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4. VIVA Kolloquium, Uni Dortmund, 24.-25. Feb. 2003
Low-Power Audioleistungsverstärker nach dem Klasse-D-Prinzip
auf der Basis von Binärsignalen mit separiertem Basisband
M. Streitenberger
W. Mathis
Institut für Theoretische Elektrotechnik und HochfrequenztechnikUniversität Hannover
Th. Schindler
Institut für Elektronik, Signalverarbeitung und KommunikationstechnikOtto-von-Guericke-Universität Magdeburg
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Low-Power Audioleistungsverstärker
• Ausgangspunkt / Motivation
• neues Kodierungsverfahren: SB-ZePoC
• theoretische Erkenntnisse
• Implementierungsaspekte
• Prototyp
• Zusammenfassung / Ausblick
Übersicht
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Low-Power Audioleistungsverstärker
• Low-Power SignalverstärkungKlasse-D-Prinzipnichtlineares VerstärkerkonzeptKodierung / Dekodierung notwendig
• lineares Übertragungsverhaltenneues Kodierungsverfahren: SB-ZePoC
(Binärsignale mit separiertem Basisband)
SB-ZePoC LPFdigitalaudio
in
analogaudioout
binaryintermediate
signal
switched-modepower stage D/A conversion
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Motivation
• Ausgangspunktspektrale Eigenschaften des BinärsignalsFrage nach Kodierungsverfahren
PWM LPFdigitalaudio
in
analogaudioout
binaryintermediate
signal
switched-modepower stage D/A conversion
LPFPWM
PWMSpektrum
Ergebnis: nichtlineare Verzerrungen
klassisches Konzept
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Neues Signalkonzept
• Forderung:Binärsignale mit
separiertem Basisband
• Resultat: linearer Verstärker
mit hohem Wirkungsgrad(Klasse-D)
• Lösung: SB-ZePoC:
(Zero-Position Codingwith separated baseband)
SB-ZePoC LPFdigitalaudio
in
analogaudioout
binaryintermediate
signal
switched-modepower stage D/A conversion
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Vergleich
sep. Basisband
NPWM Spektrum
• Funktionalität
SB-ZePoC Spektrum mit separiertem Basisband
• Basisband:durch Kodierungsverfahren bestimmt
• HF Bereich:durch Schaltrate bestimmtunabhängig vom Kodierungserfahren
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SB-ZePoC Verfahren
• Basis: Titchmarsh (1926), Logan (1984)Nullstellen phasenmodulierter Signale: s(t)
• separiertes BasisbandFrequenzbedingung komplementär zu
Shannon-Theorem!
• Verstärkerkonzept:hoher Wirkungsgrad durch niedrige SchaltrateLinearität
• • • • • •
Ts = 1/fs
s(t)
q(t)
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SB-ZePoC
NPWM
Näherung von SB-ZePoC: NPWM
Verletzung der Bedingung:Verlust des separierten Basisbandes!
Bedingung:• sehr hohe Schaltrate oder• sehr niedrige Signalfrequenzen
( ) ( ) cos arg ( )s t z t ct z t
( ) cos ( )s t ct f t
Äq
uiva
lent
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Digital SB-ZePoC Implementierung
• zeitdiskrete Beschreibung
• Standardblöcke der digitalen Signalverarbeitung
• insgesamt aufwendig
• zentrale Aufgabe:Low-Power durch Aufwandsreduktion
LPFsa
mp
le r
ate
con
vers
ion
H LPF
AE
Mf
f
f X
Y
cos(ct)
sin(ct)
DigitalPulse
Former
x
y
sZERO
computationsign check
poly fitnewton iteration
DigitalInput
AES/EBU
BinaryOutput
q(t)
SB-ZePoCdigital implementation
{tk}SSB
HilbertTransf./Delay
Up-sampling
AnalyticExponentialModulation
Low-passFilter
Up-sampling
SSBPhase
Modulation
Computezeroes {tk} of s
PulseFormer
ssb phase modulated signal with only real & simple zeroes
switching rate 2ccut-off: c
cut-off: c
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Digital SB-ZePoC Implementierung
LPFsa
mp
le r
ate
con
vers
ion
H LPF
AE
Mf
f
f X
Y
cos(ct)
sin(ct)
DigitalPulse
Former
x
y
sZERO
computationsign check
poly fitnewton iteration
DigitalInput
AES/EBU
BinaryOutput
q(t)
SB-ZePoCdigital implementation
{tk}SSB
HilbertTransf./Delay
Up-sampling
AnalyticExponentialModulation
Low-passFilter
Up-sampling
SSBPhase
Modulation
Computezeroes {tk} of s
PulseFormer
ssb phase modulated signal with only real & simple zeroes
switching rate 2ccut-off: c
cut-off: c
Hilbert-Transformation
• FIR-Filter Bandpasscharakteristik untere Grenzfrequenz N > 1000 erforderlich!
