ΔΣ 环路的状态空间描述

§4.8 为 ΔΣ 调制器提供了一种系统化的数学描述——状态空间模型。通过 矩阵完整描述调制器的所有内部状态和输出,为计算机仿真(特别是 Toolbox)提供了统一的框架。本章以 MOD2 为例展示状态空间方法,但该框架适用于任意阶数和拓扑的离散时间 ΔΣ 调制器。


前后关系

上下文:二阶ΔΣ调制器MOD2原理 以传递函数 分析 MOD2。CIFB与CRFB反馈环路滤波器拓扑 和 CIFF与CRFF前馈环路滤波器拓扑 以传递函数 描述高阶结构。状态空间模型是这些传递函数描述的时域等价形式,更适合计算机实现。

后续延伸:状态空间模型是 Toolbox(附录 B)的核心数据结构——NTF 设计、仿真、综合都在 ABCD 矩阵框架下进行。Ch.7(DT 电路实现)用状态变量确定动态范围缩放的缩放因子。Ch.8-10(CT-ΔΣ调制)的 CT 调制器仿真也通过离散化后的状态空间模型实现。

交叉引用:MOD2仿真与有效量化器增益 中使用的时域仿真本质上是通过状态空间方程迭代进行的。


原理介绍

从传递函数到状态方程

以 MOD2 为例(图 4.32),每个延迟积分器中的延迟单元对应一个状态变量:

  • :第一级积分器延迟量
  • :第二级积分器延迟量

从电路图可直接列出:

矩阵形式

对 MOD2:

“无延迟自由环路”的时空域等价

矩阵的第二列为 0,即 不依赖于 (当前量化器输出)。这是因为环路滤波器的输出不能”跳过”延迟单元直接依赖量化器输出——这正是 “NTF()=1” 在时空域的表达。

一般情况

对 阶调制器:

  • : 矩阵——状态转移
  • : 矩阵——输入 和量化器输出 对状态的贡献
  • : 矩阵——从状态到量化器输入的映射
  • : 矩阵——直接路径( 强制要求)

ABCD 紧凑表示: 矩阵

仿真流程

给定初始状态 x[0] 和输入 u[n] (n=0,1,2,...)
对每个 n:
  y[n] = C·x[n] + D·[u[n], v[n]]^T    ← 计算量化器输入
  v[n] = quantize(y[n])                 ← 量化
  x[n+1] = A·x[n] + B·[u[n], v[n]]^T   ← 更新状态

与传递函数方法的等价性:对 MOD2 的状态方程做 z 变换并求解 和 ,可得与传递函数法完全相同的 和 。

状态空间模型的优势

方面传递函数法状态空间法
仿真实现需推导 的时域表达式直接的矩阵迭代
拓扑通用性每种拓扑需单独推导ABCD 矩阵统一所有拓扑
内部状态可见隐含显式()
动态范围缩放系数修正直接矩阵变换
MASH 建模复杂各级的 ABCD 矩阵组合
工具支持手动 Toolbox 原生支持

关键洞察

  1. ABCD 矩阵是 Toolbox 的语言——所有 NTF 综合、仿真、优化都基于此框架。附录 B 的 Toolbox 的 simulateDSM() 等函数的核心就是 ABCD 矩阵迭代
  2. 状态变量直接对应积分器的延迟单元——从电路图到状态方程的映射是直观的(延迟单元 ⇒ 状态变量)
  3. 是最重要的约束——它确保环路物理可实现,等价于
  4. 高阶调制器的 A 矩阵通常是上三角(前馈)或下三角(反馈)结构——反映了积分器级联的方向性
  5. MASH 和多量化器结构的 ABCD 矩阵是各子级矩阵的级联组合——统一了单环和级联结构的分析方法

参考文献

  1. S. Pavan, R. Schreier, and G. C. Temes, Understanding Delta-Sigma Data Converters (2nd ed.), §4.8. IEEE Press/Wiley, 2017.
  2. B. C. Kuo, Digital Control Systems. Holt, Rinehart and Winston, 1980.
  3. S. R. Norsworthy, R. Schreier, and G. Temes, Delta-Sigma Data Converters: Theory, Design, and Simulation. IEEE Press, New York, 1997. (附录 B: Toolbox)
  4. R. Schreier, “The delta-sigma toolbox for MATLAB,” 2004. Online: https://www.mathworks.com/matlabcentral/fileexchange/19-delta-sigma-toolbox

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