（通信与信息系统专业论文）d类音频功放dac中插值滤波器的研究.pdf

摘要 摘要 随着信息技术的快速发展和v l s i 技术的不断进步，便携式电子产品如手机， m p 3 播放器，便携式游戏机的销量猛增，音视频已经进入了数字时代。作为数 字信号处理的基本方法之一，数据转换和信号处理过程中数模( d a ) ，模数 ( a d ) 转换器的精度要求越来越高。相对于其他类型的数模转换器，基于 s i g m a d e l t a 调制方式的数模转换器不需要高精度和大规模的模拟元件就能达到 很高的转换精度，其应用领域日益拓展，因此音频系统中d a c 的设计成为人们 广泛关注的研究热点。 插值滤波器是s i g m a d e l t a 数模转换器中的重要组成部分。本文介绍了过采 样和量化，阐述了调制技术在d 类功率放大器中的工作原理和一种基于二 进制补码数到c s d 编码的转换算法；接着从过采样d a c 芯片中的数字插值滤 波器原理入手，在深入研究半带滤波器和积分梳状滤波器原理和特性的基础上， 设计了一个过采样率为1 2 8 倍的插值滤波器。最后用v e r i l o gh d l 硬件描述语言 对这种滤波器设计方法进行描述，并且在q u a r t u si i 环境下进行了功能验证，结 果正确，满足设计要求。 整个设计采用了多级多采样率信号处理电路原理，由两级半带滤波器和四 级积分梳状滤波器构成。其中的两级半带滤波器在系数实现上，采用基于c s d 编码技术的常系数乘法器的实现方法，同时利用其冲激响应的对称性，改善了 滤波器的速率、功耗等性能；c s d 码是一种利用最少的非零比特位来表示符号 数的编码技术，能有效地减少了硬件资源的占用。采用多级c i c 滤波器代替单 级结构，可以有效地增强对谐波的抑制，利用其积分器和梳状器相互抵消的特 性，进一步减少了所需的硬件资源，从而降低成本。 关键词：s i g m a - d e l t ad a 转换器；插值滤波器；过采样；c s d 码 a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fi n f o r m a t i o nt e c h n o l o g y , a n dt h a to ft h e e x t r a o r d i n a r ya d v a n c e m e n to fv l s it e c h n o l o g y , a n dt h ea m a z i n gr i s i n gv o l u m eo f s h i p m e n to ft h ep o r t a b l ee l e c t r o n i c sp r o d u c t ss u c ha sm o b i l ep h o n e ，m p 3p l a y e ra n d p o r t a b l eg a m ep a d ，a u d i oa n dv i d e oh a v ee n t e r e dt h ed i g i t a le r a a so n eo ft h eb a s i c w a y si nd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n ga r e a ，p e o p l e h a v e b e e nl a y i n gm u c hg r e a t e r e m p h a s i so nt h ep r e c i s i o no fd aa n da dc o n v e r t e r s ，w h i c ha r eu s e di nt h ed a t a c o n v e r s i o na n ds i g n a lp r o c e s s i n g c o m p a r e dw i t ho t h e rt y p e so fd ac o n v e r t e r , t h i s k i n do fd ac o n v e r t e rb a s e do nt h em o d u l a t i o no fs i g m a - d e l t ac a nr e a c hv e r yh i 曲 r e s o l u t i o nw i t h o u ta n ya n a l o gd e v i c eo fh i g hp r e c i s i o na n dl a r g es c a l e s ot h e yh a v e g a i n e dw i d ea p p l i c a t i o na n d al o to ff o c u s i n t e r p o l a t i o n i sa n i m p o r t a n tc o m p o n e n to fo v e r s a m p l e dd i g i t a l - t o - a n a l o g c o n v e r s i o n b yl e a r n i n gt y p i c a le x p e r i e