CN1605159A - 宽带的西格玛－得尔塔调制器 - Google Patents

Abstract

用于转换数字输入信号x(k)的西格玛－得尔塔调制器包含西格玛－得尔塔调制器的频谱形成的输出信号y(k)的第一反馈回路并包含由中间信号u(k)和输出信号y(k)产生的、频谱形成的差分信号e(k)的第二反馈回路，其中中间信号u(k)是输入信号x(k)和第一与第二反馈回路的和信号r(k)的差分信号，其中量化器(Q)基于中间信号u(k)确定输出信号y(k)，其中k是离散的独立时间变量。根据本发明西格玛－得尔塔变换器包含用于在输出信号y(k)和输入信号x(k)之间产生渡越时间差的单元(Z)。

Description

宽带的西格玛-得尔塔调制器

本发明涉及按照权利要求1的前叙部分、用于转换宽带数字信号的一个西格玛-得尔塔(∑-Δ)调制器。

在数-模转换器中、比如在数字无线通信系统中使用的数-模转换器、通常具有2^N个信号状态和一个固定采样频率f_a的数字输入信号转换为一个模拟信号，在-f_a至+f_a/2的频率范围内应当尽可能完好地与数字信号一致。

特别在高位宽N的情况下通过模拟电路技术必须实现的、信号状态数目是一个主要问题。由于这个原因通过数字滤波器内推数字信号并且在数-模转换器中使用所谓的西格玛-得尔塔调制器，其在较高采样频率的情况下明显降低数字信号的位宽并且由此提高的量化噪声转变为目前未使用的频率范围。对此西格玛-得尔塔调制器的结构是特别有效的，该调制器通过较高阶的IIR滤波器(Infinite-Impulse-Respone-Filter)实现噪声信号的形成。

在应用IIR滤波器作为内推元件和一个或多个用于转换内推信号的西格玛-得尔塔调制器的情况下的数-模转换器例如在US 5 786 779中描述。

此外在DE 197 22 434 C1中阐明了一个用于数-模转换器的级联西格玛-得尔塔调制器。在S.R.Norswothy、R.Schreier、G.Temes发表于IEEE Press 1997、ISBN 0-7803-1045-4的文章“Delta-SigmaData Converters、Theory、Design and Simulation”，中详尽描述了西格玛-得尔塔调制器的结构和工作原理。

目前在西格玛-得尔塔调制器中存在两个方案以便实现噪声成形：

按照第一个方案采用较高阶的反馈回路，其允许降低到直至两个信号状态(1位信号技术)。可是从3阶的噪声成形起这导致在高输入信号情况下可能的不稳定；非常容易出现内部状态存储器值域的超高。为了应付这种情况，在实践中应用一个幅度降低的输入信号以及具有限幅特性的状态存储器，由此能够实现电路的经验上可确定的稳定性。

按照第两个方案采用第一和/或第二阶的级联结构，其是多级的并且由此具有稳定的工作状态。

用于转换数字输入信号x(k)的西格玛-得尔塔调制器可以包含西格玛-得尔塔调制器的频谱成形的输出信号y(k)的第一反馈回路和由中间信号u(k)与输出信号y(k)产生的、频谱形成的差分信号e(k)的第二反馈回路，其中中间信号u(k)是输入信号x(k)和第一与第二反馈回路的和信号r(k)的差分信号，其中量化器基于中间信号u(k)确定输出信号y(k)并且其中k是离散独立的时间变量。

在DE 199 37 246 A1中建议了一个级联的西格玛-得尔塔调制器，其一方面具有在工作状态和级联附件的简单可实现性方面的优点并且另一方面具有较高阶的反馈回路的较低级数的优点。通过引入一个附加的逻辑电路，信号状态的数目可以降低到直至2，相当于1位。取消了复杂的限幅电路，这没有危害电路的稳定性。通过电路的模块化以简单的方式可以通过在第i+1阶电路中添加一个附加逻辑级有条件地扩展第i阶的西格玛-得尔塔调制器的现存结构。

