[发明专利]用于高阶Sigma-Delta调制器的分数阶零相位积分器设计方法

说明书

本申请公开了一种用于高阶Sigma‑Delta调制器的分数阶零相位积分器设计方法，将分数阶零相位积分器应用于高阶Sigma‑Delta调制器中，在不造成相位损失的前提下进一步提高调制器噪声整形能力。本发明的优点在于借助分数阶零相位积分器具有幅值可调相位恒定这一优点，不但可以避免高阶Sigma‑Delta调制器的相位滞后，同时可以进一步提高调制器噪声整形能力。

技术领域

本申请涉及模数混合信号处理领域，特别是一种用于高阶Sigma-Delta调制器的分数阶零相位积分器设计方法。

背景技术

随着数字电路功能的不断强大，其对模数转换器性能的要求也越来越高，传统的模数转换器的转换精度一般都不高，不能够满足系统高精度要求。Sigma-Delta ADC是过采样模数转换器的一种，也属于高精度模数转换器的一种，同时对前端抗混叠滤波器性能要求较低。因此，Sigma-Delta调制器被广泛用于机器人控制、语音识别、通信系统等领域。通过阅读大量文献发现，Sigma-Delta调制技术也是实现MEMS数字检波器的理想方式之一。Sigma-Delta调制器按系统的等效积分器个数可以分为二阶系统和高阶系统。二阶系统全时稳定、系统结构简单、电路容易实现，系统中仅包含传感结构和量化器等电路，不包含电学积分器，然而由于系统阶数较低，限制了Sigma-Delta调制器的噪声整形能力，在模数转换时存在较大量化误差。高阶Sigma-Delta调制器是在具有低通滤波特性的二阶传感结构后面级联电学积分器，积分器的个数越多噪声整形能力越强，模数转换误差也就越小。但面临Sigma-Delta调制器稳定性差同时系统参数设计复杂等问题，需要合理设计系统结构与参数。目前，提高Sigma-Delta调制器性能的方法主要是通过在二阶Sigma-Delta调制器结构中级联积分器，构造高阶Sigma-Delta调制器。一直以来，高阶Sigma-Delta调制器面临着稳定性差的问题，这一问题也成了限制高阶Sigma-Delta调制器投入实际使用的瓶颈问题。我们知道，高阶Sigma-Delta调制器是在二阶Sigma-Delta调制器基础上级联积分器所构造而来的，由于积分器会为系统引入更多的极点，从而引起整个系统的相位滞后，最终导致系统稳定性变差。以往解决这一问题的方法主要有：系统参数进行更为合理的设计；采用MASH结构；采用相位超前补偿器。采用系统参数的设计来提高高阶Sigma-Delta调制器稳定性的方法主要是在系统稳定性和噪声整形能力方面进行折中，二者优势不可兼得。而MASH结构存在电路设计复杂问题，需要更为精确的电路匹配。因此，相位超前补偿器的设计成为改善高阶Sigma-Delta调制器的主要方法。相位超前补偿器的原理是采用相位超前的方法去补偿积分器的相位滞后，从而保证系统稳定。但是不可忽略的一个问题是，相位超前补偿器虽然可以补偿相位的滞后，但是相位超前补偿器不可避免的会削弱系统输入信号增益，这将造成Sigma-Delta调制器噪声整形能力下降。因此，本发明针对相位超前补偿器存在降低输入信号增益这一问题，提出替换方案。具体讲就是采用一个分数阶零相位积分器对高阶Sigma-Delta调制器进行相位补偿。

通过阅读大量文献可知，提高Sigma-Delta调制器阶数是实现提高调制器系统带内信噪比的可行且有效方法之一。目前，在单环高阶Sigma-Delta调制器领域的研究已成功实现了5阶Sigma-Delta调制器的设计，若在此基础上进一步提高阶数(级联积分器)将不可避免地引起整个Sigma-Delta调制器系统的相位滞后，那么系统的稳定性将得不到保证。因此，为了解决高阶Sigma-Delta调制器系统相位滞后问题，同时进一步提高其噪声整形能力，本发明采用分数阶零相位积分器运用于高阶Sigma-Delta调制器中，在不影响高阶Sigma-Delta调制器稳定性的前提下，进一步提高调制器噪声整形能力。