一种三频率伪随机可变的扩频调制方法及用该方法构建的免滤波脉冲宽度调制器技术

本发明专利技术提出了一种三频率伪随机可变的扩频调制方法及用该方法构建的免滤波脉冲宽度调制器，该方法首先利用频率合成技术，确定三个采样频率；然后在对输入音频信号进行过采样后，利用可变倍数抽取器对音频信号进行抽样，产生具有该三个采样频率的数字信号，同时产生一个同步的时钟信号clk_s，之后利用校正模块预校正该数字信号，使其经过后边沿UPWM发生器后产生的UPWM信号在时域上近似于NPWM信号，最后后边沿UPWM发生器产生具有三个脉冲重复频率的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信号的高频成分幅度，从而降低EMI，且使功放拥有较低的THD。

A pseudo-random spread spectrum modulation method with three frequencies and a filter free pulse width modulator constructed by this method

【技术实现步骤摘要】
一种三频率伪随机可变的扩频调制方法及用该方法构建的免滤波脉冲宽度调制器
本专利技术涉及免滤波数字D类音频功放领域，尤其涉及一种用于免滤波数字D类音频功放的三频率伪随机可变的扩频调制方法。
技术介绍
数字D类音频功放因其具有高电源效率、方便与数字音源接口、体积小等诸多优点普遍的应用在当今消费类电子产品中。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，功放输入的数字音频信号首先通过脉冲宽度调制器被调制成脉冲宽度调制(PulseWidthModulation，PWM)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后驱动扬声器发声。由于LC模拟低通滤波器占据了整个功放系统75％左右的体积，且耗费了30％左右的成本，极大地增加了功放系统的体积和成本，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类音频功放出现并成为研究热点。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级UPWM信号。由于三级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抑制方法，主要分为两类：(1)从源头抑制，比如采用软开关技术、扩频调制技术等；(2)从传输路径抑制，比如板级系统布局布线优化设计，采用屏蔽技术等。由于扩频调制技术实现相对简单，且易于控制，因此成为解决D类音频功放EMI问题的主要办法。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.)、多频脉冲调制法(KaracaT,AuerM.Digitalpulse-widthmodulatorwithspread-spectrumemissionreduction.e&iElektrotechnikundInformationstechnik,2018,135(1):48-53.)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信号的PRF，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级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。多频率脉冲调制法通过两个可逆计数器来控制UPWM发生器的输出信号的PRF，从而达到扩频的目的，该方法虽然能一定程度的降低功放输出信号频谱的高频最大幅度，但会造成功放输出信号在基带内产生互调失真。
技术实现思路
针对现有扩频调制方法的不足，本专利技术提供一种用于免滤波数字D类音频功放的扩频调制方法，该方法易于实现，且能够在降低系统THD的同时，大幅降低功放输出UPWM信号的高频成分幅度，达到降低EMI的目的。该方法的实现步骤为：步骤一：利用插值滤波器，把功放输入信号的采样频率fo提升N倍到采样频率fs，并根据该采样频率fs确定所需三个采样频率的中间频率fc，其中fc＝fs/q，q为小于N的整数；步骤二：利用频率合成技术，根据功放系统主时钟信号clk_m和已确定的中间频率fc确定另外两个采样频率fcs和fcl，其中，fcs为三者中最小的采样频率，Ns＝p+v，fcl为三者中最大的采样频率，N1＝p-v，v∈[1，p-1]且v为整数，fclk_m为主时钟信号clkm的频率，m为UPWM发生器的级数；步骤三：构建一个可变倍数抽取器，在可变倍数抽取器中构建一个有限状态机和一个由2n级线性反馈移位寄存器构成的伪随机数生成器，该有限状态机利用该伪随机数生成器生成的n位伪随机数rand_num得出与之唯一对应的最终状态；有限状态机初始状态为S0，让一位变量K从该n位伪随机数最高位到最低位依次取值，有限状态机根据K值和当前状态确定下一个状态，直到K取到该伪随机数的最低位，输出最终状态，该有限状态机共有三种最终状态，分别为：S0、S1、S2；步骤四：在可变倍数抽取器中构建一个阈值生成器、一个第一计数器和一个时钟生成器；阈值生成器根据上述有限状态机输出的最终状态，确定一个与之相对应的阈值thr_val，该阈值为当前可变倍数抽取器的抽取倍数，共有三个值，分别为：ts、tc、t1；第一计数器为加一计数器，其对时钟信号clk_bas的上升沿进行计数，时钟信号clk_bas由主时钟信号clk_m分频所得，其频率fclk_本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种三频率伪随机可变的扩频调制方法，其特征在于，其步骤如下：/n步骤一：利用插值滤波器，把功放输入信号的采样频率f

