專(zhuān)利名稱(chēng)：預(yù)失真音頻線(xiàn)性功率放大系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及采用數(shù)字音頻信號(hào)源的音響系統(tǒng)，特別涉及音響系統(tǒng)中的音頻功率放大系統(tǒng)部分。
背景技術(shù)：
隨著數(shù)字技術(shù)的發(fā)展，音響系統(tǒng)中采用數(shù)字音頻信號(hào)源的越來(lái)越多，例如符合國(guó)際S/PDIF接口標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字音頻信號(hào)CD機(jī)、MAT機(jī)、MD機(jī)、計(jì)算機(jī)聲卡等。該類(lèi)音響系統(tǒng)的信號(hào)流程如圖1所示、如下所述數(shù)字音頻信號(hào)源11，經(jīng)過(guò)D/A處理器12完成數(shù)字模擬的轉(zhuǎn)換，輸出模擬信號(hào)至低通濾波器13。低通濾波器13濾除音頻以外的帶外信號(hào)后得到音頻信號(hào)后輸出至音頻放大系統(tǒng)。音頻放大系統(tǒng)包括前置放大器14、功率放大器15，音頻信號(hào)經(jīng)功率放大器15放大，輸出具有一定功率的音頻信號(hào)，音頻信號(hào)驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器振動(dòng)發(fā)出聲音。
為了獲得良好的線(xiàn)性度、足夠大的動(dòng)態(tài)范圍以及高的效率，現(xiàn)有音頻功率放大系統(tǒng)采用了很多方法，但是遺憾的是到目前為止，各類(lèi)方法對(duì)這三者很難同時(shí)兼顧，具體說(shuō)明如下。
甲類(lèi)(Class-A)功率放大器，由于工作在甲類(lèi)，其線(xiàn)性度好、失真小、無(wú)交越失真和開(kāi)關(guān)失真，表現(xiàn)在指標(biāo)上則是諧波失真小、頻響特性好、互調(diào)失真小，但是功放效率低，器件發(fā)熱量大，因此體積大，成本高，散熱困難。
乙類(lèi)(Class-B)功率放大器的偏置使推挽工作的晶體管(或電子管)在無(wú)驅(qū)動(dòng)信號(hào)時(shí)，處于低電流狀態(tài)。當(dāng)加上驅(qū)動(dòng)信號(hào)時(shí)，一對(duì)管子中的一只在半周期內(nèi)電流上升，而另一只管子則趨向截止，到另一個(gè)的半周期，情況相反。由于兩管輪流通過(guò)推挽電路工作以合成完整的信號(hào)波形，因此，乙類(lèi)放大器的優(yōu)點(diǎn)是效率較高，缺點(diǎn)是失真較大。
AB類(lèi)功率放大器優(yōu)缺點(diǎn)介入A類(lèi)與B類(lèi)之間，效率比A類(lèi)高，比B類(lèi)低，但是失真雖比B類(lèi)小，但是比A類(lèi)失真大，難以保證高的功放品質(zhì)。
D類(lèi)功放因使用了脈寬調(diào)制開(kāi)關(guān)技術(shù)，故效率高。因其MOS場(chǎng)效應(yīng)管互補(bǔ)輸出級(jí)固有的死時(shí)間效應(yīng)(開(kāi)通前關(guān)斷)，在較大功率輸出時(shí)，不可避免地產(chǎn)生難以接受的信號(hào)畸變。
同樣，電子管的響應(yīng)速度快，穩(wěn)定性高，諧波失真小，但缺點(diǎn)是電源利用率極低，電子管A類(lèi)放大的效率不到10％，C類(lèi)為15％～17％，大部分電能變?yōu)闊崃亢纳⒌?，因此電子管具有耗電大、發(fā)熱高、體積和重量大、耗材多、成本高等缺點(diǎn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對(duì)現(xiàn)有各類(lèi)音頻功率放大系統(tǒng)存在的上述問(wèn)題，提供一種能在獲得良好的線(xiàn)性度、足夠大的動(dòng)態(tài)范圍以及高的效率三者方面得到很好的兼顧的預(yù)失真音頻線(xiàn)性功率放大系統(tǒng)。
