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2-1-1级联型∑-Δ调制器的设计与仿真.rar

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    级联 调制器 设计 仿真
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    科技学院 2011 届本科毕业论文以二、一为基础级联的 调制器的设计与仿真学科专业: 电子信息科学与技术指导教师: 陈茜 学生姓名: 肖忠禹 学生学号: 072004110445 中国﹒贵州﹒贵阳2011 年 5 月科技学院毕业论文(设计) [第 I 页]I目 录目录 .....................................................................Ⅰ摘要 .....................................................................Ⅲ英文摘要 .................................................................Ⅳ第一章 引言 ...............................................................11.1 课题背景与意义 ......................................................11.2 调制器的历史和发展现状 .........................................21.3 本文的主要工作 ......................................................5第二章 转换器基本原理 ................................................62.1 增量调制 ............................................................72.2 改进的增量—— 调制器 ..........................................11第三章 一阶与多阶 调制器分析 .........................................133.1 一阶 调制器分析 ................................................133.2 二阶 调制器分析 ................................................163.2 高阶 调制器分析 ................................................19第四章 级联型调制器分析 ..................................................214.1 M 级一阶 调制器分析 ............................................214.2 L 阶 调制器分析 ................................................23第五章 级联调制器设计与系统建模 ..........................................255.1 四阶 2-1-1 级联 调制器结构及参数选择 ...........................265.2 四阶 2-1-1 级联 调制器行为仿真 .................................28参考文献 .................................................................36致谢 .....................................................................37科技学院毕业论文(设计) [第 III 页]III以二、一为基础级联的 调制器的设计与仿真摘要调制器是 转换器的核心部分,它是数字通信系统中的一种波形编码/AD调制技术。它采用过采样噪声整形技术实现高精度模数转换,和传统的 Nyquist 率模数转换器相比,具有无可比拟的优势,它可以避免对模拟电路性能指标和元器件匹配精度的较高要求,可以充分利用现代 VLSI 技术中的高速、高集成度、低成本的优点。