JP4950223B2 - 入力音声信号に超音波信号を加えることによってデジタルアンプの性能を改善するためのシステム及び方法 - Google Patents
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Description
図5から図7は、シミュレーションによる時間領域プロットを示しており、3段階のブリッジ出力についての不感時間の影響を示す。デモンストレーションのために、不感時間が誇張されており、約70nsに設定されている。図5のプロットは、48Vの電源の8オームの負荷に関するフルスケールが−20dBの320Hzのトーンの1サイクルについての、出力電圧及びインダクタ電流を示す。3段階の変調に関して言えば、小さな信号レベルについてはインダクタ電流にリップルあまり存在しない。これは、小さな信号レベルではゼロ交差が生じていることを意味する。全ての信号が3段階のシステムにおいてこのようなタイプの歪みを呈するであろうが、信号と比較して歪みが顕著であるため、低い信号レベルでは歪みが悪化するものと思われる。図6及び図7はゼロ交差領域の重要な部分の詳細をさらに拡大している。
3段階の変調(クラスBD)に関する2つの歪みの原因は、トーンを加えることによる影響を受ける可能性がある。
・低い信号レベルにおいて、ブリッジの2つの側がほぼ同時に切り替わる。一方の端部から他方の端部への結合を最小限にするために、2つの切り替えの事実を引き離すのが好都合である。
・出力ステージにおける不感時間が、出力電流が0に近い際に不感時間が生じることで不感時間の際の出力レベルが信号依存となるため、低い信号レベルにおいて現れる。
また、Fswiich/2トーンを使用して、スイッチトーンFswiichからエネルギを追い出すことが可能である。アンプをゼロ入力信号で駆動する場合、非常に小さな信号エネルギが音声帯域の中に分布し、わずかな部分がノイズシェーパーによって高周波数に広がり、その一方で、スイッチング周波数におけるエネルギのレベルがそのピークとなる。入力信号が変調される際に、より大きなエネルギが他の周波数に位置するため、スイッチングトーンにおけるエネルギの量が減少する。
しかしながら都合の悪いことに、設定したalpha=160/128は、全ての信号レベルでクリッピングを避けられない。これは、図16を参照して理解できる:すなわち、設定したalpha=145.5/128がダイヤモンド形によって示される効果を与える。設定したalpha=160/128は、ダイヤモンド形によって示される曲線をスケーリングするため、alphaによってスケーリングされる場合に、多項式がクリッピングを避けるために1−|x|よりも小さくなければならないという要請に違反し、違反は大体x=0.27からx=0.422の範囲にわたって生じる。alpha=140/128という値により、−1から1までの範囲の全てのxについてクリッピングを避けることができ、適度な安全範囲を具える一方で、依然として周波数Fswitchにおいて11.5dBの出力トーンの減少を与える。このため、非常に低い信号レベルでalpha=160/128という値を使用して、入力信号レベルが0.027といった閾値を超えることが検出される場合に、例えば、140/128にアルファの値を減少させるための手段を提供するのが好適である。
((Fswiteh>Fc−bw&&Fswiteh<Fc+bw)||(3*Fswitch>Fc−bw&&3*Fswitch<Fc+bw))の場合、
Fswitch/2を作動させる必要があり、
それ以外の場合、
Fswitch/2を止める。
当然ながら、不感時間歪み又コインシデンス歪みを減らすことを目的としてFswitch/2トーンを必要とし、「Fswitch/2トーンオフ」という命令は、完全にトーンを無くすのではなく係数alphaを下げて低い値を使用するための命令として解釈される。
トーンでスケールされた同じタイプの多項式:
y=x+alpha*(b4*x4+b2*x2+b0)*tone
を付加することによって、不感時間歪み及びAMラジオの回避の双方を実施可能である。ここで、xは入力信号、yは信号+スケールされたトーンに等しい出力、alphaはスケーリングファクタ、b0,b2及びb4は、多項式の係数である。一般に、これは特注のハードウェア及びより一般的なDSPのようなデータパスの組み合わせで実行される。
PWMtonea=(fs2tone?alpha:−alpha)
fs2tone=〜fs2tone
を生成できる。
PWMxx=PWMx*PWMx
