FI92533C - Sigma-delta-modulaattorijärjestelmä - Google Patents

Description

1 92533

Sigma-delta-modulaattorijarjestelmå

KeksinnOn kohteena on sigma-delta-modulaattorijSr-jestelma, jossa on ensimmainen sigma-delta-modulaattori, 5 joka kasittaa vahintaan kaksi integrointiastetta ja kvan-tisointivaiineen, paasignaalin kvantisoimiseksi; valine ensimmaisen modulaattorin kvantisointivirhetta tai integ-roidun signaaliestimaatin virhetta edustavan virhesignaa-lin muodostamiseksi; toinen sigma-delta-modulaattorivaii-10 ne, joka kasittaa vahintaan kaksi integrointiastetta ja kvantisointivalineen, mainitun virhesignaalin kvantisoimiseksi; derivointivaiine, jonka siirtofunktio on oleel-lisesti sama kuin ensimmaisen modulaattorivaiineen integ-rointiasteiden yhteisen siirtofunktion kaanteisfunktio, 15 toisen modulaattorivaiineen ulostulosignaalin derivoimi-seksi; våline kvantisoidun paasignaalin viivastamiseksi toisen modulaattorivaiineen viiveen verran; ja vaiine de-rivoidun virhesignaalin vahentamiseksi viivastetysta kvan-tisoidusta paasignaalista.

20 Sigma-delta-modulaattoreissa (tunnettu myds delta- sigma-modulaattoreina) signaali kvantisoidaan kayttaen vain pienta kvantisointitasojen lukumaaraa (2-256, joka vastaa 1-8 bitin A/D-muunninta) suurella nopeudella, joka on yleensa 32-512 kertainen verrattuna signaalin taajuu-25 teen. Signaalikaistan Nyquist-taajuisen naytteenoton (2 kertaa hydtysignaalikaista) ja kaytetyn korkean nayt-teenottotaajuuden suhdetta kutsutaan mytis ylinaytteenot-tosuhteeksi (M). Kvantisoijalla tarkoitetaan A/D- ja D/A-muuntimen yhdistelmaa, jossa analoginen signaali muutetaan 30 A/D-muuntimella diskreettiarvoiseksi digitaaliluvuksi ja

muunnetaan heti tSm3n jalkeen takaisin analogiseksi jfln-nitteeksi (arvoksi) D/A-muuntimella. Kvantisointivirheellå (eq) tarkoitetaan analogisen sis&Snmenojannitteen ja analogisen ulostulojSnnitteen erotusjånnitettå (arvoa), kvanti-35 tointikohinalla tarkoitetaan kvantisointivirheen spektriS

2 92533 (Qe), jota sigma-delta-modulaattorin tapauksessa voidaan pitaa valkoisena kohinana, jonka tehollisarvo (E) 1-bitti-selia on (q/2)2, missa q on kvantisointitasojen vSli. Sig-ma-delta-modulaattorin rakenne pyritaan tekemaan sellai-5 seksi, etta kvantisoijassa syntyneelle virheelle saadaan erilainen siirtofunktio (NTF) modulaattorin ulostuloon kuin signaalille sisaanmenosta ulostuloon (STF). Tarkoi-tuksena on saada aikaan kvantisointivirheelle sellainen siirtofunktio NTF, jolla on mahdollisimman suuri vaimennus 10 halutulla paastdkaistalla, ja samanaikaisesti signaalin siirtofunktio STF on mahdollisinunan tasainen paastdkais-talta. STF ja NTF riippuvat toisistaan kaytetyn rakenteen mukaan. Modulaattorin asteluvulla tarkoitetaan NTF funktion astelukua, tai integraattorien lukumaaraå modulaatto-15 rissa. Modulaattoriin astelukua nostamalla kvantisointiko-hinan måaraa voidaan pienentaa paastdkaistalta. Toinen tapa våhentaa kvantisointikohinaa paastdkaistalta on kas-vattaa ylinaytteenottosuhdetta, kuitenkin ylinaytteenot-tosuhteen kasvattaminen nostaa naytteenottotaajuutta, jota 20 toteutuksessa kaytettavat komponentit rajoittavat. Taman vuoksi ainoaksi tavaksi parantaa signaalin (S) ja paastO-kaistalla olevan kvantisointikohinan (Nq) suhdetta (S/Nq) on nostaa modulaattorin astelukua tai yrittaa parantaa NTF-funktiota siten, etta saavutetaan entista suurempi 25 vaimennus paastOkaistalla samalla asteluvulla ja ylinayt-teenottosuhteella.