n c e sa n dm e t h o d s ，t h et h e s i s i n t r o d u c e s s a m p l i n ga n dq u a n t i z a t i o no fa u d i os i g n a l s ，t h ed e r i v a t i o no fd e l t a - s i g m ap r i n c i p l e u s e di nc l a s sd a m p l i f i e r , a n da na l g o r i t h mf o rc o n v e r s i o no fa2 sc o m p l e m e n tt o c s d ( c a n o n i cs i g n e dd i g i t ) n u m b e rs y s t e m w i t ht h ep r i n c i p l e o fd i g i t i a l i n t e r p o l a t i o nf i l t e ri no v e r s a m p l i n gd a c ，t h ei n t e r p o l a t i o nf i l t e r w i t h12 8t i m e s o v e r s a m p l i n gr a t eb a s e do nt h ea n a l y s i so fb a s i ca r c h i t e c t u r eo fh a l f b a n df i l t e r sa n d c i c ( c a s c a d ei n t e g r a t o rc o m b ) f i l t e r si sd e s i g n e d t h ed e s i g ni sd e s c r i b e db yv e r i l o g h d l w h i c hi ss i m u l a t e d s y n t h e s i z e da n dv e r i f i e du n d e rq u a r t u si i t h er e s u l t ss h o w t h a tt h ed e s i g ni sr e l i a b l ya n dp e r f e c t l ya n dm e e tt h ed e s i g nr e q u i r e m e n t s m u l t i - s t a g em u l t i - r a t es i g n a lp r o c e s s i n gi su s e dt oi m p l e m e n ti n t e r p o l a t i o nf i l t e r t h ei n t e r p o l a t i o nf i l t e ri si m p l e m e n t e da sac a s e a d eo ft w oh a l f b a n df i l t e r sa n df o u r c i cf i l t e r s h a l f b a n df i l t e r , u s i n gi t ss y m m e t r yo ft h ei m p u l s er e s p o n s e ，i m p r o v e st h e r a t eo fp o w e rc o n s u m p t i o n ，a n do t h e rp r o p e r t i e s c s di sb a s e do nt h et e m a r yn u m b e r ( 1 ，0 ，1 ) ，w h i c hh a st h ea d v a n t a g eo fr e d u c i n gt h en o n - z e r ob i t so ft h en u m b e r w i t h t h ef i l t e rc o e f f i c i e n t sc s d c o d e d ，t h eh a r d w a r es c a l ea n dc o s ti sr e d u c e d m u l t i s t a g e c i cf i l t e ri np l a c eo fs i n g l e - l e v e ls t r u c t u r ew h i c hi sa ne f f e c t i v ew a yt oe n h a n c et h e h a r m o n i cs u p p r e s s i o nm a yr e d u c ec o n s u m e dr e s o u r c et oab a r em i n i m u m k e yw o r d s ：s i g m a - d e l t ad ac o n v e r t e r ；i n t e r p o l a t i o nf i l t e r ；o v e r s a m p l i n g ；c s d c o d e l l 学位论文独创性声明 学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得直昌太堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与 我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确 的说明并表示谢意。 