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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Pulsweitenmodulation.
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Modulation ist die Veränderung von Signalparametern eines Trägers in Abhängigkeit von einem zu modulierenden Signal (Basisbandsignal).
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Demodulation ist ein weiterer Modulationsvorgang, der zur Rückgewinnung des Basisbandsignals dient.
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In einer typischen Konfiguration eines Nachrichtenübertragungssystems wird durch einen an einer entsprechenden Endstelle vorgesehenen Modulator mittels Modulation aus einem Träger und einem – von einer Nachrichtenquelle stammenden – zu modulierenden Signal ein entsprechendes moduliertes Signal (Modulationsprodukt) erzeugt. Dieses wird über einen Nachrichtenkanal an einen an einer weiteren Endstelle vorgesehenen Demodulator übertragen.
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Der Demodulator leitet ein mittels Demodulation aus dem modulierten Signal erzeugtes Signal – also das rückgewonnene Basisbandsignal – an eine an der weiteren Endstelle vorhandene Nachrichtensenke weiter.
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Alternativ kann an der Endstelle und der weiteren Endstelle jeweils sowohl eine Nachrichtenquelle, als auch eine Nachrichtensenke vorgesehen sein; derartig Endstellen weisen dann sowohl einen Modulator, als auch einen Demodulator, bzw. ein „Modem” (Modulator/Demodulator) auf.
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Als Träger für die Modulation können z. B. entsprechenden sinusförmige Schwingungen verwendet werden (Sinusträger), oder – in zunehmenden Maße – Pulsträger.
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Bei Sinusträgern können zur Modulation z. B. die folgenden Signalparameter beeinflusst werden: Amplitude, Frequenz, Nullphase, etc., und bei Pulsträgern z. B. die Signalparameter Puls-Amplitude, Puls-Frequenz, Puls-Phase, Puls-Dauer (Puls-Weite).
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Pulsdauer- bzw. Pulsweiten-Modulationsverfahren (PDM- bzw. PWM-Verfahren) werden z. B. in der Unterhaltungselektronik verwendet, beispielsweise zur Modulation von Audio- und Videosignalen.
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Herkömmliche digitale Pulsweiten-Modulatoren erfordern eine relativ hohe zeitliche Auflösung der Pulsweiten, welche z. B. bei Audiosignalen im Bereich von 0 bis 20 kHz eine Taktfrequenz von ca. 100 MHz notwendig macht.
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Ein bekanntes Verfahren zur digitalen Pulsweiten-Modulation ist z. B. in Jorge Varona, ECE University of Toronto: ”Power Digital to Analog Conversion Using Sigma Delta and Pulse Width Modulations” beschrieben.
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Von Nachteil ist insbesondere der relativ hohe Schaltungsaufwand.
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In der
DE 103 50 336.6 bzw. der
US 2005/0146388 A1 , Infineon Technologies, Erfinder: Ch. Braun, ist ein Pulsweiten-Modulationsverfahren beschrieben, bei dem ein pulsweiten-moduliertes Signal als Rückkopplungssignal in einer digitalen Regelschleife genutzt, und dadurch linearisiert wird.
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Mit einem entsprechenden pulsweiten-modulierten Signal kann z. B. ein sog. Class-D-Verstärker angesteuert werden.
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Der Leistungsverbrauch eines Class-D-Verstärkers ist umso höher, je höher die Pulsfrequenz des diesen ansteuernden pulsweiten-modulierten Signals ist.
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Aus diesem Grund sollte die Pulsfrequenz des pulsweiten-modulierten Signals möglichst gering sein.
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Niedrige Pulsfrequenzen sind herkömmlicherweise nur mit relativ hohem Schaltungsaufwand realisierbar.
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Aus der
EP 0573472 B1 ist ein Pulsweitenmodulator bekannt, bei welchem das zeitliche Auftreten sowohl der jeweils steigenden als auch der jeweils fallenden Flanke variiert wird.
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In der
WO 2004/102792 A1 ist ein System und ein Verfahren zur Rauschreduktion in einem digitalen Multi-Kanal-Audiosystem beschrieben.
