DE10162566A1 - Noise reducing sigma-delta-converter e.g. for RF communications equipment, has main path connected in circuit with parallel path - Google Patents

Noise reducing sigma-delta-converter e.g. for RF communications equipment, has main path connected in circuit with parallel path

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DE10162566A1 DE2001162566 DE10162566A DE10162566A1 DE 10162566 A1 DE10162566 A1 DE 10162566A1 DE 2001162566 DE2001162566 DE 2001162566 DE 10162566 A DE10162566 A DE 10162566A DE 10162566 A1 DE10162566 A1 DE 10162566A1
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Abstract

A sigma-delta-converter for converting digital input signals (x(k)) into analog output signals (y(k)) with noise reduction comprises a main path, in which the main path comprises at least one sigma-delta-modulator (SD1) and a digital-analog converter (D/A1). Each path parallel to the main path is designed in such a way that the input signal of the sigma-delta-modulator (SD2) of the parallel path is the difference signal filtered at least for the noise components outside the useful band, from the digital output signal of the sigma-delta-modulator (SD1) and from the spectrally formed input signal (x(k)) corresponding to the transmission function of the sigma-delta-modulator (SD1) of the main path. An Independent claim is given for the use of a sigma-delta-converter.

Description

Die Erfindung betrifft einen Sigma-Delta-Wandler zur Wandlung eines digitalen Eingangssignals in ein analoges Ausgangssignal, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. The invention relates to a sigma-delta converter for conversion of a digital input signal into an analog one Output signal, according to the preamble of claim 1.

In Digital-zu-Analog-Wandlern, wie sie zum Beispiel in digitalen Funkkommunikations-Empfangseinrichtungen eingesetzt werden, wird üblicherweise ein digitales Eingangssignal mit 2N Signalzuständen und einer festen Abtastfrequenz fa in ein analoges Signal überführt, dass im Frequenzbereich -fa/2 bis +fa/2 möglichst gut mit dem digitalen Signal übereinstimmen soll. In digital-to-analog converters, such as those used in digital radio communication receiving devices, a digital input signal with 2 N signal states and a fixed sampling frequency f a is usually converted into an analog signal that is in the frequency range -f a / 2 to + f a / 2 should match the digital signal as well as possible.

Insbesondere bei hohen Bitbreiten N stellt die durch analoge Schaltungstechnik zu realisierende Anzahl von Signalzuständen ein wesentliches Problem dar, da die 2N Signalzustände mit steigender Anzahl immer schwerer aus dem Quantisierungsrauschen zu diskriminieren sind. Aus diesem Grund wird das digitale Signal durch digitale Filter interpoliert und es werden sogenannte Sigma-Delta-Modulatoren eingesetzt, die die Bitbreite des digitalen Signals bei erhöhter Abtastfrequenz deutlich reduzieren und das dadurch erhöhte Quantisierungsrauschen in bisher ungenutzte Frequenzbereiche transformieren. Besonders effizient sind hierbei Strukturen von Sigma- Delta-Modulatoren, die eine Formung des Rauschsignals wie durch IIR-Filter (Infinite-Impulse-Response-Filter) höherer. Ordnung erzielen. Den Sigma-Delta-Modulatoren sind Digital- zu-Analog-Wandler nachgeschaltet, die das digitale Ausgangssignal der Sigma-Delta-Modulatoren in ein analoges Signal umsetzen. Sigma-Delta-Modulatoren und Digital-zu-Analog-Wandler ergeben zusammen den sogenannten Sigma-Delta-Wandler. In particular with high bit widths N, the number of signal states to be realized by analog circuit technology is a major problem, since the 2 N signal states are increasingly difficult to discriminate from the quantization noise as the number increases. For this reason, the digital signal is interpolated by digital filters and so-called sigma-delta modulators are used, which significantly reduce the bit width of the digital signal at an increased sampling frequency and thereby transform the increased quantization noise into previously unused frequency ranges. Structures of sigma-delta modulators which shape the noise signal as by IIR filters (Infinite Impulse Response Filters) are particularly efficient. Achieve order. The sigma-delta modulators are followed by digital-to-analog converters, which convert the digital output signal of the sigma-delta modulators into an analog signal. Sigma-delta modulators and digital-to-analog converters together result in the so-called sigma-delta converter.

Um eine Rauschformung bei Sigma-Delta-Modulatoren zu erreichen, existieren zwei Ansätze:
Nach einem ersten Ansatz werden Rückkoppelschleifen höher Ordnung eingesetzt, welche eine Reduktion der Stufenzahl auf bis zu zwei Signalzustände erlauben. Nachteilig wirkt sich aus, dass die Rauschformung ab der Ordnung 3 bei hohen Eingangssignalen zu möglichen Instabilitäten führt.
There are two approaches to achieving noise shaping in sigma-delta modulators:
According to a first approach, feedback loops of a higher order are used, which allow the number of stages to be reduced to up to two signal states. The disadvantage is that the noise shaping from order 3 leads to possible instabilities with high input signals.

Nach einem zweiten Ansatz werden kaskadierte Strukturen erster und/oder zweiter Ordnung eingesetzt, die mehrstufig sind und dadurch ein stabiles Betriebsverhalten ausweisen. A second approach involves cascading structures first and / or second order used, which are multi-stage and thereby demonstrate stable operating behavior.

Eine ausführliche Darstellung des Aufbaus und der Wirkungsweise von Sigma-Delta-Modulatoren wird S. R. Norswothy, R. Schreier, G. Temes: "Delta-Sigma Converters, Theorie, Design und Simulation", IEEE Press 1997, ISBN 0-7803-1045-4 gegeben. A detailed description of the structure and the Mode of action of sigma-delta modulators is S. R. Norswothy, R. Schreier, G. Temes: "Delta-Sigma Converters, Theory, Design and simulation ", IEEE Press 1997, ISBN 0-7803-1045-4.

Eine spezielle kaskadierte Struktur eines Sigma-Delta-Modulators ist in der DE 199 37 246 beschrieben. Durch diese kaskadierte Struktur wird zum einen die Anzahl von Signalzuständen reduziert und zum anderen bleibt auch bei Sigma-Delta-Modulatoren höherer Ordnung die Stabilität weitgehend garantiert. A special cascaded structure of a Sigma-delta modulator is described in DE 199 37 246. Through this cascaded structure becomes the number of signal states reduced and on the other hand also remains Higher order sigma-delta modulators largely guarantee stability.

Sigma-Delta-Wandler, deren Anzahl an Signalzuständen bis auf zwei reduziert wurde, bieten für die Realisierung des Digial- zu-Analog-Wandlers wesentliche Vorteile. Variationen in der Signalamplitude oder eines möglichen Gleichspannungsanteils in dem Signal beeinflussen die Linearität des analogen Ausgangssignals nicht. Nachteilig ist jedoch der notwendige hohe Überabtastfaktor (Verhältnis Nutzbandbreite zu Abtastrate des Sigma-Delta-Wandlers), auf den das Basisbandsignal interpoliert werden muss, damit ein bestimmtes Signal-zu- Rausch-Verhältnis in Nutzband gewährleistet werden kann. Sigma-delta converter, the number of signal states up to two was reduced, offer for the realization of the digital to analog converter significant advantages. Variations in the Signal amplitude or a possible DC voltage component in the signal affect the linearity of the analog Output signal not. However, the necessary one is disadvantageous high oversampling factor (ratio of usable bandwidth to Sampling rate of the sigma-delta converter) to which the baseband signal is based must be interpolated so that a specific signal-to- Noise ratio in the usable band can be guaranteed.