本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的本發(fā)明的預(yù)失真音頻線(xiàn)性功率放大系統(tǒng)包括D/A處理器、濾波器和音頻功率放大系統(tǒng)，在音頻數(shù)字信號(hào)源和D/A處理器之間設(shè)有能在數(shù)字域內(nèi)對(duì)音頻數(shù)字信號(hào)源進(jìn)行預(yù)失真處理的預(yù)失真處理器，該預(yù)失真表現(xiàn)出的非線(xiàn)性、記憶效應(yīng)特性與所述音頻功率放大系統(tǒng)本身帶來(lái)的非線(xiàn)性失真及記憶效應(yīng)相反，從而音頻數(shù)字信號(hào)源被預(yù)先處理過(guò)的失真與音頻功率放大系統(tǒng)的失真相互抵消，從而提高了音頻功率放大系統(tǒng)的線(xiàn)性特性。音頻功率放大系統(tǒng)的失真主要是由功率放大器非線(xiàn)性與記憶效應(yīng)帶來(lái)的。
本發(fā)明的預(yù)失真處理器內(nèi)部主要包括功率放大失真數(shù)學(xué)模型、查檢表、地址生成器、數(shù)字濾波器，所述功率放大失真數(shù)學(xué)模型能夠反映功率放大系統(tǒng)非線(xiàn)性與記憶效應(yīng)特性，由此產(chǎn)生查檢表，所述查檢表存放在預(yù)失真處理器的存儲(chǔ)器中，該查檢表存放了反映功率放大系統(tǒng)的非線(xiàn)性與記憶效應(yīng)有關(guān)的值，查檢表可以是多維度的，可以有輸入信號(hào)的幅度、相位、功率放大器直流偏置、溫度等多個(gè)維度，查檢表的參數(shù)決定了數(shù)字濾波器的濾波系數(shù)，所述地址生成器能夠根據(jù)輸入音頻信號(hào)的幅度，產(chǎn)生相應(yīng)的地址，所述預(yù)失真處理器能夠根據(jù)地址，結(jié)合功率放大器直流偏置、溫度等其它維度的因素，查詢(xún)查檢表，獲取相應(yīng)的預(yù)失真參數(shù)，該參數(shù)決定了數(shù)字濾波器的系數(shù)。
所述功率放大失真數(shù)學(xué)模型，是針對(duì)功率放大系統(tǒng)的非線(xiàn)性與記憶效應(yīng)特性建立的一種模型。功率放大系統(tǒng)的非線(xiàn)性特征可以用非線(xiàn)性數(shù)學(xué)模型來(lái)逼近，例如采用冪級(jí)數(shù)(Power Series)來(lái)表示其非線(xiàn)性特征，冪級(jí)數(shù)的數(shù)學(xué)表達(dá)式為fp(x)＝xp；所謂功率放大系統(tǒng)的記憶效應(yīng)是由于功率放大系統(tǒng)的非線(xiàn)性不僅與現(xiàn)在時(shí)刻的非線(xiàn)性特性有關(guān)，而且前面時(shí)刻的功率放大系統(tǒng)非線(xiàn)性特征也會(huì)影響到現(xiàn)在時(shí)刻的功率特性，該記憶特性也可以用多種數(shù)學(xué)模型來(lái)逼近，例如采用維納模型(Weiner Model)。實(shí)際上，數(shù)學(xué)上有很多經(jīng)典的描述非線(xiàn)性帶記憶特性的模型，我們建立或采用何種數(shù)學(xué)模型的原則是根據(jù)實(shí)際使用的功率放大系統(tǒng)非線(xiàn)性與記憶特性，以使數(shù)學(xué)模型與實(shí)際的非線(xiàn)性與記憶特性盡可能逼近。
