音频信号的过采样处理及转换

摘要

本论文研究了音频信号的过采样处理技术，主要包括音频信号数/模转换、模/数转换和功率放大。过采样型数/模转换器(DAC)由升采样数字滤波器、数字AE调制器和模拟后端电路组成。过采样型模/数转换器(ADC)由模拟△∑调制器和降采样数字滤波器组成。模拟△∑调制器还可以应用于处理音频信号的D类功率放大器中。 在高精度数据转换时，过采样△∑技术是最好的选择。但这种技术消耗的面积和功耗都比较大。针对这一问题，论文对过采样型数据转换器中的数字滤波器、△∑调制器以及模拟后端电路的结构都进行了改进和优化。 论文在研究升/降采样数字滤波器的设计优化时，提出了一种高阶级联的半带FIR数字滤波器结构，即由多个低阶子滤波器级联组成高阶主滤波器。每个子滤波器的结构、系数都完全一样。因此硬件上只需实现一个子滤波器，然后重复使用即可达到多个子滤波器级联的效果。这种结构有效降低了高阶数字滤波器总体的硬件开销。 现在为了降低成本提高输出信号音质，由音频功率DAC(即DAC和功率放大器片内集成)直接驱动发声元件已成为一种潮流。本论文提出了一种1.5位无片外滤波的功率DAC结构。DAC中的1.5位数字△∑调制器，其编码特点能大幅降低因不使用片外滤波而引入的高频能量损耗。由带反馈回路的D类开关来实现DAC输出信号的功率放大，又可以有效提高输出性能和功放效率。相比传统结构，这种新型结构在面积和功耗上具有较大的优势。 本论文还研究了一种混合型单环结构的模拟△∑调制器。它的第一级采用连续时间积分器，其后几级采用开关电容采样型积分器。这种结构结合了连续型和离散型调制器各自的优点，达到了面积和性能的折中。这种模拟△∑调制器除了可以用于过采样型ADC中，还可以用于实现D类功率放大器。 根据以上这些想法，论文分别设计了一个功率DAC和一个ADC/D类功放复用电路。功率DAC采用TSMC 0.18μm工艺，芯片面积为0.5mm<'2>。驱动8Q负载时，功率DAC输出动态范围最高达到100dB以上，总谐波失真小于一80dB，带内信噪比在90dB以上，最大输出功率为436mW。ADC/D类功放复用电路采用TSMC 0.35μm工艺，芯片面积为1mm<'2>。ADC的输出动态范围在100dB以上。D类功放驱动8Q负载时，总谐波失真为-92dB，带内信噪比在90dB以上，最大输出功率为514mW。以上几个电路各自的性能测试结果均达到了设计目标，从芯片级上验证了论文中这些想法的正确性和可实现性。

目录

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摘要

第一章 前言

1.1 课题背景简介

1.2 论文简介

第二章 数据转换技术综述

2.1量化噪声

2.2数据转换器类型

2.2.1奈奎斯特型数据转换器

2.2.2过采样型数据转换器

2.3小结

第三章 插/抽值滤波器的设计与实现

3.1数据采样率转换原理

3.1.1升采样

3.1.2降采样

3.1.3插值和抽滤波器的相通性

3.2插/抽值滤波器的硬件实现

3.2.1分级滤波

3.2.2半带滤波器的硬件实现

3.2.3串联积分梳状滤波器

3.3小结

第四章 过采样型功率DAC的设计实现

4.1△∑调制器的设计实现

4.1.1高阶单环调制器的设计

4.1.2调制器的稳定性分析

4.1.3△∑调制器的1.5位输出

4.2模拟后端电路

4.2.1一阶反馈回路

4.2.2二阶反馈回路

4.3时钟抖动的影响

4.4小结

第五章 过采样型ADC的设计实现

5.1模拟△∑调制器的结构

5.1.1离散型和连续型△∑调制器的比较

5.1.2高阶△∑调制器单环结构利串联结构的比较

5.2系统级分析

5.2.1量化器过载

5.2.2输入直流分量的影响

5.2.3连续时间和离散时间积分器的结合

5.3电路级分析

5.3.1电阻-电容型连续时间积分器

5.3.2内部1位DAC

5.4过采样型ADC的应用拓展—D类功率放大器

5.4.1传统的脉宽调制(PWM)型D类功率放大器

5.4.2过采样型D类功率放大器结构

5.4.3两种D类功率放大器的比较

5.5小结

第六章 一个输出动态范围超过1 00dB的1.5比特过采样型立体声功率DAC

6.1简介

6.2插值滤波器

6.2.1高阶串联升采样FIR滤波器

6.2.2 16倍升采样CIC滤波器

6.3△∑数字调制器

6.4三电平D类功放的反馈通路

6.4.1用于差分信号处理的3电平量化器

6.4.2积分器的输入共模电平

6.4.3积分器运放的设计

6.5 D类功率管设计

6.5芯片的实现

6.6芯片测试

6.6.1 FPGA测试

6.6.2芯片实测

6.7比较与小结

第七章 一个输出动态范围超过100dB的过采样混合型ADC和D类功放复用电路

7.1简介

7.2模拟△∑调制器

7.2.1系统级

7.2.2电路级

7.2.4输入失调的分析

7.3参考源的设计

7.3.1带隙基准源

7.3.2差分参考电压发生器

7.4抽值滤波器

7.4.1抽值CIC滤波器

7.4.2抽值半带滤波器

7.5 D类功率放大器

7.6芯片实现

7.7芯片测试

7.8比较与小结

第八章 总结

8.1论文内容综述

8.2主要的工作成果

8.3下一步展望

参考文献

致谢

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