NL9100379A

NL9100379A - Sigma-deltamodulator.

Info

Publication number: NL9100379A
Application number: NL9100379A
Authority: NL
Original assignee: Philips Nv
Priority date: 1991-03-01
Filing date: 1991-03-01
Publication date: 1992-10-01
Also published as: JPH04320111A; EP0501580A1; US5243345A; KR920019107A

Description

Sigma-deltamodulator

De uitvinding heeft betrekking op een sigma-deltamodulator voor omzetting van een ingangssignaal naar een digitaal uitgangssignaal omvattend: een verschiltrap voor opwekking van een verschilsignaal in responsie op het verschil tussen het ingangssignaal en een terugkoppelsignaal; filtermiddelen omvattend: een veelheid van N eerste orde integrerende secties met rangnummer K dat loopt van 1 tot en met N, welke secties in serie zijn geschakeld volgens opklimmend rangnummer, waarbij K en N gehele getallen zijn die groter of gelijk zijn aan 1, elke afzonderlijke sectie omvattend een ingang en een uitgang voor afgifte van een sectiesignaal en een eerste orde overdrachtsfunctie van de ingang naar de uitgang met een sectieversterking GK met rangnummer K, waarbij de ingang van de sectie met rangnummer 1 is aangesloten voor ontvangst van het verschilsignaal en waarbij van de overige secties de ingang van de sectie met rangnummer K is gekoppeld met de uitgang van de voorgaande sectie met rangnummer K-l; een even grote veelheid van N weegversterkers met rangnummer K dat loopt van 1 tot en met N, elk met een ingang welke is gekoppeld met de uitgang van de sectie met hetzelfde rangnummer en elk met een individuele weegfactor WK met rangnummer K, voor opwekking van N gewogen signalen; een opteltrap voor opwekking van een filtersignaal in responsie op de som van de N gewogen signalen; een kwantiseerder voor omzetting van het filtersignaal naar het digitale uitgangssignaal en terugkoppelmiddelen voor opwekking van het terugkoppelsignaal in responsie op het digitale uitgangssignaal.

Een dergelijke sigma-deltamodulator is bekend uit het tijdschriftartikel: "A Stereo 16-Bit Delta-Sigma A/D Converter for Digital Audio", Journal of the Audio

Engineering Society, Vol. 37, No. 6, Juni 1989, blz.476-486, figuur 5. Sigma-delta-modulatie is een techniek waarbij door toepassing van overbemonstering een digitaal uitgangssignaal met hoge resolutie wordt verkregen met behulp van een kwantiseerder met lage resolutie. Hierbij wordt het digitale uitgangssignaal teruggekoppeld en afgetrokken van het ingangssignaal, het verkregen verschilsignaal gefilterd met laag-doorlatende filtermiddelen en toegevoerd naar de kwantiseerder. Door toepassing van een voldoend hoge lusversterking voor frekwenties in de basisband van het ingangssignaal wordt bereikt dat in het digitale uitgangssignaal de kwantiseringsruis in de basisband gering is ten koste van een hogere kwantiseringsruis voor frekwenties boven de basisband. Dit effect staat bekend als noise shaping. De bereikbare signaal-ruisaf-stand in de basisband van het digitale uitgangssignaal is onder meer afhankelijk van de mate van overbemonstering en van de orde van de filtermiddelen. Een filter van hogere orde is gunstig, want deze laat een lagere overbemonsteringsfrekwentie toe met behoud van de signaal-ruisafstand in de basisband van het digitale uitgangssignaal. De orde is echter weer begrensd door het optreden van instabiliteiten in het teruggekoppelde systeem welke worden veroorzaakt onder meer door fasedraaiing in de lus en door oversturing van de kwantiseerder. In de bekende sigma-deltamodulator wordt de fasedraaiing van het hogere orde filter bestreden door het aanbrengen van nulpunten in de filterkarakteristiek van de filtermiddelen door de uitgangssignalen van de eerste orde secties te wegen met de weegversterkers en vervolgens op te tellen in de opteltrap. De instabiliteiten door oversturing van de kwantiseerder blijven echter. Zij kunnen worden voorkomen door de amplitude van het ingangssignaal te beperken ten opzichte van de theoretisch maximale amplitude. Deze beperking blijkt voor een toenemende orde van de filtermiddelen steeds groter te moeten zijn om het systeem stabiel te houden. Uitvoerige informatie over de stabiliteit van sigma-deltamodulatoren met lusfilters van hogere orde en hun gedrag bij toenemend ingangssignaal is onder meer te vinden in: (a) het hierboven geciteerde tijdschriftartikel; (b) "An Analysis of Nonlinear Behaviour in Delta-Sigma Modulators", IEEE Transactions on Circuits and Systems, Vol. CAS-34, No. 6, Juni 1987, biz. 593-603; (c) "Companded Predictive Delta Modulation: A Low-Cost Conversion Technique for Digital Recording", Journal of the Audio Engineering Society, Vol. 32, No. 9,

