數(shù)字Σ-Δ調(diào)制器的基本原理及采用FPGA器件實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)

數(shù)字Σ-Δ調(diào)制器的基本原理及采用FPGA器件實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)1、引言Σ-Δ調(diào)制在數(shù)字信號(hào)處理以及通信系統(tǒng)方面的應(yīng)用正越來(lái)越引起大家的重視，因?yàn)棣?Δ調(diào)制實(shí)現(xiàn)時(shí)主要采用數(shù)字技術(shù)而且對(duì)模擬端的精度要求不高，Σ-Δ調(diào)制通常都是對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行調(diào)制產(chǎn)生一位數(shù)字信號(hào)。但很多情況下，輸入信號(hào)本身就是數(shù)字信號(hào)，這時(shí)就非常有必要研究對(duì)數(shù)字信號(hào)的Σ-Δ調(diào)制實(shí)現(xiàn)方式。在本文中，將就數(shù)字Σ-Δ調(diào)制器的基本原理進(jìn)行闡述和研究，然后對(duì)數(shù)字Σ-Δ調(diào)制器結(jié)構(gòu)進(jìn)行闡述和設(shè)計(jì)，并最終FPGA實(shí)現(xiàn)，最后進(jìn)行總結(jié)。2、Σ-Δ調(diào)制器的原理Σ-Δ調(diào)制器是一個(gè)非線性的系統(tǒng)，由一個(gè)濾波器，一個(gè)帶反饋回路的一比特量化器和一個(gè)減法器組成，其中量化器工作頻率要遠(yuǎn)比奈奎斯特采樣頻率要高，整個(gè)系統(tǒng)原理圖如圖一所示，輸入信號(hào)經(jīng)調(diào)制后得到的比特流信號(hào)可以很好的恢復(fù)出信號(hào)。信號(hào)與反饋信號(hào)的差值在累加器（濾波器）中累加，然后由量化器量化。在此假設(shè)量化器引入的噪聲為e（n），則，很容易得到y(tǒng)（n）和輸入u（n）及噪聲e（n）之間在Z域的關(guān)系，即：由式（2．０）可以看出，一階Σ-Δ系統(tǒng)對(duì)輸入信號(hào)的傳輸函數(shù)STF為它對(duì)信號(hào)產(chǎn)生一個(gè)單位的延遲，而對(duì)于噪聲的傳輸函數(shù)NTF為噪聲傳遞函數(shù)在直流處有個(gè)零點(diǎn)，所以呈現(xiàn)一階高通濾波的性質(zhì)，由此可以看出，噪聲被推擠到較高頻段，在信號(hào)帶寬以?xún)?nèi)，量化噪聲被大大削弱。3、數(shù)字Σ-Δ調(diào)制器的設(shè)計(jì)圖二顯示的是一個(gè)一階的數(shù)字Σ-Δ調(diào)制器的系統(tǒng)框圖，這個(gè)Σ-Δ調(diào)制器對(duì)輸入的8位信號(hào)進(jìn)行調(diào)制。這個(gè)一階數(shù)字Σ-Δ調(diào)制器中，減法器加法器和量化器都是對(duì)8位信號(hào)進(jìn)行的運(yùn)算，減法是兩個(gè)8位信號(hào)的運(yùn)算，所以必須是一個(gè)九位的減法，其后的加法器與延遲單元組成了一個(gè)累加器，對(duì)前面的減法電路得到的值進(jìn)行累加，我們對(duì)累加器端的輸入進(jìn)行估計(jì)，由于Σ-Δ調(diào)制器的特點(diǎn)，如果累加器前一個(gè)累加結(jié)果的是一個(gè)正信號(hào)，那么反饋回輸入端的是一個(gè)負(fù)值，反之，反饋回輸入端的是一個(gè)正值，這樣，累加器的累加結(jié)果將一直在一個(gè)有限的范圍內(nèi)，所以，我們可以估計(jì)，累加器的位數(shù)有可能將只需要9位。圖三，圖四所顯示的仿真波形是減法器和加法器在Σ-Δ調(diào)制器對(duì)八位信號(hào)進(jìn)行調(diào)制時(shí)的輸出范圍，橫坐標(biāo)表示的是輸入范圍，縱坐標(biāo)表示的是在各種輸入情況下輸出的最大值。仿真結(jié)果證實(shí)了我們的猜想。從圖三、圖四可以看出，對(duì)八位信號(hào)調(diào)制時(shí)，減法器和累加器電路的輸出的絕對(duì)值不會(huì)超過(guò)256，實(shí)際電路的信號(hào)都是補(bǔ)碼表示，運(yùn)算也都是補(bǔ)碼運(yùn)算，所以設(shè)計(jì)時(shí)只需要設(shè)計(jì)一個(gè)九位的減法器和一個(gè)九位的累加器就可以滿(mǎn)足系統(tǒng)需要。