（信号与信息处理专业论文）音频数字功放1比特激励信号的dsp实现.pdf

摘要 摘要 随着电子技术和数字信号处理技术的发展，音频功率放大器的发展进入 了一个新时代，数字功率放大器已经在很多场合下取代了模拟功率放大器， 而且关于数字功率放大器的相关技术也在得到不断改进和发展。 数字功放产品相对模拟功放有很多的优点：高效率、保真度较好、功放 和扬声器的匹配好、升级换代容易、生产调试方便等，且与未来的全数字式 音频广播、高清晰度电视的发展趋势相匹配。它既可采用现有的数字音源， 又具备模拟音频输入接口，兼容现有的模拟音源，因此具有广阔的市场。 本设计结合课题需要，采用了1 比特数字功放的实现方案，利用d s p 实 现了1 比特激励信号的输出。本课题设计的功率放大器主要应用在多媒体教 室和会场等对语音信号放大需求比较多，但保真度要求不很高的场合，是一个 低成本的设计方案。该课题研究了当今数字功率放大器的发展动态以及相关 的技术原理，比较了用于实现数字功放的两种主要方式：p w m 和s i g m a d e l t a 调制方式，结合m a t l a b 仿真提出了系统中各模块需要的基本参数、影响 系统性能的相关因素。在实现方面，主要做的工作是利用d s p 实现了数字功 放1 比特激励信号的产生，完成了关于功放设计中的电平转换和低通滤波等 电路的相关实验测试，并结合i r 公司的驱动放大电路，给出了后级电路的设 计方案。 该设计提出了利用d s p 和外围电路实现音频数字功放的1 比特激励信号 源的方案。t i 的5 4 x x 系列d s p 以其在数字信号处理上的优势和先进的芯片 性能可以比较容易的实现该设计的主要功能，完成系统中重要的内插和调制 模块，并可以通过其丰富的外设接口完成数据的输入和输出。本文在实现一 阶s i g m a d e l t a 调制器的基础上，通过分析二阶调制器的结构和系统函数， 在d s p 内实现了二阶调制器，改善了噪声整形的能力。开发过程中利用t i 的软件开发平台c c s 组织d s p 系统的软件结构，并通过c c s 观察和验证算 法在d s p 内的实现情况。 本文详细介绍了该系统平台的设计思想，对每个模块的工作原理进行了 讨论，并对系统做了算法仿真，提出了利用d s p 产生激励信号的具体方法， 最后总结了项目的进展情况，提出了需要改进的工作和项目的发展方向。 关键词：d s p ，功放，内插，调制，噪声整形，激励信号 a b s t r a c t a b s t r a c t w i t hr a p i dd e v e l o p m e n to fe l e c t r o n i ct e c h n o l o g ya n d d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n gt e c h n o l o g y , a u d i op o w e ra m p f i f i e rh a sc o m ei n t oan e we r a d i g i t a lp o w e ra m p l i f i e rh a sr e p l a c e dt h es t a g e o ft h ea n a l o gp o w e r a r n p f i f i e r , a n dt e c h n o l o g i e sa b o u ti th a v eb e e nd e v e l o p i n gc o n t i n u o u s l y c o m p a r e dw i t ha n a l o gp o w e ra m p l i f i e r , d i g i t a la m p l i f i e rh a sm a n ya d v a n t a g e s ，s u c ha s i f i ，1 1 j g he f f i c i e n c y , g o o dm a t c hb e t w e e na m p l i f i e ra n dl o u d h a i l e r , e a s yu p d a t e ，c o n v e n i e n t d e b u g g i n ga n ds oo n a n di t c a np r o c e s sn o to n l yd i g i t a la u d i os i g n a lb u ta l s oa n a l o gs i g n a l a c c o r d i n g l y , i tf a c e sa v a s tm a r k e t i nt h i st h e s i s ，h o wt od e s i g nt h e1 - b i ta m p l i f i e ri