Werden statt zweistufigen mehrstufige Sigma-Delta-Wandler verwendet, so können theoretisch deutlich kleinere Überabtastfaktoren verwendet werden. Typischerweise sind dafür viele Quantisierungsstufen erforderlich, die alle identisch hoch sein müssen, damit das Quantisierungsrauschen optimiert ist. Wie bspw. in "Delta-Sigma-Data-Converters, Theorie, Design and Simulation", 1996 von S. R. Norswothy, R. Schreier und G. Temes beschrieben, wird dieses Problem dadurch gelöst, das eine Vielzahl von zweistufigen Digital-zu-Analog-Wandlern eingesetzt werden. Durch einen speziellen Verwürfelungsalgorithmus nach dem eigentlichen Sigma-Delta-Wandler wird sichergestellt, dass der Datenstrom jedes einzelnen Sigma- Delta-Wandlers rauschgeformt ist und im Nutzsignalband wenige Störungen verursacht (noise shaped element usage). Die Stabilität des Algorithmus ist ab zweiter Ordnung nicht sichergestellt. Sein Aufwand ist wegen dem hier verwendeten Vektorquantisierers relativ hoch. Weiterhin ist die Struktur dieses Verwürfungsalgorithmus nicht linear und rückkoppelt, was einer direkten Parallelisierung entgegensteht. Instead of two-stage multi-stage sigma-delta converters used, can theoretically be significantly smaller Oversampling factors are used. Typically are for it many levels of quantization required, all identical have to be high for the quantization noise to be optimized is. As in, for example, "Delta Sigma Data Converters, Theory, Design and Simulation ", 1996 by S. R. Norswothy, R. Schreier and G. Temes, this problem is solved by which is a multitude of two-stage digital-to-analog converters be used. Through a special Scrambling algorithm after the actual sigma-delta converter ensures that the data stream of each individual sigma Delta converter is noise-formed and few in the useful signal band Causes interference (noise shaped element usage). The The stability of the algorithm is not second order ensured. Its effort is because of the one used here Vector quantizer relatively high. Furthermore, the structure of this Scrambling algorithm is not linear and feedback what stands in the way of direct parallelization.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, für einen Sigma-Delta-Wandler eine Struktur zu finden, die bei gegebenem geringem Überabtastfaktor mit hohem Signal-zu- Rausch-Verhältnis (SNR) nur wenige zweistufige Sigma-Delta- Wandler erfordert, wobei die Struktur der Sigma-Delta-Wandler parallelisierbar sein soll. The present invention is therefore based on the object for a sigma-delta converter to find a structure that given a low oversampling factor with high signal-to- Noise ratio (SNR) only a few two-stage sigma-delta Converter requires, the structure of the sigma-delta converter should be parallelizable.

Diese Aufgabe wird durch einen Sigma-Delta-Wandler mit den Merkmalen nach Anspruch 1 gelöst. Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche. This task is accomplished with a sigma-delta converter Features solved according to claim 1. Configurations and Developments of the invention are the subject of the dependent claims.

Erfindungsgemäß ist jeder Parallel-Pfad derart ausgebildet, dass das Eingangssignal des Sigma-Delta-Modulators des Parallel-Pfades das mindestens um die Rauschanteile außerhalb des Nutzbandes gefilterte Differenzsignal aus dem digitalen Ausgangssignals des Sigma-Delta-Modulators des Haupt-Pfades und aus dem entsprechend der Übertragungsfunktion des Sigma- Delta-Modulators des Haupt-Pfades durch einen Filter spektral geformten Eingangssignals x(k) ist. According to the invention, each parallel path is designed that the input signal of the sigma-delta modulator of the Parallel path at least around the noise components outside of the useful band filtered difference signal from the digital Output signal of the sigma-delta modulator of the main path and from which according to the transfer function of the sigma Delta modulator of the main path through a spectral filter shaped input signal x (k).

Durch die spektrale Formung des Eingangssignals x(k) entsprechend der Übertragungsfunktion des Sigma-Delta-Modulators des Haupt-Pfades und der anschließenden Differenzbildung mit dem digitalen Ausgangssignals des Sigma-Delta-Modulators werden im wesentlichen die Quantisierungsfehler des Sigma-Delta- Modulators des Haupt-Pfades isoliert. Durch die anschließende Filterung werden dann die Rauschanteile außerhalb des Nutzbandes, welche die wesentlichen Anteile der Rauschleistung darstellen, gedämpft. Durch diese Stuktur eines Sigma-Delta- Wandlers werden die Signalanteile des Haupt- und Parallel- Pfades konstruktiv überlagert, während sich die Rauschanteile beider Pfade destruktiv überlagern. Dadurch kann das Quantisierungsrauschen der Sigma-Delta-Wandler zu mindestens teilweise kompensiert werden. Diese Parallelschaltung kommt ohne Rückkoppelpfade aus. Due to the spectral shaping of the input signal x (k) according to the transfer function of the sigma-delta modulator Main path and the subsequent difference formation with the digital output signal of the sigma-delta modulator essentially the quantization errors of the sigma-delta Main path modulator isolated. By the subsequent Filtering then the noise components outside the Useful band, which is the essential part of the noise power represent, subdued. Through this structure of a sigma-delta The signal components of the main and parallel Paths constructively superimposed while the noise components overlay both paths destructively. This can do that Quantization noise of the sigma-delta converter at least partially compensated. This parallel connection comes without feedback paths.

In Weiterbildung der Erfindung ist der mindestens eine Parallel-Pfad derart ausgebildet, dass Mittel zur Verstärkung des digitalen Signals unmittelbar vor dem Sigma-Delta-Modulator vorgesehen sind. Sind die wesentlichen Anteile der Rauschleistung unterdrückt, so kann die Amplitude des Signals angehoben werden, ohne dass der Sigma-Delta-Modulator übersteuert wird. In a development of the invention, the at least one Parallel path designed such that means for reinforcing the digital signal immediately before the sigma-delta modulator are provided. Are the essential parts of the Suppressed noise power, so the amplitude of the signal can be raised without overdriving the sigma-delta modulator becomes.

In Weiterbildung der Erfindung ist mindestens ein Parallel- Pfad derart ausgebildet, dass Mittel zur Dämpfung des gewandelten Signals nach dem Mittel zur Digital-zu-Analog-Wandlung des modulierten Signals und vor der Bildung des Summensignals vorgesehen sind. Die Dämpfung des analogen Signals orientiert sich an der vorhergehenden digitalen Verstärkung. Rauschsignalkomponenten im analogen Ausgangssignal des Digital-zu-Analog-Wandlers des Haupt-Pfades werden somit kompensiert. Statt einer expliziten Dämpfung des analogen Signals kann alternativ ein Digital-zu-Analog-Wandler mit geringerer Ausgangsleistung eingesetzt werden. In a further development of the invention, at least one parallel Path formed such that means for damping the converted signal according to the mean Digital-to-analog conversion of the modulated signal and before the formation of the Sum signal are provided. The attenuation of the analog signal is based on the previous digital amplification. Noise signal components in the analog output signal of the Digital-to-analog converters of the main path are thus compensated. Instead of an explicit attenuation of the analog signal can alternatively be a digital-to-analog converter with lower Output power can be used.

In Weiterbildung der Erfindung ist mindestens ein Parallel- Pfad derart ausgebildet, dass Mittel zur zeitlichen Verzögerung des Eingangssignals x(k) zum Ausgleich von Laufzeitunterschieden zum Haupt-Pfad vorhanden sind. Laufzeitunterschiede können insbesondere durch unterschiedliche Verarbeitungszeiten digitaler Komponenten wie Filter, Sigma-Delta- Modulatoren oder dergleichen auftreten. Durch die Verzögerungsglieder werden die Laufzeiten in den einzelnen Kaskadestufen kompensiert. In a further development of the invention, at least one parallel Path designed such that means for temporal Delay of the input signal x (k) to compensate for There are runtime differences to the main path. Runtime differences can be caused in particular by different Processing times of digital components such as filters, sigma-delta Modulators or the like occur. Through the Delays are the terms in each Cascade levels compensated.

In Weiterbildung der Erfindung ist der Hauptpfad derart ausgebildet, dass nach der Abzweigung zum Parallel-Pfad und vor dem Mittel zur Digital-zu-Analog-Wandlung Mittel zur Kompensationsfilterung vorgesehen sind. Durch das Mittel zur Kompensationsfilterung im Hauptpfad können die Laufzeiten und die Frequenzgänge des Parallelpfades, welcher Filter, Verstärker und Sigma-Delta-Wandler umfasst, kompensiert werden. Durch diesen zusätzlichen Filter können Fehleranteile des Parallel-Pfades kompensiert werden. In a further development of the invention, the main path is such trained that after the junction to the parallel path and before the means for digital-to-analog conversion means for Compensation filtering are provided. By means of Compensation filtering in the main path can reduce the runtimes and the frequency responses of the parallel path, which filters, Includes amplifier and sigma-delta converter, compensated become. Through this additional filter, error components can of the parallel path can be compensated.

