CN1954495A - 具有使用累积噪声整形的数字pwm信号发生器的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种具有使用累积噪声整形的数字脉宽调制发生器(110)的方法和装置(100)。产生数字脉宽调制信号的装置包括随机周期信号发生器(130)，噪声整形单元(147)，占空比量化器(134)和PWM计数器(172)。随机周期信号发生器(130)产生随机周期信号(132)。噪声整形单元(142)响应至少数字信号(106)、随机周期信号(132)和延迟数字信号(162)，用于产生校正信号(168)。占空比量化器(134)响应校正数字信号、随机周期信号和量化时钟信号(190)，并且产生第一占空比信号(136)和第二占空比信号(137)。PWM计数器(172)响应第一和第二占空比信号(136，137)以及量化时钟信号(190)，并且分别产生正和负PWM信号(180，184)。

Description

具有使用累积噪声整形的 数字PWM信号发生器的方法和装置

技术领域

本发明涉及数字放大器，尤其涉及脉宽调制(PWM)信号的干扰和噪声减小。

背景技术

在数字音频放大器中，脉宽调制(PWM)经常用来将数字信号转换成其模拟分量。这种数字音频放大器经常称作数字PWM音频放大器。数字PWM音频放大器可以在各种应用中使用，例如蜂窝式电话和高端数字音频设备。

许多数字PWM音频放大器符合称作D类数字放大器的特殊类别的放大器。在典型D类数字放大器中，固定频率信号发生器，例如三角波振荡器，与数字音频输入结合使用以执行脉宽调制。脉宽调制的信号放大并提供给低通滤波器以减小电磁干扰(EMI)。虽然使用低通滤波器是去除EMI干扰的一种可行方法，它也承担另外板空间的使用以及给数字音频放大器增加另外的成本。在许多低端蜂窝式电话应用中，增加单位成本不是一种可行的选择，因此，可以用来减少成本同时提高信号质量的备选方法经常认为是值得效仿的。

因此，存在对减少数字放大器中EMI和量化噪声的改进数字放大器的需求。

附图说明

本发明通过实例说明并且不受附随附图限制，其中类似的参考指示类似的元件，并且其中：

图1以框图形式说明根据本发明一种实施方案的PWM数字放大器；

图2以框图形式说明根据本发明一种实施方案的PWM数字放大器；

图3以框图形式说明根据本发明一种实施方案的累积误差放大器；

图4以流程图形式说明在本发明一种实施方案中使用的方法；

图5说明已知放大器的频谱对比根据本发明一种实施方案的放大器的频率；以及

图6以时序图形式说明根据本发明一种实施方案与脉宽调制相关联的各种信号。

本领域技术人员理解，图中的元件仅为了简单和清楚说明，而不一定按照比例绘制。例如，图中一些元件的尺寸可能相对于其他元件放大以帮助提高本发明实施方案的理解。

具体实施方式

在本发明的一种实施方案中，数字放大器装置包括用于产生数字PWM信号的使用累积噪声整形(integral noise shaping)的数字脉宽调制(PWM)信号发生器以及功率级。PWM信号发生器响应数字信号输入和随机周期信号，用于将校正的数字信号输入的量化噪声重新分布到产生数字PWM信号时所关心的音频波段外部的波段。功率级响应数字PWM信号，用于提供放大的数字PWM信号。

在本发明的一种实施方案中，产生数字脉宽调制(PWM)信号的装置包括随机周期信号发生器、噪声整形单元、占空比量化器和PWM计数器。随机周期信号发生器产生随机周期信号。噪声整形单元响应至少数字信号、随机周期信号和延迟数字信号，用于产生校正信号。占空比量化器响应校正的数字信号、随机周期信号和量化时钟信号，并且产生第一占空比信号和第二占空比信号。PWM计数器响应第一和第二占空比信号以及量化时钟信号，并且分别产生正和负PWM信号。

