Technique qui repousse le bruit de quantification vers les hautes fréquences par une boucle de rétroaction, réduisant le bruit dans la bande du signal. Combinée au suréchantillonnage dans les CAN ΔΣ pour obtenir une haute résolution.
Nom japonais: ノイズシェーピング
« Mise en forme du bruit (noise shaping) » apparaît dans 3 questions d'entraînement réparties sur 1 thèmes, dont Conversion A/N et N/A.
Domaine: Conversion A/N et N/A
Dans un modulateur delta-sigma (ΔΣ), le quantificateur se trouve dans une boucle de rétroaction comportant un filtre de boucle, souvent un ou plusieurs intégrateurs. La boucle soustrait la sortie quantifiée de l'entrée et accumule l'erreur, si bien qu'au fil du temps la sortie moyenne suit l'entrée. Dans le domaine fréquentiel, le signal passe presque sans changement, tandis que le bruit de quantification est multiplié par une fonction de transfert du bruit qui est faible aux basses fréquences et forte aux hautes fréquences. Pour une boucle du premier ordre, cette fonction vaut 1 − z⁻¹, une simple caractéristique passe-haut.
La puissance du bruit de quantification est fixée par le pas du quantificateur. Échantillonner plus vite l'étale sur une bande plus large, de sorte que la part dans la bande diminue de 10 log₁₀ du taux de suréchantillonnage : environ 3 dB, soit un demi-bit, par doublement, et environ 6 dB, soit un bit, pour une fréquence multipliée par quatre. Gagner deux bits de cette façon exige une fréquence 16 fois plus élevée. Avec la mise en forme du bruit, chaque doublement du taux de suréchantillonnage améliore le bruit dans la bande d'environ 9 dB pour une boucle du premier ordre et de 15 dB pour une boucle du second ordre : une mise en forme d'ordre élevé est donc bien plus efficace.
Le bruit repoussé au-dessus de la bande du signal est éliminé par un filtre numérique passe-bas de décimation, qui ramène aussi la cadence de sortie près de la fréquence de Nyquist. Même un quantificateur 1 bit peut alors fournir plus de 20 bits de résolution aux basses fréquences, et comme un quantificateur à deux niveaux est intrinsèquement linéaire, la précision dépend peu de l'appariement des composants analogiques. Les contreparties sont une horloge de modulateur très supérieure à la bande du signal et la latence du filtre de décimation : les CAN (ADC) ΔΣ conviennent donc à l'audio, à l'instrumentation et à la lecture de capteurs plutôt qu'à l'échantillonnage à haute vitesse.
Les boucles d'ordre plus élevé atténuent plus fortement le bruit dans la bande, mais au-delà du second ordre, une boucle à quantificateur 1 bit peut devenir instable ; les concepteurs utilisent alors des quantificateurs multibits, des filtres de boucle soigneusement mis à l'échelle ou des structures en cascade (MASH). La mise en forme du bruit se retrouve aussi en dehors des CAN. Les CNA ΔΣ pilotent des sorties audio à partir de signaux à peu de niveaux, les boucles à verrouillage de phase fractionnaires (fractional-N PLL) utilisent un modulateur ΔΣ pour mettre en forme le bruit d'un rapport de division qui alterne entre entiers, et la diffusion d'erreur (error diffusion) en impression d'images repousse l'erreur de quantification vers les hautes fréquences spatiales.
Réponse : B. Environ 6 dB (environ 1 bit)
La puissance totale du bruit de quantification est constante ; augmenter la fréquence d'échantillonnage l'étale plus finement sur une plage de fréquences plus large. Le bruit dans la bande du signal diminue de 10 log₁₀(4) ≈ 6 dB, soit environ 1 bit. Le simple suréchantillonnage exige donc une vitesse 4 fois plus élevée pour gagner 1 bit et 16 fois pour 2 bits, ce qui est peu efficace. Le CAN ΔΣ y associe la mise en forme du bruit pour obtenir un gain bien supérieur.
Le suréchantillonnage étale une quantité fixe de bruit de quantification sur une bande plus large, ce qui ne rapporte qu'environ 3 dB par doublement de la fréquence d'échantillonnage. La mise en forme du bruit utilise une rétroaction pour sortir ce bruit de la bande du signal, ce qui donne une amélioration bien plus grande pour le même taux de suréchantillonnage.
Un quantificateur à deux niveaux est intrinsèquement linéaire : la précision du convertisseur ne repose donc pas sur des composants parfaitement appariés, et la mise en forme du bruit et le suréchantillonnage permettent de retrouver la résolution.
Ils doivent échantillonner bien plus vite que la bande passante du signal et nécessitent un filtre de décimation qui ajoute de la latence, ce qui les limite aux bandes passantes faibles et moyennes.
Le CAN ΔΣ y associe la mise en forme du bruit pour obtenir un gain bien supérieur.
Quelle amélioration du bruit de quantification obtient-on e…Le CAN ΔΣ échantillonne à une fréquence bien supérieure à la bande du signal (suréchantillonnage), repousse le bruit de quantification vers les hautes fréquences par une boucle de rétroaction (mise en forme du bruit) puis l'élimine par un filtre numérique.
Quelle caractéristique d'un CAN ΔΣ (delta-sigma) est correc…Le modulateur ΔΣ assure une mise en forme du bruit qui repousse le bruit de quantification vers les hautes fréquences ; à l'ordre L, chaque doublement du rapport de suréchantillonnage améliore le SNR dans la bande d'environ (6L + 3) dB, soit environ 9 dB au 1er ordre et environ 15 dB au 2e ordre.
Quel est l'effet de l'augmentation de l'ordre du modulateur…Suréchantillonnage ADC pipeline ADC ΔΣ CAN à approximations successives (SAR) CAN flash CNA à réseau R-2R Code manquant DNL (non-linéarité différentielle) Échantillonneur-bloqueur ENOB (nombre effectif de bits)