Mit Vorteil ist der Sigma-Delta-Wandler des Haupt-Pfades als ein mehrstufiger Sigma-Delta-Wandler ausgebildet. In mehrstufigen Sigma-Delta-Wandlern kann das Prinzip der Weitergabe des Quantisierungsrauschens ausgenutzt werden, so dass sich das Quantisierungsrauschen der einzelnen Stufen destruktiv überlagert, das heißt, dass der Rauschanteil des gesamtem Sigma-Delta-Wandlers nicht direkt proportional mit der Stufenzahl des mehrstufigen Sigma-Delta-Wandlers zunimmt, sondern geringer als proportional. Desweiteren ist es möglich, durch die Verwendung mehrstufiger Sigma-Delta- Wandler unterschiedliche Eigenschaften in unterschiedlichen Stufen zu kombinieren. The sigma-delta converter of the main path is advantageous as a multi-stage sigma-delta converter is formed. In multi-stage sigma-delta converters can use the principle of Passing the quantization noise can be exploited, so that the quantization noise of the individual stages destructively superimposed, which means that the noise component of the entire sigma-delta converter is not directly proportional to the number of stages of the multi-stage sigma-delta converter increases, but less than proportional. Furthermore, it is possible by using multi-stage sigma-delta Transducers different properties in different To combine stages.

Ist der mehrstufige Sigma-Delta-Wandler des Haupt-Pfades durch den Haupt-Pfad und mindestens eine Kaskadestufe ausgebildet, wobei jede Kaskadestufe ein Parallel-Pfad ist, so können besonders vorteilhaft das Quantisierungsrauschen der einzelnen Kaskadestufen kompensiert werden. Is the multi-stage sigma-delta converter of the main path through the main path and at least one cascade level trained, each cascade level being a parallel path, the quantization noise can be particularly advantageous of the individual cascade levels can be compensated.

In Weiterbildung der Erfindung ist für n > 1 Kaskadestufen jeder Kaskadestufe i mit 2 ≤ i ≤ n, die Kaskadestufe i-1 derart parallel geschaltet ist, so dass die Kaskadestufe i-1 für die Kaskadestufe i die Funktion des Haupt-Pfades übernimmt, wobei dem Eingangssignal des Sigma-Delta-Modulators jeder Kaskadestufe zusätzlich ein dem Hauptpfad durch Zeitverzögerung angepaßtes Eingangssignal x(k) aufaddiert ist, wobei dem Eingangssignal des Sigma-Delta-Modulators der Kaskadestufe i zusätzlich das rauschgefilterte Signal der Kaskadestufe i-1 aufaddiert ist, wobei das digitale Ausgangssignal zur Differenzbildung des mehrstufigen Sigma- Delta-Modulators das Summensignal der Ausgangssignale aller Sigma-Delta-Modulatoren des mehrstufigen Sigma-Delta- Modulators ist. Durch diese Struktur eines mehrstufigen Sigma-Delta-Wandlers kompensieren sich die In-Band Rauschsignalanteile aller Sigma-Delta-Modulatoren bis auf die der letzten Kaskadestufe. Im Nutzband verbleibt nur das Quantisierungsrauschen des Sigma-Delta-Modulators der letzten Kakadestufe und das sich konstruktiv überlagernde Summensignal aller Signalanteile. In a development of the invention is for n> 1 cascade levels each cascade level i with 2 ≤ i ≤ n, the cascade level i-1 is connected in parallel such that the cascade stage i-1 for the cascade level i takes over the function of the main path, the input signal of the sigma-delta modulator each Cascade level in addition to the main path Time delay adapted input signal x (k) added is, the input signal of the sigma-delta modulator Cascade level i also the noise-filtered signal Cascade level i-1 is added, the digital Output signal for difference formation of the multi-stage sigma Delta modulator the sum signal of the output signals of all Sigma-Delta modulators of the multi-stage Sigma-Delta Modulator is. Due to this structure of a multi-stage Sigma-delta converters compensate for the in-band Noise signal components of all sigma-delta modulators except for the last cascade level. Only that remains in the useful band Quantization noise of the last sigma-delta modulator Cockatoo stage and the constructively superimposed sum signal of all signal components.

Mit Vorteil besitzt der mehrstufige Sigma-Delta-Modulator des Haupt-Pfades Sigma-Delta-Modulatoren mit linearphasigen Frequenzgängen mit Betragsfrequenzgang eins. In der Regel kann dadurch auf eine spektrale Rauschformung des Nutzsignals verzichtet werden, da dieses im Fall von linearphasigen Frequenzgängen mit Betragsfrequenzgang eins (d. h. keine Verstärkung oder Dämpfung) üblicherweise schon bandbegrenzt ist. The multi-stage sigma-delta modulator advantageously has the Main path sigma-delta modulators with linear phase Frequency responses with absolute frequency response one. Usually can thereby on a spectral noise shaping of the useful signal be dispensed with, as this is the case with linear-phase Frequency responses with absolute frequency response one (i.e. none Amplification or damping) is usually already band-limited.

In Weiterbildung ist der mehrstufige Sigma-Delta-Wandler derart ausgebildet, dass eine Anzahl n > 1 Sigma-Delta- Wandler kaskadeartig parallel geschaltet sind, wobei das Eingangssignal des Sigma-Delta-Modulators der Kaskadestufe n das Differenzsignal aus dem Eingangssignal x(k) und dem rauschgefilterten und mit n normierten Summensignal der Ausgangssignale der Sigma-Delta-Modulatoren des Hauptpfades und der Kaskadestufen i mit 1 < i < n-1 ist, wobei das zur Differenzbildung verwendete digitale Ausgangssignal des mehrstufigen Sigma-Delta-Modulators des Haupt-Pfades das Summensignal aller Ausgangssignale der n Sigma-Delta-Modulatoren des mehrstufigen Sigma-Delta-Modulators ist. Neben der Möglichkeit, das Eingangssignal des Sigma-Delta-Modulators der Kaskadestufe n als solches zur Differenzbildung zu verwenden, besteht eine bevorzugte Möglichkeit darin, dass das Eingangssignal des Sigma-Delta-Modulators der Kaskadestufe n mit der Anzahl n der Kaskadestufen multipliziert ist. The multi-stage sigma-delta converter is in further training formed such that a number n> 1 sigma-delta Transducers are cascaded in parallel, the Input signal of the sigma-delta modulator of cascade level n the difference signal from the input signal x (k) and the noise-filtered sum signal standardized to n Output signals of the sigma-delta modulators of the main path and the cascade level i with 1 <i <n-1, which is for Difference formation used digital output signal of the multi-stage sigma-delta modulator of the main path that Sum signal of all output signals of the n Sigma-delta modulators of the multi-stage sigma-delta modulator. Next the possibility of the input signal of the Sigma-delta modulator of cascade level n as such for difference formation a preferred option is that the input signal of the sigma-delta modulator Cascade level n is multiplied by the number n of cascade levels.

