CN101197586A - 调制输入的电信号的方法和系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种调制输入的电信号的方法和系统。所述方法包括用D类数字调制器调制模拟输入信号并产生与模拟输入信号成比例的数字输出信号。该D类数字调制器包括四级。为避免积分器饱和，至少一个积分器级的输出用积分器反馈环中的限制器来限制。该D类数字调制器采用脉宽调制技术。对于想要的输出功率下增加的信噪比(SNR)，三角波振荡器的电压幅度比积分模拟输入信号的幅度更大。数字输出信号可反馈回D类数字调制器的四级中的至少一级的输入端。该三角波振荡器的频率可调节来匹配想要的输出频率。D类数字调制器的增益级可通过编程来调谐信号转移函数(STF)和噪声转移函数(NTF)。

Description

调制输入的电信号的方法和系统
技术领域
本发明涉及电信号调制，更具体地说，涉及用于全数字D类调制器及其饱和保护技术的方法与系统。
背景技术
移动电话技术不断得到改进，增加效率并减小了手持设备的大小、重量和电池需求。减小的功率消耗使手持设备更轻、更小，通话时间更长。增加的电池寿命需要增加效率，也支持设计到移动电话中的增加的功能。例如MP3播放器、FM收音机、视频播放器甚至电视功能可集成在便携手持设备中。这些功能的共同点是音频，因此需要功率消耗小、质量高的音频放大。除了射频(RF)放大电路以外，移动电话手持设备中的一个主要的功率消耗是音频放大电路。
移动电话手持设备的音频输出要求包括大功率的多音调的铃声，通过受话器或耳机或手持设备中的扬声器再现自然、清晰的语音和干净的无噪声的音乐。因此，系统可在内置扬声器工作时提供大的输出功率，为语音或音乐播放提供较小功率但质量高的音频输出，并且在空闲状态时具有低的功率消耗。甚至当没有输入信号时，例如对话中的暂停，音频电路中仍然具有大的功率使用。减少功率消耗的一个方法是当没有输入信号时，关闭音频放大器。另一个方法是改进放大器的工作效率。
音频放大器性能的主要因素包括频率响应、增益、噪声和失真。虽然增加电池的寿命具有很大的优势，但是不能以牺牲音频信号输出质量来实现，也就是说，在抑制噪声和失真的同时维持高的增益。
本文的后续部分将结合附图对本发明进行阐述。通过把本发明的系统与上述的常规系统比较，对本领域的技术人员来说，常规或传统系统的局限性和缺点是显而易见的。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，提供一种用于全数字式D类调制器和其饱和保护技术的系统和/或方法，在以下说明书中结合至少一副附图给出介绍，并在权利要求中给出更完全地描述。
根据本发明的一个方面，本发明提供一种调制输入的电信号的方法，所述方法包括：
使用D类数字调制器来调制模拟输入信号；
由所述D类数字调制器产生与所述模拟输入信号成比例的数字输出信号。
优选地，所述数字式D类调制器包括4阶数字式D类调制器。
优选地，所述方法进一步包括用所述D类数字调制器内的至少一个积分器反馈环来限制所述D类数字调制器中的多个积分器中的至少一个的输出以避免饱和。
优选地，所述至少一个积分器反馈环包括限制所述多个积分器中的所述至少一个积分器的输出的限制器。
优选地，所述D类数字调制器使用脉宽调制技术。
优选地，三角波振荡信号的电压幅度比从所述模拟输入信号产生的积分信号(integrated signal)的幅度更大。
优选地，所述方法进一步包括调节所述三角波振荡信号的频率。
优选地，所述D类数字调制器的数字输出信号反馈回所述D类数字调制器的多级中的至少一级。
优选地，所述方法进一步包括对所述D类数字调制器中的多个增益级中的至少一级的增益进行编程设定。
根据本发明的一个方面，本发明提供一种调制输入的电信号的系统，所述系统包括：
用来调制模拟输入信号的D类数字调制器；
用于生成与所述模拟输入信号成比例的数字输出信号的一个或多个电路。
优选地，所述系统进一步包括4阶数字式D类调制器。
优选地，在所述D类数字调制器中用积分器反馈环来对至少一个积分器进行饱和保护。
优选地，所述D类数字调制器中的多个积分器反馈环中的至少一个积分器反馈环采用了限制器。
优选地，所述D类数字调制器使用脉宽调制技术。
优选地，三角波振荡信号的电压幅度比从所述模拟输入信号产生的积分信号(integrated signal)的幅度更大。
优选地，所述三角波振荡信号的频率是可调节的。
优选地，所述D类数字调制器的数字输出信号反馈回所述D类数字调制器的多级中的至少一级。
优选地，多个积分器增益级中的至少一级的增益是可编程的。
