DE102014014680B4

DE102014014680B4 - Verfahren zur Erzeugung von PWM-modulierten Signalen für die Versorgung von LEDs für die Beleuchtung in Kfz

Info

Publication number: DE102014014680B4
Application number: DE102014014680.4A
Authority: DE
Inventors: Christian Schmitz; Bernd Burchard
Original assignee: Elmos Semiconductor SE
Current assignee: Elmos Semiconductor SE
Priority date: 2014-09-29
Filing date: 2014-09-29
Publication date: 2020-08-06
Anticipated expiration: 2034-09-30
Also published as: DE102014014680A1

Abstract

Verfahren zur Erzeugung eines PWM-Spreiz-Code modulierten PWM-Ausgangssignals (PWM) basierend auf n PWM-Spreiz-Codes, mit n als einer positiven, ganzen Zahl und n>1, und einer Spreiz-Code-Sequenz von m aufeinander folgenden PWM-Spreiz-Codes dieser n PWM-Spreiz-Codes , mit m als einer positiven, ganzen Zahl und m≥1 und einer Spreiz-Code-Periode (T), zur Erzeugung eines optimierten PWM Spektrums des PWM-Ausgangssignals (PWM), umfassend die Schrittea. Erzeugen eines ersten PWM-Signals (PWM) mit einer PWM-Periode und einer PWM-Periodendauer (T) und einem Duty-Cycle (f) undb. Erzeugen von von n-1, weiteren PWM-Signalen (PWM, zweites PWM-Signal bis PWM, n-tes-PWM-Signal) durch jeweilige Verzögerung des ersten PWM-Signals (PWM) und/oder Erzeugung eines jeweils verzögerten ersten PWM-Signals (PWM) undi. wobei jedes so erzeugte i-te PWM-Signal (PWM) mit 1<i≤n ein gegenüber dem ersten Signal (PWM) um einen zeitlichen i-ten Offset (T) gegenüber dem ersten PWM-Signal (PWM) verzögert ist undii. wobei jedes der n PWM-Signale (PWMbis PWM) einen der n PWM-Spreiz-Codes repräsentiert.c. Auswählen eines k-ten PWM-Signals (PWM) als aktuelles PWM-Spreiz-Code-Signal aus den n PWM-Signalen (PWMbis PWM) in Abhängigkeit von einem Auswahlsignal (PWM).d. Aufteilung einer PWM-Periode der PWM-Periodenlänge (T) in Zeitschlitze (SLbis SL) insbesondere durch einen Verwürfler (SCR) unde. Bildung von n verwürfelten PWM-Signalen (PWM' bis PWM'), durch Vertauschung (Verwürfelung) von Signalabschnitten der PWM-Signale (PWMbis PWM) jeweils eines Zeitschlitzes der Zeitschlitze (SLbis SL) untereinander insbesondere durch einen Verwürfler (SCR).

Description

Einleitung
Die vorliegende Anmeldung nimmt Bezug auf die deutsche Voranmeldung DE 10 2013 016 386 A1 vom 30. September 2013, deren Inhalte hiermit vollständig zum Gegenstand der vorliegenden Anmeldung gemacht werden.
In der besagten deutschen Voranmeldung DE 10 2013 016 386 A1 ist unter anderem beschrieben, dass eine Modulation der Ansteuerung von Verbrauchern mit Hilfe von Spreiz-Codes erfolgen kann, die vordefiniert werden und zeitlich nacheinander ein Schaltelement (M) mit Hilfe eines PWM-Ausgangssignals (PWMout) bzw. eines PDM-Ausgangssignals (PDMout) ansteuern. Das in der Voranmeldung DE 10 2013 016 386 A1 beschriebene Verfahren hat den Vorteil, dass die Spektren des PWM-Ausgangssignals (PWMout) bzw. des PDM-Ausgangssignals (PDMout) gut kontrolliert werden können. Der Nachteil des Verfahrens besteht in dem immensen Speicherplatz, den die Spreiz-Codes benötigen um für alle dort definierten Füllfaktoren vorhalten zu können, wenn die PWM- bzw. PDM Auflösung mehr als 4 Bit betragen soll. Wie leicht zu verstehen ist, steigt der Speicherbedarf mit der 1-ten Potenz von 2, wenn die Auflösung 1 Bit betragen soll. Aus der JP 2003 153 526 A ist ein Verfahren zur kombinierten PWM-Puls-Positions-Modulations bekannt, bei der ein PWM-Signal mit einem vorgegebenen Duty-Cycle durch Verzögerungseinheiten in n PWM-Signal transformiert wird, die sich durch eine Phasenverschiebung untereinander unterscheiden. Durch eine Selektionsvorrichtung wird nun jeweils eines dieser Signale zufällig ausgewählt. Die hierbei auftretende Spreizung der Frequenzspitzen ist jedoch nicht immer ausreichend.
Aufgabe der Erfindung
Es ist daher die Aufgabe der hier beschriebenen Erfindung ,ein vereinfachtes Verfahren zur Erzeugung von zwei oder mehr PWM-Spreiz-Codes bzw. PWM-Spreiz-Code-Signalen für die PWM-Modulation bzw. von zwei oder mehr PDM-Spreiz-Codes bzw. PDM-Spreiz-Code-Signalen für die PDM-Modulation anzugeben, die ein möglichst flaches Spektrum erzeugen und wenige Peaks im Spektrum ergeben, sodass das Vorhalten deiner Code-Tabelle (CTAB) wie in der Offenbarung DE 10 2013 016 386 A1 entfallen kann Diese Aufgabe wird durch Verfahren dem Anspruch 1 gelöst.
Beschreibung der Erfindung
Bei der Untersuchung von geeigneten PWM-Spreiz-Codes für eine Anwendung der in der deutschen Patentanmeldung DE 10 2013 016 386 A1 beschrieben Technik auf die Puls-Weiten-Modulation (PWM) hat sich gezeigt, dass einige PWM-Spreiz-Codes besser geeignet sind als andere, um das Spektrum zu optimieren. Das gleiche gilt für die Anwendung der in der deutschen Patentanmeldung DE 10 2013 016 386 A1 beschrieben Technik auf die Pulsdichtemodulation (PDM).
Der Offenbarungsgehalt und technische Inhalt der Anmeldung DE 10 2013 016 386 A1 ist vollumfänglicher Bestandteil dieser Anmeldung und wird hier als Teil der Beschreibung dieser Offenbarung vorausgesetzt. Für den beanspruchten Umfang sind die Ansprüche maßgeblich. Die Beschreibung dient nur der Erläuterung.
Die Beschreibung geht in einem ersten Teil zunächst auf die Erzeugung optimaler PWM-Spreiz-Codes für die Puls-Weiten Modulation (PWM-Modulation) ein, da dies für den Leser einfacher nachzuvollziehen ist.
In einem zweiten Teil geht die Beschreibung auf die Erzeugung von PDM-Spreiz-Codes für die Puls-Dichte-Modulation (PDM-Modulation) und deren Verwendung ein.
Die Aussagen beider Teile beziehen sich jedoch auf die PDM- und PWM-Modulation gleichzeitig und können durch sinngemäße Übertragung angewendet werden.
Erster Teil: Erzeugung von PWM-Spreiz-Codes und deren Anwendung
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass gute PWM-Spreiz-Codes, das sind solche PWM-Spreiz-Codes, die ein sehr flaches Spektrum mit wenigen Spikes erzeugen, gewisse Symmetrien aufweisen.
Hierbei hat es sich gezeigt, dass im einfachsten Fall zwei PWM-Spreiz-Code-Signale (PWM₁, PWM₂) erzeugt werden, die jedes für sich ein normales PWM-Signal mit der gemeinsamen vorgegebenen PWM-Periode T_PWM sind. Diese beiden PWM-Signale, das erste PWM-Signal (PWM₁) und das zweite PWM-Signal (PWM₂), weisen vorzugsweise den gleichen Füllfaktor auf, was bedeutet, dass ihr Duty-Cycle (fc_ycle), typischerweise in % angegeben, gleich ist. Typischerweise wird das erste PWM-Signal (PWM₁) durch einen ersten PWM-Signalgenerator (PWMG₁) und das zweite PWM-Signal (PWM₂) durch einen zweiten PWM-Signalgenerator (PWMG₂) erzeugt. Die beiden PWM-Signale (PWM₁, PWM₂) haben dabei vorzugsweise eine feste Phasenverschiebung zueinander. Die Periode des zweiten PWM-Signals (PWM₂) ist dabei um eine Zeit, einen zweiten Offset (T_{off_2}) gegenüber dem ersten PWM-Signal (PWM₁) verschoben. Vorzugsweise sind die beiden PWM-Signale (PWM₁, PWM₂) ansonsten gleich gewählt. Durch eine zeitliche Verschiebung um den besagten zweiten Offset (T_{off_2}) kann somit das erste PWM-Signal (PWM₁) auf das zweite PWM-Signal (PWM₂) abgebildet werden. Durch Umschalten zwischen diesen beiden PWM-Signalen (PWM₁ und PWM₂) beispielsweise mittels eines Multiplexers (MUX) als Auswahlvorrichtung kann dann das PWM-Ausgangssignal (PWM_out) gebildet werden. Dabei wird die Auswahlvorrichtung (MUX) durch ein Auswahlsignal (PWMseiect) gesteuert, auf dessen Natur später genauer eingegangen werden wird. Zunächst soll vereinfachend angenommen werden, dass die Auswahl zufällig erfolgt.
Es hat sich im Rahmen der Untersuchungen, die zu der Erfindung führten, gezeigt, dass eine Verzögerung des zweiten PWM-Signals (PWM₂) gegenüber dem ersten PWM-Signal (PWM₁) um die halbe PWM-Periodendauer (T_PWM) zu einem besonders günstigen Spektrum des PWM-Ausgangssignals (PWM_out) führt.
Das der Erfindung zugrunde liegende Verfahren zur Erzeugung von zwei, PWM-Spreiz-Codes, den PWM-Signalen (PWM₁, PWM₂) zur Erzeugung eines PWM-Ausgangssignals (PWMout) mit einem optimierten PWM Spektrum und mit einem vorgegebenen PWM-Duty-Cycle (fc_ycle), umfasst somit die Schritte

