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マルチバンドパスΔΣ変調器の

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Academic year: 2021

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(1)

群馬大学 コバ研

マルチバンドパス ΔΣ 変調器の DWA アルゴリズム

群馬大学 工学部 電気電子工学科 萩原広之 元澤篤史 小林春夫

小室貴紀 傘 昊

(2)

群馬大学

Gunma University KOBA Lab.

コバ研

発表内容

研究目的

マルチバンドパス ΔΣ 変調器

電子部品の線形性計測への応用

マルチバンドパス用DWAアルゴリズム

マルチバンドパス用DWAアルゴリズム の応用

まとめ

(3)

群馬大学 コバ研

発表内容

研究目的

マルチバンドパス ΔΣ 変調器

電子部品の線形性計測への応用

マルチバンドパス用DWAアルゴリズム

マルチバンドパス用DWAアルゴリズム の応用

まとめ

(4)

群馬大学

Gunma University KOBA Lab.

コバ研

研究目的

マルチバンドパス ΔΣ 変調器の 新たな応用の提案を行う。

マルチバンドパス用 DWA アルゴリズムを 開発する。

そのアルゴリズムの他の変調器への応用

を行う。

(5)

群馬大学 コバ研

発表内容

研究目的

マルチバンドパス ΔΣ 変調器

電子部品の線形性計測への応用

マルチバンドパス用DWAアルゴリズム

マルチバンドパス用DWAアルゴリズム の応用

まとめ

(6)

群馬大学

Gunma University KOBA Lab.

コバ研

ΔΣAD 変調器

ADC Fliter

DAC

アナログ入力信号 デジタル入力信号

X(Z) H(Z) Y(Z)

量子化ノイズE(Z)

+ -

Y(Z)= H(Z)

1+H(Z)X(Z)+ 1

1+H(Z) E(Z) 0

1

f/2

power

AD量子化ノイズ 出力パワースペクトラム

:ΔΣAD量子化ノイズ 信号帯域

高精度なAD変換を実現

(7)

群馬大学 コバ研

これまでの ΔΣAD 変調器

ADC BP

DAC

H(Z) Y(Z)

+ -

ADC HP

DAC

X(Z) H(Z) Y(Z)

+ -

ADC LP

DAC

H(Z) Y(Z)

+ -

fs/2

powerpowerpower

X(Z)

X(Z)

fs/2

fs/2

(8)

群馬大学

Gunma University KOBA Lab.

コバ研

マルチバンドパス ΔΣAD 変調器 タイプ 1

ADC DAC

アナログ入力信号 デジタル入力信号

X(Z) Y(Z)

H(Z) 量子化ノイズE(Z)

+ -

Multi Bandpass filter

f

power

Z-N 1-Z-N

DCを含む

信号帯域が複数 その中心周波数は サンプリング周波数の

0, 1/N, 2/N, 3/N, 5/N, ….

(9)

群馬大学 コバ研

マルチバンドパス ΔΣAD 変調器 タイプ2

ADC DAC

アナログ入力信号 デジタル入力信号

X(Z) Y(Z)

H(Z) 量子化ノイズE(Z)

+ -

Multi Bandpass filter

f

power

-Z-N 1+Z-N

信号帯域が複数 その中心周波数は サンプリング周波数の 1/N, 3/N, 5/N, 7/N, ….

(10)

群馬大学

Gunma University KOBA Lab.

コバ研

発表内容

研究目的

マルチバンドパス ΔΣ 変調器

電子部品の線形性計測への応用

マルチバンドパス用DWAアルゴリズム

マルチバンドパス用DWAアルゴリズム の応用

まとめ

(11)

群馬大学 コバ研

リニア・アナログ回路と非線形性

X(t)=cos(wt) Y(t)=A1cos(wt) +

アナログ

回路 A2cos(2wt) +

・・ リニア・アナログ回路

(アンプ、DA変換器、スイッチ等)

非線形性により歪みが生じる

Vin Vout 実際の特性(非線形)

理想の特性(直線)

A3cos(3wt) +

(12)

群馬大学

Gunma University KOBA Lab.