Tavanomaisella tavalla suoraan sarjaankytkettyjen integraattorien muodostama sigma-delta-modulaattori on kuitenkin kaytannOssa vaikea toteuttaa takaisinkytkenta-30 silmukan aiheuttaman varahtelyn vuoksi. Taman vuoksi kor-keamman asteen sigma-delta-modulaattoreita on muodostettu kytkemaiia kaskadiin kaksi tai useampia stabiileja alemman asteen sigma-delta-modulaattoreita. Kaskadikytkennassa ensimmaisena olevan modulaattorin kvantisointivirhe johde-35 taan toisena olevalle modulaattorille ja yhdistamaiia soli 3 92533 pivasti lohkojen ulostulot saadaan signaalikaistalla ole-van kvantisointikohinan maaraa pienennettya. Artikkelissa "A 16-bit Oversampling A-to-D Conversion using Triple-Integration Noise Shaping", IEEE Journal of Solid State Cir-5 cuits, Vol. SC-22, No. 6, joulukuu 1987, s. 921-929, on kuvattu ensimmaisen asteen sigma-delta-modulaattoreiden kaskadiin kytkemista niin sanotulla MASH-tekniikalla. FI-patentissa 80548 on kuvattu korkeamman asteen sigma-delta-modulaattoreiden kaskadikytkentOja.

10 KeksinnOn kohteena on kahden sigma-delta-modulaat- torilohkon kytkemiseksi kaskadiin siten, etta saavutetaan parempi S/N^ kuin saman asteisella modulaattorijarjestel-maiia samoilla ylinaytteenottosuhteilla oli aiemmin mah-dollista.

15 Tama saavutetaan aloituskappaleessa esitetyn tyyp- piselia sigma-delta-modulaattorijarjestelmaiia, jolle on keksinnOn mukaisesti tunnusomaista, etta toisessa modu-laattorissa on ainakin yhden integrointiasteen ulostulosta negatiivinen takaisinkytkenta edeltavan integrointiasteen 20 sisaantuloon, ja etta takaisinkytkentasilmukka on vii-veellinen.

KeksinnOn mukaan kaksi n-asteista 1-bittiselia kvantisoijalla toteutettua sigma-delta-modulaattorilohkoa kytketaan kaskadiin siten, etta jaikimmainen modulaattori-25 lohko kvantisoi ensimmaisessa modulaattorilohkossa synty-neen kvantisointivirheen jannitteen (arvon) skaalattuna skaalaimella 1/C jaikimmaisen modulaattorin toiminta-alu-eelle. jaikimmaisen lohkon 1-bittinen data suodatetaan digitaalisella suodattimella, joka on kaanteisfunktio en-30 simmaisen lohkon STF-funktiolle ja kerrotaan skaalaimella C taten vahennetaan ensimmaisen lohkon 1-bittisesta datas-ta, joka on viivastetty jaikimmaisen modulaattorilohkon aiheuttaman viiveen verran. Nain saadaan ensimmaisen lohkon ulostulosta vahennettya jaikimmaiselia modulaattori-35 lohkolla kvantisoitu ensimmaisen lohkon kvantisointivirhe.

4 92533 Nåin saatu digitaalinen ulostulo on 2*n-asteinen sigma-del-ta-modulaattorin ulostulo.

KeksinnOssa kSytettSvSt modulaattorilohkot ovat joko FF- tax MF-tyyppisia. KeksinnOn mukaan kumpikln modu-5 laattorilohko on samaa tyyppia. KeksinnOn mukaan jaikim-måisessS lohkossa voidaan siirtaa NTF-funktion nollaparia siten, etta saavutetaan aikaisempaa pienempi maara kvan-tisointikohinaa signaalin hyOtykaistalla kuin on mahdol-lista samanasteisilla modulaattorijarjestelmilia aikaisem-10 min. Kaikissa aikaisemmin esitetyissa kaskadikytkennOissa kaikki NTF-funktion nollat, joita on lukumaaraitaan aste-luvun verran, ovat 0-taajuudella. KeksinnOn perusajatuk-sena on uusien modulaattorirakenteiden avulla siirtåå modulaattorijar jestelman kohinan muokkausfunktion siirtonol-15 lia ylemmille taajuuksille siten, etta modulaattorijarjes-telman kvantisointikohinan maara paastOkaistalla pienenee verrattuna perinteisiin sigma-delta-modulaattorien kaska-dikytkentOihin nahden. Ylimaaraiselia takaisinkytkentaker-toimella a virhetta kvantisoivassa modulaattorilohkossa 20 jaikimmaisen integraattorin ulostulosta edellisen integ-raattorin sisaanmenoon kytkettyna kohinafunktion nollapari siirtyy 0-taajuudelta kompleksisille konjukaattitaajuuk-sille z-tason yksikkOympyraiia siten etta a:n arvoa kasva-tettaessa toinen nolla kulkee negatiivisen taajuusmuuttu-25 jan suuntaan ja toinen positiivisen taajuusmuuttujan suun-taan. Kohinafunktion siirtonollaparia saadaan siirrettya lisaamana jaikimmaiseen kaskadissa olevaan modulaattoriin takaisinkytkentå yhden integrointiasteen ulostulosta edellisen integrointiasteen sisaantuloon, jolloin takaisinkyt-30 kennan arvo mddraa myOs siirtonollan sijaintipaikan. Tama takaisinkytkenta ja kohinafunktio voidaan toteuttaa vain jaikimmaisessa modulaattorissa siten, etta jaikimmaisen modulaattorin jalkeen kaskadikytkennassa tarvittava digi-taalifunktio pysyy kaytannOssa realisoitavana derivaatto-35 rina.