scale=(b4*PWMxx+b2)*PWMxx+b0
PWMy=PWMx+scale*PWMtonea
を計算する。
Claims (30)
- 音声信号を受信する入力部と、
前記音声信号に応じてスイッチング波形を生成する変調器と、
パルス幅変調スイッチング波形に応じて出力を発生させる出力切り替え器と、を具えるスイッチングアンプであって、改善した前記アンプが、さらに、
超音波周波数を有する超音波信号を発生させる超音波信号発生器と、
前記音声信号及び超音波信号を受信し、前記音声信号に応じて前記超音波信号をスケーリングし、スケーリングした前記超音波信号に応じて前記音声信号を変更することにより変更された音声信号を生成させるモディファイアと、を具えており、
前記変調器が、前記変更された音声信号に応じて前記パルス幅変調スイッチング波形を発生させることを特徴とするスイッチングアンプ。 - 前記モディファイアが加算器を具えることを特徴とする請求項1に記載のアンプ。
- 前記モディファイアが、前記音声信号に応じて入力される非線形波形発生器と、
乗算器と、を具えており、
前記乗算器が、前記超音波信号と前記非線形波形発生器の出力とを乗算することにより、前記音声信号に応じて前記信号をスケーリングするよう構成されており、
前記モディファイアが、前記乗算器の出力と前記音声信号とを加算することにより、前記変更された音声信号を発生させるよう構成されており、
前記非線形波形発生器の出力を発生させるために、前記非線形波形発生器が、二次の多項式P(x)=1−x 2 又は四次の多項式P(x)=b4*x 4 +b2*x 2 +b0、xは入力信号、のいずれかを実行することを特徴とする請求項2に記載のアンプ。 - 前記非線形波発生器が、前記アンプが実質的に直線的に対応し得る最大値に近い値を前記音声信号が有する場合に、前記超音波信号の振幅を小さくするよう構成されていることを特徴とする請求項3に記載のアンプ。
- 前記スイッチング波形が周波数Fsを有しており、前記超音波信号が周波数Fs/2を有するトーンであることを特徴とする請求項1に記載のアンプ。
- ゲイン係数を記憶するためのプログラム可能なメモリを具えており、
前記モディファイアが前記ゲイン係数に応じて前記音声信号を変更するよう構成されていることを特徴とする請求項1に記載のアンプ。 - さらに、前記アンプの動作に関する情報を前記モディファイアに与えるよう構成されたを監視装置を具えており、
前記モディファイアが前記情報に応じて、
(a)前記超音波信号に掛け合わせるゲイン係数
(b)前記超音波信号に掛け合わせる前記音声信号の非線形関数
のうちの少なくとも1つを調整することを特徴とする請求項1に記載のアンプ。 - 前記監視装置によって提供される前記情報が、
(1)音量調節の設定
(2)入力信号のタイプ
(3)入力信号の強度
(4)前記アンプにおけるクリッピングの発生
のうちの少なくとも1つに関する情報を具えていることを特徴とする請求項7に記載のアンプ。 - さらに、ノイズ伝達関数を有するノイズシェーピング型量子化器を具えており、
前記超音波信号が前記超音波周波数を有するトーンを具えており、
前記ノイズ伝達関数が前記トーンの前記超音波周波数で前記ノイズ伝達関数を実質的に減らすゼロ点を有していることを特徴とする請求項1に記載のアンプ。 - 前記スイッチング波形が周波数Fsを有しており、前記トーンの前記超音波周波数がFs/2であることを特徴とする請求項9に記載のアンプ。
- 前記モディファイアが、前記アンプからの放射がラジオ受信との干渉の原因となるか否かを表す1又はそれ以上の信号に応じて動作可能又は動作不可となることを特徴とする請求項1に記載のアンプ。
- さらに、前記アンプからの放射がラジオ受信との干渉の原因となるか否かを表す前記1又はそれ以上の信号を受信するよう構成された制御入力部を具えていることを特徴とする請求項11に記載のアンプ。
- 前記制御入力部が電気入力部であることを特徴とする請求項12に記載のアンプ。
- 前記制御入力部が論理ビットにあることを特徴とする請求項12に記載のアンプ。
- 前記アンプからの放射がラジオ受信との干渉の原因となるか否かを表す信号が、ラジオ受信機によって受信される周波数も表すことを特徴とする請求項11に記載のアンプ。
- 前記アンプからの放射がラジオ受信との干渉の原因となるか否かを表す信号が、前記ラジオ受信機によって受信される帯域幅も示すことを特徴とする請求項15に記載のアンプ。
- さらに、ラジオ受信機を具えていることを特徴とする請求項15に記載のアンプ。
- 請求項1のスイッチングアンプと、
