JP2004032095A - Pulse width modulator - Google Patents

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Takanori Kaminari
神成 貴紀
Hidenori Minoda
蓑田 英徳
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a pulse width modulator for reducing distortions in a pulse width modulation signal resulting from the pulse width modulation. <P>SOLUTION: The pulse width modulator includes a comparator 21 for modulating the pulse width of a signal of "1" with a center of the center time point during predetermined period to generate a first pulse width modulation signal, a comparator 22 for modulating the pulse width of the signal of "0" with a center of the center time point during predetermined period, and a selecting circuit 23 for switching and generating each pulse width modulation signal generated from the comparators 21 and 22. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、デジタルデータをアナログデータに変換する機能を有するデジタルオーディオ装置等の機器に用いられ、デジタルデータをアナログデータに復調する前に、該デジタルデータのパルス幅をアナログデータの振幅に応じて変調するパルス幅変調器に関する。
【0002】
【従来の技術】
デジタルアンプ、あるいは、1ビットアンプと呼ばれるデジタル・アナログ変換方式を採用したアンプは、変換効率や集積回路での実現性が優れていることから、広く使用されており、据え置き型の装置だけではなく、携帯型の装置への応用も期待されている。
【0003】
例えば、図12に示すように、上記デジタルアンプを用いた従来のデジタルオーディオ装置101では、音源102から入力されたデジタルデータ列が、オーバーサンプリングフィルタ111、ノイズシェーパ112、パルス幅変調器としてのパルス幅変調回路113、スイッチングアンプ114、ローパスフィルタ(LPF)115を経てアナログ信号に復調され、スピーカ103にて再生するようになっている。
【0004】
すなわち、音源102からのデジタルデータ列は、オーバーサンプリングフィルタ111にて、デジタルデータ間が補間された後、ノイズシェーパ112に入力される。ここで、上記オーバーサンプリングフィルタ111は、8倍のオーバーサンプリングフィルタとすれば、例えば、デジタルデータ列のサンプリング周波数(FS)の8倍、すなわちFS=44.1kHzであれば、44.1kHz×8=352.8kHzのレートで、補間後のデジタルデータをノイズシェーパ112へ供給する。
【0005】
上記ノイズシェーパ112では、入力されたデジタルデータ列をノイズシェープ処理した後、後段のパルス幅変調回路113に供給する。ここで、ノイズシェーパ112は、7次ノイズシェーパとすれば、デジタルデータ列を47段階に量子化して、パルス幅変調回路113へ供給する。
【0006】
上記パルス幅変調回路113では、入力されたデータを“1”か“0”の2値で表現する1ビットのデータに変換される。このパルス幅変調回路113は、比較器121とカウンタ122とで構成され、比較器121において、ノイズシェーパ112からのデータのパスル幅を、カウンタ122からのマスタークロックの1周期分ずつ拡げたり、狭めたりして、入力データに対応した47段階のパルス幅を持ったパルス信号を生成し、このパルス信号を1ビットのデータ(PMW信号)として、スイッチングアンプ114に出力される。
【0007】
上記パルス幅変調回路113のPWM信号の出力パターンは、例えば、本発明の説明図である図3に示すようなPWM出力パターンとなる。ここでは、サンプリング周波数の8倍の周波数が、PWM信号の出力の繰り返し周波数となっている。このPWM信号の繰り返し周波数の間のカウンタ122のカウンタ出力は、0〜95の96カウントとなっている。そして、上記PWM信号の繰り返し周期の中心時間点A(カウンタ出力47と48との間)を中心として、前後対称に“1”の期間をマスタークロックの1周期ずつ広げて、パルス幅の異なる47パターンのPWM信号が生成される。このときの、マスタークロックの周波数は、サンプリングクロック(FS)×8×48×2=44.1×8×48×2=33.8688MHzである。
【0008】
このようにして得られたPWM信号は、後段のスイッチングアンプ114にてパルス増幅された後、ローパスフィルタ115により高周波成分が除去される。これにより、音源102からのデジタルデータ列が示す信号が復調され、スピーカ103によって復調されたアナログ信号が再生される。
【0009】
ここで、オーバーサンプリングフィルタ111のデータ出力周期、および、PWM信号のパルス周期は、上記復調後のアナログ信号に波形歪みがでない程度に十分に短く設定されている。したがって、デジタルオーディオ装置101は、波形歪みが十分少なく、高品質なオーディオ信号を、スピーカ103に再生させることができる。
【0010】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記のように、一定時間間隔でサンプリングされたデータをパルスの幅で表現する場合、すなわちパルス幅変調する場合には、このパルス幅変調に起因してPWM信号に歪が発生する。この歪を取り除く方法としては、オーバーサンプリングの倍数を増やし、PWM変換後のパルスの周期を短くすることが考えられるが、単位時間当たりのオーバーサンプリングやPWM変換処理が、PWMパルス周期に反比例して増加し、高速な演算クロックが必要になる。このため、デジタルアンプを集積回路化する際の障害となり、消費電力の増大を招く可能性がある。
【0011】
さらに、演算クロックの高速化に伴い、PWM変換後のパルスを受けるスイッチングアンプのスイッチング回数が増加して、消費電力をさらに増加させるという問題も生じる。
【0012】
また、高速でのスイッチングにより発生するノイズ対策の必要性が増し、オーディオ性能の確保が非常に困難となることが予想される。つまり、デジタルオーディオ装置101において、ノイズの発生量が増加すると、十分なノイズ対策を施さないとオーディオ性能を確保できなくなる。したがって、高品質なオーディオ信号の再生が難しくなってしまう。
【0013】
本発明は、上記の各問題点に鑑みなされたものであって、その目的は、消費電力及びノイズの発生量を増大させることなく、パルス幅変調に起因するPWM信号の歪みを低減できるパルス幅変調器を提供することにある。
【0014】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するために、本発明のパルス幅変調器は、アナログ信号を変調して得られた“1”と“0”の2値の信号のパルス幅を、該アナログ信号の振幅に応じて変調するパルス幅変調器において、所定期間の中心時間点を中心に、上記“1”の信号のパルス幅を変調して第1のパルス幅変調信号を生成する第1信号生成手段と、所定期間の中心時間点を中心に、上記“0”の信号のパルス幅を変調して第2のパルス幅変調信号を生成する第2信号生成手段と、上記第1信号生成手段及び第2信号生成手段によって生成されるそれぞれのパルス幅変調信号を、切り替えて出力する信号切替出力手段とを備えていることを特徴としている。
【0015】
上記の構成によれば、歪みの発生方向がそれぞれ逆となる、“1”の信号のパルス幅を調整して生成される第1のパルス幅変調信号と、“0”の信号のパルス幅を調整して生成される第2のパルス幅変調信号とを切り替えて出力することで、出力されるパルス幅変調信号の歪みが一定方向に発生するのを防ぐことができる。つまり、歪みの発生方向が交互に変化したパルス幅変調信号を出力することができる。
【0016】
このように、歪みの発生方向が交互に変化させることで、出力されるパルス幅変調信号の歪み成分の周期を短くすることができるので、該歪み成分をより高い周波数帯域に移動させることが可能となる。
【0017】
これにより、パルス幅変調によって生じた歪みをある周波数帯域、例えば可聴帯域よりも高くすることが可能となるので、該歪みを実用上問題無い周波数帯域可聴帯域よりも高い周波数待機に移動させることができる。この結果、可聴帯域での歪みを、ローパスフィルタによって完全に除去することができるので、パルス幅変調に起因するパルス幅変調信号の歪みを低減できることになる。
【0018】
したがって、歪みを低減するために、パルス周期を短くする必要がなくなるので、このパルス周期を短くすることによる消費電力の増大やノイズの発生量の増大といった問題が生じない。つまり、消費電力及びノイズの発生量を増大させることなく、パルス幅変調に起因するパルス幅変調信号の歪みを低減することが可能となる。
【0019】
上記第1信号生成手段によって、第1のパルス幅変調信号を生成する際に、所定期間の中心時間点を中心として、その前後対称に、“1”の信号のパルス幅を拡げるようにしてもよく、また、上記第2信号生成手段によって、第2のパルス幅変調信号を生成する際に、所定期間の中心時間点を中心として、その前後対称に、“0”の信号のパルス幅を狭めるようにしてもよい。
【0020】
この場合、第1のパルス幅変調信号は、“1”の信号のパルス幅が順次拡げられた信号となり、第2のパルス幅変調信号は、“0”の信号のパルス幅が順次狭められた信号となる。つまり、歪みの発生方向が互いに逆となる同じ内容の2種類のパルス幅変調信号を生成することができる。
【0021】
これにより、各パルス幅変調信号を適当なタイミングで切り替えても再生信号に影響を与えることなく、パルス幅変調信号に起因する歪みを低減できる。
【0022】
例えば、上記信号切替出力手段は、上記第1信号生成手段及び第2信号生成手段によって生成されるそれぞれのパルス幅変調信号を、アナログ信号のサンプリング周期毎に交互に切り替えて出力するようにしてもよい。
【0023】
この場合、パルス幅変調に起因する歪みが発生する箇所、すなわちアナログ信号のサンプリング周期による繰り返し位置毎で、パルス幅変調信号を切り替えるようになるので、パルス幅変調器から出力されるパルス幅変調信号における歪みをほとんど無くすことができる。
【0024】