si n t r o d u c e d ，a n dt h em a i nt a s ki st o a c h i e v et h ep u m p i n g s i g n a lu s i n gd s et h i sa m p l i f i e ri sm a i n l ya p p l i e di nt h e s ep l a c e s ，j u s ta s m u l t i m e d i ac l a s s r o o m ，m e e t i n g - p l a c ea n ds oo n ，w h e r ev o i c es i g n a li sa m p l i f i e dm a i n l ya n d h i f ii sn o tn e e d e dm a i n l y i ti sal o w - c o s ts c h e m e i nt h ed e s i g n n e wr e s e a r c ha n dt e c h n o l o g y a r el e a m e da b o u t , t w om o d u l a t i o nw a y s ，p w ma n ds i g m a d e l t a , w h i c hc a nb eu s e dt od e v e l o p d i g i t a la m p l i f i e r sa r ec o m p a r e d ，a n dt h e o r i e s a b o u t1 - b i tt e c h n o l o g ya r es t u d i e d t h e n ， a c c o r d i n gi o t h es i m u l a t i o nb ym a t l a b ，f a c t o r sw h i c hi n f l u e n c es y s t e mf u n c t i o na n d p a r a m e t e r sw h i c hc o n t r o l t h ew o r ko f p a r t sa r ed i s c u s s e d i nt h ei m p l e m e n t a t i o n ，m a i nt a s ki st o p r o d u c et h ep u m p i n gs i g n a l a n dt h ew a y t os w i t c hl e v e la n dd e s i g na n a l o gl o w - p a s sf i l t e ra r e p u tf o r w a r di nt h ed e s i g n ，t o o p l a nu s i n gd s pi sa d o p t e di nt h ed e s i g no ft h es y s t e m d s pc h i p sp r o d u c e db yt ia r e s u i t a b l ef o rt h e1 - b i ts y s t e md e s i g n t h e yc a na c h i e v et w oi m p o r t a n tp a r t so ft h es y s t e m ， i n t e r p o l a t o ra n dm o d u l a t o r , a n df i n i s ht h ei n p u ta n do u t p u to fs i g n a l s i nt h ed e v e l o p i n g ，t h e s o f t w a r es t r u c t u r ei sf i n i s h e db yc c s ，w h i c hc a l lh e l pu so b s e r v eh o wd s pw o r k s b a s e do nt h e a n a l y s i so ft h ef i r s t - o r d e r m o d u l a t o ra n dt h es t r u c t u r eo ft h es e c o n d o r d e rm o d u l a t o r , s e c o n d o r d e rm o d u l a t o ri sa c h i e v e di n 噙1 1a ba n dd s p w h i c hi m p r o v e st h ea b i l i t yo ft h e n o i s e - s h a p i n g t h i st h e s i sd i s c u s s e sr e l e v a