学位论文作者签名( 手写) ：么漕、 签字日期：z 一年，z 月五e t 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解直昌态堂有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权直昌太堂可以将学位论文的全 部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存、汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究 所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向 社会公众提供信息服务。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：徐蚤殳导师签名：马泛聊 。 ， 签字日期：加f 年l z 月z 侣签字日期：7 瞻厂瑚叫日 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 研究背景和意义 自从进入二十一世纪以来，信息科学技术迅猛发展，在社会各个领域得到 越来越广泛的应用，成为2 1 世纪国际社会和世界经济发展的强大推动力。众所 周之，水，是人类生生不息的生命之源；数字，则是推动人类变革的一种驱动 力。“数字”就好比人类不可或缺的水，正成为人类生活中密不可分的重要部分。 随着计算机技术和信息科学的迅速发展，数字信号处理d s p ( d i g i t a ls i g n a l p r o c e s s i n g ) 的理论，算法及实现手段也获得了迅速的发展，并广泛地应用在数 字通信、语音、音频和生物医学信号处理、检测仪器仪表和机器人技术等许多 领域中1 ，2 1 。 近十年，消费电子爆发式增长，音频电子产品市场一直保持着十分强劲的 增长势头。便携式数码音频播放器( m p 3 ) 、多媒体手机、数码相机和数码摄像 机等便携设备发展迅猛，普及广泛，主要原因是在于音频处理技术和集成电路 工艺水平的进一步的发展以及市场积极反应的相互作用。随着集成电路技术和 半导体工艺技术的快速发展，使得电子产品和元器件尺寸不断减小，集成度越 来越高，集成电路的速度越来越快，性能不断更新。现在只需利用一个廉价、 高速的数字集成电路就能构造复杂的数字系统，完成复杂的数字信号处理功能 和任务，从而在现实生活中得到了广泛应用。随着便携设备发展，各种新的， 大批量生产的消费电子产品就要求加入高品质音频功能来适用市场的需求，这 样就要求更多高集成度的混合信号方案，其核心技术就是低功耗，高精度的音 频编解码器芯片。在实际应用的过程中，音频c o d e c 芯片的核心就是数模转换 器和模数转换器，该论文只涉及到数模转换器这一部分的研究。数模转换器 ( d a c ) 就是担任把数字信号重新还原为模拟信号这一功能的电路模块。 数字信号和模拟信号之间的转换器是现实生活中模拟信号与集成电路中的 数字信号连接的桥梁，多年来一直是人们研究的热点。但由于a d 和d a 的研 究在我国至今仍是薄弱环节，与国际水平存在相当大的差距。国外在该技术上 对我国严格保密，若没有高性能的转换器，我国的电子事业的发展将会受到相 当大的影响。重视并加速a d 和d a 转换器技术的开发研究是不可忽视的重要 第l 章绪论 i 司题。 当前的数据转换和信号处理中，对高精度的数模转换器有很大的需求。然 而，传统的权电阻、权电流网络和开关电容型的结构d a c ，主要采用奈奎斯特 采样频率下的模拟电路来实现，其中的滤波器和转换器中都需要高精度的模拟 器件，这对电路的设计和制造工艺要求很高，很难用v l s i 实现。尤其在高分辨 率的情况下，电阻或者电流单元的精度对转换的结果有着巨大的影响。以一个 2 0 位精度的d a c 为例，如果参考电压选择为3 v ，那么其允许的最大误差 ( i 2 l s b ) 约为1 4 3 u v ，甚至小于单个电子存储在0 1p f 的电容上所产生的电压， 也小于典型的m o s 运放输入热噪声。随着v l s i 技术的发展，集成工艺的进一 步微细化，集成度获得了提高，而对模拟电路来说，却陷入困境。采用传统的 奈奎斯特采样率d a c ，已经无法满足数据采集，数字音频处理等领域对于d a c 的高精度要求。此外，在传统数模滤波器的输出端，需要以高阶的重构滤波器 来平滑信号，这增加了设计和工艺上的难度。随着精度提高而产生的对工艺的 更高要求，增加了其生产成本。同时，采用模拟电路实现带来的对时钟抖动的 鲁棒性较差，不便于与大规模数字系统进行单片集成等缺点，也成为高精度d a c 实现上的难题。