例えば、パルス幅変調信号の切り替えのタイミングは、上記のようなアナログ信号のサンプリング周期の繰り返し位置毎で行えば、上述のようにパルス幅変調信号の歪みをほとんど無くすことが可能となるが、信号切替出力手段における切替動作が頻繁になり、消費電力の面で不利になる虞がある。
【0025】
そこで、パルス幅変調信号の切り替えのタイミングを、アナログ信号のサンプリング周期の繰り返し周期毎でなく、一定の繰り返し周期毎にすれば、信号切替出力手段における切替動作を頻繁に行う必要がなくなり、この結果、消費電力の増大を抑制することが可能となる。
【0026】
しかしながら、この場合も、切り替えのタイミングの繰り返し周期数が多くなれば、パルス幅変調に起因する歪みが大きくなる虞があるので、発生する歪みの大きさと消費電力とを考慮して、繰り返し期間数を決定するのが好ましい。
【0027】
【発明の実施の形態】
本発明の一実施の形態について説明すれば、以下の通りである。なお、本実施の形態では、パルス幅変調器を、CD(Compact Disc)、MD(Mini Disc)、DVD(Digital Versatile Disc)等のデジタルオーディオ装置に搭載した例について説明する。
【0028】
図1は、本実施の形態にかかるデジタルオーディオ装置の概略を示すブロック図である。図1に示すように、デジタルオーディオ装置1は、音源2からのデジタル信号に応じたアナログ信号をスピーカ3に出力するようになっており、該音源2からのデジタル信号の入力側から、オーバーサンプリングフィルタ11、ノイズシェーパ12、パルス幅変調回路(パルス幅変調器)13、スイッチングアンプ14、ローパスフィルタ(LPF)15が直列に接続された構成となっている。
【0029】
上記オーバーサンプリングフィルタ11は、例えば、入力されるデジタルデータ列に基づいて補間演算するなどして、上記音源2から入力されるサンプリング周波数がFSのデジタルデータ間を補間し、当該サンプリング周波数FSよりも高い周波数のデジタルデータ列をノイズシェーパ12に出力する。本実施の形態では、上記オーバーサンプリングフィルタ11として、8倍のオーバーサンプリングフィルタを用いた例について説明する。この場合、ノイズシェーパ12に出力するデジタルデータ列の周波数は、サンプリング周波数FSの8倍となる。
【0030】
上記ノイズシェーパ12は、入力されたデジタルデータ列に対してノイズシェープ処理を行って、量子化したデジタルデータをパルス幅変調回路13に出力する。このノイズシェーパ12の詳細については、後述する。
【0031】
上記パルス幅変調回路13は、アナログ信号を変調して得られた音源2からの“1”と“0”の2値の信号、すなわちノイズシェーパ12からの量子化されたデジタルデータのパルス幅を、該アナログ信号の振幅に応じて変調し、1ビットのPWM信号として後段のスイッチングアンプ14に出力する。このパルス幅変調回路13の詳細については、後述する。
【0032】
上記スイッチングアンプ14は、パルス幅変調回路13からのPWM信号をパルス増幅するものであって、例えば、ハイレベルの電位(例えば、電源電位)に保たれる電源ラインと出力端子との間に設けられ、上記PWM信号に応じて導通/遮断される第1スイッチング素子と、ローレベルの電位(例えば、接地レベル)に保たれる電源ラインと上記出力端子との間に設けられ、上記第1スイッチング素子と相反動作する第2スイッチング素子(いずれも図示せず)となどから構成され、上記PWM信号をパルス増幅し、後段のローパスフィルタ15に出力する。
【0033】
上記ローパスフィルタ15は、スイッチングアンプ14からのパルス増幅されたPWM信号から高周波成分を除去してアナログ信号を生成するようになっている。この生成されたアナログ信号は、スピーカ3により再生される。
【0034】
なお、上記デジタルオーディオ装置1では、音源2からのデジタル信号を変調して得られたアナログ信号を再生する再生手段としてスピーカ3を用いた例について説明したが、当然、アナログ信号を再生する再生手段であれば、上記スピーカ3以外にも、ヘッドフォン等の他の装置を用いてもよい。
【0035】
本実施の形態では、上記音源2が出力するデジタル信号のサンプリング周波数FSは、例えば、44.1〔kHz〕である。また、上記オーバーサンプリングフィルタ11の出力レートは、ノイズシェーパ12が十分な精度で量子化値の数を変換可能な値に設定されている。例えば、CDからのデジタルデータの場合、ビット幅は、16ビット)であり、本実施の形態では、ノイズシェーパ12は、7次のノイズシェーパであり、47段階に量子化したデジタルデータを出力している。また、オーバーサンプリングフィルタ11の出力レートは、上記サンプリング周波数FSの8倍、すなわち、352.8〔kHz〕に設定されている。
【0036】
ここで、本実施の形態にかかるノイズシェーパ12及びパルス幅変調回路13について、以下に説明する。
【0037】
まず、ノイズシェーパ12について図2を参照しながら以下に説明する。図2は、ノイズシェーパ12のブロック図である。
【0038】
上記ノイズシェーパ12は、図12に示すように、デルタシグマ変調回路であって、例えば、7つの積分器31a〜31gが設けられた7次のノイズシェーパである。すなわち、上記ノイズシェーパ12は、互いに縦続接続された積分器31a…と、各積分器31a…の出力を加算する加算器32と、加算器32の出力を量子化し、ノイズシェーパ12の出力信号として量子化結果を出力する量子化器33と、ノイズシェーパ12への入力信号から、遅延器34を介して伝送された量子化結果を減算し、減算結果を初段の積分器31aへ入力する減算器35とを備えている。
【0039】
上記積分器31aは、積分器31aの入力信号に予め定められた係数を乗算する乗算器41と、積分器31aの出力を遅延させる遅延器42と、乗算器41の出力と遅延器42の出力とを加算し、加算結果を積分器31aの出力として出力する加算器43とを備えており、入力信号を積分した値を出力できる。なお、次段以降の積分器31b…も、初段の積分器31aと同様に構成されている。また、本実施の形態では、加算器32が各積分器31a…の出力を増幅した後の信号を加算しており、各積分器31a…と加算器32との間には、各積分器31a…に対応する乗算器51…が設けられている。
【0040】
また、本実施の形態に係る量子化器33は、加算器32の出力を47段階に量子化しており、いずれの段階かを示すデジタルデータがパルス幅変調回路13に出力される。
【0041】
さらに、量子化器33のサンプリング周波数は、オーバーサンプリングフィルタ11のサンプリング周波数と同じ値に設定されている。なお、量子化器33のサンプリング周波数が、PWM信号の出力の繰り返し周波数になる。
【0042】
ここで、上述したように、オーバーサンプリングフィルタ11のサンプリング周波数は、例えば、上記サンプリング周波数FSの8倍など、ノイズシェーパ12が十分な精度で量子化値の数を変換可能な値に設定されている。したがって、ノイズシェーパ12は、該ノイズシェーパ12に入力されるデジタルデータ(例えば、CDからのデジタルデータの場合で、ビット幅が16ビットのデジタルデータ)を、パルス幅変調回路13に合った量子化値の数(例えば、47段階)のデジタル信号へ、少ない誤差で変換できる。なお、ノイズシェープ処理によって、量子化誤差に微分特性が与えられているので、ノイズシェーパ12のサンプリング周波数を十分高く設定することによって、少ないビット数でも広いダイナミックレンジが得られる。
【0043】
なお、図2中、破線で示したように、ノイズシェーパ12の出力の量子化雑音分布(ノイズフロア)にディップを形成して、当該量子化雑音分布形状を所望の形状に調整するために、上記ノイズシェーパ12に負帰還路を設けてもよい。
【0044】
図2の例では、3段目の積分器31cの出力を2段目の積分器31bの入力へ負帰還する負帰還路61と、5段目の積分器31eの出力を4段目の積分器31dの入力へ負帰還する負帰還路62と、7段目の積分器31gの出力を6段目の積分器31fの入力へ負帰還する負帰還路63とが図示されている。当該各負帰還路61(62および63)は、当該積分器31c(31eおよび31f)の遅延器42と、負帰還路61(62および63)用の乗算器71(72および73)とから構成されている。これらの乗算器71…を設け、負帰還路61…を形成した場合、上記量子化雑音レベルは、各負帰還路61…を含むループのゲインに応じた周波数(零点周波数)を中心に急峻に低下する。
【0045】
ここで、量子化雑音の周波数特性のうち、レベルが低下している部分をディップと称すると、各負帰還路61…によって形成されるディップによって、高域の量子化雑音が抑制され、例えば、20kHzなど、所望の利用周波数帯域の上限周波数まで、量子化雑音のレベルを所定の値以下に保つことができる。
【0046】
なお、上記では、ノイズシェーパ12への入力信号がデジタル信号であり、ノイズシェーパ12の各部材31a〜35がデジタル回路で実現されている場合を例にして説明したが、入力信号をアナログ変換し、各部材31a〜35をアナログ回路で実現してもよい。
【0047】
次に、パルス幅変調回路13について、図1、図3及び図4を参照しながら以下に説明する。図3及び図4は、パルス幅変調回路13内でパルス幅が変調されたPWM変換出力のパターンを示す波形図である。
【0048】
パルス幅変調回路13は、図1に示すように、ノイズシェーパ12からのデジタル信号のうち、“1”の信号のパルス幅を変調して第1のパルス幅変調信号を生成する第1信号生成手段としての比較器21と、“0”の信号のパルス幅を変調して第2のパルス幅変調信号を生成する第2信号生成手段としての比較器22と、上記比較器21及び21によって生成されるそれぞれのパルス幅変調信号を、切り替えて出力する信号切替出力手段としての選択回路23と、上記比較器21及び22にカウンタ出力を供給するカウンタ24と、上記選択回路23にセレクト信号を供給する分周回路25とを備えた構成となっている。
【0049】
なお、本実施の形態では、説明の便宜上、“1”の信号をハイレベルのパルス、“0”の信号をローレベルのパルスと称して説明する。
【0050】
上記パルス幅変調回路13は、指示されたパルス幅で、しかも、ハイレベル及びローレベルのパルスの中心位置の時間間隔が一定周期のPWM信号を出力するようになっている。このパルス幅変調回路13から出力されるPWM信号は、比較器21によって生成されたハイレベルのパルス幅を徐々に拡げた第1のパルス幅変調信号と、比較器22によって生成されたローベルのパルス幅を徐々に狭めた第2のパルス幅変調信号との何れかを、選択回路23によって交互に切り替えて得られた信号である。
【0051】
このとき、カウンタ24には、8倍オーバーサンプリング同期クロックとマスタークロックが入力され、これらクロックを参照してカウンタ出力が生成される。なお、上記8倍オーバーサンプリング同期クロックは、サンプリング周期の8倍の周期を示すものであり、この周期がパルスの繰り返し周期となる。また、この8倍オーバーサンプリング同期クロックは、分周回路25にも供給される。
【0052】
