TWI756782B - 積分-微分調變裝置及積分-微分調變方法 - Google Patents

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Abstract

一種積分-微分調變裝置，包含偵測電路及積分-微分調變器。偵測電路用以偵測輸入訊號以產生偵測訊號，並比較偵測訊號及閾值以產生控制訊號。積分-微分調變器耦接偵測電路。積分-微分調變器用以儲存複數個雜訊轉移函數，根據控制訊號選擇雜訊轉移函數中之一者，並根據此雜訊轉移函數將輸入訊號轉換為輸出訊號。

Description

積分-微分調變裝置及積分-微分調變方法
本揭示涉及一種數位類比轉換器（digital-to-analog converter，DAC）或類比數位轉換器（analog-to-digital converter，ADC），特別是關於一種積分-微分調變（sigma-delta modulation）裝置及積分-微分調變方法。
積分-微分調變器（sigma-delta modulator）常用於數位類比轉換器（DAC）以及類比數位轉換器（ADC）。而積分-微分調變器的穩定性受限於輸入訊號的大小（例如：訊號振幅的大小），過大的輸入訊號會造成不穩定（unstable）。
因此，如何設計出同時具有足夠大的輸入上限及動態範圍（dynamic range）的良好的積分-微分調變器，為本領域的重要課題。
本揭示內容的一態樣係關於一種積分-微分調變裝置，包含偵測電路及積分-微分調變器。偵測電路用以偵測輸入訊號以產生偵測訊號，並比較偵測訊號及閾值以產生控制訊號。積分-微分調變器耦接偵測電路。積分-微分調變器用以儲存複數個雜訊轉移函數，根據控制訊號選擇雜訊轉移函數中之一者，並根據此雜訊轉移函數將輸入訊號轉換為輸出訊號。
本揭示內容的另一態樣係關於一種積分-微分調變方法，適用於積分-微分調變裝置。積分-微分調變裝置包含積分-微分調變器。積分-微分調變器用以儲存複數個雜訊轉移函數。積分-微分調變方法包含：偵測積分-微分調變器的輸入訊號以產生偵測訊號；比較偵測訊號及閾值以產生控制訊號；根據控制訊號選擇雜訊轉移函數中之一者；以及根據此雜訊轉移函數將輸入訊號轉換為輸出訊號。
綜上所述，藉由偵測輸入訊號的特定參數大小變化以產生相應的控制訊號來動態切換不同的雜訊轉移函數，使得積分-微分調變器能維持良好的動態範圍和穩定性。
下文係舉實施例配合所附圖式作詳細說明，但所描述的具體實施例僅用以解釋本案，並不用來限定本揭示，而結構操作之描述非用以限制其執行之順序，任何由元件重新組合之結構，所產生具有均等功效的裝置，皆為本揭示內容所涵蓋的範圍。
參考第1圖。第1圖為積分-微分調變器的總諧波失真加噪音（Total Harmonic Distortion plus Noise，THD+N）對輸入訊號振幅的關係示意圖。如第1圖所示，當輸入訊號振幅（單位為分貝（dB））未超過數值lim0時，總諧波失真加噪音（單位亦為分貝（dB））約為T0，其變化程度相對平穩。而當輸入訊號振幅超過數值lim0時，總諧波失真加噪音會急遽上升。也就是說，當積分-微分調變器所接收的輸入訊號的振幅大於數值lim0時，積分-微分調變器所產生的輸出訊號中諧波及雜訊等成分的比例會大幅增加。即，當輸入訊號的振幅大於特定數值後，輸出訊號相對於輸入訊號會大幅度的失真。