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Aus der
US 20050157159 A1 ist eine Licht-Scan-Vorrichtung bekannt, die mehrere Pulsweitenmodulatoren aufweist.
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In der
DE 103 27 620 A1 ist ein System beschrieben, bei dem ein pulsweitenmoduliertes Signal als Rückkopplungssignal in einer digitalen Regelschleife genutzt wird.
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Die Erfindung hat zur Aufgabe, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Pulsweitenmodulation zur Verfügung zu stellen, mit denen die o. g. und/oder weitere Nachteile von herkömmlichen Vorrichtungen und Verfahren – zumindest teilweise – eliminiert bzw. vermieden werden können, insbesondere eine Vorrichtung und ein Verfahren, mit denen – bei relativ geringem Aufwand – die Pulsfrequenz eines pulsweiten-modulierten Signals verringert werden kann.
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Sie erreicht dieses und weitere Ziele durch den Gegenstand der unabhängigen Ansprüche.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Bevorzugt ist die Periodendauer (T) des ersten – herkömmlichen – pulsweiten-modulierten Puls-Signals (A) kleiner, als die Periodendauer (T') des zweiten Puls-Signals (B), z. B. halb so groß.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann bei der Erzeugung des Puls-Signals (B) aus dem ersten – herkömmlichen – pulsweiten-modulierten Puls-Signal (A) ein Puls des ersten pulsweiten-modulierten Puls-Signals (A) zeitlich gespiegelt werden.
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Vorteilhaft werden bei der Erzeugung eines Pulses des Puls-Signals (B) der zeitlich gespiegelte Puls des ersten pulsweiten-modulierten Puls-Signals (A) und der dem Puls des ersten pulsweiten-modulierten Puls-Signals (A) vorangehende oder darauffolgende – nicht gespiegelte – Puls verwendet.
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Durch die relativ große Periodendauer (T'), und somit die relativ kleine Pulsfrequenz des erzeugten Puls-Signals (B) kann der Leistungsverbrauch eines durch das Puls-Signal (B) angesteuerten Verstärkers – mit relativ wenig Aufwand – relativ klein gehalten werden.
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Vorteilhaft ist eine Einrichtung zum Rückführen eines erzeugten Puls-Signals (B) in einer Regelschleife vorgesehen, sowie eine Filtereinrichtung, und eine Quantisiereinrichtung zum Quantisieren eines von der Filtereinrichtung ausgegebenen Signals.
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Im folgenden wird die Erfindung anhand mehrerer Ausführungsbeispiele und der beigefügten Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigt:
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1 eine schematische, beispielhafte Darstellung des zeitlichen Verlaufs eines pulsweiten-modulierten Puls-Signals, welches gemäß einem herkömmlichen Verfahren zur Pulsweitenmodulation moduliert wurde, und eines pulsweiten-modulierten Puls-Signals, welches gemäß einem Ausführungsbeispiel eines Verfahrens zur Pulsweitenmodulation gemäß der vorliegenden Erfindung moduliert wurde; und
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2 ein schematisches, beispielhaftes Blockschaltbild eines PWM-Systems mit einer PWM-Mapper-Einrichtung, in welcher ein Verfahren zur Pulsweitenmodulation gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann.
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Im oberen Bereich von 1 ist der zeitliche Verlauf eines pulsweiten-modulierten Puls-Signals A gezeigt, welches gemäß einem herkömmlichen Verfahren zur Pulsweitenmodulation moduliert wurde.
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Wie aus 1 hervorgeht, weist das pulsweiten-modulierte Puls-Signal A – abhängig vom jeweils zu übertragenden digitalen Daten-Wert – jeweils unterschiedliche Pulsdauern bzw. Pulsweiten auf (beim in 1 gezeigten Beispiel zunächst eine Pulsweite t2, dann eine Pulsweite t5, daraufhin eine Pulsweite t3, als nächstes – wiederum – eine Pulsweite t5, etc., etc.).
