可重构24bit音频过采样DAC的FPGA实现研究

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基于过采样和∑-Δ噪声整形技术的DAC能够可靠地把数字信号转换为高精度的模拟信号(大于等于16位)。采用这一架构进行数模转换具有诸多优点,例如极低的失配噪声和更高的可靠性,便于实现嵌入式集成等,最重要的是可以得到其他DAC结构所无法达到的精度和动态范围。在高精度测量,音频转换,汽车电子等领域有着广泛的应用价值。 本文采用∑-Δ结构以FPGA方式实现了一个具有高精度的数模转换器,在24比特的输入信号下,达到了约150dB的信噪比。作为一个灵活的音频DAC实现方案。该DAC可以对CD/DVD/HDCD/SACD等多种制式下的音频信号进行处理,接受并转换采样率为32/44.1/48/88.2/96/192kHz,字长为16/18/20/24比特的PCM数据,具备良好的兼容性和通用性。 由于非线性和不稳定性的存在,高阶∑-Δ调制器的设计与实现存在较大的难度。本文综合大量文献中的经验原则和方法,阐述了稳定的高阶高精度调制器的设计流程;并据此设计了达到24bit精度和满量程输入范围的的5阶128倍调制器。本文创新性地提出了∑-Δ调制器的一种高效率流水线实现结构。分析表明,与其他常见的∑-Δ调制器实现结构相比,本方案具有结构简单、运算单元少等优点;此外在同样信号采样率下,调制器所需的时钟频率大大降低。 文中的过采样滤波模块采用三级半带滤波器和一个可变CIC滤波器级联组成,可以达到最高128倍的过采样比,同时具有良好的通带和阻带特性。在半带滤波器的设计中采用了CSD编码,使结构得到了充分的简化。 本文提出的过采样DAC方案具有可重配置结构,让使用者能够方便地控制过采样比和调制器阶数。通过积分梳状滤波器的配置,能够获得32/64/128倍的不同过采样比,从而实现对于32~192kHz多种采样率输入的处理。在不同输入字长情况下,通过调制器的重构,则可以将调制器由高精度的5阶模式改变为功耗更低的3阶模式,满足不同分辨率信号输入时的不同精度要求。这是本文的另一创新之处。 目前,该过采样DAC已经在Xilinx VirtexⅡ系列FPGA器件下得到硬件实现和验证。测试表明,对于从32kHz到192kHz的不同输入信号,该DAC模块输出1比特码流的带内信噪比均能满足24比特数据转换应用的分辨率要求。 本研究受上海市科委AM基金(AM0513)资助。
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