(1) Erzeugen eines ersten PWM-Signals (PWM₁) mit einer PWM-Periodendauer (T_PWM) und dem PWM-Duty-Cycle (f_cycle) und
(2) Erzeugen eines zweiten PWM-Signals (PWM₂) durch Verzögerung des ersten PWM-Signals (PWM₁) beispielsweise in einer Verzögerungsstrecke (ΔT, ΔT₂) um vorzugsweise die Hälfte der PWM-Periode (T_PWM) wobei jedes der beiden erzeugten PWM-Signale (PWM₁, PWM₂) je einen der beiden erzeugten PWM-Spreiz-Codes als erstes bzw. zweites PWM-Spreiz-Code-Signal repräsentiert.

Das Verfahren kann natürlich auf n PWM-Spreiz-Codes verallgemeinert werden, wobei n eine positive ganze Zahl größer 1 ist.
Hierbei hat es sich gezeigt, dass im diesem allgemeineren Fall n PWM-Spreiz-Code-Signale (PWM₁ bis PWM_n) erzeugt werden, die jedes für sich wieder ein normales PWM-Signal mit der gemeinsamen vorgegebenen PWM-Periode T_PWM sind. Diese n PWM-Signale, das erste PWM-Signal (PWM₁) bis zum n-ten PWM-Signal (PWM_n), weisen vorzugsweise wieder den gleichen Füllfaktor auf, was bedeutet, dass ihr Duty-Cycle (fc_ycle), typischerweise in % angegeben, gleich ist. Typischerweise wird das erste PWM-Signal (PWM₁) durch einen ersten PWM-Signalgenerator (PWMG₁) und die n-1 weiteren PWM-Signale (PWM₂ bis PWM_n) durch weitere PWM-Signalgeneratoren (PWMG₂ bis PWMG_n) erzeugt. Die n PWM-Signale haben dabei wieder vorzugsweise eine feste zeitliche Phasenverschiebung zueinander. Die Periode des eines i-ten PWM-Signals (PWM₁) mit 2≤i≤n, das jeweils eines der n-1 weiteren PWM-Signale (PWM₂ bis PWM_n) ist, ist dabei um eine Zeit, einen i-ten Offset (T_{off_i}), gegenüber dem ersten PWM-Signal (PWM₁) verschoben. Vorzugsweise sind alle n PWM-Signale (PWM₁ bis PWM_n) ansonsten gleich gewählt. Durch eine zeitliche Verschiebung um den besagten i-ten Offset (T_{off_}i) kann somit ein i-tes PWM-Signal (PWM₁) auf das erste PWM-Signal (PWM₁) abgebildet werden. Durch Umschalten zwischen diesen n PWM-Signalen (PWM₁ bis PWM_n) beispielsweise mittels eines n zu 1 Multiplexers (MUX) als Auswahlvorrichtung kann dann nun wieder das PWM-Ausgangssignal (PWMout) gebildet werden. Dabei wird die Auswahlvorrichtung (MUX) durch wieder durch das Auswahlsignal (PWMseiect) gesteuert, auf dessen Natur später genauer eingegangen werden wird. Zunächst soll auch hier vereinfachend angenommen werden, dass die Auswahl zufällig erfolgt.
Es hat sich im Rahmen der Untersuchungen, die zu der Erfindung führten gezeigt, dass eine Verzögerung eines i-ten PWM-Signals (PWM₁) gegenüber dem ersten PWM-Signal (PWM₁) um eine Zeit, die (i-1)/n der PWM-Periodendauer (T_PWM) beträgt, zu einem besonders günstigen Spektrum des PWM-Ausgangssignals (PWMout) führt.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist dann ein Verfahren zur Erzeugung von n PWM-Spreiz-Codes, mit n als einer positiven, ganzen Zahl und n>1, zur Erzeugung eines PWM-Ausgangssignals (PWM_out) mit einem optimierten PWM Spektrum und mit einem vorgegebenen PWM-Duty-Cycle (f_cycle). Es umfasst dann die Schritte

(1) Erzeugen eines ersten PWM-Signals (PWM₁) mit einer PWM-Periodendauer (T_PWM) und dem PWM-Duty-Cycle (f_cycle) und
(2) Erzeugen von n-1 weiteren PWM-Signalen (PWM₂, zweites PWM-Signal bis PWM_n, n-tes-PWM-Signal), mit n als ganzer positiver Zahl und n>1, vorzugsweise durch Verzögerung in n-1 Verzögerungsstrecken (ΔT₂ bis ΔT_n) um vorzugsweise jeweils (i-1)/n der PWM-Periode (T_PWM), wobei i die Nummer des i-ten PWM-Signals (PWM₁) repräsentiert, aus diesen n-1 PWM-Signalen (PWM₂ bis PWM_n) wobei jedes der beiden erzeugten n PWM-Signale (PWM₁ bis PWM_n) je einen der n erzeugten PWM-Spreiz-Codes als erstes bis n-tes PWM-Spreiz-Code-Signal repräsentiert.