随着集成电路尺寸的不断降低，性能不断提高，模拟电路的设 计是越来越离不开数字的手段，来适应c m o s 集成电路的小尺寸，低成本，高 精度和更低功耗的发展趋势。出于以上的原因，基于技术的d a c 在这种趋 势下应运而生。经过近几年的发展，使用技术d a c 已经在高精度和中低速 的数模转换中，取代传统数模转换器而成为发展的主流。例如，业界著名的厂 商a n a l o gd e v i c e 、t i 、c r y s t a l 等都采用过采样和噪声整形技术来设计高保真音 响和p c 多媒体专用的音频数模产品。 a ( s i m g a d e l t a ) 转换器的优势在于它把大部分转换过程转移到了数字 域，充分利用数字电路的复杂性和降低了对模拟转换电路的要求，从而克服了 器件精度、部件失配及非线性在制造上所引起的限制，所以它在精度与实现上 都较传统数据转换器有很大优势。相对于传统方式的d a c ，由于其成本低、精 度高、易于集成、对平滑滤波器要求低的特点，被广泛应用在高精度测量、数 据通信、高精度音频处理等方面。ad a c 技术音频处理则是常见的对d a 转 换精度要求较高的一大领域。 数字音频处理领域对d a c 精度要求相对较高，为了保证音频信号低失真高 品质的输出，转换的精度通常要求达到1 6 比特以上。常见的格式有如下几种： 2 第1 章绪论 ( 1 ) c d 制式，采样率为4 4 1 k h z ，精度1 6b i t ： ( 2 ) d v d 制式，采样率可为4 8k h z 9 6k h z 1 9 2k u z ，精度为1 6b i t 2 0b i t 2 4b i t ； ( 3 ) h d c d 格式，最高可达到8 8 2k h z 采样速率和2 0b i t 精度。 由于技术几乎可以实现无限精度的数据转换，而且不用精确匹配模拟 器件，因而是最适合数字音频应用的d a c 器件。随着技术的进步，音频d a c 正在越来越广泛地应用于数字播放机、机顶盒、数字电视接收机或家庭影院等 系统中，并且在高精度、高采样率、低面积和低功耗等方面得到进一步的发展1 3 】。 1 2 国内外发展现状和研究方向 国内数模转换器的发展起步较晚，但是近年来也引起了重视。随着制造工 艺和电路设计的不断改进，产生了多种新的结构，在精度和速度方面都已经达 到了很高的水平，已研制出8 、1 0 、1 2 、1 4 、1 6 位的模数转换器和数模转换器 产品或样品，但是能进入商品市场，批量供应用户需求的产品则不多。然而， 国外有很多著名的半导体厂家生产d a c ，其中最著名的厂家主要有三家分别是： 德州仪器( t i ) 、模拟器件公司( a n a l o gd e v i c ei n c ：a d i ) 、国家半导体( n a t i o n a l s e m i c o n d u c t o r ) ，这三家公司作为全世界领先的数据转换器供应商，在性能和功 能方面都取得了重大技术突破。这些音频d a c 具有多种优良的性能，所以非常 适合汽车音频、d v d 播放器和录音机、音频视频接收机、专业混音台和数字音 效箱等各种应用。从8 位、1 0 位到2 4 位，从p c m 结构到s i g m a d e l t a 结构。除 此之外，美信( m a x i m ) 、飞思卡尔( f r e e s c a l e ) 、仙童( f a i r c h i l d ) 、同本电气( n e c ) 、 三星( s a m s u n g ) 等公司也有a d c 和d a c 的产品1 4 坷j 。 作为高精度，低成本d a c 的发展方向，近几年国外对高精度一ad a c 的研 究极为关注，相继研究出多种高性能，低功耗的一ad a c 芯片。 日本的i c h i r of u j i m o r i 和a k i h i k on o g i 等在2 0 0 0 年报道了一种用于音频的 2 4 位ad a c ，在1 9 2 k h z 采样率的输入情况下，可以达到1 2 0 d b 的信噪比， 并且在5 v 的电源下功耗为31 0 m w l 9 1 0 j 。 2 0 0 3 年，p e t e r k i s s 和j e s u s a r i a s 等人实现了一个具有良好稳定性的过采样 d a c ，仅以4 倍的过采样率达到了超过6 0 d b 的信噪比i l 。 2 0 0 6 年，a d i 公司发布了业界首款采用3 m m * 3 m m1 0 引脚f c s p ( 引脚架 第1 章绪论 构芯片级封装) 超小型封装的1 6 b i t 四数模转换器( d a c ) ，从而满足了工业和 通信设计尺寸不断减小的需求这项技术开发将节省高达7 0 以上的印刷电 路板面积( p c b ) 【1 2 】。 2 0 0 8 年，欧胜微电子推出了一款应用到最新的蓝光家庭影院光碟播放器中 的w m 8 7 4 0 高性能立体声数字模拟转换器( d a c ) 。该芯片上高性能2 4 比特、 1 9 2 k h z 立体声d a c 具有世界级信噪比( s n r ) 和超低总谐波失真( t h d ) l l 引。 较之国外，国内在高精度过采样d a c 的研究方面发展较晚，能够达到很高 转换精度的成果较少。