طراحی مدولاتور دلتا سیگمای دو طبقه با استفاده از کوانتایزر زمانی

امروزه در کاربردهایی نظیر مخابرات بی سیم و ویدئوی دیجیتال، نیاز به مبدل های داده با پهنای باند بالا و دقت زیاد افزایش یافته است. نسل آینده تجهیزات مخابراتی به مبدل های آنالوگ به دیجیتال با پهنای باند در محدوده ی چند مگاهرتز و محدوده ی دینامیکی بالا نیاز دارد و این شرایط می بایست با کمترین توان مصرفی ممکن تحقق یابد. مبدل های دلتا سیگما در کاربردهای سرعت پایین نظیر صوت دیجیتال از کارایی بالا و توان مصرفی پایین برخوردارند. اخیرا این مبدل ها در کاربردهای باند وسیع همچون استانداردهای مخابراتی دیجیتال، مورد استفاده قرار گرفته و به رقیبی برای سایر تکنیک های آنالوگ به دیجیتال پر سرعت تبدیل شده اند. مدولاتور دلتا سیگما اولین بار در سال 1962 [1] معرفی شد، اما قبل از پیشرفت های اخیر در تکنولوژی vlsi دیجیتال که ابزاری مفید برای اجرای مدارات پردازشگر سیگنال دیجیتال می باشد، اهمیت چندانی نداشت. افزایش استفاده از تکنیک های دیجیتال در ارتباطات و کاربردهای صوتی نیز در ایجاد علاقه نسبت به بکارگیری مبدل های a/d دقت بالای ارزان قیمت نقش داشته است. از نیازهای یک ارتباط دهنده بین آنالوگ و دیجیتال سازگاری آن با تکنولوژی vlsi در ایجاد یک سیستم مجتمع یکپارچه از هر دو بخش آنالوگ و دیجیتال بر روی یک تراشه می باشد. از آنجا که مبدل های a/d دلتا سیگما مبتنی بر تکنیک فیلترینگ دیجیتال می باشند، تقریباً 90% تراشه ها، در مدارات دیجیتالی که سازگاری مورد انتظار را افزایش می دهند، اجرا می شوند. مزایای دیگر این روش شامل قابلیت اطمینان بالاتر، تابعیت بیشتر و کاهش هزینه تراشه می باشد. این مشخصه ها امروزه نیازهای معمول در محیط پردازش سیگنال دیجیتال می باشند. به همین دلیل تا کنون ساختارهای زیادی در طراحی و پیاده سازی مدولاتورهای دلتا سیگما ارائه گردیده است. مبدل های آنالوگ به دیجیتال در حالت کلی دو عمل اساسی نمونه برداری و کوانتیزه کردن سیگنال را انجام می دهند. شکل 1-1(آ) شماتیک مفهومی یک مبدل آنالوگ به دیجیتال را که برای دیجیتال کردن سیگنال-های پایین گذر در نظر گرفته شده است، نشان می دهد که شامل مولفه های زیر می باشد: فیلتر آنتی الیاسینگ، مدار نمونه بردار، کوانتایزر و کدگذار[17]. عمل کرد این بلوک ها در شکل1-1(ب) نشان داده شده است. ابتدا سیگنال آنالوگ x_a (t) از بلوک فیلتر آنتی الیاسینگ می گذرد. در غیر اینصورت با توجه به تئوری نایکوئیست، مولفه های فرکانس بالای سیگنال ورودی ممکن است در پهنای باند سیگنال bw آمیخته شوند و اطلاعات سیگنال را خراب کنند[18]. سیگنال محدود شده منتجه، x_bl (t) ، در نرخ fs با مدار نمونه بردار و نگهدارنده نمونه برداری می شود، از این رو سیگنال زمان-گسسته (dt)xs,n=xbl(nts) حاصل می شود. در ادامه کوانتایزر دامنه های با محدوده پیوسته xs,n را به سطوح گسسته مبدل می کند. درنهایت، کدگذار یک عدد باینری را به هر سطح اختصاص می دهد که اطلاعات دیجیتال خروجی را فراهم می کند. بنابراین همانطور که در شکل 1-1(ب) نشان داده شده است، فرآیندهای اساسی درگیر در یک مبدل آنالوگ به دیجیتال عبارتند از: نمونه برداری و کوانتیزاسیون. این دو انتقال پیوسته به گسسته عمل کرد