上述したように、上記ノイズシェーパ12からのデジタル信号は、47段に量子化されたデータであり、PWM信号のパルス幅を拡げる間隔はマスタークロックの1周期(カウンタ出力の1単位に相当)であるので、図3及び図4に示すように、カウンタ出力47と48との間を繰り返し周期の中心時間点Aとし、カウンタ出力をBとしたとき、比較器21では、このAとBとを参照して、ノイズシェーパ12からのデジタル信号のハイレベルのパルス幅をマスタークロック1周期分ずつ拡げ、47パターンのPWM信号(図3)を生成し、比較器22では、上記AとBとを参照して、ノイズシェーパ12からのデジタル信号のローレベルのパルス幅をマスタークロック1周期分ずつ狭め、47パターンのPWM信号(図4)を生成する。
【0053】
図3に示すPWM信号は、時系列に出力すると、図8に示すPWM変換出力(1)のようになり、図4に示すPWM信号は、時系列に出力すると、図8に示すPWM変換出力(2)のようになる。本願では、図3及び図4に示す2種類のデジタル信号をそのままPWM信号として出力するのではなく、上記選択回路23によって、図3及び図4に示すデジタル信号を任意の期間毎に切り替えて出力するようになっている。例えば、図8に示すPWM変換出力(3)や(4)のようなPWM信号として出力される。なお、上記選択回路23では、分周回路25からのセレクト信号に基づいて、PWM信号の切り替えを行っている。このPWM信号の切り替えの詳細及びこの切り替えによる作用・効果の詳細については、後述する。
【0054】
ところで、多値のデータ(アナログデータを含む)を1ビットのPWM信号に変換する場合、図3に示すように、入力データに応じて、繰り返しの期間の中心時間点Aを中心として、前後対称に“1”の期間をマスタークロック1周期づつ拡げていくPWM変換出力のパターンや、図4に示すように、入力データに応じて、繰り返しの期間の中心時間点Aを中心として、前後対称に“0”の期間をマスタークロック1周期ずつ狭めていくPWM変換出力のパターンが一般的である。
【0055】
しかしながら、図3に示すPWM変換出力パターン(以下、第1PWMパターンと称する)、図4に示すPWM変換出力パターン(以下、第2PWMパターンと称する)の何れを選択しても、これら出力のパターン(パルス幅)に起因して、2次の歪を発生する。なお、これら2種類のパターンでは、歪む方向が異なっている(正反対の方向に歪む)。以下に、変換で歪が発生する現象と原因について説明する。説明の前提として複雑さを避けるために、ノイズシェーパ処理を省略して説明する。
【0056】
ここで、図5は、入力原波形と、PWM変換後の信号をアナログ処理して再現された波形との差異を示す図である。図5のW0は原波形、W1は図3に示す第1PWMパターンの信号をアナログ処理して再現した信号の波形、W2は図4に示す第2PWMパターンの信号をアナログ処理して再現した信号の波形を示している。
【0057】
つまり、波形W1は、第1PWMパターンの1ビットのPWM信号を、前記スイッチングアンプ、ローパスフィルタ処理を施した後の波形であり、波形W2は、第2PWMパターンの1ビットのPWM信号を、前記スイッチングアンプ、ローパスフィルタ処理を施した後の波形である。
【0058】
図5から、レベルの変化量が大きいほど、原波形W0と、波形W1、W2との差異が大きくなっていることが分かる。すなわち、信号の周波数が高いほど波形歪は顕著となっていることが分かる。
【0059】
この歪みの生じる原理について、図6及び図7を参照しながら以下に説明する。図6は、図3に示す第1PWMパターンと歪みとの関係を示すグラフを示し、図7は、図4に示す第2PWMパターンと歪みとの関係を示すグラフを示している。
【0060】
図6において、上段の直線は、図5に示す原信号に対応する直線L0を示しており、この直線L0を8倍のオーバーサンプリング後の波形とし、サンプリングされたデジタルデータをS0〜S4とする。
【0061】
図6において、中段に、サンプリングされたデジタルデータをPWM変換したPWM信号の波形を示している。このPWM信号は、各パルスP0P〜P4Pのパルス幅が、デジタルデータS0〜S4に対応する幅になり、しかも、各パルスP0P〜P4Pの中心位置が、各デジタルデータS0〜S4のサンプリング時点t0〜t4に同期した波形になる。このデジタルデータS0〜S4の各期間毎に“1”の時間と“0”の時間がそれぞれ正方向のエネルギー、負方向のエネルギーを表し、両者符号を考慮して足し合わせたものが、上段のデジタルデータS0〜S4のレベルを表す。
【0062】
図6において、下段は、隣り合う期間を考慮して、“1”の時間と“0”の時間の中心に正負のエネルギーを表現しており、それぞれS0h〜S4hとS01L〜S34Lとなる。破線Epは、正のエネルギーを、破線Enは、負のエネルギーを表しており両方足し合わせたものが、直線L1となる。原信号に対応した直線L0から、若干正側へずれていることが判る。これは、S01L〜S34Lが理想的な位置より時間的に前に移動していることに起因する。また、原信号の傾きが大きくなれば移動量も大きくなり、図5のようになることが容易に推測される。
【0063】
図7において、上段の直線は、図5に示す原信号に対応する直線L0を示しており、この直線L0を8倍のオーバーサンプリング後の波形とし、サンプリングされたデジタルデータをS0〜S4とする。
【0064】
図7において、中段に、サンプリングされたデジタルデータをPWM変換したPWM信号の波形を示している。このPWM信号は、各パルスP0N〜P4Nのパルス幅が、デジタルデータS0〜S4に対応する幅になり、しかも、各パルスP0N〜P4Nの中心位置が、各デジタルデータS0〜S4のサンプリング時点t0〜t4に同期した波形になる。このデジタルデータS0〜S4の各期間毎に“1”の時間と“0”の時間がそれぞれ正方向のエネルギー、負方向のエネルギーを表し、両者符号を考慮して足し合わせたものが、上段のデジタルデータS0〜S4のレベルを表す。
【0065】
図7において、下段は、隣り合う期間を考慮して、“1”の時間と“0”の時間の中心に正負のエネルギーを表現しており、それぞれS01h〜S34hとS0L〜S4Lとなる。破線Epは、正のエネルギーを、破線Enは、負のエネルギーを表しており両方足し合わせたものが、直線L2となる。原信号に対応した直線L0から、若干負側へずれていることが判る。これは、S01h〜S34hが理想的な位置より時間的に後ろに移動していることに起因する。また、原信号の傾きが大きくなれば移動量も大きくなり、図5のようになることが容易に推測される。
【0066】
このように、PWM信号の代表的なパターン2種、いずれについても、“1”の期間、又は“0”の期間のいずれかの中心位置が一定方向に変位するという原理的な問題が生じる。
【0067】
これを解決する方法としては、8×FSの周波数をPWMパターンの1周期としているところを、16×FS、32×FS、・・・と周期を短くして、図3、4のタイミングチャートのマスタークロックを同様に、2倍、4倍、・・・と上げていくことが上げられる。しかしながら、この方法では、オーバーサンプリングやノイズシェ−パーの処理速度も2倍、4倍、・・・と上げていく必要がある。さらに、スイッチングアンプ回路のスイッチング周波数も2倍、4倍、・・・と上がっていくことになり、消費電力が増大するという問題が生じる。
【0068】
本発明は、前記2種のPWMパターンの歪の方向が正反対(逆)であることを利用して、所定期間、例えばサンプリング周期毎、または、サンプリング周期の所定回数毎に切り替えることで、歪が一定方向へ発生することを防ぐものである。この対応で例えば交互に上記2種のパターンを切り替える場合、歪成分は4×FS付近へ移動し、可聴帯域よりはるかに高い領域になり、また外部のローパスフィルタにて十分除去されるため、聴感上も特性上も問題がなくなる。
【0069】
上記デジタルオーディオ装置1におけるパルス幅変調回路13から出力されるPWM信号は、例えば、図8に示すPWM変換出力(3)や(4)のように、2種類のPWMパターンのPWM変換出力(1)(2)を切り替えたものとなっている。なお、PWM変換出力(1)は、図6に示すPWM変換出力に相当し、PWM変換出力(2)は、図7に示すPWM変換出力に相当する。
【0070】
なお、PWM変換出力(1)は、パルス幅変調回路13内の比較器21によって、所定期間(アナログ信号のサンプリング周期)の中心時間点を中心として、その前後対称に、“1”の信号のパルス幅を拡げるようにして生成され、また、PWM変換出力(2)は、パルス幅変調回路13内の比較器22によって、所定期間(アナログ信号のサンプリング周期)の中心時間点を中心として、その前後対称に、“0”の信号のパルス幅を狭めるようにして生成されている。
【0071】
この場合、PWM変換出力(1)は、“1”の信号のパルス幅が順次拡げられた信号となり、PWM変換出力(2)は、“0”の信号のパルス幅が順次狭められた信号となる。つまり、これら2つのPWM変換出力は、歪みの発生方向が互いに逆となる同じ内容の2種類のパルス幅変調信号となる。
【0072】
これにより、各パルス幅変調信号を適当なタイミングで切り替えても再生信号に影響を与えることなく、歪みを低減できる。
【0073】
例えば、上記選択回路23によって、比較器21、22によって生成されるそれぞれのパルス幅変調信号を、アナログ信号のサンプリング周期毎に交互に切り替えて出力するようにしてもよい。これが、図8のPWM変換出力(3)となる。
【0074】
この場合、パルス幅変調に起因する歪みが発生する箇所、すなわちアナログ信号のサンプリング周期による繰り返し期間毎で、パルス幅変調信号を切り替えるようになるので、パルス幅変調器から出力されるパルス幅変調信号における歪みをほとんど無くすことができる。
【0075】
このように、パルス幅変調信号の切り替えのタイミングは、上記のようなアナログ信号のサンプリング周期の繰り返し期間毎で行えば、上述のようにパルス幅変調信号の歪みをほとんど無くすことが可能となるが、選択回路23における信号の切替動作が頻繁になり、消費電力の面で不利になる虞がある。
【0076】
そこで、パルス幅変調信号の切り替えのタイミングを、アナログ信号のサンプリング周期の繰り返し期間毎でなく、一定の繰り返し期間数毎にすれば、信号切替出力手段における切替動作を頻繁に行う必要がなくなり、この結果、消費電力の増大を抑制することが可能となる。一例として、図8のPWM変換出力(4)のように、アナログ信号のサンプリング周期(繰り返し期間)の2周期毎に切り替えるようにしてもよい。
【0077】
しかしながら、この場合も、繰り返し期間数が多くなれば、歪みが大きくなる虞があるので、発生する歪みの大きさと消費電力とを考慮して、繰り返し期間を決定するのが好ましい。
【0078】
以上のように、本実施の形態にかかるパルス幅変調回路13では、比較器21、22におけるPWM変換によって、波形歪みが発生するにもかかわらず、選択回路23によって、歪み方向が互いに反対のPWM変換出力を交互に切り替えてPWM信号として出力することにより、後段のスイッチングアンプ14及びローパスフィルタ15において復調されても当該波形歪みが発生しないようになる。
【0079】