通过第一阶的多个调制器的级联在应用的目标函数中在低频范围内特别强地估算量化噪声。为了把量化噪声转换到高频范围内，量化信号在时间范围内必然强烈波动。这种可能性例如在二级信号中不会产生并且通过根据DE 199 37 246 A1的结构抑制这种可能性。作为这样的结果虽然通过级联提高了在阶中的噪声成形，可是特别在所希望的相对低的信噪比的情况下在给定的测量带宽内仅仅有限提高了具有确定信噪比的频率范围。

因此本发明基于这个任务，在西格玛-得尔塔调制器中或在西格玛-得尔塔调制器的级联中提高稳定性并因此产生具有较高有用信号带宽的西格玛-得尔塔调制器。

通过具有权利要求1的特征的西格玛-得尔塔调制器解决该任务。本发明的扩展和改进是从属权利要求的目标。

根据本发明西格玛-得尔塔调制器包含用于在输出信号y(k)和输入信号x(k)之间产生渡越时间差的单元。

通过在x(k)和u(k)或者y(k)之间的渡越时间差西格玛-得尔塔调制器的结果不是仅仅基于x(k)的瞬时值，而且对于量化器对输出信号的判定来说考虑多个时间偏移的值。由此西格玛-得尔塔调制器的判定较少随意服从于当前状态并且可以降低在有用频带内的量化噪声。这导致西格玛-得尔塔转换器的稳定特性，如此随着稳定性的提高也可以处理具有较高有用信号带宽的信号。

在本发明的改进中设置至少一个用于在输出信号y(k)和输入信号x(k)之间产生渡越时间差的延迟节，其中该至一个延迟节产生依赖于离散时间变量k的时钟周期的渡越时间差，其中时钟周期是在两个连续时间变量k和k-1之间的差。通过该延迟节可以控制，比如许多连续、也就是说时间偏移的值包含在量化器对输出信号的判定中。这表明，通过延迟节可以改变时间平均深度。此外通过延迟节用于信号的时间偏移西格玛-得尔塔调制器的因果关系保持不变。

在技术实现上可以如此布置这个至少一个延迟节，即在形成由输入信号x(k)和第一与第二反馈回路的和信号r(k)产生的差分信号之前延迟输入信号。

优点是在量化器前面连接一个估算单元，其中估算单元的结果信号p(k)被供给量化器作为输入信号。从西格玛-得尔塔调制器看来量化器不仅在当前值的基础上而且也根据“将来值”或“过去值”做出判定；相邻的输入值取平均，如此西格玛-得尔塔调制器的判定不服从当前状态的峰值。可以根据西格玛-得尔塔调制器的所希望扩展适当选择在估算单元中的取平均。通过取平均而平滑的峰值在频谱范围内导致量化噪声限制在较小的频谱范围，因为通过在时间过程中的取平均重新计算快速变化的值(大频率)。因此频谱上给有用信号提供较高的使用带宽，不会由于量化噪声的频谱影响而干扰该有用频带。序报装置的取平均也导致量化噪声的降低，因为平滑了峰值，并且量化噪声的降低包含较高的有用信号带宽。估算单元也可以称作序报装置。

估算单元特别可以包含用于输入信号x(k)、中间信号u(k)和输出信号y(k)的输出端与用于结果信号p(k)的输出端。通过输入端使估算单元的估算算法能够依赖于所有通常在西格玛-得尔塔调制器中提供使用的参数。这些参数特别依赖于反馈信号通过滤波器的频谱形成，根据西格玛-得尔塔调制器的所希望的扩展选择滤波器。估算算法也可以称为序报算法。

在本发明的另外扩展中量化器使其输入信号p(k)转换为具有四个、主要是两个信号状态的输出信号(k)。在输出信号的较低数目的信号状态的情况下也提高了根据本发明的西格玛-得尔塔调制器的稳定性。信号状态最大降低到仅仅两个输出信号状态在已知的西格玛-得尔塔调制器中特别频繁并且显著地导致不稳定性，如此输出信号的信号状态的最大降低因此是本发明最实际的应用情况。

