[发明专利]基于数字PWM发生器的左增长双边沿UPWM信号频谱估计方法

说明书

本发明提出了基于数字PWM发生器的左增长双边沿UPWM信号频谱估计方法，首先根据数字PWM发生器输入数字信号的采样频率和量化等级，对数字PWM发生器输出的左增长双边沿二级UPWM信号在时域上离散化并量化，得一系列离散点。然后利用所得离散点幅值的分布规律，对这些离散点进行离散傅里叶变换，并将变换结果与零阶保持器的频响函数相乘，得到左增长双边沿二级UPWM信号频谱估计表达式。将数字PWM发生器输入信号取反前后调制所得二级UPWM信号频谱估计表达式相减，可得到对应的三级UPWM信号频谱估计表达式。本发明所提供的方法可在输入调制信号为数字信号的情况下，直接求得左增长双边沿UPWM信号的频谱。

技术领域

本发明涉及数字D类音频功放领域，尤其涉及一种由数字音频信号调制得到的左增长双边沿均匀采样脉冲宽度调制信号的频谱估计方法。

背景技术

数字D类音频功放的电源效率相比A类、B类和AB类等线性音频功放较高，并且数字D类音频功放还具有能够直接与数字音源接口的优点，因此成为功放领域的研究热点。数字D类音频功放的结构示意图如图1所示，其通常由数字插值滤波器、Sigma-Delta调制器、数字脉冲宽度调制(Pulse Width Modulation，PWM)发生器、功率级和模拟低通滤波器组成。在图1中，数字插值滤波器对功放输入数字信号进行过采样，Sigma-Delta调制器对过采样后的信号进行再量化和量化噪声整形，将高精度信号转换为低精度信号，同时把量化噪声转移到高频以保持输入信号基带内的信噪比(Signal-to-Noise Ratio，SNR)；Sigma-Delta调制器的输出信号被数字PWM发生器调制成均匀采样脉冲宽度调制(Uniform-samplingPulse Width Modulation，UPWM)信号；UPWM信号经过功率级放大，最后由模拟低通滤波器还原成模拟信号以驱动扬声器发声。

数字PWM发生器使用UPWM技术将输入的数字调制信号调制成UPWM信号。由于UPWM是一种非线性的调制技术，输入的数字调制信号在经过数字PWM发生器时会产生调制信号的非线性幅度和相位失真，以及调制信号与载波信号的互调失真。为了设计高性能的数字D类音频功放，对UPWM信号的失真进行评估很有必要。由于无法直接分析时域的UPWM信号来评估调制过程中调制信号的失真情况，因此可将UPWM信号转换到频域，求出UPWM信号的频谱，通过频谱分析，即可对调制信号的失真情况进行分析研究。

目前用于估计UPWM信号频谱的方法主要是双重傅里叶级数法(Nielsen K.Areview and comparison of pulse width modulation(PWM)methods for analog anddigital input switching power amplifiers[C]//Proceedings of the 102nd AESConvention,Munich,Germany,Audio Engineering Society,1997.Preprint 4446.)，该方法利用双重傅里叶级数给出了当调制信号为单频模拟信号或离散时间信号时得到的UPWM信号的精确频谱表达式，缺点是当调制信号为多频信号或数字信号时，该方法不再适用。Song等人利用UPWM信号的脉冲宽度与载波信号在时域上的关系，首先给出UPWM信号时域上的近似表达式，然后通过计算该表达式的傅里叶变换，得到UPWM信号的频谱表达式(SongZ,Sarwate D V.The frequency spectrum of pulse width modulated signals[J].Signal Processing,2003,83(10):2227-2258.)。该方法在当调制信号为多频信号时也同样适用。当调制信号为单频信号时，利用该方法得到的结果与利用双重傅里叶级数方法得到的结果相同。但是该方法对当调制信号为数字信号的情况同样不适用。根据以上分析可知，当调制信号为数字信号时，还没有相关文献给出精确的UPWM信号频谱估计表达式。

发明内容