专利名称：用于生成脉宽调制信号的系统和方法
技术领域：
本发明通常涉及半导体电路和方法，更具体地，涉及用于生成脉宽调制信号的系统和方法。
背景技术：
脉宽调制系统用于提供应用(从诸如MP3播放器的低功耗消费音频设备到诸如基站发射器的高功率数据传输电路)非常广泛的高效率的放大和传输。高效率通过使由放大器的输出级内的偏置电流引起的功率损耗最小化来实现。例如，在音频应用中，使用D类放大器以大于理想输出信号的带宽的频率使扬声器的端子在两个电源电压之间切換。这里，高频开关能量通过负载电路(例如，扬声器)的电感的特征来滤波。相似地，在RF应用中，功率放大器(PA)由具有大于感兴趣的带宽的脉冲频率的脉宽调制信号来驱动。然后使用诸如声表面波滤波器的RF带通滤波器对带外能量进行滤波。由于在以开关方式操作的设备的输出级间存在最小的IR压降，如可以是使用PWM信号的情况，设备的输出级间的耗散功率被最小化并且提高了效率。然而，生成高动态范围PWM信号引起了很多挑战。由于信号的振幅嵌入在脉冲序列的时序中，边缘过渡中的抖动和误差可能会导致噪声増加和动态范围减小。PWM系统的采样性质可能会导致由噪声折叠和走样(aliasing)引起的动态范围的进ー步减小。当PWM信号上变频到另ー频率时，这会更恼人，例如，在RF系统中。此外，走样、图像和带外噪声的生成潜在地引起了相邻的带宽干扰，并且通常使用高阶滤波来衰减。
发明内容
在实施方式中，根据输入信号生成脉宽调制信号的方法包括基于输入信号计算第一脉宽调制信号的有限数目的基函数，并且基于计算出的有限数目的基函数形成电子输出信号。在下文的附图和说明中将对本发明的ー个以上的实施方式的细节进行阐释。本发明的其它特征、目的和优点将通过说明书、附图和权利要求变得显而易见。
为了提供对本发明和其优点的全面理解，现在结合附图參考以下说明，其中图Ia至Ie示出了现有技术的PWM生成器和相关频谱；图2a至2b示出了实施方式的PWM生成器和相关频谱；图3示出了实施方式的PWM调制器的实现；图4示出了另ー实施方式的PWM调制器的实现；图5示出了实施方式的RF系统；以及图6示出了实施方式的音频系统。
具体实施例方式下文详细讨论了目前优选实施方式的生成和使用。然而，应该理解的是，本发明提供了可以在多种特定环境下实施的多个可应用的创造性概念。所讨论的特定实施方式仅仅是对生成和使用本发明的特定方式的说明，并且不限制本发明的范围。将在特定环境下参考优选实施方式对本发明进行说明，即用于基带和RF传输系统的脉宽调制器。然而，本发明也可应用于其它种类的电路系统，诸如音频系统、通信系统和利用脉宽调制信号的其它电子或光学系统。在实施方式中，通过计算表示输出PWM信号的有限数目的基函数，来生成离散时间脉宽调制信号。这些基函数的带限性质(band limited nature)防止了由于信号的离散时间特性引起的走样，从而允许高动态范围和波段噪声基底 (band noise floor)的低输出。图Ia示出了常规脉宽调制器100，其通过使用比较器104比较输入信号102与诸如斜坡信号的基准信号106来生成PWM信号110，以产生PWM输出信号110。每当输入信号的信号水平与基准信号的信号水平交叉时，PWM信号110将其输出从一种状态切换到另一种状态。例如，一种状态可以为表示VDD的输出电压的逻辑1，另一种状态可以为表示地面的输出电压的逻辑O。如在现有技术中已知的，输出信号110的脉宽可以与输入信号102的振幅成比例。图Ib示出了图Ia所示的常规脉宽调制器100的输入和输出的代表频谱。频谱120表示输入信号102的频谱，并且频谱122表示输出110的频谱。由于PWM信号的长方形形状，频谱具有非常广泛的波段噪声基底126。输入信号的上变频部分124也出现在PWM频率的间隔处。对于具有RF输出的应用，如图Ic所示，模拟PWM调制器可以对接至混频器130和振荡器134以产生上变频输出信号132。然而，模拟PWM调制器的噪声基底和精确度取决于基准信号106的质量和精确度。在一些情况中，为了产生具有高动态范围的输出PWM信号，模拟PWM调制器的模拟实现需要复杂的且依赖于过程的实现。可以避免模拟实现的过程依赖性和参考非线性的一种方式是通过如图Id所示在数字域中实施PWM调制器150。这里，使用比较器156将数字化的输入信号158和数字化的基准信号154相比较以生成数字化的PWM信号152。由于数字PWM生成器150的操作在固定时间网格上以固定和有限的采样率出现，PWM输出信号152中的边缘过渡通常不对应于模拟PWM实施中的交叉点。