Diese Erzeugung kann wieder zum Ersten beispielsweise durch Verzögerung des ersten PWM-Signals (PWM₁) in n-1 Verzögerungsvorrichtungen (ΔT₂ bis ΔT_n) erfolgen. Dabei wird jedes der n-1 PWM-Signale typischerweise anders verzögert. Wir sprechen im Folgenden vom i-ten PWM-Signal (PWM_i), wenn wir eines der weiteren PWM-Signale (PWM₂ bis PWM_n) meinen. Somit wird jedes i-te PWM-Signal (PWM₁) mit 1<i≤n, sofern erzeugt, gegenüber dem ersten PWM-Signal (PWM₁) um einen zeitlichen i-ten Offset (Toff_i), der spezifisch für das jeweilige i-te PWM-Signal (PWM₁) ist, gegenüber dem ersten PWM-Signal (PWM₁) verzögert. Dabei repräsentiert jedes der erzeugten n PWM-Signale (PWM₁ bis PWM_n) einen der erzeugten n PWM-Spreiz-Codes und in Form von n PWM-Spreiz-Code-Signalen.
Um nun aus den dermaßen definierten PWM-Spreiz-Code-Signalen, den n PWM-Signalen (PWM₁ bis PWMn) ein PWM-Ausgangssignal (PWMout) zu erzeugen, wählt eine Auswahleinrichtung, typischerweise ein n zu 1 Multiplexer (MUX), eines der n PWM-Signale (PWM₁ bis PWM_n) als k-tes PWM-Signal (PWMk) aus, dass dann zum PWM-Ausgangssignal (PWM_out) mittels eine Ausgangsstufe (PA) umgewandelt wird. Diese Ausgangsstufe (PA) passt dabei Pegel und ggf. Signalform so an, dass das sich ergebende PWM-Ausgangssignal (PWM_out) für eine folgende Schaltvorrichtung (M) geeignet ist. an. Typischerweise handelt es sich um ein Schaltvorrichtung (M), die mittels des k-ten PWM-Signals (PWM_k) beispielsweise „an“ und „aus“ geschaltet wird.
Vorzugsweise erfolgt die Auswahl des k-ten PWM-Signals (PWM_k) aus den n PWM-Signalen (PWM₁ bis PWM_n) als aktuelles PWM-Spreiz-Code-Signal zu Beginn einer PWM-Periode des ersten PWM-Signals (PWM₁). Ebenso vorzugsweise wird der PWM-Spreiz-Code während einer PWM-Periode mit einer PWM-Periodendauer T_PWM nicht geändert. Das bedeutet, dass der nächste Wechsel frühestens nach einer PWM-Periodendauer (T_PWM) oder einem ganzzahligen positiven Mehrfachen davon erfolgt. Der Faktor ist im Folgenden mit m bezeichnet.
Die auf eine erste Auswahl eines PWM-Signals (PWM₁ bis PWM_n) als PWM-Spreiz-Code in Form des aktuellen Spreiz-Code-Signals, dem k-ten PWM-Signal (PWM_k), folgende zweite, nächste Auswahl eines PWM-Spreiz-Codes erfolgt somit vorzugsweise zu Beginn einer PWM-Periode des ersten PWM-Signals (PWM₁) nach m PWM-Perioden (T_PWM), mit m als ganzer positiver Zahl.
Die erste Auswahl des Spreiz-Code-Signals aus den PWM-Signalen (PWM₁ bis PWM_n) erfolgt zu einem ersten Spreiz-Code-Auswahlzeitpunkt (Tscsi), der typischerweise ein Zeitpunkt zu Beginn einer PWM-Periode des ersten PWM-Signals (PWM₁) ist. Die folgende nächste Auswahl eines PWM-Spreiz-Codes erfolgt dann zu einem unmittelbar folgenden zweiten Spreiz-Code-Auswahlzeitpunkt (T_SCS2) zu Beginn einer PWM-Periode des ersten PWM-Signals (PWM1), die nach m PWM-Perioden (T_PWM) auf den ersten Auswahlzeitpunkt (TSCS₁) folgt.
Die Steuerung der Auswahl durch die Auswahleinrichtung (MUX) erfolgt in Abhängigkeit von dem Auswahlsignal (PWMseiect). Typischerweise handelt es sich hierbei um ein analoges und bevorzugt um ein digitales Einzel- bzw. Bus-Signal, das die Auswahleinrichtung (MUX) steuert. Dieses Auswahlsignal (PWMseiect) kann beispielsweise ein Zufallssignal oder ein Pseudozufallssignal oder ein Signal sein, das von einem endlichen Automaten analog und/oder digital erzeugt wird.
Die folgenden zwei Absätze können nicht auf die Puls-Dichte-Modulation übertragen werden, während die vorausgegangenen Aussagen übertragbar waren.
Typischerweise beruhen bei der PWM-Modulation die PWM-Signale (PWM₁ bis PWM_n) auf PWM-Pulsen, die eine vorbestimmte Pulsbreite (T_puls) besitzen wobei typischerweise gilt: f_cycle=T_Puls/T_PWM.
Dabei wird die Pulsbreite (T_puls) der PWM-Signale (PWM₁ bis PWM_n) typischerweise einseitig und/oder zweiseitig in Abhängigkeit vom Duty-Cycle (f_cycle) moduliert. Eine einseitige Modulierung bedeutet, dass sich die Position einer Flanke des Pulses eines PWM-Signals (PWM₁ bis PWM_n) in Abhängigkeit vom vorgegebenen Duty-Cycle (f_cycle) verändert während die andere Flanke von PWM-Periode zu PWM-Periode stets den gleichen Abstand T_PWM aufweist. Bei einer zweiseitigen PWM-Modulation werden beide Flanken verändert und nur ein Punkt innerhalb des Pulses des PWM-Signals hat stets den konstanten Abstand der PWM-Periode (T_PWM).
Das im vorher gehenden Abschnitt Beschriebene ist nicht für die Puls-Dichtmodulation relevant. Das Folgende kann wieder analog auf die Puls-Dichte-Modulation ebenfalls angewandt werden.
Es ist offensichtlich, dass es günstig ist, wenn jedes der PWM-Signale (PWM₁ bis PWM_n) durch je einen PWM-Generator (PWMG₁ bis PWMG_n) erzeugt wird. In vielen Fällen können alle diese PWM-Generatoren (PWMG₁ bis PWMG_n) durch einen einzigen PWM-Generator gebildet werden. Auch kann ein Prozessor ein Programm ausführen, dass diese PWM-Signale (PWM₁ bis PWM_n) mit Hilfe der Hardware erzeugt.
Die weiteren PWM-Signale (PWM₂ bis PWM_n) können durch n Verzögerungsstrecken (ΔT₂ bis ΔT_n) aus einem ersten PWM-Signal (PWM₁) erzeugt werden. Typischerweise können n-1 gleichartige Verzögerungsstrecken (ΔT) hintereinander geschaltet werden, wodurch an deren n-1 Ausgängen die benötigten n-1 weiteren PWM-Signale (PWM₂ bis PWM_n) erzeugt werden.
Natürlich ist es auch denkbar, die eines oder mehrere oder alle der weiteren PWM-Signale (PWM₂ bis PWM_n) autonom mittels eines oder mehrerer weiterer PWM-Signalgeneratoren (PWMG₂ bis PWMG_n) zu erzeugen, wobei die weiteren PWM-Signalgeneratoren (PWMG₂ bis PWMG_n) mit dem ersten PWM-Signalgenerator (PWMG₁) synchronisiert werden.
Im Ergebnis erhält man wieder die n-1 weiteren PWM-Signale (PWM₂ bis PWM_n), die gegenüber dem ersten PWM-Signal (PWM₁) um jeweils einen spezifischen zeitlichen i-ten Offset (T_{off_i}) gegenüber dem ersten PWM-Signal (PWM1) verzögert sind, wobei i hier für die jeweilige Nummer des weiteren PWM-Signals (PWM₂ bis PWM_n) steht, dessen Verzögerung gerade betrachtet wird.
Wie bereits besprochen, ist es besonders günstig, wenn gilt: $T_{off_i} = T_{PWM} * (i - 1) / n$
A11 diese n PWM-Signale (PWM₁ bis PWM_n) stellen dabei stets jedes für sich einen der n, PWM-Spreiz-Codes dar.
Es hat sich erwiesen, dass es in manchen Fällen sinnvoll ist, erst mehrere Spreiz-Code-Perioden (T_PWM) verstreichen zu lassen, bevor das Auswahlsignal (PWMseiect) einen anderen PWM-Spreiz-Code in Form eines anderen aktuellen Spreiz-Code-Signals (PWM_k) mittels der Auswahleinrichtung (MUX) auswählt. Es ist daher besonders bevorzugt, wenn das Spreiz-Code-Auswahlsignal (PWM_select) eine Periodizität mit einer Spreiz-Code-Periode (T_select) dahingehend aufweist, dass sein Wert sich nur zu Zeitpunkten, die ein vielfaches, beispielsweise ein m-faches der PWM-Periode, sind, ändern kann. Für diese Spreiz-Code-Periode (T_select) gilt also typischerweise: $T_{select} = {m*T}_{PWM}$
Wobei m eine ganze positive Zahl größer oder gleich 1 ist.
