CN109217827A - D类功率放大器及其补偿方法和数字信号处理装置 - Google Patents

D类功率放大器及其补偿方法和数字信号处理装置 Download PDF

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Abstract

公开了一种D类功率放大器及其补偿方法和数字信号处理装置，通过在将音频信号转化为PWM信号前，使得数字补偿滤波器补偿所述D功率放大器的低通滤波器的传递函数与期望的低通滤波器的传递函数之间的差别，由此,可以补偿所述低通滤波器引起的增益衰减和/或相位失真，提高音频质量并扩大电路参数的取值范围。

Description

D类功率放大器及其补偿方法和数字信号处理装置
技术领域
本发明涉及信号处理技术领域，更具体地，涉及一种D类功率放大器及其补偿方法和数字信号处理装置。
背景技术
D类功率放大器中的低通滤波器与系统的频响性能密切相关。在现有技术中，通常通过调整低频滤波器的参数来调节D类功率放大器的音频带宽范围内幅频增益的衰减及相频失真。其中，低通滤波器的设计与扬声器阻抗、D类功率放大器的开关频率和截止频率等因素相关。由于低通滤波器的参数取值一般不能精确到设计值，会存在一定的误差，进而可能会引起幅频增益衰减和/或相频失真。
发明内容
有鉴于此,本发明提供一种D类功率放大器及其补偿方法和数字信号处理装置，以补偿所述低通滤波器引起的增益衰减和/或相位失真，提高音频质量并扩大参数的取值范围。
第一方面，本发明实施例提供一种D类功率放大器的补偿方法，包括：
在将音频信号转化为PWM信号前，通过数字补偿滤波器处理音频信号，以补偿所述D功率放大器的低通滤波器的传递函数与期望的低通滤波器的传递函数之间的差别；
其中，所述数字补偿滤波器根据所述低通滤波器的电路参数获得。
进一步地，所述数字补偿滤波器的传递函数被配置为所述期望的低通滤波器的传递函数和所述低通滤波器的传递函数的比值的z域变换。
进一步地，所述期望的低通滤波器的传递函数根据期望的低通滤波截止频率和期望的品质因数获得。
进一步地，所述方法还包括：
依次对音频信号进行音频处理、插值以及噪声整形处理；
其中，在进行所述插值和噪声整形处理之间通过所述数字补偿滤波器处理音频信号，以进行补偿。
进一步地，所述方法还包括：
接收所述低通滤波器的电路参数；以及
根据所述电路参数计算所述数字补偿滤波器的参数。
第二方面，本发明实施例提供一种数字信号处理装置，包括：
存储器，用于存储至少一条可执行程序指令；以及
处理器，适于执行所述可执行程序指令以实现如上所述的方法。
第三方面，本发明实施例提供一种D类功率放大器，包括：
数字信号处理装置，用于实现如上所述的方法；
PWM驱动电路，用于将音频信号转换PWM信号；以及
低通滤波器。
本发明实施例的技术方案通过在将音频信号转化为PWM信号前，使得数字补偿滤波器补偿所述D功率放大器的低通滤波器的传递函数与期望的低通滤波器的传递函数之间的差别，从而补偿所述低通滤波器引起的增益衰减和/或相位失真，提高音频质量并扩大参数的取值范围。
附图说明
通过以下参照附图对本发明实施例的描述，本发明的上述以及其它目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：
图1是现有技术的D类功率放大器的频响曲线图；
图2是本发明实施例的D类功率放大器的电路图；
图3是本发明实施例的D类功率放大器的低通滤波器的电路图；
图4是本发明实施例的D类功率放大器的频响曲线图；
图5是本发明实施例的D类功率放大器的补偿方法的流程图。
具体实施方式
以下基于实施例对本申请进行描述，但是本申请并不仅仅限于这些实施例。在下文对本申请的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本申请。为了避免混淆本申请的实质，公知的方法、过程、流程、元件和电路并没有详细叙述。
此外，本领域普通技术人员应当理解，在此提供的附图都是为了说明的目的，并且附图不一定是按比例绘制的。
