CN1586039A - 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
本发明系相关于可用于将数字PCM信号转换为没有任何失真之模拟信号的数字/模拟转换器电路。
在许多技术系统中，数字信号系会利用脉冲宽度调变而被转换为模拟信号，如此之系统的例子是，引擎控制器、校正电路(calibrationcircuit)、切换模式之电源供应器、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，该数字信号系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之转换两者皆会体验非线性的失真。然而，原则上，由于该数字信号之处理过程，PCM/PWM转换可以是没有损失的加以进行，亦即，最初PCM信号可藉由已反转之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，这些失真系主要是由于考虑中之电路之模拟区域的“记忆”所造成，而通常超脱PWM周期之时间长度的该模拟“记忆”之相对而言较长的衰减时间，系会造成来自之前之衰减方波响应与目前之衰减方波响应重叠，而既然来自之前之方波响应系取决于该数字PWM信号的脉冲宽度，并且其系依次取决于该PCM信号，则该失真系为非线性。
一模拟电路之如此“记忆”特质系为系统所固有，并且无法完全被消除，是以，为了这个理由，系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/模拟转换中之该非线性失真的方法。
代表最接近之习知技术的国际专利申请案WO 97/37433 A1，其系叙述根据上述原则而操作之数字/模拟转换器电路，并且，于其中之信号路径系于该PCM/PWM转换器级的上游包含一非线性Hammerstein滤波器，该Hammerstein滤波器系为一预补偿(precompensation)级，而其会让该PCM信号经历在该PCM/PWM转换期间出现之非线性失真之反转的非线性失真，此系表示可全面获得一无失真之数字PWM信号。但此数字/模拟转换器电路之缺点是，其乃专门为了UPWM(uniform sampling 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，该脉冲宽度之值系总是在该PWM周期之开始即受到约定，而利用目前之电路并无法产生所具有之脉冲宽度于该PWM期间进行决定之该PWM信号，即所谓的PNPWM(pseudo natural pulse 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转换期间补偿出现之非线性的另一方法，为了这个目的，一数字/模拟转换器电路系具有对储存于一只读存储器中之表的存取，而储存于该表中之数据系用于该非线性失真的补偿。
利用在回馈路径中特别调准之数字滤波器而连接于该PCM/PWM转换器之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之算法，系叙述于“New high accuracy pulse widthmodulation cased digital-to-analogue converter/poweramplifier”by J.M.Goldberg and M.B.Sandler，which appearedin IEEP roc.-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之模拟电路系为已知，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 Nove l 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，volume 1，on pages635-638，这两者系牵涉到如此之模拟回馈电路。但回馈电路之缺点是其所造成之不稳定性。
本发明之一目的系在于提供一数字/模拟转换器电路，其所具有之失真系尽可能的小，特别的是，其目标是补偿该电路之模拟区域所造成非线性失真，另外，其目标系为具体指明具有这些特质之方法。
本发明之目的系以独立申请专利范围第1项及第11项所述之特征为基础而加以达成，而本发明较具优势之发展以及改良系叙述于附属申请专利范围中。
本发明之数字/模拟转换器电路系用于将一数字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/模拟转换器电路之信号路径系包括一预补偿级，一PCM/PWM转换器级，其系连接至该预补偿级之下游，以自该已预补偿之数字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，其系连接至下游，并系有可能自其输出侧撷取出该模拟输出信号。本发明之一基础的概念是，该预补偿级之转移功能系加以设计，而使得该模拟输出信号实质上会正比于该数字PCM输入信号。
在本发明之数字/模拟转换器电路的例子中，该数字PCM输入信号系于通过该预补偿级时失真，因此，在接续之PCM/PWM以及数字/模拟转换操作期间所出现之非线性失真系于该模拟输出信号中进行补偿，这会造成正比于该数字PCM输入信号之一模拟输出信号。本发明之预补偿的优点是，该电路之模拟区域所造成之非线性失真系于该预补偿中受到考虑。