本發(fā)明的預(yù)失真處理器內(nèi)部還可以包括比較器和失真評(píng)估器，還在預(yù)失真處理器與音頻功率放大系統(tǒng)之間設(shè)有一條由A/D處理器與耦合器構(gòu)成的反饋回路，所述耦合器用于對(duì)音頻功率放大系統(tǒng)輸出的音頻信號(hào)旁路，輸出信號(hào)至A/D處理器，所述A/D處理器用于完成對(duì)該音頻信號(hào)的模數(shù)轉(zhuǎn)換，輸出數(shù)字信號(hào)反饋到預(yù)失真處理器，所述比較器用于將音頻功率放大系統(tǒng)輸出的信號(hào)與輸入信號(hào)進(jìn)行比較，得到誤差信號(hào)，所述失真評(píng)估器用于將該信號(hào)進(jìn)行失真評(píng)估，作為依據(jù)對(duì)功率放大失真數(shù)學(xué)模型的參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，由此對(duì)查檢表進(jìn)行調(diào)整，根據(jù)該信號(hào)建立并校正預(yù)失真模型參數(shù)，以選取合適的預(yù)失真參數(shù)。
本發(fā)明的預(yù)失真處理器可以為功能實(shí)體，也可以為物理實(shí)體。物理實(shí)體例如采用數(shù)字信號(hào)處理芯片(即DSP芯片)、FPGA芯片、預(yù)失真處理器專(zhuān)用芯片等，預(yù)失真處理器也可通過(guò)其他類(lèi)型芯片集成該預(yù)失真處理功能。
本發(fā)明的音頻功率放大系統(tǒng)不限于前置放大器和功率放大器，也適合包括揚(yáng)聲器在內(nèi)的音頻功率放大系統(tǒng)。
本發(fā)明的技術(shù)效果在于本發(fā)明首次在音頻放大系統(tǒng)中采用了數(shù)字預(yù)失真技術(shù)，能夠提高音頻放大系統(tǒng)的線(xiàn)性度，較好地消除記憶效應(yīng)，使音響系統(tǒng)的諧波失真、互調(diào)失真、瞬態(tài)互調(diào)失真、頻率響應(yīng)等指標(biāo)獲得改善，功放效率得到提高。本發(fā)明適用于所有音頻源為數(shù)字信號(hào)的音響系統(tǒng)，包括A類(lèi)、B類(lèi)、AB類(lèi)、D類(lèi)等功率放大器等。
以下結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。


圖1是現(xiàn)有音響系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理框圖。
圖2是本發(fā)明實(shí)施例的結(jié)構(gòu)原理框圖。
圖3是實(shí)施例中預(yù)失真處理器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖。
圖4是實(shí)施例中預(yù)失真處理器對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行預(yù)失真處理的流程圖。
圖5為實(shí)施例中預(yù)失真處理器更新查檢表的流程圖。
圖6是維納模型的示意圖。
具體實(shí)施例方式
如圖2所示，本實(shí)施例包括D/A處理器12、低通濾波器13、前置放大器14、功率放大器15和揚(yáng)聲器16，本實(shí)施例采用普通乙類(lèi)音頻功率放大器(ClassB)，本實(shí)施例與圖1所示的現(xiàn)有技術(shù)不同的地方主要是在音頻數(shù)字信號(hào)源11和D/A處理器12之間設(shè)有預(yù)失真處理器101，另外一個(gè)不同之處是在預(yù)失真處理器101與功率放大器15之間還設(shè)有一條由A/D處理器103與耦合器102構(gòu)成的反饋回路，本實(shí)施例采用了陶瓷電容作為耦合器102，采用12位的A/D處理器，3.58MHz晶振作為時(shí)鐘進(jìn)行采樣，完成對(duì)反饋信號(hào)的模擬到數(shù)字的轉(zhuǎn)換。所述預(yù)失真處理器101能在數(shù)字域內(nèi)對(duì)音頻數(shù)字信號(hào)源進(jìn)行預(yù)失真處理，該預(yù)失真表現(xiàn)出的非線(xiàn)性、記憶效應(yīng)特性與由前置放大器14、功率放大器15組成的音頻功率放大系統(tǒng)本身帶來(lái)的非線(xiàn)性失真及記憶效應(yīng)相反，較之原始的音頻信號(hào)，音頻信號(hào)在輸入到音頻功率放大系統(tǒng)之前已經(jīng)是失真的信號(hào)，其失真特性與音頻功率放大系統(tǒng)帶來(lái)的失真正好相反，從而抵消音頻功率放大系統(tǒng)帶來(lái)的失真，提高了音頻功率放大系統(tǒng)的線(xiàn)性度與效率。