同时，应当理解，在以下的描述中，“电路”是指由至少一个元件或子电路通过电气连接或电磁连接构成的导电回路。当称元件或电路“连接到”另一元件或称元件/电路“连接在”两个节点之间时，它可以是直接耦接或连接到另一元件或者可以存在中间元件，元件之间的连接可以是物理上的、逻辑上的、或者其结合。相反，当称元件“直接耦接到”或“直接连接到”另一元件时，意味着两者不存在中间元件。
除非上下文明确要求，否则整个说明书和权利要求书中的“包括”、“包含”等类似词语应当解释为包含的含义而不是排他或穷举的含义；也就是说，是“包括但不限于”的含义。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，在本申请的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
在现有技术中，通过调整低通滤波器的电路参数来调节D类功率放大器的音频带宽范围内幅频增益的衰减和相频失真。容易理解，在D类功率放大器中，低通滤波器的截止频率不能被设置得太高。过高的截止频率会导致电压纹波较大，滤波效果差。低通滤波器的截止频率也不能被设置得太低。过低的截止频率会导致音频带宽的衰减。在现有技术中，低通滤波器的截止频率通常设置在20kHz-60kHz，由于扬声器的等效电阻不能随意设置，而D类功率放大器器件通常会用于驱动不同类型的扬声器，因此低通滤波器中电感和电容的设计取值存在困难。并且，低通滤波器的电路参数取值不能精确到设计值。同时，在并联RLC电路中，对应的品质因数为：因此，D类功率放大器中的低通滤波器如果需要较大的品质因数，则只能通过减小电感值和/或增大电容值来实现，这可能会造成电感电流纹波大，效率低，发热严重等问题。图1是现有技术的D类功率放大器的频响曲线图。如图1所示，在现有技术中，低通滤波器中的电感和电容取值不是很理想时，会使得相角在频率为f1时逐渐开始失真，幅频的增益在频率为f2时开始衰减，这可能会降低扬声器输出的音频的质量。这是由于电容和电感的取值不是很理想，造成了音频带宽内幅频增益衰减，相频失真等问题。
经过研究，本发明实施例在音频信号转化为PWM信号之前对音频信号进行处理以补偿D类功率放大器的低通滤波器的传递函数与期望的低通滤波器的传递函数之间的差别，通过数字方式来补偿低通滤波器的电路参数设置导致的幅频增益衰减和/或相频失真，以提高音频质量并扩大电路参数的取值范围。
图2是本发明实施例的D类功率放大器的电路图。图3是本发明实施例的D类功率放大器的低通滤波器的电路图。如图2所示，D类功率放大器1包括数字信号处理装置11、PWM驱动电路12、功率放大电路13和低通滤波器14。其中，数字信号处理装置11包括处理器。处理器可以为数字信号处理器(DSP)、专用集成电路(ASIC)、可编程逻辑器件(PLD)等处理器设备。在本实施例中，数字信号处理器11通过音频处理器111、插值滤波器112、数字补偿滤波器113和噪声整形器114等数字处理单元来执行对应的数字逻辑指令以根据输入的低通滤波器14的电路参数处理来音频信号。其中，上述数字处理单元可以为不同的程序模块，由所述处理器运行以实现其对应的功能，也可以为固化的具有预定连接方式的电路结构，通过硬件的方式实现各自对应的功能。
音频处理器111被配置为对音频信号进行音频处理。其中，音频处理是对音频信号的音量、音色和声场等因素进行补偿和修饰的处理，例如对输入的音频信号进行音量调节、或通过对不同频率的音频信号进行调节以调整音色和声场、或对多种音频进行整合、或在输入的音频信号增加时使得输出的音频信号仅轻微变化以平滑声音等。因此，音频处理器111可以包括音量调节单元、均衡器、混音单元、动态压缩单元等音频处理单元。插值滤波器112是一种有限冲击响应滤波器，用于插值升频滤波。插值一般指在取样点之间插补数据“0”，然后经过一个低通滤波器使插补的数据编程与原有数据相匹配的数据，插补数据“0”与原有数据组合成更高“取样率”的数据流，提高量化过程中高频分量的频率，从而减小后续低通滤波器(本实施例中低通滤波器14)的设计难度。
数字补偿滤波器113用于处理音频信号以补偿D类功率放大器的低通滤波器14的传递函数与期望的低通滤波器传递函数之间的差别。
