图2一阶Σ-Δ调制器离散时间等效模型

图2中的积分器用I(z)=(1-z-1)-1等效描述,而1bit ADC被加性噪声源q(n)替代。嵌在反馈环路中的1bit DAC被一个单位时延z-1取代,以避免在离散时间模型中出现无时延反馈环。q(n)是与输入信号无关的白噪声,用它能够方便地描述Σ-Δ调制器在大量信号作用下的平均行为,分析可得其输入、输出关系式为

Y(z)=X(z)+(1-z-1)Q(z) (4)

由上式可知,在信号频谱X(z)未变的同时,白噪声Q(z)被(1-z-1)加权而成为“高通”形状。此现象正是所谓“噪声成形”。加权函数(1-e-j2πfT)的零点f=0使得基带内噪声被大大压缩;而在带外的高频端,噪声却略有上升。

在实际应用中,为更有效地压低量化噪声达到分辨率要求,还得考虑高阶噪声成形。一般地,将L个一阶Σ-Δ调制器组合起来,可以实现(1-z-1)L(L阶噪声成形)。

标准的MASH(Multistage Noise Shaping,多级噪声成形)结构如图3。它实际上是L个一阶Σ-Δ调制器的串联,其中前一级调制器内的1bit ADC的量化误差被送入下一级进行再量化,然后将各级的输出码流送入运算节点进行处理。最后输出了经(1-z-1)L成形处理后的低分辨率码流。显然,这样的前馈结构不会存在任何稳定方面的问题。

图3MASH结构框图

MASH中的数字处理节点所做的工作是抵消各级的量化误差:

第一级:Y1(z)=X(z)+(1-z-1)Q1(z),将-Q1(z)送入第2级,有Y2(z)=-Q1(z)+(1-z-1)Q2(z),再将-Q2(z)送入第3级,有Y3(z)=-Q2(z)+(1-z-1)Q3(z),。.直至YL(z)=-QL-1(z)+(1-z-1)QL(z),而运算节点使得

Y(z)=Y1(z)+(1-z-1)Y2(z)+.。.+(1-z-1)L-1YL(z)=X(z)+(1-z-1)LQL(z) (5)

这样,就等效实现了(1-z-1)L噪声成形。除MASH外,还有许多新颖的采用计算机辅助设计的Σ-Δ噪声成形方案,用其可实现更高效的噪声成形。

3一种DAC非线性误差校正方法

在MASHΣ-ΔADC中,与一位(1bit)量化相比,采用多位量化器具有增大信噪比(SNR),增加稳定性以及降低运算放大器规格等优点。然而,内部DAC的非线性导致性能瓶颈,通常要求其最少具有与整个ADC同样好的线性。现在,对于较大过采样比(OSR>32),采用即时数字校准、失配整形可解决此问题。但在宽带ADC中,OSR较小(通常≤4),失配整形法就变得无效。本文描述了一种数字即时校准方法。不同于较早的技术,其对低过采样比状态有效。并且,此方法可以跟随漂移。