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Jeder Pulsweite kann ein entsprechender digitaler – jeweils zu übertragender – Daten-Wert zugeordnet sein (z. B. einer ersten Pulsweite ein digitaler Daten-Wert „001”, einer zweiten Pulsweite t2 ein digitaler Daten-Wert „010”, einer dritten Pulsweite t3 ein digitaler Daten-Wert „011”, einer vierten Pulsweite ein digitaler Daten-Wert „100”, einer fünften Pulsweite t5 ein digitaler Daten-Wert „101”, etc., etc.).
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Wie weiter aus 1 hervorgeht, wird bei herkömmlichen Verfahren zur Pulsweitenmodulation jede Periode ein Puls erzeugt, und das zeitliche Auftreten der jeweils fallenden Flanken des Puls-Signals A variiert – die steigenden Flanken folgen in vorbestimmten, gleichbleibenden zeitlichen Abständen aufeinander, wobei der zeitliche Abstand zwischen zwei aufeinanderfolgenden steigenden Flanken jeweils der Dauer T einer Periode entspricht.
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Das in 1 gezeigte, gemäß einem herkömmlichen Verfahren zur Pulsweitenmodulation modulierte Puls-Signal A weist eine relativ kleine Periodendauer T, und somit eine relativ hohe Pulsfrequenz f auf.
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Im unteren Bereich von 1 ist der zeitliche Verlauf eines pulsweiten-modulierten Puls-Signals B gezeigt, welches gemäß einem Ausführungsbeispiel eines Verfahrens zur Pulsweitenmodulation gemäß der vorliegenden Erfindung moduliert wurde.
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Wie aus 1 hervorgeht, weist das pulsweiten-modulierte Puls-Signal B – abhängig von den jeweils zu übertragenden digitalen Daten-Werten, und wie im folgenden noch genauer erklärt wird – jeweils unterschiedliche Pulsdauern bzw. Pulsweiten auf.
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Entsprechend wie bei herkömmlichen Verfahren zur Pulsweitenmodulation wird – wie aus 1 hervorgeht – jede Periode ein Puls erzeugt.
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Allerdings wird – anders als bei herkömmlichen Verfahren zur Pulsweitenmodulation – nicht nur das zeitliche Auftreten der jeweils fallenden Flanken des Puls-Signals B variiert, sondern – zusätzlich – das zeitliche Auftreten der jeweils steigenden Flanken des Puls-Signals B (anders als bei herkommlichen Verfahren folgen somit weder die steigenden noch die fallenden Flanken in vorbestimmten, gleichbleibenden zeitlichen Abständen aufeinander).
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Den jeweils unterschiedlichen zeitlichen Abständen zwischen einer steigenden Flanke des Puls-Signals B, und der Perioden-Mitte M sind jeweils unterschiedliche digitale – jeweils zu übertragende – Daten-Werte zugeordnet (z. B. einem ersten zeitlichen Abstand zwischen steigender Flanke, und Perioden-Mitte M ein digitaler Daten-Wert „001”, einem zweiten zeitlichen Abstand t2' zwischen steigender Flanke, und Perioden-Mitte M ein digitaler Daten-Wert „010”, einem dritten zeitlichen Abstand t3' zwischen steigender Flanke, und Perioden-Mitte M ein digitaler Daten-Wert „011”, einem vierten zeitlichen Abstand zwischen steigender Flanke, und Perioden-Mitte M ein digitaler Daten-Wert „100”, einem fünften zeitlichen Abstand zwischen steigender Flanke, und Perioden-Mitte M ein digitaler Daten-Wert „101”, etc., etc.).
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Entsprechend sind den jeweils unterschiedlichen zeitlichen Abstanden zwischen der Perioden-Mitte M, und einer fallenden Flanke des Puls-Signals B – ebenfalls – jeweils unterschiedliche digitale, jeweils zu übertragende Daten-Werte zugeordnet (z. B. einem ersten zeitlichen Abstand zwischen Perioden-Mitte M, und fallender Flanke ein digitaler Daten-Wert „001”, einem zweiten zeitlichen Abstand t2' zwischen Perioden-Mitte M, und fallender Flanke ein digitaler Daten-Wert „010”, einem dritten zeitlichen Abstand t3' zwischen Perioden-Mitte M, und fallender Flanke ein digitaler Daten-Wert „011”, einem vierten zeitlichen Abstand zwischen Perioden-Mitte M, und fallender Flanke ein digitaler Daten-Wert „100”, einem fünften zeitlichen Abstand t5' zwischen Perioden-Mitte M, und fallender Flanke ein digitaler Daten-Wert „101”, etc., etc.).