September 1984, biz. 659-672; (d) "A Use of Double Integration in Sigma Delta Modulation", IEEE Transactions on Communications, Vol. COM-33, No. 3, Maart 1985, biz. 249-258; (e) "Oversampled, Lineair Predictive and Noise-Shaping Coders of Order N> 1", IEEE Transactions on Circuits and Systems, Vol. CAS-25, No. 7, Juli 1978, biz. 436-447; (f) "Some Remarks on the Stability and Performance of the Noise Shaper or Sigma -Delta Modulator", IEEE Transactions on Communications, Vol. 36, No. 10, Oktober 1988, biz. 1157-1162; (g) "A 14-bit 80-kHz Sigma-Delta A/D Converter: Modeling, Design, and Performance Evaluation", IEEE Journal of Solid-State Circuits, Vol. 24, No. 2, April 1989; (h) "Principles of Oversampling A/D Conversion", Journal of the Audio Engineering Society, Vol. 39, No. 1/2, Januari/Februari 1991, biz. 3-26.

Sigma-deltamodulatoren worden veel toegepast bij analoog-digitaal en digitaal-analoog omzetting van signalen. Een bezwaar van de amplitudebeperking van het ingangssignaal bij sigma-deltamodulatoren met hogere orde lusfilters is dat vanwege het geringe uitstuurbereik bij een analoog uitgevoerde sigma-deltamodulator de eigen ruis van analoge bouwblokken van de sigma-deltamodulator en bij een digitaal uitgevoerde sigma-deltamodulator de eigen ruis van de erop volgende digitaal-analoogomzetter het dynamisch bereik beperkt. Kleiner maken van de ruis in de analoge bouwblokken is niet eenvoudig.

De uitvinding heeft tot doel een sigma-deltamodulator met een hogere orde lusfilter aan te geven met een geringere beperking van de amplitude van het ingangssignaal. Een sigma-deltamodulator van de in de aanhef genoemde soort is daartoe volgens de uitvinding gekenmerkt, doordat elk der secties is voorzien van een begrenzer voor begrenzing van de amplitude van het betreffende sectiesignaal tot een sectiegrenswaarde LK met rangnummer K en dat voor elke waarde van het rangnummer K die groter is dan 2 de quotiëntwaarde QK van het quotiënt van de sectiegrenswaarde LK met rangnummer K en een waarde welke volgt uit het product van de sectieversterking GK met rangnummer K, de sectieversterking GK_j met een rangnummer dat een minder is dan K, enzovoorts tot en met de sectieversterking Gj met rangnummer 1, kleiner is dan de quotiëntwaarde QK_j van het quotiënt van de sectiegrenswaarde LK- 1 met rangnum mer K-l en een waarde welke volgt uit het product van de sectieversterking GK-1 met rangnummer K-l, de sectieversterking GK_2 met een rangnummer dat een minder is dan K-l, enzovoorts tot en met de sectieversterking Gj met rangnummer 1.

