DE112013000926B4

DE112013000926B4 - Sigma-Delta-Modulator mit Dithersignal

Info

Publication number: DE112013000926B4
Application number: DE112013000926.9T
Authority: DE
Inventors: Colin G. Lyden; Roberto S. MAURINO
Original assignee: Analog Devices Inc
Current assignee: Analog Devices Inc
Priority date: 2012-02-10
Filing date: 2013-02-08
Publication date: 2018-01-04
Anticipated expiration: 2033-02-09
Also published as: US20130207820A1; US8766836B2; TWI555340B; CN104137422B; DE112013000926T5; CN104137422A; TW201338431A; WO2013119945A1

Abstract

Sigma-Delta-Modulator (200), aufweisend: einen Schleifenfilter (220); einen Addierer (215), der konfiguriert ist, eine Ausgabe des Schleifenfilters und ein Dither-Eingangssignal entgegenzunehmen und die Ausgabe des Schleifenfilters und das Dither-Eingangssignal zu einem kombinierten Ausgangssignal zu kombinieren; einen Quantisierer (230), der konfiguriert ist, das kombinierte Ausgangssignal vom Addierer entgegenzunehmen und das kombinierte Signal in ein Quantisierer-Ausgangssignal zu quantisieren; einen ersten Subtrahierer (225), der konfiguriert ist, das Quantisierer-Ausgangssignal entgegenzunehmen und das Dither-Eingangssignal vom Quantisierer-Ausgangssignal zu subtrahieren; einen ersten Digital-Analog-Wandler (240), der konfiguriert ist, über einen Rückkopplungspfad des Sigma-Delta-Modulators eine Ausgabe des ersten Subtrahierers entgegenzunehmen und die Ausgabe vom ersten Subtrahierer (225) in ein analoges Signal umzuwandeln; und einen zweiten Subtrahierer (205), der konfiguriert ist, das analoge Signal vom ersten Digital-Analog-Wandler entgegenzunehmen und an den Schleifenfilter ein Signal auszugeben, das die Differenz zwischen einem Eingangssignal und dem analogen Signal darstellt.

Description

PRIORITÄTSANSPRUCH
Die vorliegende Anmeldung beansprucht die Priorität der provisorischen US-Patentanmeldung Nr. 61/597,422, eingereicht am 10. Februar 2012.
HINTERGRUND
Die vorliegende Erfindung betrifft einen verbesserten Sigma-Delta-Modulator. Sigma-Delta-Modulatoren, die bei niedrigen Eingangswerten oder mit Gleichstrom-Eingangssignalen arbeiten, können ein nachteiliges Klangverhalten an den Tag legen. Zum Beispiel kann das Ausgangsspektrum große Töne zeigen, die eine Verschlechterung des Signal-Rausch-Verhältnisses (SNR) zur Folge haben. Dither, eine vorsätzlich beaufschlagte Art von Rauschen, kann verwendet werden, um solche Töne zu vermeiden. Der Einsatz von Dither kann jedoch einen Schleifenfilter mit zusätzlicher Aussteuerungsreserve erfordern.
Wie in 1 gezeigt, kann ein Dither-Signal 110 typischerweise vor einem Quantisierer 130 in einem herkömmlichen Sigma-Delta-Modulator hinzuaddiert werden. Auf diese Weise wird das Dither-Rauschen durch den Schleifenfilter 120 geformt, und am Ausgang des Modulators 100 wird in der Signalbandbreite eine geringere Ditherleistung vorhanden sein. In diesem Fall wird das Dither-Signal der Rückkopplungsschleife hinzugefügt, was auch eine zusätzliche Aussteuerungsreserve im Schleifenfilter 120 erfordert. Im Fall von Sigma-Delta-Modulatoren mit einer Eins-Signalübertragungsfunktion kann der Schleifenfilter 120 nur den Quantisiererfehler verarbeiten. Wird das Dither-Signal zu dem Quantisierereingangssignal hinzuaddiert, dann wird das Dither-Signal direkt zu dem Quantisiererfehler hinzuaddiert, was eine erhöhte Aussteuerungsreserve für den Schleifenfilter 120 erfordert. Eine erhöhte Aussteuerungsreserve hat typischerweise größeren Leistungsverbrauch zur Folge. Bei Niedrigleistungsversorgung können keine leistungseffizienten teleskopischen Transkonduktanzverstärker (OTA) im Schleifenfilter 120 verwendet werden. Es kann daher ein Zweistufenverstärker, der zusätzliche Leistung erfordert, erforderlich sein, um den größeren Ausgangshub zu erzielen.
EP 2 381 578 A1 offenbart einen Sigma-Delta-Wandler mit einem Addierer, einem Schleifenfilter, einem Quantisierer, einem dynamischen Elementanpassungselement und einem Digital-Analog-Wandler. Der Addierer addiert ein Wandlereingangssignal zu einem Ausgangssignal des Digital-Analog-Wandlers, der Schleifenfilter filtert das Ausgangssignal des Addierers, der Quantisierer verarbeitet das Ausgangssignal des Schleifenfilters, das Ausgangssignal des Quantisierers wird als Ausgangssignal des Sigma-Delta-Wandlers verwendet und wird auch dem dynamischen Element zur Verfügung gestellt, und in das Ausgangssignal des dynamischen Elements wird dem Addierer zur Verfügung gestellt.
US 2010/0245136 A1 offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung, um Quantisierungsrauschen einem Delta-Sigma-Modulator unter Verwendung eines Dither-Signals zu verschleiern. Ein Eingangssignal wird unter Verwendung eines Quantisierers quantisiert, ein Dither-Signal wird einem Delta-Sigma-Modulator zugeführt, ein Quantisierungsfehler des Quantisierers wird ermittelt, das Dither-Signal wird an einer anderen Stelle des Delta-Sigma-Modulators entfernt, ein Fehlerschätzungswert wird erzeugt, und der geschätzte Fehlerwert wird vom Eingangssignal abgezogen.
