طراحی و بهینه سازی مدولاتورهای آنالوگ به دیجیتال دلتا سیگما

مقدمه عصری را که در آن زندگی می کنیم، به جرأت می توان بیش از هر چیز، عصر پردازش سیگنال ها دانست. سیگنال های مورد پردازش، علیرغم ماهیت گسسته، از دیدگاه ما پیوسته فرض می شوند و طبیعتی آنالوگ به خود می گیرند. تا پیش از آنکه سیستم های دیجیتال پا به عرصه وجود بگذارند، سیگنال ها با تغییراتی از قبیل تغییر سطح، تقویت و یا تضعیف می توانستند به سیستم های پردازشگر وارد شوند. از زمانی که سیستم های پردازشگر دیجیتال*مطرح شده اند، این مسئله نیز به همراه آن مطرح شد که چگونه می توان یک سیگنال آنالوگ را به یک سیستم دیجیتال وارد کرد و به طور متقابل، چگونه باید سیگنال های دیجیتال خارج شده از سیستم های دیجیتال را به دنیای آنالوگ تحویل داد. در اینجا بود که ضرورت ساخت مبدل های آنالوگ به دیجیتال* و دیجیتال به آنالوگ* احساس شد و انواع مختلفی از مبدل ها معرفی شدند. ارائه طرح-های جدید و ایده های نو به منظور بهبود کیفیت این مدارها تا امروز ادامه دارد و به نظر می رسد تا زمانی که سیگنال های آنالوگ و دیجیتال وجود داشته باشند، این مبدل ها به پیشرفت خود ادامه می دهند]1[. بیشتر سیگنال های مورد استفاده جاری به شکل آنالوگ تولید می شوند. چنین سیگنال هائی دارای دامنه متغیر با زمان هستند. صدای انسان یک نمونه از سیگنال های آنالوگ است. سیگنال های آنالوگ براحتی تحت تاثیر نویز قرار می گیرند. زیرا نویز عمدتا به شکل تغییرات دامنه بوجود می آید. لذا، برای محدود کردن و کاهش نویز، مجبور به محدود کردن دامنه سیگنال هستیم. اما وقتی دامنه محدود شود، دامنه سیگنال نیز بریده خواهد شد که این خود منجر به اعوجاج سیگنال می گردد. تکنیک مدرن برای محدود کردن نویز و دوری از اعوجاج، عبارت است از استفاده از سیگنال دیجیتال. سیگنال های دیجیتال عبارتند از پالس هائی با عرض ثابت که در هر لحظه از زمان دارای فقط دو سطح دامنه 0 و 1 هستند. این سیگنال های دیجیتال از سیگنال-های آنالوگ توسط تبدیلی موسوم به تبدیل آنالوگ به دیجیتال بدست می آیند. امروزه مبدل های آنالوگ به دیجیتال به عنوان پل ارتباطی دنیای واقعی کمیت های آنالوگ و دنیای پردازش دیجیتال، نقش کلیدی در بسیاری از سیستم های الکترونیکی، مخابراتی و کنترلی ایفا می کنند]1[. در این سیستم ها، به مبدل های آنالوگ به دیجیتال با دقت بالا نیاز می باشد. به دلیل استفاده از تکنیک های بیش نمونه برداری* و شکل دهی نویز* در مبدل های آنالوگ به دیجیتال دلتا سیگما*، این مبدل ها برای کاربردهای مطرح شده مطلوب می-باشند. مبدل های آنالوگ به دیجیتال دلتا سیگما، با کارایی بالا، در کاربرد هایی که به دقت*و پهنای باند بالا نیاز است، مطلوب می باشند. همچنین مناسب ترین مبدل برای کاربرد های فرکانس بالا می باشند و به دلیل خطی بودن ذاتی، نیاز به فیلتر ضد همپوشانی و پیاده سازی مقاوم کاهش یافته است. هرچند که با معامله سرعت برای دقت، مدولاتورهای دلتا سیگما، با حساسیت کم به عیوب اجزای آنالوگ، کارایی بالایی دارند. مدولاتورهای دلتا سیگما، خطی بودن بالای بالقوه را برای انواع وسیعی از کاربردهای فرکانس رادیویی، پیشنهاد می دهند]2[. در ریاضیات و فیزیک، ? تفاوت یا تغییرات را نشان می دهد در حالیکه ?، مجموع را نشان می دهد. در یک مبدل دلتا سیگما سیگنال ولتاژ ورودی آنالوگ به ورودی انتگرل گیر وصل شده است و یک شیب مطابق با اندازه سیگنال ورودی تولید می کند. این ولتاژ شیب به وسیله یک مقایسه گر* با پتانسیل زمین مقایسه می-شود. این مقایسه گر به عنوان یک مبدل آنالوگ به دیجیتال تک بیتی عمل می کند و بر حسب اینکه خروجی انتگرال گیر مثبت است یا منفی، یک بیت در خروجی تولید می کند، سپس خروجی مقایسه گر از طریق یک فلیپ فلاپ*، حفظ شده و به ورودی دیگر کانال در انتگرال گیر فیدبک* می شود. در این پایان نامه در بخش اول از فصل اول، مفاهیم پایه مربوط به مدولاتور های دلتا سیگما شرح داده شده است. در بخش دوم این فصل، به بررسی خواص غیر ایده ال در مدولاتورهای دلتا سیگما و نحوه شبیه سازی این خواص پرداخته ایم. در فصل دوم مروری بر تحقیقات گذشته خواهیم داشت و انواع ساختارهای ارائه شده برای این مدولاتورها، بررسی و تحلیل می شوند. در فصل سوم نحوه پیاده سازی چندین الگوریتم بهینه سازی روی مدولاتورهای دلتا سیگما شرح داده می شود و یک ساختار کلی ciff به عنوان نمونه، شبیه سازی می شود. در بخش دوم این فصل، الگوریتم پیشنهادی توضیح داده خواهد شد. در فصل چهارم ساختارهای پیشنهادی برای مدولاتورهای دلتا سیگما نمایش داده شده و ضمن تحلیل این ساختارها، نتایج شبیه سازی و بهینه سازی این ساختارها نیز آورده شده است و نهایتا در فصل پنجم نتیجه گیری را خواهیم داشت. در این پایان نامه معادل لاتین واژگان و اصطلاحات در واژه نامه آورده شده است و کلماتی که معادل آنها در واژه نامه وجود دارد با بالانویس * مشخص شده اند.