コバ研

マルチバンドパス ΔΣ AD変調器の 高調波歪み測定への応用の提案

Z-N 1-Z-N

ω

・・・

入力信号 高調波歪

内部フィルタ

シングルエンド回路・信号のリニア・アナログ回路の場合 基本波とともに

0次、2次、3次、4次、…. の高調波を高精度にAD変換 タイプ I のマルチバンドパス変調器を使用

(13)

群馬大学 コバ研

マルチバンドパス ΔΣ AD変調器の 高調波歪み測定への応用の提案

内部フィルタ

差動回路・信号のリニア・アナログ回路の場合 偶数次の高調波はキャンセルされる

基本波とともに

3次、5次、7次、…. の高調波を高精度にAD変換 タイプ II のマルチバンドパス変調器を使用

ω

・・・

-Z-N 1+Z-N

入力信号

高調波歪

(14)

群馬大学

Gunma University KOBA Lab.

コバ研

発表内容

研究目的

マルチバンドパス ΔΣ 変調器

電子部品の線形性計測への応用

マルチバンドパス用DWAアルゴリズム

マルチバンドパス用DWAアルゴリズム の応用

まとめ

(15)

群馬大学 コバ研

変調器内 ADC/DAC

1ビット マルチビット

1ビット変調器

フィードバックのDACの線形性が保証される 回路構成が比較的容易

マルチビット変調器

低消費電力化 (アンプのスルーレート要求緩和)

(16)

群馬大学

Gunma University KOBA Lab.

コバ研

Digital

Analog

非線形性

A

B

シングルビット出力 マルチビット出力

Multi-bit DAC の非線形性

 

E(z)

) z ( H 1 ) 1 z ( )

z ( ) X z ( H 1

) z ( ) H

z (

Y

BPF

ADC

Ain + -

Dout

DAC

H(Z) X(z) +

-

Y(z) E(z)

δ(z) + + +

+

Multi-bit

δ(z):ノイズ・シェープされない。

高精度化の障害

(17)

群馬大学 コバ研

S1 S2 S3 S7

I+e

1

I+e

2

I+e

3

I+e

7

S[in]= ( 2;3;1)

セグメント・電流セル型 DAC の非線形性

電流セルのミスマッチ(e1,e2,e3,・・・e7)DACの非線形性

Vout=R ・ I ・ S[in]

R

0 1 2 3 4 5 6 7 23

12 57 15 48

Input of DAC

Time

(18)

群馬大学

Gunma University KOBA Lab.

コバ研

S1 S2 S3 S7

I+e

1

I+e

2

I+e

3

I+e

7

S[in]= ( 2;3;1)

セグメント・電流セル型 DAC の非線形性

電流セルのミスマッチ(e1,e2,e3,・・・e7)DACの非線形性 on

on

Vout=R ・ I ・ S[in]

R

0 1 2 3 4 5 6 7 23

12 57 15 48

Input of DAC

Time

(19)

群馬大学 コバ研

S1 S2 S3 S7

I+e

1

I+e

2

I+e

3

I+e

7

S[in]= ( 2;3;1)

セグメント・電流セル型 DAC の非線形性

電流セルのミスマッチ(e1,e2,e3,・・・e7)DACの非線形性

Vout=R ・ I ・ S[in]

R

on on

on 0 1 2 3 4 5 6 7

23 12 57 15 48

Input of DAC

Time

(20)

群馬大学

Gunma University KOBA Lab.