US 7,443,324 B1 zeigt einen Signalprozessor mit einem Signal-Delta-Modulator, wo ein Eingangssignal des Signalprozessors mit dem Ausgangs eines Wellenformgenerators multipliziert wird, um das Signal vor der Verarbeitung durch den Sigma-Delta-Modulator hochzukonvertieren. Das Ausgangssignal des Wellenformgenerators wird verzeugt und mit dem Ausgangssignal des Sigma-Delta-Modulators multipliziert, um ein runterkonvertiertes Signal zu erzeugen. Dieses Signal wird einem Tiefpassfilter zugeführt.
US 7,411,534 B1 zeigt einen Analog-Digital-Wandler bei dem Integratoren ein Dither-Signal zugeführt wird und ein Quantisiererausgangssignal kompensiert wird. Auf diese Weise wird die Wahrscheinlichkeit von sich nicht-ändernden Sequenzen verringert, die bei Gleichheit von Eingangssignal und Rückkopplungssignal auftreten. Insbesondere wird bei Modulatoren, die periodisch zurückgesetzt werden, durch das Dither-Signal verhindert, dass diese beim Starten hängenbleiben. Am Ausgang des Analog-Digitalwandlers wird das Dither-Signal entfernt.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 zeigt einen herkömmlichen Sigma-Delta-Modulator.
2 zeigt einen Sigma-Delta-Modulator gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
3 zeigt einen Sigma-Delta-Modulator gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
4A zeigt einen Sigma-Delta-Modulator gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
4B zeigt einen Sigma-Delta-Modulator gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
4C zeigt einen Sigma-Delta-Modulator gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
5 zeigt einen Sigma-Delta-Modulator gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
6. zeigt einen kombinierten Integrator/Addierer gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
7 zeigt einen kombinierten Integrator/Addierer gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
8 zeigt einen Sigma-Delta-Modulator gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
9 zeigt eine Reihe von Graphen, die Integratorenimpulse unter Verwendung von StandardDither und SubtrahierungsDither darstellen.
DETAILLIERTE ZUSAMMENFASSUNG
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung stellen einen Sigma-Delta-Modulator mit Dither-Signal bereit. Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können die Erfordernis zusätzlicher Aussteuerungsreserve in einem Schleifenfilter abschaffen, wenn ein Dither-Signal in einem Sigma-Delta-Modulator eingebracht wird. Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können ein Dither-Signal am Eingang eines Quantisierers einbringen, es jedoch am Ausgang des Quantisierers entfernen. Auf diese Weise können die erhöhten Leistungsanforderungen, die mit dem Addieren von Dither-Signalen und zusätzlicher Aussteuerungsreserve verbunden sind, vermieden werden.
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können ein geformtes Dither-Signal bereitstellen, zum Beispiel unter Verwendung einer digitalen Verarbeitungsstufe erster Ordnung. Ein Formen des Dither-Signals könnte gelockerte Genauigkeitsanforderungen für Dither-DAC ermöglichen. Die Verwendung von geformtem Dither-Signal erster Ordnung ermöglicht es einem Filter-DAC, ungeformtes Dither-Signal am Ausgang des ersten Integrators hinzuzuaddieren. Auf diese Weise können Vergrößerungen der Aussteuerungsreserve des Schleifenfilters vermieden werden, wodurch die Leistungseffizienz des Sigma-Delta-Modulators verbessert wird.
2 zeigt einen Sigma-Delta-Modulator 200 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Der Sigma-Delta-Modulator 200 kann einen ersten Subtrahierer 205, eine Dithersignalquelle 210, einen Addierer 215, einen Schleifenfilter 220, einen zweiten Subtrahierer 225, einen Quantisierer 230 und einen Digital-Analog-Wandler (DAC) 240, der im Rückkopplungspfad bereitgestellt ist, umfassen. Der erste Subtrahierer 205 kann Eingänge für ein Eingangssignal IN und ein Rückkopplungssignal, das vom DAC 240 bereitgestellt wird, und einen Ausgang für ein Signal umfassen, das eine Differenz zwischen dem Eingangssignal IN und dem Rückkopplungssignal darstellt. Der DAC 240 kann ein Ausgangssignal OUT vom Modulator 200 in eine analoge Darstellung umwandeln, die das Rückkopplungssignal für den ersten Subtrahierer 205 werden kann. Somit kann die Ausgabe des ersten Subtrahierers 205 eine Differenz zwischen dem Eingangssignal IN und dem Ausgangssignal OUT darstellen. Der Schleifenfilter 220 kann ein Tiefpassfilter sein, der das vom ersten Subtrahierer 205 bereitgestellte Differenzsignal filtert. In einer alternativen Ausführungsform kann der Schleifenfilter 220 ein Bandpassfilter oder ein Hochpassfilter sein.
Die Dithersignalquelle 210 kann ein Dithersignal in den Modulator 200 einbringen, das eine vorsätzlich beaufschlagte Art von Rauschen ist. Das Dithersignal kann über den Addierer 215 auf ein Ausgabesignal des Schleifenfilters 220 beaufschlagt werden. In einer Ausführungsform können die Dithersignale geformt werden, wie nachstehend in Bezug auf 4 and 5 erörtert wird.
Der Quantisierer 230 kann das Eingangssignal quantisieren und es an den zweiten Subtrahierer 225 ausgeben. Der zweite Subtrahierer 225 kann das Dithersignal vom Ausgabesignal des Quantisierers 230 subtrahieren. In einer Ausführungsform kann der Quantisierer 230 ein skalarer oder ein Rundungsquantisierer sein. Das Ausgabesignal des zweiten Subtrahierers 225 kann vom System 200 als Ausgangssignal OUT des Systems ausgegeben werden.
Wie erwähnt kann der DAC 240 im Rückkopplungspfad des Modulators 200 bereitgestellt sein. Der DAC 240 kann das Ausgangssignal OUT in eine analoge Darstellung umwandeln, die in den Subtrahierer 205 eingegeben wird.