I! 5 92533

Esimerkiksi keksinnttn mukaisessa neljSnnen-asteen modulaattorijarjestelmassa, jossa on kytketty kaskadiin kaksi toisen asteen modulaattoria, voidaan saavuttaa siirtonolla kaytettaessa noin 10 dB:n parannus signaali-5 kvantisointikohinasuhteeseen (SNRQ) verrattuna kaskadira- kenteeseen, jolla kaikki NTF-funktion nollat ovat 0-taa-juudella. Tama puolestaan merkitsee, etta on mahdollista saavuttaa yli 20-bitin SNRQ ylinaytteenottosuhteella 64 tai 16-bitin SNRQ ylinaytteenottosuhteella 32. 8-asteen 10 modulaattorijarjestelmålia, jossa kaytetaan siirtonollaa, on mahdollista saavuttaa jopa 20 bitin SNRQ naytteenotto-suhteella 32. Samalla modulaattorin kohinafunktion astelu-ku pysyy samana ja A/D-muunninrakenteessa tarvittavan di-gitaalisuodattimen vaatimukset pysyvat samana verrattuna 15 vastaavan asteluvun modulaattoriin, jonka kohinafunktion nollat sijaitsevat O-taajuudella. Ylinaytteenottosuhteen pieneneminen samalle vaadittavalle suorituskyvylle ja sig-naalikaistalle helpottavat nopeampien A/D-muuntimien val-mistusta aikaisempiin ratkaisuihin verrattuna. Mytts kor-20 keampiasteisten (n>2) modulaattorilohkoja kaytettaessa, toteutuksessa tarvittavien integraattorien ja vahvistimien tarkkuusvaatimukset lievenevat.

Keksintoa selitetaan seuraavassa yksityiskohtaisem-min suoritusesimerkkien avulla viitaten oheiseen piirrok-• 25 seen, jossa kuvio 1 esittaa keksinndn mukaisen 2*n-asteen sig-madelta-modulaattorijarjestelman lohkokaavion, kuviot 2 ja 3 esittavat Multiple Feedback -tyyppi-sen ja vastaavasti Feed-forward -tyyppisen 2-asteen modu-30 laattorin, joka soveltuu kaytettavaksi kuvion 1 modulaat-torilohkona SD1, lohkokaaviot, kuvio 4 esittaa eraan kvantisointivirheen kytkemi-seen perustuvan 2-asteen modulaattorin, joka soveltuu kaytettavaksi modulaattorilohkona SD2, lohkokaavion, 35 kuvio 5 on kuvaaja, joka havainnollistaa keksinnOn 6 92533 mukaisen 4-asteen modulaattorijarjestelman ja eraan tun-netun modulaattorijarjestelman kohinaspektreja, kuvio 6 on kuvaaja, joka havainnollistaa keksinnOn mukaisten 4-, 6- ja 8-asteen modulaattorijarjestelmien 5 kohinaspektreja, kuvio 7 esittaa integroidun signaaliestimaatin vir-heen kytkemiseen perustuvan 2-asteen modulaattorin, joka soveltuu kaytettavaksi kuvion 1 modulaattorilohkona SD1, lohkokaavion, 10 kuvio 8 esittaa 2-asteen modulaattorin, joka sovel- tuu kaytettavaksi kuvion 1 modulaattorilohkona SD2, lohkokaavion, kuvio 9 on kuvaaja, joka havainnollistaa parametrin a arvoa kohinafunktion nollan taajuuden funktiona paastO-15 kaistan osalta (1 on paastOkaistan reuna), kun ylinayt- teenottosuhde on 32, ja kuvio 10 on kuvaaja, joka havainnollistaa siir-tonollan sijoittumista z-tason yksikkOympyraile.

Esilia olevalla keksinnOllå on erityinen sovellu-20 tusalue ylinaytteistetyissa A/D-muuntimissa. Ylinaytteis- tyksellå tarkoitetaan yleisesti sita, etta naytteenotto-taajuus Fs on oleellisesti suurempi kuin Nyquist-kriteerin maaraama pienin naytteenottotaajuus, joka on kaksi kertaa signaalin suurin taajuus. Yleensa ylinaytteityksessa kay-25 tettava naytteenottotaajuus on Nyquist-taajuuden kokonais-lukumonikerta, esim. 32 tai 64 (ylinaytteenottosuhde).

KeksintOS voidaan kuitenkin kayttaa missa tahansa korkeamman asteen sigma-delta-modulaattoria hyOdyntavissa sovellutuksissa.

