CN100508400C - 具补偿非线性失真装置之数字/模拟转换器电路 - Google Patents
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Abstract
本发明系相关于一数字/模拟转换器电路(1)，以用于将一数字PCM输入信号(11)转换成为一模拟输出信号(19)。而为了这个目的，该数字/模拟转换器电路(1)系包括一预补偿级(10)，一PCM/PWM转换器级(7)，以及一数字/模拟转换器级(8)，上述的这些组件系以所述顺序之信号路径而加以排列。该预补偿级(10)之转移功能系加以设计，而使得该模拟输出信号(19)实质上会正比于该数字PCM输入信号(11)。
Description
技术领域
本发明涉及可用于将数字PCM信号转换为没有任何失真的模拟信号的数字/模拟转换器电路。
背景技术
在许多技术系统中，数字信号会利用脉冲宽度调变而被转换为模拟信号，如此的系统的例子是，引擎控制器、校正电路(calibrationcircuit)、切换模式的电源供应器、DC电压转换器、数字放大器、以及，特别地是，数字音频放大器。
在前述的系统中，该数字信号通常于输入侧上以一PCM(pulsecode modulated，脉冲编码调变)信号的形式而为可利用，并首先会先被转换为一数字PWM(pulse with modulated，脉冲宽度调变)信号，接着，该数字PWM信号再被转换成一模拟信号，而且该PCM/PWM转换以及将该PWM信号变为该模拟信号的转换两者皆会体验非线性的失真。然而，原则上，由于该数字信号的处理过程，PCM/PWM转换可以是没有损失的加以进行，亦即，最初PCM信号可通过已反转的转换而无信息损失的产生自该PWM信号，但相反地，当将该数字PWM信号转换为该模拟信号时，非线性失真会无可避免地出现，这些失真主要是由于考虑中的电路的模拟区域的“记忆”所造成，而通常超脱PWM周期的时间长度的该模拟“记忆”的相对而言较长的衰减时间，会造成来自之前的衰减方波响应与目前的衰减方波响应重叠，而既然来自之前的方波响应取决于该数字PWM信号的脉冲宽度，并且其依次取决于该PCM信号，则该失真为非线性。
一模拟电路的如此“记忆”特质为系统所固有，并且无法完全被消除，是以，为了这个理由，透过额外的数字或模拟电路而加以寻找能最小化或补偿出现在该数字/模拟转换中的该非线性失真的方法。
代表最接近的习知技术的国际专利申请案WO97/37433A1，其叙述根据上述原则而操作的数字/模拟转换器电路，并且，于其中的信号路径于该PCM/PWM转换器级的上游包含一非线性Hammerstein滤波器，该Hammerstein滤波器为一预补偿(precompensation)级，而其会让该PCM信号经历在该PCM/PWM转换期间出现的非线性失真的反转的非线性失真，此表示可全面获得一无失真的数字PWM信号。但此数字/模拟转换器电路的缺点是，其乃专门为了UPWM(uniformsampling pulse width modulated，均匀取样脉冲宽度调变)信号所设计，而在UPWM信号的例子中，该脉冲宽度之值总是在该PWM周期的开始即受到约定，而利用目前的电路并无法产生所具有的脉冲宽度于该PWM期间进行决定的该PWM信号，即所谓的PNPWM(pseud onaturalpulse width modulation，伪自然脉冲宽度调变)信号。
而国际专利申请案WO 95/06980 A1则教示于PCM/PWM转换期间补偿出现的非线性的另一方法，为了这个目的，一数字/模拟转换器电路具有对储存于一只读存储器中的表的存取，而储存于该表中的数据用于该非线性失真的补偿。
