专利名称：预失真音频线性功率放大系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及采用数字音频信号源的音响系统，特别涉及音响系统中的音频功率放大系统部分。
背景技术：
随着数字技术的发展，音响系统中采用数字音频信号源的越来越多，例如符合国际S/PDIF接口标准的数字音频信号CD机、MAT机、MD机、计算机声卡等。该类音响系统的信号流程如图1所示、如下所述数字音频信号源11，经过D/A处理器12完成数字模拟的转换，输出模拟信号至低通滤波器13。低通滤波器13滤除音频以外的带外信号后得到音频信号后输出至音频放大系统。音频放大系统包括前置放大器14、功率放大器15，音频信号经功率放大器15放大，输出具有一定功率的音频信号，音频信号驱动扬声器振动发出声音。
为了获得良好的线性度、足够大的动态范围以及高的效率，现有音频功率放大系统采用了很多方法，但是遗憾的是到目前为止，各类方法对这三者很难同时兼顾，具体说明如下。
甲类(Class-A)功率放大器，由于工作在甲类，其线性度好、失真小、无交越失真和开关失真，表现在指标上则是谐波失真小、频响特性好、互调失真小，但是功放效率低，器件发热量大，因此体积大，成本高，散热困难。
乙类(Class-B)功率放大器的偏置使推挽工作的晶体管(或电子管)在无驱动信号时，处于低电流状态。当加上驱动信号时，一对管子中的一只在半周期内电流上升，而另一只管子则趋向截止，到另一个的半周期，情况相反。由于两管轮流通过推挽电路工作以合成完整的信号波形，因此，乙类放大器的优点是效率较高，缺点是失真较大。
AB类功率放大器优缺点介入A类与B类之间，效率比A类高，比B类低，但是失真虽比B类小，但是比A类失真大，难以保证高的功放品质。
D类功放因使用了脉宽调制开关技术，故效率高。因其MOS场效应管互补输出级固有的死时间效应(开通前关断)，在较大功率输出时，不可避免地产生难以接受的信号畸变。
同样，电子管的响应速度快，稳定性高，谐波失真小，但缺点是电源利用率极低，电子管A类放大的效率不到10％，C类为15％～17％，大部分电能变为热量耗散掉，因此电子管具有耗电大、发热高、体积和重量大、耗材多、成本高等缺点。
发明内容
本发明的目的在于针对现有各类音频功率放大系统存在的上述问题，提供一种能在获得良好的线性度、足够大的动态范围以及高的效率三者方面得到很好的兼顾的预失真音频线性功率放大系统。
本发明的目的是这样实现的本发明的预失真音频线性功率放大系统包括D/A处理器、滤波器和音频功率放大系统，在音频数字信号源和D/A处理器之间设有能在数字域内对音频数字信号源进行预失真处理的预失真处理器，该预失真表现出的非线性、记忆效应特性与所述音频功率放大系统本身带来的非线性失真及记忆效应相反，从而音频数字信号源被预先处理过的失真与音频功率放大系统的失真相互抵消，从而提高了音频功率放大系统的线性特性。音频功率放大系统的失真主要是由功率放大器非线性与记忆效应带来的。
本发明的预失真处理器内部主要包括功率放大失真数学模型、查检表、地址生成器、数字滤波器，所述功率放大失真数学模型能够反映功率放大系统非线性与记忆效应特性，由此产生查检表，所述查检表存放在预失真处理器的存储器中，该查检表存放了反映功率放大系统的非线性与记忆效应有关的值，查检表可以是多维度的，可以有输入信号的幅度、相位、功率放大器直流偏置、温度等多个维度，查检表的参数决定了数字滤波器的滤波系数，所述地址生成器能够根据输入音频信号的幅度，产生相应的地址，所述预失真处理器能够根据地址，结合功率放大器直流偏置、温度等其它维度的因素，查询查检表，获取相应的预失真参数，该参数决定了数字滤波器的系数。
所述功率放大失真数学模型，是针对功率放大系统的非线性与记忆效应特性建立的一种模型。功率放大系统的非线性特征可以用非线性数学模型来逼近，例如采用幂级数(Power Series)来表示其非线性特征，幂级数的数学表达式为fp(x)＝xp；所谓功率放大系统的记忆效应是由于功率放大系统的非线性不仅与现在时刻的非线性特性有关，而且前面时刻的功率放大系统非线性特征也会影响到现在时刻的功率特性，该记忆特性也可以用多种数学模型来逼近，例如采用维纳模型(Weiner Model)。实际上，数学上有很多经典的描述非线性带记忆特性的模型，我们建立或采用何种数学模型的原则是根据实际使用的功率放大系统非线性与记忆特性，以使数学模型与实际的非线性与记忆特性尽可能逼近。