それゆえ、PWM信号のパルス周期を短くすることなく、PWM変換に起因する歪みを防止できる。したがって、PWM変換に起因する歪みを防止するために、オーバーサンプリングフィルタ11におけるオーバーサンプリングの倍数を増加させて、PWM信号のパルスの周期を短縮する場合と異なり、単位時間あたりのオーバーサンプリングやPWM変換処理の増加を抑制できる。
【0080】
ここで、PWM信号のパルス周期を短くした場合には、高速な演算クロックが必要になって集積回路化の障害になったり、消費電力の増大を招いたりという不具合が発生する虞れがある。また、PWM変換後のパルスを受けるスイッチングアンプ14において、スイッチング回数が増加するので、消費電力が増大してしまう。また、高速なスイッチングによって発生するノイズ対策の必要性が増し、オーディオ性能の確保が極めて困難になってしまう。
【0081】
これに対して、上記構成では、PWM信号のパルス周期を短くすることなく、PWM変換に起因する歪みを防止できるので、これらの不具合を回避でき、低消費電力、かつ、ノイズの少ないパルス幅変調回路13を実現できる。したがって、据え置き型の装置だけではなく、携帯型の装置にも好適に使用できる。
【0082】
特に、デジタルアンプや1ビットアンプと呼ばれるデジタル・アナログ変換方式を採用したアンプは、変換効率や集積回路での実現性が優れていることから、据え置き型の装置だけではなく、携帯型の装置への応用が期待されているが、上記アンプのパルス幅変調回路として、パルス幅変調回路11を用いることによって、より使用時間が長く、歪みのない信号を再生可能な携帯型の装置を実現できる。
【0083】
なお、上記では、説明の便宜上、ノイズシェーパ12がない場合について説明したが、本実施の形態のように、ノイズシェーパ12が設けられている構成であっても、パルス幅変調回路13でのPWM変換によって発生する歪みが、該パルス幅変調回路13内部で打ち消されるので、パルス幅変調回路13は、復調しても当該波形歪みが発生しないPWM信号を出力できる。
【0084】
以下では、10〔kHz〕の正弦波を入力した場合における、パルス幅変調処理の前後のスペクトラム(図9から図11)を参照しながら、従来のパルス幅変調回路113(図12参照)と、図1に示すパルス幅変調回路13とを比較する。すなわち、上記パルス幅変調回路113において、該パルス幅変調回路113への入力信号のスペクトラムでは、図9に示すように、7次のノイズシェーパ112による右肩上がりのノイズ分布と、10〔kHz〕の信号成分とが存在している。一方、パルス幅変調回路113の出力信号のスペクトラムでは、図10に示すように、パルス幅変調回路113でのPWM変換によって、20〔kHz〕付近に、2次の歪み成分が生じている。
【0085】
これに対して、図1に示すパルス幅変調回路13の出力信号のスペクトラムでは、図11に示すように、20〔kHz〕の成分が大きく減衰しており、従来のパルス幅変調回路113と比較して、明らかに歪みが除去されていることが分かる。
【0086】
なお、上記では、図1に示すように、デジタルオーディオ装置1においてノイズシェーパ12が設けられている場合を例にして説明したが、ノイズシェーパ12がない場合でも、上述したように、パルス幅変調回路13によって歪みを実用上問題無い周波数帯域まで移動させることができるので、本実施の形態と同様の効果を奏することができる。
【0087】
ただし、本実施の形態のように、ノイズシェーパ12を設けることによって、PWM信号の量子化雑音に微分特性を与えることができる。したがって、ノイズシェーパ12が量子化する際のサンプリング周波数を十分高く設定することにより、量子化時のビット数が少なくても、すなわち、パルス幅変調回路13が出力可能なPWM信号のパターンの数が少なくても、広いダイナミックレンジを確保できる。
【0088】
なお、本実施の形態に係るデジタルオーディオ装置1は、オーバーサンプリングフィルタ11を設けているが、音源2から入力されるデジタルデータのサンプリング周波数FSとパルス幅変調回路13が出力するPWM信号の繰り返し周波数とを等しく設定してオーバーサンプリングフィルタ11を省略してもよい。ただし、本実施の形態に係るデジタルオーディオ装置1のように、オーバーサンプリングフィルタ11を設けた場合は、オーバーサンプリング処理によって、原信号の周波数帯域とPWM信号の周波数帯域とを分離しやすくなるので、ノイズを効果的に除去できる。
【0089】
また、本発明は、デジタルオーディオ装置だけでなく、デジタルデータをアナログデータに変換する際に、該アナログデータの振幅に基づいてデジタルデータのパルス幅を変調する必要のある装置であれば、適用可能であり、デジタルオーディオ装置に適用した場合と同様の効果を奏することができる。
【0090】
【発明の効果】
以上のように、本発明のパルス幅変調器は、アナログ信号を変調して得られた“1”と“0”の2値の信号のパルス幅を、該アナログ信号の振幅に応じて変調するパルス幅変調器において、所定期間の中心時間点を中心に、上記“1”の信号のパルス幅を変調して第1のパルス幅変調信号を生成する第1信号生成手段と、所定期間の中心時間点を中心に、上記“0”の信号のパルス幅を変調して第2のパルス幅変調信号を生成する第2信号生成手段と、上記第1信号生成手段及び第2信号生成手段によって生成されるそれぞれのパルス幅変調信号を、切り替えて出力する信号切替出力手段とを備えた構成である。
【0091】
それゆえ、歪みの発生方向がそれぞれ逆となる、“1”の信号のパルス幅を調整して生成される第1のパルス幅変調信号と、“0”の信号のパルス幅を調整して生成される第2のパルス幅変調信号とを切り替えて出力することで、出力されるパルス幅変調信号の歪みが一定方向に発生するのを防ぐことができる。つまり、歪みの発生方向が交互に変化したパルス幅変調信号を出力することができる。
【0092】
このように、歪みの発生方向が交互に変化させることで、出力されるパルス幅変調信号の歪み成分の周期を短くすることができるので、該歪み成分をより高い周波数帯域に移動させることが可能となる。
【0093】
これにより、パルス幅変調によって生じた歪みをある周波数帯域、例えば可聴帯域よりも高くすることが可能となるので、該歪みを実用上問題無い周波数帯域可聴帯域よりも高い周波数待機に移動させることができる。この結果、可聴帯域での歪みを、ローパスフィルタによって完全に除去することができるので、パルス幅変調に起因するパルス幅変調信号の歪みを低減できることになる。
【0094】
したがって、歪みを低減するために、パルス周期を短くする必要がなくなるので、このパルス周期を短くすることによる消費電力の増大やノイズの発生量の増大といった問題が生じない。つまり、消費電力及びノイズの発生量を増大させることなく、パルス幅変調に起因するパルス幅変調信号の歪みを低減することができるという効果を奏する。
【0095】
上記第1信号生成手段によって、第1のパルス幅変調信号を生成する際に、所定期間の中心時間点を中心として、その前後対称に、“1”の信号のパルス幅を拡げるようにしてもよく、また、上記第2信号生成手段によって、第2のパルス幅変調信号を生成する際に、所定期間の中心時間点を中心として、その前後対称に、“0”の信号のパルス幅を狭めるようにしてもよい。
【0096】
この場合、第1のパルス幅変調信号は、“1”の信号のパルス幅が順次拡げられた信号となり、第2のパルス幅変調信号は、“0”の信号のパルス幅が順次狭められた信号となる。つまり、歪みの発生方向が互いに逆となる同じ内容の2種類のパルス幅変調信号を生成することができる。
【0097】
これにより、各パルス幅変調信号を適当なタイミングで切り替えても再生信号に影響を与えることなく、歪みを低減できるという効果を奏する。
【0098】
例えば、上記信号切替出力手段は、上記第1信号生成手段及び第2信号生成手段によって生成されるそれぞれのパルス幅変調信号を、アナログ信号のサンプリング周期毎に交互に切り替えて出力するようにしてもよい。
【0099】
この場合、パルス幅変調に起因する歪みが発生する箇所、すなわちアナログ信号のサンプリング周期による繰り返し位置毎で、パルス幅変調信号を切り替えるようになるので、パルス幅変調器から出力されるパルス幅変調信号における歪みをほとんど無くすことができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明のパルス幅変調器を備えたデジタルオーディオ装置の概略ブロック図である。
【図2】図1に示したデジタルオーディオ装置に備えられたノイズシェーパの概略ブロック図である。
【図3】図1に示すデジタルオーディオ装置に備えられたパルス幅変調回路内の比較器によって生成された“1”の信号に対応したPWM信号の波形図である。
【図4】図1に示すデジタルオーディオ装置に備えられたパルス幅変調回路内の比較器によって生成された“0”の信号に対応したPWM信号の波形図である。
【図5】原信号と歪みを有する信号とのずれを示す波形図である。
【図6】図3に示すPWM信号の原信号とのずれを示す説明図である。
【図7】図4に示すPWM信号の原信号とのずれを示す説明図である。
【図8】図3、図4及び本実施の形態にかかるPWM信号の波形図である。
【図9】パルス幅変調回路への入力信号のスペクトラムである。
【図10】従来のパルス幅変調回路の出力信号のスペクトラムである。
【図11】図1に示したデジタルオーディオ装置に備えられたパルス幅変調回路の出力信号のスペクトラムである。
【図12】従来のパルス幅変調器を備えたデジタルオーディオ装置の概略ブロック図である。
【符号の説明】
1 デジタルオーディオ装置
2 音源
3 スピーカ
11 オーバーサンプリングフィルタ
12 ノイズシェーパ
13 パルス幅変調回路(パルス幅変調器)
14 スイッチングアンプ
15 ローパスフィルタ
21 比較器(第1信号生成手段)
22 比較器(第2信号生成手段)
23 選択回路(信号切替出力手段)
24 カウンタ
25 分周回路
31a〜31g 積分器
32 加算器
33 量子化器
34 遅延器
35 減算器
41 乗算器
42 遅延器
43 加算器
51 乗算器
61 負帰還路
62 負帰還路
63 負帰還路
71 乗算器
FS サンプリング周波数
[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention is used for a device such as a digital audio device having a function of converting digital data into analog data, and before demodulating the digital data into analog data, sets the pulse width of the digital data in accordance with the amplitude of the analog data. The present invention relates to a modulating pulse width modulator.
