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 Hochfrequenztechnik
Universität Hannover
Th. Schindler
Institut für Elektronik, Signalverarbeitung und Kommunikationstechnik
Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg
4. VIVA Kolloquium, Uni Dortmund, 24.-25. Feb. 2003
Low-Power Audioleistungsverstärker
Übersicht
• Ausgangspunkt / Motivation
• neues Kodierungsverfahren: SB-ZePoC
• theoretische Erkenntnisse
• Implementierungsaspekte
• Prototyp
• Zusammenfassung / Ausblick
Low-Power Audioleistungsverstärker
• Low-Power Signalverstärkung
 Klasse-D-Prinzip
 nichtlineares Verstärkerkonzept
 Kodierung / Dekodierung notwendig
switched-mode
power stage
SB-ZePoC
digital
audio
in
D/A conversion
LPF
binary
intermediate
signal
• lineares Übertragungsverhalten
 neues Kodierungsverfahren: SB-ZePoC
(Binärsignale mit separiertem Basisband)
analog
audio
out
Motivation
klassisches Konzept
switched-mode
power stage
PWM
digital
audio
in
D/A conversion
LPF
binary
intermediate
signal
analog
audio
out
PWM
Spektrum
Ergebnis: nichtlineare Verzerrungen
spectrum of q(t)
magnitude
analogue
LPF
signal
portion
0
PWM
HF
portion
c
switching rate 2c

• Ausgangspunkt
 spektrale Eigenschaften des Binärsignals
 Frage nach Kodierungsverfahren
LPF
Neues Signalkonzept
• Forderung:
 Binärsignale mit
separiertem Basisband
analogue
LPF
HF
signal
0 separated baseband c
• Lösung:
 SB-ZePoC:
(Zero-Position Coding
with separated baseband)
SB-ZePoC encoding f (t )  q(t )
Hilbert
Transf. ˆ
f (t )
ˆ
Delay
e f (t ) jf (t )
f (t )
Y (t )
analytic exponential
modulation
Hilbert
Trafo
• Resultat:
 linearer Verstärker
mit hohem Wirkungsgrad
(Klasse-D)
X (t )
lpf
lpf
XOR
x(t )

s (t )
q(t )
infinite clipping
y (t )
Y K
sin ct
AEM
LPF
switched-mode
power stage
SB-ZePoC
digital
audio
in

cos ct
X K
AEM
f (t )
switching rate 2c
binary
intermediate
signal
SSB
clipping & combining
D/A conversion
LPF
analog
audio
out
Vergleich
sep. Basisband
SB-ZePoC Spektrum
mit separiertem Basisband
NPWM Spektrum
• Basisband:
 durch Kodierungsverfahren bestimmt
• Funktionalität
• HF Bereich:
 durch Schaltrate bestimmt
 unabhängig vom Kodierungserfahren
SB-ZePoC Verfahren
SB-ZePoC encoding f (t )  q(t )
Hilbert
Transf. ˆ
f (t )
f (t )
Delay
f (t )
X K
AEM
e
X (t )
fˆ (t ) jf (t )
Y (t )
analytic exponential
modulation
Hilbert
Trafo
AEM
lpf
lpf
cos ct
x(t )

s (t )
• • •
• • •
XOR
q(t )
Ts = 1/fs
infinite clipping
y (t )
Y K
sin ct
LPF
q(t)
SSB
clipping & combining
s(t)
• Basis:
 Titchmarsh (1926), Logan (1984)
 Nullstellen phasenmodulierter Signale: s(t)
• separiertes Basisband
 Frequenzbedingung komplementär zu
Shannon-Theorem!
• Verstärkerkonzept:
 hoher Wirkungsgrad durch niedrige Schaltrate
 Linearität
analogue
LPF
signal
0 separated baseband c
HF
switching rate 2c

Näherung von SB-ZePoC: NPWM
SB-ZePoC
SB-ZePoC encoding f (t )  q(t )
Hilbert
Transf. ˆ
f (t )
X K
AEM
X (t )
ˆ
f (t )
Delay
f (t )
e f (t ) jf (t )
Y (t )
analytic exponential
modulation
Äquivalent
Hilbert
Trafo
lpf
lpf

s (t )
Y K
LPF
0 separated baseband c
SSB
Hilbert
Transf. fˆ (t )
cos ct
AEM
X (t )
ˆ
Delay
e f (t ) jf (t )
Y (t )
f (t )
analytic exponential
modulation
Hilbert
Trafo
AEM
s(t )  cos  ct  f (t ) 
lpf

sN (t )
c
switching rate 2c

analogue
LPF
XOR
lpf

analogue
LPF
0
f (t )  qN (t )
switching rate 2c
clipping & combining
Bedingung:
• sehr hohe Schaltrate oder
• sehr niedrige Signalfrequenzen
N-PWM encoding
HF
signal
q(t )
infinite clipping
y (t )
sin ct
AEM
analogue
LPF
XOR
x(t )
NPWM
f (t )
s(t )  z (t ) cos  ct  arg z (t )
cos ct
signal
qN (t )
HF
infinite clipping
sin ct
SSB
clipping & combining
0
c
switching rate 2c

Verletzung der Bedingung:
Verlust des separierten Basisbandes!
Digital SB-ZePoC Implementierung
SB-ZePoC
cut-off: c
AES/
EBU

