可調式切換頻率低功耗D類放大器於語音播放系統之應用

以作者查詢圖書館館藏

、以作者查詢臺灣博碩士

、以作者查詢全國書目

、勘誤回報

、線上人數：19

、訪客IP：3.137.223.190

姓名

林煒翔(Wei-Hsiang Lin) 查詢紙本館藏

畢業系所

通訊工程學系

論文名稱

可調式切換頻率低功耗D類放大器於語音播放系統之應用
(A Power Saving Variable Switching Frequency Class-D Amplifier for Voice Playback System)

相關論文

★ 基於區域權重之衛星影像超解析技術	★ 延伸曝光曲線線性特性之調適性高動態範圍影像融合演算法
★ 實現於RISC架構之H.264視訊編碼複雜度控制	★ 基於卷積遞迴神經網路之構音異常評估技術
★ 具有元學習分類權重轉移網路生成遮罩於少樣本圖像分割技術	★ 具有注意力機制之隱式表示於影像重建三維人體模型
★ 使用對抗式圖形神經網路之物件偵測張榮	★ 基於弱監督式學習可變形模型之三維人臉重建
★ 以非監督式表徵分離學習之邊緣運算裝置低延遲樂曲中人聲轉換架構	★ 基於序列至序列模型之 FMCW雷達估計人體姿勢
★ 基於多層次注意力機制之單目相機語意場景補全技術	★ 基於時序卷積網路之單FMCW雷達應用於非接觸式即時生命特徵監控
★ 視訊隨選網路上的視訊訊務描述與管理	★ 基於線性預測編碼及音框基頻週期同步之高品質語音變換技術
★ 基於藉語音再取樣萃取共振峰變化之聲調調整技術	★ 即時細緻可調性視訊在無線區域網路下之傳輸效率最佳化研究

檔案

[Endnote RIS 格式]

[Bibtex 格式]

[相關文章]

[文章引用]

[完整記錄]

[館藏目錄]

[檢視]

[下載]

本電子論文使用權限為同意立即開放。
已達開放權限電子全文僅授權使用者為學術研究之目的，進行個人非營利性質之檢索、閱讀、列印。
請遵守中華民國著作權法之相關規定，切勿任意重製、散佈、改作、轉貼、播送，以免觸法。

摘要(中)

結合D類放大器之數位式音訊放大器在近年來被廣泛的研究，如何達到高傳真（High fidelity）為其重點，而為了達到高傳真之效果，D類放大器的切換頻率需固定在一高切換頻率，使音訊放大器的輸出失真能儘量降至最低。傳統上，與全數位式音訊放大器相關的系統架構均採固定切換頻率方式。但在語音通訊的應用上，有許多情況如靜音、高背景雜訊時，是不需要如此高的切換頻率。由於功耗消耗與切換頻率成正比，在這些情況下，高切換頻率造成了不必要的功率消耗。為了減少功率消耗，延長可攜式通訊裝置電池的使用時間，本論文提出一種切換頻率調變機制，根據輸入語音訊號的頻率成份及音框分類結果，動態調整D類放大器的切換頻率，以達到降低功率消耗之效果，同時提供高品質之語音播放。經由模擬實驗結果證實，與固定切換頻率於256kHz時相比較，本系統輸出之語音訊號品質與其相近，同時平均而言可降低23%的功率消耗，證明本系統之輸出可維持在一定的品質之上，而同時達到節省功率消耗的目的。

摘要(英)

Digital class-D amplifiers have been widely used in both Hi-Fi and portable audio playback systems because of its high power efficiency. How to reach the high fidelity while maintaining low power dissipation is a major concern in designing a class-D amplifier. The switching frequency plays a key factor in the tradeoff between the fidelity and the power efficiency. Conventionally, all digital amplifiers are operated at a fixed switching frequency for convenience. In order to achieve the high fidelity performance, this switching frequency must be designed to be high enough so that a simple analog low-pass filter in the output stage can be used. In speech communication applications, a high switching frequency is not required in many operating situations such as in silence or with background noise. This thesis proposes a switching frequency modulation scheme, in which the switching frequency is adaptive modulated in accordance with the speech spectrum and the frame classification. The power dissipation is thus reduced while the high speech quality is maintained. The simulation results show that the speech quality of the proposed digital amplifier with a variable switching frequency achieves similar speech quality compared with the system with a fixed switching frequency operating at 256 kHz while the power dissipation is reduced by 23%.