本发明的预失真处理器内部还可以包括比较器和失真评估器，还在预失真处理器与音频功率放大系统之间设有一条由A/D处理器与耦合器构成的反馈回路，所述耦合器用于对音频功率放大系统输出的音频信号旁路，输出信号至A/D处理器，所述A/D处理器用于完成对该音频信号的模数转换，输出数字信号反馈到预失真处理器，所述比较器用于将音频功率放大系统输出的信号与输入信号进行比较，得到误差信号，所述失真评估器用于将该信号进行失真评估，作为依据对功率放大失真数学模型的参数进行调整，由此对查检表进行调整，根据该信号建立并校正预失真模型参数，以选取合适的预失真参数。
本发明的预失真处理器可以为功能实体，也可以为物理实体。物理实体例如采用数字信号处理芯片(即DSP芯片)、FPGA芯片、预失真处理器专用芯片等，预失真处理器也可通过其他类型芯片集成该预失真处理功能。
本发明的音频功率放大系统不限于前置放大器和功率放大器，也适合包括扬声器在内的音频功率放大系统。
本发明的技术效果在于本发明首次在音频放大系统中采用了数字预失真技术，能够提高音频放大系统的线性度，较好地消除记忆效应，使音响系统的谐波失真、互调失真、瞬态互调失真、频率响应等指标获得改善，功放效率得到提高。本发明适用于所有音频源为数字信号的音响系统，包括A类、B类、AB类、D类等功率放大器等。
以下结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
图1是现有音响系统的结构原理框图。
图2是本发明实施例的结构原理框图。
图3是实施例中预失真处理器的内部结构图。
图4是实施例中预失真处理器对输入信号进行预失真处理的流程图。
图5为实施例中预失真处理器更新查检表的流程图。
图6是维纳模型的示意图。
具体实施例方式
如图2所示，本实施例包括D/A处理器12、低通滤波器13、前置放大器14、功率放大器15和扬声器16，本实施例采用普通乙类音频功率放大器(ClassB)，本实施例与图1所示的现有技术不同的地方主要是在音频数字信号源11和D/A处理器12之间设有预失真处理器101，另外一个不同之处是在预失真处理器101与功率放大器15之间还设有一条由A/D处理器103与耦合器102构成的反馈回路，本实施例采用了陶瓷电容作为耦合器102，采用12位的A/D处理器，3.58MHz晶振作为时钟进行采样，完成对反馈信号的模拟到数字的转换。所述预失真处理器101能在数字域内对音频数字信号源进行预失真处理，该预失真表现出的非线性、记忆效应特性与由前置放大器14、功率放大器15组成的音频功率放大系统本身带来的非线性失真及记忆效应相反，较之原始的音频信号，音频信号在输入到音频功率放大系统之前已经是失真的信号，其失真特性与音频功率放大系统带来的失真正好相反，从而抵消音频功率放大系统带来的失真，提高了音频功率放大系统的线性度与效率。
实施例的工作流程参见图2，说明如下1、音频数字信号源11输出数字信号至预失真处理器101；2、预失真处理器101叠加与功率放大系统失真相反的特性在输入信号上；3、信号经D/A处理器12由数字转换为模拟信号；4、滤波器13滤除高频分量，得到音频信号；5、经前置放大器14、功率放大器15，音频功率信号驱动扬声器16发出声音；6、同时，音频功率放大系统输出的音频信号经耦合器102旁路部分的音频信号，经A/D处理器103至预失真处理器101。
预失真处理器101是以上工作流程的核心，本实施例采用通用型DSP芯片来实现预失真处理器的功能。如图3所示，本实施例的预失真处理器101内部包括功率放大失真数学模型206、查检表203、地址生成器202、数字滤波器201、比较器204和失真评估器205。本实施例的功率放大失真数学模型采用维纳模型(Weiner Model)，其模型分线性带记忆部分和非线性不带记忆部分，如图6。该模型属于经典的描述非线性带记忆系统的数学模型之一，其中非线性特性采用幂级数(Power Series)来逼近。数字滤波器201采用32阶的FIR滤波器。
预失真处理器101的内部信号处理流程包括二个部分 1、对输入信号预失真处理的流程2、更新查检表的流程。分别说明如下。
预失真处理器101对输入信号预失真处理的流程如图4所示，如下所述1、在预失真处理器101中建立能够反映功率放大系统非线性与记忆效应特性的功率放大失真数学模型206。
2、由此功率放大失真数学模型206产生查检表203，查检表203存放在预失真处理器101的存储器中。该表存放了反映放大系统的非线性与记忆效应有关的值。
3、查检表203的参数决定了数字滤波器201的滤波系数。
4、预失真处理器101接收音频信号。
5、根据输入信号的幅度，地址生成器202产生相应的地址。
6、预失真处理器101根据地址，结合功率放大器直流偏置、温度等其他维度的因素，查询查检表203，获取相应的预失真参数。
7、该参数决定了数字滤波器201的系数。
