[发明专利]多级噪声整形数字Delta-Sigma调制器的外加扰动信号的添加方法

说明书

本发明公开了一种多级噪声整形数字Delta‑Sigma调制器的外加扰动信号的添加方法，包括多级调制器，在第一级调制器中加入扰动信号，扰动信号取反后和第一级调制器的量化误差信号相加，然后经过延迟寄存器延迟后再馈送到第一级调制器的输入端，与输入信号一起经过量化处理后，再与经过增益处理的扰动信号相加，最后作为第一级调制器的输出被送入误差消除逻辑电路。本发明将外加扰动信号添加到数字Delta‑Sigma调制器，能有效延长其输出序列长度并实现扰动信号的相互抵消，最终外加的扰动信号不会出现在调制器量化噪声功率谱中，能有效提高采用随机扰动法的多级噪声整形数字Delta‑Sigma调制器的输出信噪比。

技术领域

本发明涉及信号处理，尤其是一种多级噪声整形数字Delta-Sigma调制器的外加扰动信号的添加方法。

背景技术

在当今的数字通信系统中，由于奈奎斯特采样技术容易受到元件匹配、电路的非理想性以及大功率量化噪声干扰等的影响，而逐渐被过采样技术所取代。过采样是指使用频率远高于奈奎斯特频率的频率对输入信号进行采样。由于量化比特的位数保持不变，故总的量化噪声功率保持不变，但量化噪声的功率由于采样频率的提高而分布到更多的频点，因此相应的信号带内的量化噪声功率谱密度减小，进而提高通信系统的信噪比(SNR，Signal to Noise Ration)。但是，单独使用过采样技术对信噪比的性能提升并不是很明显，所以，过采样技术还常常结合噪声整形技术一起使用。因此，同时具有过采样和噪声整形能力的DDSM(数字Delta-Sigma调制器，Digital Delta-Sigma Modulator)，被广泛地应用于当今的无线通信系统中，以满足飞速发展的通信系统对高带宽、高速率和高分辨率等性能指标的需求。

在过采样频率下，DDSM采样高精度的输入信号，输出低精度的输出信号。在该过程中，DDSM将低频段的量化噪声推移到高频段，并且将有用的输入信息保留在低频带，从而实现了高通特性的噪声整形，最后高频段的量化噪声可以通过后面的低通滤波器滤除。高通滤波器的阶数越高，噪声整形特性越好，但是对于单环结构的DDSM，当调制器的阶数变高后，系统变得越来越不稳定。而多级噪声整形结构的DDSM由于具有极佳的系统稳定性而受到研究者更多的青睐。

图1是经典的l阶的MASH(MASH，Multi-stAge Noise Shapping)DDSM的电路框图，由图1可以看出经典MASH DDSM由多个一阶的误差反馈调制器(EFM，Error FeedbackModulation)级联构成，前一级误差反馈调制器把量化误差信号传入下一级误差反馈调制器作为输入，并且各级误差反馈调制器都将输出信号送入误差消除逻辑(ECL，ErrorCancellation Logic)电路中，以抵消中间级误差反馈调制器的量化噪声，从而使得输出频谱中只包含输入信号和高阶整形后的最后一级误差反馈调制器的量化噪声。

但是，由于DDSM是一个有限状态机，在恒定输入情况下，DDSM的输出呈现出很强的周期性。更为糟糕的是其输出周期的长度还严重受到输入值和初始条件设置的影响。当DDSM的输入和初始条件设置不恰当时，其输出序列的周期变得很短，量化噪声功率只能分布到极少数的频点上，导致调制器的输出频谱出现明显的大功率杂散成分，严重恶化了通信系统的输出信噪比。

因此，为有效提高DDSM的输出序列长度，业界提出了两类主流的方法：确定性(Deterministic)法和随机扰动(Dithering)法。其中确定性法通过改变调制器结构或设置合理的寄存器初始值，来有效增加输出序列的周期长度；而随机扰动法通过外加随机扰动信号给调制器，以打破调制器的输出周期特性，从而有效延长输出序列的周期长度。由于两种方法各有优劣，两者都被广泛应用到实际应用中。在随机扰动法中，外加随机扰动具有近似白噪声的分布特性，按照传统的扰动添加方式，外加的扰动信号先经过扰动滤波器整形，然后送入调制器，但由于扰动整形的滤波器阶数一般不能超过l-2(l是MASH DDSM的调制器阶数)，扰动信号最终会在叠加到调制器量化噪声功率谱中，形成底噪，从而在一定程度上恶化调制器的输出信噪比。

发明内容