關鍵字(中)

★ 數位音訊放大器
★ D類放大器
★ 雜訊塑型器
★ 語音播放系統
★ 可調式切換頻率

關鍵字(英)

★ class-D amplifier
★ voice playback system
★ variable switching frequency
★ noise shaper
★ digital audio amplifier

論文目次

目錄
中文摘要 I
Abstract II
目錄 IIi
圖目 V
表目 VII
第一章緒論 1
1.1 前言 1
1.2 研究動機 2
1.3 論文架構 3
第二章全數位式音訊放大器的工作原理 5
2.1 量化雜訊分析 8
2.2 擴展取樣 ( Up-sampling ) 對量化雜訊的影響 10
2.3 雜訊塑型 ( Noise Shaping ) 12
2.4 PWM訊號之切換頻率與低通濾波器之關係 16
第三章 G.729語音編碼標準 21
3.1 語音的特性 22
3.2 G.729編碼標準介紹 24
3.3 語音品質評估方法 41
3.3.1 主觀的語音評估方法 42
3.3.2 客觀的語音評估方法 42
第四章全數位式音訊放大器之切換頻率調變機制 44
4.1 PWM訊號的頻譜分析 45
4.2 切換頻率調變機制 47
4.2.1 頻譜計算 47
4.2.2 有聲音框之音頻內失真預測 48
4.2.3 無聲音框及靜音音框處理方式 52
4.2.4 類比LC低通濾波器之模擬 56
4.3 擴展取樣率參數嵌入於G.729已壓縮之語音資料 59
第五章實驗結果與討論 61
5.1 模擬環境及語音資料 61
5.2 客觀語音品質評估 61
5.3 主觀語音品質評估 67
5.4 省電效率評估 .68
第六章結論與未來展望 72
6.1 結論 72
6.2 未來展望 72
參考文獻 73
圖目
圖2.1 傳統使用D類放大器的訊號處理流程 5
圖2.2 全橋式D類放大器與LC低通濾波器電路圖 6
圖2.3 全數位式音訊放大器訊號處理流程 7
圖2.4 量化器之加雜訊模型 8
圖2.5 的機率密度函數 9
圖2.6 量化誤差的功率頻譜密度 10
圖2.7 結合擴展取樣器之加雜訊模型 11
圖2.8 擴展取樣後量化誤差之功率頻譜密度變化 11
圖2.9 雜訊塑型器(a)時域方塊圖(b) z-domain分析 14
圖2.10 雜訊塑型之頻譜示意圖 15
圖2.11 D類放大器中電晶體之電流電壓 18
圖2.12 諧振頻率與切換頻率之關係 18
圖3.1 Source-Filter Model 22
圖3.2 語音片段（a）時域波形、（b）頻域波形 23
圖3.3 G.729編碼架構 25
圖4.1 切換頻率調變機制系統架構圖 44
圖4.2 4kHz弦波在切換頻率為256kHz時之PWM頻譜 45
圖4.3 不同輸入頻率及不同切換頻率之ANSR 50
圖4.4 MPEG Psychoacoustic Model II之絕對聽力臨界值ATH 53
圖4.5(a) 未考慮背景雜訊重建之時域波形圖 55
圖4.5(b) 考慮背景雜訊重建之時域波形圖 55
圖4.6 LC低通濾波器電路圖 56
圖4.7 低通濾波器之頻譜 58
圖4.8 G.729中各參數的錯誤敏感度 59
圖4.9 擴展取樣率參數於G.729編碼端之嵌入方式 60
圖4.10 擴展取樣率參數於G.729解碼端之擷取方式 60
圖5.1(a) 切換頻率為64k時產生之雜訊能量頻譜分佈 63
圖5.1(b) 切換頻率為128k時產生之雜訊能量頻譜分佈 63
圖5.1(c) 切換頻率為256k時產生之雜訊能量頻譜分佈 63
圖5.1(d) 切換頻率為512k時產生之雜訊能量頻譜分佈 63
表目
表3.1 G.729的位元配置表 25
表3.2 固定性碼簿脈衝結構 37
表4.1 不同輸入頻率及不同切換頻率之ANSR 50
表4.2 音頻內頻譜權重失真預測 52
表5.1 切換頻率調變機制結合（a）有聲/無聲音框分類與（b）有聲/無聲/靜音音框分類之SSNR與切換頻率比較 64
表5.2 固定切換頻率之SSNR比較 65
表5.3 切換頻率調變機制之主觀聽覺測試結果 67
表5.4 固定切換頻率的總功率消耗 69
表5.5 使用切換頻率調變機制時各語音訊號的平均總功率消耗 70