換言之，積分-微分調變器能夠穩定處理並產生相對精確的輸出訊號的輸入訊號的振幅上限值，稱之為輸入上限（即，數值lim0），如第1圖所示，當輸入訊號的振幅超過輸入上限lim0時，其輸出訊號的總諧波失真加噪音便會大幅增加，也就是說，當輸入訊號超過這個輸入上限lim0時，輸出訊號的實質內容將被失真與噪音掩蓋，一般來說，理想的積分-微分調變器所能達到的輸入上限愈高愈好。
另一方面，當未輸入任何輸入訊號（輸入訊號的振幅為零時），此時輸出的總諧波失真加噪音的強度又稱為底噪，如第1圖所示的例子中，此積分-微分調變器其底噪的訊號強度T0。一般來說，積分-微分調變器的最大有效輸出（例如未明顯失真的最大訊號輸出強度，圖中未示）與底噪（如訊號強度T0）之間的強度差距稱為動態範圍（dynamic range），簡單地說，動態範圍也可以理解為積分-微分調變器的最小輸出強度到最大輸出強度之間的訊號強度差。一般來說，理想的積分-微分調變器所能達到的動態範圍愈大愈好。
請參考第2圖。第2圖為根據本揭示內容之實施例之一種積分-微分調變裝置100的示意圖。積分-微分調變裝置100可用於數位類比轉換器（DAC）以及類比數位轉換器（ADC）。如第2圖所示，積分-微分調變裝置100包含偵測電路120以及積分-微分調變器140。結構上，積分-微分調變器140耦接於偵測電路120。
在部分實施例中，偵測電路120包含包絡檢波器（envelope detector）121以及比較電路122。具體而言，包絡檢波器121耦接於比較電路122。比較電路122耦接於積分-微分調變器140。實作上，比較電路120可由運算放大器或其他具有判斷電壓大小功能的電路來實現。值得注意的是，第2圖中所示的偵測電路120僅為方便說明的例子，並非用以限制本案。本領域具有通常知識者可依據實際需求調整或增加其他元件。
操作上，於一實施例中，偵測電路120用以偵測輸入訊號Din以產生偵測訊號DS，並比較偵測訊號DS及振幅閾值TH以產生控制訊號CS。積分-微分調變器140用以儲存多個雜訊轉移函數（noise transfer function），根據控制訊號CS選擇多個雜訊轉移函數中之一者，並根據此雜訊轉移函數將輸入訊號Din轉換為輸出訊號Dout。於上述實施例中，偵測電路120是將偵測訊號DS的振幅大小與振幅閾值TH進行比較，產生控制訊號CS，但本揭示文件並不僅以此為限。於另一實施例中，偵測電路120可將偵測訊號DS的其他訊號參數(例如訊號的脈衝持續時間長度、訊號的占空比等等)與相應的閾值比較產生控制訊號CS。在後續實施例中，為了說明上的簡潔，主要以偵測訊號DS的振幅大小與振幅閾值TH進行舉例說明。
具體而言，偵測電路120中的包絡檢波器121用以接收輸入訊號Din，並用以檢測輸入訊號Din的振幅變化以產生偵測訊號DS，再輸出偵測訊號DS至比較電路122。偵測電路120中的比較電路122用以接收偵測訊號DS，並用以比較偵測訊號DS及振幅閾值TH以產生控制訊號CS，再輸出控制訊號CS至積分-微分調變器140。
其中，積分-微分調變器140藉由雜訊轉移函數以對量化雜訊（quantization noise）進行雜訊整形（noise shaping），將量化雜訊移向高頻頻段，以降低積分-微分調變器140中量化雜訊造成的影響，從而提升輸出訊號Dout的品質。
進一步來說，積分-微分調變器140可儲存一個以上且具有函數映射關係不同的雜訊轉移函數。請參考第3圖。第3圖為根據本揭示內容之實施例之複數個雜訊轉移函數Fa及Fb的總諧波失真加噪音對輸入訊號振幅的關係示意圖。在部分實施例中，積分-微分調變器140儲存有兩個不同的雜訊轉移函數Fa及Fb。然，此兩雜訊轉移函數Fa及Fb僅為方便說明之舉例，不用以限制本案。亦即，在其他部分實施例中，積分-微分調變器140可存有超過兩個以上且函數映射關係不同的的雜訊轉移函數。