Wie oben erwähnt kann das Dithersignal beim Addierer 215 eingebracht und beim Subtrahierer 225 entfernt werden. Auf diese Weise kann das Dither-Signal vom Quantisierer 230 verwendet werden, um das potenzielle Klangverhalten zu vermeiden, das sonst aufgrund des Quantisierungsrauschens, das vom Quantisierer 230 erzeugt wird, eintreten könnte. Da das Dither-Signal vom Subtrahierer 225 entfernt wird, erfordert gleichzeitig das Dither-Signal keine, im Schleifenfilter 220 bereitzustellende, zusätzliche Aussteuerungsreserve, um das Dither-Signal aufzunehmen. Indem das Dither-Signal an einem Punkt nach dem Schleifenfilter 220, aber vor dem Quantisierer 230 eingebracht und ferner das Dither-Signal unverzüglich, nachdem das Dither-Signal in den Schleifenfilter 220 eingegeben wurde, entfernt wird, stellt die Ausführungsform von 2 eine unkomplizierte und kostengünstige Lösung für die Probleme in Bezug auf die Aussteuerungsreserve, die typischerweise mit dem Addieren von Dither verbunden sind, bereit.
3 zeigt einen Sigma-Delta-Modulator 300 gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Der Sigma-Delta-Modulator 300 kann einen ersten Subtrahierer 305, eine Dithersignalquelle 310, einen Addierer 315, einen Schleifenfilter 320, einen zweiten Subtrahierer 325, einen Quantisierer 330, und eine Vielzahl von DACs 340–360 umfassen. Der Modulator 300 kann ein Eingangssignal IN bei einem Eingang des ersten Subtrahierers 305 entgegennehmen und ein Ausgangssignal OUT an einem Ausgang des zweiten Subtrahierers 325 erzeugen.
In der in 3 gezeigten Ausführungsform kann die Dithersignalquelle 310 ein Dithersignal erzeugen, das in den Modulator 300 als digitales Signal eingegeben wird. Die DAC 350 und 360 können analoge Darstellungen des Dithersignals erzeugen, die jeweils in den Subtrahierer 305 und den Addierer 315 eingegeben werden können. In einer Ausführungsform kann das Dither-Signal, wie nachstehend in Bezug auf 4 und 5 beschrieben, geformt werden.
Der erste Subtrahierer 305 kann Eingänge für das Eingangssignal IN, eine analoge Darstellung des Dithersignals D und ein Rückkopplungssignal FB, das von einem DAC 340 in einem Rückkopplungspfad des Modulators 300 erzeugt wird, umfassen. Der erste Subtrahierer 305 kann eine Ausgabe erzeugen, die eine Differenz zwischen dem Eingangssignal und dem Quantisierer-Ausgangssignal QOUT mit subtrahiertem Dither-Signal darstellt (e. g., ΔIN = IN – (QOUT – D)). Es ist anzumerken, dass OUT = QOUT – D, weshalb wirksam ΔIN = IN – OUT. Das Ausgangssignal ΔIN vom ersten Subtrahierer 305 kann in den Schleifenfilter 320 eingegeben werden. Der Schleifenfilter 320 kann ein Tiefpassfilter, ein Bandpassfilter oder ein Hochpassfilter sein.
Die Ausgabe des Schleifenfilters 320 kann in den Addierer 315 eingegeben werden, zusammen mit einer analogen Darstellung des Dithersignals. Der Addierer 315 kann das Dither-Signal zu der Ausgabe des Schleifenfilters hinzuaddieren, die in den Quantisierer 330 eingegeben werden kann. Der Quantisierer 330 kann eine digitale Darstellung des in ihn eingegebenen Signals erzeugen und das Signal an den Subtrahierer 325 ausgeben. Daher kann die Ausgabe des Quantisierers 330 einen Ditherbestandteil umfassen, der Klangverhalten in der Ausgabe des Quantisierers verringern kann.
Der zweite Subtrahierer 325 kann das Dithersignal D von der Ausgabe des Quantisierers 330 subtrahieren, der wirksam den Ditherbestandteil in der Ausgabe des Quantisierers 330 löscht. Eine Ausgabe des zweiten Subtrahierers 325 kann vom Modulator 300 als Ausgangssignal OUT ausgegeben werden.
In der in 3 gezeigten Ausführungsform nimmt der DAC 340 im Rückkopplungspfad seine Eingaben von den Ausgaben für den Quantisierer 330, die wie erwähnt einen Ditherbestandteil umfassen. Der DAC 340 kann eine analoge Darstellung des ihm vorgelegten Signals erzeugen und dadurch ein Rückkopplungssignal erzeugen. Der Quantisierer 330 kann ein skalarer oder Rundungsquantisierer sein, der zum Durchführen von Quantisierung an einem Eingangssignal verwendet wird. Der Quantisierer 330 kann zwischen dem Addierer 315 und dem Subtrahierer 325 angeordnet sein.
In der in 3 gezeigten Ausführungsform kann das Einfügen von Dither-Signal nach dem Schleifenfilter 320 beim Addierer 315 (und das Entfernen von Dither-Signal bei den Subtrahierern 325 und 305 durch DAC 350) die Notwendigkeit zusätzlicher Aussteuerungsreserve, um Dither-Signal beim Schleifenfilter 320 auszugleichen, zu abzuschaffen. Da das Dither-Signal kompensiert wird, bevor es den Schleifenfilter 320 erreicht, muss keine zusätzliche Aussteuerungsreserve des Schleifenfilters 320 aufgrund der Einbringung von Dither-Signal erforderlich sein. Darüber hinaus wird der Dither-DAC 350 verwendet, um Dither-Signal von der Rückkopplungsschleife zu entfernen. Auf diese Weise kann Dither-Signal vom Quantisierer 330 verwendet werden, um potenzielles Klangverhalten aufgrund von vom Quantisierer 330 erzeugtem Quantisierungsrauschen zu vermeiden, ohne eine zusätzliche Aussteuerungsreserve hinzuzufügen, um Dither-Signal im Schleifenfilter 320 auszugleichen.
4A ist ein Sigma-Delta-Modulator 400 gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Der Sigma-Delta-Modulator 400 kann einen ersten Subtrahierer 405, eine Dithersignalquelle 410, einen Addierer 415, einen Schleifenfilter 420, einen zweiten Subtrahierer 425, einen Quantisierer 430, eine Anzahl von DACs 440–460, und eine Formeinheit 470 umfassen. Der Modulator 400 kann ein Eingangssignal IN an einem Eingang des ersten Subtrahierers 405 entgegennehmen und ein Ausgangssignal OUT an einem Ausgang des zweiten Subtrahierers 425 erzeugen.
