采用PDM的D/A轉(zhuǎn)換技術(shù)方案

? 1 引言

　　在數(shù)字信號(hào)處理中,常常需要將多位數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)化為一位數(shù)字信號(hào)。例如,在通信領(lǐng)域,接收器接收到經(jīng)過(guò)編碼的數(shù)字語(yǔ)音信號(hào),需將他轉(zhuǎn)化為模擬信號(hào),即將原來(lái)的模擬語(yǔ)音信號(hào)復(fù)原。經(jīng)過(guò)編碼的語(yǔ)音信號(hào),通常是多位的比特流。因此,如何將多位比特流轉(zhuǎn)化為模擬語(yǔ)音信號(hào),便成為保證通信質(zhì)量的關(guān)鍵。又如,在一些控制電路中,控制信號(hào)是經(jīng)過(guò)計(jì)算生成的多位數(shù)字信號(hào),而這些數(shù)字信號(hào)必須轉(zhuǎn)化為模擬信號(hào)才能對(duì)電路進(jìn)行控制。因此,如何將多位數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)化為符合實(shí)際要求的模擬信號(hào),則成為控制電路設(shè)計(jì)者最關(guān)心的問(wèn)題。

　　在傳統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)中,面對(duì)上述問(wèn)題時(shí),通常選擇使用由多個(gè)分離的電子元器件組成的D/A轉(zhuǎn)換器,有時(shí)我們也稱他為靜態(tài)D/A轉(zhuǎn)換器。但是由于靜態(tài)D/A轉(zhuǎn)換器的組成結(jié)構(gòu),決定了他在系統(tǒng)中,必須占用一定的空間及消耗一定量的功率。于是在那些要求攜帶方便的系統(tǒng)方案中,靜態(tài)D/A轉(zhuǎn)換器就不得不被替換掉［1］。

　　于是人們選擇所謂“數(shù)字基礎(chǔ)”的D/A轉(zhuǎn)換器。而用于數(shù)字D/A轉(zhuǎn)換的方法有2種：PWM（P ulse Width Modulation）脈沖寬度調(diào)制和PDM（Pulse Density Modulation）脈沖密度調(diào)制。這種數(shù)字D/A轉(zhuǎn)換器所占用的物理空間比較小,消耗的功率也比較小。因此,適用于對(duì)系統(tǒng)硬件大小以及功耗要求比較嚴(yán)格的系統(tǒng)［1］。

　　早在20世紀(jì)40年代,PWM就開(kāi)始被應(yīng)用在電話中。由于PWM的局限性,人們?cè)诙旰?提出了PDM調(diào)制方法。但由于當(dāng)時(shí)的應(yīng)用市場(chǎng)尚不成規(guī)模,因而這種調(diào)制方法一直未能得到廣泛的關(guān)注和應(yīng)用。近年來(lái),由于數(shù)字技術(shù)在各個(gè)領(lǐng)域里得到了廣泛的應(yīng)用,數(shù)字產(chǎn)品飛速發(fā)展,數(shù)字信號(hào)處理開(kāi)始得到越來(lái)越多的關(guān)注。于是PDM調(diào)制技術(shù)重新得到重視,并被應(yīng)用在不同的領(lǐng)域中。

?????? 2 PDM基本介紹　　

?????? PDM是一種在數(shù)字領(lǐng)域提供模擬信號(hào)的調(diào)制方法。在PDM信號(hào)中,邏輯“1”表示單個(gè)脈沖,邏輯“0”表示沒(méi)有脈沖。通常邏輯“1”和邏輯“0”是不連續(xù)的,邏輯“1”比較均勻地分布在每個(gè)調(diào)制信號(hào)周期里。其中單個(gè)脈沖并不表示幅值,而一系列脈沖的密度才對(duì)應(yīng)于模擬信號(hào)中的幅值。完全由“1”組成的PDM信號(hào)對(duì)應(yīng)于幅值為正的電壓;而完全由“0”組成的PDM信號(hào)則對(duì)應(yīng)于負(fù)幅值的電壓;由“1”和“0”交替組成的信號(hào)則對(duì)應(yīng)于0幅值的電壓。

?????? 3 PDM的實(shí)現(xiàn)

　　PDM調(diào)制技術(shù)的邏輯框圖如圖1所示。用1個(gè)分頻計(jì)數(shù)器實(shí)現(xiàn)符合實(shí)際應(yīng)用要求的時(shí)鐘信號(hào),脈沖周期為ΔT。再將時(shí)鐘信號(hào)送入?Ｎ位計(jì)數(shù)器,實(shí)現(xiàn)0,1,…,2N-1的計(jì)數(shù)。在計(jì)數(shù)的單個(gè)脈沖周期ΔT里,將計(jì)數(shù)結(jié)果各個(gè)位上的邏輯值經(jīng)過(guò)一系列邏輯操作,實(shí)現(xiàn)Ｎ位比較基準(zhǔn)脈沖信號(hào),分別為Bit0,Bit1,Bit2,…,Bit(N -1)。值得注意的是,在每一個(gè)ΔT里,都只有一個(gè)位上有邏輯“1”,其他位 上均為邏輯“0”。同時(shí)將寄存器輸出的N位總線數(shù)據(jù)與比較基準(zhǔn)脈沖信號(hào)Bit0,Bit1,Bit2,…,Bit(N-1)進(jìn)行逐位與操作,再將各個(gè)位上的結(jié)果相或,便得到ΔT內(nèi)的調(diào) 制結(jié)果。這樣,在整個(gè)調(diào) 制周期結(jié)束后便得到調(diào)制結(jié)果。

　　對(duì)于N位的數(shù)字信號(hào),調(diào)制周期T=2N·ΔT。對(duì)于8位的數(shù)字待調(diào)信號(hào),每個(gè)脈沖周期ΔT的調(diào)制結(jié)果為：　 　　

?????? 例如,對(duì)8位的十六進(jìn)制數(shù)字信號(hào)“1AH”進(jìn)行調(diào)制。用8位的計(jì)數(shù)器產(chǎn)生如圖2所示的比較基準(zhǔn)脈沖信號(hào)。顯然,在每一個(gè)脈沖周期ΔT里,Bit0~Bit7中都只有1個(gè)位上有脈沖。??