特别的优点是至少两个西格玛-得尔塔调制器级联布置，其中至少一个级联级包含具有估算单元或者序报装置的西格玛-得尔塔调制器。可以特别如此布置级联的西格玛-得尔塔调制器，即在级联级i的西格玛-得尔塔调制器中、其中1≤i≤(级联级数目减1)、输出耦合差分信号并且差分信号在级联级i+1中用作输入信号。通过西格玛-得尔塔调制器级联可以实现西格玛-得尔塔调制器的结构限制的同样较高的稳定性。此外级联的西格玛-得尔塔调制器允许提高输入信号x(k)的最大控制幅度。除了提高工作状态的稳定性外级联导致简单的可实现性，因为根据级联可以降低西格玛-得尔塔调制器的阶。通过简单扩充一个级联级没有改变先前面级的结构实现具有i个级联级的西格玛-得尔塔调制器扩展为具有i+1个级联级的西格玛-得尔塔调制器。

根据本发明的西格玛-得尔塔调制器基本上可以用在所有适当的西格玛-得尔塔转换器中。

一方面根据本发明的西格玛-得尔塔调制器可以用于数-模转换。在这种情况下用于数-模转换的西格玛-得尔塔转换器包含一个如上所述的、按照本发明的西格玛-得尔塔调制器并且后面连接一个数-模转换器。

另一方面根据本发明的西格玛-得尔塔调制器也可以用于模-数转换。在这种情况下用于模-数转换的西格玛-得尔塔转换器包含一个模-数转换器并且在该模-数转换器后面连接一个如上所述的、按照本发明的西格玛-得尔塔调制器。在这种情况中例如以SC技术(SwitchedCapacitor)实现延迟节。

鉴于低成本和技术灵活的生产方式可以以CMOS工艺(Complementary Metal-Oxide-Silicon)生产西格玛-得尔塔转换器。这不仅适合于数-模转换而且也适合于模-数转换。

根据本发明的用于数-模转换、而且也用于模-数转换的西格玛-得尔塔转换器非常适合于在无线通信系统中的应用。特别在无线通信发射设备中西格玛-得尔塔转换器用于数-模转换而且在无线通信接收设备中用于模-数转换。

下面根据实施例详细阐述本发明。

对此在图中：

图1：指出了根据现技术状况的西格玛-得尔塔调制器

图2：指出了具有估算单元的、根据本发明的西格玛-得尔塔调制器，

图3：指出了按照本发明的级联西格玛-得尔塔调制器，

图4：按照现技术状况的判定算法的实例，

图5：按照本发明的相应判定算法的实例。

在图1中示出了按照现技术状况的西格玛-得尔塔调制器的结构。通过两个滤波器1-H(z)和1-G(z)根据信号传输函数

STF(z)＝1/G(z)

频谱形成有用信号x(k)并且根据噪声传输函数

NTF(z)＝H(z)/G(z)

频谱形成量化器Q的噪声e(k)，从量化器的输出信号y(k)和中间输入信号u(k)的差分信号中得出该噪声信号。对此中间信号u(k)作为由输入信号x(k)与反馈的和信号r(k)形成的差分信号出现，由以1-G(z)形成的有用信号y(k)与以1-H(z)形成的量化器Q的噪声信号产生该和信号。

现在重要的是，在中间信号u(k)和因此x(k)的当前值的基础上实现量化器Q的判定。在西格玛-得尔塔调制器的较高阶和较差选择噪声传输函数的情况下这导致显著的不稳定性。

根据本发明通过一个具有序报算法的判定单元-下面称作序报装置P-扩展西格玛-得尔塔调制器的判定算法，这在图2中阐明。对此输入信号x(k)延迟确定的时间，这通过延迟节Z示出。延迟节Z导致v倍延迟定时脉冲z^-1并且以z^-v表示。没有延迟的输入信号x(k)、以及时间延迟的中间信号u(k)和量化器Q的输出信号y(k)被供给序报装置P并因此供给序报算法，其输出信号p(k)确定通过量化器Q采纳的状态。

与现技术状况相比采取这种措施的优点是，从西格玛-得尔塔调制器看来量化器Q在将来数据的基础上做出判定。通过在图2中示出的延迟节z保证因果关系保持不变。由此判定较少随意服从当前状态并且可以降低在有用频带内的量化噪声。

现在根据两个实例描述序报算法的根据本发明的应用。

在第一应用情况中以在图1中示出的西格玛-得尔塔调制器的已知特殊情况为出发点：G(z)＝1并且H(z)＝(1-z^-1)³。噪声传输函数的这种选择导致传统的西格玛-得尔塔调制器的错误功能。