In der in 4A gezeigten Ausführungsform kann die Dithersignalquelle 410 ein Dithersignal erzeugen, das in den Modulator 400 als digitales Signal eingegeben wird. Die DAC 450 und 460 können analoge Darstellungen des Dithersignals erzeugen, die jeweils in den Subtrahierer 405 und in den Addierer 415 eingegeben werden können. In einer Ausführungsform kann das Dither-Signal wiederum geformt werden, zum Beispiel durch eine Formeinheit 470. Die Formeinheit 470 kann ein digitaler Stufenverarbeitungsfilter sein, der das Dither-Signal gemäß einer Funktion, wie z. B. 1 – z^–1, formt. Auf diese Weise kann die Genauigkeit der Dither-DAC 450 und 460 gelockert werden, während das Dither-Signal vom der Eingang des Schleifenfilters 420 ausreichend kopmpensiert wird.
Der erste Subtrahierer 405 kann Eingänge für das Eingangssignal IN, eine analoge Darstellung des geformten Dithersignals D und ein Rückkopplungssignal FB umfassen, das von einem DAC 440 in einem Rückkopplungspfad des Modulators 400 erzeugt wurde. Der erste Subtrahierer kann eine Ausgabe erzeugen, die eine Differenz zwischen dem Eingangssignal und dem Quantisierer-Ausgangssignal QOUT mit subtrahiertem Dither-Signal darstellt (z. B. ΔIN = IN – (QOUT – D(1 – z^–1))). Es ist darauf hinzuweisen, dass ΔIN = IN – OUT. Das Ausgangssignal ΔIN vom ersten Subtrahierer 405 kann in den Schleifenfilter 420 eingegeben werden. Der Schleifenfilter 420 kann ein Tiefpassfilter, ein Bandpassfilter oder ein Hochpassfilter sein. Je nach Art des Schleifenfilters kann eine andere Dither-Formfunktion erforderlich sein. Ein Tiefpass-Schleifenfilter kann eine Hochpass-Dither-Formfunktion erfordern, wie z. B. 1 – z^–1. Ein Bandpass-Schleifenfilter kann eine Bandsperr-Dither-Formfunktion erfordern. Ein Hochpass-Schleifenfilter kann eine Tiefpass-Dither-Formfunktion erfordern.
Die Ausgabe des Schleifenfilters 420 kann in den Addierer 415 eingegeben werden, zusammen mit einer analogen Darstellung des geformten Dither-Signals. Der Addierer 415 kann das geformte Dither-Signal zu der Ausgabe des Schleifenfilter hinzuaddieren, die in den Quantisierer 430 eingegeben werden kann. Der Quantisierer 430 kann eine digitale Darstellung des Eingangssignals dafür erzeugen und das Signal an den Subtrahierer 425 ausgeben. Daher umfasst die Ausgabe des Quantisierers 430 einen Ditherbestandteil.
Der zweite Subtrahierer 425 kann das geformte Dithersignal D(1 – z^–1) von der Ausgabe des Quantisierers 430 subtrahieren, die den Ditherbestandteil wirksam in der Ausgabe des Quantisierers wirksam kompensiert. Eine Ausgabe des zweiten Subtrahierers 425 kann von dem Modulator 400 als Ausgangssignal OUT ausgegeben werden.
In der in 4A gezeigten Ausführungsform nimmt der DAC 440 im Rückkopplungspfad seine Eingabe vom Ausgang für den Quantisierer 430, der wie angemerkt einen geformten Ditherbestandteil umfasst. Der DAC 440 kann eine analoge Darstellung des ihm präsentierten digitalen Signals erzeugen und dadurch ein Rückkopplungssignal erzeugen. Der Quantisierer 430 kann ein skalarer oder rundender Quantisierer sein, der dazu verwendet wird, Quantisierung an einem Eingangssignal durchzuführen. Der Quantisierer 430 kann zwischen Addierer 415 und Subtrahierer 425 angeordnet sein.
In der in 4A gezeigten Ausführungsform kann die Einbringung des geformten Dither-Signals nach dem Schleifenfilter 420 am Addierer 415 (und die Entfernung des geformten Dither-Signals an den Subtrahierern 425 und 405 durch den DAC 450) den Bedarf nach weiterer Aussteuerungsreserve, um das geformten Dither-Signal am Schleifenfilter 420 auszugleichen, obsolet machen. Da das Dither-Signal kompensiert wird, bevor der Schleifenfilter 420 erreicht ist, kann es sein, dass aufgrund der Einbringung des Dither-Signals keine weitere Aussteuerungsreserve am Schleifenfilter 420 benötigt wird. Zusätzlich dazu wird der Dither DAC 450 dazu verwendet, das Dither-Signal aus der Rückkopplungsschleife zu entfernen. Derart kann das Dither-Signal vom Quantisierer 430 dazu verwendet werden, potenzielles tonales Verhalten, das aufgrund des vom Quantisierer 430 produzierten Quantisierungsrauschens an den Tag gelegt wird, zu vermeiden, ohne weitere Aussteuerungsreserve zum Ausgleich des Dither-Signals am Schleifenfilter 420 zu addieren.
4B zeigt eine Ausführungsform für einen Sigma-Delta-Modulator 400. 4B zeigt eine Ausführungsform, worin eine erste Stufe eines Dezimationssfilters 460, der ein Integrator sein kann, verwendet wird. In dieser Ausführungsform ist der Subtrahierer 425 an der Ausgabe des Quantisierers 430 angeordnet. Wie im Rahmen einer weiteren Ausführungsform von 4C gezeigt wird, kann der Subtrahierer 425 in einen Dezimationsfilter aufgenommen werden, der auch die erste Stufe des Dezimationsfilters 460 umfasst.