Mit Vorteil sind die Sigma-Delta-Wandler als 1-Bit Sigma- Delta-Wandler ausgebildet, wobei der 1-Bit Sigma-Delta- Wandler und damit die 1-Bit Analog-zu-Digital-Wandler ungleiche Ausgangsleistungen besitzen können. Im Hinblick auf die Rauschformung des erzeugten Multibit-Sigma-Delta- Ausgangssignals erscheint diese Ausgestaltung zunächst als Nachteil, da die Sigma-Delta-Modulatoren auf die Stabilitätsgrenzen und Aussteuerungsbereich eines 1-Bit-Sigma-Delta- Modulators angewiesen sind. Unter Berücksichtigung von ungleichen Ausgangsleistungen (Mismatch) der Einzelnen 1-Bit- Digital-zu-Analog-Wandlern kehrt sich diese Bewertung jedoch in einen Vorteil um: Das In-Band-Rauschen enthält nun neben dem Rauschen des erzeugten Multibit-Sigma-Delta-Ausgangssignals auch Rauschkomponenten, die die 1-Bit Datenströme spektral formt und sich entsprechend der Ausgangssignalleistungsunterschiede der einzelnen Digital-zu-Analog-Wandler in das In-Band-Rauschen mit eingehen. Man benötigt nun mit der vorgestellten Struktur keinen nachgestellten Algorithmus, der aus dem Multibit-Signal mehrere 1-Bit Datenströme erzeugt und der aufgrund der Restriktion, ein Multibitsignal wiederzugeben, für jeden dieser einzelnen Datenströme nur eine suboptimale Rauschformung erzielt. Jedes einzelne 1-Bit Datensignal ist optimal spektral geformt und garantiert bei hohen Fehlanpassungen ein geringes In-Band-Rauschen. Durch das oben beschriebene Prinzip der Rauschsignalunterdrückung kann nun der wesentliche Nachteil des Sigma-Delta-Modulators - die reduzierte In-Band-Rauschsignalformung - erheblich über das durch einen bis bisher verwendeten Multibit-Sigma-Delta- Analog-zu-Analog-Wandler erreichbare Maß hin verbessert werden. The sigma-delta converters are advantageous as 1-bit sigma Delta converter designed, the 1-bit sigma-delta Converter and thus the 1-bit analog-to-digital converter may have unequal output powers. With regard the noise shaping of the generated multi-bit sigma-delta This configuration initially appears as an output signal Disadvantage because the sigma-delta modulators on the Stability limits and dynamic range of a 1-bit sigma-delta Modulators are instructed. Taking into account unequal output powers (mismatch) of the individual 1-bit However, digital-to-analog converters reverse this assessment into an advantage: the in-band noise now includes the noise of the generated Multibit sigma-delta output signal also noise components that the 1-bit data streams spectrally shaped and corresponding to the Output signal power differences of the individual digital-to-analog converters into the in-band noise. You now need with the structure presented has no algorithm which generates several 1-bit data streams from the multibit signal and because of the restriction, a multi-bit signal play for each of these individual data streams only achieved sub-optimal noise shaping. Every single 1 bit Data signal is optimally spectrally shaped and guaranteed at high mismatches, low in-band noise. By the principle of noise suppression described above can now the main disadvantage of the sigma-delta modulator - The reduced in-band noise signal shaping - significantly above through a multi-bit sigma-delta Analog-to-analog converter achievable measure improved become.

In Weiterbildung der Erfindung sind die Rauschsignale der Sigma-Delta-Modulatoren des mehrstufigen Sigma-Delta- Modulatores unkorreliert. Zusätzlich können den Eingangssignalen der Sigma-Delta-Modulatoren des mehrstufigen Sigma- Delta-Modulators unkorrelierte stochastische Signale aufaddiert werden. Dadurch können bei bestimmten Signalen im Nutzband auftretende Störlinien, in denen sich die Rauschleistung der näheren Umgebung konzentriert, kompensiert werden. Um diesen Effekt weitgehend zu unterdrücken, wird Sigma-Delta-Modulatoren "Dither" hinzugefügt ("Dither" ist ein mit dem Eingangssignal des Sigma-Delta-Wandlers unkorreliertes stochastisches Signal), das entweder auf das Eingangssignal des Sigma-Delta-Modulators addiert wird oder den Eingang auf die Entscheidung des Sigma-Delta-Modulators direkt findet. Normalerweise reduziert der "Dither" die Störlinien auf Kosten des erreichbaren Signal-Rauscheverhältnisses des Modulators und wird deshalb in der Amplitude stark begrenzt. In a further development of the invention, the noise signals are Sigma-Delta modulators of the multi-stage Sigma-Delta Modulator uncorrelated. In addition, the Input signals of the sigma-delta modulators of the multi-stage sigma Delta modulator uncorrelated stochastic signals be added up. This allows certain signals in the Interference lines occurring in which the Noise power of the surrounding area concentrated, compensated become. To largely suppress this effect, Sigma delta modulators added "dither" ("dither" is one with the input signal of the sigma-delta converter uncorrelated stochastic signal) that is either on the Input signal of the sigma-delta modulator is added or the Input on the decision of the sigma-delta modulator directly finds. Usually the "dither" reduces that Interference lines at the expense of the achievable signal-to-noise ratio of the modulator and therefore becomes strong in amplitude limited.

Im Hinblick auf eine kostengünstige und technisch flexible Herstellungsart kann der Sigma-Delta-Wandler in CMOS-Technik (Complementary Metal-Oxide-Silicon) hergestellt sein. With regard to an inexpensive and technically flexible The sigma-delta converter can be manufactured using CMOS technology (Complementary Metal Oxide Silicone).

Der erfindungsgemäße Sigma-Delta-Wandler eignet sich hervorragend zur Verwendung in einem Funkkommunikationssystem und dort insbesondere in Funkkommunikations-Empfangseinrichtungen. The sigma-delta converter according to the invention is suitable excellent for use in a radio communication system and there especially in Radio communication receivers.

Die Erfindung wird im folgenden an Hand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. The invention is described below with the aid of Embodiments explained in more detail.

Hierbei zeigen: Here show:

Fig. 1 das Grundprinzip eines erfindungsgemäßen Sigma- Delta-Wandlers mit Rauschunterdrückung, FIG. 1 illustrates the basic principle of a sigma-delta converter of the invention with noise reduction,

Fig. 2 ein Sigma-Delta-Wandler mit Raschsignalunterdrückung mit einem mehrstufugen Sigma-Delta-Wandler im Haupt-Pfad (drei kaskadierte Sigma-Delta-Modulatoren) nach einer Ausgestaltung der Erfindung, Fig. 2 shows a Sigma-Delta converter with Rasch signal suppression with a mehrstufugen sigma-delta converter in the principal path (three cascaded sigma-delta modulators) according to an embodiment of the invention,

Fig. 3 ein Sigma-Delta-Wandler mit Rauschsignalunterdrückung mit Sigma-Delta-Modulatoren mit linearphasigem Filterfrequenzbereich nach einer anderen Ausgestaltung der Erfindung, Fig. 3 shows a Sigma-Delta converter with noise suppression with sigma-delta modulators with linear-phase filter frequency range according to another embodiment of the invention,

Fig. 4 ein Sigma-Delta-Wandler mit Rauschsignalunterdrückung nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung, wobei den Eingangssignalen der Haupt- und Parallel-Pfade unkorrelierte und stochastische Signale aufaddiert sind. Fig. 4 is a sigma-delta converter with noise suppression according to a further embodiment of the invention, wherein the input signals of the main and parallel paths and uncorrelated stochastic signals are added up.