结果，引入了量化噪声和失真。该量化噪声和失真也可以在走样的情况下观察到，走样是由于正在以有限的采样率对宽带模拟PWM信号进行采样而出现的。根据采样率，与模拟实现相比，数字实现中存在的走样可以显著地减小采样输出信号152的动态范围。例如，如果使用了 IOOMHz的PWM基准频率(锯齿或三角形基准154的频率)和IGHz的PWM采样频率，每个PWM周期被量化为产生额外的噪声和走样的10个步骤。在一些情况中，这种实现的无虚假动态范围可以从70dB减小到约30dB，其中，无虚假动态范围被定义为分贝形式的感兴趣波段中的平均信号功率和最大杂散信号的功率之间的比率。应该理解的是，可以使用其它动态范围测量以将实施方式的PWM生成器的性能特征化。图Ie分别不出了对应于图Id的米样输入信号158和代表输出信号152的代表频谱160和170。输入信号158的采样性质产生了输入频谱160中的走样的频谱部分162。结果，对该信号的走样部分进ー步调制以产生额外的频谱能量172。如果数字PWM生成器150的输出信号上变频到RF频率，该效果更不如人意。由于基带信号是非带限的，经调制的基带信号在来自由负载波频率产生的成分中的正载波频率处失真，反之亦然。这进ー步减小了载波频率周围的动态范围并且使经调制的输入信号衰減。在一些情况中，如果多个PWM采样频率下降到约RF载波频率，通常，该信号质量衰减的部分会被补救。常规地，克服上变频PWM信号中的图像失真的问题的另ー种方式是在PWM脉冲上变频到理想的RF载波频率之前而在DPWM之后使用低通滤波器。尽管这可以避免图像问题，但走样仍然明显影响动态范围。増加数字PWM调制器的采样率可以帮助减轻图像问题，然而，该采样率可以变得非常高。例如，在100MHz PWM频率吋，PWM脉冲的采样率需要是几十兆赫以广生与常规ホ吴拟实现等同的动态范围。图2a示出了根据本发明实施方式的PWM调制器200。带限函数202获取数字输入 206并产生具有有限谐波成分的数字输出208。如由中间振幅的样本204所示的那样，数字脉冲输出208已是带限的。在一个实施方式中，通过确定PWM信号的傅立叶级数展开的第一 k个傅立叶谐波来计算数字输出208。可选地，可以使用PWM信号的任何带限傅立叶级数展开或除傅立叶基函数之外的其它基函数，包括但不限于小波(wavelet)基函数、正交多项式基函数和径向基函数。通过对生成的PWM函数进行带限而不是对生成的宽带函数进行低通滤波，可以显著地减小或避免PWM信号的动态范围的走样衰减的效果。可以多种方式实施调制器200，包括但不限于使用出于通用目的自制和/或标准单元逻辑以及/或者专用集成电路，使用可编程处理器，或通过在计算机系统上执行软件。图2b示出了分别对应于输入数字信号206和输出数字信号208的代表输入频谱210和输出频谱212。这里，由于生成的基函数的带限性质，由走样引起的附加频谱成分在输出频谱212的区域214中不明显。在实施方式中，带限核(band limited kernel)可以由界于O和I之间的输入信号X(t)的自然采样后边缘PWM导出。这种PWM信号的连续时间输入输出关系可以写为y(t) == x(t) + Y 丄(sin (- sin {2nlrfpt - Inkxit)^,
k JL其中，x(t)为输入信号，fP为PWM频率，y(t)为脉宽调制输出信号。通过以上等式，很明显的是该核不是带限的，因为y(t)具有当x(t)非零时接近无穷大的频率分量。上述表达式可以由离散时间或采样版本表示，其中，用x(nT)替换x(t)y(nT) = f{x(nT)}= χ{ηΤ、+ ' :sin
Κ7Γ其中，T为采样周期。在上述等式中，T >0时发生走样。因此，在一些实施方式中，通过仅使用k个项代替所有项来对核进行带限y(nT) = fBL{x(nT)}
= x(nT) + エこ(sin (Inkfpn T) - η{2π1^ρηΤ - 2π](χ(ηΤ)、γ
k7T因此，对于足够短的采样周期T，避免了走样问题。在实施方式中，基于来自最后ー个等式的带限核来生成PWM信号，其中，每个谐波k根据以下等式来计算= (sin {lKkfpnT) - sin {2KkfpnT - IKkx(TiT)^.图3示出了实施例带限函数生成器230，其中，k
权利要求
1.ー种根据输入信号生成脉宽调制信号的方法,所述方法包括 基于所述输入信号计算第一脉宽调制信号的有限数目的基函数；并且 基于计算出的所述有限数目的基函数形成电子输出信号。
2.根据权利要求I所述的方法，其中，所述有限数目的基函数表示所述第一脉宽调制信号的带限近似。