如第3圖所示，雜訊轉移函數Fa具有輸入上限lim1。當輸入訊號的振幅低於lim1時，雜訊轉移函數Fa的總諧波失真加噪音的數值較平穩地維持於Ta附近（後稱雜訊轉移函數Fa的總諧波失真加噪音的穩定值）。另一方面，雜訊轉移函數Fb具有輸入上限lim2。當輸入訊號的振幅低於lim2時，雜訊轉移函數Fb的總諧波失真加噪音的數值較平穩地維持於Tb附近（後稱雜訊轉移函數Fb的總諧波失真加噪音的穩定值）。其中，雜訊轉移函數Fa的輸入上限lim1小於雜訊轉移函數Fb的輸入上限lim2，雜訊轉移函數Fa的總諧波失真加噪音Ta的穩定值小於雜訊轉移函數Fa的總諧波失真加噪音Tb的穩定值。換言之，雜訊轉移函數Fa具有較佳（數值較低）的總諧波失真加噪音，但其輸入上限lim1較低。一般來說當積分-微分調變器140的輸入訊號與輸出訊號的強度為正相關，當積分-微分調變器140的輸入訊號強度愈大時，相應地輸出訊號的強度也愈大。因此，若積分-微分調變器140採用的雜訊轉移函數Fa其輸入上限lim1較低時，相應地積分-微分調變器140的有效輸出訊號最大值也會降低，使得積分-微分調變器140的動態範圍較窄。
另一方面，雜訊轉移函數Fb具有較差（數值較高）的總諧波失真加噪音，但其輸入上限lim2較高。因此，若積分-微分調變器140採用的雜訊轉移函數Fb其輸入上限lim2較高時，相應地積分-微分調變器140的有效輸出訊號最大值也會提高，使得積分-微分調變器140的動態範圍較寬。
在本實施例中，可將振幅閾值TH設置為小於等於雜訊轉移函數Fa的輸入上限lim1，但本揭示並不以此為限。在此狀況下，當根據輸入訊號Din所產生的偵測訊號DS的振幅未大於振幅閾值TH時，比較電路122用以產生第一控制訊號，使得積分-微分調變器140根據第一控制訊號選擇雜訊轉移函數Fa，以取得較佳（數值較低）的總諧波失真加噪音Ta。反之，當偵測訊號DS的振幅大於振幅閾值TH（時，比較電路122用以產生第二控制訊號，使得積分-微分調變器140根據第二控制訊號選擇雜訊轉移函數Fb，以增加積分-微分調變器140可容許的輸入訊號振幅上限（即，由雜訊轉移函數Fa對應的輸入上限lim1轉換為雜訊轉移函數Fb對應的輸入上限lim2）。
亦即，在偵測訊號DS的振幅小於輸入上限lim1時，積分-微分調變器140選用總諧波失真加噪音的穩定值相對小（即Ta）的雜訊轉移函數Fa；在偵測訊號DS的振幅大於輸入上限lim1時（此時若繼續使用雜訊轉移函數Fa將造成大幅失真），積分-微分調變器140選用總諧波失真加噪音的穩定值相對大（即Tb）但仍不會失真的雜訊轉移函數Fb。如此一來，由於不同的雜訊轉移函數（如，Fa及Fb）有不同的輸入上限（如，lim1及lim2）以及總諧波失真加噪音（如，Ta及Tb），因此，藉由切換不同的雜訊轉移函數，積分-微分調變器140便能動態地隨著輸入訊號Din的振幅大小變化選擇良好的動態範圍且維持訊號穩定性。
參考第4圖。第4圖為根據本揭示內容之實施例之一種積分-微分調變方法400的流程圖。具體而言，積分-微分調變方法400是應用於積分-微分調變裝置100。為方便及清楚說明起見，下述積分-微分調變方法400是配合第2圖及第3圖所示實施例進行說明，但不以此為限，任何熟習此技藝者，在不脫離本揭示內容之精神和範圍內，當可對作各種更動與潤飾。如第4圖所示，積分-微分調變方法400包含操作S410、S420、S430以及S440。