Die Auswahlvorrichtung (MUX) wählt also ein k-tes PWM-Signal (PWM_k) als aktuelles Spreiz-Code-Signal aus den erzeugten n PWM-Signalen (PWM₁ bis PWM_n) in Abhängigkeit von einem Auswahlsignal (PWMseiect) als PWM-Ausgangssignal (PWM_out) typischerweise in einem zeitlichen Abstand von m mal der PWM-Perioden-Dauer (T_PWM.) aus und erzeugt daraus für die nächste Auswahlperiode von einer Dauer von m mal der PWM-Periode (T_PWM) das besagte PWM-Ausgangssignal (PWM_out).
Diese zeitliche Vorgange wird vorzugsweise durch eine Steuerung (CTR) realisiert, die mit typischerweise einem der PWM-Signalgeneratoren (PWMG₁ bis PWMG_n), insbesondere dem ersten PWM-Signalgenerator (PWMG1), synchronisiert ist und die die Auswahl des k-ten PWM-Signals (PWM_k) als aktuellen PWM-Spreiz-Code durch das Auswahlsignal (PWMseiect) zumindest für einen Zeitraum nur zu Beginn einer PWM-Periode des ersten PWM-Signals (PWM₁) zulässt und während einer PWM-Periodendauer (T_PWM) von Beginn der PWM-Periode bis zu deren Ende und während der Spreiz-Code-Periode (T_select) eine Änderung des aktuellen Spreiz-Code-Signals (PWM_k) unterbindet. Somit wird, wie bereits erläutert, eine Spreiz-Code-Änderung für ein m-faches einer PWM-Periode (T_PWM), nämlich der Spreiz-Code-Periode (T_select), unterdrückt.
Natürlich kann auch das Auswahlsignal (PWMseiect) nicht nur von außen eingeprägt werden, sondern kann auch durch einen Auswahlsignalgenerator (SG) erzeugt werden, der dann Teil der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist. Soll das Auswahlsignal (PWMseisct) ein Pseudozufallssignal sein, so ist es beispielsweise denkbar, ein mit einem einfach primitiven Polynom rückgekoppeltes Schieberegister als Auswahlsignalgenerator (SG) oder andere Vorrichtungen, die ebenfalls ein Pseudozufallssignal erzeugen, zu verwenden. Der Auswahlsignalgenerator kann aber auch andere echte Zufallsprozesse, beispielsweise Rauschen etc. zur Erzeugung des Auswahlsignals (PWMseiect) nutzen. Schließlich kann der Auswahlsignalgenerator ein endlicher Automat sein, der in vorbestimmter Weise eine Auswahlsequenz des Auswahlsignals (PWM_select) erzeugt.
Abschließend seien noch einige spezielle Fälle für die Erzeugung des Spreiz-Code-Signals insbesondere im Hinblick auf die Puls-Dichte-Modulation (PDM) diskutiert.
Zweiter Teil: Erzeugung von PDM-Spreiz-Codes und deren Anwendung
Das meiste des bisher beschriebenen kann auf die Puls-Dichte-Modulation (PDM) übertragen werden.
Werden in den Begrifflichkeiten die Begriffe PWM durch PDM ersetzt, so erhält man die analogen Begrifflichkeiten für die Pulsdichtemodulation (PDM).
So werden aus den n PWM-Signalen (PWM₁ bis PWM_n) die n PDM-Signale (PDM₁ bis PDM_n). Aus dem Duty-Cycle (f_cycle) wird der Füllfaktor, hier auch mit f_cycle bezeichnet, der angibt wie viele Einsen innerhalb einer PDM-Periode (T_PDM) gegenüber wie vielen möglichen Einsen innerhalb einer PDM-Periode (T_PDM) tatsächlich gesetzt werden.
Aus dem selektierten PWM-Signal (PWM_k) wird das selektierte PDM-Signal (PDM_k). Aus dem i-ten PWM-Signal (PWM₁) wird das i-te PDM-Signal (PDM_i). Dies kann nun mehr oder weniger auf alle Größen und Begriffe analog ausgeführt werden.
Hinsichtlich der Modulation bestehen jedoch kleinere Unterschiede in einer speziellen Ausprägung.
Vorzugsweise erzeugen alle der n PDM-Generatoren (PDMG₁ bis PDMG_n) je eines der n PDM-Signale (PDM₁ bis PDM_n). Dabei erzeugen die n PDM-Generatoren (PDMG₁ bis PDMG_n) ihre jeweiligen PDM-Signale (PDM₁ bis PDM_n) in n-1 Teilbereichen mit einer Gesamtlänge von (n-1)/n der PDM-Periodendauer (T_PDM) mit einem konstanten Wert. Dieser konstante Wert in diesen n-1 Teilbereichen einem 1-Wert oder einem 0-Wert entsprechen. Dabei erzeugen diese PDM-Generatoren (PDMG₁ bis PDMG_n) ihre PDM-Signale (PDM₁ bis PDM_n) in einem Teilbereich der Länge 1/n der PDM-Periodendauer (T_PDM) mit einer Pulsdichte, die dem n fachen Modulo des Füllfaktors (f_cycle) mal n entspricht.
Für den Fall von n=2 denkbar, das erste PDM-Signal (PDM₁) in der Art zu erzeugen, dass es, sofern der Duty-Cycle unter 50% liegt aus einer ersten Hälfte besteht, das mit einem Pulsdichte-modulierten Pulsdichtesignal gefüllt wird, dessen Pulsdichte das doppelte des Füllfaktors (f_cycle) beträgt. Daraus ergibt sich, dass die erste Hälfte des so definierten PDM-Signals (PDM₁) bei einem Füllfaktor (f_cycle) von 50% zu 100% gefüllt werden muss.
Die andere Hälfte wird dann zu Null gesetzt.
Ist der gewünschte Füllfaktor (f_cycle) des PDM-Signals größer als 50% so wird die zweite Hälfte komplett gefüllt und die erste Hälfte nur mit einer Pulsdichte, die dem doppelten der Differenz aus Duty-Cycle und 50% entspricht.
Durch Verschiebung um eine halbe PDM-Periode (T_PDM/2) erhält man wieder das zweite PDM-Signal (PDM₂).
Auch dies kann auf n PDM-Signale (PDM₁ bis PDM_n) erweitert werden.
Als erstes wird der Fall eines Füllfaktors (f_cycle) behandelt, der kleiner als 100%/n ist.
In diesem Fall ist es denkbar, das erste PWM-Signal (PWM₁) in der Art zu erzeugen, dass es, sofern der Füllfaktor (f_cycle) unter 100%/n liegt aus einem ersten 1/n Teil der PWM-Periode besteht, der mit einem Pulsdichte-modulierten Pulsdichtesignal (PDM) gefüllt wird, dessen Pulsdichte das n-fache des Füllfaktors (f_cycle) beträgt. Daraus ergibt sich, dass das erste 1/n Teil des so definierten PDM-Signals (PDM₁) bei einem Füllfaktor (f_cycle) von 1/n zu 100% gefüllt werden muss.
Die anderen folgenden n-1 Teile einer Teilsignallänge von jeweils T_PWM/n werden dann zu Null gesetzt.
Als nächstes wird der Fall eines Füllfaktors (f_cycle) behandelt, der größer als 100%/n aber kleiner als 200%/n ist.
Ist der gewünschte Füllfaktor (f_cycle) größer als 100%/n aber kleiner als 200%/n, so wird der erste Teil komplett gefüllt und der zweite Teil nur mit einer Pulsdichte, die dem n-fachen der Differenz aus Duty-Cycle und 100%/n entspricht, gefüllt und der dritte bis zum n-ten Teil zu Null gesetzt.
Dies kann so fortgeführt werden, indem für den Fall, dass der gewünschte Füllfaktor (f_cycle) größer als f* 100%/n, mit n-1≥2: f≥1, ist, s der erste Teil bis zum f-ten Teil komplett zu 100% gefüllt werden und der f+1-te Teil nur mit einer Pulsdichte, die dem n-fachen der Gausklammer des n-fachen des Füllfaktors (f_cycle) entspricht, gefüllt wird und der f+2-te bis zum n-ten Teil zu Null gesetzt wird. Die Gaußklammer bezeichnet die größte ganze Zahl, die kleiner oder gleich der Zahl in der Gaußklammer ist. Dies wird geschrieben als $f = ⌊ f_{c y c l e} * n ⌋$
Analog kann die Anzahl der mit Null zu füllenden Teilbereiche mit $n - f - 1 = n - ⌊ f_{c y c l e} * n ⌋ - 1$
angegeben werden.
Wie die Werte 0 und 1 in diesem Sinne in Bezug auf die Wirkung auf die Schaltvorrichtung (M) definert werden, ist dabei von der Anwendung abhängig. In dieser Offenbarung sei beispielhaft angenommen, dass das Schaltelement bei 1 geschlossen ist und bei 0 geöffnet ist. Dies kann umgedreht werden.
Durch Verschiebung um einen PDM-Periodenteil (i*T_PDM/n) erhält man wieder das i-te PDM-Signal (PDM₁) aus dem ersten PDM-Signal (PDM₁).
Der Vorteil dieses Verfahrens ist, dass es sich um eine Mischung aus PWM und PDM handelt.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand der beigefügten Zeichnungen noch weiter erläutert.