[0002]
[Prior art]
Digital amplifiers or amplifiers that use a digital-to-analog conversion method called 1-bit amplifiers are widely used because of their excellent conversion efficiency and the feasibility of integrated circuits. It is also expected to be applied to portable devices.
[0003]
For example, as shown in FIG. 12, in a conventional digital audio apparatus 101 using the above-described digital amplifier, a digital data string input from a sound source 102 includes an oversampling filter 111, a noise shaper 112, and a pulse as a pulse width modulator. The signal is demodulated into an analog signal through a width modulation circuit 113, a switching amplifier 114, and a low-pass filter (LPF) 115, and is reproduced by the speaker 103.
[0004]
That is, the digital data string from the sound source 102 is input to the noise shaper 112 after the digital data string is interpolated by the oversampling filter 111. Here, if the oversampling filter 111 is an eight-times oversampling filter, for example, eight times the sampling frequency (FS) of the digital data string, that is, if FS = 44.1 kHz, 44.1 kHz × 8 The digital data after interpolation is supplied to the noise shaper 112 at a rate of = 352.8 kHz.
[0005]
The noise shaper 112 performs a noise shaping process on the input digital data sequence, and then supplies the digital data sequence to a pulse width modulation circuit 113 at a subsequent stage. Here, if the noise shaper 112 is a seventh-order noise shaper, the digital data sequence is quantized into 47 levels and supplied to the pulse width modulation circuit 113.
[0006]
In the pulse width modulation circuit 113, the input data is converted into 1-bit data expressed by binary “1” or “0”. The pulse width modulation circuit 113 includes a comparator 121 and a counter 122. In the comparator 121, the pulse width of data from the noise shaper 112 is increased or decreased by one cycle of the master clock from the counter 122. As a result, a pulse signal having a 47-step pulse width corresponding to the input data is generated, and this pulse signal is output to the switching amplifier 114 as 1-bit data (PMW signal).
[0007]
The output pattern of the PWM signal of the pulse width modulation circuit 113 is, for example, a PWM output pattern as shown in FIG. 3, which is an explanatory diagram of the present invention. Here, a frequency eight times the sampling frequency is a repetition frequency of the output of the PWM signal. The counter output of the counter 122 during the repetition frequency of the PWM signal is 96 counts from 0 to 95. Then, the period of “1” is extended symmetrically around the center time point A (between the counter outputs 47 and 48) of the repetition period of the PWM signal by one period of the master clock, and the pulse width of the pulse signal having a different pulse width is changed. A PWM signal of the pattern is generated. The frequency of the master clock at this time is sampling clock (FS) × 8 × 48 × 2 = 44.1 × 8 × 48 × 2 = 33.8688 MHz.
[0008]
The PWM signal thus obtained is pulse-amplified by a switching amplifier 114 at a subsequent stage, and then a high-frequency component is removed by a low-pass filter 115. Thereby, the signal indicated by the digital data string from the sound source 102 is demodulated, and the analog signal demodulated by the speaker 103 is reproduced.
[0009]
Here, the data output cycle of the oversampling filter 111 and the pulse cycle of the PWM signal are set to be sufficiently short so that the demodulated analog signal does not have waveform distortion. Therefore, the digital audio device 101 can reproduce a high-quality audio signal with sufficiently small waveform distortion on the speaker 103.
[0010]
[Problems to be solved by the invention]
As described above, when data sampled at regular time intervals is expressed by a pulse width, that is, when pulse width modulation is performed, distortion occurs in the PWM signal due to the pulse width modulation. As a method of removing this distortion, it is conceivable to increase the multiple of oversampling and shorten the period of the pulse after PWM conversion. However, oversampling or PWM conversion processing per unit time is inversely proportional to the PWM pulse period. It increases and requires a high-speed operation clock. For this reason, it becomes an obstacle when the digital amplifier is formed into an integrated circuit, and may cause an increase in power consumption.
[0011]
Further, with the increase in the speed of the operation clock, the number of switching operations of the switching amplifier that receives the pulse after the PWM conversion increases, which causes a problem of further increasing power consumption.
[0012]
In addition, the necessity for measures against noise generated by high-speed switching increases, and it is expected that it is very difficult to ensure audio performance. That is, in the digital audio device 101, when the amount of noise generated increases, audio performance cannot be secured unless sufficient noise countermeasures are taken. Therefore, it becomes difficult to reproduce a high quality audio signal.
[0013]
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in view of the above problems, and has as its object to reduce the pulse width of a PWM signal caused by pulse width modulation without increasing power consumption and the amount of noise generated. It is to provide a modulator.
[0014]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above problem, a pulse width modulator of the present invention converts the pulse width of a binary signal “1” and “0” obtained by modulating an analog signal into the amplitude of the analog signal. A pulse width modulator that modulates the pulse width of the signal of “1” around a center time point of a predetermined period to generate a first pulse width modulation signal; A second signal generator for generating a second pulse width modulated signal by modulating a pulse width of the "0" signal around a center time point of a predetermined period; the first signal generator and the second signal Signal switching output means for switching and outputting each pulse width modulation signal generated by the generation means.
[0015]
According to the above-described configuration, the first pulse width modulation signal generated by adjusting the pulse width of the “1” signal and the pulse width of the “0” signal, in which the directions in which the distortions are generated are opposite, are set. By switching and outputting the adjusted and generated second pulse width modulation signal, it is possible to prevent the distortion of the output pulse width modulation signal from occurring in a certain direction. In other words, it is possible to output a pulse width modulation signal in which the direction in which the distortion occurs changes alternately.
[0016]
By alternately changing the direction in which the distortion is generated, the period of the distortion component of the output pulse width modulation signal can be shortened, so that the distortion component can be moved to a higher frequency band. It becomes.
[0017]
This makes it possible to make the distortion caused by the pulse width modulation higher than a certain frequency band, for example, an audible band, so that the distortion can be shifted to a frequency standby higher than the audible band in a frequency band where there is no practical problem. it can. As a result, distortion in the audible band can be completely removed by the low-pass filter, so that distortion of the pulse width modulation signal caused by pulse width modulation can be reduced.
[0018]
Therefore, it is not necessary to shorten the pulse period in order to reduce the distortion, so that problems such as an increase in power consumption and an increase in the amount of noise generated by shortening the pulse period do not occur. That is, it is possible to reduce the distortion of the pulse width modulation signal caused by the pulse width modulation without increasing the power consumption and the amount of generation of noise.
[0019]
When the first pulse width modulation signal is generated by the first signal generation means, the pulse width of the signal "1" may be expanded symmetrically around the center time point of the predetermined period. Also, when the second pulse width modulation signal is generated by the second signal generation means, the pulse width of the "0" signal is narrowed symmetrically around the center time point of the predetermined period. You may do so.
[0020]
In this case, the first pulse width modulation signal is a signal in which the pulse width of the signal of "1" is sequentially increased, and the second pulse width modulation signal is a signal in which the pulse width of the signal of "0" is sequentially reduced. Signal. That is, it is possible to generate two types of pulse width modulation signals having the same contents in which the directions in which distortion occurs are opposite to each other.
[0021]
Thereby, even if each pulse width modulation signal is switched at an appropriate timing, distortion due to the pulse width modulation signal can be reduced without affecting the reproduction signal.
[0022]
For example, the signal switching output means may alternately output the pulse width modulation signals generated by the first signal generation means and the second signal generation means for each sampling period of the analog signal. Good.
[0023]
In this case, the pulse width modulation signal is switched at each point where distortion due to pulse width modulation occurs, that is, at each repetition position according to the sampling period of the analog signal, so that the pulse width modulation signal output from the pulse width modulator is output. Can be almost eliminated.
[0024]
For example, if the switching timing of the pulse width modulation signal is performed at each repetition position of the sampling period of the analog signal as described above, the distortion of the pulse width modulation signal can be almost eliminated as described above. The switching operation in the switching output unit becomes frequent, which may be disadvantageous in terms of power consumption.
[0025]
Therefore, if the switching timing of the pulse width modulation signal is set not at the repetition cycle of the sampling cycle of the analog signal but at a certain repetition cycle, it is not necessary to frequently perform the switching operation in the signal switching output means. In addition, it is possible to suppress an increase in power consumption.
[0026]
However, also in this case, if the number of repetition cycles of the switching timing increases, the distortion due to the pulse width modulation may increase. Therefore, the number of repetition periods is considered in consideration of the magnitude of the generated distortion and power consumption. Is preferably determined.
[0027]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
An embodiment of the present invention will be described below. In this embodiment, an example in which the pulse width modulator is mounted on a digital audio device such as a CD (Compact Disc), an MD (Mini Disc), a DVD (Digital Versatile Disc), or the like will be described.
[0028]
FIG. 1 is a block diagram schematically illustrating a digital audio device according to the present embodiment. As shown in FIG. 1, the digital audio apparatus 1 outputs an analog signal corresponding to a digital signal from a sound source 2 to a speaker 3, and outputs an oversampling signal from an input side of the digital signal from the sound source 2. The configuration is such that a filter 11, a noise shaper 12, a pulse width modulation circuit (pulse width modulator) 13, a switching amplifier 14, and a low-pass filter (LPF) 15 are connected in series.
[0029]
The oversampling filter 11 interpolates between digital data whose sampling frequency input from the sound source 2 is FS, for example, by performing an interpolation operation on the basis of the input digital data sequence, so that the sampling frequency FS is higher than the sampling frequency FS. A high-frequency digital data string is output to the noise shaper 12. In the present embodiment, an example in which an 8 × oversampling filter is used as the oversampling filter 11 will be described. In this case, the frequency of the digital data string output to the noise shaper 12 is eight times the sampling frequency FS.