同时, 调制器采用 DSP 技术,其数字化特性可以使之很方便地集成到其他的数字芯片上,工艺不具有特殊性,由于实现它的设备简单,制造容易在我们的生产生活中得到了广泛的应用,无论是在生产、生活的各个领域都是不可或缺的器件。本文以调制器的分析为基础,系统的讨论如何以二阶和一阶 调制器为级联的 调制器的设计。在设计的过程中通过对量化噪声、量化误差、分辨率、信噪比等的分析,并运用插入网络式 调制器的设计方法及数字校正网络的运用,逐步使调制器的性能得以优化。最后在 Matlab-Simulik 环境下,在给出具体模型的基础上,构造出四阶级联 调制器模型,确定增益系数和级间耦合系数等系统参数。通过仿真,验证了模型的正确性。 关键词: 调制器; Simulink; 级联;非理想因素; 建模Analysis and Modeling of a Fourh-Order 2-1-1 Cascade Modulator Using MTLAB科技学院毕业论文(设计) [第 IV页]IVAbstract:Key words: modulator; Simulink;MASK;non-ideal factor;modeling科技学院毕业论文(设计) [第 1 页]1第一章 引言1.1 课题背景与意义现实世界里面人部分的物理量是随时间连续变化的模拟量,如光线、电场、声波、速度等,在人们的生产研究过程中,经常需要对这些信号进行例如检测,变换,滤波,收发等处理。以往这些过程都是通过模拟系统直接处理的,然而随着数字信号处理技术数字系统的飞速发展,人们越来越要求把模拟信号转换为数字信号再进行处理。如图 1.1 所示。图 1.1 现代信号处理系统相比较模拟系统数字系统具有稳定性好,抗干扰能力强;便于传输,存储无损失:精度高,集成度高,成本低;与数字计算机兼容性好等优点。因此当随着计算机软、硬件技术和数字信号处理技术飞速发展,渗透到各个技术领域,各种以数字技术为基础的设备、系统广泛应用时,作为数字处理系统与模拟真实世界接口桥梁的模数转换器也得到更多的关注与发展。随着移动通信和多媒体技术的快速发展,对图像、语音、同步数据流媒体等多媒体技术提出了更高的要求,使得模数转换器件向着更宽频带和更大的动态范围的方向发展。尤其是在汽车电子、消费类电子产品、个人计算机领域,数字多媒体技术发展更是迅猛,为了追求更高的品质,高分辨率宽频模数转换器得到广泛应用。基础设施现代化建设过程里面,测量仪器的需求也日益增长,高分辨率低频模数转换器也得到广泛应用。在各种原理的 ADC 中,Delta-Sigma ADC 因通过超采样噪声整形的手段把火部分信号带内的量化噪声转移到带外并通过数字滤波器滤除,因此,对器件精度以及模拟滤波器等模拟模块的工艺与设计要求均较低,可有效利用现代数字集成电路技术加以实现。尤其在例如测量类和音频类 ADC 的应用中,对于模数转换的低速高精度要求使得 Delta-Sigma ADC 结构成为首选,如图 1.2 所示。为延长便携式电子产品的使用时间,在此类产品应用中 ADC 的低压低功耗性能至为重要 。[1]科技学院毕业论文(设计) [第 2 页]2图 1.2 几种模数转换器的主要应用领域1.2 调制器的历史和发展现状无论是 调制还是 调制,隐含在其中的一个最为基本的思想是通过反馈无论是 调制还是 调制,隐含在其中的一个最为基本的思想是通过反馈来大大地提高粗位量化器的有效分辩率。追溯历史,对这一概念最早描述是见于 Cutler 的专利中。Cutler 于 1954 年提出专利申请,并于 1960 年被授予 。他的系统的基础是从输入信号[2]中加上或减去位于前馈通路上的低分辩率粗位量化器所产生的量化噪声。两年后,Spang 和 Schultheiss 对 Cutler 的系统进行了更为深入和细致的研究,并提出了一系列的改进措施和方法。他们还提出了在前馈通路上增加有限冲击响应滤波器(FIR),这样做的目的是使系统能够预测和修正下一个量化误差。这种系统也被称为误差反馈编码器(Error Feedback Coder)。早在 1952 年的时候,误差反馈编码器的一种, 调制器,由 Jager 等人提出,其在前馈通路上有一个量化器(通常是一位的),在反馈通路上有一个环路滤波器(最简单的情况是一个积分器)。因而,信号和量化噪声都会被反馈、滤波,并与输入信号相减。输出信号包含了输入信号和量化噪声的微分量,所以在接收端需要一个积分器,对信号起存储作用。当用作 ADC 时,无论是误差反馈编码器还是 调制器都存在较为严重的问题,误差反馈系统需要在反馈端有精准的相减电路,这在电路实现在不太容易。科技学院毕业论文(设计) [第 3 页]3调制器对信号的低频段有抑制作用,并在接收端需要积分器,这使得系统的动态范围会随信号频率增加而下降。