引言

在音視頻領(lǐng)域中，隨著數(shù)字存儲(chǔ)技術(shù)的不斷發(fā)展，數(shù)字音源得到了廣泛普及。在音頻播放系統(tǒng)中，數(shù)字音源需要經(jīng)過(guò)音頻數(shù)模轉(zhuǎn)換器（Digital to Analog Converter, DAC）轉(zhuǎn)換為模擬音頻信號(hào)以驅(qū)動(dòng)音頻功放或直接驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器發(fā)聲[1-2]。音頻DAC按輸入信號(hào)的采樣頻率不同，可分為兩大類(lèi)：Nyquist型DAC[3]和過(guò)采樣型DAC[4]。一般情況下，Nyquist型音頻DAC受限于工作頻率和制造工藝，其轉(zhuǎn)換精度往往不是很高。而過(guò)采樣型音頻DAC通常采用插值濾波器和Sigma-Delta調(diào)制器，利用過(guò)采樣和噪聲整形技術(shù)以提高音頻DAC的輸出性能，使DAC能夠?qū)崿F(xiàn)較高的轉(zhuǎn)換精度[5]。通常，包含Sigma-Delta調(diào)制器的過(guò)采樣型音頻DAC又稱(chēng)為Sigma-Delta DAC[6]。Sigma-Delta DAC的一般整體框架圖如圖1所示，其主要由插值濾波器、Sigma-Delta調(diào)制器、開(kāi)關(guān)電容DAC和重構(gòu)濾波器組成，其中，插值濾波器和Sigma-Delta調(diào)制器可由數(shù)字電路來(lái)實(shí)現(xiàn)。

圖1　Sigma-Delta DAC的一般整體框架圖

由于音頻Sigma-Delta DAC的轉(zhuǎn)換精度一般高于Nyquist型音頻DAC，因此，其更適用于高性能音視頻設(shè)備中。對(duì)于音頻Sigma-Delta DAC，基于現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列（Field Programmable Gate Array, FPGA）對(duì)其內(nèi)部的Sigma-Delta調(diào)制器進(jìn)行設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)可降低系統(tǒng)的設(shè)計(jì)復(fù)雜度，節(jié)約系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)成本，同時(shí)，F(xiàn)PGA的可編程特性可使Sigma-Delta DAC的設(shè)計(jì)變得更加靈活[7]。

本文著重對(duì)音頻Sigma-Delta DAC內(nèi)的Sigma-Delta調(diào)制器進(jìn)行設(shè)計(jì)，通過(guò)對(duì)其進(jìn)行系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)，并利用硬件描述語(yǔ)言（Hardware Description Language, HDL）描述，將其在FPGA上實(shí)現(xiàn)。本文首先簡(jiǎn)要闡述了Sigma-Delta調(diào)制器的工作原理。然后，基于MATLAB對(duì)用于音頻Sigma-Delta DAC的Sigma-Delta調(diào)制器進(jìn)行了系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)，并基于FPGA實(shí)現(xiàn)了一個(gè)音頻Sigma-Delta調(diào)制器。最后，基于所實(shí)現(xiàn)的音頻Sigma-Delta調(diào)制器構(gòu)建了音樂(lè)播放器系統(tǒng)。

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作者信息：

吳永麗1，許增輝2，錢(qián)波2，汪富樂(lè)2，于澤琦3

（1.國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局專(zhuān)利局專(zhuān)利審查協(xié)作河南中心，河南 鄭州 450046；

2.鄭州輕工業(yè)大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，河南 鄭州 450001；

3.鄭州輕工業(yè)大學(xué) 電子信息學(xué)院，河南 鄭州 450001）