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，各運(yùn)算單元的操作數(shù)都是補(bǔ)碼，最高位為符號(hào)位，所以量化器就是一個(gè)簡(jiǎn)單的選擇器，符號(hào)位為正得1，符號(hào)位為負(fù)得-1，反饋回路中的轉(zhuǎn)換器則是一個(gè)簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)選擇器，在此考慮到反饋信號(hào)將做減法運(yùn)算，所以在+1時(shí)選擇輸出負(fù)值，在-1時(shí)選擇輸出正值，這樣，減法器就直接設(shè)計(jì)成一個(gè)加法器，這樣可以簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)。4、Σ-Δ調(diào)制器的FPGA實(shí)現(xiàn)經(jīng)過(guò)對(duì)圖二的具體單元分析，我們可以得到一個(gè)如圖五所示的具體的FPGA可實(shí)現(xiàn)的結(jié)構(gòu)圖。這樣一個(gè)數(shù)字一階Σ-Δ調(diào)制器在FPGA實(shí)現(xiàn)的時(shí)候只需要兩個(gè)9位的加法器，一個(gè)鎖存器，一個(gè)簡(jiǎn)單量化器和一個(gè)數(shù)據(jù)選擇器，而且，量化器和數(shù)據(jù)選擇器都是極其簡(jiǎn)單的，所以在FPGA實(shí)現(xiàn)時(shí)只需耗費(fèi)很少的邏輯資源。。本文采用XilinxSpartan3系列的XC3S200-PQ208實(shí)現(xiàn)。輸入信號(hào)為8位寬的二進(jìn)制數(shù)據(jù)Data_in［7:0］，時(shí)鐘信號(hào)為Clk，復(fù)位信號(hào)為Reset，輸出信號(hào)為單比特信號(hào)Data_out［0:0］。本設(shè)計(jì)使用verilogHDL語(yǔ)言描述，經(jīng)過(guò)xilinxISE6.i編譯綜合，綜合工具使用xilinxXST。下面給出該模塊的主要可綜合的verilogHDL描述：//一階數(shù)字Σ-Δ調(diào)制器modulesdelta（data_in，clk，reset，data_out）;input［7:0］data_in;//輸入信號(hào)input［0:0］clk，reset;output［0:0］data_out;//輸出信號(hào)reg［0:0］data_out;reg［8:0］sum1;//減法器端的輸出reg［8:0］sum2;//累加器端的輸出regreg［8:0］latch_out;//鎖存器端的輸出reg［7:0］choose_out;//數(shù)據(jù)選擇器輸出always@（data_inorchoose_out）sum1=data_in+choose_out;always@（sum1orlatch_out）sum2=sum1+latch_out;always@（posedgeclkorposedgereset）beginif（reset）begindata_out《=1‘b0;latch_out《=9’b000000000;choose_out《=8‘b00000000;endelsebeginlatch_out《=sum2;data_out《=latch_out［8］？0:1;choose_out《=latch_out［8］？8’b01111111:8‘b1000000;endendendmodule5、結(jié)論本文我們從Σ-Δ調(diào)制原理開(kāi)始，逐步給出了一階數(shù)字Σ-Δ調(diào)制器的系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及最終可實(shí)現(xiàn)的FPGA模型。Σ-Δ調(diào)制器可以很方便的應(yīng)用在各種數(shù)字系統(tǒng)中，比如單比特神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)權(quán)值調(diào)整，單比特運(yùn)算單元信號(hào)的產(chǎn)生，由此可以大大的降低系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，并大規(guī)模的減少電路單元之間的連線。在解決超采樣頻率產(chǎn)生的情況下，應(yīng)用將是十分廣泛的。本文作者創(chuàng)新點(diǎn)：Σ-Δ調(diào)制器通常用