H
f
AEM
f
sample rate
conversion
digital implementation
f
X
cos(ct)
LPF
Hilbert
Transf./
Delay
Upsampling
x
SSB
Y
LPF
cut-off: c
Digital
Input
ssb phase modulated signal
with only real & simple zeroes
Analytic
Exponential
Modulation
Low-pass
Filter
switching rate 2c
ZERO
computation
s
y
{tk} Digital
sign check
poly fit
newton iteration
Pulse
Former
Compute
zeroes
{tk} of s
Pulse
Former
q(t)
sin(ct)
SSB
Phase
Modulation
Upsampling
• zeitdiskrete Beschreibung
• Standardblöcke der digitalen Signalverarbeitung
• insgesamt aufwendig
• zentrale Aufgabe:
 Low-Power durch Aufwandsreduktion
Binary
Output
Digital SB-ZePoC Implementierung
SB-ZePoC
cut-off: c
AES/
EBU

H
f
AEM
f
sample rate
conversion
digital implementation
f
X
cos(ct)
LPF
Hilbert
Transf./
Delay
Upsampling
x
SSB
Y
LPF
cut-off: c
Digital
Input
ssb phase modulated signal
with only real & simple zeroes
Analytic
Exponential
Modulation
Low-pass
Filter
switching rate 2c
ZERO
computation
s
y
{tk} Digital
sign check
poly fit
newton iteration
Pulse
Former
Compute
zeroes
{tk} of s
Pulse
Former
q(t)
sin(ct)
SSB
Phase
Modulation
Upsampling
Binary
Output
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)
Hilbert
transform
0
2c 
c
analogue
LPF
HF
signal
0
separated baseband
c
switching rate 2c

Digital SB-ZePoC Implementierung
SB-ZePoC
cut-off: c
AES/
EBU

H
f
AEM
f
sample rate
conversion
digital implementation
f
X
cos(ct)
LPF
Hilbert
Transf./
Delay
Upsampling
x
SSB
Y
LPF
cut-off: c
Digital
Input
ssb phase modulated signal
with only real & simple zeroes
Analytic
Exponential
Modulation
Low-pass
Filter
switching rate 2c
ZERO
computation
s
y
{tk} Digital
sign check
poly fit
newton iteration
Pulse
Former
Compute
zeroes
{tk} of s
Pulse
Former
q(t)
sin(ct)
SSB
Phase
Modulation
Upsampling
Tiefpassfilter
• lineare Phase!!!
 Signalformtreue
• FIR-Filter mit hoher Ordnung
(N = 170)
• Modellordnungsreduktion
 quasi-linearphasiges IIR-Filter
(N = 36)
 Implementierung...
 Neuantrag
Binary
Output
Digital SB-ZePoC Implementation
SB-ZePoC
cut-off: c
AES/
EBU

H
f
AEM
f
sample rate
conversion
digital implementation
f
X
cos(ct)
LPF
x
Y
y
LPF
Hilbert
Transf./
Delay
Upsampling
Analytic
Exponential
Modulation
Low-pass
Filter
SSB
Phase
Modulation
• Digitalzähler mit Ringoszillator
 Erhöhung der Auflösung
 Verringerung der Taktrate
 Nachteil: Phasenrauschen
FF
FF
...
Upsampling
FF
digital counter
clock
neuer Ansatz:
{tk} Digital
sign check
poly fit
newton iteration
Pulse
Former
Compute
zeroes
{tk} of s
Pulse
Former
q(t)
sin(ct)
Digitaler Pulsformer:
 Auflösung bestimmt
Dynamikbereich
 Taktrate im GHz-Bereich
switching rate 2c
ZERO
computation
s
SSB
cut-off: c
Digital
Input
ssb phase modulated signal
with only real & simple zeroes
MSBs LSBs
data word
ring oscillator
Binary
Output
volldigitaler Prototyp
Prototyp: Simulation & Messung
• Berechnung der Nullstellen
 16 Bit Genauigkeit
• Digitaler Pulsformer
 11 Bit Auflösung
(200 MHz Taktrate)
Simulation
• Daten:
 Signalbandbreite: 0 .. 20 kHz
 sep. Basisband: 0 .. 42 kHz
 Schaltrate:
97.6 kHz
 Noise (0..20 kHz): – 65 dB
 SNR:
 80 dB
Messung
Ergebnisse
Veröffentlichungen
• 16 Konferenzbeiträge
 z. Bsp. ESSCIRC 2002, ECCTD 2001, ISCAS 2000, ECCTD 1999
 best paper award: ICCSC 2002
• special issue IEEE J. CAS1 (eingereicht)
• 2 Diplom-, 4 Studienarbeiten
informelle Kooperation
• Bosch / Blaupunkt, Hildesheim
BOSCH
BLAUPUNKT
• Micronas, Freiburg
• Philips, Eindhoven
PHILIPS
Zusammenfassung
• Low-Power durch effiziente Leistungsverstärkung
 SB-ZePoC Verfahren
• Linearität (separiertes Basisband)
• niedrige Schaltrate
• Funktionalität & Realisierbarkeit
• theoretische Erkenntnisse
• Basis: Nullstellen phasenmodulierter Signale
• NPWM ist Näherung von SB-ZePoC
• Low-Power Signalverarbeitung
 Aufwandsreduktion
• Hilbert Transformator
• Tiefpassfilter
 Low-Power Pulsformer
• Ringoszillator-Konzept  Taktratenreduktion
Ausblick
Analogteil (Schaltstufe + Filter + Last)
• thermodynamische Aspekte der Schaltstufe
 Kooperation mit Prof. Beth, Karlsruhe
• Nichtideale / nichtlineare Einflüsse
 Ansatz: Feedback
 Kooperation mit Prof. Weigel, Erlangen
switched-mode
power stage
SB-ZePoC
digital
audio
in
binary
intermediate
signal
D/A conversion
LPF
analog
audio
out

PowerPoint