但最近几年越来越多的厂商开始对这方面产生浓厚兴趣， 投入大量资会和人力从事该方面的研究，并取得了一定的进步。国内规模比较 大的几家i c 设计生产厂家，包括杭州士兰微电子，无锡华润矽科等，都有研发 a d c 和d a c 产品，但是这些公司都没有推出单片的a d c 和d a c ，所以与国外 相比，国内产品还是存在一定的差距。 从现代信息技术发展可以看出，s i g m a d e l t a 音频模数转换器以及数模转换 器有如下的发展趋势： ( 1 ) 适应c m o s 集成工艺的小尺寸，结构不断简化。尽可能多地采用成熟 的数字电路来减少模拟部件，方便嵌入系统，进行系统集成，降低功耗。 ( 2 ) 采用过采样插值技术。支持多种采样率，数字音频的位数可以是1 6 位至2 4 位。 ( 3 ) 低电源，低功耗，低成本，高精度。 综上所述，a d c 和d a c 的市场正在逐步稳定的向上发展，在军用和民用电 子系统中均显示出其重要的地位。因此低成本、高分辨率、低功耗，性能更优 的d a c 的研究成为研发热点，让该技术尽快应用于新一代音频播放器，多媒体 手机等消费类娱乐电子领域，从而将更进一步推动了模数转换器和数模转换器 的发展。 1 3 本文主要研究内容与内容安排 在充分调研了国内外研究动态和d a c 工作原理等相关资料之后，本文主要 阐述了调制的基本原理以及将该技术应用于过采样d a c 的一些技术要点， 提出了一种基于调制的音频d 类功率放大器d a c 中的插值滤波器的设计。 首先从过采样d a c 芯片中的数字插值滤波器的数学原理入手，详细分析插值滤 4 第1 章绪论 波器的工作原理和系统结构。接着对需要研究的插值滤波器进行系统分析，动 手设计插值滤波器，最后熟悉插值滤波器模块的f p g a 实现和测试过程，并使 用硬件描述语言实现。 本文的内容安排如下： 第一章绪论部分简单介绍了论文的课题背景和意义，国内外发展现状和研 究方向，最后总结了本文所完成的主要工作 第二章给出了音频功率放大器的总体介绍，在此基础上，引出d 类数字音 频功率放大器。 第三章首先介绍了数模转换器的结构，过采样和量化，分析了数模转换器 的工作原理，研究了s i g m a d e l t a 调制技术，当输入为数字音源时，它能够直接 对数字输入进行放大，省去了传统d 类放大器时所必须的数模转换电路，是一 种真正意义上的全数字音频功率放大器。它的主要特点在于它与过采样技术相 结合，具有良好的噪声整形效果，可将量化噪声显著推到高频部分，在经过一 个简单的低通滤波器后，能够得到很高的信噪比输出，从而实现高效率，高保 真音频功率放大器设计要求。 第四章分析了插值滤波器的原理和结构，对半带滤波器和c i c 滤波器这两 种滤波器进行了分析和设计。本文整体设计采用多级多采样率信号处理电路原 理。对半带滤波器，利用其冲激响应的对称性，改善了滤波器的速率、功耗等 性能；在系数实现上，则采用c s d 码来实现，它是一种利用最少的非零比特位 来表示符号数的编码技术，有效地减少了硬件资源的占用。 第五章对整个设计利用f p g a 器件进行了硬件实现，并给出仿真结果，验 证其物理可实现性。 第六章是对本文工作的总结和对下一步研究的展望。 第2 章音频功率放大器 第2 章音频功率放大器 2 1 音频功率放大器 近年来，全球音视频领域的数字化浪潮以及人们对音视频设备节能环保的 要求，迫使人们尽快研究开发高效，节能，易于与数字化设备接口的音频功率 放大器。独立的音频处理芯片主要包括音频功率放大器和音频编解码器 ( c o d e c ) 这两类。单独的音频功率放大芯片主要是应用与手机，多媒体等便 携设备里。由于现在的手机多媒体功能越来越齐全以及追求高品质的手机大量 涌现，为了便于浏览和聆听，采用了独立的音频功率放大器。现有的音频功率 放大器主要采用a b 类或d 类的结构。相比之下，a b 类音频功率放大器的应用 历史要长得多，也更容易达到较小的信号失真。但随着音频市场对产品续航能 力的要求不断提高，尽量使用效率高的优势使d 类功放越来越受到大家的关注。 d 类音频功率放大器由于其开关管工作于丌关状态，因此具有高效率，低功耗， 体积小等优点。另外，由于数字信号在存储、传输、和数据处理上的优点，使 人们丌始追求用数字式功放代替传统的模拟功放。目前d 类音频功率放大器在 各种以电池供电的便携式产品中的应用相当普及【4 。刨。 2 1 1 音频功率放大器的概述 音频功率放大器【l 。7 】通常分为传统模拟音频功率放大器( 线性功率放大器) 和数字音频功率放大器( 非线性功率放大器、d 类放大器) 两大类。如图2 1 所示： 图2 1 音频功率放大器的分类 6 第2 章音频功率放火器 传统的模拟放大器即为线性功率放大器，常分为a 类、b 类、a b 类，c 类 等等的分类，其主要特点是保真度( f i d e l i t y ) 高，但是效率很低。a 类音频放大器 的理论效率是2 5 ；b 类音频放大器的理论效率是7 5 ；a b 类音频放大器的理 论效率7 5 ，实际效率在5 0 7 0 之间。数字音频功率放大器( d 类放大器， 开关放大器) 又称为非线性功率放大器，其功率开关管工作于丌关状态，具有很 高的工作效率。