本发明之数字/模拟转换器电路系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，如已出版之WO 97/37433文件中所述之电路一样。而更优于该所引用之电路的优点是，本发明系使用简单的，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，本发明之数字/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，使得本发明之数字/模拟转换器电路更为稳定。
较具优势地是，该预补偿级系以较该数字PCM输入信号之信号速率为高之信号速率操作至少达某程度。该较高之信号速率系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之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，该预补偿级包含一另一PCM/PWM转换器级，一过取样级，一数字滤波器，以及一抽取因子级，在此例子中，上述所列该预补偿级之组件系以所述之顺序加以排列。具有预补偿级之此配置，该数字PCM输入信号系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中间信号系具有较该数字PCM输入信号为高之信号速率。接着，该数字PCM中间信号被供给至该数字滤波器，然后，已滤波之该数字PCM中间信号之信号速率系利用该抽取因子级而再次降低。该已增加之信号速率系使得仿真该模拟电路区域之影响成为可能，并且因此将之全面消除。
与本发明之一特别地较佳构型一致，该数字滤波器之转移功能系可以加以设定或已经被设定，而使得所出现之非线性失真可藉由反转失真而加以补偿。可以理解的是，为了这个目的，滤波器系数系藉由制造者而预先设定以及以该数字/模拟转换器电路之模拟环境而加以调准，二者择一地，该滤波器系数亦可以藉由该数字/模拟转换器之使用者而加以设定，而此系使得在最终产品中之电路可以获得平衡，举例而言，当用于一音频放大器时，所使用之扬声器可被考虑在这个平衡中。
相同的，其系有可能将该数字/模拟转换器电路设计为通用之形式。为了这个目的，该数字滤波器之该转移功能系较佳地加以选择为一低通滤波器功能，其系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之频率。这个方法则使得对所发生之非线性的大量补偿成为可能，且不需要考虑该数字/模拟转换器电路之真实模拟电路环境。
同样较佳地是，在该预补偿级之上游/下游连接一噪声整形器。该噪声整形器系会降低量化噪声(quantization noise)，特别是频带(frequency band)，举例而言，在音频频带中。
该模拟输出信号系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之模拟输出信号一所需的外型(shape)。
该数字滤波器可能之构型，举例而言，系为递归波(recursivewave)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(breaker)之形式。
特别的是，本发明之数字/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。
本发明之方法系首先牵涉到预补偿一数字PCM输入信号，接着，将该已预补偿之数字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，该预补偿之效果在于该模拟输出信号实质上系会正比于该数字PCM输入信号。
本发明之方法系使得该数字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之非线性失真，并且此目的系可藉由预补偿操作而达成，这是因为该数字PCM输入信号，举例而言，系会经历相关于接续之数字/模拟转换所造成之非线性而行为反转之非线性。
本发明系以图式做为参考而以实施例做出更详细之说明，在此，单一之图式系显示本发明数字/模拟转换器电路之一示范性实施例的示意方块图。
该图式系显示一数字/模拟转换器电路1之一方块图，其中，信号路径系以所叙述之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系一起形成一预补偿(precompensation)级10。一数字PCM信号11系被馈入该噪声整形器2之输入侧，接着，输出自该噪声整形器之PCM信号12系被转换为一数字PWM信号13，而信号速率系利用该过取样级4而加以增加，所得到之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之信号速率系藉由该抽取因子级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之非线性失真，该数字PCM信号16接着被转变为一数字PMW信号17，并且，此信号系接着被转换为在该数字/模拟转换器级8中之一模拟信号18，最后，该模拟信号18系被过滤，因此，获得自该数字/模拟转换电路1之该输出信号则成为一已过滤之模拟信号19。