n tt h e o r i e s ，p r o v i d e sa l g o r i t h ms i m u l a t i o na n dh o wt or e a l i z e t h es y s t e m ，t h e ns u m su pt h ep o i n t st h a ta r ew o r t h yo fn o t i c i n ga n dp r o p o s e ss o m es u g g e s t i o n s f o rt h el a t e rp a r to f t h ep r o j e c t k e yw o r d s ：d s p ，p o w e ra m p l i f i e r , i n t e r p o l a t i o n ，m o d u l a t i o n ，n o i s e - s h a p i n g ，p u m p i n gs i g n a l 1 1 图目录 图目录 图1 - 1 原有系统方案1 图1 2 本课题设计方案1 图2 - 1 通过s i g m a d e l t a 调制的输入信号与输出信号的比较9 图2 2 通过s i g m a d e l t a 调制的输入信号与输出信号的频谱比较( 低频段) 1 0 图2 3 通过脉宽调制的输入信号与输出信号的比较1 0 图2 - 4 通过脉宽调制的输入信号与输出信号的比较( 放大) 1 1 图2 5 通过脉宽调制的输入信号与输出信号的频谱比较( 低频段) 1 1 图2 - 6 通过s i g m a d e l t a 调制的输入信号与输出信号的比较1 2 图2 7 通过脉宽调制的输入信号与输出信号的比较一1 3 图2 8 脉宽调制后信号频谱及其放大图1 3 图2 - 9s i g m a d e l t a 调制前后信号频谱及其放大图1 4 图3 - 1 数字功放原理框图1 9 图3 2 插值实现方法2 0 图3 3 插值前时域频域波形图2 2 图3 4 补零之后时域频域波形图2 2 图3 5 低通滤波后时域频域波形图2 2 图3 - 6 采用奈奎斯特采样和升采样率后噪声频谱比较2 3 图3 7 调制器的基本架构一2 4 图3 8 一阶调制器等效电路2 4 图3 - 9 二阶调制器等效电路2 5 图3 1 0 一阶和二阶调制器的幅度响应比较图2 7 图4 - 1 仿真流程图一3 3 图4 25 倍内插调制解调后的信号与输入波形比较3 4 图4 31 0 倍内插调制解调后的信号与输入波形比较3 5 图4 - 42 0 倍内插调制解调后的信号与输入波形比较3 5 图4 5 输入信号与通过一阶和二阶调制器后输出的信号的时域比较图3 7 v i 电子科技大学硕士学位论文 图4 - 6 输入信号与通过一阶和二阶调制器后输出的信号的频域比较图3 7 图4 7 输入信号与通过一阶和二阶调制器后输出的信号在频域的低频段的比 较图3 8 图4 8 信号输入波形3 9 图4 - 92 0 倍内插后的5 2 0 0 点的信号4 0 图4 1 0 输出为5 2 0 0 点的二电平信号4 0 图4 1 1 低通滤波器输出4 1 图4 1 2 输入信号和输出信号的比较4 1 图4 1 3 输入与输出的误差比较图4 2 图4 1 4 输入与输出信号的频谱幅度比较图4 3 图4 1 5 输入与输出信号的频谱相位比较图4 3 图4 1 6 调制前后信号f f t 幅度比较4 4 图4 1 7 调制前后信号f f t 幅度低频段放大比较4 5 图4 1 8 滤波器截止频率过低对输出信号的影响4 6 图4 1 9 滤波器截止频率过高对输出信号的影响4 7 图5 - 1 天奥硬件设计方案4 8 图5 2 硬件设计方案一4 9 图5 3 算法流程图( 采用一阶调制器) 一5 3 图5 4 输入信号的波形5 6 图5 5 内插后信号的波形5 7 图5 - 6 调制输出信号5 7 图5 7 内插后信号的频谱5 8 图5 8 调制输出信号的频谱5 8 图5 - 9 内插后与调制输出信号低频段频谱对比一5 9 图5 1 0 一阶调制器调制后量化输出信号的频谱与内插后信号频谱的比较5 9 图5 1 1 二阶调制器调制后量化输出信号的频谱与内插后信号频谱的比较6 0 图5 1 2 软件流程图6 2 图5 1 3 示波器观察的d s p 输出1 比特激励信号及其频谱6 7 图5 1 4 截止频率为4 k h z 的滤波器电路模型6 9 图5 1 5 截止频率为4 k h z 的滤波器幅度曲线6 9 图目录 图5 1 6 截止频率为1 0 f d ：l z 的滤波器电路模型 图5 1 7 截止频率为1 0 k k t z 的滤波器幅度曲线 图5 1 8 不同频率正弦波信号通过低通滤波器后的结果比较 图5 1 9 后级电路硬件框图 图5 2 0 数据传输速率对m a x 2 3 2 