コバ研

S1 S2 S3 S7

I+e

1

I+e

2

I+e

3

I+e

7

S[in]= ( 2;3;1)

セグメント・電流セル型 DAC の非線形性

電流セルのミスマッチ(e1,e2,e3,・・・e7)DACの非線形性 on

Vout=R ・ I ・ S[in]

R

0 1 2 3 4 5 6 7 23

12 57 15 48

Input of DAC

Time

(21)

群馬大学 コバ研

DWA 手法

一定のアルゴリズムの下で素子を選択し、非線形性を軽減する手法

Z-1

DAC

Z-1

AD出力信号 DA出力信号

AD出力信号 DAC

Pointer

DA出力信号 非線形性ノイズδ(Z)

デジタルフィルタ アナログフィルタ

(22)

群馬大学

Gunma University KOBA Lab.

コバ研

タイプ I

マルチバンドパス DWA アルゴリズム

● セグメント型 DAC セルを選択するため N個のポインタ使用

● LP DWA アルゴリズムを

Nチャネル・インターリーブ

(23)

群馬大学 コバ研

Vdd

S0

S1

S2

S7

S6

S5

S4

S3

e0

I

e1

I

e3

I

e4

I e5

I e6

I I e2

e7

I

+ -

LowPass DAC 非線形性

ノイズ・シェープ・アルゴリズム

0 1 2 3 4 5 6 7 4

3 2 2 5 7 1 5 4 8

Ti m e

) Z 1

/(

1 )

z (

H   1

Input of DAC

(24)

群馬大学

Gunma University KOBA Lab.

コバ研

Vdd

S0

S1

S2

S7

S6

S5

S4

S3

e0

I

e1

I

e3

I

e4

I e5

I e6

I I e2

e7

I

+ -

LowPass DAC 非線形性

ノイズ・シェープ・アルゴリズム

0 1 2 3 4 5 6 7 4

3 2 2 5 7 1 5 4 8

Ti m e

) Z 1

/(

1 )

z (

H   1

Input of DAC

(25)

群馬大学 コバ研

Vdd

S0

S1

S2

S7

S6

S5

S4

S3

e0

I

e1

I

e3

I

e4

I e5

I e6

I I e2

e7

I

+ -

LowPass DAC 非線形性

ノイズ・シェープ・アルゴリズム

0 1 2 3 4 5 6 7 4

3 2 2 5 7 1 5 4 8

Ti m e

) Z 1

/(

1 )

z (

H   1

Input of DAC

(26)

群馬大学

Gunma University KOBA Lab.

コバ研

Vdd

S0

S1

S2

S7

S6

S5

S4

S3

e0

I

e1

I

e3

I

e4

I e5

I e6

I I e2

e7

I

+ -

LowPass DAC 非線形性

ノイズ・シェープ・アルゴリズム

0 1 2 3 4 5 6 7 4

3 2 2 5 7 1 5 4 8

Ti m e

) Z 1

/(

1 )

z (

H   1

Input of DAC

(27)

群馬大学 コバ研

Vdd

S0

S1

S2

S7

S6

S5

S4

S3

e0

I

e1

I

e3

I

e4

I e5

I e6

I I e2

e7

I

+ -

LowPass DAC 非線形性

ノイズ・シェープ・アルゴリズム

0 1 2 3 4 5 6 7 4

3 2 2 5 7 1 5 4 8

Ti m e

) Z 1

/(

1 )

z (

H   1

Input of DAC

(28)

群馬大学

Gunma University KOBA Lab.

コバ研

LP ⇒マルチ BP

0 1 2 3 4 5 6 7 4

2 6 5 5 3

LPアルゴリズム マルチBPアルゴリズム

・・

0 1 2 3 4 5 6 7 4

2 6 5 5 3

Z-N 1-Z-N

LP Pointer LP Pointer LP Pointer LP Pointer

N=4

LP Pointer

(29)

群馬大学 コバ研

N=8 の場合のタイプ I マルチバンドパス変調器

提案DWAアルゴリズムの効果を シミュレーションで確認

(30)

群馬大学

Gunma University KOBA Lab.