数字音频放大器( d 类放大器) 的理论工作效率为1 0 0 ，实际 效率不低于8 5 。越高的功率输出，d 类的高效率优势就越明显。高效率首先 带来节电的好处，省电就意味着更长的播放时间，更容易打动消费者，对于和 音乐手机等以电池作为供电电源的设备来说，这是非常重要的性能指标。其次 是产生热量少，降低了热管理成本。因此，d 类放大器更适于要求高效率，小体 积的应用场所，为越来越精致化的消费电子产品提供了广阔的自 景【l & 2 0 1 。 2 1 2 音频功率放大器的发展 d 类工作模式在1 9 5 9 年首先提出，即使用脉冲形式的信号末驱动高速的功 率开关。而该脉冲信号一般都是p w m ( p u l s ew i d t hm o d u l a t o r ，脉冲宽度调制) 信 号，它的低频部分包含了调制信号的信息。通过一个低通滤波器以后，可以将 调制信号重现。 从6 0 年代起，人们就开始尝试研制d 类放大器。最早是想用真空管来研制 开关放大器，但由于受到真空管在电压降和电流能力方面的限制，降低了放大 器的效率，限制了放大器的输出。在6 0 年代后期，双极型晶体管取代了真空管， 此时研制低频高效开关放大器的条件已经成熟。然而音频开关放大器需要在高 频条件下工作，其工作频率至少为2 0 k h z 音频频谱的4 5 倍。在这样的高频下， 使用双极型晶体管会产生连续的丌关损耗，这限制了d 类放大器效率的提高。 8 0 年代后期出现了m o s 场效应管，它能满足d 类放大器对高开关速度和低导通 损耗要求，从此d 类放大器开始步入商业市场。 d 类放大器凭借其卓越的性能，近年来在市场得到了极快的发展，根据一家 市场研究公司的数据【2 ，其全球市场在2 0 0 3 年增长了2 0 0 ，在2 0 0 4 年将要增 长6 8 ，预计在2 0 0 8 年相对于2 0 0 3 年将增长1 0 倍，达到八亿两千三百万美元。 由此可以推算出各年的发展趋势如图2 2 所示： 7 第2 章音频功率放大器 图2 2 全球d 类放大器的预计营业额 2 2 数字音频( d 类) 功率放大器的控制方式 d 类放大器虽然具有很高的效率，随着技术的发展保真度也得到了很大的改 善，但由于功率晶体管的开关工作方式，d 类放大器的保真度仍低于线性放大器。 开关功率放大器的工作方式是影响其性能的关键因素。d 类放大器一般采用 p w m 控制技术，放大器输出信号的频谱等于p w m 信号通过低通滤波器后的频 谱，因此p w m 调制器的性能将直接影响d 类放大器保真度。按照p w m 调制 器的工作原理，分为模拟p w m 调制器和数字p w m 调制器两大类。常用的自然 采样p w m ( n p w m ) 属模拟p w m ，统一采样p w m ( u p w m ) 属数字p w m 。 习惯上，将模拟p w m 控制的d 类放大器称为模拟式d 类放大器，将数字p w m 控制的d 类放大器称为数字式d 类放大器。 传统意义上的d 类放大器【2 2 2 3 】通常采用p w m 调制技术，其输入模拟音频 信号与一个参考三角波信号进行比较，生成一个p w m 控制信号来控制桥式功率 电路中的晶体管，使其工作于开关状态，从而得到一个放大的p w m 波，再经过 一个低通滤波器( l o wp a s sf i l t e r ) 滤波后，就可得到一个放大了的输入信号。 由于传统d 类放大器其输入为模拟音频信号，对于数字音源，必须先通过一个 数模转换电路，将数字音源转换为模拟信号，因此其实质上并不是一种完全意 义的数字功率放大器【2 4 ，25 1 。不仅如此，由于在输入端外接数模转换器，从而增 加了复杂度，且引入额外的失真。另外，传统d 类放大器采用p w m 调制，其 载波频率固定，将产生基波的多次谐波辐射，存在严重的e m i ( e l e c t r i cm a g n e t i c i n t e r f e r e n c e ，电磁干扰) 问题，使得采用传统d 类放大器的输出音质很差，这 个问题自d 类放大器诞生以来曾一度长期阻碍d 类放大器的发展。 8 s 0 0 o o 0 0 o o o o n o o 0 0 o o o 0 o $ o 9 8 7 6 5 4 3 2 11$ m 第2 章音频功率放大器 d 类放大器的缺点主要是由于采用p w m 调制所带来的，以前很多工作都集 中于如何通过改进调制的控制方式来改善类放大器的音质，但是它们都有一个 共同的缺点，要求输入必须为模拟音频信号。随着数字技术的发展，音频功率 放大器领域中越来越多的是针对数字音源进行放大，如c d 、d v d ( 常采用p c m 编码) 等。若仍采用传统的d 类放大器结构，必须引入高精度的数模转换( d a 转换) 器，先将数字音源转换成模拟音频信号，然后才能对其进行放大，其实 现结构如图2 3 所示。这样将会增加设备的复杂度，并可能引入额外的失真。 