首先，在操作S410中，偵測積分-微分調變器140的輸入訊號Din以產生偵測訊號DS。具體而言，由包絡檢波器121檢測輸入訊號Din的振幅變化以產生偵測訊號DS。
接著，在操作S420中，比較偵測訊號DS和振幅閾值TH以產生控制訊號CS。具體而言，由比較電路122比較偵測訊號DS及振幅閾值TH。當偵測訊號DS的振幅未大於振幅閾值TH時，比較電路122產生第一控制訊號。反之，當偵測訊號DS的振幅大於振幅閾值TH時，比較電路122產生第二控制訊號。
接著，在操作S430中，根據控制訊號CS選擇複數個雜訊轉移函數Fa、Fb中之一者。具體而言，由積分-微分調變器140根據自比較電路122所產生的控制訊號，從積分-微分調變器140所儲存的多個雜訊轉移函數Fa、Fb中選擇一者。舉例來說，積分-微分調變器140根據第一控制訊號選擇雜訊轉移函數Fa，或者根據第二控制訊號選擇雜訊轉移函數Fb。
值得注意的是，在其他部分實施例中，亦可由積分-微分調變器140根據自比較電路122所產生的控制訊號，調整積分-微分調變器140所儲存的雜訊轉移函數的參數，以切換使用不同表現的雜訊轉移函數，從而權衡輸入上限與總諧波失真加噪音。
接著，在操作S440中，根據此雜訊轉移函數將輸入訊號Din轉換為輸出訊號Dout。具體而言，由積分-微分調變器140根據在操作S430中所選定的雜訊轉移函數，將輸入訊號Din轉換為輸出訊號Dout。
承前所述，第3圖實施例的雜訊轉移函數Fa及Fb僅為示例，在其他實施例中，若選用多個具有不同輸入上限以及總諧波失真加噪音穩定值的雜訊轉移函數，積分-微分調變器140可具有較第3圖實施例所示的更寬廣的動態範圍可選擇，可更進一步地降低積分-微分調變器140的失真機率。
應理解，本揭示的目的在於量測輸入訊號是否可能造成系統不穩定，以動態地提供更佳的雜訊轉移函數。而在前述實施例中，主要係以偵測輸入訊號的振幅來與特定閾值進行比較，屬於較直接的判斷方式，但本揭示不以此為限。在一些實施例中，亦可以偵測輸入訊號的其他指標（如能量等）來間接地達到同樣目的。
雖然本文將所公開的方法示出和描述為一系列的步驟或事件，但是應當理解，所示出的這些步驟或事件的順序不應解釋為限制意義。例如，部分步驟可以以不同順序發生和／或與除了本文所示和／或所描述之步驟或事件以外的其他步驟或事件同時發生。另外，實施本文所描述的一個或多個態樣或實施例時，並非所有於此示出的步驟皆為必需。此外，本文中的一個或多個步驟亦可能在一個或多個分離的步驟和／或階段中執行。
綜上所述，藉由偵測輸入訊號Din的振幅大小變化以產生相應的控制訊號來動態切換不同的雜訊轉移函數（如，Fa及Fb），使得積分-微分調變器140能維持良好的動態範圍和穩定性。
雖然本揭示內容已以實施方式揭露如上，然其並非用以限定本揭示內容，所屬技術領域具有通常知識者在不脫離本揭示內容之精神和範圍內，當可作各種更動與潤飾，因此本揭示內容之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
100:積分-微分調變裝置 120:偵測電路 121:包絡檢波器 122:比較電路 140:積分-微分調變器 Din:輸入訊號 Dout:輸出訊號 DS:偵測訊號 TH:振幅閾值 CS:控制訊號 Fa,Fb:雜訊轉移函數 T0,Ta,Tb:總諧波失真加噪音 lim0,lim1,lim2:輸入上限 400:積分-微分調變方法 S410~S440:操作