利用在回馈路径中特别调准的数字滤波器而连接于该PCM/PWM转换器的上游的一噪声整形器进而进行数字补偿非线性失真的相对而言较复杂的算法，叙述于“New high accuracy pulse widthmodulation cased digital-to-analogue converter/poweramplifier”by J.M.Goldberg and M.B.Sandler，which appearedin IEE Proc.-Circuits Devices Syst.，volume 141，No.4，1994，on pages 315-324之中。
另外，透过回馈路径而最小化非线性的模拟电路为已知，举例而言，“A New PWM Controller With One-Cycle Response”by K.M.Smith，Z.Lai and K.M.Smedley，which appeared in IEEETransactions On Power Electronics，volume 14，No.1，1999，onpages 142-150，以及“A Novel Low-Power Low-Voltage Class DAmplifier with Feedback for Improving THD，Power Efficiencyand Gain Linearity”by J.S.Chang，B.H.Gwee，Y.S.Lon andM.T.Tan，which appeared in ISACS 2001，volume1，on pages635-638，这两者牵涉到如此的模拟回馈电路。但回馈电路的缺点是其所造成的不稳定性。
发明内容
本发明的目的在于提供一数字/模拟转换器电路，其所具有的失真尽可能的小，特别的是，其目标是补偿该电路的模拟区域所造成非线性失真，另外，其目标为具体指明具有这些特质的方法。
本发明的目的以下面所述的特征为基础而加以达成。
根据本发明的数字/模拟转换器电路，其用以将一数字PCM输入信号转换为一模拟输出信号，其中，沿信号路径依次包括下列组件：一预补偿级，用于预补偿该数字PCM输入信号；一PCM/PWM转换器级，用于转换已预补偿的该数字PCM输入信号为一数字PWM信号；以及数字/模拟转换器级，用于将该数字PWM信号转换为该模拟输出信号。该预补偿级的转移功能设计为使得该模拟输出信号正比于该数字PCM输入信号，并且该预补偿级沿信号路径依次包括下列组件：一另一PCM/PWM转换器级，用于将该数字PCM输入信号转换为一数字PWM中间信号；一过取样级，用于籍由对该数字PWM中间信号进行过取样而产生一数字PCM中间信号；以及一数字滤波器，用于过滤该数字PCM中间信号。
本发明还相应地提供一种用以将一数字PCM输入信号转换为一模拟输出信号的方法，其包括下列步骤：预补偿该数字PCM输入信号；将已预补偿的该数字PCM信号转换为一数字PWM信号；以及将该数字PWM信号转换为该模拟输出信号。对该数字PCM输入信号的该预补偿造成该模拟输出信号正比于该数字PCM输入信号，并且对该数字PCM输入信号的该预补偿包括下列步骤：将该数字PCM输入信号转换为一数字PWM中间信号；通过过取样该数字PWM中间信号而产生一第一数字PCM中间信号；以及利用一数字滤波器过滤该第一数字PCM中间信号，以产生一第二数字PCM中间信号。
本发明的数字/模拟转换器电路用于将一数字PCM输入信号转换成为一模拟输出信号。而为了这个目的，该数字/模拟转换器电路的信号路径包括一预补偿级，一PCM/PWM转换器级，其连接至该预补偿级的下游，以自该已预补偿的数字PCM信号产生一数字PWM信号，以及一数字/模拟转换器级，再一次，其连接至下游，并有可能自其输出侧撷取出该模拟输出信号。该预补偿级的转移功能加以设计而使得该模拟输出信号会实质上正比于该数字输出信号，另外，该预补偿级包含一另一PCM/PWM转换器电路，一过取样级，以及一数字滤波器。在此例子中，上述所列该预补偿级的组件以所述的顺序加以排列。在该预补偿级的此配置中，该数字PCM输入信号首先先被转换成为一数字PWM中间信号，该过取样级撷取该数字PWM中间信号，并产生一数字PCM中间信号，而该数字PCM中间信号具有较该数字PCM输入信号为高的信号速率。接着，该数字PCM中间信号被供给至该数字滤波器。