图2 3 放人数字音源时d 类放人器结构 由于目前在音频领域中越来越多地使用数字信源，如c d 的p c m 编码等， 为了解决d 类放大器存在的问题，d 类放大器所面临的挑战就是直接将数字音 频信号转换为p w m 信号，对图2 3 所描述的d 类放大器结构进行修改，如图 2 4 所示： 数字音源 ( p c m ) 数字信号 处理器数磊h 低通滤波h 扬声器 图2 4 基于数字信号处理的d 类放人器结构图 在数字信号处理器模块中，引入数字控制方式，主要有数字p w m 技术和 s i g m a d e l t a 调制技术，下面将对这两种调制方式分别进行介绍： ( 1 ) 数字p w m 技术 利用数字信号处理的相关技术，仍可采用类似于传统d 类放大器的p w m 调 制方式，只不过此时是用一个计数器来代替三角载波，通过此计数器来控制输 出脉冲的位置和占空比，从而代替原来的模拟p w m 调制。尽管如此，经过频谱 分析可知，此种数字p w m 调制方案将引入谐波和非谐波失真，使得带内噪声很 大。因此，数字信号处理技术被引入来减小噪声的影响，提高信号的s n r ( 信噪 9 第2 章音频功率放大器 比) 、t h d ( 总谐波失真) 等指标。可是数字p w m 调制仍然有一个不容易克服的实 际问题，若要处理一个1 6 b i tp c m 信号，采样频率是4 4 1 k h z ，则所需的时钟频 率为4 4 1 水2 1 6 = 2 2 8 9 0 1 3 7 6 ( g h z ) ，如此高的时钟频率对于商业产品来说是不实 际，很难达到高保真功率放大器的设计要求。因此数字p w m 调制方法并不适合 用于同精度的音频信号调制，下面谈到的调制技术是解决这个问题的一个 很好方案【2 6 。嬲j 。 ( 2 ) a 调制技术 调制器( m o d u l m o r ) 也称为s i g m ad e l t am o d u l a t o r ，或d e l t as i g m a m o d u l a t o r ，最早源于调制器。1 9 4 6 年d el o f i a n e 等人提出调制，以减少信 源编码长度，随后c u l t e r 于1 9 5 4 年首先提出噪声整形( n o i s es h a p i n g ) 概念。 1 9 6 2 年，i n o s e 等人为了改进调制器的过载电压幅度随信号频率下降的特性提 出了调制器【2 9 】，较好地阐明了噪声整形和过采样( o v e rs a m p l i n g ) 的概念。 g o o d m a n 最早明确引入数字滤波概念，提出从调制器输出信号通过滤波实现 a d 转换。后来c a n d y 等人陆续发表了用调制器和数字滤波器实现a d c 和 d a c 的研究成果。进入8 0 年代以来，由于v l s i 工艺的极大发展和数字化音频 产品的广大市场对高分辨率a d c 、d a c 需求的剧增，出现了一股持续研究利用 过取样调制技术实现a d c 和d a c 的热潮。由于学者和厂商的背景不同， 文献和产品介绍称呼各异，主要有( 或一) a d ，d a 转换器，过采样a d 、 d a 转换器，过采样噪声整形a d 、d a 转换器，比特流a d 、d a 转换器和1b i t a d 、 d a 转换器等等。实际上，这是一种结合过采样、噪声整形和数字滤波，以电路 速度有效换取分辨率的技术，能实现高保真的音效输出。 目前最流行的研究趋势是趋向于引入数字控制技术，主要有数字p w m 调制 和s i g m a d e l t a 调制两类，其中s i g m a - d e l t a 调制是研究的热点。 l o 第3 章数据转换技术 第3 章数据转换技术 过采样和噪声整形是过采样d a c 的两个主要特点，正是有了这两个关键部 分，才使得过采样d a c 具有很高的动态范围和转换精度，这些都是传统的奈奎 斯特数模转换器无法实现的。本章首先对数模转换器进行总体介绍及分类，接 着分析了信号的量化及其产生的量化噪声，然后介绍了调制的基本原理， 最后给出了过采样d a c 的基本组成结构，阐述了其主要实现原理。 3 1 数模转换器的概况 数模转换器的功能是把数字量转换成模拟量，通常这种转换是线性的。也 可以这么说，数模转换器相当于一种译码电路，它将数字输入转换为模拟输出。 d a c 一般由数字输入、基准电压源、模拟开关、寄存器、译码电路和模拟输出 等部分组成。在实际应用中，根据集成度的不同，d a 转换器中可能不完全包括 这几个部分。 3 1 1 理想的数模转换器 数字信号由于其在传输、存储和计算上的便捷性，正在得到越来越广泛的 应用。然而，在现实世界中，我们遇到的信号都是以模拟信号的形式存在的， 为了采用数字系统对它们进行处理，有必要进行模数和数模转换。 模拟信号；数字信号模拟信号 输入l _ jl 一：l j l _ j ：l _ j l _ j 输出 ： 图3 1 模拟信号数字处理系统的典型框图 由图中可见，a d 和d a 转换器是模拟信号数字处理中必不可少的基本部 件，是联系模拟和数字系统的桥梁，它们在某种程度上决定了整个系统的性能。 对于d a c 而言，其作用是要将所得的数字信号恢复为模拟信号。由n y q u i s t 采 样定律可知，如果采样频率高于信号带宽的两倍，则通过一个零阶保持系统和 第3 章数据转换技术 一个理想低通滤波器即可滤掉频谱的镜像，从而实现精确的d a 转换。 随着科学技术的发展，人们对于数据转换的精度要求越来越高。