可用于水声通信发射系统的D类功放的研究

摘要

本论文的技术研究是以水声通信发射系统为应用背景设计的基于Σ-Δ调制技术的D类功率放大器。与传统的模拟功放相比，数字D类功放有着更高的工作效率，这就意味着更小的功率损失与更低的散热量。与数字功放的传统PWM调制相比，本文的信号调制技术是基于Σ-Δ调制，输出信号有着更小的谐波干扰。以上这两大优势可以让水声通信设备拥有更小的体积结构和更高能量的发射功率。
　　本文研究的基于Σ-Δ调制技术的D类功放主要有两大部分：Σ-Δ信号调制部分（数字部分）和后级的功率放大部分（模拟部分）。在信号调制部分，有过采样技术和噪声整形技术两大关键要点。过采样采用多级实现，其间插值滤波器的设计进行了结构优化。噪声整形技术是通过Σ-Δ调制器来实现，其实际是一个闭环的控制系统，调制器模型和系统零极点都进行了相关优化，最终调制器输出高速1bit数据流,输出信噪比约为110dB。模拟部分集中体现为功率放大功能，经低通滤波还原为初始信号。
　　本论文详细介绍了基于Σ-Δ调制技术的D类功放的关键技术及其具体实现过程，不但对前端的信号调制部分进行了Simulink环境下的建模仿真，而且对后端全桥结构的功率输出级进行了硬件实现，其中的死区时间通过VHDL进行精确设置。从长远来看，无论是前面的调制器部分还是后面的死区时间设计都可以通过FPGA芯片和相关的程序语言完成，体现了高集成度便于后期改进的优点。结合插值滤波器、调制器噪声传输函数零点位置、功率输出级互补信号插入死区时间等方面的优化设计，最终设计的D类功放满足水声通信发射系统的指标要求。
　　总之，本文从理论、软件、硬件三个方面详细阐述了基于Σ-Δ调制技术的D类功放的原理和实现过程，验证了方案的可行性并达到了预期的设计目标。

目录

声明

1 绪 论

1.1 课题的研究背景和立题意义

1.2 功率放大器的发展现状及应用

1.3 论文的结构划分和主要内容

2 D类功率放大器概述

2.1 D类功放的结构

2.2 设计参数和注意事项

2.3 本章小结

3 基于Sigma-delta调制的D类功放原理

3.1 开关信号调制方式论证

3.2 过采样技术

3.3 噪声整形技术

3.4 稳定性分析

3.5 方案确定

3.6 本章小结

4 Σ-Δ调制的设计实现

4.1 过采样的设计实现

4.2 Sigma-delta调制器的设计

4.3 本章小结

5 系统建模与仿真

5.1 基于Simulink的建模概述

5.2 Simulink建模的仿真与验证

5.3 本章小结

6 后级输出部分的设计实现

6.1 功率输出级概述

6.2 功率输出级的方案论证

6.3 硬件实现

6.4 低通滤波和匹配技术的设计

6.5 本章小结

7 结论与展望

7.1 主要结论

7.2 工作展望

参考文献

致谢

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