一種基於數據權重平均化方法的多比特sigma‑delta調製器及調製方法與流程
2023-10-09 00:16:49 1
本發明涉及多比特sigma-delta調製器，特別是多比特sigma-delta調製器中基於隨機化原理的DWA算法。
背景技術：
Sigma-delta調製器用於模數轉換器ADC中。Sigma-delta調製器基於過採樣技術和噪聲整形技術，基本結構包括環路濾波器及其後的量化器以及反饋DAC。提升調製器性能考慮從過採樣率、環路濾波器階數和量化比特數入手。
為了獲得高動態範圍，其中，採用多比特量化器的方法，減小了積分步長，降低了積分器中運放的擺率和增益線性度的要求。然而，多比特量化需要多比特反饋DAC。由於多比特sigma-delta調製器中反饋DAC不同單元結構的不匹配會導致非線性DAC輸出，通常採用動態元素匹配(DEM)方法之一的數據權重平均(DWA)算法來降低多比特DAC非線性產生的影響。
反饋迴路DWA邏輯塊的目的是降低反饋迴路DAC的非線性。多比特sigma-delta系統中，傳輸數據位溫度計編碼，N位溫度計編碼在每一個數據位上的佔用率不相等。反饋迴路DAC的工作方式是根據溫度計編碼位數而使用相同數量的DAC通道並行處理數據，對於反饋迴路DAC而言，其輸入並不局限於標準溫度計編碼數據，數據的有效性僅取決於輸入數據中包含的『0』和『1』的數量。如果溫度計編碼中某一位數據佔用率遠高於其他位，則反饋迴路DAC中對應數據位DAC通道的使用率也將遠高於其他數據位DAC通道，而因為實際使用中每一個DAC數據通道非理想，其模擬輸出值相對於標準值有一定偏差，對於過於頻繁使用單一DAC數據通道將會對系統的數據帶來較大的誤差，此種誤差稱之為反饋迴路DAC的非線性。
DWA邏輯塊的工作原理是使數個時鐘周期的溫度計編碼數據平均分布於溫度計編碼的各個信號位，使得反饋迴路DAC中各個數據通道的使用率一致。因此，反饋迴路DWA邏輯塊僅在使用多比特量化器時使用，單比特量化器因為僅有1位信號輸入到DAC，所以沒有DAC非線性的問題存在。
DWA算法在達到較好的效果的同時，也仍有很多不可避免的缺點。首先，DWA的算法複雜，需要數量較多的寄存器來對上一周期數據進行存儲，將會佔用相當大的算法電路面積；其次，DWA因為算法原理，在設計時需要考慮對數據處理有半個時鐘周期的延遲，以確保穩定性。
另外文獻「Linearity Enhancement of Multibit SD,AD and DA Converters Using Data Weighted Averaging」中採用的傳統DWA方法是使用隨機化原理法將溫度計編碼數據進行隨機排列。但在當輸入信號頻率較低時，使用DWA算法會使DAC失配誤差輸出與輸入信號相關性增大，會引起失真。因此目前的隨機化方法使用隨機源產生隨機序列的方法效果不佳，且結構複雜，實用性差。
技術實現要素：
本發明針對反饋DAC失配和原有DWA算法複雜的問題，基於隨機化原理提出了一種用於多比特sigma-delta調製器中的新型DWA算法。本發明對輸入的多位溫度計編碼數據按設定進行兩步處理，實現了溫度計編碼在各個數據位的分布平均化，縮減了算法電路的面積和佔用資源，抑制了DAC的非線性誤差，提高了整個多比特sigma-delta調製器的線性度。
本發明的技術方案為一種基於動態分布平均方法的多比特sigma-delta調製器，該調製器包括：環路濾波器、多比特量化器、反饋迴路多比特DAC，輸入信號依次經過環路濾波器、多比特量化器後輸出，輸出信號分支出反饋迴路經過反饋迴路多比特DAC後與輸入信號相減，再輸入環路濾波器；其特徵在於反饋迴路上還包括反饋迴路DWA算法邏輯塊，用於對反饋信號執行DWA算法。
一種用於多比特sigma-delta調製器中的數據權重平均化方法，該方法包括：
步驟1：對輸入sigma-delta調製器的模擬信號進行過採樣，獲得過採樣信號；
步驟2：將過採樣信號與反饋信號之差輸入環路濾波器，對輸入環路濾波器的信號進行噪聲整形，獲得整形信號；
步驟3：將整形信號經過多比特量化器進行量化，輸出數位訊號；
步驟4：將輸出數位訊號分為兩路，一路為輸出、另一路為反饋，將該處反饋的數位訊號進行數據權重平均化處理，獲得分布平均化的信號；