[0030]
The noise shaper 12 performs a noise shaping process on the input digital data sequence, and outputs quantized digital data to the pulse width modulation circuit 13. Details of the noise shaper 12 will be described later.
[0031]
The pulse width modulation circuit 13 converts the binary signal of “1” and “0” from the sound source 2 obtained by modulating the analog signal, that is, the pulse width of the quantized digital data from the noise shaper 12. The signal is modulated in accordance with the amplitude of the analog signal, and is output to the subsequent switching amplifier 14 as a 1-bit PWM signal. Details of the pulse width modulation circuit 13 will be described later.
[0032]
The switching amplifier 14 amplifies a pulse of the PWM signal from the pulse width modulation circuit 13 and is provided, for example, between a power supply line maintained at a high-level potential (for example, a power supply potential) and an output terminal. A first switching element that is turned on / off in response to the PWM signal; a power supply line that is maintained at a low-level potential (for example, a ground level); and the output terminal; The PWM signal is pulse-amplified and output to a low-pass filter 15 at a subsequent stage.
[0033]
The low-pass filter 15 removes high frequency components from the pulse-amplified PWM signal from the switching amplifier 14 to generate an analog signal. The generated analog signal is reproduced by the speaker 3.
[0034]
In the digital audio apparatus 1, an example has been described in which the speaker 3 is used as a reproducing unit for reproducing an analog signal obtained by modulating a digital signal from the sound source 2. However, the reproducing unit for reproducing an analog signal is, of course, used. If so, other devices such as headphones may be used in addition to the speaker 3.
[0035]
In the present embodiment, the sampling frequency FS of the digital signal output from the sound source 2 is, for example, 44.1 [kHz]. The output rate of the oversampling filter 11 is set to a value at which the noise shaper 12 can convert the number of quantization values with sufficient accuracy. For example, in the case of digital data from a CD, the bit width is 16 bits). In this embodiment, the noise shaper 12 is a seventh-order noise shaper, and outputs digital data quantized in 47 stages. ing. The output rate of the oversampling filter 11 is set to eight times the sampling frequency FS, that is, 352.8 [kHz].
[0036]
Here, the noise shaper 12 and the pulse width modulation circuit 13 according to the present embodiment will be described below.
[0037]
First, the noise shaper 12 will be described below with reference to FIG. FIG. 2 is a block diagram of the noise shaper 12.
[0038]
As shown in FIG. 12, the noise shaper 12 is a delta-sigma modulation circuit, for example, a seventh-order noise shaper provided with seven integrators 31a to 31g. That is, the noise shaper 12 cascade-connects the integrators 31 a, the adder 32 that adds the outputs of the integrators 31 a, and quantizes the output of the adder 32. A quantizer 33 that outputs a quantization result; and a subtractor that subtracts the quantization result transmitted via the delay unit 34 from an input signal to the noise shaper 12 and inputs the subtraction result to the first-stage integrator 31a. 35.
[0039]
The integrator 31a includes a multiplier 41 for multiplying an input signal of the integrator 31a by a predetermined coefficient, a delay unit 42 for delaying an output of the integrator 31a, an output of the multiplier 41 and an output of the delay unit 42. And an adder 43 that outputs the addition result as an output of the integrator 31a, and can output a value obtained by integrating the input signal. The subsequent integrators 31b are configured in the same manner as the first-stage integrator 31a. Further, in the present embodiment, the adder 32 adds the signals obtained by amplifying the outputs of the respective integrators 31a..., And each of the integrators 31a. . Are provided.
[0040]
Further, the quantizer 33 according to the present embodiment quantizes the output of the adder 32 into 47 levels, and outputs digital data indicating one of the levels to the pulse width modulation circuit 13.
[0041]
Further, the sampling frequency of the quantizer 33 is set to the same value as the sampling frequency of the oversampling filter 11. Note that the sampling frequency of the quantizer 33 is the repetition frequency of the output of the PWM signal.
[0042]
Here, as described above, the sampling frequency of the oversampling filter 11 is set to a value that allows the noise shaper 12 to convert the number of quantization values with sufficient accuracy, for example, eight times the sampling frequency FS. I have. Accordingly, the noise shaper 12 converts the digital data (for example, digital data having a bit width of 16 bits in the case of digital data from a CD) input to the noise shaper 12 into a quantization signal suitable for the pulse width modulation circuit 13. It can be converted into a digital signal of the number of values (for example, 47 levels) with a small error. It should be noted that the noise shaping process gives differential characteristics to the quantization error. Therefore, by setting the sampling frequency of the noise shaper 12 sufficiently high, a wide dynamic range can be obtained even with a small number of bits.
[0043]
As shown by the broken line in FIG. 2, in order to form a dip in the quantization noise distribution (noise floor) of the output of the noise shaper 12 and adjust the quantization noise distribution shape to a desired shape, The noise shaper 12 may be provided with a negative feedback path.
[0044]
In the example of FIG. 2, a negative feedback path 61 for negatively feeding the output of the third-stage integrator 31c to the input of the second-stage integrator 31b, and integrating the output of the fifth-stage integrator 31e with the fourth-stage integrator 31e A negative feedback path 62 for negatively feeding back to the input of the integrator 31d and a negative feedback path 63 for negatively feeding back the output of the seventh-stage integrator 31g to the input of the sixth-stage integrator 31f are shown. Each of the negative feedback paths 61 (62 and 63) includes a delay unit 42 of the integrator 31c (31e and 31f) and a multiplier 71 (72 and 73) for the negative feedback path 61 (62 and 63). Have been. When these multipliers 71 are provided and the negative feedback paths 61 are formed, the quantization noise level is sharply centered on the frequency (zero point frequency) corresponding to the gain of the loop including each of the negative feedback paths 61. descend.
[0045]
Here, in the frequency characteristic of the quantization noise, a portion where the level is reduced is referred to as a dip, and the dip formed by each of the negative feedback paths 61 suppresses the high-frequency quantization noise. The level of the quantization noise can be kept below a predetermined value up to an upper limit frequency of a desired use frequency band such as 20 kHz.
[0046]
In the above description, an example has been described in which the input signal to the noise shaper 12 is a digital signal, and the members 31a to 35 of the noise shaper 12 are implemented by digital circuits. The members 31a to 35 may be realized by analog circuits.
[0047]
Next, the pulse width modulation circuit 13 will be described below with reference to FIGS. FIG. 3 and FIG. 4 are waveform diagrams showing a pattern of the PWM conversion output in which the pulse width is modulated in the pulse width modulation circuit 13.
[0048]
As shown in FIG. 1, the pulse width modulation circuit 13 modulates the pulse width of the “1” signal of the digital signals from the noise shaper 12 to generate a first pulse width modulation signal. A comparator 21 as a means, a comparator 22 as a second signal generating means for modulating the pulse width of the signal of “0” to generate a second pulse width modulated signal, and a comparator 21 and 21 A selection circuit 23 as signal switching output means for switching and outputting each pulse width modulation signal to be output, a counter 24 for supplying a counter output to the comparators 21 and 22, and a selection signal to the selection circuit 23 And a frequency dividing circuit 25.
[0049]
In this embodiment, for convenience of explanation, a signal of “1” will be referred to as a high-level pulse, and a signal of “0” will be referred to as a low-level pulse.
[0050]
The pulse width modulation circuit 13 outputs a PWM signal having a designated pulse width and a fixed period of time between the center positions of the high-level and low-level pulses. The PWM signal output from the pulse width modulation circuit 13 includes a first pulse width modulation signal that gradually increases the high-level pulse width generated by the comparator 21 and a low-level pulse generated by the comparator 22. This is a signal obtained by alternately switching any one of the second pulse width modulation signals whose width is gradually narrowed by the selection circuit 23.
[0051]
At this time, the 8 × oversampling synchronous clock and the master clock are input to the counter 24, and a counter output is generated with reference to these clocks. The eight-times oversampling synchronous clock indicates a cycle eight times the sampling cycle, and this cycle is a pulse repetition cycle. The eight-times oversampling synchronous clock is also supplied to the frequency dividing circuit 25.
[0052]
As described above, the digital signal from the noise shaper 12 is data quantized into 47 stages, and the interval for expanding the pulse width of the PWM signal is one cycle of the master clock (corresponding to one unit of the counter output). Therefore, as shown in FIGS. 3 and 4, when the interval between the counter outputs 47 and 48 is set to the center time point A of the repetition period and the counter output is set to B, the comparator 21 compares A and B with each other. Referring to FIG. 3, the high-level pulse width of the digital signal from the noise shaper 12 is extended by one period of the master clock to generate a PWM signal of 47 patterns (FIG. 3), and the comparator 22 compares A and B with each other. With reference to this, the low-level pulse width of the digital signal from the noise shaper 12 is reduced by one period of the master clock to generate a PWM signal of 47 patterns (FIG. 4).
[0053]
When the PWM signal shown in FIG. 3 is output in a time series, it becomes like a PWM conversion output (1) shown in FIG. 8, and when the PWM signal shown in FIG. 4 is output in a time series, the PWM conversion output shown in FIG. It becomes like (2). In the present application, the two types of digital signals shown in FIGS. 3 and 4 are not output as PWM signals as they are, but the selector circuit 23 switches the digital signals shown in FIGS. It is supposed to. For example, it is output as a PWM signal such as a PWM conversion output (3) or (4) shown in FIG. The selection circuit 23 switches the PWM signal based on the selection signal from the frequency dividing circuit 25. Details of the switching of the PWM signal and details of the operation and effect of the switching will be described later.
[0054]
By the way, when converting multi-valued data (including analog data) into a 1-bit PWM signal, as shown in FIG. 3, it is symmetrical around the center time point A of the repetition period according to the input data. In accordance with the PWM conversion output pattern in which the period of “1” is extended by one master clock period, and as shown in FIG. In general, a PWM conversion output pattern in which the period of “0” is narrowed by one master clock period.