Alle secties zijn voorzien van een begrenzer ter voorkoming van instabiliteiten. Door de gekozen relatie tussen de waarden van de sectieversterkingen GK en de sectiegrenswaarden LK wordt bereikt, dat bij toenemend ingangssignaal de begrenzer van de laatste sectie met rangnummer N als eerste begint te begrenzen, bij nog verder toenemend ingangssignaal de begrenzer met rangnummer N-l, enzovoorts. Het uitgangssignaal van de betreffende sectie neemt daardoor niet meer toe en levert geen verdere bijdrage aan de rondgaande lusversterldng. Hierdoor daalt de orde van de filtermiddelen telkens met één. Dank zij deze daling van de orde mag het ingangssignaal van de sigma-deltamodulator weer verder toenemen zonder instabiliteiten te veroorzaken. Uiteindelijk gedraagt het systeem zich als een sigma-deltamodulator met een filter van de eerste orde die met een bijna 100% ingangssignaal uitstuurbaar is. Op deze wijze is een sigma-deltamodulator van hogere orde verkregen die stabiel blijft tot aan de theoretisch maximale amplitude van het ingangssignaal.

Opgemerkt wordt, dat in bijna alle bovengenoemde referenties melding wordt gemaakt van het toepassen van begrenzers in het systeem. Deze begrenzers doen daarbij dienst als een soort noodrem om oversturing te voorkomen of om instabiliteiten te onderdrukken. Zo er al meerdere begrenzers worden toegepast, dan komen deze gelijktijdig in actie als het ingangssignaal een bepaalde drempel overschrijdt. Van een systematische ordeverlaging als gevolg van het successief in werking treden van begrenzers is geen sprake.

Een uitvoeringsvorm van de sigma-deltamodulator volgens de uitvinding voor analoge ingangssignalen is nader gekenmerkt doordat de sigma-deltamodulator is voorzien van voedingsspanningsmiddelen voor levering aan de secties van voedingsspanningen welke voor het betreffende sectiesignaal een uitstuurruimte bepalen die vrijwel even groot is als de betreffende sectiegrenswaarde. Door juiste schaling van de sectieversterkingen, de sectiegrenswaarden en de weegfactoren wordt bereikt dat het begrenzen intreedt bij sectiesignaalamplitudes die even groot zijn als de voedingsspanning toelaat. Hierdoor kunnen de begrenzers achterwege blijven en kan er hardware worden bespaard.

De uitvinding zal nader worden toegelicht aan de hand van bijgaande tekening, waarin figuur 1 het principeschema toont van een sigma-deltamodulatorvolgens de uitvinding voor analoge ingangssignalen, figuur 2 het principeschema toont van een sigma-deltamodulatorvolgens de uitvinding voor digitale ingangssignalen, figuur 3 diagrammen toont ter illustratie van de werking van een sigma-deltamodulatorvolgens de uitvinding.

In deze figuren hebben onderdelen met dezelfde functie of betekenis gelijke verwij-zingscijfers.