本发明的各种优点、各个方面和创新特征，以及其中所示例的实施例的细节，将在以下的说明书和附图中进行详细介绍。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是本发明的实施例的示例性D类数字调制器的结构示意图；
图2是本发明的实施例的示例性的数字式D类数字调制器信号转移函数(STF)和噪声转移函数(NTF)频率响应的曲线图；
图3是本发明的实施例的示例性的输入幅度为0.5时的数字式D类数字调制器输出频谱的示意图；
图4是本发明的实施例的示例性的调制器的信噪比对比输出功率的曲线图；
图5是本发明的实施例的示例性的D类数字调制器带有反馈限制器的示意图；
图6是本发明的实施例的带反馈限制器的D类数字调制器的信噪比对比输出功率的关系的曲线图。
具体实施方式
本发明的某些方面涉及一种调制输入的电信号的方法和系统。所述方法包括用D类数字调制器调制模拟输入信号并产生与模拟输入信号成比例的数字输出信号。该D类数字调制器包括四级。为避免积分器饱和，至少一个积分器级的输出用积分器反馈环中的限制器来限制。该D类数字调制器采用脉宽调制技术。对于想要的输出功率下增加的信噪比(SNR)，三角波振荡器的电压幅度比积分模拟输入信号的幅度更大。数字输出信号可反馈回D类数字调制器的四级中的至少一级的输入端。该三角波振荡器的频率可调节来匹配想要的输出频率。D类数字调制器的增益级可通过编程来调谐信号转移函数(STF)和噪声转移函数(NTF)。
图1是本发明的实施例的示例性D类数字调制器的结构示意图。参考图1，D类数字调制器可包括4级141、143、145、147，设有加法器103、109、117和123，积分器105、111、119和125，积分器增益级107、115、121和129，和谐振器(resonator)增益反馈环113和127。除了这4级，该D类数字调制器可包括三角波产生器131和比较器137。
输入信号X(n)作用在加法器103的正输入端。输出信号Y(n)139反馈环和谐振增益反馈环113传送到加法器103的负输入端。加法器103的输出连接到积分器105的输入端，然后连接到积分增益级107。积分增益级107的输出连接到加法器109的正输入端，同时输出信号139传送到加法器109的负输入端。加法器109输出传送到积分器111，积分器111的输出然后传送到积分增益级115。积分增益级115的输出通过谐振器反馈环113连接到加法器103的负终端，并连接到加法器117的正输入端。
另外，谐振器反馈环127和输出信号Y(n)139传送到加法器117的负输入端。加法器117的输出连接到积分器119，积分器119的输出然后连接到积分增益级121。积分增益级121的输出连接到加法器123的正输入端。另外，输出信号Y(n)传送给加法器123的负输入端。加法器123的输出连接到积分器125，积分器125的输出连接到积分增益级129。积分增益级129的输出Vint135传送到比较器137的一个输入端。此信号也通过谐振器反馈环127反馈回加法器117的负输入端。三角波发生器131的输出连接到比较器137的另一输入端。D类数字调制器的输出Y(n)定义为比较器137的输出，其还被反馈回加法器103的负输入端，以及加法器109、117和123的负输入端。
在操作时，输入信号X(n)101在加法器103的正输入端应用给D类数字调制器。输出信号Y(n)139和来自反馈环113的信号从输入信号X(n)101中减去，然后分别被积分器105积分和被积分增益级107放大。积分增益级107的输出信号传送到加法器109的正输入端。输出信号Y(n)139在加法器109上从输出增益级107的积分输出中减去，然后被积分器111和积分增益级115积分和放大。来自积分增益级115的输出信号通过谐振反馈环113反馈回加法器103的负输入端，并也传送到加法器117的正输入端。输出信号Y(n)139和来自谐振反馈环127的信号从加法器117的正输入中减去。加法器117的输出信号传送到积分器和积分增益模块119和121，并且，积分增益模块121的输出传送到加法器123的正输入端。输出信号Y(n)139从加法器123的正输入中减去，其结果提供给积分器和积分增益模块125和129。积分增益模块129的输出信号传送到比较器137的一个输入端，也通过谐振反馈环127反馈到加法器117的负输入端。三角波发生器131的输出传送到比较器137的一个输入端。当输入信号Vint 135的幅度小于输入信号VOSC 133的幅度时，比较器137的输出是低电平，当输入信号Vint 135的幅度大于输入信号VOSC 133的幅度时，比较器137的输出是高电平。这引起脉宽调制，其脉冲的宽度与输入信号Vint 135的幅度成比例。
信号转移函数(STF)定义为输出信号Y(n)139除以输入信号X(n)101。将此关系应用到上述电路得到下式：
