10.4 Felkällor
10.4.2 Jitter
Jitter i form av termiskt brus finns alltid närvarande i transistorer och kan orsaka en förskjutning av transistorn förväntade svar. Detsamma gäller s.k. fladderbrus som till skillnad från termiskt brus också är frekvensberoende. Ett exempel av fenomenet illustreras grovt i figur 10.30 där bruset orsakar att transistorn reagerar snabbare än förväntat. Det skulle precis lika gärna ske omvänt där transistorn reagerar långsammare än förväntat.
Kapitel 11
Slutsats och framtida arbete
Vi har i detta examensarbete visat att det är möjligt att helt digitalt PWM- modulera PCM-signaler utan att ljudkvaliteten försämras nämnvärt. Resultatet av systemet simulerat i Simulink är mycket tillfredställande med ca 0,001% THD och drygt 120 dB SNR. Vid simulering av FPGA-implementeringen efter placering och routning har värdena försämrats något men ger oss trots det THD < 0,004% och SNR ca 110 dB.Vår föreslagna modulator är uppdelad i fyra funktionsblock. Metoder för hur dessa kan designas har beskrivits ingående. De fyra funktionsblocken, från insignal till utsignal, är:
Uppsampling som används för att öka sampelfrekvensen hos insignalen. Detta
görs för att hela systemet skall kunna arbeta med bärvågens frekvens.
Förkompensering skattar den naturliga skärningspunkten mellan bärvåg och
insignal vilket minskar distorsion från PWM-modulatorn.
Brusformning kvantiserar signalen och flyttar kvantiseringsbruset till högre fre-
kvenser utanför ljudbandet. Detta förbättrar signal-till-brus-förhållandet och mot- verkar harmonisk distorsion.
PWM-modulering översätter till sist utsignalen från brusformaren till PWM-
signaler.
Enligt resultat från simulering och hårdvaruimplementering uppvisar systemet mycket god prestanda, men potential finns att förbättras ytterligare enligt nedan föreslaget framtida arbete.
Framtida arbete
Klass D-förstärkare är ett populärt utvecklingsområde i audiobranschen och det relativt nya tillskottet med helt digitala klass D-förstärkare kommer att stimulera utvecklingen i år framåt. Nedan presenterar vi några förslag på vidareutveckling och förslag på hur hårdvaruanvändningen i FPGA-kretsen kan minskas.
110 Slutsats och framtida arbete
• Mätningar på systemet inkopplat med slutsteg för att få med distorsions- och bruskällor från slutsteget bör göras och även, i den mån det är möjligt, bör objektiva lyssningstester genomföras.
• Förbehandling av signalen i exempelvis en signalprocessor eller i ett alter- nativt format för att med hjälp av Lagranges interpolation och Newton- Rhapsons metod räkna ut en mycket noggrann förkompensering. Med förbe- handling skulle hårdvaran kunna minskas rejält och distorsion begränsas. • Prestandan skulle kunna förbättras om än, för ändamålet, mer exakt brus-
formare användes för att på ett optimalt sätt forma bruset under givna för- utsättningar. Med en optimalt framtagen brusformare skulle bruset kunna förflyttas bort från det intressanta bandet, f < f0, utan att brusgolvet lyfter för tidigt i frekvens.
• Byts lagrangeinterpoleringen i systemet ut mot en enklare och noggrannare interpolator fås en noggrannare signal för mindre hårdvara. Lagranges in- terpolationspolynom lägger anspråk på relativt mycket hårdvara för relativt sett dålig prestanda.
• Det kan vara av intresse att undersöka om det går att få delsystemen att samverka bättre och på det sättet minska hårdvaruförbrukning.
• En undersökning bör göras om hur ett system för att korrigera fluktuationer hos spänningskällan, som används till slutsteget, skulle kunna integreras i modulatorn.
Litteraturförteckning
[1] V. Adrian, Bah-Hwee Gwee, and J. S. Chang. A combined interpolatorless interpolation and high accuracy sampling process for digital class d amplifiers. In Proc. IEEE International Symposium on Circuits and Systems ISCAS 2005, pages 5405–5408, 23–26 May 2005.
[2] Michael A. E. Andersen. Efficient audio power amplification - challenges. SICAM.01.05.012, September 2005. AES 27th International Conference. [3] Erik Bresch and Wayne T. Padgett. Tms320c67-based design of a digital
audio power amplifier introducing novel feedback strategy.
[4] K. C. H. Chao, S. Nadeem, W. L. Lee, and C. G. Sodini. A higher or- der topology for interpolative modulators for oversampling a/d converters. 37(3):309–318, March 1990.
[5] Lars Eldén and Linde Wittmeyer-Koch. Numeriska beräkningar - analys och illustrationer med MATLAB . Studentlitteratur, 2001.R
[6] Eric Gaalaas. Class D audio amplifiers: What, Why, and How. Analog Dia- logue, 40, 2006.