的影响 图5 2 1 通过m a x 2 3 2 和低通滤波后的信号的时域波形 x 7 0 7 0 7 1 7 2 7 4 7 5 缩略词表 a s i c c c s c d c p u d a b d s p d v d f l r f p g a g p l 0 h p i j t a g i c m c b s p m o s 哪 p c i p c m p w m s n r v c d d a c 缩略词表 a p p l i c a t i o ns p e c i f i ci n t e g r a t e dc i r c u i t c o d ec o m p o s e rs t u d i o c o m p a c td i s c c e n t r a lp r o c e s s i n gu n i t d i g i t a la u d i ob r o a d c a s t d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r d i g i t a lv i d e od i s k f i n i t ei m p u l s er e s p o n s e f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y g e n e r a lp u r p o s ei n p u t o u t p u t h o s t p o r ti n t e r f a c e j o i n tt e s ta c t i o ng r o u p i n t e g r a t e dc i r c u i t m u l t i c h a n n e lb u f f e r e ds e r i a lp o r t s m e t a l l i co x i d es e m i c o n d u c t o rf i e l de f f e c t t r a n s i s t o r p e r i p h e r a lc o m p o n e n ti n t e r c o n n e c t p u l s ec o d em o d u l a t i o n p u l s ew i d t hm o d u l a t i o n s i g n a ln o i s er a t i o v i d e oc o m p a c td i s c s i g m ad e l t ad i g i t a la n a l o gc o n v e r t e r x i 特定用途集成电路 代码设计工作室 压缩光盘 中央处理器 数字音频广播 数字信号处理器 数字化视频光盘 有限冲击响应 现场可编程门阵列 通用输入输出 主机接口 联合测试行动小组 集成电路 多通道缓冲串口 金属氧化物半导体场效 应晶体管 外设部件互连 脉冲编码调制 脉宽调制 信噪比 视频高密光盘 差分求和数模转换器 ? 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 签名： 握茎： 日期：年月日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：壅! 查导师签名： 日期： 第一章绪论 1 1 课题背景 第一章绪论 本课题是湖山音响与通信学院1 4 0 教研室共同开发的项目。当前已有的扩 声系统的方案是利用d s p 实现的移频器完成对啸叫的抑制功能，然后将移频处 理后的信号经过d a 变化后输出，输出后的模拟信号再通过模拟功放进行功率 放大，原系统方案如图1 - 1 所示。 图1 - 1 原有系统方案 本课题设计的方案是希望在现有的d s p 平台上实现数字功放模块，实现方 式是直接对移频后的信号做内插和s i g m a d e l t a 调制处理，然后进行功率放大， 从而取代原有的模拟功放，完成一个带啸叫抑制功能的数字功放，该课题的系 统方案如图卜2 所示。 d s p 移频 十 1 比特激励 内插 信号输出、 电平转换模拟低 、 通滤波 + 7 s i g m j d e l 诅调制 驱动放大 器 算法 图1 - 2 本课题设计方案 该数字功放主要应用在多媒体教室和会场等对语音信号放大需求比较多 但保真度要求不很高的场合，是一个低成本的方案。 电子科技大学硕士学位论文 1 2 本课题的意义 该课题是对新型数字功放设计方法的探讨和研究，在实现上提出了利用 d s p 输出l 比特激励信号，然后对1 比特激励信号驱动放大，实现数字功放的 方法。该设计将内插和s i g m a d e l t a 调制技术结合起来产生1 比特激励信号， 实现难度要大于常见的p w m 技术，但是该方案对信号处理的效果更好，表现在 对噪声的抑制更强，而且该方案改进的空间更大，可以通过改进内插器和调制 器的指标提升系统的性能：本方案利用现有的d s p 就可以产生1 比特激励信号， 实现起来比较方便。 