1a zeigt ein erstes PWM-Signal (PWM₁) mit einem Duty-Cycle von f_cycle=25% und einer PWM-Periode von T_PWM. In diesem Fall werden nur zwei Spreiz-Code-Signale (PWM₁ und PWM₂) erzeugt. Das zweite Spreiz-Code-Signal, das zweite PWM-Signal (PWM₂) entsteht aus dem ersten PWM-Signal (PWM₁) durch verschiebung um eine PEM-Periodendauer (T_PWM) geteilt durch die Anzahl der Spreiz-Code-Signale n. Da n hier zwei ist ist die Verschiebung T_PWM/2.
1b zeigt das erste und zweite PWM-Signal (PWM₁ und PWM₂) nun für einem Duty-Cycle von f_cycle=37,5% bei einseitiger PWM-Modulation.
2a zeigt das erste und zweite PWM-Signal (PWM₁ und PWM₂) nun für einem Duty-Cycle von f_cycle=75% bei einseitiger PWM-Modulation.
2b zeigt das erste und zweite PWM-Signal (PWM₁ und PWM₂) nun für einem Duty-Cycle von f_cycle=62,5% bei einseitiger PWM-Modulation.
3 zeigt nun die sich ergebenden PWM-Ausgangssignale (PWM_out) für die Signale der 1a, 1b, 2a und 2b.
3a zeigt das PWM-Ausgangssignal (PWM_out) für die PWM-Signale (PWM₁ und PWM₂) der 1a. Die schraffierten Flächen zeigen die zeitlichen Bereiche in denen das Auswahlsignal (PWMseiect) das Ausgangssignal (PWM_out) moduliert. Ist das Auswahlsignal (PWMseiect) ein Zufallssignal, so ist der Bereich der Blöcke innerhalb einer PWM-Auswahlperiode von m*T_PWM entweder für alle diese Flächen innerhalb der Spreiz-Code-Periode (Tseiect) gemeinsam beispielsweise 1 oder 0. Welcher Wert für alle diese Flächen innerhalb einer Spreiz-Code-Periode (T_select) angenommen wird ist bei einem Zufallssignal als Auswahlsignal (PWMseiect) zufällig. Diese Zeitbereiche „rauschen“ also von Spreiz-Code-Periode (T_select) zu PWM- Spreiz-Code-Periode (T_select)als Gesamtheit. Zwischen diesen „rauschenden Bereichen ist das PWM-Ausgangssignal (PWM_out) Null. Es handelt sich also um die PWM eines Zufallssignals, wobei dieses durch die Spreiz-Code-Periode (T_select) nach oben hin bandbegrenzt ist.
3b zeigt das PWM-Ausgangssignal für die PWM-Signale (PWM₁ und PWM₂) der 1b. Ansonsten sind die Verhältnisse ähnlich denen der 3a
3c zeigt das PWM-Ausgangssignal für die PWM-Signale (PWM₁ und PWM₂) der 2b mit einem Duty-Cycle (f_cycle) von mehr als 50%, nämlich 62,5%. Der Unterschied zur 3b ist der, dass nun zwischen den „rauschend“, als schraffiert markierten Bereichen das PWM-Ausgangssignal (PWM_out) in diesem Beispiel eins ist, statt wie zuvor Null. Dies liegt daran, dass der Duty-Cycle (f_cycle) von mehr als 50% verwendet wird.
3d zeigt das PWM-Ausgangssignal für die PWM-Signale (PWM₁ und PWM₂) der 2a mit einem Duty-Cycle (f_cycle) von 75% . Ansonsten sind die Verhältnisse ähnlich denen der 3c
4 zeigt ein beispielhaftes schematisches Beispiel für eine Vorrichtung zur Erzeugung eines optimierten PWM-Ausgangssignals. In diesem Fall ist im Gegensatz zu den vorhergehenden Figuren nicht n=2 sondern n=4 beispielhaft gewählt. Die vier PWM-Signale (PWM₁ bis PWM₄) werden von vier Signalgeneratoren (PWMG₁ bis PWMG₄) erzeugt. Dabei ist das zweite PWM-Signal (PWM₂) gleich dem ersten PWM-Signal (PWM₁) verzögert um ein Viertel der PWM-Periodendauer (T_PWM). Dabei ist das dritte PWM-Signal (PWM₃) gleich dem ersten PWM-Signal (PWM₁) verzögert um zwei Viertel der PWM-Periodendauer (T_PWM) und das vierte PWM-Signal (PWM₃) gleich dem ersten PWM-Signal (PWM₁) verzögert um drei Viertel der PWM-Periodendauer (T_PWM). Damit diese Verhältnisse bestehen bleiben, werden die PWM-Generatoren (PWMG₁ bis PWMG₄) durch ein Synchronisationssignal (Sync) synchronisiert. Dieses wird in diesem Beispiel von einer Kontrolleinheit (CTR) geliefert, die typischerweise auch den Systemtakt liefert und/oder den Systemtakt selbst benutzt. Die Kontrolleinheit (CTR) sorgt mittels einer ebenfalls eingezeichneten Steuerleitung dafür, dass der Auswahlsignalgenerator (SG) nur dann ein anderes PWM-Signal (PWM₁ bis PWM₄) als selektiertes PWM-Signal (PWM_k) mittels des Multiplexers (MUX) auswählt, wenn m PWM-Periodenvorüber sind, also die Spreiz-Code-Periode (T_select), vorüber ist. Das so ausgewählte PWM-Signal (PWM_k) wird durch eine Anpassvorrichtung (PA) an die Erfordernisse des zu steuernden Elements, hier eine Schaltvorrichtung (M) in Form eines MOS-Transistors, als PWM-Ausgangssignal (PWM_out) angepasst. Hierdurch wird die Last, hier eine LED (D), mit einem Strom bestromt, der durch die Drosselspule L geglättet wird. Freilaufdioden etc. sind zur Vereinfachung nicht eingezeichnet.
5 zeigt beispielhafte vier PWM-Signale (PWM₁ bis PWM₄) für einen beispielhaften Duty-Cycle (f_cycle) von 12,5% passend zur Vorrichtung entsprechend 4.
6 zeigt die Einteilung einer PWM-Periode in n, hier also beispielhaft 4, Zeitschlitze (SL1 bis SL4). Ansonsten entspricht die Figur der 5.
7 zeigt das erste PWM-Signal (PWM₁) für eine verschiedene Anzahl m von PWM-Perioden zwischen zwei Spreiz-Code Auswahlzeitpunkten (TSCS1, TSCS2) für die Dauer der Spreiz-Code-Periode (Tseiect) für eine erste Auswahl eines PWM-Signals (PWM₁ bis PWM_n) als PWM-Spreiz-Code in Form des aktuellen PWM-Spreiz-Code-Signals (PWM_k). Für m=1 ist die Spreiz-Code-Periode (T_select) identisch mit der PWM-Periodendauer (T_PWM).
8 zeigt nun einen Verwürfler (SCR), der die Zeitschlitze der n PWM-Signale, hier beispielhaft vier PWM-Signale (PWM₁ bis PWM₄), n verwürfelten PWM-Signalen, hier beispielhaft vier verwürfelten PWM-Signalen (PWM₁' bis PWM₄') zuordnet. Erst danach bildet die Auswahlvorrichtung (MUX) wie in 4 das ausgewählte PWM-Signal (PWM_k). Die Verwürfelung wird anhand von 9 erläutert.
9 zeigt das beispielhafte Ergebnis der Verwürfelung von hier beispielhaft 4 PWM-Signalen durch den Verwürfler (SCR) entsprechend 8 dar. Das erste verwürfelte PWM-Signal (PWM₁') entspricht im ersten Zeitschlitz (SL₁) dem ersten Zeitschlitz (SL₁) des ersten PWM-Signals (PWM₁). Das erste verwürfelte PWM-Signal (PWM₁') entspricht im zweiten Zeitschlitz (SL₂) dem zweiten Zeitschlitz (SL₂) des zweiten PWM-Signals (PWM₂). Das erste verwürfelte PWM-Signal (PWM₁') entspricht im dritten Zeitschlitz (SL₃) dem dritten Zeitschlitz (SL₃) des dritten PWM-Signals (PWM₃). Das erste verwürfelte PWM-Signal (PWM₁') entspricht im vierten Zeitschlitz (SL₄) dem vierten Zeitschlitz (SL₄) des vierten PWM-Signals (PWM₄). Das zweite verwürfelte PWM-Signal (PWM₂') entspricht im ersten Zeitschlitz (SL₁) dem ersten Zeitschlitz (SL₁) des zweiten PWM-Signals (PWM₂). Das zweite verwürfelte PWM-Signal (PWM₂') entspricht im zweiten Zeitschlitz (SL₂) dem zweiten Zeitschlitz (SL₂) des dritten PWM-Signals (PWM₃). Das zweite verwürfelte PWM-Signal (PWM₂') entspricht im dritten Zeitschlitz (SL₃) dem dritten Zeitschlitz (SL₃) des vierten PWM-Signals (PWM₄). Das zweite verwürfelte PWM-Signal (PWM₂') entspricht im vierten Zeitschlitz (SL₄) dem vierten Zeitschlitz (SL₄) des ersten PWM-Signals (PWM₁). Das dritte verwürfelte PWM-Signal (PWM₃') entspricht im ersten Zeitschlitz (SL₁) dem ersten Zeitschlitz (SL₁) des dritten PWM-Signals (PWM₃). Das dritte verwürfelte PWM-Signal (PWM₃') entspricht im zweiten Zeitschlitz (SL₂) dem zweiten Zeitschlitz (SL₂) des vierten PWM-Signals (PWM₄). Das dritte verwürfelte PWM-Signal (PWM₂') entspricht im dritten Zeitschlitz (SL₃) dem dritten Zeitschlitz (SL₃) des ersten PWM-Signals (PWM₁). Das dritte verwürfelte PWM-Signal (PWM₃') entspricht im vierten Zeitschlitz (SL₄) dem vierten Zeitschlitz (SL₄) des zweiten PWM-Signals (PWM₂). Das vierte verwürfelte PWM-Signal (PWM₄') entspricht im ersten Zeitschlitz (SL₁) dem ersten Zeitschlitz (SL₁) des vierten PWM-Signals (PWM₄). Das vierte verwürfelte PWM-Signal (PWM₄') entspricht im zweiten Zeitschlitz (SL₂) dem zweiten Zeitschlitz (SL₂) des ersten PWM-Signals (PWM₁). Das vierte verwürfelte PWM-Signal (PWM₄') entspricht im dritten Zeitschlitz (SL₃) dem dritten Zeitschlitz (SL₃) des zweiten PWM-Signals (PWM₂). Das vierte verwürfelte PWM-Signal (PWM₄') entspricht im vierten Zeitschlitz (SL₄) dem vierten Zeitschlitz (SL₄) des dritten PWM-Signals (PWM₃). Auf diese Weise werden durch zyklisches Vertauschen der Zeitschlitze neue verwürfelte PWM-Signal (PWM₁' bis PWM_n') aus den PWM-Signalen (PWM₁ bis PWM_n) gebildet, die typischerweise tiefer frequente Spektren zur Folge haben
10 zeigt die verwürfelten PWM-Signale (PWM₁' bis PWM₄') für einen Duty-Cycle (f_cycle) von 37,5%. Das erste verwürfelte PWM-Signal (PWM₁') ist hier permanent auf beispielhaft 1.
11 zeigt die verwürfelten PWM-Signale (PWM₁' bis PWM₄') für einen Duty-Cycle (f_cycle) von 62,5%. Das erste verwürfelte PWM-Signal (PWM₁') und das zweite verwürfelte PWM-Signal (PWM₂') sind hier permanent auf beispielhaft 1.
12 zeigt die verwürfelten PWM-Signale (PWM₁' bis PWM₄') für einen Duty-Cycle (f_cycle) von 87,5%. Das erste verwürfelte PWM-Signal (PWM₁')und das zweite verwürfelte PWM-Signal (PWM₂') und das dritte verwürfelte PWM-Signal (PWM₃') sind hier permanent auf beispielhaft 1.
13a zeigt eine alternative Möglichkeit zur Generierung zweier optimaler PWM-Spreiz-Codes. Auch hier ist statt n=2 eine andere ganze Zahl von n möglich. In diesem Fall wird das erste PWM-Signal (PWM₁) während einer Dauer von T_PWM/n also hier T_PWM/2 mit einer Pulsdichte-Modulation (PDM) mit einer Pulsdichte von 2* f_cycle moduliert. Hierbei hat f_cycle die Funktion des Füllfaktors (f_cycle), die die Menge der Einsen in Relation zu der Menge der möglichen Einsen ist. 13a zeigt die Verhältnisse bei f_cycle<1/n hier also f_cycle<50%. Das zweite PWM-Signal (PWM₂) erhält man wieder durch Verzögerung um T_PWM/n hier also T_PWM/2.
13b entspricht 13a mit dem Unterschied, dass der Füllfaktor X nun über 50% liegt. Die in 13a modulierten Signalbereiche sind nun konstant auf beispielhaft 1, während die bisher auf beispielhaft 0 liegenden Teile nun mit einer Pulsdichtemodulation (PDM) moduliert werden. Die Anzahl f der Teilbereiche, die konstant auf beispielhaft 1 gelegt werden, ergibt sich als der abgerundete Wert f von f_cycle*n. Dieser wird typischerweise mit einer Gaußklammer $⌊ f_{cycle} * n ⌋$
geschrieben. Es werden dann immer erst f Teilbereiche des ersten PWM-Signals (PWM₁) auf beispielhaft 1 gelegt und dann ein f+1-ter Bereich mit der besagten Pulsdichtemodulation versehen. Die Dichte dieser Pulsdichte-Modulation ist dabei n*(f_cycle-f/n)_. Da hier n=2 ist, ist hier die Dichte dieser Modulation 2*(f_cycle-1/2).
15 zeigt die Fourier-Transformierte eines Zufallsmodulierten Signals gemäß der US8129924 . Die Transformierte enthält relativ viele relativ hohe Spikes.
16 zeigt die Fourier-Transformierte eines PWM-Signals (PWM_out) mit einem Duty-Cycle (f_cycle) von 25% und m=1 ohne Verwürfelung. Der erste PWM-Spreiz-Code, das erste PWM-Signal (PWM₁), entspricht dabei einer Bit-Sequenz 1111000000000000. Der zweite PWM-Spreiz-Code, das zweite PWM-Signal (PWM₂), entspricht dabei einer Bit-Sequenz 0000000011110000.
17 zeigt die Fourier-Transformierte eines PWM-Signals (PWM_out) mit einem Duty-Cycle (f_cycle) von 25% und m=2 ohne Verwürfelung. Der erste PWM-Spreiz-Code, das erste PWM-Signal (PWM₁), entspricht dabei einer Bit-Sequenz 1100000011000000. Der zweite PWM-Spreiz-Code, das zweite PWM-Signal (PWM₂), entspricht dabei einer Bit-Sequenz 0000110000001100.
18 zeigt die Fourier-Transformierte eines erfindungsgemäßen PWM-Signals (PWM_out) mit einem Duty-Cycle (f_cycle) von 25% und m=2 ohne Verwürfelung. Der erste PWM-Spreiz-Code, das erste PWM-Signal (PWM₁), entspricht dabei einer Bit-Sequenz 1000100010001000. Der zweite PWM-Spreiz-Code das zweite PWM-Signal (PWM₂), entspricht dabei einer Bit-Sequenz 0010001000100010.
19 zeigt die Fourier-Transformierte eines erfindungsgemäßen PWM-Signals (PWM_out) nach Verwürfelung durch die Verwürfelungseinheit (SC) mit einem Duty-Cycle (f_cycle) von 25% und m=1. Der erste PWM-Spreiz-Code, das erste PWM-Signal (PWM₁), entspricht dabei einer Bit-Sequenz 1111000000000000. Der zweite PWM-Spreiz-Code, das zweite PWM-Signal (PWM₂), entspricht dabei einer Bit-Sequenz 0000000011110000. Der erste verwürfelte PWM-Spreiz-Code, das erste verwürfelte PWM-Signal (PWM₁'), entspricht dabei einer Bit-Sequenz 1111000011110000. Der zweite verwürfelte PWM-Spreiz-Code, das zweite verwürfelte PWM-Signal (PWM₂'), entspricht dabei einer Bit-Sequenz 0000000000000000.
20 zeigt die Fourier-Transformierte eines erfindungsgemäßen PWM-Signals (PWM_out) nach Verwürfelung durch die Verwürfelungseinheit (SC) mit einem Duty-Cycle (f_cycle) von 25% und m=2. Der erste PWM-Spreiz-Code, das erste PWM-Signal (PWM₁), entspricht dabei einer Bit-Sequenz 1100000011000000. Der zweite PWM-Spreiz-Code, das zweite PWM-Signal (PWM₂), entspricht dabei einer Bit-Sequenz 0000110000001100. Der erste verwürfelte PWM-Spreiz-Code, das erste verwürfelte PWM-Signal (PWM₁'), entspricht dabei einer Bit-Sequenz 1100110011001100. Der zweite verwürfelte PWM-Spreiz-Code, das zweite verwürfelte PWM-Signal (PWM₂'), entspricht dabei einer Bit-Sequenz 0000000000000000.
21 zeigt die Fourier-Transformierte eines erfindungsgemäßen PWM-Signals (PWM_out) nach Verwürfelung durch die Verwürfelungseinheit (SC) mit einem Duty-Cycle (f_cycle) von 25% und m=4. Der erste PWM-Spreiz-Code, das erste PWM-Signal (PWM₁), entspricht dabei einer Bit-Sequenz 1000100010001000. Der zweite PWM-Spreiz-Code, das zweite PWM-Signal (PWM₂), entspricht dabei einer Bit-Sequenz 0010001000100010. Der erste verwürfelte PWM-Spreiz-Code, das erste verwürfelte PWM-Signal (PWM₁'), entspricht dabei einer Bit-Sequenz 1010101010101010. Der zweite verwürfelte PWM-Spreiz-Code, das zweite verwürfelte PWM-Signal (PWM₂'), entspricht dabei einer Bit-Sequenz 0000000000000000.

