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  1. NTU Theses and Dissertations Repository
  2. 工學院
  3. 工程科學及海洋工程學系
請用此 Handle URI 來引用此文件: http://tdr.lib.ntu.edu.tw/jspui/handle/123456789/100958
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DC 欄位值語言
dc.contributor.advisor陳昭宏zh_TW
dc.contributor.advisorJau-Horng Chenen
dc.contributor.author何耕頡zh_TW
dc.contributor.authorKeng-Chieh Hoen
dc.date.accessioned2025-11-26T16:15:15Z-
dc.date.available2025-11-27-
dc.date.copyright2025-11-26-
dc.date.issued2025-
dc.date.submitted2025-10-20-
dc.identifier.citation[1] Efinix, Inc. CORDIC Core User Guide, Oct. 2023. Version 1.3.
[2] Efinix, Inc. Titanium Ti60 F225 Development Kit User Guide, Dec. 2024. User guide for the Titanium Ti60 F225 development kit.
[3] K. Hausmair, S. Chi, P. Singerl, and C. Vogel. Aliasing-free digital pulse-width modulation for burst-mode rf transmitters. IEEE Transactions on Circuits and Systems I: Regular Papers, 60(2):415–427, 2013.
[4] K. Hausmair, P. Singerl, and C. Vogel. Multiplierless implementation of an aliasing free digital pulsewidth modulator. IEEE Transactions on Circuits and Systems II: Express Briefs, 60(9):592–596, 2013.
[5] S.-C. Lin, S.-H. Xu, Y.-H. Chen, C.-W. Chang, Y.-J. E. Chen, and J.-H. Chen. Gibbs phenomenon-reduceddigital pwmforpoweramplifiersusingpulsemodulation. IEEE Access, 7:178788–178797, 2019.
[6] D. Self. Audio Power Amplifier Design Handbook. Focal Press, 5 edition, 2009.
[7] Silicon Laboratories Inc., Austin, TX, USA. CP2615: USB Audio to I2S Digital Audio Bridge Data Sheet, 2018. Revision 1.2; accessed 2025-09-13
[8] Texas Instruments, Dallas, TX, USA. DRV8847: Dual H-Bridge Motor Driver, 2017. Revision C; accessed 2025-09-13
-
dc.identifier.urihttp://tdr.lib.ntu.edu.tw/jspui/handle/123456789/100958-
dc.description.abstract傳統數位脈寬調變(Pulse Width Modulation, PWM)在功率放大器(Power Amplifier, PA)應用中,常因 Gibbs 現象與混疊效應而產生時間域漣波,進而導致非線性失真、輸出效率下降以及音質劣化。為解決此問題,Gibbs-Phenomenon-Reduced Digital PWM(GRDPWM)演算法透過部分傅立葉級數搭配濾波器設計,有效降低時間域漣波,使脈衝訊號更能抵抗非線性 PA 所引發的失真。然而,傳統 GRDPWM 的實現需仰賴大量三角函數與乘法運算,在 FPGA(Field Programmable Gate Array)上將消耗龐大硬體資源,限制了其實際應用。
本論文提出一種硬體最佳化的 GRDPWM 設計方法,僅透過加減運算與查找表(Lookup Table, LUT)即可生成 GRDPWM 波形,大幅降低 FPGA 的資源消耗。
另一方面,過去 GRDPWM 多著重於高頻寬射頻(RF)系統與高效率 PA 的應用;本論文則首次探討其在音訊領域與 Class D PA 中的特性。音訊訊號由電腦經 USB Audio Bridge 晶片轉換為 I²S 協定後輸入 FPGA,並在 FPGA 內進行上取樣(Upsampling)、有限脈衝響應濾波(Finite Impulse Response, FIR Filter)、GRDPWM 以及 Σ-Δ 調變(Sigma Delta Modulation, SDM),再輸出至 PA,以驗證 GRDPWM 作為音訊放大器驅動訊號的可行性與成效。
zh_TW
dc.description.abstractConventional digital pulse-width modulation (PWM) applied in power amplifiers (PAs) often suffers from Gibbs phenomenon and aliasing effects, which introduce time-domain ripples and consequently lead to nonlinear distortion, reduced output efficiency, and degraded audio quality. To address this issue, the Gibbs-Phenomenon-Reduced Digital PWM (GRDPWM) algorithm employs partial Fourier series and filter design to effectively suppress time-domain ripples, thereby making the pulse signal more resilient to distortions caused by nonlinear PAs. However, the conventional realization of GRDPWM relies heavily on trigonometric and multiplication operations, which consume substantial hardware resources on field-programmable gate arrays (FPGAs) and thus limit its practical deployment.

This thesis proposes a hardware-optimized GRDPWM design that generates GRDPWM waveforms using only additions, subtractions, and lookup tables (LUTs), significantly reducing FPGA resource utilization.

