[发明专利]一种基于FPGA的Sigma-Delta调制器

说明书

本发明涉及了一种基于FPGA的Sigma‑Delta调制器，属于跳频与扩频通信技术领域，该改进结构的目的是针对传统MASH结构在量化噪声时出现的高延时问题，采用简化一级结构与反馈引入的方式，减小延时，降低量化噪声的影响。本发明的技术特征在于：在第二级结构中引入两个前馈，使得第一级结构中数字滤波器结构简化。从电路的角度上分析降低了结构复杂度。本发明通过对结构的分析，改进的MASH结构减少了时延对有用信号的干扰，进一步提高噪声整形效果。

技术领域

本发明属于跳频与扩频通信技术领域，涉及一种改进MASH结构的Sigma-Delta调制器。

背景技术

过采样转换器利用现代超大规模集成电路高速、高集成度的优点，以较低成本实现较高的精度，因此过采样转换器逐渐成为数据转换器的主流产品。

Sigma-Delta调制器自1962年Inose提出之后，首次应用于噪声整形中，系统电路包含了连续时间积分器和施密特触发器，分别实现积分器和量化器的作用。经过多年的发展，Sigma-Delta调制器也产生了许多新型结构，包括高阶多比特量化Sigma-Delta调制器，多级噪声整形(multi-stage noise shaping，MASH)结构调制器及带通Sigma-Delta调制器等。Sigma-Delta调制技术能够实现高精度的数模转换，因此广泛应用于语音处理、电子测量、幅度调制及频率合成等多个领域。

Sigma-Delta调制器是Sigma-Delta数据转换器的关键结构，它决定着转换器的精度和速度。因此对Sigma-Delta调制器结构，很多学者进行了大量研究。早期Sigma-Delta调制器运用量化噪声整形技术来抑制有用信号在低频处的量化噪声，并把大部分的量化噪声推到高频带内，然后用滤波器将信号带外的量化噪声滤除。单环高阶Sigma-Delta调制器是在低阶环路的前向通路中级联多个积分器，优点是改善了量化噪声整形的效果，并提高了调制器的信噪比，缺点是稳定性差。

级联高阶Sigma-Delta调制器由基本调制器结构级联而成，这种结构被称为多级噪声整形结构，它可以避免不稳定现象的出现，同时又可以实现高阶的噪声整形。低阶的调制器稳定性好，所以由低阶调制器级联而成的MASH结构自然拥有良好的稳定性，并且在相同阶数下，MASH结构比单环高阶Sigma-Delta调制器结构有更大的动态范围，更高的有效位数。

MASH结构通常是将几个低阶调制器结构进行级联，前一级产生的量化噪声作为后一级的输入信号，最后把每一级输出进行整合和处理用来抵消除最后一级以外的量化噪声，并对最后一级的量化噪声进行高阶整形。图1为一种比较典型而实用的MASH结构，图中MASH结构由上下两级组成，每级都由二阶单环调制器构成。以Y₁、Y₂为分界线，左侧模拟部分为两个二阶单环调制器结构，右侧数字部分为噪声抵消单元，作用是抵消除最后一级的量化噪声，故调制器最终输出只包含最后一级的量化噪声。在此MASH结构中，避免了把第一级结构中量化器输出与输入的差作为第二级结构输入的繁琐，而是从一级结构中引出三个模拟信号进行叠加作为二级结构的输入，降低了量化器外围电路的复杂度。该MASH结构在量化噪声消除方面有一定的优势，但在有用信号时延方面仍存在不足。

发明内容

本发明的目的是针对传统MASH结构在量化噪声时出现的高延时问题，采用简化一级结构与反馈引入的方式，通过改进传统MASH结构，提出了一种改进MASH结构的Sigma-Delta调制器。该调制器降低了结构的复杂度，减少了时延对信号的影响，提高了噪声整形效果。

为了达到以上效果，在第二级结构中引入两个前馈，使得改进MASH结构的Sigma-Delta调制器将第一级结构中数字滤波器结构简化。

经过改进的MASH结构，在二级结构中加入了两个前馈结构，简化了第一级结构中的滤波器结构，从电路的角度上分析降低了结构复杂度。通过对结构的分析，改进的MASH结构减少了时延对有用信号的干扰，进一步提高噪声整形效果。