Wie den 16 bis 21 zu entnehmen ist, kann im Gegensatz zur US8129924 durch Wahl der Parameter n und m das Spektrum in weiten Bereichen beeinflusst werden.
Bezugszeichenliste

CTR: Steuerung. Die Steuerung ist vorzugsweise mit mindestens einem der PWM-Signalgeneratoren (PWMG₁ bis PWMG_n), insbesondere dem ersten PWM-Signalgenerator (PWMG1), bzw. mit mindestens einem der PDM-Signalgeneratoren (PDMG₁ bis PDMG_n), insbesondere dem ersten PDM-Signalgenerator (PDMG1), synchronisiert und lässt die Auswahl des k-ten PWM-Signals (PWM_k) bzw. des k-ten PDM-Signals (PDM_k) als aktuelles Spreiz-Code-Signal durch das Auswahlsignal (PWMseiect, PDMseiect) zumindest für einen Zeitraum nur zu Beginn einer PWM-Periode des ersten PWM-Signals (PWM₁) bzw. nur zu Beginn einer PDM-Periode des ersten PDM-Signals (PDM₁) zu. In einer anderen Ausprägung der Erfindung lässt die Steuerung eine nächste Auswahl wieder zu, die auf eine erste Auswahl zu einem ersten Spreiz-Code-Auswahlzeitpunkt (Tscsi) zum Zeitpunkt zu Beginn einer PWM-Periode des ersten PWM-Signals (PWM₁) bzw. zum Zeitpunkt zu Beginn einer PDM-Periode des ersten PDM-Signals (PDM₁) folgt. Diese Zulassung einer neuen Auswahl eines neuen Spreiz-Code-Signals erfolgt erst zu einem unmittelbar folgenden zweiten Spreiz-Code-Auswahlzeitpunkt (T_SCS2) zu Beginn einer PWM-Periode des ersten PWM-Signals (PWM₁) bzw. zu Beginn einer PDM-Periode des ersten PDM-Signals (PDM₁) nach m PWM-Perioden (T_PWM) bzw. nach m PDM-Perioden (T_PDM) wieder. Somit unterdrückt die Steuerung eine Änderung des Spreiz-Code-Signals für die Dauer einer Spreiz-Code-Periode (T_select).
ΔT: Verzögerungsglied. Das Verzögerungsglied verzögert ein Signal vorzugsweise um die PWM-Periodendauer (T_PWM) geteilt durch die Anzahl n der PWM-Signale bzw. um die PDM-Periodendauer (T_PDM) geteilt durch die Anzahl n der PDM-Signale.
ΔT₂: Verzögerungsglied, dass das erste PWM-Signal (PWM₁) um den ersten Offset (T_{off_1}) zum zweiten PWM-Signal (PWM₂) verzögert bzw. dass das erste PDM-Signal (PDM₁) um den ersten Offset (T_{off_1}) zum zweiten PDM-Signal (PDM₂) verzögert.
ΔT₃: Verzögerungsglied, dass das erste PWM-Signal (PWM₁) um den dritten Offset (T_{off_3}) zum dritten PWM-Signal (PWM₃) verzögert bzw. dass das erste PDM-Signal (PDM₁) um den dritten Offset (T_{off_3}) zum dritten PDM-Signal (PDM₃) verzögert.
ΔT₄: Verzögerungsglied, dass das erste PWM-Signal (PWM₁) um den vierten Offset (T_{off_4}) zum vierten PWM-Signal (PWM₄) verzögert bzw. dass das erste PDM-Signal (PDM₁) um den vierten Offset (T_{off_4}) zum vierten PDM-Signal (PDM₄) verzögert.
ΔT_n: Verzögerungsglied, dass das erste PWM-Signal (PWM₁) um den n-ten Offset (T_{off_n}) zum n-ten PWM-Signal (PWM_n) verzögert bzw. dass das erste PDM-Signal (PDM₁) um den n-ten Offset (T_{off_}n) zum n-ten PDM-Signal (PDM_n) verzögert.
D: LED oder Last
f_cycle: PWM-Duty-Cycle bei PWM Modulation in % oder Füllfaktor bei PDM-Modulation in %
L: Drosselspule
M: Schaltvorrichtung, insbesondere ein Transistor
MUX: Auswahlvorrichtung. Die Auswahlvorrichtung wählt das k-te PWM-Signal (PWM_k) bzw. das k-te PDM-Signal (PDM_k)als aktuelles Spreiz-Code-Signal aus den erzeugten n PWM-Signalen (PWM₁ bis PWM_n) bzw. aus den erzeugten n PDM-Signalen (PDM₁ bis PDM_n) in Abhängigkeit von einem Auswahlsignal (PWM_select, PDMseiect) als PWM-Ausgangssignal (PWM_out) bzw. als PDM-Ausgangssignal (PDMout) aus.
n: Anzahl der PWM-Spreiz-Codes bei PWM-Modulation bzw. Anzahl der PDM-Spreiz-Codes bei PDM-Modulation
m: PWM-Modulation: Anzahl der PWM-Perioden zwischen zwei Spreiz-Code-Auswahlzeitpunkten (T_SCS1, T_SCS2) für eine erste Auswahl eines PWM-Signals (PWM₁ bis PWM_n) als PWM-Spreiz-Code in Form des aktuellen PWM-Spreiz-Code-Signals (PWM_k). PDM-Modulation: Anzahl der PDM-Perioden zwischen zwei Spreiz-Code-Auswahlzeitpunkten (T_SCS1, T_SCS2) für eine erste Auswahl eines PDM-Signals (PDM₁ bis PDM_n) als PDM-Spreiz-Code in Form des aktuellen PWDM-Spreiz-Code-Signals (PDM_k).
PA: Anpassvorrichtung zur Anpassung des Ergebnisses an das Nutzelement (hier die Schaltvorrichtung (M)); PWM-Modulation: Das durch die Auswahlvorrichtung (MUX) ausgewählte PWM-Signal (PWM_k) wird durch die Anpassvorrichtung (PA) an die Erfordernisse des zu steuernden Elements, hier eine Schaltvorrichtung (M) in Form eines MOS-Transistors, angepasst. PDM-Modulation: Das durch die Auswahlvorrichtung (MUX) ausgewählte PDM-Signal (PDM_k) wird durch die Anpassvorrichtung (PA) an die Erfordernisse des zu steuernden Elements, hier eine Schaltvorrichtung (M) in Form eines MOS-Transistors, angepasst.
PDM: Pulsdichte-Modulation
PDM₁: erstes PDM-Signal des ersten PDM-Generators (PDMG₁)
PDM₂: zweites PDM-Signal des zweiten PDM-Generators (PDMG₂)
PDM₃: drittes PDM-Signal des dritten PDM-Generators (PDMG₃)
PDM₄: viertes PDM-Signal des vierten PDM-Generators (PDMG₄)
PDM₁': erstes verwürfeltes PDM-Signal
PDM₂': zweites verwürfeltes PDM-Signal
PDM₃': drittes verwürfeltes PDM-Signal
PDM₄': viertes verwürfeltes PDM-Signal
PDM₁: i-tes PDM-Signal des i-ten PDM-Generators (PDMG_i), mit 1≤i≤n
PDM_k: aktuelles PDM-Spreiz-Code-Signal oder k-tes PDM-Signal des i-ten PDM-Generators (PDMG_i), mit 1≤k≤n. Das k-te PDM-Signal ist das Signal, das in Abhängigkeit vom aktuellen Stand des Auswahlsignals (PDM_select) aktuell ausgewählt ist und somit für die Dauer dieser Auswahl mit dem PDM-Ausgangssignal (PDM_out) im Wesentlichen, typischerweise bis auf Pegel und eine gewisse Verzögerung, übereinstimmt.
PDM_n: n-tes PDM-Signal des n-ten PDM-Generators (PDMGn)
PDM_out: PDM-Ausgangssignal der erfindungsgemäßen Vorrichtung
PDM_select: Auswahl signal
PDMG₁: erster PDM-Signalgenerator zur Erzeugung des ersten PDM-Signals (PDM₁)
PDMG₂: zweiter PDM-Signalgenerator zur Erzeugung des zweiten PDM-Signals (PDM₂). Der zweite Signalgenerator erzeugt das zweite PDM-Signal (PDM₂) typischerweise um einen zweiten Offset (T_{off_2}) zeitlich versetzt zum ersten PDM-Signal (PDM₁). Bevorzugt handelt es sich um ein um diesen zweiten Offset (T_{off_2}) verzögertes erstes PDM-Signal (PDM₁).
PDMG_i: i-ter PDM-Signalgenerator (1≤i≤n) zur Erzeugung des i-ten PDM-Signals (PDM_i). Der i-te Signalgenerator erzeugt das i-te PDM-Signal (PDM₁) typischerweise um einen i-ten Offset (T_{off_i}) zeitlich versetzt zum ersten PDM-Signal (PDM_i). Bevorzugt handelt es sich um ein um diesen i-ten Offset (T_{off_i}) verzögertes erstes PDM-Signal (PDM₁). Der i-te Signalgenerator ist einer, nämlich der i-te, der n Signalgeneratoren (PDMG₁ bis PDMG_n).