在 1962 年的时候,hose、Yasuda 和 Murakami 等人在 调制器的前面又增加了一个积分器,并把其移到环路内部,由于该结构包括了△调制器和积分器,所以称为调制器(Sigma-Delta Modulator)。系统的输出包含了输入信号本身及对量化噪声的微分,他们所描述的系统包含了一个作为环路滤波器的连续时间积分器,一个斯密特触发器作为量化器,系统能够达到 40dB 的信噪比(SNR),输入信号的带宽为5KHz。由于当时的关于模拟电路的精度与数字电路的速度之间的折衷受到技术的限制,所以在其后的一段时期内,这方面的研究显得较为稀少而停滞了。在其后的 34 年间,基本的 结构已结在很多方面得到了许多改进。1977 年,Ritchie 提出了高阶的环路滤波器在这一领域的应用。他提出在前馈支路中用多个积分器串联的形式来实现高阶的调制器,每个积分器都会从反馈的 DAC 得到反馈信号,这种情况下系统的稳定性要特别考虑。1987 年,Lee 和 Sodini 提出了稳定的高阶环路设计技术 。1985 年又出现[3]了一篇非常有影响力的文章,Candy 在这篇文章中提出了二阶环路滤波器的结构,而对于环路滤波器超过二阶的,其稳定性需要着重考虑并要经过大量的仿真来验证。而后 Adams 于 1986 年设计了 18 位的 ADC,采用 3 阶的连续时间的积分器,DAC部分则是 4 位的量化器加上精调电阻来实现。贝尔实验室(Bell Labs)的 Candy 和他的同事们随后提出了更加成熟的理论,并发展了理论分析和设计规划。Candy 和 Huynh也提出了 DAC 中数字调制器级联(MASH)的概念。级联结构在 ADC 中的应用则是由 Hayashi 等人在 1986 年提出的。提高 调制器性能的另一条有效途径是采用多位量化器的思路,这同时也要求在反馈环要有多 bit 的 DAC。DAC 的线性度严重限制了调制器的线性度,因此这方面的设计也很困难,充满了挑战。1988 年,Larsoil 等人提出在 Σ 一△环路中应用多比特的量化器,并用数字线性校正技术来改善其非线性。同一年,Carley 和 Kenney 在 ADC 的内部 DAC 中引入了动态匹配技术。而在1990 年,Leslie 和 Singh 介绍了一种结构的调制器,采用单 bit 的 DAC 和多 bit 的ADC,达到了高线性度和低噪声性能 。再后还有很多研究成果和理论对 数据转[4] 换的发展有很重要的推动作用,如Leung、 Sutarja、StoryRedman .White 、Bouner 、Jackson 、Adams 、Kwan 、Baird、Fiez、Schreier 等人的理论和研究。带通 调制器因其在无线通讯中有很大的应用潜力科技学院毕业论文(设计) [第 4 页]4而同样受到很大的关注,并且在 80 年代后期得到初步应用。从最早的著作论述关于过采样噪声整形和△调制到现今使用这些原理的大批量的商业产品的应用大约有三十年以上的历程。八十年代中期超大规模集成电路(VLSI )的出现和更小线宽的 CMOS 工艺的成熟,使得 调制器中抽取和插值的数字滤波器部分的成本大为降低。过采样和噪声整形技术的特点使得其可以广泛地应用于具有下列特点的领域:低频(≤10kHz),高分辨率(≥12bits),高复合性高集成度的数模混合信号单芯片设计。关于 技术的应用大致介绍如下。首先也可能是最广泛应用之一就是数字电话。根据具体要求不同又分为许多小的子集。公共交换网系统的编码器需要有 13-bit 分辨率及每秒 8000 次以上的转换速率。抵消回声的调制器,如 CCITT V.32 和 V.34 要求 12 到 16-bit 分辨率及每秒 8000 次以上的转换速率。数字移动电话在音频信号编码和匹到基带数据转换中都会用到 技术,如 VQ 信号的调制解调。最能体现 数据转换技术优势的应用也许是数字音频应用。在模拟元器件无法精确匹配的情况下, 也能尽可能高的提高转换器的分辨率。关于数字间频的应用主要有两方面:普通消费者级,14 到 18-bit 分辨率,和专业级,18 到 20-bit 分辨率。高阶多比特量化器的转换器结构能够实现更高分辨率的转换器,甚至于 22 到 24-bit 分辨率的转换器也投入应用当中,当然这种转换器的速度相对较低。现在关于 调制器的研究主要集中于在不降低 SNR 的前提下能够尽量拓宽输入信号的带宽,这将开启 转换器的数字视频、无线和有线电视及雷达方面的新的应用。采用多位的内部量化器(通常有 5 位的)及多级的 MASH 结构能够获得高速的转换器。