Figuur 1 toont het principeschema van een sigma-deltamodulator volgens de uitvinding voor analoge ingangssignalen. Het ingangssignaal Uj op ingang 2 en een terugkoppelsignaal u^ worden in een verschilversterker 4 van elkaar afgetrokken en omgezet in een verschilsignaal ud. Het verschilsignaal is aangesloten op de een laagdoorlatend filter van de orde N, dat is samengesteld uit een serieschakeling van N eerste orde integrerende secties 6.1, 6.2, 6.3, ..., 6.N. De secties zijn voorzien van respectieve ingangen 8.1, 8.2, 8.3, ..., 8.N, en uitgangen 10.1, 10.2, 10.3, ..., 10.N, voor levering van respectieve sectiesignalen Ujo.i, U102, Uio.3> —» U10N. De secties zijn verder voorzien van een eerste orde integrerend netwerk 12.1, 12.2, 12.3, ..., 12.N, gevolgd door een begrenzer 14.1, 14.2, 14.3, ..., 14.N welke in serie zijn geschakeld tussen de respectieve ingangen en uitgangen van de secties. De ingang 8.1 van de eerste sectie 6.1 ontvangt het verschilsignaal ud. De ingangen 8.2, 8.3, ..., 8.N van de overige secties zijn aangesloten op respectievelijk de uitgangen 10.1, 10.2, ..., 10.N-1 van de betreffende voorafgaande secties. De uitgangen 10.1, 10.2, 10.3, ..., 10.N zijn voorts via respectieve weegversterkers 16.1, 16.2, 16.3, ..., 16.N verbonden met ingangen van een opteltrap 18 die een filtersignaal Uf levert dat de som is van de gewogen sectiesignalen. Het filtersignaal uf wordt onder besturing van een Moksignaal fs gekwantiseerd in een kwantiseerder 20 en omgezet in een digitaal uitgangssignaal u0 dat beschikbaar is op een uitgang 22. Het digitale uitgangssignaal u0 is tevens aangeslo- ten op een digitaal-analoogomzetter 24 welke het digitale signaal weer terugconverteert naar het analoge terugkoppelsignaal Ufj,.

De ketting van eerste orde filtersecties, de weegversterkers en de opteltrap gedraagt zich als een N-de orde overdrachtsfunctie met polen en nulpunten waarvan de overdracht Uf/ud is: iif/uj = G1G2G3...Gn*Wn + GiG^... Gn.^Wn.! + ... + G1G2*W2 + G^Wj waarbij Gj, G2, G3, ..., GN de sectieversterkingen voorstellen van de secties 6.1, 6.2, 6.3, ..., 6.N en Wj, W2, W3, ..., WN de weegfactoren zijn van de weegversterkers 16.1, 16.2, 16.3, ..., 16.N. De begrenzers 14.1, 14.2, 14.3, ..., 14.N begrenzen de sectiesignalen tot sectiegrenswaarden Lj, I^, 1-3, ..., LN. De begrenzers voorkomen instabiliteiten in de sigma-deltamodulator bij toenemend ingangssignaal.

Het hangt van de individuele sectieversterkingen Gg (K=1..N) en sectiegrenswaarden LK af welke van de begrenzers het eerst in werking zal treden bij toenemend ingangssignaal. Volgens de uitvinding zijn de waarden voor GK en LK zodanig gekozen, dat bij toenemend ingangssignaal 1¾ de laatste begrenzer 14.N uit de ketting van eerste orde filtersecties als eerste in werking treedt, daarna pas de voorlaatste begrenzer 14.N-1, enzovoorts. Zodra de begrenzer 14.N in werking treedt, levert het sectiesignaal van sectie 6.N geen verdere bijdrage meer aan het gesommeerde signaal Uf bij nog verder toenemend ingangssignaal Uj. De orde van het laagdoorlatend filter daalt hierdoor effectief met 1 tot N-l. Dit gaat zo door tot de orde van het filter gedaald is tot 1. Omdat een sigma-deltamodulator met een lusfilter met lagere orde verder uitgestuurd mag worden zonder instabiel te worden, is er dank zij de volgorde van de begrenzerwerking volgens de uitvinding telkens weer meer uitstuurruimte. Aldus kan het ingangssignaal Uj tot bijna 100% van de theoretisch toegestane waarde worden uitgestuurd.

Om te bereiken dat de begrenzers in volgorde van afnemend rangnummer in werking treden moet voldaan zijn aan de volgende voorwaarde:

voor K=2 tot en met N.

