基于Sigma-Delta的音频输出系统的数字模块设计

论文摘要

音频输出系统是多媒体SoC芯片中一个不可缺少的部分，它的作用是将存储于内存中的数字音频数据通过DA转换，变换成人耳所能听到的模拟音频信号。目前，人们对于音频播放的失真度和信噪比要求越来越高。而Sigma-Delta编码的DA转换器恰恰能以高信噪比的优点满足人们的需要，因此，也成为了研究的热点。本文着重于Sigma-Delta调制器的数字模块设计，给出了该模块的详细设计过程，并对其中的过采样滤波器结构及Sigma-Delta的调制模块进行改进，使其具有较高的信噪比。本文首先介绍了模块的数据通路设计，在支持传统的16位PCM音频编码的基础上，本设计加以改进，对于各种格式的PCM编码具有更好的兼容性，能够节省软件转换所耗费的CPU资源。其次，本文给出了系统中过采样插值滤波器的详细设计过程。对各种滤波器结构进行了比较，提出了适用于SoC芯片的滤波器结构，具有灵活性和可重用性。并且本文对滤波器的各项系数进行了设计及优化，使其满足性能的要求。Sigma-Delta调制器是设计的关键，它的性能好坏直接影响了系统的各项指标。虽然Sigma-Delta调制器具有诸多优点，但是由于Sigma-Delta调制器的特性，对于小幅度的音频信号，它的信噪比并不理想。本文对调制器的结构进行了分析与选择。在传统的Sigma-Delta调制器结构的基础上，提出了自适应的调制方法，使其对于小幅度的音频信号输出仍能具有较高的信噪比，并且通过对模拟电路的增益调节，使得信号的输出不会发生幅度失真。这一改进使得信号在较大的幅度范围能都能具有很高的信噪比。本设计从原理出发，由Verilog硬件描述语言加以实现，并且经DC综合，物理设计，最终在0.18um工艺下进行了流片。本文给出了该设计的多项验证结果，包括行为级的matlab仿真，RTL级的波形仿真，数模混仿的数据分析，综合后的面积及功耗估算，以及最终芯片的测试结果。表明该设计结果与理论符合的较好，具有很高的信噪比。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 概述
• 1.1 背景和研究意义
• 1.2 音频输出系统简介
• 1.2.1 音频输出系统介绍
• 1.2.2 音频输出系统的设计指标
• 1.3 Sigma-Delta 调制器原理简介
• 1.4 本文的研究内容和安排
• 第二章 数据通路设计与实现
• 2.1 系统总体设计
• 2.1.1 系统模块划分
• 2.1.2 数据通路设计
• 2.2 系统接口设计
• 2.2.1 AMBA 总线 APB 接口设计及实现
• 2.2.2 DMA 接口设计
• 2.2.3 数模接口设计
• 2.3 本章小结
• 第三章 插值滤波器设计与实现
• 3.1 插值滤波器结构设计
• 3.1.1 插值滤波器原理
• 3.1.2 多级型滤波器的研究
• 3.1.3 各级滤波器阶数的研究及选择
• 3.2 插值滤波器的参数设计
• 3.2.1 各级插值滤波器的设计要求及指标
• 3.2.2 各级插值滤波器的参数计算与分析
• 3.3 插值滤波器的参数实现及仿真
• 3.3.1 滤波器参数编码与分析
• 3.3.2 各级滤波器的仿真结果
• 3.4 插值滤波器的硬件实现及优化
• 3.4.1 滤波器实现结构研究与分析
• 3.4.2 插值滤波器的整体结构设计
• 3.4.3 滤波器控制单元设计及优化
• 3.4.4 运算控制单元设计
• 3.4.5 乘加单元设计
• 3.4.6 可重用性设计
• 3.5 插值滤波器中的过零检测设计
• 3.6 插值滤波器的硬件仿真结果
• 3.7 本章小结
• 第四章 Sigma-Delta 调制器的设计与实现
• 4.1 Sigma-Delta 调制器的结构研究
• 4.2 Sigma-Delta 调制器的参数设计
• 4.2.1 4 阶 1 比特 Sigma-Delta 调制器的参数设计
• 4.2.2 仿真结果及性能计算
• 4.3 自适应幅度优化
• 4.4 Sigma-Delta 调制器的实现
• 4.4.1 主控状态机设计
• 4.4.2 采样保持设计
• 4.4.3 各级积分器设计
• 4.4.4 量化器输出设计
• 4.5 仿真结果及性能分析
• 4.6 本章小结
• 第五章 设计结果
• 5.1 仿真结果
• 5.1.1 仿真平台搭建
• 5.1.2 仿真数据分析
• 5.2 综合结果
• 5.3 测试结果
• 5.4 本章小结
• 第六章 总结
• 6.1 全文总结
• 6.2 未来研究的展望
• 参考文献
• 缩略语
• 图表索引
• 致谢
• 攻读学位期间发表的学术论文目录