30 Kuviossa 1 on esitetty yleiselia tasolla kahden n- asteen SD1 ja SD2 kytkeminen keksinndn mukaisella tavalla kaskadiin. Kvantisoitava sisaantulosignaali Din syOtetaan ensimmaiselle modulaattorilohkolle SD1, joka muodostaa kvantisoidun 1-bittisen ulostulosignaalin D', jota viivas-35 tetaan viivelohkossa 5 viiveen z‘k verran, k-kellojakson 7 92533 viive, ja viivSstetty kvantisoitu signaali D" sydtetSSn våhentajåelimen 6 yhteen sisåantuloon. Modulaattorilohkon 1 kvantisointivirhe tai integroidun signaaliestimaatin virhe e, joka on skaalattu kertoimella 1/C, sytttetSSn toi-5 selle modulaattorilohkolle SD2, joka muodostaa kvantisoi-dun virhesignaalin e'. Signaali e' derivoidaan derivaatto-rin muodostavalla digitaalisella suodatinlohkolla 3, jonka siirtofunktio (l-z_1)n, jossa n on lohkon SD1 integraatto-rien lukumaårå. Derivoitu ja kvantisoitu virhesignaali e" 10 skaalataan kertoimella C (1/C:n k&ånteisarvo) ja skaalattu virhesignaali eq sydtetåån vahentåjSn 6 toiseen sisSSntu-loon, jolloin kvantisoitu virhesignaali eq vShennetaan kvantisoidusta paasignaalista D", jolloin jarjestelman ulostulosignaaliin D' jaa vain modulaattorilohkon SD2 n-15 kertaa derivoitu kvantisointikohina, joka on 2*n astetta.

KaytannOssa on edullista, etta modulaattorilohkojen SD1 ja SD2 asteluvut ovat samat ja toteutettu samoilla kerroinarvoilla. Jos modulaattorilohkojen SDl ja SD2 asteluvut ovat erilaiset tai viiveiden lukumaara on toisistaan 20 poikkeava, digitaalinen suodatinlohko 3 tulee vaikeaksi kaytanndssa toteuttaa, koska siina taytyy FIR-derivaatto-rin lisaksi realisoida IIR-osa. Taman vuoksi asteluvultaan erilaisten modulaattorilohkojen SDl ja SD2 kaskadiinkyt-kenta on kåytannGn toteutuksen kannalta vahemman kiinnos-25 tava. Siten keksinnOn edullisissa suoritusmuodoissa myOs lohkon 3 toteuttaman derivaattorin asteluku n on sama kuin modulaattorilohkojen SDl ja SD2 asteluku ja se poistaa modulaattorilohkon SDl integrointien yhteisen siirtofunktion vaikutuksen kvantisoidussa virhesignaalissa e'. Viiveloh-30 kon 5 vi i veen k on oltava sama kuin modulaattorilohkon SD2 viive, ts. sen integraattoreiden yhteenlaskettu viive. Kaytånndllisesså ratkaisussa viive k on modulaattorilohkon SDl asteluvun n verran kellojaksoja, ts. n=k. Virhesignaali skaalataan kertoimella 1/C ennen ja kertoimella C jai-35 keen modulaattorilohkon, skaalauksella signaalin taso saa- 8 92553 daan alennettua lohkon SD2 lineaariselle toiminta-alueel-le. Kertoimen C minimiarvo on modulaattorin kertoimien suhde bn/bi. Kuitenkin jarjestelma toimii tata suuremmilla-kin skaalauskertoimilla C, joskin SNRQ heikkenee verran-5 nollisesti kertoimen kasvattamiseen.

KeksinnOn mukainen kahden sigma-delta-modulaattorin kaskadiin kytkenta ei kuvion 1 esittamaiia lohkokaaviota-solla sinansa eroa tunnetuista kaskadikytkennOista. KeksinnOn mukaisesti voidaan kuitenkin sopivilla modulaatto-10 rilohkoihin SD1 ja SD2 rakenteilla parantaa koko modulaat-torijarjestelman kohinanmuokkausfunktiota siten, etta kvantisointikohina modulaattorin paastOkaistalla vahenee. Tama aikaansaadaan keksinnOn mukaisesti siten, etta uusil-la modulaattorirakenteilla siirretaan jarjestelman ko-15 hinanmuokkausfunktion siirtonollia nollataajuudelta ylOs- pain, kun tunnetuissa kaskadiin kytketyissa modulaatto-reissa kaikki kohinansiirtofunktion siirtonollat sijaitse-vat nollataajuudella. Kuvion 5 kuvaaja esittaa tunnetun 4-asteen kaskadirakenteen (FI-patenttijulkaisu 80548) ko-20 hinaspektrin 52 seka keksinnOn mukaisesti kompleksisella siirtonollaparillalla varustetun modulaattorijarjestelman kohinaspektrin 51 siten, etta x-akselin arvo 1 vastaa puolta naytteenottotaajuutta Fs ylinaytteenottosuhteella 32. Kuten kuviosta 5 voidaan nahda, kohinaspektrissa 51 on 25 taajuudella 0,85 x Fs kvantisointikohinassa nollakohta ja siten modulaattorijarjestelman paastOkaistalla olevan ko-hinan kokonaismaara on pienempi kuin perinteisessa 4-as-teen modulaattorijarjestelmassa (spektri 52).