[0055]
However, no matter which of the PWM conversion output pattern (hereinafter, referred to as a first PWM pattern) shown in FIG. 3 and the PWM conversion output pattern (hereinafter, referred to as a second PWM pattern) shown in FIG. (Pulse width), a second-order distortion is generated. Note that these two types of patterns are distorted in different directions (distorted in opposite directions). Hereinafter, the phenomenon and the cause of the distortion occurring in the conversion will be described. For the sake of simplicity, the explanation will be made with the noise shaper processing omitted.
[0056]
Here, FIG. 5 is a diagram showing a difference between an input original waveform and a waveform reproduced by performing analog processing on a signal after PWM conversion. W0 in FIG. 5 is an original waveform, W1 is a waveform of a signal reproduced by performing analog processing on the signal of the first PWM pattern shown in FIG. 3, and W2 is a waveform of a signal reproduced by performing analog processing on the signal of the second PWM pattern shown in FIG. The waveform is shown.
[0057]
That is, the waveform W1 is a waveform after the 1-bit PWM signal of the first PWM pattern is subjected to the above-mentioned switching amplifier and low-pass filter processing. The waveform W2 is a waveform of the 1-bit PWM signal of the second PWM pattern, It is a waveform after performing an amplifier and a low-pass filter process.
[0058]
FIG. 5 shows that the difference between the original waveform W0 and the waveforms W1 and W2 increases as the level change amount increases. That is, it can be seen that the higher the frequency of the signal, the more significant the waveform distortion becomes.
[0059]
The principle of the generation of this distortion will be described below with reference to FIGS. FIG. 6 is a graph showing the relationship between the first PWM pattern shown in FIG. 3 and the distortion, and FIG. 7 is a graph showing the relationship between the second PWM pattern shown in FIG. 4 and the distortion.
[0060]
6, the upper straight line indicates a straight line L0 corresponding to the original signal shown in FIG. 5, and this straight line L0 is a waveform after oversampling by eight times, and the sampled digital data is S0 to S4. .
[0061]
In FIG. 6, the middle stage shows the waveform of a PWM signal obtained by PWM-converting the sampled digital data. In this PWM signal, the pulse width of each of the pulses P0P to P4P is a width corresponding to the digital data S0 to S4, and the center position of each of the pulses P0P to P4P is the sampling time t0 of each of the digital data S0 to S4. The waveform is synchronized with t4. The time of "1" and the time of "0" represent the energy in the positive direction and the energy in the negative direction, respectively, for each period of the digital data S0 to S4. Indicates the level of digital data S0 to S4.
[0062]
In FIG. 6, the lower part expresses positive and negative energies at the center of the time of “1” and the time of “0” in consideration of the adjacent periods, which are S0h to S4h and S01L to S34L, respectively. The dashed line Ep indicates positive energy, and the dashed line En indicates negative energy. The sum of both is a straight line L1. From the straight line L0 corresponding to the original signal, it can be seen that it is slightly shifted to the positive side. This is because S01L to S34L have moved temporally ahead of the ideal position. Further, it is easily presumed that as the inclination of the original signal increases, the amount of movement also increases, and the result is as shown in FIG.
[0063]
In FIG. 7, the upper straight line indicates a straight line L0 corresponding to the original signal shown in FIG. 5, and this straight line L0 is a waveform after 8 times oversampling, and the sampled digital data is S0 to S4. .
[0064]
In FIG. 7, the middle stage shows the waveform of a PWM signal obtained by PWM-converting the sampled digital data. In this PWM signal, the pulse width of each of the pulses P0N to P4N has a width corresponding to the digital data S0 to S4, and the center position of each of the pulses P0N to P4N is the sampling time t0 of each of the digital data S0 to S4. The waveform is synchronized with t4. The time of "1" and the time of "0" represent the energy in the positive direction and the energy in the negative direction, respectively, for each period of the digital data S0 to S4. Indicates the level of digital data S0 to S4.
[0065]
In FIG. 7, the lower part expresses positive and negative energies at the center of the time of “1” and the time of “0” in consideration of the adjacent periods, which are S01h to S34h and S0L to S4L, respectively. The dashed line Ep represents positive energy, and the dashed line En represents negative energy. The sum of the two is a straight line L2. From the straight line L0 corresponding to the original signal, it can be seen that it is slightly shifted to the negative side. This is because S01h to S34h have moved temporally behind the ideal position. Further, it is easily presumed that as the inclination of the original signal increases, the amount of movement also increases, and the result is as shown in FIG.
[0066]
As described above, a principle problem arises in that the center position in either the “1” period or the “0” period is displaced in a certain direction in each of the two typical patterns of the PWM signal.
[0067]
As a method for solving this, the frequency of 8 × FS is set as one cycle of the PWM pattern, but the cycle is shortened to 16 × FS, 32 × FS,. Similarly, the master clock can be increased twice, four times, and so on. However, in this method, it is necessary to increase the processing speed of the oversampling and the noise shaper by two times, four times, and so on. Further, the switching frequency of the switching amplifier circuit also increases twice, four times,..., Which causes a problem that power consumption increases.
[0068]
The present invention utilizes the fact that the distortion directions of the two types of PWM patterns are directly opposite (reverse), and is switched over for a predetermined period, for example, every sampling period or every predetermined number of sampling periods, so that the distortion is reduced. This is to prevent occurrence in a certain direction. For example, when the above two types of patterns are alternately switched in this correspondence, the distortion component moves to around 4 × FS, becomes a region much higher than the audible band, and is sufficiently removed by an external low-pass filter. There is no problem in terms of both characteristics and characteristics.
[0069]
The PWM signal output from the pulse width modulation circuit 13 in the digital audio device 1 is, for example, a PWM conversion output (1) of two types of PWM patterns, such as PWM conversion outputs (3) and (4) shown in FIG. ) (2) is switched. Note that the PWM conversion output (1) corresponds to the PWM conversion output shown in FIG. 6, and the PWM conversion output (2) corresponds to the PWM conversion output shown in FIG.
[0070]
Note that the PWM conversion output (1) is output by the comparator 21 in the pulse width modulation circuit 13 symmetrically with respect to the center time point of the predetermined period (sampling cycle of the analog signal) in the front-back direction of the signal of “1”. The PWM conversion output (2) generated so as to expand the pulse width is output by the comparator 22 in the pulse width modulation circuit 13 around a center time point of a predetermined period (analog signal sampling period). It is generated in such a way that the pulse width of the signal of “0” is narrowed symmetrically.
[0071]
In this case, the PWM conversion output (1) is a signal in which the pulse width of the signal “1” is sequentially increased, and the PWM conversion output (2) is a signal in which the pulse width of the signal “0” is sequentially reduced. Become. In other words, these two PWM conversion outputs are two types of pulse width modulation signals having the same contents in which the directions in which distortion occurs are opposite to each other.
[0072]
Thereby, even if each pulse width modulation signal is switched at an appropriate timing, the distortion can be reduced without affecting the reproduction signal.
[0073]
For example, the selection circuit 23 may alternately output the pulse width modulation signals generated by the comparators 21 and 22 every sampling period of the analog signal. This is the PWM conversion output (3) in FIG.
[0074]
In this case, the pulse width modulation signal is switched at each point where distortion due to pulse width modulation occurs, that is, at each repetition period according to the sampling period of the analog signal, so that the pulse width modulation signal output from the pulse width modulator is output. Can be almost eliminated.
[0075]
As described above, if the switching timing of the pulse width modulation signal is performed in each repetition period of the sampling cycle of the analog signal as described above, the distortion of the pulse width modulation signal can be almost eliminated as described above. In addition, the signal switching operation in the selection circuit 23 becomes frequent, which may be disadvantageous in terms of power consumption.
[0076]
Therefore, if the switching timing of the pulse width modulation signal is set not for each repetition period of the sampling period of the analog signal but for each fixed number of repetition periods, it is not necessary to frequently perform the switching operation in the signal switching output means. As a result, it is possible to suppress an increase in power consumption. As an example, as in the PWM conversion output (4) of FIG. 8, the switching may be performed every two sampling cycles (repetition periods) of the analog signal.
[0077]
However, also in this case, if the number of repetition periods increases, the distortion may increase. Therefore, it is preferable to determine the repetition period in consideration of the magnitude of the generated distortion and power consumption.
[0078]
As described above, in the pulse width modulation circuit 13 according to the present embodiment, although the waveform distortion occurs due to the PWM conversion in the comparators 21 and 22, the selection circuit 23 uses the PWMs whose distortion directions are opposite to each other. By switching the converted output alternately and outputting it as a PWM signal, the waveform distortion does not occur even when demodulated by the switching amplifier 14 and the low-pass filter 15 at the subsequent stage.
[0079]
Therefore, distortion due to PWM conversion can be prevented without shortening the pulse period of the PWM signal. Therefore, in order to prevent distortion due to the PWM conversion, the oversampling in the oversampling filter 11 is increased to increase the oversampling and reduce the period of the pulse of the PWM signal. An increase in processing can be suppressed.
[0080]
Here, if the pulse period of the PWM signal is shortened, a high-speed operation clock is required, which may cause problems such as an obstacle to integration into a circuit and an increase in power consumption. Further, in the switching amplifier 14 receiving the pulse after the PWM conversion, the number of times of switching increases, so that the power consumption increases. Further, the necessity for measures against noise generated by high-speed switching increases, and it becomes extremely difficult to secure audio performance.
[0081]
On the other hand, in the above configuration, distortion due to PWM conversion can be prevented without shortening the pulse period of the PWM signal, so that these problems can be avoided, and pulse width modulation with low power consumption and little noise can be achieved. The circuit 13 can be realized. Therefore, it can be suitably used not only for stationary devices but also for portable devices.
[0082]
In particular, digital amplifiers and amplifiers that use the digital-to-analog conversion method called 1-bit amplifiers have excellent conversion efficiency and the feasibility of integrated circuits, so they can be used not only for stationary devices but also for portable devices. However, by using the pulse width modulation circuit 11 as the pulse width modulation circuit of the amplifier, it is possible to realize a portable device that has a longer use time and can reproduce a signal without distortion.
[0083]
In the above description, the case where the noise shaper 12 is not provided has been described for convenience of description. However, even in the configuration in which the noise shaper 12 is provided as in the present embodiment, the PWM in the pulse width modulation circuit 13 may be used. Since the distortion generated by the conversion is canceled inside the pulse width modulation circuit 13, the pulse width modulation circuit 13 can output a PWM signal in which the waveform distortion does not occur even when demodulated.
