M. Streitenberger W. Mathis

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

Low-Power Audioleistungsverstärker

• Ausgangspunkt / Motivation

• neues Kodierungsverfahren: SB-ZePoC

• theoretische Erkenntnisse

• Implementierungsaspekte

• Prototyp

• Zusammenfassung / Ausblick

Übersicht

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

Motivation

• Ausgangspunktspektrale Eigenschaften des BinärsignalsFrage nach Kodierungsverfahren

PWM LPFdigitalaudio

in

analogaudioout

binaryintermediate

signal


LPFPWM

PWMSpektrum

Ergebnis: nichtlineare Verzerrungen

klassisches Konzept

Neues Signalkonzept

• Forderung:Binärsignale mit

separiertem Basisband

• Resultat: linearer Verstärker

mit hohem Wirkungsgrad(Klasse-D)

• Lösung: SB-ZePoC:

(Zero-Position Codingwith separated baseband)


in

analogaudioout

binaryintermediate

signal


Vergleich

sep. Basisband

NPWM Spektrum

• Funktionalität

SB-ZePoC Spektrum mit separiertem Basisband

• Basisband:durch Kodierungsverfahren bestimmt

• HF Bereich:durch Schaltrate bestimmtunabhängig vom Kodierungserfahren

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)

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

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


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



DigitalInput

AES/EBU

BinaryOutput

q(t)


{tk}SSB


Up-sampling


Low-passFilter

Up-sampling

SSBPhase

Modulation


PulseFormer



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)


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



DigitalInput

AES/EBU

BinaryOutput

q(t)


{tk}SSB


Up-sampling


Low-passFilter

Up-sampling

SSBPhase

Modulation


PulseFormer



cut-off: c

Tiefpassfilter

• lineare Phase!!! Signalformtreue

• FIR-Filter mit hoher Ordnung(N = 170)

• Modellordnungsreduktion quasi-linearphasiges IIR-Filter

(N = 36) Implementierung...

Neuantrag

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



DigitalInput

AES/EBU

BinaryOutput

q(t)


{tk}SSB


Up-sampling


Low-passFilter

Up-sampling

SSBPhase

Modulation


PulseFormer



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

volldigitaler Prototyp

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

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

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

Ausblick

Analogteil (Schaltstufe + Filter + Last)

• thermodynamische Aspekte der SchaltstufeKooperation mit Prof. Beth, Karlsruhe

• Nichtideale / nichtlineare EinflüsseAnsatz: FeedbackKooperation mit Prof. Weigel, Erlangen


in

analogaudioout

binaryintermediate

signal


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