5 zeigt einen Sigma-Delta-Modulator 500 gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Der Sigma-Delta-Modulator 500 kann einen ersten Subtrahierer 505, eine Dithersignalquelle 510, einen ersten Addierer 515, einen Schleifenfilter, der aus einem ersten Integrator 520a und einem zweiten Teil 520b, der eine Kaskade von Integratoren oder Resonatoren umfassen kann, besteht, einen zweiten Subtrahierer 525, einen Quantisierer 530, einen zweiten Addierer 535, eine Anzahl von DAC 540–560, eine Formeinheit 570 und eine Verzögerungseinheit 580 umfassen. Der Modulator 500 kann ein Eingangssignal IN an einem Eingang des ersten Subtrahierers 505 entgegennehmen und ein Ausgangssignal OUT an einem Ausgangsanschluss des zweiten Subtrahierers 525 erzeugen. Der erste Subtrahierer 505 kann ein Ausgangssignal erzeugen, das eine Differenz zwischen einem analogen Eingangssignal IN und einer analogen Darstellung der digitalen Ausgabe des Quantisierers 530, die durch den DAC 540 erzeugt wurde, darstellt.
In der in 5 gezeigten Ausführungsform kann die Dithersignalquelle 510 ein Dithersignal D erzeugen, das als digitales Signal in den Modulator 500 eingegeben wird. Auch hier kann in einer Ausführungsform das Dithersignal D zunächst ungeformt sein, später aber z. B. durch die Formeinheit 570 geformt werden. Die Formeinheit 570 kann digitale Verarbeitungsstufenfilter sein, die das Dither-Signal gemäß einer Funktion, wie z. B. 1 – z^–1, formen. Die DAC 550 und 560 können analoge Darstellungen des ungeformten bzw. des geformten Dithersignals erzeugen, die jeweils in den ersten Addierer 535 bzw. den zweiten Addierer 515 eingegeben werden können.
In der in 5 gezeigten Ausführungsform kann die Einbringung des geformten Dither-Signals nach dem Schleifenfilter 520a–b am Addierer 515 (und die Entfernung des Dither-Signals am Subtrahierer 525 und am Addierer 535 durch DAC 550) den Bedarf nach weiterer Aussteuerungsreserve, um das Dither-Signal am Schleifenfilter 520a–b zu kompensieren, obsolet machen. In der Ausführungsform von 5 kann ein geformtes Dither-Signal am Ausgang des ersten Integrators anstatt an dessen Eingang, wie in der Ausführungsform von 4, kompensiert werden. Während das einer Ableitung erster Ordnung unterzogene Dither-Signal (1 – z^–1) D durch das Verzögern des Integrators 520a mit einer Übertragungsfunktion z^–1/(1 – z^–1) verarbeitet wird, entsteht an der Ausgabe des Integrators 520a ein Ditherbestandteil – z^–1D. Das Minuszeichen wird durch den Subtrahierer 505 eingebracht. Die Verzögerungseinheit 580 und der DAC 550 können diesen Ditherbestandteil durch das Addieren eines kompensierenden Ditherbestandteils z^–1D entfernen. Da das Dither-Signal kompensiert wird, bevor es den Schleifenfilter 520b erreicht, kann es sein, dass aufgrund der Einbringung des Dither-Signals keine weitere Aussteuerungsreserve am Schleifenfilter 520b benötigt wird. Der Integrator 520a kann zusätzliche Aussteuerungsreserve benötigen, um das Dither-Signal zu verarbeiten. Es kann jedoch sein, dass dies in einer praktischen Implementierung nicht der Fall ist, wie im Folgenden beschrieben wird. Die Genauigkeit des Dither-DAC 550 ist herabgesetzt, da er einen aufhebenden Ditherbestandteil am Ausgang des ersten Integrators 520a einbringt. Jeglicher am Ausgang des ersten Integrators 520a eingebrachter Fehler kann bezogen auf den Eingang durch eine Funktion erster Ordnung geformt werden.
Der erste Subtrahierer 505 kann Eingänge für das Eingangssignal IN und ein Rückkopplungssignal FB aufweisen, das durch einen DAC 540 in einem Rückkopplungspfad des Modulators 500 erzeugt wurde. Der erste Subtrahierer 505 kann eine Ausgabe erzeugen, die eine Differenz zwischen dem Eingangssignal und dem Ausgangssignal QOUT des Quantisierers darstellt (z. B. ΔIN = IN – QOUT). Das Ausgangssignal ΔIN aus dem ersten Subtrahierer 505 kann in einen Schleifenfilter, einschließlich von 520a und 520b, eingegeben werden, wobei es sich um einen Tiefpassfilter handeln kann. Da das Dither-Signal nach dem Schleifenfilter hinzugefügt und am Ausgang des Quantisierers entfernt wird, wird aufgrund der Einbringung des Dither-Signals innerhalb des Schleifenfilters 520a–b keine zusätzliche Aussteuerungsreserve benötigt. Das Dither-Signal kann am Ausgang des Integrators 520a entfernt werden, und so kann der Eindruck entstehen, dass der Integrator 520a zusätzlicher Aussteuerungsreserve bedarf. Jedoch können in Schaltkondensatorimplementierungen der Integrator 520a und der Addierer 535 zu einem gemeinsamen Schaltkreis vereinigt werden, wie weiter unten unter Bezugnahme auf 6 und 7 beschrieben ist, und nur der Ausgang des Addierers 35 kann physisch zugänglich gemacht werden. Somit kann es sein, dass für den Integrator 520a keine zusätzliche Aussteuerungsreserve benötigt wird.
Die Ausgabe des Schleifenfilters 520a–b kann neben der analogen Darstellung des geformten Dither-Signals in den Addierer 515 eingegeben werden. Der Addierer 515 kann das geformte Dither-Signal zu der Ausgabe des Schleifenfilters hinzuaddieren, die in den Quantisierer 530 eingegeben werden kann. Der Quantisierer 530 kann eine digitale Darstellung des in diesen eingegebenen Eingangssignals an diesen vom Subtrahierer 525 erzeugen. Daher umfasst die Ausgabe des Quantisierers 530 einen geformten Ditherbestandteil.
Der zweite Subtrahierer 525 kann das geformte Dithersignal D(1 – z^–1) von der Ausgabe des Quantisierers 530 subtrahieren, das den Ditherbestandteil wirksam in der Ausgabe des Quantisierers kompensiert. Eine Ausgabe des zweiten Subtrahierers 535 kann vom Modulator 500 als das Ausgangssignal OUT ausgegeben werden.