Y X = c 4 c 3 c 2 c 1 z - 4 [ ( 1 - z - 1 ) 2 + c 2 c 1 g 1 z - 2 ] [ ( 1 - z 1 ) 2 + c 4 z - 1 ( 1 - z - 1 ) + ( 1 + g 2 ) c 4 c 3 z - 2 ] + c 4 c 3 c 2 ( 1 - z - 1 ) z - 3 + c 4 c 3 c 2 c 1 z - 4
类似地，噪声转移函数(NTF)用输出信号Y(n)除以电路的量化噪声来确定：
Y N = ( 1 - z - 1 ) 2 [ c 2 c 1 g 1 z - 2 ( 1 - z - 1 ) 2 ] [ ( 1 - z - 1 ) 2 + c 2 c 1 g 1 z - 2 ] [ ( 1 - z - 1 ) 2 + c 4 z - 1 ( 1 - z - 1 ) + ( 1 + g 2 ) c 4 c 3 z - 2 ] + c 4 c 3 c 2 ( 1 - z - 1 ) z - 3 + c 4 c 3 c 2 c 1 z - 4
STF和NTF用来确定D类数字调制器的频率响应。这通过为积分增益和谐振器反馈环增益插入多个值到上述的公式中来实现。
图2是本发明的实施例的示例性的D类数字调制器信号转移函数(STF)和噪声转移函数(NTF)频率响应的曲线图。参考图2，D类数字调制器的STF201和NTF 203与下述的变量一起展示出。x-轴表示频率，y-轴表示STF 201和NTF 203的以dB计的幅度。上面的曲线展示了频率范围0-12MHz的STF201和NTF 203，同时，下面的曲线展示了较小频率范围(0-200kHz)的同样的STF 201和NTF 203。0-20kHz的频率范围是与音频应用有关。
为了D类数字调制器100的稳定性，积分器输出Vint 135的转换速率(slewrate，SR)即切换速度小于三角波VOSC 133的转换速率。正弦波的SR，Vint＝Aisin(2*π*fu*t+)，可以等于Ai2*π*fu，此处，Ai是信号的幅度，fu是STF的带宽，π＝3.14159。三角波的SR是2*Atri*fosc，此处，Atri是三角波信号的幅度，fosc是三角波产生器131的频率。以此，有以下关系：
Ai*2*π*fu＜2*Atri*fosc
在输入信号Vint 135和Vosc133具有同样的幅度1时，此关系式简化为
fu＜fosc/π
以此，为了稳定性，STF的带宽fu小于fosc/π。
再次参考图2，用积分增益系数c1到c4以及谐振增益系数g1和g2的示例值来展示STF和NTF曲线。图2中的下面的曲线，展示了频率范围在0-200kHz的STF 201和NTF 203，但是集中在0-20kHz的范围内时，STF保持相对平坦，此范围内在0dB上下，但NTF比STF低80dB以上。
图3是本发明的实施例的示例性的D类数字调制器在输入幅度为0.5时的输出频谱。参考图3，y-轴表示仿真的输出频谱301的以dB为单位的幅度，x-轴表示以Hz为单位的频率。仿真的频谱展示了接近20kHz处的最小值，这与图2中所示的一致。仿真的输入信号的频率是2kHz，与2kHz附近的幅度峰值303一致。结果产生的信噪比(SNR)是113dB，显示了D类数字调制器可产生高SNR的输出信号的能力。
图4是本发明的实施例的示例性的调制器的信噪比对比输出功率的曲线图。参考图4，y-轴表示以dB为单位的SNR 401，x-轴表示以dB为单位的输出功率，此处0dB相当于30mW的功率。该曲线展示的SNR随输出功率的增加可增加到超过110dB的峰值，然后在输出功率接近-4dB时SNR 401急剧下降。SNR 401在较高输出功率时的减小是积分器饱和的结果，其可用图5所示的设计来解决。
图5是本发明的实施例的示例性的带有反馈限制器的D类数字调制器的示意图。参考图5，示例性的带限制器的D类数字调制器包括四级551、553。555和557，带有加法器503、505、513、515、523、525、533和535，积分器507、518、529和541，积分增益级511、521、531和543，积分限制器509、519、527和539，谐振反馈环517和537，三角波产生器545和比较器547。
输入信号X(n)501传送到加法器503的正输入端。输出信号Y(n)549和来自谐振反馈环517的信号被加法器503从输入信号X(n)中减去。此信号然后连接到加法器505，此处也连有限制器509的输出。加法器505的输出连接到积分器507，积分器507的输出通过限制器509反馈回加法器505，并连接至积分增益级511。积分增益级511的输出连接到加法器513的正输入端。输出信号Y(n)549连接到加法器513的负输入端。加法器513的输出连接至加法器515的输入端。限制器519的输出连接到加法器515的输入端。加法器515的输出连接到积分器518。积分器518的输出连接到限制器519的输入端和加法器523的正输入端。输出信号Y(n)549和反馈环537的输出传送到加法器523的负输入端。