[0084]
Hereinafter, the conventional pulse width modulation circuit 113 (see FIG. 12) will be described with reference to the spectrum (FIGS. 9 to 11) before and after the pulse width modulation processing when a 10 kHz sine wave is input. Compare with the pulse width modulation circuit 13 shown in FIG. That is, in the pulse width modulation circuit 113, as shown in FIG. 9, in the spectrum of the input signal to the pulse width modulation circuit 113, the noise distribution rising to the right by the 7th-order noise shaper 112 and the noise distribution of 10 [kHz] Signal components exist. On the other hand, in the spectrum of the output signal of the pulse width modulation circuit 113, as shown in FIG. 10, due to the PWM conversion in the pulse width modulation circuit 113, a second-order distortion component is generated around 20 [kHz].
[0085]
On the other hand, in the spectrum of the output signal of the pulse width modulation circuit 13 shown in FIG. 1, the component of 20 kHz is greatly attenuated as shown in FIG. Thus, it can be seen that the distortion has been clearly removed.
[0086]
In the above description, the case where the noise shaper 12 is provided in the digital audio device 1 as shown in FIG. 1 has been described as an example. However, even when the noise shaper 12 is not provided, the pulse width modulation is performed as described above. Since the circuit 13 can move the distortion to a frequency band where there is no practical problem, the same effect as in the present embodiment can be obtained.
[0087]
However, by providing the noise shaper 12 as in the present embodiment, it is possible to impart a differential characteristic to the quantization noise of the PWM signal. Therefore, by setting the sampling frequency at the time of quantization by the noise shaper 12 to be sufficiently high, even if the number of bits at the time of quantization is small, that is, the number of PWM signal patterns that can be output by the pulse width modulation circuit 13 is reduced. At least, a wide dynamic range can be secured.
[0088]
Although the digital audio apparatus 1 according to the present embodiment is provided with the oversampling filter 11, the sampling frequency FS of the digital data input from the sound source 2 and the repetition frequency of the PWM signal output from the pulse width modulation circuit 13 May be set equal and the oversampling filter 11 may be omitted. However, when the oversampling filter 11 is provided as in the digital audio device 1 according to the present embodiment, the frequency band of the original signal and the frequency band of the PWM signal can be easily separated by the oversampling process. Noise can be effectively removed.
[0089]
Further, the present invention is applicable not only to a digital audio device, but also to any device that needs to modulate the pulse width of digital data based on the amplitude of the analog data when converting the digital data to analog data. Thus, the same effect as when applied to a digital audio device can be obtained.
[0090]
【The invention's effect】
As described above, the pulse width modulator of the present invention modulates the pulse width of a binary signal “1” and “0” obtained by modulating an analog signal according to the amplitude of the analog signal. A first signal generating means for modulating a pulse width of the signal of "1" around a center time point of a predetermined period to generate a first pulse width modulation signal; A second signal generating means for generating a second pulse width modulated signal by modulating a pulse width of the signal of "0" around a time point, and generating the second pulse width modulated signal by the first signal generating means and the second signal generating means. And a signal switching output means for switching and outputting each of the pulse width modulation signals to be performed.
[0091]
Therefore, the first pulse width modulation signal generated by adjusting the pulse width of the “1” signal and the pulse width of the “0” signal are generated by adjusting the pulse width of the “1” signal, in which the directions in which the distortions are generated are opposite to each other. By switching and outputting the second pulse width modulation signal to be output, it is possible to prevent the distortion of the output pulse width modulation signal from occurring in a certain direction. In other words, it is possible to output a pulse width modulation signal in which the direction in which the distortion occurs changes alternately.
[0092]
By alternately changing the direction in which the distortion is generated, the period of the distortion component of the output pulse width modulation signal can be shortened, so that the distortion component can be moved to a higher frequency band. It becomes.
[0093]
This makes it possible to make the distortion caused by the pulse width modulation higher than a certain frequency band, for example, an audible band, so that the distortion can be shifted to a frequency standby higher than the audible band in a frequency band where there is no practical problem. it can. As a result, distortion in the audible band can be completely removed by the low-pass filter, so that distortion of the pulse width modulation signal caused by pulse width modulation can be reduced.
[0094]
Therefore, it is not necessary to shorten the pulse period in order to reduce the distortion, so that problems such as an increase in power consumption and an increase in the amount of noise generated by shortening the pulse period do not occur. That is, it is possible to reduce the distortion of the pulse width modulation signal caused by the pulse width modulation without increasing the power consumption and the amount of noise generated.
[0095]
When the first pulse width modulation signal is generated by the first signal generation means, the pulse width of the signal "1" may be expanded symmetrically around the center time point of the predetermined period. Also, when the second pulse width modulation signal is generated by the second signal generation means, the pulse width of the "0" signal is narrowed symmetrically around the center time point of the predetermined period. You may do so.
[0096]
In this case, the first pulse width modulation signal is a signal in which the pulse width of the signal of "1" is sequentially increased, and the second pulse width modulation signal is a signal in which the pulse width of the signal of "0" is sequentially reduced. Signal. That is, it is possible to generate two types of pulse width modulation signals having the same contents in which the directions in which distortion occurs are opposite to each other.
[0097]
As a result, there is an effect that the distortion can be reduced without affecting the reproduction signal even if each pulse width modulation signal is switched at an appropriate timing.
[0098]
For example, the signal switching output means may alternately output the pulse width modulation signals generated by the first signal generation means and the second signal generation means for each sampling period of the analog signal. Good.
[0099]
In this case, the pulse width modulation signal is switched at each point where distortion due to pulse width modulation occurs, that is, at each repetition position according to the sampling period of the analog signal, so that the pulse width modulation signal output from the pulse width modulator is output. This has the effect that distortion in can be almost eliminated.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic block diagram of a digital audio device including a pulse width modulator of the present invention.
FIG. 2 is a schematic block diagram of a noise shaper provided in the digital audio device shown in FIG.
FIG. 3 is a waveform diagram of a PWM signal corresponding to a signal of "1" generated by a comparator in a pulse width modulation circuit provided in the digital audio device shown in FIG.
FIG. 4 is a waveform diagram of a PWM signal corresponding to a “0” signal generated by a comparator in a pulse width modulation circuit provided in the digital audio device shown in FIG. 1;
FIG. 5 is a waveform diagram showing a shift between an original signal and a signal having distortion.
FIG. 6 is an explanatory diagram showing a deviation of a PWM signal shown in FIG. 3 from an original signal.
FIG. 7 is an explanatory diagram showing a deviation of a PWM signal shown in FIG. 4 from an original signal.
FIG. 8 is a waveform diagram of a PWM signal according to FIGS. 3, 4 and the present embodiment.
FIG. 9 is a spectrum of an input signal to the pulse width modulation circuit.
FIG. 10 is a spectrum of an output signal of a conventional pulse width modulation circuit.
FIG. 11 is a spectrum of an output signal of a pulse width modulation circuit provided in the digital audio device shown in FIG.
FIG. 12 is a schematic block diagram of a digital audio device including a conventional pulse width modulator.
[Explanation of symbols]
1 Digital audio equipment
2 sound source
3 Speaker
11 Oversampling filter
12 Noise Shaper
13. Pulse width modulator (pulse width modulator)
14 Switching amplifier
15 Low-pass filter
21 Comparator (first signal generation means)
22 Comparator (second signal generation means)
23 Selection circuit (signal switching output means)
24 counter
25 divider circuit
31a-31g Integrator
32 adder
33 Quantizer
34 delay unit
35 Subtractor
41 Multiplier
42 delay unit
43 Adder
51 Multiplier
61 Negative feedback path
62 Negative feedback path
63 Negative feedback path
71 Multiplier
FS sampling frequency

Claims (3)

アナログ信号を変調して得られた“1”と“0”の2値の信号のパルス幅を、該アナログ信号の振幅に応じて変調するパルス幅変調器において、
所定期間の中心時間点を中心に、上記“1”の信号のパルス幅を変調して第1のパルス幅変調信号を生成する第1信号生成手段と、
所定期間の中心時間点を中心に、上記“0”の信号のパルス幅を変調して第2のパルス幅変調信号を生成する第2信号生成手段と、
上記第1信号生成手段及び第2信号生成手段によって生成されるそれぞれのパルス幅変調信号を、切り替えて出力する信号切替出力手段とを備えていることを特徴とするパルス幅変調器。
A pulse width modulator that modulates a pulse width of a binary signal “1” and “0” obtained by modulating an analog signal according to the amplitude of the analog signal,
First signal generation means for generating a first pulse width modulation signal by modulating a pulse width of the signal of “1” around a center time point of a predetermined period;
Second signal generating means for generating a second pulse width modulated signal by modulating a pulse width of the signal of “0” around a center time point of a predetermined period;
A pulse width modulator comprising: signal switching output means for switching and outputting each of the pulse width modulation signals generated by the first signal generation means and the second signal generation means.
上記第1信号生成手段は、第1のパルス幅変調信号を生成する際に、所定期間の中心時間点を中心として、その前後対称に、“1”の信号のパルス幅を拡げると共に、
上記第2信号生成手段は、第2のパルス幅変調信号を生成する際に、所定期間の中心時間点を中心として、その前後対称に、“0”の信号のパルス幅を狭めることを特徴とする請求項1記載のパルス幅変調器。
When the first signal generation means generates the first pulse width modulation signal, the first signal generation means expands the pulse width of the signal of “1” symmetrically around the center time point of the predetermined period, and
When the second signal generation means generates the second pulse width modulation signal, the second signal generation means narrows the pulse width of the signal of “0” symmetrically around the center time point of the predetermined period. The pulse width modulator according to claim 1, wherein
上記信号切替出力手段は、上記第1信号生成手段及び第2信号生成手段によって生成されるそれぞれのパルス幅変調信号を、アナログ信号のサンプリング周期毎に交互に切り替えて出力することを特徴とする請求項2記載のパルス幅変調器。The signal switching output means alternately outputs the pulse width modulation signals generated by the first signal generation means and the second signal generation means for each sampling period of an analog signal, and outputs the signal. Item 3. A pulse width modulator according to Item 2.
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