實(shí)施例的工作流程參見(jiàn)圖2，說(shuō)明如下1、音頻數(shù)字信號(hào)源11輸出數(shù)字信號(hào)至預(yù)失真處理器101；2、預(yù)失真處理器101疊加與功率放大系統(tǒng)失真相反的特性在輸入信號(hào)上；3、信號(hào)經(jīng)D/A處理器12由數(shù)字轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)；4、濾波器13濾除高頻分量，得到音頻信號(hào)；5、經(jīng)前置放大器14、功率放大器15，音頻功率信號(hào)驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器16發(fā)出聲音；6、同時(shí)，音頻功率放大系統(tǒng)輸出的音頻信號(hào)經(jīng)耦合器102旁路部分的音頻信號(hào)，經(jīng)A/D處理器103至預(yù)失真處理器101。
預(yù)失真處理器101是以上工作流程的核心，本實(shí)施例采用通用型DSP芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)預(yù)失真處理器的功能。如圖3所示，本實(shí)施例的預(yù)失真處理器101內(nèi)部包括功率放大失真數(shù)學(xué)模型206、查檢表203、地址生成器202、數(shù)字濾波器201、比較器204和失真評(píng)估器205。本實(shí)施例的功率放大失真數(shù)學(xué)模型采用維納模型(Weiner Model)，其模型分線(xiàn)性帶記憶部分和非線(xiàn)性不帶記憶部分，如圖6。該模型屬于經(jīng)典的描述非線(xiàn)性帶記憶系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型之一，其中非線(xiàn)性特性采用冪級(jí)數(shù)(Power Series)來(lái)逼近。數(shù)字濾波器201采用32階的FIR濾波器。
預(yù)失真處理器101的內(nèi)部信號(hào)處理流程包括二個(gè)部分 1、對(duì)輸入信號(hào)預(yù)失真處理的流程2、更新查檢表的流程。分別說(shuō)明如下。
預(yù)失真處理器101對(duì)輸入信號(hào)預(yù)失真處理的流程如圖4所示，如下所述1、在預(yù)失真處理器101中建立能夠反映功率放大系統(tǒng)非線(xiàn)性與記憶效應(yīng)特性的功率放大失真數(shù)學(xué)模型206。
2、由此功率放大失真數(shù)學(xué)模型206產(chǎn)生查檢表203，查檢表203存放在預(yù)失真處理器101的存儲(chǔ)器中。該表存放了反映放大系統(tǒng)的非線(xiàn)性與記憶效應(yīng)有關(guān)的值。
3、查檢表203的參數(shù)決定了數(shù)字濾波器201的濾波系數(shù)。
4、預(yù)失真處理器101接收音頻信號(hào)。
5、根據(jù)輸入信號(hào)的幅度，地址生成器202產(chǎn)生相應(yīng)的地址。
6、預(yù)失真處理器101根據(jù)地址，結(jié)合功率放大器直流偏置、溫度等其他維度的因素，查詢(xún)查檢表203，獲取相應(yīng)的預(yù)失真參數(shù)。
7、該參數(shù)決定了數(shù)字濾波器201的系數(shù)。
8、輸入信號(hào)經(jīng)過(guò)數(shù)字濾波器201濾波，其幅度、相位得到了預(yù)失真處理。