而对于多比特量化器而言,DAC 的非线性是很重要的必须重点考虑的环节,因此也有许多的方法被提出来以改进非线性,如量化噪声泄漏(Quantization Noise Leakage),数字校正算法(Digital CorrectionAlgorithms)等 。另外,关于带通 ADC 的应用也[5] 有许多重大发展,有着十分广阔的前景。工艺和技术的进步(更小的线宽和更低的击穿电压)又进一步促使 调制器的研究趋向于低电压设计。另外便携式设备的广泛运用也开启了 数据转换器在低功耗方面的发展和应用。可以预期的是,随着噪声整形理论和实践的持续性的发展和成熟,数据转换器将会有一个更加宽广的发展前景。科技学院毕业论文(设计) [第 5 页]51. 3 本文的主要工作本次毕业设计的研究内容主要是一款 Sigma—Delta 调制器的设计研究。由于Sigma-Delta 调制器是 和 转化器的主要组成部分,本次研究主要针/AD/A对 Sigma—Delta 调制器进行研究设计。因为 Sigma—Delta 模数转换器是通过噪声整形的原理得到较高的转换精度,通常包含的模拟电路比较简单,其系统的设计更加重要。由于模数转换器是个非线性系统,对该类系统的表现需要建立合理的线性模型进行分析,而且实际电路的非理想性又会影响分析的效果。因此在设计一个 Sigma—Delta 模数转换器通常需要仔细的系统设计。本文专注于 调制器的理论分析与建模,并在此理论基础上针对一款实际的以二、一为级联的四阶 调制器的设计与仿真。本文在章节上从第二章开始首先介绍 调制器的基本原理,第三章介绍一阶与多阶调制器,第四章介绍级联型 调制器,第五章为 调制器的参数选择与建模。其顺序是从理论到实践的过程,而理论上又是逐步优化的过程。所以为了更好的了解 调制器的设计方法,我们必须先从理论开始,下面我们先来介绍 调制器的基本理论。第二章 转换器基本原理模数转换器可分为数字和模拟两大部分。模拟部分是一个 调制器,以远 大于奈奎斯特频率的采样率对模拟信号进行采样和量化,输出一位的数字位流。数字部分是一个数字滤波器,实现低通滤波和减取样的功能。作用是滤除大部分经过调制器整形后的量化噪声,并对一位的数据位流进行减取样,得到最终的量化结科技学院毕业论文(设计) [第 6 页]6果。从调制器编码理论的角度来看,多数传统的模数转换器,例如并行比较型、逐次逼近型等,均属于线性脉冲编码调制(LPCM ,Linear Pulse Code Modulation)类型。这类 ADC 根据信号的幅度大小进行量化编码,一个分辨率为 n 的 ADC 其满刻度电平被分为 个不同的量化等级,为了能区分这 个不同的量化等级需要相当复杂的电阻2n 2n(或电容)网络和高精度的模拟电子器件。当位数 n 较高时,比较网络的实现是比较困难的,因而限制了转换器分辨率的提高。同时,由于高精度的模拟电子器件受集成度、温度变化等因素的影响,进一步限制了转换器分辨率的提高。ADC 与传统的 LPCM 型 ADC 不同,它不是直接根据信号的幅度进行量化编码,而是根据前一采样值与后一采样值之差根据信号的包络形状进行量化编码的。即所谓增量进行量化编码,从某种意义上来说它是根据信号的包络形状来量化编码的。ADC 名称中的 表示增量, 表示积或求和。由于 ADC 采用了极低位的量化器(通常是 l 位),从而避免了 LPCM 型 ADC 在制造时所面临的很多困难,非常适合用 MOS 技术来实现。另一方面,又因为它采用了极高的采样速率和 Σ 一△调制技术,可以获得极高的分辨率。同时,由于它采用低位量化,不会像 LPCM 型 ADC 那样对输入信号的幅度变化过于敏感。与传统的 LPMC 型 ADC 相比, ADC 实际上是一种用高采样速率来换取高位量化,即以速率换分辨率的方案。由于 ADC 所使用的 1 位量化器(为一比较器)和 1位数模转换器具有良好的线性,所以, ADC 表现出的微分线性和积分线性性能是非常优秀的,并且,不像其他类型的模数转换器那样,它无需任何的修调。要了解ADC 的工作原理,首先介绍增量调制器 。[6]2.1 增量调制在传统的 型 转换器中,量化是根据抽样值的幅值大小进行的,然后将量PCM/AD化的结果用一串二进制数码去表示。为了精确地表示一个抽样值的大小就需要多位的量化器,位数越多,精度就越高。这种转换器有着明显的缺点,它完全忽略了信号样值之间的相关性。对于一个连续时间信号,抽样频率很高,抽样的时间间隔 很小,t那么相邻抽样点间信号的幅度一般会变化太大。这样就产生了增量调制。增量调制是
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