In der in 5 gezeigten Ausführungsform nimmt der DAC 540 im Rückkopplungspfad seine Eingabe aus der Ausgabe für den Quantisierer 530, der wie angemerkt einen geformten Ditherbestandteil umfasst. Der DAC 540 kann eine analoge Darstellung des ihm dargebotenen digitalen Signals erzeugen und somit ein Rückkopplungssignal erzeugen. Der Quantisierer 530 kann ein skalarer oder abrundender Quantisierer sein, der dazu verwendet wird, Quantisierung an einem Eingangssignal durchzuführen. Der Quantisierer 530 kann zwischen dem Addierer 515 und dem Subtrahierer 525 angeordnet sein. Wie oben stehend besprochen, kann das Dither-Signal am Addierer 515 eingebracht und am Subtrahierer 525 und am Addierer 535 entfernt werden. Zusätzlich dazu wird der Dither DAC 550 verwendet, um Dither aus der Rückkopplungsschleife zu entfernen. Auf diese Weise kann Dither vom Quantisierer verwendet werden, potenzielles tonales Verhalten, das aufgrund des vom Quantisierer 530 produzierten Quantisierungsrauschens an den Tag gelegt wird, zu vermeiden, ohne weitere Aussteuerungsreserve zum Ausgleich des Dithers am Schleifenfilter 520a–b zu addieren.
6 ist eine Kombination aus Integrator/Addierer 600 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Beispielsweise können der Integrator 520a und der Addierer 535 aus 5 gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kombiniert sein. Ein Kombinieren des Integrators und des Addierers führt zu lediglich einer kombinierten Ausgabe, was den Bedarf an weiterer Aussteuerungsreserve im Integrator aufgrund der Addition des Dithers obsolet machen kann.
Wie in 6 dargestellt, kann die Kombination aus Integrator/Addierer 600 den Integrator 620 und den Subtrahierer 630 umfassen. Der Integrator 620 kann eine Eingabe x 610 entgegennehmen. Der Integrator 620 kann eine z-Domänen-Übertragungsfunktion anwenden, wie z. B. z^–1/(1 – z^–1). Der Subtrahierer 630 kombiniert eine Eingabe w 640 mit der Ausgabe des Integrators 620, v, um eine Ausgabe y 650 zu produzieren.
7 ist eine Schaltkondensatorimplementierung einer Kombination aus Integrator/Addierer gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Beispielsweise können der Integrator 520a und der Addierer 535 aus 5 gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kombiniert werden, wie sie z. B. weiter oben im Rahmen von 6 gezeigt sind. Die Kombination aus Integrator/Addierer nach 6 kann unter Verwendung einer Schaltkondensatorimplementierung wie der in 7 gezeigten implementiert sein. Die Verwendung einer solchen Implementierung kann den Bedarf nach zusätzlicher Aussteuerungsreserve im Integrator umgehen, wenn der Dither addiert wird.
In der in 7 gezeigten Ausführungsform kann die Schaltkondensatorimplementierung einer Kombination aus Integrator/Addierer 700 die Schalter 730, 740, 750, 760 und 770 sowie die Kondensatoren Cw 705, Cx 715 und Cf 725 umfassen. Die Schalter 730, 740, 750, 760 und 770 können durch herkömmliche, nicht überlappende Taktgeber betätigt werden, wobei die Schalter 730, 750 und 770 eine erste Gruppe umfassen und die Schalter 740 und 760 eine zweite Gruppe umfassen. Wenn die erste Gruppe ein- und die zweite Gruppe ausgeschaltet ist, kann der Kondensator Cx 715 auf den Spannungseingang x 720 geladen werden. Wenn die erste Gruppe ausschaltet und die zweite Gruppe ausgeschaltet bleibt, kann die Eingangspannung x 720 auf Cx 715 abgetastet werden. Wenn die zweite Gruppe ein- und die erste Gruppe ausgeschaltet ist, kann Ladung aus Cx 715 zusätzlich zur bisherigen Ladung auf Cf 725 übertragen werden, wodurch eine Integrationsfunktion ausgeführt wird. Wird eine Spannung an die Eingabe w angelegt, scheint diese an der durch Cw/Cf skalierten Ausgabe auf. Zusammengefasst kann dieser Schaltkreis eine Übertragungsfunktion der folgenden Art implementieren: y = Cx/Cf z^–1/(1 – z^–1)x + Cw/Cf w
8 zeigt einen Sigma-Delta-Modulator 800 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Der Sigma-Delta-Modulator 800 kann einen Addierer 815, einen Schleifenfilter 820, einen Subtrahierer 825, einen Quantisierer 830 umfassen. Der Schleifenfilter 820 kann ein Tiefpassfilter, ein Bandpassfilter oder ein Hochpassfilter sein.
Die Dithersignalquelle kann ein Dither-Signal auf den Eingang einbringen, die an jedem der gezeigten Punkte in den Schleifenfilter 820 eingebracht werden kann. Die Eingabe kann direkt in den Schleifenfilter 820 eingebracht werden oder durch einen Additionspunkt eingebracht werden, wie er in den oben stehenden Ausführungsformen gezeigt ist. Das Dither-Signal kann über den Addierer 815 an einen Ausgang des Schleifenfilters 820 angelegt werden. In einer Ausführungsform kann das Dither-Signal wie oben stehend unter Bezugnahme auf die 4 und 5 besprochen geformt werden.
Der Quantisierer 830 kann das Eingangssignal quantisieren und es an den Subtrahierer 825 ausgeben. Der Subtrahierer 825 kann das Dithersignal von der Ausgabe des Quantisierers 830 subtrahieren. In einer Ausführungsform kann der Quantisierer 830 ein skalarer oder abrundender Quantisierer sein. Die Ausgabe des Subtrahierers 825 kann aus dem System 800 als das Ausgangssignal OUT des Systems ausgegeben werden. Ferner kann eine Rückkopplungsschleife die Ausgabe des Quantisierers 830 in den Schleifenfilter 820 einbringen.