步驟5：將分布平均化的信號進行數模轉換，該轉換後的信號作為步驟2中的反饋信號。
進一步的，所述步驟4中的動態分布平均化處理方法包括：
步驟4.1：將反饋的數位訊號中每個數據周期內的溫度計編碼以相同的方式交換順序，或者將多個數據周期劃分為一組，每組中各數據周期內的溫度計編碼交換方式不同，但各組中相同位置的數據周期類的溫度計編碼交換方式相同；
步驟4.2：將步驟4.1交換後的數據進行循環移位，獲得分布平均化的信號。
本發明的有益效果為：
本發明中新型DWA算法通過兩步順序變換，達到了傳統DWA算法所具備的數據權重分布平均化的效果，同時相比傳統DWA算法，不再需要使用佔用面積和資源較大的寄存器存儲上一周期數據，且每周期數據與上一周期的數據相關性降低。其中，順序交換與循環操作兩個步驟操作簡單，在有效時鐘沿輸入時即可進行操作，延遲降低。因此該DWA算法縮減了算法電路的面積、佔用資源，提高了整個多比特sigma-delta調製器的線性度。
本發明中DWA算法數據變化的信號來源不再為傳統DWA算法中使用的上一周期數據，而是系統時鐘，相比傳統DWA算法，所需要的算法計算時間更少，不再需要半個時鐘周期的延遲來完成算法計算，使得新型DWA的頻率可以達到更高，因此可以使得sigma-delta調製器在帶寬更高的情況下達到良好的效果。
附圖說明
圖1是離散時間多比特sigma-delta調製器的總體結構圖，
圖2是用在圖1的調製器中或者用在本發明實施例中的反饋迴路DWA兩步變換邏輯圖，
圖3示出了根據本發明實施例的用於多比特sigma-delta調製器的DWA算法第一步效果圖，
圖4示出了根據本發明實施例的用於多比特sigma-delta調製器的DWA算法第二步效果圖，
圖5分別示出了根據本發明實施例的用於多比特sigma-delta調製器三種效果對比圖，分別是不使用DWA、使用原始DWA以及使用本發明實施例DWA的效果圖。
具體實施方式
下面結合附圖和實施例，詳述本發明的技術方案。
如圖1所示，為實施例的sigma-delta調製器的總體結構圖。多比特sigma-delta調製器的構成包括環路濾波器，量化器，反饋迴路DWA邏輯塊，反饋迴路DAC。整個sigma-delta調製器的工作流程為：第一步，環路濾波器將模擬輸入信號整合DAC的反饋信號後的信號進行濾波處理；第二步，濾波後的信號輸入到量化器進行模擬數字轉換，輸出溫度計編碼的碼字信號；第三步，量化器的輸出信號輸入到反饋迴路DWA邏輯塊，對溫度計編碼數據進行動態失配整形處理；第四步，將處理後的溫度計編碼數據輸入到反饋迴路DAC；第五步，將反饋迴路DAC的輸出反饋到原始模擬信號輸入端，與輸入信號進行整合。
反饋迴路DWA邏輯塊的目的是降低反饋迴路DAC的非線性。多比特sigma-delta調製器系統中，傳輸數據位溫度計編碼，N位溫度計編碼在每一個數據位上的佔用率不相等，例如：4位溫度計編碼，僅存在「0000」、「0001」、「0011」、「0111」、「1111」共五種數據，如果五種數據出現頻率相同，則第四位數據出現數據『1』的頻率最高，其它依次是第三位、第二位、第一位。反饋迴路DAC的工作方式是根據溫度計編碼位數而使用相同數量的DAC通道並行處理數據，對於反饋迴路DAC而言，其輸入並不局限於標準溫度計編碼數據，數據的有效性僅取決於輸入數據中包含的『0』和『1』的數量，例如輸入「0011」與「1100」對於反饋迴路DAC而言，在理想情況下有相同的模擬量輸出。如果溫度計編碼中某一位數據佔用率遠高於其他位，則反饋迴路DAC中對應數據位DAC通道的使用率也將遠高於其他數據位DAC通道，而因為實際使用中每一個DAC數據通道非理想，其模擬輸出值相對於標準值有一定偏差，對於過於頻繁使用單一DAC數據通道將會對系統的數據帶來較大的誤差，此種誤差稱之為反饋迴路DAC的非線性。DWA邏輯塊的工作原理是通過循環選擇每個數據通道，使得數個時鐘周期的溫度計編碼數據平均分布於溫度計編碼的各個信號位，使得反饋迴路DAC中各個數據通道的使用率一致。因此，反饋迴路DWA邏輯塊僅在使用多比特量化器時使用，單比特量化器因為僅有1位信號輸入到DAC，所以不需要考慮DAC非線性問題。