參考文獻

參考文獻
[1] D. Dapkus and R. Chen, “High-Efficiency Audio Amplification Using Class-D Audio Power Amplifiers,” Texas Instruments, Inc., Conference Proceedings of 2002 IIC-Taipei, pp.122-128, May 2002.
[2] D. Dapkus, “Class-D Audio Power Amplifiers: An Overview,” IEEE Press, pp. 400-401, 2000, ISBN: 0-7803-6301-9/00.
[3] R. E. Hiorns, J. M. Goldberg, and M. B. Sandler, “Design limitations for digital audio power amplification,” in Proc. IEE Colloq. Digital Audio Signal Processing, 1991, pp. 4/1–4/4.
[4] P. H. Mellor, S. P. Leigh, and B. M. G. Cheetham, “Digital sampling process for audio class D, pulse width modulated power amplifiers,” Electron. Lett., vol. 28, pp. 56-58, Jan. 1992.
[5] J. M. Goldberg and M. B. Sandler, “New high accuracy pulse width modulation based digital-to-analogue convertor/power amplifier,” in IEE Proc.: Circuits, Devices, Syst., vol. 141, Aug. 1994, pp. 315–324.
[6] K. M. Smith, K. M. Smedley, and Y. Ma, “Realization of a digital PWM power amplifier using noise and ripple shaping,” in Proc. IEEE Power Electron. Spec. Conf., 1995, pp. 96–102.
[7] L. Risbo and T. Morch, “Performance of an all-digital power amplification system,” in Proc. 104th AES Convention, May 1998, Preprint 4695.
[8] K. P. Sozanski, R. Strzelecki, and Z. Fedyczak, “Digital control circuit for class-D audio power amplifier,” in Proc. IEEE Power Electron. Spec. Conf., 2001, pp. 1245-1250.
[9] C. Pascual, Zukui Song, P. T. Krein, D. V. Sarwate, P. Midya, and W. J. Roeckner, “High-Fidelity PWM Inverter for Digital Audio Amplification: Spectral Analysis, Real-Time DSP Implementation, and Results,” IEEE Transactions on Power Electronics Vol. 18, Issue 1, Jan. 2003. pp. 473-485.
[10] W. R. Bennett, “Spectra of quantized signals,” Bell System Technical Journal, 1948. 27:pp. 446-472.
[11] D. J. DeFatta, J.G. Lucas, and W.S. Hodgkiss, Digital Signal Processing: A System Design Approach, Wiley, New York NY, 1998.
[12] B. Widrow, “A study of rough amplitude quantization by means of Nyquist sampling theory,” IRE Trans. on Circuit Theory, Dec. 1956, CT-3:pp. 266-276.
[13] B. Widrow, “Statistical analysis of amplitude-quantized sampled-data systems,” AIEE Trans. ( Appl Industry ), Jan. 1961, 81:pp. 555-568.
[14] N. Ahmed and T. Natarajan, Discrete-Time Signals and Systems, Prentice-Hall, Englewood Cliffs, NJ, 1983.
[15] K. M. Smedley, “Digital-PWM audio power amplifiers with noise and ripple shaping,” Power Electron. Spec. Conf., PESC '94 Record., 25th Annual IEEE 20-25 June 1994, pp. 566 - 570 vol.1
