一种用于免滤波数字D类音频功放的扩频调制方法技术

本发明专利技术提出了一种用于免滤波数字D类音频功放的扩频调制方法，利用功放主时钟信号clk和UPWM发生器输入同步字时钟信号clk_s1按照一定规则合成另一个时钟信号clk_s2，然后构建一个伪随机数生成器生成一系列的伪随机数列，通过判断该伪随机数列的奇偶性，利用时钟信号clk_s1和时钟信号clk_s2合成一个频率可变的时钟信号clk_c，最后利用主时钟信号clk、时钟信号clk_c和UPWM发生器输入信号的幅值通过阈值计算器、计数器和比较器处理输出PRF可变的左增长双边沿UPWM信号；同时基于上述扩频调制方法设计相应的免滤波脉冲宽度调制器。本发明专利技术可明显降低功放输出UPWM信号高频成分幅度，从而降低EMI，且实现简单，所需硬件资源较少。

【技术实现步骤摘要】
一种用于免滤波数字D类音频功放的扩频调制方法
本专利技术涉及免滤波数字D类音频功放的
，尤其涉及一种用于免滤波数字D类音频功放的扩频调制方法。
技术介绍
基于开关模式的数字D类音频功放因其电源效率较高、方便与数字音源接口、体积小等诸多优点普遍应用在当今的音频功放领域中。传统数字D类音频功放的结构示意图如附图1所示，包括依次连接的脉冲宽度调制器、功率级和LC模拟低通滤波器。在传统数字D类音频功放中，输入的数字音频信号首先通过脉冲宽度调制器被调制成开关信号，然后由功率级的大功率晶体管进行放大，最后通过电感电容(LC)模拟低通滤波器滤除高频成分，恢复原始音频信号并驱动扬声器发声。由于LC模拟低通滤波器会大幅增加功放的成本和体积，不符合当今视听产品小型化和便携化的发展趋势，因此，免滤波数字D类音频功放逐渐成为音频功放领域的一个研究热点。免滤波数字D类音频功放的结构示意图如附图2所示，其主要由免滤波脉冲宽度调制器和H桥式功率级组成。免滤波脉冲宽度调制器主要由插值滤波器、取反模块、Sigma-Delta调制器和均匀采样脉冲宽度调制(Uniform-samplingPulseWidthModulation,UPWM)发生器组成，其利用过采样技术、量化噪声整形技术以及UPWM技术在基本保持输入信号基带信息不变的情况下，把数字音频信号转换为四路UPWM信号，该四路UPWM信号驱动H桥式功率级，会在扬声器负载上形成三态UPWM信号。由于三态UPWM让功放负载两端的电压在每个开关周期内的大部分时间等于零伏从而大幅减少了流过负载的电流，使功放在效率方面降低了对LC模拟低通滤波器的依赖。然而，免滤波数字D类音频功放输出信号在脉冲重复频率(PulseRepetitionFrequency，PRF)以及其谐波处有较高的能量，这些高频成分能量将导致功放输出信号产生较严重的电磁干扰(Electro-MagneticInterference，EMI)。因此，为了进一步提高免滤波数字D类音频功放的实用性，需要利用特殊的方法来降低功放输出信号的高频能量尖峰，从而降低功放的EMI。对于D类音频功放的EMI抑制，目前较为流行的解决办法是考虑采用扩频调制技术。目前已经公开发表的用于D类音频功放的扩频调制方法主要有：低功耗频率调制法(YehML,LiouWR,HsiehHP,etal.Anelectromagneticinterference(EMI)reducedhigh-efficiencyswitchingpoweramplifier[J].IEEETransactionsonPowerElectronics,2010,25(3):710-718.)、构造“PWMChopping”模块法(BalmelliP,KhouryJM,ViegasE,etal.Alow-EMI3-Waudioclass-DamplifiercompatiblewithAM/FMradio[J].IEEEJournalofSolid-StateCircuits,2013,48(8):1771-1782.)、随机卷绕脉冲位置调制法(AdrianV,KeerC,GweeBH,etal.ArandomizedmodulationschemeforfilterlessdigitalclassDaudioamplifiers[C].Proceedingsofthe2014IEEEInternationalSymposiumonCircuitsandSystems.IEEE,2014:774-777.)等。低功耗频率调制法通过构造一个超低功耗扩频时钟发生器实时改变功放PWM信号开关频率，在降低功放EMI的同时也很好的保持了功放的高效率，但此方法需要模拟电路实现或者需要模拟输入信号参与调制，因此只适用于模拟D类音频功放。构造“PWMChopping”模块法利用零输入Sigma-Delta调制器的噪声整形功能对输出PWM信号进行逐帧控制，使功放负载两端的共模高频尖峰降低，但系统需要较高的主时钟频率。随机卷绕脉冲位置调制法通过对UPWM信号每个脉冲在当前开关周期内的位置随机化从而实现扩频，该方法由于是基于二态PWM技术的，因此，虽然能使功放拥有较低的EMI，但是却大幅降低了效率。