在本发明的数字/模拟转换器电路的例子中，该数字PCM输入信号于通过该预补偿级时失真，因此，在接续的PCM/PWM以及数字/模拟转换操作期间所出现的非线性失真于该模拟输出信号中进行补偿，这会得出正比于该数字PCM输入信号的一模拟输出信号。本发明的预补偿的优点是，该电路的模拟区域所造成的非线性失真于该预补偿中受到考虑。而已增加的信号速率使得仿真该模拟电路区域的影响成为可能，并且因此将的全面消除。
本发明的数字/模拟转换器电路可用于产生所有种类的脉冲宽度调变信号，其并不限定为UPWM信号，如已出版的WO 97/37433文件中所述的电路一样。而更优于该所引用的电路的优点是，本发明使用简单的，举例而言，线性的，数字滤波器，以取代一复杂的非线性Hammerstein滤波器。
另外，本发明的数字/模拟转换器电路并不需要一回馈回路，正如在许多习知的数字/模拟转换器电路中都需要一样。由于不使用回馈回路，使得本发明的数字/模拟转换器电路更为稳定。
较具优势地是，该预补偿级以较该数字PCM输入信号的信号速率为高的信号速率操作至少达某程度。该较高的信号速率使得该模拟电路区域可实时的被仿效(simulated)，也因此使得该模拟电路区域的该非线性失真可以被确认。该数字PCM输入信号可以接着受到反转失真，以补偿该失真。但相反的，传统的数字/模拟转换器电路，其中有一些具有一预补偿级，却并不以此方法增加信号速率，反而，这些电路保留该PCM信输入号的信号速率，而其必须要能在该PCM/PWM转换期间事先计算该非线性失真，否则，就需要非常复杂的电路。
较具优势地是，该预补偿级包含一抽取因子级，在此状况中，其被配置于该数字滤波器的信号路径下游，而其所造成的影响是，已过滤的该PCM中间信号的信号速率再次地通过该抽取因子级而被降低。
与本发明的一特别地较佳构型一致，该数字滤波器的转移功能可以加以设定或已经被设定，而使得所出现的非线性失真可通过反转失真而加以补偿。可以理解的是，为了这个目的，滤波器系数通过制造者而预先设定以及以该数字/模拟转换器电路的模拟环境而加以调准，二者择一地，该滤波器系数亦可以通过该数字/模拟转换器的使用者而加以设定，而此使得在最终产品中的电路可以获得平衡，举例而言，当用于一音频放大器时，所使用的扬声器可被考虑在这个平衡中。
相同的，其有可能将该数字/模拟转换器电路设计为通用的形式。为了这个目的，该数字滤波器的该转移功能较佳地加以选择为一低通滤波器功能，其可以于使用一额外的模拟滤波器时，被调整至该模拟滤波器的频率。这个方法则使得对所发生的非线性的大量补偿成为可能，且不需要考虑该数字/模拟转换器电路的真实模拟电路环境。
同样较佳地是，在该预补偿级的上游和/或下游连接一噪声整形器。该噪声整形器会降低量化噪声(quantizati onnoise)，特别是频带(frequency band)，举例而言，在音频频带中。
该模拟输出信号可以较具优势地利用一模拟滤波器而加以过滤。此方法则能给予已脉冲的模拟输出信号一所需的外型(shape)。
该数字滤波器可能的构型，举例而言，为递归波数字滤波器、或FIR(finite impulse response，有限脉冲响应)滤波器，该数字/模拟转换器级，举例而言，可以是一电路断路器的形式。
特别的是，本发明的数字/模拟转换器电路可以较具优势地被整合到一音频放大器中，特别是一音频等级D放大器。
本发明的方法首先牵涉到预补偿一数字PCM输入信号，接着，将该已预补偿的数字PCM信号转换为一数字PWM信号，然后，将该数字PWM信号转换为一模拟输出信号。利用这个方法，该预补偿的效果在于该模拟输出信号实质上会正比于该数字PCM输入信号。而在此状况中，对该数字PCM输入信号的该预补偿牵涉实行下列步骤：首先，将该数字PCM输入信号转换为一数字PWM中间信号，接着，通过过取样该数字PWM中间信号而产生一数字PCM中间信号，最后，利用一数字滤波器过滤该数字PCM中间信号。
