Sigma delta moduláció

Az oldal jelenlegi verzióját még nem ellenőrizték tapasztalt közreműködők, és jelentősen eltérhet a 2016. május 27-én áttekintett verziótól ; az ellenőrzések 26 szerkesztést igényelnek .

A szigma-delta moduláció ( ΣΔ ; vagy delta-sigma , ΔΣ ) egy olyan modulációs módszer , amely meghatározott jellemzőkkel rendelkező jelet digitalizál a működési frekvenciasávban .

Hogyan működik

A szigma-delta modulátor az integráló kondenzátor töltésének időszakos hiányos kiegyenlítésén alapul. Az egybites [2] elsőrendű szigma-delta modulátor a következőképpen működik: az első működési ciklusban a bemeneti jel integrálódik, amíg az integrátor kimeneti jele el nem éri a szinkron komparátor kapcsolási küszöbét. A komparátor kimeneti jelét csak egy külső órajel módosítja. Ez a digitális jel a modulátor kimenete, negatív visszacsatolást is tartalmaz , ahol a DAC segítségével analóg jel jön létre, amelyet levonnak a bemeneti analóg jelből, és ezáltal kiegyensúlyozza az integrátort, kényszerítve a kimenetét az ellenkező irányú változásra. . Így az integrátor elkezdi integrálni ezt a különbséget, és a kimenete az ellenkező irányba változik, amíg a komparátor az ellenkező irányba nem kapcsol. Továbbá ezek a ciklusok ismétlődnek, digitális sorozatot képezve a szinkron komparátor kimenetén.

Sigma-Delta ADC

A szigma-delta modulátor feltételesen felfogható szinkron feszültség-frekvencia átalakítónak [3] , és elméletileg ki lehet számítani, hogy ebben a digitális adatfolyamban mekkora egységszám lesz, amely a legegyszerűbb szigma-digitális kód lesz. delta ADC. Ezt a módszert azonban a gyakorlatban nem alkalmazzák a szükséges minták nagy száma miatt. A gyakorlatban a kvantálási zaj digitális szűrését alkalmazzák , amely a szigma-delta modulátor szerkezetéből adódóan az alacsony frekvenciájú tartományban csillapodik, a magasabb rendű modulátoroknál pedig meredekebb a csillapítás. Így a jel-zaj arány nem csak a túlmintavételezés miatt nő, hanem a hasznos jelet tartalmazó frekvenciatartományban zajalakítás miatt is [ 4] . [5]

Elemzés

A delta-szigma moduláció a delta moduláció összes előnyével rendelkezik, ugyanakkor számos hátránya mentes. Tudniillik a delta modulátor csak jól korrelált jelekkel való munkavégzésre alkalmas, ezért a bemeneti jel korrelációjának növelése érdekében egy integrátoron, a vevő oldalon pedig az átalakított kimeneti jel továbbítható. , illetve differenciálón keresztül.

Mivel az integrálok különbsége egyenlő a különbség integráljával, a kivonó bemenetén lévő két integrátor a kimenetén helyettesíthető eggyel. Ami a vevőoldali differenciálót illeti, az a fogadó integrátorral együtt kizárható. Így a DSM áramkör abban különbözik a delta modulátortól, hogy az integrátor az adó oldalon van, és a hiánya a vevő oldalon. Az áramkör ilyen kisebb változtatása jelentősen javította a teljesítményét, és különösen lehetővé tette a -120 dB jel-zaj arány elérését.