另外，利用d s p 系统开发新产品的优点在于系统的可扩展性和可控制性强， 在可扩展性方面的优点主要是可以通过一块d s p 完成啸叫抑制、语音增强、功 率放大等多项功能，使多项功能在一块d s p 上就能够实现，降低了产品成本， d s p 还有丰富的外设和接口，便于完成数据的输入和输出；在可控制性方面的 优点主要是可以通过对d s p 编程比较容易的改变系统的参数，比如在本系统中 可以通过d s p 编程改变a d 采样频率，提高内插模块中的内插因子和设计高阶调 制器。 通常，l 比特数字功放是用专用信号处理芯片及其外围电路组成前级的1 比特激励信号产生模块，而后级设计中采用的驱动和放大电路及低通滤波器的 设计是和p w m 数字功放设计中采用的电路相同。后级的功率放大部分是已经比 较成熟的技术，现在首先需要掌握的如何产生1 比特激励信号。 因此，l 比特激励信号的实现，也就是如何利用d s p 实现专用信号处理芯 片的功能，是本课题首要解决的问题。 1 3 音频功率放大器的简介和发展动态 音频功率放大器，简称音频功放，顾名思义就是将声音放大的仪器，它在 音响系统中处于很重要的地位，所以一直受到业界很大关注，也有很多学者从 事相关领域的研究和开发。随着数字信号处理技术的飞速发展，音频功放也从 最初的单一的模拟功放发展到了模拟和数字功放并存的局面，两种功放各有各 的优缺点。虽然目前音频功率放大器仍以模拟功放为主流产品，但是模拟功放 经历了数十年的不断改进和完善，其技术己发展到了顶峰，很难再有突破性的 2 第一章绪论 进展，无法满足现已进入数字音频网络扩声系统时代的要求了。 模拟功放是以线性放大为基础，功率放大器件有电子管和晶体管两类。按 功放静态工作点的设置可分为a 类( 甲类) 放大、b 类( 乙类) 放大、a b 类( 甲乙类) 和c 类f 丙类1 放大4 种。 一个音响系统必须具备音源、功放和音箱三大部分。音源部分目前已数字 化了，如c d 、v c d 、d v d 、d a b 和数字电视等。但后面的功放和音箱仍然是 模拟统治的天下。 随着半导体器件的出现和发展，放大器的设计得到了更多的自由。就放大 器的类别而言，已不限于上述四种，而出现了更多类别的放大器。国外在数字 音频功率放大器领域进行了三十几年的研究，六十年代中期，日本研制出8 比 特数字音频功率放大器。1 9 8 3 年，m b s a n d l e r 等学者提出d 类数字p w m 功 率放大器的基本结构。主要是围绕如何将p c m 信号转化为p w m 信号。把信号 的幅度信号用不同的脉冲宽度来表示。此后，研究的焦点是降低其时钟频率， 提高音质。随着新型功率器件及应用的发展，开发实用化的1 6 位数字音频功放 成为可能。 近年来随着数字信号处理技术和超大规模集成电路技术的进步，数字音频 小信号处理技术方面取得了显著的进步，主要解决了多级噪声整形技术、比特 流技术、解码和纠错处理技术，内插和静音处理技术、过采样数字滤波技术等 等。在这方面国外大公司在8 0 年代末、9 0 年代初开始推出其i c 芯片产品。如 松下公司的m n 系列、a d 公司的a d s p 2 1 0 0 系列、t & t 公司的d s p 3 2 系列、 摩托罗拉公司的d s p 5 6 0 0 系列等等。 目前，荷兰的p h i l i p s 公司与日本的s h a r p 公司均研制出了1 比特数字 功放并成功投放市场；国内则有天奥公司的1 比特数字功放投放市场。天奥公 司的1 比特数字功放在数字信号处理部分采用f p g a 芯片及过采样数字滤波及 s i g m a d e l t a 调制等电路【”。 1 4 论文主要内容 本文将阐述1 比特数字功放的工作原理，利用m a t l a b 对p w m 技术和 s i g m a d e l t a 技术两种调制方式进行分析，结合分析结果对采用两种不同技术 设计的数字功放进行比较，然后通过m a t l a b 仿真观察1 比特技术是如何完成信 电子科技大学硕士学位论文 号的处理并还原输入信号的，并通过仿真得到各模块设计需要的基本参数，利 用t i 的5 4 x x 系列d s p 实现1 比特激励信号的产生，最后对后级的电平转换和 低通滤波电路给出实验测试结果，并结合测试结果完成完整的后级电路的设计 方案。 本文的主要内容安排如下： 第一章主要介绍本课题的研究背景和意义以及简单介绍音频功放的分类和 发展动态； 第二章，详细介绍音频功放的分类和特点，对数字功放中采用的两种主要技 术：p w m 和s i g m a d e l t a 调制方式进行比较，并给出两种数字功放的相同和不 同之处，最后介绍衡量一个功放性能的指标； 第三章介绍1 比特数字功放的设计原理及相关技术的原理推导，阐述各模 块的作用及相互联系。 