在本发明的一种实施方案中，提供一种数字脉宽调制(PWM)信号产生的方法。接收数字信号。使用随机周期发生器产生随机周期信号，随机周期信号包括左半周期和右半周期。基于随机周期计算自适应系数。使用第一发生器计算随机周期的左半周期的第一函数。使用第二发生器计算随机周期的左半周期的第二函数。使用左半周期的第二函数估计误差信号。将接收的数字信号与左半周期的估计误差信号求和。第一和第二占空比对于左半周期而量化以建立正和负PWM信号的左半周期的量化时钟计数。使用第一发生器计算随机周期的右半周期的第一函数。使用第二发生器计算随机周期的右半周期的第二函数。使用右半周期的第二函数估计误差信号。将接收的数字信号与右半周期的估计误差信号求和。第一和第二占空比对于右半周期而量化以建立正和负PWM信号的右半周期的量化时钟计数。

图1说明根据本发明一种实施方案的数字放大器100。数字放大器100包括数字源102，具有使用累积误差整形的数字脉宽调制信号发生器(DPSG)110，功率级118和负荷126。数字源102可以包括设备例如CD唱机、数字音频磁带放音机、蜂窝式电话、数字汽车收音机等。在一种实施方案中，负荷126可能是音频扬声器。本发明的其他实施方案可以使用其他类型的负荷。

操作中，数字源102提供数字信号106到DPSG 110。数字信号106可能是例如脉冲编码调制(PCM)信号或脉冲密度调制(PDM)信号形式的数字输入。DPSG 110接收数字信号106并且利用随机周期发生器减小电磁干扰(EMI)，以及使用累积噪声整形减小由量化引起的量化噪声的量。DPSG 110提供数字PWM信号114到功率级118以放大。功率级118放大数字PWM信号114并且将放大的PWM信号122作为音频输出提供到负荷126。

图2说明根据本发明一种实施方案的数字放大器100。数字放大器100的DPSG 110包括噪声整形单元147，随机周期发生器130，占空比量化器134和脉宽调制(PWM)计数器172。噪声整形单元147包括延迟块146，累积误差放大器142，加法器164以及自适应系数产生器143。

操作中，DPSG 110接收来自数字源102的数字信号106。数字信号106提供到噪声整形单元147的延迟块146、加法器164和累积误差放大器142。在一种实施方案中，延迟块146接收数字信号106并且将数字信号106延迟由随机周期发生器130产生的随机周期信号132(随机周期132)的持续时间限制的延迟量。在一种实施方案中，随机周期信号132可能包括独立可变频率信号并且可能基于逐个周期而变化。延迟量使用随机周期132的一半(随机半周期132)在累积误差放大器中标准化。标准化的延迟量可以称作延迟比。延迟数字信号162提供到累积误差放大器142。

除了提供随机周期132到延迟块146之外，随机周期发生器130将随机周期132提供到占空比量化器134、累积误差放大器142和自适应系数产生器143。自适应系数产生器143使用随机周期132产生自适应系数145。自适应系数145然后提供给累积误差放大器142。

噪声整形单元147的累积误差放大器142接收随机周期132，来自延迟块146的延迟数字信号162，来自数字源102的数字信号106，来自自适应系数产生器143的自适应系数145，来自PWM计数器172的PWM信号184以及来自PWM计数器172的PWM信号180。累积误差放大器142执行一系列噪声整形操作(进一步在图3的描述中描述)以产生误差信号(估计误差)176。估计误差176表示延迟数字信号162与PWM信号差(也就是PWM信号180与PWM信号184之间的差)之间的噪声整形的误差。在一种实施方案中，延迟数字信号162与PWM信号差之间的误差由累积误差放大器142的累积部分使用自适应系数145和数字信号106噪声整形。在一种实施方案中，与占空比136和占空比137相对应的占空比可以由累积误差放大器142使用PWM信号180和PWM信号184导出。在备选实施方案中，占空比136和占空比137可以直接提供给累积误差放大器142(没有显示)。加法器164接收估计误差176和数字信号106并且执行求和操作以产生校正的数字信号168。校正的数字信号168与随机周期132和量化时钟信号190一起提供给占空比量化器134。

