Sigma-Delta ADC中多级数字抽取滤波器的研究与设计

摘要

Sigma-Delta ADC由前级的Sigma-Delta调制器和后级的抽取滤波器组成，虽然Sigma-Delta ADC的转换精度和速率主要由调制器决定，但抽取滤波器却决定了整个芯片的面积和功耗。在如今IC设计追求低成本低功耗的情况下，对Sigma-Delta ADC中数字滤波器的研究也具有十分重要的意义。
　　本文先研究了Sigma-Delta调制器的原理、过采样技术和噪声整形以及多位量化技术，再根据调制器的特性确定合适的滤波器结构。文中分析了数字滤波器抽取滤波的原理，为了节省硬件资源而采用多级滤波器级联的结构。第一级滤波器采用CIC抽取滤波器，实现32倍降采样；第二级采用CIC补偿滤波器来补偿CIC抽取滤波造成的通带衰减，用inverse sinc滤波器实现，并实现2倍降采样；第三级采用半带滤波器，也实现2倍降采样。把三级滤波器级联，就实现了我们所要求的工作在采样速率为6.4MHz、过采样率为128、数据精度为14bit、信号带宽为25kHz、信噪比大于85dB的滤波器。
　　文中详细的分析了每级滤波器的实现原理和结构，完成了每级滤波器的设计并用Verilog实现，并对后两级滤波器采用CSD系数优化、多相结构等进行了优化。最后通过Simulink建模仿真、Verilog代码仿真和FPGA验证三个方面对完成的抽取滤波器进行了性能、功能的仿真，结果表明达到了预定的设计目标。另外，本文还对CSD和Factored-CSD编码、FIR滤波器直接型结构和直接型转置形式结构在硬件上的实现进行了对比。

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1 绪论

1.1 研究背景与意义

1.2 国内外研究概况

1.3 论文内容及结构

2 SIGMA-DELTA 模数转换器

2.1 Sigma-Delta ADC基本原理

2.2 过采样技术

2.3 噪声整形技术

2.4 多位量化技术

2.5 本章小结

3 抽取滤波器系统架构分析与设计

3.1 信号的抽取

3.2 抽取滤波原理

3.3 抽取滤波器的多级设计

3.4 多级系统结构

3.5 本章小结

4 多级数字抽取滤波器设计和实现

4.1 CIC抽取滤波器

4.2 CIC补偿滤波器

4.3 半带滤波器

4.4 系数的优化

4.5 本章小结

5 抽取滤波器的仿真与验证

5.1 抽取滤波器的整体性能仿真

5.2 抽取滤波器代码实现及功能仿真

5.3 抽取滤波器的FPGA验证

5.4 本章小结

6 总结与展望

6.1 全文总结

6.2 课题展望

致谢

参考文献