PDMG_k: k-ter PDM-Signalgenerator (1≤k≤n) zur Erzeugung des k-ten PDM-Signals (PDM_k), das das aktuell selektierte Spreiz-Code-Signal ist. Der k-te Signalgenerator erzeugt das k-te PDM-Signal (PDM_k) typischerweise um einen k-ten Offset (T_{off_k}) zeitlich versetzt zum ersten PDM-Signal (PDM₁). Bevorzugt handelt es sich um ein um diesen k-ten Offset (T_{off_k}) verzögertes erstes PDM-Signal (PDM₁). Der k-te Signalgenerator ist einer, nämlich der k-te, der n Signalgeneratoren (PDMG₁ bis PDMG_n).
PDMG_n: n-ter PDM-Signalgenerator n zur Erzeugung des n-ten PDM-Signals (PDM_n). Der n-te Signalgenerator erzeugt das n-te PDM-Signal (PDM_n) typischerweise um einen n-ten Offset (T_{off_n}) zeitlich versetzt zum ersten PDM-Signal (PDM₁). Bevorzugt handelt es sich um ein um diesen n-ten Offset (T_{off_i}) verzögertes erstes PDM-Signal (PDM₁).
PWM: Puls-Weiten-Modualtion
PWM₁: erstes PWM-Signal des ersten PWM-Generators (PWMG₁)
PWM₂: zweites PWM-Signal des zweiten PWM-Generators (PWMG₂)
PWM₃: drittes PWM-Signal des dritten PWM-Generators (PWMG₃)
PWM₄: viertes PWM-Signal des vierten PWM-Generators (PWMG₄)
PWM₁': erstes verwürfeltes PWM-Signal
PWM₂': zweites verwürfeltes PWM-Signal
PWM₃': drittes verwürfeltes PWM-Signal
PWM₄': viertes verwürfeltes PWM-Signal
PWM_i: i-tes PWM-Signal des i-ten PWM-Generators (PWMG_i), mit 1≤i≤n
PWM_k: aktuelles PWM-Spreiz-Code-Signal oder k-tes PWM-Signal des i-ten PWM-Generators (PWMG_i), mit 1≤k≤n. Das k-te PWM-Signal ist das Signal, das in Abhängigkeit vom aktuellen Stand des Auswahlsignals (PWMseiect) aktuell ausgewählt ist und somit für die Dauer dieser Auswahl mit dem PWM-Ausgangssignal (PWM_out) im Wesentlichen, typischerweise bis auf Pegel und eine gewisse Verzögerung, übereinstimmt.
PWM_n: n-tes PWM-Signal des n-ten PWM-Generators (PWMG_n)
PWM_out: PWM-Ausgangssignal der erfindungsgemäßen Vorrichtung
PWM_select: Auswahl signal
PWMG₁: erster PWM-Signalgenerator zur Erzeugung des ersten PWM-Signals (PWM₁)
PWMG₂: zweiter PWM-Signalgenerator zur Erzeugung des zweiten PWM-Signals (PWM₂). Der zweite Signalgenerator erzeugt das zweite PWM-Signal (PWM₂) typischerweise um einen zweiten Offset (T_{off_2}) zeitlich versetzt zum ersten PWM-Signal (PWM₁). Bevorzugt handelt es sich um ein um diesen zweiten Offset (T_{off_2}) verzögertes erstes PWM-Signal (PWM₁).
PWMG_i: i-ter PWM-Signalgenerator (1≤i≤n) zur Erzeugung des i-ten PWM-Signals (PWM₁). Der i-te Signalgenerator erzeugt das i-te PWM-Signal (PWM₁) typischerweise um einen i-ten Offset (T_{off_i}) zeitlich versetzt zum ersten PWM-Signal (PWM_i). Bevorzugt handelt es sich um ein um diesen i-ten Offset (T_{off_i}) verzögertes erstes PWM-Signal (PWM₁). Der i-te Signalgenerator ist einer, nämlich der i-te, der n Signalgeneratoren (PWMG₁ bis PWMG_n).
PWMG_k: k-ter PWM-Signalgenerator (1≤k≤n) zur Erzeugung des k-ten PWM-Signals (PWM_k), das das aktuell selektierte Spreiz-Code-Signal ist. Der k-te Signalgenerator erzeugt das k-te PWM-Signal (PWM_k) typischerweise um einen k-ten Offset (T_{off_k}) zeitlich versetzt zum ersten PWM-Signal (PWM₁). Bevorzugt handelt es sich um ein um diesen k-ten Offset (T_{off_k}) verzögertes erstes PWM-Signal (PWM₁). Der k-te Signalgenerator ist einer, nämlich der k-te, der n Signalgeneratoren (PWMG₁ bis PWMG_n).
PWMG_n: n-ter PWM-Signalgenerator n zur Erzeugung des n-ten PWM-Signals (PWM_n). Der n-te Signalgenerator erzeugt das n-te PWM-Signal (PWM_n) typischerweise um einen n-ten Offset (T_{off_}n) zeitlich versetzt zum ersten PWM-Signal (PWM₁). Bevorzugt handelt es sich um ein um diesen n-ten Offset (T_{off_i}) verzögertes erstes PWM-Signal (PWM₁).
SCR: Verwürfler
SG: Auswahlsignalgenerator. PWM-Modulation: Der Auswahlsignalgenerator erzeugt das Auswahlsignal (PWMseiect) auf dessen Basis die Auswahlvorrichtung (MUX) das aktuelle Spreiz-Code-Signal (PWM_k), das den aktuellen PWM-Spreiz-Code darstellt, aus den n PWM-Signalen (PWM₁ bis PWM_n) auswählt. PDM-Modulation: Der Auswahlsignalgenerator erzeugt das Auswahlsignal (PDM_select) auf dessen Basis die Auswahlvorrichtung (MUX) das aktuelle Spreiz-Code-Signal (PDM_k), das den aktuellen PDM-Spreiz-Code darstellt, aus den n PDM-Signalen (PDM₁ bis PDM_n) auswählt.
T_{off_2}: Verzögerung des zweiten PWM-Signals (PWM₂) gegenüber dem ersten PWM-Signal (PWM₁) bzw. Verzögerung des zweiten PDM-Signals (PDM₂) gegenüber dem ersten PDM-Signal (PDM₁)
T_{off_3}: Verzögerung des dritten PWM-Signals (PWM₃) gegenüber dem ersten PWM-Signal (PWM₁) bzw. Verzögerung des dritten PDM-Signals (PDM₃) gegenüber dem ersten PDM-Signal (PDM₁)
T_{off_4}: Verzögerung des vierten PWM-Signals (PWM₄) gegenüber dem ersten PWM-Signal (PWM₁) bzw. Verzögerung des vierten PDM-Signals (PDM₄) gegenüber dem ersten PDM-Signal (PDM₁)
T_{off_i}: Verzögerung des i-ten PWM-Signals (PWM₁) gegenüber dem ersten PWM-Signal (PWM₁) bzw. Verzögerung des i-ten PDM-Signals (PDM₁) gegenüber dem ersten PDM-Signal (PDM₁)
T_{off_k}: Verzögerung des k-ten PWM-Signals (PWM_k), des aktuell selektierten PWM-Spreiz-Code-Signals, gegenüber dem ersten PWM-Signal (PWM₁) bzw. Verzögerung des k-ten PDM-Signals (PDM_k), des aktuell selektierten PDM-Spreiz-Code-Signals, gegenüber dem ersten PDM-Signal (PDM₁)
T_{off_n}: Verzögerung des n-ten PWM-Signals (PWM_n) gegenüber dem ersten PWM-Signal (PWM₁) bzw. Verzögerung des n-ten PDM-Signals (PDM_n) gegenüber dem ersten PDM-Signal (PDM₁)
T_puls: PWM-Pulsbreite
T_PDM: PDM-Periodendauer
T_PWM: PWM-Periodendauer
T_select: Spreiz-Code-Periode. Die Spreiz-Code-Periode ist eine m-fache Periode der PWM-Periodendauer (T_PWM) bzw. eine m-fache Periode der PDM-Periodendauer (T_PDM).
T_SCS1: PWM-Modulation: Erster Spreiz-Code-Auswahlzeitpunkt für eine erste Auswahl eines PWM-Signals (PWM₁ bis PWM_n) als PWM-Spreiz-Code in Form des aktuellen PWM-Spreiz-Code-Signals (PWM_k); PDM-Modulation: Erster Spreiz-Code-Auswahlzeitpunkt für eine erste Auswahl eines PDM-Signals (PDM₁ bis PDM_n) als PDM-Spreiz-Code in Form des aktuellen PDM-Spreiz-Code-Signals (PDM_k).
T_SCS2: PWM-Modulation: zweiter Spreiz-Code-Auswahlzeitpunkt für eine unmittelbar auf die erste Auswahl eines PWM-Signals (PWM₁ bis PWM_n) als PWM-Spreiz-Code in Form des aktuellen PWM-Spreiz-Code-Signals (PWM_k) folgende zweite Auswahl desselben; PDM-Modulation: zweiter Spreiz-Code-Auswahlzeitpunkt für eine unmittelbar auf die erste Auswahl eines PDM-Signals (PDM₁ bis PDM_n) als PDM-Spreiz-Code in Form des aktuellen PDM-Spreiz-Code-Signals (PDM_k) folgende zweite Auswahl desselben.
V_bat: beispielhafte Versorgungsspannung