查檢表203是預(yù)失真處理器101的核心，它決定了數(shù)字濾波器201的系數(shù)，從而決定了對(duì)信號(hào)失真處理的特性。音頻功率放大系統(tǒng)的非線(xiàn)性特性將隨著環(huán)境溫度、工作時(shí)間、輸入信號(hào)功率動(dòng)態(tài)范圍等因素而發(fā)生變化，因此，為了適應(yīng)音頻功率放大系統(tǒng)的特性變化，預(yù)失真處理器101對(duì)查檢表203進(jìn)行定期更新，以保證整個(gè)音響系統(tǒng)處于最佳線(xiàn)性工作狀態(tài)。其基本原理是；預(yù)失真處理器101將音頻功率放大系統(tǒng)輸出的信號(hào)與輸入信號(hào)進(jìn)行比較，得到誤差信號(hào)，對(duì)該信號(hào)進(jìn)行失真評(píng)估，并作為依據(jù)對(duì)功率放大失真數(shù)學(xué)模型206的參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，由此對(duì)查檢表203進(jìn)行調(diào)整。
更新查檢表的流程如圖5所示，如下所述1、音頻功率放大系統(tǒng)的輸出信號(hào)通過(guò)反饋回路至預(yù)失真處理器101。反饋回路由耦合器102、A/D處理器103組成，耦合器102對(duì)頻功率放大器15輸出的音頻信號(hào)進(jìn)行旁路，耦合器102輸出信號(hào)至A/D處理器103。A/D處理器103完成模數(shù)轉(zhuǎn)換，以便預(yù)失真處理器101能夠在數(shù)字域?qū)υ撔盘?hào)進(jìn)行處理。
2、預(yù)失真處理器101內(nèi)部的比較器204比較反饋信號(hào)與輸入信號(hào)，得到誤差信號(hào)。
3、預(yù)失真處理器101通過(guò)失真評(píng)估器對(duì)誤差信號(hào)進(jìn)行失真評(píng)估，比較其失真門(mén)限。
4、如果超過(guò)失真門(mén)限，預(yù)失真處理器101矯正功率放大失真數(shù)學(xué)模型206的參數(shù)。
5、查檢表203參數(shù)將隨著功率放大失真數(shù)學(xué)模型的參數(shù)調(diào)整而相應(yīng)地被調(diào)整。
采用上述預(yù)失真技術(shù)后，普通乙類(lèi)音頻功率放大器在諧波失真、交越失真、線(xiàn)性動(dòng)態(tài)范圍都有明顯改善。
權(quán)利要求
1.一種預(yù)失真音頻線(xiàn)性功率放大系統(tǒng)，包括D/A處理器、濾波器和音頻功率放大系統(tǒng)，其特征在于在音頻數(shù)字信號(hào)源和D/A處理器之間設(shè)有能在數(shù)字域內(nèi)對(duì)音頻數(shù)字信號(hào)源進(jìn)行預(yù)失真處理的預(yù)失真處理器，該預(yù)失真表現(xiàn)出的非線(xiàn)性、記憶效應(yīng)特性與所述音頻功率放大系統(tǒng)本身帶來(lái)的非線(xiàn)性失真及記憶效應(yīng)相反。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的預(yù)失真音頻線(xiàn)性功率放大系統(tǒng)，其特征在于所述預(yù)失真處理器內(nèi)部主要包括功率放大失真數(shù)學(xué)模型、查檢表、地址生成器、數(shù)字濾波器，所述功率放大失真數(shù)學(xué)模型能夠反映功率放大系統(tǒng)非線(xiàn)性與記憶效應(yīng)特性，由此產(chǎn)生查檢表，所述查檢表存放在預(yù)失真處理器的存儲(chǔ)器中，該查檢表存放了反映功率放大系統(tǒng)的非線(xiàn)性與記憶效應(yīng)有關(guān)的值，查檢表的參數(shù)決定了數(shù)字濾波器的濾波系數(shù)，所述地址生成器能夠根據(jù)輸入音頻信號(hào)的幅度，產(chǎn)生相應(yīng)的地址，所述預(yù)失真處理器能夠根據(jù)地址，結(jié)合功率放大器直流偏置、溫度等其它維度的因素，查詢