技术实现思路
针对现有扩频调制方法适用性低，需要的主时钟频率高，效率较低的技术问题，本专利技术提出一种用于免滤波数字D类音频功放的扩频调制方法，可明显降低功放输出UPWM信号高频成分幅度，从而达到了降低EMI的目的，并且实现简单，实现时所需硬件资源较少。为了达到上述目的，本专利技术的技术方案是这样实现的：一种用于免滤波数字D类音频功放的扩频调制方法，其步骤如下：步骤一：利用频率合成技术在功放系统主时钟信号clk和UPWM发生器输入同步字时钟信号clk_s1的基础上合成另一个时钟信号clk_s2，fs2＝fs1·p/q，其中，fs1为时钟信号clk_s1的频率，fs2为时钟信号clk_s2的频率，且fs1大于fs2，p＝fclk/(fs1·m)，fclk为主时钟信号clk的频率，q为大于p的整数，m为UPWM发生器的级数；步骤二：构建一个n级线性反馈移位寄存器，通过线性反馈移位寄存器生成一系列的伪随机数列，然后利用该伪随机数列以及时钟信号clk_s1和时钟信号clk_s2合成一个新的时钟信号clk_c；步骤三：将UPWM发生器的输入信号延迟2个时钟信号clk_s1的时钟周期后再输入到UPWM发生器中；当出现由UPWM发生器的两个输入数据决定当前UPWM信号的一个占空比值时，取该两个输入数据的算术平均值来决定当前输出UPWM信号的占空比值；步骤四：在m级UPWM发生器中构建一个用于产生左增长双边沿UPWM信号的阈值计算器，阈值计算器根据当前输入的时钟信号clk_c及步骤三中延迟处理后的UPWM发生器输入信号幅值x计算该幅值对应产生左增长双边沿UPWM信号的左阈值yleft和右阈值yright，其中0≤x≤m，x为整数；步骤五：在m级UPWM发生器中构建一个计数器，计数器对主时钟信号clk的上升沿进行计数，当检测到时钟信号clk_c的上升沿，计数器清零；步骤六：在m级UPWM发生器中构建一个比较器，比较器在每个主时钟信号clk的上升沿判断步骤五中计数器的输出值是否大于等于左阈值yleft且小于右阈值yright；若是，比较器输出为1，反之输出为0，从而输出PRF可变的UPWM信号。所述时钟信号clk_c的生成规则是：在当前伪随机数列的值为偶数时，时钟信号clk_c在当前周期为clk_s1；在当前伪随机数列的值为奇数时，则时钟信号clk_c在当前周期为clk_s2；所述步骤四中，当时钟信号clk_c的下一个周期和时钟信号clk_s1的周期相同时，左阈值右阈值当时钟信号clk_c的下一个周期和时钟信号clk_s2的周期相同时，左阈值右阈值其中，[]取整为舍去小数位取整。利用上述扩频调制方法构建一个免滤波脉冲宽度调制器，所述免滤波脉冲宽度调制器包括插值滤波器、时钟管理器、取反模块、第一Sigma-Delta调制器、第二Sigma-Delta调制器、第一带扩频调制的UPWM发生器和第二带扩频调制的UPWM发生器；主时钟信本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于免滤波数字D类音频功放的扩频调制方法，其特征在于，其步骤如下：步骤一：利用频率合成技术在功放系统主时钟信号clk和UPWM发生器输入同步字时钟信号clk_s1的基础上合成另一个时钟信号clk_s2，fs2＝fs1·p/q，其中，fs1为时钟信号clk_s1的频率，fs2为时钟信号clk_s2的频率，且fs1大于fs2，p＝fclk/(fs1·m)，fclk为主时钟信号clk的频率，q为大于p的整数，m为UPWM发生器的级数；步骤二：构建一个n级线性反馈移位寄存器，通过线性反馈移位寄存器生成一系列的伪随机数列，然后利用该伪随机数列以及时钟信号clk_s1和时钟信号clk_s2合成一个新的时钟信号clk_c；步骤三：将UPWM发生器的输入信号延迟2个时钟信号clk_s1的时钟周期后再输入到UPWM发生器中；当出现由UPWM发生器的两个输入数据决定当前UPWM信号的一个占空比值时，取该两个输入数据的算术平均值来决定当前输出UPWM信号的占空比值；步骤四：在m级UPWM发生器中构建一个用于产生左增长双边沿UPWM信号的阈值计算器，阈值计算器根据当前输入的时钟信号clk_c及步骤三中延迟处理后的UPWM发生器输入信号幅值x计算该幅值对应产生左增长双边沿UPWM信号的左阈值yleft和右阈值yright，其中0≤x≤m，x为整数；步骤五：在m级UPWM发生器中构建一个计数器，计数器对主时钟信号clk的上升沿进行计数，当检测到时钟信号clk_c的上升沿，计数器清零；步骤六：在m级UPWM发生器中构建一个比较器，比较器在每个主时钟信号clk的上升沿判断步骤五中计数器的输出值是否大于等于左阈值yleft且小于右阈值yright；若是，比较器输出为1，反之输出为0，从而输出PRF可变的UPWM信号。...

