模拟电路非理想因素的干扰而产生误差，这种量化期间产生的误差被称为量化噪声，Σ-ΔADC便是一种能够消除量化噪声具有高信噪比的模数转换器类型。图2.1模数转换过程Fig.2.1Analog-to-digitalconversionprocessΣ-ΔADC由一个Σ-Δ调制器和一个数字滤波器级联而成，其中Σ-Δ调制器应用过采样技术和噪声整形技术将A/D转换过程中的量化噪声推向高频，再由数字低通滤波器将高频噪声滤除，最后通过降采样将信号频率还原，由此来减小量化噪声的影响得到较高的信噪比。Σ-Δ调制器基本结构如图2.2所示，环路滤波器、量化器和反馈DAC组成了一个调制器环路。其中环路滤波器对输入信号和反馈信号的差U(n)进行积分，在信号带宽内以足够大的增益将信号放大，积分后的信号V(n)送到量化器产生数字信号，再经由反馈DAC将输出的数字量转化为模拟量反馈回输入端，形成一个闭环反馈系统[14]。沈阳工业大学硕士学位论文
沈阳工业大学硕士学位论文6图2.2Σ-Δ调制器基本结构Fig.2.2Basicstructureofsigma-deltamodulator由于量化器存在非线性，其输出数字量中混杂的量化噪声会进入环路，使整个闭环系统也处于非线性状态，而非线性系统不稳定且无法控制。为了将调制器环路近似为线性系统，将量化噪声假设为来自系统外的与输入信号完全无关的白噪声Q(n)，得到如图2.3所示的Σ-Δ调制器线性模型，由于白噪声的功率频谱密度在频谱上是一个常量，则Σ-Δ调制器系统可以近似等效为一个叠加了一个常量的线性系统[15-17]，此时Σ-Δ调制器中的信号和噪声就可以通过线性计算来进行调制。2.3Σ-Δ调制器线性等效模型Fig.2.3Linearequivalentmodelofsigma-deltamodulator2.1.1过采样技术根据采样频率划分，采样分为奈奎斯特（Nyquist）采样和过采样两种。奈奎斯特采样以两倍的信号带宽2fB为频率采样，过采样的采样频率则远远大于奈奎斯特频率，过采样率（OverSamplingRatio，OSR）指过采样频率fs与奈奎斯特频率的比值，表示如式（2.1）：BSff2OSR（2.1）设输入信号的满量程为F，量化器的最小步长为Δ。对于幅值在[-F/2,F/2]的输入信号，奈奎斯特采样调制器中的量化噪声eq均匀分布在[-Δ/2,Δ/2]之间，调制器中的量化噪声总功率EQ可以表示如式（2.2）：
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于有源电感的连续时间带通Sigma-Delta调制器设计[J]. 霍安邦,于波,韩玉斌. 电子设计工程. 2019(05)
[2]四阶连续时间正交带通ΣΔ调制器的设计[J]. 汤黎明,吴建辉. 电子器件. 2010(01)
博士论文
[1]低压低功耗△∑调制器的研究与设计[D]. 吕立山.电子科技大学 2018
硕士论文
[1]射频接收机中连续时间带通Δ∑调制器设计[D]. 卜亮宇.东南大学 2016
[2]用于光纤陀螺仪的带通Sigma-Delta调制器的研究与设计[D]. 吕凤铭.电子科技大学 2015
[3]一种低速高精度Sigma-Delta调制器的研究与设计[D]. 李靖.吉林大学 2013
[4]复数带通ΔΣ调制器的设计与仿真[D]. 林雪.西安电子科技大学 2007
本文编号：3035488
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