采用PDM的D/A轉換技術方案

? 1 引言

　　在數字信號處理中,常常需要將多位數字信號轉化為一位數字信號。例如,在通信領域,接收器接收到經過編碼的數字語音信號,需將他轉化為模擬信號,即將原來的模擬語音信號復原。經過編碼的語音信號,通常是多位的比特流。因此,如何將多位比特流轉化為模擬語音信號,便成為保證通信質量的關鍵。又如,在一些控制電路中,控制信號是經過計算生成的多位數字信號,而這些數字信號必須轉化為模擬信號才能對電路進行控制。因此,如何將多位數字信號轉化為符合實際要求的模擬信號,則成為控制電路設計者最關心的問題。

　　在傳統的電路設計中,面對上述問題時,通常選擇使用由多個分離的電子元器件組成的D/A轉換器,有時我們也稱他為靜態D/A轉換器。但是由于靜態D/A轉換器的組成結構,決定了他在系統中,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方案中,靜態D/A轉換器就不得不被替換掉［1］。

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

　　早在20世紀40年代,PWM就開始被應用在電話中。由于PWM的局限性,人們在二十年后,提出了PDM調制方法。但由于當時的應用市場尚不成規模,因而這種調制方法一直未能得到廣泛的關注和應用。近年來,由于數字技術在各個領域里得到了廣泛的應用,數字產品飛速發展,數字信號處理開始得到越來越多的關注。于是PDM調制技術重新得到重視,并被應用在不同的領域中。

?????? 2 PDM基本介紹　　

?????? PDM是一種在數字領域提供模擬信號的調制方法。在PDM信號中,邏輯“1”表示單個脈沖,邏輯“0”表示沒有脈沖。通常邏輯“1”和邏輯“0”是不連續的,邏輯“1”比較均勻地分布在每個調制信號周期里。其中單個脈沖并不表示幅值,而一系列脈沖的密度才對應于模擬信號中的幅值。完全由“1”組成的PDM信號對應于幅值為正的電壓;而完全由“0”組成的PDM信號則對應于負幅值的電壓;由“1”和“0”交替組成的信號則對應于0幅值的電壓。

?????? 3 PDM的實現

　　PDM調制技術的邏輯框圖如圖1所示。用1個分頻計數器實現符合實際應用要求的時鐘信號,脈沖周期為ΔT。再將時鐘信號送入?Ｎ位計數器,實現0,1,…,2N-1的計數。在計數的單個脈沖周期ΔT里,將計數結果各個位上的邏輯值經過一系列邏輯操作,實現Ｎ位比較基準脈沖信號,分別為Bit0,Bit1,Bit2,…,Bit(N -1)。值得注意的是,在每一個ΔT里,都只有一個位上有邏輯“1”,其他位 上均為邏輯“0”。同時將寄存器輸出的N位總線數據與比較基準脈沖信號Bit0,Bit1,Bit2,…,Bit(N-1)進行逐位與操作,再將各個位上的結果相或,便得到ΔT內的調 制結果。這樣,在整個調 制周期結束后便得到調制結果。

　　對于N位的數字信號,調制周期T=2N·ΔT。對于8位的數字待調信號,每個脈沖周期ΔT的調制結果為：　 　　

?????? 例如,對8位的十六進制數字信號“1AH”進行調制。用8位的計數器產生如圖2所示的比較基準脈沖信號。顯然,在每一個脈沖周期ΔT里,Bit0~Bit7中都只有1個位上有脈沖。??

　　而十六進制數“1AH”對應的二進制數為“00011010”,其中Bit4,Bit3,Bit1為“1”,其他各位均為“0”,經過逐位邏輯操作,即： ?　　　　

????? ;? 經過一個調制周期的調制,便得到如圖3所示的調制信號。這樣8位的數字信號就轉化為1位的脈沖信號。 ?

?????? 4 PDM與PWM的分析比較

　　數字信號經過PDM調制后,經過一個簡單的低通濾波器就可以實現數字信號的數模轉換。為方便比較,在仿真中,設定：待調數字信號長度為2個字,分別為“1AH,A1H”。脈沖周期ΔT為1 ms,1個調制周期的時間為256 ms。

　　在RC濾波電路中,選用不同的R,C值,對于調制結果的精度以及上升沿和下降沿的持續時間有很大的影響。

　　（1）RC=50·ΔT?

　　圖4所示的是“1AH,A1H”2個8位字用PDM調制后,經過RC濾波輸出的模擬信號。其交流紋波較小,但信號響應的速度較慢,即信號變化的上升沿比較緩和。 ?

　　圖5所示的是“1AH,A1H”2個8位字用PWM調制經過RC濾波后輸出的模擬信號。顯然其中的交流紋波成分比用PDM調制后的模擬信號要大的多。

　　（2）RC=10·ΔT

　　圖6所示的是在RC=10·ΔT時,2個8位字“1AH,A1H”用PDM調制經過RC濾波后輸出的模擬信號,其交流紋波的幅值約為直流成分的20%,響應時間約為整個調制周期的7.5%。

　　以上的仿真結果表明,相對于PWM調制信號,PDM的調制信號經過低通濾波器后,模擬信號中的交流成分得到了明顯的削弱,即噪音相對較小。而對于PDM調制,RC濾波網絡中的RC值越大,模擬信號中的交流成分越少,而響應速度則越慢。

　　因此,合理選取R,C值,使得交流成分的大小和響應速度都能夠滿足實際應用的要求,這是系統設計的關鍵。

?????? 5 PDM的應用

　　在近幾年里,PDM技術廣泛地應用于數字系統的各個領域中。在通信領域,許多通信工具中的語音信號還原都使用了PDM技術［2］。

　　幾乎所有CDMA手機中,都使用了PDM的專 利技術。在控制領域,許多控制單元如電源管理中PDM技術也有應用［2］。在音頻 電子領域,PDM技術也得到了廣泛的應用,如許多消費電子產品中的數字化麥克風［3］ 。

　　當然,PDM技術也有他的局限性。例如,當需要調制的數字信號位數增加時,調制周期 就 相應變長,濾波器的響應速度也相應變慢。而在應用于D/A轉換的調制方法中,PDM技術無 疑是一種比較理想的調制方法。

?????? 參考文獻

??????［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