《電子技術(shù)應(yīng)用》
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基于FPGA的音頻Sigma-Delta調(diào)制器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
電子技術(shù)應(yīng)用
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；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；3.鄭州輕工業(yè)大學(xué) 電子信息學(xué)院
摘要： 隨著數(shù)字音源的普及，數(shù)模轉(zhuǎn)換器（Digital to Analog Converter， DAC）成為音頻設(shè)備中不可或缺的元件，其精度往往決定著整個(gè)系統(tǒng)的信號(hào)保真度?；诖?，利用噪聲整形技術(shù)對(duì)用于高精度音頻DAC的Sigma-Delta調(diào)制器進(jìn)行設(shè)計(jì)和現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列（Field Programmable Gate Array， FPGA）實(shí)現(xiàn)。通過(guò)搭建測(cè)試系統(tǒng)，測(cè)試結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的Sigma-Delta調(diào)制器在輸入信號(hào)為1 411.2 kHz采樣頻率、1 kHz頻率、0 dBFS（Full Scale）幅度的正弦信號(hào)條件下，其輸出信噪比（Signal to Noise Ratio， SNR）可達(dá)107.4 dB；當(dāng)輸入信號(hào)頻率在音頻頻帶內(nèi)時(shí)（輸入信號(hào)幅度為0 dBFS），其輸出SNR穩(wěn)定保持在104 dB以上；并可用于WAV音樂(lè)播放器中。
中圖分類(lèi)號(hào)：TP391.9 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A DOI: 10.16157/j.issn.0258-7998.246137
中文引用格式： 吳永麗，許增輝，錢(qián)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.
Design and implementation of audio sigma-delta modulator based on FPGA
Wu Yongli1，Xu Zenghui2，Qian Bo2，Wang Fule2，Yu Zeqi3
1.Patent Examination Cooperation （Henan） Center of the Patent Of?ce， CNIPA； 2.School of Computer Science and Technology， Zhengzhou University of Light Industry； 3.School of Electronics and Information， Zhengzhou University of Light Industry
Abstract： With the popularity of digital audio sources, Digital to Analog Converter (DAC) has become an indispensable component in audio devices, and its accuracy often determines the signal fidelity of the entire system. For this reason, a sigma-delta modulator for high-precision audio DACs is designed using noise shaping technology and implemented by Field-Programmable Gate Array (FPGA) in this paper. By building a testing system, the test results show that the output Signal to Noise Ratio(SNR)of the designed sigma-delta modulator can achieve 107.4 dB when a 1 kHz, 0 dBFS (Full Scale) sinusoidal signal with 1 411.2 kHz sampling frequency is used. When the input signal frequency is within the audio band (with an input signal amplitude of 0 dBFS), the output SNR remains above 104 dB. Additionally, the designed sigma-delta modulator can be utilized in WAV music players.
Key words : sigma-delta modulator；noise shaping；noise transfer function；FPGA implementation

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)。

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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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http://m.ihrv.cn/resource/share/2000006569


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）


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