中文引用格式： 吳永麗，許增輝，錢波，等. 基于FPGA的音頻Sigma-Delta調(diào)制器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]. 電子技術(shù)應(yīng)用，2025，51(6)：99-104.
英文引用格式： Wu Yongli，Xu Zenghui，Qian Bo，et al. Design and implementation of audio sigma-delta modulator based on FPGA[J]. Application of Electronic Technique，2025，51(6)：99-104.
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：Nyquist型DAC[3]和過采樣型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)制器的過采樣型音頻DAC又稱為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。對于音頻Sigma-Delta DAC，基于現(xiàn)場可編程門陣列（Field Programmable Gate Array, FPGA）對其內(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]。
本文著重對音頻Sigma-Delta DAC內(nèi)的Sigma-Delta調(diào)制器進(jìn)行設(shè)計(jì)，通過對其進(jìn)行系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)，并利用硬件描述語言（Hardware Description Language, HDL）描述，將其在FPGA上實(shí)現(xiàn)。本文首先簡要闡述了Sigma-Delta調(diào)制器的工作原理。然后，基于MATLAB對用于音頻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)建了音樂播放器系統(tǒng)。
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作者信息：
吳永麗1，許增輝2，錢波2，汪富樂2，于澤琦3
（1.國家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(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）