In Fig. 1 wird das Grundprinzip eines Sigma-Delta-Wandlers mit Rauschunterdrückung dargestellt. Ein erster Sigma-Delta- Modulator SD1 im Haupt-Pfad erzeugt aus einem digitalen Eingangssignal x(k) ein digitales Ausgangssignal mit auf n- Bit eingeschränkter Bitbreite. Aufgrund dieser eingeschränkten Bitbreite entsteht ein Quantisierungsfehler, der durch den Sigma-Delta-Algorithmus entsprechend seiner Rauschübertragungsfunktion außerhalb des Nutzbandes transformiert wird. Insbesondere bei einem geringen Überabtastfaktor fallen jedoch auch signifikante Rauschsignalkomponenten in das Nutzband. Um diese zu unterdrücken wird erfindungsgemäß das digitale Eingangssignal x(k) entsprechend der Signalübertragungsfunktion des ersten Sigma-Delta-Wandlers SD1 mittels eines Filters H2 spektral geformt. Danach wird das Ausgangssignal des ersten Sigma-Delta-Wandlers von dem gefilterten Eingangssignal abgezogen, so das vom Quantisierungsfehler des Sigma- Delta-Modulators SD1 erzeugte Rauschsignal bestimmt. Durch einen weiteren Filter H2' werden die Rauschsignalanteile außerhalb des Nutzbandes gedämpft. Da diese den wesentlichen Anteil der Rauschleistung enthalten, kann das Ausgangssignal des Filters H2' in der Amplitude angehoben werden VS, ohne dass der nachfolgende Sigma-Delta-Modulator SD2 übersteuert wird. Damit ist das durch den Sigma-Delta-Modulator SD2 mit der Begrenzung auf m-Bit eingebrachte zusätzliche Rauschen in der Amplitude geringer als das verstärkte Rauschsignal des Sigma-Delta-Modulators SD1. Nach der Digital-zu-Analog Wandlung D/A2 wird das analoge Rauschsignal entsprechend seiner vorhergehend digitalen Verstärkung analog gedämpft D und kompensiert dann die Rauschsignalkomponente im analogen Ausgangssignal des Digital-zu-Analog-Wandlers D/A1. Statt einer expliziten Dämpfung kann stattdessen ein Digial-zu- Wandler mit geringer Ausgangsleistung eingesetzt werden. In Fig. 1 the basic principle of a sigma-delta converter is represented with noise suppression. A first sigma-delta modulator SD1 in the main path generates a digital output signal with a bit width restricted to n bits from a digital input signal x (k). Due to this limited bit width, a quantization error arises which is transformed by the sigma-delta algorithm in accordance with its noise transfer function outside the useful band. Particularly with a low oversampling factor, however, significant noise signal components also fall into the useful band. In order to suppress this, the digital input signal x (k) is spectrally shaped according to the signal transmission function of the first sigma-delta converter SD1 by means of a filter H2. The output signal of the first sigma-delta converter is then subtracted from the filtered input signal, so that the noise signal generated by the quantization error of the sigma-delta modulator SD1 is determined. The noise signal components outside the useful band are damped by a further filter H2 '. Since these contain the essential part of the noise power, the output signal of the filter H2 'can be increased in amplitude VS without the subsequent sigma-delta modulator SD2 being overdriven. The amplitude of the additional noise introduced by the sigma-delta modulator SD2 with the limitation to m-bits is thus lower than the amplified noise signal of the sigma-delta modulator SD1. After the digital-to-analog conversion D / A2, the analog noise signal is attenuated analogously according to its previously digital amplification D and then compensates for the noise signal component in the analog output signal of the digital-to-analog converter D / A1. Instead of an explicit damping, a digital-to-converter with low output power can be used instead.

Das in Fig. 1 dargestellte Grundprinzip der Weitergabe des Quantisierungsrauschen an einen weiteren Sigma-Delta-Modulator kann auch für den Aufbau mehrstufiger Sigma-Delta-Wandler verwendet werden. Als Anwendungsbeispiel ist der Sigma-Delta- Modulator SD1 aus Fig. 1 in Fig. 2 durch drei niederstufige Sigma-Delta-Modulatoren SD1a, SD1b, SD1c realisiert. Dabei wird das In-Band-Quantisierungsrauschen des Sigma-Delta-Modulators SD1a berechnet und negiert auf das digitale Eingangssignal des Sigma-Delta-Modulators SD1b addiert. Das gemeinsame Rauschsignal dieser beiden Sigma-Delta-Modulatoren wird dann berechnet und dann auf das Eingangssignal des Sigma-Delta-Modulators SD1c addiert. Verzögerungsglieder t1, t2, t3, t4, t5 werden eingesetzt, um die Laufzeit der Sigma- Delta-Modulatoren oder Filter zu kompensieren. Dieses Vorgehen ist beliebig auf mehr Sigma-Delta Modulatoren erweiterbar und ist in Fig. 2 nur beispielhaft auf drei Modulatoren beschränkt. The basic principle shown in FIG. 1 of passing on the quantization noise to a further sigma-delta modulator can also be used for the construction of multi-stage sigma-delta converters. As an application example, the sigma-delta modulator SD1 from FIG. 1 in FIG. 2 is implemented by three low-level sigma-delta modulators SD1a, SD1b, SD1c. The in-band quantization noise of the sigma-delta modulator SD1a is calculated and added negatively to the digital input signal of the sigma-delta modulator SD1b. The common noise signal of these two sigma-delta modulators is then calculated and then added to the input signal of the sigma-delta modulator SD1c. Delay elements t1, t2, t3, t4, t5 are used to compensate for the running time of the sigma-delta modulators or filters. This procedure can be expanded to any number of sigma-delta modulators and is only limited to three modulators in FIG. 2 as an example.

Fügt man alle drei Ausgangssignale der Sigma-Delta-Modulatoren zusammen, so kompensieren sich die In-Band Rauschsignalanteile der ersten beiden Sigma-Delta-Modulatoren mit den entsprechenden Eingangssignalkomponenten des zweiten und dritten Sigma-Delta-Modulators. Es verbleibt im Nutzband nur das Quantisierungsrauschen des dritten Sigma-Delta-Modulators, wohingegen sich alle drei Signalanteile x(k) konstruktiv überlagern. Add all three output signals to the Sigma-Delta modulators together, so the in-band compensate each other Noise signal components of the first two sigma-delta modulators with the corresponding input signal components of the second and third sigma-delta modulator. It only remains in the useful band the quantization noise of the third Sigma-delta modulator, whereas all three signal components x (k) constructively overlay.

In Hinblick auf die Rauschformung des erzeugten Multibit- Sigma-Delta Ausgangssignals erweist sich dieses Vorgehen zunächst als nachteilig; man ist bei dem Sigma-Delta-Modulator auf die Stabilitätsgrenzen und den Aussteuerungsbereich beispielsweise eines 1-bit Sigma-Delta-Modulators angewiesen. With regard to the noise shaping of the generated multibit This procedure proves to be a sigma-delta output signal initially as a disadvantage; one is with the sigma-delta modulator on the stability limits and the dynamic range for example, a 1-bit sigma-delta modulator.

Unter Berücksichtigung von ungleichen Ausgangsleistungen der einzelnen 1-bit Digital-zu-Analog-Wandler (Fehlanpassung) kehrt sich diese Bewertung jedoch um: Das In-Band-Rauschen enthält nun neben dem Rauschen des erzeugten Multibit-Sigma- Delta Ausgangssignals auch Rauschkomponenten, die wie die 1- bit Datenströme spektral geformt sind und die entsprechend der Ausgangssignalleistungsunterschiede der einzelnen Digital-zu-Analog-Wandler in das In-Band-Rauschen mit eingehen. Taking into account the unequal output power of the single 1-bit digital-to-analog converter (mismatch) however, this assessment is reversed: the in-band noise now contains, in addition to the noise of the generated multibit sigma Delta output signal also noise components that like the 1- bit data streams are spectrally shaped and accordingly the output signal power differences of each Digital-to-analog converters are included in the in-band noise.

Man benötigt nun erfindungsgemäß mit der vorgestellten Struktur keinen nachgeschalteten Algorithmus, der aus dem Multibit-Signal mehrere 1-bit Datenströme erzeugt und der aufgrund der Restriktion, ein vorgegebenes Multibit-Signal wiederzugeben, für jeden dieser einzelnen Datenströme nur eine suboptimale Rauschformung erzielt. Jedes einzelne 1-bit Datensignal ist optimal spektral geformt und garantiert bei hoher Fehlanpassung ein geringes In-Band-Rauschen. You now need according to the invention with the presented Structure no downstream algorithm that from the Multibit signal generates several 1-bit data streams and due to that the restriction, a given multibit signal play back only one for each of these individual data streams sub-optimal noise shaping achieved. Every single 1-bit Data signal is optimally spectrally shaped and guaranteed at high Mismatch a low in-band noise.

Durch das oben beschriebene Prinzip einer Rauschsignalunterdrückung kann nun der wesentliche Nachteil des Sigma-Delta- Modulators - die reduzierte In-Band Rauschsignalformung - erheblich über das durch einen bisher verwendeten Multibit- Sigma-Delta-D/A-Wandler erreichbare Maß hin verbessert werden, wie es im Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 dargestellt ist. Due to the principle of noise signal suppression described above, the main disadvantage of the sigma-delta modulator - the reduced in-band noise signal shaping - can be improved considerably beyond what can be achieved with a previously used multibit sigma-delta D / A converter. as shown in the embodiment of FIG. 2.