以偏移的定时脉冲的数目v＝2和1-H(z)＝3z^-1-3z^-2+z^-3能够计算下面的序报值：

u(k)＝x(k-2)+3e(k-1)-3e(k-2)+e(k-3)

${\hat{u}}_{+1}\left(k\right)=x(k-1)+3u\left(k\right)-3e(k-1)+e(k-2)$

${\hat{u}}_{+2}\left(k\right)=x\left(k\right)+3{\hat{u}}_{+1}\left(k\right)-3u\left(k\right)+e(k-1)$

其中

e(k)＝                     u(k)-y(k)

$e(k+1)={\hat{u}}_{+1}\left(k\right)-3y\left(k\right)-y(k+1)$

$e(k+2)={\hat{u}}_{+2}\left(k\right)-6y\left(k\right)-3y(k+1)-y(k+2)$

如此在判定过程中不仅有西格玛-得尔塔的当前输出值而且更有将来输入信号x(k)的值范围和判定。在西格玛-得尔塔调制器的二级输出信号y(k)的情况下例如

作为判定的基础。如此选择y(k)，即在下一个时间步骤中可以再度绝大部分抵消y(k+1)和y(k+2)。因此稳定了早先不稳定的西格玛-得尔塔调制器。西格玛-得尔塔调制器对已知附件的主要修改在于新嵌入的、输入信号对输出信号的延迟节。在上面考虑的实例中是2个定时脉冲(v＝2)。

对于

引出一个能够高效实现的递归公式：

${\hat{u}}_{+2}\left(k\right)=x\left(k\right)+3{\hat{u}}_{+2}(k-1)-3{\hat{u}}_{+2}(k-2)+{\hat{u}}_{+2}(k-3)+10y$

$(k-1)-15y(k-2)+6y(k-3)$

对于具有三个信号状态1、0、-1的三级信号

0，其他

是有益的。

尽管序报P，问题是西格玛-得尔塔调制器的最大控制幅度保持不变，其在上面上面说明的实例中为0.5。由于这个原因在DE 199 37 246A1中建议了具有在级联方案的工作状态和简单的可实现性中稳定性优点的西格玛-得尔塔调制器，该方案具有较高阶的反馈回路的较低级数的优点。通过在该发明申请中介绍的、在至少一个级联级中序报算法的使用在时间范围内仅仅在降低的范围内出现量化信号的上述波动，扩展了最后级联级的带宽。

在图3中示出了有条件级联的西格玛-得尔塔算法。对此调制器的量化误差提供给最近的调制器作为输入信号使用。

下面根据在三阶西格玛-得尔塔调制器中1位输出信号的应用情况阐述有条件级联的西格玛-得尔塔调制器的工作方式。在下面考虑的、有条件级联的西格玛-得尔塔调制器的第三级获得e₂(k)作为输入信号并且由于稳定性原因应用在这种在DE 199 37 246 A1中描述的应用实例中，该实例仅仅具有三级的西格玛-得尔塔输出信号。

           其它

图4清楚解释了在DE 199 37 246 A1中描述的应用情况对此出现的问题。在图4a)中示出了第三级输入信号的示范曲线。通过在西格玛-得尔塔调制器中含蓄包含的积分器对该信号求和(∑e2(k)在图4b)中)。清楚看到，可能出现积分信号的较大数值。目前判定输出信号

应当理想地抵制这种特性。可是由于附加条件，即输出信号y(k)应当是二级的，不是所有时刻允许

的状态变换。作为实例在图4b)中通过箭头阐明了允许的转换时刻。箭头向上表明，允许从 ${\hat{y}}_3\left(k\right)=-2$ 变换到 ${\hat{y}}_3\left(k\right)=0$ 或者从 ${\hat{y}}_3\left(k\right)=0$ 变换到 ${\hat{y}}_3\left(k\right)=2.$ 与此相应箭头向下指明，允许从 ${\hat{y}}_3\left(k\right)=2$ 变换到 ${\hat{y}}_3\left(k\right)=0$ 或者从 ${\hat{y}}_3\left(k\right)=0$ 变换到 ${\hat{y}}_3\left(k\right)=-2.$

如果有益地出现可能的转换过程，图4c)指出了在信号∑ke2(k)-y2(k)中特性。第三级的错误信号可以看出下降。与此不同图4c)清楚解释了这种情况，即首先允许延迟转换过程并且由此在错误信号中出现较强的高差。