Zajok

A delta moduláció egyik alapelve a Kotelnyikov-frekvencia K-szeres túllépése. Ilyen újramintavételezéssel az effektív bitmélység, és ennek megfelelően a jel-zaj viszony növekszik a képlet szerint , ahol K a túlmintavételi tényező, N pedig a további bitek száma. Általában K = 64-et használnak, ebben az esetben az effektív bitszélesség 7 bit, a jel-zaj arány pedig 42 dB lesz. Az újramintavételezés azonban önmagában nem hatékony eszköz. A további zajelnyomás a delta-szigma modulátor felépítéséből adódik. A zajspektrum kialakulásának pontos megértéséhez a rendszer linearizált diszkrét modelljét használjuk, amelyben a bemeneti jelet az x(n) sorozat, a kimeneti jelet az y(x), a kvantálási zajt pedig az x(n) sorozat képviseli. a komparátor és a trigger e(n), amely a rendszer linearizált diszkrét modelljének diagramján látható. $K=2^{N}$

Tekintsük ennek a delta-szigma modulátorrendszernek a Z-transzformációját:

${\megjelenítési stílus Y(z)=((X(z)-Y(z))/z)/(1-1/z)+E(z)}$

${\megjelenítési stílus Y(z)=(X(t)/z)+(1-(1/z))E(z)}$

Látható, hogy ezen az áramkörön az X(t) hasznos jel változtatás nélkül, 1 ciklus késleltetéssel halad át, míg az E(t) zajnak van egy akadálya aluláteresztő szűrő (LPF) formájában. Így a zajspektrum kialakítása a delta-szigma modulátorban történik. Az integrátor ebben az esetben aluláteresztő szűrőként működik a jel zajkomponense számára. A zajenergia a nagyfrekvenciás tartományban koncentrálódik, és ennek nagy része a kimeneti aluláteresztő szűrővel kiszűrhető. Így a delta-szigma sorozat demodulálása után a kimeneti jel sokkal alacsonyabb zajszinttel rendelkezik, mint azt várnánk. A jel-zaj arány javításának következő lépése a modulátor sorrendjének növelése. Külön meg kell jegyezni, hogy a legnagyobb (24 bites) effektív kapacitású delta-szigma ADC csak egy integrátor és egy kapuzott komparátor felhasználásával építhető fel.

Információs paraméterek

Egy másik fontos jelparaméter ma az információs kapacitása. Itt kell megjegyezni, hogy a delta-szigma modulációs formátumú jel nem igényel keretszinkronizálást, ami azt jelenti, hogy a felvételben vagy az átviteli csatornában bármikor olvasható. Ez a hasonlósága az analóg jelhez. Egy másik fontos különbség a jel fokozott zajtűrése a delta-szigma modulációs formátumban.

Alkalmazás

A szigma-delta modulációt leggyakrabban ADC és DAC chipekben használják a hangfrekvencia tartományban (20–20 000 Hz). Ennek oka az ilyen rendszerek viszonylag kis frekvenciaigénye, valamint a rendszer zajszintjének és dinamikus tartományának jelentős követelményei .

A szigma-delta moduláció széleskörű alkalmazást talált az ADC mikroáramkörökben is a precíziós lassú mérésekhez, nagy dinamikatartománnyal (16-32 bit [6] ).

Hangfelvétel

A sigma-delta DAC-ok széles körben elterjedt audiojel-visszaadási eredményeként kísérletek történtek a digitális adathordozón lévő audio tárolási formátumok optimalizálására ehhez a technológiához. A szigma-delta moduláción alapuló formátumok előnyei - nincs szükség a jel lemintavételezésére ( tizedelés ).

A formátum leghíresebb példája a Sony és a Philips által javasolt Super Audio CD (SACD). A formátum paraméterei 1 bit, 2,8224 MHz.

Lásd még

Jegyzetek

↑ Kester, 2007 , p. 284.
↑ Az egybites szigma-delta modulátorok a leggyakoribbak.
↑ Kester, 2007 , p. 290.
↑ Zajcsökkentő áramkör és Quadrature Downconverter . Letöltve: 2016. június 23. Az eredetiből archiválva : 2016. augusztus 26.. (határozatlan)
↑ Kester, 2007 , p. 288.
↑ Például ADS1282 ADC stb.

Irodalom

Analóg-digitális átalakítás. - Szerk. Walt Kester. - Moszkva: Technoszféra, 2007. - 1016 p. - ISBN 978-5-94836-146-8 .