• Lösung: Hybrid-System NPWM für kleine Signalfrequenzen unabhängig von Hilbert-Transf. deutlich kleinere Filterordnung
(praktisch: 30..50)
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Digital SB-ZePoC Implementierung
LPFsa
mp
le r
ate
con
vers
ion
H LPF
AE
Mf
f
f X
Y
cos(ct)
sin(ct)
DigitalPulse
Former
x
y
sZERO
computationsign check
poly fitnewton iteration
DigitalInput
AES/EBU
BinaryOutput
q(t)
SB-ZePoCdigital implementation
{tk}SSB
HilbertTransf./Delay
Up-sampling
AnalyticExponentialModulation
Low-passFilter
Up-sampling
SSBPhase
Modulation
Computezeroes {tk} of s
PulseFormer
ssb phase modulated signal with only real & simple zeroes
switching rate 2ccut-off: c
cut-off: c
Tiefpassfilter
• lineare Phase!!! Signalformtreue
• FIR-Filter mit hoher Ordnung(N = 170)
• Modellordnungsreduktion quasi-linearphasiges IIR-Filter
(N = 36) Implementierung...
Neuantrag
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Digital SB-ZePoC Implementation
LPFsa
mp
le r
ate
con
vers
ion
H LPF
AE
Mf
f
f X
Y
cos(ct)
sin(ct)
DigitalPulse
Former
x
y
sZERO
computationsign check
poly fitnewton iteration
DigitalInput
AES/EBU
BinaryOutput
q(t)
SB-ZePoCdigital implementation
{tk}SSB
HilbertTransf./Delay
Up-sampling
AnalyticExponentialModulation
Low-passFilter
Up-sampling
SSBPhase
Modulation
Computezeroes {tk} of s
PulseFormer
ssb phase modulated signal with only real & simple zeroes
switching rate 2ccut-off: c
cut-off: c
Digitaler Pulsformer: Auflösung bestimmt
Dynamikbereich Taktrate im GHz-Bereich
neuer Ansatz:
• Digitalzähler mit Ringoszillator Erhöhung der Auflösung Verringerung der Taktrate Nachteil: Phasenrauschen
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volldigitaler Prototyp
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Prototyp: Simulation & Messung
• Berechnung der Nullstellen 16 Bit Genauigkeit
• Digitaler Pulsformer 11 Bit Auflösung
(200 MHz Taktrate)
• Daten: Signalbandbreite:
0 .. 20 kHz sep. Basisband:
0 .. 42 kHz Schaltrate:
97.6 kHz Noise (0..20 kHz):
– 65 dB SNR:
80 dB
TET @ Uni Hannover 02/05/02 17:36:34
-100
+0
-90
-80
-70
-60
-50
-40
-30
-20
-10
dBr A
0 120k10k 20k 30k 40k 50k 60k 70k 80k 90k 100k 110k
Hz
Simulation
Messung
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Ergebnisse
Veröffentlichungen
• 16 Konferenzbeiträgez. Bsp. ESSCIRC 2002, ECCTD 2001, ISCAS 2000, ECCTD 1999best paper award: ICCSC 2002
• special issue IEEE J. CAS1 (eingereicht)
• 2 Diplom-, 4 Studienarbeiten
informelle Kooperation
• Bosch / Blaupunkt, Hildesheim
• Micronas, Freiburg
• Philips, Eindhoven
BOSCHBLAUPUNKT
PHILIPS
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Zusammenfassung
• Low-Power durch effiziente LeistungsverstärkungSB-ZePoC Verfahren
• Linearität (separiertes Basisband)• niedrige Schaltrate• Funktionalität & Realisierbarkeit
• theoretische Erkenntnisse• Basis: Nullstellen phasenmodulierter Signale• NPWM ist Näherung von SB-ZePoC
• Low-Power SignalverarbeitungAufwandsreduktion
• Hilbert Transformator• Tiefpassfilter
Low-Power Pulsformer• Ringoszillator-Konzept Taktratenreduktion
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Ausblick
Analogteil (Schaltstufe + Filter + Last)
• thermodynamische Aspekte der SchaltstufeKooperation mit Prof. Beth, Karlsruhe
• Nichtideale / nichtlineare EinflüsseAnsatz: FeedbackKooperation mit Prof. Weigel, Erlangen
SB-ZePoC LPFdigitalaudio
in
analogaudioout
binaryintermediate
signal
switched-modepower stage D/A conversion