占空比量化器134接收来自求和器164的校正数字信号168，来自随机周期发生器130的随机周期132以及来自量化时钟191的量化时钟信号190，并且产生占空比136和占空比137。在一种实施方案中，占空比136和占空比137为随机周期132的周期的左半(左半周期)和随机周期132的周期的右半(右半周期)而计算。在一种实施方案中，占空比量化器134使用PWM信号180的预测量化形式的持续时间(对应于随机周期132的左半周期的校正数字信号168)和随机半周期(对应于左半周期的随机周期132的一半)以产生占空比137。类似地，占空比量化器134使用PWM信号184的预测量化形式的持续时间(对应于随机周期132的左半周期的校正数字信号168)和随机半周期(对应于左半周期的随机周期132的一半)以产生占空比136。对于右半周期，占空比量化器134使用PWM信号180的预测量化形式的持续时间(对应于随机周期132的右半周期的校正数字信号168)和随机半周期(对应于右半周期的随机周期132的一半)以产生占空比137。类似地，占空比量化器134使用PWM信号184的预测量化形式的持续时间(对应于随机周期132的右半周期的校正数字信号168)和随机半周期(对应于右半周期的随机周期132的一半)以产生占空比136。

在一种实施方案中，由例如占空比量化器134引起的量化噪声由噪声整形单元147在所关心的音频波段外部重新分布，使得期望的信号噪声比标准在功率级118的输出满足。在一种实施方案中，例如对于CD质量音频，期望的信号噪声比标准可能是96dB。备选实施方案可能具有其噪声整形单元147可能因此调节的备选信号噪声标准。

PWM计数器172接收来自占空比量化器134的占空比136，来自占空比量化器134的占空比137以及来自量化时钟191的量化时钟信号190，并且产生PWM信号180和PWM信号184。在一种实施方案中，PWM信号180通过计数由占空比137表示的量化时钟周期的数目而产生，并且PWM信号184通过计数由占空比136表示的量化时钟周期的数目而产生。PWM信号180和PWM信号184，二者都是方波形式，提供到累积误差放大器142和功率级118。功率级118放大PWM信号180和PWM信号184以产生放大的PWM信号120和放大的PWM信号121。放大的PWM信号120和放大的PWM信号121提供给负荷126并且表示数字放大器100的音频输出。

图3描绘根据本发明一种实施方案的累积误差放大器142。在一种实施方案中，估计误差176使用与图3中所示的框图相对应的等式1-15产生。估计误差176对由随机周期发生器130产生的随机周期132的左半周期和右半周期计算。f发生器为左半周期和右半周期产生f函数，f1，f2，f3，f4，而I发生器为左半周期和右半周期产生I函数，I1，I2，I3，I4。

本发明一种实施方案的数学表示将使用下面的变量给出：

半周期索引k

周期索引n

额定半周期T₀[n]

随机半周期，T[n]

增益常数，C1，C2，C3，C4

左半周期的延迟数字信号162，xr[n-1]

右半周期的延迟数字信号162，xl[n]

左半周期的数字信号106，xl[n]

右半周期的数字信号106，xr[n]

左半周期的延迟比，dl[n]

右半周期的延迟比，dr[n]

左半周期的PWM信号180的占空比，dl₁[n]

右半周期的PWM信号180的占空比，dr₁[n]

左半周期的PWM信号184的占空比，dl₂[n]

右半周期的PWM信号184的占空比，dr₂[n]

周期索引n可以使用等式1计算：

等式1： $n=\frac{K+1}{2}$ 对于左半周期或者

$n=\frac{K}{2}$ 对于右半周期

自适应系数145可以使用等式2计算：

等式2： $a\[n\]=\frac{T\[n\]}{T_0\[n\]}$

左半周期的f函数f1，f2，f3，f4可以使用等式3-6计算：

等式3：f1＝xr[n-1]+(xl[n]-xr[n-1])dl[n]+(1-dl₁[n])-(1-dl₂[n])

等式4：f2＝xr[n-1]+(xl[n]-xr[n-1])dl²[n]+(1-dl₁[n])²-(1-dl₂[n])²

等式5：f3＝xr[n-1]+(xl[n]-xr[n-1])dl³[n]+(1-dl₁[n])³-(1-dl₂[n])³

等式6：f4＝xr[n-1]+(xl[n]-xr[n-1])dl⁴[n]+(1-dl₁[n])⁴-(1-dl₂[n])⁴

右半周期的f函数f1，f2，f3，f4可以使用等式7-10计算：

等式7：f1＝xl[n]+(xr[n]-xl[n-1])dr[n]+dr₂[n]-dr₁[n])