In figuur 3 is dit verband grafisch weergegeven waarbij de tangens van de hoek φκ overeenkomt met GiG2G3...Gk en de tangens van de hoek φΚ-1 overeenkomt met G1G2G3...GK.1. De sectiegrenswaarden Lj, L2, L3, ..., LN behoeven niet even groot te zijn. Het is echter voordelig de individuele waarden voor GK en LK zo te kiezen dat alle sectiegrenswaarden gelijk zijn aan de door de voedingsspanning opgelegde uitstuurruimte van de uitgangssignalen van de eerste orde integrerende netwerken 12.K. De begrenzers 14.1, 14.2, 14.3, ..., 14.N kunnen dan vervallen, waardoor hardware wordt bespaard.

Figuur 2 toont de digitale versie van de sigma-deltamodulator volgens figuur 1. Het principeschema is vrijwel gelijk. De digitaal-analoogomzetter 24 is niet aanwezig.

Beide versies van de sigma-deltamodulatoren kunnen met de vakman bekende technieken worden geïmplementeerd en behoeven geen nadere toelichting.

Claims

1. Sigma-deltamodulator voor omzetting van een ingangssignaal naar een digitaal uitgangssignaal omvattend: een verschiltrap voor opwekking van een verschilsignaal in responsie op het verschil tussen het ingangssignaal en een terugkoppelsignaal; filtermiddelen omvattend: een veelheid van N eerste orde integrerende secties met rangnummer K dat loopt van 1 tot en met N, welke secties in serie zijn geschakeld volgens opklimmend rangnummer, waarbij K en N gehele getallen zijn die groter of gelijk zijn aan 1, elke afzonderlijke sectie omvattend een ingang en een uitgang voor afgifte van een sectiesignaal en een eerste orde overdrachtsfunctie van de ingang naar de uitgang met een sectieversterking GK met rangnummer K, waarbij de ingang van de sectie met rangnummer 1 is aangesloten voor ontvangst van het verschilsignaal en waarbij van de overige secties de ingang van de sectie met rangnummer K is gekoppeld met de uitgang van de voorgaande sectie met rangnummer K-l; een even grote veelheid van N weegversterkers met rangnummer K dat loopt van 1 tot en met N, elk met een ingang welke is gekoppeld met de uitgang van de sectie met hetzelfde rangnummer en elk met een individuele weegfactor WK met rangnummer K, voor opwekking van N gewogen signalen; een opteltrap voor opwekking van een filtersignaal in responsie op de som van de N gewogen signalen; een kwantiseerder voor omzetting van het filtersignaal naar het digitale uitgangssignaal en terugkoppelmiddelen voor opwekking van het terugkoppelsignaal in responsie op het digitale uitgangssignaal, met het kenmerk, dat elk der secties is voorzien van een begrenzer voor begrenzing van de amplitude van het betreffende sectiesignaal tot een sectiegrenswaarde LK met rangnummer K en dat voor elke waarde van het rangnummer K die groter is dan 2 de quotiëntwaarde QK van het quotiënt van de sectiegrenswaarde LK met rangnummer K en een waarde welke volgt uit het product van de sectieversterking GK met rangnummer K, de sectieversterking GK_i met een rangnummer dat een minder is dan K, enzovoorts tot en met de sectieversterking Gj met rangnummer 1, kleiner is dan de quotiëntwaarde QK-1 van het quotiënt van de sectiegrenswaarde LK-1 met rangnummer K-l en een waarde welke volgt uit het product van de sectiever-sterking met rangnummer K-l, de sectieversterking GK_2 met een rangnummer dat een minder is dan K-l, enzovoorts tot en met de sectieversterking Gj met rangnummer 1.

2. Sigma-deltamodulator volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de sigma-deltamodulator is voorzien van voedingsspanningsmiddelen voor levering aan de secties van voedingsspanningen welke voor het betreffende sectiesignaal een uitstuurruimte bepalen die vrijwel even groot is als de betreffende sectiegrenswaarde.