Taajuudella 0,85*Fs oleva siirtonollapari saadaan 30 siirrettya 0-taajuudelta siten, etta modulaattorilohkoon SD2 lisataan ylimaarainen negatiivinen takaisinkytkenta ainakin yhden integrointiasteen ulostulosta edeltavan in-tegrointiasteen sisaantuloon. Kohinafunktion nollien siir-taminen voidaan realisoida tailaisella takaisinkytkennailå 35 vain jaikimmaisessa modulaattorilohkossa SD2 siten, etta » · 9 92533 digitaalinen funktio, jonka digitaalisen suodattimen 3 tSytyy toteuttaa, sSilyy realisoitavissa olevana derivaat-torina. Taman vuoksi keksinnOn mukaisessa jarjestelmassa modulaattoreita voidaan kytkeå kaskadiin vain kaksi kappa-5 letta pain vastoin kuin tunnetuissa kaskadirakenteissa, joissa kaskadiasteiden maaraa rajoitti vain kytkennan to-teutuksen mielekkyys.

KeksinnOn mukainen takaisinkytkentå asettaa muuta-mia lisavaatimuksia lohkoille SD1 ja SD2. Modulaattoriloh-10 kojen SD1 ja SD2 integraattorien on oltava viiveellisia (yleisessa tapauksessa våhintaan kahden kellojakson viive modulaattorin uloimmassa kvantisoidun arvon takaisinkyt-kenta silmukassa sisaitaen integraattorien viiveet, ja yhden tai kahden kellojakson viive takaisinkytkennaile a 15 sisaitaen integraattorien viiveet), jotta lohkolla SD2 olisi mahdollista aikaansaada siirtonolla kohinafunktioon. Viiveelliselia integraattorilla tarkoitetaan lohkoa, jonka diskreettiaikainen siirtofunktio on z~/(1-z-1), missa diskreettiaikatason taajuusmuuttuja z vastaa aikatasossa 20 yhden kellojakson viivetta, vastaavasti viivettOmaiia integraattorilla tarkoitetaan lohkoa, jonka diskreettiaikainen siirtofunktio on l/(l-z_1). Jos takaisinkytkentasilmu-kassa a on yksi viive (kuvioissa 3, 4, 7, 8 z:n potenssit d2=0), siirtonolla asettuu tarkasti z-tason yksikkdympy-25 ralle ja saadaan aaretdn vaimennus ko. pisteessa. Jos sita vastoin takaisinkytkentasilmukassa a on kaksi viivetta (kuvioissa 3, 4, 7, 8 z:n potenssit d2=l), siirtonolla asettuu suoralle, joka on yksikkdympyran tangentti pisteessa (1,0), jolloin aivan tarkka siirtonolla saadaan 30 vain ko. pisteessa, kuitenkin nollat sijaitsevat niin la-helia yksikkOympyran kehaa suuremmilla ylinaytteenottosuh-teilla kuin 64, ettei ole merkittavaa eroa signaalikais-talla olevan kvantisointikohinan maarassa tarkkaan nollaan verrattuna. Kuviossa 6 on esitetty simuloidut keksinnOn 35 mukaisten 4-, 6- ja 8-asteen modulaattorijarjestelmien ko- 10 92533 hinaspektrit 61, 62 ja vastaavasti 63. TSllOin lohkoina SD1 ja SD2 on kSytetty vastaavasti 2-, 3- ja 4-asteen sigma-delta-modulaattoreita. MyOs spektreissa 61, 62 ja 63 on spektri nolla taajuudella 0,85 x Fs/2.

5 Seuraavassa esitetaan suoritusesimerkkeina 2-asteen modulaattorirakenteita, joita voidaan kayttaa keksinnOn mukaisessa modulaattorijSrjestelmassa lohkoina SD1 ja SD2. Kuviossa 2 on esitetty eras lohkoksi SD1 soveltuva usean takaisinkytkennan (Multiple Feedback) sigma-delta-modu-10 laattori. Modulaattori kasittaa seuraavassa jarjestyksesså sarjaankytkettyina vahentajan 20, integrointiasteen 21, vahentajan 28, integrointiasteen 22 seka kvantisoijan eli vertailijan 23, jonka ulostulossa esiintyy lopullinen kvantisoitu signaali Dr. Kvantisoijalla 23 tarkoitetaan 15 A/D- ja D/A-muuntimen yhdistelmaa, jossa analoginen janni- te D2 muutetaan A/D-muuntimella 23A diskreettiarvoiseksi digitaaliluvuksi D', joka muodostaa modulaattorin ulostu-lon ja joka muunnetaan heti taman jaikeen takaisin analo-giseksi jannitteeksi Df (arvoksi) D/A-muuntimella 23B kak-20 siosaisen negatiivisen takaisinkytkennan muodostamiseksi kvantisoijan 23 ulostulosta. jannite Df kytketaan skaa-lainvaiineen 26 (takaisinkytkentakerroin b2) vahentajan 20 toiseen sisaantuloon vahennettavaksi sisaantulo-jannitteesta ja skaalainvaiineen 27 kautta vahentajan 28 25 toiseen sisaantuloon vahennettavaksi ensinundisen integ rointiasteen 21 ulostulojannitteesta Dl. Modulaattorin kvantisointivirheeseen verrannollinen signaali muodoste-taan johtamalla kvantisoijan 23 sisaanjannite D2 ja ulostulosignaalista D' muunnettu jannite Df vahentajaile 30 29, joka vahentaa ne toisistaan muodostaen kvantisointi- virhejannitteen e. Virhejannite e johdetaan skaalainvaii-neelle 25, joka skaalaa signaalin ykkdsta pienemmaiia skaalauskertoimella 1/C (vahintaan b2/b1) alentaen sen ta-son seuraavalle modulaattorilohkolle SD2 sopivaksi.