本发明的方法使得该数字PCM输入信号会被转换成该模拟输出信号，而且该模拟输出信号不会受限于因延迟信号降(delayed signaldrops)所产生于模拟电路区域中的非线性失真，并且此目的可通过预补偿操作而达成，这是因为该数字PCM输入信号，举例而言，会经历有关于接续的数字/模拟转换所造成的非线性而行为反转的非线性。而已增加的信号速率使得仿真该模拟电路区域的影响成为可能，并且因此将的全面消除。
附图说明
本发明以附图做为参考而以实施例做出更详细的说明，在此，单一的附图是显示本发明数字/模拟转换器电路的一示范性实施例的示意方块图。
具体实施方式
该附图是显示一数字/模拟转换器电路1的一方块图，其中，信号路径以所叙述的顺序包含一噪声整形器(shaper)2，一PCM/PWM转换器级3，一过取样(oversampling)级6，一数字滤波器5，一抽取因子级(decimation stage)，一PCM/PWM转换器级7，一数字/模拟转换器级8，以及一模拟滤波器9，该PCM/PWM转换器级3、该过取样级4、该数字滤波器5以及该抽取因子级6一起形成一预补偿(precompensation)级10。一数字PCM信号11被馈入该噪声整形器2的输入侧，接着，输出自该噪声整形器的PCM信号12被转换为一数字PWM信号13，而信号速率利用该过取样级4而加以增加，所得到的PCM信号14则利用该数字滤波器5而加以过滤，然后，该已过滤PCM信号15的信号速率通过该抽取因子级6而再次加以降低，该数字PCM信号16则由于该数字滤波而具有关于该数字PCM信号11的非线性失真，该数字PCM信号16接着被转变为一数字PMW信号17，并且，此信号接着被转换为在该数字/模拟转换器级8中的一模拟信号18，最后，该模拟信号18被过滤，因此，获得自该数字/模拟转换电路1的该输出信号则成为一已过滤的模拟信号19。
在该PCM信号15中由该数字滤波器5所引起的该非线性失真，被远至该数字/模拟转换器级8的分别的数字信号所吸引，而该数字/模拟转换让所得到的模拟信号18受到一更进一步的非线性失真的影响，举例而言，来自该模拟电路区域的“记忆”特质。该数字滤波器5的转移功能加以选择，是以，其所引起的该非线性失真会是有关于在该数字/模拟转换期间出现的失真的反转表现，在此例子中，举例而言，其亦有可能考虑由更进一步的模拟电路组件，例如该模拟滤波器9或可连接至下游的一扩音器，所产生的失真。而所获得的结果为无失真的模拟信号18及/或19。
Claims (22)
1.一种数字/模拟转换器电路(1)，其用以将一数字PCM输入信号(11)转换为一模拟输出信号(19)，其中，沿信号路径依次包括下列组件：
--一预补偿级(10)，用于预补偿该数字PCM输入信号(11)；
--一PCM/PWM转换器级(7)，用于转换已预补偿的该数字PCM输入信号为一数字PWM信号(17)；以及
--数字/模拟转换器级(8)，用于将该数字PWM信号(17)转换为该模拟输出信号(19)，
其中，该预补偿级(10)的转移功能设计为使得该模拟输出信号(19)正比于该数字PCM输入信号(11)，并且该预补偿级(10)沿信号路径依次包括下列组件：
--一另一PCM/PWM转换器级(3)，用于将该数字PCM输入信号转换为一数字PWM中间信号(13)；
--一过取样级(4)，用于籍由对该数字PWM中间信号进行过取样而产生一数字PCM中间信号(14)；以及
--一数字滤波器(5)，用于过滤该数字PCM中间信号(14)。
2.根据权利要求1所述的数字/模拟转换器电路(1)，其特征在于，
--该预补偿级(10)设计为以较该数字PCM输入信号(11)的信号速率高的信号速率操作。
3.根据权利要求2所述的数字/模拟转换器电路(1)，其特征在于，
--该预补偿级(10)还包括一抽取因子级(6)，其被排列于该数字滤波器(5)的信号路径下游。
4.根据权利要求3所述的数字/模拟转换器电路(1)，其特征在于，