第四章给出了1 比特技术的m a t l a b 软件仿真过程和实现方式，通过仿真， 提出影响系统指标的几个因素，得出实现基本功放系统需要的相关模块的参数。 第五章介绍功放的系统设计，该部分介绍如何利用d s p 实现1 比特激励信 号，如何用d s p 实现内插器和一阶及二阶s i g m a - d e l t a 调制器，给出d s p 软件 结构，提出了实时性分析结果和信号输入输出方面的设计；对后级的电平转换 和低通滤波电路给出实验测试结果，并结合测试结果给出后级电路的设计方案。 第六章是本文的结论，总结了该项目目前的进展情况，提出下一步需要改 进的工作。 4 第二章音频功率放大器的介绍 第二章音频功率放大器的介绍 音频功率放大器的分类和发展已经在第一章做了简单的介绍，那么在这一 章里，将详细阐述各类放大器的定义、特点，对两种数字功放进行比较，介绍 功率放大器的测试指标。 2 1 音频功放的种类及特点 下面将从模拟功放和数字功放的角度，分别介绍一下各类功放的特点，并 对两大类功放做比较。 21 1 模拟功放 模拟功放是用电子管或者晶体管放大模拟信号，或者放大电压，或者放大 电流。在多级放大中，存在着多种无法克服的失真，比如因功率管工作状态存 在的非线性失真，或外围电路、耦合电路造成的相位失真等。模拟功放主要分 为四种：a 类、b 类、a b 类和c 类f 引。 1 ) a 类( 甲类) 放大器 a 类( 甲类) 放大器，是指电流连续地流过所有输出器件的一种放大器。 a 类放大器的主要特点是：晶体管在输入信号的整个周期内均导通。可单 管工作，也可以推挽工作。瞬态失真和交替失真较小。电路简单，调试方便。 但效率较低，晶体管功耗大，效率的理论最大值仅有2 5 ，且有较大的非线性 失真。 2 ) b 类( 乙类) 放大器 b 类( 乙类) 放大器，是指器件导通时间为5 0 的一种放大器。这类放大器 可以说是模拟功率放大器中最为流行，目前所生产的模拟放大器中绝大部分属 于这一类。 b 类放大器的主要特点是：晶体管在输入信号的半周期内导通。存在较大 的交越失真。效率较高，晶体管功耗较小，功率理论最大值可达7 8 5 。可以 电子科技大学硕士学位论文 抵消偶次谐波失真。 3 ) a b 类( 甲乙类) 放大器 a b 类( 甲乙类) 放大器，实际上是a 类( 甲类) 和b 类( 乙类) 的结合，每个器 件的导通时间在5 0 - - - 1 0 0 之间，依赖于偏置电流的大小和输出电平。该类放 大器的偏置按b 类( 乙类) 设计，然后增加偏置电流，使放大器进入a b 类( 甲乙 类1 。 a b 类放大器的主要特点是：晶体管的导通时间稍大于半周期，必须用两 管推挽工作。可以避免交越失真。效率较高，晶体管功耗较小。理论上效率最 大值可达到7 8 5 。 4 ) c 类( 丙类) 放大器 c 类( 丙类) 放大器，是指器件导通时间小于5 0 的工作类别。这类放大器， 通常用于负载为调谐回路的射频放大器中，很难找到用于音频放大的例子。 2 1 2 数字功放 2 1 2 1 数字功放简介 数字功放主要介绍两种：d 类( p w m ) 数字功放和1 比特数字功放。 1 1 d 类( p w m ) 功放 p w m 数字功放是用一固定频率的三角波与输入信号做比较，产生两电平信 号，然后通过放大该信号的电压和电流，最后经过低通滤波器滤波，得到放大 的输入信号。 2 ) 1 比特数字功放 1 比特数字功放是通过对模拟信号进行高采样率采样，然后利用 s i g m a d e l t a 调制器将信号转化为1 比特激励信号，经过电压和电流放大后， 送模拟滤波器滤波，得到放大的输入信号，其中关键的就是采用了高采样率和 s i g m a d e l t a 调制方式。 2 1 22 数字功放的特点 数字功放与模拟功放相比较有着非常鲜明的特点【3 】【4 高效率，可达7 5 - - 9 5 。 第二章音频功率放大器的介绍 由于数字功放采用开关放大电路，效率极高，可达7 5 一9 5 ( 模拟功放一 般仅为3 0 一5 0 ，甚至更低) ，在工作时发热量非常小。功率器件均工作在开 关状态，因此它基本上没有模拟功放的静态电流损耗，所有能量几乎都是为音 频输出而储备，而且瞬态响应好。 高保真，数字功放的交越失真、失配失真和瞬态互调失真均小。 晶体管在小电流时的非线性特性会引起模拟功放在输出波形正负交叉处的 失真称为交越失真，交越失真是模拟功放天生的缺陷：而数字功放只工作在开 关状态，不会产生交越失真。模拟功放存在推挽对管特性不一致而造成输出波 形上下不对称的失配失真，因此在设计推挽放大电路时，对功放管的要求非常 严格，即使如此也未必能够做到完全对称。而数字功放对开关管的配对无特殊 要求，无须严格匹配；模拟功放为保证其电声指标，几乎无一例外都采用负反 馈电路，在负反馈电路中，为抑制寄生振荡，采用相位补偿电路，从而会产生 瞬态互调失真。