基于PDM的D/A轉換技術的解決方案

    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。