[7] Torkel Glad and Lennart Ljung. Reglerteori. Studentlitteratur, 2003. [8] J. M. Goldberg and M. B. Sandler. Pseudo-natural pulse width modulation
for high accuracy digital-to-analogue conversion. Electronic Letters, 27(16), August 1991.
[9] Bah-Hwee Gwee, Joseph S. Chang, and Victor Adrian. A micropower low- distortion digital class-d amplifier based on an algorithmic pulsewidth modu- lator. IEEE Transactions on Circuits and Systems, 52(10), October 2005. [10] Jun Honda and Jonathan Adams. Application note an-1071. Technical report,
International Rectifier, 2005.
[11] Morten Johansen and Karsten Nielsen. A review and comparison of digital pwm methods for digital pulse modulation amplifier (pma) systems. AES Convention 107, (5039), September 1999. Bang & Olufsen a/s.
112 Litteraturförteckning
[12] Håkan Johansson. Tidsdiskreta system. Elektroniksystem, Institutionen för Systemteknik, Linköpings Universitet, 2003.
[13] David Johns and Ken Martin. Analog integrated circuit design. John Wiley & Sons, Inc., 1997.
[14] Bengt Molin. Analog Elektronik. Studentlitteratur, 2001.
[15] Karsten Nielsen. Audio Power Amplifier Techniques With Energy Efficient Power Conversion. PhD thesis, Department of Applied Electronics, Technical University of Denmark, DK-2800 Lyngby, april 1998.
[16] Steven R. Nosworthy, Richard Schreier, and Gabor C. Temes. Delta-Sigma Data Converters Theory, Design, and Simulation. Wiley-IEEE Press, 1996. [17] César Pascual and Bill Roeckner. Computationally efficient conversion from
pulse-code modulation to naturally sampled pulse-width modulation. AES Convention 109, (5198), September 2000.
[18] César Pascual, Zukui Song, Philip T. Krein, Dilip V. Sarwate, Pallab Midya, and William (Bill) J. Roeckner. High-fidelity pwm inverter for digital audio amplification: Real-time dsp implementation, and results. IEEE Transactions on Power Electronics, 18(1), January 2003.
[19] Jan M. Rabaey, Anantha Chandrakasan, and Borivoje Nikolic. Digital Integ- rated Circuits: A Design Perspective. Prentice Hall, 2003.
[20] Crilles Bak Rasmussen. Hybrid digital-analog feedback audio amplifiers. Mas- ter’s thesis, IMM, Lyngby, 2004. IMM-THESIS-2004-68.
[21] Sune Söderkvist. Tidsdiskreta signaler & system. Tryckeriet E.Larsson AB, Linköping, 1994.
[22] Stefan Sjöholm and Lennart Lindh. VHDL för konstruktion. Studentlitteratur AB, 2003.
[23] Lars Wanhammar and Håkan Johansson. Digital Filters. Department of Electrical Engineering, Linköping University, 2007.
[24] Libin Yao, Michiel Steyaert, and Willy Sansen. Low-Power Low-Voltage Sigma-Delta Modulators in Nanometer CMOS. Springer, 2006.
Upphovsrätt
Detta dokument hålls tillgängligt på Internet — eller dess framtida ersättare — under 25 år från publiceringsdatum under förutsättning att inga extraordinära omständigheter uppstår.
Tillgång till dokumentet innebär tillstånd för var och en att läsa, ladda ner, skriva ut enstaka kopior för enskilt bruk och att använda det oförändrat för icke- kommersiell forskning och för undervisning. Överföring av upphovsrätten vid en senare tidpunkt kan inte upphäva detta tillstånd. All annan användning av doku- mentet kräver upphovsmannens medgivande. För att garantera äktheten, säkerhe- ten och tillgängligheten finns det lösningar av teknisk och administrativ art.
Upphovsmannens ideella rätt innefattar rätt att bli nämnd som upphovsman i den omfattning som god sed kräver vid användning av dokumentet på ovan be- skrivna sätt samt skydd mot att dokumentet ändras eller presenteras i sådan form eller i sådant sammanhang som är kränkande för upphovsmannens litterära eller konstnärliga anseende eller egenart.
För ytterligare information om Linköping University Electronic Press se förla- gets hemsida http://www.ep.liu.se/
Copyright
The publishers will keep this document online on the Internet — or its possi- ble replacement — for a period of 25 years from the date of publication barring exceptional circumstances.
The online availability of the document implies a permanent permission for anyone to read, to download, to print out single copies for his/her own use and to use it unchanged for any non-commercial research and educational purpose. Subsequent transfers of copyright cannot revoke this permission. All other uses of the document are conditional on the consent of the copyright owner. The publisher has taken technical and administrative measures to assure authenticity, security and accessibility.
According to intellectual property law the author has the right to be mentioned when his/her work is accessed as described above and to be protected against infringement.
For additional information about the Linköping University Electronic Press and its procedures for publication and for assurance of document integrity, please refer to its www home page: http://www.ep.liu.se/
c