噪声整形器114被配置为将音频带中的噪声转移到音频带外。噪声整形技术是指对噪声的频谱分布形状进行控制的一种技术。通常采用预加重技术与去加重技术使噪声的频谱发生变换以减少声频带中的噪声。预加重技术是指在信号发送之间先对高频分量进行适当的提升，在接收到信号之后对信号进行逆处理，也即对高频分量进行适当的衰减。
PWM驱动电路12被配置为将音频信号转化为PWM信号输出到功率放大电路13。功率放大电路13包括开关驱动电路131、开关Q1和开关Q2。其中，开关驱动电路131根据PWM信号生成控制开关Q1和开关Q2导通或关断的开关控制信号。从而生成一个经过功率放大的PWM信号。
低通滤波器14被配置为对从放大后的PWM信号进行低通滤波，从中解调出音频信号，并将音频信号输出给扬声器15。因此，低通滤波器14的幅频特性可以影响D类功率放大器1的音频质量。
本实施例的低通滤波器14的电路图如图3所示。低通滤波器14包括电感L和电容C，R为扬声器15的等效电阻。其中，电容C与等效电阻R并联后与电感L串联。则低通滤波器14的传递函数为：
期望的低通滤波器为使得音频带有稳定的相位和增益的低通滤波器。期望的低通滤波器的传递函数为：
其中，ωc为期望的低通滤波器的截止频率，Q为期望的低通滤波器的品质因数。其中，根据实际应用中要保护的音频带宽范围和相位来确定截止频率ωc和品质因数Q的值，以使得在要保护的音频带宽范围幅频响应和相频响应稳定不失真。
低通滤波器14的传递函数与电感值L、电容值C以及扬声器15的等效电阻R有关。由于在不同的应用场景中，D类功率放大器驱动的扬声器15可能不同，也即扬声器15的等效电阻R不能确定。因此，无论低通滤波器14中的电容和电感如何设计取值，均不可能实现在不同场景中使得低通滤波器14的传递函数与期望的低通滤波器的传递函数相等。由此，需要对低通滤波器14的传递函数与期望的低通滤波器的传递函数之间的差别进行补偿。
在本实施例中，数字补偿滤波器113处理音频信号以补偿D类功率放大器的低通滤波器14的传递函数与期望的低通滤波器的传递函数之间的差别。其中，数字补偿滤波器113根据低通滤波器14的电路参数获得。数字补偿滤波器113是一个与低通滤波器14的传递函数和期望的低通滤波器的传递函数相关的二阶系统，其传递函数为：
其中，通过低通滤波器14的电路参数和期望的低通滤波器的参数来获取数字补偿滤波器113的传递函数中分子与分母的系数b0、b1、b2、a0、a1和a2。
容易理解，数字补偿滤波器113是数字的，离散的，其传递函数在Z域，低通滤波器14是连续的，其传递函数在S域。因此，需要先计算数字补偿滤波器113在S域的传递函数。由于数字补偿滤波器113用于补偿D类功率放大器的低通滤波器14的传递函数与期望的低通滤波器传递函数之间的差别，因此，其在S域的表达式的传递函数为期望的低通滤波器的传递函数和低通滤波器15的传递函数的比值。数字补偿滤波器113的传递函数在S域的表达式如下：
则数字补偿滤波器113在Z域的表达式的传递函数为：
其中，数字补偿滤波器113的传递函数的两个零点用于补偿低通滤波器14的两个极点。其中，在信号处理系统中，使得滤波器的传递函数的分子等于0的s值(或z值)为零点，使得滤波器的传递函数的分母为0的s值(或z值)为极点。数字补偿滤波器113的分母可以提供一个不受低通滤波器14中电感L、电容C以及扬声器的等效电阻R的影响的理想低通滤波器(也即期望的低通滤波器)，以保证音频带宽内的相频和幅频增益不受影响。
在本实施例中，D类功率放大器中的等效滤波器(也即数字补偿滤波器113和低通滤波器14同时起作用时等效出的滤波器)的传递函数如下：
也即，即使D类功率放大器用于驱动不同类型的扬声器，其等效滤波器的传递函数与期望的低通滤波器的传递函数相等。因此，本实施例的D类功率放大器具有期望的截止频率和功率因数，使得音频带宽内的幅频特性特性较好，提高了音频质量。
由于数字补偿滤波器113的传递函数根据低通率滤波器14的电路参数以及期望的滤波器的参数获得。因此数字信号处理装置11至少包括一个数据接口(如USB接口等)，用于获取低通滤波器14的电感值L、电容值C、其所要驱动的扬声器的等效电阻值R、期望的低通滤波器的截止频率ωc和品质因数Q，以计算数字补偿滤波器113的传递函数。