Wie oben stehend besprochen kann das Dithersignal am Addierer 815 eingebracht und am Subtrahierer 825 entfernt werden. Auf diese Weise kann das Dither-Signal vom Quantisierer 830 dazu verwendet werden, potenzielles tonales Verhalten zu vermeiden, das sonst aufgrund des vom Quantisierer 830 produzierten Quantisierungsrauschens auftreten könnte. Gleichzeitig erfordert durch das Entfernen des Dither-Signals im Schleifenfilter 820 das Dither-Signal keine zusätzliche Aussteuerungsreserve zur Bereitstellung im Schleifenfilter 820, um das Dithersignal aufzunehmen. Somit stellt durch Einbringung des Dithersignals an einem Punkt nach dem Schleifenfilter 820, aber vor dem Quantisierer 830 und ferner durch Entfernung des Dithersignals im Schleifenfilter 820 die Ausführungsform nach 8 eine geradlinige und kostengünstige Lösung für die Probleme mit der Aussteuerungsreserve bereit, die typischerweise mit der Addition von Dither einhergehen.
9 zeigt eine Reihe von Diagrammen, die Integratorschwankungen bei Verwendung von herkömmlichem Dither und von subtrahierendem Dither darstellen. Diese Diagramme stellen beispielhafte Ergebnisse unter Verwendung von Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung dar. Wie durch die Diagramme 910 und 930 gezeigt wird, können Schwankungen unter Einsatz subtrahierender Ditherverfahren signifikant reduziert werden. Die Diagramme 920 und 940 stellen Schwankungen dar, wenn keine subtrahierenden Ditherverfahren zum Einsatz kommen. Wie gezeigt ist, können bei Einsatz subtrahierender Ditherverfahren Schwankungen signifikant reduziert werden.
Fachleute können anhand der vorausgegangenen Beschreibung erkennen, dass die vorliegende Erfindung in einer Vielzahl von Formen implementiert werden kann und dass die verschiedenen Ausführungsformen jeweils alleine oder in Kombination implementiert werden können. Wenngleich daher die Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung in Verbindung mit bestimmten Beispielen dafür beschrieben wurden, sollte der tatsächliche Schutzumfang der Ausführungsformen und/oder Verfahren der vorliegenden Erfindung nicht derart eingeschränkt werden, da auch weitere Modifikationen sich Fachleuten bei Betrachtung der Zeichnungen, der Beschreibung und der nachstehenden Ansprüche erschließen werden.

Claims

Sigma-Delta-Modulator (200), aufweisend: einen Schleifenfilter (220); einen Addierer (215), der konfiguriert ist, eine Ausgabe des Schleifenfilters und ein Dither-Eingangssignal entgegenzunehmen und die Ausgabe des Schleifenfilters und das Dither-Eingangssignal zu einem kombinierten Ausgangssignal zu kombinieren; einen Quantisierer (230), der konfiguriert ist, das kombinierte Ausgangssignal vom Addierer entgegenzunehmen und das kombinierte Signal in ein Quantisierer-Ausgangssignal zu quantisieren; einen ersten Subtrahierer (225), der konfiguriert ist, das Quantisierer-Ausgangssignal entgegenzunehmen und das Dither-Eingangssignal vom Quantisierer-Ausgangssignal zu subtrahieren; einen ersten Digital-Analog-Wandler (240), der konfiguriert ist, über einen Rückkopplungspfad des Sigma-Delta-Modulators eine Ausgabe des ersten Subtrahierers entgegenzunehmen und die Ausgabe vom ersten Subtrahierer (225) in ein analoges Signal umzuwandeln; und einen zweiten Subtrahierer (205), der konfiguriert ist, das analoge Signal vom ersten Digital-Analog-Wandler entgegenzunehmen und an den Schleifenfilter ein Signal auszugeben, das die Differenz zwischen einem Eingangssignal und dem analogen Signal darstellt.
Sigma-Delta-Modulator (200) nach Anspruch 1, wobei der erste Digital-Analog-Wandler (240) ferner dazu konfiguriert ist, eine Ausgabe vom Quantisierer (230) entgegenzunehmen und die Ausgabe vom Quantisierer (230) in ein analoges Signal umzuwandeln; und der Sigma-Delta-Modulator ferner aufweist: einen zweiten Digital-Analog-Wandler (360), der konfiguriert ist, das Dither-Eingangssignal entgegenzunehmen und ein erstes Ausgangssignal für den zweiten Subtrahierer (305) bereitzustellen; und einen dritten Digital-Analog-Wandler (350), der konfiguriert ist, das Dither-Eingangssignal entgegenzunehmen und eine zweite Eingabe an den Addierer (315) bereitzustellen.
Sigma-Delta-Modulator (200) nach Anspruch 1, wobei das Dither-Eingangssignal ein ungeformtes Dithersignal aufweist.
Sigma-Delta-Modulator (200) nach Anspruch 1, wobei das Dither-Eingangssignal ein geformtes Dithersignal ist.
Sigma-Delta-Modulator nach Anspruch 4, wobei das geformte Dither-Eingangssignal durch eine Übertragungsfunktion (1 – z^–1) geformt ist.
Sigma-Delta-Modulator nach Anspruch 1, wobei der Quantisierer ein skalarer Quantisierer ist.
Sigma-Delta-Modulator nach Anspruch 1, wobei der Quantisierer ein Rundungsquantisierer ist.
Sigma-Delta-Modulator nach Anspruch 1, wobei der Schleifenfilter ein Tiefpassfilter ist.
Sigma-Delta-Modulator (500), aufweisend: einen Schleifenfilter (520), aufweisend eine erste Einheit (520a) und eine zweite Einheit (520b), wobei die erste Einheit einen kombinierten Integrator/Addierer aufweist; einen ersten Addierer (515), der konfiguriert ist, eine Ausgabe des Schleifenfilters und ein Dither-Eingangssignal entgegenzunehmen und die Ausgabe des Schleifenfilters und das Dither-Eingangssignal zu einem kombinierten Ausgangssignal zu kombinieren; einen Quantisierer (530), der konfiguriert ist, das kombinierte Ausgangssignal vom ersten Addierer entgegenzunehmen und das kombinierte Signal in ein Quantisierer-Ausgangssignal zu quantisieren; einen ersten Subtrahierer (525), der konfiguriert ist, das Quantisierer-Ausgangssignal entgegenzunehmen und das Dither-Eingangssignal vom Quantisierer-Ausgangssignal zu subtrahieren; einen ersten Digital-Analog-Wandler (540), der konfiguriert ist, über einen Rückkopplungspfad des Sigma-Delta-Modulators eine Ausgabe vom Quantisierer entgegenzunehmen und die Ausgabe vom Quantisierer in ein analoges Signal umzuwandeln; und einen zweiten Subtrahierer (505), der konfiguriert ist, das analoge Signal vom ersten Digital-Analog-Wandler entgegenzunehmen und für den Schleifenfilter ein Signal auszugeben, das die Differenz zwischen einem Eingangssignal und dem analogen Signal darstellt.