数字功放在功率转换上无须反馈电路，从而避免了瞬态互调失 真。 过载能力与功率储备能力强 数字功放电路的过载能力远远高于模拟功放。模拟功放分为a 类、b 类或a b 类等几类功率放大电路，正常工作时功放管工作在线性区；当过载后，功放管 工作在饱和区，出现削顶失真，失真呈指数级增加，音质迅速变坏。而数字功 放在功率放大时一直处于饱和区和截止区，只要功率管不损坏，失真度不会迅 速增加。 功放和扬声器的匹配好 由于模拟功放中采用的功放管内阻较大，所以在匹配不同阻值的扬声器时， 模拟功放电路的工作状态会受到负载( 扬声器) 大小的影响。而数字功放的输出 电阻不超过0 2 欧姆( 开关管的内阻加滤波器内阻) ，相对于负载( 扬声器) 的阻值 ( 4 8 欧姆) 可以忽略不计，因此不存在于扬声器的匹配问题。 声像定位好 对模拟功放来说，输出信号和输入信号之间一般都存在着相位差，而且在 输出功率不同时，相位失真也不同。而数字功放采用对数字信号进行放大，使 输出信号与输入信号完全一致，相移为零，因此声像定位准确。 生产调试方便 模拟功放存在着各级工作点的调试问题，不利于大批量生产。而数字功放 电子科技大学硕士学位论文 大部分为数字电路，一般不需要调试即可正常工作，特别适合大规模生产。 2 2 两种数字功放及其关键技术的比较 下面先对两种数字功放设计中采用的不同的调制方式：p w m 与 s i g m a - d e l t a 调制方式进行比较，通过m a t l a b 仿真给出仿真的结果和结论。最 后结合仿真的结论，对两种数字功放进行比较。 2 2 ，1 仿真的条件 1 ) 进行p w m 处理时，采用5 0 0 k h z 的三角波载波频率，这在p w m 数字功放中是 常用的比较高的载波频率。 2 ) 在s i g m a d e l t a 调制时，信号进行内插的内插因子是2 0 ，通过二阶 s i g m a d e l t a 调制器对信号做处理。 2 2 2 仿真的过程 1 ) p w m 信号处理过程为：信号输入专脉宽调制通过低通滤波器后输出。 2 ) s i g m a d e l t a 调制信号的处理过程为：信号输入专做内插因子为2 0 的内插 处理- s i g m a d e l t a 调制专通过低通滤波器后输出。 2 2 3 仿真方法与结果分析 分别分两组三个信号进行处理分析，然后根据两种调制前后频谱的对比，对 两种调制方式进行比较。 1 第一组： 1 ) 对信号0 2 * s i n ( 2 * p i * 3 0 0 0 * t ) + o 2 * s i n ( 2 * p i * 1 5 0 0 0 * t ) + o 4 做脉宽调 制处理，该信号用4 0 m h z 的高速采样频率对模拟信号进行采样得到的数字信 号来模拟上述模拟信号， 对信号0 2 * s i n ( 2 * p i * 3 4 0 * n ) + o 2 * s i n ( 2 * p i * 1 5 4 0 * n ) + 0 4 ，进行2 0 倍内 插后再进行s i g m a d e l t a 调制，该信号包含直流分量和两个频率分量，分 第二章音频功率放大器的介绍 别为3 k h z 和1 5 k h z ( 采样频率为4 0 k h z ) ，两种方式的末级滤波器通带截止 频率都为1 8 k h z 。 图2 1 和图2 2 分别是通过s i g m a d e l t a 调制的输入信号与输出信号的 时域和频域( 低频段) 比较图。 图2 3 和图2 - 4 分别是通过脉宽调制的输入信号与输出信号的比较图和 局部放大的比较图。 图2 5 是通过脉宽调制的输入信号与输出信号的频谱低频段比较图。 图2 - 1 通过s i g m a d e l t a 调制的输入信号与输出信号的比较 电子科技大学硕士学位论文 m a g n t u d e o f t h e d f ts a m p l e s f o r i n p u ts i g n a l m a g n i t u d eo f t h e d f ts a m p l e s f o r o u t p u ts i g n a l 图2 - 2 通过s i g m a d e l t a 调制的输入信号与输出信号的频谱比较( 低频段) p w mo u t p u ts i g n a l 图2 3 通过脉宽调制的输入信号与输出信号的比较 1 0 第二章音频功率放大器的介绍 p w mo u t p u ts i g n a l 图2 - 4 通过脉宽调制的输入信号与输出信号的比较( 放大) m a g n i t u d eo f t h e d f ts a m p l e s f o r i n p u ts i g n a l m a g n i t u d eo f t h e d f ts a m p l e s f o rp w mo u t p u ts i g n a l 图2 - 5 通过脉宽调制的输入信号与输出信号的频谱比较( 低频段) 电子科技大学硕士学位论文 2 ) 结果分析： 从信号进行处理的时域波形来看，得到：信号通过内插，进行 s i g m a d e l t a 调制后，信号的恢复程度要好于脉宽调制方式输出的信号， 脉宽调制输出的信号不够平滑，输出的信号与输入信号误差相对较大。 