前記スイッチングアンプに結合されたコントローラと、
前記コントローラ及びネットワークに結合されたネットワーク受信部と、を具えた装置であって、
前記コントローラが前記ネットワーク受信部からメッセージを受信するよう構成されており、
前記コントローラが、前記アンプがラジオ受信機と干渉を生じる可能性があることを示すメッセージを受信する前記ネットワーク受信部に応じて、前記パルス幅変調スイッチング波形の基本周波数又は基本周波数の高調波での前記超音波信号の振幅を小さくするよう構成されていることを特徴とする装置。 - 前記ネットワークが、有線ネットワーク、無線ネットワーク、及び光ネットワークのうちの1を具えていることを特徴とする請求項18に記載の装置。
- 前記ネットワークが、
イーサネット(登録商標)ネットワーク、
電力線ネットワーク、
MOSTネットワーク、
CANネットワーク、
IEEE 802.11ネットワーク、
Bluetoothネットワーク、
及びZigbeeネットワークのうちの1から選択される汎用型のネットワークであることを特徴とする請求項18に記載の装置。 - 音声信号を増幅するスイッチングアンプにおいて、前記スイッチングアンプの性能を改善するための方法であって、
音声信号を受信するステップと;
パルス幅変調スイッチング波形に応じて前記スイッチングアンプの電源スイッチを駆動させるステップと;
超音波周波数を有する超音波信号を発生させるステップと、
前記音声信号に応じて前記超音波信号をスケーリングするステップと;
前記音声信号に前記超音波信号を加えることによりスケーリングした前記超音波信号に応じて前記音声信号を変更し、これにより変更された音声信号を発生させるステップと;
前記変更された音声信号に応じて前記パルス幅変調スイッチング波形を発生させるステップと;
を具えることを特徴とする方法。 - 前記超音波信号に応じて前記音声信号を変更するステップが、前記電源スイッチが同時又はほぼ同時にスイッチングするのを防止することによって、前記アンプの中の低い信号レベルでのコインシデンス歪みを減少させることを具えることを特徴とする請求項21に記載の方法。
- 前記超音波信号に応じて前記音声信号を変更するステップが、出力電流を低い信号レベルで明確に定義することによって前記アンプの中の不感時間歪みを減少させることを具えることを特徴とする請求項21に記載の方法。
- 前記アンプの性能の改善が、AMラジオ帯域での信号の放射を減少させることを具えることを特徴とする請求項21に記載の方法。
- 前記スイッチング波形が周波数Fsを有し、
前記超音波信号を発生させるステップがトーンを発生させるステップを具えており、
前記トーンの超音波周波数が前記スイッチング波形の周波数Fsの半分であることを特徴とする請求項21に記載の方法。 - さらに、プログラム可能なメモリにゲイン係数を記憶するステップを具えており、
前記音声信号に応じて前記超音波信号をスケーリングするステップが、前記超音波信号と前記ゲイン係数とを乗算して前記スケーリングした超音波信号を生成するステップと、を具えることを特徴とする請求項21に記載の方法。 - 前記音声信号に応じて前記超音波信号をスケーリングするステップが、前記超音波信号と前記音声信号の非線形関数とを乗算するステップを具えることを特徴とする請求項21に記載の方法。
- さらに、前記音声信号がクリッピング又は過負荷状態を発生させるよう十分に大きい場合に前記非線形関数が減少するよう設定することによって、前記アンプの過負荷の可能性を減らすステップを具えていることを特徴とする請求項27に記載の方法。
- さらに、前記アンプの動作を監視して、
(a)クリッピング
(b)過負荷
(c)初期のクリッピング
(d)初期の過負荷
から成る群から選択される状態を検出し、
検出された前記状態に応じて前記超音波信号を調整することによって、クリッピング又は過負荷の可能性を減らすステップを具えていることを特徴とする請求項21に記載の方法。 - 前記超音波信号が前記超音波周波数を有するトーンを具えており、
前記方法が、ノイズ伝達関数を有するノイズシェーピング型量子化器を有するアンプで実行され、
前記方法が、さらに、前記トーンの前記超音波周波数に近い周波数で振幅が減少するよう前記量子化器の前記ノイズ伝達関数を設定することによって、前記トーン及び前記量子化器によって生成されるノイズ間の可聴周波数相互変調積を減少させるステップを具えていることを特徴とする請求項21に記載の方法。
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