CN101826855B - 具有∑-△调制器的信号调整系统 - Google Patents

Abstract

一种具有∑-Δ调制器的信号调整系统，包括一第一滤波器、一与所述第一滤波器相连的信号处理模块、一与所述信号处理模块相连的第二滤波器及一与所述第二滤波器相连的∑-Δ调制器，所述信号处理模块利用补码加法器的特性对所述第一滤波器输出的信号进行饱和溢出处理，所述∑-Δ调制器为一多级二阶滤波器级联与级间反馈结合的高阶滤波器。本发明在保证∑-Δ调制器和系统整体性能的基础上，提高了信号调整系统的稳定性。

Description

具有∑-△调制器的信号调整系统

技术领域

本发明涉及一种信号调整系统，尤指一种稳定的具有高性能∑-Δ调制器的信号调整系统。 

背景技术

IIR滤波器和FIR滤波器是设计数字滤波器的两种基本方法。通常IIR滤波器具有可以用较低的阶数获得较高的性能、执行速度更快、所用的存储单元更少等优点，倍受广大IC设计者的关注。在数字信号处理中，量化处理是非线性的，使得数字滤波器变成了非线性系统，在IIR滤波器中由于存在反馈环，因此在一定条件下会产生自激振荡，引起滤波器溢出，严重时甚至使单位圆内的极点偏离到单位圆外，而导致整个系统崩溃。 

自从1962年第一种∑-Δ调制器架构被提出以来，∑-Δ调制器发展至今已有数十年之久，对于其稳定性的研究探讨不计其数，但对于∑-Δ调制器稳定性完全精确的预估仍然没有确切的说明。 

传统的解决方案有两种：一、增加字长，减小极限环振荡。增加量化数据位宽，提高滤波器的量化精度，使滤波器的系数逼近理想情况，从而使滤波器的零极点落在单位圆内，提高系统的稳定性。增加字长的方法可以很好地逼近理想滤波器的性能，但由于增加了位宽，加大了量化的难度，同时增加了系统的数据处理量。二、采取对输入采样数据进行调整的方法来解决。对输入信号进行处理，降低输入数据的幅度。但输入信号调整得太小又会降低滤波器输出信号的电平，为此，在硬件设计的最后部分大都需要添加一个运算放大器对输出信号进行放大，然而这又明显的增加了系统的结构。 

发明内容

鉴于以上内容，有必要提供一种稳定的具有高性能∑-Δ调制器的信号调整系统。 

一种具有∑-Δ调制器的信号调整系统，包括一第一滤波器、一与所述第一滤波器相连的信号处理模块、一与所述信号处理模块相连的第二滤波器及一与所述第二滤波器相连的∑-Δ调制器，所述信号处理模块利用补码加法器的特性对所述第一滤波器输出的信号进行饱和溢出处理，所述∑-Δ调制器为一多级二阶滤波器级联与级间反馈结合的高阶滤波器。 

相对现有技术，本发明根据不同信号在信号调整系统中的变化，在不影响正常信号的基础上，通过在∑-Δ调制器之前的子系统对非正常信号进行控制，使其在输入∑-Δ调制器之前满足滤波器的正常工作范围。同时，优化了∑-Δ调制器的结构，实现了多级级联与级间反馈结合的高阶滤波器，并提高了滤波器本身的稳定性，通过以上两种方案的结合，在保证∑-Δ调制器和系统整体性能的基础上，显著提高了信号调整系统的稳定性。 

附图说明

图1为本发明具有∑-Δ调制器的信号调整系统较佳实施方式的系统架构图。 

图2为图1中信号处理模块的原理示意图。 

图3为图1中∑-Δ调制器的结构图。 

具体实施方式

请参阅图1，本发明具有∑-Δ调制器的信号调整系统较佳实施方式包括一第一滤波器、一连接该第一滤波器的信号处理模块、一连接该信号处理模块的第二滤波器及一连接该第二滤波器的∑-Δ调制器。 

本发明通过改进∑-Δ调制器的结构，将高阶滤波器转化为多阶级联的方式，并且在级间引入了负反馈，提高了系统的性能；同时，在滤波器之间通过信号处理模块进行了数据的调整，在保证∑-Δ调制器和信号调整 系统整体性能的基础上，有效解决了∑-Δ调制器的溢出问题，显著提高了信号调整系统的稳定性。 

请参阅图2，为了不影响信号的正常传递，在第一滤波器与第二滤波器之间增加了信号处理模块进行信号的处理。图2为信号处理模块的工作原理示意图，该信号处理模块利用图2所示的补码加法器的输入输出特性对信号进行溢出处理。当输入为|x|时，把加法结果限制在最大值和最小值之间，如果检测到有溢出，就把总和置于最大允许值。 

