Sigma delta modulering

Den aktuelle version af siden er endnu ikke blevet gennemgået af erfarne bidragydere og kan afvige væsentligt fra den version , der blev gennemgået den 27. maj 2016; checks kræver 26 redigeringer .

Sigma-delta-modulation ( ΣΔ ; eller delta-sigma , ΔΣ ) er en modulationsmetode , der digitaliserer et signal med specificerede karakteristika i driftsfrekvensbåndet .

Sådan virker det

Sigma-delta modulatoren er baseret på periodisk ufuldstændig balancering af ladningen af integratorkondensatoren. En enkelt- bit [2] første-ordens sigma-delta modulator fungerer som følger: ved den første operationscyklus integreres indgangssignalet, indtil integratorens udgangssignal når koblingstærsklen for den synkrone komparator. Udgangssignalet fra komparatoren ændres kun af et eksternt kloksignal. Dette digitale signal er output fra modulatoren, det går også ind i negativ feedback , hvor et analogt signal genereres ved hjælp af DAC'en, som trækkes fra det analoge inputsignal, og derved balancerer integratoren, hvilket tvinger dens output til at ændre sig i den modsatte retning . Således begynder integratoren at integrere denne forskel, og dens output ændres i den modsatte retning, indtil komparatoren skifter i den modsatte retning. Yderligere gentages disse cyklusser og danner en digital sekvens ved udgangen af den synkrone komparator.

Sigma-Delta ADC

Sigma-delta-modulatoren kan betinget betragtes som en synkron spænding-til-frekvens-omformer [3] , og det er teoretisk muligt at beregne det specifikke antal enheder i denne digitale strøm, som vil være den digitale kode for den simpleste sigma- delta ADC. Denne metode bruges dog ikke i praksis på grund af det store antal prøver, der kræves. I praksis anvendes digital filtrering af kvantiseringsstøj , som på grund af strukturen af sigma-delta-modulatoren har et henfald i lavfrekvensområdet, og henfaldet har en større stejlhed i højere-ordens modulatorer. Signal-til-støj-forholdet vokser således ikke kun på grund af oversampling, men også på grund af støjformning [ 4] i frekvensområdet, der indeholder det nyttige signal . [5]

Analyse

Delta-sigma-modulation har alle fordelene ved delta-modulation og er samtidig blottet for mange af dens ulemper. Som du ved, er deltamodulatoren kun egnet til at arbejde med velkorrelerede signaler, derfor kan det for at øge korrelationen af inputsignalet sendes gennem en integrator, og på den modtagende side kan det konverterede udgangssignal sendes , henholdsvis gennem en differentiator.

Da forskellen mellem integralerne er lig med integralet af forskellen, kan de to integratorer ved subtraktorens input erstattes af en ved dens output. Hvad angår differentiatoren på den modtagende side, kan den udelukkes sammen med den modtagende integrator. DSM-kredsløbet adskiller sig således fra delta-modulatoren i positionen af integratoren på den transmitterende side og dens fravær på den modtagende side. En sådan mindre ændring i kredsløbet forbedrede dets ydeevne betydeligt og gjorde det især muligt at opnå et signal-støjforhold på -120 dB.

Lyde

Et af de grundlæggende principper for deltamodulation er overskuddet af Kotelnikov-frekvensen med K gange. Med en sådan resampling øges den effektive bitdybde og følgelig signal-til-støj-forholdet ifølge formlen , hvor K er oversamplingsfaktoren, og N er antallet af yderligere bits. Typisk bruges K = 64, i hvilket tilfælde den effektive bitbredde vil være 7 bit og signal-støjforholdet vil være 42 dB. Imidlertid er resampling i sig selv ikke et effektivt værktøj. Yderligere støjdæmpning kommer fra selve strukturen af delta-sigma-modulatoren. For at forstå præcis, hvordan støjspektret er dannet, bruger vi en lineariseret diskret model af systemet, hvor inputsignalet er repræsenteret af sekvensen x(n), udgangssignalet er y(x), og kvantiseringsstøjen introduceret af komparatoren og triggeren er e(n), som er vist på diagrammet af en lineariseret diskret model af systemet. $K=2^{N}$

Overvej Z-transformationen af dette delta-sigma modulatorsystem:

$Y(z)=((X(z)-Y(z))/z)/(1-1/z)+E(z)$

$Y(z)=(X(t)/z)+(1-(1/z))E(z)$

Det kan ses, at nyttesignalet X(t) passerer gennem dette kredsløb uden ændringer, med en forsinkelse på 1 cyklus, mens støjen E(t) har en hindring i form af et lavpasfilter (LPF). Således udføres dannelsen af støjspektret i delta-sigma-modulatoren. Integratoren fungerer i dette tilfælde som et lavpasfilter for signalets støjkomponent. Støjenergi er koncentreret i højfrekvensområdet, og det meste af det kan filtreres ud af output-lavpasfilteret. Udgangssignalet efter demodulering af delta-sigma-sekvensen har således et meget lavere støjniveau, end man kunne forvente. Det næste skridt til at forbedre signal-til-støj-forholdet er at øge rækkefølgen af modulatoren. Det skal især bemærkes, at den højeste (24-bit) effektive kapacitet delta-sigma ADC kan bygges ved hjælp af kun en integrator og en gated komparator.

Informationsparametre

En anden vigtig signalparameter i dag er dens informationskapacitet. Det skal her bemærkes, at signalet i delta-sigma-modulationsformatet ikke kræver rammesynkronisering, hvilket betyder, at det kan læses til enhver tid i optagelsen eller i transmissionskanalen. Dette er dens lighed med et analogt signal. En anden vigtig forskel er den øgede støjimmunitet af signalet i delta-sigma-modulationsformatet.

Ansøgning

Oftest bruges sigma-delta-modulation i ADC- og DAC -chips i lydfrekvensområdet (20-20.000 Hz). Dette skyldes de relativt små frekvenskrav til sådanne systemer og de betydelige krav til systemets støjniveau og dynamiske rækkevidde .

Sigma-delta-modulation har også fundet bred anvendelse i ADC-mikrokredsløb til langsomme præcisionsmålinger med et stort dynamisk område (fra 16 til 32 bit [6] ).

Lydoptagelse

Som et resultat af den udbredte brug af sigma-delta DAC'er i lydsignalgengivelse , er der blevet gjort forsøg på at optimere lydlagringsformater på digitale medier til denne teknologi. Fordelene ved formater baseret på sigma-delta-modulation - ingen grund til at nedsample signalet ( decimering ).

Det mest berømte eksempel på formatet er Super Audio CD (SACD), foreslået af Sony og Philips. Formatparametrene er 1 bit, 2,8224 MHz.

Se også

Noter

↑ Kester, 2007 , s. 284.
↑ Single-bit sigma-delta modulatorer er de mest almindelige.
↑ Kester, 2007 , s. 290.
↑ Støjreduktionskredsløb og kvadratur-nedkonverter . Hentet 23. juni 2016. Arkiveret fra originalen 26. august 2016. (ubestemt)
↑ Kester, 2007 , s. 288.
↑ For eksempel ADS1282 ADC osv.

Litteratur

Analog til digital konvertering. - Ed. Walt Kester. - Moskva: Technosphere, 2007. - 1016 s. - ISBN 978-5-94836-146-8 .