Die in Fig. 2 dargestellte Art der Weitergabe des Sigma- Delta-Rauschens im D/A-Modulator stellt nur einen Spezialfall dar. Beispielsweise kann anstelle der in Fig. 2 dargestellten Übergabe des negierten Rauschens eines Sigma-Delta-Modulators an den Eingang des nächstfolgenden das negierte Rauschen eines Sigma-Delta-Modulators auch auf mehrere Sigma-Delta-Modulatoren aufgeteilt werden, wie es in Fig. 3 gezeigt ist. Der Vorteil dieses Vorgehens liegt in der Verringerung der Rauschleistung bei der ungünstigsten Kombinationsmöglichkeit. Bezeichnet man beispielsweise das Rauschen des Sigam-Delta- Modulators SD1a mit R1a, so ist das Rauschen der einzelnen Sigma-Delta-Modulatoren aus Fig. 2 im Nutzsignalband:
Rauschverhältnis von SD1a zu D/A1a : R1a
Rauschverhältnis von SD1b zu D/A1b : R1b-R1c
Rauschverhältnis von SD1c zu D/A1c : R1c-R1b
Rauschverhältnis von SD2 zu D/A2 : R2-R1c.
The type of transmission of the sigma-delta noise in the D / A modulator illustrated in Fig. 2 is only a special case. For example, instead of the illustrated in Fig. 2 handover of the negated noise of a sigma-delta modulator to the input of next, the negated noise of a sigma-delta modulator can also be divided into several sigma-delta modulators, as shown in FIG. 3. The advantage of this procedure is the reduction of the noise power with the least favorable combination option. If, for example, the noise of the sigam-delta modulator SD1a is referred to as R1a, the noise of the individual sigma-delta modulators from FIG. 2 is in the useful signal band:
Noise ratio from SD1a to D / A1a: R1a
Noise ratio from SD1b to D / A1b: R1b-R1c
Noise ratio from SD1c to D / A1c: R1c-R1b
Noise ratio from SD2 to D / A2: R2-R1c.

Nimmt man an, dass die einzelnen Digital-zu-Analog Wandler D/A1a, D/A1b, D/A1c, D/A2 in der Amplitude um den Betrag 1 +/- d schwanken, so ist im schlimmsten Fall das Vorzeichen von d positiv bei D/A1a, negativ bei D/A1b, positiv bei D/A1c und wieder negativ bei D/A2, so dass man für den Multibit-Sigma- Delta-Modulator mit Kompensation des Rauschens das gesamte Ausgangssignalrauschen

(1 + d).R1a + (1 - d).(R1b - R1a) + (1 + d).(R1c - R1b) + (1 - d).(R1c + R2) = = R2 + 2.d.(R1a - R1b + R1c)

erhält. Der erste Term R2 entspricht der angestrebten Rauschformung und ist entsprechend der gewählten Verstärkung in der Amplitude stark abgesenkt. Da die Rauschsignale der einzelnen Sigma-Delta-Modulatoren unabhängig voneinander sind, addieren sich ihre Leistungen linear. Man erhält also bei gleicher Rauschleistung der Modulatoren als Gesamt-In-Band-Rauschleistung E{R2.R2} + 12.E{R1a.R1a}, wobei E den Erwartungswert bezeichnet. Diese Rauschleistung liegt ca. 6 dB über der Rauschleistung von drei voneinander unabhängig arbeitenden Sigma-Delta-Modulatoren.
Assuming that the individual digital-to-analog converters D / A1a, D / A1b, D / A1c, D / A2 fluctuate in amplitude by the amount 1 +/- d, in the worst case the sign of d positive for D / A1a, negative for D / A1b, positive for D / A1c and again negative for D / A2, so that for the multi-bit sigma-delta modulator with noise compensation, the entire output signal noise

(1 + d) .R1a + (1 - d). (R1b - R1a) + (1 + d). (R1c - R1b) + ( 1 - d). (R1c + R2) = = R2 + 2.d . (R1a - R1b + R1c)

receives. The first term R2 corresponds to the desired noise shaping and is greatly reduced in amplitude in accordance with the selected amplification. Since the noise signals of the individual sigma-delta modulators are independent of one another, their powers add up linearly. With the same noise power of the modulators, the total in-band noise power E {R2.R2} + 12.E {R1a.R1a} is obtained, where E denotes the expected value. This noise power is approx. 6 dB above the noise power of three independently working sigma-delta modulators.

Alternativen stellen
Rauschverhältnis von SD1a zu D/A1a : R1a
Rauschverhältnis von SD1b zu D/A1b : R1b-0.5.R1a
Rauschverhältnis von SD1c zu D/A1c : R1c-0.5.R1a-R1b
Rauschverhältnis von SD2 zu D/A2 : R2-R1c
mit einer Gesamtrauschleistung von

E{R2.R2}.(1 + d) + 9.E{R1a.R1a}

und
Rauschverhältnis von SD1a zu D/A1a : R1a
Rauschverhältnis von SD1b zu D/A1b : R1b
Rauschverhältnis von SD1c zu D/A1c : R1c-0.5.R1a-0.5.R1b
Rauschverhältnis von SD2 zu D/A2 : R2-0.5.R1a-0.5.R1b-R1c
mit einer Gesamtrauschleistung von

E{R2.R2}.(1 + d) + 8.E{R1a.R1a} dar.
Make alternatives
Noise ratio from SD1a to D / A1a: R1a
Noise ratio of SD1b to D / A1b: R1b-0.5.R1a
Noise ratio from SD1c to D / A1c: R1c-0.5.R1a-R1b
Noise ratio from SD2 to D / A2: R2-R1c
with a total noise power of

E {R2.R2}. (1 + d) + 9.E {R1a.R1a}

and
Noise ratio from SD1a to D / A1a: R1a
Noise ratio from SD1b to D / A1b: R1b
Noise ratio from SD1c to D / A1c: R1c-0.5.R1a-0.5.R1b
Noise ratio from SD2 to D / A2: R2-0.5.R1a-0.5.R1b-R1c
with a total noise power of

E {R2.R2}. (1 + d) + 8.E {R1a.R1a}.

Die letztgenannte Variation ist in Fig. 3 dargestellt. Es wird hier auch verdeutlicht, dass bei einem linearphasigen Filterfrequenzgang mit Betragsfrequenzgang 1 im Durchlassbereich in der Regel auf eine Filterung des Nutzsignals verzichtet werden kann, da dieses normalerweise schon bandbegrenzt ist. Nachteilig ist allerdings bei dieser Version, dass der Eingangspegel des SD2 anwächst und so, um eine Übersteuerung des Sigma-Delta-Modulators zu vermeiden, der Gewinn der Rauschkompensation ohne Fehlanpassung geringer ausfällt. The latter variation is shown in Fig. 3. It is also clarified here that in the case of a linear-phase filter frequency response with absolute frequency response 1 in the pass band, filtering of the useful signal can generally be dispensed with, since this is normally already band-limited. The disadvantage of this version, however, is that the input level of the SD2 increases and so, in order to avoid overdriving the sigma-delta modulator, the gain in noise compensation without mismatch is lower.

Die Struktur eines Sigma-Delta-Modulators bietet noch einen weiteren Vorteil. Die Leistung des Störsignals, dass bisher als Sigma-Delta-Rauschen bezeichnet wurde, ist in der Regel nicht spektral geformt und gleichmäßig über den Frequenzbereich verteilt. Es treten bei bestimmten Signalen im Frequenzbereich Störlinien auf, in denen sich die Rauschleistung der näheren Umgebung konzentriert. Um diesen Effekt weitgehend zu unterdrücken, wird Sigma-Delta-Modulatoren SD1a, SD1b, SD1c "Dither" DI1a, DI1b, DI1c hinzugefügt ("Dither" ist ein stochastisches Signal), das entweder auf das Eingangssignal des Sigma-Delta-Modulators addiert wird oder den Eingang auf die Entscheidung des Sigma-Delta-Modulators direkt findet. Normalerweise reduziert der "Dither" die Störlinien auf Kosten des erreichbaren Signal-Rauscheverhältnisses des Modulators und wird deshalb in der Amplitude stark begrenzt. The structure of a sigma-delta modulator offers another another advantage. The power of the interfering signal that so far was usually referred to as sigma-delta noise not spectrally shaped and even over the Frequency range distributed. Certain signals occur in the Frequency range interference lines on which the noise power the surrounding area. To this effect largely suppress, sigma-delta modulators SD1a, SD1b, SD1c "Dither" DI1a, DI1b, DI1c added ("Dither" is a stochastic signal) that is either on the Input signal of the sigma-delta modulator is added or the Input on the decision of the sigma-delta modulator directly finds. Usually the "dither" reduces that Interference lines at the expense of the achievable signal-to-noise ratio of the modulator and therefore becomes strong in amplitude limited.