[16] V. M. E. Antunes, V.F. Pires, and J.F. Silva, “Harmonic Distortion Reduction in Multi-Level PWM Modulators for Audio Power Amplifiers,” IECON 02 [Industrial Electronics Society, IEEE 2002 28th Annual Conf. of the] Volume 1, 5-8 Nov. 2002 pp. 852 - 857 vol.1
[17] A. I. Pressman, Switching Power Supply Design, McGraw-Hill, 1991.
[18] R. V. Cox, “Three New Speech Codecs from the ITU Cover a Range of Application,” IEEE Comm. Maganize, Sept. 1997.
[19] L. R. Rabiner, R. W. Schafer, Digital Prediction of Speech Signals, Prentice Hall, 1978.
[20] ITU-T Recommendation G.729, “Coding of speech at 8 kbit/s using Conjugate-Structure Algebraic-Code-Excited Linear-Prediction (CS-ACELP),” March 1996.
[21] A. Papoulis, Probability, Random Variables, and Stochastic Processes, third edition, McGraw-Hill, 1991.
[22] S. Lin and D. J. Constello, Error Control Coding Fundamentals and Applications, Prentice Hall, 1991.
[23] T.Fingscheidt, P. Vary and J. A. Andonegui, “Robust speech decoding: can error concealment be better than error correction?,” Speech and Signal Processing, 1998. Proceedings of the 1998 IEEE International Conf. , vol. 1, May 1998, pp. 373-376.
[24] S. Atungsiri et. al. , “Effective lost speech frame reconstruction for CELP coders,” Proc. Of EUROSPEECH Conf. vol. 2, Sept. 1991.
[25] ITU-T Recommendation on P.800, "Methods for subjective determination of transmission quality," Aug. 1996.
[26] 尤新閔, 語音編碼G.729及MELP之資料隱藏方法, 碩士論文, 中央大學, 2002.
[27] V.M. Tousi, F. Sahandi, M. Atarodi and M. Shojaei, “A 3.3V/1W Class D Audio Power Amplifier with 103dB DR and 90% Efficiency,” Microelectronics, 2002. MIEL 2002. 23rd International Conference on Volume 2, 12-15 May 2002 pp. 581-584.ISO/IEC 13818-7: “MPEG-2 Adavanced Audio Coding, AAC,” 1997.
[29] B. Gold, N. Morgan, Speech and Audio Signal Processing, Wiley, 2000
[30] A. M. Kondoz, Digital Speech Coding for Low Bit Rate Communications Systems, Wiley, 1994.
[31] J. Makhoul, "Linear Prediction: a tutorial review," Proceedings of the IEEE, vol. 63, 1975, pp. 561-580.
[32] A. S. Spanias, "Speech Coding: A Tutorial Review," Proceedings of the IEEE, vol. 82, no. 10, Oct. 1994, pp. 1541-82.
[33] R. Salami et. al. , “ITU-T G.729 Annex A: Reduced Complexity 8 kb/s CS-ACELP Codec for Digital Simultaneous Voice and Data,” IEEE Comm. Magazine Sep. 1997.
[34] A. Benyassine et. al. , “ITU-T G.729 Annex B: A Silence Compression Scheme for Use with G.729 Optimized for V.70 Digital Simultaneous Voice and Data Applications,” IEEE Comm. Magazine Sep. 1997.

指導教授

張寶基(Pao-Chi Chang)

審核日期

2005-7-8

推文