Sigma-Delta-Modulator (500) nach Anspruch 9, ferner aufweisend: eine erste Ditherformeinheit (570), die konfiguriert ist, das Dither-Eingangssignal zu formen, um ein geformtes Dithersignal erster Ordnung zu erzeugen; einen zweiten Digital-Analog-Wandler (560), der konfiguriert ist, das geformte Dithersignal erster Ordnung entgegenzunehmen und ein erstes Ausgangssignal für den ersten Addierer (515) bereitzustellen; eine Verzögerungseinheit (580), die konfiguriert ist, das Dither-Eingangssignal zu verzögern, um ein verzögertes Dithersignal zu erzeugen; einen dritten Digital-Analog-Wandler (550), der konfiguriert ist, das verzögerte Dithersignal entgegenzunehmen und eine Ausgabe für einen zweiten Addierer (535) der ersten Einheit des Schleifenfilters (520) bereitzustellen, wobei die erste Einheit einen kombinierten Integrator/Addierer (600) aufweist.
Sigma-Delta-Modulator (500) nach Anspruch 10, wobei die Ditherformeinheit erster Ordnung (570), konfiguriert ist, die Funktion (1 – z^–1) auszuführen.
Sigma-Delta-Modulator (500) nach Anspruch 10, wobei die Verzögerungseinheit (580) konfiguriert ist, die Funktion (z^–1) auszuführen.
Sigma-Delta-Modulator (500) nach Anspruch 9, wobei der kombinierte Integrator/Addierer (600) Folgendes aufweist: einen Integrator (620); und einen Subtrahierer (630), der konfiguriert ist, eine Eingabe mit einer Ausgabe des Integrators zu kombinieren.
Sigma-Delta-Modulator (500) nach Anspruch 13, wobei der Integrator eine Übertragungsfunktion der z-Domäne gemäß z^–1/(1 – z^–1) ausführt.
Sigma-Delta-Modulator (500) nach Anspruch 9, wobei der kombinierte Integrator/Addierer Folgendes aufweist: eine erste Gruppe von Schaltern (730, 750, 770); eine zweite Gruppe von Schaltern (740, 760); einen ersten Kondensator (C_x); und einen zweiten Kondensator (C_w).
Sigma-Delta-Modulator nach Anspruch 15, wobei, wenn die erste Gruppe von Schaltern (730, 750, 770) an und die zweite Gruppe von Schaltern (740, 760) aus ist, der erste Kondensator (C_x) auf eine Eingangsspannung aufgeladen wird.
Sigma-Delta-Modulator nach Anspruch 16, wobei, wenn die erste Gruppe von Schaltern (730, 750, 770) ausgeschaltet wird und die zweite Gruppe von Schaltern (740, 760) aus ist, die Eingangsspannung auf dem ersten Kondensator (C_x) abgetastet werden kann.
Sigma-Delta-Modulator (500) nach Anspruch 17, wobei, wenn die erste Gruppe von Schaltern (730, 750, 770) aus ist und die zweite Gruppe von Schaltern (740, 760) an ist, eine Ladung vom ersten Kondensator (C_x) zum zweiten Kondensator (C_w) transportiert wird.
Verfahren für Sigma-Delta-Modulation, aufweisend: Entgegennehmen einer Ausgabe eines Schleifenfilters (220) und eines Dither-Eingangssignals durch einen Addierer (215); Kombinieren der Ausgabe des Schleifenfilters und des Dither-Eingangssignals zu einem kombinierten Ausgangssignal; Entgegennehmen des kombinierten Ausgangssignals vom Addierer durch einen Quantisierer (230); Quantisieren des kombinierten Signals in ein Quantisierer-Ausgangssignal; Entgegennehmen des Quantisierer-Ausgangssignals durch einen ersten Subtrahierer (225); und Subtrahieren des Dither-Eingangssignals vom Quantisierer-Ausgangssignal durch den ersten Subtrahierer über einen Rückkopplungspfad; Annehmen eines Ausgangssignals vom ersten Subtrahierer und Wandeln des Ausgangssignal vom ersten Subtrahierer durch einen Digital-Analog-Wandler (240) in ein analoges Signal; und Entgegennehmen des analogen Signals durch einen zweiten Subtrahierer (205) und Ausgeben eines Signals, das die Differenz zwischen einem Eingangssignal und dem analogen Signal darstellt, an den Schleifenfilter.
Verfahren für Sigma-Delta-Modulation, aufweisend: Entgegennehmen einer Ausgabe eines Schleifenfilters (420; 520) und eines Dither-Eingangssignals durch einen Addierer (415; 515); Kombinieren der Ausgabe des Schleifenfilters und des Dither-Eingangssignals zu einem kombinierten Ausgangssignal; Entgegennehmen des kombinierten Ausgangssignals vom Addierer durch einen Quantisierer (430; 530); Quantisieren des kombinierten Signals zu einem Quantisierer-Ausgangssignal; Entgegennehmen des Quantisierer-Ausgangssignals durch einen ersten Subtrahierer (425; 525) eines Dezimationsfilters (460); und Subtrahieren des Dither-Eingangssignals vom Quantisierer-Ausgangssignal durch den ersten Subtrahierer des Dezimationsfilters; Entgegennehmen eines Ausgangssignals von dem Quantisierer über einen Rückkopplungspfad und Wandeln des Ausgangssignals von dem Quantisierer in ein analoges Signal durch einen Digital-Analog-Wandler (440; 540); und Entgegennehmen des analogen Signals durch einen zweiten Subtrahierer (405; 505) und Ausgeben eines Signals, das die Differenz zwischen einem Eingangssignal und dem analogen Signal darstellt, an den Schleifenfilter.