CT-ΔΣ 调制基础与一阶 CT-MOD1

CT-ΔΣ 调制器通过脉冲不变变换(Impulse-Invariant Transform, IIT)将 DT-ΔΣ 的环路滤波器映射到连续时间域,并继承了 DT 原型的 NTF。更重要的是,由于采样发生在环路内部,CT-ΔΣ 天然具有隐含反混叠特性。


前后关系

上下文:§1.6 以直观方式引入 CT-ΔΣ 概念(从一阶 RC 滤波器出发),§8.1-§8.2 正式建立 DT→CT 映射的数学框架。此前 Ch.2 对 MOD1 的详细分析(NTF、STF、量化噪声模型)是理解 CT-MOD1 的前提。

前置知识:

后续章节:


原理介绍

DT-MOD1 与 CT-MOD1 的根本区别

DT-MOD1(图 8.1a)中,输入 在环路前被采样得到 ,DT 环路滤波器处理离散时间序列的差。CT-MOD1(图 8.1b)中,输入 不被预采样,而是与反馈 DAC 的连续时间输出波形 在连续时间域相减,结果由连续时间环路滤波器处理后,在环路内采样量化。

关键优势:采样在环路内部发生,CT 环路滤波器在采样前对输入进行预处理,产生隐含反混叠。

DAC 脉冲形状的一般模型

任何 DAC 都与一个脉状 相关联:

三种常用脉冲:

  • NRZ(非归零)DAC:,,保持整个周期
  • RZ(归零)DAC:,,脉冲宽度减半、幅度翻倍
  • Impulsive(冲激)DAC:,理想冲激

从 到 的频谱关系

首先构造连续时间 Dirac 冲激序列 ,其傅里叶变换为:

DAC 输出 可视为 通过脉冲响应为 的 LTI 滤波器:

量化器模型(CT 适用版)

CT 量化器模型(图 8.3):

  1. 输入 乘以冲激串 —— 采样
  2. 叠加量化误差冲激串
  3. 通过 DAC 脉冲滤波器 生成反馈波形

脉冲不变变换:CT-MOD1 的 NTF 设计

核心思路:令 CT 环路在采样瞬间的脉冲响应与 DT 原型相同,从而实现相同的 NTF。

DT 侧:在量化器输入处断开环路,输入 ,DT 环路滤波器输出:

CT 侧:在量化器输入处断开环路,输入冲激串 ,经过 DAC 脉冲 驱动 CT 环路滤波器,在采样瞬间得到:

若 ,则两系统的 NTF 完全相同。

CT-MOD1 的解:对于 NRZ DAC,用连续时间积分器()替换 DT 积分器即可实现脉冲不变条件(图 8.5b)。频率缩放时,将环路滤波器带宽乘以 (图 8.6b)。

NTF 对 DAC 脉冲形状的鲁棒性

CT-MOD1 的 NTF 对 DAC 脉冲形状不敏感——只要满足:

  1. (面积归一化)
  2. 对 (持续时间 )

则无论脉冲形状如何(NRZ/RZ/Impulsive),采样点 完全相同(图 8.7)。NTF 仅依赖于脉冲的面积。

极点映射:

DT 积分器极点 对应 CT 极点 。对于 阶 DT 调制器, 有 个零在 ,则 必须包含 个积分器( 处的 重极点)。一般映射关系为:

CT-MOD1 的 STF 与隐含反混叠

STF 推导(图 8.8):将 CT-MOD1 重排为 CT 滤波 + NTF 串行结构。输入 时,环路滤波器输出为 (积分器的时域响应),采样后受 NTF 整形:

STF 的幅度响应(图 8.10-8.11):

  • 直流增益为 1
  • 在 整数倍处为零()
  • 这意味着所有可能混叠到直流的分量被固有消除——隐含反混叠
  • 混叠带的 STF 响应很小但不为零(图 8.11 给出约 10-40 dB 的衰减)

直观理解(图 8.13):若 ,则 的平均值为 0 → 积分器输入均值为 0 → 反馈波形均值为 0 → 均为 0。这表明 CT-MOD1 对 处的输入完全无响应。

时域解释:STF 的脉冲响应是宽度为 的矩形脉冲(图 8.12 插图),时域上的矩形窗对应频域上的 sinc 函数。

CT-MOD1 小结(§8.2.1)

  1. 通过脉冲不变变换,CT 环路滤波器可以等效 DT 原型的 NTF
  2. NTF 对 DAC 脉冲形状不敏感(仅依赖面积)
  3. STF 在 整数倍处有零点 → 隐含反混叠
  4. 极点映射 表明 阶 DT 环路 → 个 CT 积分器

参考文献

  1. Candy, J. C. (1985). “A use of double integration in sigma delta modulation.” IEEE Trans. Commun., 33(3), 249–258.
  2. Schreier, R. & Zhang, B. (1996). “Delta-sigma modulators employing continuous-time circuitry.” IEEE Trans. Circuits Syst. I, 43(4), 324–332.

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