Durch die mehreren verkoppelten Modulatoren des kompensierenden Sigma-Delta-Modulators kann man nun den Störeinfluss des "Dithers" sich gegenseitig kompensieren lassen. Dies ist in Fig. 4 anhand des Spezialfalles aus Fig. 3 beispielhaft dargestellt. Den drei Sigma-Delta-Modulatoren SD1a, SD1b und SD1c werden zu dem jeweiligen Eingangssignal unterschiedliche "Dither"-Signale hinzugefügt. Wesentlich ist jetzt, dass sich die Summe aller "Dither"-Signale aufhebt, d. h. dass in dem zu erzeugenden Multibit-Signal keine Signalkomponenten des "Dithers" mehr vorhanden sind. Due to the several coupled modulators of the compensating sigma-delta modulator, the interference of the "dither" can now be mutually compensated for. This is shown in FIG. 4 using the special case from FIG. 3 as an example. Different "dither" signals are added to the three sigma-delta modulators SD1a, SD1b and SD1c for the respective input signal. It is now essential that the sum of all "dither" signals is canceled, ie that no signal components of the "dither" are present in the multibit signal to be generated.

Ein Anwendungsbeispiel für "Dither" ist

DI1b(k) = -0.5.DI1a(k), DI1c(k) = 0.
An application example for "dither" is

DI1b (k) = -0.5.DI1a (k), DI1c (k) = 0.

Durch die spezielle Filteranordnung kompensiert SD1b die Hälfte des Dithers DI1c von SD1a, der Rest wird durch SD1c kompensiert. Problematisch ist hierbei jedoch das Verhalten bei Fehlanpassung der einzelnen Digital-zu-Analog-Wandler. Im schlechtestmöglichen Fall (Abweichung +d, -d, -d) ist der Störeinfluss der Leistung des "Dithers" (16/9) höher als die von drei unkorrelierten "Dither"-Signalen. The special filter arrangement compensates for the SD1b Half of the dither DI1c from SD1a, the rest is through SD1c compensated. However, behavior is problematic if the individual digital-to-analog converters are mismatched. in the worst case (deviation + d, -d, -d) is the Interference of the performance of the "dither" (16/9) higher than that of three uncorrelated "dither" signals.

Die Generation solcher "Dither"-Signale kann folgendermaßen erreicht werden:

  • 1. Es werden drei voneinander statistisch unabhängige Zufallssignale generiert DI1a(k), DI1b(k), DI1c(k).
  • 2. Die einzelnen Signale werden derart aufgeteilt, dass jeder Sigma-Delta-Modulator als "Dither" die Summe von jeweils eines Zufallssignals positiven und zwei negativen, mit dem Faktor 0.5 multiplizierten Zufallszahlen erhält.
The generation of such "dither" signals can be achieved as follows:
  • 1. Three statistically independent random signals are generated DI1a (k), DI1b (k), DI1c (k).
  • 2. The individual signals are divided in such a way that each sigma-delta modulator receives as "dither" the sum of one random signal positive and two negative random numbers multiplied by a factor of 0.5.

Aufgrund der in Fig. 4 dargestellten speziellen Struktur bedeutet dies

DI1a(k) = z1(k) - 0.5.z2(k) - 0.5.z3(k)

DI1b(k) = -0.5.z1(k) + z2(k) - 0.5.z3(k)

DI1c(k) = 0.
This means due to the special structure shown in FIG. 4

DI1a (k) = z1 (k) - 0.5.z2 (k) - 0.5.z3 (k)

DI1b (k) = -0.5.z1 (k) + z2 (k) - 0.5.z3 (k)

DI1c (k) = 0.

Claims (17)