35 Kuviossa 3 on esitetty vastaava Feed-forward -tyyp- li 11 92533 pinen sigma-delta-modulaattorilohkoa SD1 vårten. Modulaat-tori kasittaa sarjaankytkettyna vahentajan 36, integroin-tiasteen 31 seka integrointiasteen 32. Integrointiasteen 31 ulostulojannite D3 kytketaan skaalainvaiineen 33 (kyt-5 kentakerroin bx) kautta summaimelle 35. Vastaavasti integrointiasteen 32 ulostulojannite D4 kytketaan skaalainvd-lineen 34 (kytkentakerroin b2) kautta summaimelle 35. Sum-main 35 muodostaa summajannitteen, joka sydtetaan kvanti-soijaile 37 seka vahentajan 38 toiseen sisååntuloon. Kvan-10 tisoija 37 muodostuu jalleen A/D- ja D/A-muuntimista 37A ja 37B. Kvantisoijan 37 ulostulosignaali D' takaisinkytke-tåån (muuntimen 37B kautta) vahentajaile 36 vahennettavak-si integrointiasteelle 31 sydtettavasta sisaantulojannit-teesta Din. Kvantisoitu ulostulo D' on kytketty (muuntimen 15 37B kautta) myds vahentajaile 38 vahennettavaksi kvanti soijan sisaantulojannitteesta D5 siten, etta muodostuu kvantisointivirhejannite e, joka skaalataan skaalausvaii-neelia 39 modulaattorilohkolle SD2 sopivaksi.

Kuviossa 4 on esitetty eras Multiple Feedback -sig-20 ma-delta-modulaattori, joka soveltuu kaytettavaksi kuvioi-den 2 tai 3 modulaattoreilla toteutetun lohkon SD1 kanssa. Kuvion 4 modulaattori kasittaa seuraavassa jarjestyksessa sarjaankytkettyina skaalainvaiineen 46 (skaalauskerroin 1+a), joka voi olla sisailytetty kuvion 2 skaalainvåli-25 neeseen 25, vahentajan 47, integrointiasteen 41, vahentajan 48, integrointiasteen 42, viivelohkon 44 seka kvantisoijan 43. Kvantisoija 43 muodostuu jalleen A/D- ja D/A-muuntimista 43A ja 43B. Kvantisoijan ulostulosignaali e' on (muuntimen 43B kautta) takaisinkytketty skaalainvaii-30 neen 45B (takaisinkytkentakerroin b2) kautta vahentajan 47 toiseen sisååntuloon vahennettavaksi integrointiasteella 41 sydtettavasta virhejannitteesta e seka skaalainvaiineen 45A (takaisinkytkentakerroin bx) kautta vahentajaile 48 vahennettavaksi integrointiasteen 41 ulostulosta β! ennen sen 35 sydttamista integrointiasteelle 42. Kvantisoijan 43 ulos- 12 92533 tulosignaali eli kvantisointivirhesignaali e' syGtetaan kuvion 1 derivaattorille 3. Viivelohkon 44 viive riippuu toisen integrointiasteen 42 viiveesta d2 olien z'1, kun d2=0, z'° kun d2=l. Jotta siirtonolla saataisiin realisoi-5 tua on uloimmassa takaisinkytkentasilmukassa oltava kahden kellojakson viive. Viivelohko 44 ja integraattorin 42 yh-teenlaskettu viive on siten z"1 (yhden kellojakson).

KeksinnGn mukaisten siirtonollien aikaansaamiseksi kohinaspektriin integrointiasteen 42 ulostulojannite e2 10 on takaisinkytketty skaalainvaiineen 49 kautta, jolla on takaisinkytkentakerroin a, integrointiasteiden 42 ja 41 yli vahentåjån 47 kolmanteen sisåantuloon vahennettavaksi integrointiasteelle 41 syGtettavasta virhejannitteesta e. Takaisinkytkentakertoimen a arvo (takaisinkytkennan aste) 15 maaraa siirtonollaparin paikan kohinaspektrissa. Kuvion 9 kuvaaja havainnollistaa siirtonollan paikan riippuvuutta kertoimesta kuvion 4 kytkennaile, kun kertoimen a arvo on vaiilia 0-0,02 ja X-akselin arvo 1 vastaa puolta naytteen-ottotaajuutta kun ylinaytteenottosuhde on 32.