等式8：f2＝xl[n]+(xr[n]-xl[n-1])dr²[n]+dr₂ ²[n]-dr₁ ²[n])

等式9：f3＝xl[n]+(xr[n]-xl[n-1])dr³[n]+dr₂ ³[n]-dr₁ ³[n])

等式10：f4＝xl[n]+(xr[n]-xl[n-1])dr⁴[n]+dr₂ ⁴[n]-dr₁ ⁴[n])

左半周期和右半周期的I函数I1，I2，I3，I4可以使用等式11-14计算：

等式11：I1[k]＝I1[k-1]+(a)(f1)

等式12： $I2\[K\]=I2\[K-1\]+\left(a\right)(I1\[K-1\])+\left(\frac{a^2}{2}\right)\left(f2\right)$

等式13： $I3\[K\]=I3\[K-1\]\left(a\right)(I2\[K-1\])+\left(\frac{a^2}{2}\right)(I1\[K-1\])+\left(\frac{a^3}{6}\right)\left(f3\right)$

等式14： $I4\[K\]=I4\[K-1\]+\left(a\right)(I3\[K-1\])+\left(\frac{a^2}{2}\right)(\[I2\[K-1\])+\left(\frac{a^3}{6}\right)(\[K-1\])+\left(\frac{a^4}{24}\right)\left(f4\right)$

估计误差176可以使用等式15计算：

等式15：e[k]＝(C1)I1[k]+(C2)I2[k]+(C3)I3[k]+(C4)I4[k]

图4以流程图形式说明由本发明一种实施方案执行的功能。在一种实施方案中，流程401以DPSG 110的初始化开始。流程401然后前进到步骤404，在那里随机周期由随机周期发生器130产生。流程401然后继续到步骤408，在那里自适应系数基于随机周期计算。流程401然后前进到步骤412，在那里f发生器为由随机周期发生器130产生的随机周期的左半周期计算f函数f1，f2，f3，f4。f函数(等式3-6中所示)是数字信号106、随机周期132、延迟数字信号162、PWM信号180和PWM信号184的函数。流程401然后前进到块416，在那里I函数I1，I2，I3，I4对于左半周期而计算。I函数(等式11-14中所示)是左半周期的f函数、自适应系数145和左半周期的先前I函数的函数。流程401然后继续到块420，在那里估计误差176使用I函数和增益常数C1，C2，C3和C4估计。流程401然后前进到块424，在那里数字信号106与估计误差176求和。流程401然后前进到块428，在那里量化左半周期的占空比以建PWM信号180和184的左半周期的量化时钟计数。流程401然后继续到判定菱形432，在那里确定左半周期的结束是否完成。当左半周期的结束没有完成时，判定菱形432重复直到左半周期的结束完成。当左半周期的结束完成时，流程401继续到块436，在那里f发生器为由随机周期发生器130产生的随机周期的右半周期计算f函数f1，f2，f3，f4。右半周期的f函数(等式7-10中所示)是数字信号106、随机周期132、延迟数字信号162、PWM信号180和PWM信号184的函数。流程401然后前进到块440，在那里I函数I1，I2，I3，I4对于右半周期而计算。右半周期的I函数(等式11-14中所示)是右半周期的f函数、自适应系数145和右半周期的先前I函数的函数。流程401然后继续到块444，在那里估计误差176使用右半周期的I函数和增益常数C1，C2，C3和C4估计。流程401然后前进到块448，在那里数字信号106与估计误差176求和。流程401然后前进到块452，在那里量化右半周期的占空比以建立PWM信号180和184的右半周期的量化时钟计数。流程401然后继续到判定菱形456，在那里确定右半周期的结束是否完成。当右半周期的结束没有完成时，判定菱形456重复直到右半周期的结束完成。当右半周期的结束完成时，流程401继续到块404。

图5说明使用随机切换频率的随机周期发生器的仿真(较低峰值504)对比使用固定切换频率的固定周期发生器的仿真(较高峰值502)。对于较高峰值502，频谱内容的大部分位于125kHz。通过使用由随机周期发生器130产生的随机周期，切换频率噪声在宽频谱上延伸(如由较低峰值504所显示的)，除去低通滤波器执行类似操作的需求。

