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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)心的問題。 在傳統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)中，面對(duì)上述問題時(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。 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)。 早在20世紀(jì)40年代，PWM就開始被應(yīng)用在電話中。由于PWM的局限性，人們?cè)诙旰螅岢隽薖DM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。 （1）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。 （2）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)。 幾乎所有CDMA手機(jī)中，都使用了PDM的專 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。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)。 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。 |