Furthermore, while prior GRDPWM studies have primarily focused on wideband RF systems and ultra-high-efficiency PAs, this work is the first to investigate its characteristics in the audio domain and Class D PA applications. In the proposed system, audio signals are output from a computer through a USB Audio Bridge chip in I²S format, received by the FPGA, and subsequently processed with upsampling, finite impulse response (FIR) filtering, GRDPWM, and sigma-delta modulation (SDM). The resulting signal is then delivered to the PA to experimentally evaluate the effectiveness of GRDPWM as a driving signal for audio amplification.
en
dc.description.provenanceSubmitted by admin ntu (admin@lib.ntu.edu.tw) on 2025-11-26T16:15:15Z
No. of bitstreams: 0
en
dc.description.provenanceMade available in DSpace on 2025-11-26T16:15:15Z (GMT). No. of bitstreams: 0en
dc.description.tableofcontents誌謝 Acknowledgements i
摘要 ii
Abstract iii
Contents v
List of Figures ix
List of Tables xii
Chapter 1 緒論 1
1.1 研究背景 1
1.2 研究動機 1
1.3 研究目的 2
1.4 本文架構 3
Chapter 2 文獻回顧 4
2.1 線性功率放大器簡介 4
2.1.1 Class A 放大器 4
2.1.2 Class B 放大器 5
2.1.3 Class AB 放大器 6
2.1.4 Class C 放大器 7
2.1.5 線性放大器總結與限制 8
2.2 Class D 功率放大器 9
2.2.1 Class D 功率放大器簡介 9
2.2.2 Class D 功率放大器的優點 10
2.2.3 Class D 功率放大器的缺點 10
2.2.4 Class D 功率放大器應用於音訊 11
2.2.5 PWM 於 Class D 功率放大器之應用 12
2.3 傳統 PWM 12
2.3.1 類比 PWM 介紹 12
2.3.2 數位 PWM 介紹 13
2.3.3 頻譜分析 14
2.3.4 數位 PWM 的混疊問題 15
2.4 Aliasing-Free PWM(AFPWM) 15
2.4.1 AFPWM 介紹 16
2.4.2 時域分析 16
2.4.3 頻域分析 17
2.4.4 AFPWM 的硬體最佳化實現 18
2.4.4.1 設計原理及數學推導 18
2.4.4.2 硬體架構 19
2.4.5 Gibbs 現象問題 19
2.5 Gibbs-Phenomenon-Reduced PWM(GRDPWM) 20
2.5.1 GRDPWM 介紹 20
2.5.2 時域分析 21
2.5.3 頻域分析 22
2.5.4 硬體實現挑戰 23
2.6 小結 23
Chapter 3 GRDPWM 硬體最佳化設計 24
3.1 設計原理及硬體架構 24
3.1.1 設計原理 24
3.1.2 硬體架構 26
3.2 模擬結果 27
3.2.1 AFPWM 模擬 27
3.2.2 GRDPWM 模擬 28
3.2.3 Bit 數的影響 30
3.2.4 GRDPWM 硬體最佳化前後比較 31
3.3 硬體實作與資源分析 32
3.3.1 FPGA 簡介及其在本研究之應用 32
3.3.2 實驗平台:Efinix Ti60 F225 33
3.3.3 硬體資源使用結果 35
3.3.4 時序與效能分析 36
3.4 硬體驗證結果 36
Chapter 4 GRDPWM 於全數位音訊處理之應用 38
4.1 實驗平台 38
4.1.1 實驗系統簡介 38
4.1.2 CP2615 I2S 介面晶片 40
4.1.3 DRV8847 H-Bridge 驅動器 40
4.1.4 Efinix Titanium Ti60 F225 FPGA 平台 41
4.2 數位訊號處理系統架構設計 41
4.2.1 I2S (Inter-IC Sound) Protocol 42
4.2.1.1 I2S 介紹 42
4.2.1.2 I2S 轉 PCM (Pulse-code modulation) 實現 43
4.2.2 上取樣及有限脈衝響應濾波器 (Finite Impulse Response, FIR) 43
4.2.2.1 上取樣介紹 43
4.2.2.2 FIR 濾波器介紹 45
4.2.2.3 上取樣與 FIR 濾波器實現 46
4.2.3 GRDPWM 47
4.2.4 Sigma-Delta 調變器 (Sigma-Delta Modulator, SDM) 47
4.2.4.1 SDM 介紹 47
4.2.4.2 SDM 實現 49
4.3 實驗結果 49
4.3.1 軟體模擬結果 50
4.3.2 功率放大後訊號測量結果 51
4.3.3 實際聽覺感受 54
Chapter 5 結論與未來展望 56
5.1 研究結論 56
5.2 研究貢獻 58
5.3 未來展望 58
5.4 結語 59
References 60
-
dc.language.isozh_TW-
dc.subjectGRDPWM-
dc.subjectFPGA-
dc.subjectClass D 功率放大器-
dc.subject數位音訊-
dc.subject硬體最佳化-
dc.subjectGRDPWM-
dc.subjectFPGA-
dc.subjectHardware Optimization-
dc.subjectClass D Power Amplifier-
dc.subjectAudio Applications-
dc.title基於 FPGA 之 GRDPWM 演算法硬體最佳化與音訊應用實作zh_TW
dc.titleFPGA-Based Hardware Optimization and Implementation of the GRDPWM Algorithm for Audio Applicationsen
dc.typeThesis-
dc.date.schoolyear114-1-
dc.description.degree碩士-
dc.contributor.oralexamcommittee陳彥廷;彭盛裕zh_TW
dc.contributor.oralexamcommitteeYen-Ting Chen;Sheng-Yu Pengen
dc.subject.keywordGRDPWM,FPGAClass D 功率放大器數位音訊硬體最佳化zh_TW
dc.subject.keywordGRDPWM,FPGAHardware OptimizationClass D Power AmplifierAudio Applicationsen
dc.relation.page61-
dc.identifier.doi10.6342/NTU202504596-
dc.rights.note同意授權(限校園內公開)-
dc.date.accepted2025-10-20-
dc.contributor.author-college工學院-
dc.contributor.author-dept工程科學及海洋工程學系-
dc.date.embargo-lift2025-11-27-
顯示於系所單位:工程科學及海洋工程學系

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