前言

數(shù)字信號處理和通信系統(tǒng)的性能很大程度上受到了模擬信號到數(shù)字信號轉(zhuǎn)換接口——ADC的精度和分辨率的限制。而傳統(tǒng)的線性脈沖編碼調(diào)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(diào)制技術(shù)的ADC可以在現(xiàn)有工藝下實現(xiàn)高分辨率（大于16位），同時由于結(jié)構(gòu)簡單，所以易于實現(xiàn)。低成本高性能使得Delta-Sigma調(diào)制技術(shù)得到了廣泛的應用。
Delta-Sigma型ADC的結(jié)構(gòu)原理圖如下圖所示：

它最大的優(yōu)勢在于僅用1位ADC進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，同時其模擬電路部分結(jié)構(gòu)簡單不需要很高的精度。因此Delta-Sigma調(diào)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(shù)據(jù)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(shù)字抽取和濾波技術(shù)，對1位數(shù)據(jù)流進行分頻，得到的ADC輸出數(shù)據(jù)的頻率會降低，但分辨率會提高。而且調(diào)制器的采樣頻率越高，那么所得的分辨率就越高。

一、增量調(diào)制（Delta調(diào)制）

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

1.1、Delta調(diào)制與解調(diào)原理

Delta調(diào)制輸出的數(shù)字信號y(n)經(jīng)過反饋回路上的1位DAC后變?yōu)槟M信號y(t)，y(t)經(jīng)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(jīng)過1位ADC后得到輸出數(shù)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(diào)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(fā)現(xiàn)，在 Delta調(diào)制的回路中，輸出信號y(n)決定積分信號的走向，從而調(diào)節(jié)$x^{?}$(t)變大或變小。Delta調(diào)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(diào)制的輸出信號y(n)，要還原輸入模擬信號，這就是解調(diào)過程。

二、Delta-Sigma調(diào)制

上圖為一階Delta-Sigma調(diào)制器的結(jié)構(gòu)原理圖，左側(cè)部分為模擬信號部分，右側(cè)部分為數(shù)字信號部分。Delta-Sigma調(diào)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(zhuǎn)換為1位數(shù)字流，一般使用鎖存比較器實現(xiàn)；1位DAC將1位數(shù)字流轉(zhuǎn)換為模擬信號。
Delta-Sigma調(diào)制器的作用是將輸入模擬信號轉(zhuǎn)換為由-1和1構(gòu)成的串行數(shù)據(jù)。輸出串行數(shù)據(jù)經(jīng)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(chǎn)生新的1位數(shù)據(jù)流。當采樣頻率足夠大時，調(diào)制器輸出的1位數(shù)據(jù)流的平均值就等于輸入信號的平均值，即1位數(shù)字流y(n)包含了輸入信號的所有信息。

2.1、Delta-Sigma調(diào)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(jīng)過積分器得到斜率為1.25的波形（第三層所示）。經(jīng)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(shù)為5，而為-1的采樣點數(shù)為3。根據(jù)3位雙極性ADC量化臺階示意圖所示：

正脈沖/脈沖總數(shù)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(diào)制技術(shù)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(diào)制器的設計與實現(xiàn)[D].哈爾濱工業(yè)大學,2017.

總結(jié)

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(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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