一种基于闭环负反馈的UPWM失真校正方法及该方法构建的数字UPWM调制器技术

一种基于闭环负反馈的UPWM失真校正方法及该方法构建的数字UPWM调制器，该方法首先在数字Sigma

【技术实现步骤摘要】
一种基于闭环负反馈的UPWM失真校正方法及该方法构建的数字UPWM调制器


[0001]本专利技术涉及数字D类音频功放领域，尤其涉及一种基于闭环负反馈的UPWM失真校正方法及该方法构建的数字UPWM调制器。

技术介绍

[0002]数字D类音频功放与传统线性音频功放相比，具有电源效率高、便与数字音源接口、易集成的优点，迎合了当前电子设备便携化的发展趋势，因而成为目前功放领域的研究热点。数字D类音频功放的结构示意图如图1所示，其通常由数字均匀采样脉冲宽度调制(Uniform
‑
Sampling Pulse Width Modulation,UPWM)调制器、功率级和模拟低通滤波器组成，其中，数字UPWM调制器通常由插值滤波器、数字Sigma
‑
Delta调制器、UPWM发生器组成。在图1中，首先，插值滤波器对功放输入的数字音频信号进行过采样，数字Sigma
‑
Delta调制器对过采样后的信号进行再量化和量化噪声整形，将高精度信号转换为低精度信号，同时把量化噪声转移到高频以保持输入信号基带内的信噪失真比(Signal to Noise and Distortion Ratio,SNDR)；然后，数字Sigma
‑
Delta调制器的输出信号被UPWM发生器转化成UPWM信号；该UPWM信号驱动功率级放大，最后，放大后的UPWM信号经由模拟低通滤波器滤除高频分量输出大功率音频信号以驱动扬声器发声。
[0003]UPWM发生器主要利用UPWM技术把功放输入的数字信号转化成UPWM信号，从而使功放的功率级工作在开关状态以达到系统的高电源效率。但是UPWM技术是一种非线性的调制技术，输入的数字调制信号在经过UPWM发生器时会产生谐波失真和调制信号由于采用量化噪声整形技术而堆积在高频处的能量通过UPWM发生器反卷到音频带宽内造成的高本底噪声。
[0004]目前已经公开发表的用于数字D类音频功放的UPWM失真校正方法可以归纳为三类：伪自然采样方法、UPWM非线性失真预校正方法和闭环负反馈方法。目前已经公开发表的且校正效果较好的伪自然采样方法主要有：多项式插值牛顿
‑
拉夫逊(Polynomial Interpolation Newton
–
Raphson,PI
‑
NR)算法(Goldberg JM,Sandler M B.New high accuracy pulse width modulation based digital
‑
to
‑
analogue convertor/power amplifier[J].IEEE Proceedings
‑
Circuits,Devices and Systems,1994,141(4):315
‑
324.)、三阶拉格朗日插值(LAGrange Interpolation,LAG
‑
I)和线性插值(Linear Interpolation,LI)合并算法(于泽琦,樊养余,史龙飞,等.一种用于数字D类功放的伪自然采样算法[J].电子与信息学报,2014,36(3):758
‑
762.)和高计算效率算法(Chang C
‑
M,Wu J
‑
T.Acomputationally
‑
efficient PWM technique for digital class
‑
D amplifiers[C]//Proceedings of 2016International Symposium on Circuits and Systems.Montreal,QC:IEEE,2016:1946
‑
1949.)等。伪自然采样方法虽然可以有效降低功放输出信号的谐波失真，但无法降低功放输出信号由于采用量化噪声整形技术而堆积在高频处的能量通过UPWM发生器反卷到音频带宽内造成的高本底噪声。目前已经公开发表的
UPWM非线性失真预校正方法主要有：结合噪声整形技术的UPWM非线性失真预校正方法(Craven P.Toward the 24
‑
bit DAC:novel noise
‑
shaping topologies incorporating correction for the nonlinearity in a PWM output stage[J].Journal of the Audio Engineering Society,1993,41(5):291
‑
313.)和基于神经网络的UPWM非线性失真预校正方法(Yang M,Oh J
‑
H.Adaptive predistortion filter for linearization of digital PWM power amplifier using neural networks[C]//Proceedings of the 113th AES Convention.Los Angeles,California,USA,Audio Engineering Society,2002.Preprint 5657.)等。UPWM非线性失真预校正方法要想得到好的校正效果，通常需要特定的数字Sigma
‑