图6说明在数字放大器100中使用和/或产生的信号的一些的时域表示(图1和图2中所示)。数字输入信号106是表示为输入PCM信号106的PCM信号。采样点1A和1B所示为显示为随机周期三角函数的随机周期信号132与校正的数字信号168之间的交点。采样点1A对应于校正数字信号168的左半周期中的第一原始采样点。采样点2A对应于校正数字信号168的左半周期中第一原始采样点的负数(随机周期三角函数的参考中心点1)。采样点1B对应于校正数字信号168的右半周期中的第一原始采样点。采样点2B对应于校正数字信号168的右半周期中第一原始采样点的负数。在一种实施方案中，随机周期三角函数的随机周期具有周期持续时间2T[n]，因为左半周期和右半周期都具有半周期持续时间T[n]。量化的预测PWM信号180表示由PWM计数器172输出的PWM信号180，并且量化的PWM信号184表示由PWM计数器172输出的PWM信号184。预测的PWM信号180和预测的信号184分别显示PWM信号180和PWM信号184的非量化形式。

在前述说明书中，本发明已经参考具体实施方案描述。但是，本领域技术人员理解，可以进行各种修改和改变而不背离如下面权利要求中陈述的本发明的范围。因此，说明书和附图将认为在说明而不是限制的意义上，并且所有这种修改打算包括在本发明的范围内。

已经针对具体实施方案在上面描述了本发明的好处、其他优点和问题的解决方案。但是，可能使得任何好处、优点或解决方案出现或变得更明显的好处、优点、问题解决方案和任何元素并不解释为任何或全部权利要求的关键、必需或重要特征或元素。如这里使用的，术语“包括”、“包含”或任何其他变化打算覆盖非排他包含，使得包括一系列元素的处理、方法、物品或装置不仅包括那些元素而且包括没有明确列出或这种处理、方法、物品或装置固有的其他元素。

Claims (19)

1.一种数字放大器(100)装置，包括：

用于产生数字脉宽调制(PWM)信号的使用累积噪声整形的数字PWM信号发生器(110)，该PWM信号发生器响应数字信号输入(106)和随机周期信号(132)，用于将校正的数字信号输入(168)的量化噪声重新分布到产生数字PWM信号时所关心的音频波段外部的波段；以及

功率级(118)，响应数字PWM信号，用于提供放大的数字PWM信号(122)。

2.根据权利要求1的数字放大器装置，还包括：

数字源(102)，该数字源用于提供数字信号输入(106)，其中数字信号输入(106)包括脉冲编码调制(PCM)信号或脉冲密度调制(PDM)信号。

3.根据权利要求1的数字放大器装置，其中数字PWM信号发生器(110)利用随机周期信号(132)减小数字PWM信号中的电磁干扰效应。

4.根据权利要求1的数字放大器装置，其中数字PWM信号发生器(110)利用累积噪声整形减小由数字PWM信号产生时校正数字信号的量化引起的噪声量。

5.一种产生数字脉宽调制(PWM)信号(110)的装置(110)，包括：

随机周期信号发生器(130)，用于产生随机周期信号；

噪声整形单元(147)，响应至少数字信号(106)、随机周期信号(132)和延迟数字信号(162)，用于产生校正的数字信号(168)；

占空比量化器(134)，响应校正数字信号(168)、随机周期信号(132)和量化时钟信号(190)，用于产生第一占空比信号(136)和第二占空比信号(137)；以及

PWM计数器(172)，响应第一和第二占空比信号(136，137)以及量化时钟信号(190)，用于分别产生正和负PWM(180，184)信号。

6.根据权利要求5的装置，其中随机周期信号(132)包括独立可变频率信号，而且其中独立可变频率信号在逐个周期的基础上变化。

7.根据权利要求5的装置，其中噪声整形单元(147)包括延迟(146)，自适应系数产生器(143)，累积误差放大器(142)和求和器(164)，而且其中延迟(146)响应数字信号(106)和随机周期信号(132)，用于产生延迟数字信号(162)，而且其中自适应系数产生器(143)响应随机周期信号(132)用于产生自适应系数，以及其中累积误差放大器(142)执行一系列噪声整形操作以产生估计误差信号(176)。

