前言

數字信號處理和通信系統的性能很大程度上受到了模擬信號到數字信號轉換接口——ADC的精度和分辨率的限制。而傳統的線性脈沖編碼調制（PCM）ADC受到了制造工藝的限制，無法達到很高的分辨率。但基于Delta-Sigma調制技術的ADC可以在現有工藝下實現高分辨率（大于16位），同時由于結構簡單，所以易于實現。低成本高性能使得Delta-Sigma調制技術得到了廣泛的應用。
Delta-Sigma型ADC的結構原理圖如下圖所示：

它最大的優勢在于僅用1位ADC進行數據轉換，同時其模擬電路部分結構簡單不需要很高的精度。因此Delta-Sigma調制器可以達到很高的采樣速率，通過高頻采樣反饋和誤差積分，得到的1位數據流所包含的信息在時間尺度上能夠無限逼近模擬信號，然后通過使用數字抽取和濾波技術，對1位數據流進行分頻，得到的ADC輸出數據的頻率會降低，但分辨率會提高。而且調制器的采樣頻率越高，那么所得的分辨率就越高。

一、增量調制（Delta調制）

增量調制($\Delta$調制）可以看成是一種最簡單的DPCM。當DPCM系統中量化器的量化電平數取2時，此DPCM系統就成為增量調制系統。Delta-Sigma調制技術是由Delta調制技術發展而來的，因此首先給出Delta調制器的原理。Delta調制是基于輸入信號相鄰時刻幅值的差值進行調制的，而不是對信號幅值的絕對值進行調制。

1.1、Delta調制與解調原理

Delta調制輸出的數字信號y(n)經過反饋回路上的1位DAC后變為模擬信號y(t)，y(t)經過積分得到$x^{?}$(t)，然后得到誤差e(t)=$x$(t)-$x^{?}$(t),模擬信號e(t)經過1位ADC后得到輸出數字信號y(n)，y(n)反饋作用于$x^{?}$(t),從而達到使$x^{?}$(t)逼近輸入信號$x$(t)的目的。
上圖中調制波形圖繪制了“增量信號”y(n)的波形示意圖，對比$x^{?}$(t)可以發現，在 Delta調制的回路中，輸出信號y(n)決定積分信號的走向，從而調節$x^{?}$(t)變大或變小。Delta調制的輸出y(n)雖然具有方波的形狀，但不滿足“沖量等效原理",因為它僅包含輸入信號兩采樣時刻幅度的增量信息，而不是輸入信號幅值的絕對值信息。
如果已知Delta調制的輸出信號y(n)，要還原輸入模擬信號，這就是解調過程。

二、Delta-Sigma調制

上圖為一階Delta-Sigma調制器的結構原理圖，左側部分為模擬信號部分，右側部分為數字信號部分。Delta-Sigma調制器由一個積分器、一個1位ADC和一個位于反饋回路的1位DAC組成。其中1位ADC將模擬信號轉換為1位數字流，一般使用鎖存比較器實現；1位DAC將1位數字流轉換為模擬信號。
Delta-Sigma調制器的作用是將輸入模擬信號轉換為由-1和1構成的串行數據。輸出串行數據經過1位DAC的放大后，與輸入信號作差，誤差信號送入積分累加，積分器的輸出再送入1位ADC產生新的1位數據流。當采樣頻率足夠大時，調制器輸出的1位數據流的平均值就等于輸入信號的平均值，即1位數字流y(n)包含了輸入信號的所有信息。

2.1、Delta-Sigma調制器仿真demo

例如上圖中，采樣周期為0.1s，此時輸入的模擬信號幅值為0.25。當初始輸入信號的反饋值為-1時，第一個采樣點的輸入值與輸出值差值為1.25，所以經過積分器得到斜率為1.25的波形（第三層所示）。經過多次采樣，取前8個輸出信號值采樣值，可以看到為1的采樣點數為5，而為-1的采樣點數為3。根據3位雙極性ADC量化臺階示意圖所示：

正脈沖/脈沖總數為：5/8，這個剛好對應于3位雙極性ADC的0.25V,這正是輸入模擬信號的幅值。

參考文獻

王偉. Sigma-Delta調制技術的研究及其在逆變器中的應用[D].華中科技大學,2017.
周瀟瀟. 16位低功耗的Delta-Sigma調制器的設計與實現[D].哈爾濱工業大學,2017.

總結

以上是生活随笔為你收集整理的Delta-Sigma调制（DSM）技术的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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