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Der zeitliche Abstand zwischen zwei aufeinanderfolgenden Perioden-Mitten M entspricht der Dauer T' einer Periode.
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Bei dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel wird zunächst ein Puls übertragen, bei dem die steigende Flanke einen zeitlichen Abstand t2' zur Perioden-Mitte M aufweist, und die fallende Flanke einen zeitlichen Abstand t5' (d. h. z. B. die den jeweiligen zeitlichen Abständen t2' bzw. t5' zugeordneten digitalen Daten-Werte „010”, und „110”).
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Die (Gesamt-)Pulsweite des (ersten) Pulses beträgt dann tges, 1 = t2' + t5'.
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Daraufhin wird ein (zweiter) Puls übertragen, bei dem die steigende Flanke einen zeitlichen Abstand t3' zur Perioden-Mitte M aufweist, und die fallende Flanke einen zeitlichen Abstand t5' (d. h. z. B. die den jeweiligen zeitlichen Abständen t3' bzw. t5' zugeordneten digitalen Daten-Werte „011”, und „110”).
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Die (Gesamt-)Pulsweite des (zweiten) Pulses beträgt dann tges, 2 = t2' + t5'.
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Wie aus 1 hervorgeht, weist das – gemäß einem Ausführungsbeispiel eines Verfahrens zur Pulsweitenmodulation gemäß der vorliegenden Erfindung modulierte, im unteren Bereich von 1 gezeigte – Puls-Signal B eine relativ große Periodendauer T', und somit eine relativ kleine Pulsfrequenz f' auf (insbesondere eine doppelt so große Periodendauer T', bzw. eine halb so große Pulsfrequenz f', wie ein entsprechendes – gemäß einem herkömmlichen Verfahren zur Pulsweitenmodulation modulierte, im oberen Bereich von 1 gezeigte – Puls-Signal A).
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Zur Erzeugung des – gemäß einem Ausführungsbeispiel eines Verfahrens zur Pulsweitenmodulation gemäß der vorliegenden Erfindung modulierten, im unteren Bereich von 1 gezeigten – Puls-Signals B kann z. B. – beispielsweise durch eine entsprechende in 2 gezeigte PWM-Mapper-Einrichtung 15 – zunächst unter Verwendung eines herkömmlichen Pulsweitenmodulations-Verfahren das im oberen Bereich von 1 gezeigte – herkömmliche – pulsweiten-modulierte Puls-Signal A erzeugt werden.
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Daraufhin kann jeder zweite Puls des – auf herkömmliche Weise erzeugten – pulsweiten-modulierten Puls-Signals A einer zeitlichen Spiegelung unterzogen werden.
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Auf diese Weise wird z. B. aus dem ersten Puls des pulsweiten-modulierten Puls-Signals A – dessen fallende Flanke einen zeitlichen Abstand t2 zum Beginn der ersten Periode des Puls-Signals A aufweist (Pulsweite t2) ein – zeitlich gespiegelter – Puls erzeugt, der eine steigende Flanke aufweist, deren zeitlicher Abstand t2' zum Ende der ersten Periode des Puls-Signals A dem zeitlichen Abstand t2 des ersten Pulses des pulsweiten-modulierten Puls-Signals A zum Beginn der ersten Periode des Puls-Signals A entspricht.