在本实施例中，不用考虑低通滤波器14中的电感L和电容C对音频带宽内的频响的幅值和相位影响，因此可以选择一个对PWM纹波具有足够大的衰减(也即截止频率较低)，同时使得电感电流纹波较小的低通滤波器14。并且，由于低通滤波器14中的电感L和电容C不会影响音频带宽内的频响的幅值和相位，因此可以选择电感L和电容C的常用值，不必精确到设计值，使得低通滤波器的设计更简便。
应理解，在其他可选的实现方式中，还可以采用其他谐振电路组成的低通滤波器(如RLC串联谐振电路)等其他可实现上述功能的低通滤波器。同时，本实施例采用双线性变换法来计算数字补偿滤波器113在Z域的表达式的传递函数，其他变换方法(如冲击响应不变法、零阶保持器等)均可实现传递函数由S域向Z域的转换。
图4是本发明实施例的D类功率放大器的频响曲线图。图4示出了D类功率放大器单独使用低通滤波器的频响曲线、单独使用数字补偿滤波器的频响曲线和使用经数字补偿滤波器补偿的低通滤波器的频响曲线。如图4所示，在D类功率放大器单独使用低通滤波器时，幅频增益和相频在音频带宽内(<20kHz)开始衰减和失真。而在经过数字补偿滤波器进行补偿后，幅频在音频带宽内的增益几乎不变，相频的相角几乎维持为0，也即音频信号的相位几乎不会滞后。容易看出，数字补偿滤波器的品质因数较大，因此在音频带宽外(频率f0附近)会带来一个很高的增益。由于音频信号在进入数字补偿滤波器之前，会经过插值滤波器，使其在音频带宽外的信号被严重衰减，衰减的幅值远大于数字补偿滤波器带来的增益，因此数字补偿滤波器带来的增益几乎不会频响性能。因此，数字补偿滤波器的品质因数可以选取较大的值，并且，数字补偿滤波器的品质因数越大，音频带宽内的频率响应越平滑稳定。
本实施例的技术方案通过在将音频信号转化为PWM信号前，使得数字补偿滤波器补偿所述D功率放大器的低通滤波器的传递函数与期望的低通滤波器的传递函数之间的差别，从而补偿低通滤波器引起的增益衰减和/或相位失真，提高音频质量并扩大参数的取值范围。
图5是本发明实施例的D类功率放大器的补偿方法的流程图。如图5所示，本实施例的D类功率放大器的补偿方法包括以下步骤：
在步骤S100，对音频信号进行音频处理。具体地，通过音频处理器对音频信号进行音量调节、均衡、混音以及动态压缩音频处理。
在步骤S200，对音频信号进行插值处理以进行升频滤波。在一种可选的实现方式中，通过一种有限冲击响应滤波器来对音频信号进行插值升频滤波。其中，插值一般指在取样点之间插补数据“0”，然后经过一个低通滤波器使插补的数据编程与原有数据相匹配的数据，插补数据“0”与原有数据组合成更高“取样率”的数据流，提高量化过程中高频分量的频率，从而减小后续低通滤波器的设计难度。
在步骤S300，通过数字补偿滤波器处理音频信号以补偿D类功率放大器的低通滤波器的传递函数与期望的传递函数之间的差值。其中，数字补偿滤波器根据D类功率放大器的低通滤波器的电路参数获得。
因此，本实施例的D类功率放大器的补偿方法还包括：获取D类放大器的低通滤波器的电路参数并根据该电路参数计算数字补偿滤波器的参数。
具体地，根据低通滤波器中的电感值、电容值、扬声器的等效电阻值R以及预期的低通滤波器的截止频率和品质因数计算低通滤波器在S域的传递函数以及预期的低通滤波器在S域的传递函数。然后根据低通滤波器的传递函数和预期的低通滤波器的传递函数计算数字补偿滤波器在S域的传递函数，再通过双线性变换法(或其他Z-S域变换方法)将其转换为Z域的传递函数。
在步骤S400，对音频信号进行噪声整形处理。噪声整形技术是指对噪声的频谱分布形状进行控制的一种技术。通常采用预加重技术与去加重技术使噪声的频谱发生变换以减少声频带中的噪声。预加重技术是指在信号发送之间先对高频分量进行适当的提升，在接收到信号之后对信号进行逆处理，也即对高频分量进行适当的衰减。
在通过数字补偿滤波器对音频信号进行补偿后将音频信号转化为PWM信号，并在对PWM信号进行功率放大后，使其通过低通滤波器以解调出音频信号输出至扬声器。