20 Sigma-delta-modulaattoreita voidaan kytkea kaska- diin myGs kytkemaiia modulaattorilohkon SDl integroitu signaaliestimaatin virhe 3 seuraavalle modulaattorilohkol-le SD2, kun molenunissa modulaattorilohkoissa SDl ja SD2 kaytetaan Feed-forward -modulaattorirakennetta. Integroi-25 dun signaaliestimaatin virheen kytkemiselia kaytMnnOssa on mahdollista saavuttaa parempi signaalikohinasuhde (S/(N+Nq)), koska tarvittava Janniteskaalaus ensimmaisen modulaattorilohkon sisaanmenossa on pienempi kuin aikai-semmin esitetyissa kaskadirakenteissa. Modulaattorin suu-30 rin herkkyys piirielementtien kohinalle (N) on sisaan-menoasteessa ja siten lahes kaikkien modulaattoreiden (yli 16 bitin tarkkuuden) suorituskykya rajoittaa ensimmaisen integraattorin piirielementtien kohina. Pienemmaiia janni-teskaalauksella piirielementtien fyysinen kohina (N) jaa 35 suhteellisesti pienemmaksi.

li 13 92533

Kuviossa 7 on esitetty eras tailaisessa modulaat-torijarjestelmasså modulaattorilohkona SD1 kaytettavaksi soveltuva modulaattorirakenne. Kuvion 7 Feed-forward -mo-dulaattori kasittaa seuraavassa jarjestyksessa sarjaankyt-5 kettyna vahentajan 76, integrointiasteen 71 ja integroin-tiasteen 72. Integrointiasteen 71 ulostulojannite D6 kyt-ketaan skaalainvaiineen 74A (kytkentakerroin b1) kautta ja integrointiasteen 72 ulostulojannite D7 skaalainvaiineen 74B (kytkentakerroin b2) kautta summaimelle 75, jonka ulos-10 tuloonsa muodostama summajannite D8 sydtetaan kvantisoi-jalle 73. Kvantisoija 73 muodostuu jalleen A/D- ja D/A-muuntimista 73A ja 73B. Kvantisoijan 73 kvantisoitu ulos-tulosignaali D' sydtetaan vahentajan 76 toiseen sisaantu-loon vahennettavaksi integrointiasteelle 71 sydtettavasta 15 sisaantulojannitteesta Din. Kvantisoijan 73 ulostulosig-naali D' syiitetaan (muuntimen 73B kautta) myds vahentajan 77 sisaantuloon vahennettavaksi integrointiasteen 72 ulos-tulojannitteesta D7, eli integroidusta signaaliestimaatin virheesta siten, etta muodostetaan integroidun signaalies-20 timaatin D7 ja muuntimella 73B rauunnetun kvantisoijan ulostulosignaalin D' vaiinen erosignaali, joka skaalataan skaalausvaiineessa 78 kertoimella 1/C ja sydtetaan modu-laattorilohkolle SD2. Vaihtoehtoisesti integrointiasteen 72 ulostulojannite D7 voi suoraan muodostaa virhejannit-'25 teen e, jolloin lohkot 77 ja 79 jaavat pois.

Kuviossa 8 on esitetty eras Feed-forward -tyyppinen sigma-delta-modulaattorirakenne, joka soveltuu kaytettavaksi modulaattorilohkona SD2, kun lohko SD1 on toteutettu kuvion 2, 3 tai 7 modulaattorilla. Kuviossa 8 modulaattori 30 kasittaa seuraavassa jarjestyksessa sarjaankytkettyina vahentajan 86, integrointiasteen 81 ja integrointiasteen 82. Integrointiasteen 81 ulostulojannite e5 kytketaan skaalainvaiineen 84A (kytkentakerroin b2) kautta summaimelle 85. Integrointiasteen 82 ulostulojannite e6 kytketaan 35 viivelohkon 87 j a skaalausvaiineen 84B (kytkentakerroin b2) 14 92533 kautta summaimelle 85. Summaimen 85 ulostulojannite e8 syd-tetaan kvantisoijaile 83. Kvantisoija 83 muodostuu jalleen A/D- ja D/A-muuntimista 83A ja 83B. Kvantisoijan ulostulo muodostaa kvantisoidun virhesignaalin e’, joka sydtetaan 5 kuvion 1 derivaattorilohkolle 3 sekå (muuntimen 83B kautta) vahentajan 86 toiseen sisaantuloon vahennettavaksi integrointiasteelle 81 sydtettavasta virhejannitteesta e. Keksinndn mukaisen siirtonollan aikaansaamiseksi ko-hinafunktioon integrointiasteen 82 ulostulojannite e6 on 10 skaalausvaiineen 88 kautta, jolla on takai-sinkytkentakerroin a, takaisinkytketty edellisen integrointiasteen 81 sisaantulossa olevan vahentajan 86 yhteen sisaantuloon våhennettavaksi virhejannitteesta e.

Esitetyissa kuvioissa kaikki lohkot, ts. integraat-15 torit, ovat normalisoituja ja skaalaamattomia, integraat-torit ovat kuitenkin kaytanndn sovelluksissa janniteskaa-lattuja. Selvyyden vuoksi janniteskaalaukset on jatetty pois integraattoreiden osalta.

Kuviot ja niihin liittyva selitys on tarkoitettu 20 vain havainnollistamaan esilia olevaa keksintdå. Yksityis-kohdiltaan keksinnOn mukainen modulaattorijarjestelma voi vaihdella oheisten patenttivaatimusten mukaan.