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Entsprechend wird z. B. aus dem dritten Puls des pulsweiten-modulierten Puls-Signals A – dessen fallende Flanke einen zeitlichen Abstand t3 zum Beginn der dritten Periode des Puls-Signals A aufweist (Pulsweite t3) ein – zeitlich gespiegelter – Puls erzeugt, der eine steigende Flanke aufweist, deren zeitlicher Abstand t3' zum Ende der dritten Periode des Puls-Signals A dem zeitlichen Abstand t3 des dritten Pulses des pulsweiten-modulierten Puls-Signals A zum Beginn der dritten Periode des Puls-Signals A entspricht, etc., etc.
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Zur Erzeugung eines Pulses des – gemäß einem Ausführungsbeispiel eines Verfahrens zur Pulsweitenmodulation gemäß der vorliegenden Erfindung modulierten, im unteren Bereich von 1 gezeigten – Puls-Signals B wird jeweils ein auf die o. g. Weise erzeugter – zeitlich gespiegelter – Puls des – herkömmlichen – pulsweiten-modulierten Puls-Signals A verwendet, und ein darauffolgender (oder alternativ: vorangehender) – nicht-gespiegelter – Puls des – herkömmlichen – Puls-Signals A.
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Der jeweilige – gespiegelte – und der jeweilige darauffolgende (oder vorangehende) – nicht-gespiegelte – Puls werden lückenlos zu einem entsprechenden Puls des – gemäß einem Ausführungsbeispiel eines Verfahrens zur Pulsweitenmodulation gemäß der vorliegenden Erfindung modulierten, im unteren Bereich von 1 gezeigten – Puls-Signals B zusammengesetzt (z. B. ein aus dem ersten Puls des – herkömmlichen – Puls-Signals A gewonnener, gespiegelter Puls, und der darauffolgende – ungespiegelte – zweite Puls des – herkömmlichen – Puls-Signals A zu einem ersten Puls des Puls-Signals B; ein aus dem dritten Puls des – herkömmlichen – Puls-Signals A gewonnener, gespiegelter Puls, und der darauffolgende – ungespiegelte – vierte Puls des – herkömmlichen – Puls-Signals A zu einem zweiten Puls des Puls-Signals B, etc., etc.).
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In 2 ist ein schematisches, beispielhaftes Blockschaltbild eines PWM-Systems 12 mit einer PWM-Mapper-Einrichtung 15 gezeigt, in welcher ein Verfahren zur Pulsweitenmodulation gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann.
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Wie aus 2 hervorgeht, kann in dem PWM-System 12 – optional – eine Interpolationseinrichtung 10, z. B. ein Interpolationsfilter vorgesehen sein, mit welcher ein digitales Eingangssignal 1 in ein digitales Schleifeneingangssignal 10' verarbeitet wird.
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Das digitale Schleifeneingangssignal 10' wird einem Summationselement 21 zugeführt.
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Mit Hilfe des Summationselements 21 wird von dem digitalen Schleifeneingangssignal 10' ein Schleifen-Rückführ-Signal 20 subtrahiert, und das sich ergebende Signal 10'' einer Filtereinrichtung 11 zugeführt.
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Die Filtereinrichtung 11 wird mit einer Filterabtastrate fSF betrieben, und gibt ein Filterausgangssignal 11' aus, welches einer Quantisiereinrichtung 13 zugeführt wird.
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Mit Hilfe der Filtereinrichtung 11 und der Quantisiereinrichtung 13 wird ein modifizierter Sigma-Delta-Modulator gebildet.
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Durch die Quantisiereinrichtung 13 wird das Filterausgangssignal 11' am Ausgang der Filtereinrichtung 11 in der Amplitude quantisiert.
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Die Quantisiereinrichtung 13 wird im Vergleich zur Filtereinrichtung 11 mit einer eigenständigen Quantisierabtastrate fQ betrieben.
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Ein Ausgangssignal 13' der Quantisiereinrichtung 13 wird durch die – oben erwähnte – PWM-Mapper-Einrichtung 15, und auf die oben erläuterte Weise in ein – gemäß einem Ausführungsbeispiel eines Verfahrens zur Pulsweitenmodulation gemäß der vorliegenden Erfindung moduliertes – Puls-Signal 15' umgewandelt (insbesondere in ein im unteren Bereich von 1 gezeigtes pulsweiten-moduliertes Puls-Signal B, bei welchem – wie oben erläutert – das zeitliche Auftreten sowohl der jeweils steigenden als auch der jeweils fallenden Flanken variiert wird).