مبدل-های آنالوگ به دیجیتال را محدود می کنند[18]. شکل 1-1 مبدل آنالوگ به دیجیتال مفهومی (آ) بلوک دیاگرام (ب) فرآیند سیگنال عمل کرد مدولاتورهای دلتا سیگما بر ترکیب دو تکنیک در فرآیند سیگنال تکیه دارد: 1- بیش نمونه برداری و 2- فیلتر کردن و فیدبک خطای کوانتیزاسیون که عموماً به عنوان شکل دهی نویز معرفی می شود که هر دو تکنیک مربوط به فرآیند های اساسی واقع در یک مبدل آنالوگ به دیجیتال می باشند. مبدل های آنالوگ به دیجیتال بر اساس نرخ نمونه برداری به دو دسته عمده تقسیم می شوند. مبدل های نرخ نایکوئیست که نمونه برداری در آنها با سرعتی کمی بیش از حداقل نرخ صورت می گیرد که همان نرخ نایکوئیست یا دو برابر پهنای باند سیگنال آنالوگ ورودی است. در مقابل، مبدل های بیش نمونه برداری می باشند که با سرعت چندین برابر نرخ نایکوئیست از سیگنال آنالوگ ورودی نمونه برداری می کنند. نسبت نرخ نمونه برداری به نرخ نایکوئیست به پارامتر نسبت بیش نمونه برداری موسوم است و از مقدار 4 تا 1024 بسته به پهنای باند سیگنال آنالوگ ورودی تغییر می کند. به دلیل سرعت نمونه برداری بالا، مبدل های بیش نمونه برداری به فیلترهای آنتی الیاسینگ بسیار ساده تری نسبت به مبدل های نرخ نایکوئیست نیاز دارند. در مبدل های آنالوگ به دیجیتال نرخ نایکوئیست هر کد دیجیتال خروجی متناظر با یک نمونه ورودی است. بنابراین هر نمونه ورودی بایستی با دقت کل مبدل به یک کد دیجیتال تبدیل شود. به دلیل عدم تطبیق افزاره ها در تکنولوژی cmos و همچنین اثرات غیرایده آلی مدارهای آنالوگ، دقت این نوع مبدل ها اگر از هیچ روش تصحیح یا کالیبراسیون خطا استفاده نشود، به کمتر از 10 بیت محدود می گردد. ولی، در مقابل مبدل های بیش نمونه بردار با استفاده از تکنیک های بیش نمونه برداری و شکل دهی نویز کوانتیزاسیون دقت بالایی را به ازای کاهش پهنای باند سیگنال آنالوگ ایجاد می کنند. مدولاتور دلتا سیگما یکی از انواع تکنیک های تبدیل سیگنال آنالوگ به دیجیتال می باشد که از دو مزیت بیش نمونه برداری و شکل دهی نویز بهره برده است. این مدولاتورها بسته به نوع کاربرد به انواع تک بیتی و چند بیتی، یک طبقه و چند طبقه، فیلترینگ با مرتبه یک و یا بالاتر، پیوسته و گسسته در زمان و نیز کوانتیزاسیون دامنه و یا عرض پالس دسته بندی می شوند. افزایش نسبت بیش نمونه برداری منجر به افزایش رزولوشن موثر می شود در مقابل برای سیگنال های باند وسیع استفاده از نسبت بیش نمونه برداری بالا به خاطر نیاز به فرکانس های نمونه برداری و توان مصرفی بالا، غیر عملی است.افزایش تعداد بیت ها نیز باعث افزایش محدوده دینامیکی می گردد در مقابل dac چند بیتی مورد نیاز در مسیر فیدبک خطی نمی باشد.افزایش مرتبه مدولاتور با نسبت بیش نمونه برداری ثابت، باعث افزایش محدوده دینامیکی می شود. اما استفاده از فیلترینگ حلقه مدولاتور مرتبه بالا (معمولاً l>3) سبب ایجاد مشکلات پایداری می گردد. به همین دلیل برای افزایش مرتبه مدولاتور، به جای استفاده از فیلتر مرتبه بالاتر از ساختار چند طبقه استفاده می گردد. شکل 1-2(آ) بلوک دیاگرام ساده شده مدولاتور سیگما-دلتای چندبیتی استاندارد را نشان می دهد که شامل یک فیلتر پایین گذر یا میان گذر (بسته به محدوده فرکانس سیگنال ورودی)، یک کوانتایزر