在该PCM信号15中由该数字滤波器5所引起之该非线性失真，系被远至该数字/模拟转换器级8之分别的数字信号所吸引，而该数字/模拟转换系让所得到之模拟信号18受到一更进一步之非线性失真的影响，举例而言，来自该模拟电路区域之“记忆”特质。该数字滤波器5之转移功能系加以选择，是以，其所引起之该非线性失真系会是有关于在该数字/模拟转换期间出现之失真之反转表现，在此例子中，举例而言，其亦有可能考虑由更进一步之模拟电路组件，例如该模拟滤波器9或可连接至下游之一扩音器，所产生之失真。而所获得之结果系为无失真之模拟信号18及/或19。
Claims (20)
1.一种数字/模拟转换器电路(1)，其系用以将一数字PCM输入信号(11)转换为一模拟输出信号(19)，其中，信号路径系包括下列所述之顺序：
--一预补偿级(10)；
--一PCM/PWM转换器级(7)；以及
--数字/模拟转换器级(8)，
其特征在于，
--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)会实质上正比于该数字PCM输入信号(11)。
2.根据申请专利范围第1项所述之数字/模拟转换器电路(1)，其特征在于，
--该预补偿级(10)系加以设计，因而使其系以较该数字PCM输入信号(11)之信号速率为高之信号速率操作至少达某程度。
3.根据申请专利范围第2项所述之数字/模拟转换器电路(1)，其特征在于，
--该预补偿级(10)系包括下列以所述顺序之信号路径而加以排列的组件：
--一另一PCM/PWM转换器级(3)；
--一过取样级(4)；
--一数字滤波器(5)；以及
--一抽取因子(decimation)级(6)。
4.根据申请专利范围第3项所述之数字/模拟转换器电路(1)，其特征在于，
--该数字滤波器(5)之转移功能系可以加以设定或已经被设定，而使得该模拟输出信号(19)系会实质上正比于该数字PCM输入信号(11)。
5.根据申请专利范围第3或第4项所述之数字/模拟转换器电路(1)，其特征在于，
---该数字滤波器(5)之转移功能系加以设计而为一低通滤波器功能。
6.根据前述申请专利范围其中之一或多之数字/模拟转换器电路(1)，其特征在于，
--该预补偿级(10)系具有连接至其上游/下游的一噪声整形器(shaper)(2)。
7.根据前述申请专利范围其中之一或多之数字/模拟转换器电路(1)，其特征在于，
--该数字模拟转换器级(8)系具有连接至其下游之一模拟滤波器(9)。
8.根据申请专利范围第3至第7项其中之一或多之数字/模拟转换器电路(1)，其特征在于，
--该数字滤波器(5)系为一递归波(recursive wave)数字滤波器或一FIR滤波器。
9.根据前述申请专利范围其中之一或多之数字/模拟转换器电路(1)，其特征在于，
--该数字/模拟转换器级(8)系为一电路断路器(breaker)。
10.根据前述申请专利范围其中之一或多所述之数字/模拟转换器电路(1)，其系包含于一种音频放大器，特别是一音频等级D放大器。
11.一种用以将一数字PCM输入信号(11)转换为一模拟输出信号(19)之方法，其包括下列步骤：
--预补偿该数字PCM输入信号(11)；
--将已预补偿之该数字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)，
其特征在于，
--对该数字PCM输入信号(11)之该预补偿系造成该模拟输出信号(19)实会质上正比于该数字PCM输入信号(11)。
12.根据申请专利范围第11项所述之方法，其特征在于，
--对该数字PCM输入信号(11)之该预补偿系以较该数字PCM输入信号(11)之信号速率为高之信号速率执行至少达某程度。
13.根据申请专利范围第12项所述之方法，其特征在于，
--对该数字PCM输入信号(11)之该预补偿系牵涉下列步骤之实行：
--将该数字PCM输入信号(11)转换为一数字PWM中间信号(13)；
--藉由过取样该数字PWM中间信号(13)而产生一数字PCM中间信号(14)；
--利用一数字滤波器(5)过滤该数字PCM中间信号(14)；以及
--利用一抽取因子级(6)降低该已滤波之数字PCM中间信号(15)之取样数，进而降低该信号速率。
14.根据申请专利范围第13项所述之方法，其特征在于，
--该数字滤波器(5)之转移功能系可以加以设定或已经被设定，而使得该模拟输出信号(19)系实质上正比于该数字PCM输入信号(11)。
15.根据申请专利范围第13或第14项所述之方法，其特征在于，
---该数字滤波器(5)之转移功能系加以设计而为一低通滤波器功能。
16.根据申请专利范围第11至第15项其中之一或多之方法，其特征在于，
--该数字PCM输入信号(11)于该预补偿之前，及/或，若适当的话，该抽取因子级(6)所输出之该数字PCM信号系藉由一噪声整形器(2)而加以处理。
17.根据申请专利范围第11至第16项其中之一或多之方法，其特征在于，
--该模拟输出信号(18)系加以过滤。
18.根据申请专利范围第13至第17项其中之一或多之方法，其特征在于，
--该数字滤波器(5)系为一递归波(recursive wave)数字滤波器或一FIR滤波器。
19.根据申请专利范围第11至第18项其中之一或多之方法，其特征在于，
--该数字PCM信号(17)系利用一电路断路器(breaker)而被转换成为该模拟输出信号(19)。
20.根据申请专利范围第11至第19项其中之一或多之方法，其系使用于一种音频放大器，特别是一音频等级D放大器。
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