II

Claims (10)

15 92533

1. Sigma-delta-modulaattorijårjestelmå, jossa on ensimmåinen sigma-delta-modulaattori (SD1,SD2), 5 joka kåsittåå våhintåån kaksi integrointiastetta (21,22, 31,32,71,72) ja kvantisointivålineen (23,37,73) pååsignaa-lin kvantisoimiseksi, våline (29,38,77) ensimmåisen modulaattorin (SD1) kvantisointivirhettå tai integroidun signaaliestimaatin 10 virhettå edustavan virhesignaalin (e) muodostamiseksi, toinen sigma-delta-modulaattorivåline (SD2), joka kåsittåå våhintåån kaksi integrointiastetta (41,42,81,82) ja kvantisointivålineen (43,83), mainitun virhesignaalin kvantisoimiseksi, 15 derivointivåline (3), jonka siirtofunktio on oleellisesti sama kuin ensimmåisen modulaattorivålineen integrointiasteiden yhteisen siirtofunktion kåånteisfunk-tio, toisen modulaattorivålineen ulostulosignaalin deri-voimiseksi, 20 våline (5) kvantisoidun pååsignaalin viivåståmi- seksi toisen modulaattorivålineen viiveen verran, ja våline (6) derivoidun virhesignaalin våhentåmiseksi viivåstetystå kvantisoidusta pååsignaalista, t u η n e t-. t u siitå, ettå toisessa modulaattorissa (SD2) on ainakin 25 yhden integrointiasteen (42,82) ulostulosta kvantisoimaton negatiivinen takaisinkytkentå edeltåvån integrointiasteen (41,81) sisååntuloon, ja ettå takaisinkytkentåsilmukassa on ainakin yksi viive.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen jårjestelmå, 30 tunnettu siitå, ettå mainitun negatiivisen takai-sinkytkennån takaisinkytkentåkertoimen arvo mååråå siir-tonollan paikan modulaattorin kohinaspektrisså ja on edul-lisesti vålillå 0 ja 0,02.

3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen jårjestel-35 må, tunnettu siitå, ettå kvantisoidun arvon 16 92533 uloinunassa negatiivisessa takaisinkytkentasilmukassa on vahintaan kaksi viivetta ja siirtonollaa siirtavassa takaisinkytkentasilmukassa on yhden tai kahden kellojakson viive.

4. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen jarjestel ma, tunnettu siita, etta sekå takaisinkytketty in-tegrointiaste etta sitå edeltava integrointiaste ovat vii-veellisia.

5. Jonkin patenttivaatimuksista 1-4 mukainen jar-10 jestelma, tunnettu siita, etta mainittu virhesig- naalin muodostava valine kasittaa vahentajavaiineen (29,38) ensimmaisen modulaattorivaiineen (SD1) kvantisoi-jan (23,37) sisaan- ja ulostulosignaalien vahentamiseksi mainitun kvantisointivirhetta edustavan virhesignaalin 15 tuottamiseksi.

6. Jonkin patenttivaatimuksista 1-4 mukainen jar-jestelma, tunnettu siita, etta ensimmainen modu-laattorivåline (SD1) on Feed-forward -tyyppinen modulaat-tori, ja etta mainittu virhesignaali on ensimmaisen modu- 20 laattorin (SD1) viimeisen integrointiasteen ulostulosig- naali.

7. Patenttivaatimuksen 6 mukainen jarjestelma, tunnettu siita, etta ensimmainen modulaattoriva-line (SD1) on Feedforward -tyyppinen modulaattori, ja etta 25 mainittu virhesignaalin muodostava valine kasittaa vahen tajavaiineen (77) ensimmaisen modulaattorivaiineen viimeisen integrointiasteen ulostulosignaalin ja kvantisoijava-lineen ulostulosignaalin våhentamiseksi toisistaan mainitun integroidun signaaliestimaatin virhetta edustavan vir-30 hesignaalin tuottamiseksi, seka ensimmaisen skaalainvaii- neen (79) kvantisoijavaiineen ulostulosignaalin skaalaami-seksi skaalauskertoimella x ennen vahentajavaiineelle syOttamista, misså 0<x<4*bl/b2.

8. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen 35 jarjestelma, tunnettu siita, etta se kasittaa toi- I) 92533 sen skaalainvålineen (25,39,78) virhesignaalin skaa-laamiseksi ensimmaiselia ykkiista pienemmaiia skaalausker-toimella ennen toista modulaattorivaiinetta ja kolmannen skaalainvSlineen (4) kvantisoidun virhesignaalin skaalaa-5 miseksi toisella skaalauskertoimella, joka on oleellisesti yhta suuri kuin ensimmaisen kertoimen kaanteisluku, ennen kvantisoidusta paasignaalista vahentamista.

9. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen jarjestelma, tunnettu siita, etta ensimmaisen ja 10 toisen modulaattorivaiineen asteluvut ovat samat.

10. Patenttivaatimuksen 9 mukainen jarjestelma, tunnettu siita, etta ensimmainen ja toinen modu-laattorivaiine ovat toisen asteen modulaattoreita. 18 92533