当一输入的信号经过第一滤波器滤波后，输入该信号处理模块，该信号处理模块运用了饱和溢出处理的补码算法，在保证正常数据信号范围的基础上，对信号进行幅度限制，截掉功率高的信号的尖峰脉冲和毛刺，从而保证了后端信号的稳定性。该第二滤波器对该信号处理模块输出的信号进行滤波，消除由于信号截断而产生的高频分量，之后将信号送至该∑-Δ调制器。 

IIR滤波器的单位冲激响应具有无限的时宽，转移函数在有限的Z平面上也有极点存在，同时存在着输出到输入的反馈等，因此在结构上是递归型的，可以采取不同的网络结构来实现。但不同的网络结构会带来不同的运算误差，其稳定性和运算速度、所占用的存储空间等也均有所不同。 

请参阅图3，该∑-Δ调制器为多级二阶IIR滤波器级联的高阶IIR滤波器，每一个二阶IIR滤波器都采用直接II型。延迟单元的数量借助于组合当前级的二阶IIR滤波器极点和下一级的二阶IIR滤波器零点。每一个二阶IIR滤波器的使用都包含了下一级IIR滤波器的极点的直接I型，即通过把前一个IIR滤波器的极点和下一级IIR滤波器的零点进行混合，既减少了延迟单元的数目，又相应减少了指令，也加快了处理的速度。此外，为了提高系统的稳定性，引入了两条反馈回路，降低极点对各系数偏差的敏感程度。 

在本实施方式中，该∑-Δ调制器为一五阶的∑-Δ调制器，其包括一用于接收第二滤波器输出信号的信号输入端x、一信号输出端y、一用于调整输出信号的信号调整端E及五个相互连接的积分器z^-1。a1、a2、a3、a4 为每两阶之间的增益系数，b1为第三阶与第二阶之间的反馈系数，b2为第五阶与第四阶之间的反馈系数，c1、c2、c3、c4、c5为每两阶之间的反馈系数。 

通过音频分析仪，输入1K的正弦信号对∑-Δ调制器的性能指标进行测试，测试结果为：SNR(信噪比)＝90db(分贝)，THD(总谐波失真)＝81。由此可以看出，使用该结构的∑-Δ调制器有效提高了该信号调整系统的性能。 

本发明根据不同信号在信号调整系统中的变化，在不影响正常信号的基础上，通过在∑-Δ调制器之前的子系统对非正常信号进行控制，使其在输入∑-Δ调制器之前满足IIR滤波器的正常工作范围。同时，优化了∑-Δ调制器的结构，实现了多级级联与级间反馈结合的高阶IIR滤波器，并提高了IIR滤波器本身的稳定性。通过以上两种方案的结合，在保证∑-Δ调制器和系统整体性能的基础上，显著提高了信号调整系统的稳定性。 

Claims (5)

1.一种具有∑-Δ调制器的信号调整系统，其特征在于：所述信号调整系统包括一第一滤波器、一与所述第一滤波器相连的信号处理模块、一与所述信号处理模块相连的第二滤波器及一与所述第二滤波器相连的∑-Δ调制器，所述信号处理模块利用补码加法器的特性对所述第一滤波器输出的信号进行饱和溢出处理，所述∑-Δ调制器为一多级二阶滤波器级联与级间反馈结合的高阶滤波器，所述信号处理模块对所述第一滤波器输出的信号进行幅度限制，截掉功率高的信号尖峰脉冲和毛刺，保证后端信号的稳定性，所述第二滤波器对所述信号处理模块输出的信号进行滤波，消除由于信号截断而产生的高频分量，之后将信号送至所述∑-Δ调制器。

2.如权利要求1所述的具有∑-Δ调制器的信号调整系统，其特征在于：所述∑-Δ调制器为一五阶的∑-Δ调制器，其包括一用于接收所述第二滤波器输出信号的信号输入端、五个相互连接的积分器、一用于调整输出信号的信号调整端及一连接所述信号调整端的信号输出端。

3.如权利要求2所述的具有∑-Δ调制器的信号调整系统，其特征在于：所述∑-Δ调制器的每两阶之间设有一增益系数。

4.如权利要求2所述的具有∑-Δ调制器的信号调整系统，其特征在于：所述∑-Δ调制器的每两阶之间引入一负反馈，并设有一反馈系数。

5.如权利要求2所述的具有∑-Δ调制器的信号调整系统，其特征在于：所述∑-Δ调制器的第三阶与第二阶之间设有一反馈回路，第五阶与第四阶之间也设有一反馈回路，所述两条反馈回路分别设有一反馈系数。

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