8.根据权利要求7的装置，其中累积误差放大器(142)响应自适应系数、随机周期信号(132)、延迟数字信号(162)、数字信号(106)以及正和负PWM信号(100，184)，用于执行一系列噪声整形操作以产生估计误差信号(176)，其中估计误差信号(176)表示延迟数字信号与正和负PWM信号(180，184)之间的差之间的噪声整形误差，以及其中延迟数字信号与PWM信号差之间的噪声整形误差由累积误差放大器(142)的累积部分使用自适应系数和数字信号噪声整形。

9.根据权利要求5的装置，其中噪声整形单元(147)还将由占空比量化器(134)引起的量化噪声重新分布到所关心的音频波段外部的波段，作为第一和第二占空比信号(136，137)的函数。

10.根据权利要求5的装置，其中占空比量化器(134)对于随机周期信号(132)的左半周期和右半周期计算第一和第二占空比信号(136，137)，其中对于左半周期，占空比量化器(134)使用正和负PWM信号(180，184)的预测量化形式的第一持续时间和第一随机半周期信号产生第一和第二占空比信号(136，137)，并且其中第一随机半周期信号对应于随机周期信号(132)的左半周期，以及其中正和负PWM信号(180，184)的预测量化形式的第一持续时间对应于随机周期信号(132)的左半周期的校正数字信号(168)。

12.根据权利要求10的装置，其中对于右半周期，占空比量化器(134)使用正和负PWM信号(180，184)的预测量化形式的第二持续时间和第二随机半周期信号产生第一和第二占空比信号(136，137)，其中第二随机半周期信号对应于随机周期信号(132)的右半周期，以及其中正和负PWM信号(180，184)的预测量化形式的第二持续时间对应于随机周期信号(132)的右半周期的校正数字信号(168)。

13.根据权利要求5的装置，其中噪声整形单元(147)将由占空比量化器(134)引起的量化噪声重新分布到所关心的音频波段外部，并且用于在功率级(118)的输出满足期望的信号噪声比标准。

14.根据权利要求5的装置，其中PWM计数器(172)通过分别计数由第一和第二占空比信号(136，137)表示的量化时钟周期的数目来产生正和负PWM信号(180，184)，而且其中正和负PWM信号是方波形式。

15.一种数字脉宽调制(PWM)信号产生的方法，包括：

接收数字信号；

使用随机周期发生器(130)产生随机周期信号，随机周期信号具有随机周期并且包括左半周期和右半周期；

基于随机周期(132)计算自适应系数；

使用第一发生器计算随机周期(132)的左半周期的第一函数；

使用第二发生器计算随机周期(132)的左半周期的第二函数；

使用左半周期的第二函数估计误差信号(176)；

将数字信号(106)与左半周期的估计误差信号(176)求和；

对于左半周期量化第一和第二占空比以建立正和负PWM信号(180，184)的左半周期的量化时钟计数；

使用第一发生器计算随机周期(132)的右半周期的第一函数(f1，f2，f3，f4)；

使用第二发生器计算随机周期(132)的右半周期的第二函数(I1，I2，I3，I4)；

使用右半周期的第二函数估计误差信号(176)；

将数字信号(106)与右半周期的估计误差信号求和；以及

对于右半周期量化第一和第二占空比以建立正和负PWM信号(180，184)的右半周期的量化时钟计数。

16.根据权利要求15的方法，其中左半周期的第一函数是数字信号(106)、随机周期(132)、延迟数字信号(162)以及正和负PWM信号(180，184)的函数。

17.根据权利要求15的方法，其中第二函数是左半周期的第一函数、自适应系数(145)以及左半周期的先前第二函数的函数。

18.根据权利要求15的方法，其中右半周期的第一函数是数字信号(106)、随机周期(132)、延迟数字信号(162)以及正和负PWM信号(180，184)的函数。

19.根据权利要求15的方法，其中右半周期的第二函数是右半周期的第一函数、自适应系数(145)以及右半周期的先前第二函数的函数。

20.根据权利要求15的方法，还包括：

响应获得右半周期的结束，以新的随机周期信号的产生代替前一个随机周期信号开始重复所述方法。

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