第1圖為積分-微分調變器的總諧波失真加噪音對輸入訊號振幅的關係示意圖。 第2圖為根據本揭示內容之實施例之一種積分-微分調變裝置的示意圖。 第3圖為根據本揭示內容之實施例之複數個雜訊轉移函數的總諧波失真加噪音對輸入訊號振幅的關係示意圖。 第4圖為根據本揭示內容之實施例之一種介面連接方法的流程圖。
100:積分-微分調變裝置 120:偵測電路 121:包絡檢波器 122:比較電路 140:積分-微分調變器 Din:輸入訊號 Dout:輸出訊號 DS:偵測訊號 TH:振幅閾值 CS:控制訊號

Claims (8)

  1. 一種積分-微分調變裝置，包含：一偵測電路，用以偵測一輸入訊號以產生一偵測訊號，並比較該偵測訊號及一閾值以產生一控制訊號；以及一積分-微分調變器，耦接該偵測電路，用以儲存複數個雜訊轉移函數，根據該控制訊號選擇該些雜訊轉移函數中之一者，並根據該些雜訊轉移函數中之該者將該輸入訊號轉換為一輸出訊號，其中該些雜訊轉移函數包括一第一雜訊轉移函數以及一第二雜訊轉移函數，其中該第一雜訊轉移函數的一第一輸入上限值小於該第二雜訊轉移函數的一第二輸入上限值，該第一雜訊轉移函數的一第一總諧波失真加噪音小於該第二雜訊轉移函數的一第二總諧波失真加噪音。
  2. 如請求項1所述之積分-微分調變裝置，其中該偵測電路包含：一包絡檢波器，用以接收該輸入訊號，並檢測該輸入訊號的振幅變化以產生該偵測訊號；以及一比較電路，用以接收該偵測訊號，並比較該偵測訊號及該閾值以產生該控制訊號。
  3. 如請求項2所述之積分-微分調變裝置，其中當該偵測訊號未大於該閾值，該比較電路用以產生一第一控制訊號，當該偵測訊號大於該閾值，該比較電路用以產 生一第二控制訊號。
  4. 如請求項3所述之積分-微分調變裝置，其中該積分-微分調變器用以根據該第一控制訊號選擇該第一雜訊轉移函數，並根據該第二控制訊號選擇該第二雜訊轉移函數。
  5. 一種積分-微分調變方法，適用於一積分-微分調變裝置，該積分-微分調變裝置包含一積分-微分調變器，該積分-微分調變器用以儲存複數個雜訊轉移函數，該積分-微分調變方法包含：偵測該積分-微分調變器的一輸入訊號以產生一偵測訊號；比較該偵測訊號及一閾值以產生一控制訊號；根據該控制訊號選擇該些雜訊轉移函數中之一者；以及根據該些雜訊轉移函數中之該者將該輸入訊號轉換為一輸出訊號，其中該些雜訊轉移函數包括一第一雜訊轉移函數以及一第二雜訊轉移函數，其中該第一雜訊轉移函數的一第一輸入上限值小於該第二雜訊轉移函數的一第二輸入上限值，該第一雜訊轉移函數的一第一總諧波失真加噪音小於該第二雜訊轉移函數的一第二總諧波失真加噪音。
  6. 如請求項5所述之積分-微分調變方法，其中 產生該偵測訊號包含：由一包絡檢波器檢測該輸入訊號的振幅變化以產生該偵測訊號。
  7. 如請求項5所述之積分-微分調變方法，其中產生該控制訊號包含：由一比較電路比較該偵測訊號及該閾值；當該偵測訊號未大於該閾值，該比較電路產生一第一控制訊號；以及當該偵測訊號大於該閾值，該比較電路產生一第二控制訊號。
  8. 如請求項7所述之積分-微分調變方法，更包含：由該積分-微分調變器根據該第一控制訊號選擇該第一雜訊轉移函數；以及由該積分-微分調變器根據該第二控制訊號選擇該第二雜訊轉移函數。
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