Delta调制器结构或复杂的预失真滤波器，因此，设计复杂度较大，硬件实现较困难，且通用性较差。目前已经公开发表的闭环负反馈方法主要有：基于全局反馈的闭环方法(Mouton T,Putzeys B.Digital control of a PWM switching amplifier with global feedback[C]//Proceedings of the 37th AES International Conference on Class DAudio Amplification,Denmark,Audio Engineering Society,2009.Preprint9.)和基于离散时间环路滤波器补偿的闭环方法(Forzley T,Mason R.A low power class D audio amplifier with discrete time loop filter compensation[C]//Proceedings of the 2009 Joint IEEE North
‑
East Workshop on Circuits and Systems and TAISA Conference,Toulouse,France,IEEE,2009:1
‑
4.)等。现有的闭环负反馈方法大多都是把功率级或模拟低通滤波器的输出信号反馈到数字Sigma
‑
Delta调制器的输入端从而形成闭本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于闭环负反馈的UPWM失真校正方法，其特征在于，其步骤如下：步骤一：构造m倍插值滤波器，m为整数，把功放输入数字信号的采样频率f
s
提升m倍到采样频率m
×
f
s
；步骤二：在数字Sigma
‑
Delta调制器之前添加N倍插零值模块，N为整数，将数字Sigma
‑
Delta调制器输入信号的采样频率提升为m
×
N
×
f
s
；步骤三：在数字Sigma
‑
Delta调制器之后添加N倍抽取模块，将数字Sigma
‑
Delta调制器输出信号的采样频率降低为m
×
f
s
，从而确保N级UPWM发生器输入信号的采样频率仍为m
×
f
s
，输出信号的采样频率仍为m
×
N
×
f
s
；此时，数字Sigma
‑
Delta调制器的输入信号和UPWM发生器的输出信号具有相同的采样频率，均为m
×
N
×
f
s
；步骤四：为了使原数字Sigma
‑
Delta调制器能够在m
×
N
×
f
s
的采样频率下正常工作，需要对原数字Sigma
‑
Delta调制器的状态空间表达式进行重构，求取工作频率为m
×
N
×
f
s
的数字Sigma
‑
Delta调制器的状态空间表达式；步骤五：根据重构后的状态空间表达式，求取一组新的状态空间系数，使得在每一个的时间段内，经过添加N倍插零值模块和N倍抽取模块以及重构数字Sigma
‑
Delta调制器后的数字D类音频功放系统与原数字D类音频功放系统等价；步骤六：由于在音频带宽范围内，N倍抽取模块和N级UPWM发生器的增益近似为1，而且数字Sigma
‑
Delta调制器的输入信号和UPWM发生器的输出信号的采样频率都为m
×
N
×
f
s
，于是将UPWM发生器的输出信号反馈到重构后的数字Sigma
‑
Delta调制器的输入端构成闭环环路，即将N倍抽取模块和N级UPWM发生器均包含到重构后的数字Sigma
‑
Delta调制器的环路内，构成数字闭环模块，利用数字Sigma
‑
Delta调制器的高开环增益特性校正UPWM发生器产生的非线性失真；步骤七：为了进一步降低系统功耗，在构成数字闭环模块时，将N倍抽取模块移动到数字Sigma
‑
Delta调制器的量化器Q之前，从而在不影响UPWM失真校正效果和环路状态空间表达式的同时降低量化器Q的工作频率，便于硬件实现。2.根据权利要求1所述的基于闭环负反馈的UPWM失真校正方法，其特征在于，所述步骤二中，N倍插零值模块生成输出信号的规则是：其中X和X
′
分别为N倍插零值模块的输入和输出信号，n为整数，k1为1～N的任一整数；由式(1)可知，N倍插零值模块在每个输入数据之间均匀插入(N
‑
1)个零值，从而使X
′
的采样频率比X高N倍，而且k1取不同值时，N倍插零值模块在插零值时的时间点不同。3.根据权利要求1所述的基于闭环负反馈的UPWM失真校正方法，其特征在于，所述步骤三中，N倍抽取模块生成输出信号的规则是：S
de_out
(n)＝S
de_in
(Nn+k1‑
1)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)其中S
de_in
和S
de_out
分别为N倍抽取模块的输入和输出信号；由式(2)可知，N倍抽取模块将S
de_in
中每N个数据抽取一个进行输出，从而使S
de_out
的采样频率比S
de_in
低N倍，而且k1取不
同值时，N倍抽取模块抽取的数据时间点不同。4.根据权利要求1所述的基于闭环负反馈的UPWM失真校正方法，其特征在于，所述步骤四中，原数字Sigma
‑
Delta调制器的状态空间表达式为：I(n+1)＝A
·
I(n)+B
x
·
X(n)+B
y
·
Y(n)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)Y(n)＝Q[C
·
I(n)+D
x
·
X(n)]
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)其中I表示原数字Sigma
‑
Delta调制器的状态变量，即原数字Sigma
‑
Delta调制器中每个数字积分器的输出，X表示原数字Sigma
‑
Delta调制器的输入信号，Y表示原数字Sigma
‑
Delta调制器的输出信号，即原数字Sigma
‑
Delta调制器中量化器的输出信号，Q表示量化器的功能函数，A表示原数字Sigma
‑
Delta调制器的系统矩阵，B
x
表示原数字Sigma<...

【专利技术属性】
技术研发人员：于泽琦，张珂，袁俊岭，张秋闻，黄伟，刘岩，姜冰冰，刘豪凯，
申请(专利权)人：郑州轻工业大学，
类型：发明
国别省市：