从频谱图上可以看出，通过脉宽调制处理后的信号有很多幅度很小的噪 声频率分量，而s i g m a d e l t a 调制后输出的信号很少受到噪声的干扰。 2 第二组：这部分是对声音信号进行处理。 1 ) 两种调制方式的设置与上组数据相同，最后低通滤波器通带截止频率设 为1 0 k h z 。 2 ) 图2 6 和图2 7 分别是声音信号通过s i g m a d e l t a 调制的输入信号与输 出信号的比较图，通过脉宽调制的输入信号与输出信号的比较图。 3 ) 结果分析： 虽然两种方式都能将信号解调出来，但是经过s i g m a d e l t a 调制方式处理 后的信号波形更平滑，误差更小。 图2 - 6 通过s i g m a d e l t a 调制的输入信号与输出信号的比较 第二章音频功率放大器的介绍 t i m ej n d e x p w mo u t p u ts i g n a ln 图2 7 通过脉宽调制的输入信号与输出信号的比较 2 2 4 调制前后信号的频谱分析 1 ) 图2 8 为脉宽调制前后信号频谱及其放大图。 2 ) 图2 - 9 为s i g m a d e l t a 调制前后信号频谱及其放大图。 o h o hq “日 ”。“f ，。- 等- 宁”“ u q p m o l 图2 - 8 脉宽调制后信号频谱及其放大图 。口n】舌 电子科技大学硕士学位论文 m 自i o m 自h - - r _ 。” “啊一 u q - o 图2 - 9s i g m a d e l t a 调制前后信号频谱及其放大图 3 ) 结果分析： 由图2 8 分析，可以得出脉宽调制后信号频谱由输入信号频谱和高频 噪声组成，低频段为输入信号频谱，但是即使在低频段仍有大量噪声频谱， 因此造成调制器输出的信号通过低通滤波器滤波后，由于混入了噪声导致 波形不够平滑。 由图2 9 分析，通过s i g m a d e l t a 调制后，噪声频谱主要分布在高频 段，在低频段基本没有噪声干扰，因此通过低通滤波器滤波后可以很好的 恢复输入波形。 2 2 5 仿真结论 通过对多个不同信号处理结果的比较及调制前后信号频谱的比较，得出以下 几点结论： 两种方式基本都可以恢复输入波形。 脉宽调制方式处理后的信号波形准确性不如仿真中采用的s i g m a d e l t a 调 制方式处理之后的效果好，波形的平滑度不好。 频域上观察，通过脉宽调制处理会混入更多的噪声，对噪声的抑制效果不 如s i g m a d e l t a 调制方式好。 脉宽调制载波频率过高，会降低p w m 输出的分辨率，这点在( ( 8 0 1 9 6 c m c 单片机相关功能介绍及s p w m 波的实现一文中有相关说明，而内插因子 的提高则可以改进输出的效果( 在4 2 3 节有仿真过程和结论) 。 第二章音频功率放大器的介绍 该仿真中的脉宽调制方式是m a t l a b 中标准函数实现的，而实际当中则是 由专用电路实现，调制出来的信号不会像仿真实现这么完美，内插和 s i g m a d e l t a 调制则是在数字信号处理器内完成，也会有一定误差；实现 的时候，p w m 调制方式更简单，d s p 则有很大的灵活性。 2 2 6 两种数字功放的比较 p w m 数字功放和1 比特数字功放在原理上有相似之处，两者都是通过高 频信号隐藏音频信号的信息，然后转换成两电平信号，最后都是通过低通滤波 器去除高频噪声，将音频信号解调出来。 不同之处就是调制方法的不同，p w m 数字功放是用固定频率三角波与音 频信号比较得出两电平信号，而1 比特功放则是通过提高对信号的采样频率， 然后利用s i g m a d e l t a 调制器调制后经过量化产生1 比特的两电平激励信号。 从以上的仿真过程分析可以看出，p w m 数字功放对噪声的抑制能力有限， 即使将载波频率提高，调制之后在低频段仍然会有噪声频率成分，因此造成了 经过模拟低通滤波器滤波后的信号的恢复不如s i g m a d e l t a 调制处理效果好。 而s i g m a d e l t a 调制方式的噪声整形功能则很大程度上抑制了低频段的噪声， 使信号经过处理之后能够得到很好的恢复，同时也降低了末级模拟低通滤波器 的设计难度。因此，可以说1 比特数字功放是对p w m 数字功放的改进。 从两种技术实现的复杂度和实现方式上来分析