MOD2 非线性效应与谐波失真

§3.2 认识到 MOD2 的非线性动力学远比 MOD1 复杂,无法精确解析分析。于是采用”准线性”方法:通过对量化器进行统计平均提取其传输特性(QTC),用三次多项式近似 QTC,从而定量预测谐波失真并解释噪声的 U 形分布。


前后关系

上下文:MOD2仿真与有效量化器增益(§3.1)观测到仿真频谱中包含白噪声模型无法预测的谐波失真。§3.2 引入 QTC 模型来定量分析谐波产生的机制。

后续应用:

交叉引用:


原理介绍

MOD2 非线性分析的挑战

MOD1 的非线性可以用精确的差分方程()完整描述,其 Idle Tone 和死区可从方程直接推导。MOD2 则复杂得多——两个积分器和两路反馈使系统动力学呈现不可解析性。

因此采用近似/经验方法:

  1. 统计平均:建立 QTC(量化器传输特性)
  2. 多项式近似:用 拟合 QTC
  3. 线性化 NTF:以 作为有效量化器增益
  4. 非线性注入:将 视为加性失真,被 NTF 整形

QTC:量化器传输特性

QTC 的获取方式:将平均量化器输出 作为平均量化器输入 的函数,通过仿真扫描 dc 输入得到。

如图 3.12 所示,QTC 呈压缩特性(compressive):

  • 小信号区域:(增益接近 1)
  • 大信号区域:(增益下降——饱和)

三次近似拟合参数:

表明是软压缩——与图 3.12 的饱和特性一致。

量化器增益降低的影响

使用 作为有效量化器增益:

(此 NTF 与 §3.1 中 时的有效 NTF 略有不同,因 是从 QTC 的小信号增益提取,而 §3.1 的 是从实际动态仿真提取)

谐波失真定量分析

失真项被注入在量化器输入端,因此被 整形。

对于小幅度正弦输入 :

  1. 量化器输入:线性模型下
  2. 三次项:
  3. 三次谐波幅度:
  4. 经 NTF 整形后的三次谐波失真:

代入 ,,,:

实测值约 -82 dB,计算与实测偏差约 5 dB。对于大信号和严重失真的情况,偏差更大。

失真最大化的频率

由于失真项 被 整形,谐波失真在 NTF 增益最大的频率处最严重——即通带边缘附近。

MOD2 噪声的 U 形分布

图 3.13 显示 MOD2(双电平量化器)的带内噪声功率随 dc 输入的变化呈 U 形分布:

  • 与 MOD1 的对比:MOD2 没有 MOD1 那种大量尖峰(Idle Tone),表明 MOD2 更抗空闲音
  • 但 附近仍有微弱残留尖峰(二阶调制器并非完全无空闲音)
  • 增大 → 带内噪声增大:量化器增益降低 → 环路增益降低 → NTF 整形效果减弱
  • 时噪声急剧增大

噪声非平稳性

MOD2 量化噪声的统计特性随时间变化(非平稳):

  • 当 较大时,量化器增益降低,噪声整形减弱,噪声功率增大
  • 当 较小时,量化器增益恢复,噪声整形增强,噪声功率减小
  • 这一依赖于信号幅度的噪声特性在系统级设计中需考虑

数学推导

HD₃ 的详细推导

线性模型下,量化器输入 的 STF 近似为 (因环路中增益 的影响,信号被比例缩放以维持单位闭环增益):

对于低频信号,,故 。

三次非线性产生:

代入:

三次谐波项 在量化器输入端,经过 NTF 传递到输出时乘以 。

三次谐波相对基波的失真:


关键洞察

  1. QTC 模型是 MOD2 非线性分析的实用工具:虽然不如 MOD1 的精确分析严格,但为高阶调制器提供了可操作的设计指南
  2. 三次非线性是谐波失真的主要来源: 的软压缩特性产生三次谐波(以及少量二次谐波)
  3. 失真被 NTF 整形:与量化噪声一样,失真也在环路中被传递函数整形,在通带边缘最严重
  4. MOD2 比 MOD1 更抗空闲音但仍不是完美的:U 形噪声曲线而非 MOD1 的大量尖峰,但 仍有微弱残留
  5. 噪声非平稳性是 MOD2 的重要系统级特征:当输入幅度较大时,带内噪声增加——这与理想 ADC 的恒定噪声假设不同

参考文献

  1. S. Pavan, R. Schreier, and G. C. Temes, Understanding Delta-Sigma Data Converters (2nd ed.), §3.2. IEEE Press/Wiley, 2017.
  2. J. C. Candy and O. J. Benjamin, “The structure of quantization noise from sigma-delta modulation,” IEEE Trans. Communications, vol. 29, no. 9, pp. 1316-1323, 1981. (MOD1 和 MOD2 噪声结构的开创性论文)
  3. S. Hein and A. Zakhor, “On the stability of sigma delta modulators,” IEEE Trans. Signal Processing, vol. 41, no. 7, pp. 2322-2348, 1993.

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