ΔΣ调制器中的抽取与插值滤波

ΔΣ 调制器的输出(ADC)或输入(DAC)需要数字滤波器来移除带外整形噪声并完成采样率转换。抽取(ADC 侧)与插值(DAC 侧)是实现 ΔΣ 系统完整信号链的关键数字处理环节。


前后关系

上下文:§1.10 在完整介绍 ΔΣ ADC 和 DAC 之后,描述连接两者的数字滤波器。抽取用于 ADC 输出将过采样数据流降为奈奎斯特率,插值用于 DAC 输入将奈奎斯特率数据流升为过采样率。

后续章节:Ch.14 完整覆盖抽取和插值滤波器的设计、多级实现、低功耗技术。


原理介绍

ADC 侧:抽取(Decimation)

v[n] (f_s) → [数字低通滤波器] → [降采样 M = OSR] → 数字输出 (奈奎斯特率)

DAC 侧:插值(Interpolation)

数字输入 → [升采样 M = OSR] → [数字低通滤波器] → v[n] (f_s) → [数字 ΔΣ 调制器]

滤波器设计

Sinc 滤波器(CIC)

K 阶 Sinc 滤波器传递函数:

频率响应:

多级抽取示例(音频 ΔΣ ADC)

ΔΣ @ 6.144 MHz → Sinc³ 滤波器 (↓64) → FIR 半带 (↓2) → 48 kHz 输出

参考文献

  1. Pavan, S., Schreier, R., & Temes, G. C. (2017). Understanding Delta-Sigma Data Converters (2nd ed.), §1.10 & Ch.14. IEEE Press/Wiley.
  2. Hogenauer, E. B. (1981). “An Economical Class of Digital Filters for Decimation and Interpolation.” IEEE Trans. ASSP, 29(2), 155-162.

📙 Rosa 补充(Ch.1 CIC 抽取滤波器的完整分析与插值器)

Rosa《Sigma-Delta Converters》Ch.1 对抽取与插值滤波给出了更完整的工程分析。

CIC 滤波器传递函数与频率响应

Rosa 给出 CIC(sinc 滤波器)的严格推导:

  • 域: [Eq.1.25]
  • 频率响应: [Eq.1.26]
  • 阶级联:,规则 ( 为调制器阶数)

输出字长公式

阶 CIC 抽取器的输出字长:

其中 为 ΣΔM 输出位数, 为抽取因子。若 ,则 。

实例:2 阶 CIC + 1-bit 一阶 ΣΔM + ()→ 输出 11-bit。

CIC 的 droop 问题

Rosa 强调 CIC 在信号带内引入幅度滚降(droop),降低有效分辨率。解决方案:

  • 增加阶数 (但增加电路复杂度和功耗)
  • 后续补偿 FIR 滤波器

插值器(ΣΔ DAC 用)

Rosa 同样分析了 ΣΔ DAC 端的插值滤波:

  • 补零插值:,引入频谱镜像需 FIR 滤除
  • 重复采样插值:,与 CIC 互为逆函数

差异定位:Pavan Ch.1 仅简要提及抽取滤波;Rosa 给出完整的 CIC 传递函数、字长公式和 droop 问题的工程分析,并补充了 DAC 端插值器。


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