3.根据权利要求I所述的方法，其中，计算所述有限数目的基函数包括根据以下表达式计算第一 k个傅立叶级数谐波
4.根据权利要求I所述的方法，其中，所述有限数目的基函数包括所述第一脉宽调制信号的傅立叶级数表示的k个傅立叶级数谐波。
5.根据权利要求4所述的方法，其中，所述k个傅立叶级数谐波包括所述第一脉宽调制信号的傅立叶级数表示的第一 5个傅立叶级数谐波。
6.根据权利要求I所述的方法，其中，所述计算包括 将所述输入信号的数字表示作为地址应用于查询表；以及 基于所述地址从所述查询表获取计算出的所述有限数目的基函数。
7.根据权利要求I所述的方法，其中，形成所述电子输出信号包括对计算出的所述有限数目的基函数进行模拟数字转换以获取第一模拟输出信号。
8.根据权利要求7所述的方法，进ー步包括 将所述第一模拟输出信号施加至混频器的第一输入端； 将载波信号施加至所述混频器的第二输入端；以及 在所述混频器的输出端处获取调制信号。
9.根据权利要求8所述的方法，还包括驱动耦接至所述混频器的输出端的RF功率放大器。
10.根据权利要求7所述的方法，还包括将所述第一模拟输出信号施加至D类放大器的输入端。
11.根据权利要求10所述的方法，还包括通过所述D类放大器的输出驱动扬声器。
12.一种根据数字输入信号提供脉宽调制信号的方法，所述方法包括 计算第一脉宽调制信号的第一 k个傅立叶谐波以生成第一数字 信号，所述第一脉宽调制信号具有与所述数字输入信号的振幅成比例的脉宽；以及 基于所述第一数字信号形成电子输出信号。
13.根据权利要求12所述的方法，其中，形成所述电子输出信号包括 执行所述第一数字信号到第一载波的数字上变频以形成第一上变频信号；以及 执行所述第一上变频信号的模拟数字转换。
14.根据权利要求12所述的方法，其中，形成所述电子输出信号包括 执行所述第一数字信号的模拟数字转换以形成第一模拟信号。
15.根据权利要求14所述的方法，其中，形成所述电子输出信号进ー步包括将所述第一模拟信号施加至混频器的输入端；以及 将所述混频器的输出施加至功率放大器的输入端。
16.根据权利要求14所述的方法，其中，形成所述电子输出信号进ー步包括将所述第ー模拟信号施加至D类放大器的输入端。
17.根据权利要求14所述的方法，还包括对输入信号进行上采样以形成所述数字输入信号。
18.一种用于提供脉宽调制信号的系统，所述系统包括 数字脉宽调制器，被构造为生成接近脉宽调制信号的第一多个 基函数，所述脉宽调制信号具有与第一数字输入信号成比例的脉宽。
19.根据权利要求18所述的系统，其中，所述第一多个基函数包括所述脉宽调制信号的第一 k个傅立叶级数谐波。
20.根据权利要求19所述的系统，其中，所述第一k个傅立叶级数谐波根据以下表达式来计算
21.根据权利要求18所述的系统，还包括耦接至所述数字脉宽调制器的输入端的插补器，所述插补器对输入信号进行上采样以形成所述第一数字输入信号。
22.根据权利要求18所述的系统，包括耦接至所述数字脉宽调制器的输出端的数字模拟转换器。
23.根据权利要求22所述的系统，还包括耦接至所述数字模拟转换器的输出端的D类放大器。
24.根据权利要求22所述的系统，还包括耦接至所述数字模拟转换器的输出端的混频器。
25.—种集成电路,包括 数字脉宽调制器，被构造为生成接近脉宽调制信号的第一 k个傅立叶谐波，所述脉宽调制信号具有与第一数字输入信号成比例的脉宽；以及数字模拟转换器，耦接至所述数字脉宽调制器的输出端。
26.根据权利要求25所述的集成电路，还包括耦接至所述数字脉宽调制器的输入端的插补器，所述插补器对输入信号进行上采样以形成所述第一数字输入信号。
27.根据权利要求25所述的集成电路，其中，所述数字脉宽调制器包括根据所述第一数字输入信号生成所述第一 k个傅立叶谐波的查询表。
28.根据权利要求27所述的集成电路，其中，所述查询表包括多个查询表格，所述多个查询表格中的每ー个分别生成所述第一k个傅立叶谐波中不同的ー个。
全文摘要
本发明公开了用于生成脉宽调制信号的系统和方法，在实施方式中，根据输入信号生成脉宽调制信号的方法包括基于输入信号计算第一脉宽调制信号的有限数目的基函数，以及基于计算出的有限数目的基函数形成电子输出信号。
文档编号H03K7/08GK102739207SQ20121010018
公开日2012年10月17日 申请日期2012年4月6日 优先权日2011年4月7日
发明者克里斯蒂安·沃格尔, 彼得·辛格尔 申请人:英飞凌科技股份有限公司