在用数字 方法产生高精度的模拟信号时，为了使产生的信号的信噪比和谐波畸变等指标 优于百万分之五，要求d a 转换器必须具有2 0 位以上的分别率。因此如何获得 高精度的数据转换一直是电子和各种信息处理研究者所追求的目标【3 们。 3 1 2 数模转换器的分类 数模转换器可按照处理过程中信号量采样频率是否变换来进行分类。如下 图3 2 给出了d a c 的基本分类。 一 图3 2 数模转换器的分类 其中，奈奎斯特采样率型d a c 3 l 】是基于传统的信号处理的方式，即采样频 率必须大于两倍信号谱的最高频率，其实现方式较为简单，它的主要特征是： 每一个被采样的模拟信号都有一个唯一与之相对应的数字信号；采样速率和数 据转换速率相同。这种转换器具有转换速度快、工作原理简单等优点，其精度 主要是由最小量化台阶决定。由图3 2 可知，传统奈奎斯特型转换器虽然具有 图中所示多种类型，但是它们都具有一个共同的特点，奈奎斯特型转换器是通 过减小其最小台阶来提高精度的，不可能无限小1 3 引，即由于存在固有的量化 噪声，奈奎斯特采样率型d a c 的有效位数没有办法做得很高，这成为奈奎斯特 型数据转换器提高分辨率的主要瓶颈。在目前的工艺制造水平下，采用奈奎斯 特型d a c 实现1 4 位以上的精度的数模转换是非常困难的。而过采样率型的 d a c 由上图知可以分为两种基本类型：预测型( p r e d i c t i v e ) 和噪声整形型 1 2 第3 章数据转换技术 ( n o i s e s h a p i n g ) 。它们与奈奎斯特d a c 有所不同，过采样型转换器的核心部分是 一个调制器，用于衰减有用带宽内的量化噪声，达到噪声整形的目的。尽 管由于工艺条件及其他电路非理想特性限制了量化台阶的减少，但在信号处理 的过程中，通过调制器则可以在较大的条件下仍然实现足够小的带内量化噪 声，从而达到很高的带内信噪比。即提高信号的采样率，通过噪声整形等方式 将信号固有的量化噪声整形到高频处，从而可以实现高精度的d a c 。 3 2 过采样d a c 的基本结构 过采样d a c 也称作数模转换器【3 孓”】，其基本思想就是采用反馈系统来 整形低比特量化器的噪声，从而以高的过采样率换取高精度。所谓增量累加调 制编码型d a 转换器：不是直接根据抽样数据的每个样值的大小进行量化编码 ( 线性脉冲编码调制l p c m ) ，而是根据前样值与后一样值之差即所谓增量的 大小来进行量化编码，在某种意义上它是根据模拟信号的包络形状来进行量化 编码。该新型转换器与n y q u i s t 率的数据转换器相比，这类电路最大的特点在于， 虽然输入信号也是以2 倍带宽的频率进行抽样，但是内部的运算和处理却采用 了高得多的时钟速率。同时过采样d a c 中数字部分的输出编码往往是字长很短， 速率很高的数据流。在目前所有的数据转换器中，过采样型数据转换器可实现 的转换精度是最高的。它通过提高过采样率以及量化噪声整形来实现有用带宽 内的高信噪比要求。由于这种结构的转换器相对传统的转换器而言比较简单， 由数字电路完成主要的数据转换工作，迎合了v l s i 技术的特点，成本低，功耗 小，特别适合于中低频的应用，如音频和信号测量，以及用于高频窄带信号处 理。本节给出过采样d a c 的基本组成结构，并阐述其主要实现原理。 过采样ad a 转换器，它由两部分组成，第一部分为用于过采样的数字插 值滤波器，第二部分为用于噪声整形的数字调制器。 数字部分 数字插值 滤波器 e a 调 制器 模拟部分 内部d a 转换电路 o s r l s o s r s 图3 3 过采样d a c 的基本结构框图 1 3 输出 群滤波器p o 1 - 一 “ 输“ 第3 章数据转换技术 过采样d a c 的基本结构如图3 3 示，其中x ( 玎) 为输入信号，y ( o 为输出信号， n 为输入比特数，疋为采样频率，o s r 为过采样率。 输入的数字信号x ( ，z ) 首先经过数字插值滤波器，该滤波器主要是对输入信 号进行抽样，得到取样率远高于信号频带的奈奎斯特频率的高分辨率数字信号， 同时滤除其他镜像频谱；接下来再让信号进入调制器进行噪声整形，整形 的过程相当于对信号进行一次重新量化，并将字长截短后的噪声调制到信号的 基带范围之外，从而得到字长被截短至1 比特的信号流。输出的1 比特码流有 时也称作脉冲疏密波，此l 比特信号进入内部d a 转换电路，被转换成模拟电 平输出。由于转换过程中仅涉及到两个电平，所以这一变换具有绝对的线性度， 而不会引入通常d a c 容易产生的非线性噪声。最后模拟型低通滤波器对转换后 的信号进行平滑滤波，滤去高频噪声和谐波信号，得到最终输出的模拟信号。 d e l t a - s i g m ad a 只使用一位d a c 就可以实现传统d a 转换器的分辨力， 再结合d e l t a s i g m a 的编码技术的过采样和噪声整形技术，d e l t a - s i g m ad a 可以 获得比传统的高速d a 转换器更好的性能，如更低的相位噪声，而不像n y q u i s t 率的数据转换器那样会引入大量的非线性噪声。同时带外的噪声能够采用廉价 的模拟滤波予以滤除。d e l t a s i g m a