本發明使用基於隨機化技術的兩步變換法進行DWA邏輯計算。如圖2所示，溫度計編碼數據經過兩步變換：第一步，使用半固定方法進行數據順序交換，第二步，使用循環移位輸出。使用隨機化技術使得每個周期溫度計編碼中各個數據位的佔用隨機分布，在整個運行期間溫度計編碼中各個數據位的佔用率趨於平均化。
其中第一步半固定順序交換數據的方法，可以分為兩種：第一種，對於所有數據均使用固定的交換方式，交換方式不隨數據數量的變化而改變，為固定的順序交換數據；第二種，將連續的數個周期的數據設定為一組，後續周期的數據，按照設定的組數將數據依次分為第二組、第三組等，每組數據使用相同的順序交換規則，一組數據處理完成後，使用下一組對應的順序交換規則，對下一組數據進行順序交換處理。第二種方法可以使得本發明的DWA邏輯塊算法的隨機深度加大。
其中第二步循環移位輸出，一般循環次數與溫度計編碼數據的位數相同，移位信號由系統時鐘決定。循環輸出可以有兩種循環方向，可以使用其中的一種循環方式，也可以同時使用兩種循環方式，按照第一步方法第二種方式中分組的方法來實現。
Sigma-delta調製器中的量化器和DAC通常具有相同解析度。N比特量化器的輸出為2N-1比特的溫度計碼。其中一個具體實施例如下所述：
對於一個3比特sigma-delta系統，其量化器輸出溫度計編碼位數為7。溫度計碼通過「1」的數量來表示信號值。在3比特DAC的示意性情況中，具有7個元件，可以認為將其編號為1到7。當接收第一多比特數字輸入信號是，第一單元被選擇用於處理輸入信號。用於處理輸入信號的單元的數量取決於輸入信號的值。
對於反饋迴路DWA邏輯塊的第一步處理，使用半固定方法順序交換數據，其具體實現為：將原數據的第一位數據交換到輸出數據的第一位，將原數據的第二位數據交換到輸出數據的第三位，將原數據的第三位數據交換到輸出數據的第五位，將原數據的第四位數據交換到輸出數據的第七位，將原數據的第五位數據交換到輸出數據的第二位，將原數據的第六位數據交換到輸出數據的第四位，將原數據的第七位數據交換到輸出數據的第六位。對於本例，每一周期數據均採用此方法進行順序交換。其原始數據和處理後數據如圖3所示。
對於反饋迴路DWA邏輯塊的第二步處理，使用循環移位輸出交換數據順序。其具體實現為：第一個周期，輸入數據的第一位至第七位分別對應輸出數據的第一位至第七位；第二個周期，輸入數據的第一位至第六位分別對應輸出數據的第二位至第七位，輸入數據的第七位對應輸出數據的第一位；第三個周期，輸入數據的第一位至第五位分別對應輸出數據的第三位至第七位，輸入數據的第六位至第七位對應輸出數據的第一位至第二位；第四個周期，輸入數據的第一位至第四位分別對應輸出數據的第四位至第七位，輸入數據的第五位至第七位對應輸出數據的第一位至第三位；第五個周期，輸入數據的第一位至第三位分別對應輸出數據的第四位至第七位，輸入數據的第四位至第七位對應輸出數據的第一位至第三位；第六個周期，輸入數據的第一位至第二位分別對應輸出數據的第六位至第七位，輸入數據的第三位至第七位對應輸出數據的第一位至第五位；第七個周期，輸入數據的第一位對應輸出數據的第七位，輸入數據的第二位至第七位對應輸出數據的第一位至第六位；第八個周期，重複第一個周期的交換方法，以此類推，形成循環。其原始數據和處理後的數據如圖4所示。
通過兩步處理後的數據，隨機深度為7，而因為數據也擁有一定的隨機性，處理後的數據達到了在溫度計編碼各個數據位上的平均分布。其具體效果如圖5所示，同時對比同樣數據，使用原始DWA邏輯塊處理後的效果圖。
對比原始反饋迴路DWA邏輯塊，本發明在資源佔用上有明顯減小。在原始DWA邏輯塊中，需要使用與溫度計編碼數據位數2N-1相等數量的寄存器來存儲上一周期的溫度計編碼數據；本發明中，對於第一步處理使用第一種方式，不需要額外的寄存器，第二步方法使用單方向循環的方式僅需要與量化器位數N相等數量的寄存器來存儲當前數據周期數即可。在效果上，使用原始DWA算法的系統SNDR高於本發明中方法，但SFDR低於本方法，性能接近。
儘管上述內容涉及delta-sigma調製器，顯而易見的是，說明書中描述的DAC也能夠用作獨立的裝置以在使用DEM的應用中實現此處描述的算法技術。