本实施例的技术方案通过在将音频信号转化为PWM信号前，使得数字补偿滤波器处理音频信号，以补偿所述D功率放大器的低通滤波器的传递函数与期望的低通滤波器的传递函数之间的差别，从而补偿低通滤波器引起的增益衰减和/或相位失真，提高音频质量并扩大参数的取值范围。
本实施例的数字信号处理装置可以包括存储器和处理器。处理器可以使用任何处理器或逻辑设备(比如，复杂指令集计算机(CISC)微处理器、精简指令集计算(RISC)微处理器、超长指令字(VLIW)微处理器、兼容x86指令集的x86指令集处理器、实现指令集组合的处理器、多核处理器(比如，双核处理器或双核移动处理器)、或任何其他微处理器或中央处理单元(CPU))来实现。处理器还可以被实现为专用处理器，比如，控制器、微控制器、嵌入式处理器、芯片多处理器(CMP)、协处理器、数字信号处理器(DSP)、网络处理器、媒体处理器、输入/输出(I/O)处理器、介质访问控制(MAC)处理器、无线电基带处理器、专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)、可编程逻辑器件(PLD)等等。存储器可以使用能够存储数据的任何机器或计算机可读介质(包括易失性和非易失性存储器两者)来实现。例如，存储器可以包括只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)、动态RAM(DRAM)、双倍数据速率DRAM(DDRAM)、同步DRAM(SDRAM)、静态RAM(SRAM)、可编程ROM(PROM)、可擦除可编程ROM(EPROM)、电可擦除可编程ROM(EEPROM)、闪速存储器、聚合物存储器(比如，铁电聚合物存储器、奥氏存储器、相变或铁电存储器、硅氧化物氮化物氧化物硅(SONOS)存储器)、磁卡或光卡或适用于存储信息的任何其他类型的介质。值得注意的是，存储器的一些部分或全部可以与处理器被包括在同一集成电路上，或者可替代地，存储器的一些部分或全部可以被置于处理器的集成电路外部的集成电路或其他介质(比如，硬盘驱动器)上。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域技术人员而言，本发明可以有各种改动和变化。凡在本发明的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种D类功率放大器的补偿方法，包括：
在将音频信号转化为PWM信号前，通过数字补偿滤波器处理音频信号，以补偿所述D功率放大器的低通滤波器的传递函数与期望的低通滤波器的传递函数之间的差别；
其中，所述数字补偿滤波器根据所述低通滤波器的电路参数获得。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述数字补偿滤波器的传递函数被配置为所述期望的低通滤波器的传递函数和所述低通滤波器的传递函数的比值的z域变换。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述期望的低通滤波器的传递函数根据期望的低通滤波截止频率和期望的品质因数获得。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
依次对音频信号进行音频处理、插值以及噪声整形处理；
其中，在进行所述插值和噪声整形处理之间通过所述数字补偿滤波器处理音频信号，以进行补偿。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在，所述方法还包括：
接收所述低通滤波器的电路参数；以及
根据所述电路参数计算所述数字补偿滤波器的参数。
6.一种数字信号处理装置，包括：
存储器，用于存储至少一条可执行程序指令；以及
处理器，适于执行所述可执行程序指令以实现如权利要求1-5任一项所述的方法。
7.一种D类功率放大器，包括：
数字信号处理装置，用于实现如权利要求1-5任一项所述的方法；
PWM驱动电路，用于将音频信号转换PWM信号；以及
低通滤波器。
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