Sigma deltamodulering

Den aktuella versionen av sidan har ännu inte granskats av erfarna bidragsgivare och kan skilja sig väsentligt från versionen som granskades den 27 maj 2016; kontroller kräver 26 redigeringar .

Sigma- deltamodulering ( ΣΔ ; eller delta-sigma , ΔΣ ) är en moduleringsmetod som digitaliserar en signal med specificerade egenskaper i arbetsfrekvensbandet .

Hur det fungerar

Sigma-delta-modulatorn är baserad på periodisk ofullständig balansering av integratorkondensatorns laddning. En enbits [2] första ordningens sigma-delta-modulator fungerar enligt följande: vid den första operationscykeln integreras insignalen tills integratorns utsignal når omkopplingströskeln för den synkrona komparatorn. Utsignalen från komparatorn ändras endast av en extern klocksignal. Denna digitala signal är utsignalen från modulatorn, den går också in i negativ återkoppling , där en analog signal genereras med hjälp av DAC, som subtraheras från den ingående analoga signalen, och balanserar därmed integratorn, vilket tvingar dess utsignal att ändras i motsatt riktning . Således börjar integratorn att integrera denna skillnad och dess utsignal ändras i motsatt riktning tills komparatorn växlar i motsatt riktning. Vidare upprepas dessa cykler och bildar en digital sekvens vid utgången av den synkrona komparatorn.

Sigma-Delta ADC

Sigma-delta-modulatorn kan villkorligt betraktas som en synkron spänning-till-frekvensomvandlare [3] , och det är teoretiskt möjligt att beräkna det specifika antalet enheter i denna digitala ström, som kommer att vara den digitala koden för den enklaste sigma- delta ADC. Denna metod används dock inte i praktiken på grund av det stora antalet prover som krävs. I praktiken används digital filtrering av kvantiseringsbrus , som, på grund av strukturen hos sigma-delta-modulatorn, har en avklingning i lågfrekvensområdet, och avklingningen har en större branthet i högre ordningens modulatorer. Således växer signal-brusförhållandet inte bara på grund av översampling, utan också på grund av brusformning [ 4] i frekvensområdet som innehåller den användbara signalen .  [5]

Analys

Delta-sigma-modulering har alla fördelar med deltamodulering och är samtidigt utan många av dess nackdelar. Som du vet är deltamodulatorn lämplig för att arbeta endast med välkorrelerade signaler, därför, för att öka korrelationen för insignalen, kan den passeras genom en integrator, och på mottagningssidan kan den konverterade utsignalen skickas genom en differentiator.

Eftersom skillnaden mellan integralerna är lika med integralen för skillnaden, kan de två integratorerna vid subtraherarens ingångar ersättas med en vid dess utgång. När det gäller differentiatorn på den mottagande sidan kan den uteslutas tillsammans med den mottagande integratorn. Således skiljer sig DSM-kretsen från deltamodulatorn i läget för integratorn på sändningssidan och dess frånvaro på den mottagande sidan. En sådan mindre förändring i kretsen förbättrade dess prestanda avsevärt och gjorde det i synnerhet möjligt att uppnå ett signal-brusförhållande på -120 dB.

Brus

En av de grundläggande principerna för deltamodulering är överskottet av Kotelnikov-frekvensen med K gånger. Med sådan omsampling ökar det effektiva bitdjupet, och följaktligen signal-brusförhållandet, enligt formeln , där K är översamplingsfaktorn och N är antalet ytterligare bitar. Typiskt används K = 64, i vilket fall den effektiva bitbredden kommer att vara 7 bitar och signal-brusförhållandet kommer att vara 42 dB. Omsampling i sig är dock inte ett effektivt verktyg. Ytterligare brusdämpning kommer från själva strukturen hos delta-sigma-modulatorn. För att förstå exakt hur brusspektrumet bildas använder vi en linjäriserad diskret modell av systemet, där insignalen representeras av sekvensen x(n), utsignalen är y(x), och kvantiseringsbruset som introduceras av komparatorn och triggern är e(n), vilket visas i diagrammet för en linjäriserad diskret modell av systemet.

Tänk på Z-transformen av detta delta-sigma modulatorsystem:

Det kan ses att den användbara signalen X(t) passerar genom denna krets utan förändringar, med en fördröjning på 1 cykel, medan bruset E(t) har ett hinder i form av ett lågpassfilter (LPF). Således utförs bildandet av brusspektrumet i delta-sigma-modulatorn. Integratorn fungerar i detta fall som ett lågpassfilter för signalens bruskomponent. Brusenergin är koncentrerad till högfrekvensområdet och det mesta kan filtreras bort av det utgående lågpassfiltret. Sålunda har utsignalen efter demodulering av delta-sigma-sekvensen en mycket lägre brusnivå än man kan förvänta sig. Nästa steg för att förbättra signal-brusförhållandet är att öka ordningen på modulatorn. Det bör särskilt noteras att den högsta (24-bitars) effektiva kapaciteten delta-sigma ADC kan byggas med bara en integrator och en grindad komparator.

Informationsparametrar

En annan viktig signalparameter idag är dess informationskapacitet. Det bör noteras här att signalen i delta-sigma-modulationsformatet inte kräver ramsynkronisering, vilket innebär att den kan läsas när som helst i inspelningen eller i överföringskanalen. Detta är dess likhet med en analog signal. En annan viktig skillnad är den ökade brusimmuniteten hos signalen i delta-sigma-modulationsformatet.

Applikation

Oftast används sigma-deltamodulering i ADC- och DAC -chips i ljudfrekvensområdet (20–20 000 Hz). Detta beror på de relativt små frekvenskraven för sådana system och de betydande kraven på systemets ljudnivå och dynamiska omfång .

Sigma-deltamodulering har också funnit bred tillämpning i ADC-mikrokretsar för långsamma precisionsmätningar med ett stort dynamiskt område (från 16 till 32 bitar [6] ).

Ljudinspelning

Som ett resultat av den utbredda användningen av sigma-delta DAC i ljudsignalreproduktion har försök gjorts att optimera ljudlagringsformat på digitala medier för denna teknik. Fördelarna med format baserade på sigma-deltamodulering - inget behov av att nedsampla signalen ( decimering ).

Det mest kända exemplet på formatet är Super Audio CD (SACD), som föreslagits av Sony och Philips. Formatparametrarna är 1 bit, 2,8224 MHz.

Se även

Anteckningar

  1. ↑ Kester, 2007 , sid. 284.
  2. ↑ Enbitars sigma-delta-modulatorer är de vanligaste.
  3. ↑ Kester, 2007 , sid. 290.
  4. ↑ Brusreducerande krets och kvadraturnedkonverterare . Hämtad 23 juni 2016. Arkiverad från originalet 26 augusti 2016.
  5. ↑ Kester, 2007 , sid. 288.
  6. ↑ Till exempel ADS1282 ADC, etc.

Litteratur

Länkar