コバ研

タイプ II

マルチバンドパス DWA アルゴリズム

● セグメント型 DAC セルを選択するため N個のポインタ使用

HP DWA アルゴリズムを

Nチャネル・インターリーブ

(31)

群馬大学 コバ研

High PassDAC 非線形性 ノイズ・シェープ・アルゴリズム

Vdd

S0

S1

S2

S7

S6

S5

S4

S3

e0

I

e1

I

e3

I

e4

I e5

I e6

I I e2

e7

I

+ -

0 1 2 3 4 5 6 7 4

3 2 6 5 3 5 3 4 6

Ti m e

Z 1

1 / 1 )

z (

H  

Input of DAC

(32)

群馬大学

Gunma University KOBA Lab.

コバ研

High PassDAC 非線形性 ノイズ・シェープ・アルゴリズム

Vdd

S0

S1

S2

S7

S6

S5

S4

S3

e0

I

e1

I

e3

I

e4

I e5

I e6

I I e2

e7

I

+ -

0 1 2 3 4 5 6 7 4

3 2 6 5 3 5 3 4 6

Ti m e

Z 1

1 / 1 )

z (

H  

Input of DAC

(33)

群馬大学 コバ研

High PassDAC 非線形性 ノイズ・シェープ・アルゴリズム

Vdd

S0

S1

S2

S7

S6

S5

S4

S3

e0

I

e1

I

e3

I

e4

I e5

I e6

I I e2

e7

I

+ -

0 1 2 3 4 5 6 7 4

3 2 6 5 3 5 3 4 6

Ti m e

Z 1

1 / 1 )

z (

H  

Input of DAC

(34)

群馬大学

Gunma University KOBA Lab.

コバ研

High PassDAC 非線形性 ノイズ・シェープ・アルゴリズム

Vdd

S0

S1

S2

S7

S6

S5

S4

S3

e0

I

e1

I

e3

I

e4

I e5

I e6

I I e2

e7

I

+ -

0 1 2 3 4 5 6 7 4

3 2 6 5 3 5 3 4 6

Ti m e

Z 1

1 / 1 )

z (

H  

Input of DAC

(35)

群馬大学 コバ研

High PassDAC 非線形性 ノイズ・シェープ・アルゴリズム

Vdd

S0

S1

S2

S7

S6

S5

S4

S3

e0

I

e1

I

e3

I

e4

I e5

I e6

I I e2

e7

I

+ -

0 1 2 3 4 5 6 7 4

3 2 6 5 3 5 3 4 6

Ti m e

Z 1

1 / 1 )

z (

H  

Input of DAC

(36)

群馬大学

Gunma University KOBA Lab.

コバ研

HPBP ⇒マルチ BP

0 1 2 3 4 5 6 7 4

2 6 5 5 3

HPアルゴリズム BPアルゴリズム

0 1 2 3 4 5 6 7 4

2 6 5 5 3

マルチBPアルゴリズム

・・

0 1 2 3 4 5 6 7 4

2 6 5 5 3

1回の出力ごとに切り替える

N=4

-Z-N 1+Z-N

HP Pointer HP Pointer HP Pointer

HP Pointer HP Pointer HP Pointer HP Pointer

(37)

群馬大学 コバ研

N=4 の場合のタイプ II マルチバンドパス変調器

非線形性の影響を軽減

提案DWAアルゴリズムの効果を シミュレーションで確認

(38)

群馬大学

Gunma University KOBA Lab.

コバ研

DWA DAC

ADC Fliter

DWA DAC

アナログ入力信号

X(z) Y(z)

+ -

H(z)=1/1+Z-1

デジタル入力信号

H(z)=1/1+Z-2H(z)=1/1+Z-3

H(z)=1/1-Z-1H(z)=1/1-Z-2H(z)=1/1-Z-3

・・

・ ・・・

Z-N 1-Z-N -Z-N

1+Z-N

(39)

群馬大学 コバ研

Pointer

DWA アルゴリズムを実現する Pointer

LPアルゴリズム LP Pointer LP Pointer LP Pointer

N

Z-N 1-Z-N

HPアルゴリズム HP Pointer HP Pointer HP Pointer

N

-Z-N 1+Z-N

(40)

群馬大学

Gunma University KOBA Lab.

