音频DAC数字通路的研究与优化

论文摘要

21世纪以来,音频电子产品市场增长势头迅猛,越来越多的消费电子产品如MP3播放器、PMP等都要求高品质音频功能。而实现此功能需要高性能的音频编解码芯片,因此研究音频系统中的DAC具有广泛的现实意义。本文重点研究了音频DAC中的数字部分:过采样插值滤波器和数字ΔΣ调制器。详细分析了过采样技术、插值滤波器的原理以及数字ΔΣ调制器的原理、结构和稳定性。对于插值滤波器,首先选择合适的数字滤波器,然后根据系统的设计指标采用多级实现插值滤波器,最后在算法级分别设计、优化和仿真验证插值滤波器;对于数字ΔΣ调制器,首先选择合适的结构,然后根据理论分析和matlab仿真结果,确定数字ΔΣ调制器的阶数和量化比特数,最后根据系统设计指标与电路面积的考虑,在算法级设计、优化和仿真验证数字ΔΣ调制器。采用Verilog HDL电路实现整个音频DAC的数字部分;为了节省电路面积,利用了多种方式,如采用CSD编码实现常系数乘法器,优化ΔΣ调制器的系数以减少乘法器数量,插值滤波器的实现采用时分复用共享乘法器等;为了降低功耗,对半带滤波器采用了多相分解技术。此外,通过FPGA的综合实现来验证整个系统的正确性。对于CIC滤波器,提供了一种易于RTL实现并能有效补偿通带衰减的方法。本文通过对ΔΣDAC理论的深入研究,尤其是插值滤波器和数字ΔΣ调制器部分,设计并实现了音频DAC的数字部分,最后通过了FPGA综合仿真验证,一共使用了1971个LE,3672bit的嵌入式RAM,电路规模大约为3万门。最后对后仿真的结果进行测试,其信噪比可达到102.83dB,完全达到了预期的设计指标。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景简介
• 1.2 ΔΣ数据转换器的发展历史及未来趋势
• 1.3 论文章节安排
• 第2章 ΔΣDAC 的基本原理
• 2.1 信号的量化噪声模型
• 2.2 过采样技术
• 2.3 DAC 的性能参数
• 2.4 ΔΣ调制器的原理
• 2.5 插值滤波器的原理
• 2.6 本章小结
• 第3章 音频DAC 数字通路的设计及优化
• 3.1 系统考虑与设计指标
• 3.2 音频DAC 的架构
• 3.3 插值滤波器的设计及优化
• 3.4 ΔΣ调制器的设计及优化
• 3.5 本章小结
• 第4章 音频DAC 数字通路的RTL 实现与仿真
• 4.1 CSD 编码
• 4.2 半带滤波器的实现与仿真
• 4.3 CIC 滤波器的实现与仿真
• 4.4 数字ΔΣ调制器的实现与仿真
• 4.5 DAC 数字通路的整体RTL 仿真
• 4.6 本章小结
• 第5章 FPGA 综合与仿真验证
• 5.1 FPGA 设计流程
• 5.2 FPGA 综合与仿真验证
• 5.3 本章小结
• 第6章 总结
• 致谢
• 参考文献
• 附录1 硕士期间论文发表情况