加法器523的输出连接到加法器525。限制器527的输出也连接到加法器525。加法器525的输出连接到积分器529，积分器529的输出连接到限制器527的输入端和积分增益级531的输入端。积分增益级531的输出连接到加法器533的正输入端。输出信号Y(n)549连接到加法器533的负输入端。加法器533的输出连接至加法器535的输入端。限制器539的输出连接到加法器535的另一输入端，而加法器535的输出连接至积分器541。积分器541的输出连接到限制器539的输入端和积分增益级543的输入端。积分增益级543的输出连接到比较器547的一个输入端并且也通过谐振反馈环537反馈回加法器523的负的输入端。三角波发生器545连接到比较器547的另一个输入端。比较器547的输出是D类数字调制器的输出，可定义为输出信号Y(n)549。输出信号Y(n)549可反馈回加法器503、513、521和533的负输入端。
在本发明的实施例中，积分增益级511、521、531和541的积分器增益c1、c2、c3和c4的值可通过编程来调谐D类数字调制器的信号转移函数(STF)和噪声转移函数(NTF)。另外，谐振反馈环517和537的增益g1和g2也通过编程来适应STF和NTF。
在操作时，输入信号X(n)501传送到加法器503的正输入端。增益级517的输出信号以及输出信号Y(n)549在加法器503中从X(n)501中减去。由此产生的输出用加法器505与限制器509的输出相加，加法器505的输出通过积分器507进行积分。积分器507的输出可通过限制器509反馈回加法器505，通过限制积分器507的输出值在-2至2之间来避免积分器饱和。积分器507的输出在传送到加法器513的正输入端之前，由积分增益级511放大。输出信号Y(n)549可从增益级511的输出中减去，其结果可与限制器519的输出相加，然后由积分器518积分。积分器518的输出可通过限制器519反馈回来，通过将积分器518的输出限制在-2和2之间来避免积分器饱和。积分器518的输出可用积分增益级521放大。积分增益级521的输出可通过谐振反馈环517反馈回加法器503的负输入端，并传送给加法器523的正输入端。谐振反馈环537的输出信号和输出信号Y(n)549在加法器523中从积分增益级521的输出中减去。加法器523的输出可与限制器527的输出用加法器525相加，加法器525的输出信号被积分器529积分。
积分器529的输出通过限制器527反馈回加法器525，限制器527可将积分器529的输出值限制在-1和1之间避免积分器529饱和。积分器529的输出在连接到加法器533的正输入端之前被积分增益级531放大。输出信号Y(n)549被加法器533从积分增益级531的输出信号中减去，然后在被积分器积分之前在加法器535中与限制器539的输出信号相加。积分器541的输出可被限制器539反馈到加法器535。限制器539将积分器541的输出值限制在-0.5到0.5之间避免其饱和。积分器541的输出可被积分增益级543放大，然后连接到比较器547的一个输入端。该积分增益级543的输出信号还通过谐振反馈环537反馈回加法器523的负输入端。比较器547将三角波产生器545的输出与积分增益级543的输出进行比较。在积分增益级543的输出信号高于三角波产生器信号的情况下，比较器547输出高电平，积分增益级543的输出信号低于三角波产生器信号的情况下，比较器547输出低电平。这可导致脉冲宽度调制，其脉冲的宽度与输入信号的幅度成比例。
图6是本发明的实施例的带反馈限制器的D类数字调制器的信噪比(SNR)和输出功率的关系的示意图。参考图6，y-轴表示如图5所描述的带有饱和保护的示例性D类数字调制器的信噪比。x-轴表示D类数字调制器的输出功率，其0dB对应于30mW的输出功率。SNR随着输出功率增加而增加，并且在较高功率时像图2那样急剧降落，但有饱和保护时，0dB的SNR明显更高，振荡器电压Vosc＝1.00V时大于80dB。将振荡器电压增加到Vosc＝1.25V可进一步使0dB处的SNR提高到超过100dB。