برای کوانتیزه کردن دامنه سیگنال ورودی و یک مبدل دیجیتال به آنالوگ در مسیر فیدبک می باشد. در شکل 1-2(ب) مولد مدولاسیون عرض پالس و مبدل زمان به دیجیتال جایگزین کوانتایزر nبیتی و مبدل دیجیتال به آنالوگ nبیتی شده است [1]. در این ساختار سیگنال در حوزه زمان کوانتیزه می شود. بنابراین استفاده از مدارات ولتاژ پایین و سرعت بالا در آن با توجه به پیشرفت تکنولوژی در این راستا، مقدور می باشد. همچنین در این ساختار نسبت به ساختار شکل 1-2(آ) به مقایسه کننده های کمتری نیاز است که در نتیجه سطح مورد نیاز برای پیاده سازی مدار کاهش می یابد. شکل 1-2 (آ)بلوک دیاگرام ساده شده مدولاتور سیگما-دلتای استاندارد (ب)استفاده از مولد مدولاسیونعرض پالس و مبدل زمان به دیجیتال به جای کوانتایزر nبیتی و dacnبیتی یکی از معایب کوانتیزاسیون با مدولاسیون عرض پالسدر مقایسه با مدولاتورهای سیگما-دلتای استاندارد نسبت سیگنال به نویز آنها می باشد. برای بهبود این ضریب می توان از مدولاتورهای مرتبه بالاتر یا از مدولاتورهای چند طبقه استفاده کرد. شکل 1-3(آ)بلوک دیاگرام ساختار smashرا نشان می دهد [2]. در این ساختار نویز کوانتیزاسیون طبقه اول (e1) به ورودی طبقه دوم انتقال می یابد و خروجی طبقه دوم از خروجی طبقه اول کم می شود. در نهایت e1خاصیت شکل دهی نویز طبقه دوم را بر خود احساس می کند. خروجی نهایی مدولاتور عبارت است از: y=?stf?_1 x+?ntf?_1 (1-?stf?_2 ) e_1+?ntf?_1 ?ntf?_2 e_2 که در آن stfiو ntfi به ترتیب تابع انتقال سیگنال و نویز طبقه iام می باشند.همانطور که در رابطه بالا مشاهده می-شود، e2توسط ضریب ntfطبقات اول و دوم شکل دهی می شود در حالی که خطای کوانتیزاسیون طبقه اول با ntfطبقه اول و همچنین مضرب (1-stf2)شکل دهی می شود. انتخاب مناسب برای stfطبقه دوم منجر به ایجاد شکل دهی نویز اضافی برای e1می شود. شکل 1-3(آ) بلوک دیاگرام ساختار smash(ب)ساختار پیشنهادی(استفاده از مولد مدولاسیون عرض پالسو مبدل زمان به دیجیتال به جای کوانتایزر nبیتی در ساختار smash) شکل 1-3(ب) ساختار پیشنهادی ما را نشان می دهد. در اینجا هدف آن است که با جایگزینی کوانتایزر دامنه توسط کوانتایزر عرض پالس در ساختار smash، نویز کوانتیزاسیون حاصل از ساختار مدولاسیون عرض پالس را شکل دهی کنیم و به نسبت سیگنال به نویز بهتری نسبت به حالت یک طبقه دست یابیم. 1-1 ساختار پایان نامه برای درک بهتر مطالب مورد بحث در این پایان نامه ابتدا در فصل بعد نگاهی اجمالی به اصول کار مبدل های آنالوگ به دیجیتال می اندازیم و انواع مدولاتورهای دلتا سیگما را مورد تحلیل قرار خواهیم داد. همچنین مزایا و معایب هر یک از ساختارها را بیان نموده و مقایسه ای از آنها را ارائه می نماییم. در فصل سوم ساختار سیستمی مدولاتور smash و کوانتایزر زمانی و ترکیبی از این دو ساختار مورد تحلیل و بررسی قرار خواهد گرفت. سپس ساختار پیشنهادی در نرم افزار متلب شبیه سازی و نتایج آن با ساختار smash مقایسه می گردد. در نهایت در فصل چهارم این ساختار در سطح مداری تحلیل و شبیه سازی و نتایج آن ارائه خواهد شد. امید است این پایان نامه بتواند برای دانشجویان و علاقمندانی که در این زمینه گام می نهند، به عنوان راهنمایی مناسب مورد استفاده قرار گیرد.