Claims

Verfahren zur Erzeugung eines PWM-Spreiz-Code modulierten PWM-Ausgangssignals (PWM_out) basierend auf n PWM-Spreiz-Codes, mit n als einer positiven, ganzen Zahl und n>1, und einer Spreiz-Code-Sequenz von m aufeinander folgenden PWM-Spreiz-Codes dieser n PWM-Spreiz-Codes , mit m als einer positiven, ganzen Zahl und m≥1 und einer Spreiz-Code-Periode (T_select), zur Erzeugung eines optimierten PWM Spektrums des PWM-Ausgangssignals (PWM_out), umfassend die Schritte a. Erzeugen eines ersten PWM-Signals (PWM₁) mit einer PWM-Periode und einer PWM-Periodendauer (T_PWM) und einem Duty-Cycle (f_cycle) und b. Erzeugen von von n-1, weiteren PWM-Signalen (PWM₂, zweites PWM-Signal bis PWM_n, n-tes-PWM-Signal) durch jeweilige Verzögerung des ersten PWM-Signals (PWM₁) und/oder Erzeugung eines jeweils verzögerten ersten PWM-Signals (PWM₁) und i. wobei jedes so erzeugte i-te PWM-Signal (PWM₁) mit 1<i≤n ein gegenüber dem ersten Signal (PWM₁) um einen zeitlichen i-ten Offset (T_{off_i}) gegenüber dem ersten PWM-Signal (PWM₁) verzögert ist und ii. wobei jedes der n PWM-Signale (PWM₁ bis PWM_n) einen der n PWM-Spreiz-Codes repräsentiert. c. Auswählen eines k-ten PWM-Signals (PWM_k) als aktuelles PWM-Spreiz-Code-Signal aus den n PWM-Signalen (PWM₁ bis PWM_n) in Abhängigkeit von einem Auswahlsignal (PWM_select). d. Aufteilung einer PWM-Periode der PWM-Periodenlänge (T_PWM) in Zeitschlitze (SL₁ bis SL_n) insbesondere durch einen Verwürfler (SCR) und e. Bildung von n verwürfelten PWM-Signalen (PWM₁' bis PWM_n'), durch Vertauschung (Verwürfelung) von Signalabschnitten der PWM-Signale (PWM₁ bis PWM_n) jeweils eines Zeitschlitzes der Zeitschlitze (SL₁ bis SL_n) untereinander insbesondere durch einen Verwürfler (SCR).
Verfahren nach Anspruch 1 gekennzeichnet dadurch, a. dass der Offset (T_{off_i}) eines, insbesondere aller, der i-ten PWM-Signale (PWM₁) sich als PWM-Periodendauer (T_PWM) multipliziert mit der Zahl (i-1) geteilt durch zwei, insbesondere geteilt durch die Anzahl n der PWM-Spreiz-Codes, berechnen lässt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2 gekennzeichnet dadurch, a. dass die Auswahl des k-ten PWM-Signals (PWM_k) als aktuelles PWM-Spreiz-Code-Signal zu Beginn einer PWM-Periode des ersten PWM-Signals (PWM₁) erfolgt.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3 gekennzeichnet dadurch, a. dass die auf eine erste Auswahl eines PWM-Signals (PWM₁ bis PWM_n) als PWM-Spreiz-Code in Form des aktuellen PWM-Spreiz-Code-Signals (PWM_k) zu einem ersten Spreiz-Code-Auswahlzeitpunkt (Tscsi) zum Zeitpunkt zu Beginn einer PWM-Periode des ersten PWM-Signals (PWM₁) folgende nächste Auswahl eines PWM-Spreiz-Codes zu einem unmittelbar folgenden zweiten Spreiz-Code-Auswahlzeitpunkt (T_SCS2) zu Beginn einer PWM-Periode des ersten PWM-Signals (PWM₁) nach m PWM-Perioden (T_PWM), das entspricht der Spreiz-Code-Periode (T_select) erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 4 gekennzeichnet dadurch, a. dass das Auswahlsignal (PWMseiect) ein Zufallssignal ist.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche gekennzeichnet dadurch, a. dass die PWM-Signale (PWM₁ bis PWM_n) auf PWM-Pulsen mit einer PWM-Pulsbreite (T_puls) beruhen und b. dass die PWM-Signale (PWM₁ bis PWM_n) einseitig und/oder zweiseitig in Abhängigkeit vom Duty-Cycle (f_cycle) moduliert werden.
Verfahren nach Anspruch 1 gekennzeichnet dadurch, a. dass das Schema der Vertauschung zyklisch von Zeitschlitz zu Zeitschlitz insbesondere durch einen Verwürfler (SCR) während einer Spreiz-Code-Periode (T_select) geändert wird.