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Veröffentlicht von:Katrina Blinder Geändert vor über 10 Jahren
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4. VIVA Kolloquium, Uni Dortmund, 24.-25. Feb. 2003
Low-Power Audioleistungsverstärker nach dem Klasse-D-Prinzip auf der Basis von Binärsignalen mit separiertem Basisband M. Streitenberger W. Mathis Institut für Theoretische Elektrotechnik und Hochfrequenztechnik Universität Hannover Th. Schindler Institut für Elektronik, Signalverarbeitung und Kommunikationstechnik Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg 4. VIVA Kolloquium, Uni Dortmund, Feb. 2003
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Low-Power Audioleistungsverstärker
Übersicht Ausgangspunkt / Motivation neues Kodierungsverfahren: SB-ZePoC theoretische Erkenntnisse Implementierungsaspekte Prototyp Zusammenfassung / Ausblick
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Low-Power Audioleistungsverstärker
Low-Power Signalverstärkung Klasse-D-Prinzip nichtlineares Verstärkerkonzept Kodierung / Dekodierung notwendig lineares Übertragungsverhalten neues Kodierungsverfahren: SB-ZePoC (Binärsignale mit separiertem Basisband)
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Ergebnis: nichtlineare Verzerrungen
Motivation klassisches Konzept PWM Spektrum Ergebnis: nichtlineare Verzerrungen Ausgangspunkt spektrale Eigenschaften des Binärsignals Frage nach Kodierungsverfahren
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Neues Signalkonzept Forderung: Binärsignale mit separiertem Basisband
Lösung: SB-ZePoC: (Zero-Position Coding with separated baseband) Resultat: linearer Verstärker mit hohem Wirkungsgrad (Klasse-D)
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Vergleich Basisband: durch Kodierungsverfahren bestimmt HF Bereich:
sep. Basisband SB-ZePoC Spektrum mit separiertem Basisband NPWM Spektrum Basisband: durch Kodierungsverfahren bestimmt HF Bereich: durch Schaltrate bestimmt unabhängig vom Kodierungserfahren Funktionalität
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SB-ZePoC Verfahren Basis: Titchmarsh (1926), Logan (1984)
Nullstellen phasenmodulierter Signale: s(t) separiertes Basisband Frequenzbedingung komplementär zu Shannon-Theorem! Verstärkerkonzept: hoher Wirkungsgrad durch niedrige Schaltrate Linearität
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Näherung von SB-ZePoC: NPWM
Bedingung: sehr hohe Schaltrate oder sehr niedrige Signalfrequenzen Äquivalent NPWM - SB-ZePoC: für tiefe Signalfrequenzen hat LPF keinen Einfluß - ohne LPF identisch mit N-PWM - N-PWM braucht kein Hilbert => relaxed Hilbert transform! => unterhalb der unteren Grenzfrequenz des Hilbert-Trafos realisiert SB-ZePoC ein N-PWM-Verhalten => innerhalb vorgegebener Genauigkeit wird sep. Basisband aus echtem low-pass input erzeugt Verletzung der Bedingung: Verlust des separierten Basisbandes!
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Digital SB-ZePoC Implementierung
zeitdiskrete Beschreibung Standardblöcke der digitalen Signalverarbeitung insgesamt aufwendig zentrale Aufgabe: Low-Power durch Aufwandsreduktion
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Digital SB-ZePoC Implementierung
Hilbert-Transformation FIR-Filter Bandpasscharakteristik untere Grenzfrequenz l N > 1000 erforderlich! Lösung: Hybrid-System NPWM für kleine Signalfrequenzen unabhängig von Hilbert-Transf. deutlich kleinere Filterordnung (praktisch: )
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Digital SB-ZePoC Implementierung
Tiefpassfilter lineare Phase!!! Signalformtreue FIR-Filter mit hoher Ordnung (N = 170) Modellordnungsreduktion quasi-linearphasiges IIR-Filter (N = 36) Implementierung... Neuantrag
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Digital SB-ZePoC Implementation
Digitaler Pulsformer: Auflösung bestimmt Dynamikbereich Taktrate im GHz-Bereich neuer Ansatz: Digitalzähler mit Ringoszillator Erhöhung der Auflösung Verringerung der Taktrate Nachteil: Phasenrauschen
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volldigitaler Prototyp
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Prototyp: Simulation & Messung
Berechnung der Nullstellen 16 Bit Genauigkeit Digitaler Pulsformer 11 Bit Auflösung (200 MHz Taktrate) Simulation Daten: Signalbandbreite: kHz sep. Basisband: kHz Schaltrate: 97.6 kHz Noise (0..20 kHz): – 65 dB SNR: 80 dB Messung
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informelle Kooperation
Ergebnisse Veröffentlichungen 16 Konferenzbeiträge z. Bsp. ESSCIRC 2002, ECCTD 2001, ISCAS 2000, ECCTD 1999 best paper award: ICCSC 2002 special issue IEEE J. CAS1 (eingereicht) 2 Diplom-, 4 Studienarbeiten informelle Kooperation Bosch / Blaupunkt, Hildesheim Micronas, Freiburg Philips, Eindhoven BOSCH BLAUPUNKT PHILIPS
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Zusammenfassung Low-Power durch effiziente Leistungsverstärkung
SB-ZePoC Verfahren Linearität (separiertes Basisband) niedrige Schaltrate Funktionalität & Realisierbarkeit theoretische Erkenntnisse Basis: Nullstellen phasenmodulierter Signale NPWM ist Näherung von SB-ZePoC Low-Power Signalverarbeitung Aufwandsreduktion Hilbert Transformator Tiefpassfilter Low-Power Pulsformer Ringoszillator-Konzept Taktratenreduktion
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Analogteil (Schaltstufe + Filter + Last)
Ausblick Analogteil (Schaltstufe + Filter + Last) thermodynamische Aspekte der Schaltstufe Kooperation mit Prof. Beth, Karlsruhe Nichtideale / nichtlineare Einflüsse Ansatz: Feedback Kooperation mit Prof. Weigel, Erlangen
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