在本发明的实施例中，描述了一种用D类数字调制器500来调制输入电信号501并产生与模拟输入信号301成比例的数字输出信号549的方法和系统。D类数字调制器500包括551、553、555和557四级。为了避免积分器饱和，至少一个积分器507、518、529和541的输出可用积分反馈环中的限制器509、519、527和539来限制。D类数字调制器500使用脉冲宽度调制技术。为了在想要的输出功率增加信噪比(SNR)600，三角波振荡器输出电压561的振幅应当大于积分模拟输入信号559的幅度。数字输出信号549反馈回D类数字调制器500的四级551、553、555、557中的至少一级。三角波振荡器545的频率可进行调节来匹配想要的输出频率。D类数字调制器500中的增益级511、521、531和543的增益值c1、c2、c3和c4可经过编程来调谐信号转移函数(STF)201和噪声转移函数(NTF)203。
本发明的另一实施例提供一种机器可读存储器，其内存储的计算机程序具有至少一个代码段可被机器执行，使该机器能够执行在上面描述的一个或多个步骤。
因此，本发明可以通过硬件、软件，或者软、硬件结合来实现。本发明可以在至少一个计算机系统中以集中方式实现，或者由分布在几个互连的计算机系统中的不同部分以分散方式实现。任何可以实现所述方法的计算机系统或其它设备都是可适用的。常用软硬件的结合可以是安装有计算机程序的通用计算机系统，通过安装和执行所述程序控制计算机系统，使其按所述方法运行。在计算机系统中，利用处理器和存储单元来实现所述方法。
本发明的一个实施例可在板级产品中实现，例如单片机、ASIC(专用集成电路)或各种集成度的单片机和系统其他的分立元件。系统的集成度主要由速度和成本考虑来确定。由于现代处理器的复杂性，可使用市场上的处理器，其可在本系统的ASIC实现之外来实现。可选地，如果处理器可作为ASIC核或逻辑模块得到的话，市场上可得的处理器就可作为有各种功能的作为固件实现的ASIC器件的一部分来实现。
本发明还可以通过计算机程序产品进行实施，所述程序包含能够实现本发明方法的全部特征，当其安装到计算机系统中时，通过运行，可以实现本发明的方法。本文件中的计算机程序所指的是：可以采用任何程序语言、代码或符号编写的一组指令的任何表达式，该指令组使系统具有信息处理能力，以直接实现特定功能，或在进行下述一个或两个步骤之后实现特定功能：a)转换成其它语言、编码或符号；b)以不同的格式再现。
虽然在此已经描述了所述实施例的某些特征，本技术领域的人员可以做出很多修改、替换、更改和等同。因此，可以理解，权利要求用于覆盖落入本发明的实施例的实质范围内的所有这些修改和更改。

Claims (10)

1.一种调制输入的电信号的方法，其特征在于，所述方法包括：
使用D类数字调制器来调制模拟输入信号；
由所述D类数字调制器产生与所述模拟输入信号成比例的数字输出信号。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述数字式D类调制器包括4阶数字式D类调制器。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括用所述D类数字调制器内的至少一个积分器反馈环来限制所述D类数字调制器中的多个积分器中的至少一个的输出以避免饱和。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述至少一个积分器反馈环包括限制所述多个积分器中的所述至少一个积分器的输出的限制器。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述D类数字调制器使用脉宽调制技术。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，三角波振荡信号的电压幅度比从所述模拟输入信号产生的积分信号的幅度更大。
7.一种调制输入的电信号的系统，其特征在于，所述系统包括：
用来调制模拟输入信号的D类数字调制器；
用于生成与所述模拟输入信号成比例的数字输出信号的一个或多个电路。
8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述系统进一步包括4阶数字式D类调制器。
9.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，在所述D类数字调制器中用积分器反馈环来对至少一个积分器进行饱和保护。
10.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述D类数字调制器中的多个积分器反馈环中的至少一个积分器反馈环采用了限制器。
CN2007101971915A 2006-12-05 2007-12-04 调制输入的电信号的方法和系统 Active CN101197586B (zh)

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