1. Sigma-Delta-Wandler zur Wandlung eines digitalen Eingangssignals x(k) in ein analoges Ausgangssignal y(t) mit Rauschunterdrückung innerhalb eines Nutzbandes,
wobei der Sigma-Delta-Wandler einen Haupt-Pfad umfasst,
wobei der Haupt-Pfad mindestens einen durch eine Übertragungsfunktion charakterisierten Sigma-Delta-Modulatulator (SD1) und einen Digital-zu-Analog Wandler (D/A1) umfasst,
wobei dem Haupt-Pfad mindestens ein Parallel-Pfad parallel geschaltet ist,
wobei jeder Parallel-Pfad mindestens einen Sigma-Delta- Modulatulator (SD2) und einen Digital-zu-Analog Wandler (D/A2) umfasst,
wobei das analoge Ausgangssignal y(t) des Sigma-Delta- Wandlers das Summensignal der analogen Ausgangssignale des Haupt- und jedes Parallel-Pfades ist,
dadurch gekennzeichnet,
dass jeder Parallel-Pfad derart ausgebildet ist, dass das Eingangssignal des Sigma-Delta-Modulators (SD2) des Parallel-Pfades das mindestens um die Rauschanteile außerhalb des Nutzbandes gefilterte Differenzsignal aus dem digitalen Ausgangssignals des Sigma-Delta- Modulators (SD1) des Haupt-Pfades und aus dem entsprechend der Übertragungsfunktion des Sigma-Delta-Modulators (SD1) des Haupt-Pfades durch einen Filter (H2) spektral geformten Eingangssignals x(k) ist.
1. sigma-delta converter for converting a digital input signal x (k) into an analog output signal y (t) with noise suppression within a useful band,
the sigma-delta converter comprising a main path,
the main path comprising at least one sigma-delta modulator (SD1) characterized by a transfer function and a digital-to-analog converter (D / A1),
where at least one parallel path is connected in parallel to the main path,
each parallel path comprising at least one sigma-delta modulator (SD2) and one digital-to-analog converter (D / A2),
wherein the analog output signal y (t) of the sigma-delta converter is the sum signal of the analog output signals of the main and each parallel path,
characterized by
that each parallel path is designed such that the input signal of the sigma-delta modulator (SD2) of the parallel path contains the differential signal, filtered at least by the noise components outside the useful band, from the digital output signal of the sigma-delta modulator (SD1) of the main -Path and from which according to the transfer function of the sigma-delta modulator (SD1) of the main path through a filter (H2) spectrally shaped input signal x (k).
2. Sigma-Delta-Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
dass mindestens ein Parallel-Pfad derart ausgebildet ist,
dass Mittel zur Verstärkung (VS) des Differenzsignals unmittelbar vor dem Sigma-Delta-Modulator (SD2) vorgesehen sind.
2. Sigma-delta converter according to claim 1, characterized in that
that at least one parallel path is designed such
that means for amplifying (VS) the difference signal are provided immediately before the sigma-delta modulator (SD2).
3. Sigma-Delta-Wandler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
dass mindestens ein Parallel-Pfad derart ausgebildet ist,
dass Mittel zur Dämpfung (D) des gewandelten Signals nach dem Mittel zur Digital-zu-Analog Wandlung (SD2) des modulierten Signals und vor der Bildung des Summensignals vorgesehen sind.
3. Sigma-delta converter according to claim 1 or 2, characterized in that
that at least one parallel path is designed such
that means for attenuation (D) of the converted signal are provided after the means for digital-to-analog conversion (SD2) of the modulated signal and before the formation of the sum signal.
4. Sigma-Delta-Wandler nach einen der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet,
dass mindestens ein Parallel-Pfad derart ausgebildet ist,
dass Mittel zur zeitlichen Verzögerung (t1, t3, t5) des Eingangssignals x(k) zum Ausgleich von Laufzeitunterschieden zum Hauptpfad vorhanden sind.
4. Sigma-delta converter according to one of claims 1 to 3, characterized in
that at least one parallel path is designed such
that means for the time delay (t1, t3, t5) of the input signal x (k) are present to compensate for differences in transit time to the main path.
5. Sigma-Delta-Wandler nach einen der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Hauptpfad derart ausgebildet ist, dass nach der Abzweigung zum Parallel-Pfad und vor dem Mittel zur Digital-zu-Analog-Wandlung Mittel zur Kompensationsfilterung (H3') vorgesehen sind. 5. Sigma-delta converter according to one of claims 1 to 4, characterized, that the main path is designed such that after the Branch to the parallel path and in front of the medium to Digital-to-analog conversion means for Compensation filtering (H3 ') are provided. 6. Sigma-Delta-Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Sigma-Delta-Wandler des Haupt-Pfades als ein mehrstufiger Sigma-Delta-Wandler (SDM) ausgebildet ist. 6. Sigma-delta converter according to one of claims 1 to 5, characterized in that the sigma-delta converter of the main path is designed as a multi-stage sigma-delta converter (SD M ). 7. Sigma-Delta-Wandler nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der mehrstufige Sigma-Delta-Wandler des Haupt-Pfades (SDM) durch den Haupt-Pfad und mindestens eine Kaskadestufe ausgebildet ist, wobei jede Kaskadestufe ein Parallel-Pfad ist. 7. Sigma-delta converter according to claim 6, characterized in that the multi-stage sigma-delta converter of the main path (SD M ) is formed by the main path and at least one cascade level, each cascade level being a parallel path , 8. Sigma-Delta-Wandler nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass für n > 1 Kaskadestufen jede Kaskadestufe i mit 2 ≤ i £ n, die Kaskadestufe i-1 derart parallel geschaltet ist,
so dass die Kaskadestufe i-1 für die Kaskadestufe i die Funktion des Haupt-Pfades übernimmt,
wobei dem Eingangssignal des Sigma-Delta-Modulators (SD1b, SD1c) jeder Kaskadestufe zusätzlich ein dem Hauptpfad durch Zeitverzögerung angepasstes (t2, t4) Eingangssignal x(k) aufaddiert ist,
wobei dem Eingangssignal des Sigma-Delta-Modulators der Kaskadestufe i zusätzlich das rauschgefilterte (H1b', H1c') Signal der Kaskadestufe i-1 aufaddiert ist,
wobei das digitale Ausgangssignal zur Differenzbildung des mehrstufigen Sigma-Delta-Modulators das Summensignal der Ausgangssignale aller Sigma-Delta-Modulatoren (SD1a, SD1b, SD1c) des mehrstufigen Sigma-Delta-Modulators ist.
8. Sigma-delta converter according to claim 7, characterized in that for n> 1 cascade stages, each cascade stage i with 2 ≤ i £ n, the cascade stage i-1 is connected in parallel,
so that cascade level i-1 takes on the function of the main path for cascade level i,
the input signal of the sigma-delta modulator (SD1b, SD1c) of each cascade stage is additionally added with an input signal x (k) adapted to the main path by time delay, (t2, t4),
the noise-filtered (H1b ', H1c') signal of the cascade level i-1 is additionally added to the input signal of the sigma-delta modulator of the cascade level i,
wherein the digital output signal for difference formation of the multi-stage sigma-delta modulator is the sum signal of the output signals of all sigma-delta modulators (SD1a, SD1b, SD1c) of the multi-stage sigma-delta modulator.
9. Sigma-Delta-Wandler nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet,
dass der mehrstufige Sigma-Delta-Wandler des Haupt-Pfades (SDM) Sigma-Delta-Modulatoren (SD1; SD1a, SD1b, SD1c) mit linearphasigen Frequenzgängen mit Betragsfrequenzgang eins umfasst.
9. Sigma-delta converter according to one of claims 7 or 8, characterized in that
that the multi-stage sigma-delta converter of the main path (SD M ) comprises sigma-delta modulators (SD1; SD1a, SD1b, SD1c) with linear-phase frequency responses with absolute frequency response one.
10. Sigma-Delta-Wandler nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet,
dass der mehrstufige Sigma-Delta-Wandler (SDM) derart ausgebildet ist, dass eine Anzahl n > 1 Sigma-Delta- Wandler (SD1a, SD1b, SD1c) kaskadeartig parallel geschaltet sind,
wobei das Eingangssignal des Sigma-Delta-Modulators (SD1c) der Kaskadestufe n das Differenzsignal aus dem Eingangssignal x(k) und dem rauschgefilterten (H1c') und mit n normierten Summensignal der Ausgangssignale der Sigma-Delta-Modulatoren des Hauptpfades (SD1a) und der Kaskadestufen i (SD1b) mit 1 < i < n-1 ist,
wobei das zur Differenzbildung verwendete digitale Ausgangssignal des mehrstufigen Sigma-Delta-Modulators des Haupt-Pfades das Summensignal aller Ausgangssignale der n Sigma-Delta-Modulatoren (SD1a, SD1b, SD1c) des mehrstufigen Sigma-Delta-Modulators (SDM) ist.
10. Sigma-delta converter according to claim 9, characterized in that
that the multi-stage sigma-delta converter (SD M ) is designed such that a number n> 1 sigma-delta converter (SD1a, SD1b, SD1c) are connected in parallel in a cascade-like manner,
wherein the input signal of the sigma-delta modulator (SD1c) of the cascade stage n is the difference signal from the input signal x (k) and the noise-filtered (H1c ') and with normalized sum signal of the output signals of the sigma-delta modulators of the main path (SD1a) and the cascade level i (SD1b) with 1 <i <n-1,
wherein the digital output signal of the multistage sigma-delta modulator of the main path used for difference formation is the sum signal of all output signals of the n sigma-delta modulators (SD1a, SD1b, SD1c) of the multistage sigma-delta modulator (SD M ).
11. Sigma-Delta-Wandler nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Eingangssignal des Sigma-Delta-Modulators (SD1c) der Kaskadestufe n mit der Anzahl n der Kaskadestufen multipliziert ist. 11. Sigma-delta converter according to claim 10, characterized, that the input signal of the sigma-delta modulator (SD1c) the cascade level n with the number n of the cascade levels is multiplied. 12. Sigma-Delta-Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Sigma-Delta-Wandler als 1-bit Sigma-Delta-Wandler ausgebildet ist. 12. Sigma-delta converter according to one of claims 1 to 11, characterized, that the sigma-delta converter as a 1-bit sigma-delta converter is trained. 13. Sigma-Delta-Wandler nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der 1-bit Sigma-Delta-Wandler und damit die 1-bit Analog-zu-Digital Wandler (D/A1a, D/A1b, D/A1c, D/A2) ungleiche Ausgangsleistungen besitzen. 13. Sigma-delta converter according to claim 12, characterized, that the 1-bit sigma-delta converter and thus the 1-bit Analog-to-digital converter (D / A1a, D / A1b, D / A1c, D / A2) have unequal output powers. 14. Sigma-Delta-Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, die Rauschsignale der Sigma-Delta-Modulatoren des mehrstufigen Sigma-Delta-Modulators (SD1a, SD1b, SD1c) unkorreliert sind. 14. Sigma-delta converter according to one of claims 1 to 13, characterized, the noise signals of the sigma-delta modulators of the multi-stage sigma-delta modulator (SD1a, SD1b, SD1c) are uncorrelated. 15. Sigma-Delta-Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass den Eingangssignalen der Sigma-Delta-Modulatoren (SD1a, SD1b, SD1c) des mehrstufigen Sigma-Delta-Modulators unkorrelierte stochastische Signale (DI1a(k), DI1b(k), DI1c(k)) aufaddiert werden. 15. Sigma-delta converter according to one of claims 1 to 14, characterized, that the input signals of the sigma-delta modulators (SD1a, SD1b, SD1c) of the multi-stage sigma-delta modulator uncorrelated stochastic signals (DI1a (k), DI1b (k), DI1c (k)) can be added. 16. Sigma-Delta-Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Sigma-Delta-Wandler in CMOS-Technik hergestellt ist. 16. Sigma-delta converter according to one of claims 1 to 15, characterized, that the sigma-delta converter is manufactured using CMOS technology is. 17. Verwendung eines Sigma-Delta-Wandlers nach einem der vorangehenden Ansprüche in einem Funk-Kommunikationssystem, insbesondere in Funkkommunikations-Empfangseinrichtungen. 17. Use of a sigma-delta converter according to one of the preceding claims in a radio communication system, especially in radio communication receiving devices.
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