コバ研

発表内容

研究目的

マルチバンドパス ΔΣ 変調器

電子部品の線形性計測への応用

マルチバンドパス用DWAアルゴリズム

マルチバンドパス用DWAアルゴリズム の応用

まとめ

(41)

群馬大学 コバ研

マルチバンド DWA アルゴリズム の応用 1

中心周波数 fs/6

単一帯域 マルチビットバンドパス

ΔΣAD 変調器への応用

(42)

群馬大学

Gunma University KOBA Lab.

コバ研

単一帯域のバンドパス変調器の イメージ回避

1/2fs 1/4fs

Δf Δf

Δf=1/4fs-fin

イメージ成分

Δf

Δf=1/4fs-fin

イメージ成分

イメージ成分が

信号帯域内に発生 信号帯域を

1/4fs以外に置く

1/2fs 1/4fs

従来のBP変調器

入力信号帯域中心 fs/4

イメージ成分は 信号帯域外へ

Δf

(43)

群馬大学 コバ研

マルチバンドパス DWA を用いた バンドパス ΔΣAD 変調器の構成

ADC

DWA DAC

アナログ入力信号

X(Z) Y(Z)

+ -

デジタル入力信号

-Z-2 1-Z-1+Z-2

pointer HP Pointer HP Pointer HP Pointer

3

極を1/6に設定

中心周波数 fs/6 の マルチビット

バンドパス変調器

(44)

群馬大学

Gunma University KOBA Lab.

コバ研

シミュレーションによる

DWAアルゴリズムの効果確認

提案したマルチバンドパス用DWAアルゴリズムで DAC非線形性によるSNDR劣化の影響を軽減

(45)

群馬大学 コバ研

マルチバンド DWA アルゴリズム の応用 2

等間隔ではない複数帯域の

マルチビット・バンドパス AD 変調器

への応用

(46)

群馬大学

Gunma University KOBA Lab.

コバ研

等間隔ではない複数帯域

マルチビット・バンドパス AD 変調器

1/2fs

ADC

DWA DAC

アナログ入力信号

X(Z) Y(Z)

+ -

デジタル入力信号

Fliter

変調器出力

マルチバンドDWAによる DAC非線形性

のノイズシェープ

(47)

群馬大学 コバ研

+

- ADC

DWA DAC

-Z-6

(1-2AZ-1+Z-2 )(1-2BZ-1+Z-2 )(1-2CZ-1+Z-2 )

アナログ入力信号 デジタル出力信号

A=Cos22.5° B=Cos112.5° C=Cos157.5°

等間隔ではない複数帯域 バンドパス AD 変調器の構成

pointer HP Pointer HP Pointer HP Pointer

8

極を1/16,5/16,7/16に設定(N=8のときに発生する極と同じ)

X(Z) Y(Z)

(48)

群馬大学

Gunma University KOBA Lab.

コバ研

シミュレーションによる

提案DWAアルゴリズムの効果確認

提案したマルチバンドパス用DWAアルゴリズムで DAC非線形性によるSNDR劣化の影響を軽減

(49)

群馬大学 コバ研

マルチバンド DWA アルゴリズム の応用 3

中心周波数 fs/6

単一帯域 マルチビットバンドパス

ΔΣDA 変調器への応用

(50)

群馬大学

Gunma University KOBA Lab.