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Wie bereits erwähnt, arbeitet die Quantisiereinrichtung 13 mit einer anderen Abtastrate fQ, als die Filtereinrichtung 11.
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Das Verhältnis zwischen der Abtastrate fSF der Filtereinrichtung 11 und der Abtastrate fQ der Quantisiereinrichtung 13 ergibt sich aus der Auflösung des durch die PWM-Mapper-Einrichtung 15 erzeugten Puls-Signals 15' bzw. B zu 2N = fSF/fQ (wobei N der Anzahl der Bits der Quantisiereinrichtung 13 entspricht, bzw. 2N der Anzahl der möglichen zeitlichen Abstände t2', t3', t5', etc. zwischen steigenden bzw. fallenden Flanken des Puls-Signals 15' bzw. B, und der Perioden-Mitte M (vgl. auch 1, unterer Bereich)).
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Wie aus 2 hervorgeht, wird das durch die PWM-Mapper-Einrichtung 15 erzeugte Puls-Signal 15' in negierter Form dem o. g. Summationselement 21 zugeführt (d. h. dient als Schleifen-Rückführ-Signal 20 der – die Filtereinrichtung 11, die Quantisiereinrichtung 13 und die PWM-Mapper-Einrichtung 15 aufweisenden – Regelschleife 17).
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Des weiteren kann das durch die PWM-Mapper-Einrichtung 15 erzeugte Puls-Signal 15' einer nachgelagerten (nicht dargestellten) Verstärkereinrichtung zugeführt werden, z. B. einem Class-D-Verstärker, und daraufhin einer Post-Filter-Einrichtung 16, die ein entsprechendes Ausgangssignal 16' erzeugt.
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Durch die – wie erläutert – relativ große Periodendauer T', und somit die relativ kleine Pulsfrequenz f' des durch die PWM-Mapper-Einrichtung 15 erzeugten Puls-Signals 15' bzw. B kann der Leistungsverbrauch der durch das Puls-Signal 15' bzw. B angesteuerten Verstärkereinrichtung – mit relativ wenig Aufwand – relativ klein gehalten werden.
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Mit Hilfe der Regelschleife 17 kann eine Verringerung von durch das Zusammenführen von jeweils einem gespiegelten und einem nicht-gespiegelten Puls in der PWM-Mapper-Einrichtung 15 hervorgerufenen Signal-Verzerrungen erreicht werden.
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Statt in der in
2 gezeigten PWM-Mapper-Einrichtung
15 kann das oben erläuterte Verfahren zur Pulsweitenmodulation gemäß der vorliegenden Erfindung in beliebigen weiteren PWM-Mapper-Einrichtungen verwendet werden, und/oder in beliebigen weiteren PWM-Systemen, z. B. in den in der
DE 103 50 336.6 bzw.
US 2005/0146388 A1 , Infineon Technologies, Erfinder: Ch. Braun beschriebenen PWM-Mapper-Einrichtungen und/oder PWM-Systemen, etc., etc.
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Bezugszeichenliste
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- A
- pulsweiten-moduliertes Puls-Signal
- B
- pulsweiten-moduliertes Puls-Signal
- M
- Perioden-Mitte
- T
- Periodendauer
- T'
- Periodendauer
- 1
- Eingangssignal
- 10
- Interpolationseinrichtung
- 10'
- Schleifeneingangssignal
- 10''
- Signal
- 11
- Filtereinrichtung
- 11'
- Filterausgangssignal
- 12
- PWM-System
- 13
- Quantisiereinrichtung
- 13'
- Quantisiereinrichtungs-Ausgangssignal
- 15
- PWM-Mapper-Einrichtung
- 15'
- Puls-Signal
- 16
- Post-Filter-Einrichtung
- 16'
- Ausgangssignal
- 17
- Regelschleife
- 20
- Schleifen-Rückführ-Signal
- 21
- Summationselement