在图5中以第二级的同一输出信号和比如在图4中的同一判定时刻为出发点。判定器目前当然以序报算法工作：

${\tilde{x}}_{3p}\left(k\right)={\tilde{x}}_3\left(k\right)+e_2(k+1)-{\hat{y}}_3(k-1)$

${\tilde{x}}_{3p1}\left(k\right)={\tilde{x}}_{3p}\left(x\right)+e_2(k+2)-{\hat{y}}_3(k-1)$

${\tilde{x}}_{3p2}\left(k\right)={\tilde{x}}_{3p1}\left(k\right)+e_2(k+3)-{\hat{y}}_3(k-1)$

${\tilde{x}}_{3p3}\left(k\right)={\tilde{x}}_{3p2}\left(k\right)+e_2(k+4)-{\hat{y}}_3(k-1)$

其它

因此在开始确定并因此避免在错误信号1中可能的升高。在图5b)和5c)中虚线示出了积分错误的阈值，必须超过该阈值，因此也执行允许的转换过程。

Claims (12)

1.用于转换数字输入信号x(k)的西格玛-得尔塔调制器，

包含：

西格玛-得尔塔调制器的频谱形成的输出信号y(k)的第一反馈回路，

由中间信号u(k)和输出信号y(k)产生的、频谱形成的差分信号e(k)的第二反馈回路，

其中，中间信号u(k)是输入信号x(k)和第一与第二反馈回路的和信号r(k)的差分信号，

其中，量化器(Q)基于中间信号u(k)确定输出信号y(k)，

其中k是离散的独立时间变量，

其特征在于，

该西格玛-得尔塔转换器包含用于在输出信号y(k)和输入信号x(k)之间产生渡越时间差的装置(Z)。

2.按照权利要求1的西格玛-得尔塔调制器，其特征在于，在输出信号y(k)和输入信号x(k)之间设置至少一个延迟节(Z)以便产生渡越时间差，其中该至少一个延迟节(Z)产生依赖于离散时间变量k的时钟周期的渡越时间差，其中该时钟周期是在两个连续的时间变量k和k-1之间的差值。

3.按照权利要求2的西格玛-得尔塔调制器，其特征在于，如此布置该至少一个延迟节(Z)，即在形成由输入信号x(k)和第一与第二反馈回路的和信号r(k)产生的差分信号之前延迟输入信号x(k)。

4.按照权利要求3的西格玛-得尔塔调制器，其特征在于，在量化器(Q)串联一个估算单元(P)，其中估算单元(P)的结果信号p(k)作为输入信号供给量化器(Q)。

5.按照权利要求4的西格玛-得尔塔调制器，其特征在于，估算单元(P)包含用于输入信号x(k)、中间信号u(k)和输出信号y(k)的输入端和用于结果信号p(k)的输出端。

6.按照权利要求4或5之一的西格玛-得尔塔调制器，其特征在于，量化器(Q)把其输入信号p(k)表示成具有四个、最好是有两个信号状态的输出信号y(k)。

7.按照权利要求4至6之一的西格玛-得尔塔调制器，其特征在于，至少两个西格玛-得尔塔调制器级联布置，其中至少一个级联级包含具有估算单元(P)的西格玛-得尔塔调制器。

8.按照权利要求7的西格玛-得尔塔调制器，其特征在于，如此布置级联的西格玛-得尔塔调制器，即在级联级i的西格玛-得尔塔调制器中，其中1≤i≤(级联级的数目减1)，输出耦合差分信号(e1(k)、e2(k)、e3(k))并且该差分信号在级联级i+1中被用作输入信号。

9.用于数-模转换的西格玛-得尔塔转换器包含按照权利要求1至9之一的西格玛-得尔塔调制器和数-模转换器。

10.用于模-数转换的西格玛-得尔塔转换器包含模-数转换器和按照权利要求1至9之一的西格玛-得尔塔调制器。

11.按照权利要求9或10的西格玛-得尔塔转换器，其特征在于，以CMOS工艺生产西格玛-得尔塔转换器。

12.按照上述权利要求之一的西格玛-得尔塔调制器和/或西格玛-得尔塔转换器的应用，该应用是用于无线通信系统中。

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