(xún)查檢表，獲取相應(yīng)的預(yù)失真參數(shù)，該參數(shù)決定了數(shù)字濾波器的系數(shù)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的預(yù)失真音頻線(xiàn)性功率放大系統(tǒng)，其特征在于所述預(yù)失真處理器內(nèi)部還包括比較器和失真評(píng)估器，在預(yù)失真處理器與音頻功率放大系統(tǒng)之間設(shè)有一條由A/D處理器與耦合器構(gòu)成的反饋回路，所述耦合器用于對(duì)音頻功率放大系統(tǒng)輸出的音頻信號(hào)旁路，輸出信號(hào)至A/D處理器，所述A/D處理器用于完成對(duì)該音頻信號(hào)的模數(shù)轉(zhuǎn)換，輸出數(shù)字信號(hào)反饋到預(yù)失真處理器，所述比較器用于將音頻功率放大系統(tǒng)輸出的信號(hào)與輸入信號(hào)進(jìn)行比較，得到誤差信號(hào)，所述失真評(píng)估器用于將該信號(hào)進(jìn)行失真評(píng)估，作為依據(jù)對(duì)功率放大失真數(shù)學(xué)模型的參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，由此對(duì)查檢表進(jìn)行調(diào)整，根據(jù)該信號(hào)建立并校正預(yù)失真模型參數(shù)，以選取合適的預(yù)失真參數(shù)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2或3所述的預(yù)失真音頻線(xiàn)性功率放大系統(tǒng)，其特征在于所述預(yù)失真處理器為功能實(shí)體。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2或3所述的預(yù)失真音頻線(xiàn)性功率放大系統(tǒng)，其特征在于所述預(yù)失真處理器為物理實(shí)體。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2或3所述的預(yù)失真音頻線(xiàn)性功率放大系統(tǒng)，其特征在于所述音頻功率放大系統(tǒng)包括前置放大器和功率放大器。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的預(yù)失真音頻線(xiàn)性功率放大系統(tǒng)，其特征在于所述音頻功率放大系統(tǒng)還包括揚(yáng)聲器。
全文摘要
本發(fā)明為一種預(yù)失真音頻線(xiàn)性功率放大系統(tǒng)，包括D/A處理器、濾波器和音頻功率放大系統(tǒng)，在音頻數(shù)字信號(hào)源和D/A處理器之間設(shè)有能在數(shù)字域內(nèi)對(duì)音頻數(shù)字信號(hào)源進(jìn)行預(yù)失真處理的預(yù)失真處理器，該預(yù)失真表現(xiàn)出的非線(xiàn)性、記憶效應(yīng)特性與所述音頻功率放大系統(tǒng)本身帶來(lái)的非線(xiàn)性失真及記憶效應(yīng)相反，從而抵消音頻功率放大系統(tǒng)帶來(lái)的失真。本發(fā)明首次在音頻放大系統(tǒng)中采用了數(shù)字預(yù)失真技術(shù)，能夠提高音頻放大系統(tǒng)的線(xiàn)性度，較好地消除記憶效應(yīng)，使音響系統(tǒng)的諧波失真、互調(diào)失真、瞬態(tài)互調(diào)失真、頻率響應(yīng)等指標(biāo)獲得改善，功放效率得到提高。本發(fā)明適用于所有音頻源為數(shù)字信號(hào)的音響系統(tǒng)。
文檔編號(hào)H03F1/32GK1667945SQ20051003397
公開(kāi)日2005年9月14日 申請(qǐng)日期2005年4月1日 優(yōu)先權(quán)日2005年4月1日
發(fā)明者李朝偉 申請(qǐng)人:深圳市惠天通信技術(shù)有限公司