8、输入信号经过数字滤波器201滤波，其幅度、相位得到了预失真处理。
查检表203是预失真处理器101的核心，它决定了数字滤波器201的系数，从而决定了对信号失真处理的特性。音频功率放大系统的非线性特性将随着环境温度、工作时间、输入信号功率动态范围等因素而发生变化，因此，为了适应音频功率放大系统的特性变化，预失真处理器101对查检表203进行定期更新，以保证整个音响系统处于最佳线性工作状态。其基本原理是；预失真处理器101将音频功率放大系统输出的信号与输入信号进行比较，得到误差信号，对该信号进行失真评估，并作为依据对功率放大失真数学模型206的参数进行调整，由此对查检表203进行调整。
更新查检表的流程如图5所示，如下所述1、音频功率放大系统的输出信号通过反馈回路至预失真处理器101。反馈回路由耦合器102、A/D处理器103组成，耦合器102对频功率放大器15输出的音频信号进行旁路，耦合器102输出信号至A/D处理器103。A/D处理器103完成模数转换，以便预失真处理器101能够在数字域对该信号进行处理。
2、预失真处理器101内部的比较器204比较反馈信号与输入信号，得到误差信号。
3、预失真处理器101通过失真评估器对误差信号进行失真评估，比较其失真门限。
4、如果超过失真门限，预失真处理器101矫正功率放大失真数学模型206的参数。
5、查检表203参数将随着功率放大失真数学模型的参数调整而相应地被调整。
采用上述预失真技术后，普通乙类音频功率放大器在谐波失真、交越失真、线性动态范围都有明显改善。
权利要求
1.一种预失真音频线性功率放大系统，包括D/A处理器、滤波器和音频功率放大系统，其特征在于在音频数字信号源和D/A处理器之间设有能在数字域内对音频数字信号源进行预失真处理的预失真处理器，该预失真表现出的非线性、记忆效应特性与所述音频功率放大系统本身带来的非线性失真及记忆效应相反。
2.根据权利要求1所述的预失真音频线性功率放大系统，其特征在于所述预失真处理器内部主要包括功率放大失真数学模型、查检表、地址生成器、数字滤波器，所述功率放大失真数学模型能够反映功率放大系统非线性与记忆效应特性，由此产生查检表，所述查检表存放在预失真处理器的存储器中，该查检表存放了反映功率放大系统的非线性与记忆效应有关的值，查检表的参数决定了数字滤波器的滤波系数，所述地址生成器能够根据输入音频信号的幅度，产生相应的地址，所述预失真处理器能够根据地址，结合功率放大器直流偏置、温度等其它维度的因素，查询查检表，获取相应的预失真参数，该参数决定了数字滤波器的系数。
3.根据权利要求2所述的预失真音频线性功率放大系统，其特征在于所述预失真处理器内部还包括比较器和失真评估器，在预失真处理器与音频功率放大系统之间设有一条由A/D处理器与耦合器构成的反馈回路，所述耦合器用于对音频功率放大系统输出的音频信号旁路，输出信号至A/D处理器，所述A/D处理器用于完成对该音频信号的模数转换，输出数字信号反馈到预失真处理器，所述比较器用于将音频功率放大系统输出的信号与输入信号进行比较，得到误差信号，所述失真评估器用于将该信号进行失真评估，作为依据对功率放大失真数学模型的参数进行调整，由此对查检表进行调整，根据该信号建立并校正预失真模型参数，以选取合适的预失真参数。
4.根据权利要求1或2或3所述的预失真音频线性功率放大系统，其特征在于所述预失真处理器为功能实体。
5.根据权利要求1或2或3所述的预失真音频线性功率放大系统，其特征在于所述预失真处理器为物理实体。
6.根据权利要求1或2或3所述的预失真音频线性功率放大系统，其特征在于所述音频功率放大系统包括前置放大器和功率放大器。
7.根据权利要求6所述的预失真音频线性功率放大系统，其特征在于所述音频功率放大系统还包括扬声器。
全文摘要
本发明为一种预失真音频线性功率放大系统，包括D/A处理器、滤波器和音频功率放大系统，在音频数字信号源和D/A处理器之间设有能在数字域内对音频数字信号源进行预失真处理的预失真处理器，该预失真表现出的非线性、记忆效应特性与所述音频功率放大系统本身带来的非线性失真及记忆效应相反，从而抵消音频功率放大系统带来的失真。本发明首次在音频放大系统中采用了数字预失真技术，能够提高音频放大系统的线性度，较好地消除记忆效应，使音响系统的谐波失真、互调失真、瞬态互调失真、频率响应等指标获得改善，功放效率得到提高。本发明适用于所有音频源为数字信号的音响系统。
文档编号H03F1/32GK1667945SQ20051003397
公开日2005年9月14日 申请日期2005年4月1日 优先权日2005年4月1日
发明者李朝伟 申请人:深圳市惠天通信技术有限公司