--该数字滤波器(5)的转移功能可以加以设定或已经被设定，而使得该模拟输出信号(19)正比于该数字PCM输入信号(11)。
5.根据权利要求3所述的数字/模拟转换器电路(1)，其特征在于，
---该数字滤波器(5)的转移功能设计为一低通滤波器功能。
6.根据前述权利要求其中任一项所述的数字/模拟转换器电路(1)，其特征在于，
--该预补偿级(10)连接至一噪声整形器(2)，该噪声整形器(2)位于该预补偿级(10)的上游或下游。
7.根据权利要求1至5中的任一项的数字/模拟转换器电路(1)，其特征在于，
--该数字模拟转换器级(8)连接至其下游的一模拟滤波器(9)。
8.根据权利要求3至5中的任一项的数字/模拟转换器电路(1)，其特征在于，
--该数字滤波器(5)为一递归波数字滤波器或一FIR滤波器。
9.根据权利要求1至5中的任一项所述的数字/模拟转换器电路(1)，其特征在于，
--该数字/模拟转换器级(8)为一电路断路器。
10.根据权利要求1至5中的任一项所述的数字/模拟转换器电路(1)，其包含于一种音频放大器。
11.根据权利要求10所述的数字/模拟转换器电路(1)，该音频放大器是一音频等级D放大器。
12.一种用以将一数字PCM输入信号(11)转换为一模拟输出信号(19)的方法，其包括下列步骤：
--预补偿该数字PCM输入信号(11)；
--将已预补偿的该数字PCM信号转换为一数字PWM信号(17)；以及
--将该数字PWM信号(17)转换为该模拟输出信号(19)，
其中，对该数字PCM输入信号(11)的该预补偿造成该模拟输出信号(19)正比于该数字PCM输入信号(11)，并且，对该数字PCM输入信号(11)的该预补偿包括下列步骤：
--将该数字PCM输入信号(11)转换为一数字PWM中间信号(13)；
--通过过取样该数字PWM中间信号(13)而产生一第一数字PCM中间信号(14)；以及
--利用一数字滤波器(5)过滤该第一数字PCM中间信号(14)，以产生一第二数字PCM中间信号(15)。
13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，
--对该数字PCM输入信号(11)的该预补偿以较该数字PCM输入信号(11)的信号速率高的信号速率执行。
14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，
--对该数字PCM输入信号(11)的该预补偿还包括下列步骤：
--利用一抽取因子级(6)降低该第二数字PCM中间信号(15)的取样数，进而降低该信号速率。
15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，
--该数字滤波器(5)的转移功能可以加以设定或已经被设定，而使得该模拟输出信号(19)正比于该数字PCM输入信号(11)。
16.根据权利要求14或15所述的方法，其特征在于，
---该数字滤波器(5)的转移功能设计为一低通滤波器功能。
17.根据权利要求12至15中的任一项所述的方法，其特征在于，
--该数字PCM输入信号(11)于该预补偿之前，通过一噪声整形器(2)加以处理。
18.根据权利要求12至15中的任一项所述的方法，其特征在于，
--该模拟输出信号(19)被加以过滤。
19.根据权利要求14至15中的任一项的方法，其特征在于，
--该数字滤波器(5)为一递归波数字滤波器或一FIR滤波器。
20.根据权利要求12至15中的任一项所述的方法，其特征在于，
--该数字PWM信号(17)利用一电路断路器而被转换成为该模拟输出信号(19)。
21.根据权利要求12至15中的任一项所述的方法，其应用于一种音频放大器。
22.根据权利要求21所述的方法，该音频放大器是一音频等级D放大器。
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