　　而十六進(jìn)制數(shù)“1AH”對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制數(shù)為“00011010”,其中Bit4,Bit3,Bit1為“1”,其他各位均為“0”,經(jīng)過(guò)逐位邏輯操作,即： ?　　　　

????? ;? 經(jīng)過(guò)一個(gè)調(diào)制周期的調(diào)制,便得到如圖3所示的調(diào)制信號(hào)。這樣8位的數(shù)字信號(hào)就轉(zhuǎn)化為1位的脈沖信號(hào)。 ?

?????? 4 PDM與PWM的分析比較

　　數(shù)字信號(hào)經(jīng)過(guò)PDM調(diào)制后,經(jīng)過(guò)一個(gè)簡(jiǎn)單的低通濾波器就可以實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)的數(shù)模轉(zhuǎn)換。為方便比較,在仿真中,設(shè)定：待調(diào)數(shù)字信號(hào)長(zhǎng)度為2個(gè)字,分別為“1AH,A1H”。脈沖周期ΔT為1 ms,1個(gè)調(diào)制周期的時(shí)間為256 ms。

　　在RC濾波電路中,選用不同的R,C值,對(duì)于調(diào)制結(jié)果的精度以及上升沿和下降沿的持續(xù)時(shí)間有很大的影響。

　?。?）RC=50·ΔT?

　　圖4所示的是“1AH,A1H”2個(gè)8位字用PDM調(diào)制后,經(jīng)過(guò)RC濾波輸出的模擬信號(hào)。其交流紋波較小,但信號(hào)響應(yīng)的速度較慢,即信號(hào)變化的上升沿比較緩和。 ?

　　圖5所示的是“1AH,A1H”2個(gè)8位字用PWM調(diào)制經(jīng)過(guò)RC濾波后輸出的模擬信號(hào)。顯然其中的交流紋波成分比用PDM調(diào)制后的模擬信號(hào)要大的多。

　?。?）RC=10·ΔT

　　圖6所示的是在RC=10·ΔT時(shí),2個(gè)8位字“1AH,A1H”用PDM調(diào)制經(jīng)過(guò)RC濾波后輸出的模擬信號(hào),其交流紋波的幅值約為直流成分的20%,響應(yīng)時(shí)間約為整個(gè)調(diào)制周期的7.5%。

　　以上的仿真結(jié)果表明,相對(duì)于PWM調(diào)制信號(hào),PDM的調(diào)制信號(hào)經(jīng)過(guò)低通濾波器后,模擬信號(hào)中的交流成分得到了明顯的削弱,即噪音相對(duì)較小。而對(duì)于PDM調(diào)制,RC濾波網(wǎng)絡(luò)中的RC值越大,模擬信號(hào)中的交流成分越少,而響應(yīng)速度則越慢。

　　因此,合理選取R,C值,使得交流成分的大小和響應(yīng)速度都能夠滿足實(shí)際應(yīng)用的要求,這是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。

?????? 5 PDM的應(yīng)用

　　在近幾年里,PDM技術(shù)廣泛地應(yīng)用于數(shù)字系統(tǒng)的各個(gè)領(lǐng)域中。在通信領(lǐng)域,許多通信工具中的語(yǔ)音信號(hào)還原都使用了PDM技術(shù)［2］。

　　幾乎所有CDMA手機(jī)中,都使用了PDM的專(zhuān) 利技術(shù)。在控制領(lǐng)域,許多控制單元如電源管理中PDM技術(shù)也有應(yīng)用［2］。在音頻 電子領(lǐng)域,PDM技術(shù)也得到了廣泛的應(yīng)用,如許多消費(fèi)電子產(chǎn)品中的數(shù)字化麥克風(fēng)［3］ 。

　　當(dāng)然,PDM技術(shù)也有他的局限性。例如,當(dāng)需要調(diào)制的數(shù)字信號(hào)位數(shù)增加時(shí),調(diào)制周期 就 相應(yīng)變長(zhǎng),濾波器的響應(yīng)速度也相應(yīng)變慢。而在應(yīng)用于D/A轉(zhuǎn)換的調(diào)制方法中,PDM技術(shù)無(wú) 疑是一種比較理想的調(diào)制方法。

?????? 參考文獻(xiàn)

??????［1］Rishi?Pulse Density Modulation Based Digitaltoanalog Conversion?USpatent,1998,(6)：67-317.P hilips Electronics North America Corporation(New York,NY

??????［2］Zhang Tao.Method and Device for Pulse Density Modulation?U S-patent 2001,(6)：393573?Oki Techno Centre (Singapore) PteLtd

????? ［3］Grosso A,Botti E,Stefani F,et al.A 250 W Audio Ampli fier with Straightforward Digital InputPWM Output Conversion