【技术特征摘要】
1.一种三频率伪随机可变的扩频调制方法，其特征在于，其步骤如下：
步骤一：利用插值滤波器，把功放输入信号的采样频率fo提升N倍到采样频率fs，并根据该采样频率fs确定所需三个采样频率的中间频率fc，其中fc＝fs/q，q为小于N的整数；
步骤二：利用频率合成技术，根据功放系统主时钟信号clk_m和已确定的中间频率fc确定另外两个采样频率fcs和fc1，其中，fcs为三者中最小的采样频率，Ns＝p+v，fc1为三者中最大的采样频率，N1＝p-v，v∈[1，p-1]且v为整数，fclk_m为主时钟信号clk_m的频率，m为均匀采样脉冲宽度调制发生器的级数，“均匀采样脉冲宽度调制”缩写为“UPWM”；
步骤三：构建一个可变倍数抽取器，在可变倍数抽取器中构建一个有限状态机和一个由2n级线性反馈移位寄存器构成的伪随机数生成器，该有限状态机利用该伪随机数生成器生成的n位伪随机数rand_num得出与之唯一对应的最终状态；有限状态机初始状态为S0，让一位变量K从该n位伪随机数最高位到最低位依次取值，有限状态机根据K值和当前状态确定下一个状态，直到K取到该伪随机数的最低位，输出最终状态，该有限状态机共有三种最终状态，分别为：S0、S1、S2；
步骤四：在可变倍数抽取器中构建一个阈值生成器、一个第一计数器和一个时钟生成器；阈值生成器根据上述有限状态机输出的最终状态，确定一个与之相对应的阈值thr_val，该阈值为当前可变倍数抽取器的抽取倍数，共有三个值，分别为：ts、tc、t1；第一计数器为加一计数器，其对时钟信号clk_bas的上升沿进行计数，时钟信号clk_bas由主时钟信号clk_m分频所得，其频率fclk_bas＝fs，当计数值为零时，时钟生成器的输出时钟信号clk_s置于高电平，当计数器的值cou_val与当前阈值相同时，时钟信号clk_s置于低电平，当计数器的值cou_val与当前阈值thr_val相同时，时钟信号clk_s再次置于高电平，同时计数器清零，[]取整为舍去小数位取整；时钟生成器根据阈值thr_val、计数器的值cou_val和时钟信号clk_bas生成一个新的具有三个频率的时钟信号clk_s；
步骤五：在可变倍数抽取器中构建一个数据处理模块，当检测到时钟信号clk_s上升沿时，输出当前采样点的值，从而把插值滤波器输出的单一采样频率信号data处理为具有三个采样频率的信号data_t；
步骤六：构建一个校正模块，当检测到时钟信号clk_s的上升沿时，利用校正算法对输入信号data_t中当前采样点的幅值重新计算并赋值，输出一个新的信号data_t′，使其经过后边沿UPWM发生器后得到的UPWM信号在时域上近似自然采样脉冲宽度调制信号，“自然采样脉冲宽度调制”缩写为“NPWM”；
步骤七：构建m级后边沿UPWM发生器，在m级后边沿UPWM发生器中构建一个第二计数器，该计数器同样为加一计数器，其对时钟信号clk_m的上升沿进行计数，当检测到时钟信号clk_s的上升沿时，该计数器清零；
步骤八：在m级后边沿UPWM发生器中构建一个幅值调整模块，由于后边沿UPWM发生器输入时钟信号clk_s的频率和后边沿UPWM发生器输入数字音频信号data_t′的采样频率同步可变，为使后边沿UPWM发生器输出的后边沿UPWM信号占空比相较未扩频时保持不变，该模块根据输入的时钟信号clk_s和阈值信号thr_val，通过当前的thr_val值判断当前clk_s的频率，从而实时调整后边沿UPWM发生器输入数字音频信号data_t′的各采样点幅值，输出一个新的信号data_t″；
步骤九：在m级后边沿UPWM发生器中构建一个比较器，比较器在每个时钟信号clk_m的上升沿判断步骤七中第二计数器的输出值coun是否大于阈值y；若是，比较器输出为0，反之输出为1，从而输出具有三个采样频率的后边沿二级UPWM信号；其中，阈值y和幅值调整模块输出信号data_t″的当前采样点幅值相等。


2.根据权利要求1所述的三频率伪随机可变的扩频调制方法，其特征在于，所述步骤三中，2n级线性反馈移位寄存器由2n个D触发器和若干门电路组成，受时钟信号clk_r和复位信号reset控制，时钟信号clk_r由主时钟信号clk_m分频所得，其频率fclk_r大于三个采样频率中最大值fc1，每经过一个clk_r的时钟周期，2n级线性反馈移位寄存器的后n个D触发器的输出值组成n位伪随机数rand_num；
所述步骤三中，有限状态机的状态判定规则为：若当前状态为S0，K取值为0，则下一个状态为S0；若当前状态为S0，K取值为1，则下一个状态为S1；若当前状态为S1，K取值为0，则下一个状态为S2；若当前状态为S1，K取值为1，则下一个状态为S0；若当前状态为S2，K取值为0，则下一个状态为S1；若当前状态为S2，K取值为1，则下一个状态为S2。


3.根据权利要求1所述的三频率伪随机可变的扩频调制方法，其特征在于，所述步骤四中，阈值生成器生成阈值thr_val的规则是：在当前伪随机数对应的最终状态为S0时，阈值thr_val为t1；在当前伪随机数对应的最终状态为S1时，阈值thr_val为tc；在当前伪随机数对应的最终状态为S2时，阈值thr_val为ts；
所述步骤四中，时钟信号clk_s的生成规则是：在当前阈值thr_val为t1时，时钟信号clk_s在当前周期的频率为fcs；在当前阈值thr_val为tc时，时钟信号clk_s在当前周期的频率为fc；在当前阈值thr_val为ts时，时钟信号clk_s在当前周期的频率为fc1。


4.根据权利要求1所述的三频率伪随机可变的扩频调制方法，其特征在于，所述步骤六中，校正模块中使用的校正算法为：假设F1(x1，in1)、F2(x2，in2)和F3(x3，in3)为相邻的三个输入调制信号的采样点，其中F2为当前采样点，F1为前一个采样点，F3为后一个采样点，i...

【专利技术属性】
技术研发人员：于泽琦，白鸽，张珂，
申请(专利权)人：郑州轻工业大学，
类型：发明
国别省市：河南;41