【技术特征摘要】
1.一种用于免滤波数字D类音频功放的扩频调制方法，其特征在于，其步骤如下：步骤一：利用频率合成技术在功放系统主时钟信号clk和UPWM发生器输入同步字时钟信号clk_s1的基础上合成另一个时钟信号clk_s2，fs2＝fs1·p/q，其中，fs1为时钟信号clk_s1的频率，fs2为时钟信号clk_s2的频率，且fs1大于fs2，p＝fclk/(fs1·m)，fclk为主时钟信号clk的频率，q为大于p的整数，m为UPWM发生器的级数；步骤二：构建一个n级线性反馈移位寄存器，通过线性反馈移位寄存器生成一系列的伪随机数列，然后利用该伪随机数列以及时钟信号clk_s1和时钟信号clk_s2合成一个新的时钟信号clk_c；步骤三：将UPWM发生器的输入信号延迟2个时钟信号clk_s1的时钟周期后再输入到UPWM发生器中；当出现由UPWM发生器的两个输入数据决定当前UPWM信号的一个占空比值时，取该两个输入数据的算术平均值来决定当前输出UPWM信号的占空比值；步骤四：在m级UPWM发生器中构建一个用于产生左增长双边沿UPWM信号的阈值计算器，阈值计算器根据当前输入的时钟信号clk_c及步骤三中延迟处理后的UPWM发生器输入信号幅值x计算该幅值对应产生左增长双边沿UPWM信号的左阈值yleft和右阈值yright，其中0≤x≤m，x为整数；步骤五：在m级UPWM发生器中构建一个计数器，计数器对主时钟信号clk的上升沿进行计数，当检测到时钟信号clk_c的上升沿，计数器清零；步骤六：在m级UPWM发生器中构建一个比较器，比较器在每个主时钟信号clk的上升沿判断步骤五中计数器的输出值是否大于等于左阈值yleft且小于右阈值yright；若是，比较器输出为1，反之输出为0，从而输出PRF可变的UPWM信号。2.根据权利要求1所述的用于免滤波数字D类音频功放的扩频调制方法，其特征在于，所述时钟信号clk_c的生成规则是：在当前伪随机数列的值为偶数时，时钟信号clk_c在当前周期为clk_s1；在当前伪随机数列的值为奇数时，则时钟信号clk_c在当前周期为clk_s2。3.根据权利要求1所述的用于免滤波数字D类音频功放的扩频调制方法，其特征在于，所述步骤四中，当时钟信号clk_c的下一个周期和时钟信号clk_s1的周期相同时，左阈值右阈值当时钟信号clk_c的下一个周期和时钟信号clk_s2的周期相同时，左阈值右阈值其中，[]取整为舍去小数位取整。4.根据权利要求1-3中任意一项所述的用于免滤波数字D类音频功放的扩频调制方法，其特征在于，利用上述扩频调制方法构建一个免滤波脉冲宽度调制器，所述免滤波脉冲宽度调制器包括插值滤波器、时钟管理器、取反模块、第一Sigma-Delta调制器、第二Sigma-Delta调制器、第一带扩频调制的UPWM发生器和第二带扩频调制的UPWM发生器；主时钟信号clk与时钟管理器相连接；数字音频信号与插值滤波器相连接，插值滤波器分别与第一Sigma-Delta调制器和取反模块相连接，取反模块与第二Sigma-Delta调制器相连接，第一Sigma-Delta调制器与第一带扩频调制的UPWM发生器相连接，第二Sigma-Delta调制器与第二带扩频调制的UPWM发生器相连接，第一带扩频调制的UPWM发生器输出的两路UPWM信号和第二带扩频调制的UPWM发生器输出的两路UPWM信号。...

【专利技术属性】
技术研发人员：于泽琦，陈晓雷，李祖贺，张春洋，白鸽，杜中州，
申请(专利权)人：郑州轻工业学院，
类型：发明
国别省市：河南,41