コバ研

中心周波数 fs/6 ΔΣDA 変調器

DWA DAC

デジタル入力信号

X(z) Y(z)

+ -

アナログ出力信号

Z-1 Z-1

+ + +

+

Y(Z)=X(Z)+(1-Z-1)-2E(Z) -1 2

量子化器

ΔΣDAでは2段目のフィードバックゲインの調整で極の位置を可変にできる

Y(Z)=X(Z)+(1-Z-1+Z-2)E(Z) 1

極を1/6に設定

pointer HP Pointer HP Pointer HP Pointer

3

(51)

群馬大学 コバ研

シミュレーションによる

提案DWAアルゴリズムの効果確認

提案したマルチバンドパス用DWAアルゴリズムで

(52)

群馬大学

Gunma University KOBA Lab.

コバ研

まとめ

マルチバンドパス ΔΣ 変調器の DWA アルゴリズムを提案した。

マルチバンドパス ΔΣ 変調器の利用例を提

案した。

(53)

群馬大学 コバ研

HPBPMulti BP

0 1 2 3 4 5 6 7 4

2 6 5 5

DAC Z-1

+

- Z-1

+ +

HPアルゴリズム BPアルゴリズム

0 1 2 3 4 5 6 7 4

2 6 5 5

DAC Z-1

+

- Z-1

+ +

マルチBPアルゴリズム

Z-1 +

- Z-1

+ + DAC

Z-1 +

- Z-1

+

+

Z-1 +

- Z-1

+ +

・・

・ ・・・

0 1 2 3 4 5 6 7 4

2 6 5 5

1回の出力ごとに切り替える N=4

-Z-N 1+Z-N

(54)

群馬大学

Gunma University KOBA Lab.

コバ研

LPMulti BP

0 1 2 3 4 5 6 7 4

2 6 5 5 3

DAC Z-1

+

+ Z-1

+ -

LPアルゴリズム

DAC Z-1

+

+ Z-1

+ - マルチBPアルゴリズム

Z-1 +

+ Z-1

+ -

・・

n=4 ・・・

0 1 2 3 4 5 6 7 4

2 6 5 5 3

Z-N 1-Z-N

(55)

群馬大学 コバ研

DWA の周波数特性

1/2fs

fs

1/4fs 3/4fs

1/6fs 1/2fs 5/6fs

1/8fs 3/8fs 5/8fs 7/8fs

1/10fs 3/10fs 7/10fs 9/10fs

1/12fs 1/4fs

1/2fs

5/12fs 7/12fs 3/4fs 9/12fs 1/14fs 3/14fs 5/14fs 1/2fs 9/14fs 11/14fs 13/14fs 1/16fs 3/16fs 5/16fs 7/16fs 9/16fs 11/16fs 13/16fs 15/16fs N=1

N=2 N=3 N=4 N=5 N=6 N=7 N=8

極の場所

-Z-N 1+Z-N

(56)

群馬大学

Gunma University KOBA Lab.

コバ研

DWA の周波数特性

0fs

fs N=1

N=2 N=3 N=4 N=5 N=6 N=7 N=8

fs

0fs fs

0fs fs

0fs fs

0fs fs

0fs fs

0fs fs

0fs fs

1/2fs

1/3fs 2/3fs

1/4fs 1/2fs 3/4fs

1/5fs 2/5fs 3/5fs 4/5fs

1/2fs

1/6fs 2/6fs 4/6fs 5/6fs

1/8fs 1/4fs 3/8fs 1/2fs 5/8fs 3/4fs 7/8fs 1/7fs 2/7fs 3/7fs 4/7fs 5/7fs 6/7fs

極の場所

Z-N 1-Z-N

(57)

群馬大学 コバ研

HP アルゴリズムの効果確認

NoisePower Power Signal

dB

SNR[ ] 10 log

) (

) ( )

( )

( log

log log

] [

rms Noise

rms Signal rms

Noise rms Signal

V V V

V Power

Noise Power Signal dB

SNR =10 =10 2 =20

2

非線形性を軽減

) (

) ( )

( )

( log

log log

] [

rms Noise

rms Signal rms

Noise rms Signal

V V V

V Power

Noise

Power Signal

dB

SNR =10 =10 2 =20

2

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